先进制造技术 第五章

机械CAD/CAM技术山东理工大学机械工程学院1第五章计算机辅助设计第一节概述第二节设计资料的程序处理第三节数据库系统简介第四节参数化绘图和尺寸驱动开发技术第五节机械CAD应用软件的开发方法2一、设计的含义

是设计者根据生产和生活的需要，通过思维、规则、分析和决策过程，最终把设想变为现实的技术方案。第一节概述3设计是创造性的劳动；设计的本质是创新；设计过程是创造性思维过程；设计的目的就是要寻求满足用户需求的最佳方案；设计的结果对产品的功能、性能、质量和价格等都有着至关重要的影响。设计的特点4成本沉淀理论—设计的重要性根据成本沉淀理论，设计成本占产品成本5-7%，但却决定产品成本的70％!设计开发生产准备加工材料消耗销售管理100%50

05%70%18%7%5%54%28%3%对成本的影响所需成本企业中成本的确定5

二、现代产品设计理论与方法产品设计阶段的重要性使人们非常关心对设计过程本质的研究，各个国家越来越重视设计理论和方法的系统研究，形成了若干设计思想流派，如：系统设计方法学多学科优化设计基于发明创造方法学的设计公理化设计6是研究产品设计规律和方法的一门科学，研究的目的是为使长期处于经验设计的设计活动变得更合理化、科学化、算法化、规律化，是利用计算机辅助人类完成更多设计活动的前提，同时为整个设计过程连续应用计算机及实现设计过程自动化提供了可能性。该学科强调对原有产品设计经验和设计实践的整理，形成产品设计的准则性知识，强调对产品设计阶段的划分，产品设计是不同阶段之间在知识支撑下的映射和反馈规程。三、设计方法学7计算机辅助产品设计是将计算机科学与工程领域的专业技术以及人的智慧和经验以现代的科学方法为指导结合起来，在设计全过程中各尽所长，尽可能的利用计算机系统来完成那些重复性高、劳动量大、计算复杂以及单纯靠人难以完成的工作，辅助而非代替工程技术人员完成整个过程，以获得最佳效果。四、计算机辅助产品设计8五、设计过程及阶段划分：根据设计方法学的观点，设计过程可以划分为若干个设计阶段，各个阶段又可以划分为若干个设计步骤。设计过程可以概括描述为下面几个阶段：91.任务规划阶段10任务规划阶段要进行需求分析、市场预测、可行性分析，根据企业内部的发展目标、现有设备能力及科研成果等，确定设计参数及约束条件，最后明确详细的设计要求作为设计、评价和决策的依据，制定产品设计任务书。112.概念设计阶段12概念设计实质上是产品功能原理的设计。首先将系统总功能分解为若干复杂程度较低的分功能－功能元，通过各种方法求得各功能元的多个解，组合功能元的解或直接求得多个系统原理解。在此基础上，根据技术、经济指标对已建立的各种功能结构进行评价、比较，从中求得较好的最佳原理方案。133.结构设计阶段14该阶段要将功能原理方案具体化为产品结构草图，以便进一步进行技术、经济分析、修改薄弱环节。这阶段的主要工作包括零部件布局排列、运动副设计、人－机－环境的关系以及零部件选材、结构尺寸等，再进行总体优化、计算，确定产品装配草图。154.详细设计阶段16详细设计是在上述装配草图的基础上，进行部件、零件的分解设计、优化计算等工作，通过模型试验检查产品的功能和零部件的性能，并加以改进，完成全部生产图样，进行工艺设计，编制工艺规程文件等有关技术文件。175.定型生产阶段18通过用户试用、设计定型，进行生产规划，投入生产制造。19六、设计类型及计算机应用深入研究各个阶段的主要任务，可将设计任务分为：（1）功能设计确定产品功能和结构之间的对应关系（2）布局设计完成技术实体部分的排列组合。（3）参数设计定义零部件的几何形状及尺寸参数（4）公差设计制定形状、位置、尺寸精度和及表面粗糙度。20针对整个设计过程中各设计任务所占的比重，又将设计划分为如下设计类型：（1）新设计

