机械CADCAM基础习题解答.docx
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机械CADCAM基础习题解答
华中科技大学出版社习题解答
1、简述CAD/CAM集成的基本概念。
答：
集成是指将基于信息技术的资源及应用聚集成一个协同工作的整体，集成包含功能交互、信息共享以及数据通信三个方面的管理与控制。
1、定义术言“有限元”。
答：
有限元法是用有限数量的单元将作为分析对象的结构连续体进行网格离散化，并通过这些单元的位移、应变和应力的近似求解来分析结构连续体的整体位移、应变和应力的一种数值方法。
2、如何理解有限元法中的“离散”概念？
答：
有限元法是基于固体流动的变分原理，以数学上平衡微分方程、几何上变形协调方程和物理上的本构方程作为基本的理论方程，结合圣维南原理和虚位移原理作为解决问题的手段，通过求解离散单元在给定边界条件、载荷和材料特性下所形成的线形或非线形微分方程组，从而得到结构连续体的位移、应力、应变和内力等的结果。
其描述的准确性依赖于单元细分的程度（即几何相似性）、载荷的真实性、材料力学参数的可信度、边界条件处理的正确程度（即力学相似性）等。
简言之，有限元法就是一个基于下列基本假设上的“化整为零”的分析方法和“积零为整”的研究方法。
3、列出有限元法的5种优点。
答：
连续性、均匀性、同向性、线弹性和小变形。
4、列举和简要说明有限元法的一般步骤。
答：
有限元法求解问题的基本步骤为：
1、问题及求解域定义；2、求解域离散化；3、确定状态变量及控制方法；4、单元推导；5、总装求解；6、联立方程组求解和结果解释。
6、如何理解优化设计方法与传统设计方法的异同点，以及优化设计方法较传统设计方法有何优势。
答：
传统设计所遵循的“原始方案→计算和校核→调整方案→再计算和校核→…”的设计流程，是以牺牲设计效率和质量为代价的相对繁琐和耗时的设计方法，随着设计越来越系统化，设计规模越来越大型化，该方法已经越来越不能满足设计的时效和精度要求。
代之而起的优化设计方法则采用数学方法和计算机的“自动探索”，来代替传统设计所遵循的设计流程。
17、建立系统模型的意义何在？
模型建立的一般步骤是什么？
答：
我们所面对的系统大多数并不具备真实试验的可行性，这时就需要按照实际系统建立出系统相关抽象的模拟模型即系统模型并对之进行研究，然后依据这个系统模型的分析结果来推断实际系统的各种可能的工作状况。
这里为保证一定的系统模拟精度，实际系统和相应的系统模型就必须要具有一定的相似性和同形性。
模型建立的一般步骤是：
1）理解系统的功能原理并提出所建模型的目的和要求；2）分清系统的主、次要要素及各种因果关系；3）用数学符号表示要素及各种因果关系的定义；4）其他可以定量描述的相关内容的补充及数学描述；5）联立以上各种结构的数学关系，构成系统的数学模型；6）实验研究并就其结果判断模型符合真实系统的程度；7）根据模型符合真实系统的程度对模型作必要的修改。
当然，数学模型的一般构造步骤也可以认为仅包括上述的第1）~5）步，而第6）和7）步，将是计算机仿真的有关内容。
1、举例说明CAD/CAM中建模的概念及其过程。
答：
当人们看到三维客观世界中的事物时，对其有个认识，将这种认识描述到计算机内部，让计算机理解，这个过程称为建模。
在CAD／CAM中，建模的步骤：
首先对物体进行抽象，得到一种想象中的模型；然后将这种想象模型以一定格式转换成符号或算法表示的形式，形成信息模型，该模型表示了物体的信息类型和逻辑关系；最后形成计算机内部的数字化存储模型。
通过这种方法定义和描述的模型，必须是完整的、简明的、通用的和唯一的，并且能够从模型上提取设计、制造过程中需要的全部信息。
因此，建模过程实质就是一个描述、处理、存储、表达现实物体及其属性的过程。
2、什么是几何建模技术？
