第二章 计算机辅助设计（ CAD）技术基础
2-1 计算机辅助设计系统的组成与分类
（ 1）基本组成
CAD/CAM系统
硬件系统 软件系统
计算
机
外围
设备
联网
设备
系统
软件
支撑
软件
数据
库
应用
软件
（ 2）硬件要求
A,性能要求较高的图形输入、输出设备
B,较高的运行速度 —CAD软件中大量的复杂的数值计算
C,足够的外部存储空间 ---计算过程中大量的图形、图像、技术文
件、优化分析结果、图形库、数据库和配套的应用软件
D,较好的网络性能 —设计网络系统的速度、稳定性、安全性等
（ 3）软件组成
（ A） 操作系统
具有下述功能：管理 CPU；管理存储器；管理外部设备；管理文
件；网络通信功能；其它为用户开发应用软件服务的特定功能。
（ B） 支撑软件
主要功能：图形处理；三维产品建模；有限元建模与分析；机构运
动分析；数据信息交换；工程数据管理；二次开发工具。
（ C）数据库
把手册和资料中的数表、线图数据事先存放在数据库中，要求具有
图形和非图形数据处理的能力。
（ D）应用软件
面向用户（如某一企业、某一类产品或某一个工程），如开目 CAD、
大恒 CAD、华正 CAD、圆方 CAD、大方 CAD。
搬运机械 NC机床 机器人 自动测试装置
TCP/IP 网络
主机
扫描仪
数字相机
操作杆
光笔
鼠标
键盘
绘图仪
打印机
磁盘机
………,.
CAD
/CAM
硬
件
系
统
的
组
成
显示器
CAD/CAM系统的硬件布局形式
独立式系统
以一个主机为中心．可以支持多个终端运行，共享一个 CPU．这种系统的
优点是用户共享主机系统的资源。系统可以配置较大的内存和外存，以及高
精度、高速度、大幅面的图形输入输出设备；可以装备中心数据库．通过数
据库管理系统集中管理和维护全部数据；可以运行规模较大的支撑软件和应
用软件，设计、计算、绘图、分析等工作结合起来，进行复杂的作业。当增
加新的用户，即增加较多的终端时．平均每个终端的投资相对较少。
?主机系统
缺点,一方面．当主机出现故障时．整个系统佳处于瘫痪状态．将
会中断所有用户的作业；另一方面．当用户数量增加时．每个终端
的处理速度及响应时间就会相应的减慢．尤其是在做复杂的分析或
大量的数据运算时就更为明显。
?工作站系统
工作站是介于个人机与小型机之间的一种计算机、通常具有较
高的性能，支持高分辨率彩色图形显示器；具有良好的人机界面；
同时，还可支持高技术指标的外围设备及网络环境。近年来,工作
站的性能价格比不断提高，已成为当前 CAD／ CAM的主要硬件环
境
?个人机系统
个人机即通常所说的 PC机。与前述几类相比,PC机成本的，运
算的速度和处理能力相对较低，但随着微机硬件技术的提高以及软
件开发水平的提高,PC机上的 CAD/CAM系统也逐步显示出其独特
的优势．一方面，硬件配置与工程工作站的差距越来越小；另一方
面,PC机上 CAD系统已从单纯的简单计算、二维图形处理发展为
具有三维交互设计、实体建模、有限元分析、优化设计等功能的综
合设计系统。
分布式系统
所谓分布式系统，是利用计算机技术及通讯技术将分布于各处的计
算机 以网络形式联接起来．网络上各个结点可以是微机，也可以是
SUN,HP,SGI等工作站；网络上结点分布形式可以是星型分布、树型
分布．也可以是环型分布。分布式系统的特点是系统的软、硬件资源
分布在各个结点上。
每个结点有自己的 CPU和外部设备．使用速度不受网络上其它
结点的影响。通过网络软件提供的通讯功能．每个结点的用户还可
以享用其它结点的资源，例如．大型自动绘图仪、激光打印机等硬
件设备，也能够共享某些公共的应用软件及数据文件。这类系统的
配置和开发投资可以从小到大进行，易于扩展，有利于逐步提高
CAD／ CAM系统的技术性能：有利于各专业同时进行那些负责的、
需要处理大量信息的工程工作。
CAD/CAM系统中，硬件应具有以下几项基本功能：
?性能要求较高的图形输入、输出设备
?较高的运行速度
?足够的外部存储空间
?较好的网络性能
CAD/CAM系统的软件
计算机是按照程序和数据进行工作的，相对于计算机及其外围设
