机械CADCAM复习资料全 精品.docx
《机械CADCAM复习资料全 精品.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《机械CADCAM复习资料全 精品.docx（37页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
机械CADCAM复习资料全精品
机械CAD-CAM复习资料全
第一章
CAD/CAM的定义、功能及应用：
CAD定义：
ComputerAidedDesign（计算机辅助设计）的简称。
计算机辅助设计是将人和计算机的最佳特性结合起来，辅助进行产品的设计与分析的一种技术，是综合了计算机与工程设计方法的最新发展而形成的一门新兴学科。
还可以定义为：
工程技术人员以计算机为工具，用自身的专业知识，对产品进行几何造型、分析计算、绘图和编写技术文件等设计活动的总称。
CAD的功能：
工程设计的过程包括设计需求分析、概念设计、设计建模、设计分析、设计评价和设计表示，CAD的功能就是在工程设计的过程中起相应的作用。
CAM（ComputerAidedManufacturing）到目前为止还没有明确的定义。
是指计算机在制造领域有关应用的统称，有广义和狭义之分。
广义CAM指利用计算机辅助完成从毛坯到产品制造过程中直接和间接的各种活动。
包括工艺准备（计算机辅助工艺设计，工装设计、制造，NC编程），生产作业计划，物流过程的运行控制（物料加工、装配、检验、输送、储存等生产活动）。
狭义CAM通常指数控程序的编制，包括刀具路线的规划、刀位文件的生成、刀具轨迹仿真以及NC代码的生成。
CAD/CAM技术在机械工业中的主要应用有以下几个方面：
（1）二维绘图。
（2）图形及符号库。
（3）参数化设计。
（4）三维造型。
（5）工程分析。
（6）生成设计文档及报表。
（7）数控加工
举例说明CAD/CAM系统硬件及软件：
系统软件指操作系统和系统实用程序等，它用于计算机的管理、控制和维护。
1．操作系统。
如Windows2000/xp/NTUNIX（工作站，微机）等。
2．计算机语言及编译系统。
如Basic、Fortran、Pascal、C/C++等，这些高级语言均有相应的编译系统。
3．系统实用程序。
支撑软件1、图形处理软件。
负责CAD的绘图，如AutoCAD。
2、几何建模软件。
Pro/E等。
3、数据库管理系统。
如FoxBASE，FoxPRO，工程数据库等。
计算方法库：
如解线性方程组优化方法软件4、工程分析及计算软件有限元分析软件：
如ANSYS等机构分析及机构综合的软件系统动态分析软件。
5、文档制作软件。
如WPS，WORD等
应用软件应用软件是用户为解决各类实际问题，在系统软件的支持下而设计、开发的程序，或利用支撑软件进行二次开发形成的程序，如模具设计软件、电器设计软件等。
应用软件的功能和质量直接影响CAD/CAM系统的功能和质量。
典型的CAD/CAM系统的硬件
计算机主机、信息存储设备（主要指外存、如硬盘、软盘、光盘等）、图形输入设备（键盘、鼠标、扫描仪等）、图形输出设备（显示器、绘图仪、打印机等）及网络设备、多媒体设备、数控机床、检测设备、物流设备等组成。
CAD/CAM系统的类型：
1、检索型CAD/CAM系统
检索型CAD/CAM系统主要用于产品结构及其零部件已实现标准化、系列化及模块化的产品，它们的零部件图及装配图已转化为程序存储于计算机中，在设计过程中，根据给出参数的具体数值按要求检索出所需要的零部件图，在计算机上装配成产品图，并对产品性能进行校核，满足要求后，输出所需的各种技术文件及图纸。
2、自动型CAD/CAM系统
自动型CAD/CAM系统能根据产品性能规格要求在输入基本参数后，不需人工干预，计算机能根据规定的程序，自动完成设计工作，输出产品设计全部图纸及技术文件，仅适用于设计理论成熟；计算公式确定；设计步骤及判别标准清楚；资料数据完备的产品。
