西华大材料成型CAD与CAM基础课件02计算机辅助设计（CAD）技术基础

第二章计算机辅助设计（CAD）技术基础2-1计算机辅助设计系统的组成与分类（1）基本组成CAD/CAM系统

硬件系统

软件系统

计算机外围设备联网设备系统软件支撑软件数据库应用软件（2）硬件要求性能要求较高的图形输入、输出设备较高的运行速度—CAD软件中大量的复杂的数值计算足够的外部存储空间---计算过程中大量的图形、图像、技术文件、优化分析结果、图形库、数据库和配套的应用软件较好的网络性能—设计网络系统的速度、稳定性、安全性等（3）软件组成（A）操作系统具有下述功能：管理CPU；管理存储器；管理外部设备；管理文件；网络通信功能；其它为用户开发应用软件服务的特定功能。（B）支撑软件主要功能：图形处理；三维产品建模；有限元建模与分析；机构运动分析；数据信息交换；工程数据管理；二次开发工具。（C）数据库把手册和资料中的数表、线图数据事先存放在数据库中，要求具有图形和非图形数据处理的能力。（D）应用软件面向用户（如某一企业、某一类产品或某一个工程），如开目CAD、大恒CAD、华正CAD、圆方CAD、大方CAD。搬运机械NC机床机器人自动测试装置TCP/IP网络主机扫描仪数字相机操作杆光笔鼠标键盘绘图仪打印机磁盘机………..CAD/CAM硬件系统的组成显示器CAD/CAM系统的硬件布局形式独立式系统

以一个主机为中心．可以支持多个终端运行，共享一个CPU．这种系统的优点是用户共享主机系统的资源。系统可以配置较大的内存和外存，以及高精度、高速度、大幅面的图形输入输出设备；可以装备中心数据库．通过数据库管理系统集中管理和维护全部数据；可以运行规模较大的支撑软件和应用软件，设计、计算、绘图、分析等工作结合起来，进行复杂的作业。当增加新的用户，即增加较多的终端时．平均每个终端的投资相对较少。主机系统缺点：一方面．当主机出现故障时．整个系统佳处于瘫痪状态．将会中断所有用户的作业；另一方面．当用户数量增加时．每个终端的处理速度及响应时间就会相应的减慢．尤其是在做复杂的分析或大量的数据运算时就更为明显。工作站系统工作站是介于个人机与小型机之间的一种计算机、通常具有较高的性能，支持高分辨率彩色图形显示器；具有良好的人机界面；同时，还可支持高技术指标的外围设备及网络环境。近年来,工作站的性能价格比不断提高，已成为当前CAD／CAM的主要硬件环境个人机系统