备而言，这些程序、数据及相关的文档就是软件。软件着重研究如
何有效地管理和使用硬件，如何实现人们所希望的各种功能要求，
因此，软件水平的高低直接影响到 CAD/CAM系统的功能、工作效率
及使用的方便程度，软件包含了管理和应用计算机的全部技术。
根据在 CAD/CAM系统中执行
的任务和服务的对象的不同，可将
软件系统分为三个层次；即系统软
件、支撑软件和应用软件
?系统软件：工作站为 UNIX，微机为 DOS,WINDOWS等
?支撑软件：支撑软件是 CAD/CAM系统的核心，它不针对具体的设
计对象，而是为用户提供工具或开发环境，不同的支撑软件依赖一
定的操作系统，又是各类应用软件的基础。一般包括以下几种类型：
?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 /动力学模拟仿真软件
?计算机辅助工程软件
?应用软件：用户为解决实际问题而自行开发或委托开发的程序系
统。应用软件的模块化结构不仅可以方便地调试和管理，而且可以
提高使用的柔性、可靠性和经济性
对 CAD而言，按系统运行时设计人员介入的程度，以及系统的工
作方式，可以将应用软件分为以下几种类型：
?检索型
?自动型
?交互型
?智能型
检索型
特点：以参数化设计技
术为基础。
适用范围：设计已定型
的、标准化的和系列化程度
很高的产品。
检索型 CAD系统工作流程
例如：设计滚动轴承 GB277-89
自动型,设计者预先将待解决的问题，建立数学模型，找到目标函
数，将其求解过程编制成程序输入计算机，系统运行时，根据输入的
参数自动进行数学模型求解，不需人的介入。
应用范围：事先能够用数学模型描述的一类设计问题
?人机交互型
特点：人的主导作用贯穿整个设计过程。
适用范围：从产品概念设计到产品最终设计。
输入设计要求
建立产品模型
分析优化模型
细节与结构设计
输出图样,
文档等评价
数据库
图形库
程序库
Y
Y
N
到 CAM系统
?智能型
特点：利用知识库和推理机制完成设计工作。
适用范围：未来的 CAD系统。
智能型 CAD系统工作原理
CAD/CAM系统选择原则
CAD/CAM系统硬件选择不仅要适应 CAD/CAM技术发展水平，而且
要满足它服务的对象，应以使用目的和用户所具有的条件（包括经
费、人员技术水平等）为前提，以制造商提供的性能指标为依据，
以性能价格比及其适用程度为基本出发点，综合考虑各方面因素加
以决策，具体应考虑以下几个方面：
?系统功能
?系统的开放性和可移植性
?系统升级扩展能力
?系统的可靠性、可维护性与服务质量
CAD/CAM系统的软件选择原则
软件性能价格比
与硬件匹配
二次开发环境
开放性
软件商的综合能力
2-2 几何造型技术
几何造型－－利用计算机系统描述物体的几何形状，建立产品几何模型
的技术。通过这种方法定义、描述的几何实体必须是完整的、唯一的，而且
能够从计算机内部的模型上提取该实体生成过程中的全部信息，或者能够通
过系统的计算分析自动生成某些信息
几何造型的主要作用：
?为图形的显示和输出提供信息；
?为各种应用程序,（如，结构设计、受力分析、成型模拟、图形变换、
数控加工等）提供信息。
由于客观事物大多是三维的、连续的，而在计算机内部的数据均
为一线的、离散的、有限的，因此，在表达与描述三维实体时，怎样
对几何实体进行定义，保证其准确、完整和唯一几何建模的方法：是
将对实体的描述和表达建立在几何信息和拓扑信息处理的基础上。
几何信息：物体在空间的形状、尺寸及位置的描述；
拓扑信息：构成物体的各个分量的数目及相互之间的连接关系
按照对这两方面信息的描述及存贮方法不同，三维几何建模系统
可划分线框建模、表面建模和实体建模三种主要类型
(1) 线框造型
线框造型 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构架
图。在计算机内部，存贮
的是该物体的顶点及棱线
信息，将实体的几何信息
和拓扑信息层次清楚地记
录在顶点表及边表中。
线框造型
