CADCAM及計算機輔助工藝過程設計

CAD/CAM及計算機輔助工藝過程設計

同濟大學中德學院

沈斌教授、博士

博士生導師

同濟大學RechnergestiitzteKonstruktionu.ArbeitsplanungProf.Dr.-IngBinShen

CDHKCAD/CAM

第一章創(chuàng)新與企業(yè)自主開發(fā)能力

第二章現(xiàn)代開發(fā)設計技術(shù)

第三章CAD/CAM的概述

第四章CAD/CAM硬件

第五章CAD/CAM軟件

第六章幾何造型的原理和方法

第七章Pro/E的特征造型

第八章計算機輔助工藝設計

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第一章創(chuàng)新與企業(yè)自主開發(fā)能力

1.1創(chuàng)新是企業(yè)興旺發(fā)達的根本條件

美籍奧地利經(jīng)濟學家熊彼特(J.A.Schumpter,1833-1950)認為，創(chuàng)

新是指“企業(yè)家對于生產(chǎn)要素的新組合”。他將創(chuàng)新分為以下五種形

式：

?引入新的產(chǎn)品或提供產(chǎn)品的新質(zhì)量；

?采用新的生產(chǎn)方法、新的工藝過程；

?開拓并利用新的原材料或半制成品的供給來源；

?開辟新的市場；

d添用里的緞然瑞氤tzteKonstruktionu.ArbeitsplanungIProf.Dr.-ingBinShen

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熊彼特所描述的五種創(chuàng)新，大致可歸納為三大類：

■技術(shù)創(chuàng)新，包括新產(chǎn)品的開發(fā)，老產(chǎn)品的改造，新生產(chǎn)方式的

采用，新供給來源的獲得，以及新原材料的利用；

■市場創(chuàng)新，包括擴大原有市場的份額及開拓新的市場；

?組織創(chuàng)新，包括變革原有組織形式及建立新的經(jīng)營組織［1］。

創(chuàng)新是一個民族進步的靈魂，是國家興旺發(fā)達的不竭動力。技

術(shù)創(chuàng)新是技術(shù)與經(jīng)濟有機結(jié)合、一體化發(fā)展的創(chuàng)造性活動過程，建

立以企業(yè)為主體的技術(shù)創(chuàng)新機制是建立社會主義市場經(jīng)濟體制的一

個重要目標，是發(fā)展、壯大我國民族工業(yè)并形成國際上有競爭力的

大企業(yè)、大集團的重要條件。加強企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新工作是轉(zhuǎn)變經(jīng)濟增

長方式、舉高國際競爭力的重要途徑。

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1.2自主開發(fā)能力是企業(yè)生存的源泉

自主研究開發(fā)同從國外引進技術(shù)在技術(shù)來源的獲取方式上不同。

?一種是一般廣泛應用的技術(shù)創(chuàng)新模式

?另一種重要的技術(shù)創(chuàng)新模式是指引進國外先進技術(shù)的消化、吸收

和二次創(chuàng)新，形成自己的知識產(chǎn)權(quán)。

自主開發(fā)能力是技術(shù)創(chuàng)新能力的重要組成部分。根據(jù)技術(shù)創(chuàng)新過

程，創(chuàng)新能力包括：

?決策能力

?技術(shù)獲取能力

■工程化能力

?生產(chǎn)能力

?平均開拓能力

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技術(shù)創(chuàng)新是企業(yè)的自主行為，是市場經(jīng)濟條件下的技

Y需,我舌國企業(yè)存在的一大差距是企業(yè)自主開發(fā)和消化吸收

能力薄弱，對近幾年開發(fā)成功的92種典型產(chǎn)品技術(shù)的來源分

析，57%源于國外，自主開發(fā)的科技成果形成產(chǎn)業(yè)較少?，F(xiàn)

有轎車品種全部來自國外，機械產(chǎn)品缺乏國際競爭力，工業(yè)

發(fā)達國家機電產(chǎn)品的名義競爭力（即出口額與進口額之比）一

般是1,例如，1991年日本為5.13,德國為1.45,而我國機械

行業(yè)還不到。5,產(chǎn)品競爭力不僅沒有加強的態(tài)勢，反而有

減弱的趨勢，如1993年機械產(chǎn)品進口額高達388億元，占全

國外貿(mào)進口總額的37%,進出口逆差達242億元。

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要改變這種格局，很重要的手段就是大力采取先進制

造技術(shù)，提高企業(yè)自主開發(fā)和消化吸收創(chuàng)新能力，增強企業(yè)

競爭力。先進制造技術(shù)是提高企業(yè)自主開發(fā)能力的手段，同

時它又是在自主開發(fā)和引進技術(shù)中發(fā)展。我國“九五”期間

機械工業(yè)的主要任務為“集中力量打好產(chǎn)品質(zhì)量翻身、組織

結(jié)構(gòu)優(yōu)化和開發(fā)能力提高"三大戰(zhàn)役?？梢娮灾鏖_發(fā)能力是

多么重要。新技術(shù)、新工藝、新材料、新組織管理等的開發(fā)

是當前先進制造技術(shù)的主要開發(fā)內(nèi)容。在強調(diào)自主開發(fā)的同

時，通過引進技術(shù)也是發(fā)展先進制造技術(shù)的一條捷徑，并可

以使得高起點發(fā)展，同時以此入門加強引進技術(shù)的消化吸收

和創(chuàng)新工作，最終形成自己的技術(shù)特色。

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1.3產(chǎn)品開發(fā)是企業(yè)經(jīng)營和生產(chǎn)首要任務

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第二章現(xiàn)代開發(fā)設計技術(shù)

