工程机械CAD CAM课后习题答案Word格式.docx
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首先，开放性是决定一个系统能否真正达到实用化并转化为现实生产力的基础，这主要体现在系统的工作平台、用户接口、应用开发环境以及与其他系统的信息交换等方面。
所谓集成就是向企业提供一体化的解决方案。
并行工程是一种集成，企业的产品数据管理（PDM）也是一种集成。
通过集成能最大限度地实现企业信息共享，建立新的企业运行方式，提高生产效率。
智能化是将目前基于算法的解决问题方式向基于知识的推理型解决问题方式转变，需要将人工智能技术、专家系统引入到CAD/CAM领域中，不断使处理问题、解决问题的水平处于较高的水准，避免过多地依赖人工进行决策。
最后，随着CAD/CAM技术的发展和广泛应用，工业化标准的问题越来越显得重要。
目前基于不同应用领域的CAD、CAM系统很多，为了便于把CAD系统产生的结果传送给CAM系统使用、或者提供给别的CAD系统使用，以实现资源共享，要求不同系统之间能够方便地交换有关数据，要求制订出相应的数据交换标准。
同时，完善的标准化体系既是我国CAD/CAM软件开发及技术应用与世界接轨的必由之路，也是CAD/CAM技术发展的方向和既定的目标。
6．CAD/CAM系统的基本组成有哪些？
典型的CAD/CAM系统主要由有关的硬件系统和相应的软件系统构成。
硬件系统主要由计算机及其外围设备组成，包括主机、存储器、输入输出设备、网络通信设备以及生产加工设备等，它是可以触摸的物理设备；
软件系统包括系统软件、支撑软件和应用软件，通常是指程序及其相关的文档。
7．计算机在CAD/CAM系统中的作用是什么？
选择计算机主要考虑哪些性能指标？
计算机主机是CAD/CAM硬件系统的核心，用于指挥、控制整个系统完成运算、分析工作。
主机的类型及性能很大程度上决定了CAD/CAM系统的使用性能。
在选择计算机时，主要考虑的技术指标有主频、字长、内存容量、外存容量、存取速度等。
8．CAD/CAM系统中常用的外部存储器有那些？
各有什么特点？
常用的外部存储器有磁盘、磁带、光盘等。
软盘存储器由软盘和软盘驱动器组成。
软盘由软盘盘片、保护套、驱动轴孔、检索孔、磁头读写槽及防写保护口等部分组成，盘片是信息的存储介质；
软盘驱动器由电动机、读写磁头、运动控制器、接口部件等组成。
工作时，马达带着盘片飞速旋转，磁头在读写槽内作径向运动，实现数据的读写，由检索孔标识磁道的起始位置。
硬盘通常是做成固定式的硬盘机与硬盘驱动器，或者装成可移式的硬盘组或硬盘插卡。
硬盘的盘片与软盘的区别在于采用的是金属片，且一般由多个盘片组成，除所具有的磁道、扇区之外，盘片之间的磁性柱面仍能存储数据，因此，硬盘的存储容量是软盘的几千甚至几十万倍。
磁带是典型的顺序存储设备，在磁带上以物理记录为单位写入或写出。
通常，在信息必须按顺序存入及顺序读出的情况下使用磁带。
磁带的存储容量比较大，常用来为大型软件或超微机工作站系统软件作备份。
光盘是目前计算机系统广泛使用的存储介质之一，它由光盘和光盘驱动器组成，结构上与软盘存储器相似。
光盘分为一次写入型光盘、可擦写型光盘两类。
记录信息时，使用激光照射到介质表面上，用输入数据调制光点的强弱，在盘面上会形成一系列凹凸不平的条纹，信息就以这种方式记录下来了。
读出信息时，由于光盘表面的凹凸不平，当激光光源照射到盘面上时，光的强弱变化经过解调就可输出数据。
光盘的存储容量可达600MB以上，常用于保存信息量庞大的数据、资料、应用软件或常用工具软件。
9．CAD/CAM系统中常用的输入设备有那些？
1）键盘是计算机最基本的配置之一，可以用来输入文字和基本命令及选取菜单等。
2）鼠标有机械式、光电式、感应式和空间球四种。
是常用的屏幕指示装置。
3）光笔是一种定位装置，属于指点输入设备
4）数字化仪可以看成一个标注有X－Y坐标的平板，可用于输入精度较高的各类图形信息。
10．CAD/CAM系统中常用的输出设备有那些？
