计算机辅助设计与制造教案

《计算机辅助设计与制造》教案

讲课：范青

目录

第一章概述.....................................................................1

第一节CAD/CAM的基本概念..................................................2

第二节CAD/CAM的发展历史..................................................3

第三节CAD/CAM的发展趋势..................................................4

第四节我国CAD/CAM的发展状况.............................................6

思考题.......................................................................7

第二章CAD/CAM系统.............................................................8

第一节CAD/CAM系统的基本组成与分类........................................9

第二节CAD/CAM系统的典型硬件.............................................11

第二节CAD/CAM系统的软件系统.............................................12

思考题......................................................................13

第三章计算机辅助图形处理......................................................14

第一节图形的几何变换......................................................15

第二节图形的消隐技术......................................................17

第三节图形的裁剪技术......................................................19

第四节图形的生成方法......................................................21

思考题......................................................................23

第四章CAD/CAM建模技术........................................................24

第一节建模的基本概念与要求................................................24

第二节线框建模............................................................25

第三节曲面建模............................................................28

第四节实体建模............................................................30

第五节特征建模............................................................31

思考题......................................................................34

第五章计算机辅助工程分析......................................................35

第一节概述................................................................36

第二节有限元法............................................................37

第三节优化设计............................................................38

第四节仿真技术............................................................39

思考题......................................................................41

第六章计算机辅助工艺设计......................................................42

第一节CAPP概述...........................................................43

第二节CAPP中零件信息的描述和输入........................................46

第三节CAPP的类型.........................................................47

思考题......................................................................49

第七章数控编程和仿真..........................................................50

第一节概述................................................................51

第二节ATP语言编程技术....................................................54

第三节图形交互式自动编程技术..............................................57

第四节MasterCAM数控加工编程.............................................59

第五节数控加工仿真........................................................61

思考题......................................................................63

第八章计算机辅助质量系统技术..................................................64

第一节概述................................................................65

第二节计算机辅助质量系统..................................................66

第九章计算机辅助生产管理与运行控制............................................67

第一节概述................................................................68

第二节物料需求计划管理....................................................70

第三节企业资源计划简介....................................................73

第十章CAD/CAM技术的新发展....................................................74

第一节CAD/CAM集成系统...................................................75

第二节计算机集成制造系统(CIMS)简介.....................................77

第三节并行工程、智能化与虚拟现实技术.....................................78

II

第一章概述

♦学习目标：

概括了解CAD/CAM技术的产生发展；通过对传统的设计制造过程的分析，理解

CAD/CAM系统的基本功能和工作过程；掌握CAD/CAM的基本概念；了解CAD/CAM技

术应用领域和发展前景。

♦学习内容:

内容知识点

CAD/CAM的基本术语

CAD/CAM的发展概况

CAD/C射术的发展与回顾

设计制造过程分析

CAD/CAM系统的工作过程

CAD/CAM的概念

CAD/CAM系统的基本功能

CAD/CAM系统的主要任务

CAD/CAM技术应用的可能性、必要性和迫切

CAD/CAM技术的应用性

CAD/CAM技术的应用

♦学习重点：CAD/CAM的概念

♦学习建议：

・复习现代设计方法学课程中有关设计制造分析内容;

