北航機(jī)械設(shè)計(jì)cad復(fù)習(xí)資料

機(jī)械設(shè)計(jì)CAD復(fù)習(xí)第_章概述CAD/CAM的基本概念計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(ComputerAidedDesign,CAD)指工程技術(shù)人員以計(jì)算機(jī)為輔助工具來完成產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中的各項(xiàng)工作，如草圖繪制、零件設(shè)計(jì)、裝配設(shè)計(jì)、工程分析等，并達(dá)到提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量、縮短產(chǎn)品開發(fā)周期、降低產(chǎn)品成本的目的。計(jì)算機(jī)輔助工藝過程設(shè)計(jì)(ComputerAidedProcessPlanning,CAPP)指在工藝人員借助于計(jì)算機(jī)，根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段給出的信息和產(chǎn)品制造工藝要求，交互地或自動地確定產(chǎn)品加工方法和方案，如加工方法選擇、工藝路線確定、工序設(shè)計(jì)等。?計(jì)算機(jī)輔助制造(ComputerAidedManufacturing，CAM)計(jì)算機(jī)輔助制造有廣義和狹義兩種定義。廣義CAM是指借助計(jì)算機(jī)來完成從生產(chǎn)準(zhǔn)備到產(chǎn)品制造出來的過程中的各項(xiàng)活動，包括工藝過程設(shè)計(jì)(CAPP)、工裝設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)輔助數(shù)控加工編程、生產(chǎn)作業(yè)計(jì)劃、制造過程控制、質(zhì)量檢測與分析等。狹義CAM通常是指NC程序編制，包括刀具路徑規(guī)劃、刀位文件生成、刀具軌跡仿真及NC代碼生成等。CAD系統(tǒng)的基本功能。?圖形顯示功能CAD是一個(gè)人機(jī)交互的過程，從產(chǎn)品的造型、構(gòu)思、方案的確定，結(jié)構(gòu)分析到加工過程的仿真，系統(tǒng)隨時(shí)保證用戶能夠觀察、修改中間結(jié)果，實(shí)時(shí)編輯處理。用戶的每一次操作，都能從顯示器上及時(shí)得到反饋，直到取得最佳的設(shè)計(jì)結(jié)果。圖形顯示功能不僅能夠?qū)ΧS平面圖形進(jìn)行顯示控制，還應(yīng)當(dāng)包含三維實(shí)體的處理。?輸入輸出功能在CAD系統(tǒng)運(yùn)行中，用戶需不斷地將有關(guān)設(shè)計(jì)的要求、各步驟的具體數(shù)據(jù)等輸入計(jì)算機(jī)內(nèi)，通過計(jì)算機(jī)的處理，能夠輸出系統(tǒng)處理的結(jié)果，且輸入輸出的信息既可以是數(shù)值的，也可以是非數(shù)值的(例如圖形數(shù)據(jù)、文本、字符等)。?存儲功能由于CAD系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，數(shù)據(jù)量很大，往往有很多算法生成大量的中間數(shù)據(jù)，尤其是對圖形的操作、交互式的設(shè)計(jì)以及結(jié)構(gòu)分析中網(wǎng)格劃分等。為了保證系統(tǒng)能夠正常的運(yùn)行，CAD系統(tǒng)必須配置容量較大的存儲設(shè)備，支持?jǐn)?shù)據(jù)在模塊運(yùn)行時(shí)的正確流通。