简要说明其工作原理和特点？
1）显示器是一种快速反应的输出设备，是计算机最基本的配置之一，也是CAD/CAM系统中最为重要的设备，它不仅能直观地得到计算过程的反馈信息、随时显示所设计的图形，还能显示用户对图形进行增、删、改、移动等交互操作的过程。
目前大量使用的是阴极射线管制成的显示器（CRT），平板式的用液晶显示材料制成的显示器（LCD）。
2）打印机是一种十分常见的计算机信息输出设备。
打印机操作简单，工作成本低，但受输出纸张幅面大小的限制，在CAD/CAM系统中主要用来进行设计或计算分析信息的中间结果或最终结果的输出。
3）绘图机是CAD/CAM系统中不可缺少的一个重要输出设备。
其原理与X－Y记录仪近似，在微处理器控制下，绘图笔可以在X－Y两坐标轴方向上移动，绘出所要求的图形。
11．简述CAD/CAM软件系统的基本组成。
根据CAD/CAM系统中执行的任务及服务对象的不同，可将软件系统分为三个层次，即系统软件、支撑软件和应用软件
系统软件主要用于计算机的管理、维护、控制及运行，以及对计算机程序的翻译和执行。
支撑软件是CAD/CAM软件系统的重要组成，也是各类应用软件的基础。
应用软件是在系统软件和支撑软件基础上，针对某一专门应用领域的需要而研制的软件。
12．简要说明CAD/CAM系统支撑软件的类型和功能。
从功能上可将支撑软件划分为自动绘图、几何造型、工程分析与计算、仿真与模拟、专用设备控制程序生成、集成与管理等几种类型。
（1）绘图软件主要解决零件图的详细设计问题，输出符合工程要求的零件图或装配图。
（2）几何建模软件它为用户提供一个完整、准确地描述和显示三维几何形状的方法和工具。
（3）工程计算与分析软件这类软件的功能包括：
基本物理量的计算、基本力学参数计算、产品装配、有限元分析、公差分析、优化算法、机构运动学分析、动力学分析等。
有限元分析是其核心工具。
（4）仿真与模拟仿真与模拟技术是一种建立真实系统的计算机模型的技术。
利用模型分析系统的行为而不建立实际系统，在产品设计时，实时、并行地模拟产品生产或各部分运行的全过程，以预测产品的性能、产品的制造过程和产品的可制造性。
（5）工艺过程设计工艺过程设计软件（CAPP）将CAD数据转换为各种加工、管理信息，包括完整的工艺路线、工序卡等工艺文件以及供数控加工用的数控程序及其工艺信息。
（6）专用设备控制程序生成
（7）集成与管理CAD/CAM系统集成是将不同功能的软件模块有机地连接到一起，形成一个完整的CAD/CAM系统，并协调各子系统有效地运行，以达到信息数据无缝传输、数据共享、提高工作效率的目的。
第二章计算机图形学基础
1．试述窗视变换原理及规律。
对于用户定义的一张整图，需要把图中每条线段的端点都用上式进行转换，才能形成屏幕上的相应图形。
（1）视图区大小不变，窗口区缩小或放大时，所显示的图形会相反地放大或缩小；
（2）窗口区大小不变，视图区缩小或放大时，所显示的图形会相应地缩小或放大；
（3）窗口区与视图区大小相同时，所显示的图形大小比例不变；
（4）视图区纵横比不等于窗口区纵横比时，显示的图形会有X、Y方向的伸缩变化。
2．试述二维图形基本几何变换的种类并给出其变换矩阵。
二维图形的基本几何变换包括比例变换、对称变换、错切变换、旋转变换和平移变换等。
（1）比例变换
设图形在x、y两个坐标方向放大或缩小的比例分别为A和D，则坐标点的比例变换为：
令
T就是变换矩阵。
（2）对称变换
①设图形上一点（x，y）关于原点作对称变换：
T就是关于原点对称的变换矩阵。
②同理可知关于x轴对称的变换矩阵：
。
③关于y轴对称的变换矩阵：
（3）错切变换
①设图形上一点（x,y）沿x方向作错切变换：
，T就是沿x方向作错切变换矩阵。
②同理可知沿y方向作错切变换的变换矩阵为：
③沿x、y两个方向作错切变换的变换矩阵为：
（4）旋转变换
设图形上一点（x,y）绕原点逆时针旋转q角：
，为绕原点逆时针旋转变换矩阵，若顺时针旋转时，q角为负值。
（5）平移变换
