CAD课后题.doc

1. CAD/CAM的基本概念从计算机科学的角度看，设计与制造的过程是一个关于产品信息的产生、处理、交换和管理的过程。 CAD/CAM技术不是传统设计、制造流程和方法的简单映像，也不是局限于在个别步骤或环节中部分地使用计算机作为工具，而是将计算机科学与工程领域的专业技术以及人的智慧和经验以现代的科学方法为指导结合起来，在设计、制造的全过程中各尽所长，尽可能地利用计算机系统来完成那些重复性高、劳动量大、计算复杂以及单纯靠人工难以完成的工作，辅助而非代替工程技术人员完成整个过程，以获得最佳效果。CAD/CAM系统以计算机硬件、软件为支持环境，通过各个功能模块实现对产品的描述、计算、分析、优化、绘图、工艺规程设计、仿真以及NC加工。而广义的 CAD/CAM集成系统还应包括生产规划、管理、质量控制等方面。2. CAD/CAM系统的基本功能图形显示功能 输入输出功能 存贮功能 交互功能（人机接口）3. CAD/CAM系统的工作过程1通过市场需求调查以及用户对产品性能的要求向CAD系统输入设计要求利用几何建模功能构造出产品的几何模型计算机将此模型转换为内部的数据信息存贮在系统的数据库中。2调用系统程序库中的各种应用程序对产品模型进行详细设计计算及结构方案优化分析以确定产品总体设计方案及零部件的结构主要参数同时调用系统中的图形库将设计的初步结果以图形的方式输出在显示器上。3根据屏幕显示的结果对设计的初步结果作出判断如果不满意可以通过人机交互的方式进行修改、直至满意为止修改后的数据仍存贮在系统的数据库中。4系统从数据库中提取产品的设计制造信息在分析其几何形状特点及有关技术要求后对产品进行工艺规程设计设计的结果存入系统的数据库同时在屏幕上显示输出。5用户可以对工艺规程设计的结果进行分析、判断并允许以人机交互的方式进行修改。最终的结果可以是生产中需要的工艺卡片或以数据接口文件的形式存入数据库以供后续模块读取。6利用外部设备输出工艺卡片成为车间生产加工的指导性文件或计算机辅助制造系统从数据库中读取工艺规程文件生成NC加工指令在有关设备上加工制造。7有些CAD/CAM系统在生成了产品加工的工艺规程之后对其进行仿真、模拟、验证其是否合理、可行。同时还可以进行刀具、夹具、工件之间的干涉、碰撞检验。8在数控机床或加工中心上制造出有关产品。4. CAD/CAM系统的硬件组成、各有何功能主机 主机是计算机硬件的核心，用于只会、控制整个计算机系统完成运算、分析工作；外存贮器 为提高计算机的经济型，配置外存贮器以长期保留程序及数据；输入设备 将各种外部数据转换成计算机能识别的电子脉冲信号；输出设备 计算机实用价值的体现，能与外界沟通；语音输出 在计算机系统信息提示，文字编辑，通信广播等方面发挥作用5. CAD/CAM系统硬件如何安排布局形式1 独立式系统（主机系统 成套系统 工程工作站系统 个人机系统）2 分布式系统6. 简述CAD/CAM系统硬件的配置原则系统功能。系统升级扩展能力。系统的开放性与可移植性。系统的可靠性、可维护性与服务质量7. 例举CAD/CAM系统的软件类型1系统软件（操作系统：UNIX VMS MS-DOS WINDOWS XENIX） 2支撑软件（绘图软件 几何建模软件 有限元分析软件 优化方法软件 数据库系统软件 系统运动学仿真软件 计算机辅助工程软件）3应用软件（检索型 自动型 交互型 智能型）8. 简述CAD/CAM软件系统选择原则1软件性能价格比 2与硬件匹配 3二次开发环境 4开放性 5软件上的综合能力9. 数据结构的基本概念数据结构是数据的组织，存储和运算的总和。它是信息的一种组织方式，是以数据按某种组织关系起来的一批数据，其目的是为了提高算法的效率，然后用一定的存储方式存储到计算机中，并且它通常与一组算法的集合相对应，通过这组算法集合可以对数据结构中的数据进行某种操作10. 