另外，工程數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的運(yùn)行也必須有存貯空間的保障。?交互功能（即人機(jī)接口）在CAD系統(tǒng)中，人機(jī)接口是用戶與系統(tǒng)連接的橋梁。友好的用戶界面，是保證用戶直接而有效地完成復(fù)雜設(shè)計(jì)任務(wù)的必要條件，除軟件中界面設(shè)計(jì)外，還必須有交互設(shè)備實(shí)現(xiàn)人與計(jì)算機(jī)之間的不斷通信。CAD系統(tǒng)的具體功能。?幾何造型能夠描述基本幾何實(shí)體（如大小）及實(shí)體間的關(guān)系（如幾何信息），能夠進(jìn)行圖形圖像的技術(shù)處理。幾何建模技術(shù)是CAD系統(tǒng)的核心，它為產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制造提供基本數(shù)據(jù)和原始信息。?工程繪圖這是CAD系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)，是產(chǎn)品最終結(jié)果的表達(dá)方式。CAD系統(tǒng)有處理二維圖形的能力，包括基本圖元的生成，標(biāo)注尺寸，圖形編輯（比例變換、平移、拷貝、刪除等），除此之外，系統(tǒng)還應(yīng)具備從幾何造型的三維圖形直接向二維圖形轉(zhuǎn)換的功能。計(jì)算分析包括幾何特征（如體積、表面積、質(zhì)量、重心位置、轉(zhuǎn)動慣量等）和物理特征（如應(yīng)力、溫度、位移等）的計(jì)算分析。如圖形處理中變換矩陣的運(yùn)算；幾何造型中體素之間的交、并、差運(yùn)算；工藝規(guī)程設(shè)計(jì)中工序尺寸、工藝參數(shù)的計(jì)算；結(jié)構(gòu)分析中應(yīng)力、溫度、位移等物理量的計(jì)算等，為系統(tǒng)進(jìn)行工程分析和數(shù)值計(jì)算提供必要的基本參數(shù)。因此，要求CAD系統(tǒng)對各類計(jì)算分析的算法正確、全面，而且數(shù)據(jù)計(jì)算量大，還要有較高的計(jì)算精度。結(jié)構(gòu)分析CAD系統(tǒng)中結(jié)構(gòu)分析常用的方法是有限元法，這是一種數(shù)值近似解方法，用來解決結(jié)構(gòu)形狀比較復(fù)雜零件的靜態(tài)、動態(tài)特性計(jì)算，強(qiáng)度、振動、熱變形、磁場、溫度場強(qiáng)度、應(yīng)力分布狀態(tài)等計(jì)算分析。?優(yōu)化設(shè)計(jì)CAD系統(tǒng)應(yīng)具有優(yōu)化求解的功能，也就是在某些條件的限制下，使產(chǎn)品或工程設(shè)計(jì)中的預(yù)定指標(biāo)達(dá)到最優(yōu)。優(yōu)化設(shè)計(jì)包括總體方案的優(yōu)化、產(chǎn)品零件結(jié)構(gòu)的優(yōu)化、工藝參數(shù)的優(yōu)化等。優(yōu)化設(shè)計(jì)是現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法學(xué)中的一個(gè)重要的組成部分。?模擬仿真模擬:根據(jù)設(shè)計(jì)要求，建立一個(gè)工程設(shè)計(jì)的實(shí)際系統(tǒng)模型，例：機(jī)構(gòu)、機(jī)械手、機(jī)器人。仿真:通過對系統(tǒng)模型的試驗(yàn)運(yùn)行，研究一個(gè)存在的或設(shè)計(jì)中的系統(tǒng)，通常有加工軌跡仿真，機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)仿真，機(jī)器人仿真，工件、機(jī)床、刀具、夾具的碰撞、干涉檢驗(yàn)等。