机械CAD技术基础知识

山西农业大学工程技术学院韩小平

2011.3机械CAD技术基础第一页，共一百零三页。§1.1CAD技术的发展历程1.1.1CAD硬件技术发展历程1、20世纪50年代（开始交互式计算图形学的研究）

美麻省理工学院于1950年研制出“旋风1号”的计算机上采用了阴极射线管（CRT）做成的图形终端，并能被动地显示图形。50年代后期又出现了绘图仪和光笔。

图形输出设备的出现，标志着CAD发展的开始。第二页，共一百零三页。2、20世纪60年代（计算机图形学发展的重要时期）

美麻省理工学院的I.E.Sutherland发表了博士论文《SKETCHPAD——人机对话系统》，首次提出了计算机图形学、交互技术、分层存储符号的数据结构等新思想，从而为CAD技术的发展打下了理论基础。有关计算机图形学和计算机辅助设计方面的科学组织和著作于1966年得到了承认。 1964年，美通用汽车公司研制出DAC-1系统，1965年，洛克希德飞机公司推出了CADAM系统，贝尔电话公司的GRAPHIC-1系统。第三页，共一百零三页。

此时各种论文、文献、教程及学术会议大量涌现,整个70年代是计算机图形学及计算机绘图获得广泛应用的时代。但它们大多数还是16位机上的三维线框系统及二维绘图系统，还只能解决一些简单的产品设计问题。出现了以小型机为主的CAD工作站。

3、20世纪70年代：第四页，共一百零三页。4、20世纪80年代（CAD突飞猛进时期）：

新理论、新算法大量涌现。AutoCAD于1982年出现，并出现了许多实体造型系统，如GMsolid（通用汽车公司）、Solidesign（Computervision公司）等等。随着硬件发展，80年代中期以后出现了工作站和网络环境下的高性能的CAD/CAM系统。第五页，共一百零三页。5、20世纪90年代。CAD技术正向着集成化、网络化、智能化和标准化方向发展。第六页，共一百零三页。1.1.2CAD软件发展历程1.第一次技术创新——曲面造型技术

曲面造型(SurfaceModeling)是计算机辅助几何设计(ComputerAidedGeometricDesign,CAGD)和计算机图形学(ComputerGraphics)的一项重要内容，主要研究在计算机图象系统的环境下对曲面的表示、设计、显示和分析。它起源于汽车、飞机、船舶、叶轮等的外形放样工艺，由Coons、Bezier等大师于二十世纪六十年代奠定其理论基础。如今经过三十多年的发展，曲面造型现在已形成了以有理B样条曲面(RationalB-splineSurface)参数化特征设计和隐式代数曲面(ImplicitAlgebraicSurface)表示这两类方法为主体，以插值(Interpolation)、拟合(Fitting)、逼近(Approximation)这三种手段为骨架的几何理论体系。第七页，共一百零三页。2.第二次技术创新——实体造型技术

60年代末CAD研究界提出了用计算机表示机械零件三维形体的构想，以便在一个完整的几何模型上实现零件的质量计算，有限元分析，数控加工编程和消隐立体图的生成。经过十几年的努力探索和多种技术途径的技术验证，这一思想终于成熟起来，形成了功能强大，使用方便的使用软件，并且代表了当代CAD技术的发展主流。

第八页，共一百零三页。（1）参数化设计

是指参数化模型的尺寸用对应的关系描述，而不需用确定的数值。变化一个参数值，其设计模型将自动改变与其相关的尺寸。（2）参数化设计的主要功能

通过改变参数化模型的约束条件，就可自动地导出精确的几何模型，对系列零件，通过修改局部参数就可生成新的零件。3.第三次技术创新——参数化造型第九页，共一百零三页。参数化模型在设计中常用到的是几何模型。a．几何模型描述的是几何实体的几何关系和拓扑关系，有的图形几何关系相同，而拓扑关系不同，有些图形几何信息不同而拓扑关系相同，b．参数化模型就是带有参数名的草图，用户修改参数名，零部件几何模型的拓扑信息不变，而尺寸自动改变。c．约束就是对几何元素的大小、位置和方向的限制。简单地可理解为图形的定形尺寸和定位尺寸。（3）参数化模型第十页，共一百零三页。A、变量几何法1）变量几何法：

将几何形状定义为一系列的特征点，将几何元素间的约束关系转换成以特征点坐标为变量的非线性约束方程组。当约束变化时，解出方程组，得到一系列新的特征点，从而生成新的几何模型。2）特点