常用逻辑结构和物理结构的类型、特点逻辑结构：1线性结构 这种结构的数据可用数表的形式表示。每一个数据元素仅与它前面的一个和后面的一个数据元素相联系，仅能用于表达数据之间的简单顺序关系；2非线性结构 逻辑关系复杂，一种多元关系，网状 树状物理结构：1顺序存贮结构 占用存贮单元少，简单易行，结构紧凑。但数据结构缺乏柔性，不适合需要频繁修改、补充、删除数据的场合；2链接存贮结构 可独立于逻辑结构，使存贮的屋里瞬息不必与逻辑顺序一致而仍能按逻辑要求来存取数据11. 简述曲线拟合的理论基础曲线拟合的方法很多，最常用的是最小二乘法。 设由实验得到或绘图经离散后得到 m 个点：(xi，yi)，i1，2，?，m。假 设由这些点得到的拟合公式为 y=f(x)，则每个节点处的偏差为：ei=f(xi)-yi，i 1，2，?，m。 将所有节点的偏差取平方值并求和，让偏差平方和达到最小，因此称为最小二乘法拟合。12. 数据库系统在CAD/CAM集成系统中的作用数据库系统 CAD/CAM 集成系统，就是要按照产品设计、制造的实际进程，在计算机内组织起连续、协调、科学的信息流，也就是要实现系统中各应用程序所需要的及产生的信息的存储、交流和操作使用。因此，集成首先是信息的集成问题，最终反映出的是数据的交换和共享问题。目前，能较好地解决共享问题的数据处理方法，被公认为是数据库技术，所以，数据库技术是 CAD/CAM 集成系统的关键技术之一 13. 窗口和视区的概念及变换原理在计算机绘图中，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。窗口与视区可以是多个，而且几个窗口或几个视区可以重叠或嵌套。窗口与视区不一定都是矩形区域，也可能是圆形或多边形区域。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。14. 简述二维图形变换的基本原理、方法、种类二维图形的变换实际上是一系列点进行变换一般是指对图形的几何信息经过几何变换后产生新的图形，它提供了构造或修改图形的方法。除图形的位置变动外，还可以将图形放大或缩小，甚至对图形作不同方向的拉伸来使其扭曲变形二维图形的基本变换包括以下几种：平移变换、旋转变换、比例变换、对称变换、错切变换。平移是将图形中的每一个点进行移动。若将一个点（x,y）沿x方向移动c单位、沿y方向移动f单位,平移到一个新位置旋转变换是将图形绕已固定点顺时针或逆时针方向进行旋转。规定：逆时针方向为正，顺时针方向为负。下面讨论图形绕原点沿逆时针方向旋转角的旋转变换。比例变换使用比例因子乘以图形的点集，使图形放大或缩小的变换。错切变换是使图形产生一个扭变。分为x和y方向的错切变换15. 何谓复合变换？如何实现复合变换经过平移、某种变换、再平移的多次变换过程，而不仅仅是一种独立的变换，故而成为复合变换。1图形相对于任一点作旋转变换 2图形相对于任一点作比例变换 3图形相对于任意跳线y=ax+b对称变换16. 计算机绘图中如何产生三视图17. 三维几何建模系统有哪些建模形式？各自的特点 线框建模原理 线框建模 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。这种实体模型由一系列直线、圆弧、点及自由曲线 组成，描述的是产品的轮廓外形。 线框模型中引进了图元的概念， 图元是由线段、圆、弧、文字和一些曲线等图形元素和 属性元素组成的一个整体。有了图元，人们不仅可以对具体 的图形元素进行操作，甚至还可以把多个图元和符号或零件 联系起来，组成块，进行统一编辑操作，并且还可以进行交、 并、差的布尔运算，使计算机辅助设计的领域进一步扩大表面建模是通过对物体的各个表面或曲面进行描述而构 造实体模型的一种建模方法。建模时，先将复杂的外表面分 解成若干个组成面，这些组成面可以构成一个个基本的曲面 元素。