・广泛查阅有关CAD/CAM技术的文献资料•；

・调研一个企业应用CAD/CAM技术的基本情况。

1

第一节CAD/CAM的基本概念

计算机的HI现和发展，实现了将人类从脑力劳动解放出来的愿望。早在三四十年前,

计算机就已作为重要的工具，辅助人类承担一些单调、重复的劳动，如辅助数控编程、

工程图样绘制等。在此基础上逐渐出现了计算机辅助设计-(CAD)、计算机辅助工艺过

程设计(CAPP)及计算机辅助制造(CAM)等概念。

♦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

第二节CAD/CAM的发展历史

CAD/CAM技术从产生到现在，经历了形成、发展、提高和集成等阶段。

♦CAD的发展

准备和酝酿时期（20世纪50—60年代初）

蓬勃发展和进入应用时期（20世纪60-70年代）

突飞猛进的时期（20世纪80年代）

开放式、标准化、集成化和智能化的发展时期（21世纪初）

♦CAM技术的发展

20世纪70年代后期，几何造型技术、图形显示技术和数控编程后置处理技术的发展和

应用，出现了交互式图形编程系统，为CAD/CAM集成奠定了基础。

♦CAPP技术的发展

目前，CAPP系统主要应用于零件的机械加工方面，但已逐渐向其它工艺领域扩展，如

热处理、锻造、冲压和装配等，应用前景是广阔的。

3

第三节CAD/CAM的发展趋势

一、设计制造过程分析

深入研究各个阶段的主要任务，可将设计划分为：

・功能设计：确定产品功能和结构之间的对应关系。

・布局设计：完成技术实体部分（零部件）的排列组合。

・参数设计：定义零部件的几何形状及尺寸参数。

・公差设计：制定形状、位置及尺寸精度。

二、CAD/CAM系统的工作过程

交

互

■

»生

■

方

三、CAD/CAM系统的基本功能

・图形显示功能

・输入输出功能

・存储功能

・交互功能（即人机接口）

4

四、CAD/CAM系统的主要任务

・儿何造型

・计算分析

・工程绘图

・结构分析

・优化设计

・计算机辅助工艺规程设计(CAPP)