特点,采用线框建模的描述方法所需信息最少．数据运算简单。所
占的存贮空间也比较小．另外．这种建模方法对硬件的要求不，容易
掌握．处理时间较短。
但是，线框建模也有局限性。一方面．线框建模的数据模型规定
了各条边的两个顶点以及各个顶点的坐标．这对于由平面构成的物体
来说．轮廓线与棱线一致、能够比较清楚地反映物体的真实形状．但
是对于曲面体，仅能表示物体的棱边就不准确了。例如表示圆柱的形
状．就必须添加．对有些轮廓就必须描述圆孤的起点、终点、圆心位
置、圆弧的走向等。另一方面，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．即没有构成面的信息．由于信息表达
不完整，在许多情况下．会对物体形状的判断产生多义性。由于建模
后生成的物体所有的边都显示在图形中．而大多数的三维线框建模系
统尚不具备自动消隐的功能．因此无法判断哪些是不可见边，哪些又
是可见边。对同一种线框模型．难以准确地确定实体的真实形状．这
不仅不能完整、准确、唯一地表达几何实体，也给物体的几门特性、
物理特性的计算带来困难。
（ 2）曲面造型
? 基本曲面
能够用初等数学解析式描述的曲面。
例如：
?轨迹曲面
由二维曲线在三维空间运动的轨迹所构成的曲面。
拉伸表面 Extruded Surface（路径是直线）
旋转表面 Revolved Surface
?扫动曲面 Swept Surface
截面曲线沿由任意空间曲线代表的路径移动而构成的曲面。
路径可以有多条（如 6,7），截面曲线也可以有多条（如 1～ 5）。
?蒙皮曲面
覆盖在一组线条上的曲面称为蒙皮 Skin。
?规则表面 Ruled Surface
由 两条互不相交的空间曲线扩展而成的规则表面。
?平坦表面 Planar Surface
由封闭的二维线框构成的表面。
?其它曲面
如,孔斯（ Coons） 曲面,Bezier曲面,B样条曲面,非均匀有理样条
(NURBS)曲面等。
? 优点,可以描述各种各样的面（如，平面、二次曲面和自由曲面等）；
便于曲面求交线和进行几何体的消隐处理，能够为 CAM提供加工信息。
?缺点,对面存在于物体的哪一侧定义不明确；无法判断建立的物体是
实心体还是壳体，难以对表面模型进行物性分析。
（ 3）实体造型
线框建模和表面建模在完整、准确地表达实体形状方面各有其
局限性，要想唯一地构造实体的模型，还需采用实体建模的方法 。
实体建模的原理
实体建模的标志，是在计算机内部以实体描述客观事物．利用这
样的系统，一方面可以提供实体完整的信息，另一方面，可以实现对
可见边的判断，具有消隐的功能。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，其特点在于覆盖三维立体
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，是当前普遍采用
的建模方法
实体生产的方法
按照物体生成的方法不同，实体建模的方法可分为体素法、扫描
法等几种．
1．体素法
体素法是通过基本体素的集合运算构造几何实体的建模方法。每一
基本体素具有完整的几何信息，是真实而唯一的三维物体．体素法包
含两部分内容；一是基本体素的定义与描述，二是体素之间的集合运
算．常用的基本体素有长方体、球、圆柱、圆锥、圆环、锥台等．如
图所示．
描述体素时，除了定义体素的基本尺寸参数外，例如长方体的长、
宽、高，圆柱的直径、高等，为了准确地描述基本体素在空间的位置
和方向，还需定义基准点，以便正确地进行集合运算．体素间的集合
运算有交、并、差三种．以两个三锥体素为例．运算结果如图所示．
2．扫描法
有些物体的表面形状较为复杂．难于通过定义基本体素加以描
述．可以定义基体，利用基本的变形操作实现物体的建模．这种构造
实体的方法称为扫描法．扫描法又可分为平面轮廓扫描和整体扫描两
种。
平面轮廓扫描是一种与二维系统密切结合的方法．由于任一平面轮
廓在空间平移一个距离或绕一固定的轴旋转都会扫描出一个实体，
因此，对于具有相同截面的零件实体来说，可预先定义一个封闭的截