这是一种从无到有的创新性设计，或者从概念设计、功能设计开始，或者重新排列组合现有的、或新的零部件来达到设计目的。新设计需要创造性的思维。21（2）适应性设计其特点是保持总体布局不变，修改个别零部件的功能或形状以适应质和量方面的附加要求。（3）参数化设计其特点是功能、布局、零件的几何拓扑关系均保持不变，仅改变零件的尺寸参数，产生系列化的设计结果。22概念设计是设计过程的早期阶段，是从用户需求分析到生成概念产品的一些列有序的、可组织的、有目标的设计活动，它表现为一个由粗到精、由模糊到清楚，由抽象到具体，不断进化的过程。在这一阶段，设计对象具有模糊性、不确定性，因而设计的可塑性及自由度较大，发挥创造力、想象力的空间较大。在CACD系统支持下进行产品创新设计的过程，包括了产品在功能、原理、形态、色彩、布局、人机工程和结构这7个方面的创新活动。七、计算机辅助概念设计23产品概念设计作为设计过程的早期阶段，其核心就在于产品创新。一旦概念设计被确定，产品设计的60%~70%也就确定了，而概念设计阶段所花费的成本和时间在总的开发成本和设计周期中占的比例通常都在60%以下，并且很难或不能在详细设计阶段纠正产品设计的缺陷。因此产品概念设计质量与效率不仅对产品的创新性、功能的合理性、使用的宜人性和外观造型的美观性等起着决定性的作用，同时也直接影响到整个产品的开发周期、上市时间、生产成本等重要因素。24概念设计阶段的主要任务是在需求分析的基础上发展概念产品，概念产品是设计目标的第一次结构化的、基本的、粗略的但却是全面的展示，概念产品是产品总体系统特征、性能、结构、尺寸形状的描述和实现，虽然不是最终产品，却是衡量验证所设计的产品是否满足市场需求的技术基础。25强生公司的“独立3000“轮椅概念设计获得了2000年美国工业设计协会工业设计卓越奖的金奖，这种四轮工具采用了先进的陀螺仪平衡系统，可以非常方便地让使用者上下移动，升高后高度与一个站立的成年人的视线高度一样，不仅可以够着商店里的上层货架和书架上的书，还可以爬马路牙子。不仅如此，这种轮椅还模糊了使用者的身份，因为健康人也可以使用它非常便利地取高处的东西。26

Steelcase和IDEO公司共同推出的“Leap“椅子可以根据每个人的脊椎形状来调节靠背，靠背的上下部位还可以按照使用者的需要进行单独的调整，每个人都会觉得这种椅子是为自己度身定做。赫尔曼•米勒公司最新推出的“LevityTower“可调节桌子可以帮助你消除长时间在办公桌前处理公务引起的背部疲劳，只要指尖一碰桌子即可随意升降，升高时可以站立工作，降低后可以坐着办公，创造了灵活办公的新方式。27法拉利最新概念摩托车28科幻味十足的，雅马哈三轮个人型概念摩托车2930悍马H3T概念车的内部结构31兰博基尼Miura概念车32宝马概念5系gt备战79届日内瓦车展3334这款名为SoftPhone的概念手机，出自一位中国设计师之手，机如其名，SoftPhone采用一种柔软的纤维材料作为机身用料，同时能够借助光线将原本隐藏的全键盘显现出来，而通过手对机身的挤压则可以实现诸如拨打和挂断电话等功能，非常有创意。35透明化概念手机36诺基亚一款概念手机Scentsory采用了一种先进的折叠技术，使其可以像书本一样对折。Scentsory将运用一种特殊材质打造，从而使用户彻底摆脱汗水以及指纹的俄侵扰。同时，独特的左右双屏设计以及个性的键盘设计都给人异常另类之感，不知道该机能否引领未来手机产品的走向。37有助健康，泛泰概念手机inhealth38儿童用概念手机okids

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CAD技术就要求计算机在设计时把产品设计过程中要用到一些设计规范、设计标准，要查阅大量的图表、手册、标准自动地检索出来。为此必须先把这些设计资料处理成计算机能够操作的方式，让计算机能自动地查找和检索所需数据。设计中常用的规范、设计标准大多以数表、线图、公式等形式给出，所以，只需对这几种形式进行程序处理。第二节设计资料的程序处理一、设计资料的程序处理40数表中的数据可以以数组(一维、二维或三维)的形式或拟合成公式编入程序。数表按其数据间有无函数关系可分为：非函数数表和函数数表。

1、非函数数表

待查数据与对应数据之间无函数关系，如渐开线齿轮的标准模数、滚动轴承的内、外径等结构尺寸、各种传动的工况系数等等。这类数据一般用数组的形式存储，直接检索、调用，不需要改变其数据值。（一）数表的处理412、函数数表

