機械CAD技術(shù)概論.doc

目錄第一章 CAD技術(shù)概述31.1 有關(guān)CAD方面的知識31.2 機械設(shè)計過程與機械CAD過程比較41.3 CAD技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用6 第二章 機械CAD系統(tǒng)的組成92.1 CAD的硬件92.2 機械CAD系統(tǒng)的軟件12第三章 工程手冊的數(shù)據(jù)處理173.1 數(shù)表的程序化173.2 一元函數(shù)插值233.3 線圖的程序化253.4 建立經(jīng)驗公式的方法263.5 MATLAB語言簡介29第四章 圖形變換534.1 圖形變換的方法534.1.1 點的變換534.1.2 變換的矩陣表示544.2 二維圖形變換554.2.1 二維圖形基本變換554.2.2 二維圖形變換舉例574.3 三維圖形變換644.3.1 三維圖形基本變換654.3.2 三維圖形的正投影變換694.3.3 齊次坐標(biāo)的優(yōu)點71第五章二維幾何建模方法715.1 交互幾何建模715.2 參數(shù)化幾何建模725.3 形狀特征拼合法幾何建模735.3.1 形狀特征的概念與確定735.3.2 形狀特征拼合法的編程實現(xiàn)75第六章 三維產(chǎn)品建模技術(shù)756.1 三維幾何造型技術(shù)756.1.1 幾何造型概述756.1.2 三維幾何造型系統(tǒng)的三種模型766.2兩種實用幾何造型軟件簡介816.2.1 AutoCAD幾何造型簡介816.2.2 Solid Edge參數(shù)化特征造型簡介826.3 特征建模技術(shù)826.3.1 特征建模概述826.3.2 特征定義83第七章 AutoCAD的定制和二次開發(fā)837.1 模板文件(擴展名為dwt）837.2 AutoLISP語言837.2.1 AutoLISP語言簡介837.2.2 AutoLISP語言應(yīng)用舉例847.3 定義菜單、工具欄847.3.1 菜單文件的結(jié)構(gòu)857.3.2 萊單開發(fā)的方法867.3.3 下拉菜單設(shè)計867.3.4 圖標(biāo)菜單的設(shè)計887.3.5 工具欄設(shè)計907.4 形（SHAPE）和塊（BLOCK）907.4.1形和形文件907.4.2 圖塊937.5 SCRIPT（腳本）文件937.5.1 關(guān)于SCR文件937.5.2 SCR文件應(yīng)用舉例947.6 DXF圖形交換文件947.6.1 圖形數(shù)據(jù)交換技術(shù)947.6.2 DXF文件結(jié)構(gòu)947.7 用C語言定義新的函數(shù)和命令977.8 程序參數(shù)文件ACAD.PGP97第一章 CAD技術(shù)概述1.1 有關(guān)CAD方面的知識一、產(chǎn)品設(shè)計設(shè)計是指根據(jù)使用要求確定產(chǎn)品應(yīng)具備的功能，構(gòu)思產(chǎn)品的工作原理、總體布局、運動方式、力和能量的傳遞、結(jié)構(gòu)形式、產(chǎn)品形狀、色彩、材質(zhì)、工藝、人機工程等事項，并轉(zhuǎn)化為工程描述（圖樣、設(shè)計文件等），以此作為制造的依據(jù)。因此，設(shè)計是產(chǎn)品的生命，也是產(chǎn)品制造的前提和基礎(chǔ)?，F(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計強調(diào)采用先進的設(shè)計方法和手段，作為一門多學(xué)科綜合性應(yīng)用技術(shù)，CAD 技術(shù)就是現(xiàn)代設(shè)計方法及手段的綜合體現(xiàn)。二、 CAD技術(shù)CAD（Computer Aided Design）是利用計算機強有力的計算功能和高效率的圖形處理能力，輔助進行產(chǎn)品的設(shè)計與分析的理論和方法，是綜合了計算機科學(xué)與工程設(shè)計方法的最新發(fā)展而形成的一門新興學(xué)科，一般更多地稱CAD技術(shù)。注意： 1）CAD中D最先代表那個詞； 2）計算機繪圖的方式：交互式繪圖、被動式繪圖； 3）CAD技術(shù)和CAD系統(tǒng)的概念。CAD 技術(shù)把產(chǎn)品的物理模型轉(zhuǎn)化為存儲在計算機中的數(shù)字化模型從而為后續(xù)的工藝、制造、管理等環(huán)節(jié)提供了共享的信息源?，F(xiàn)在CAD 技術(shù)已不僅僅用于自動繪圖或三維建模，而已成為一種廣義的、綜合性的關(guān)于設(shè)計的新技術(shù)，它涉及以下基礎(chǔ)技術(shù)：(1) 圖形處理技術(shù)。如二維交互圖形技術(shù)、三維幾何造型技術(shù)及其他圖形輸入輸出技術(shù)。(2) 工程分析技術(shù)。如有限元分析、優(yōu)化設(shè)計方法、物理特性計算（如面積、體積、慣性矩等計算）、模擬仿真以及各行各業(yè)中的工程分析等。(3) 數(shù)據(jù)管理與數(shù)據(jù)交換技術(shù)。如產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理（PDM ）、數(shù)據(jù)庫、異構(gòu)系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)交換和接口等。(4) 文檔處理技術(shù)。如文檔制作、編輯及文字處理等。(5) 界面開發(fā)技術(shù)。如圖形用戶界面、網(wǎng)絡(luò)用戶界面、多通道多媒體智能用戶界面等。