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计算机辅助工程考试资料
计算机辅助工程
狭义的计算机辅助工程（CAE）——计算机辅助工程分析，属CAD范畴。
广义的计算机辅助（机械）工程——运用CAD/CAE/CAPP/CAM等计算机软硬件技术辅助制造机械零件或装备，包括计算机辅助生产管理、计算机辅助产品生命周期管理，以及计算机辅助企业资源规划等，核心是CAD与CAM，以及CAD/CAM的集成。
第一章CAD/CAM概述
§1.1CAD、CAPP、CAM技术概要
一、CAD技术
CAD——以计算机为辅助手段来完成整个产品的设计过程。
即工程技术人员以计算机为工具，用各自的专业知识，对产品进行总体设计、绘图、分析和编写技术文档等设计活动的总称。
1．CAD的功能：
①几何建模；
②工程分析；
③模拟仿真；
④自动绘图。
2．CAD系统的组成：
①科学计算（有限元分析、可靠性分析、动态分析、优化设计、产品常规计算）；
②图形系统（几何造型、自动绘图、动态仿真等）；
③工程数据库（对设计过程所需用的和产生的数据、图形、文档等进行存贮和管理）。
二、CAPP技术
CAPP——利用计算机，根据产品设计所给出的信息进行产品的加工方法和制造过程的设计。
1.CAPP的功能：
①毛坯设计；
②加工方法选择；
③工序设计（装夹设备、加工余量、切削用量、机床及刀具等的选择，必要的工序图生成）；
④工艺路线制定；
⑤工时定额计算。
2.CAPP的意义：
快速设计出高质量的工艺，缩短生产准备周期，增强企业开发新产品的能力，提高企业的适应能力和竞争能力。
三、CAM技术
CAM——一般指计算机在产品制造方面有关应用的总称。
（尚无统一定义）
广义CAM：
利用计算机辅助从毛坯到产品制造过程中的直接和间接的活动（包括工艺准备、生产作业计划、物流过程的运行控制、生产控制、质量控制等）。
狭义CAM：
通常仅指数控程序的编制（包括刀具路线规划、刀位文件生成、NC代码生成等）。
四、产品生产过程和CAD/CAM集成技术
CAD、CAPP、CAM原来分别发展，系统各自独立，不能实现信息自动传递，需经人工转换，效率低且易出错。
目前向集成化发展。
CAD/CAM集成——CAD、CAPP、CAM各模块之间有关信息的自动传递和转换。
集成系统的基本工作步骤：
①CAD过程设计产品结构、绘制产品图形，并为CAPP、CAM过程准备设计数据。
②生成标准化数据结构，并经过接口进行数据转换。
③CAPP系统直接读入CAD系统生成并经转换的数据，生成零件加工工艺规程。
④CAM系统读入CAPP系统生成并经转换的数据，生成加工零件的数控程序。
二、CAD/CAM系统的软件
分三个层次
1.系统软件（与硬件和操作系统环境有关）
2.支撑软件（主要指各种工具软件）
3.应用软件（以支撑软件为基础的各种面向工程应用的软件）
1、系统软件
——主要用于计算机管理、维护、控制及运行，以及程序的翻译和执行。
（1）操作系统（功能）
①管理CPU（多程序并行）；
②管理存贮器（将程序调入内存并分配适当地址）；
③管理I/O设备（实现输入输出动作）；
④管理文件（用户给出简单信息就能调用外存文件）。
常用操作系统：
DOS、Windows、Unix、OS/2等
（2）编译系统
功能：
将高级语言编写的程序转换成可执行指令（机器语言）的程序。
目前最流行CAD开发语言：
C/C++（BorlandC++、VisualC++）（集成开发）；VisualBASIC（界面设计和小型软件开发有优势）；LISP（开发专家系统）
（3）图形接口
功能：
向高级语言提供相应的接口程序（函数库），以实现图形向外部设备的输出。
前期图形接口：
依赖于所用的操作系统和编译系统。
近期图形接口：