个人机即通常所说的PC机。与前述几类相比，PC机成本的，运算的速度和处理能力相对较低，但随着微机硬件技术的提高以及软件开发水平的提高，PC机上的CAD/CAM系统也逐步显示出其独特的优势．一方面，硬件配置与工程工作站的差距越来越小；另一方面，PC机上CAD系统已从单纯的简单计算、二维图形处理发展为具有三维交互设计、实体建模、有限元分析、优化设计等功能的综合设计系统。分布式系统所谓分布式系统，是利用计算机技术及通讯技术将分布于各处的计算机以网络形式联接起来．网络上各个结点可以是微机，也可以是SUN、HP、SGI等工作站；网络上结点分布形式可以是星型分布、树型分布．也可以是环型分布。分布式系统的特点是系统的软、硬件资源分布在各个结点上。每个结点有自己的CPU和外部设备．使用速度不受网络上其它结点的影响。通过网络软件提供的通讯功能．每个结点的用户还可以享用其它结点的资源，例如．大型自动绘图仪、激光打印机等硬件设备，也能够共享某些公共的应用软件及数据文件。这类系统的配置和开发投资可以从小到大进行，易于扩展，有利于逐步提高CAD／CAM系统的技术性能：有利于各专业同时进行那些负责的、需要处理大量信息的工程工作。CAD/CAM系统中，硬件应具有以下几项基本功能：性能要求较高的图形输入、输出设备较高的运行速度足够的外部存储空间较好的网络性能CAD/CAM系统的软件计算机是按照程序和数据进行工作的，相对于计算机及其外围设备而言，这些程序、数据及相关的文档就是软件。软件着重研究如何有效地管理和使用硬件，如何实现人们所希望的各种功能要求，因此，软件水平的高低直接影响到CAD/CAM系统的功能、工作效率及使用的方便程度，软件包含了管理和应用计算机的全部技术。根据在CAD/CAM系统中执行的任务和服务的对象的不同，可将软件系统分为三个层次；即系统软件、支撑软件和应用软件系统软件：工作站为UNIX，微机为DOS,WINDOWS等支撑软件：支撑软件是CAD/CAM系统的核心，它不针对具体的设计对象，而是为用户提供工具或开发环境，不同的支撑软件依赖一定的操作系统，又是各类应用软件的基础。一般包括以下几种类型：绘图软件几何建模软件有限元分析软件优化方法软件数据库系统软件系统运动学/动力学模拟仿真软件计算机辅助工程软件应用软件：用户为解决实际问题而自行开发或委托开发的程序系统。应用软件的模块化结构不仅可以方便地调试和管理，而且可以提高使用的柔性、可靠性和经济性对CAD而言，按系统运行时设计人员介入的程度，以及系统的工作方式，可以将应用软件分为以下几种类型：检索型自动型交互型智能型检索型特点：以参数化设计技术为基础。适用范围：设计已定型的、标准化的和系列化程度很高的产品。检索型CAD系统工作流程例如：设计滚动轴承GB277-89自动型：设计者预先将待解决的问题，建立数学模型，找到目标函数，将其求解过程编制成程序输入计算机，系统运行时，根据输入的参数自动进行数学模型求解，不需人的介入。应用范围：事先能够用数学模型描述的一类设计问题人机交互型特点：人的主导作用贯穿整个设计过程。适用范围：从产品概念设计到产品最终设计。输入设计要求建立产品模型分析优化模型细节与结构设计输出图样,文档等评价数据库图形库程序库YYN到CAM系统智能型特点：利用知识库和推理机制完成设计工作。适用范围：未来的CAD系统。智能型CAD系统工作原理CAD/CAM系统选择原则CAD/CAM系统硬件选择不仅要适应CAD/CAM技术发展水平，而且要满足它服务的对象，应以使用目的和用户所具有的条件（包括经费、人员技术水平等）为前提，以制造商提供的性能指标为依据，以性能价格比及其适用程度为基本出发点，综合考虑各方面因素加以决策，具体应考虑以下几个方面：系统功能系统的开放性和可移植性系统升级扩展能力系统的可靠性、可维护性与服务质量CAD/CAM系统的软件选择原则软件性能价格比与硬件匹配二次开发环境开放性软件商的综合能力2-2几何造型技术几何造型－－利用计算机系统描述物体的几何形状，建立产品几何模型的技术。通过这种方法定义、描述的几何实体必须是完整的、唯一的，而且能够从计算机内部的模型上提取该实体生成过程中的全部信息，或者能够通过系统的计算分析自动生成某些信息几何造型的主要作用：为图形的显示和输出提供信息；为各种应用程序.（如，结构设计、受力分析、成型模拟、图形变换、数控加工等）提供信息。由于客观事物大多是三维的、连续的，而在计算机内部的数据均为一线的、离散的、有限的，因此，在表达与描述三维实体时，怎样对几何实体进行定义，保证其准确、完整和唯一几何建模的方法：是将对实体的描述和表达建立在几何信息和拓扑信息处理的基础上。几何信息：物体在空间的形状、尺寸及位置的描述；拓扑信息：构成物体的各个分量的数目及相互之间的连接关系按照对这两方面信息的描述及存贮方法不同，三维几何建模系统可划分线框建模、表面建模和实体建模三种主要类型(1)线框造型线框造型是利用基本线素来定义设计目标的棱线部分而构成的立体构架图。在计算机内部，存贮的是该物体的顶点及棱线信息，将实体的几何信息和拓扑信息层次清楚地记录在顶点表及边表中。线框造型特点：