几何建模技术为什么必须同时给出几何信息和拓扑信息？
答：
所谓的几何建模就是以计算机能够理解的方式，对几何实体进行确切的定义，赋予一定的数学描述，再以一定的数据结构形式对所定义的几何实体加以描述，从而在计算机内部构造一个实体的几何模型。
通过这种方法定义、描述的几何实体必须是完整的、唯一的，而且能够从计算机内部的模型上提取该实体生成过程中的全部信息，或者能够通过系统的计算分析自动生成某些信息。
几何信息是指构成三维形体的各几何元素在欧氏空间中的位置和大小，它可以用具体数学表达式来进行定量描述。
拓扑是研究图形在形变与伸缩下保持空间性质不变的一个数学分支。
拓扑不管物体的大小，只管图形内的相对位置关系。
拓扑信息反映三维形体中各几何元素的数量及其相互间连接关系。
各种几何元素相互间的关系构成了形体的拓扑信息。
如果拓扑信息不同，即使几何信息相同，最终构造的实体可能完全不同。
3、试分析三维几何建模的类型及其应用范围。
答：
线框建模：
不适用于对物体需要进行完整性信息描述的场合，一般使用在适时仿真技术或中间结果显示上。
表面建模：
增加了面、边的拓扑关系，因而可以进行消隐处理、剖面图的生成、渲染、求交计算、数控刀具轨迹的生成、有限元网格划分等作业；但表面模型仍缺少体的信息以及体、面间的拓扑关系，无法区分面的哪一侧是体内或体外，仍不能进行物性计算和分析。
实体建模：
可对实体信息进行全面完整的描述，能够实现消隐、剖切、有限元分析、数控加工，对实体着色、光照及纹理处理、外形计算等各种处理和操作。
4、实体建模的方法有哪些?
答：
实体建模的方法有：
体素调用法，空间位置枚举法，单元分解法，扫描变换表示法，体素构造表示法和边界表示法。
5、实体建模中是如何表示实体的？
答：
实体模型提供了面和体之间的拓扑关系。
在实体模型中，面是有界的不自交的连通表面，具有方向性，其外法线方向是根据右手法则由该面的外环走向确定，其中的环，是由有向边有序围成的封闭边界，确定面的最大外边界的环叫外环，按逆时针走向，面中的孔或凸台周界的环叫内环，按顺时针走向。
6、什么是体素？
体素的交、并、差运算是何含义？
答：
体素的定义方式有两类：
一类是基本体素，另一类是扫描体素。
基本体素可以通过输入少量的参数定义。
扫描体素又可以分为平面轮廓扫描体素和三维实体扫描体素。
平面轮廓扫描法是一种将二维封闭的轮廓，沿指定的路线平移或绕任意一个轴线旋转得到的扫描体。
三维实体扫描法是用一个三维实体作为扫描体，让它作为基体在空间运动。
体素的交运算结果是多个体素的重合部分；并运算的结果是多个体素包含的所有部分；差运算的结果是一个体素包含的部分减掉重合部分。
7、简述边界表示法的基本原理和建模过程。
答：
边界表示法的基本思想是将物体定义成由封闭的边界表面围成的有限空间。
这样一个形体可以通过它的边界，即面的子集来表示。
边界表示法强调的是形体的外表细节，详细记录了形体的所有几何和拓扑信息。
边界表示的模型通常采用翼边数据结构。
在表面、棱边、顶点组成形体的三要素中，WED以边为核心来组织数据。
棱边的数据结构中包含两个点指针，分别指向该边的起点和终点，棱边被看做一条有向线段。
当一个形体为多面体时，其棱边为直线段，由它的起点和终点惟一确定。
当形体为曲面体时，其棱边为曲线段，这时必须增添一项指针指向该曲线数据。
此外，WED中另设有两个环指针，分别指向棱边所邻接的两个表面上的环，由这种边环关系就能确定棱边与相邻面之间的拓扑关系。
为了能从棱边出发搜索到它所在的任一闭环上的其他棱边，数据结构中又增设了4个指向边的指针，分别是左上边、左下边、右上边、右下边。
其中右下边表示该棱边在右面环中沿逆时针方向所连接的下一条棱边，而左上边为棱边在左面环中沿逆时针方向所连接的下一条线，其余类推。
11、何谓特征？
与实体建模相比，特征建模有何突出优点?