这种方法要求用户输入充分且一致的尺寸约束才能求解约束方程的解，当模型越复杂，约束越多，解线性方程的规模越大，构造方程唯一解的约束也越不容易，求解方程也越困难，故该法应用于较简单的平面模型。（4）参数设计的几种方法第十一页，共一百零三页。变量几何法是一种整体求解的方法，通用性好，但局部修改性能差，牵一发而动全身，效率很低。例:

如图一个二维的三角形，三个顶点为其特征点，取三个边长的值为参变量。采用参数化设计时，先构造一个数学模型，把各约束关系用一系列的方程来表示。当改变其参数变量时，该几何模型的拓扑结构应保持不变。该几何模型的方程组为：第十二页，共一百零三页。第十三页，共一百零三页。B、尺寸驱动法1）基本思想：在工程图中，图元的形、位是由尺寸标注确定的，通过变动所标注的尺寸就能自动地得到几何图形的相应变化。

第十四页，共一百零三页。2）方法：

要修改图形，并不是直接修改图形实体特征点（如直线段的起始点、终点）的坐标，而是修改图形实体的尺寸（参变量）。尺寸标注线可以认为是一个向量，如下图，上面标注的内容就是参变量的现值，反映了图形的尺寸大小，其方向反映了几何数据的变化趋势，终点坐标就是要修改的几何数据，其终点称为该尺寸线的驱动点。被驱动实体所对应的点为被动点。当要改变参数值时，就可以根据尺寸线向量计算出新的终点坐标，以此来修改数据库中被动点的几何数据，使它们得到新的坐标值。第十五页，共一百零三页。如图5-13中，尺寸线d可看成为（0，0）到（1，0）的向量。长度为参量a的现值，方向为0°，表示B点将沿水平方向变化。终点D（与B点重合）就是驱动点。线段L的端点B就是被动点。若令a值为2，尺寸线向量可算出新的终点坐标（2，0），并替换原数据中驱动点、被动点的坐标。线段L伸长为L’，尺寸线d也变成d’，这就达到尺寸驱动图形变化的目的。第十六页，共一百零三页。

参数化造型是由编程者预先设置一些几何图形约束，然后供设计者在造型时使用。与一个几何相关联的所有尺寸参数可以用来产生其它几何。其主要技术特点是：基于特征、全尺寸约束、尺寸驱动设计修改、全数据相关。

5、参数化造型技术的主要特点第十七页，共一百零三页。基于特征：

将某些具有代表性的平面几何形状定义为特征，并将其所有尺寸存为可调参数，进而形成实体，以此为基础来进行更为复杂的几何形体的构造；全尺寸约束：

将形状和尺寸联合起来考虑，通过尺寸约束来实现对几何形状的控制。造型必须以完整的尺寸参数为出发点(全约束)，不能漏注尺寸(欠约束)，不能多注尺寸(过约束)；第十八页，共一百零三页。尺寸驱动设计修改：

通过编辑尺寸数值来驱动几何形状的改变；全数据相关：

尺寸参数的修改导致其它相关模块中的相关尺寸得以全盘更新。第十九页，共一百零三页。采用这种技术的理由在于：它彻底克服了自由建模的无约束状态，几何形状均以尺寸的形式而牢牢地控制住。如打算修改零件形状时，只需编辑一下尺寸的数值即可实现形状上的改变。尺寸驱动已经成为当今造型系统的基本功能，无此功能的造型系统已无法生存。工程关系(EngineeringRelationship)如：重量、载荷、力、可靠性等关键设计参数，在参数化系统中不能作为约束条件直接与几何方程建立联系，它需要另外的处理手段。第二十页，共一百零三页。变量化技术是在参数化的基础上又做了进一步改进后提出的设计思想。变量化造型的技术特点是保留了参数化技术基于特征、全数据相关、尺寸驱动设计修改的优点，但在约束定义方面做了根本性改变。变量化技术将参数化技术中所需定义的尺寸“参数”进一步区分为形状约束和尺寸约束，而不是象参数化技术那样只用尺寸来约束全部几何。