2.1開發(fā)設計和現(xiàn)代開發(fā)設計

開發(fā)設計是把各種先進技術(shù)成果轉(zhuǎn)化成為生產(chǎn)力的一種手段和方

法，是將客觀需求轉(zhuǎn)化為滿足該需求的技術(shù)系統(tǒng)的活動?，F(xiàn)代開發(fā)設

計是指運用現(xiàn)代先進的科學技術(shù)原理和方法，對產(chǎn)品進行綜合集成設

計計算，是傳統(tǒng)設計的延伸和發(fā)展。目前，用于現(xiàn)代開發(fā)設計中的新

興理論與方法有；計算機輔助設計、人-機工程、設計方法學。系統(tǒng)分

析法、并行工程、工業(yè)造型、技術(shù)預測法、反求工程設計、智能工程、

優(yōu)化設計、信息分析法、工程遺傳算法、可靠性設計、相似性設計、

創(chuàng)造性設計、模糊評價與決策、三次設計、有限元法、模塊化設計、

人工神經(jīng)元計算方法、價值工程、動態(tài)設計、摩擦學設計、防腐設計、

可維護性設計、穩(wěn)健(Robust)設計等。

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2.2現(xiàn)代開發(fā)設計方法的特點

1）綜合性

2）系統(tǒng)性

3）社會性

4）創(chuàng)造性

5）最優(yōu)化

6）動態(tài)性

7）宜人化

8）智能化

___________9）J算機化

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2.3現(xiàn)代開發(fā)設計應遵循的原則

1）三面向原則：面向社會、面向市場、面向用戶

2）全壽命周期開發(fā)設計

3）廣泛性

2.4產(chǎn)品設計的步驟

1）產(chǎn)品規(guī)劃

2）原理方案設計

3）技術(shù)術(shù)設計

4）施工設計

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第三章CAD/CAM的概述

3.1CAD/CAM的發(fā)展概況

十九世紀的產(chǎn)業(yè)革命，大大地增強了人們的體力。21

世紀，隨著電子計算機的出現(xiàn)，人們的智力得到了增強，從

而產(chǎn)生了第二次產(chǎn)業(yè)革命。

在工程設計時，傳統(tǒng)上習慣于用工程圖紙傳遞信息。圖象傳遞信息是工程

設計的一個主要組成部分。

?20世紀50年代計算機輔助設計與繪圖誕生第一代平板式繪圖機在美國由奧地利

人H.JosphGerber研制成功后，人工繪圖開始了一個嶄新的革命，然而由于當時的

軟件都是靜態(tài)的，繪圖過程必須通過高級語言編程實現(xiàn)，繪圖過程又不能人工干預,

因而發(fā)展緩慢。

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?60年代交互式計算機繪圖系統(tǒng)美國麻省理工學院（MIT）展示了一種稱之為

“SKETCHPAD”的系統(tǒng)。該系統(tǒng)由林肯（Lincoln）TX2型計算機繪制的陰極射線

示波器組成，它可將圖形信息顯示在熒光屏上，利用一種稱為光筆的裝置，在熒光

屏上繪圖并修改?；赟KETCHPAD這種設計思想的一些系統(tǒng)所使用的方式，都稱

之為交互式繪圖（INTERACTIVEGRAPHICS）o由于這些系統(tǒng)很復雜，并且需要

依靠的計算機功能和資源價格昂貴，因此，只適合于像航空工業(yè)這樣重要的工業(yè)部

門使用。在這樣的部門用它進行設計，即使投資大，也是值得的。

?七十年代，CAD、CAM軟件系統(tǒng)小型機的問世，大大地降低了計算費用。采用大

規(guī)模集成技術(shù)（LSI）制造的微型計算機的出現(xiàn)，使計算機世界發(fā)生了革命。美國

各大公司開始競相研制交互式計算機輔助設計及繪圖軟件包，CAD開始真正進入實

用性階段。隨著數(shù)控機床的發(fā)展，CAM技術(shù)得到廣泛應用，CAM用來代替手工編

程，實現(xiàn)從設計到加工的數(shù)據(jù)一體化，在航空、航天、汽車、船舶等領域，CAM技

術(shù)已經(jīng)成為精密、大型零件加工中所不可缺少的了。從某種意義上看，CAM比CAD

更能直接地產(chǎn)生經(jīng)濟效益，因而倍受用戶歡迎。在此期間，以CV、Intergraph>

Applicon>Calma等公司為代表形成了CAD/CAM產(chǎn)業(yè)。

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?80年代CAD/CAM集成系統(tǒng)32位工程工作站的興起、高檔微機的實用化及網(wǎng)絡技

術(shù)的發(fā)展，形成了分布式CAD工作站系統(tǒng)，如Apollo、Sun、HP等。它打破惡劣過

去主機——終端式CAD系統(tǒng)的統(tǒng)治地位，從根本上改變了CAD市場的格局。隨著

RISC、UNIX、ETHERNET為支柱的計算機工業(yè)的進一步發(fā)展，應用計算機先進最

多、最快、更新最頻繁的CAD工作站，其性能越來越好，價格越來越低。它們強化

的圖形功能及軟件的進一步集成，使CAD/CAM的技術(shù)和應用都在向廣度、深度和

綜合化方面迅速推進，并取得了重大進展。

?90年代CIM/CIMS隨著CAD/CAM技術(shù)的日新月異，必然會對產(chǎn)品設計、制造、

銷售等全部信息的產(chǎn)生、傳輸和管理自動化提出更高的要求，從而不可避免地導致

計算機集成制造（CIM）的產(chǎn)生。CIM是一種新的制造思想和技術(shù)型態(tài)。它既是未

來工廠的模式，也是信息技術(shù)與制造過程高度結(jié)合的自動化技術(shù)和學科。在制造業(yè)

中，CAD日益與CAM密切結(jié)合，為生產(chǎn)帶來顯著的經(jīng)濟效益，成為CIMS（計算機

集成制造系統(tǒng)）的一個重要組成部分。可以毫不夸張地說，CAD/CAM技術(shù)已經(jīng)在

工業(yè)生產(chǎn)和設計中引起了一場革命性的變革。

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?80年代CAD/CAM集成系統(tǒng)32位工程工作站的興起、高檔微機的實用化及網(wǎng)絡技

