计算机辅助设计教案0901Word下载.docx
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ComputerAidedProcessPlanning，简称CAPP。
定义：
计算机辅助设计是利用计算机强有力的计算功能和高效率的图形处理能力，辅助进行产品的设计与分析的理论和方法。
利用：
计算机的计算和图形功能
关系：
CAD和CAM是围绕着产品的设计和制造两大领域独立发展起来的。
一般来讲是先有设计才有制造，但首先出现的是CAM技术，这是由于早期的计算机输出的是二进制代码或字符而没有图形的功能。
CAM技术起源于数控技术（数控技术是50年代兴起的），最早的应用是APT（AutomaticallyProgrammedTools）----刀具控制程序自动编程系统，该技术为后来发展计算机自动绘图技术铺平了道路，而由计算机自动绘图技术产生了计算机辅助设计（CAD）。
CAPP的主要任务是替代工艺设计人员完成产品零件的工艺过程设计，包括加工方法的确定，工序和工步的顺序安排，选择所用机床、设备，选定刀具以及切削用量等。
CAPP是CAD和CAM的桥梁
应用：
CAD/CAM技术往往用在大型系统之中，如美国的洛克希德－加尼福尼亚飞机公司开发的CADAM系统，设计一架新战斗机，可提高效率500倍。
1.2计算机辅助设计的基础
有：
软件基础和硬件基础。
1.2.1软件基础
1．高级语言编程
从数据库中调用数据，完成一项设计中需要做的各种运算。
一般常说数据库看作是软件开发的后端，而高级语言是软件开发的前端。
软件的开发要按照软件工程的概念来做。
所使用的工具：
⑴微软：
C#.net，VC.net
⑵Borland公司：
DelPhi，CBuilder
⑶组态软件
InTouch，Fix，WinCC，组态王，ForceControl（力控）
组态软件是指一些数据采集与过程控制的专用软件，它们是在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境，使用灵活的组态方式，为用户提供快速构建工业自动控制系统监控功能的、通用层次的软件工具。
组态软件应该能支持各种工控设备和常见的通信协议，并且通常应提供分布式数据管理和网络功能。
组态软件产品于80年代初出现，并在80年代末期进入我国。
随着工业控制系统应用的深入，在面临规模更大、控制更复杂的控制系统时，人们逐渐意识到原有的上位机编程的开发方式。
对项目来说是费时费力、得不偿失的，同时，MIS（管理信息系统，ManagementInformationSystem）和CIMS（计算机集成制造系统，ComputerIntegratedManufacturingSystem）的大量应用，要求工业现场为企业的生产、经营、决策提供更详细和深入的数据，以便优化企业生产经营中的各个环节。
因此，在1995年以后，组态软件在国内的应用逐渐得到了普及。
下面就对几种组态软件分别进行介绍。
①InTouch：
Wonderware的InTouch软件是最早进入我国的组态软件。
在80年代末、90年代初，基于Windows3.1的InTouch软件曾让我们耳目一新，并且InTouch提供了丰富的图库。
但是，早期的InTouch软件采用ＤＤＥ方式与驱动程序通信，性能较差，最新的InTouch7.0版已经完全基于32位的Windows平台，并且提供了OPC支持。
②Fix：
Intellution公司以Fix组态软件起家，1995年被爱默生收购，现在是爱默生集团的全资子公司，Fix6.ｘ软件提供工控人员熟悉的概念和操作界面，并提供完备的驱动程序（需单独购买）。
Intellution将自己最新的产品系列命名为iFiX，在iFiX中，Intellution提供了强大的组态功能，但新版本与以往的6.ｘ版本并不完全兼容。
原有的Script语言改为VBA（VisualBasicForApplication），并且在内部集成了微软的VBA开发环境。
遗憾的是，Intellution并没有提供6.1版脚本语言到VBA的转换工具。
在iFiX中，Intellution的产品与Microsoft的操作系统、网络进行了紧密的集成。
Intellution也是OPC（OLEforProcessControl）组织的发起成员之一。
iFiX的OPC组件和驱动程序同样需要单独购买。