・NC自动编程

・模拟仿真

・工程数据管理与信息传输与交换

5

第四节我国CAD/CAM的发展状况

随时间的推移和科技的迅猛发展。这里主要讲解有关CAD/CAM技术应用的可能性、必

要性和迫切性。

据统计，机械制造领域的设计工作有56%属于适应性设计，20%属于参数化设计，只有

24%属于创新设计。某些标准化程度高的领域，参数化设计达到50%左右。上述数据说明，

工程技术人员的大部分时间和精力是消耗在重复性工作或局部小修小改之中了，不可能有充

沛精力去从事创造性劳动，也不会有足够的时间去学习掌握新知识和新技能，久而久之，人

的创造性思维能力也会随着II复一II、年复•年的重复、繁琐的劳动而萎缩。尤其在市场竞

争剧烈的条件下，很难适应发展的需要。因此，使设计方法及设计手段科学化、系统化、现

代化，实现CAD是非常必要的。

编制工艺规程是设计、制造过程中生产技术准备工作的重要环节，过去一直是工艺人员

手工完成，不仅效率低，而且依附于人的技能和经验，很难获得最佳方案。同时，与产品设

计一样，也存在着繁琐而重复的密集型劳动束缚工艺人员、难以从事创造性开拓工作的问题。

因此，迫切需要CAPP技术。

再考察制造阶段的生产状况。从机械制造行业来看，50件以下的小批量生产约占75%。

据统计，一个零件在车间的平均停留时间中，只有5%的时间是在机床上，而在这个5%的时

间中，又只有30%的时间用于切削加工。由此可见，零件在机床上的切削时间只占零件在车

间停留时间的1.5%。要提高零件的加工效率、改善经济性，就要减少零件在车间的流通时

间和在机床上装卸、调整、测量、等待切削的时间。而做到这一点必须综合考虑生产的管理、

调度、零件的传送和装卸方法等多方面因素。这需要通过计算机辅助人们作全面安排，控制

加工过程。

上述设计、制造过程分析说明了CAD/CAM技术应用的可能性、必要性和迫切性。

6

思考题

1.简述CAD/CAM的基本概念。

2.简述CAD/CAM发展经历的阶段。

3.简述CAD/CAM系统的基本功能。

4.简述CAD/CAM系统的工作过程。

5.与传统设计制造方法相比，说明CAD/CAM的工作特点。

6.试分析采用CAD/CAM技术的优越性。

7.简述制造环境变化的新特点。

7

第二章CAD/CAM系统

♦学习目标：

在了解了CAD/CAM系统工作过程之后，学习系统的基本组成；了解硬件的类型、配置

形式和软件种类、功能；掌握CAD/CAM系统的选用原则。通过本知识点的学习，能够为

一个具体部门（企业或公司），根据工作性质配置一个相对完整的CAD/CAM系统。

♦学习内容：

内容知识点

系统基本组成

系统的组成与分类系统的分类

系统的网络结构

主机

存储设备

CAD/CAM系统的典型硬件输入设备

输出设备

网络设备

基本组成

系统软件

支撑软件

应用软件

系统设计的总体原则

CAD/CAM系统选用原则硬件选用原则

软件选用原则

♦学习重点：CAD/CAM系统的组成与分类；CAD/CAM系统选用原则。

♦学习建议：

・参阅流行的电脑类报纸或杂志，了解市面软、硬件行情利相关技术发展动态;

・积极参观各种计算机应用方面的展览，开阔眼界。

8

第一节CAD/CAM系统的基本组成与分类

CAD/CAM系统的基本组成

♦基本组成

所谓系统，是指为完成特定任务而由相关部件或要素组成的有机的整体。•个完整的

CAD/CAM系统必须具备硬件系统，软件系统。

一个CAD/CAM系统是山计算机、外围设备及附加生产设备等硬件和控制这些硬件运行

的指令、程序及文档即软件组成，通常包含若干功能模块。

♦功能

・存储大量程序、信息及快速检索的能力;

・人机交互通信的操作功能；

・输入、输出图形及信息的能力。

CAD/CAM系统的分类

♦独立式CAD/CAM系统

按照所用计算机的不同又可划分为以下四种类型：

主机型工程工作站微机系统基干雨括环境

定也总算中式.以一台大中室具有较张针对性的轨硬件陶套系统以个人计真机环境和分布式网络环境为前以中占微机为壬的用户系统・

计耳机为主机，支持多个终端运（交用匙系统）・接的高性粒计直机.

I义fi.____________________I________________匚______________________________________________________________________

bt一个主机,务仲斌共享T供应商按用户需费提供，无需用户遗超高用户的工傕效率,具有分市式计宜功投资少见效快.支撑软件及应用

CPU.共享资源，集中管理，计声行折的开发，双率校高，具有艮好的人缸能.泥筋支持复杂的CAD作业,支持多任务进软件十分丰富I具有艮好的可r充

1库烹见面.程，PCffl晟本底.性.

缺主机故何，所有用尸中断,r展能力差.逆度慢.处理能力差.

用户增加，系统明应变馁.