(6) 基于web 的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用和開發(fā)技術(shù)。三、CG計算機圖形學(xué)（CG ）的內(nèi)涵：計算機圖形學(xué)是研究通過計算機將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為圖形，并在專用設(shè)備上顯示的原理、方法和技術(shù)的科學(xué)。CG 的研究內(nèi)容有以下四個方面：（1） 硬件：指圖形輸人設(shè)備、圖形處理設(shè)備、圖形顯示設(shè)備和圖形繪制設(shè)備。（2） 圖形軟件設(shè)計：如二維繪圖系統(tǒng)、三維造型系統(tǒng)、動畫制作系統(tǒng)、真實感圖形生成系統(tǒng)等。（3） 圖形處理的理論與方法：如幾何元素和圖形的生成方法、實體表示理論與拼合算法、圖形變換、圖形的消隱與裁剪、真實感圖形生成等。近年來，CG 向更深的方向發(fā)展，出現(xiàn)了分布式圖形處理、聲像一體化、虛擬現(xiàn)實、多媒體技術(shù)以及科學(xué)計算可視化等高新理論與技術(shù)。（4） 實際應(yīng)用中的圖形處理問題：涉及廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域，如統(tǒng)計管理、測量、生物、醫(yī)學(xué)、藥學(xué)、模擬與動畫、美術(shù)、辦公自動化等。四、計算機繪圖計算機繪圖是CG 中涉及工程圖形繪制的一個分支，可將它看成一門工程技術(shù)，它為千百萬人以軟件操作方式繪制圖樣提供服務(wù)。這就是說，計算機繪圖目前已作為一種成熟的技術(shù)，用軟件方式提供給千千萬萬的普通用戶，不要求這些用戶通曉理論和算法，只需掌握軟件功能及所要求的操作技能，就能實現(xiàn)計算機繪圖的目的。值得指出的是：不應(yīng)該將CAD 與計算機繪圖、計算機圖形學(xué)混淆起來。計算機繪圖的內(nèi)涵：計算機繪圖是使用圖形軟件和計算機硬件進行繪圖及有關(guān)標(biāo)注的一種方法和技術(shù)，它以擺脫繁重的手工繪圖為主要目標(biāo)。五、CAD、CG和計算機繪圖之間的關(guān)系從以上對CAD 、及CG及計算機繪圖 的敘述可以看出它們?nèi)咧g是有區(qū)別的，但聯(lián)系非常密切。可以簡單地表述如下：計算機繪圖不是CAD 的全部內(nèi)涵，但它是CAD 技術(shù)的基礎(chǔ)之一；CG 是一門獨立的學(xué)科，有自己豐富的技術(shù)內(nèi)涵，它與CAD 有明顯區(qū)別，但它的有關(guān)圖形處理的理論與方法構(gòu)成了CAD 技術(shù)的重要基礎(chǔ)。1.2 機械設(shè)計過程與機械CAD過程比較一、 機械設(shè)計過程機械設(shè)計是產(chǎn)品設(shè)計、制造、裝配、銷售和使用整個生命周期中的第一個環(huán)節(jié)，也是最重要的環(huán)節(jié)，因為它對產(chǎn)品性能的影響通常占80 。機械設(shè)計過程如圖所示。設(shè)計一般經(jīng)歷以下幾個階段：( 1 ）概念設(shè)計：通過調(diào)查研究、資料收集，仔細分析用戶需求，在此基礎(chǔ)上確定產(chǎn)品功能，進而構(gòu)思方案，進行分析與論證，最后獲得一組可行的原理性方案。( 2 ）初步設(shè)計：從一組可行的原理方案中選一優(yōu)化方案，繪制總布置草圖，確定各部件基本結(jié)構(gòu)和形狀，建立相應(yīng)數(shù)學(xué)模型，進行主要設(shè)計參數(shù)的分析計算與優(yōu)化。( 3 ）詳細設(shè)計：確定設(shè)計對象的細部結(jié)構(gòu)，最終完成總布置圖和零、部件圖，并編寫技術(shù)文件。圖1-1 機械設(shè)計過程詳細設(shè)計的終結(jié)并不意味著最終獲得了一個好的設(shè)計。機械產(chǎn)品在經(jīng)歷了制造加工、樣機測試、批量生產(chǎn)以及銷售使用后，將返回大量信息，要依據(jù)這些信息再對產(chǎn)品進行不斷修改。由此可見，機械設(shè)計是一個“設(shè)計一評價一再設(shè)計”的反復(fù)迭代、不斷優(yōu)化的過程，在人工設(shè)計情況下，設(shè)計周期長。因此，實現(xiàn)某種程度的設(shè)計自動化，縮短設(shè)計周期，降低設(shè)計成本，提高設(shè)計質(zhì)量，就成為機械設(shè)計發(fā)展的迫切要求，正是在這樣的背景下產(chǎn)生了計算機輔助設(shè)計。二、機械CAD過程現(xiàn)在的CAD 過程往往與計算機輔助工藝規(guī)劃（CAPP）和數(shù)控編程（NC）連在一起，形成集成的CAD/CAM系統(tǒng),如圖1 一2 所示。圖12 CAD/CAM系統(tǒng)工作流程圖圖1 一2 中一開始先根據(jù)市場需求確定產(chǎn)品的性能，然后用專家系統(tǒng)進行產(chǎn)品方案設(shè)計，由此再進行幾何建模、工程分析、直到產(chǎn)生詳細的工程圖。CAPP 的功能是進行零件加工工藝路線及工序的編制，它的作用除了為生產(chǎn)調(diào)度及控制提供信息外，也為NC 自動編程提供所需信息。NC自動編程生成刀具加工軌跡并在屏幕上進行加工仿真，檢查無誤后，經(jīng)后置處理生成加工代碼，在數(shù)控機床上進行加工。該圖左邊是工程數(shù)據(jù)庫，構(gòu)成了信息交換與集成的基礎(chǔ)，右邊列出了所需軟件的種類。CAM是利用計算機對制造過程進行設(shè)計、管理和控制，一般來說包括工藝設(shè)計、數(shù)控編程和機器人編程等內(nèi)容。