機(jī)械CAD-CAM復(fù)習(xí)資料全

1、機(jī)械CAD-CAM復(fù)習(xí)資料全第一章CAD/CAM的定義、功能及應(yīng)用：CAD定義：Computer Aided Design(計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì))的簡稱。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)是將人和計(jì)算機(jī)的最佳特性結(jié)合起來，輔助進(jìn)行產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與分析的一種技術(shù)，是綜合了計(jì)算機(jī)與工程設(shè)計(jì)方法的最新發(fā)展而形成的一門新興學(xué)科。 還可以定義為：工程技術(shù)人員以計(jì)算機(jī)為工具，用自身的專業(yè)知識(shí)，對產(chǎn)品進(jìn)行幾何造型、分析計(jì)算、繪圖和編寫技術(shù)文件等設(shè)計(jì)活動(dòng)的總稱。CAD的功能：工程設(shè)計(jì)的過程包括設(shè)計(jì)需求分析、概念設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)建模、設(shè)計(jì)分析、設(shè)計(jì)評價(jià)和設(shè)計(jì)表示，CAD的功能就是在工程設(shè)計(jì)的過程中起相應(yīng)的作用。CAM（Computer Aided

2、 Manufacturing）到目前為止還沒有明確的定義。是指計(jì)算機(jī)在制造領(lǐng)域有關(guān)應(yīng)用的統(tǒng)稱，有廣義和狹義之分。廣義CAM指利用計(jì)算機(jī)輔助完成從毛坯到產(chǎn)品制造過程中直接和間接的各種活動(dòng)。包括工藝準(zhǔn)備（計(jì)算機(jī)輔助工藝設(shè)計(jì)，工裝設(shè)計(jì)、制造，NC編程），生產(chǎn)作業(yè)計(jì)劃，物流過程的運(yùn)行控制（物料加工、裝配、檢驗(yàn)、輸送、儲(chǔ)存等生產(chǎn)活動(dòng)）。狹義CAM通常指數(shù)控程序的編制，包括刀具路線的規(guī)劃、刀位文件的生成、刀具軌跡仿真以及NC代碼的生成。CAD/CAM技術(shù)在機(jī)械工業(yè)中的主要應(yīng)用有以下幾個(gè)方面：(1) 二維繪圖。(2) 圖形及符號庫。(3) 參數(shù)化設(shè)計(jì)。(4) 三維造型。(5) 工程分析。(6) 生成設(shè)計(jì)文檔

3、及報(bào)表。(7)數(shù)控加工舉例說明CAD/CAM系統(tǒng)硬件及軟件：系統(tǒng)軟件指操作系統(tǒng)和系統(tǒng)實(shí)用程序等，它用于計(jì)算機(jī)的管理、控制和維護(hù)。1操作系統(tǒng)。如Windows 2000/xp/NT UNIX（工作站，微機(jī)）等。 2計(jì)算機(jī)語言及編譯系統(tǒng)。如Basic、Fortran、Pascal、C/C+等，這些高級語言均有相應(yīng)的編譯系統(tǒng)。 3系統(tǒng)實(shí)用程序。支撐軟件 1、圖形處理軟件。負(fù)責(zé)CAD的繪圖，如AutoCAD。2、幾何建模軟件。Pro/E等。 3、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。如FoxBASE，F(xiàn)oxPRO，工程數(shù)據(jù)庫等。計(jì)算方法庫：如解線性方程組優(yōu)化方法軟件 4、工程分析及計(jì)算軟件 有限元分析軟件：如ANSYS等機(jī)

4、構(gòu)分析及機(jī)構(gòu)綜合的軟件系統(tǒng)動(dòng)態(tài)分析軟件。 5、文檔制作軟件。如WPS，WORD等應(yīng)用軟件 應(yīng)用軟件是用戶為解決各類實(shí)際問題，在系統(tǒng)軟件的支持下而設(shè)計(jì)、開發(fā)的程序，或利用支撐軟件進(jìn)行二次開發(fā)形成的程序，如模具設(shè)計(jì)軟件、電器設(shè)計(jì)軟件等。應(yīng)用軟件的功能和質(zhì)量直接影響CAD/CAM系統(tǒng)的功能和質(zhì)量。典型的CAD/CAM系統(tǒng)的硬件計(jì)算機(jī)主機(jī)、信息存儲(chǔ)設(shè)備（主要指外存、如硬盤、軟盤、光盤等）、圖形輸入設(shè)備（鍵盤、鼠標(biāo)、掃描儀等）、圖形輸出設(shè)備（顯示器、繪圖儀、打印機(jī)等）及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、多媒體設(shè)備、數(shù)控機(jī)床、檢測設(shè)備、物流設(shè)備等組成。CAD/CAM系統(tǒng)的類型：1、檢索型CAD/CAM系統(tǒng) 檢索型CAD/CAM系

5、統(tǒng)主要用于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及其零部件已實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、系列化及模塊化的產(chǎn)品，它們的零部件圖及裝配圖已轉(zhuǎn)化為程序存儲(chǔ)于計(jì)算機(jī)中，在設(shè)計(jì)過程中，根據(jù)給出參數(shù)的具體數(shù)值按要求檢索出所需要的零部件圖，在計(jì)算機(jī)上裝配成產(chǎn)品圖，并對產(chǎn)品性能進(jìn)行校核，滿足要求后，輸出所需的各種技術(shù)文件及圖紙。2、自動(dòng)型CAD/CAM系統(tǒng)自動(dòng)型CAD/CAM系統(tǒng)能根據(jù)產(chǎn)品性能規(guī)格要求在輸入基本參數(shù)后，不需人工干預(yù)，計(jì)算機(jī)能根據(jù)規(guī)定的程序，自動(dòng)完成設(shè)計(jì)工作，輸出產(chǎn)品設(shè)計(jì)全部圖紙及技術(shù)文件，僅適用于設(shè)計(jì)理論成熟；計(jì)算公式確定；設(shè)計(jì)步驟及判別標(biāo)準(zhǔn)清楚；資料數(shù)據(jù)完備的產(chǎn)品。3、交互型CAD/CAM系統(tǒng) 在機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中，方案的決策及結(jié)構(gòu)布置

6、要完全實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化設(shè)計(jì)是非常困難的，有時(shí)也是不可行的，設(shè)計(jì)過程中往往需要設(shè)計(jì)人員的隨時(shí)參與，由此產(chǎn)生了交互型CAD/CAM系統(tǒng)。它充分發(fā)揮了人與計(jì)算機(jī)二者的長處，即：計(jì)算機(jī)的高速運(yùn)算能力和嚴(yán)格的邏輯判斷及大量信息的存儲(chǔ)能力和設(shè)計(jì)人員長期積累的智慧和豐富的經(jīng)驗(yàn)。交互型CAD/CAM系統(tǒng)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)工作中具有較實(shí)用的價(jià)值，并且在實(shí)現(xiàn)上相對也容易一些。4、智能型CAD/CAM系統(tǒng)將人工智能技術(shù)、專家系統(tǒng)技術(shù)與普通CAD/CAM系統(tǒng)結(jié)合起來，便產(chǎn)生了智能型CAD/CAM系統(tǒng)。它主要由知識(shí)庫、推理機(jī)、實(shí)時(shí)系統(tǒng)、知識(shí)獲取系統(tǒng)以及人機(jī)接口等組成。智能型CAD/CAM系統(tǒng)可以對產(chǎn)品設(shè)計(jì)的全過程進(jìn)行支持。CAD/C

7、AM技術(shù)的發(fā)展趨勢：1 集成化，提高集成水平是CAD/CAM系統(tǒng)發(fā)展的一個(gè)重要方向,必須在以下幾方面提高水平： 從傳統(tǒng)的實(shí)體造型到參數(shù)化特征造型的轉(zhuǎn)變 必須有自己統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫及其管理系統(tǒng) 解決好不同CAD/CAM系統(tǒng)間產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換問題 集成系統(tǒng)內(nèi)部應(yīng)該包括種類更多、功能更為完善的設(shè)計(jì)與制造應(yīng)用軟件 解決好網(wǎng)絡(luò)通信問題，使不同節(jié)點(diǎn)及不同地區(qū)的用戶能夠協(xié)同工作。2 網(wǎng)絡(luò)化提供多學(xué)科領(lǐng)域開發(fā)團(tuán)隊(duì)的協(xié)同產(chǎn)品開發(fā)支持跨部門、跨行業(yè)、跨地域的企業(yè)協(xié)作，提供數(shù)據(jù)共享、知識(shí)共享、資源共享。3 智能化現(xiàn)有的CAD/CAM技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)中只能處理數(shù)值型的工作，包括計(jì)算、分析與繪圖在設(shè)計(jì)活動(dòng)中存在另一類符號推

