CADCAM练习题A答案

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CADCAM练习题A答案

⑴ 第一次CAD技术革命—曲面造型系统

初期的三维CAD系统只是极为简单的线框式系统，这种线框造型系统只能表达基本的几何信息，不能有效表达几体数据间的拓扑关系。由于缺乏形体的表面信息，CAE及CAM均无法实现。进入70年代，飞机和汽车工业中遇到了大量的自由曲面问题，法国达索飞机制造公司的三维曲面造型系统CATIA为人类带来了第一次CAD技术革命，改变了以往只能借助油泥模型来近似表达曲面的落后的工作方式。

⑵ 第二次CAD技术革命—实体造型技术

有了表面模型，CAM的问题可以基本解决。但由于表面模型技术只能表达形体的表面信息，难以准确表达零件的其它特性，如质量、重心、惯性矩等，对CAE十分不利，最大的问题在于分析的前处理特别困难。美国SDRC公司于1979年发布了世界上第一个完全基于实体造型技术的大型CAD/CAE软件—I-DEAS。由于实体造型技术能够精确表达零件的全部属性，在理论上有助于统一CAD、CAE、CAM的模型表达，给设计带来了惊人的方便性。它的普及应用标志着CAD发展史上的第二次技术革命。

⑶ 第三次CAD技术革命—参数化技术

进入80年代中期，CV公司提出了一种比无约束自由造型更新颖、更好的算法—参数化实体造型方法，该算法主要具有以下特点：基于特征、全尺寸约束、全数据相关、尺寸驱动设计修改。由于参数化技术核心算法与以往的系统有本质差别，若采用参数化技术，必须将全部软件重新改写，投资及开发工作量必然很大。当时CAD技术主要应用在航空和汽车工业，这些工业中自由曲面的需求量非常大，参数化技术还不能提供解决自由曲面的有效工具，更何况当时CV的软件在市场上几乎呈供不应求之势，于是CV公司内部否决了参数化技术方案。策划参数技术的这些人在新思想无法实现时集体离开了CV公司，另成立了一个参数技术公司(Parametric Technology Corp. PTC)，开始研制命名为Por/ENGINEERR的参数化软件。可以认为，参数化技术的应用主导了CAD发展史上的第三次技术革命。

⑷ 第四次CAD技术革命—变量化技术

90年代，SDRC公司投资一亿多美元，采用变量化技术将软件全部重新改写，于1993年推出全新体系结构的I-DEAS Master Series软件。变量化技术既保持了参数化技术的原有优点，同时又克服了它的不足之处。它的成功应用为CAD技术的发展提供了更大的空间和机遇，实现了CAD技术的第四次设计革命。 2

狭义CAM通常是指数控自动编程技术，及与数控机床数控系统的软件接口。依据CAD系统产生的产品模型，选择加工工艺路线和工艺参数，生成、编辑刀具的运动轨迹，以实现产品的虚拟加工和产生实际数控机床的零件加工数控程序单。

广义CAM则除了自动编程外，还包括CAPP（工艺过程设计）、MPS（制造过程仿真）、FA（自动化装配）、SFC（车间生产计划控制）和制造过程检测及故障诊断等从生产准备到产品制造的整个过程。

3.

CAD即“计算机辅助设计”，广义的CAD包括设计和分析（CAE）两个方面。设计是指构

造零件的几何形状、选择零件的材料、以及为保证整个设计的统一性而对零件提出的功能要求和技术要求等；分析是指利用数学建模技术，如有限元、优化设计技术等，从理论上对产品的性能进行模拟、分析和测试，以保证产品设计的可靠性。一般地，CAD系统应包括资料检索、方案构思、零件造型、工程分析、图样绘制等。

4.

CAM即“计算机辅助制造”，是指以计算机为主要技术手段、处理与制造有关信息，从而控制制造的全部过程。 5

线框建模是利用基本线素来定义设计目标的棱线部分而构成的立体框架图。线框建模生成的几何模型是由一系列的直线、圆 弧、点及自由曲线组成，描述的是产品的轮廓外形。在计算机内部生成三维映像，还可实现视图变换及空间尺寸的协调。

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实体建模是定义一些基本体素，通过基本体素的集合运算或变形操作生成复杂形体的一 种建模技 术，其特点在于三维立体的表面与其实体同时生成。由于实体建模能够定义三维物体的内部结构形状 ， 因此能完整地描述物体的所有几何信息和拓扑信息，包括物体的体、面、边和顶点的信息。 7

1．通过专用的数据接口实现集成

这是一种初级的文件传输集成方式。利用这种方式实现集成时，各个子系统都是在独立的数据模式下工作。当A系统需要B系统的数据时，需要设计一个专用的接口文件将B系统的数据格式直接转换成A系统的数据格式，反之亦然。这种集成方式原理简单，运行效率较高。但是开发的专用数据接口没有通用性，不同的在于CAD、CAM、CAPP系统都需要开发不同的数据接口，而且当其中某个数据结构发生变化时，其他相关的所有接口程序都需要修改。