3、交互型CAD/CAM系统
在机械产品设计过程中，方案的决策及结构布置要完全实现自动化设计是非常困难的，有时也是不可行的，设计过程中往往需要设计人员的随时参与，由此产生了交互型CAD/CAM系统。
它充分发挥了人与计算机二者的长处，即：
计算机的高速运算能力和严格的逻辑判断及大量信息的存储能力和设计人员长期积累的智慧和丰富的经验。
交互型CAD/CAM系统在产品设计工作中具有较实用的价值，并且在实现上相对也容易一些。
4、智能型CAD/CAM系统
将人工智能技术、专家系统技术与普通CAD/CAM系统结合起来，便产生了智能型CAD/CAM系统。
它主要由知识库、推理机、实时系统、知识获取系统以及人机接口等组成。
智能型CAD/CAM系统可以对产品设计的全过程进行支持。
CAD/CAM技术的发展趋势：
1集成化，
提高集成水平是CAD/CAM系统发展的一个重要方向,必须在以下几方面提高水平：
从传统的实体造型到参数化特征造型的转变必须有自己统一的数据库及其管理系统解决好不同CAD/CAM系统间产品模型数据的转换问题集成系统内部应该包括种类更多、功能更为完善的设计与制造应用软件解决好网络通信问题，使不同节点及不同地区的用户能够协同工作。
2网络化
提供多学科领域开发团队的协同产品开发支持跨部门、跨行业、跨地域的企业协作，提供数据共享、知识共享、资源共享。
3智能化
现有的CAD/CAM技术在机械设计中只能处理数值型的工作，包括计算、分析与绘图
在设计活动中存在另一类符号推理型工作，将人工智能技术，特别是专家系统的技术，与传统CAD/CAM技术结合起来，形成智能化CAD/CAM系统是机械CAD/CAM发展的必然趋势。
4标准化
面向图形设备的标准CGI，面向用户的图形标准GKS,OPENGL，面向不同CAD/CAM系统的数据交换标准IGES和STEP，事实标准：
CATIA与UG文件格式，DXF，X_T，SET等。
第三章
几何造型技术又称为几何建模技术，是利用计算机以及图形处理技术来构造物体的几何形状，模拟物体的动、静态处理过程的技术。
这种技术能将物体的形状及其属性（颜色、材质、精度）存储在计算机内，形成该物体的三维几何模型，这个模型是对原物体的确切的数学描述或是对原物体某种状态的真实模拟。
这个模型将为各种不同的后续应用提供信息（例如：
由模型产生有限元网格；由模型生成数控加工刀具轨迹，进行碰撞、干涉检验；VM；机床模型；刀具模型；夹具模型；零件模型）。
几何造型系统：
通常把能够定义、描述、生成几何模型，并能交互地进行编辑的系统称为几何造型系统
三维几何造型在CAD/CAM中的应用
三维几何造型在CAD/CAM中主要应用在设计、图形、制造和装配四个方面。
（1）设计能随时显示零件形状，并能利用剖切来检查诸如壁的厚薄，孔是否相交等问题。
能进行物体的物理特性计算；如计算体积、面积、重心、惯性矩等。
能检查装配中的干涉。
能作运动机构的模拟等等。
（2）图形产生二维工程图，包括零件图，装配图等。
（3）制造能利用生成的三维几何模型进行数控自动编程及刀具轨迹的仿真。
此外还能进行工艺规程设计等。
（4）装配在机器人及柔性制造中利用三维几何模型进行装配规划、机器人视觉识别、机器人运动学及动力学的分析等。
特征造型的两种方式
1、特征识别是根据已有的几何模型进行相应的特征识别，并加以定义，实现特征建模。
有交互式和系统自动识别两种方式。
特征识别+特征提取
2、特征设计基于特征的造型技术，由设计人员调用特征造型系统中的特征，通过增加、删除和修改等操作建立零件特征模型。
它所遵循的思想是利用具有工程意义与确定形状的特征直接构造零件模型。
3.2三维几何造型系统的几种模型
几何造型系统发展至今，先后出现了线框模型、表面模型、实体模型、特征模型等，这几种模型代表了几何形体在计算机内的不同存储方式，本节从工程角度出发，介绍这几种模型的原理与计算机表达