③Citech：
CiT公司的Citech也是较早进入中国市场的产品。
Citech具有简洁的操作方式，但其操作方式更多的是面向程序员，而不是工控用户。
Citech提供了类似Ｃ语言的脚本语言进行二次开发，但与iFix不同的是，Citech的脚本语言并非是面向对象的，而是类似于Ｃ语言，这无疑为用户进行二次开发增加了难度。
④WinCC：
Siemens的SIMATICWinCC也是一套完备的组态开发环境，Siemens提供类Ｃ语言的脚本，包括一个调试环境。
WinCC内嵌OPC支持，并可对分布式系统进行组态。
但WinCC的结构较复杂，用户最好经过Siemens的培训以掌握WinCC的应用。
⑤组态王：
组态王是国内第一家较有影响的组态软件开发公司（更早的品牌多数已经湮灭）。
组态王提供了资源管理器式的操作主界面，并且提供了以汉字作为关键字的脚本语言支持。
组态王也提供多种硬件驱动程序。
⑥Controx（开物）：
华富计算机公司的Controx2000是全32位的组态开发平台，为工控用户提供了强大的实时曲线、历史曲线、报警、数据报表及报告功能。
作为国内最早加入OPC组织的软件开发商，Controx内建OPC支持，并提供数十种高性能驱动程序。
提供面向对象的脚本语言编译器，支持ActiveX组件和插件的即插即用，并支持通过ODBC连接外部数据库。
Controx同时提供网络支持和WevServer功能。
⑦ForceControl（力控）：
大庆三维公司的ForceControl（力控）从时间概念上来说，力控也是国内较早就已经出现的组态软件之一。
只是因为早期力控一直没有作为正式商品广泛推广，所以并不为大多数人所知。
大约在93年左右，力控就已形成了第一个版本，只是那时还是一个基于DOS和VMS的版本。
后来随着Windows3.1的流行，又开发出了16位Windows版的力控。
但直至Windows95版本的力控诞生之前，他主要用于公司内部的一些项目。
32位下的1.0版的力控，在体系结构上就已经具备了较为明显的先进性，其最大的特征之一就是其基于真正意义的分布式实时数据库的三层结构，而且其实时数据库结构可为可组态的活结构。
在1999~2000年期间，力控得到了长足的发展，最新推出的2.0版在功能的丰富特性、易用性、开放性和I/O驱动数量，都得到了很大的提高。
在很多环节的设计上，力控都能从国内用户的角度出发，即注重实用性，又不失大软件的规范。
另外，公司在产品的培训、用户技术支持等方面投入了较大人力，相信在较短时间内，力控软件产品将在工控软件界形成巨大的冲击。
其他常见的组态软件还有GE的Cimplicity，Rockwell的RsView，NI的LookOut，PCSoft的Wizcon以及国内一些组态软件通态软件公司的MCGS，也都各有特色。
2．工程数据库
在设计中有大量的数据需要处理，如工程手则中的数据、工艺过程中的各种参数。
实现这样的数据处理的方法，是采用适当的数据库和数据库管理系统（DBMS）。
被处理对象的数据和各数据之间的相互关系称做数据结构，因此要了解数据库首先就要了解数据结构。
我们现在采用的都是关系模型的数据库。
关系这一数学术语可看作一张二维表，并给定一个表名，相当于一个文件。
表中的每一行称为关系的元组，相当于文件的一个记录，元组的总个数称为关系的基数；
每一列表示一个属性，相当于记录中的一个数据项，属性名的个数称为关系的度数。
关系模型中数据之间的联系是通过在不同的表格（关系）中相同的数据项（表格中的属性名）来表示的，通过对关系进行各种代数运算可存取任一数据项。
数据库管理系统（DBMS）是一组软件，实现数据库的建立、应用和维护。
目前常用的商业数据库管理系统有：
●小型：
Paradax、Access
●大中型：
IBM公司：
DBⅡ
微软公司：
Oricle，SQLServer
赛贝思：
Sybase
以上的数据库在严格意义上来将并不能完全满足CAD的要求。
在CAD中使用的数据库称为工程数据库，其特殊之处在于不仅可以存储字符数据，而且可以存储图象数据。
3．计算机绘图软件
计算机绘图和数据库软件是CAD软件的两大基础。
有一门课程叫做计算机图形学，是本学院研究生的学习课程，研究的是各种坐标变换和几何变换，二、三维图形的生成，等值线的绘制、图形的剪裁、曲线和曲面拟合。
逼近、几何造型、色彩、阴影、灰度图形的处理，以及各种数据结构的组织、几何信息和拓扑信息的运算等许多内容。