答：
从加工角度看，特征被定义为与加工操作和工具有关的零部件形式以及技术特征；从形体造型角度看，特征是一组具有特定关系的几何或拓扑元素；从设计角度看，特征又分为设计特征、分析特征和设计评价特征等。
优点：
特征造型则是着眼于更好地表达完整的产品技术和生产管理信息，为建立产品的集成信息模型服务；使产品设计工作在更高的层次上进行，设计人员的操作对象不再是原始的线条和体素，而是产品的功能要素；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，更好地将产品的设计意图贯彻到各个后续环节并且及时得到后者的意见反馈，为开发新一代的基于统一产品信息模型的CAD/CAPP/CAM集成系统创造条件；有助于推动行业内的产品设计和工艺方法的规范化、标准化和系列化，使得产品设计中及早考虑制造要求，保证产品结构有更好的工艺性；推动各行业实践经验的归纳总结，从中提炼更多规律性知识，以丰富各领域专家的规则库和知识库，促进智能CAD系统和智能制造系统的逐步实现。
1、什么是CAD？
什么是CAM？
什么是CAPP？
什么是CAE？
什么是CAD/CAM集成？
答：
CAD是指以计算机为工具，对产品进行包括方案构思、总体设计、工程分析、图形编辑和技术文档整理等设计活动的技术。
CAM是指借助计算机进行产品制造活动的简称，有广义和狭义之分。
广义CAM，一般是指利用计算机辅助完成从毛坯到产品制造过程中的直接和间接的各种活动。
狭义CAM，通常指数控程序的编制。
CAPP是指借助于计算机软硬件技术和支撑环境，利用计算机进行数值计算、逻辑判断和推理来制定零件机械加工工艺过程。
CAE技术是以现代计算力学为基础、计算机仿真为手段的工程分析技术。
CAD/CAM集成系统借助于工程数据库技术、网络通信技术、以及标准格式的产品数据接口技术，把分散于机型各异的各个CAD/CAM模块高效、快捷地集成起来，实现软、硬件资源共享，保证整个系统内的信息流动畅通无阻。
2、CAD/CAM集成的意义何在？
答：
随着网络技术、信息技术的不断发展和市场全球化进程的加快，出现了以信息集成为基础的更大范围的集成技术，包括信息集成、过程集成、资源集成、工作机制集成、技术集成、人机集成以及智能集成等，譬如将企业内经营管理信息、工程设计信息、加工制造信息、产品质量信息等融为一体的计算机集成制造系统CIMS（ComputerIntegratedManufacturingSystem）。
而CAD／CAM集成技术则是计算机集成制造系统、并行工程、敏捷制造等新型集成系统中的一项核心技术。
3、简述CAD/CAM硬件的类型及其特点。
答：
CAD/CAM硬件主要由主机、存储器、输入/输出设备、图形显示器及网络通信设备组成。
主机是CAD/CAM系统硬件的核心，主要由CPU、内存储器以及I/O接口组成，主机是CAD/CAM系统的指挥和控制中心，其类型和性能很大程度上决定了CAD/CAM系统的性能，如运算精度和速度。
外存储器是CAD/CAM系统中独立于内存、用于存放各种数据和代码的外部存储设备，通常用于存储CPU暂时不用的程序和数据，CAD/CAM系统的大量软件、图形库和数据库均存于外存储器中。
输入设备的特点是将各种外部数据转换成计算机能识别的编码。
输出设备是计算机实用价值的体现。
CAD/CAM系统中输出设备的作用主要是将设计的数据、文件、图形、程序、指令等显示、输出或者发送给相关的执行设备。
网络设备的特点是让越来越多的CAD/CAM系统采用网络化系统以达到资源和数据共享。
4、CAD/CAM的软件是由哪些组成的?
