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第一章计算机辅助设计（CAD）概论计算机辅助设计是以设计者为主体，设计者利用计算机辅助设计系统的资源，对产品设计进行规划、分析、综合、模拟、评价、修改、决策并形成工程文档的创造性活动。计算机辅助设计的工作过程：1.进行功能设计，选择合适的科学原理或构造原理；2.进行产品结构的初步设计，产品的造型和外观的初步设计；3.从总图派生出零件，对零件的造型、尺寸、色彩等进行详细设计，对零件进行有限元分析，使结构及尺寸与应力相适应；4.对零件进行加工模拟，从模拟过程中发现制造中的问题，进而提出对零件设计的修改方案；5.对产品实施运动模拟或功能模拟，对其性能作出评价、分析和优化，最终完成零件的结构设计。如图。计算机辅助设计的特点：1.提高设计效率；2.提高设计质量；3.利于成组设计；4.修改设计方便；5.设计与分析统一；6.易于实现产品数据的标准化；7.易于实现网络的协同设计；8.无图纸化生产的前提；9.为实现PLM系统提供基础。CAD系统的结构：1.集中式主机系统；2.小型机成套系统；3.微型计算机CAD系统；4.分布式网络工程工作站系统。（左图为微机系统的结构图）。CAD系统的硬件：CAD系统的硬件主要是由主机、输入设备、（键盘、鼠标、三维坐标输入器、数字化仪、扫描仪，三坐标测量仪等）、输出设备（显示器、绘图仪、打印机、快速成形机，三维打印机等）、信息存储设备（主要指外存，如硬盘阵列、光盘、磁带机等）、网络设备、多媒体设备等组成。工作站系统包括：1.UNIX工作站（UNIX系统，可配置多CPU，具有64位或128位计算能力，物理内存可达16G，并有很大的虚拟内存，能满足高性能计算的要求，但价格昂贵）；2.PC工作站（采用Inter或AMD的32位或64位CPU，也可用双CPU或双核系统，操作系统多采用windows2000、windowsXP，或64位的WindowsXPProfessionalx64Edition。一般采用专业显示卡。该类工作站随着硬件技术的发展，性能越来越好，逐步接近UNIX工作站，而且价格便宜。是目前应用最广泛的类型）。CAD系统的软件：1.系统软件：①操作系统（常见的操作系统有OS/2、UNIX、XENIX、LINUX、Windows系列等），②编译系统（Java、C、C++、PASCAL、LISP、Ada、Smalltalk、Prolog、ModulerⅡ、Fortran、Basic、汇编）；2.支撑软件：①单一功能型（互式绘图软件【Autocad、solidworks等】、工程分析软件【ansys、cosmos、adams等】、数控编程软件【EdgeCAM、MasterCAM、DelCAM】等），②综合集成支撑软件（catia、UGNX、Pro/Engineer、Solidworks、Inventer）；3.应用软件：应用软件是在系统软件和支撑软件的基础上进行二次开发而形成的，例如在Autocad软件中利用Vlisp、VBA、Object等开发语言设计的各种软件，也可以直接在系统软件下利用VC++等高级语言直接开发；4.CAD系统间的接口：①IGES标准②STEP标准③STEP-NC标准。CAD系统的发展趋势：1.面向对象的设计方法的应用；2.CAD系统的集成化；3.CAD系统的网络化；4.参数化设计；5.智能CAD。第二章工程数据的计算机处理工程数据的计算机处理方法：1.工程数据程序化；2.建立数据文件；3.建立数据库。数表程序化是指将数表中的数据以数组、数据文件、拟合公式和插值公式的形式给出，并利用应用程序来处理、调用和检索查询。数表程序化的方法：1.用数组的形式程序化数表；2.