CADCAM原理及集成技術-研究生

CAD/CAM原理及集成技術機電工程學院彭華建1參考教材：

1.機械CAD/CAM技術

揚州大學

王隆太

主編

2.模具CAD/CAM北京科技大學何濤主編

3.模具CAD/CAM

華中理工大學李志剛主編

教材：CAD/CAM根本原理與應用西安交大江平宇主編2《CAD/CAM根本原理與應用》江平宇主編3模具CAD/CAM何濤主編4模具CAD/CAM機械CAD/CAM技術5第一章CAD/CAM技術概論

CAD/CAM——ComputerAidedDesignandComputerAidedManufacturing

CAD/CAM技術的開展和應用已成為衡量一個國家科技現代化和工業(yè)現代化的重要標志之一。第一節(jié)CAD/CAM的根本概念一項利用計算機軟、硬件協(xié)助人完成產品的設計與制造的技術。6在設計人員進行產品概念設計的根底上，從事產品的幾何造型分析，完成產品幾何模型的建立，然后抽取模型中的有關數據進行工程分析和計算，再根據計算結果斷定是否對設計結果進行修改，修改滿意后編輯全部設計文檔，輸出工程圖。一、CAD技術

CAD——工程技術人員以計算機為工具，用自身的專業(yè)知識，對產品進行總體設計、繪圖、分析和編寫技術文檔等設計活動的總稱，是一項綜合性技術。1.CAD設計過程：7輸入設計要求設計模型定義工程分析計算滿意？文檔編輯、圖形輸出圖形交互設備數據庫圖形庫程序庫83.CAD系統(tǒng)的組成：

由科學計算、圖形系統(tǒng)、工程數據庫等組成。2.CAD的功能：

幾何建模、工程分析、模擬仿真、自動繪圖。科學計算包括有限元分析、可靠性分析、動態(tài)分析、優(yōu)化設計、產品的常規(guī)計算分析。

圖形系統(tǒng)用于幾何造型、自動繪圖、動態(tài)仿真等設計過程。

工程數據庫對設計過程中所需使用或產生的數據、圖形、文檔等信息進行存儲和管理。9毛坯設計、加工方法選擇、工序設計、工藝路線制定、工時定額計算。

其中，工序設計包含：加工設備和工裝的使用、加工余量的分配、切削用量選擇以及機床、刀具的選擇、必要的工序圖生成等。二、CAPP技術CAPP——ComputerAidedProcessPlanning。即計算機輔助工藝設計。根據產品設計結果，進行產品的加工方法和制造過程的設計。1.CAPP的功能：10應用CAPP之后，可以迅速編制出完整、詳盡、優(yōu)化的工藝方案和各種工藝文件，極大提高工藝人員的工作效率，縮短工藝準備時間，加快產品投放市場的速度。為企業(yè)的科學管理提供可靠的數據。2.CAPP的作用：傳統(tǒng)的工藝設計方式：工藝人員依據個人的經驗，以手工的方式進行工藝設計，因效率低、工藝方案因人而異，難以取得最正確的工藝方案，從而難以適應當今快速開展的生產需要。11通常指數控程序的編制，包括刀具路徑的規(guī)劃、刀位文件的生成、刀具軌跡仿真、后置處理、NC代碼生成等。三、CAM技術

CAM——ComputerAidedManufacturing1.狹義CAM利用計算機輔助完成從毛坯到產品制造過程中的直接和間接的各種活動，包括工藝準備、生產作業(yè)方案、物流過程的運行控制、生產控制、質量控制等方面。2.廣義CAM12四、CAD/CAM集成技術從上世紀60年代開始，在國內外研究開發(fā)了一批性能優(yōu)良的相互獨立的商品化CAD、CAPP、CAM系統(tǒng)．這些獨立的系統(tǒng)分別在產品設計自動化、工藝規(guī)程設計自動化和數控編程自動化方面起到了重要作用。但是，這些各自獨立的系統(tǒng)，不能實現彼此之間信息的自動傳遞和交換，必須由設計者對數據信息進行必要的轉換。結果：降低了設計效率，并可能產生錯誤。13

CAD/CAM集成——在CAD、CAPP、CAM各模塊之間有關信息的自動傳遞和轉換。集成化的CAD/CAM系統(tǒng)借助于公共的工程數據庫、網絡通信技術以及標準格式的中性文件接口，把分散于機型各異的計算機中的CAD/CAM模塊高效地集成起來，實現軟、硬件資源共享，保證系統(tǒng)內信息的流動暢通無阻?；脽羝?12計算機集成制造——ComputerIntegratedManufacturing，即“CIM”。１９７４年由美國哈林頓博士提出。將企業(yè)內所有分散的信息系統(tǒng)進行集成，不僅包括生產信息，還包括生產管理過程所需的全部信息，從而構成一個計算機集成制造系統(tǒng)〔CIMS〕。CAD/CAM集成技術是計算機集成制造系統(tǒng)的一項核心技術。14第三節(jié)建立CAD/CAM系統(tǒng)的過程和方法

一、系統(tǒng)分析根據軟件工程學的方法，CAD/CAM系統(tǒng)的生命周期分為系統(tǒng)分析、系統(tǒng)設計、程序設計、系統(tǒng)調試、系統(tǒng)維護5個階段。

主要任務：對現行的工作流程進行調查，收集并分析有關資料，了解用戶的需求，確定系統(tǒng)的總目標、功能、性能和接口，建立系統(tǒng)的總體邏輯模型。常用工具：數據流程圖。

詳細設計：設計各功能模塊的內部細節(jié)，包括算法和數據結構。

概要設計：確定軟件系統(tǒng)的總體結構和模塊間的關系，定義各模塊間的接口，設計全局數據結構，確定系統(tǒng)鈺其他軟件及用戶之間界面的纖細內容。二、系統(tǒng)設計采用結構化系統(tǒng)設計方法，設計過程可分為概要設計和詳細設計；強調“自頂向下”的分解，即將系統(tǒng)逐級向下分解為模塊和子模塊。15三、程序設計

主要任務：根據系統(tǒng)設計說明書進行程序設計，將功能模塊用某種語言實現。根本技術：結構化程序設計四、系統(tǒng)測試目的是保證系統(tǒng)的可靠性，分為單元測試、整體測試、有效性測試3種。結構化程序設計——用一組標準的準那么賀工具從事程序設計。這些準那么和工具包括:一組根本控制結構、自頂向下的擴展原那么、模塊化賀逐步求精的方法。五、系統(tǒng)維護分為改正性維護、適應性維護、完善性維護3種。16第四節(jié)CAD/CAM的開展趨勢一、集成化計算機集成制造系統(tǒng)〔CIMS，ComputerIntegratedManufactureSystem〕:將企業(yè)的產品設計、制造、經營管理等活動集成起來，其目的是在計算機輔助下，利用最小的制造和管理資源，最優(yōu)地實現企業(yè)的開展目標，獲得最大的總體效益。CIM的核心技術——集成，包括物理集成、信息集成、功能集成，其中信息集成是CIM的根底和關鍵。

信息集成的必要條件：共享的產品模型、統(tǒng)一的數據庫、網絡。二、微型化以超級微機為根底的CAD/CAM系統(tǒng)不斷增多，功能也不斷擴大?！病半p核”，數G內存〕17三、網絡化

將多臺微機工作站連接成分布式CAD/CAM系統(tǒng)，結構靈活，功能強。四、智能化人工智能技術——設計制作自動化的重要途徑。近年來，人工智能的應用集中在引入知識工程、開展專家系統(tǒng)。五、最優(yōu)化