術(shù)的發(fā)展，形成了分布式CAD工作站系統(tǒng)，如Apollo、Sun、HP等。它打破惡劣過

去主機——終端式CAD系統(tǒng)的統(tǒng)治地位，從根本上改變了CAD市場的格局。隨著

RISC、UNIX、ETHERNET為支柱的計算機工業(yè)的進一步發(fā)展，應用計算機先進最

多、最快、更新最頻繁的CAD工作站，其性能越來越好，價格越來越低。它們強化

的圖形功能及軟件的進一步集成，使CAD/CAM的技術(shù)和應用都在向廣度、深度和

綜合化方面迅速推進，并取得了重大進展。

?90年代CIM/CIMS隨著CAD/CAM技術(shù)的日新月異，必然會對產(chǎn)品設計、制造、

銷售等全部信息的產(chǎn)生、傳輸和管理自動化提出更高的要求，從而不可避免地導致

計算機集成制造（CIM）的產(chǎn)生。CIM是一種新的制造思想和技術(shù)型態(tài)。它既是未

來工廠的模式，也是信息技術(shù)與制造過程高度結(jié)合的自動化技術(shù)和學科。在制造業(yè)

中，CAD日益與CAM密切結(jié)合，為生產(chǎn)帶來顯著的經(jīng)濟效益，成為CIMS（計算機

集成制造系統(tǒng)）的一個重要組成部分?？梢院敛豢鋸埖卣f，CAD/CAM技術(shù)已經(jīng)在

工業(yè)生產(chǎn)和設計中引起了一場革命性的變革。

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3.2CAD/CAM的定義

?CAD/CAM指的是計算機輔助設計與輔助制造。它是在設計和生產(chǎn)中用計算機完成

某些功能的一種技術(shù)，也就是從設計到制造的整個過程應用計算機進行有關信息處

理技術(shù)的總稱。這種技術(shù)使生產(chǎn)廠在習慣上是各自獨立的設計和制造部門的工作進

一步相結(jié)合，最終CAD/CAM又將為今后計算機集成化工廠提供技術(shù)基礎。

?CAD可定義為用計算機系統(tǒng)來輔助一個設計工作的產(chǎn)生、修改、分析或優(yōu)化，它是

一種人機機器合作，解決問題的技術(shù)。這一技術(shù)密切配合和充分發(fā)揮了人和機器各

自的長處，并且采用了多學科的方法，發(fā)揮了它們相互協(xié)作的優(yōu)點。確切地講，

CAD是計算機技術(shù)在工程設計方面的綜合應用技術(shù)。它將產(chǎn)品工程設計所需要的基

礎技術(shù)、設計理論、方法、數(shù)據(jù)，以及設計人員的經(jīng)驗與智慧同計算機強大的功能

有機地結(jié)合起來。設計者利用它，從人——機交互式高速度、高質(zhì)量地完成產(chǎn)品的

最佳方案設計。

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?CAM可定義為通過對生產(chǎn)資源的直接或間接的計算機接口聯(lián)系，來達到用計算機

系統(tǒng)對制造廠的作業(yè)進行設計、管理和控制。它是產(chǎn)品制造和管理方面的綜合應用

技術(shù)，它將產(chǎn)品在制造過程中所需的各項技術(shù)、管理思想、管理方法，以及工程技

術(shù)人員、管理人員的經(jīng)驗與智慧同計算機的強大功能有機地結(jié)合起來。有了CAM技

術(shù)，管理人員和工程技術(shù)人員就可以借助計算機實現(xiàn)產(chǎn)品制造及最佳管理方案。按

定義CAM的用途可分成兩大類：

1）計算機監(jiān)視和控制

這是直接應用的一種類型，它是將計算機與制造過程直接連接，以便對過程進行監(jiān)

視和控制。

計算機過程監(jiān)視包括計算機和制造過程的直接連接，用來觀察加工過程及其關聯(lián)設

備和收集加工過程中的數(shù)據(jù)。計算機不是直接用于控制作業(yè)，加工過程仍然由操作

人員按計算機編譯信息來手工控制。

計算機過程控制它不僅能觀察過程，而且能在觀察的基礎上進行控制。監(jiān)視和控制

之間的區(qū)別如圖3.1所示。

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“依,口?加工過程數(shù)據(jù)百十一工口||4工士n科工過程數(shù)據(jù)1方TT工口I

計算機------------加工過程計算機_____________加工過程

控制信號

a）計算機監(jiān)視b）計算機控制

圖3.1計算機監(jiān)視與控制

2.支持制造的應用

這是間接應用的一種類型，這是計算機用于支持工廠中的生產(chǎn)過程。但是計算機

與制造過程之間沒有直接連接，而是以“脫機”（off-Line）方式來提供設計、計劃

表、預測、指令和信息，使企業(yè)的生產(chǎn)資源的管理更為有效。計算機和加工過程之

間的聯(lián)系形式如圖3.2所示，虛線表示通訊和控制的連接是一種“脫機”的聯(lián)系，這

種通訊和控制的接口連接作用常常由操作員來完成的。

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2.支持制造的應用

這是間接應用的一種類型，這是計算機用于支持工廠中的生產(chǎn)過程。但是計算機上

制造過程之間沒有直接連接，而是以“脫機”（off-Line）方式來提供設計、計劃表、

預測、指令和信息，使企業(yè)的生產(chǎn)資源的管理更為有效。計算機和加工過程之間的用

系形式如圖3.2所示，虛線表示通訊和控制的連接是一種“脫機”的聯(lián)系，這種通訊禾I

控制的接口連接作用常常由操作員來完成的。

加工過程數(shù)據(jù)

|計算機|’1加工作業(yè)

插而言號

b）計算機控制

圖3.2用于支持制造的CAM

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用于支持制造的CAM的一些實例，它們是：

計算機數(shù)控零件編程為自動化機床配置控制程序。

計算機自動工藝過程設計計算機制定加工專用產(chǎn)品或零件的操作順序表。

計算機制定工作規(guī)范計算機確定專用生產(chǎn)作業(yè)的時間定額。

生產(chǎn)進度表計算機確定符合生產(chǎn)需要的合理計劃。

材料供應計劃計算機用于確定何時訂購原材料、購買零件和應訂購多少才能達

到生產(chǎn)進度。

車間現(xiàn)場控制在CAM的這個用途中，是利用從工廠中收集的一些數(shù)據(jù)來確定各種

生產(chǎn)作業(yè)順序的進度。

上述例子，在使用中要為計算機程序提供輸入，或要解釋計算機輸出結(jié)果和執(zhí)行所

要求的動作，這些工作均由人工方式進行。

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把CAD和CAM技術(shù)及其相輔相成的能力結(jié)合在一起，就是CAD/CAM系統(tǒng)。在一個集成