推出图形接口标准以统一不同硬件环境和操作系统平台下的接口（如GKS、GKS-3D、PHIGS、GL/OpenGL等）。
2、支撑软件——在系统软件基础上开发的满足CAD/CAM用户共同需要的通用软件或工具软件，是软件系统的核心。
3、应用软件——在系统软件、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。
通常由用户根据需要自行开发（亦称“二次开发”）。
§1.3CAD/CAM系统的支撑技术
一、数据管理技术
用CAD/CAM系统进行产品设计、制造的过程，就是利用计算机进行信息处理的过程。
数据是计算机表达信息的主要形式。
在设计、制造过程中，需要存储、运算、管理大量的各种类型的数据。
工程技术领域数据的特点：
（1）数据类型复杂；
（2）要求动态定义和管理。
1.文件管理系统
把数据组织成数据文件，用专用的文件管理系统实施统一管理。
数据文件的建立、查询和存取通过应用程序实现。
文件管理系统一般由操作系统提供。
文件管理系统的特点：
实现方便、使用效率高、简单灵活；数据共享性差，数据重复量大；程序与数据相互依赖，数据缺乏独立性；没有集中的数据管理，数据完整性和安全性差。
2.数据库管理系统DBMS
把数据组织在数据库中，用数据库管理系统软件对数据库及系统资源进行统一管理和控制。
数据库管理系统特点：
数据的物理存储独立于应用程序；编制应用程序时可不考虑数据的存储管理等问题；数据共享；实现对数据的统一控制，数据完整性和安全性好。
3.工程数据库
（1）工程数据的类型：
管理型数据（产品设计制造过程中使用的各种数据资料，如国家标准、设计资料）
设计型数据（设计过程产生的数据，如产品功能描述数据、设计参数、分析参数、资源描述数据）
加工制造型数据（为加工制造服务的数据，如加工工艺数据、数控加工指令、检测监控数据）
§1.4CAD/CAM集成的关键技术
二、CAD/CAM信息集成方式
专用格式文件方式
中性数据文件集成方式
工程数据库集成方法
1、专用格式文件方式:
特点：
集成原理简单，接口程序易于实现，运行效率高，但需要设计较多的专用格式转换接口，适于小范围、结构简单的CAD/CAM系统的信息集成。
2、中性数据文件集成方式：
特点：
数据转换接口数少，便于应用系统的开发和使用，是目前CAD/CAM集成系统应用较多的有效方法之一。
3、工程数据库集成方法
特点：
各子系统通过用户接口直接存取或操作数据库，大大提高了集成系统的运行速度，提高了系统集成化程度。
三、CAD/CAM集成的关键技术
1.产品建模技术:
基于特征的产品定义模型是CAD/CAM集成的有效途径，它应包括产品信息、工艺信息和加工制造信息。
2.集成的数据管理技术：
工程数据库是系统集成的核心，是新一代CAD/CAM系统数据管理的主流。
产品数据交换接口技术：
制定一个国际性数据交换规范，使产品数据在不同计算机之间、不同操作系统之间、不同数据库和应用软件之间能够方便流畅的传输和交换。
第二章CAD建模技术
§2.2线框造型（WireframeModel）
1、三维线框模型—用对象形体的棱边和顶点来表示其几何形状的一种模型，模型数据结构：
点表、边表。
线框模型（WireframeModel）
原理：
通过顶点和棱边来描述形体的几何形状。
数据结构：
顶点表、棱边表二表结构。
特点：
数据结构简单、信息量少、占用内存空间小、操作速度快，可生成三视图、透视图和轴测图。
不足：
缺少面、体信息，易产生多义性，不能消隐、不能剖视、不能进行物性计算和求交计算等
线框建模的数据结构
§2.3表面模型（SurfaceModel）
表面模型：
在线框模型基础上发展起来，把线框模型中接线所包围的部分定义为形体的表面，增加面的有关信息及直接指针，然后利用形体表面的集合来描述形体的形状。
表面建模
原理：