然后通过这些面素的连接构成组成面，各组成面的拼 接构成了所要的模型。实体建模的基本原理实体建模是通过定义基本体素，利用体素的集合运算， 实体建模是通过定义基本体素，利用体素的集合运算，或基本 变形操作实现的特征建模是面向整个设计、制造过程的，必须能够完整 地、全面地描述零件生产过程的各个环节的信息以及这些信 息之间的关系。 特征建模是一种以实体建模为基础，包括上述信息的产 品建模方案，通常由形状特征模型、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18. 试以图表示线框建模的多义性19. 实体建模的方法体素法 通过基本体素的集合运算构造几何实体的建模方法 扫描法 应用基本的变形操作实现建模20. 试述实体建模中计算机内部表示方法，其数据结构的特点边界表示法边界表示法Boundary RepresentationBoundary Representation简称简称BB-RepRep法法边界表示法边界表示法是用物体封闭的边界表面描述物体的方法这一封闭的边界表面是由一组面的并集组成的。特点特点1强调实体外表的细节详细记录了所有几何信息和拓扑信息2将面、边、顶点的信息分层记录建立层与层之间的联系3可直接用面、边、点定义的数据实现交、并、差等集合运算4有利于生成和绘制线框图及投影图5便于计算几何特性6与二维绘图功能衔接生成工程图7无法提供关于实体生成过程的信息。构造立体几何法构造立体几何法Constructive Solid GeometryConstructive Solid Geometry构造立体几何法简称CSG法是一种用简单体素拼合复杂实体的描述方法。任何复杂的实体都可用简单体素的组合来表示。利用体素构成新的形体需进行几何造型中的集合运算即布尔运算并、交及差。需保证操作的结果是具有边界的封闭的实体并保持初始形状的维数。特点特点1构成的数据模型比较简单。2每个基本体素无需再分解将体素直接存贮在数据结构中。3便于实现对实体的局部修改如在原物体上倒角、例圆等。4无法存贮物体最终的详细信息。混合模式混合模式Hybrid ModelHybrid Model对CAD/CAM集成系统来说单纯的几何模型并不能满足要求往往需要在几何模型的基础上附加制造信息构造产品模型。总结B-Rep法和CSG法的各自优点在系统中可以采用混合方法对物体进行描述。混合模式建立在边界表示法与构造立体几何法的基础之上在同一系统中将两者结合起来共同表示实体。通常以CSG法为系统外部模型以B-Rep法为内部模型CSG法适于做用户接口方便用户输入数据、定义体素及确定集合运算类型而在计算机内部转化为B-Rep的数据模型以便存贮物体更详细的信息21. 何谓特征？与实体建模相比，特征建模有何突出优点？特征的定义特征可以定义为零件的一部分表面它包含以下含义1特征不是体素是某个或某几个加工表面。2特征不是完整的零件。3特征的分类与该表面加工工艺规程密切相关。4描述特征的信息中除表达形状的诸如直径、长度、宽度等几何信息及约束关系信息外还需包含材料、精度等制造信息。5 通过定义简单的特征还可以生成组合特征1特征建模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如键槽、螺纹孔、均布孔、花键等起点在比较高的功能模型上。特征的引用不仅直接体现设计意图也直接对应着加工方法以便于进行计算机辅助工艺过程设计并组织生产。 2特征建模以计算机能够理解的和能够处理的统一产品模型代替传统的产品设计、工艺设计、夹具设计等各个生产环节的连接使得产品设计与原来后续的各个环节并行展开系统内部信息共享实现真正的CAD/CAPP/CAM的集成且支持并行工程。 3有利于实现产品设计、制造方法的标准化、系列化、规范化使得产品在设计时就考虑加工、制造要求保证产品有较好的工艺性及可制造性有利于降低产品的生产成本。