系統(tǒng)理想模式中(如圖3.3),所有的CAD/CAM功能都跟一個公用的數(shù)據(jù)庫連接。用

戶利用圖像終端與計算機對話，實用存儲在公用數(shù)據(jù)庫里的信息，實現(xiàn)從產(chǎn)品設計、

過程控制、直到獲得產(chǎn)品的全過程自動化。如果集成系統(tǒng)中包括了企業(yè)管理信息系

統(tǒng)，就將形成自動化工廠系統(tǒng)。

幾何造型工具設計

數(shù)控

自動繪圖

數(shù)據(jù)庫生產(chǎn)計劃

設計分析

(DB)工廠管理

模擬仿真機器人

圖3.3集成系統(tǒng)的理想模式

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3.3CAD/CAM的應用與效益

CAD和CAM是圍繞著產(chǎn)品的設計和制造兩大部分獨立發(fā)展起來的。計算機技術(shù)的

飛速發(fā)展，迅速擴展著它們的應用領域。起初人們把CAD只看作是自動繪圖，CAM

也只是準備數(shù)控紙帶；到了今天，CAD/CAM已有了明確的功能范圍。普遍認為，

CAD功能可歸納為四大類：建立幾何模型、工程分析、動態(tài)模擬和自動繪圖；CAM

技術(shù)的主要活動集中在數(shù)字化控制、過程計劃、機器人和工廠管理四個領域。對于

機電類產(chǎn)品，它們的應用范圍如圖3.4所示。

圖3.3集成系統(tǒng)的理想模式

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圖3.4產(chǎn)品循環(huán)（設計和制造）

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圖3.5CAD-CAM兩者合并后的產(chǎn)品循環(huán)

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應用集成化的CAD/CAM系統(tǒng)與非集成化的系統(tǒng)相比，前者可大幅度

降低成本。初步估計，裝配成本降低44%,維護成本降低30%,采購

成本降低35%,總產(chǎn)量提高70%。集成應用的效益如表3—1所示

項目增益

降低工程設計造價15?30%

縮短生產(chǎn)周期30?60%

提高勞動生產(chǎn)率40?70%

減少工序中的工作量30?60%

增加工程能力3?3.5倍

增加主要設備的利用率2?3倍

提高產(chǎn)品質(zhì)量2?5倍

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下面簡要說明CAD/CAM技術(shù)在各工業(yè)部門中的應用情況

?在機械工業(yè)方面的應用

一當今CAD/CAM技術(shù)已成為現(xiàn)代機械工程技術(shù)、新一代生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展的核心技術(shù)，也是實現(xiàn)更

深層的集成化制造技術(shù)的基礎。

機械工業(yè)作為CAD/CAM的主要應用領域，其主要特點是設計和制造密切聯(lián)系，生產(chǎn)出精密復雜

的產(chǎn)品，創(chuàng)造出比傳統(tǒng)人工方式更為可觀的綜合效益，顯著縮短周期，提高質(zhì)量和靈活性，

降低生產(chǎn)成本。

機械制造業(yè)應用CAD/CAM系統(tǒng)的范圍包括機電產(chǎn)品的設計和制造、工程設計、工廠施工設計等,

其中產(chǎn)品設計和制造領域應用CAD/CAM技術(shù)最為廣泛。

美國、英國、日本等工業(yè)發(fā)達國家早在70年代起就在汽車行業(yè)使用CAD/CAM系統(tǒng)。如英國

AustinRover汽車公司的Longbridge工廠采用CADDS系統(tǒng)對汽車發(fā)動機和部件進行CAD、CAPP、

工程分析、CAM和計算機仿真等方面的研究和應用工作。

隨著我國改革開放政策的實施和計算機的廣泛使用，CAD/CAM技術(shù)在機床工具、汽車、造船、

航空、通用機械等制造領域的重點企業(yè)已經(jīng)得到了初步應用，取得了明顯的效益。

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?1.機床工具行業(yè)

不少企業(yè)都利用微機系統(tǒng)進行產(chǎn)品設計、強度和有限元計算等。有些企業(yè)在采用成組技術(shù)(GT)

的基礎上，開發(fā)了計算機輔助工藝設計系統(tǒng)(CAPP)o如已開發(fā)出的TOJICAP系統(tǒng)，適用

于回轉(zhuǎn)體零件的工藝規(guī)程編制。

?2.汽車行業(yè)

我國汽車工業(yè)從80年代初就開始應用有限元分析的方法進行汽車設計，應用SAP-5程序做發(fā)動

機曲軸靜強度計算，機油濾清器殼應力計算，動力傳動系統(tǒng)扭振系數(shù)和車輪應力計算。

研制出計算機輔助車身外表面交互設計系統(tǒng)(SUMS/SAM),提高工效20倍。該系統(tǒng)包括

數(shù)據(jù)處理、幾何造型、人機造型、人機交互和繪制L1車身表面圖形的全面功能，并可

為NC加工和有限元分析提供幾何模型數(shù)據(jù)。

?3.航空、造船行業(yè)

造船工業(yè)中最先在艦艇、武器裝備的研究計算、船體的設計與制造方面應用了CAD/CAM技術(shù)。

現(xiàn)在已成功的開發(fā)出計算機輔助船體制造系統(tǒng)、船舶管系CAD/CAM系統(tǒng)。

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在航空工業(yè)方面，工程技術(shù)人員在飛機的CAD/CAM方面作了大量工作，基本適應了飛機制

造零件部件種類繁多、加工精度高、改型快、投資大、可靠性要求高的特點。它們研制

了SKC數(shù)控語言，飛龍79繪圖程序，計算機輔助幾何設計與制造系統(tǒng)（CAGD/CAM系統(tǒng)）等,

開發(fā)出飛機CAD/CAM系統(tǒng)。該系統(tǒng)按照超音速軍用飛機設計流程，開發(fā)出飛機總體設計、

幾何外形設計、汽車分析、結(jié)構(gòu)設計和分析、數(shù)控加工編程、生產(chǎn)作業(yè)計劃等分系統(tǒng)。

與國外合作開發(fā)了交互式集成化系統(tǒng)（CLEM-CADEMAS系統(tǒng)），包括工程分析（CAE）、幾

何設計（CAD）、輔助制造（CAM）、工程管理（CAPR）、后勤支持（CAPS）以及系統(tǒng)結(jié)