1.3 CAD技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用CAD 技術(shù)推動了幾乎一切領(lǐng)域的設(shè)計革命，無論是軍事工業(yè)還是民用工業(yè)，無論是加工制造業(yè)（如機械、電子、輕紡產(chǎn)品等）還是其他工業(yè)，甚至文體、影視、廣告制作等行業(yè)都離不開CAD 技術(shù)。CAD 技術(shù)已成為衡量國家科技與工業(yè)現(xiàn)代化的重要標(biāo)志之一，成為企業(yè)信息化的重要技術(shù)基礎(chǔ)，也是企業(yè)進入國際市場的入場券。一、CAD的起源及發(fā)展到目前為止，CAD技術(shù)的發(fā)展已有四十多年的歷史。八十年代初，它已發(fā)展成為工程界實用的工具。起源：如果我們真正尋找CAD技術(shù)的起源，這將追朔到1963年美國MIT的博士研究生Ivan.E.Sutherand研究成功的SKETCHPAD系統(tǒng)，該系統(tǒng)第一次允許設(shè)計人員使用光筆和顯示屏交互操作計算機圖形，初步在計算機上實現(xiàn)了圖形的直接輸入.發(fā)展：六十年代初，由于計算機硬件價格昂貴的原因，首批CAD系統(tǒng)的用戶都是一些大的汽車、飛機公司，例如：美國的通用汽車公司，波音公司等。同時一些大的電子公司也將計算機技術(shù)用于印刷電路設(shè)計之中，如：莫托洛拉公司。 從七十年代至今是CAD技術(shù)高速發(fā)展的階段，由于超大規(guī)模集成電路的發(fā)展，使計算機成本大幅度下降，圖形設(shè)備迅速向優(yōu)質(zhì)價廉方向發(fā)展，這就給CAD技術(shù)帶來巨大的動力，CAD系統(tǒng)的功能不斷增強，價格迅速下降，應(yīng)用范圍不斷擴大，逐漸普及到了一般工程和建筑設(shè)計之中，并且在圖案、紡織品、服裝設(shè)計、電視節(jié)目動畫模擬和印刷等行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。CAD系統(tǒng)發(fā)展過程：二維計算機繪圖系統(tǒng)、三維計算機繪圖系統(tǒng)、幾何造型系統(tǒng)、設(shè)計特性的自動分析、設(shè)計和制造的集成系統(tǒng)(CAD/CAM系統(tǒng))二、CAD技術(shù)發(fā)展方向概念一：CIMS：一個對產(chǎn)品的初始構(gòu)思（更確切地講產(chǎn)品的市場調(diào)查、訂貨開始）和設(shè)計、加工制造、直到產(chǎn)品最終裝配和出廠檢驗的全過程是實行計算機控制的系統(tǒng)叫計算機集成控制系統(tǒng)。（例：出圖快）概念二：CE(Concurrent Engineering)并行工程是一種系統(tǒng)集成方法，它采用并行方法處理產(chǎn)品設(shè)計及其相關(guān)過程，包括制造及相關(guān)過程。這種方法可以使產(chǎn)品開發(fā)人員從一開始就能考慮到產(chǎn)品從概念設(shè)計到消亡的整個生命周期中的所有因素。包括質(zhì)量、成本、作業(yè)調(diào)度及用戶需求。它的目標(biāo)是提高設(shè)計、制造、服務(wù)全過程的全面質(zhì)量，降低產(chǎn)品全生命周期的成本，縮短產(chǎn)品研發(fā)周期，包括減少設(shè)計反復(fù)，降低產(chǎn)品設(shè)計生產(chǎn)準(zhǔn)備發(fā)送所占用的時間使產(chǎn)品以最快的速度上市。 圖1-3 并行工程工作模式1 集成化在一個由多種軟件組成的復(fù)雜系統(tǒng)中，例如計算機集成制造系統(tǒng)（CIMS）、并行工程(CE)等，集成的含義有多種，一般有功能集成、信息集成、過程集成及動態(tài)聯(lián)盟中企業(yè)的集成。此處所說的集成是指信息集成。由于設(shè)計是產(chǎn)品開發(fā)的首要環(huán)節(jié)，因此，CAD 信息處于產(chǎn)品生命周期中信息鏈的源頭。為了提高系統(tǒng)的集成水平，CAD 技術(shù)必須在以下幾個方面提高水平： (l）數(shù)字化產(chǎn)品建模（集成產(chǎn)品信息模型）。必須提供針對產(chǎn)品全生命周期的統(tǒng)一的產(chǎn)品模型，該模型應(yīng)該符合某種標(biāo)準(zhǔn)或者規(guī)范，其內(nèi)容應(yīng)該包括產(chǎn)品結(jié)構(gòu)形狀、設(shè)計過程以及設(shè)計所用的知識；在建模技術(shù)上，應(yīng)該能提供性能優(yōu)良的特征建模、參數(shù)化設(shè)計、變量化設(shè)計等方法。(2）產(chǎn)品數(shù)據(jù)交換。除了提供按目前已有的交換規(guī)范或者標(biāo)準(zhǔn)所開發(fā)的中性交換文件及其接口（如DXF, IGES,STEP文件）外，還需要發(fā)展新的交換思想和規(guī)范。(3）產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理。應(yīng)繼續(xù)改進與提高PDM 軟件性能，有效管理與產(chǎn)品相關(guān)的所有數(shù)據(jù)以及與產(chǎn)品相關(guān)的所有過程。(4）繼續(xù)改進與開發(fā)各種CAX( CAD , CAE , CAPP ）以及DFX ( DFA , DFM ,. ）并使它們有機地集成起來。2 網(wǎng)絡(luò)化 因特網(wǎng)及Web 技術(shù)的發(fā)展；迅速將設(shè)計工作推向網(wǎng)絡(luò)協(xié)同的模式，因此，CAD 技術(shù)必須在以下幾個方面提高水平：(1）能夠提供基于因特網(wǎng)的完善的協(xié)同設(shè)計環(huán)境。