各组成部分在系统中起什么作用？
答：
CAD/CAM系统中的软件系统由系统软件、支撑软件和应用软件组成。
系统软件主要用于计算机的管理、维护、控制、运行以及对计算机程序的翻译和执行。
支撑软件是CAD/CAM系统的是各类应用软件的基础，由专门的软件公司开发，为用户提供工具或二次开发环境。
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,一般提供二次开发所需要的接口、语言和工具等技术支，使二次开发的软件能与应用软件本身紧密结合，构成用户实际需要的CAD/CAM系统。
5、CAD/CAM系统的基本功能和主要任务是什么？
答：
CAD/CAM系统具有以下几个方面的功能：
几何造型功能、计算分析功能、工程绘图功能、结构分析功能、优化设计功能、计算机辅助工艺规程设计（CAPP）功能、NC自动编程功能、模拟仿真功能、工程数据管理功能和特征造型功能。
CAD/CAM系统的以计算机硬件、软件为支持环境，通过各个功能模块（分系统）完成对产品的描述、计算、分析、优化、绘图、工艺规程设计、NC加工仿真、生产规划、管理、质量控制等方面的任务。
8、简要说明CAD/CAM系统支撑软件的类型和功能。
答：
从功能上可将支撑软件划分为基本图形资源与自动绘图、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6大部分。
基本图形资源软件是根据各种图形标准或规范实现的软件包，大多是供应用程序调用的图形子程序包或函数库，支持不同专业的应用图形软件开发，具有基本图形元素绘制、图形几何运算等功能；自动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，包括图形变换、编辑、存储、显示控制以及人机交互、输入/输出设备驱动等功能。
几何建模软件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，具有消隐、着色、浓淡处理、实体参数计算、质量特性计算等功能。
工程计算与分析软件的功能包括：
基本物理机械量的计算、基本力学参数计算、有限元分析、产品装配、公差分析、机构运动学分析、动力学分析、优化算法等。
仿真与模拟软件的功能是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。
专用设备控制程序的功能是针对不同类型、不同厂家的设备所用的控制方式、要求和数据各不相同的情况，生成相应的设备控制程序。
管理与集成软件的功能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，保证系统内信息流畅通，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、资源共享、提高工作效率的目的。
2、常用逻辑结构和物理结构的类型、特点。
答：
逻辑结构包括线性结构、树形结构和网状结构；物理结构包括顺序存储结构和链接存储结构。
线性结构中结点按照它们之间的关系，可以排成一个序列，所表示的关系是一对一的。
树形结构反映的关系是层次关系。
树形结构所反映的关系是一对多的。
网状结构的数据元素之间存在多对多的关系。
顺序存储结构占用存贮单元少，简单易行，结构紧凑。
但数据结构缺乏柔性，若要增删数据，必须重新分配存储单元，重新存入全部数据，因而不适合需要频繁修改、补充、删除数据的场合。
链接存储结构可独立于逻辑结构，数据在存储介质上的顺序不必与逻辑顺序一致而仍能按逻辑要求来存取数据。
5、简述曲线拟合的理论基础。
答：
曲线拟合的方法很多，最常用的是最小二乘法。
设由实验得到或绘图经离散后得到m个点：
（xi，yi），i＝1，2，…，m。
假设由这些点得到的拟合公式为y=f（x），则每个节点处的偏差为：
ei=f（xi）-yi，i＝1，2，…，m。
将所有节点的偏差取平方值并求和，让偏差平方和达到最小，因此称为最小二乘法拟合。
6、对下表所示的试验数据，分别用直线、抛物线插值法求解当x=2.05时的y值。
x
2.59
2.40
2.33
2.21