構(gòu)等模塊。

?4.通用機械行業(yè)

在通用機械行業(yè)中，研制出了計算機繪制工程圖軟件包；開發(fā)了數(shù)百種零件的數(shù)控加工與后

處理程序；自行開發(fā)了“三元葉輪CAD/CAM一體化”應用軟件，成功的解決了三維空間扭

曲葉片展開和胎具制造的難題?？梢愿鶕?jù)輸入的設計參數(shù)，進行設計選型、氣動分析、

強度分析、有限元網(wǎng)絡自動劃分、自動生成性能曲線和圖表文件、自動生成源扭曲葉片

壓型胎具的NC紙帶，以及刀具軌跡仿真驗證程序。利用NC紙帶加工葉片壓型胎具，可提

高工效15倍。

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模具CAD/CAM

模具的設計和加工水平直接關系到產(chǎn)品的質(zhì)量與更新?lián)Q代。隨著工業(yè)的發(fā)展，人們越來越關

注如何能縮短模具設計與加工的生產(chǎn)周期及提高模具加工精度。一些先進工業(yè)國家首先

應用計算機來進行成行工藝與模具的設計計算、繪制模具圖紙并由用計算機控制的加工

設備來加工模具，從而出現(xiàn)了模具CAD/CAM系統(tǒng)，達到了提高模具設計效率與加工質(zhì)量、

縮短了模具生產(chǎn)周期的目的。

國外模具CAD/CAM技術(shù)的研究從60年代中開始，70年代投入使用，80年代應用較為普遍并有商

品軟件出售。據(jù)有關方面統(tǒng)計，美國、日本、德國、瑞士等國已有10%左右的模具廠使

用CAD/CAM系統(tǒng)。

?1.冷沖模CAD/CAM

美國Diecomp公司開發(fā)出了計算機輔助設計級進模的PDDC系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括產(chǎn)品圖及技術(shù)要求

輸入一一設計最佳樣圖一一確定操作順序、步距、空位、總工位數(shù)、繪制帶料排樣圖

——輸出模具裝配圖、零件圖以及壓床噸位、材料清單、數(shù)控線切割紙帶等。該系統(tǒng)的

投入使用，使連續(xù)設計由手工設計的8周時間縮短為1周。

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?2.注塑模CAD/CAM

隨著計算機技術(shù)的迅速發(fā)展，注塑模CAD/CAM的研究逐漸成為熱門課題。加拿大Mcgill大學化

學工程系從1972年開始對注塑成形工藝的計算機模擬、工程控制和塑料性能試驗等方面

開始了系統(tǒng)的研究。他們系統(tǒng)的研究了塑料在型腔內(nèi)流動、保壓、冷卻的行為和特征。

建立了各個階段的數(shù)學模型，在此基礎上，建立注塑工藝過程計算機模擬的集成化系統(tǒng)

MCKAMo美國Cornell大學對注塑模CAE/CAD/CAM進行了深入的研究，先后建立了注塑過程

的流動、保壓冷卻的一維、二維、三維數(shù)學模型，開發(fā)了塑料熔體流變形能和熱性能的

試驗研究，創(chuàng)立了流到平衡計算的數(shù)學模型，完善了三維造型TIPS,成功的實現(xiàn)了注塑

模型腔的三軸、五軸NC加工的計算機仿真，其目標是全系統(tǒng)最優(yōu)控制，從模具結(jié)構(gòu)、工

藝模擬到注塑機生產(chǎn)過程控制實現(xiàn)一體化與智能化。

?3.鍛模CAD/CAM

美國貝特爾、哥倫布實驗室已研制成功鋁制件鍛模CAD/CAM系統(tǒng)，精鍛模CAD系統(tǒng)，成形模和

模擬成形工序的CAE系統(tǒng)。日本大坂鋼鐵廠于1980年開發(fā)了熱鍛模CAD/CAM系統(tǒng)，它可以

用于頂鎖和壓力機模鍛等，可以進行模鍛件制坯、預成形和終端模膛的設計、切邊模和

精整模設計等；具有三維數(shù)控加工軟件，可以加工復雜形狀的模膛。

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?英國牛津大學和伯明漢大學先后開發(fā)了冷鍛模CAD/CAM系統(tǒng)和軸對稱鍛模CAD系統(tǒng)。冷鍛

模CAD/CAM系統(tǒng)采用FORTRANVI語言編寫，在VAX11-780機上開發(fā)，采用體素構(gòu)形來描述

冷鍛件的幾何形狀，同時列出鍛壓機器的詳細參數(shù)后便能自動決定冷鍛工步和每一工步

工件的形狀尺寸。

國內(nèi)模具CAD/CAM應用技術(shù)的研究始于80年代。由華中理工大學與國營733廠共同開發(fā)的我國

第一模具CAD/CAM系統(tǒng)于1984年通過技術(shù)鑒定。此后又相繼開發(fā)成功沖裁模CAD/CAM系統(tǒng),

彎曲成行級進模CAD/CAM系統(tǒng)，注塑模CAD/CAM系統(tǒng)。華中理工大學開發(fā)的彩電外殼注塑

模CAD/CAM系統(tǒng)包括圖形輸入、冷卻分析、流動模擬、模具結(jié)構(gòu)設計、繪圖、數(shù)控編程等

模塊。

天津712廠的注塑模CAD/CAM工作是在Apollo工作站上進行研制的，系統(tǒng)主要功能有：塑料流

體分析、冷卻系統(tǒng)分析、模具結(jié)構(gòu)設計、數(shù)控加工編程、注塑模具加工制造等，盡管CAD

和CAM是分段進行工作的，但該工廠已將該系統(tǒng)成功的用于彩電外殼的設計和制造。

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?在電子工業(yè)中的應用

印1.制電路板設計

在電子工業(yè)中，CAD技術(shù)首先用于印制電路板設計，包括：

?原理圖獲取及分析；

?門陣列電路設計；

?雙面、多層印制電路板設計；

?故障模擬器、電路模擬器。

CAD系統(tǒng)中的中央數(shù)據(jù)庫向設計者提供可支持全部設計活動的應用程序，同時還提供諸多省時

又不易出錯的有效功能。

2.集成電路設計

由于IC技術(shù)的迅速發(fā)展，LSI、VLSI以及各類復雜的專用集成電路(ASIC)等器件的研制水平

早已超出了完全由人工方式設計的極限。預計，當單一芯片的功能更加完善、芯片集成

____度達到10個元件時，手T設計一個芯片將耗時數(shù)萬個人年，有些甚至不能實現(xiàn)。______

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為了適應集成電路設計和制造的要求，CAD/CAM技術(shù)很早就應用于其中。