以计算机图形学为基础，开发出了越来越多的交互式的绘图软件包。
●计算机绘图可以在两种类型的设备上进行：
微机：
主要处理2D图形，对三维图形的处理能力不强。
CAD图形工作站：
其优点是3D图形的处理，采用的是实体建模的方法。
●AutoCAD：
是用于二维图形设计和绘图的软件，10.0版以后加强了三维功能，为用户提供了良好的二次开发环境。
是国内应用较广的微机CAD软件。
●Pro/Engineer操作软件：
是美国参数技术公司（PTC）旗下的CAD/CAM/CAE一体化的三维软件。
Pro/Engineer软件以参数化著称，是参数化技术的最早应用者，在目前的三维造型软件领域中占有着重要地位，Pro/Engineer作为当今世界机械CAD/CAE/CAM领域的新标准而得到业界的认可和推广。
是现今主流的CAD/CAM/CAE软件之一，特别是在国内产品设计领域占据重要位置。
●UG－Ⅱ：
特点是制作三维图形，由美国麦道航空公司研发。
首先是在VAX机上开发，现已有SUN和HP等工作站上运行的软件版本。
功能比较强大，如可作尺寸校核等。
●SolidWorks：
SolidWorks为达索系统（DassaultSystemesS.A）下的子公司，专门负责研发与销售机械设计软件的视窗产品。
SolidWorks软件是世界上第一个基于Windows开发的三维CAD系统,在目前市场上所见到的三维CAD解决方案中，SolidWorks是设计过程比较简便而方便的软件之一。
功能强大、易学易用和技术创新是SolidWorks的三大特点，使得SolidWorks成为领先的、主流的三维CAD解决方案。
该系统在1995-1999年获得全球微机平台CAD系统评比第一名；
从1995年至今，已经累计获得十七项国际大奖，其中仅从1999年起，美国权威的CAD专业杂志CADENCE连续4年授予SolidWorks最佳编辑奖，以表彰SolidWorks的创新、活力和简明。
至此，SolidWorks所遵循的易用、稳定和创新三大原则得到了全面的落实和证明，使用它，设计师大大缩短了设计时间，产品快速、高效地投向了市场。
●CADAM：
美国洛克希德公司开发的CAD/CAM软件包。
Micro_CADAM：
它是洛克希德公司开发的CADAM软件包在微机上运行的版本，功能较强，使用方便。
交互设计是它的主要模块，提供二维设计、绘图、标注尺寸等功能。
●I－DEAS：
是美国SDRC公司开发的，是当前计算机辅助机电产品设计制造软件中功能较强的软件之一。
●GEMS：
清华大学研发。
1.2.2硬件基础
只有在硬件上实现了图形的输入和输出，才有CAD的产生和发展。
1．图形输出设备
实现图形输出的标志性设备是绘图仪。
最早投放市场的绘图仪是笔式绘图仪，其幅面的大小有三种规格，A3、A1、A0，按所用笔的数量有单笔绘图仪和八笔绘图仪两种，所使用的绘图笔有四种规格：
0.70mm（0.028”）
0.50mm（0.020”）
0.35mm（0.014”）
0.25mm（0.010”）
典型的设备如HP3170八壁A0幅面滚筒式绘图仪。
目前使用的绘图仪都是A1或A0幅面的喷墨绘图仪，典型的型号如HP430。
2．图形输入设备
实现图形输入的标志性设备是数字化仪和扫描仪。
⑴数字化仪
数字化仪的作用相当于一个描图员，可通过数字化仪通过描图的方式把图形输入到计算机。
数字化仪是将图像（胶片或像片）和图形（包括各种地图）的连续模拟量转换为离散的数字量的装置，是在专业应用领域中一种用途非常广泛的图形输入设备，是由电磁感应板、游标和相应的电子电路组成。
当使用者在电磁感应板上移动游标到指定位置，并将十字叉的交点对准数字化的点位时，按动按钮，数字化仪则将此时对应的命令符号和该点的位置坐标值排列成有序的一组信息，然后通过接口（多用串行接口）传送到主计算机。
再说得简单通俗一些，数字化仪就是一块超大面积的手写板，用户可以通过用专门的电磁感应压感笔或光笔在上面写或者画图形，并传输给计算机系统。
不过在软件的支持上它是和手写板有很大的不同的，硬件的设计上也是各有偏重的。
数字化仪的典型设备如CALCOMP2000，其幅面的大小有三种规格，A3、A1、A0。
⑵扫描仪
扫描仪可以把图形直接扫描到计算机中。
现今扫描仪已是非常通用的设备，同学们见到的都是A4幅面。
而在CAD中常用的是A0幅面。