3.2.1线框模型
1、建模
线框模型是用顶点和棱边表示三维形体，其棱边可以为直线、圆弧、二次曲线及样条曲线组成。
它的计算机表示包括两方面的信息：
一类是几何信息，记录各顶点的坐标值，即顶点表；另一类是拓扑信息，记录定义每条边的两个端点，即棱线表。
实际物体是顶点表和棱线表相应的三维映象。
2、优缺点
优点结构简单，计算机内部易于表达，绘制快速；物体的三维数据可以产生任意视图，为生成工程图带来了方便。
缺点：
有二义性，缺少表面轮廓信息，当形状复杂、棱线过多时，会引起模糊理解。
在数据结构中缺少边与面、面与体之间关系的信息。
从原理上讲，此种模型不能消除隐藏线、计算物性、生成数控加工刀具轨迹、有限元网格剖分、物体干涉检验等，缺少拓扑信息，即边与面、面与体之间关系的信息，因此不能构成实体。
3.2.2表面模型表面模型也称曲面模型，通常用于构造复杂的曲面物体，构造时常常利用线框功能，先构造一线框图，然后用扫描或旋转等手段变成曲面，也可以直接利用系统提供的许多曲面图素来建立各种曲面模型。
表面模型在计算机中的存储与线框模型相比多了一个面表，记录了边、面间的拓扑关系。
优点：
（1）能实现消隐、着色、表面积计算、二曲面求交、数控刀具轨迹生成、有限元网格划分等。
（2）擅长构造复杂的曲面物体，如模具、汽车、飞机等表面。
缺点：
（1）缺乏面间的拓扑关系，依然不能构成实体，有时产生对物体二义性理解。
2）操作比较复杂，要求操作者具备曲面建模的数学知识，因此要对操作者进行一定的培训。
3.2.3实体模型（SolidModel）
1、建模
实体模型与表面模型不同之处在于确定了表面的哪一侧存在实体这个问题。
用有向棱边的右手法则确定所在面外法线的方向，如规定正向指向体外。
如此只需将上图的面表改为如下，即可确切地分清体内体外，形成实体模型。
2、优缺点
优点：
（1）包含的信息全面，不仅记录了全部几何信息，而且记录了全部点、线、面、体的拓扑信息。
（2）无二义性。
可以消隐、剖切、有限元网格划分、生成NC刀具轨迹。
（3）可计算物理特性。
实体造型包括两部分：
（1）体素定义和描述
（2）体素间的布尔运算（构成复杂实体的有效工具。
3.3三维实体表示方法
目前实体造型系统开发中使用的三维实体表示方法有许多，广泛采用的两种方法是几何实体构造法和边界表示法。
它们分别是早期和近期CAD开发中三维形体表示的主要方法，其他表示方法还有扫描表示法、八叉树表示法、基本体素表示法、空间分割法、实体参数表示法等。
3.3.1几何实体构造法
几何实体构造法（CSG：
ConstructiveSolidGeometry）是用简单实体通过集合运算交、并、差构造复杂实体的方法。
是目前最常用的、最重要的一种三维实体表示方法。
严格来说CSG法是由简单的正则集合经过正则集合运算构成复杂实体的方法。
用CSG法构造的实体模型在计算机中是通过用CSG树的形式加以表达的，通常采用二叉树的形式加以描述。
用CSG树表示一个形体是无二义性的，但一个形体可以有不同的CSG树表示，取决于使用的体素、构造操作方法和操作顺序。
优点：
（1）数据结构比较简单，信息量小，易于管理；
（2）每个CSG都和一个实际的有效形体相对应；（3）CSG树记录了形体的生成过程，可修改形体生成的各环节以改变形体的形状。
缺点：
（1）不能进行形体的局部修改，如面、边、点等
（2）直接基于CSG表达形体，其组合运算及显示效率很低。
Brep表示法的优点：
（1）表示形体的点、线、面等几何元素是显式表示、使得形体的显示很快并且很容易确定几何元素之间的连接关系；
（2）可对Brep法的形体进行多种操作和局部修改
缺点：
（1）数据结构复杂，需要大量存储空间，维护内部数据结构及一致性的程序较复杂；
（2）对形体的修改操作较难实现。
第6章计算机辅助工程分析
一、计算机辅助工程分析概述
二、有限元法