該環(huán)境具有電子會議、協(xié)同編輯、共享電子白板、圖形和文字的瀏覽與批注、異構(gòu)CAD 和PDM 軟件的數(shù)據(jù)集成等功能，使用戶能夠進行協(xié)同設(shè)計。(2）提供網(wǎng)上多種CAD 應(yīng)用服務(wù)，例如設(shè)計任務(wù)規(guī)劃、設(shè)計沖突檢測與消解、網(wǎng)上虛擬裝配等工具。3 智能化 現(xiàn)有的CAD 技術(shù)在機械設(shè)計中只能處理數(shù)值型的工作，包括計算、分析與繪圖。然而在設(shè)計活動中存在另一類符號推理型工作，包括方案構(gòu)思與擬定、最佳方案選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計、評價、決策以及參數(shù)選擇等。這些工作依賴于一定的知識模型，采用符號推理方法才能獲得圓滿解決。因此將人工智能技術(shù)，特別是專家系統(tǒng)技術(shù)，與傳統(tǒng)CAD 技術(shù)結(jié)合起來，形成智能化CAD 系統(tǒng)是機械CAD 發(fā)展的必然趨勢。以下幾個問題應(yīng)給予更多的注意：(1）發(fā)展新的設(shè)計理論與方法。例如并行設(shè)計的理論、大規(guī)模定制設(shè)計的理論、概念設(shè)計的理論、創(chuàng)新設(shè)計的理論等。它們都是當(dāng)前研究的熱點。只有在新的理論指導(dǎo)下才可能建立新一代的智能CAD 系統(tǒng)，才能解決目前還不能有效解決的方案設(shè)計、創(chuàng)新設(shè)計等問題。(2）繼續(xù)深人研究機械設(shè)計型專家系統(tǒng)的一些基本理論與技術(shù)問題。例如設(shè)計知識模型的表示與建模、知識利用中的各種搜索與推理方法、知識獲取、工具系統(tǒng)的技術(shù)等。4 標(biāo)準(zhǔn)化隨著CAD 技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化問題越來越顯出它的重要性。迄今已制定了不少標(biāo)準(zhǔn)，例如面向圖形設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)CGI ，面向用戶的圖形標(biāo)準(zhǔn)GKS 和PHIGS，面向不同CAD 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)IGES 和STEP ，此外還有窗口標(biāo)準(zhǔn)等。第二章 機械CAD系統(tǒng)的組成機械CAD系統(tǒng)組成：1）硬件系統(tǒng)：計算機及外設(shè)，是CAD的物質(zhì)基礎(chǔ)； 2）軟件系統(tǒng)：是CAD的核心，它決定CAD系統(tǒng)的功能。2.1 CAD的硬件一、 主機二、 外存儲器（簡稱外存）外存分為以下幾種：( 1 ）磁帶： 磁帶工作可靠、價格低廉，但在其上記錄的信息只能順序存放，因而存取某些信息時往往要卷帶及倒帶，影響存取速度。它適用于使用不頻繁的數(shù)據(jù)，目前已較少采用。( 2 ）磁盤：磁盤分為硬盤、軟盤、光盤三種。1 ）硬盤。硬盤存儲容量大，可靠性高，存取速度比磁帶快得多，可以作為隨機存取裝置，已成為CAD 系統(tǒng)中不可缺少的設(shè)備。2 ）軟盤。軟盤有3 .5in 的軟盤、優(yōu)盤等。軟盤的容量及存取速度雖不如硬盤，但攜帶方便，價格便宜，因此得到了廣泛的應(yīng)用。3 ）光盤。光盤是利用激光進行讀寫，比軟盤具有更大的存儲容量，被譽為“海量存儲器”，又由于激光頭與介質(zhì)無接觸，沒有退磁問題，所以信息保存時間長，但其讀寫速度不如硬盤。三、 圖形輸人設(shè)備在CAD 作業(yè)過程中，常需輸人產(chǎn)品設(shè)計初始方案的結(jié)構(gòu)與圖形，以及建立常用零部件標(biāo)準(zhǔn)圖形庫。用戶不僅要求能快速輸入圖形，而且還要求將輸入的圖形以人機交互方式進行修改，以及對輸人的圖形進行圖形變換（如縮放、平移、旋轉(zhuǎn)）。因此，圖形的輸人設(shè)備占有重要的地位。目前，CAD 系統(tǒng)常用的輸入設(shè)備有如下幾類：( l ）鍵盤：鍵盤用來輸人數(shù)據(jù)和程序；輸人命令或執(zhí)行命令；或者對屏幕圖形、程序進行特殊的處理。( 2 ）鼠標(biāo)器：鼠標(biāo)器主要用來控制顯示屏上的光標(biāo)位置。當(dāng)鼠標(biāo)器移動時，顯示屏上的光標(biāo)也隨之移動。光標(biāo)的位移與鼠標(biāo)器的相對移動有關(guān)而與其絕對位置無關(guān)。( 3 ）數(shù)字化儀：數(shù)字化儀也稱圖形輸人板，其分辨率高、作圖精度高、傳輸速度快、使用方便、功能強，通常是大中型CAD 系統(tǒng)中較常采用的圖形輸人設(shè)備之一。數(shù)字化儀可以實現(xiàn)“指點操作”、“點菜單”、“徒手作圖”功能。 圖 2-1 數(shù)字化儀 圖2-2 圖形輸入板( 4 ）工程圖樣自動掃描輸人系統(tǒng)：工程圖樣自動掃描輸入系統(tǒng)可高速完成圖樣輸人任務(wù)，能對藍圖進行消藍、去污以及平滑處理，利用光盤存儲，是建立大型圖庫常用的CAD設(shè)備。 圖23采用掃描儀的圖形輸入系統(tǒng)其他圖形輸人設(shè)備，如光筆、操縱桿、跟蹤球等，一般均與專用CAD 系統(tǒng)一起配置。四、 圖形輸出設(shè)備( l ）圖形顯示器：選擇CAD 圖形顯示系統(tǒng)時，分辨率越高，顯示效果也越好，但價格也隨之升高。由于顯示器分辨率并不影響圖形輸出到自動繪圖機上的繪圖精度，而且一般圖形顯示系統(tǒng)的支撐軟件大多具有能在顯示圖形中截取部分圖形，進行縮小或放大，以及可使圖形在顯示器上平移的功能，因而不必盲目追求圖形顯示系統(tǒng)的高分辨率，以導(dǎo)致設(shè)備成本提高。