塑性成形過程的計算機模擬技術是解決模具可靠性問題的重要途徑；利用仿真技術模擬加工過程，有利于保證加工質量。六、新型化

用于CAD/CAM的新型外部設備將不斷問世，系統(tǒng)將不斷更新。18第二章CAD/CAM系統(tǒng)的組成

設計人員在設計策略、邏輯控制、信息組織、以及經驗和創(chuàng)造性方面占主導地位。CAD/CAM系統(tǒng)的組成

CAD/CAM系統(tǒng)由——硬件、軟件、設計人員。硬件——根底。包括計算機主機、計算機外部設備以及網絡通信設備等。

計算機在信息的存儲與檢索、分析與計算、圖形與文字處理等方面有著特有的功能；

軟件——核心。包括操作系統(tǒng)、支撐軟件和應用軟件等。19良好的通信聯網功能——將位于不同地點和不同部門的各種異構

計算機和控制裝置連接起來，進行信息

交換和協(xié)同工作。第一節(jié)CAD/CAM系統(tǒng)的硬件1.組成：由計算機主機、輸入設備、輸出設備、存儲器、生產裝備、以及計算機網絡等組成。2.硬件系統(tǒng)應滿足的要求強大的圖形功能——要求系統(tǒng)具有大的內存、高的圖形分辨率。大的外存儲容量——要求系統(tǒng)具有大硬盤存儲容量。方便的人機交互功能——要求系統(tǒng)能提供方便的人機交互工具和快速的交互響應速度。203.主要硬件設備〔1〕計算機主機：CAD/CAM系統(tǒng)硬件的核心。主要由中央處理器〔CPU〕、內存儲器、輸入／輸出〔I/O〕接口組成。

內存儲器：CPU可以直接訪問的存儲單元，用于存儲常駐的控制程序、用戶指令、準備接受處理的數據。

CPU：計算機的心臟，由控制器和運算器組成。

控制器的作用：使系統(tǒng)內各模塊相互協(xié)調地工作，能夠進行人機之間、計算機之間、計算機與外部設備之間的信息傳輸和資源的調度，指揮系統(tǒng)中各功能模塊執(zhí)行各自的功能。運算器的作用：執(zhí)行程序指令所要求的計算和邏輯操作，輸出數值計算和邏輯操作的結果。21計算機的分類：1、大中型計算機采用一個主機連接多個終端，支持多用戶同時工作，有較強的計算能力和運算速度，可以從事復雜的設計計算和分析。２、小型機性價比優(yōu)于大中型計算機，２０世紀７０年代末８０年代初的CAD/CAM系統(tǒng)多采用這種機型。到了２０世紀８０年代中期，小型機逐漸被性能價格比更好的工程工作站所代替。３、工程工作站２０世紀８０年代初出現的介于小型機與個人微機之間的新型計算機，它采用多CPU并行處理技術、大的虛擬存儲空間，具有強大圖形顯示和處理功能，具有高速網絡通信能力。４、微型型計算機近年來，高檔微機的功能已經接近低檔工作站水平。22〔4〕輸出設備當CPU需要使用外存儲器中的信息時，需要將這些信息調入內存儲器接受CPU處理。而內存儲器中暫時不用的程序和數據那么調回到外存儲器，以便騰出內存裝入待運行的程序和數據。磁帶、磁盤、光盤、U盤、移動硬盤等?！?〕外存儲器外存儲器不能直接被CPU訪問，通常用于存儲CPU暫時不用的程序和數據。常見的外存儲器：〔3〕輸入設備光標控制設備、數字化儀、鍵盤、圖形掃描等。圖形顯示器、繪圖儀、打印機等。23

文檔——關于軟件程序的各種設計、使用說明書，是程序設計的依據。

文檔的設計和編制水平在很大程度上決定了軟件的質量，只有具備了合格、齊全的文檔，軟件才能商品化。第二節(jié)模具CAD/CAM系統(tǒng)的軟件計算機軟件——控制計算機運行，并使計算機發(fā)揮最大成效的計算機程序、數據以及各種文檔。分為系統(tǒng)軟件、支撐軟件、專業(yè)性應用軟件三個不同的層次。

程序——指揮計算機硬件工作和工程計算的指令的集合，是軟件的主要內容。24〔３〕圖形接口標準——為了統(tǒng)一不同硬件和操作系統(tǒng)環(huán)境以下圖形接口軟件模塊的開發(fā)而制定的圖形接口標準，標準中提供了接口函數。１、系統(tǒng)軟件用于計算機的管理、維護、控制、運行，以及對計算機程序的翻譯和執(zhí)行。主要有以下幾類：〔１〕操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)的根本功能有：CPU管理、內存管理、文件管理、輸入輸出管理。常用的有操作系統(tǒng)有DOS、Windows、Unix等?！玻病尘幾g系統(tǒng)——將用高級語言編寫的程序，翻譯轉換成計算機能夠直接執(zhí)行的機器指令的軟件程序。常用的高級語言有C、FORTRAN、PASCAL、BASIC等25〔1〕單一功能型支撐軟件２、支撐軟件由專門的軟件公司開發(fā)，是在系統(tǒng)軟件根底上開發(fā)的滿足CAD/CAM用戶一些共同需要的通用性軟件。支撐軟件一般分為單一功能型和綜合集成型兩大類。CAD/CAM系統(tǒng)的支撐軟件主要包括圖形處理軟件、幾何造型軟件、數據庫管理系統(tǒng)等。只提供CAD/CAM系統(tǒng)中某些典型的功能，如二維繪圖、三維造型設計、工程分析計算、數據庫系統(tǒng)等。26〔1〕單一功能型支撐軟件主要有美國的AutoCAD2000和國內自主開發(fā)的PICAD、高華CAD、華軟InteCAD、大恒CAD等。A交互式繪圖軟件主要以人機交互方法完成二維工程圖樣的生成和繪制，具有圖形的增刪、縮放、復制、鏡像等編輯功能，具有尺寸標注、圖形拼裝等圖形處理功能，具有尺寸驅動參數化繪圖功能，具有較完備的機械標準件參數化圖庫。優(yōu)點：繪圖功能強、操作方便、價格廉價B三維設計CAD系統(tǒng)基于微機平臺，具有參數化特征造型功能，具有裝配和干預檢查功能，以及簡單曲面造型功能，價格適中，易于學習掌握。國內有MDT、Solidworks、Solidedge等。27〔1〕單一功能型支撐軟件C數控編程系統(tǒng)具有刀具的定義、工藝參數的設定、刀具軌跡的自動生成、后置處理、切削加工模擬等功能。典型的軟件系統(tǒng)有MasterCAM、SurfCAM

等。D工程分析軟件國內外流行的單一功能工程分析軟件有SAP、ADINA、ASTRAN、ANSYS等。28〔2〕綜合集成支撐軟件這類軟件功能比較完備，綜合提供了設計、造型、分析、數控編程等多種功能，如I-DEAS、UGII、CATIA、PRO/E等。一般由以下4個模塊組成：CAD局部

由幾何造型、參數化特征造型模塊、工程圖繪制模塊、裝配模塊組成。CAE局部由有限元分析模塊、機構運動仿真分析模塊、優(yōu)化設計模塊組成。CAM局部由數控加工編程模塊、數控加工后置處理模塊、切削加工檢驗模塊組成。29在系統(tǒng)軟件和支撐軟件根底上，針對某一專門應用領域的需要而研制的軟件。通常由用戶結合當前設計工作需要自行開發(fā)?！?〕應用軟件用戶開發(fā)工具局部為用戶二次開發(fā)提供了用戶編程語言〔UPL〕或與高級語言的開發(fā)接口，如UGII的GRIP、AutoCAD的AutoLISP、ADS接口等。通過二次開發(fā)，可以提高軟件系統(tǒng)的用戶化程度，充分發(fā)揮軟件系統(tǒng)的性能，提高使用效率。當某一行業(yè)的應用軟件逐步商品化形成通用軟件產品時，它也可以稱為一種支撐軟件，如Matlab軟件?！?〕綜合集成支撐軟件30第三節(jié)CAD/CAM系統(tǒng)的支撐技術