目的在于：預(yù)測產(chǎn)品的性能，模擬產(chǎn)品的制造過程、可制造性，避免損壞，減少制造投資。?工程數(shù)據(jù)管理與信息傳輸與交換由于CAD系統(tǒng)中數(shù)據(jù)量大、種類繁多，又不是孤立的系統(tǒng)，因此，CAD/CAM系統(tǒng)應(yīng)能提供有效的管理手段，支持工程設(shè)計(jì)與制造全過程的信息傳輸與交換。隨著并行作業(yè)方式的推廣應(yīng)用，還存在著幾個(gè)設(shè)計(jì)者或工作小組之間的信息交換問題，因此，CAD/CAM系統(tǒng)應(yīng)具備良好的信息傳輸管理功能和信息交換功能。第二章CAD系統(tǒng)的硬件和軟件CAD系統(tǒng)的基本組成。所謂系統(tǒng)是指為完成特定任務(wù)而由相關(guān)部件或要素組成的有機(jī)的整體。一個(gè)完整的CAD系統(tǒng)必須具備硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)。硬件是一切可以觸摸到的物理設(shè)備。硬件系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)各項(xiàng)功能的物質(zhì)基礎(chǔ)，它由計(jì)算機(jī)，存儲設(shè)備，顯示設(shè)備，人機(jī)交互設(shè)備和輸出設(shè)備等組成。計(jì)算機(jī)是按照程序和數(shù)據(jù)進(jìn)行工作的，相對于計(jì)算機(jī)及其外圍設(shè)備而言，這些程序、數(shù)據(jù)及相關(guān)的文檔就是軟件。軟件水平的高低直接影響到CAD/CAM系統(tǒng)的功能，工作效率以及方便程度。CAD系統(tǒng)硬件的配置形式。從發(fā)展歷史上看，CAD系統(tǒng)的配置形式有四種：20世紀(jì)70年代的主機(jī)終端形式；80年代的分布式臺式計(jì)算機(jī)形式；90年代的客戶/服務(wù)器形式；90年代后期的瀏覽器/服務(wù)器形式.?主機(jī)終端形式又稱為集中式系統(tǒng)，它由大型計(jì)算機(jī)或小型計(jì)算機(jī)作為主機(jī)和圖形終端相連接。是多個(gè)用戶共享一臺計(jì)算機(jī).在這種系統(tǒng)中，終端機(jī)不具有中央處理器，所有的運(yùn)算和處理均需依靠主機(jī)進(jìn)行，因此，系統(tǒng)按分時(shí)批處理方式進(jìn)行，效率較低，響應(yīng)速度較慢。?分布式臺式計(jì)算機(jī)形式是在臺式計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)上，采用局域網(wǎng)將多種臺式計(jì)算機(jī)連接起來，以達(dá)到資源分布、信息共享的目的。?客戶/服務(wù)器形式是一種計(jì)算機(jī)處理模式，它將一個(gè)大的應(yīng)用任務(wù)分解為多個(gè)子任務(wù)，由多臺計(jì)算機(jī)分別執(zhí)行，共同完成整個(gè)應(yīng)用.任務(wù)體現(xiàn)為“請求/服務(wù)”的交互關(guān)系.不再將多個(gè)應(yīng)用放在一臺主機(jī)上處理，而是將一個(gè)應(yīng)用分布到多個(gè)機(jī)器上去處理.?瀏覽器/服務(wù)器形式系統(tǒng)中各種計(jì)算機(jī)所擔(dān)當(dāng)?shù)慕巧袃煞N：一種是用戶計(jì)算機(jī)，其上安裝相應(yīng)的Web瀏覽器(WB)軟件；另一種是服務(wù)器計(jì)算機(jī)，提供WWW服務(wù)，其上安裝相應(yīng)的Web服務(wù)器(WS)軟件.