除考虑几何约束(GeometryConstrain)之外，变量化设计还可以将工程关系作为约束条件直接与几何方程联立求解，无须另建模型处理。（1）变量化造型技术的主要特点4.第四次技术创新——变量化造型第二十一页，共一百零三页。两种技术都属于基于约束的实体造型系统，都强调基于特征的设计、全数据相关，并可实现尺寸驱动设计修改，提供方法与手段来解决设计时所必须考虑的几何约束和工程关系等问题。（2）两种造型技术之共同点第二十二页，共一百零三页。参数化技术在设计全过程中，将形状和尺寸联合起来一并考虑，通过尺寸约束来实现对几何形状的控制；变量化技术将形状约束和尺寸约束分开处理。参数化技术在非全约束时，造型系统不许可执行后续操作；变量化技术由于可适应各种约束状况，操作者可以先决定所感兴趣的形状，然后再给一些必要的尺寸，尺寸是否注全并不影响后续操作。参数化技术的工程关系不直接参与约束管理，而是另由单独的处理器外置处理；在变量化技术中，工程关系可以作为约束直接与几何方程耦合，最后再通过约束解算器统一解算。（3）两种造型技术之基本区别──约束的处理第二十三页，共一百零三页。由于参数化技术苛求全约束，每一个方程式必须是显函数，即所使用的变量必须在前面的方程式内已经定义过并赋值于某尺寸参数，其几何方程的求解只能是顺序求解；变量化技术为适应各种约束条件，采用联立求解的数学手段，方程求解顺序无所谓。参数化技术解决的是特定情况(全约束)下的几何图形问题，表现形式是尺寸驱动几何形状修改；变量化技术解决的是任意约束情况下的产品设计问题，不仅可以做到尺寸驱动(Dimension-Driven)，亦可以实现约束驱动(Constrain-Driven)，即由工程关系来驱动几何形状的改变，这对产品结构优化是十分有意义的。第二十四页，共一百零三页。变量化技术既保持了参数化技术的原有的优点，同时又克服了它的许多不利之处。它的成功应用，为CAD技术的发展提供了更大的空间和机遇。无疑，变量化技术驱动了CAD发展的第四次技术革命。CAD技术基础理论的每次重大进展，无一不带动了CAD/CAM/CAE整体技术的提高以及制造手段的更新。实际上，“参数化/变量化设计”并不是CAD软件带给我们的新设计模式，仅仅是对传统设计过程的提炼和抽象，为的是能够将我们的设计过程在计算机软件中处理。第二十五页，共一百零三页。从应用上来说，参数化系统特别适用于那些技术已相当稳定成熟的零配件行业。这样的行业，零件的形状改变很少，经常只需采用类比设计，即形状基本固定，只需改变一些关键尺寸就可以得到新的系列化设计结果。再者就是由二维到三维的抄图式设计，图纸往往是绝对符合全约束条件的。除了一般的系列化零件设计，变量化系统在做概念设计时特别得心应手，比较适用于新产品开发、老产品改形设计这类创新式设计。

（4）不同的技术导致截然不同的应用

第二十六页，共一百零三页。CAD定义：

CAD是计算机辅助设计（ComputerAidedDesign）的英文缩写，计算机辅助设计指利用计算机及其图形设备帮助设计人员进行设计工作。在工程和产品设计中，计算机可以帮助设计人员担负计算、信息存储和制图等项工作。§1.2机械CAD技术应用第二十七页，共一百零三页。

美国国家工程科学院对人类1964-1989年的25年来工程成就进行评选，结果表明，CAD/CAM技术的开发应用是十大成就之一。机械CAD约占CAD/CAM市场的35-40%1、CAD技术在机械工业中的应用：1）二维绘图：用来代替传统的手工绘图2）图形及符号库：将复杂图形分解成许多简单图形及符号，做成图库以便调用。第二十八页，共一百零三页。3）参数化设计（用于标准化或系列化零部件）4）三维实体造型：采用三维实体造型设计零部件结构，经消隐、着色处理后显示物体的真实形状，可作装配及运动仿真，以便观察有无干涉。5）工程分析：如有限元分析、优化设计、运动学及动力学等分析等。6）设计文档或生成报表第二十九页，共一百零三页。1）

减少手工绘图时间，提高绘图效率。2）

提高分析计算速度、解决复杂计算问题。3）

便于修改设计。4）

促进设计工作的规范化、系列化和标准化。总之：采用CAD技术后，设计质量↑，设备利用率↑2-3倍，周期↓（30%-60%），成本↓（15%-30%），竞争能力↑。2、