待查数据与对应数据之间有着一定的函数关系，如中、低精度齿轮齿根弯曲疲劳强度计算中的齿形系数和应力校正系数、带传动的包角系数等。这类数表中的数据常需要通过插值的方法检索数据。42插值法的基本思想是：在插值点附近选取几个合适的节点，过这些点构造一个简单的函数g（χ）代替原来的函数ƒ（χ），这样作为插值点的函数值就用g（χ）的值代替，g（χ）也称为逼近函数。

最常用的逼近函数g（χ）为代数多项式，常用的为线性插值法和抛物线插值法

.43

1、有原始数学公式的线图找到线图的原始公式，将公式编入程序。这是最精确的程序化的处理方法。

2、无原始数学公式的线图将线图离散成数表，再按数表的处理方法处理。这种方法占计算机内存大，且精度也不高。（二）线图的处理443、有些线图本来就是试验数据、经验公式的图形化，

采用曲线拟合把这些线图重新拟合成公式编入程序，准确性较高。曲线线图拟合的方法很多，最常用的是最小二乘法。在这种方法中，需要用与线图曲线相近的函数进行拟合，采用何种函数，视曲线的形状而定。常用线性拟合、幂函数或指数函数拟合或多项式拟合。451．使用方便、快捷2．数据依赖于程序而存在，若要修改数据，就要修改程序3．同样的数据资料存在于不同的应用程序中，无法共享。（三）特点461．概念：把一组相关数据元素的集合以文件的形式组织和保存，当程序需要用到数据时，通过有关语句打开数据文件进行读取。2．特点

1）优点：数据以文件形式存储后，就可以与数据操作的处理程序分离开，当数据有变化时，只需更改数据文件，而程序保持不变。二、数据资料的文件化47

2)缺点

1）专用性：数据文件是面向应用问题的，文件结构一般是用户专有。各用户都有自己建立的一套文件结构，造成大量的数据冗余和不一致性。

2）依赖性：文件中数据的逻辑定义、物理存储、组织方式及存储方法由程序员在应用程序中设定，数据文件一旦离开其所依赖的应用程序将失去存在的意义。

3）无结构性：文件结构中的数据一般只反映单一事物的信息，不能描述各种数据之间的联系。483．分类

文本文件：

用于存储行文档案资料，如技术报告、专题分析、论证材料等，可以利用任何一种计算机文字处理工具软件建立。

数据文件：

是记录的集合，有自己固定的存取格式，用于存储数值、短字符串数据，如零件编码、切削参数、标准零件尺寸等，通常用语言的文件管理功能实现文件的建立、数据的存取。49

不能在不同的系统间共享数据存储量小，不同满足系统的需要难以存储结构复杂、操作要求高的数据。三．设计资料的程序化和文件化的缺点50

CAD/CAM集成系统要实现系统中各应用程序所需要的及产生的各种信息的存储、交流和操作使用，因此信息的集成问题最终反映出、表现出的是数据的交换和共享问题，目前数据库技术是能较好地解决共享问题的数据处理方法，数据库技术是CAD/CAM集成系统的关键技术之一。数据库系统是由数据库、数据库管理系统、数据库应用程序及支持数据库管理系统的操作系统所组成。第三节数据库系统简介511．数据库（Database）：

是一个可满足多个用户、多种应用的需要、在计算机系统中按一定的数据模型组织、存储的相互联系的数据集合。用户可以采用各种方法来对数据进行各种组合以满足各种应用。数据库和图书馆相似，图书馆的任务是存储和负责借用图书资料，数据库的任务是存储数据并负责用户访问数据。

一．概念52

数据库不能仅仅理解为存储数据的集合，应看作是一个系统，既数据库系统，一个图书馆要很好的为读者服务必须完成以下工作：

1）

建立完善书卡

2）

图书应有组织的存放在书库里

3）

规定借阅权限

4）

建立周密的借阅管理制度数据库也应该完成类似的工作：53

1）数据库应建立数据模型，使用户可以根据数据模型访问数据库中的数据，而不必关心数据库中的物理存储位置。数据模型应该象书卡一样可以反应各种数据建立的内在联系。

2）数据应该有组织的存放在存储设备上，并建立数学模型到物理存储位置的对应表，使数据库管理系统能按照用户的访问找到被访问数据的存储位置。541．复杂的数据模型数据库在描述数据的同时，也描述数据之间的联系。2．数据的共享性好，冗余度低。数据库从整体观点处理数据，面向系统，弹性大，易扩充，使用方式灵活，实现了数据共享。二．数据库的特点：553．数据的独立性数据可以独立于程序而存在，应用程序不必随数据结构的变化而变化，数据库本身有操作功能，不需要应用程序额外负担数据操作任务。4．数据具有安全性、完整性。数据库系统提供对数据的保护，防止不合理的使用，保证数据的完整性。56数据模型（DataModel）：