用于克服制約CAD信息的集成與共享的“企業(yè)內(nèi)部幾不同企業(yè)間異構(gòu)的計(jì)算機(jī)硬、軟件平臺”、“不同的CAD應(yīng)用系統(tǒng)”、“不同的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境”等因素而發(fā)展起來的最新的系統(tǒng)結(jié)構(gòu).列舉CAD系統(tǒng)的軟件組成根據(jù)系統(tǒng)中執(zhí)行的任務(wù)及服務(wù)對象的不同，可將軟件系統(tǒng)分為三個(gè)層次：系統(tǒng)軟件：指使用、管理、控制計(jì)算機(jī)運(yùn)行的操作系統(tǒng)及語言處理程序等的集合，是用戶與計(jì)算機(jī)硬件的連接紐帶。CAD/CAM系統(tǒng)中比較流行的操作系統(tǒng)有工作站：UNIX,VM，微機(jī)：WINDOWS/NT,WINDOWS/XP,UNIX。支撐軟件：支撐軟件是在系統(tǒng)軟件基礎(chǔ)上開發(fā)出來的滿足CAD用戶一些需要的通用軟件或工具軟件，是CAD/CAM系統(tǒng)的核心。應(yīng)用軟件：是用戶解決實(shí)際總是而自行開發(fā)或委托開發(fā)的程序系統(tǒng)。它是在系統(tǒng)軟件的基礎(chǔ)上，或用高級語言編程，或基于某種支撐軟件，針對特定的問題設(shè)計(jì)研制，既可為一個(gè)用戶使用，也可為多個(gè)用戶使用的軟件。CAD支撐軟件應(yīng)分類?基本圖形資源軟件：根據(jù)圖形標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范實(shí)現(xiàn)的軟件包，大多是供應(yīng)用程序調(diào)用的圖形子函數(shù)包或函數(shù)庫。面向驅(qū)動的CGI、面向應(yīng)用的GKS、圖形程序包OpenGL?二、三維繪圖軟件解決零件圖的詳細(xì)設(shè)計(jì)，輸出符合工程要求的零件圖或裝配圖。AutoCAD、Pro/Engineer中的Pro/Detail?幾何造型軟件：主要解決零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題，存儲三維幾何數(shù)據(jù)及相關(guān)信息。包括實(shí)體造型系統(tǒng)，曲面造型系統(tǒng)，參數(shù)化造型系統(tǒng)。Pro/Engineer的三維模塊。?工程分析及計(jì)算軟件：計(jì)算方法庫：解決各種數(shù)學(xué)計(jì)算；優(yōu)化方法庫：常用零部件的優(yōu)化；有限元分析：系統(tǒng)剛度強(qiáng)度計(jì)算；機(jī)構(gòu)分析及機(jī)構(gòu)綜合：確定機(jī)構(gòu)的位置、軌跡、速度、加速度、結(jié)點(diǎn)受力、運(yùn)動干涉，顯示機(jī)構(gòu)的靜態(tài)、動態(tài)圖和分析結(jié)果曲線；機(jī)械系統(tǒng)動態(tài)分析：分析系統(tǒng)的噪音、震動；注塑模分析：注塑模具的流動分析、冷卻分析、收縮分析、結(jié)構(gòu)應(yīng)力。?文擋制作軟件。簡述CAD軟件系統(tǒng)選擇原則。?軟件性能價(jià)格比與硬件系統(tǒng)一樣，選用軟件時(shí)也要進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)研與比較，選擇滿足要求、運(yùn)行穩(wěn)定可靠、容錯性好、人機(jī)界面友好、具有良好性能價(jià)格比的產(chǎn)品。同時(shí)，要注意選用軟件的版本號、推出的日期及與前一版本比較的功能改進(jìn)等方面。?與硬件匹配性不同的軟件往往要求不同的硬件環(huán)境支持。