采用CAD技术的好处：第三十页，共一百零三页。3、机械CAD产品开发过程：1、概念设计

在这一阶段，设计者根据客户和市场需求，确定新产品的功能和市场定位，给出产品的概念造型或草图。2、初步设计

对概念设计中的内容进行方案分析比较，修正概念模型，使之更符合客户要求。用CAD的图形技术进行设计修改，方便、快捷，设计速度提高。3、详细设计

详细设计是产品的真正设计阶段，需要确定产品的所有结构和尺寸。在这一阶段还要进行有限元分析、仿真及模拟。第三十一页，共一百零三页。4、文档设计

从概念设计到加工制造，根据不同的需求产生相应的文档，以便管理，使产品开发的整个过程有机结合在一起。5、工艺规程设计

工艺规程设计通常由经验丰富的工艺师与计算机配合完成。由于零件结构的不确定性，工艺规程设计往往不能由计算机独立完成，还需要工艺师的参与。6、加工制造

按照CAD图样和工艺过程要求，生成数控代码，完成零件的加工、部件及产品装配、推出新产品、投放市场，从而完成产品的开发。其中，CAD图样是加工的重要依据。第三十二页，共一百零三页。CAD技术就要求计算机在设计时把产品设计过程中要用到一些设计规范、设计标准，要查阅大量的图表、手册、标准自动地检索出来。为此必须先把这些设计资料处理成计算机能够操作的方式，让计算机能自动地查找和检索所需数据。设计中常用的规范、设计标准大多以数表、线图、公式等形式给出，所以，只需对这几种形式进行程序处理。一、设计资料的程序处理§1.3工程数据处理第三十三页，共一百零三页。数表中的数据可以以数组(一维、二维或三维)的形式或拟合成公式编入程序。数表按其数据间有无函数关系可分为：非函数数表和函数数表。1、非函数数表

待查数据与对应数据之间无函数关系，如渐开线齿轮的标准模数、滚动轴承的内、外径等结构尺寸、各种传动的工况系数等等。这类数据一般用数组的形式存储，直接检索、调用，不需要改变其数据值。（一）数表的处理第三十四页，共一百零三页。2、函数数表

待查数据与对应数据之间有着一定的函数关系，如中、低精度齿轮齿根弯曲疲劳强度计算中的齿形系数和应力校正系数、带传动的包角系数等。这类数表中的数据常需要通过插值的方法检索数据。第三十五页，共一百零三页。插值法的基本思想是：

在插值点附近选取几个合适的节点，过这些点构造一个简单的函数g（χ）代替原来的函数ƒ（χ），这样作为插值点的函数值就用g（χ）的值代替，g（χ）也称为逼近函数。

最常用的逼近函数g（χ）为代数多项式，常用的为线性插值法和抛物线插值法

第三十六页，共一百零三页。1、有原始数学公式的线图找到线图的原始公式，将公式编入程序。这是最精确的程序化的处理方法。2、将线图离散成数表，再按数表的处理方法处理。这种方法占计算机内存大，且精度也不高。（二）线图的处理第三十七页，共一百零三页。3、有些线图本来就是试验数据、经验公式的图形化，采用曲线拟合把这些线图重新拟合成公式编入程序，准确性较高。曲线线图拟合的方法很多，最常用的是最小二乘法。在这种方法中，需要用与线图曲线相近的函数进行拟合，采用何种函数，视曲线的形状而定。常用线性拟合、幂函数或指数函数拟合或多项式拟合。第三十八页，共一百零三页。1．使用方便、快捷2．数据依赖于程序而存在，若要修改数据，就要修改程序3．同样的数据资料存在于不同的应用程序中，无法共享。（三）特点第三十九页，共一百零三页。1．概念：把一组相关数据元素的集合以文件的形式组织和保存，当程序需要用到数据时，通过有关语句打开数据文件进行读取。2．特点1）优点：数据以文件形式存储后，就可以与数据操作的处理程序分离开，当数据有变化时，只需更改数据文件，而程序保持不变。二、数据资料的文件化第四十页，共一百零三页。

2)缺点

1）专用性：数据文件是面向应用问题的，文件结构一般是用户专有。各用户都有自己建立的一套文件结构，造成大量的数据冗余和不一致性。

2）依赖性：文件中数据的逻辑定义、物理存储、组织方式及存储方法由程序员在应用程序中设定，数据文件一旦离开其所依赖的应用程序将失去存在的意义。

3）无结构性：文件结构中的数据一般只反映单一事物的信息，不能描述各种数据之间的联系。第四十一页，共一百零三页。3．分类

文本文件：

用于存储行文档案资料，如技术报告、专题分析、论证材料等，可以利用任何一种计算机文字处理工具软件建立。

数据文件：

是记录的集合，有自己固定的存取格式，用于存储数值、短字符串数据，如零件编码、切削参数、标准零件尺寸等，通常用语言的文件管理功能实现文件的建立、数据的存取。第四十二页，共一百零三页。