采用线框建模的描述方法所需信息最少．数据运算简单。所占的存贮空间也比较小．另外．这种建模方法对硬件的要求不，容易掌握．处理时间较短。但是，线框建模也有局限性。一方面．线框建模的数据模型规定了各条边的两个顶点以及各个顶点的坐标．这对于由平面构成的物体来说．轮廓线与棱线一致、能够比较清楚地反映物体的真实形状．但是对于曲面体，仅能表示物体的棱边就不准确了。例如表示圆柱的形状．就必须添加．对有些轮廓就必须描述圆孤的起点、终点、圆心位置、圆弧的走向等。另一方面，线框建模所构造的实体模型．只有离散的边．而没有边与边的关系．即没有构成面的信息．由于信息表达不完整，在许多情况下．会对物体形状的判断产生多义性。由于建模后生成的物体所有的边都显示在图形中．而大多数的三维线框建模系统尚不具备自动消隐的功能．因此无法判断哪些是不可见边，哪些又是可见边。对同一种线框模型．难以准确地确定实体的真实形状．这不仅不能完整、准确、唯一地表达几何实体，也给物体的几门特性、物理特性的计算带来困难。（2）曲面造型

基本曲面能够用初等数学解析式描述的曲面。例如：轨迹曲面由二维曲线在三维空间运动的轨迹所构成的曲面。拉伸表面ExtrudedSurface（路径是直线）旋转表面RevolvedSurface扫动曲面SweptSurface

截面曲线沿由任意空间曲线代表的路径移动而构成的曲面。路径可以有多条（如6,7），截面曲线也可以有多条（如1～5）。蒙皮曲面

覆盖在一组线条上的曲面称为蒙皮Skin。

规则表面RuledSurface

由两条互不相交的空间曲线扩展而成的规则表面。平坦表面PlanarSurface

由封闭的二维线框构成的表面。

其它曲面如：孔斯（Coons）曲面、Bezier曲面、B样条曲面、非均匀有理样条(NURBS)曲面等。

优点：可以描述各种各样的面（如，平面、二次曲面和自由曲面等）；便于曲面求交线和进行几何体的消隐处理，能够为CAM提供加工信息。

缺点：对面存在于物体的哪一侧定义不明确；无法判断建立的物体是实心体还是壳体，难以对表面模型进行物性分析。（3）实体造型

线框建模和表面建模在完整、准确地表达实体形状方面各有其局限性，要想唯一地构造实体的模型，还需采用实体建模的方法。

实体建模的原理

实体建模的标志，是在计算机内部以实体描述客观事物．利用这样的系统，一方面可以提供实体完整的信息，另一方面，可以实现对可见边的判断，具有消隐的功能。实体建模是通过定义基本体素，利用体素的集合运算或基本变形操作实现的，其特点在于覆盖三维立体的表面与其实体同时生成．由于实体建模能够定义三维物体的内部结构形状．因此，能完整地描述物体的所有几何信息，是当前普遍采用的建模方法实体生产的方法

按照物体生成的方法不同，实体建模的方法可分为体素法、扫描法等几种．

1．体素法体素法是通过基本体素的集合运算构造几何实体的建模方法。每一基本体素具有完整的几何信息，是真实而唯一的三维物体．体素法包含两部分内容；一是基本体素的定义与描述，二是体素之间的集合运算．常用的基本体素有长方体、球、圆柱、圆锥、圆环、锥台等．如图所示．描述体素时，除了定义体素的基本尺寸参数外，例如长方体的长、宽、高，圆柱的直径、高等，为了准确地描述基本体素在空间的位置和方向，还需定义基准点，以便正确地进行集合运算．体素间的集合运算有交、并、差三种．以两个三锥体素为例．运算结果如图所示．2．扫描法

有些物体的表面形状较为复杂．难于通过定义基本体素加以描述．可以定义基体，利用基本的变形操作实现物体的建模．这种构造实体的方法称为扫描法．扫描法又可分为平面轮廓扫描和整体扫描两种。平面轮廓扫描是一种与二维系统密切结合的方法．由于任一平面轮廓在空间平移一个距离或绕一固定的轴旋转都会扫描出一个实体，因此，对于具有相同截面的零件实体来说，可预先定义一个封闭的截面轮廓．再定义该轮廓移动的轨迹或旋转的中心线、旋转角度．就可得到所需的实体，如图所示。

所谓整体扫描就是首先定义一个三维实体作为扫描基体，让此基体在空间运动，运动可以是沿某方向的移动．也可以是绕某一轴线转动．或绕一面的摆动，运动方式不同．生成的实体形状也不同，如图所示．整体扫描法对于生产过程的于涉验，运动分析等有很大的实用价值．尤其在数控加工中对于刀具轨迹的生成与检验方面更具有二要意义。概括地说，扫描变换需要两个分量，一个是被移动的基体．另一个是移动的路径。通过扫描变换可以生成某些用体素法难于定义和描述的物体模