面轮廓．再定义该轮廓移动的轨迹或旋转的中心线、旋转角度．就可
得到所需的实体，如图所示。
所谓整体扫描就是首先定义一个三维实体作为扫描基体，让此基体
在空间运动，运动可以是沿某方向的移动．也可以是绕某一轴线转
动．或绕一面的摆动，运动方式不同．生成的实体形状也不同，如图
所示．整体扫描法对于生产过程的于涉 验，运动分析等有很大的实用
价值．尤其在数控加工中对于刀具轨迹的生成与检验方面更具有二要
意义。
概括地说，扫描变换需要两个分量，一个是被移动的基体．另一个
是移动的路径。通过扫描变换可以生成某些用体素法难于定义和描述
的物体模
?优点,对各侧面有明确的定义（与法矢量方向一致为外侧面，相反为内侧
面）；能够唯一的表现物体；有利于物性分析和有限元分析。
?缺点,数据量大，数据结构复杂，且缺乏明确的工程意义。
（ 4） 特征造型技术
A.传统造型的不足,只含物体的几何信息和拓扑信息。 P20
B.特征造型,
定义：将特征作为产品描述的基本单元，并将产品描述成特征的集合。
每一个特征，通常又用若干属性来描述，以说明形成特征的制造
工序类别及特征的形状、长、宽、直径、角度等满足生产的要求。
除几何信息和拓扑信息外，还包含能反映物体特点（属性）的非几
何信息等,e.g 尺寸公差、工艺（表面）处理、制造信息。
C.功能要求
# 参数化设计功能
# 基于特征设计思想
# 采用通用数据交换标准
特征的含义－－反映产品零件特点、可按一定原则分类的产品描述信息。
例如：
产
品
特
征
孔类
槽类
下陷类
凸起类
台阶类
边过渡
通孔
盲孔
通槽
盲槽
－－直通孔、锥通孔、沉头通孔等
－－盲直孔、盲锥孔、盲沉头孔、盲螺纹孔等
－－ T型,V型、燕尾槽、圆弧槽等
－－键槽等
－－矩形凹陷、弧形凹陷、环形凹陷等
－－圆柱凸起、矩形凸起等
－－矩形台阶、内外园台阶、斜台阶等
－－倒角、园角等
基体类 －－板、块、柱、锥、环、球等
右图零件的特征描述：
特征造型的主要优点：
?使造型对象更具工程意义（如，模板、型腔、通孔等）；
?将尺寸、公差、表面粗糙度和热处理等属性信息附着在零件的几何特
征上，为零件加工提供统一的数学模型。
型腔板
模板
矩形槽
直通孔
材料、热处理、尺寸精度、形位公差、表面粗糙度等
尺寸精度、形位公差、粗糙度等
精度、粗糙度等
2-2-3 参数化造型技术
造型对象的几何形状、拓扑结构固定，但尺寸不固定；改变尺寸即改变
对象的大小。
通用性较差。适合于标准件、通用件和系列件的设计与绘图。
例如：
2-2-4 约束变量驱动造型技术
组成几何对象的各图素之间存在约束（尺寸、形状、位置等）。适合于
草图设计、装配设计和方案选型等场合。
x
y
R
② 局部求解
边作图边记录约束条件（用特征树维持约束）
例如右图零件：
零件
板
圆角
凸台
通孔
③ 几何推理
利用专家系统，检查约束的有效性。如上图，判断孔和凸台是否超出
板的边缘。
④ 辅助线求解
利用辅助线作为约束条件。下图的对称线即为约束条件，两孔中心必
须以垂直中心线对称，并与水平中心线共线。
CAD
工程数
据库管
理系统
CAE
CAM
专家
系统
技术
优
化
设
计
方
案
零件信息
改进零件结构
NC指令
CAD/CAE/CAM系统功能模型图
设计任务书
用户需求
产品模型
CAD/CAE/CAM一体化技术
2-3 产品数据交换技术
产品数据 不仅包括产品模型的几何图形数据，还包括制造特征、尺寸公
差、材料特性、表面处理等非几何数据。
?产品几何描述, 如线框表示、几何表示、实体表示以及拓扑、成形及
展开等,
?产品特性,长、宽等体特征；孔槽等面特征；旋转体等车削件特征等；
?公差,尺寸公差与形位公差；
?表面处理,如喷涂等；
?材料,如类型、品种、强度、硬度等；
?说明,如总图说明等．
?其他,如加工、工艺装配等。
产品数据交换标准 是为实现不同的 CAD系统之间以及 CAD／ CAM内部
信息集成，与硬件设备无关的通用标准化软件接口，目的是实现信息资
源共享。
产品数据 是指定义某一零部件或构件所需要的几何、拓扑、公差、关系、
性能和属性等数据。
产品数据的内容：