CAD/CAM系統(tǒng)除了配置必要的軟、硬件之外，還需要多種技術的支持，如數據管理技術、網絡技術、成組技術、工程分析技術、仿真技術等。

一、數據管理技術機械CAD/CAM涉及的數據的特點：數據量大、種類多、結構復雜。數據包含的內容：產品的物理特征、材料性能、數學模型、零件規(guī)格、幾何形體描述、測試數據、設計標準和標準等。數據的表現形式：數值、文字信息、幾何圖形信息。31文件管理方式——按統(tǒng)一的規(guī)那么和方法來組織和存取數據的技術。它把數據組織成文件，即數據文件，用一個專用的文件管理系統(tǒng)實施統(tǒng)一管理。CAD/CAM系統(tǒng)中的數據管理，從文件管理模式，開展為數據庫管理模式，并進一步開展為工程數據庫管理模式。1、文件管理系統(tǒng)

文件管理系統(tǒng)一般由操作系統(tǒng)提供。數據文件是一組具有相同性質和結構的記錄的集合，而記錄那么是由一系列相關的數據項組成，它能完整地表示一個處理對象。在文件管理系統(tǒng)中，數據文件的建立、查詢和存取是通過應用程序實現的，沒有數據的集中管理，缺乏數據的獨立性。32數據庫管理系統(tǒng)的作用：2、數據庫管理系統(tǒng)一個數據庫系統(tǒng)除了必要的硬件和系統(tǒng)軟件之外，其核心局部是數據庫管理系統(tǒng)〔DBMS〕。

數據庫管理系統(tǒng)——用于對數據庫及系統(tǒng)資源進行統(tǒng)一管理和控制的軟件。提供了對數據庫的定義、建立、檢索、編輯修改等操作功能，對數據的平安性、完整性、和保密性進行統(tǒng)一的控制和管理，起著應用程序與數據庫之間的接口作用，用戶通過數據管理系統(tǒng)對數據庫中的數據進行各種處理和應用，而不必了解數據庫的物理結構。

數據結構模型：層次型(機器-部件-零件)、網狀型(交叉)、關系型(表格)三種。Foxpro屬于關系型數據庫。33工程數據庫——能滿足人們在工程活動中對數據處理要求的數據庫。它與商用數據庫的主要差異表現在對復雜數據類型的支持，對工程數據動態(tài)的定義和管理。3、工程數據庫在CAD/CAM系統(tǒng)中，人們希望能夠利用數據庫技術有效地管理工程應用中所涉及的圖形、圖像、聲音等更加自然的信息形式，這是現行商用數據庫系統(tǒng)難以適應的。因而人們提出了工程數據庫的概念。34包括圖表、二維或三維的零件圖和裝配圖?！玻薄彻こ虜祿念愋蜋C械CAD/CAM系統(tǒng)面臨著整個設計和制造過程的數據，包括文字的和圖形的、靜態(tài)的和動態(tài)的，非常復雜。其數據類型可歸納為以下幾種：

A管理型數據

B設計型數據產品設計與制造過程中所用到的數據資料，如國家標準和標準、產品目錄、技術資料等．生產設計過程中所產生的數據，具有動態(tài)性。

C加工制造型數據包括加工工藝數據、數控加工指令、檢測監(jiān)控數據等，要求實時性較高．

D圖形數據35〔2〕工程數據庫系統(tǒng)的主要特點A具有復雜工程數據的存儲和管理的能力；B具有動態(tài)建模的能力；C支持多庫操作和多版本管理；D

支持工程數據的長記錄存取和文件兼容處理；E支持智能型的規(guī)那么描述和查詢處理；F具有良好的數據庫系統(tǒng)環(huán)境和支持工具。4、CAD/CAM集成系統(tǒng)的數據管理方法〔1〕基于文件記錄的專用數據管理方法。目前常用的方法，應用程序與數據文件一一對應。36二、計算機網絡技術計算機網絡——用通信線路和通信設備將分散在不同地點并具有獨立功能的計算機相互連接的計算機群。1、概述〔3〕采用工程數據庫管理系統(tǒng)建立數據庫的方法。將成為開發(fā)下一代CAD/CAM集成系統(tǒng)、CIMS系統(tǒng)的數據管理的主流?！?〕在商用數據庫管理系統(tǒng)〔DBMS〕上建立一套軟件接口方法。目前所研制的CAD/CAM系統(tǒng)大多采用這種方法。372、局域網系統(tǒng)的組成〔1〕網卡——局域網絡的通信接口，是實現計算機與電纜系統(tǒng)的物理連接，進行計算機的數據信號與傳輸電纜中的傳輸信號之間的轉換，決定網絡的傳輸率和傳輸可靠性等網絡性能?！?〕效勞器——一臺高檔微機、工程工作站或小型機。其作用為：運行網絡操作系統(tǒng)；存儲、管理網絡中共享的軟、硬件資源；對網絡中各工作站的活動進行監(jiān)視和控制。由網卡與媒體、效勞器、工作站、網間連接器、網絡系統(tǒng)軟件等組成。CAD/CAM系統(tǒng)所采用的網絡均屬于局域網?！?〕傳輸媒體——雙絞線、同軸電纜或光纜等。38〔4〕工作站——PC機或工程工作站，是用戶訪問網絡的操作平臺。效勞器通過網絡操作系統(tǒng)控制和協(xié)調各工作站之間的工作，最大限度地對各網絡用戶提出的要求作出迅速的響應，它能區(qū)分、處理、響應各工作站同時發(fā)來的對網絡進行操作的不同要求。3、網絡的拓撲結構〔6〕網絡系統(tǒng)軟件——主要是網絡操作系統(tǒng)。〔5〕網間連接器——是將幾種不同型式的網絡連接在一起的互連設備。有中繼器、網橋、路由器、網關等幾種不同形式類型。網絡中各個工作站節(jié)點相互連接的方法和形式。局域網的根本拓撲結構形式：總線形、星形、環(huán)形、網狀形。實驗室采用HUB的形式為星形拓撲結構形式。394.網絡協(xié)議

網絡協(xié)議——在網絡中，通信雙方共同遵守的規(guī)那么和約定的集合。國際標準化組織〔ISO〕1980年制定了開放系統(tǒng)互連模型〔OSI〕，現已作為廣泛成認的一種計算機網絡標準。

OSI網絡標準——采用7層功能結構來描述兩用戶之間的通信：即物理層、數據鏈路層、網絡層、傳輸層、會話層、表示層、應用層。在OSI互連模型中，兩個相互通信的系統(tǒng)都有共同的層次結構，而每個層次均有自身的通信協(xié)議，包括語法、語義、時序三方面的約定。只有物理層〔最底層〕才在通信媒體上進行實實在在的信息流傳輸，而在上面各層中兩系統(tǒng)之間并無實際的傳輸。40三、成組技術成組技術——合理組織產品生產過程的一種將工程技術和管理技術集于一體的生產組織管理方法。成組技術利用產品零件之間的相似性，將零件分類成組，然后根據每組零件所擁有的相似特征，為其同組零件找出相對統(tǒng)一的最正確方案，從而節(jié)約時間和精力，以取得所期望的經濟效益。第四節(jié)CAD/CAM技術的開展和應用一、CAD/CAM技術的開展1、單元技術的開展和應用階段20世紀60~70年代。主要特征：CAD/CAE/CAM各功能模塊已根本形成，但數據結構尚不統(tǒng)一，集成性差，企業(yè)尚處于單元技術的應用階段。4120世紀80年代，CAD/CAM技術迅速開展。主要特征：CAD/CAE/CAM以及計算機輔助方案管理各大模塊之間信息流實現一體化〔CIMS〕，系統(tǒng)集成性好，企業(yè)應用已從二維計算機繪圖向著三維CAD建模、CAD/CAE/CAM集成化應用方向開展。20世紀90年代，CAD/CAM技術正從傳統(tǒng)的面向零件的CAD/CAM集成階段向面向產品并行設計、制造協(xié)同工作環(huán)境方向開展。熱點問題——面向產品全生命周期的建模技術；基于工程數據庫的企業(yè)級產品數據管理；由工程工作站或高檔微機組成的客戶機/效勞器〔C/S〕的網絡系統(tǒng)；支持群體小組的協(xié)同工作模式。〔２〕CAD/CAM的集成階段〔３〕面向產品并行設計制造的CAD/CAM階段42二、CAD/CAM技術在我國的應用起步于20世紀70年代，當時主要是利用計算機進行產品設計中的分析計算。