优点：对各侧面有明确的定义（与法矢量方向一致为外侧面，相反为内侧面）；能够唯一的表现物体；有利于物性分析和有限元分析。

缺点：数据量大，数据结构复杂，且缺乏明确的工程意义。（4）

特征造型技术A.传统造型的不足：只含物体的几何信息和拓扑信息。P20B.特征造型：定义：将特征作为产品描述的基本单元，并将产品描述成特征的集合。每一个特征，通常又用若干属性来描述，以说明形成特征的制造工序类别及特征的形状、长、宽、直径、角度等满足生产的要求。除几何信息和拓扑信息外，还包含能反映物体特点（属性）的非几何信息等，e.g尺寸公差、工艺（表面）处理、制造信息。C.功能要求#参数化设计功能#基于特征设计思想#采用通用数据交换标准特征的含义－－反映产品零件特点、可按一定原则分类的产品描述信息。例如：产品特征孔类槽类下陷类凸起类台阶类边过渡通孔盲孔通槽盲槽－－直通孔、锥通孔、沉头通孔等－－盲直孔、盲锥孔、盲沉头孔、盲螺纹孔等－－T型、V型、燕尾槽、圆弧槽等－－键槽等－－矩形凹陷、弧形凹陷、环形凹陷等－－圆柱凸起、矩形凸起等－－矩形台阶、内外园台阶、斜台阶等－－倒角、园角等基体类－－板、块、柱、锥、环、球等

右图零件的特征描述：特征造型的主要优点：使造型对象更具工程意义（如，模板、型腔、通孔等）；将尺寸、公差、表面粗糙度和热处理等属性信息附着在零件的几何特征上，为零件加工提供统一的数学模型。型腔板模板矩形槽直通孔材料、热处理、尺寸精度、形位公差、表面粗糙度等尺寸精度、形位公差、粗糙度等精度、粗糙度等2-2-3参数化造型技术造型对象的几何形状、拓扑结构固定，但尺寸不固定；改变尺寸即改变对象的大小。通用性较差。适合于标准件、通用件和系列件的设计与绘图。例如：2-2-4约束变量驱动造型技术组成几何对象的各图素之间存在约束（尺寸、形状、位置等）。适合于草图设计、装配设计和方案选型等场合。xyR局部求解边作图边记录约束条件（用特征树维持约束）例如右图零件：零件板圆角凸台通孔几何推理利用专家系统，检查约束的有效性。如上图，判断孔和凸台是否超出板的边缘。辅助线求解利用辅助线作为约束条件。下图的对称线即为约束条件，两孔中心必须以垂直中心线对称，并与水平中心线共线。CAD工程数据库管理系统CAECAM专家系统技术优化设计方案零件信息改进零件结构NC指令CAD/CAE/CAM系统功能模型图设计任务书用户需求产品模型CAD/CAE/CAM一体化技术2-3产品数据交换技术产品数据不仅包括产品模型的几何图形数据，还包括制造特征、尺寸公差、材料特性、表面处理等非几何数据。产品几何描述，如线框表示、几何表示、实体表示以及拓扑、成形及展开等：产品特性，长、宽等体特征；孔槽等面特征；旋转体等车削件特征等；公差、尺寸公差与形位公差；表面处理，如喷涂等；

材料，如类型、品种、强度、硬度等；说明，如总图说明等．其他．如加工、工艺装配等。产品数据交换标准是为实现不同的CAD系统之间以及CAD／CAM内部信息集成，与硬件设备无关的通用标准化软件接口，目的是实现信息资源共享。产品数据是指定义某一零部件或构件所需要的几何、拓扑、公差、关系、性能和属性等数据。

产品数据的内容：

借助统一的产品数据模型和工程数据库管理系统进行交换CAD/CAM系统A统一的产品模型和数据库管理系统CAD/CAM系统B2-3-1产品数据交换途径：借助专用或标准（中性）文件进行交换（P25）CAD/CAM系统A专用或标准文件CAD/CAM系统B2-3-2常用产品数据交换标准简介（1）图形数据交换规范IGES（InitialGraphicsExchangeSpecification）