8、理型工作 ，將人工智能技術(shù)，特別是專家系統(tǒng)的技術(shù)，與傳統(tǒng)CAD/CAM技術(shù)結(jié)合起來，形成智能化CAD/CAM系統(tǒng)是機(jī)械CAD/CAM發(fā)展的必然趨勢。4 標(biāo)準(zhǔn)化面向圖形設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)CGI ，面向用戶的圖形標(biāo)準(zhǔn)GKS ,OPENGL，面向不同CAD/CAM系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)IGES和STEP ，事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)：CATIA與UG文件格式，DXF，X_T，SET等。第三章幾何造型技術(shù)又稱為幾何建模技術(shù)，是利用計(jì)算機(jī)以及圖形處理技術(shù)來構(gòu)造物體的幾何形狀，模擬物體的動(dòng)、靜態(tài)處理過程的技術(shù)。 這種技術(shù)能將物體的形狀及其屬性（顏色、材質(zhì)、精度）存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)內(nèi)，形成該物體的三維幾何模型，這個(gè)模型是對原物體的確切的數(shù)學(xué)描

9、述或是對原物體某種狀態(tài)的真實(shí)模擬。這個(gè)模型將為各種不同的后續(xù)應(yīng)用提供信息（例如：由模型產(chǎn)生有限元網(wǎng)格；由模型生成數(shù)控加工刀具軌跡，進(jìn)行碰撞、干涉檢驗(yàn)；VM；機(jī)床模型；刀具模型；夾具模型；零件模型）。幾何造型系統(tǒng)：通常把能夠定義、描述、生成幾何模型，并能交互地進(jìn)行編輯的系統(tǒng)稱為幾何造型系統(tǒng)三維幾何造型在CAD/CAM中的應(yīng)用 三維幾何造型在CAD/CAM中主要應(yīng)用在設(shè)計(jì)、圖形、制造和裝配四個(gè)方面。 (1) 設(shè)計(jì) 能隨時(shí)顯示零件形狀，并能利用剖切來檢查諸如壁的厚薄，孔是否相交等問題。能進(jìn)行物體的物理特性計(jì)算；如計(jì)算體積、面積、重心、慣性矩等。能檢查裝配中的干涉。能作運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的模擬等等。 (2) 圖

10、形 產(chǎn)生二維工程圖，包括零件圖，裝配圖等。 (3) 制造 能利用生成的三維幾何模型進(jìn)行數(shù)控自動(dòng)編程及刀具軌跡的仿真。此外還能進(jìn)行工藝規(guī)程設(shè)計(jì)等。 (4) 裝配 在機(jī)器人及柔性制造中利用三維幾何模型進(jìn)行裝配規(guī)劃、機(jī)器人視覺識(shí)別、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)的分析等。特征造型的兩種方式 1、特征識(shí)別是根據(jù)已有的幾何模型進(jìn)行相應(yīng)的特征識(shí)別，并加以定義，實(shí)現(xiàn)特征建模。有交互式和系統(tǒng)自動(dòng)識(shí)別兩種方式。特征識(shí)別+特征提取 2、特征設(shè)計(jì) 基于特征的造型技術(shù)，由設(shè)計(jì)人員調(diào)用特征造型系統(tǒng)中的特征，通過增加、刪除和修改等操作建立零件特征模型。它所遵循的思想是利用具有工程意義與確定形狀的特征直接構(gòu)造零件模型。3.2三維幾何

11、造型系統(tǒng)的幾種模型 幾何造型系統(tǒng)發(fā)展至今，先后出現(xiàn)了線框模型、表面模型、實(shí)體模型、特征模型等，這幾種模型代表了幾何形體在計(jì)算機(jī)內(nèi)的不同存儲(chǔ)方式，本節(jié)從工程角度出發(fā)，介紹這幾種模型的原理與計(jì)算機(jī)表達(dá)3.2.1 線框模型 1、建模 線框模型是用頂點(diǎn)和棱邊表示三維形體，其棱邊可以為直線、圓弧、二次曲線及樣條曲線組成 。 它的計(jì)算機(jī)表示包括兩方面的信息：一類是幾何信息，記錄各頂點(diǎn)的坐標(biāo)值，即頂點(diǎn)表；另一類是拓?fù)湫畔ⅲ涗浂x每條邊的兩個(gè)端點(diǎn)，即棱線表。實(shí)際物體是頂點(diǎn)表和棱線表相應(yīng)的三維映象。2、優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn) 結(jié)構(gòu)簡單，計(jì)算機(jī)內(nèi)部易于表達(dá)，繪制快速；物體的三維數(shù)據(jù)可以產(chǎn)生任意視圖，為生成工程圖帶來了方便。

12、缺點(diǎn)：有二義性，缺少表面輪廓信息，當(dāng)形狀復(fù)雜、棱線過多時(shí)，會(huì)引起模糊理解。 在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中缺少邊與面、面與體之間關(guān)系的信息。從原理上講，此種模型不能消除隱藏線、計(jì)算物性、生成數(shù)控加工刀具軌跡、有限元網(wǎng)格剖分、物體干涉檢驗(yàn)等，缺少拓?fù)湫畔?，即邊與面、面與體之間關(guān)系的信息，因此不能構(gòu)成實(shí)體。3.2.2表面模型 表面模型也稱曲面模型，通常用于構(gòu)造復(fù)雜的曲面物體，構(gòu)造時(shí)常常利用線框功能，先構(gòu)造一線框圖，然后用掃描或旋轉(zhuǎn)等手段變成曲面，也可以直接利用系統(tǒng)提供的許多曲面圖素來建立各種曲面模型。表面模型在計(jì)算機(jī)中的存儲(chǔ)與線框模型相比多了一個(gè)面表，記錄了邊、面間的拓?fù)潢P(guān)系。優(yōu)點(diǎn)： (1) 能實(shí)現(xiàn)消隱、著色、表面

13、積計(jì)算、二曲面求交、數(shù)控刀具軌跡生成、有限元網(wǎng)格劃分等。 (2) 擅長構(gòu)造復(fù)雜的曲面物體，如模具、汽車、飛機(jī)等表面。 缺點(diǎn)：(1) 缺乏面間的拓?fù)潢P(guān)系，依然不能構(gòu)成實(shí)體，有時(shí)產(chǎn)生對物體二義性理解。2) 操作比較復(fù)雜，要求操作者具備曲面建模的數(shù)學(xué)知識(shí)，因此要對操作者進(jìn)行一定的培訓(xùn)。3.2.3 實(shí)體模型（Solid Model） 1、建模 實(shí)體模型與表面模型不同之處在于確定了表面的哪一側(cè)存在實(shí)體這個(gè)問題。用有向棱邊的右手法則確定所在面外法線的方向，如規(guī)定正向指向體外。如此只需將上圖的面表改為如下，即可確切地分清體內(nèi)體外，形成實(shí)體模型。2、優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：（1）包含的信息全面，不僅記錄了全部幾何信息，而

14、且記錄了全部點(diǎn)、線、面、體的拓?fù)湫畔?。?）無二義性?？梢韵[、剖切、有限元網(wǎng)格劃分、生成NC刀具軌跡。（3）可計(jì)算物理特性。實(shí)體造型包括兩部分：（1）體素定義和描述（2）體素間的布爾運(yùn)算（構(gòu)成復(fù)雜實(shí)體的有效工具。3.3 三維實(shí)體表示方法 目前實(shí)體造型系統(tǒng)開發(fā)中使用的三維實(shí)體表示方法有許多，廣泛采用的兩種方法是幾何實(shí)體構(gòu)造法和邊界表示法。它們分別是早期和近期CAD開發(fā)中三維形體表示的主要方法，其他表示方法還有掃描表示法、八叉樹表示法、基本體素表示法、空間分割法、實(shí)體參數(shù)表示法等。 3.3.1幾何實(shí)體構(gòu)造法 幾何實(shí)體構(gòu)造法（CSG：Constructive Solid Geometry）是用簡單