如軟、硬件都需配置應(yīng)先選軟件，它決定著系統(tǒng)功能。如已有硬件，只配軟件，則要考慮硬件的能力，配備相應(yīng)檔次的軟件。大多數(shù)軟件分工作站和微機(jī)版，有的是跨平臺的，如AutoCAD.CADDS5、I-DEAS、PRO-E、UG-II等。?二次開發(fā)能力與環(huán)境為高質(zhì)、高效地充分發(fā)揮軟件的作用，需進(jìn)行二次開發(fā)，要了解所選軟件是否具備二次開發(fā)可能性、開放性程度、所提供的二次開發(fā)工具、二次開發(fā)所需環(huán)境和編程語言。有的軟件提供專用的二次開發(fā)語言，有的則采用通用的編程語言進(jìn)行二次開發(fā)，前者的專用性強(qiáng)、學(xué)習(xí)和培訓(xùn)量大，但使用效率高，后者則相反。?開放性所選用的軟件應(yīng)與系統(tǒng)中的設(shè)備、其他軟件和通用數(shù)據(jù)庫具有良好的接口、數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換和集成能力，具備驅(qū)動繪圖機(jī)及打印機(jī)等設(shè)備的接口，具備升級能力，便于系統(tǒng)的應(yīng)用和擴(kuò)展。?可靠性所選軟件應(yīng)在遇到一些極限處理情況和某些操作時(shí)，能進(jìn)行相應(yīng)的處理而不產(chǎn)生系統(tǒng)死機(jī)和系統(tǒng)崩潰。第三章圖形技術(shù)基礎(chǔ)簡述計(jì)算機(jī)圖形處理技術(shù)的種類。幾何變換、消隱、光照處理、裁剪簡述二維圖形變換的基本原理、方法、種類。平移變換、比例變換、對稱變換、旋轉(zhuǎn)變換、錯切變換abpT=cdqlms其中a、b、c、d是對圖形進(jìn)行縮放、對稱、旋轉(zhuǎn)、錯切等變換；l、m是對圖形進(jìn)行平移變換；〃、q對圖形進(jìn)行透視變換；s是對圖形進(jìn)行整體伸縮變換。當(dāng)s<1時(shí)，圖形被放大；當(dāng)s>1時(shí)，圖形縮?。划?dāng)s=1時(shí)，圖形大小不變。即變換后的坐標(biāo)均為原坐標(biāo)的1/s倍。掌握組合變換(重點(diǎn))圖像消隱的基本測試方法重疊測試、包含性測試、深度測試、可見性測試常用消隱算法Z緩沖器算法、掃描線算法、區(qū)域子分算法什么是窗口？什么是視區(qū)？窗口和視區(qū)的關(guān)系用戶可以在輸入的圖形上選定一個(gè)觀察區(qū)域。這個(gè)觀察區(qū)域被稱為窗口。在圖形輸出設(shè)備上用來復(fù)制窗口內(nèi)容的矩形區(qū)域被稱為視區(qū)。視區(qū)與窗口的關(guān)系如下：視區(qū)不變，窗口縮小或放大時(shí)，顯示的圖形會相應(yīng)放大或縮小。窗口不變，視區(qū)縮小或放大時(shí)，顯示的圖形會相應(yīng)縮小或放大。視區(qū)縱橫比不等于窗口縱橫比時(shí)，顯示的圖形會有伸縮變化。窗口與視區(qū)大小相同、坐標(biāo)原點(diǎn)也相同時(shí)，顯示的圖形不變。只有當(dāng)定義的視區(qū)大小與窗口大小相同，而且設(shè)備坐標(biāo)的度量單位與用戶坐標(biāo)的度量單位也相同時(shí)，二者之間才是1：1的對應(yīng)關(guān)系，而在絕大多數(shù)情況下，窗口與視區(qū)無論是大小還是單位都不相同。為了把選定的窗口內(nèi)容在希望的視區(qū)上表現(xiàn)出來，必須進(jìn)行坐標(biāo)變換。為什么要進(jìn)行圖形裁剪？為了正確顯示窗口內(nèi)的全部圖形，必須明確把圖形分為窗口內(nèi)的部分(可見部分)和窗口外的部分(不可見部分)，尤其是與窗口邊界相交的那些圖形。區(qū)分可見與不可見部分的過程就稱為裁剪。