设图形上一点（x,y）沿x轴平移L距离，沿y轴平移M距离，得到新点（x’,y’）：
，为平移变换矩阵。
3．试述图形裁剪技术的原理和种类。
线段裁剪算法中，需要检查线段相对于窗口的位置关系。
两者的位置关系只有三种：
线段完全落在窗口内，该线段需全部保留；
线段完全位于窗口外，该线段应全部舍弃；
线段部分位于窗口内而其余部分位于窗口外，需要计算出该线段与窗口边界的交点作为线段的分段点，保留位于窗口内的那部分线段，舍弃其余部分线段。
线段裁剪算法有矢量裁剪法、编码裁剪法、中点分割裁剪法等
4.试推导相对直线x+y-1=0对称的复合变换矩阵。
直线可化为y=1-x
1.将坐标原点平移到（0,1）处：
，
2.将反射轴（已平移后的直线）按顺时针方向旋转135角，使之与x轴重合：
3.图形关于x轴的反射变换：
4.将反射轴逆时针旋转135角：
5.恢复反射轴的原始位置：
第三章机械CAD/CAM数据处理技术
（1）描述工程数据库的特点，指出在机械CAD/CAM集成中的作用
1.支持多个工程应用程序
一个工程数据库必须适应多个工程应用程序，以支持不断发展的新的应用环境。
最初的概念设计、详细设计、制造设计和计划都需要直接进入到工作数据库中去，从设计到生产后期所进行的操作，像生产控制、质量控制和服务等，都需要利用在产品设计和制造阶段的信息。
2.支持动态模式的修改和扩充
数据库的结构确定物体在数据库中建模的关系。
一个工程必须经过计划分析、设计、施工、调试、生产等阶段，相应的工程数据也是通过各阶段逐步明确，逐步详细，最后得到满意的结果。
为此，必须记载整个过程的全部图形和数据，作为文档保存，以便在工程中修改，以及在工程建成后的扩充和改建。
产品的计算机辅助设计（CAD）是一个变化频繁的动态过程，不仅数据变化频繁，而且数据的结构也会有所改变，这就要求工程数据库具有动态修改和易于改变数据结构的能力。
修改结构的功能应当“在空中”操作，而不需要结构的再编辑或者数据库的再装配。
为CAD/CAM数据库设计的数据模型必须支持工程数据类型和工程应用中复杂的物理模型。
3.支持反复的试探性设计
在工程中解决一个问题往往是一个多次重复、反复修改的过程，而不同于一般事务数据。
CAD/CAM数据库必须适合设计过程中的试凑、重复和发展的特点。
即在一般情况下，数据库必须保持数据的一致性，在特殊情况下，工程数据库应允许暂时的、不一致数据存在，并能加以管理。
4.支持在数据库中嵌入语义信息
语义信息是用来描述在数据库中存储数据，它包括物体和关系的建模，有关物体和关系的信息在数据库中是怎样表示的。
怎样获得和使用这些信息的。
一个集成和数据词典/字典系统是用来记录指定含义的，并是使用数据库中数据记录的工具。
这个功能一般不仅仅是资料程序员利用，并且也是文件的主要来源。
更多的语义信息被机器占用，成为数据库中一个集成部分，可用于人和机器直接相互作用及数据库的修改。
5.支持存储和管理各种设计结果版本
在人工设计中，存在几种设计版本的情况是经常发生的，每一个设计版本尽管不同，但均满足设计所要求的全部功能，它们可供选择。
设计问题很少只有唯一的方案解，当在设计中对重要条件强调的重点不同时，一般有几种可供选择的方案。
理想情况下，一个CAD/CAM数据库应当具有一个设计任务多个版本的能力。
6.支持复杂的抽象层次表示
设计单元之间的许多复杂关系可以在抽象层次中模型化。
设计过程常被看成自顶向下的工作方式，即将复杂的问题不断分解到子问题层中，这些子问题概念简单，可以组合起来解决原问题。
例如，工程所涉及的工程图很少是仅由一张图来表示，通常采用分层表示法，即上层工程图中的一个符号表示下层某一张子工程图（即上层的一个抽象部件符号代表下层若干个部件的组合），这些子工程图中的一个符号又能表示更下一层的某一张子工程图，…，即自顶向下逐层表示，直至最下层为止。
7.支持多CPU/分布式处理环境
通常支持CAD/CAM一体化系统的硬件是由异种机组成的计算机网络系统。
因此，要求工程数据库管理系统应是一个分布式的数据库管理系统，并为所有基本单元系统存取全局数据提供统一的接口标准。