20世紀80年代，國家在機械CAD/CAM技術開發(fā)應用方面進行了重點投資，支持對國民經濟有影響的重點機械產品CAD進行開發(fā)和研制，并取得了一系列在國內來說具有開創(chuàng)性的成果。

20世紀90年代，我國CAD技術開發(fā)與應用進入了較為系統(tǒng)的推廣階段，各類CAD系統(tǒng)的研制開發(fā)出現了商品化、產業(yè)化的勢頭。431986年3月，王大珩、王淦昌、楊嘉墀、陳芳允四位老科學家聯合向中共中央寫了一封信，題為《關于跟蹤世界戰(zhàn)略性高科技開展的建議》，信中懇切地指出，面對著世界新技術革命的挑戰(zhàn)，中國應該不甘落后，要從現在就抓起，用力所能及的資金和人力跟蹤新技術的開展進程，而不能等到十年、十五年經濟實力相當好時再說，否那么就會貽誤時機，以后永遠翻不了身。這封信得到了鄧小平同志的高度重視，小平同志親自批示：“這個建議十分重要”，“找些專家和有關負責同志討論，提出意見，以憑決策，此事宜速作決斷，不可拖延?！痹陔S后的半年中，經過廣泛、全面和極為嚴格的科學和技術論證后，中共中央、國務院批準了《高技術研究開展方案〔863方案〕綱要》。從此，中國的高技術研究開展進入了一個新階段。15年來，在黨中央和國務院的正確領導下，在有關部門的大力支持下，經過廣闊科技人員的奮力攻關，863方案取得了重大進展，為我國高技術開展、經濟建設和國家平安做出了重要奉獻。由于方案的提出與鄧小平同志的批示都是在1986年3月進行的，因此此方案被稱為“863方案”。863方案〔國家高技術研究開展方案〕：44第三章數據的處理方法在CAD作業(yè)中，將設計所需的表格數據和曲線圖表預先存入計算機中，供設計時靈活、方便的調用，這個過程中涉及到各種工程手冊的數據處理技術。工程手冊的數據處理包括數表和線圖的處理，處理技術有數表的程序化、數表的文件化、數表的公式化等。

數表的類型:

1常數數表——數據之間沒有明顯的函數關系；2列表函數——用以表達工程中某些復雜問題參數之間的關系。45對于常數數表，可用賦值的方法進行程序化處理。如果數據量較大，且需共享的數據，可將這些常數數表存入數據文件或數據庫中。從而實現數據與程序的別離，增強數據管理的平安性，同時提高工程數據的可維護性。對于列表函數，可按常數數表處理方法進行處理，也可對數表進行公式化處理，即將數表中數據擬合成公式，由計算機直接求取所需的數據。一、數表的程序化

1、以數組的形式存放數表利用一維數組、二維數組或三維數組表示數表中的數據；用高級語言編寫檢索參數〔系數〕的程序。2、以數據文件形式存放數表將數表文件化處理，使程序簡練；使數表與應用程序別離，實現一個數表文件供多個應用程序使用；增強數據管理的平安性，提高數據系統(tǒng)的可維護性。46二、數表的公式化如果列表函數的數據之間存在有某些聯系或函數關系，應盡量進行公式化處理。

公式化處理方法：

原因：

1、數表的存儲和使用占用較多的計算機資源和存儲空間，增加檢索時間；

2、數據的離散性和離散數據的有限性，使相鄰兩數值點之間的函數值只能選取相近的數據，給計算帶來誤差。

1、函數插值；

2、曲線擬合。47一、函數插值函數插值的根本思想：在插值點附近選取假設干適宜的連續(xù)結點，通過這些結點構造一個簡單函數g(x)以代替原有的未知的函數f(x)，插值點的g(x)值就作為原函數值的近似值。根據所選取的結點的個數，可將函數插值分為線性插值、拋物線插值、拉格朗日插值三種。根據插值點x值，選取兩個相鄰的自變量x1和x2，并滿足x1≤x≤x2的條件。過〔x1，y1〕〔x2，y2〕兩結點連線的直線代替原來的函數f(x)，可得插值點函數為：1、線性插值〔一次插值、二點插值〕48通過不在一條直線上的三點，構建一條拋物線近似曲線g(x)以代替原有函數，其表達式為：2、拋物線插值〔二次插值、三點插值〕為n個結點的n-1次插值多項式，其表達式為累加和的形式：3、拉格朗日插值公式〔多點插值〕49二、函數擬合工程上常采用數據的函數擬合方法〔或“曲線擬合”〕對列表函數進行公式化處理。采用函數擬合方法所擬合的曲線不要求嚴格通過所有的結點，而是盡量反映數據的變化規(guī)律，最小二乘法的實質：如何選取結點系數，使各結點到所擬合曲線偏差的平方和最小。

1、在坐標紙上標示出列表函數各結點數據，并根據其趨勢繪出大致的曲線；

2、根據曲線確定近似的擬合函數類型，擬合函數可為代數多項式、對數函數、指數函數等；

3、用最小二乘法原理確定函數中的待定系數。采用最小二乘法進行函數擬合的處理步驟：50線圖——由直線、折線、各種曲線構成，能直觀地表示出參數間的函數關系。線圖的計算機處理方法〔3個〕：〔１〕找到線圖原有的公式，將公式編到程序中；三、線圖的程序化

〔２〕將線圖離散為數表，并進行程序化處理；〔３〕復雜的線圖各別進行處理。51第四章計算機圖形處理技術

計算機圖形處理技術——利用計算機的高速運算能力和實時顯示功能，處理各類圖形信息的技術。包括圖形的輸入、圖形的生成顯示、圖形的變換、編輯、識別、圖形的輸出繪制等方面。

一、變換原理圖形變換的實質——對組成圖形的個頂點進行坐標變換。

1、平移變換x-y平面上的點P(x,y)，在坐標方向上增加平移量Tx和Ty，新位置的坐標為〔x’,y’〕。平移變換的關系式為：第一節(jié)圖形變換52

3、旋轉變換點P(x,y)繞坐標原點o順時針方向旋轉θ角后，到達新位置P’〔x’,y’〕，該旋轉變換的關系式為：

2、比例變換比例變換的關系式為：

思考：如圖像關于坐標軸、原點、通過原點與坐標軸成45°角直線作鏡像變換，系數Sx、Sy分別是多少？53二、變換的矩陣表示齊次坐標——將一個n維向量用n+1維向量表示。如二維向量的點的坐標〔x,y〕，其齊次坐標為〔x,y,1〕，在幾何意義上，相當于把發(fā)生在三維空間的變換限制在某一坐標為1的平面內。

變換矩陣T——用來對原圖形施行坐標變換的工具。二維圖形變換矩陣T為3X3階矩陣，三維圖形變換矩陣T為4X4階矩陣。1、齊次坐標2、變換矩陣〔1〕平移變換矩陣：54〔2〕比例變換矩陣：〔3〕旋轉變換矩陣：假設對點[xy1]進行平移變換，那么有：55級聯變換——由一系列的簡單變換〔變換序列〕通過級聯組合而實現的變換，也稱為組合變換、復合變換。相應的變換矩陣為級聯變換矩陣。級聯變換矩陣——級聯變換中各個根本變換的有序乘積。例如，將圖形繞任意點P〔Xp，Yp〕轉α角的旋轉變換，可通過如下的根本變換實現：三、變換的級聯〔1〕將旋轉中心P點平移到坐標原點；〔2〕將圖形繞坐標原點旋轉α角；〔3〕將旋轉中心平移回到原來位置。56三維圖形的幾何變換可在二維圖形幾何變換的根底上進行簡單的擴展。三、三維圖形變換運用齊次坐標的方法，可將三維空間點的幾何變換表示為：其中，T是4X4階的變換矩陣。57第二節(jié)計算機輔助繪圖