( 2 ）繪圖機：繪圖機是一種高速、高精度的圖形輸出裝置，它可將已輸人到CAD 系統(tǒng)中的工程圖樣，或?qū)⒃趫D形顯示屏上已完成的結(jié)構(gòu)設(shè)計圖形繪制到圖紙上，進行硬拷貝。自動繪圖機的性能指標(biāo)主要有：繪圖面積、繪圖速度、重復(fù)精度、步距、筆型（單色、多色）等。自動繪圖機按其工作方式分成兩大類：l ）平臺式繪圖機：平臺式繪圖機由繪圖平臺、導(dǎo)軌、驅(qū)動機構(gòu)、筆架等幾部分組成，具有x 方向及Y 方向兩組導(dǎo)軌，橫梁可沿X 方向?qū)к壱苿樱P架則沿固定在橫梁上的Y 方向?qū)к壱苿?，它均由步進電動機驅(qū)動。平臺式繪圖機繪圖速度高、精度高，在繪圖時可在臺面上看到整個作圖過程，便于監(jiān)視。圖2-4 平臺式繪圖機2 ）滾筒式繪圖機：滾筒式繪圖機的主要特點是將橫梁沿X 方向的運動，由滾筒帶動圖紙的運動來實現(xiàn)，因而具有結(jié)構(gòu)簡單、圖紙長度不受限制、價格便宜、占工作室面積比平臺式小等優(yōu)點，但繪圖精度比平臺式低。滾筒式繪圖機工作時滾筒帶動圖紙由里向外單向運動，類似打印機的打印過程。圖2-5滾筒式繪圖機 圖2-6 筆架的走步方向 圖 2-7 用折線逼近直線用折線近似逼近的方法叫插補原理，即將線段分解和加密，補進許多點，“以折代直”或“以折代曲”。插補算法的先進性表現(xiàn)在能否找出最佳的組合方式來逼近理想線型。目前已有許多插補算法，如逐點比較法、正負法、數(shù)值微分分析法（DDA 法）等，其中最常用的是逐點比較法，現(xiàn)有的繪圖機為了提高繪圖效率，都使用專用的插補器。( 3 ）打印機：打印機是廉價的產(chǎn)生圖樣硬拷貝的設(shè)備，按機械動作常分為撞擊式和非撞擊式兩種。撞擊式打印機以輸出字符為主，有時也利用它輸出一些精度不高的圖形。非撞擊式打印機有噴墨打印機、激光打印機等，這類打印設(shè)備打印速度快、噪聲小，既可以打印字符，也有良好的圖形輸出效果，已逐步取代了撞擊式打印機。選擇打印機時，應(yīng)注意其工作的可靠性、打印速度、工作壽命、漢字功能、圖形效果及性能價格比。2.2 機械CAD系統(tǒng)的軟件CAD 系統(tǒng)軟件可分成三個層次：系統(tǒng)軟件（一級軟件）、支撐軟件（二級軟件）、應(yīng)用軟件（三級軟件）。 圖2-8 CAD軟件層次一、系統(tǒng)軟件系統(tǒng)軟件主要用于計算機的管理、維護、控制及運行，以及計算機程序的翻譯、裝入和運行。它有以下幾類：1、 操作系統(tǒng)：操作系統(tǒng)種類很多，版本也在不斷更新，目前常用的有Windows、Unix 等。操作系統(tǒng)的主要功能有： 文件管理，即在磁盤上建立、存儲、刪除、檢索文件； 設(shè)備管理，即管理計算機輸入輸出等硬件設(shè)備。2、編譯系統(tǒng)：編譯系統(tǒng)的作用是將用高級語言編寫的程序，翻譯成計算機能夠直接執(zhí)行的機器指令。有了編譯系統(tǒng)，用戶就可應(yīng)用接近于人類自然語言和數(shù)學(xué)語言的方式來編寫程序，翻譯成機器指令，這樣就有可能使非計算機專業(yè)的各類工程技術(shù)人員很容易地應(yīng)用計算機來實現(xiàn)其目的。二、. CAD 支撐軟件支撐軟件是機械CAD 軟件系統(tǒng)的核心。它是為滿足CAD 作業(yè)中一些用戶的共同需要而開發(fā)的通用軟件。近年來，由于計算機應(yīng)用領(lǐng)域迅速擴大，支撐軟件的開發(fā)研制有了很大的進展，推出了種類繁多的商品化支撐軟件，其中比較通用的有以下幾類。l、 計算分析軟件：它主要用來解決工程設(shè)計中各類數(shù)值計算問題，主要有：l ）數(shù)值計算程序庫：它可提供諸如解微分方程、線性代數(shù)方程、數(shù)值積分、有限差分以及曲線曲面擬合等數(shù)學(xué)問題的計算機程序。2 ）有限元結(jié)構(gòu)分析軟件。有限元法在理論與方法上均已比較成熟，在工程設(shè)計上應(yīng)用十分廣泛。有限元分析軟件有SAPV、NASTRAN、ANSYS 等，它們均具有較強的前、后處理功能。3 ）優(yōu)化設(shè)計軟件：它是在最優(yōu)化數(shù)學(xué)理論和現(xiàn)代計算技術(shù)基礎(chǔ)上，運用計算機尋求設(shè)計的最佳方案。隨著優(yōu)化技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)外已有許多成熟的算法和相應(yīng)的計算機程序。2、圖形處理軟件：圖形處理軟件可分為圖形處理語言及交互式繪圖軟件兩種類型。l ）圖形處理語言。它通常以子程序或指令形式提供一整套繪圖語句，供用戶在以高級語言編程時調(diào)用。如美國Tektronix 公司研制的PLOT10 圖形程序庫，可以用FORTRAN 語言中的CALL 語句來調(diào)用。此外，還有繪圖機指令RD / GL 、DM / PL 、HP / GL 等均屬此類。應(yīng)用圖形處理語言及高級語言編制的程序，既有較強的計算能力，又具有圖形顯示或繪圖功能。遺憾的是，這類圖形處理語言往往由硬件生產(chǎn)廠家提供，因而受到硬件設(shè)備型號的制約，不像程序設(shè)計中的高級語言那樣有良好的通用性，使編制的程序也只能在規(guī)定的硬件環(huán)境下才能執(zhí)行，因此為推廣應(yīng)用造成一定困難。2 ）交互式繪圖軟件。它可用人機交互式（如菜單方式、問答式）生成圖形，進行圖形編輯（對圖形增刪、縮放、平移等）、標(biāo)注尺寸、拼裝圖形等圖形處理工作，省卻了編程的麻煩。