点

9

♦网络分布式

10

第二节CAD/CAM系统的典型硬件

硬件

♦定义

硬件是一切可以触摸到的物理设备。硬件系统是实现系统各项功能的物质基础,它由计算机,

存储设备，显示设备，人机交互设备和输出设备等组成。

1、主机

3、输出设备

4、网络设备

服务器、工作站、电缆、网卡、网关、集线器、中继器、网桥、路由器等。

11

第二节CAD/CAM系统的软件系统

♦定义

支撑软件是在系统软件基础上开发出来的满足CAD用户一些需要的通用软件或工具软

件，是CAD/CAM系统的核心。

♦主要内容

・儿何建模软件：提供一个完整，准确地描述和显示三维儿何造型的方法和工

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。举

例：Pro-E,UG等。

・计算机辅助工程软件：集几何建模，三维绘图，有限元分析，产品装配，公

差分析，机构运动学,NC自动编程等功能分析系统为•体的集成软件系统。

由数据库进行统一的数据管理，使各分系统全关联，支持并行工程并提供产

品数据管理功能，信息描述完整，协助用户完成大部分工作。

绘图软件：具有基本图形元素（点、线、图）绘制等，图形变换（缩放、平移、旋转等），

编辑（增、删、改等），存贮，显示控制以及人机交互，输入/输出设计驱动等功能。

举例:AUTOCAD软件。

・数据库系统软件：能够支持各子系统中的数据传递与共享，其中工程数据库

是CAD/CAM系统和C1MS系统中的重要组成部分。举例INGRES,

PB,ORACLE,SYBASE,FOXPRO等关系型数据库管理系统。

・有限元分析软件：可以进行静态、动态、热特性分析，通常包括前置处理、

计算分析及后置处理三部分。举例:SAP,ANSYS等有限元分析软件。

・优化方法软件：将优化技术用于工程设计，综合多种优化计算方法，为选择

最优方案、取得最优解、求解数学模型提供强有力的数学工具软件。

・系统运动学/动力学模拟仿真软件：在产品设计时，实时、并行地模拟产品

生产或各部分进行的全过程，以预测产品的性能、产品的制造过程和产品的

可制造性。举例：ADAMS机械系统动力学自动分析软件。

12

思考题

1.简要说明CAD/CAM系统的基本组成。

2.计算机在CAD/CAM系统中的作用是什么？选择计算机主要考虑哪些性能指标？

3.CAD/CAM系统中常用的存储设备有哪些？各有什么特点？

4.CAD/CAM系统中常用的输入设备有哪些？各有什么特点？

5.CAD/CAM系统中常用的输出设备有哪些？简要说明其工作原理和特点。

13

第三章计算机辅助图形处理

•学习目标：

图形处理是CAD/CAM中的关键技术，要求学习者全面掌握图形处理技术的基础知识，

包括图形生成、编辑和图形变换;学会使用典型的矢量绘图软件;学会编写简单的绘图程序。

♦学习内容：

知识点

图形几何变换的基本照理

,堆图形的基本变换

二维图形的组合变换

三维图形的变换

工程图的生成

消防的梃念与作用

前附算法的墓本测试方法

常用消隐宜法

窗口与视区

二维图形技典

图形的生成面介

图形生成方法

♦学习重点：图形的几何变换。

♦学习难点：消隐算法。

♦学习建议：

•在学习过程中，结合绘图软件，如：AutoCAD2004的使用，加深对本知识点的理解;