不能在不同的系统间共享数据存储量小，不同满足系统的需要难以存储结构复杂、操作要求高的数据。三、设计资料的程序化和文件化的缺点第四十三页，共一百零三页。

CAD/CAM集成系统要实现系统中各应用程序所需要的及产生的各种信息的存储、交流和操作使用，因此信息的集成问题最终反映出、表现出的是数据的交换和共享问题，目前数据库技术是能较好地解决共享问题的数据处理方法，数据库技术是CAD/CAM集成系统的关键技术之一。数据库系统是由数据库、数据库管理系统、数据库应用程序及支持数据库管理系统的操作系统所组成。四、工程数据的数据库管理第四十四页，共一百零三页。1．数据库（Database）：

是一个可满足多个用户、多种应用的需要、在计算机系统中按一定的数据模型组织、存储的相互联系的数据集合。用户可以采用各种方法来对数据进行各种组合以满足各种应用。数据库和图书馆相似，图书馆的任务是存储和负责借用图书资料，数据库的任务是存储数据并负责用户访问数据。

第四十五页，共一百零三页。

数据库不能仅仅理解为存储数据的集合，应看作是一个系统，既数据库系统，一个图书馆要很好的为读者服务必须完成以下工作：1）

建立完善书卡2）

图书应有组织的存放在书库里3）

规定借阅权限4）

建立周密的借阅管理制度数据库也应该完成类似的工作：第四十六页，共一百零三页。1）数据库应建立数据模型，使用户可以根据数据模型访问数据库中的数据，而不必关心数据库中的物理存储位置。数据模型应该象书卡一样可以反应各种数据建立的内在联系。2）数据应该有组织的存放在存储设备上，并建立数学模型到物理存储位置的对应表，使数据库管理系统能按照用户的访问找到被访问数据的存储位置。第四十七页，共一百零三页。1．复杂的数据模型数据库在描述数据的同时，也描述数据之间的联系。2．数据的共享性好，冗余度低。数据库从整体观点处理数据，面向系统，弹性大，易扩充，使用方式灵活，实现了数据共享。数据库的特点：第四十八页，共一百零三页。3．数据的独立性数据可以独立于程序而存在，应用程序不必随数据结构的变化而变化，数据库本身有操作功能，不需要应用程序额外负担数据操作任务。4．数据具有安全性、完整性。数据库系统提供对数据的保护，防止不合理的使用，保证数据的完整性。第四十九页，共一百零三页。数据库系统的体系结构1．分类：数据库的模式结构从逻辑上分为外模式，概念模式和内模式这三级。第五十页，共一百零三页。外模式：又称为用户模式或子模式，面向用户，是用户能看到并操作的数据视图，它表示了用户所理解的实体、实体属性和实体间的联系。每个用户可以以自己的观点使用一个外部模式对所用到的数据结构进行逻辑描述。即属于某特定用户的逻辑数据库，这种逻辑数据库只是整个数据库的一个部分。在这里没有实际的数据存储，而只有关于该用户如何存取数据库中数据说明.外模式有多个，处于系统的外层。第五十一页，共一百零三页。概念模式：

又称逻辑模式，是对数据库的整体逻辑结构和特征的描述。它表示出数据库的整体数据组织状况和逻辑结构。同样，在这里也没有数据的实际存储，只有关于整体数据库的“说明”。一个数据库可以有多种的外部模式，但只有一个概念模式，处于系统的概念层。第五十二页，共一百零三页。内模式：也称为存储模式，是对数据库的物理结构和存储方式的描述，包括多种记录的类型，索引及物理存储顺序等，该模式就相当于一个数据仓库。只有一个，处于系统的内层。第五十三页，共一百零三页。下图是一个比较实际的例子。假设一个“通信数据库”，有三个用户，电子通信用户，邮政通信用户，电话通信用户；他们各自只需要自己的信息（其他信息不要）。对整体数据库而言，要能为所有用户服务；故“综合”了所有用户的信息表示成“概念数据库”，并物理地存储在物理数据库中；对每个外部用户，从概念数据库中“映射”出他需要的信息，表示成逻辑数据库"。在这里"概念数据库"亦是一个逻辑概念；不同的是概念数据库是整体数据库的逻辑结构；而逻辑数据库仅是局部数据的数据库的逻辑结构。第五十四页，共一百零三页。第五十五页，共一百零三页。2．三者关系1）外模式/概念模式变换