通过对物体各个面的描述进行三维建模的方法。
数据结构：
顶点表、棱边表、面表三表结构。
特点：
可消隐、剖面图生成、渲染、求交、刀轨生成等作业。
不足：
缺少体信息，不便进行物性计算和分析。
特点：
①描述形体各个面，可处理与图形有关的大多数问题（如两平面相交，可求交线、隐藏线、剖面线）。
②不能完整全面描述物体形状（如无明确定义形体存在侧，未给出表面间相互关系等拓朴信息，难以直接用于物性计算）。
§2.4实体模型（SolidModel）
一、概述
1、实体模型——由许多具有一定形状和体积的基本体素通过布尔运算组合而成，具有完整的几何信息，是真实唯一的三维物体。
2、基本体素：
立方体、圆柱体、球体、锥体、环状体等。
由表面定义，并说明了表面的哪一侧存在实体。
二、布尔运算
基本概念：
若一个实体由两个或两个以上较简单的体素经过集合运算得到的，则此物体的表示就是布尔模型，这种集合运算叫布尔运算。
例：
A、B为两个实体，C=A<布尔算子>B
（A、B、C空间维数相同），则C即为布尔模型。
布尔算子：
∪并；交；一差
三、常用实体造型方法
5、构造实体几何表示CSG（ConstructiveSolidGeometry）——用若干简单形状的体素，经变换和布尔运算构成复杂形体。
二叉树结构表示模式：
叶：
体素或变换量（平移量、旋转量）
中间结点：
变换方式或布尔算子（并∪、交∩、差－）
根：
所定义的形体
特点：
CSG表示法与机械装配方式类似、信息简单、处理方便、CSG表示的几何体唯一，但一个几何体的CSG表示不唯一。
6、边界表示B-rep（Boundary-representations）——以形体表面的细节（顶点、边、面等几何元素及其相互间连接关系）表示形体。
原理：
每个物体由有限个面构成，每个面由有限条边围成的有限个封闭域定义。
特点：
绝大多数几何体结构的运算直接用面、边、点定义的数据实现，有利于生成和绘制线框图、投影图、有限元网格划分、几何特性计算。
实体外观决定于表面性质。
（应用广泛）6
7、CSG与B-rep混合造型方法
CSG优点：
几何形体定义精确、严格（不便局部修改）
B-rep优点：
便于图形处理、便于计算机处理、交互设计和修改
§2.5特征造型
一、概述
1、特征造型的特点（与前一代几何造型相比）：
①以前造型注重产品的几何描述；特征造型注意表达产品的定义信息和生产管理信息，为建立产品的集成信息模型服务（用统一产品模型代替图纸及技术文档）。
②使产品设计工作能在更高的层次上进行（操作对象不是原始线条和体素，而是产品功能要素如螺纹孔、键槽等，直接体现设计意图）
③有助于加强产品设计、分析、工艺准备、加工、检验各部门间的联系，为开发基于统一产品模型的CAD/CAPP/CAM集成系统奠定基础。
4、特征造型的方法：
①人工辅助特征标识——先建立产品几何模型，用户直接通过图形来提取定义特征所需的几何要素，并将特征作为属性加到模型中。
②自动特征识别——先建立几何模型，通过启动专门程序，自动处理几何数据库，搜索并提取特征信息，产生特征模型。
③基于特征的设计——预先将标准特征和用户自定义特征存贮在特征库中，造型时以库中特征作为基本造型单元，建立特征模型。
5、特征造型与实体模型的区别：
（在后者基础上改造）
①特征造型为体现产品的设计功能和CAPP、CAM的推理机制，需要在最终产生的零件上保留各个形素的原始定义相互依附关系（如轴颈键槽不仅是一长圆形凹槽，它需要与键配合，在铣削时需考虑整根轴在机床上的定位和装夹方法，要正确选取测量基准等）。
②机加工零件的特征模型中，面的作用非常突出，特征面具有特定的语义信息（如配合面、支承面、定位面、基准面等，在加工、测量、计算尺寸链时要引用，其定形和定位尺寸应易于检索，故用CSG和边界法结合）。