8.支持建立和临时存取数据库
在设计和制造过程中，存在许多临时性数据，这些不需长期保存的数据可存入临时数据库中，使用完毕即可删除。
9.支持交互式和多用户工作以及并行设计
工程设计时，为了及时传达设计人员的思想和意图，需要进行交互式工作。
而且现代设计工作决不是一人能胜任的，为提高工程设计质量，加快进度，必须开展并行作业，使若干名设计人员既能同时工作，又可达到资源共享。
为此，要求工程数据库能随时提供数据并存储数据，提供多用户使用和进行并行设计。
10.支持多种表示处理
在设计和制造过程中，应用程序往往要利用同一物体的不同表示形式来实现不同的目的和要求。
例如，在几何造型中，可以使用CSC树、边界表示、八叉树法等多种表示形式来表示同一形体。
因此，工程数据库要有存储和管理同一形体的多种表示形式的功能，而且要保持这些表示形式之间的一致性。
11.支持数据库与应用程序的接口
为了支持工程数据库的应用过程，数据库必须与多种程序语言交互。
数据库与应用程序的接口有两类：
子语句方式和CALL方式。
子语句方式将数据库的DML语句看成特殊的应用程序语句。
CALL方式将数据库的DML语句设计成宿主语言的一个过程或函数，应用程序通过CALL语句调用它们。
12.支持工程事物处理
在工程应用中，解决一个工程问题需要花费很长时间，涉及的数据量也很多，这种解决工程问题的过程称为工程事务。
由于这类问题工作时间很长，中间出现意外错误或认为中断的可能性较高。
因此，商业数据库系统中处理事务的方法在此已不适用。
工程数据库系统应具备处理工程事务的能力。
EDB是CAD/CAM/CAE/CAPP/MRP/MRPII等工程设计及制造系统的基础数据源，是各应用系统进行数据交换和共享的枢纽，EDB在应用系统中的位置如下图所示。
由图可知，EDB处于核心地位，如果管理不当，那么在集成时各系统之间会产生瓶颈问题，而且很难获取正确的数据。
（2）机械CAD/CAM中有那些数据处理技术，并指出其使用场合。
1.数据程序化处理
数表程序化：
适用于数据少且别的程序不需调用的情况
数表公式化处理：
适用于对于数据间存在联系或函数关系的数据
线图程序化处理：
适用于用线图来表示参数间的函数关系，包括直线、折线或各种曲线构成的线图。
2.数据文件化处理：
适用于如果数表很大或数表个数很多，如还采用该方法进行程序化，这时程序将显得非常的庞大、不易实现，这就需要将数表进行文件化或数据库进行处理
3.数据库处理：
适用于有大量数据文件，需要共享和集中，与应用软件相独立的数据集合
第四章三维几何建模技术
1．形体的拓扑信息和几何信息的含义是什么？
几何信息一般是指一个物体在三维欧氏空间中的形状、位置和大小。
具体地说，几何信息包括有关点、线、面、体的信息。
拓扑信息是指一个物体的拓扑元素（顶点、边和表面）的个数、类型以及它们之间的关系，根据这些信息可以确定物体表面的邻接关系。
2．三维几何建模系统有哪几种建模方式？
各自的特点是什么？
三维几何建模系统有线框建模、曲面建模、实体建模、特征建模等
线框模型是由一系列的点、直线、圆弧及某些二次曲线组成，描述的是产品的轮廓外形。
线框建模的数据结构是表结构，采用线框建模的描述方法构造实体，所需信息量少，数据运算简单，占居的存贮空间比较小，对硬件的要求不高。
曲面模型由于增加了面的信息，在提供三维实体信息的完整性、严密性方面，比线框模型进了一步，它克服了线框模型的许多缺点，能够比较完整地定义三维立体的表面，所能描述的零件范围广；
曲面建模可以对物体作剖切面、面面求交、线面消隐、数控编程以及提供明暗色彩图显示所需要的曲面信息等。
与线框建模、曲面建模不同，三维实体建模在计算机内部存贮的信息不是简单的边线或顶点的信息，而是比较完整地记录了生成实体的各个方面的数据。
特点在于覆盖三维立体的表面与其实体同时生成。
利用这种方法，可以完整地、清楚地对物体进行描述，并能实现对可见边的判断，具有消隐的功能。
特征建模的特点主要概括为以下几个方面：