15、實(shí)體通過集合運(yùn)算交、并、差構(gòu)造復(fù)雜實(shí)體的方法。是目前最常用的、最重要的一種三維實(shí)體表示方法。嚴(yán)格來說CSG法是由簡單的正則集合經(jīng)過正則集合運(yùn)算構(gòu)成復(fù)雜實(shí)體的方法。 用CSG法構(gòu)造的實(shí)體模型在計(jì)算機(jī)中是通過用CSG樹的形式加以表達(dá)的，通常采用二叉樹的形式加以描述。用CSG樹表示一個(gè)形體是無二義性的，但一個(gè)形體可以有不同的CSG樹表示，取決于使用的體素、構(gòu)造操作方法和操作順序。優(yōu)點(diǎn)： (1) 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)比較簡單，信息量小，易于管理； (2) 每個(gè)CSG都和一個(gè)實(shí)際的有效形體相對應(yīng)； (3) CSG樹記錄了形體的生成過程，可修改形體生成的各環(huán)節(jié)以改變形體的形狀。缺點(diǎn)：(1) 不能進(jìn)行形體的局部修改，如

16、面、邊、點(diǎn)等 (2) 直接基于CSG表達(dá)形體，其組合運(yùn)算及顯示效率很低。Brep表示法的優(yōu)點(diǎn)： (1)表示形體的點(diǎn)、線、面等幾何元素是顯式表示、使得形體的顯示很快并且很容易確定幾何元素之間的連接關(guān)系；(2) 可對Brep法的形體進(jìn)行多種操作和局部修改 缺點(diǎn)： (1)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要大量存儲(chǔ)空間，維護(hù)內(nèi)部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及一致性的程序較復(fù)雜； (2)對形體的修改操作較難實(shí)現(xiàn)。第6章 計(jì)算機(jī)輔助工程分析一、計(jì)算機(jī)輔助工程分析概述二、有限元法三、優(yōu)化設(shè)計(jì)方法四、仿真機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程的一個(gè)重要環(huán)節(jié)是分析、計(jì)算，包括：（1）對產(chǎn)品幾何模型進(jìn)行分析、計(jì)算；（2）通過應(yīng)力變形進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析；（3）對設(shè)計(jì)方案進(jìn)行分析

17、，評價(jià)等。 傳統(tǒng)的分析方法一般比較粗略，尤其是結(jié)構(gòu)分析對象的模型往往經(jīng)過了較大的簡化，有時(shí)引入了難以令人置信的假設(shè)，致使有些分析結(jié)果不甚可靠。因此，這種傳統(tǒng)的分析方法只能用來定性地比較不同方案的好壞。近三十年來，由于計(jì)算機(jī)的應(yīng)用以及測試手段的不斷改進(jìn)和完善，機(jī)械設(shè)計(jì)已由靜態(tài)、線性分析向動(dòng)態(tài)、非線性過渡；由經(jīng)驗(yàn)類比設(shè)計(jì)向最優(yōu)化過渡；由人工計(jì)算向自動(dòng)計(jì)算、由近似計(jì)算向精確計(jì)算過渡，以適應(yīng)產(chǎn)品向高效、高速、高精度、低成本等現(xiàn)代化要求發(fā)展的需要。在這種前提下，將計(jì)算機(jī)引入工程分析領(lǐng)域，這是機(jī)械設(shè)計(jì)中的一場巨大變革。 利用計(jì)算機(jī)輔助工程分析的關(guān)鍵是在三維實(shí)體建模的基礎(chǔ)上，從產(chǎn)品的方案設(shè)計(jì)階段開始，按照實(shí)

18、際使用的條件進(jìn)行仿真和結(jié)構(gòu)分析；按照性能要求進(jìn)行設(shè)計(jì)和綜合評價(jià)，以便從多個(gè)設(shè)計(jì)方案中選擇最佳方案。因此，計(jì)算機(jī)輔助工程分析通常包括有限元法、優(yōu)化設(shè)計(jì)、仿真技術(shù)、試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析等方面。計(jì)算機(jī)輔助工程分析已成為CADCAM中不可缺少的重要環(huán)節(jié)。6.1.1 有限元法簡介 1、提出：1960年，美國Clogh教授首次提出“有限元法”這個(gè)名詞。從此，有限元法正式作為一種數(shù)值分析方法出現(xiàn)在工程技術(shù)領(lǐng)域。2、有限元法的基本思想：先把原來是連續(xù)的物體剖分（離散）成有限個(gè)單元，且它們相互連接在有限個(gè)節(jié)點(diǎn)上(如圖所示)，承受等效的節(jié)點(diǎn)載荷，并根據(jù)平衡條件來進(jìn)行分析，然后根據(jù)變形協(xié)調(diào)條件把這些單元重新組合起來，成為一

19、個(gè)組合體，再綜合求解。由于單元的個(gè)數(shù)是有限的，節(jié)點(diǎn)數(shù)目也是有限的，所以稱為有限元法。3、有限元法常用的單元類型：在采用有限元法對結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析計(jì)算時(shí)，依據(jù)分析對象的不同，采用單元類型也不同。常見的單元類型有：桿單元（如圖a）、梁單元（如圖b，c）、板單元（如圖d，e）、軸對稱單元（如圖f，g）、薄板彎曲單元（如圖h，i）、板殼單元（如圖j）、多面體單元（如圖k，l）等。用有限元法進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析時(shí)，需要輸入大量的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)如果采用人工輸入，工作量大、繁瑣枯燥且易于出錯(cuò)。當(dāng)結(jié)構(gòu)經(jīng)過有限元分析后，亦會(huì)輸出大量數(shù)據(jù)，對這些數(shù)據(jù)的觀察和分析也是一項(xiàng)細(xì)致而難度較大的工作。因此有限元計(jì)算程序應(yīng)具備前置處理和

20、后置處理的功能。 有限元前后置處理類型： （1）將幾何建模系統(tǒng)與有限元分析系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合，在建模系統(tǒng)中將有限元的前后置處理作為線框模型、表面模型、實(shí)體模型的應(yīng)用層。即把幾何模型的幾何參數(shù)和拓?fù)潢P(guān)系等數(shù)據(jù)進(jìn)行加工，自動(dòng)剖分成有限元的網(wǎng)格，然后輸入有限元分析需要的其它數(shù)據(jù)，生成不同有限元分析程序所需的數(shù)據(jù)網(wǎng)格文件。 （2）單獨(dú)為某一個(gè)有限元分析程序配置前后處理功能程序，并把二者集成為一套完整的有限元分析系統(tǒng)，它同時(shí)具有批處理和圖形編輯功能。一、前置處理1、什么是前置處理？所謂前置處理是在用有限元法進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析之前，按所使用的單元類型對結(jié)構(gòu)進(jìn)行剖分；根據(jù)要求對節(jié)點(diǎn)進(jìn)行順序編號；輸入單元特性及節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)；

21、生成網(wǎng)格圖象并在熒光屏上顯示；為了決定它是否適用或者是否應(yīng)當(dāng)修改，顯示的圖象應(yīng)帶有節(jié)點(diǎn)和單元標(biāo)號以及邊界條件等信息；為了便于觀察，圖象應(yīng)能分塊顯示、放大或縮小。對于三維結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格圖象需要具備能使圖象作三維旋轉(zhuǎn)的功能，等等。以上內(nèi)容一般稱之為前置處理，為實(shí)現(xiàn)這些要求而編制的程序稱為前置處理程序。2、前置處理程序的基本功能 （1）生成節(jié)點(diǎn)坐標(biāo) :可手工或交互輸入節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)；繞任意軸旋轉(zhuǎn)生成或沿任意矢量方向平移生成一系列節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)；在一系列節(jié)點(diǎn)之間生成有序節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)；生成典型圖、體的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)；合并坐標(biāo)值相同的節(jié)點(diǎn)，并按順序重新編號。（2）生成網(wǎng)格單元 :可手工輸入單元描述及其特征；可重復(fù)進(jìn)行平移復(fù)制、旋轉(zhuǎn)