・注意利用课件中的功能，通过学习时的交互操作（例如图形生成）理解知以内容。

14

第一节图形的几何变换

一、二维图形变换

在二维空间中，图形变换矩阵可表示为：

abp

T-edq

■e/$■

其中a、b、c、d是对图形进行缩放、对称、旋转、错切等变换；c、f是对图形进行平

移变换；p、q对图形进行透视变换；s是对图形进行整体伸缩变换。当s<l时;图形被放大；

当s>l时，图形缩小；当s=l时，图形大小不变。即变换后的坐标均为原坐标x,y

的1/s倍。

二维图形的基本变换包括以下几种：平移变换、比例变换、对称变换、错切变换。

实际上，图形变换中常常是相对于任意点或线变换。解决这个问题的思路是这样的：先

将任意点移向坐标原点（任意线则移向与X或Y轴重合的位置），再用前述变换矩阵加以

变换，最后反向移回任意点（任意线移回原位）。可见，这是经过平移、某种变换、再平移

的多次变换构成，而不仅仅是种独立的变换，故而称为组合变换。

组合变换中，多个变换矩阵之积称为组合变换矩阵。

二、三维图形变换

和二维图形•样，用适当的变换矩阵也可以对三维图形进行各种几何变换。对三维空间的点

如（x,y,z）,可用齐次坐标表示为（x,y,z,1）,或（X,Y,Z,H）,因此，三维

空间里的点的变换可写为

口，l］=［xy*必］

其中［M］是4X4阶变换矩阵，即：

15

此方阵可分为四部分，其中左上角部分产生比例、对称、错切和旋转变换：左下角部分

产生平移变换；右上角部分产生透视变换；右下角部分产生全比例变换。

三维图形的基本变换有：三维比例变换、三维对称变换、三维错切变换、三维评议变换、

三维旋转变换。

16

第二节图形的消隐技术

一、消隐的概念与作用

在使用显示设备描绘物体的图形时，必须把三维信息经过某种投影变换，在二维的显示

表面上绘制出来。例如，轴测图和透视图，就是通过轴测变换或透视变换，求出所有顶点的

投影点，再把各点连结起来。下图中第一个图形代表的是后边哪一个呢？

由于投影变换失去了深度信息，往往导致图形的二义性。要消除二义性，就必须在绘制

时消除实际不可见的线和面，习惯上称作消除隐藏线和隐藏面，或简称为消隐。

二、消隐算法的测试方法

针对不同的显示对象和显示要求，会有不同消隐算法与之相适应。

♦重叠测试

许多物体的投影是由若干个多边形构成的，将这些多边形两两判别，看它们是否有重叠

部分，如果不重叠，说明它们肯定不互相遮挡。这种方法就叫重叠测试。

♦包含性测试

测试点与多边形的包含关系有两种方法：1.射线交点数算法2.夹角求和算法

♦深度测试

深度测试是用来测试一个物体遮挡另一个物体的基本方法。常用的有优先级测试和物体

空间测试。

17

♦可见性测试

可见性测试主要用来判别物体自身各部分哪些部分没有被其自身其它部分遮挡即可见

的，那些部分被其自身其它部分遮挡即不可见的。

三、常用消隐算法

根据消隐对象不同，消隐算法可分为两类：

若消除的是物体上不可见的线段，称为线消隐；若消除的是物体上不可见的面，称为面

消隐。

根据消隐空间的不同，消隐算法又可分为两类：

・物体空间的消隐算法这类算法是将物体表面上的k个多边形中的每一面与其余

的k-1个面进行比较，精确地求出物体上每条楂边或每个面的遮挡关系。

・图形空间的消隐算法在消隐算法中，图像空间就是上述的屏幕坐标空间。这类

算法对屏幕的每一像素进行判断，以决定物体上哪个多边形在该像素点上是可见的。

若屏幕上有m*n个像素点，物体表面上有k个多边形，则该类消隐算法的计算量将

正比于m*n*k。

消隐的基本思想很简单，但要真正实现却要耗费很长的判别和运算时间。消隐算法的处

理效率将是决定能否被有效采用的关键。

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第三节图形的裁剪技术

♦窗口

在计算机绘图中，常常遇到这样的情况：不同时刻、针对不同目的、只关心整幅图形的

不同部位，而对其它部分暂时不感兴趣，此时，希望关心的这部分图形能够尽量清晰地显示

出来。于是，大多数的图形软件都提供了这样一个功能：即用户可以在输入的图形上选定一

个观察区域。这个观察区域被称为窗口。

下面图中的左侧方框就是窗口的一个例子。

ID/CAY数与