22. 试述特征建模的功能作用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。23. 试述有限元法的基本原理先把一个原来是连续的物体剖分成有限个单元，且它们相互连接在有限个节点上，承受等效的节点载荷，并根据平衡条件来进行分析，然后根据变形协调条件把这些单元重新组合起来，成为一个组合体，再综合求解。由于单元的个数有限，节点的数目也有限，所以这种方法称为有限元法。24. 总结归纳有限元法的解题步骤具体解题步骤如下： 1单元剖分 把连续弹性体分割成许多个有限大小的单元，并为单元和节点编号。 2单元特征分析 以节点位移e为基本未知量，设选一个单元位移函数，之后：（1）用节点位移表示单元位移，f=Ne。（2）通过几何方程用节点位移表示单元应变，=Be。（3）通过物理方程用节点位移表示单元应力，=Ge。（4）通过虚功方程用节点位移表示节点力，Fe=Kee，得出单元刚度矩阵。 3总体结构合成（1）分析整理各单元刚度矩阵，通过节点的平衡方程形成节点载荷列阵、合成总体刚度矩阵，建立以节点位移为未知量的、以总体刚度矩阵为系数的线性代数方程：K =F。（2）对线性代数方程组进行边界条件处理，求解节点位移。进而由=Ge可求得单元应力。25. 为什么要进行有限元分析的前置处理？前置处理有哪些功能？用有限元法进行结构分析时,要输入大量的数据，如单元数、单元的几何特性、节点数、节点编号、节点位置坐标等。故有限元计算程序要进行前置处理。1. 生成节点坐标 2. 生成网格单元 3. 修改和控制网格单元4. 引进边界条件 5. 单元物理几何属性编辑 6. 单元分布载荷编辑26. 有限元分析后置处理的主要任务当结构经过有限元分析后，会输出大量的数据，如静态受力分析后节点的位移量、固有频率计算后的振型等。故有限元计算程序要进行后置处理。将有限元计算分析结果进行加工处理并形象化为变形图、应力等值线图、应力应变彩色浓淡图、应力应变曲线以及振型图等。27. 何谓优化设计？它的关键工作是什么是在计算机广泛应用的基础上发展起来的一项设计技术，以求在给定技术条件下获得最优设计方案，保证产品具有有良心能。优化设计要解决的关键问题一是建立优化设计数学模型，即确定优化设计问题的目标函数、约束条件和设计变量；二是选择适用的优化方法。28. 分析设计变量、目标函数、约束条件之间的关系优化设计主要包括两个方面:一是如何将设计问题转化为确切反映问题实质并适合于优化计算的数学模型,建立数学模型包括:选取适当的设计变量,建立优化问题的目标函数和约束条件。目标函数是设计问题所要求的最优指标与设计变量之间的函数关系式,约束条件反映的是设计变量取得范围和相互之间的关系;29. 何谓仿真？在工程学中起什么作用模仿真实的系统，意指通过模拟系统的实验区研究一个存在或设计中的系统。关键是建立从实际系统抽象出来的仿真模型。CAD/CAM仿真的意义1.替代许多难以或无法实施的实验2.解决一般方法难以求解的大型系统问题3.降低投资风险、节省研究开发费用 4.避免实际实验对生命、财产的危害5.缩短实验时间、不受时空限制30. 何谓物理仿真和数学仿真？二者存在有什么关系物理仿真：在物理模型基础上进行的仿真。 1.特点：物理模型与实际系统之间具有相似的物理属性，所以，物理仿真能观测到难以用数学来描述的系统特性，但要花费较大的代价。数学仿真（又称计算机仿真）即建立系统（或过程）的可以计算的数学模型（仿真模型），并据此编制成仿真程序放入计算机进行仿真试验，掌握实际系统（或过程）在各种内外因素变化下性能的变化规律。特点：与物理仿真相比，数学仿真系统的通用性强，可作为各种不同物理本质的实际系统的模型，故其应用范围广，是目前研究的重点。31. 派生法CAPP系统和创成法CAPP系统的工作原理有何不同派生法是以对标准工艺规程的检索和修改为基础，而标准工艺是由有经验的工艺人员制订的。