扫描仪扫描到计算机中而得到的图形是位图的格式，而CAD软件所处理的是矢量图的格式。
因此从扫描仪得到的图形需要做图形的矢量化后才能够被CAD软件所接受，有专门的图形矢量化软件。
第2章数据库
应用CAD技术进行工程或产品设计的过程中，要产生、记录和加工大量的数据、文字和图形。
如何有效地存储和管理各类数据，使图形处理、数值计算等应用软件，既能共享公共数据资源，又可保持数据的独立性和完整性，这一工作由工程数据库来完成。
2.1数据库基础知识
在程序编写过程中经常要对大量的数据进行管理，早期人们采用数据文件来存放数据，使用高级语言编写程序来对其处理，这就是最初的“文件管理”阶段。
随著信息量的增大，产生了数据库管理系统。
其优点：
库中数据不再为某个用户特有，而由多个用户共享；
由于数据共享,消除了大量的重复数据，使数据冗余度降到了最低；
数据完全独立，不在依附于某个程序；
实现了整体数据的结构化，适于表示相互间有多种联系的大量数据。
1.数据与数据处理
数据（data）是存储在某一种媒体上能够识别的数据符号。
它包括描述事物特性的数据内容和存储在某一种媒体上的数据形式。
数据处理是指将数据转化成信息的过程。
2.数据库
数据库（DB）是指按照一定的数据模型，有规则地存储在一起的相关信息的数据集合。
简而言之，数据库就是数据的仓库。
它不仅包括描述事物的数据本身，还包括了数据之间的关系。
3.数据库系统
数据库系统（DBS）是指引进数据库技术后的计算机系统，能有组织地、动态地存储大量相关数据，提供数据处理，实现数据共享，减少数据冗余。
4.数据库管理系统
为方便建立和维护数据库，需要一个特定的支持软件，这就是数据库管理系统DBMS。
数据库管理系统（DBMS）是建立、维护和使用数据库，对数据库进行统一管理和控制的系统。
具体指数据库系统中管理数据的软件系统。
在计算机系统中，数据管理通常使用数据库管理系统完成。
也就是说，数据库系统包括数据库和数据库管理系统两部分。
DBMS包括三部分功能模块：
数据定义语言DDL，供用户建库；
数据操作语言DML，供用户对数据库进行维护操作；
管理和控制程序，保证数据的安全、通信与其他事物。
不同的数据库其性能是不一样的，衡量其性能的主要技术指标有：
库文件最大记录数、记录最大长度、记录最大记录数、数值字段最大长度（位）、字符字段最大长度（字节）、数值计算精度、命令行最大长度、内存变量总数、可同时打开库文件数。
不同的数据库其运算速度有很大的差异。
2.2数据模型
数据模型是指数据库内部数据的组织方式，描述了数据之间的各种关系，它是数据库系统的活性和基础，每一种数据库管理系统都是基于某种数据模型的。
在数据库系统产生后，根据它所采用的数据模型不同又将其划分为三代：
第一代采用非关系数据模型，主要有层次模型和网络模型。
其中层次数据库系统是网状数据库系统的特例，它们都支持格式化数据模型。
第二代普遍采用关系模型。
关系数据模型简单、清晰，且有关系代数作为语言模型，有关系数据理论作为理论基础，因此具有形式基础好，数据独立性强，数据库语言非过程化的优点，在实际商用数据库产品中得到广泛应用。
也正是商用数据库的运行，特别是微机DBMS的使用，使数据库技术日益广泛的应用到企业管理、情报检索、辅助决策等各方面。
自上世纪八十年代以来，几乎所有的数据库管理系统都是关系数据库，如MicrosoftSQLSever，VisualFoxPro，Oracle等都采用关系模型。
第三代在关系模型的基础上引入了面向对象的技术和方法，形成了对象—关系模型，成为目前数据库的主流技术。
随着数据库应用的不断深入，又出现了一些重要的发展趋势：
单用户数据库到多用户数据库；
集中式数据库到分布式数据库；
传统数据库到智能数据库。
2.2.1层次型
指记录之间是树型的组织结构，体现了“一对多”的关系。
满足下面两个条件的基本层次联系的集合为层次模型。
有且只有一个结点没有双亲结点，这个结点称为根结点；
根以外的其它结点有且只有一个双亲结点。
层次型结构具有结构简单，清晰的特点，适用于记录之间本身就存在一种自然的层次关系，但它难于处理记录之间复杂的联系。
1．优点
⑴层次数据模型简单，对具有一对多的层次关系的部门描述自然、直观，容易理解；
⑵性能优于关系模型，不低于网状模型；
⑶层次数据模型提供了良好的完整性支持。
2．缺点
⑴多对多联系表示不自然；
⑵对插入和删除操作的限制多；
⑶查询子女结点必须通过双亲结点；