22、復(fù)制、對稱平面復(fù)制已有的網(wǎng)格單元體。（3）修改和控制網(wǎng)格單元 :對已剖分的單元體進(jìn)行局部網(wǎng)格密度調(diào)整，如重心平移、預(yù)置節(jié)點(diǎn)、平移、插入或刪除網(wǎng)格單元；通過定位網(wǎng)格方向及指定節(jié)點(diǎn)編號來優(yōu)化處理時(shí)間；合并剖分后的單元體以及單元體拼合。 （4）引進(jìn)邊界條件: 引進(jìn)邊界條件，約束一系列節(jié)點(diǎn)的總體位移和轉(zhuǎn)角。 （5）單元物理幾何屬性編輯: 定義材料特性，對彈性模量、波松比、慣性矩、質(zhì)量密度以及厚度等物理幾何參數(shù)進(jìn)行修改、插入或刪除。（6）單元分布載荷編輯 :可定義、修改、插入和刪除節(jié)點(diǎn)的載荷、約束、質(zhì)量、溫度等信息。 二、后置處理所謂后置處理，即將有限元計(jì)算分析結(jié)果進(jìn)行加工處理并形象化為變形圖、應(yīng)力等值

23、線圖、應(yīng)力應(yīng)變彩色濃淡圖、應(yīng)力應(yīng)變曲線以及振型圖等，以便對變形、應(yīng)力等進(jìn)行直觀分析和研究。為了實(shí)現(xiàn)這些目的而編制的程序，稱為后置處理程序。6.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)1、設(shè)計(jì)變量設(shè)計(jì)中，可以用一組對設(shè)計(jì)性能指標(biāo)有影響的基本參數(shù)來表示某個(gè)設(shè)計(jì)方案。其中有些基本參數(shù)可以根據(jù)工藝、安裝和使用要求預(yù)先確定，而另一些則需要在設(shè)計(jì)過程中進(jìn)行選擇。那些需要在設(shè)計(jì)過程中進(jìn)行選擇的基本參數(shù)被稱為設(shè)計(jì)變量。機(jī)械設(shè)計(jì)常用的設(shè)計(jì)變量有：幾何外形尺寸(如長、寬、高、厚等)；材料性質(zhì)；速度、加速度、效率、溫度等。機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，作為設(shè)計(jì)變量的基本參數(shù)，一般是一些相互獨(dú)立的參數(shù)，它們的取值都是實(shí)數(shù)。2、目標(biāo)函數(shù) 定義：根據(jù)特定目標(biāo)建立

24、起來的、以設(shè)計(jì)變量為自變量的、一個(gè)可計(jì)算的函數(shù)稱為目標(biāo)函數(shù)，它是設(shè)計(jì)方案評價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)。目標(biāo)函數(shù)統(tǒng)一描述為：minF(X) F(x1，x2，xn)目標(biāo)函數(shù)與設(shè)計(jì)變量之間的關(guān)系可以用幾何圖形形象地表示出來。如，單變量時(shí)，目標(biāo)函數(shù)是二維平面上的一條曲線；雙變量時(shí)，目標(biāo)函數(shù)是三維空間的一個(gè)曲面。3、約束條件為產(chǎn)生一個(gè)可接受的設(shè)計(jì)而對設(shè)計(jì)變量取值施加的種種限制稱為約束條件。約束條件一般表示為設(shè)計(jì)變量的不等式約束函數(shù)和等式約束函數(shù)形式。約束條件一般分為邊界約束和性能約束兩種。(1)邊界約束 又稱區(qū)域約束，表示設(shè)計(jì)變量的物理限制和取值范圍。 如在貯料箱設(shè)計(jì)中，可得邊界約束條件為： (2)性能約束 又稱性態(tài)約束

25、，是由某種設(shè)計(jì)性能或指標(biāo)推導(dǎo)出來的一種約束條件。屬于這類設(shè)計(jì)約束的如零件的工作應(yīng)力、應(yīng)變的限制；對振動(dòng)頻率、振幅的限制；對傳動(dòng)效率、溫升、噪聲、輸出扭矩波動(dòng)最大值等的限制；對運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)如位移、速度、轉(zhuǎn)速、加速度的限制等。這類約束條件，一般總可以根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范中的設(shè)計(jì)公式或通過物理學(xué)和力學(xué)的基本分析導(dǎo)出的約束函數(shù)來表示。4、數(shù)值迭代計(jì)算方法數(shù)值迭代是計(jì)算機(jī)常用的計(jì)算方法，也是優(yōu)化設(shè)計(jì)的基本數(shù)值分析方法。它用某個(gè)固定公式代入初值后反復(fù)進(jìn)行計(jì)算，每次計(jì)算后，將計(jì)算結(jié)果代回公式，使之逐步逼近理論上的精確解，當(dāng)滿足精度要求時(shí)，得出與理論解近似的計(jì)算結(jié)果。用數(shù)值迭代法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，其基本思想是：在設(shè)計(jì)空間選

26、定一個(gè)初始點(diǎn)x（0），從這一點(diǎn)出發(fā)，按照某一優(yōu)化方法所規(guī)定的原則，確定適當(dāng)?shù)姆较蚍较騭（0）與步長a（0）進(jìn)行搜索，獲得一個(gè)使目標(biāo)函數(shù)值有所改進(jìn)的新設(shè)計(jì)點(diǎn)x（1），再以x（1）點(diǎn)作為新的始點(diǎn)重復(fù)上述過程。這樣依次迭代，可得x（2），x（3），x（k-1），x（k）x（k+1）等設(shè)計(jì)點(diǎn)、最后求出滿足設(shè)計(jì)精度要求的、逼近理論最優(yōu)點(diǎn)的近似最優(yōu)點(diǎn)x*。 例如：求x3x1=0的根 6.2.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型建立數(shù)學(xué)模型是進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的首要關(guān)鍵任務(wù)，前提是對實(shí)際問題的特征或本質(zhì)加以抽象，再將其表現(xiàn)為數(shù)學(xué)形態(tài)。建立數(shù)學(xué)模型的一般過程為：（1）分析設(shè)計(jì)問題，初步建立數(shù)學(xué)模型建立數(shù)學(xué)模型有三種途徑：1)抽象

27、理論數(shù)學(xué)模型 2)擬合近似數(shù)學(xué)模型 3)提煉數(shù)值仿真模型(2)抓住主要矛盾，確定設(shè)計(jì)變量 一般情況下，限制優(yōu)化設(shè)計(jì)變量的個(gè)數(shù)有利于設(shè)計(jì)問題數(shù)學(xué)模型的簡化。通常參照以往的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和實(shí)際要求，盡可能地將那些對目標(biāo)函數(shù)影響不大的參數(shù)取為常量。(3)根據(jù)工程實(shí)際，提出約束條件 約束條件是對設(shè)計(jì)變量的限制，這種限制必須要根據(jù)工程實(shí)際情況來制訂，以便使設(shè)計(jì)方案切實(shí)可行。約束條件的數(shù)目多，則可行的設(shè)計(jì)方案。(4)對照設(shè)計(jì)實(shí)例，修正數(shù)學(xué)模型 (5)正確求解計(jì)算估價(jià)方法誤差(6)進(jìn)行結(jié)果分析，審查模型靈敏性6.2.3 優(yōu)化設(shè)計(jì)方法優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的種類很多，根據(jù)討論問題的不同方面，有不同的分類方法。如根據(jù)是否存在約

28、束條件，可分為有約束優(yōu)化和無約束優(yōu)化；根據(jù)目標(biāo)函數(shù)和約束條件的性質(zhì)，可分為線性規(guī)劃和非線性規(guī)劃；根據(jù)優(yōu)化目標(biāo)的多寡，可分為單目標(biāo)優(yōu)化和多目標(biāo)優(yōu)化等。6.2.4 選擇優(yōu)化方法時(shí)應(yīng)考慮的因素 目前，優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件已成為一種比較成熟的軟件產(chǎn)品。在CADCAM中應(yīng)盡可能選用現(xiàn)成的優(yōu)化方法軟件，以節(jié)省人力、機(jī)時(shí)，盡快得到優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果，滿足CADCAM的需要。需要考慮因素：n 優(yōu)化設(shè)計(jì)問題的規(guī)模，即設(shè)計(jì)變量數(shù)目和約束條件數(shù)目的多少。n 目標(biāo)函數(shù)和約束函數(shù)的非線性程度、函數(shù)的連續(xù)性、等式約束或不等式約束以及函數(shù)數(shù)值計(jì)算的復(fù)雜程度。n 優(yōu)化方法的收斂速度、計(jì)算效率，穩(wěn)定性、可靠性，以及解的精確性。n 是否有現(xiàn)成