（1）特征建模使产品的设计工作不停留在底层的几何信息基础上，而是依据产品的功能要素，如键槽、螺纹孔、均布孔、花键等，起点在比较高的功能模型上。
特征的引用不仅直接体现设计意图，也直接对应着加工方法，以便于进行计算机辅助工艺过程设计并组织生产。
（2）特征建模以计算机能够理解的和能够处理的统一产品模型代替传统的产品设计、工艺设计、夹具设计等各个生产环节的连接，使得产品设计与原来后续的各个环节并行展开，系统内部信息共享，实现真正的CAD/CAPP/CAM的集成，且支持并行工程。
（3）有利于实现产品设计、制造方法的标准化、系列化、规范化，使得产品在设计时就考虑加工、制造要求，保证产品有较好的工艺性及可制造性，有利于降低产品的生产成本。
3．试述常用的曲面构造方法及构造特点。
1）线性拉伸面这是将一条剖面线C（u）沿方向D滑动所扫成的曲面
2）直纹面：
给定两条相似的曲线，它们具有相同的次数和相同的节点矢量，将两条曲线上对应点用直线相连，便构成了直纹面
3）旋转面：
在xOz平面内定义的曲线C（u），将其绕Z轴旋转360°
就得到旋转面。
旋转面的特征是与Z轴垂直平面上的曲线是一个整圆
4）扫描面的方法是用一条剖面线沿另一条基准线滑动
4．实体建模的方法有哪些？
实体建模的方法有：
体素法、扫描法
体素法是通过基本体素的集合运算构造几何实体的建模方法。
每一个基本体素都具有完整的几何信息，是真实而唯一的三维实体。
有些物体的表面形状较为复杂，难以通过定义基本体素加以描述，可采用定义基体，利用基体的变形操作实现实体的建模，这种构造实体的方法称为扫描法。
5．试述实体建模中计算机内部表示方法，其数据结构的特点。
常见的有边界表示法、构造立体几何法、混合表示法（即边界表示法与构造立体几何法混合模式）、空间单元表示法等。
边界表示法简称B-Rep法，它的基本思想是，一个形体可以通过包容它的面来表示，而每一个面又可以用构成此面的边描述，边通过点，点通过三个坐标值来定义
CSG法表示实体可用二叉树的形式加以表达
混合模式中，CSG法作为系统外部模型，B-Rep法作为系统内部模型，即CSG法做用户接口，方便用户输入数据、定义体素及确定集合运算类型，计算机内部则采用B-Rep数据模型，以便存贮实体更详细的信息，类似于在CSG树结构的节点上扩充边界法的数据结构，可以达到快速描述和操作模型的目的。
6．什么是特征？
特征是如何分类的？
依据何在？
特征应该理解为一个专业术语，它兼有形状和功能两种属性，从它的名称和词义定义联想它的特定几何形状、拓扑关系、典型功能、绘图表示方法、制造技术和公差要求。
特征定义的实现有两种方式：
（1）在产品设计过程中提供一套预先定义好的形状特征，称作特征的前置定义，或叫基于特征的设计。
（2）首先进行几何设计，然后从几何模型中识别或抽取形状特征，称作特征的后置定义，或称特征识别。
从总体上看，特征可分为通用特征和应用特征两大类。
1）通用特征
通用特征是从机械产品的几何形状抽象出来的一般性特征，由基本形状特征和附加形状特征组成。
基本形状特征是表达一个零件总体形状的特征，附加形状特征是对零件局部形状进行修改的特征。
2）应用特征
应用特征是指各种工程专业应用领域里所遇到的各种形状特征。
这些特征中有的仍以前述的通用特征为基础。
但在设计、分析、制造等不同阶段，可有不同的特征定义。
按机械零件的几何形状分，可大致分为轴类、盘类、支架类、箱体类和自由曲面类等。
7．特征建模技术的实现方法有哪些？
实现特征的具体方法如下：
（1）对于基本形状特征，可以直接采用根据参数建立拓扑、几何信息的方法，如拉伸类特征、旋转类特征、扫描类特征、混合类特征。
这类似于几何造型系统中的基本体元的几何、拓扑结构的建立。
（2）对于附加形状特征，尽可能采用局部修改技术直接修改原有的拓扑、几何结构。
（3）对不易采用方法
（2）的附加形状特征，尽可能分别构成基本形状特征和附加形状特征。
（4）对不易采用方法（
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