在微機上可執(zhí)行的著名交互式繪圖軟件有AutoCAD等，這些軟件均具有二維及三維繪圖功能，只是在三維圖形功能強弱上有所差別。此外，國內(nèi)外流行的三維實體建模軟件有IDEAS 、Solidedge 、Solidworks 等，它們的可執(zhí)行語句在10 萬句一50 萬句之間，軟件規(guī)模很大，并具有較強的三維幾何建模、消除隱藏線及生成陰陽圖像能力。3、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)軟件: 數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（DBMS）是在操作系統(tǒng)基礎(chǔ)上建立的操縱和管理數(shù)據(jù)庫的軟件，它滿足了龐大的數(shù)據(jù)處理和信息交換的需要。數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)除了可保證數(shù)據(jù)資源共享、信息保密、數(shù)據(jù)安全之外，還能盡量減少數(shù)據(jù)庫內(nèi)數(shù)據(jù)的重復(fù)。用戶使用數(shù)據(jù)庫都是通過數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，因而它也是用戶與數(shù)據(jù)之間的接口。CAD 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)類型及數(shù)據(jù)關(guān)系復(fù)雜，而且信息往往是動態(tài)的，因此，適用于CAD 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，有別于商用數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。目前，產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)軟件PDM ( Product Data Management）正在產(chǎn)品及工程設(shè)計領(lǐng)域的數(shù)據(jù)管理方面發(fā)揮著越來越大的作用。4、計算機網(wǎng)絡(luò)工程軟件：網(wǎng)絡(luò)型CAD 系統(tǒng)將成為微機及工作站CAD 的主要使用環(huán)境之一。在微機網(wǎng)絡(luò)工程中，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)軟件是必不可少的。如NETWARE 就是NOVELL公司專門為該公司微機局域網(wǎng)產(chǎn)品設(shè)計的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)軟件，它包括服務(wù)器操作系統(tǒng)、文件服務(wù)器軟件、通信軟件等。應(yīng)用這些軟件可進行網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)管理、存儲器管理、任務(wù)調(diào)度、用戶間通信、軟硬件共享等項工作。三、CAD 應(yīng)用軟件應(yīng)用軟件是在系統(tǒng)軟件、支撐軟件基礎(chǔ)上，針對某一專門應(yīng)用領(lǐng)域而研制的軟件。這類軟件通常由用戶結(jié)合當(dāng)前設(shè)計工作需要自行研究開發(fā)，此項工作又稱為“二次開發(fā)”，如模具設(shè)計軟件、電器設(shè)計軟件、機械零件設(shè)計軟件、機床設(shè)計軟件，以及汽車、船舶、飛機設(shè)計制造專用軟件，均屬應(yīng)用軟件。舉例：第三章 工程手冊的數(shù)據(jù)處理在機械設(shè)計過程中，往往需要從有關(guān)的工程手冊或設(shè)計規(guī)范中查找各種系數(shù)或數(shù)據(jù)，如何將這種人工查找轉(zhuǎn)變成在CAD 進程中的高效、快速處理，這就是本章要討論的中心問題。從總體上說，設(shè)計資料的處理方法有以下兩種：( 1 ）程序化。即在應(yīng)用程序內(nèi)部對這些數(shù)表及線圖進行查表、處理或計算。具體處理方法不外乎有兩種，第一種將數(shù)表中的數(shù)據(jù)或線圖經(jīng)離散化后存入一維、二維或三維數(shù)組，用查表、插值等方法檢索所需數(shù)據(jù)；第二種將數(shù)表或線圖擬合成公式，編入程序計算出所需數(shù)據(jù)。( 2 ）數(shù)據(jù)庫存儲。將數(shù)表及線圖（經(jīng)離散化）中的數(shù)據(jù)按數(shù)據(jù)庫中的規(guī)定進行文件結(jié)構(gòu)化，如確定文件名、字段名、字段類型、字段寬度等，存放在數(shù)據(jù)庫中，數(shù)據(jù)獨立于應(yīng)用程序，但又能為所有應(yīng)用程序提供服務(wù)。本章只討論程序化問題。3.1 數(shù)表的程序化六個實例一、 普通V 帶型號及截面尺寸（見表3 一1 ) 此表查表時，只有一個自變量，即型號，且為非數(shù)值型，查得的函數(shù)值為V 帶的頂寬、帶高等，均為離散型實型數(shù)。程序化時可定義3個一維數(shù)組，并將表中數(shù)值填寫在程序中，使數(shù)組初始化，再定義一個整型變量i 代表型號，當(dāng)i = 0時代表Y 型，i = 1時代表z 型，以此類推。以下是C語言的程序片斷。int i;float b7= 6 . 0 , 1 0 . 0 , 1 3 . 0 , 17 . 0 , 22 . 0 , 32 . 0 , 38 .0 ；float h7= 4 . 0 , 6 . 0 , 8 . 0 , 10 . 5 , 13 . 5 , 19 . 0 , 23 . 