29、程序；程序使用的環(huán)境要求、通用性、簡便性、執(zhí)行效率、可靠程度等6.2.5 優(yōu)化設(shè)計(jì)的一般過程 機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)過程，一般可分為以下幾個(gè)階段： (1) 根據(jù)機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)要求，確定優(yōu)化范圍。(2) 分析優(yōu)化對象，準(zhǔn)備各種技術(shù)資料。(3) 建立合理而實(shí)用的優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型。(4) 選擇合適的優(yōu)化方法。 (5) 選用或編制優(yōu)化設(shè)計(jì)程序。 (6) 計(jì)算機(jī)求解，優(yōu)選設(shè)計(jì)方案。(7) 分析評價(jià)優(yōu)化結(jié)果。 6.3 仿真 仿真 顧名思義，模仿真實(shí)的系統(tǒng)，意指通過對模擬系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)去研究一個(gè)存在或設(shè)計(jì)中的系統(tǒng)。仿真的關(guān)鍵是建立從實(shí)際系統(tǒng)抽象出來的仿真模型。 1、 仿真的類型 仿真是在模型上進(jìn)行反復(fù)試驗(yàn)研究的過程。因?yàn)?/p>

30、模型有物理模型與數(shù)學(xué)模型，故仿真也有物理仿真與數(shù)學(xué)仿真（1）物理仿真 物理模型與實(shí)際系統(tǒng)之間具有相似的物理屬性，所以，物理仿真能觀測到難以用數(shù)學(xué)來描述的系統(tǒng)特性，但要花費(fèi)較大的代價(jià)。根據(jù)仿真模型中物理模型占據(jù)的比例又分為半物理仿真和全物理仿真。半物理仿真的模型，有一部分是數(shù)學(xué)模型，另一部分是已研制出來的產(chǎn)品部件或子系統(tǒng)，從而對產(chǎn)品整體性能和實(shí)際部件或子系統(tǒng)進(jìn)行功能測試。全物理仿真的模型則全部是實(shí)物模型。（2） 數(shù)學(xué)仿真 又稱計(jì)算機(jī)仿真。即建立系統(tǒng)(或過程)的可以計(jì)算的數(shù)學(xué)模型(仿真模型)，并據(jù)此編制成仿真程序放入計(jì)算機(jī)進(jìn)行仿真試驗(yàn)，掌握實(shí)際系統(tǒng)(或過程)在各種內(nèi)外因素變化下，性能的變化規(guī)律。2

31、、計(jì)算機(jī)仿真的應(yīng)用類型(1) 系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)。例如柔性制造系統(tǒng)的仿真，在設(shè)計(jì)階段，通過模型仿真來研究系統(tǒng)在不同物理配置情況下和不同運(yùn)行策略控制下的特性，從而預(yù)先對系統(tǒng)進(jìn)行分析、評價(jià)，以獲得較好的配置和較優(yōu)的控制策略；系統(tǒng)建成后，通過仿真，可以模擬系統(tǒng)在不同作業(yè)計(jì)劃輸入下的運(yùn)行情況，用以擇優(yōu)實(shí)施作業(yè)計(jì)劃，提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率。(2) 制成訓(xùn)練用的仿真器。 例如飛行模擬器、船舶操縱訓(xùn)練器、汽車駕駛模擬器等。這些仿真器既可以保證被訓(xùn)練人員的安全，也可以節(jié)省能源，縮短訓(xùn)練周期。 3、計(jì)算機(jī)仿真的特點(diǎn)(1) 以計(jì)算機(jī)為實(shí)驗(yàn)環(huán)境，依賴實(shí)際系統(tǒng)的抽象仿真模型。(2) 計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果是實(shí)驗(yàn)解，而不是純粹的數(shù)學(xué)解

32、析或數(shù)值分析解。(3) 既能展示實(shí)際系統(tǒng)的模擬靜態(tài)，又能直觀表演系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。 6.3.2 計(jì)算機(jī)仿真的一般過程計(jì)算機(jī)仿真的基本方法是將實(shí)際系統(tǒng)抽象描述為數(shù)學(xué)模型，再轉(zhuǎn)化成計(jì)算機(jī)求解的仿真模型，然后編制程序，上機(jī)運(yùn)行，進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)并顯示結(jié)果。其一般過程為： 1、建立數(shù)學(xué)模型2、建立仿真模型 3、編制仿真程序 4、進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn) 5、結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析 6、仿真工作總結(jié) 計(jì)算機(jī)仿真的廣泛應(yīng)用具有十分重要的意義(1) 替代許多難以或無法實(shí)施的實(shí)驗(yàn)(2) 解決一般方法難以求解的大型系統(tǒng)問題(3) 降低投資風(fēng)險(xiǎn)、節(jié)省研究開發(fā)費(fèi)用(4) 避免實(shí)際實(shí)驗(yàn)對生命、財(cái)產(chǎn)的危害(5) 縮短實(shí)驗(yàn)時(shí)間、不受時(shí)空限制 6.3

33、.3 仿真在CAD/CAM中的應(yīng)用 仿真在CADCAM系統(tǒng)中的應(yīng)用主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面： (1) 產(chǎn)品形態(tài)仿真。 (2) 裝配關(guān)系仿真。 (3) 運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真。 (4) 動(dòng)力學(xué)仿真。 (5) 零件工藝過程幾何仿真。 (6) 加工過程仿真。 (7) 生產(chǎn)過程仿真。 第7章 計(jì)算機(jī)輔助工藝規(guī)程設(shè)計(jì)7.1 概述CAPP（計(jì)算機(jī)輔助工藝設(shè)計(jì)：Computer Aided Process Planning）是根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行產(chǎn)品的加工方法和制造過程的設(shè)計(jì)。7.1.1 CAPP技術(shù)及其發(fā)展概況1、工藝規(guī)程設(shè)計(jì)的任務(wù)工藝規(guī)程設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是為被加工零件選擇合理的加工方法、加工順序、工、夾、量具，以及切削

34、條件的計(jì)算等，使能按設(shè)計(jì)要求生產(chǎn)出合格的成品零件。它所包含的主要內(nèi)容：(1)選擇加工方法和采用的機(jī)床、刀具、夾具及其它工裝設(shè)備。(2)安排合理的加工順序。(3)選擇基準(zhǔn)，確定加工余量和毛坯，計(jì)算工序尺寸和公差。(4)選用合理的切削用量(5)計(jì)算時(shí)間定額和加工成本(6)編制包含上述所有資料的工藝文件 其核心內(nèi)容是選擇加工方法和安排合理的加工順序。2、CAPP的提出長期以來，傳統(tǒng)的工藝規(guī)程設(shè)計(jì)方法一直是由工藝人員根據(jù)他們多年從事工廠生產(chǎn)活動(dòng)而積累起來的經(jīng)驗(yàn)，以手工方式進(jìn)行的。已不適應(yīng)當(dāng)前產(chǎn)品品種多樣化、更新?lián)Q代日益頻繁的生產(chǎn)形勢。工藝規(guī)程設(shè)計(jì)主要是在分析和處理大量信息的基礎(chǔ)上進(jìn)行選擇(加工方法、機(jī)

35、床、刀具、加工順序等)、計(jì)算(加工余量、工序尺寸、公差、切削參數(shù)、工時(shí)定額等)、繪圖(工序圖)以及編制文件等工作，而計(jì)算機(jī)能有效地管理大量的數(shù)據(jù)，進(jìn)行快速、準(zhǔn)確的計(jì)算和各種形式的比較、選擇，能自動(dòng)繪圖和編制表格文件。這些功能恰恰適應(yīng)工藝規(guī)程設(shè)計(jì)的需要，于是出現(xiàn)了計(jì)算機(jī)輔助工藝規(guī)程設(shè)計(jì)(Computer Aided Process P1anning），簡稱CAPP這樣一種新技術(shù)。CAPP不僅能實(shí)現(xiàn)工藝設(shè)計(jì)自動(dòng)化，還能把生產(chǎn)實(shí)踐中行之有效的若干工藝設(shè)計(jì)原則與方法，轉(zhuǎn)換成工藝設(shè)計(jì)決策模型，建立科學(xué)的決策邏輯，把長期從事工藝設(shè)計(jì)工作的人的經(jīng)驗(yàn)傳授給初參加工作的人，編制出最優(yōu)的制造方案。另外，CAPP也