插值法：①线性插值：以两点之间的直线方程近似替代原先列表函数，设插值的点为（x,y）,其线性插值的公式为y=x−x2x2−x1y1+x−x2x2−x1y2，②抛物线差值：利用过三节点的抛物线方程来近似替代原来的鼠标函数，设三个点的坐标分别为（x1,y1）、(x2,y2)、(x3,y3),其抛物线插值的公式为：y=(x−x2)(x−x3)(x1−x2)(x1−x3)y1+(x−x1)(x−x3)(x2−x1)(x2−x3)y2+(x−x1)(x−x2)(x3−x1)(x3−x2)y3(下图左为线性插值，右为抛物线插值），③拉格朗日一元n次插值，④二维数表插值；3.数表拟合公式化（涉及最小二乘法，对x取对数）。线图程序化：有些函数关系是以线图的形式表示的，它的特点是直观、感性，可以观察出函数和数据的变化趋势。线图的形式包括直线、折线和曲线。线图的处理方法：1.获取线图的原始公式，将其编入程序即可；2.将线图转换成数表，然后利用数表的程序化方法进行程序化处理；3.用曲线拟合的方法求出线图的近似公式，再讲近似公式编入程序。数据文件：对于数据量较小的数表，可以利用数组的形式将其程序化，但数表的容量较大时，常需建立数据文件，并将数据文件与应用程序分开。数据文件可以存储在外存设备上，如软盘、硬盘、光盘等，只有当需要的时候，利用应用程序通过操作语句将数据文件打开并调用。数据文件分类：1.顺序文件：顺序文件中的各个纪录是按照其输入的先后顺序存放的，其存取文件需从头至尾按顺序读写，故效率不高；2.随机文件：随机文件是指在写入一个数据时，还给此数据登记一个编号（纪录号），以后可按照此纪录号进行查找，所以随机文件的存取速度比顺序文件的要高。C语言中常用的数据文件操作语句：1.创建和打开数据文件fopen()函数；2.关闭数据文件fclose()函数；3.读文件操作：①读字符fgetc()，②读数据块fread()，③格式化读函数fscanf()，④字符串读函数fgets()；4.写文件操作：①写字符fputc()，②写数据块fwrite()，③格式化写函数fprintf()，④字符串读函数fputs()。第三章计算机图形学基础计算机绘图是CAD/CAM的重要组成部分。它的发展有力地推动了CAD/CAM的研究和应用，为CAD/CAM提供了高效的工具和手段；而CAD/CAM的发展又不断提出新的要求和设想，其中包括对计算机绘图的要求，因此，CAD/CAM的发展与计算机绘图的发展有着密不可分的关系。计算机绘图系统：1.图形输入设备（键盘、鼠标、数字化仪、图形扫描仪、数码相机、其他输入设备）；2.输出设备（图形显示器、打印机、绘图仪）。计算机绘图软件的主要功能：1.窗口定义与视区；2.图形描述；3.图形比那几与转换；4.图形控制；5.图形文件处理；6.交互处理功能。绘图软件的类型：1.基本绘图指令软件；2.图形支撑软件：①提供子程序软件包的形式，②交互式式绘图软件；3.专用图形软件。图形软件标准：1.图形标准：①GKS图形核心系统，②PHIGS程序员层次交互图形系统；2.图形和图像编码：①CGM计算机图形元文件编码，②CGI计算机图形接口编码；3.数据交换标准：①IGES初始图形交换规范，②STEP产品模型数据交换标准。图形几何变换是计算机图形学的核心基础，是CAD/CAM系统必不可少的重要内容，也是实现动态仿真、虚拟现实(VR)技术的基础。图形几何变换(简称图形变换)是对一个二维或三维图形的表示和处理。无论何种图形，都是由图形的顶点坐标、顶点之间的拓扑关系以及组成图形的面和线的表达模型所决定的。二维图形的基本变换主要包括：比例变换(图形的缩小与放大)、对称变换(或映射变换)、旋转变换、平移变换、错切变换和透视变换等。如右图是3x3的齐次矩阵，各元素取值不同，实现不同的图形变换。其中左上角的2x2矩阵是进行比例、对称、旋转、错切等变换，右上角2x1矩阵是进行透视变换，当p=q=0时无透视作用；左下角的1x2矩阵是进行平移变换，l,m分别是x,y方向的平移量；右下角的一个元素是对图形进行缩放变换，s=1时图像按比例放大，0s1时图形按比例缩小。s=1时实现等比例变换。