5 ；floatt bp7= 5 . 3 , 8 . 5 , 1 1 . 0 , 14 . 0 , 19 . 0 , 27 . 0 , 32 . 0 ；如用戶給定i = 2 (即A 型），則程序可立即查出b 2 13 . 0 , h 2 8 . 0 , bp 2 =1 1 . 0 。二、平鍵和鍵槽的剖面尺寸（見表3 一2 ，圖3 一 1）查表時，根據(jù)設(shè)計中計算出來的直徑dgiven ，決定它位于表3 一2 軸徑的哪個范圍內(nèi)，由此查出b , h , t , t1的值。軸徑D是一個數(shù)值范圍，編程時可將它的上限或下限記入一維數(shù)組內(nèi)，表中其余列的值也放入各自的一維數(shù)組內(nèi)。以下是變量和數(shù)組的定義：int i ;float dgiven , b , h , t , tl ; /*dgiven 為已知軸徑*/float D12 10 . 0 , 12 . 0 ， ，75 . 0 , 85 . 0 ; /* 存放表中D的上限值*float kb12 3 . 0 , 4 . 0 ， ，20 . 0 , 22 . 0 ; /* 存放表中b的值*/float kh12 3 . 0 , 4 . 0 ， ，12 . 0 , 14 . 0 ; /* 存放表中h的值*/float kt12 1 . 8 , 2 . 5 ， ，7 . 5 , 9 . 0 ; /* 存放表中t的值*/float ktl12 1 . 4 , 1 . 8 ， ，4 . 9 , 5 . 4 ; /* 存放表中t1的值*/ 查表程序的流程圖見圖3 一2 。三、包角影響系數(shù)K （見表3 一3 ） 表3-3 包角影響系數(shù)K2（） 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180K20.68 0.74 0.79 0.83 0.86 0.89 0.92 0.95 0.98 1.00查表時根據(jù)所得的實際包角查K2 值， 和K2 均為數(shù)值型，可設(shè)計兩個一維數(shù)組來實現(xiàn)。但因計算所得的實際包角1可能不會正好是表3 一3 中所列的值，自然相應(yīng)的K2值也不會正好是表中之值，因此要用一元函數(shù)插值求解（后面將敘述）。已知包角值為1，定義兩個一維數(shù)組：float alpha10 90 . 0 , 100 . 0 , ，170 . 0 , 180 . 0 ;float K210 0 . 68 , 0 . 74 ， ， 0 . 98 , 1 . 00 ; 調(diào)用一元函數(shù)的插值函數(shù)（見3 . 1 . 2 節(jié)），即可求出實際的系數(shù)值。四、齒輪傳動工況系數(shù)KA (見表3 一4 ) 決定工況系數(shù)KA值時有兩個自變量，即原動機的載荷特性和工作機的載荷特性，它們原本無數(shù)值概念，現(xiàn)分別定義整型變量i =02 及j=02 代表不同工況，用一個二數(shù)組KK 3 , 3 記錄表中系數(shù)值。因為表中自變量及函數(shù)的值均為離散值，因此查表時無須插值。有關(guān)變量及數(shù)組的定義如下：float KA ; / 查得的系數(shù)值/ int i , j ;float KK 3 3 = 1 . 0 , 1 . 2 5，1 . 7 5 , 1 .2 5 , 1 . 5 0 , 2 . 0 0 , 1 . 5 , 1 . 75 , 2 . 25 ; 查表的流程圖見圖3 一3 。五、軸肩圓角處理論應(yīng)力集中系數(shù)a（見表3 一5 ) 決定系數(shù)a時有兩個自變量，即：r / d 和D / d ，因此這是一個二維查表問題。將表中系數(shù)a值記錄在一個二維數(shù)組AA 6 , 10 中。這個查表問題的特殊之處是兩個自變量及系數(shù)a均有可能是連續(xù)量，這是因為由設(shè)計所得的D , d 及r值在一定范圍內(nèi)是隨機的，因此必須采用二元函數(shù)插值。六、 單根v 帶（Y , Z , A , B 型）的基本額定功率P 1（見表3 一6 ，摘自GB / T13575 . 1 一1992）為了查得單根V 帶所傳遞的功率P1 ，查表時取決于三個自變量，即帶型、小帶輪直徑及小帶輪轉(zhuǎn)速，因此是一個三維查表問題?？蓪⒈碇蠵1 值記錄在一個三維數(shù)組中，例如NN ( 4 , 4 , 14 ）。這時如果還在程序中對此數(shù)組初始化會很不方便，因為數(shù)據(jù)太多。可將表中P1值放在一個數(shù)據(jù)文件中，當(dāng)程序開始運行時打開文件，將數(shù)據(jù)讀人三維數(shù)組中。這類問題可以降為連續(xù)的兩個低維查表問題。本例可先由帶型及小帶輪直徑查出表中一行數(shù)據(jù)，再根據(jù)小帶輪轉(zhuǎn)速進行一維查表，在后一個查表中要用一元函數(shù)插值。前面例4 和例5 中的二維查表問題也可化為兩個連續(xù)的一維查表問題?？傊?，在實際程序化時可靈活掌握。3.2 一元函數(shù)插值設(shè)有一用數(shù)據(jù)表格給出的列表函數(shù)y = f ( x ), 如下表： 表3-7 列表函數(shù)x x 1 x 2 x 3 x ny y 1 y 2 y 3 y n由于列表函數(shù)只能給出結(jié)點x 1, x 2 ， ，x n處的函數(shù)值y 1, y 2 ， ，y n ，當(dāng)自變量為結(jié)點的中間值時，當(dāng)精度要求較低時可用附近結(jié)點上的函數(shù)值來近似代替；如果要求較高，則須用插值的方法求得。插值的基本思想是，設(shè)法構(gòu)造一個函數(shù)y = g (x) 作為列表函數(shù)f (x )的近似表達式，然后計算g ( x )的值以得到f ( x ) 的值。