36、是把CAD和CAM的信息連接起來，實(shí)現(xiàn)CADCAM一體化，建立集成制造系統(tǒng)(Computer Integrated Manufacturing SystemCIMS)的關(guān)鍵性中間環(huán)節(jié)。3、CAPP的發(fā)展概況（1）國外 CAPP技術(shù)的研究和發(fā)展起源于20世紀(jì)60年代。1969年挪威推出了世界上第一個(gè)CAPP系統(tǒng)AUTOPROS，并于1973年商品化。它是根據(jù)成組技術(shù)原理，利用零件的相似性去檢索和修改標(biāo)準(zhǔn)工藝來制定相應(yīng)零件的工藝規(guī)程。美國于20世紀(jì)60年代末70年代初著手于CAPP的研究，并于1976年由CAM-I公司推出了頗具影響力的Automated Process Planning系統(tǒng)。這是

37、一種可在微型機(jī)上運(yùn)行的結(jié)構(gòu)簡單的小型系統(tǒng)。 CAPP從60年代末開始研制，到目前雖只有幾十年的歷史，但已研制出很多CAPP系統(tǒng)，而且有不少系統(tǒng)已投入生產(chǎn)實(shí)踐使用。目前世界各國的CAPP系統(tǒng)主要用于回轉(zhuǎn)體零件，其次為棱柱形零件和板塊類零件，其它非回轉(zhuǎn)體零件應(yīng)用較少，而且多應(yīng)用于單件小批量生產(chǎn)類型。（2）我國從80年代初期起，我國一些高等院校和工廠在推廣和應(yīng)用成組技術(shù)的基礎(chǔ)上，也開始研究和開發(fā)計(jì)算機(jī)輔助工藝規(guī)程設(shè)計(jì)系統(tǒng)。最早進(jìn)行這項(xiàng)研究工作的是上海同濟(jì)大學(xué)，他們在1982年研制成功了TOJICAP系統(tǒng)，并通過了由國家教委組織的鑒定，并于1985年在國際CIRP會(huì)議上正式發(fā)表。隨后北京理工大學(xué)也研制

38、出適用于車輛中回轉(zhuǎn)體零件的BITCAPP系統(tǒng)，北京航空航天大學(xué)發(fā)表了BHCAPP系統(tǒng)，還有些高等院校和工廠合作研制的CAPP系統(tǒng)也相繼獲得成功。7.1.2 CAPP系統(tǒng)的工作原理CAPP系統(tǒng)有兩種工作原理：派生法和創(chuàng)成法。 (1)派生法(Variant)根據(jù)成組技術(shù)的原理將零件劃分為相似零件組，按零件組編制出標(biāo)準(zhǔn)工藝規(guī)程，并以文件的形式貯存在計(jì)算機(jī)中。當(dāng)要為新零件設(shè)計(jì)工藝規(guī)程時(shí)，輸入該零件的成組技術(shù)代碼，由計(jì)算機(jī)判別零件屬于哪一個(gè)零件組，檢索出該零件組的標(biāo)準(zhǔn)工藝規(guī)程，再根據(jù)零件的結(jié)構(gòu)形狀特點(diǎn)、尺寸公差，進(jìn)行編輯修改，獲得適合于該零件的工藝規(guī)程。通常調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)工藝文件，確定加工順序，計(jì)算切削參數(shù)、

39、加工時(shí)間或加工費(fèi)用都是由計(jì)算機(jī)自動(dòng)進(jìn)行的。(2)創(chuàng)成法(Generative) 不以原有的工藝規(guī)程為基礎(chǔ)，在計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)中，收集了大量的工藝數(shù)據(jù)和加工知識(shí)，并在此基礎(chǔ)上建立了一系列的決策邏輯，形成了工藝數(shù)據(jù)庫和加工知識(shí)庫。當(dāng)輸入新零件的有關(guān)信息后，系統(tǒng)可以模仿工藝人員，應(yīng)用各種工藝決策邏輯規(guī)則，在沒有人工干預(yù)的條件下，自動(dòng)地生成零件的工藝規(guī)程。目前用派生法原理生成工藝規(guī)程的力法已經(jīng)比較成熟，應(yīng)用十分廣泛，現(xiàn)有的大部分CAPP系統(tǒng)都屬于這種類型。創(chuàng)成法原理目前還不完善，還沒有一個(gè)純粹的創(chuàng)成法CAPP系統(tǒng)出現(xiàn)。7.1.3 CAPP系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成CAPP系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)主要由零件信息的獲取、工藝決策

40、、工藝數(shù)據(jù)庫知識(shí)庫、人機(jī)界面、工藝文件管理輸出等五大模塊組成。7.2 零件信息的描述與輸入1、零件信息描述的內(nèi)容零件信息主要包括零件的幾何信息和工藝信息兩個(gè)方面內(nèi)容（1）幾何信息 所謂零件的幾何信息是指零件的幾何形狀、尺寸、以及各幾何元素間的拓?fù)潢P(guān)系，如零件表面的形狀、各表面間的相互位置等。零件的幾何信息實(shí)際上就是零件的圖形信息。（2）工藝信息 工藝信息是指零件的加工精度、表面粗糙度、零件材料、毛坯特征、熱處理要求、配合和嚙合關(guān)系等多種信息。2、零件信息描述的基本方法（1）零件分類編碼描述法 零件分類編碼描述法是基于成組技術(shù)原理，首先需制訂一套編碼系統(tǒng)，用該編碼系統(tǒng)根據(jù)零件的幾何形狀和工藝特征

41、對零件進(jìn)行編碼處理，然后將這些零件編碼輸入計(jì)算機(jī)來粗略描述零件的形狀、尺寸、精度等信息。（2）形狀特征描述法 形狀特征描述法要求將組成零件的各個(gè)形狀特征按一定順序逐個(gè)地輸入到計(jì)算機(jī)中去，并按事先確定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行組織，在計(jì)算機(jī)內(nèi)部形成一種供CAPP作業(yè)調(diào)用的零件信息模型。（3）語言描述法 該方法是用一種能由計(jì)算機(jī)識(shí)別的語言來對零件信息進(jìn)行描述。用戶首先用這種語言規(guī)定的詞匯、語句和語法對零件信息進(jìn)行描述，然后通過相應(yīng)的計(jì)算機(jī)編譯系統(tǒng)對描述結(jié)果進(jìn)行編譯，形成計(jì)算機(jī)能夠識(shí)別的零件信息代碼。（4）知識(shí)表示描述法 用人工智能中的知識(shí)表示方法來描述零件信息甚至整個(gè)產(chǎn)品的信息。（5）直接將CAD作業(yè)結(jié)果作為

42、CAPP的輸入7.3 派生法CAPP系統(tǒng)7.3.1 派生法CAPP系統(tǒng)的工作原理派生法也叫做經(jīng)驗(yàn)法、樣件法。在派生法CAPP系統(tǒng)中，零件圖樣按成組技術(shù)中的分類編碼系統(tǒng)進(jìn)行編碼，用數(shù)字代碼表示零件圖樣上的信息。派生法CAPP系統(tǒng)的工作原理是根據(jù)成組技術(shù)中相似性原理，如果零件的結(jié)構(gòu)形狀相似，則它們的工藝規(guī)程也有相似性。對于每一個(gè)相似零件組，可以采用一個(gè)公共的制造方法來加工，這種公共的制造方法以標(biāo)準(zhǔn)工藝的形式出現(xiàn)，它可以集中專家、工藝人員的集體智慧和經(jīng)驗(yàn)及生產(chǎn)實(shí)踐的總結(jié)制訂出來，然后貯存在計(jì)算機(jī)中。當(dāng)為一個(gè)新零件設(shè)計(jì)工藝規(guī)程時(shí)，從計(jì)算機(jī)中檢索標(biāo)準(zhǔn)工藝文件，然后經(jīng)過一定的編輯和修改就可以得到該零件的工

43、藝規(guī)程。7.3.2 派生法CAPP系統(tǒng)的研制過程1、零件編碼 首先將零件圖上的信息代碼化，即對已有的零件進(jìn)行編碼，把零件的屬性用流行的數(shù)字代碼來表示，以使計(jì)算機(jī)容易識(shí)別?？梢愿鶕?jù)具體情況選用通用的分類系統(tǒng)，如JCBM、Opitz、JLBM、KK系統(tǒng)等等，也可選用適合于本部門產(chǎn)品特點(diǎn)的專用分類系統(tǒng)。2、零件分組首先要確定相似性準(zhǔn)則，即分組的依據(jù)。常用的分組方法有視檢法、生產(chǎn)流程分析法和編碼分組法。其中編碼分組法是應(yīng)用較為廣泛的一種方法，編碼分組法又可以分為特征數(shù)據(jù)法和特征矩陣法。3設(shè)計(jì)零件組的復(fù)合零件復(fù)合零件又叫主樣件，它包含一組零件的全部形狀要素，有一定的尺寸范圍，可以是實(shí)際存在的，也可以是假