T=[a000d0001]a=d1(1)x,y轴等比例放大(缩小)a=d=1恒等比例变化a≠dx,y轴非等比例变换T=[100010lm1]l是x方向的平移量m是y方向的平移量比例变换平移变换T=[cosθsinθ0−cosθcosθ0001]θ是旋转角T=[ab0cd0001]a=1,d=−1,x轴对称；a=−1,d=1关于y轴对称；a=d=−1,关于原点对称；b=d=1,关于y=x对称；b=d=−1,关于y=−x对称；T=[1b0c10001]b=0,c≠0,沿x轴错切b≠0,c=0,沿y轴错切T比=[a0000e000i000001]a是x的比例因子e是y的比例因子i是z的比例因子a=e=i等比例T平=[100001000010lmn1]l是x方向的平移量m是y方向的平移量n是z方向的平移量T旋x=[10000cosαsinα00−sinαcosα00001]α为绕x轴的旋转角T旋y=[cosβ0−cosβ001sinα0sinβ0cosβ00001]β为绕y轴的旋转角T旋z=[cosβsinβ00−sinβcosβ0000100001]β为绕z轴的旋转角T对xoy=[1000010000−100001]T对xoz=[10000−10000100001]T对yoz=[−1000010000100001]T错=[1bc0d1f0gh100001]b→沿Y含X；c→沿Z含Xd→沿X含Y；f→沿Z含Yg→沿X含Z；h→沿Y含Zb、c、d、f、g、h均为错切因子且单独出现T主=[1000010000000001]T俯=[1000000000100001][10000cos(−90°)sin(−90°)00−sin(−90°)cos(−90°)00001][1000010000100−d01]=[100000000−1000−d01]T左=[0000010000100001][cos90°0sin90°00100−sin90°0cos90°00001][100001000010−d001]=[00000100−1000−d001]透视变换x∗=xpx+qy+rz+1y∗=ypx+qy+rz+1z∗=zpx+qy+rz+1T正轴=[cosβ0−sinβ00100sinβ0cosβ00001][10000cosαsinα00−sinαcosα00001][1000010000000001]=[cosβsinβcosα000cosα00sinβ−cosβsinα000001]α=35°16′β=45°时为正轴测投影图α=19.47°β=20.7°时为正二测投影图T斜轴=[10000100t310100001][100001000t32100001][1000010000000001]=[10000100t31t32000001]改变t31、t32值可以得到不同的斜轴测投影图第四章CAD/CAM建模技术在CAD/CAM中，建模技术是将现实世界中的物体及其属性转化为计算机内部数字化表达的原理和方法，是定义产品在计算机内部表示的数字模型、数字信息以及图形信息的工具，是产品信息化的源头，它为产品设计、制造、装配、工程分析以及生产过程管理等提供有关产品的信息描述与表达方法，试试先计算机辅助设计与制造的前提条件，也是实现CAD/CAM集成化的核心内容。CAD/CAM建模技术大致分为：1.几何建模（线框建模、曲面建模和实体建模等）；2.产品建模（特征模型和参数化模型等）；3.产品结构建模（装配建模技术）。所谓几何造型，就是以计算机能够理解的方式，对实体进行精确地定义，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模型。几何造型的作用及意义：几何造型产生的模型是对产品确切的数学描述，或是对产品某种状态的真实模拟，能够为各种不同的后续应用提供信息，几何造型技术是CAD/CAM系统中的关键技术。根据描述几何形体方法及储存的几何信息、拓扑信息的不同，几何造型模型可以分为线框模型、表面模型和实体模型。线框模型是最简单的一种造型方法，它利用产品形体的棱边和顶点来