交互式繪圖——在交互式繪圖系統(tǒng)的支持下，用戶使用鍵盤、鼠標等輸入設備，通過人機對話的方式進行繪圖的方法。目前，國內比較流行的交互式繪圖CAD軟件有具有自主版權的CAXA電子圖板、開目CAD〔華中科技大學〕、高華CAD〔清華大學〕和PICAD〔北京凱思軟件公司〕等，以及AutoCAD、Microstation等國外的軟件系統(tǒng)。一、交互式繪圖58二、程序參數化繪圖機械工程圖中，由于很多零部件的形狀相似，例如鍵、銷、螺釘、螺母、滾動軸承等，一般采用程序參數化繪圖來繪制這些零件。利用程序參數化繪圖，用戶只須向程序提供所要求的一些參數。如鈑金件只須提供起始點坐標和各邊邊長；齒輪零件只須提供模數、齒數、變位系數等參數。對于標準件，可用其規(guī)格尺寸作為參數。形狀特征拼合法——一種繪圖方法。將形狀特征〔如倒角、鍵槽、退刀槽、中心孔等〕賦予參數，編制成繪圖程序，通過調用這些特征繪圖程序，可以拼合成各種不同的零件圖形，這種繪圖方法即為形狀特征拼合法。59三、尺寸驅動式參數化繪圖根本思想——以草圖方式快速繪制圖形，然后進行必要的尺寸標注，最后通過驅動程序，產生由尺寸標注所控制的準確圖形。參數化圖形中，除了包含各圖元的幾何信息外，還包含了各種約束條件，即結構約束和尺寸約束。1、尺寸驅動參數化繪圖原理由尺寸驅動參數化軟件模塊，在非參數化圖形根底上引入了約束機制實現的?！?〕結構約束——各圖元之間的平行、垂直、相切、對齊、相等、對稱等拓撲關系?！?〕尺寸約束——表示圖形中各組成圖元的長度、角度、半徑及相對位置等。各尺寸標注的尺寸值作為參數進行處理。602、尺寸驅動參數化繪圖軟件的主要功能只要圖元間近似的相對位置關系在系統(tǒng)精度的設定范圍內，系統(tǒng)的草圖整理功能就能將不精確的草圖整理為具有準確相對位置關系的圖形，為進一步作參數化尺寸驅動做好準備。在尺寸驅動前，應對圖形進行參數化處理，也就是在圖形間添加適當的結構約束，并使尺寸值成為參數。每一個尺寸只須標注一次，其余視圖的尺寸跟隨聯動，即三視圖尺寸隨動處理。尺寸之間假設存在一定的函數關系，可將某些尺寸設置成變量，其它尺寸用變量的表達式來表示?！?〕草圖繪制與整理〔2〕參數化尺寸驅動〔3〕建立尺寸間的函數關系61四、參數化圖庫的使用與建立如在AutoCAD中可使用形〔Shape〕或圖塊〔Block〕的功能實現建庫。對于一些標準件和通用件，編制相應的圖形參數式繪圖程序，然后組成一個個圖形程序庫。如PCCAD〔清華天河軟件公司〕二維繪圖軟件提供的參數化圖庫管理系統(tǒng)，用戶只需畫出圖形，進行參數化處理并編寫尺寸變量參數表，就可方便的建立自己的參數化圖庫。

1、用圖塊或符號的方式建立圖庫

2、建立圖形程序庫。

3、利用參數化圖庫管理工具建立圖庫62五、工程圖的自動生成完成產品幾何造型設計后，通過設定圖幅、視圖類型、投影方向等參數，系統(tǒng)將自動生成所需的工程圖。由于工程圖中各個視圖是根據產品實體模型自動生成的，因而很好地解決了傳統(tǒng)二維繪圖中始終存在的投影線、截交線難求的問題。通過參數關聯技術的應用，使得無論在三維實體模型環(huán)境還是在二維工程圖環(huán)境下，任一方的修改都能在另一環(huán)境中得到反映，徹底解決了由于設計修改引起的圖檔更新問題。63第五章幾何造型第一節(jié)幾何造型的一般概念一、機械CAD/CAM幾何建模的概念1、幾何建模的概念CAD/CAM系統(tǒng)中的幾何模型——把三維實體的幾何形狀及其屬性用適宜的數據結構進行描述和存儲，供計算機進行信息轉換與處理的數據模型。幾何模型包含了三維形體的幾何信息、拓撲信息以及其它的屬性數據。

幾何建?！糜嬎銠C圖形系統(tǒng)來表示和構造形體的幾何形狀，建立計算機內部模型的過程。幾何建模技術是CAD/CAM系統(tǒng)的核心，是實現CAD/CAM/CAE集成的根底。64采用三維實體造型技術來構造設計對象模型，不僅使設計過程直觀、方便，同時也為后續(xù)的應用，如物性計算、工程分析、數控加工編程及模擬、三維裝配、運動仿真、動力學和運動學分析、渲染處理等提供了一個較好的產品數據化模型，對實現CAD/CAM技術的集成、保證產品數據的一致性和完整性提供了技術支持?！?〕20世紀60年代，開始產生線框模型；〔2〕20世紀70年代，三維形體出現外表模型；〔3〕20世紀70年代末，出現實體模型。2、幾何建模技術的開展實體造型——通過簡單體素的幾何變換和并、交、差集合運算，生成各種復雜形體的建模技術。幾何模型為線框模型、外表模型、實體模型的統(tǒng)稱，即形體的描述和表達是建立在幾何信息和拓撲信息的處理根底上。65二、CAD/CAM幾何建模技術的根本知識1、幾何信息

幾何信息——構成三維形體的各幾何元素的形狀、位置和大小。

幾何信息可以用具體的數學表達式來進行定量描述，在實際應用中可以通過某些不等式對其邊界加以限制。

2、拓撲信息

拓撲信息——反映三維形體中幾何元素的數量及其相互間連接關系。幾何元素間的連接關系是指：一個形體〔Object〕由哪些面〔Face〕組成，每個面上有幾個環(huán)〔Loop〕，每個環(huán)由哪些邊〔Edge〕組成，每條邊又由哪些點〔Vertex〕定義。形體由點、邊、環(huán)、面、體等各種不同的幾何元素構成，其中點〔V〕、邊〔E〕、面〔F〕為最根本的幾何元素。66形體在計算機內采用六層拓撲結構進行定義。〔1〕體——由封閉外表圍成的有效空間。正那么形體——具有良好邊界的形體。正那么形體沒有懸邊、懸面，任意邊沒有兩個以上的鄰面?！?〕殼——構成一個完整實體的封閉邊界，是形成封閉的單一連通空間的一組面的結合。一個連通的物體由一個外殼和假設干個內殼構成?！?〕面——由一個外環(huán)和假設干個內環(huán)界定的不連通外表。面有方向性，用外法失方向作為該面的正方向。4、形體的表示3、非幾何信息產品除描述實體幾何信息、拓撲信息以外的信息。包括零件的物理屬性和工藝屬性等，如零件質量、性能參數、公差、加工粗糙度、技術要求等。67

外環(huán)——確定面的最大邊界的環(huán)。外環(huán)的邊按逆時鐘走向。

內環(huán)——確定面內孔或凸臺周界的環(huán)。內環(huán)的邊按順時鐘走向?！?〕邊——實體兩個鄰面的交界。

頂點不能孤立存在于實體內、實體外或面和邊的內部?！?〕環(huán)——面的封閉邊界，由有序、有向邊的組合。

環(huán)不能自交，且有內外之分。一條邊有兩個頂點，分別稱為該邊的起點和終點，邊不能自交。〔6〕頂點——邊的端點，為兩條或兩條以上邊的交點。68形體使用如右圖所示的拓撲結構〔topology〕頂點（Vertex）邊（Edge）