在二维平面，通常定义窗口为一矩形区域，它的大小和位置在用户坐标上表示，用四个变量

代表窗口左下角和右上角点的坐标，即：

♦视区

在显示窗口内图形时.，可能占用整个屏幕，也可能设想屏上有一个方框，要显示的图形

只出现在这个方框内。那么，在图形输出设备上用来复制窗口内容的矩形区域被称为视区。

上面的动画右边的显示器是一个占整屏的视区的例子，它把左边窗口里的选择的图案按1：1

的比例复制到了视区里。

视区是一个与设备密切联系的概念，显示终端的平面和绘图仪的幅面都是用来表现图形

的二维平面，而且是个有限的平面。通常也用四个变量指示视区两个角点的坐标，即：

19

视区也可以嵌套，还可以在同一物理设备匕定义多个视区，分别作不同的应用或分别显

示不同角度、不同对象的图形。

♦窗口、视区变换

只有当定义的视区大小与窗口大小相同，而且设备坐标的度量单位与用户坐标的度量单

位也相同时，二者之间才是1:1的对应关系，而在绝大多数情况下，窗口与视区无论是大

小还是单位都不相同。为了把选定的窗口内容在希望的视区上表现出来,必须进行坐标变换。

视区与窗口的关系如下：

(a)视区不变，窗口缩小或放大时，显示的图形会相应放大或缩小。

(b)窗口不变，视区缩小或放大时，显示的图形会相应缩小或放大。

(c)视区纵横比不等于窗口纵横比时，显示的图形会有伸缩变化。

(d)窗口与视区大小相同、坐标原点也相同时，显示的图形不变。

窗口和视区的适当选用，可以较方便地观察用户的整图或局部图形，便于对图形进行局

部修改和图形质量评价，还可以对图形进行放大或缩小，显示用户感兴趣的部分图形。

20

第四节图形的生成方法

一、图形的生成简介

•幅图最简单的几何成份是点和直线，此外还有曲线、多边形以及字符串等等。为在输

出设备上输出一个点，就要把应用程序中的坐标信息转换成所用输出设备的响应指令。

在图形设备上输出一条直线，是通过在应用程序中对这条直线端点坐标的描述，在输出

设备上将一对端点间的路径加以描述来实现的。

二、图形的生成方法

1、轮廓线法

任何一个二维图形都是由线条组成，所谓轮廓线法，就是将这些线条逐一绘出，它只取

决于线条的端点坐标，不分先后，没有约束，因而，比较简单,适应面也广，但绘图工作量

大、效率低，容易出错，生成的图形无法通过尺寸参数加以修改。

右侧为一用轮廓线法生成图形的示意小程序。按住鼠标在画板上拖动，就可以画出直

线，它强调的仅仅是端点的坐标，直线之间没有约束关系。（程序见电子课件）

2、参数化法

在实际应用中，人们常常面临系列化的设计，即基本几何拓扑关系不变，只变动形状尺

寸，于是，人们创造了参数化法。这种方法首先建立图形与尺寸参数的约束关系，每个可变

的尺寸参数用待标变量表示，并赋予一个缺省值。绘图时，修改不同的尺寸参数即可得到不

同规格的图形。如右侧示意小程序，输入不同尺寸参数，按回车键即可。（程序见电子课件）

3、图形元素拼合法

图形元素拼合法类似于一种搭积木的方法。将各种常用的、带有某种特定专业含义的图

形元素存储建库，设计绘图时，根据需要调用合适的图形元素加以拼合。图形元素拼合法要

以参数化法为基础，每个图形元素实际上就是一个小参数化图形。固定尺寸参数的图形元素

在应用中没有使用价值。

21

4、尺寸驱动法

这是一种交互式的变量设计方法。按设计者的意图，先将草图快速勾画于屏幕之上，然

后根据产品结构需要，为草图建立尺寸和形位约束，草图就戏法般地受到这种约束的驱动而

变得横平竖直起来，尺寸大小也一一对应。

5、三维实体投影法

工程师在进行零件结构设计时，首先在思维中建立起来的是一种三维物体模型，苦于没

有一个形象描述、记录的工具和手段，因而只能将其画成二维图形；而在读图时，又要在头

脑中还原图纸表示的三维物体。如果开始设计时就在计算机三维环境下，则不仅能更直观、

全面地反映设计对象，还能减轻设计时的负担，提高设计质量和效率。这时，若要将三维设

计结果以二维图纸形式输出，则只需利用三维几何建模软件系统提供的二维图投影功能就可

方便地实现了。

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思考题

1.简述计算机图形处理技术的种类。

2.简述二维图形变换的基本原理、方法、种类。

3.什么是窗口？什么是视区？在CAD/CAM中为什么要进行窗口视区变换?