三、优化设计方法
四、仿真
机械产品设计过程的一个重要环节是分析、计算，包括：
（1）对产品几何模型进行分析、计算；
（2）通过应力变形进行结构分析；
（3）对设计方案进行分析，评价等。
传统的分析方法一般比较粗略，尤其是结构分析对象的模型往往经过了较大的简化，有时引入了难以令人置信的假设，致使有些分析结果不甚可靠。
因此，这种传统的分析方法只能用来定性地比较不同方案的好坏。
近三十年来，由于计算机的应用以及测试手段的不断改进和完善，机械设计已由静态、线性分析向动态、非线性过渡；由经验类比设计向最优化过渡；由人工计算向自动计算、由近似计算向精确计算过渡，以适应产品向高效、高速、高精度、低成本等现代化要求发展的需要。
在这种前提下，将计算机引入工程分析领域，这是机械设计中的一场巨大变革。
利用计算机辅助工程分析的关键是在三维实体建模的基础上，从产品的方案设计阶段开始，按照实际使用的条件进行仿真和结构分析；按照性能要求进行设计和综合评价，以便从多个设计方案中选择最佳方案。
因此，计算机辅助工程分析通常包括有限元法、优化设计、仿真技术、试验模态分析等方面。
计算机辅助工程分析已成为CAD／CAM中不可缺少的重要环节。
6.1.1有限元法简介
1、提出：
1960年，美国Clogh教授首次提出“有限元法”这个名词。
从此，有限元法正式作为一种数值分析方法出现在工程技术领域。
2、有限元法的基本思想：
先把原来是连续的物体剖分（离散）成有限个单元，且它们相互连接在有限个节点上（如图所示），承受等效的节点载荷，并根据平衡条件来进行分析，然后根据变形协调条件把这些单元重新组合起来，成为一个组合体，再综合求解。
由于单元的个数是有限的，节点数目也是有限的，所以称为有限元法。
3、有限元法常用的单元类型：
在采用有限元法对结构进行分析计算时，依据分析对象的不同，采用单元类型也不同。
常见的单元类型有：
杆单元（如图a）、梁单元（如图b，c）、板单元（如图d，e）、轴对称单元（如图f，g）、薄板弯曲单元（如图h，i）、板壳单元（如图j）、多面体单元（如图k，l）等。
用有限元法进行结构分析时，需要输入大量的数据，这些数据如果采用人工输入，工作量大、繁琐枯燥且易于出错。
当结构经过有限元分析后，亦会输出大量数据，对这些数据的观察和分析也是一项细致而难度较大的工作。
因此有限元计算程序应具备前置处理和后置处理的功能。
有限元前后置处理类型：
（1）将几何建模系统与有限元分析系统有机结合，在建模系统中将有限元的前后置处理作为线框模型、表面模型、实体模型的应用层。
即把几何模型的几何参数和拓扑关系等数据进行加工，自动剖分成有限元的网格，然后输入有限元分析需要的其它数据，生成不同有限元分析程序所需的数据网格文件。
（2）单独为某一个有限元分析程序配置前后处理功能程序，并把二者集成为一套完整的有限元分析系统，它同时具有批处理和图形编辑功能。
一、前置处理
1、什么是前置处理？
所谓前置处理是在用有限元法进行结构分析之前，按所使用的单元类型对结构进行剖分；根据要求对节点进行顺序编号；输入单元特性及节点坐标；生成网格图象并在荧光屏上显示；为了决定它是否适用或者是否应当修改，显示的图象应带有节点和单元标号以及边界条件等信息；为了便于观察，图象应能分块显示、放大或缩小。
对于三维结构的网格图象需要具备能使图象作三维旋转的功能，等等。
以上内容一般称之为前置处理，为实现这些要求而编制的程序称为前置处理程序。
2、前置处理程序的基本功能
（1）生成节点坐标:
可手工或交互输入节点坐标；绕任意轴旋转生成或沿任意矢量方向平移生成一系列节点坐标；在一系列节点之间生成有序节点坐标；生成典型图、体的节点坐标；合并坐标值相同的节点，并按顺序重新编号。
（2）生成网格单元:
可手工输入单元描述及其特征；可重复进行平移复制、旋转复制、对称平面复制已有的网格单元体。
（3）修改和控制网格单元:
对已剖分的单元体进行局部网格密度调整，如重心平移、预置节点、平移、插入或删除网格单元；通过定位网格方向及指定节点编号来优化处理时间；合并剖分后的单元体以及单元体拼合。
（4）引进边界条件:
引进边界条件，约束一系列节点的总体位移和转角。
（5）单元物理几何属性编辑:
定义材料特性，对弹性模量、波松比、惯性矩、质量密度以及厚度等物理几何参数进行修改、插入或删除。
（6）单元分布载荷编辑:
可定义、修改、插入和删除节点的载荷、约束、质量、温度等信息。
二、后置处理
所谓后置处理，即将有限元计算分析结果进行加工处理并形象化为变形图、应力等值线图、应力应变彩色浓淡图、应力应变曲线以及振型图等，以便对变形、应力等进行直观分析和研究。
为了实现这些目的而编制的程序，称为后置处理程序。
6.2优化设计
1、设计变量
设计中，可以用一组对设计性能指标有影响的基本参数来表示某个设计方案。
其中有些基本参数可以根据工艺、安装和使用要求预先确定，而另一些则需要在设计过程中进行选择。
那些需要在设计过程中进行选择的基本参数被称为设计变量。
机械设计常用的设计变量有：
几何外形尺寸（如长、宽、高、厚等）；材料性质；速度、加速度、效率、温度等。
机械优化设计时，作为设计变量的基本参数，一般是一些相互独立的参数，它们的取值都是实数。
2、目标函数
定义：
根据特定目标建立起来的、以设计变量为自变量的、一个可计算的函数称为目标函数，它是设计方案评价的标准。
目标函数统一描述为：
minF（X）＝F（x1，x2，…，xn）
目标函数与设计变量之间的关系可以用几何图形形象地表示出来。
如，单变量时，目标函数是二维平面上的一条曲线；双变量时，目标函数是三维空间的一个曲面。
3、约束条件
为产生一个可接受的设计而对设计变量取值施加的种种限制称为约束条件。
约束条件一般表示为设计变量的不等式约束函数和等式约束函数形式。
约束条件一般分为边界约束和性能约束两种。
（1）边界约束又称区域约束，表示设计变量的物理限制和取值范围。
如在贮料箱设计中，可得边界约束条件为：
（2）性能约束
又称性态约束，是由某种设计性能或指标推导出来的一种约束条件。
属于这类设计约束的如零件的工作应力、应变的限制；对振动频率、振幅的限制；对传动效率、温升、噪声、输出扭矩波动最大值等的限制；对运动学参数如位移、速度、转速、加速度的限制等。
这类约束条件，一般总可以根据设计规范中的设计公式或通过物理学和力学的基本分析导出的约束函数来表示。
4、数值迭代计算方法
数值迭代是计算机常用的计算方法，也是优化设计的基本数值分析方法。
它用某个固定公式代入初值后反复进行计算，每次计算后，将计算结果代回公式，使之逐步逼近理论上的精确解，当满足精度要求时，得出与理论解近似的计算结果。
用数值迭代法进行优化设计，其基本思想是：
在设计空间选定一个初始点x（0），从这一点出发，按照某一优化方法所规定的原则，确定适当的方向方向s（0）与步长a（0）进行搜索，获得一个使目标函数值有所改进的新设计点x
（1），再以x
（1）点作为新的始点重复上述过程。
这样依次迭代，可得x
（2），x（3），…，x（k-1），x（k）x（k+1）等设计点、最后求出满足设计精度要求的、逼近理论最优点的近似最优点x*。
例如：
求x3－x－1=0的根
6.2.2优化设计的数学模型
建立数学模型是进行优化设计的首要关键任务，前提是对实际问题的特征或本质加以抽象，再将其表现为数学形态。
建立数学模型的一般过程为：
（1）分析设计问题，初步建立数学模型
建立数学模型有三种途径：
1）抽象理论数学模型2）拟合近似数学模型3）提炼数值仿真模型
（2）抓住主要矛盾，确定设计变量
一般情况下，限制优化设计变量的个数有利于设计问题数学模型的简化。
通常参照以往的设计经验和实际要求，尽可能地将那些对目标函数影响不大的参数取为常量。
（3）根据工程实际，提出约束条件
约束条件是对设计变量的限制，这种限制必须要根据工程实际情况来制订，以便使设计方案切实可行。