環(huán)（Loop）面（Face）殼（Shell）

體（Object）

模型（Model）點（Point）曲線（Curve）表面（Surface）695、正那么集和正那么集合運算正那么集的數學定義：S=kiS式中，k表示閉包，i表示內部，S表示集合。該公式的含義為：如果一集合S的內部閉包與原來的集合相等，那么稱此集合為正那么集。通常的交、并、差運算有可能產生非正那么集。為此，定義一套正那么化的集合算子并〔∪*〕、交〔∩*〕、差〔\*〕，以區(qū)別于常規(guī)的集合算子∪、∩與\，保證在運算后仍產生正那么集，及保證形體的有效性。實體造型中，通過布爾運算將一些根本體素合成復雜的形體。布爾運算是一種正那么化的集合運算，它保證兩個根本體素經過運算后所得結果是有意義的，并可進一步參與布爾運算。706、歐拉公式運用歐拉公式可以檢驗形體的合法性和一致性?！?〕對于正那么形體，其點〔V〕、邊〔E〕、面〔F〕的個數滿足歐拉公式：V–E+F=2〔2〕將三維封閉的空間分割成B個獨立的多面體，那么點、邊、面、體的個數滿足歐拉公式：V–E+F–B=1〔3〕對于有G個孔洞的形體，相應的歐拉公式為：V–E+F–L=2〔B–G〕71第二節(jié)三維幾何建模技術一、線框建模〔WireFrameModeling〕

1、線框建?！S實體僅通過頂點和棱邊來描述形體的幾何形狀。

2、線框模型中的數據結構——由一個頂點表和一個棱邊表組成。棱邊表用來表示棱邊和頂點的拓撲關系，頂點表用來記錄各頂點的坐標值。

3、優(yōu)點——數據結構簡單，信息量少，占用的內存空間小，對操作的響應速度快。

4、缺點——由于線框模型只有棱邊和頂點的信息，缺少面與邊、面與體等拓撲信息，導致形體信息的描述不完整，容易產生多義性，不能正確表達曲面形體的輪廓線；不能進行消隱；不能產生剖視圖；不能進行物性計算和求交計算；無法檢驗實體的碰撞和干預；無法生成數控加工的刀具軌跡和有限元網格的自動劃分等。72二、外表建?！睸urfaceModeling〕1、外表建?！ㄟ^對物體各個外表或曲面進行描述的一種三維建模方法。2、外表模型中的數據結構——在線框模型的根底上，增加了面的有關信息和連接指針，除了頂點表和棱邊表之外，增加了面表結構。線框建模作為建模的根底與外表模型和實體模型密切配合，成為CAD建模系統(tǒng)中不可缺少的組成局部。3、優(yōu)點——相對于線框模型而言，外表模型增加了面、邊的拓撲關系，因而可以進行消隱處理、剖面圖的生成、渲染、求交計算、數控刀具軌跡的生成、有限元網格劃分等作業(yè)。4、缺點——外表模型缺少體的信息以及體、面間的拓撲關系，無法區(qū)分面的哪一側是體內或體外；不能進行物性計算和分析。

5、常見的曲面構造方法：平面、線性拉伸面、直紋面、回轉面、掃成面、圓角面、等距面。73三、實體建模〔SolidMolding〕

實體建?！粌H描述了實體的全部幾何信息，而且定義了所有點、線、面、體的拓撲信息?！惨弧硨嶓w建模的概念〔１〕能夠方便地確定三維空間中在面的哪一側存在實體，確定給定點的位置是處在實體的邊界面上，還是在實體的內部或外部；〔２〕利用實體建模系統(tǒng)可對實體信息進行全面完整的描述，能夠實現消隱、剖切、有限元分析、數控加工，對實體著色、光照及紋理處理，能夠進行實體的外形計算等。優(yōu)點：〔二〕幾何形體的表示方法常用三維實體在計算機內的表示方法：根本體素表示法、掃描表示法、邊界表示法、構造實體幾何表示法、空間單元表示法。74根本體素表示法——用一組參數來定義一族形狀相似但大小不同的形體，如錐、柱、球、立方體等。

掃描表示法——由一個二維圖形或三維形體，在空間沿某一方向或脊椎線平移或繞某一軸線旋轉來定義實體的方法。1、根本體素表示法對根本體素的引用或比例變換只影響形體的幾何形狀，而不改變其拓撲信息。根本體素表示法和其它構造方法相結合，可以構造出較復雜的形體。2、掃描表示法3、邊界表示法〔BoundaryRepresentation〕邊界表示法——即B-Rep法。通過構成實體的面、環(huán)、邊、頂點的幾何數據和拓撲關系數據在計算機中表示實體。75采用B-Rep表示實體的優(yōu)點：缺乏實體生成的過程信息，即該實體是由哪些根本體素定義的、是通過何種運算拼合而成的；存儲數據量大，必須具有方便的用戶界面才能建立起實體的所有邊界信息。采用B-Rep表示實體的缺點：詳細記錄了構成形體的所有幾何元素的幾何信息和拓撲信息，有利于以面和邊為根底的多種幾何運算和操作，以及交、并、差集合運算，便于構造和表達具有復雜外形的三維實體。76構造實體幾何表示法——即CSG表示法。用一棵有序的二叉樹記錄一個實體的所有組合根本體素以及正那么集合運算和幾何變換的過程。CSG表示法的特點——無二義性．4、構造實體幾何表示法〔ConstructiveSolidGeometry〕CSG的幾何造型系統(tǒng)中，通常有兩套數據結構：一套是由根本體素以及集合運算和幾何變換所生成實體的二叉樹的數據結構；另一套是描述這些體素的位置及其體、面、邊、點的信息。對于同一實體，其CSG二叉樹的構造并不唯一，同一復雜結構可由不同的構造方法如protrusion、cut、copy等得來。優(yōu)點——造型簡單，易于實現，可以方便地轉換成其它的數據結構表示。缺點——不能存儲最終實體的更詳細的幾何信息，必須經過運算轉化為B-Rep表示后，才能對實體的點、邊、面等信息進行查詢和編輯。77

CSG表示法與B-Rep表示法的綜合運用——采用CSG樹作為用戶的輸入接口，同時在計算機內部采用B-Rep描述方法來記錄三維形體的完整的幾何信息和拓撲信息。空間單元表示法——用一系列規(guī)那么的空間單元〔或稱“體元”〕來表示實體的一種方法。通常用體元重心處的坐標來表示一個空間單元，單元的大小決定了單元分解的精度。優(yōu)點——算法簡單；容易實現并、交、差集合運算；易于檢查實體間的碰撞干預、便于消隱和輸出顯示；具有物性計算和有限元計算的根底。空間單元表示法用于二維圖形〔四叉樹數據結構〕和空間三維實體〔八叉樹數據結構〕5、空間單元表示法缺點——需要大量的存儲空間；不能表達各局部之間的拓撲關系；沒有點、線、面等形體單元的概念；難以轉化為B-Rep表示和CSG表示。78關于“幾何形體的表示方法”的另一種歸類方法：只有三種。缺乏實體生成的過程信息，即該實體是由哪些根本體素定義的、是通過何種運算拼合而成的；存儲數據量大，必須具有方便的用戶界面才能建立起實體的所有邊界信息。采用B-Rep表示實體的缺點：詳細記錄了構成形體的所有幾何元素的幾何信息和拓撲信息，有利于以面和邊為根底的多種幾何運算和操作，以及交、并、差集合運算，便于構造和表達具有復雜外形的三維實體。79第三節(jié)特征建模技術一、特征建模的概念

特征——從工程對象中高度概括和抽象后得到的具有工程語義的功能要素。它不僅包含了確定的幾何形狀信息，而且還含有如材料、尺寸公差和形位公差、粗糙度、裝配要求以及工藝、管理等各種屬性。