由美国国家标准局（NBS）主持成立的由波音公司和通用电气公司参加的技术委员会于1980年编制出的初始图形信息交换技术规范。它开创了国际性的CAD／CAM技术的数据交换文件格式标准化工作。我国于1993年9月将IGES3.0作为国家推荐标准。

IGES模型指用于定义某产品的实体的集合。定义IGES模型就是通过实体，对产品的形状、尺寸以及某些说明产品特性的信息进行描述。实体是基本的信息单位。它可能是单个的几何元素，也可能是若于个实体的集合。实体可分为几何实体和非几何实体。几何实体定义与物体形状有关的信息，包括点、各种类型的曲线、曲面、体以及结构相似的实体所组成的集合。IGES4.0中包括几何定义、有限元模型和CSG模型。非几何实体提供将有关实体组合成平面视图的手段，并用注释和尺寸标注来丰富此模型。此外。它还可向单个实体或一个实体组合提供特有的属性或特征、组合实体的定义和实例。非几何实体又分为两类；注释——提供信息的字符串或符号，但并不是几何模型的一部分；结构——提供有关将实体组合成一个组合实体的手段

IGES文件结构 特征段FlagSection：表示数据的存储格式； 起始段StartSection：文件序言；是对文件的介绍，供人阅读 全局段GlobalSection：为前、后置处理程序提供的接口信息； 实体索引段DirectoryEntrySection：检索实体的入口； 参数数据段ParamenterDataSection：每个实体的记录； 结束段TerminateSection：归总起始段、全局段、实体索引段和参数 数据段中的记录数。

IGES在交换产品数据中存在的问题

IGES定义的实体主要是几何图形方面的信息，其他信息交换不充分。交换复杂图形时容易丢失某些信息（部分语法结构不统一造成）；交换文件占用的存储空间较大，数据处理时间较长。

STEP采用统一的产品数据模型以及统一的数据管理软件来管理产品数据，各系统间可直接进行信息交换，它是新一代面向产品数据定义的数据交换和表达标准，它采用EXPRESS语言描述信息模型，便于表示复杂实体，表达形式统一；另外STEP采用应用协议（ApplicationProtocol）来保证语义的一致性．应用协议说明了如何用STEP标准的集成资源来解释产品数据模型以满足工业需求，即根据不同应用领域的实际需要，选定标准的逻辑子集或加上必须补充的信息作为标准强制地要求各应用系统在交换、传输与存储产品数据时符合应用协议的规定。（2）产品模型数据交换标准STEPStandardfortheExchangeofProductModelData

STEP技术提供一种不依赖于具体系统的中性机制，它规定了产品设计、开发、制造，以至于产品全部生命周期中所包含的诸如产品形状、解析模型、材料、加工方法、组装分解顺序、检验测试等必要的信息定义和数据交换的外部描述、因而STEP是基于集成的产品信息模型。

STEP的应用范围非常广泛。STEP的标准内部划分成许多子标准，其内容分别涉及几何、拓扑、外形表示、特征、外形表示接口、公差、材料、产品数据表示、绘图、机械产品结构、建筑工程结构、船舶模型、电子产品、有限元分析以及数据转换等。以后的版本又增加运动机构、标准零件、工艺规模、质量管理、加工制造、测试和产品寿命等内容。特点：采用统一的产品数据模型和统一的数据库管理系统来定义和管理数据，可以在各CAD/CAM系统之间直接交换信息。（3）DXF文件交换格式（一个事实上的图形文件交换标准）AutoCADDXFout命令生成DXF文件程序读DXF文件AutoCADDXFin命令读入DXF文件程序生成DXF文件其他CAD系统或计算程序

DXF文件结构标题段HEADRER

图形文件当前的工作环境设置记录；表段TABLES

当前图形编辑的支撑环境记录：视口表VPORT、线型表LTYPE、图层表LAYER、字体表STYLE、视图表VIEW、用户坐标系表UCS、尺寸标注式样表DIMSTYLE和应用程序标识表APPID；

块段BLOCKS

图块记录；实体段ENTITIES

实体（类型、几何参数等）及其属性（实体所在图层、线型、颜色等）的记录；结束段ENDOFFILE

一条记录，即0EOF。记录组成：组码＋码值组码（正整数）定义记录类型，如：6－线型名、20－y坐标初始值，等等；码值（实数、字符和字符串） 对应组码所从事的工作，即记录产生当前图形的每一步细节。