③特征造型应能方便地进行设计修改，特征本身是参数化的，他们之间的组装应实现变量化，即用尺寸驱动。
④特征模型需引用基准点、中心线、局部坐标系等单元，这就要求在三维形体之外存在孤立的点、线、面，给用户更多的操作灵活性。
第三章计算机辅助设计CAD
§3.1机械CAD/CAM常用数据结构
1、数据和数据结构
数据——一切描述客观事物并能被计算机接受和处理的符号的集合。
数据结构——描述物体数据元素之间关系的组织形式。
数据结构包含三个内容：
（1）数据的逻辑结构（描述数据之间的逻辑关系，如：
线性表、数组、树、图等）
（2）数据的物理结构（数据在计算机中的存储形式）
（3）数据的运算
2、数据项、记录、数据文件
数据项——描述客观事物属性的数值或字符（最小单位）
记录——描述一个对象有关属性的数据。
数据文件——由若干记录组成的数据表。
3、数据结构
（1）线性结构：
所有结点最多只有一个直接前驱结点和一个直接后继结点。
如线性表、栈、队列、数组。
（2）非线性结构：
一个结点可以有多个直接前驱结点和多个直接后继结点。
如二叉树。
二、线性表
1、线性表的定义：
线性结构中所有结点按前驱后继关系排成一个线性序列（A1，A2，A3，…，Ai，…，An）
2、线性表的顺序存储结构：
用一组连续的存储单元按线性表数据元素的逻辑结构依次存放表中所有数据元素。
只要知道第一个数据元素的存储地址和每个数据元素所占用的存储单元数，就能求出任一数据单元的存储地址，对其进行读、写等操作。
3、线性表的链式存储结构：
链表的存储单元可以是连续的，也可以是不连续的。
不连续的链表可以通过指针来实现各数据元素之间的逻辑关系。
线性表顺序存储与链式存储结构比较
顺序存储：
优点：
结构均匀，便于数据元素访问和修改操作；
不足：
删除插入大量数据元素需移动，运算效率低。
应用：
多用于查找频繁、很少增删的场合。
链式存储：
优点：
删除插入效率高，不需数据元素移动，不需
事先分配存储空间，存储空间利用充分。
不足：
搜索效率低，需从头结点顺次搜寻。
应用：
多用于事先难以确定容量，频繁增、删场合。
三、栈、队列和树
1、栈：
栈是一种特殊的数据表，存放在存储器中开辟的特殊区域，按“后进先出”原则工作。
栈中数据的插入、删除只能在表的一端（栈顶）进行。
2、队列：
队列是另一种特殊的数据表，只允许在表的一端（队尾）进行插入，在另一端（队头）进行删除。
其操作特点是“先进先出”。
二叉树：
各结点仅有左子树和右子树的特殊树结构。
若深度为k，其结点数最多是2k-1个。
满二叉树：
拥有2k-1个结点的二叉树，所有结点都有左右子树，所有叶结点都在同一层上。
完全二叉树：
深度为k结点数为n的二叉树，从1至n每一结点编号都与满二叉树编号一致。
二叉树存储结构
顺序存储：
仅适合于完全二叉树（或满二叉树），若用于一般二叉树，将有许多空存储单元。
链式存储：
每结点除数据域外，还包含左右子树指针。
二叉树的遍历
遍历：
按一定规律每一节点被访问一次。
二叉树常用遍历算法：
先序遍历；中序遍历；后序遍历。
先序遍历：
先访问根结点，然后先序遍历左子树，再先序遍历右子树。
如下图先后顺序为A→B→D→G→H→C→E→I→F。
中序遍历：
先中序遍历左子树，然后访问根结点，再中序遍历右子树。
访问顺序为G→D→H→B→A→E→I→C→F。
后序遍历：
先后序遍历左子树、后序遍历右子树，再访问根结点。
结点访问顺序为G→H→D→B→I→E→F→C→A。
第四章计算机辅助工艺规程设计CAPP
§4.1CAPP的基础——成组技术
一、成组技术的基本原理
（一）传统中小批生产存在的问题
多品种、中小批生产占机械产品的70%到85%，比重日益增长。
传统方式：
中小批：
通用设备、不规范的工艺（劳动生产率低）大批量：
高效专用设备，先进规范的工艺（劳动生产率高）