用CAD技術(shù)進行集成電路設計的主要環(huán)節(jié)有：邏輯設計、輸入、邏輯驗證、時間檢查、可測性

分析、邏輯模擬、工藝模擬、布局分析、自動布線、測試碼生成和掩模板幾何數(shù)據(jù)得出

等幾百個。

在建筑工程方面的應用

CAD技術(shù)在建筑行業(yè)中已用來進行房屋設計和建造分析、技術(shù)條件論證、材料清單編造、門窗

鑲嵌進度于材料控制、建筑面積計算、室內(nèi)設計與裝飾、用電與照明布置、設計與分析

供暖和通風設施、氣流與熱交換以及所需要能源的確定和分析等工作.在土木工程方面，

可處理關于土地開發(fā)利用的勘測、繪圖與地層模型及斷面的分析、道路街道的設計、場

地的規(guī)劃等。

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在服裝行業(yè)中的應用

CAD技術(shù)在服裝行業(yè)中用于提高衣料利用率和生產(chǎn)率以及改善質(zhì)量管理。主要應用有三個方面:

服裝款式設計、排料和放樣、衣料切割。

服裝款式設計、配色軟件系統(tǒng)可以靈活、迅速地幫助設計師進行服裝設計，使用戶在內(nèi)容極

其豐富的顏色板上選擇顏色，能快速繪制、修改設計圖。還可以配以電視攝像系統(tǒng)，使

用戶能拍攝特殊的織物圖案、、選配顏色，并將其直接用于顯示在屏幕上的設計草圖。

排料和放樣軟件系統(tǒng)可通過數(shù)字化儀，將精確的紙樣輸入CAD/CAM系統(tǒng)，然后顯示出緊湊的排

料圖，繪圖儀可畫出一定比例的生產(chǎn)排料圖供校對、生產(chǎn)和存檔。計算機輔助排料和放

樣系統(tǒng)能使排料人員嘗試更多的排料方案，從中選出效率最高的排料圖，以便更好的利

用布料。新款式的紙樣在這一系統(tǒng)的幫助下還能節(jié)省工作時間。這種系統(tǒng)能確保放樣的

一致性，以保證適當?shù)姆?。放樣?guī)則庫存存儲著各種放樣規(guī)則，以便用到紙樣上，因

此可減少人為的錯誤，從而可減少漏排或錯誤旋轉(zhuǎn)紙樣。

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第四章CAD/CAM硬件

一個完整的CAD/CAM系統(tǒng)應由計算機系統(tǒng)、工作站、繪圖機等計算機硬件，

數(shù)控機床、數(shù)控測量機等制造和檢測設備，各種CAD/CAM軟件系統(tǒng)組成。典型的

CAD/CAM系統(tǒng)的工作流程如圖4.1所示。

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4.1計算機的基本系統(tǒng)配置

(1)中心主機系統(tǒng)通常由大型或中型計算機連接多個圖形顯示終端構(gòu)

成。見圖2.2。

(2)多主機系統(tǒng)它由幾個小型機組成，每個小型機上帶有幾臺圖形終

端，小型機間用局部網(wǎng)絡系統(tǒng)相連。見圖2.3。

(3)分布式系統(tǒng)它由很多工作站組成。每個工作站都有配套的計算機

和圖形顯示終端。工作站間通過局部區(qū)域網(wǎng)連成一集成系統(tǒng)。其計算

機可為小型機，如Prime2250,也可為32位微型機，如APOLLO,SUN。

見圖2.4。

(4)單機系統(tǒng)它由一臺計算機帶一臺圖形顯示終端構(gòu)成。其計算機既可

為小型機，也可為微型機。

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以上各種計算機系統(tǒng)配置各有優(yōu)缺點，具體分析如下：

(1)中心機系統(tǒng)的優(yōu)缺點

中心機系統(tǒng)的主要優(yōu)點是：

①適合于處理3D模型或有限元分析；

②在初始投資后，增加另外的工作站其費用較少；

③環(huán)境要求容易滿足，只有主機和外設需空調(diào)。

其主要缺點是：

①CAD/CAM用戶的處理任務比較繁重，例如一個雙位的小型機可支持30?40個事物

處理終端，而相同的計算機在可接受的響應時間內(nèi)只能支持6個CAD/CAM工作站。

因此，對于中心機系統(tǒng)來說，在可接受的響應時間內(nèi)平衡各工作站的處理時間是非

常困難的；

②一旦計算機出現(xiàn)故障或進行軟件維護，只能停止全部工作；

③初始投資大。

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(2)多主機系統(tǒng)的優(yōu)缺點

多主機系統(tǒng)的主要優(yōu)點是：

①每一主機一般支持四個工作站，所以它是具有中心機系統(tǒng)的大部分優(yōu)點。所不同

的是所有主機可通過局部網(wǎng)相連，可建立更大的系統(tǒng)；

②當某一主機進行程序維護或出現(xiàn)故障時，不會停止整個系統(tǒng)的工作，只有這一臺

主機受影響；

③具有繁重任務的用戶可從限制在某一特定主機上。這樣，系統(tǒng)中其它用戶的響應

時間不受限制；

④初始投資比中心機系統(tǒng)小。

其主要缺點是：

①價格比較高；

②運行環(huán)境要求比較高。

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(3)分布式系統(tǒng)