约束条件的数目多，则可行的设计方案。
（4）对照设计实例，修正数学模型
（5）正确求解计算．估价方法误差
（6）进行结果分析，审查模型灵敏性
6.2.3优化设计方法
优化设计方法的种类很多，根据讨论问题的不同方面，有不同的分类方法。
如根据是否存在约束条件，可分为有约束优化和无约束优化；根据目标函数和约束条件的性质，可分为线性规划和非线性规划；根据优化目标的多寡，可分为单目标优化和多目标优化等。
6.2.4选择优化方法时应考虑的因素
目前，优化设计软件已成为一种比较成熟的软件产品。
在CAD／CAM中应尽可能选用现成的优化方法软件，以节省人力、机时，尽快得到优化设计结果，满足CAD／CAM的需要。
需要考虑因素：
⏹优化设计问题的规模，即设计变量数目和约束条件数目的多少。
⏹目标函数和约束函数的非线性程度、函数的连续性、等式约束或不等式约束以及函数数值计算的复杂程度。
⏹优化方法的收敛速度、计算效率，稳定性、可靠性，以及解的精确性。
⏹是否有现成程序；程序使用的环境要求、通用性、简便性、执行效率、可靠程度等
6.2.5优化设计的一般过程
机械优化设计过程，一般可分为以下几个阶段：
（1）根据机械产品的设计要求，确定优化范围。
（2）分析优化对象，准备各种技术资料。
（3）建立合理而实用的优化设计数学模型。
（4）选择合适的优化方法。
（5）选用或编制优化设计程序。
（6）计算机求解，优选设计方案。
（7）分析评价优化结果。
6.3仿真
仿真顾名思义，模仿真实的系统，意指通过对模拟系统的实验去研究一个存在或设计中的系统。
仿真的关键是建立从实际系统抽象出来的仿真模型。
1、仿真的类型
仿真是在模型上进行反复试验研究的过程。
因为模型有物理模型与数学模型，故仿真也有物理仿真与数学仿真
（1）物理仿真
物理模型与实际系统之间具有相似的物理属性，所以，物理仿真能观测到难以用数学来描述的系统特性，但要花费较大的代价。
根据仿真模型中物理模型占据的比例又分为半物理仿真和全物理仿真。
半物理仿真的模型，有一部分是数学模型，另一部分是已研制出来的产品部件或子系统，从而对产品整体性能和实际部件或子系统进行功能测试。
全物理仿真的模型则全部是实物模型。
（2）数学仿真
又称计算机仿真。
即建立系统（或过程）的可以计算的数学模型（仿真模型），并据此编制成仿真程序放入计算机进行仿真试验，掌握实际系统（或过程）在各种内外因素变化下，性能的变化规律。
2、计算机仿真的应用类型
（1）系统分析和设计。
例如柔性制造系统的仿真，在设计阶段，通过模型仿真来研究系统在不同物理配置情况下和不同运行策略控制下的特性，从而预先对系统进行分析、评价，以获得较好的配置和较优的控制策略；系统建成后，通过仿真，可以模拟系统在不同作业计划输入下的运行情况，用以择优实施作业计划，提高系统的运行效率。
（2）制成训练用的仿真器。
例如飞行模拟器、船舶操纵训练器、汽车驾驶模拟器等。
这些仿真器既可以保证被训练人员的安全，也可以节省能源，缩短训练周期。
3、计算机仿真的特点
（1）以计算机为实验环境，依赖实际系统的抽象仿真模型。
（2）计算机仿真结果是实验解，而不是纯粹的数学解析或数值分析解。
（3）既能展示实际系统的模拟静态，又能直观表演系统的动态特性。
6.3.2计算机仿真的一般过程
计算机仿真的基本方法是将实际系统抽象描述为数学模型，再转化成计算机求解的仿真模型，然后编制程序，上机运行，进行仿真实验并显示结果。
其一般过程为：
1、建立数学模型2、建立仿真模型3、编制仿真程序4、进行仿真实验5、结果统计分析6、仿真工作总结
计算机仿真的广泛应用具有十分重要的意义
（1）替代许多难以或无法实施的实验
（2）解决一般方法难以求解的大型系统问题（3）降低投资风险、节省研究开发费用（4）避免实际实验对生命、财产的危害（5）缩短实验时间、不受时空限制
6.3.3仿真在
升级会员 