是一种人们对现实世界进行描述的工具，不仅描述数据本身的内容，也描述数据与数据之间的关系。数据库的核心问题是研究如何表示和处理数据间的联系。三．数据库的数据模型571）层次模型层次模型也称为树状模型，其数据结构呈树型结构，如图所示。是数据库系统用的最早的一种数据模型。层状模型节点间联系简单，层次分明，结构清晰，但只能反映一对一或一对多的联系。支持层次模型的典型系统是IBM公司的IMS(InformationManagementSystem)系统。58592）网状模型网状模型，其数据结构呈网状，如图所示。网状模型允许每个结点有多个父结点和多个子结点，是一种多对多的联系。网状结构可以描述实体之间的复杂联系，但在概念上，结构上及实现起来都比较复杂。支持网状模型的典型系统是DBTG(DataBaseTaskGroup)系统。60613）关系模型关系模型就是一张二维表，用二维表来描述实体间的关系和实体间的联系，如下表。关系模型数据之间的关系简单明了，有严格的数学基础，用户易懂易用，因此关系数据库得到了很大的发展,也是当今计算机世界所流行的一种数据库系统，如FoxBASE,FoxPro、Access等。6263数据库管理系统（DBMS）：

是数据库系统的核心，是统一管理整个数据库系统的应用支撑软件，具有数据库的定义、管理维护、通信以及设备控制等功能。

DBMS的中心任务把对数据库的各种操作转换到物理级去执行。目前有许多商品化的DBMS。四．数据库管理系统641．DBMS的基本功能

1）数据库定义和存取功能

DBMS的最基本功能是有效地执行数据库语言，包括数据库模式定义、子模式定义、存储结构定义和数据的增、删、改、查等功能。

2）数据库控制功能

这是DBMS的核心部分，包括控制系统的运行、用户的并发访问、安全性检查、恢复机制、完整性约束条件的检查和执行等。

653）数据维护功能

包括数据库的建立、数据的更新和再组织、数据的转换转储和恢复等以及数据库性能监视。4）通信功能

和操作系统协作处理库内外数据的传输。66用户使用数据库，必须对数据库进行各种操作，包括对数据模式的定义，数据的增、删、改、查和控制等，这就要求DBMS必须为用户提供相应的命令和语言来完成这些操作，也就是用户和数据库的接口。目前应用最广泛的是SQL语言。

SQL语言（StructuredQueryLanguage）是关系数据库的标准语言。精致、简洁、命令数量不多，但具有对数据库操作的基本功能。SQL语言是一种非过程语言，即用户只须用SQL语言说明“做什么”，而无须指明“怎么做”；可以以交互命令的方式使用，也可以嵌入主语言在程序中使用。2．数据库语言673．DBMS的分类

1）微机方式下简单的DBMS。常见的有FoxBase、Foxpro、Access等。这些系统既有单机版也有网络版。操作简单，价格低廉，应用广泛。

682）分时系统环境下，集中式数据库体系结构。在这种系统中，数据是集中的，数据管理也是集中的，数据库系统的核心结构都集中在DBMS所在的中心计算机上，各用户借助终端共享中心DBMS上的功能和资源，如ORACLE系统。3）网络环境下的客户/服务体系结构。

Client/Server是随着LAN的发展而提出来的，目前成为计算机LAN下的一种主流体系结构。69工程数据库:

指能满足人们在工程活动中对数据处理要求的数据库.

