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第一章概述

机械设计CAD复习

1．CAD/CAM的基本概念

? 计算机辅助设计（ComputerAidedDesign，CAD)

指工程技术人员以计算机为辅助工具来完成产品设计过程中的各项工作，如草图绘制、零件设计、装配设计、工程分析等，并达到提高产品设计质量、缩短产品开发周期、降低产品成本的目的。

? 计算机辅助工艺过程设计（ComputerAidedProcessPlanning,CAPP)

指在工艺人员借助于计算机，根据产品设计阶段给出的信息和产品制造工艺要求，交互地或自动地确定产品加工方法和方案，如加工方法选择、工艺路线确定、工序设计等。

? 计算机辅助制造（ComputerAidedManufacturing，CAM)

计算机辅助制造有广义和狭义两种定义。广义CAM是指借助计算机来完成从生产准备到产品制造出来的过程中的各项活动，包括工艺过程设计（CAPP)、工装设计、计算机辅助数控加工编程、生产作业计划、制造过程控制、质量检测与分析等。狭义CAM通常是指NC程序编制，包括刀具路径规划、刀位文件生成、刀具轨迹仿真及NC代码生成等。

2．CAD系统的基本功能。

? 图形显示功能

CAD是一个人机交互的过程，从产品的造型、构思、方案的确定，结构分析到加工过程的仿真，系统随时保证用户能够观察、修改中间结果，实时编辑处理。用户的每一次操作，都能从显示器上及时得到反馈，直到取得最佳的设计结果。图形显示功能不仅能够对二维平面图形进行显示控制，还应当包含三维实体的处理。

? 输入输出功能

在CAD系统运行中，用户需不断地将有关设计的要求、各步骤的具体数据等输入计算机内，通过计算机的处理，能够输出系统处理的结果，且输入输出的信息既可以是数值的，也可以是非数值的（例如图形数据、文本、字符等）。

?存储功能

由于CAD系统运行时，数据量很大，往往有很多算法生成大量的中间数据，尤其是对图形的操作、交互式的设计以及结构分析中网格划分等。为了保证系统能够正常的运行，CAD系统必须配置容量较大的存储设备，支持数据在模块运行时的正确流通。另外，工程数据库系统的运行也必须有存贮空间的保障。

?交互功能（即人机接口）

在CAD系统中，人机接口是用户与系统连接的桥梁。友好的用户界面，是保证用户直接而有效地完成复杂设计任务的必要条件，除软件中界面设计外，还必须有交互设备实现人与计算机之间的不断通信。

3．CAD系统的具体功能。

? 几何造型

能够描述基本几何实体（如大小）及实体间的关系（如几何信息），能够进行图形图像的技术处理。几何建模技术是CAD系统的核心，它为产品的设计、制造提供基本数据和原始信息。

?工程绘图

这是CAD系统的重要环节，是产品最终结果的表达方式。CAD系统有处理二维图形的能力，包括基本图元的生成，标注尺寸，图形编辑（比例变换、平移、拷贝、删除等），除此之外，系统还应具备从几何造型的三维图形直接向二维图形转换的功能。

?计算分析

包括几何特征（如体积、表面积、质量、重心位置、转动惯量等）和物理特征

（如应力、温度、位移等）的计算分析。如图形处理中变换矩阵的运算；几何造型中体素之间的交、并、差运算；工艺规程设计中工序尺寸、工艺参数的计算；结构分析中应力、温度、位移等物理量的计算等，为系统进行工程分析和数值计算提供必要的基本参数。因此，要求CAD系统对各类计算分析的算法正确、全面，而且数据计算量大，还要有较高的计算精度。

? 结构分析

CAD系统中结构分析常用的方法是有限元法，这是一种数值近似解方法，用来

解决结构形状比较复杂零件的静态、动态特性计算，强度、振动、热变形、磁场、温度场强度、应力分布状态等计算分析。

? 优化设计

CAD系统应具有优化求解的功能，也就是在某些条件的限制下，使产品或工程设计中的预定指标达到最优。优化设计包括总体方案的优化、产品零件结构的优化、工艺参数的优化等。优化设计是现代设计方法学中的一个重要的组成部分。

?模拟仿真

模拟:根据设计要求，建立一个工程设计的实际系统模型，例：机构、机械手、机器人。仿真:通过对系统模型的试验运行，研究一个存在的或设计中的系统，通常有加工轨迹仿真，机构运动学仿真，机器人仿真，工件、机床、刀具、夹具的碰撞、干涉检验等。目的在于：预测产品的性能，模拟产品的制造过程、可制造性，避免损坏，减少制造投资。

?工程数据管理与信息传输与交换

由于CAD系统中数据量大、种类繁多，又不是孤立的系统，因此，CAD/CAM系统应能提供有效的管理手段，支持工程设计与制造全过程的信息传输与交换。随着并行作业方式的推广应用，还存在着几个设计者或工作小组之间的信息交