特征建?！ㄟ^特征及其集合進行定義、描述零件模型的過程。

特征本身是參數化的，在特征建模時，各個形狀特征的位置和尺寸可以通過尺寸驅動方便地進行修改，其附屬的屬性也隨之修改。參數化〔Parametric〕造型技術的主要特點：

1、基于特征；

2、全尺寸約束；

3、尺寸驅動設計修改；

4、全數據相關。80二、特征的分類與特征間的關系從模具CAD/CAM的作業(yè)過程和要求來考慮，特征可分為形狀特征、精度特征、材料特征、技術特征、裝配特征和管理特征。在Pro/E軟件中，有：拉伸特征、旋轉特征、掃描特征、混成特征、孔特征、倒角特征、圓角特征、陣列特征、切割特征、肋特征、抽殼特征以及基準面、基準軸、基準點等輔助特征。1、特征的分類〔1〕形狀特征——具有一定工程語義的幾何形體，包含了這些形體的幾何信息和拓撲信息?！?〕精度特征——用于描述零件上公稱的幾何形狀允許的變化量，包括尺寸公差、形位公差、外表粗糙度等信息?！?〕材料特征——用于描述與零件材料及熱處理要求相關的信息，如零件的材料型號、性能、熱處理要求和方式、外表處理方式和條件、硬度、檢驗方式等。81〔4〕技術特征——用于描述零件的有關性能和技術要求。〔5〕裝配特征——用于描述零件在裝配過程中要使用的信息和裝配時的技術要求，如零件的配合關系、裝配順序和方式、裝配要求等?！?〕管理特征——用于描述零件的管理信息，如零件名、圖號、批量、設計者、日期、未注粗糙度等。其中，精度特征、材料特征、技術特征、裝配特征等四個與生產加工工藝相關的特征，統(tǒng)稱為“工藝特征”。一般有以下3種：〔1〕相鄰關系——在空間位置之間的相互關系?！?〕附屬關系——在某一主特征上產生輔助特征〔有時僅作為尺寸標注參考、幾何圖元平移等〕，輔助特征附屬于主特征。〔3〕分布關系——表示某類特征在空間按照某種方式所排列的關系。2、特征之間的關系82三、常見特征建模的方式

基于特征的設計——由設計人員調用特征造型系統(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的建模方式。特征識別——根據已有的幾何模型，通過一系列的算法對待識別的幾何模型進行解釋，識別出相應的形狀特征，并加以定義，到達特征建模的目的。

特征識別方式：采用特征識別建立零件的特征模型過程比較復雜，且容易出錯，對于復雜的零件甚至難以實現。１、基于特征的設計２、特征識別〔1〕交互式特征識別〔2〕系統(tǒng)自動進行特征識別833、特征映射根據工程應用環(huán)境的不同，有以下5種特征域：

特征的映射——為使后續(xù)的應用能直接利用CAD系統(tǒng)的產品信息，就必須將設計特征映射為各種后續(xù)應用領域所需要的特征，這一過程稱之為特征的映射。

特征的多視域造成了在CAD/CAPP/CAM系統(tǒng)間的特征及其信息需求不同，阻礙了各系統(tǒng)之間信息的真正集成。〔1〕設計特征域；〔2〕分析特征域；〔3〕工藝特征域；〔4〕制造特征域；〔5〕裝配特征域。84本節(jié)內容作為課外上機內容。要求以某一產品或該產品的某個部件為原型，設計其三維模型，并輸出二維圖紙。具體要求如下：1、完成各零、部件的幾何造型〔零件總數不少于兩個〕；2、完成各零件的二維圖；3、完成產品或部件的裝配圖，并輸出二維圖.第四節(jié)幾種CAD軟件三維造型功能簡介《CAD/CAM原理及集成技術》課程上機作業(yè)XXXXXXXXXXXX(題目名稱，如“電吹風結構設計”〕

班級：__________姓名：__________學號：__________任課老師：__________完成時間：__________將打印的二維裝配圖、零件圖及封面裝訂在一起。封面形式如下：85第一節(jié)制造與制造系統(tǒng)制造系統(tǒng)——制造過程及其涉及的硬件〔人員、生產設備、材料、能源、輔助裝置等〕以及相關軟件〔制造理論、制造工藝、制造方法等〕和制造信息組成的，一個具有將制造資源〔原材料、能源等〕轉變?yōu)楫a品或半成品特定功能的有機整體。第六章數控加工

制造——按照市場需求，運用知識和技能，借助工具，采用有效的方法，將原材料轉化為最終產品并投放市場的全過程。制造是一門藝術，一門技術，一門科學，一門商務。制造系統(tǒng)的概念模型：輸入-資源轉換-輸出制造系統(tǒng)的特征：轉換特性，過程特性〔物質流、資金流、信息流、能量流〕，系統(tǒng)特性，開放特性，進化特性。86第二節(jié)CAM概論CAM的內容及工作流程一般具有：工藝參數的設定、刀位軌跡自動生成、刀位軌跡編輯、刀位驗證、后置處理、動態(tài)仿真等根本功能。

狹義CAM——按對模具加工NC程序的編制，包括刀具路線的規(guī)劃，刀位文件的生成，刀具軌跡的仿真，后置處理，NC代碼生成等。

工作流程1.準備被加工零件的幾何模型；2.刀具軌跡生成；3.仿真評價優(yōu)化；‘4.后置處理；后置處理的目的—根據校驗過的刀位軌跡〔刀位原文件〕，生成與不同機床匹配的NC程序。5.NC代碼仿真驗證；6.NC代碼傳至NC機床〔DNC加工〕。87第三節(jié)NC加工技術概述數控〔NC〕起源——20世紀40年代后期，為適應加工復雜外形零件兒開展起來的一種自動化加工技術，起源于飛機制造業(yè)。20世紀60年代末，出現DNC〔DirectNC〕。DNC—使用一臺較大型的計算機，控制和管理多臺NC機床，能進行多品種、多工序的自動加工。

NC加工——采用數字信息，對零件加工過程進行定義，并控制機床進行自動運行的一種自動化加工方法。

NC加工特點：

1.復雜型面加工能力；

2.精度高，質量好；

3.生產效率高；

4.高柔性；

5.便于實現網絡化制造；

6.減輕勞動強度，改善勞動條件。88

NC機床的組成：圖紙，CAD/CAM系統(tǒng)，NC裝置，伺服驅動系統(tǒng)，測量裝置，機床移動部件，輔助控制單元等。

輔助控制單元：包括主軸起停、刀具交換、冷卻潤滑等控制。

NC裝置——機床的核心。作用：接受NC程序，經處理后發(fā)出控制指令到進給伺服驅動系統(tǒng)，控制機床運行。一般為CNC控制系統(tǒng)。伺服驅動系統(tǒng)組成：由伺服驅動電路〔伺服控制線路、功率放大線路)和伺服電機組成，實現對機床執(zhí)行部件的速度、方向、位移控制。89NC系統(tǒng)的分類1.按工藝用途分：NC車床、NC鉆床、NC磨床、NC鏜床、

NC齒輪加工機床、NC電火花〔線切割〕機床、NC沖床等；〔鏜銑加工中心、車削加工中心〕2.按運動方式分：點位控制、直線控制、連續(xù)控制〔或輪廓控制〕；3.按控制方式分：開環(huán)控制系統(tǒng)，半閉環(huán)控制系統(tǒng)、閉環(huán)控制系統(tǒng)。

90模具NC加工的工藝要求1.NC加工工藝的根本要求編程人員將工步的劃分與順序、走刀路線、位移量的切削參數等，按規(guī)定的數碼形式編排程序，經輸入介質送入NC系統(tǒng)，NC系統(tǒng)進行運算和控制，指揮系統(tǒng)進行相應的運動，自動加工出所需要的零件的形狀。4.精加工原那么——保證質量，提高效率3.粗加工原那么——多快好省2.模具NC加工工藝規(guī)劃的影響因素a模具類型、結構、工作零件的尺寸形狀及構成；b工作零件的材料、尺寸精度、外表粗糙度、熱處理硬度；c模具設計與制造的技術水平與生產條件；d制造周期〔交貨期〕；e模具壽命；91