分布式系統(tǒng)的主要優(yōu)點是：

①由于每臺計算機只有一個用戶，這種類型的工作站對于CAD/CAM有關的任務豆油足夠的處理能力，包括3D模型及有

限元分析；

②多臺工作站可以連成局部區(qū)域網(wǎng)LAN,而LAN又可彼此相連構(gòu)成更大的網(wǎng)。網(wǎng)絡上的用戶可以共享公共圖紙工程數(shù)據(jù)

文件、外部設備。另外，如果網(wǎng)絡使用標準通信協(xié)議，還可以與超級小型機或大型機相連，構(gòu)成功能更強的CAD/CAM

系統(tǒng)；

③各工作站的響應時間互相不受影響；

④操作簡單；

⑤如果一個工作站出故障，只有一個工程師(操作員)受影響。這是任何其它配置系統(tǒng)不可比擬的。即使是在用網(wǎng)絡連

到大計算機的情況下，當大計算機出現(xiàn)故障時，在故障排除前，每個用戶的工作仍可在自己的工作站上繼續(xù)進行，并可

將其結(jié)果保存在工作站計算機的局部存儲器中。

⑥容易增加新型的比較先進的工作站，只要新工作站與使用的網(wǎng)絡兼容即可\這樣可以使系統(tǒng)隨著計算機技術(shù)的發(fā)展而

功能日益完善和增強；

⑦由于有專用微型機處理所有圖形顯示功能，與其它配置相比，圖形顯示速度是比較快的；

⑧這寫工作站允許在圖顯示屏幕上運行多任務，即一個用戶可以定義一系列獨立窗口，而且可以在每一窗口運行不同的

程序或任務。例如，在圖紙設計階段，工程師可以在屏幕上定義一個窗口并用它去運行某一專門的設計程序；在編程期

間，可以定義一個窗口去運行一切削速度計算程序。

分布式系統(tǒng)的缺點很少，特別是隨著計算機技術(shù)的發(fā)展大部分缺點將被消除。由此可見，分布式系統(tǒng)是未來CAD/CAM

系統(tǒng)的一■個重要發(fā)展方向。

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(4)單機系統(tǒng)一般由微機所組成，它分為由超級微機和一般微機系統(tǒng)，從超級微機組

成的工作站系統(tǒng)一般具有與超級小型機相匹配的處理速度。這樣的工作站系統(tǒng)，初

期投資少，并具有良好的可擴充性，因此，見效快。經(jīng)濟效益高，深得中小企業(yè)重

視。不久將成為中小企業(yè)發(fā)展CAD的主流。

PC/CAD系統(tǒng)由于價格低廉，配置簡便，功率顯著，對中小企業(yè)應用CAD/CAM技術(shù)非常

適宜，于是迅速普及，為微機PC/CAD系統(tǒng)提供了一個龐大的市場。

PC/CAD系統(tǒng)通常是一類單用戶的微機基本系統(tǒng)(如IBMPC/AT.國產(chǎn)長城系列機等)，

帶有高分辨率的彩色顯示器和40?80MB的硬盤，并配有數(shù)字化儀和繪圖機等，一般

有2D圖形軟件支持，能使用高級語言，并具備某些應用軟件和一些商品化軟件。

系統(tǒng)的主要特點是響應快、價格低、配置方便、性能不斷提高，對于小型產(chǎn)品的設

計、分析具有一定的通用性。

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4.2CAD/CAM的外圍設備

中央處理單元(CPU)和主存儲器(MM)構(gòu)成計算機的主體，稱為主機。主機以外的

大部分硬件都稱為外圍設備，簡稱外設。它包括常用的輸入輸出設備、外存儲器等。

圖4.5是各種CAD/CAM系統(tǒng)的I/O設備示意圖。

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輸入

COM

功修細立（計不況縮放品出膠片）

用心輸入板圖形打印機

他宇化儀

版標器

圖4.5CAD/CAM系統(tǒng)的I/O設備示意圖。

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第五章CAD/CAM軟件

5.1概述

任何計算機硬件若離開了軟件的支持，單靠硬件本身是無法工作的。一般用“軟件

”(Software)這個術(shù)語來概括所有的計算機上運行以完成各種作業(yè)的程序。它是

使計算機進行工作的信息的邏輯組織。軟件常采用指令形式和數(shù)據(jù)形式。指令(

Instruction)是用來指示計算機進行某種算術(shù)運算或邏輯運算等。數(shù)據(jù)是計算機所

要處理的對象，由數(shù)字、字符及符號等所構(gòu)成。

CAD/CAM系統(tǒng)的開發(fā)于應用有賴于各種軟件的支持，這些軟件包括操作系統(tǒng)、圖形

系統(tǒng)、應用軟件、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)、網(wǎng)絡軟件及各種高級語言編譯程序等。從應用

角度出發(fā)，CAD/CAM軟件由以下四個部分組成：

1)操作系統(tǒng)；

2)交互式圖形顯示軟件，簡稱圖形系統(tǒng)；

3)應用軟件；

4)數(shù)據(jù)庫管理軟件；

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圖4-6人機交互式CAD-CAM系統(tǒng)

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操作系統(tǒng)CAD/CAM系統(tǒng)的最低層，它為用戶提供

使用圖形系統(tǒng)、應用系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（DBMS）

的軟件環(huán)境。圖形系統(tǒng)提供一些基本的圖形功能，

用戶可以在其基礎上建立應用系統(tǒng)。為了組織與管

理CAD/CAM系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)，采用數(shù)據(jù)庫DB,實現(xiàn)數(shù)據(jù)

共享、最小冗余、對應用的獨立性以及集中統(tǒng)一的

處理方式，特別是DBMS為設計對象的分析和構(gòu)形提

供必要的自動化數(shù)據(jù)管理工具，減輕應用程序的負

擔。

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5.2操作系統(tǒng)