如：0 实体

CIRCLE圆 5 半径

40

100 圆心坐标（x,y,z）

0STL类型文件是CAD／CAM中广泛使用的一类三维空间造型存储文件，它最初来源于快速成型技术及反求工程，目前几乎所有的三维造型软件都具有输出此类文件的功能。该类文件主要的优势在于简单、适应性好，即可以输出各种类型空间表面。文件中只包含有相互衔接的三角形面片节点坐标及其外法矢，属于“中性”文件，可以在不同的CAD／CAE／CAM系统进行转换。尽管IGES，STEP类型文件也具有很好的描述空间造型的能力，但在不断变化的空间表面描述上(金属塑性成形过程)，目前只能采用三角形或四边形描述，也就是说只能采用将任意空间表面离散成网格，以三角形网格形式输出、存储。（4）STL文件交换格式利用STL数据格式表示立体图形的方式较为简单，对于任何一个独立的空间实体，都可借助其表面信息进行描述，而表面信息则是由许许多多空间小三角面片的逼近体现出来，通过记录各小三角面片的顶点和法向矢量信息来间接描述原来的立体图形。

STL数据遵循的规则有：共顶点规则：每一个三角面片必须与每个相邻的三角面片共用两个顶点，即一个三角面片的顶点不能落在相邻的任何三角面片的边上；取向规则：单个面片上的法向量满足右旋定则，其正向必须朝着实体外侧，且与相邻面片的法向量协同（即如果将两个相邻面片合并成一个曲面、则两个面片的法向应该指向曲面的同一侧）；充满规则，三角面片必须布满三维模型的所有表面，不得有任何遗漏；取值规则，每个顶点的坐标值必须是非负的，即STL实体应该在第一象限。2-4计算机辅助工艺规程设计（CAPP）1工艺规程设计的任务工艺规程设计是工厂工艺部门的一项经常性技术工作是生产技术准备工作的第一步，也是连接产品设计和产品制造的桥梁。以文件形式确定下来的工艺规程是进行工艺装备制造和零件加工的主要依据，它对组织生产、保证产品质量、提高生产率、降低成本、缩短生产周期、改善劳动条件都有着直接的影响是生产中的关键性工作。

工艺规程设计的主要任务是为被加工零件选择合理的加工方法、加工顺序、工、夹、量具，以及切削条件的计算等，使能按设计要求生产出合格的成品零件。主要内容有：选择加工方法和采用的机床、刀具、夹具及其它工装设备安排合理的加工顺序选择基准，确定加工余量和毛坯，计算工序尺寸和公差。选用合理的切削用量。计算时间定额和加工成本。编制包含上述所有资料的工艺文件。其核心内容是选择加工方法和安排合理的加工顺序。传统的工艺规程设计方法

工艺规程设计处于产品设计和制造的接口处，需要分析和处理大量信息。既要考虑产品设计图样上有关零件结构形状、尺寸公差、材料、批量等方面的信息，又要了解制造中有关加工方法、加工设备、生产条件、加工成本、工时定额，甚至传统习惯等方面的信息、各种信息之间的关系又极为错综复杂，设计工艺规程时必须全面而周密地对这些信息加以分析和处理。传统的工艺规程设计缺点：

耗时

长期以来，传统的工艺规程设计方法一直是由工艺人员根据他们多年从事工厂生产活动而积累起来的经验，以手工方式进行的。这包括查阅资料和手册，进行工艺计算，绘制工序图，填写工艺卡片和表格文件等工作、其中，花费在书写工艺文件上的时间占30％，工艺规程的设计质量完全取决于工艺人员的技术水平和经验。质量不易保证经验是一种宝贵的知识，但经验需要较长时期的积累，而且，由于每个工艺人员的经验有限，习惯不同，技术水平也不一样，因而用手工编制的工艺规程缺乏一致性，很难得到最佳的制造方案。对同样的零件由不同的工艺人员设计，会得出多种不同的工艺方案。因此，依靠个人经验。用手工方式设计的工艺规程一致性差，质量不稳定，难以达到优化的目标。重复性劳动多当工厂生产一个产品时，每个零件都要设计一个工艺规程，当产品更换时，原有的工艺规程便不再使用，必须重新设计一套新产品的工艺规程，当产品更换时，原有的工艺规程便不再使用，必须重新设计一套新产品的工艺规程，即使新产品中的某些零件与过去生产的零件相似或相同也必须重新设计。其主要原因是工艺部门的管理问题工艺人员不能充分利用过去设计的工艺规程。根据成组技术原理，各种机械产品中的许多零件都在一定程度上具有相似性，所以它们的工艺规程也具有一定的相似性，而不是每一个零件都必须设计一个工艺规程。实例某机床厂原来用377个工艺规程制造425种齿轮零件应用成组技术对齿轮和工艺规程进行仔细分析后，发现可以只用71种标准工艺规程就可以生产出425种齿轮。某工厂，要在10个星期内投产制造2100种零件，是否需要设计2100个工艺规程呢？后经统计发现，虽然投入生产的零件品种数不断增加，但很多零件有相似性，真正不同的工艺规程的增长率在下降、实际上最后可归纳为1200个工艺规程。从上述两个例子可以看到，生产的零件品种数和工艺规程数并不存一一对应的关系。目前工艺规程设计中存在的重复性和多样性，不仅本身是一种浪费，而巨还影响到工装设备的制造和使用，并直接影响产品的投产速度、交货日期、成本核算和企业的竞争能力。