定义了外模式和概念模式之间的映射关系。当整个系统要求改变概念模式时，可以改变此映射关系而保持外模式不变。这种用户数据独立于全局逻辑数据的特性称做逻辑数据的独立性。2）概念模式/内模式变换

定义了概念模式和内模式之间的映射关系。当整个系统要求改变内模式时，可以改变此映射关系而保持外模式和概念模式不变。这种全局逻辑数据独立于物理数据的特性称做物理数据的独立性。第五十六页，共一百零三页。第五十七页，共一百零三页。通过这三个抽象层构成数据库的体系结构。对一般用户而言，他的某些应用只处理数据库中的部分数据，则我们通过“外部模式”来向他提供那部分数据，而将其它数据屏蔽“起来，不让他”知道“，更不让他”触及“到。从而达到既提供用户服务，又保证数据的安全。数据的”存“和”取“通过不同模式之间的”映射“进行转换和组织。这些映射是DBMS的职能，即由DBMS自动完成的。

任何一个数据库系统，实际存在的只是物理级（内模式）的数据库。概念级数据库是数据库系统面向应用问题的抽象描述，是为了方便人们对数据库逻辑结构的理解。用户级数据库则是数据库系统面向用户的接口。第五十八页，共一百零三页。数据模型（DataModel）：

是一种人们对现实世界进行描述的工具，不仅描述数据本身的内容，也描述数据与数据之间的关系。数据库的核心问题是研究如何表示和处理数据间的联系。1）层次模型

层次模型也称为树状模型，其数据结构呈树型结构，如图所示。是数据库系统用的最早的一种数据模型。层状模型节点间联系简单，层次分明，结构清晰，但只能反映一对一或一对多的联系。支持层次模型的典型系统是IBM公司的IMS(InformationManagementSystem)系统。数据库的数据模型第五十九页，共一百零三页。第六十页，共一百零三页。2）网状模型

网状模型，其数据结构呈网状，如图所示。网状模型允许每个结点有多个父结点和多个子结点，是一种多对多的联系。网状结构可以描述实体之间的复杂联系，但在概念上，结构上及实现起来都比较复杂。支持网状模型的典型系统是DBTG(DataBaseTaskGroup)系统。第六十一页，共一百零三页。3）关系模型关系模型就是一张二维表，用二维表来描述实体间的关系和实体间的联系，如下表。关系模型数据之间的关系简单明了，有严格的数学基础，用户易懂易用，因此关系数据库得到了很大的发展,也是当今计算机世界所流行的一种数据库系统，如FoxBASE,FoxPro、Access等。第六十二页，共一百零三页。第六十三页，共一百零三页。数据库管理系统（DBMS）：

是数据库系统的核心，是统一管理整个数据库系统的应用支撑软件，具有数据库的定义、管理维护、通信以及设备控制等功能。DBMS的中心任务把对数据库的各种操作转换到物理级去执行。目前有许多商品化的DBMS。数据库管理系统第六十四页，共一百零三页。1．DBMS的基本功能

1）数据库定义和存取功能

DBMS的最基本功能是有效地执行数据库语言，包括数据库模式定义、子模式定义、存储结构定义和数据的增、删、改、查等功能。2）数据库控制功能

这是DBMS的核心部分，包括控制系统的运行、用户的并发访问、安全性检查、恢复机制、完整性约束条件的检查和执行等。

第六十五页，共一百零三页。3）数据维护功能

包括数据库的建立、数据的更新和再组织、数据的转换转储和恢复等以及数据库性能监视。4）通信功能

和操作系统协作处理库内外数据的传输。第六十六页，共一百零三页。2．数据库语言

用户使用数据库，必须对数据库进行各种操作，包括对数据模式的定义，数据的增、删、改、查和控制等，这就要求DBMS必须为用户提供相应的命令和语言来完成这些操作，也就是用户和数据库的接口。目前应用最广泛的是SQL语言。SQL语言（StructuredQueryLanguage）是关系数据库的标准语言。精致、简洁、命令数量不多，但具有对数据库操作的基本功能。SQL语言是一种非过程语言，即用户只须用SQL语言说明“做什么”，而无须指明“怎么做”；可以以交互命令的方式使用，也可以嵌入主语言在程序中使用。第六十七页，共一百零三页。3．DBMS的分类