因为工程上所处理的数据，其对象、类型、结构、性能要比商务上复杂的多，工程数据库系统较之一般数据库系统有诸多区别和特点。五．工程数据库系统（EDBMS）701．工程数据库管理系统与传统数据库管理系统的区别和特点

1）管理对象一般数据库:是静态的工程数据库:管理静态的数据高度动态的数据712）数据的类型一般数据库:字符串和数值类型，工程数据库:字符串和数值，大量的复杂数据类型的数据3）数据结构一般数据库:关系模型工程数据库:多数是树状的继承关系，还有复杂的网状结构，724）数据库的变化一般数据库:数值多变，结构变化缓慢的，工程数据库:设计者作为工程数据的全权使用者，必须让其对库的数值和结构上都可作改动、以满足设计过程中的多变性。735）信息种类工程数据包含的信息种类繁多，如：（1）产品的图形信息：（2）产品的文字数据信息：（3）设计所需参数和分析计算数据：（4）工艺数据：加工设备、工艺规程、工序文件及加工的数控代码等。746）系统的分层结构一般数据库:支持事物处理功能，但商务性、管理性的事务规律性较强，便于实现。工程数据库:涉及的数据结构繁多、复杂，并需要多次的反复和修改。所以需要设计分层结构的数据库系统，来解决工程中的长事物处理问题。系统的分层结构如图5-7。75761)改造现在的一般数据库使之支持工程数据处理。它利用一般数据库的优点，辅之以图形处理的手段，集成为一个工程数据库系统，或以一般数据库为核心，扩充CAD/CAM应用所需要的若干功能模块组成一个工程数据库系统。目前国内研制的工程数据库大多采用这种方法。

2)分析、拆解一般数据库的源代码，按照工程数据库的要求修改原组织结构、概念模式，扩充强化功能。IBM公司SanJose研究实验室推出的“扩充的SystemR”工程数据库就属于此类。2．工程数据库系统的构成方法773)

研制新的数据模型，开发新的工程数据库系统在现有的一般数据库系统下改造，往往很难实现真正的工程数据库要求的功能。因此人们试图开发新的数据库模型和数据库管理方法，面向对象的数据库系统（OOEDBMS）就是这种数据库的代表。OOEDBMS虽然已经有人在研制开发，但未形成商品化。783、工程数据库技术的发展趋势

1）新型化：

2）智能化：

3）巨型化：

4）工具化：

5）分布式：

6）集成化：79

CAD的应用软件是在系统软件、支撑软件的基础上，针对某一专用的产品或行业或专门的用途而研制的软件。这类软件由用户根据实际设计工作的需要而自行研制的。这个研制工作可以从底层开始开发，也可以利用已有的支撑软件进行“二次开发”。要保证应用软件的先进性和开发的高效性，一般都是在这些支撑软件的基础上进行二次开发。第五节

机械CAD应用软件的开发方法80

支撑软件主要用来实现几何建模、绘图、工程设计计算和分析等功能。根据其应用可分以下几类：1、计算机分析软件（辅助工程软件）这类软件主要用于工程设计中的各种数值计算和分析。以现代计算力学为基础，以计算机仿真进行工程分析，实现产品的优化设计。其主要包括有限元分析法、边界法等方法。计算机分析软件很多，如ANSYS、ADAMS、CSA/Nastran、FLDAP、LS-NLKE3D等。一些软件还具有较强的前后置处理能力。一．支撑软件812、CAD/CAE/CAM软件系统这些软件支持二维和三维图形方式下进行产品及零件的定义。

1）SDRC公司的I-DEAS软件是一个综合的集成化CAD/CAE/CAM系统。除了CAD、CAE、CAM功能外，还具有测试数据分析、仿真项目管理、开放结构等功能。

2）PTC公司的Pro/Engineer软件是一个全参数化和基于特征的CAD/CAM系统。823）EDS/Unigraphics公司的Unigraphics（UGⅡ）系统是一个综合性的设计、分析、制造一体化集成系统。除了CAD/CAE/CAM功能外，还具有CAQ（计算机辅助质量控制）、CAT（计算机辅助测试）、CAPP（计算机辅助工艺规划）等功能。4）Autodask公司的AutoCAD

目前的版本是AutoCAD2006，是目前微机上应用最为广泛的通用的交互式计算机辅助绘图与设计软件包。833、数据库管理系统（DBMS）目前有许多商品化的软件，有微机方式下简单的DBMS：如FoxBase，Foxpro，AccEss等；分时系统环境下，集中式数据库体系结构：如ORACLE等；网络环境下的客户／服务体系结构：如Client/Server等。这些DBMS大都属于关系型数据库管理系统，常用于商业事务管理。这些数据库经过改造使之支持工程数据处理，但很难实现真正的工程数据库所要求的功能。844、网络服务软件数据交换和共享是当今CAD必不可少的手段，如企业内部各部门间的数据共享与传递、企业与企业之