44、想的。以它作為樣板零件，設(shè)計(jì)適用于全組的通用工藝規(guī)程。4、設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)工藝規(guī)程標(biāo)準(zhǔn)工藝規(guī)程應(yīng)能滿足該零件組所有零件的加工要求，并能反映工廠實(shí)際工藝水平，盡可能是合理可行的。5建立工步代碼文件 標(biāo)準(zhǔn)工藝規(guī)程是由各種加工工序組成的，一個(gè)工序又可以分為多個(gè)操作工步，所以操作工步是標(biāo)準(zhǔn)工藝規(guī)程中最基本的組成要素。如車外圓、鉆孔、銑平面、磨外圓、滾齒、拉花鍵等。6建立切削數(shù)據(jù)文件CAPP所要處理的數(shù)據(jù)，其種類和數(shù)量都非常大，而且其中許多數(shù)據(jù)是和其它系統(tǒng)共享的。由于產(chǎn)品零件的品種繁多，零件形狀又十分復(fù)雜，涉及的加工要素很多，采用的加工方法也各種各樣，而所有的加工方法都必須要有切削數(shù)據(jù)(進(jìn)給量、切削速度、切削深

45、度)，為此必須建立大量的切削數(shù)據(jù)文件。為了生成工藝規(guī)程，還必須要建立各種工藝數(shù)據(jù)文件。7、設(shè)計(jì)各種功能子程序由于CAPP系統(tǒng)中要應(yīng)用各種計(jì)算方法為此需預(yù)先將各種計(jì)算公式和求解方法編成各種功能子程序，如切削參數(shù)的計(jì)算，加工余量、工序尺寸公差的計(jì)算，切削時(shí)間和加工費(fèi)用的計(jì)算，工藝尺寸鏈的求解，切削用量的優(yōu)化和工藝方案的優(yōu)化等。在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，如需要應(yīng)用某種計(jì)算方法，就可隨時(shí)調(diào)用。8、CAPP系統(tǒng)總程序設(shè)計(jì)上述各項(xiàng)準(zhǔn)備工作完成以后，用一個(gè)主程序和界面把所有子程序連接起來，每一個(gè)單元功能可以采用模塊結(jié)構(gòu)形式，可以單獨(dú)調(diào)試和修改，再把各個(gè)功能模塊組合起來，就構(gòu)成CAPP系統(tǒng)的總程序。7.4 創(chuàng)成法CA

46、PP系統(tǒng)7.4.1 創(chuàng)成法CAPP系統(tǒng)的工作原理創(chuàng)成法CAPP系統(tǒng)不以標(biāo)準(zhǔn)工藝規(guī)程的檢索和修改為基礎(chǔ)，而是由計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)，根據(jù)加工能力知識(shí)庫和工藝數(shù)據(jù)庫中加工工藝信息和各種工藝決策邏輯，自動(dòng)設(shè)計(jì)出零件的工藝規(guī)程。有關(guān)零件的信息可以直接從CAD系統(tǒng)中獲得。創(chuàng)成法CAPP系統(tǒng)能很方便地設(shè)計(jì)出新零件的工藝規(guī)程，有很大的柔性，還可以和CAD系統(tǒng)以及自動(dòng)化的加工系統(tǒng)相連接，實(shí)現(xiàn)CADCAM的一體化。7.4.2 創(chuàng)成法CAPP系統(tǒng)的開發(fā)過程 應(yīng)用創(chuàng)成式原理開發(fā)CAPP系統(tǒng)時(shí)，一般要做以下的工作： 1、確定系統(tǒng)的對象范圍：回轉(zhuǎn)體零件、非回轉(zhuǎn)體零件或其它類型的零件；2、確定零件信息描述方法：型面單元謂詞描述

47、、體素組合語言描述或其它描述方法；3、確定和建立工藝決策模型； 4、建立加工資源數(shù)據(jù)庫，包括機(jī)床、夾具、刀具、切削用量等各類工藝數(shù)據(jù)庫；5、設(shè)計(jì)系統(tǒng)主控模板、人機(jī)接口模塊、工藝文件的生成和輸出系統(tǒng)模塊。7.4.3創(chuàng)成法CAPP系統(tǒng)的工藝決策邏輯1、建立工藝決策邏輯的依據(jù)建立工藝決策邏輯一般應(yīng)根據(jù)工藝設(shè)計(jì)的基本原理、工廠生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)、以及對具體生產(chǎn)條件的分析研究，并集中有關(guān)專家、工藝人員的智慧及工藝設(shè)計(jì)中常用的、并行之有效的原則，結(jié)合各種零件的結(jié)構(gòu)特征，建立起相應(yīng)的工藝設(shè)計(jì)邏輯。用創(chuàng)成法設(shè)計(jì)工藝規(guī)程時(shí)，計(jì)算機(jī)將根據(jù)輸入的零件特征的幾何信息和加工技術(shù)要求，自動(dòng)選擇相應(yīng)的工藝決策邏輯，確定其加

48、工方法或者選擇已貯存在計(jì)算機(jī)中的某些工藝規(guī)程片斷，然后經(jīng)綜合編輯，生成所需的工藝規(guī)程。2、工藝決策邏輯的主要形式常用的是決策表和決策樹。近來也有采用專家系統(tǒng)和人工智能中的其它決策技術(shù)。(1)決策表 決策表是將一類不易用語言表達(dá)清楚的工藝邏輯關(guān)系，用一個(gè)表格形式來表達(dá)的方法，它是計(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)的基本工具。決策表的格式如右圖所示，它用縱橫兩組雙線將表分為四個(gè)區(qū)域，左邊分別為條件項(xiàng)目和決策項(xiàng)目，右邊分別為條件狀態(tài)和決策行動(dòng)。右邊每一列即為一條決策規(guī)則。在決策表中，某一條件是真實(shí)的，則取值為T(TRUE)或Y(YES)，當(dāng)條件是假的，則取值為F(FALSE)或N(NO)。條件狀態(tài)也可用空格表示，它表示

49、這條件是真是假與該規(guī)則無關(guān)，或無所謂。條件項(xiàng)目也可用具體數(shù)值或數(shù)值范圍表示，決策行動(dòng)可以是無序的決策行動(dòng)，用X表示，也可以是有序的決策行動(dòng)，并給予一定序號。(2)決策樹 工藝決策樹是一個(gè)同決策表功能相似的工藝邏輯設(shè)計(jì)工具，是種樹狀樣的圖形，它由樹根、節(jié)點(diǎn)和分支組成。樹根和分支間都用數(shù)值互相聯(lián)系，通常用來描述事物狀態(tài)轉(zhuǎn)換的可能性以及轉(zhuǎn)換過程和轉(zhuǎn)換結(jié)果。分支上的數(shù)值表示向一種狀態(tài)轉(zhuǎn)換的可能性或條件。當(dāng)條件滿足時(shí)、則繼續(xù)沿分支向前傳遞，以實(shí)現(xiàn)邏輯與“AND”的關(guān)系；當(dāng)條件不滿足時(shí)則轉(zhuǎn)向出發(fā)節(jié)點(diǎn)的另一分支，以實(shí)現(xiàn)邏輯或“OR”的關(guān)系在每一分支的終端列出了應(yīng)采取的動(dòng)作。所以，從樹根到終端的一條路徑就可以

50、表示一條類似于決策表中的決策規(guī)則。右圖為一個(gè)最簡單的決策樹。7.4.4 創(chuàng)成法CAPP系統(tǒng)中的工序設(shè)計(jì)1、工序內(nèi)容的確定和工步順序的安排在安排零件的工藝路線時(shí)，一般都分層次、分階段地考慮各個(gè)工序的加工順序。在工序設(shè)計(jì)中，主要根據(jù)零件形狀特征選擇加工基準(zhǔn)，確定裝夾方式、安裝次數(shù)以及安排各個(gè)表面的加工順序等。2、工序尺寸和公差的計(jì)算 以零件圖上的最終技術(shù)要求為前提，首先確定最終工序的尺寸及公差，然后再按選定的加工余量推算出前道工序的尺寸，其公差則按該工序加工方法可達(dá)到的經(jīng)濟(jì)精度來確定。這樣按加工順序相反的方向，逐步汁算出所有工序的尺寸和公差。 3工序圖的自動(dòng)繪制工序圖的自動(dòng)繪制是CAPP研究領(lǐng)域中