1）微机方式下简单的DBMS。

常见的有FoxBase、Foxpro、Access等。这些系统既有单机版也有网络版。操作简单，价格低廉，应用广泛。2）分时系统环境下，集中式数据库体系结构。

在这种系统中，数据是集中的，数据管理也是集中的，数据库系统的核心结构都集中在DBMS所在的中心计算机上，各用户借助终端共享中心DBMS上的功能和资源，如ORACLE系统。3）网络环境下的客户/服务体系结构。

Client/Server是随着LAN的发展而提出来的，目前成为计算机LAN下的一种主流体系结构。第六十八页，共一百零三页。工程数据库:指能满足人们在工程活动中对数据处理要求的数据库。

因为工程上所处理的数据，其对象、类型、结构、性能要比商务上复杂的多，工程数据库系统较之一般数据库系统有诸多区别和特点。工程数据库系统（EDBMS）第六十九页，共一百零三页。1．工程数据库管理系统与传统数据库管理系统的区别和特点

1）管理对象一般数据库:是静态的工程数据库:管理静态的数据高度动态的数据第七十页，共一百零三页。2）数据的类型一般数据库:字符串和数值类型，工程数据库:字符串和数值，大量的复杂数据类型的数据3）数据结构一般数据库:关系模型工程数据库:多数是树状的继承关系，还有复杂的网状结构，第七十一页，共一百零三页。4）数据库的变化一般数据库:数值多变，结构变化缓慢的，工程数据库:设计者作为工程数据的全权使用者，必须让其对库的数值和结构上都可作改动、以满足设计过程中的多变性。第七十二页，共一百零三页。5）信息种类工程数据包含的信息种类繁多，如：（1）产品的图形信息：（2）产品的文字数据信息：（3）设计所需参数和分析计算数据：（4）工艺数据：加工设备、工艺规程、工序文件及加工的数控代码等。第七十三页，共一百零三页。6）系统的分层结构一般数据库:支持事物处理功能，但商务性、管理性的事务规律性较强，便于实现。工程数据库:涉及的数据结构繁多、复杂，并需要多次的反复和修改。所以需要设计分层结构的数据库系统，来解决工程中的长事物处理问题。系统的分层结构如图5-7。第七十四页，共一百零三页。第七十五页，共一百零三页。2．工程数据库系统的构成方法

1)改造现在的一般数据库使之支持工程数据处理。

它利用一般数据库的优点，辅之以图形处理的手段，集成为一个工程数据库系统，或以一般数据库为核心，扩充CAD/CAM应用所需要的若干功能模块组成一个工程数据库系统。目前国内研制的工程数据库大多采用这种方法。

2)分析、拆解一般数据库的源代码，按照工程数据库的要求修改原组织结构、概念模式，扩充强化功能。IBM公司SanJose研究实验室推出的“扩充的SystemR”工程数据库就属于此类。第七十六页，共一百零三页。3)

研制新的数据模型，开发新的工程数据库系统

在现有的一般数据库系统下改造，往往很难实现真正的工程数据库要求的功能。因此人们试图开发新的数据库模型和数据库管理方法，面向对象的数据库系统（OOEDBMS）就是这种数据库的代表。OOEDBMS虽然已经有人在研制开发，但未形成商品化。第七十七页，共一百零三页。3、工程数据库技术的发展趋势

1）新型化：

2）智能化：3）巨型化：4）工具化：

5）分布式：

6）集成化：第七十八页，共一百零三页。§1.4CAD系统的结构与分类CAD系统由硬件系统和软件系统构成。硬件系统包括计算机、外围设备（包括输入输出设备、图形显示设备、外存储设备等）；软件系统包括系统软件、支撑软件及应用软件。1.4.1CAD分类：主机-终端CAD系统以大型机为基础，具有庞大的存储器和极强的计算功能，适于复杂和处理大量信息的设计。投资大，更新操作比较困难。工作站CAD系统以32位微机工作站为基础，配有较大的内外存，网络能力强。