⑷层次命令趋于程序化。
3．典型的层次数据库系统
IMS数据库管理系统。
●第一个大型商用DBMS
●1968年推出
●IBM公司研制
2.2.2网络型
指事物之间为网络的组织结构，体现了“多对多”的关系。
满足下面两个条件的基本层次联系的集合为网状模型。
允许一个以上的结点无双亲；
一个结点可以有多于一个的双亲。
网络型结构能够处理事务之间非常复杂的联系,但其模型结构也是及其复杂的。
层次结构是网络型结构的一种特例。
网状模型的优缺点
能够更为直接地描述现实世界，如一个结点可以有多个双亲
具有良好的性能，存取效率较高
结构比较复杂，而且随着应用环境的扩大，数据库的结构就变得越来越复杂，不利于最终用户掌握
DDL、DML语言复杂，用户不容易使用
3．典型的网状数据库系统
DBTG系统，亦称CODASYL系统
●由DBTG提出的一个系统方案
●奠定了数据库系统的基本概念、方法和技术
●70年代推出
实际系统
●CullinetSoftwareInc.公司的IDMS
●Univac公司的DMS1100
●Honeywell公司的IDS/2
●HP公司的IMAGE
2.2.3关系型
把信息集合定义为一张二维表的组织结构，每一张二维表称为一个关系，其中表中的每行为一个记录，每列为数据项。
关系型的模型结构比较简单，但能够处理复杂的事物之间的关系。
关系型最重要的一种数据模型，也是目前主要采用的数据模型。
1970年由美国IBM公司SanJose研究室的研究员E.F.Codd提出。
1．优点：
与非关系模型不同，它有较强的数学理论根据。
数据结构简单、清晰，用户易懂易用，不仅用关系描述实体，而且用关系描述实体间的联系。
关系模型的存取路径对用户透明，从而具有更高的数据独立性、更好的安全保密性，也简化了程序员的工作和数据库建立和开发的工作。
2．缺点：
由于存取路径对用户透明，查询效率往往不如非关系模型，因此，为了提高性能，必须对用户的查询表示进行优化，增加了开发数据库管理系统的负担。
3．典型的关系数据库系统
●Oracle
●Sybase
●SQLServer
●DB2
●DbaseFoxproAccessMySQL
2.3实时数据库
实时数据库（RTDB－RealTimeDataBase）是数据库系统发展的一个分支，是数据库技术结合实时处理技术产生的。
实时数据库应用框架
实时数据库系统是开发实时控制系统、数据采集系统、CIMS系统等的支撑软件。
在流程行业中，大量使用实时数据库系统进行控制系统监控，系统先进控制和优化控制，并为企业的生产管理和调度、数据分析、决策支持及远程在线浏览提供实时数据服务和多种数据管理功能。
实时数据库已经成为企业信息化的基础数据平台。
实时数据库的一个重要特性就是实时性，包括数据实时性和事务实时性。
数据实时性是现场IO数据的更新周期，作为实时数据库，不能不考虑数据实时性。
一般数据的实时性主要受现场设备的制约，特别是对于一些比较老的系统而言，情况更是这样。
事务实时性是指数据库对其事务处理的速度。
它可以是事件触发方式或定时触发方式。
事件触发是该事件一旦发生可以立刻获得调度，这类事件可以得到立即处理，但是比较消耗系统资源；
而定时触发是在一定时间范围内获得调度权。
作为一个完整的实时数据库，从系统的稳定性和实时性而言，必须同时提供两种调度方式。
关系实时数据库可用于工厂过程的自动采集、存储和监视，可在线存储每个工艺过程点的多年数据，可以提供清晰、精确的操作情况画面，用户既可浏览工厂当前的生产情况，也可回顾过去的生产情况，可以说，实时数据库对于流程工厂来说就如同飞机上的“黑匣子”。
2.4工程数据库
数据库技术最初主要是应用于事物管理领域.随后也开始广泛应用于工程中,出现了工程数据库管理系统EDBMS（EngineeringDataBaseManagementSystem）。
2.4.1工程数据库的特点
数据的复杂性
对于一个机械产品的设计，首先表现在产品结构的复杂性，其次从产品的设计过程来说，从设计任务书的制定，经过初步设计和详细设计，产品的试制，直至产品的设计定型进入批量生产，在整个设计过程中设计图纸往往要经过多次修改和补充，以取得满意的设计结果。
相应的工程设计数据不仅数量不断增大，类型增多，而且数据要不断修改和补充。
因此不仅要记录整个设计过程的全部图形和文字
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