2.09
2.00
1.88
1.80
1.72
1.01
y
1.88
1.8
1.7
1.68
1.62
1.59
1.53
1.49
1.44
1.36
7、采用最小二乘法对表中的试验数据进行多项式拟合，并绘制拟合曲线。
解：
采用线性方程拟合时
求得的曲线方程为：
y=0.+0.x
8、何谓数据库系统的数据模型？
各种模型有哪些特点？
答：
数据模型是指数据库内部数据的组织方式，描述了数据之间的联系、数据的操作以及语义约束规则，是数据结构化的表现。
其实质是一组向用户提供的规则，这组规则规定了数据如何组织在一起，以及相应地允许进行何种操作。
现行数据库系统中，常用的数据模型有三种：
层次模型：
只有一个根结点；根结点以外的其它节点有且仅有一个父结点。
网状模型：
它体现了多对多的关系。
取消层次模型中的两个限制条件便形成了网状模型。
关系模型：
数据结构简单，数据独立性高，具有直观、使用方便等优点。
9、简述工程数据库的概念。
答：
所谓工程数据库，是指能满足人们在工程活动中对数据处理要求的数据库。
理想的CAD/CAM系统，应该是在操作系统支持下，以图形功能为基础，以工程数据库为核心的集成系统，从产品设计、工程分析直到制造过程中所产生的全部数据都应维护在同一个工程数据库环境中。
1、分析图形软件标准化的意义。
答：
图形软件标准是一组通用的、独立于设备的、由标准化组织发布实施的图形系统软件包，它提供图形描述、应用程序和图形输入输出接口等功能，使应用软件更易于在各系统间实现资源共享、CAD/CAM系统的集成更易于实现。
2、图形软件的常用标准有哪些？
答：
图形软件标准按其功能及在系统中的地位，可分为以下3个层次：
1、CAD系统间的数据交换标准，包括IGES初始图形交换规范、STEP产品模型数据交换标准和DXF文件；2、图形系统标准，包括GKS图形核心系统和PHIGS程序员层次交互图形系统；3、图形子功能程序和图形输入输出装置之间接口标准，包括CGM计算机图形元文件编码和CGI计算机图形接口编码。
5、利用图形变换矩阵，可以使图形产生（A、B、C、D、E）
A、比例变换B、对称变换C、旋转变换D、错切变换E、平移变换
8、已知ΔABC各顶点的坐标分别为：
A（20，15）、B（20，40）、C（40，30），分别进行下列变换：
（1）使长度方向（x方向）缩小一半，高度方向（y方向）增加一倍；
（2）使整个三角形放大为原来的1.5倍。
解：
（1）三角形的齐次矩阵表达式为：
变换矩阵为：
变换后的图形的齐次矩阵表达式为：
变换前和变换后的图形如下左图所示。
（2）三角形的齐次矩阵表达式为：
变换矩阵为：
变换后的图形的齐次矩阵表达式为：
变换前和变换后的图形如下右图所示。
13、何谓透视变换？
它能产生什么效果？
答：
透视图是采用中心投影法得到的图形，即通过透视中心（视点），将空间立体投射到二维平面（投影面）上所产生的图形。
14、按自己的理解，叙述窗口和裁剪的定义以及它们的用途。
答：
为了将图形显示到屏幕上，先用一个矩形框在世界坐标系中取出一幅图，像照相取景一样，此矩形区域称作窗口。
窗口是在用户坐标系中定义的确定显示内容的一个区域，只有在这个区域内的图形才能在设备坐标系下输出，而窗口外的部分则被裁剪掉。
为了正确显示窗口内的全部图形，必须明确地把图形分为窗口内的部分（可见部分）和窗口外的部分（不可见部分），尤其是与窗口边界相交的那些图形。
区分可见与不可见图形部分的过程称为裁剪。
第一章 CAD概论
问答题：
1.简述CAD的基本工作过程。
概念设计零部件几何造型工程分析设计评价自动绘图
2.什么是CAD？
它的基本工作过程是什么？
CAD是“ComputeraidedDesign”的缩写，即计算机辅助设计。
它的基本工作过程是：
1）概念设计；2）零部件几何造型；3）工程分析；4）设计评价；5）自动绘图。
3.什么是CAD？
与传统的设计过程相比，它有什么不同的特征？
使设计人员在计算机的辅助下对有关产品的大量资料进行检索，根据性能要求及有关数据、公式进行建模和工程分析，然后将图形显示出来，设计人员通过交互式图形显示系统对设计方案或图形作必要的干预和修改，设计结果以图纸及数据形式输出的过程。