综上所述，传统的工艺规程设计方法已不适应当前产品品种多样化、更新换代日益频繁的生产形势、现今在机械制造领域中，由于新工艺新技术的飞速发展，社会需求趋向于多样化，产品更新周期日益缩短，多品种小批量生产的企业大量增加。设计部门（CAD）和制造部门(CAM)都普遍采用了高度自动化的技术，只有工艺设计工作仍然处于手工操作。凭经验办事，效率低下的状态，再加上熟练的工艺人员正日益短缺工艺设计已成为机械制造系统中的瓶颈，不能适应当今生产发展和经济改革的需要。为此必须寻找新的工艺规程设计方法，代替原来的手工劳动，以提高工艺设计的工作效率，缩短生产准备周期，降低工艺设计费用。

3利用计算机实现CAPP(ComputerAidedProcessPlanning)

随着电子计算机技术的发展和在机械制造领域中的广泛应用，为工艺规程设计提供了理想的工具、工艺规程设计主要是在分析和处理大量信息的基础上进行选择（加工方法、机床。刀具、加工顺序等）、计算（加工余量、工序尺寸、公差、切削参数、工时定额等）、绘图（工序图）以及编制文件等工作，而计算机能有效地管理大量的数据，进行快速、准确的计算和各种形式的比较、选择，能自动绘图和编制表格文件。这些功能恰恰适应工艺规程设计的需要，于是出现了计算机辅助工艺规程设计（ComputerAidedProcessPlanning），简称CAPP。这样一种新技术。

CAPP不仅能实现工艺设计自动化，还能把生产实践中行之有效的若干工艺设计原则与方法，转换成工艺设计决策模型，建立科学的决策逻辑。把长期从事工艺设计工作的人的经验传授给初参加工作的人，编制出最优的制造方案。派生法（Variant）

根据成组技术的原理将零件划分为相似零件组，按零件组编制出标准工艺规程，并以文件的形式贮存在计算机中。当要为新零件设计工艺规程时，输入该零件的成组技术代码，由计算机判别零件属于哪一个零件组，检索出该零件组的标准工艺规程，再根据零件的结构形状特点、尺寸公差，进行编辑修改，获得适合于该零件的工艺规程。通常调用标准工艺文件，确定加工顺序，计算切削参数、加工时间或加工费用都是由计算机自动进行的。创成法（Generative）

不以原有的工艺规程为基础，在计算机软件系统中收集了大量的工艺数据和加工知识，并在此基础上建立了一系列的决策逻辑，形成了工艺数据库和加工知识库。当输入新零件的有关信息后，系统可以模仿工艺人员，应用各种工艺决策逻辑规则，在没有人工干预的条件下，自动地生成零件的工艺规程。CAPP系统的工作原理2-4专家系统与有限元优化技术2-4-1专家系统的基本概念

人工智能---研究的是怎样利用机器模仿人脑从事推理、规划、设计、思考、学习等思维活动，解决迄今认为需由专家才能处理好的复杂问题。即由计算机来表示和执行人类的智能活动。可以从3个方面来理解人工智能系统（1）从完成的主要功能看，分为视觉系统、听觉系统、专家系统、自动程序设计系统等；（2）从系统完成思维活动的抽象过程看，是一个广义问题求解系统；（3）从处理对象看，是一个知识信息的处理系统。专家系统（ExpertSystem）---是人工智能的一个分支，是指在某个领域内能够起到人类专家作用，具有大量知识和经验的智能系统。是一种问题求解的智能软件系统。专家系统的实质：知识＋推理专家系统结构：人机接口解释系统推理机中间数据库知识库知识库开发系统用户知识应用专家知识获取知识库(KnowledgeBase)