4.为什么要进行图形裁剪？

23

第四章CAD/CAM建模技术

第一节建模的基本概念与要求

♦基本概念

建模就是以计算机能够理解的方式，对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模

型。

在CAD/CAM中，产品或零部件的设计思想和工程信息是以具有一定结构的数字化模型

方式存储在计算机内部的，并经过适当转换提供给生产过程各个环节，从而构成统•的产品

数据模型。模型一般山数据、数据结构、算法三部分组成。

♦基本要求

建模技术是系统的核心，建模的过程依赖于计算机的软硬件环境、面向产品的创造性过

程。建模技术应满足以下要求：

1.建模系统应具备信息描述的完整性

2.建模技术应贯穿产品生命周期的整个过程

3.建模技术应为企业信息集成创造条件

24

第二节线框建模

一、线框建模的基本原理

♦定义

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。

线框建模生成的实体模型是由系列的直线、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0

♦数据结构

线框建模的数据结构是表结构，在计算机内部存贮的是物体的顶点和棱线信息。下图为

-立方体的线框模型。表分别为立方体的顶点表和边表，构成该物体的线框模型的全部信息。

°,疆的挖良救刀

立方体的边表

立方体的顶点表

线号线上端点号线号线上端点号线号线上端点号

[1]12[5]56[9]15

[2]23[6]67[10]26

[3]34[7]78[11]37

[4]41[8]85[12]48

25

二、二维和三维线框模型

二维建模实质上是二维线框模型，它以二维平面的基本图形元素（如点、直线、圆弧等）

为基础表达二维图形。二维几何建模系统主要研究平面轮廓处理问题，它可以分为边式和面

式两类系统。

所谓边式系统意味着只描述轮廓边，然后通过不同类型轮廓边的相互顺序实现绘图目的;

所谓面式系统，是将封闭轮廓边包围的范围定义成一个平面，并作为一个整体来处理。

二维几何建模系统比较简单实用，同时大部分提供了方便的人机交互功能，所以如果任

务仅局限于计算机辅助绘图或对回转体零件进行数控编程，则可采用二维建模系统。但在二

维系统中，由于各视图及剖面图是独立产生的，因此不可能将描述同一个零件的不同信息构

成一个整体模型。所以当•个视图改变时，其他视图不可能自动改变，这是它的•个很大弱

点。

三维线框模型是二维线框模型的直接拓展和延伸。由于图形儿何变换理论的发展，认识

到加上第三维信息再投影变换成平面视图是很容易的。三维线框模型用三维的基本图形元素

来描述和表达物体，同时仅限于点、线和曲线的组成。

三、线框模型的优缺点

线框建模所构造的实体模型，只有离散的边，而没有边与边的关系，由于信息表达不完

整，会对物体形状的判断产生多义性。

下图表示同一线框模型可能产生的几种不同理解。

线楸建模的多义性

26

♦线框建模的优点

所需信息最少，数据运算简单，所占存贮空间较小，硬件的要求不高，容易掌握，处理

H寸间短。

♦线框建模的局限性

几何意义的二义性：一个线框模型可能被解释为若干个有效几何体。

1.结构体的空间定义缺乏严密性

2.拓扑关系缺乏有效性

3.描述的结构体无法进行消隐、干涉检查、物性计算

27

第三节曲面建模

一、曲面建模的基本原理

♦定义

曲面建模是将物体分解成组成物体的表面、边线和顶点，用顶点、边线和表面的有限集

合来表示和建立物体的计算机内部模型。

♦建模方法

卜图描述的是表面建模的过程。

表面建模

儿何⑶象b＞战分割的细成优c）创成的曲面d）线公后的曲面

二、曲面建模的特点

表达了零件表面和边界定义的数据信息，有助于对零件进行渲染等处理，有助于系统直接提

取有关面的信息生成数控加工指令，因此，大多数CAD/CAM系统中都具备曲面建模的功

能。

在物体性能计算方面，表面建模中面信息的存在有助于对物性方面与面积有关的特征计

算，同时对于封闭的零件来说，采用扫描等方法也可实现对零件进行与体积等物理性能有关

的特征计算。

•般来说，表面建模方式生成的零部件及产品可分割成板、壳单元形式的有限元网格。

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曲面建模事实上是以蒙面的方式构造零件形体，因此容易在零件建模中漏掠某个甚至某