设计新零件工艺规程时要对标准工艺进行检索，并经编辑和修改而得到。创成法是由计算机软件系统，根据输入的或直接从cad系统获得的零件信息，依靠系统中的工艺数据和各种工艺决策自动设计出工艺规程。32. 开发派生法CAPP系统的关键技术有哪些实现工艺设计自动化，必须要解决两个主要问题:实现零件图样信息代码化。要把工艺人员的经验和技能系统化，理论化，代码化。工作原理派生式CAPP系统是检索式CAPP系统的发展，是利用零件GT（成组技术）代码（或企业现行零件图编码），将零件根据结构和工艺相似性进行分组，然后针对每个零件组编制典型工艺，又称主样件工艺。工艺设计时，首先根据零件的GT代码或零件图号，确定该零件所属的零件组，然后检索出该零件的典型工艺文件，最后根据该零件的GT代码和其它有关信息对典型工艺进行自动化或人机交互式修改，生成符合要求的工艺文件。33. 创成法CAPP系统的工艺决策方法有哪些决策表 决策树等依靠系统中的决策逻辑生成。收集了大量的工艺数据和加工知识，并以此规程为基础，在计算机软件基础上建立一系列的决策逻辑，形成了工艺数据库和加工知识库。在输入新零件的有关信息后，系统可以模仿工艺人员，应用各种工艺决策逻辑规则，在没有人工干预的条件下，自动生成零件的工艺规程。34. NC程序编制的主要内容数控编程步骤加工工艺决策在数控编程之前，编程员应了解所用数控机床的规格、性能、数控系统所具备的功能及编程指令格式等。根据零件形状尺寸及其技术要求，分析零件的加工工艺，选定合适的机床、刀具与夹具，确定合理的零件加工工艺路线、工步顺序以及切削用量等工艺参数，这些工作与普通机床加工零件时的编制工艺规程基本是相同的。1.确定加工方案此时应考虑数控机床使用的合理性及经济性，并充分发挥数控机床的功能。2.工夹具的设计和选择应特别注意要迅速完成工件的定位和夹紧过程，以减少辅助时间。使用组合夹具，生产准备周期短，夹具零件可以反复使用，经济效果好。此外，所用夹具应便于安装，便于协调工件和机床坐标系之间的尺寸关系。3.选择合理的走刀路线合理地选择走刀路线对于数控加工是很重要的。应考虑以下几个方面： (1)尽量缩短走刀路线，减少空走刀行程，提高生产效率。 (2)合理选取起刀点、切入点和切入方式，保证切入过程平稳，没有冲击。 (3)保证加工零件的精度和表面粗糙度的要求。 (4)保证加工过程的安全性，避免刀具与非加工面的干涉。 (5)有利于简化数值计算，减少程序段数目和编制程序工作量。4.选择合理的刀具根据工件材料的性能、机床的加工能力、加工工序的类型、切削用量以及其它与加工有关的因素来选择刀具，包括刀具的结构类型、材料牌号、几何参数。5.确定合理的切削用量在工艺处理中必须正确确定切削用量。35. 计算机辅助NC程序编制有哪两个重要组成部分手工编程是指编制零件数控加工程序的各个步骤，即从零件图纸分析、工艺决策、确定加工路线和工艺参数、计算刀位轨迹坐标数据、编写零件的数控加工程序单直至程序的检验，均由人工来完成。 自动编程是采用计算机辅助数控编程技术实现的，需要一套专门的数控编程软件，现代数控编程软件主要分为以批处理命令方式为主的各种类型的APT的语言编程系统和交互式CAD/CAM集成化编程系统36. APT语言系统有哪些主要特点？有哪几种主要语句与通用计算机语言相似，用APT语言编制的加工程序是由一系列语句所构成，每个语句由一些关键词汇和基本符号组成，也就是说APT语言由基本符号、词汇和语句组成几何定义语句 刀具运动语句 工艺数据语句初始语句和终止语37. 简述CAD/CAM集成的基本概念集成是指将基于信息技术的资源及应用聚集成一个协同工作的整体，集成包含功能交互、信息共享以及数据通信三个方面的管理与控制38. 实现CAD/CAM集成有哪些方法CAD/CAM系统的集成有信息集成、过程集成和功能集成