传统中小批生产存在的问题：
①生产计划、组织管理复杂化；②零件从投料到成品的总生产时间（生产周期）较长（等待、运输时间占90%）；③生产准备工作量大（每个产品设计、工艺准备、调整“从头开始”）；④限制了先进技术的采用。
（二）成组技术（GT）原理
成组技术——将相似的问题归为成组，用同一方法解决。
成组加工——将相似的零件归类成组，用同一工艺方案及同一组设备加工，（将各零件分散的小生产量汇集成较大的成组生产量，从而使中小批生产获得接近于大批生产的经济效果）
零件的相似性：
形状结构、工艺特点，在产品中的作用
（三）成组技术的应用
1、产品设计（拟定相似性标准以备设计检索，重复使用设计信息）
2、制造工艺（标准化的成组工艺过程，成组夹具、成组加工设备）
3、生产组织管理（按模块化原理组织生产）
成组技术的应用可概括为：
①事务的集中进行，②事务的标准化、规范化，③信息的重复使用
二、派生式CAPP
工作原理：
利用零件相似性检索现有工艺的一种软件系统。
要求先对零件编码，根据编码确定所属零件族，调用该族零件标准工艺，经过编辑修改，最终获得零件工艺规程。
派生式CAPP的特点
1）以成组技术为基础，理论上比较成熟；
2）应用范围比较广泛，有较好的实用性；
3）适用于结构比较简单的零件，尤其回转类零件；
4）继承企业较成熟的传统工艺，但系统柔性度较差；
5）对于相似性较差的复杂零件，难以编码描述。
三、创成式CAPP
工作原理：
根据零件模型和工艺信息，应用决策逻辑，模拟工艺人员决策过程，自动创成加工工艺规程，完成机床刀具选择和工艺过程优化。
创成式CAPP特点
1）通过逻辑推理，自动决策生成零件工艺规程，无需人为干预；
2）具有较高的柔性，适应范围广；
3）便于与CAD和CAM系统的集成；
4）系统实现较为困难，目前只能处理特定环境下的特定零件。
四、综合式CAPP
原理：
综合派生式CAPP采取派生与创成相结合的方法生成工艺规程，即工艺设计采用派生法，工序设计则采用创成决策方法产生。
特点：
综合派生式与创成式CAPP两者优点，具有系统简洁、快捷、灵活、实用性强的特点。
五、CAPP专家系统简介
专家系统：
是一种求解问题的智能软件系统，它把人类专家的经验和知识表示成计算机能够接受和处理的符号形式，采用专家的推理和控制策略，处理和解决只有专家才能解决的问题。
通常软件系统＝数据＋算法
专家系统＝知识＋推理
知识库：
专家系统的核心，包含常识性知识和启发性知识。
启发性知识是专家系统逻辑推理的主要知识源。
数据库：
用于存储用户输入的原始数据（事实）和推理过程的动态数据。
推理机：
是一种具有推理能力的计算机软件程序，用来控制和协调整个系统运行的软件模块。
解释模块：
对专家系统推理结果作出必要解释，使用户了解专家系统推理过程，接受所推理的结果。
知识获取模块：
将人类专家的专门知识提取出来，经整理转化为计算机内部数据结构形式，是知识库建立和维护的工具和手段。
用户接口模块：
将专家和用户输入的信息转换为系统可以接受的形式，同时把系统的推理结论转换为人类易于理解的形式。
专家系统特点：
启发性：
能使用判别性知识以及已确定的理论知识进行推理；透明性：
能解释其推理过程；灵活性：
能把新知识不断加入已有知识库，使其逐步完善和精练。
专家系统的知识表示：
产生式规则法、语义网络法和框架表示法是目前较为流行的知识表示方法。
第五章数控加工编程——CAM
§5.1数控编程方法及其发展
一、概述
1、数控加工的应用
（1）优点：
①加工精度高，质量稳定；②生产效率高（可提高20%-70%）；③自动化程度高，减轻工人劳动强度；④加工成本低（省去许多专用工装）；⑤生产准备时间短，适应产品快速更新换代；⑥柔性高，加工范围广；⑦有利于实现CAD/CAPP/CAM集成。
对形状复杂、精度要求高、批量小的产品，优越性更高。