存放专家知识和经验的特殊数据库。推理机(InferenceMachine)

控制、协调专家系统工作的一组程序。正向推理和反向推理解释系统(ExplanationSystem)

解释系统的推理结果，回答用户问题。知识获取系统(KnowledgeAcquisition)

将存储在人类专家头脑中的知识和经验提取出来，经验证后转存于系统的知识库中。人机接口(Interface)

人、机对话界面。中间数据库(TemporaryDatabase)

用于存放推理过程的中间结果或论据的临时数据库。例如：零件加工回转件非回转件孔外圆表面螺纹孔光孔钻、(镗)车内螺纹钻钻、铰钻、镗、磨精密铸造车>0.1>0.01<0.01铣削2-4-2知识工程1.产品设计---从信息处理的观点来看，是建立一个满足要求的模型结构和形状表示，记叙设计和制造对象所应具有的性质、动作和功能等。为此，必须有某种描述性语言可用来描述。此外，对于结构、形状的表示，除了可用于提取制造信息外，还应该包括可查明其外观和质感的显示信息，并以此为依据进行评价，确认模型是否满足要求。由此可见，产品设计实际上是一个围绕产品模型的反复评价和多次修改的动态过程。2.知识库+演绎取代传统的“数据库+检索”的功能用于设计。其实现大致有2种方法：（1）一是按要求条件提供模型的部分结构，直接参与建造模型；（2）积蓄各种技术信息及使用方法，从候选的结构组中尽快去掉实现可能性较小的结构形式。3.当前建造智能化CAD系统的基本条件：P312-4-3知识表示

知识表示---是人工智能研究中的重要领域，是一个知识获取并应用知识的过程。而知识必须要有适当的表示形式才能在计算机中存储、检索、使用和修改。亦即：研究如何存储信息的数据结构和智能地管理这些数据结构以进行推理的过程。谓词逻辑表示法主要是运用命题演算和谓词演算等知识来描述事实。例如：盐是咸的海水中溶有大量的盐所以海水是咸的(2)语义网络表示法由结点(事实或结论)和表示结点间关系(推理)的有向线段构成的知识描述方法。例如：(3)框架表示法由结点(槽Slot)和无向线段组成的一种分层次的知识结构表示法，其最上层结点代表给定情况下总是成立的事实，而下层结点存放特定的参数、文字、数据或其它框架的内容。例如：AFO：AFeatureOf内孔H1框架的PROLOG语言描述：Frame(“内孔H1”, /*框架名（特征名）[slot(“AFO”,[value[“内倒角”]]),/*定义子框架（子特征）

slot(“特征编码”,[default[“hole”]]),slot(“孔径”,[value[“70”]]),slot(“开始位置”,[value[“0”]]),slot(“结束位置”,[value[“25”]]),/*孔深＝开始位置－结束位置

slot(“Ra”,[if_needed(“solve_Ra”)]),/*表面粗糙度由规则solve_Ra确定*/

slot(“加工方法”,[if_needed(“solve_Hole”)]),/*加工工艺由规则solve_Hole确定*/产生式表示法该法用“IF……THEN……”的形式表述知识。例如：IF

注射时给定树脂的塑料熔体不能充满型腔

THEN

适当提高熔体温度，或加大注射压力，或……（5）面向对象的知识表示法面向对象含义：知识（数据）和处理方法（功能）的统一体。知识是对象的内部状态、事实的静态特征属性描述；知识处理方法表现为动态智能行为，即获取知识、推理、消息传递和更新知识等。面向对象方法的特点：抽象性封装性继承性多态性利用面向对象方法表述知识和知识处理方法举例ClassRule{public: Rule(); //建立规则 ~Rule(); //取消规则

voidfarload(); //读取规则

voidfarsave(); //将规则存入知识库

private: char*ID; //规则编码

char*premise(); //前提

char*conclusion(); //结论

doublecertainty; //置信度

staticintnum; //使用频率 ……}2-4-4设计型