51、難度較大的課題。其主要原因是與零件信息描述的完整性有關(guān)，也與零件的設(shè)計(jì)模型以及將設(shè)計(jì)模型如何自動(dòng)轉(zhuǎn)換成生產(chǎn)模型有關(guān)。目前，工序圖的自動(dòng)繪制，僅對規(guī)則的回轉(zhuǎn)體零件可以實(shí)現(xiàn)，而對于復(fù)雜形狀的箱體零件還有待進(jìn)一步研究開發(fā)。7.5 CAPP專家系統(tǒng)7.5.1 專家系統(tǒng)的組成專家系統(tǒng)的基本組成如右圖所示。其中核心部分是知識(shí)庫和推理機(jī)。知識(shí)庫存儲(chǔ)了從專家那里得到的關(guān)于某個(gè)領(lǐng)域的專門知識(shí)，對于CAPP專家系統(tǒng)，知識(shí)庫中存儲(chǔ)的應(yīng)是關(guān)于工藝過程設(shè)計(jì)知識(shí)，最主要的還是工藝專家的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)。推理機(jī)具有推理的能力，能根據(jù)事實(shí)和知識(shí)推導(dǎo)出所需求的結(jié)論。此外，專家系統(tǒng)還應(yīng)有數(shù)據(jù)庫、解釋部分、知識(shí)獲取與管理部分等。 (1)知

52、識(shí)庫 工藝知識(shí)庫是CAPP專家系統(tǒng)的核心。它包括兩類知識(shí)，一類是廣泛共有的知識(shí)，即已有的公認(rèn)的工藝知識(shí)與常識(shí)；另一類是啟發(fā)性知識(shí)，也稱為探索性知識(shí)，它是在工藝設(shè)計(jì)中實(shí)踐積累和正確判斷的結(jié)晶。 (2)數(shù)據(jù)庫 用于存儲(chǔ)用戶輸入的有關(guān)零件原始數(shù)據(jù)和推理過程中得到的各種中間結(jié)果。 (3)推理機(jī) 推理機(jī)是一組計(jì)算機(jī)軟件程序，用來控制整個(gè)專家系統(tǒng)運(yùn)行的軟件模塊。它采用一定的推理策略(如正向推理、反向推理等)，利用知識(shí)庫中的知識(shí)，并根據(jù)用戶輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行推理，解決工藝過程設(shè)計(jì)中相關(guān)問題。 (4)解釋模塊 負(fù)責(zé)對專家系統(tǒng)推理結(jié)果作出必要解釋的一組程序，它使用戶了解專家系統(tǒng)的推理過程，使用戶容易接受推理結(jié)果。

53、(5)知識(shí)獲取模塊 知識(shí)的獲取是建立知識(shí)庫的一個(gè)重要步驟，也稱之為系統(tǒng)的學(xué)習(xí)功能。該模塊為建立知識(shí)庫、修改知識(shí)庫中原有的知識(shí)和擴(kuò)充新知識(shí)提供了手段。 7.5.2 CAPP專家系統(tǒng)的工作原理CAPP專家系統(tǒng)由零件信息輸入模塊、知識(shí)庫、推理機(jī)三部分組成。其中知識(shí)庫和推理機(jī)是互相獨(dú)立的。CAPP專家系統(tǒng)是根據(jù)輸入的零件信息頻繁地去訪問知識(shí)庫，并通過推理機(jī)中的控制策略，從知識(shí)庫中搜索能夠處理零件當(dāng)前狀態(tài)的規(guī)則，然后執(zhí)行這條規(guī)則，并把每一次執(zhí)行規(guī)則得到的結(jié)論部分按照先后順序記錄下來，直到零件加工達(dá)到一個(gè)終結(jié)狀態(tài)，這個(gè)記錄就是零件加工所要求的工藝規(guī)程。CAPP專家系統(tǒng)以知識(shí)結(jié)構(gòu)為核心，按數(shù)據(jù)、知識(shí)、控制三

54、級結(jié)構(gòu)來組織系統(tǒng)。7.5.3 工藝知識(shí)庫的建立工藝知識(shí)在專家系統(tǒng)個(gè)屬于過程性知識(shí)，它包括選擇決策邏輯(如加工方法選擇、工藝裝備選擇、切削用量選擇等)，排序決策邏輯(如安排加工路線、確定工序中的加工步驟等)，以及加工方法知識(shí)(如加工能力、頂加工要求、表面處理要求等)。一般都采用產(chǎn)生式規(guī)則來表示工藝決策知識(shí)。工藝知識(shí)庫是一個(gè)完整的規(guī)則集，它可以劃分為若干個(gè)規(guī)則子集。根據(jù)需要每個(gè)規(guī)則子集還可以劃分成若干個(gè)規(guī)則組。一般可包含以下幾個(gè)部分：1、加工方法的選擇 CAPP系統(tǒng)一般都采用逆向編程原理，首先確定能達(dá)到質(zhì)量要求的各個(gè)加工表面的最終加工方法，然后再確定其它的準(zhǔn)備加工工序。2、工藝路線的確定工藝路線的

55、制定一般都是以劃分加工階段為依據(jù)，如基準(zhǔn)加工、粗加工、細(xì)加工、精加工、表面處理、超精加工、檢驗(yàn)等。并遵循先基準(zhǔn)后其它、先粗后精等原則。劃分了加工階段以后，就可將同“加工階段中的各加工表面的加工，根據(jù)安裝方式，使用機(jī)床組合成若干工序，每個(gè)工序可以由若干個(gè)工步所組成。切削工步的加工順序和內(nèi)容也有一定的加工先后關(guān)系，都可用產(chǎn)生式規(guī)則描述。3、毛坯的選擇 毛坯選擇主要根據(jù)加工零件的材料、尺寸、技術(shù)條件和現(xiàn)有加工條件等。首先要確定毛坯的類型和毛坯加工的方法。4、裝夾方式的選擇7.5.4 推理機(jī)的控制策略推理機(jī)是專家系統(tǒng)的控制機(jī)構(gòu)，它規(guī)定了如何從知識(shí)庫中選用適當(dāng)?shù)囊?guī)則，來進(jìn)行工藝規(guī)程設(shè)計(jì)，只有在一定的控制

56、策略下，規(guī)則才能被啟用。 在CAPP專家系統(tǒng)中，一般都采用逆向搜索的方法即從零件加工的最終狀態(tài)開始，反向逐步選擇合適的加工方法，直至選出無需預(yù)加工的毛坯狀態(tài)為止，從而確定出加工計(jì)劃。具體做法是：推理機(jī)構(gòu)根據(jù)用戶提出的零件設(shè)計(jì)要求，選用適當(dāng)?shù)囊?guī)則、確定出能滿足零件設(shè)計(jì)要求的最終加工方法和加工參數(shù)，并且給出這種加工方法所需的預(yù)加工的零件狀態(tài)，修改動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫，把預(yù)加工的零件狀態(tài)作為新的要求再選用適當(dāng)?shù)囊?guī)則，確定出適當(dāng)?shù)募庸し椒ê图庸?shù)。 第8章 計(jì)算機(jī)輔助數(shù)控程序編制8.1 數(shù)控編程的基本概念8.1.1 數(shù)控機(jī)床的坐標(biāo)系統(tǒng) 機(jī)床直線運(yùn)動(dòng)采用右手笛卡兒直角坐標(biāo)系，其直線運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)軸分別為X、Y、Z，圍繞X、Y、Z軸的坐標(biāo)軸定義為A、B、C軸。 Z軸一般規(guī)定為平行于機(jī)床主軸方向。如果在機(jī)床上有多跟軸，則使用最多的那根軸線可定義為主軸。Z軸的正方向規(guī)定為增大刀具和工件距離的方向。 X軸通常是水平的，且與工件的裝夾面平行，與Z軸垂直。對于工件旋轉(zhuǎn)的機(jī)床，如車床的X軸沿工件的徑向，刀具離開工件旋轉(zhuǎn)中心的方向?yàn)閄軸的正方向。對于刀具