（2）数控机床分类：
①按加工方式：
钻铰、车、铣、磨、线切割等②按控制轴数：
点位式、两坐标、三坐标、……
（3）数控技术发展：
NC——早期数控的控制功能由硬件（电子元件装置）实现。
CNC——计算机数字控制（控制装置为微机）。
DNC——（直接数字控制）分布式数字控制，每台机床由各自的微机控制，相关的机床又通过专用网络与一台中央主机连接。
2、数控编程及加工
数控机床加工时需预先按图纸及工艺要求进行工序详细设计（决定操作顺序、加工尺寸、选刀、切削用量、刀具轨迹等）——将这些内容记录在控制介质（穿孔带、磁带等）上——输入机床——控制加工。
二、数控编程的指令代码
国际ISO-1056-1975E标准
国内JB3208-83标准（等效）
1、准备功能指令——“G”指令
命令数控机床进行何种运动，为插补运算作准备
如：
G00——点定位，将工件定位到编程位置上
G01——直线插补
G02——顺时针方向圆弧插补
G03——逆时针方向圆弧插补
G17——XY平面选择
G18——ZX平面选择
G19——YZ平面选择
G33——螺纹切削，等螺距
G40——取消刀具补偿
G41——刀具补偿（左）
G42——刀具补偿（右）
G60-G79——保留用于点位系统
G80——取消固定循环
G81-G89——用于镗孔、钻孔、攻螺纹的固定循环
G90——绝对坐标编程
G91——相对坐标编程
G97——主轴每分钟转数……
2、辅助功能指令——“M”指令
机床操作的辅助功能（开、停等）命令，与插补运算无关
如：
M00——程序停机
M03——主轴顺时针方向旋转
M04——主轴逆时针方向旋转
M05——主轴停转
M06——换刀
M07——2号冷却液开
M08——1号冷却液开
M09——冷却液关
M10——夹紧
M11——松开……
3、其它——“F”、“S”、“T”指令（给出切削参数等）
§5.3手工编程方法
一、手工数控编程内容与步骤
编程步骤：
1、分析零件图样，进行工艺处理：
①确定加工方案，选择设备；
②确定零件装夹方法，选择夹具；
③确定走刀路线（保证精度；最短路线；便于计算）
④确定对刀点（刀具相对工件运动起点，程序原点）
⑤确定刀具；
⑥确定切削参数。
2、数值计算：
根据零件的几何形状和加工路线，计算出刀位数据（被加工几何元素的起点、终点、圆心等坐标），得到刀具运动轨迹。
误差处理：
①逼近误差②插补误差③圆整误差
3、编写零件加工程序：
按数控机床使用的程序格式和指令代码编写。
4、制备控制介质及输入程序：
（穿孔带、磁带、人机交互输入、计算机直接通讯）
5、程序校验及首件试切
三、数控铣床加工程序编制
N1G92X0Y0Z1；
N2S300M03；
N3G90G00X-5.5Y-6；
N4Z-1.2M08；
N5G41G01X-5.5Y-5D03F2.4；
N6Y0；
N7G02X-2Y3.5R3.5；
N8G01X2Y3.5；
N9G02X2Y-3.5R3.5；
N10G01X-2Y-3.5；
N11G02X-5.5Y0R3.5；
N12G01X-5.5Y5；
N13G40G00X-5.5Y6M09；
N14Z1M05；
N15X0Y0M30；
第六章计算机辅助工程
——相关使能技术简介
§6.1计算机辅助质量系统CAQ
一、概述
（一）质量管理的发展
1、质量检验阶段：
上世纪初—30年代末企业内设专职人员，按产品技术标准，用各种测试手段对零部件和成品进行检查，不允许不合格品进入下一工序（出厂）。
特点：
以事后检验为主体（被动检验），对不合格品的产生缺乏控制手段。
2、统计质量控制阶段：
1924年提出（美）将数理统计方法引入质量管理，由单纯依靠事后检验发展到工序管理，即
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