个人微机系统价格便宜，配置方便，软件升级、更新方便。第七十九页，共一百零三页。1.4.2网络结构1.个人微机及局域网2.客户机/服务器3.Internet/intranet1.5CAD系统硬件的组成1.主机2.外存设备包括：磁盘、移动硬盘、U盘、光盘等。3.图形输入设备包括：键盘、鼠标和跟踪球、扫描仪等4.图形输出设备包括：绘图仪、打印机5.图形显示设备如显示器第八十页，共一百零三页。CAD/CAM系统硬件选型原则从应用的观点出发，在选择硬件系统时应特别考虑下述几点：①工作能力②经济性③使用方便性④工作可靠性⑤维修方便性⑥标准化程度及可扩充性⑦工作环境⑧响应时间及处理速度⑨采用的语言⑩磁盘容量等第八十一页，共一百零三页。1.6CAD系统软件的组成1.系统软件2.支撑软件支撑软件主要用来实现几何建模、绘图、工程设计计算和分析等功能。根据其应用可分以下几类：第八十二页，共一百零三页。1、计算机分析软件（辅助工程软件）这类软件主要用于工程设计中的各种数值计算和分析。以现代计算力学为基础，以计算机仿真进行工程分析，实现产品的优化设计。其主要包括有限元分析法、边界法等方法。计算机分析软件很多，如ANSYS、ADAMS、CSA/Nastran、FLDAP、LS-NLKE3D等。一些软件还具有较强的前后置处理能力。第八十三页，共一百零三页。2、CAD/CAE/CAM软件系统这些软件支持二维和三维图形方式下进行产品及零件的定义。

1）SDRC公司的I-DEAS软件是一个综合的集成化CAD/CAE/CAM系统。除了CAD、CAE、CAM功能外，还具有测试数据分析、仿真项目管理、开放结构等功能。2）PTC公司的Pro/Engineer软件是一个全参数化和基于特征的CAD/CAM系统。第八十四页，共一百零三页。3）EDS/Unigraphics公司的Unigraphics（UGⅡ）系统是一个综合性的设计、分析、制造一体化集成系统。除了CAD/CAE/CAM功能外，还具有CAQ（计算机辅助质量控制）、CAT（计算机辅助测试）、CAPP（计算机辅助工艺规划）等功能。4）Autodask公司的AutoCAD目前的版本是AutoCAD，是目前微机上应用最为广泛的通用的交互式计算机辅助绘图与设计软件包。第八十五页，共一百零三页。3、数据库管理系统（DBMS）目前有许多商品化的软件，有微机方式下简单的DBMS：如FoxBase，Foxpro，AccEss等；分时系统环境下，集中式数据库体系结构：如ORACLE等；网络环境下的客户／服务体系结构：如Client/Server等。这些DBMS大都属于关系型数据库管理系统，常用于商业事务管理。这些数据库经过改造使之支持工程数据处理，但很难实现真正的工程数据库所要求的功能。第八十六页，共一百零三页。4、网络服务软件数据交换和共享是当今CAD必不可少的手段，如企业内部各部门间的数据共享与传递、企业与企业之间的信息交流等。网络服务软件为这些系统在网络上传输和共享数据提供了条件。第八十七页，共一百零三页。1.7机械CAD技术的发展趋势 ◆集成化◆网络化 ◆智能化 ◆标准化

第八十八页，共一百零三页。一、集成化

为了适应设计与制造自动化的要求，特别是近几年来出现的计算机集成制造系统（CIMS）的需求，进一步提高集成水平是CAD/CAM系统发展的一个重要方向。因此，必须做好以下几个方面：

1)数字化产品建模。建立包括几何信息在内的完整的产品信息模型（包括几何、工艺、加工、管理等信息），创造CAD、CAPP、数控编程集成的必要条件。第八十九页，共一百零三页。2)产品数据交换。

解决好不同CAD系统间产品模型数据的转换问题；（初始图形交换规范IGES应逐步向国际标准STEP靠拢）

3）产品数据管理。

应继续改进与提高PDM软件性能，有效管理与产品相关的所有数据以及与产品有关的所有过程。第九十页，共一百零三页。4）继续改进与开发各种Cax（CAD、CAE、CAPP…）以及DFx（DFA、DFM、DFT…）并使它们有机集成起来。即系统内部应包括种类更多、功能更为完善的设计与制造应用软件。如：CAPP软件、文字处理软件、面向对象的各种应用软件等。

返回第九十一页，共一百零三页。二、网络化

随着因特网及Web技术的发展，设计工作向网络协同模式发展。CAD技术需在以下方面提高水平：1）能够提供基于因特网的完善协同设计环境；2）提供网上多种CAD应用服务，例如设计任务规划、设计冲突检测与消解、网上虚拟装配等。返回第九十二页，共一百零三页。三、智能化1、数值型工作：计算、分析、绘图2、符号推理型工作：方案构思和拟定、最佳方案选择、结构设计、评价、决策及参数选择等） 因此，将人工智能技术，特别是专家系统的技术，与传统CAD技术结合起来，形成智能化CAD系统是机械CAD发展的必然趋势。第九十三页，共一百零三页。智能化应注意以下几