最常用的近似函數(shù)類型為代數(shù)多項式(即形式為：)。代數(shù)插值的數(shù)學(xué)含義可表述如下：設(shè)y = f ( x ) 是區(qū)間 a , b 上的連續(xù)函數(shù)，已知它在 a , b 上的幾個互于相同的點x1 , x2 , x3 , , xn 上的函數(shù)值 y1 , y2, y3, , yn。若代數(shù)多項式g ( x ) 滿足 g ( xi ) = yi（i = 1,2,3, ,n）則稱g (x) 為函數(shù)y = f (x )的插值多項式, x1 ,x2 ,x3 , , xn 為插值結(jié)點，區(qū)間 a , b 為插值區(qū)間，y = f ( x ）稱為被插值函數(shù)。插值問題的幾何意義是：通過給定的n個點（x1 , y1）,(x2 , y2) ,(x3 , y3) ,(xn , yn) 作一條n -1次的代數(shù)曲線y = gn-1 (x)，用以近似地表示曲線y = f (x)。一、 線性插值最簡單的插值為兩點插值，即用一個一次多項式y(tǒng) = g1 (x ) 作為插值多項式，使兩個插值點滿足此式。其幾何意義就是求通過兩點（x1 , y1）, ( x2 , y2）的直線。通過這兩點的直線方程為： 圖3-4 兩點插值的幾何意義二、 二次插值線性插值只用到兩個數(shù)據(jù)點的信息，計算簡單，但求得的y = f (x) 誤差較大。如果多用一些數(shù)據(jù)點來求y = f ( x )的近似值，其結(jié)果的精確程度就會改善。設(shè)已知y = f (x )在x1、x2、x3上的值為y1、y2、y3 ，這時求作一個二次多項式y(tǒng) = g2 ( x ) ，使g2(x i) = yi ，i = 1 ,2 ,3 。其幾何意義是通過三點作一條曲線來近似曲線y =f ( x ）。如果三個點不在一直線上，作出的曲線就是拋物線。g2(x)叫做二次插值多項式。這種插值稱為二次插值或拋物線插值。一般來說,二次插值的近似程度比線性插值要好些。三、拉格朗日插值公式將線性插值和二次插值的方法推而廣之，可以求得n個結(jié)點的n-1 次插值多項式為： 注意：適當(dāng)提高插值公式的階數(shù)可以改善插值精度，但階數(shù)太高的插值公式效果并不好。在實際進行插值時，通常采用分段插值方法，將插值范圍劃分為若干段，在每一分段上用低階插值(如線性插值或拋物線插值）。介紹書p39公式再說下面的框圖 (3 - 2)注意：xixn, 結(jié)點偏差的平方和為： 這表明偏差平方和是的函數(shù)，為使其最小，取對各自變量的偏導(dǎo)數(shù)等于零，得： 0, 1, 2, , n即 0，1，2，n求各偏導(dǎo)數(shù)并經(jīng)整理后可得下面的方程組： (3-5)其中，均為對i = 0, 1, 2, , m求和。上公式中待定的系數(shù)(a0, a1, a2, ,an)共(n+1)個，方程也是(n+1)個，因此解此聯(lián)立方程，就可求得各系數(shù)。例3-1有一組實驗數(shù)據(jù)如下表，它有7個點，現(xiàn)要求用二次多項式擬合。點號 1 2 3 4 5 6 7x值y值-3 -2 -1 0 1 2 3 4 2 3 0 -1 -2 -5設(shè)經(jīng)驗公式為 由上述實驗數(shù)據(jù)及經(jīng)驗公式知m=7,n=2,代入公式（3-5）得以下3個方程： ()把用表中的值代入，得： 求解得： 最后得擬合后的經(jīng)驗公式： 注意：( 1 )多項式的冪次不能太高，一般小于7 ，可先用較低的冪次，如誤差較大則再提高。( 2 )一組數(shù)據(jù)或一條線圖有時不能用一個多項式表示其全部，此時應(yīng)分段處理，分段大都發(fā)生在拐點或轉(zhuǎn)折之處。此外如欲提高某區(qū)間的擬合精度，則應(yīng)在該區(qū)間上采集更多的點。簡談：為了計算復(fù)雜函數(shù)的值，前面介紹幾種方法，都是設(shè)法求出其近似式插值函數(shù)，最優(yōu)平方逼近函數(shù)，最優(yōu)一致逼近函數(shù)，通過計算近似式的值求得復(fù)雜函數(shù)的近似值。三、最小二乘法的其他函數(shù)的擬合 :除代數(shù)多項式外，根據(jù)情況還可采用： ( 1 )冪函數(shù) ；( 2 )指數(shù)函數(shù) ；( 3 )對數(shù)函數(shù) ?？偨Y(jié)插值和擬合的相同點和不同點：都是近似函數(shù)（在此都是代數(shù)多項式），內(nèi)插曲線必須經(jīng)過每一個采樣點，而擬合曲線則不需要通過采樣點，因此內(nèi)插法適用于噪聲很少的采樣數(shù)據(jù)。插值（interpolation）可用于預(yù)估在數(shù)據(jù)點中間的函數(shù)值，而擬合是利用有限的采樣點（Sample Points ) 來建立一個數(shù)學(xué)模型。3.5 MATLAB語言簡介一、 MATLAB的用途及界面：1、 用途：可用來進行各種數(shù)值運算、控制系統(tǒng)仿真、數(shù)字信號處理、財經(jīng)工程等。2、 界面： 提示符,可在其后輸入各種表達式，按回車鍵即可。先通過CADp49的解聯(lián)立線性方程引出MATLAB的特點。二、 初探MATLAB1、 基本運算與變量的使用：MATLAB能識別一般常用的加（+）、減（）、乘( * )、除( / )、冪( ) 等運算符號,還能進行與矩陣相關(guān)的數(shù)學(xué)運算，如轉(zhuǎn)置( )、左除( )、右除( / )、冒號( : )等。注意運算符的優(yōu)先級（ 轉(zhuǎn)置、冪、乘、除、加、減、冒號 ）若對運算符的優(yōu)先級有疑慮時，最好的方