常用裁剪算法編碼裁剪法、中點(diǎn)分割算法第四章建模技術(shù)CAD建模技術(shù)主要有幾何建模和特征建模。幾何信息和拓?fù)湫畔缀涡畔⑹侵肝矬w在空間的形狀、尺寸及位置的描述。幾何信息包括有點(diǎn)、線、面、體的信息，但只用幾何信息表示物體并不充分，常會出現(xiàn)物體表示的二義性。拓?fù)湫畔⒅竿負(fù)湓兀旤c(diǎn)、邊棱線和表面）的數(shù)量及其相互間的連接關(guān)系。拓?fù)潢P(guān)系允許三維實(shí)體隨意地伸張扭曲，對于兩個(gè)形狀和大小不一樣的實(shí)體的拓?fù)潢P(guān)系卻可能是等價(jià)的。幾何建模技術(shù)有哪幾種建模方式?各自的特點(diǎn)是什么？答：幾何建模包括線框建模、表面建模、實(shí)體建模三種方式線框建模特點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：線框模型可以產(chǎn)生任意視圖，視圖間能保持正確的投影關(guān)系，還能生成任意視點(diǎn)的透視圖及軸測圖。缺點(diǎn)：數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)缺少邊與面、面與體之間的關(guān)系信息，不能構(gòu)成實(shí)體，無法識別面與體。表面建模特點(diǎn)：＞表達(dá)了零件表面和邊界定義的數(shù)據(jù)信息，有助于對零件進(jìn)行渲染等處理，有助于系統(tǒng)直接提取有關(guān)面的信息生成數(shù)控加工指令。＞在物體性能計(jì)算方面，表面建模中面信息的存在有助于對物性方面與面積有關(guān)的特征計(jì)算，同時(shí)對于封閉的零件來說，采用掃描等方法也可實(shí)現(xiàn)對零件進(jìn)行與體積等物理性能有關(guān)的特征計(jì)算。＞曲面建模容易在零件建模中漏掉某個(gè)甚至某些面的處理，往往會在兩個(gè)面相交處出現(xiàn)缺陷，如重疊或間隙，不能保證零件的建模精度。實(shí)體建模特點(diǎn)：＞可以提供實(shí)體完整的信息;＞可以實(shí)現(xiàn)對可見邊的判斷，具有消隱的功能；＞能順利實(shí)現(xiàn)剖切、有限元網(wǎng)格劃分、直到NC刀具軌跡的生成。實(shí)體建模的方法有那些？體素法、掃描法簡述邊界表示法的基本原理和建模過程。邊界表示法簡稱B-Rep法。它的基本思想是一個(gè)實(shí)體可以通過它的面的集合來表示，而每一個(gè)面又可以用邊來描述，邊通過點(diǎn)，點(diǎn)通過三個(gè)坐標(biāo)值來定義。邊界表示法強(qiáng)調(diào)實(shí)體外表的細(xì)節(jié)，詳細(xì)記錄了構(gòu)成物體的所有幾何信息和拓?fù)湫畔?，將面、邊、頂點(diǎn)的信息分層記錄，建立層與層之間的聯(lián)系。優(yōu)點(diǎn)：有較多的關(guān)于面、邊、點(diǎn)及其相互關(guān)系的信息。有利于生成和繪制線框圖、投影圖，有利于計(jì)算幾何特性，易于同二維繪圖軟件銜接和同曲面建模軟件相關(guān)聯(lián)。局限性：由于它的核心信息是面，因而對幾何物體的整體描述能力相對較差，無法提供關(guān)于實(shí)體生成過程的信息，也無法記錄組成幾何體的基本體素的元素的原始數(shù)據(jù)，同時(shí)描述物體所需信息量較多，邊界表達(dá)法的表達(dá)形式不唯一。簡述CSG表示法的基本原理和建模過程。構(gòu)造立體幾何法簡稱CSG法，是一種通過布爾運(yùn)算將簡單的基本體素拼合成復(fù)雜實(shí)體的描述方法。CSG法的優(yōu)點(diǎn)方法簡潔，生成速度快，處理方便，無冗余信息，而且能夠詳細(xì)地記錄構(gòu)成實(shí)體的原始