些面的处理，这就是常说的“丢面同时依靠蒙血的方法把零件的各个面贴上去，往往会在

两个面相交处出现缺陷，如重叠或间隙，不能保证零件的建模精度。

所以曲线建模并不宜用于表示机械零件的一般方法。

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第四节实体建模

一、实体建模的基本原理

♦定义

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。

♦实体建模的优点

1.可以提供实体完整的信息；

2.可以实现对可见边的判断，具有消隐的功能；

3.能顺利实现剖切、有限元网格划分、直到NC刀具轨迹的生成。

♦实体建模的方法

按照物体生成的方法不同可分为：体素法和扫描法

二、实体建模的表示方法

与表面建模不同，三维实体建模在计算机内部存贮的信息不是简单的边线或顶点的信息,

而是准确、完整、统一地记录了生成物体的各个方面的数据。

♦常见的实体建模表示方法

边界表示法

构造立体几何法

混合表示法

空间单元表示法

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第五节特征建模

一、特征建模的概念

♦特征定义

特征是一种综合概念，它作为“产品开发过程中各种信息的载体”，除了包含零件的几何

拓扑信息外，还包含了设计制造等过程所需要的一些非几何信息。

♦特征建模定义

特征建模是一种建立在实体建模的基础上，利用特征的概念面向整个产品设计和生产制

造过程进行设计的建模方法，它不仅包含与生产有关的信息，而且还能描述这些信息之间的

关系。

♦特征的图例

♦特征建模的实施与发展

特征建模是CAD建模方法的一个里程碑，它是在技术的发展和应用达到一定水平，产

品的设计、制造、管理过程的集成化和自动化要求不断提高的历史进程中逐渐发展完善起来

的。

特征概念包含丰富的工程语义，所以利用特征及概念进行设计是实现设计与制造集成的

一种有效的方法。利用特征的概念进行设计的方法经历了特征识别及基于特征的设计两阶段。

特征识别是首先进行几何设计，然后在建立的几何模型上，通过人工交互或自动识别算法进

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行特征的搜索、匹配。为此提出了基于特征设计的思想，直接采用特征建立产品模型，而不

是事后再识别，即特征建模。

二、特征建模的系统

特征建模通常山特征模型、精度特征模型、材料特征模型组成，而形状特征模型是特征

建模的核心和基础。

特征建模系统的框架如下图所示:

实

体

建

模

♦形状特征模型

形状特征模型主要包括几何信息、拓扑信息。形状特征通过参数描述，都在产品中实现

各自的功能，并对应各自的加工方法、加工设备和刀具、量具、辅具。

数据结构是以实体建模中B-Rep法为基础，数据结点包括特征类型、序号、尺寸及公

差等。通常它包含两个层次，一个是低层次的点、线、面、环组成的B-Rep法结构，另一

个是高层次的由特征信息组成的结构。

♦精度和材料特征模型

精度模型用来表达零件的精度信息，包括尺寸公差、形状公差、位置公差、表面粗糙度。

材料特征包括材料的种类、性能、热处理要求等。

特征建模除了实体建模中已有的几何、拓扑信息之外，还要包含特征信息、精度信息、

材料信息、技术要求和其它有关信息。除静态信息之外，还应当支持设计、制造过程中的动

态信息。

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二、特征建模的功能与特点

♦功能

1.预定义特征，建立特征库；

2.特征库的智能化应用，实现基于特征的零件设计；

3.为特征附加注释，并为用户例举参考特征；

4.支持用户定义特征以及管理、操作特征库；

5.特征消隐、移动；

6.零件设计中，跟踪和提取有关几何属性。

♦特点

特征建模技术使产品的设计工作不停留在底层的几何信息基础上，而是依据产品的功能

要素，产品设计工作在更高的层次上展开，特征的引用直接体现设计意图。

特征建模技术可以建立在二维或三维平台匕同时针对某些专业应用领域的需要，建立

特征库就可实现特征建模技术，快速生成需要的形体。

特征建模技术有利于推动行业内的产品设计和工艺方法的标准化、系列化、规范化，使

得产品在设计时就考虑加工、制造要求，有利于降低产品的成本。

特征建模技术提供了基于产品、制造环境、开发者意志等诸方面的综合信息，是产品的

设计、分析、工艺准备、加工、检验各部门之间具有了共同语言，可更好将产品的设计意图

贯彻到各后续环节，促进智能CAD系统和智能制造系统的开发，特征建模技术也是基于统

一产品信息模型的CAD/CAM/CAPP集成系统的基础条件。

特征建模技术着眼于更好、更完整地发达产品全生命周期的技术和生产组织、计划管理

等多阶段的信息，着眼于建立CAD系统与CAX系统、MRP系统与ERP系统的集成化产品

信息平台。

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思考题

1.举例说明CAD/CAM中建模的概念及其过程。

2.试分析三维几何建模