操作上統(tǒng)可以定義成一個程序，它把計算機的硬

件組織成一個協(xié)調(diào)一致的實體，以便盡可能容易地

發(fā)揮計算機的卓越功能和最大限度地利用計算機的

各種資源。實際上，操作系統(tǒng)作為用戶和計算機之

間的一個接口。因而操作系統(tǒng)也稱為系統(tǒng)程序。

從功能方面來看，操作系統(tǒng)可分為控制程序、語

言處理程序和支持程序三個部分。如圖6-2所示。

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圖6-2操作系統(tǒng)的構(gòu)成

1-編譯程序2-匯編程序

3-存儲管理4-時間管理

5-裝入程序6-編輯程序

7-實用程序8-調(diào)試工具

9-應用程序

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5.3圖形系統(tǒng)

產(chǎn)品設計通常要解決兩個問題，一是建立產(chǎn)品的幾何模型，確立

產(chǎn)品的形狀、大小，并產(chǎn)生制造用的工程圖；二是要在幾何模型基礎

上進行分析、計算。采用評價一一設計的方法將形狀、尺寸確定下來

o可見，計算機圖形系統(tǒng)是CAD/CAM技術(shù)的核心，也是CAD/CAM系

統(tǒng)的支撐軟件。

圖形軟件的功能主要是提供繪圖功能。因而各種不同的應用領域

都可以利用圖形軟件來輔助解決其設計和研究任務。用計算機實現(xiàn)產(chǎn)

品幾何造型技術(shù)，隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，處理方式從批處理進入了

高互處理方式，其功能從二維造型發(fā)展到了三維實體造型。

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二維圖形軟件的主要目標是要繪制傳統(tǒng)的工程圖(例如零件圖)，

它是實現(xiàn)產(chǎn)品CAD的最重要的基礎。目前二維圖形系統(tǒng)從交互式為主

,其功能大致相似，都具有繪制各種圖形實體，進行圖形變換，賦予

圖形以特定屬性，編輯已有圖形，提供字符及尺寸標注等功能。

三維圖形軟件可分為線架(wireframe),表面(surface)及實體(

solid)模型造型三大類，在計算機內(nèi)存儲空間的比例依次為1：10：

100,它們當前市場上占的比例依次為5：3：2o實體模型是一種高級

造型技術(shù)，70年代后期已從實驗室走向?qū)嵱茫霈F(xiàn)了各種商品化的軟

件系統(tǒng)。它特別適合研究復雜機構(gòu)的干涉和碰撞的檢查、物體質(zhì)量特

性的計算，以及要求物體非常逼真的顯示等情況。因此它將逐漸成為

CAD/CAM系統(tǒng)中主要的幾何造型手段。

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80年代，特別是80年代后期，動態(tài)三維顯示技術(shù)開始從實驗室走向

工廠，變?yōu)楫a(chǎn)品。在模擬物體運動時，動態(tài)三維顯示不僅能模擬剛體

的運動，還可以模擬物體的彈性、塑性變形、阻尼的影響和爆炸過程

等。實用動態(tài)或靜態(tài)的三維顯示功能，設計者在設計階段就能看到設

計對象的真實外形，從而節(jié)約了費時費工的模型和樣機制作。

近年來，國內(nèi)外正在對產(chǎn)品模型或特征模型(product/feature

modeling)進行深入研究。它是一種基于零件特征的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，是一

種基于零件機械特征的新型造型技術(shù)，又稱形素造型。用它進行產(chǎn)品

造型設計時，在構(gòu)形設計時就能考慮后繼加工制造的要求，從而實現(xiàn)

CAD/CAM的一體化，并為實現(xiàn)CIMS創(chuàng)造更好的基礎。

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標準圖形系統(tǒng)

隨著硬件的飛速發(fā)展，向交互式圖形系統(tǒng)的設計提出了嚴峻的挑

戰(zhàn)；也增加了用戶選擇硬件的憂慮，從而促進了圖形軟件標準的發(fā)展

O所謂圖形標準，是一組由基本圖素（點、線、面）和屬性（線型、

顏色等）構(gòu)成的標準通用圖形系統(tǒng)。它們從子程序的形式支持圖形應

用系統(tǒng)，調(diào)用這些標準子程序，即可生成圖形或圖像，通過交互顯示

設備實現(xiàn)圖形的輸入、輸出。

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圖形標準應具有如下特點：

①應用軟件與設備無關。即在圖形標準支持下的應用軟件可在不同

的硬件設備、匯編程序和外部設備之間交叉移植，避免因硬件變更而

過早淘汰。

②可以高效地開發(fā)應用軟件，也就是在應用軟件開發(fā)過程中，開發(fā)

者不必為每個圖形操作編寫新代碼，具有使用標準圖形軟件經(jīng)驗的編

程員就能更快地進行開發(fā)。

③圖形標準規(guī)定了各圖形系統(tǒng)之間接口的設計原則和兼容標準，可

以保證按圖形標準開發(fā)的系統(tǒng)與設備無關，便于移植。

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根據(jù)它們的功能，現(xiàn)有的圖形標準大致可以分為三類：一是與應

用程序接口有關的，如由美國計算機學會圖形專業(yè)委員會提出的

CORE,聯(lián)邦德國標準化組織提出的圖形核心系統(tǒng)GKS,這兩種標準

已為國際標準化組織和美國國家標準協(xié)會采納作為國際標準和美國標

準。屬于這一類的還有美國國家標準協(xié)會提出的程序元分層交互式圖

形標準PHIGS。二是與圖形數(shù)據(jù)存儲和傳輸有關的標準，其中有美國

國家標準局提出的初始圖形信息交換規(guī)范IGES,美國國家標準協(xié)會提

出的計算機圖形元文件CGM和產(chǎn)品數(shù)據(jù)交換規(guī)范PDES。三是與虛擬

設備有關的圖形標準，有美國國家標準協(xié)會提出的虛擬設備接口標準

VDI和北美描述級語法標準NAPLPS。各種標準的簡單說明如表5.1所

列。

同濟大學RechnergestiitzteKonstruktionu.ArbeitsplanungProf.Dr.-IngBinShen

CDHKCAD/CAM

表5.1各類圖形標準簡況

*

坐標系’

—,功能標準維數(shù)'JH性

與應用理‘CORE2,3世界、設備靜蠡基本圖素，冷、動態(tài)段.色彩表、圖親矩陣

—由接口有美

GKS2維擴充世界、設備、投