2．利用标准格式接口文件实现集成

这种集成方式是建立一个与各个子系统无关的公共接口文件，其他各个子系统都必须满足这个公共接口的要求，每个子系统中只有两个数据转换子程序，当某一系统数据结构发生变化时只需要修改此系统前、后置处理程序即可，这种集成的关键是建立公共的标准格式。目前世界上已经研制出多种标准格式，其中典型的有IGES、STEP等。一般CAD/CAM商用软件都提供了他们的标准格式的前、后置处理功能，所以用户不必自行开发。

3．基于统一产品模型和数据库的集成

这是一种基于产品模型和数据库的集成是一种将CAD、CAPP、CAM作为一个整体来规划和开发，以工程数据库为基础的。从而实现系统高度集成和共享的方案。集成产品模型是实现集成的核心，统一工程数据库是实现集成的基础。各个功能模块通过公共数据库和统一的数据库管理系统实现数据的交换和共享，从而避免了数据文件格式的转化，消除了数据冗余，保证了数据的一致性、安全性和可靠性。

4．基于产品数据管理的系统集成

产品数据管理（PDM）技术是以产品数据的管理为核心，通过计算机网络和数据库技术，把企业生产过程中所有与产品相关的信息和过程进行集成管理的技术。与产品相关的信息包括开发计划、产品模型、工程图样、技术规范、工艺文件、数据代码等，与产品相关的过程包括设计、加工制造、计划调度、装配、检测等工作流程和过程处理程序。基于产品数据管理系统集成是指集数据库管理、完落通信能力和过程控制能力与一体，将多种功能软件集成在一起，因而它不仅能实现分布式环境中产品数据的统一管理，同时还能为人与系统的集成

和并行工程的实施提供支持环境，还可以保证正确的信息。在正确的时刻传输给正确的人。其中系统集成层是产品数据核心层，向上提供CAD/CAM/CAPP的集成平台，把与产品有关的信息集成管理起来；向下提供对异构网络和异构数据库的接口，实现数据跨平台的传输和分布处理。所以产品数据管理可以在更大的程度和范围内实现企业信息共享。

5．基于特征方法的系统集成

基于特征的集成方法有两种：特征识别法和特征设计法。特征识别法又分为人机交互特征识别和自动特征识别。前者由用户直接拾取图形来定义几何特征所需的几何元素，并且将精度等特征属性添加到特征模型中。后者是从现有的三维实体中自动识别出特征信息。这种集成方法对简单的形状识别比较有效，而且开发周期短、也符合人们产品和工艺设计的思维过程。但是当产品形状复杂时，进行特征的识别比较困难，而且一些非几何形状信息也无法自动获取，要靠交互补充辅助获取。

基于特征设计的方法和传统的实体造型方法不同它是按照特征来描述零件，应用特征进行产品设计。特征设计是以特征库中的特征或用户定义的特征实例为基本单元，建立产品特征模型、通过建立特征工艺知识库，可以实现零件设计和工艺过程设计的并行。

6．面向并行工程的系统集成

面向并行工程的方法可以使产品在设计阶段就可以进行工艺分析和设计，PPC/PDC（生产设计控制/生产数据采集），并在整个过程中贯穿着质量控制和价格控制，使集成达到更高的程度。每个子系统的修改可以通过对数据库的修改而改变系统的数据。它在设计产品的同时，同步的设计和产品生命周期有关的全部过程，包括设计、分析、制造、装配、检验、维护等。设计人员需要在每一个设计阶段同时考虑设计结构能否在现有的制造环境中以最优的方式制造，整个设计过程是一个并行的动态设计过程。这种基于并行工程的集成方法要求有特征库，工程知识库的支持。 8

⑴ 概念清楚，容易理解。可以在不同的水平上建立起对该方法的理解。从使用的观点来讲，每个人的理论基础不同，理解的深度也可以不同，既可以通过直观的物理意义来学习，也可以从严格的力学概念和数学概念推导。

⑵ 适应性强，应用范围广泛。有限元法可以用来求解工程中许多复杂的问题，特别是采用其他数值计算方法（如有限差分法）求解困难的问题。如复杂结构形状问题，复杂边界条件问题，非均质、非线性材料问题，动力学问题等。目前，有限元法在理论上和应用上还在不断发展，今后将更加完善和使用范围更加广泛。

⑶ 有限元法采用矩阵形式表达，便于编制计算机程序，可以充分利用高速数字计算机的优势。由于有限元法计算过程的规范化，目前在国内外有许多通用程序，可以直接套用，非常方便。著名的有SAP系列，ADINA，ANSYS，ASKA，NASTRAN，MARK，ABAQUS等。