传统的设计过程主要靠人来进行概念设计、工程计算分析和绘制图形等。
采用CAD后，充分利用了计算机速度快、精度高、存储量大等特点，由计算机来完成几何造型、工程计算分析和绘制图形等工作，而人利用自己的智慧，充分发挥创造能力，进行产品的创新。
即人与计算机发挥各自的特长，能力互补、巧妙结合，达到最佳合作效果。
4.CAD技术发展迅速的原因是什么？
1）技术基础：
计算机硬件和软件技术的迅速发展，为CAD技术的发展提供了可能性。
2）CAD的作用：
能够提高设计效率、提高设计质量、实现数据共享、实现智能设计。
CAD技术的发展几乎推动了一切领域的设计革命，彻底改变了传统的手工设计绘图方式，极大地提高了产品开发的速度和设计精度，使科技人员的智慧和能力得到了延伸。
5.一般的CAD软件系统应该包含哪几个层次的软件？
各层次软件的作用是什么？
一般的CAD软件系统应该包含三个层次的软件：
1）系统软件：
主要用于计算机管理、维护、控制及运行，及计算机程序的编译和执行。
2）支撑软件：
在系统软件基础上所开发的满足共性需要的一些通用性实用程序和软件开发的基础环境。
3）应用软件：
在系统软件、支撑软件的基础上，针对某一应用领域的需要研制的软件。
通常由用户结合设计工作的需要自行开发。
6.机电产品的CAD支撑软件包括哪些软件？
三维建模软件、图形处理软件、有限元建模和分析软件、优化设计软件、仿真软件和CAD/CAM信息处理软件。
填空题：
1.CAD的基本工作过程是概念设计、几何造型、工程分析、设计评价、自动绘图。
2.在CAD的基本工作过程中，工程分析包括设计计算、有限元分析、优化设计、仿真分析、材料计算等。
3.计算机辅助设计技术具有以下四个特点：
提高设计效率、提高设计质量、充分实现数据共享、利于实现智能化设计。
4.一个CAD系统是由硬件系统和软件系统组成。
5.一般CAD软件系统应由三个层次的基本软件组成：
系统软件、支撑软件、应用软件。
6.CAD系统的选择应该按照应用需求→应用软件→系统软件→硬件的顺序进行。
7.CAD系统的选择应首先选择软件，再根据运行环境选择硬件。
8.在选用CAD的软件系统时，应考虑性能、硬件环境、二次开发性、人机界面和技术支撑能力等几方面的问题：
。
判断题：
1.CAD系统仅用于绘制工程图纸，其主要内容为计算机图形学。
（×）
2.CAD系统可以使人与计算机取长补短，发挥各自特性，达到最佳合作效果。
（√）
3.实现自动绘图只是CAD系统的功能之一。
（√）
4.微机CAD系统将在CAD工作中占越来越大的份额。
（√）
5.建立CAD系统时，有时软件系统所需费用要大于硬件系统。
（√）
选择题：
1.CAD技术起源于一种人机对话系统，该系统为（AD）技术的发展奠定了基础。
A.交互式图形生成B.专家系统C.工程数据库D.显示
2.一般的CAD软件系统应该包含以下层次（ACD）。
A.应用软件B.硬件C.系统软件D.应用支撑软件
第二章 数据结构和数据库
问答题：
1.什么是数据结构？
数据之间的关系，即数据之间的组织形式，包括数据的逻辑结构和物理结构。
2.什么是线性表？
它有哪些特征？
可以进行什么运算？
线性表是一组有限的有序数据元素的集合，这些元素在不同情况下可以有不同的含义。
它有两个特征，一是除了表中第一个和最后一个元素外，其它的元素只有一个直接前趋和一个直接后继；二是线性表的长度为表中元素的个数。
线性表的运算包括：
求表的长度、从左到右（或从右到左）读表、检索和修改某个元素、插入新元素、删去某个元素等。
3.说明线性表的表现形式及各自的特点。
数组：
同一数据类型
栈：
先进后出
队列：
先进先出
4.什么是树的度？
什么是树的高度？
结点拥有的子树数称为结点的度，树内各结点的度的最大值即为树的度。
树中结点的最大层次为树的高度。
5.树型结构一般采用什么样的存储形式？
为什么？
树型结构一般采用多向链表的存储结构。
因为树中每个结点的度不尽相同，为
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