第四節(jié)NC加工編程1.NC加工編程的概念程序將零件的工藝過程、工藝參數、刀具位移量與方向、輔助動作〔換刀、冷卻、夾緊等〕，按照運動順序和所用NC機床規(guī)定的指令代碼以及程序格式，編寫加工程序單。NC程序編制方法：手工編程、自動編程手工編程方法是編制加工程序的根底，也是機床現場加工調試的主要方法，對機床操作人員來講是必須掌握的根本功，其重要性是不容無視的。

手工編程——從零件圖紙分析、工藝處理、數值計算、編寫程序單、程序校核等各步驟的數控編程工作均由人工完成的全過程。手工編程比較簡單，容易掌握，適應性較強。適合于編寫進行點位加工或幾何形狀不太復雜的零件的加工程序，以及程序坐標計算較為簡單、程序段不多、程序編制易于實現的場合。92

自動編程：

編程人員將零件加工部位和加工參數，用自動編程語言寫出零件的源程序，然后由專門的軟件轉換成NC程序。特點：采用簡單、習慣的語言對加工對象的幾何形狀、加工工藝、切削參數及輔助信息等內容按規(guī)那么進行描述，再由計算機自動地進行數值計算、刀具中心運動軌跡計算、后置處理，產生出零件加工程序單，并且對加工過程進行模擬。對于形狀復雜，具有非圓曲線輪廓、三維曲面等零件編寫加工程序，采用自動編程方法效率高，可靠性好。在編程過程中，程序編制人可及時檢查程序是否正確，需要時可及時修改。93

2.NC編程的內容〔1〕分析零件圖紙分析零件材料、形狀、尺寸、精度、毛坯形狀、熱處理要求等，確定在那種NC機床上加工哪些平面或哪些工序。〔2〕確定工藝過程加工方法、工裝夾具、定位夾緊方法、走刀路線、對刀點、換刀點、選擇NC機床、刀具、切削用量等。〔3〕數值計算根據零件形狀、加工路線，設定坐標系，計算零件輪廓相鄰幾何元素的交點或切點的坐標值。當用直線或圓弧逼近零件輪廓時，要計算出節(jié)點的坐標值，以及NC機床需要的其他數據。

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2.NC編程的內容〔4〕編寫加工程序單根據運動軌跡坐標值、運動順序、刀號、切削參數以及輔助動作，按照NC裝置規(guī)定的功能指令代碼、程序段格式，逐段編寫加工程序單。〔5)程序輸入手動輸入、介質輸入、通信輸入三種方式?！?〕程序校對和首次試切檢查程序單，并用筆在坐標紙上劃出加工路線，看機床運動軌跡是否正確；然后在NC機床上模擬加工，通過機床圖形顯示器觀察刀具運動與加工出的零件形狀是否正確。953.插補原理插補——在NC機床上加工直線或圓弧等幾何元素〔圖元)時，需根據幾何元素的起始點和終點坐標，將各點坐標值計算出來，這種“填補空白”的“數據密化”工作稱為插補。插補運算——計算插補點坐標值的運算。插補器——實現插補計算的裝置。所需信息直線：起點、終點坐標；圓?。喊霃?、起點終點坐標、順轉〔逆轉〕。插補方法：逐點比較法、數字積分法、時間分割法逐點比較法的插補過程：偏差判別、坐標進給、偏差計算、終點判別。964.NC加工程序格式NC加工程序——由假設干程序段組成，程序段由假設干字組成，每個字又由字母和數字組成。字——一系列安規(guī)定排列的字符，作為一個信息單元存儲、傳遞和操作。字的組成：一個英文字母〔地址符〕+數字。字分為如下7類：a順序號置于程序段之首，由順序號字N和數字組成。其作用為：對程序的校對和檢索修改；作為轉向目的程序段的名稱。一般使用方法：將第一程序段設置為N10，以后間隔10遞增。97

b準備功能字G地址符為G，又稱為G功能或G指令，用于建立機床或控制系統(tǒng)工作方式的一種指令。c輔助功能M指令由字母M及兩位數字組成，M00-M99共100個。是機床或系統(tǒng)開、關功能的一種指令，如冷卻液開、關，主軸正、反轉等。M指令有模態(tài)指令〔續(xù)效指令〕、非模態(tài)指令之分，與控制機床的插補運算無關，而是根據加工時操作的需要予以規(guī)定，一般書寫在程序段的后部。d尺寸字即尺寸指令，用于確定刀具運動終點的坐標位置。地址符有三組，分別用于確定直線坐標尺寸〔X、Y、Z、U、V、W、P、Q、R〕、角度坐標尺寸〔A、B、C、D、E〕和圓弧輪廓的圓心坐標尺寸〔I、J、K〕。編程時，豎直單位一定要與NC機床的單位一致，如μm、mm、in等。98

e進給功能字F地址符為F，又稱為F功能或F指令，指定切削的進給速度，分為主軸每轉進給、每分鐘進給。此外，F地址符在螺紋切削程序段中，常用來指定螺紋導程。

f主軸轉速功能字S地址符為S，又稱為S功能或S指令，指定主軸轉速。S后面的數字表示每分鐘主軸轉速〔RPM〕。

g刀具功能字T地址符為T，又稱為T功能或T指令，指定刀具編號。995常用G代碼

〔1〕與坐標系有關的G指令a絕對坐標與增量坐標系G90、G91例如P134圖5-17N10G90G01X80Y70N10G91G01X50Y30

b工件坐標系設定及注銷指令G53-G59G53為注銷指令，G54-G59為原點坐標選擇指令。例如P134圖5-18N20G92X0Z50LFN30G54G01X60Z40LFc坐標平面設定指令G17、G18、G19G17表示在xy平面內加工；G18表示在xz平面內加工；G19表示在yz平面內加工。如NC系統(tǒng)只在一個坐標平面內加工，那么無需設定。1005常用G代碼

〔2〕與刀具運動方式有關的G指令a快速定位指令G00b直線插補指令G01G01指令后必有F〔進給速度〕，且G01和F都是模態(tài)指令〔續(xù)效指令〕。例如：G01X_Y_Z_F_。c圓弧插補指令G02、G03G02為順時針圓弧插補，G03為逆時針圓弧插補。圓弧插補程序段中，包括圓弧的順逆、圓弧的終點坐標、圓弧的圓心坐標〔或圓弧半徑〕。例如：G02/G03X_Y_Z_I_J_K_F_LFG02/G03X_Y_Z_R_F_LF1015常用G代碼

〔3〕刀具半徑補償指令G40、G41、G42a刀具半徑補償：刀具中心軌跡與工件輪廓不一致，且當刀具磨損、重磨、更換新刀具時，相對位置將發(fā)生變化，這就需要刀具半徑自動補償功能。b刀具半徑補償指令G41、G42、G40刀具半徑補償指令又稱為“刀具偏置指令”，G41表示刀具左偏，G42表示刀具右偏，G40表示注銷左右偏置指令。c刀具長度補償指令G43、G44、G40刀具長度補償指令用于刀具軸向〔Z方向〕的補償，可使刀具在Z方向上的實際位移大于或小于程序給定值，即：實際位移量=程序給定值±補償值上式中，相加為正偏置，用G43指令表示，G44負偏置，G40為注銷指令。1025常用G代碼

〔4〕暫停指令G04G04X_LF其中X表示暫停時間，單位為ms。G04功能只在該程序段內有效?！?〕固定循環(huán)指令G04一條固定循環(huán)指令執(zhí)行固定的幾個連續(xù)動作。如鉆孔指令G81，執(zhí)行快速趨近工件、慢速鉆孔、快速退回3個固定動作。另有攻螺紋指令G84、鉸孔指令G85等。在G指令中，常用G80-G89作為固定循環(huán)指令。1036機床坐標系

〔1〕刀具相對于靜止工件運動的原那么〔2〕機床坐標系的規(guī)定機床