⑷ 有限元法的主要缺点是解决工程问题必须首先编制（或具有）计算机程序，必须运用计算机求解。另外，有限元计算前的数据准备、计算结果的数据整理工作量相当大。然而，在计算机日益普及的今天，使用计算机已不再困难。对于后一缺点可通过计算机进行有限元分析的前、后处理来部分或全部地解决。 9

由于CIMS是发展中的技术，它的组成还没有统一的模式，但是根据前面叙述的概念，可以从生产的过程中各个主要的职能计算机辅助系统及数据和通信的支撑系统等不同角度。把CIMS看成是由以下四个系统组成：

⑴集成化工程设计与制造系统（CAD、CAM、CAPP、CAE） ⑵集成化生产管理系统（CAPM或MIS） ⑶柔性制造系统（FMS、FMC）

⑷数据库和网络（DB、NW）

CIMS包含了一个制造工厂的设计、制造、质量控制、经营管理四种主要功能。要使这四种功能集成起来，还需要计算机网络、数据库及柔性制造系统作为支撑环境。 10

⑴ 各个坐标轴快速由机床原点移动到循环起点。 ⑵ 以G00指令方式快速由起点到位于安全面的接近点。 ⑶ 以接近速度由接近点到位于慢下刀的切入点。

⑷ 以切削速度由切入点按给定的切入矢量方向，进给到工件加工起切点。 ⑸ 切削：以切削速度由起切点到加工终点。

⑹ 以切削速度由加工终点按退刀矢量方向退到退出点。 ⑺ 以退刀速度由退出点移到位于安全面的退刀点。 ⑻ 以G00指令方式快速由退刀点移动到起止高度的返回点。 ⑼ 快速返回点返回机床原点。 11

网络化制造涉及到制造技术的各个方面，从硬件到软件，从技术到管理，从企业到全社会的组织和个人，从局部资源到全球资源等，其特点：

⑴基于Internet/Intranet的网络化。 ⑵制造设备的社会化、智能化、柔性化。 ⑶制造组织的全球化、敏捷化。 ⑷产品设计、制造进程中的全程数字化。 ⑸制造过程的并行化、协同化。

⑹设计制造各个环节的并行协调和智能化。 ⑺设计制造各个要素全球性的分布化和集成化。 12

CAD系统一般由许多功能模块构成，各个功能模块相互独立的工作，又相互传递信息，形成一个相互协同的有序系统。CAD一般包含以下几个模块：

图形处理模块：进行零件图和装配图的二维绘图和编辑。

三维几何造型模块：为用户提供完整的、准确的三维几何形状的描述和显示的方法和工具，如消隐、着色、灰度处理，实体参数计算、质量特性计算等。

装配模块：完成从零件到部件或产品的三维装配，建立产品结构信息模型和产品明细表，以及进行静态干涉检查等。

计算机辅助分析模块：如有限元分析模块、优化方法模块等。

机构动态仿真模块：求解各个部件的重心、质量、惯性矩等物理特性，设定各个构件的运动规律和参数，并且进行运动仿真和运动干涉检查。

数据库模块：完成对CAD系统的数据库维护和管理。

用户编程模块：包括用户编程语言和图形库，便于用户对CAD系统进行二次开发，提高CAD系统用户化程度，以充分发挥系统的性能和提高使用效率。

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硬件是组成CAD/CAM系统的基本物理环境，软件则是驱动硬件工作的系统核心。随着计算机硬件技术的日渐成熟，和CAD/CAM系统功能愈来愈复杂，软件成本在整个CAD/CAM系统成本中所占比重愈来愈大。CAD/CAM系统的软件组成一般分为系统软件、支撑软件和应用软件三类。 ⑴系统软件

系统软件包括操作系统、编译系统、图形接口和接口标准。其中，操作系统是系统软件的核心。目前在机械CAD/CAM系统中广泛采用的操作系统有UNIX和Windows两种。

⑵支撑软件，目前市场上出售的CAD/CAM软件基本属于支撑软件。功能集成型软件提供了设计、分析、造型、数控编程和加工控制等多种模块。主要包括：

二维绘图软件，如AutoCAD、Mierostation、Twin CAD、IntelliCAD、Quick CAD等。 三维几何建模软件，如Pro/ENGINEER、Unigraphies、SolidWorks、Solid Edge、CATIA、

I-DEAS、CADKEY、Inventor、MDT、Mechanical等。

有限元分析软件，如SAP、ANSYS等。 优化方法软件，如OPB等。

数据库系统软件，如ORACLE、SQL Server数据库系统软件等。 系统运动学/动力学仿真软件，如ADAMS机械动力学自动分析软件等。 ⑶应用软件

应用软件是指针对某个特定领域而专门设计的应用程序，一般是指直接面向工厂、企业等用户的实际生产条件而在支撑软件基础上经过二次开发的专用软件。