? 借助统一的产品数据模型和工程数据库管理系统进行交换
CAD/CAM
系统 A
统一的
产品模
型和数
据库管
理系统
CAD/CAM
系统 B
2-3-1 产品数据交换途径：
? 借助专用或标准（中性）文件进行交换（ P25）
CAD/CAM
系统 A
专用
或标
准文
件
CAD/CAM
系统 B
2-3-2 常用产品数据交换标准简介
（ 1）图形数据交换规范 IGES（ Initial Graphics Exchange Specification）
由美国国家标准局 （ NBS） 主持成立的由波音公司和通用电气公司
参加的技术委员会于 1980年编制出的初始图形信息交换技术规范。
它开创了国际性的 CAD／ CAM技术的数据交换文件格式标准化工
作。我国于 1993年 9月将 IGES 3.0作为国家推荐标准。
IGES模型 指用于定义某产品的实体的集合。定义 IGES模型就是通过
实体，对产品的形状、尺寸以及某些说明产品特性的信息进行描述。
实体 是基本的信息单位。它可能是单个的几何元素，也可能是若于
个实体的集合。实体可分为几何实体和非几何实体。
?几何实体 定义与物体形状有关的信息，包括点、各种类型的曲线、
曲面、体以及结构相似的实体所组成的集合。 IGES 4.0中包括几何定义、
有限元模型和 CSG模型。
?非几何实体 提供将有关实体组合成平面视图的手段，并用注释和尺
寸标注来丰富此模型。此外。它还可向单个实体或一个实体组合提供
特有的属性或特征、组合实体的定义和实例。非几何实体又分为两类；
注释 ——提供信息的字符串或符号，但并不是几何模型的一部分；结
构 ——提供有关将实体组合成一个组合实体的手段
IGES 文件结构
特征段 Flag Section：表示数据的存储格式；
起始段 Start Section：文件序言；是对文件的介绍，供人阅读
全局段 Global Section：为前、后置处理程序提供的接口信息；
实体索引段 Directory Entry Section：检索实体的入口；
参数数据段 Paramenter Data Section：每个实体的记录；
结束段 Terminate Section：归总起始段、全局段、实体索引段和参数
数据段中的记录数。
?IGES 在交换产品数据中存在的问题
?IGES定义的实体主要是几何图形方面的信息，其他信息交换不充分。
?交换复杂图形时容易丢失某些信息（部分语法结构不统一造成）；
?交换文件占用的存储空间较大，数据处理时间较长。
STEP采用统一的产品数据模型以及统一的数据管理软件来管理产品
数据，各系统间可直接进行信息交换，它是新一代面向产品数据定义
的数据交换和表达标准，它采用 EXPRESS语言描述信息模型，便于表
示复杂实体，表达形式统一；另外 STEP采用应用协议（ Application
Protocol）来保证语义的一致性．应用协议说明了如何用 STEP标准的
集成资源来解释产品数据模型以满足工业需求，即根据不同应用领域
的实际需要，选定标准的逻辑子集或加上必须补充的信息作为标准强
制地要求各应用系统在交换、传输与存储产品数据时符合应用协议的
规定。
（ 2）产品模型数据交换标准 STEP
Standard for the Exchange of Product Model Data
STEP技术 提供一种不依赖于具体系统的中性机制，它规定了产品设计、
开发、制造，以至于产品全部生命周期中所包含的诸如产品形状、解析
模型、材料、加工方法、组装分解顺序、检验测试等必要的信息定义和
数据交换的外部描述、因而 STEP是基于集成的产品信息模型。
STEP的应用范围非常广泛。 STEP的标准内部划分成许多子标准，其
内容分别涉及几何、拓扑、外形表示、特征、外形表示接口、公差、材
料、产品数据表示、绘图、机械产品结构、建筑工程结构、船舶模型、
电子产品、有限元分析以及数据转换等。以后的版本又增加运动机构、
标准零件、工艺规模、质量管理、加工制造、测试和产品寿命等内容。
特点,采用统一的产品数据模型和统一的数据库管理系统来定义和管
理数据，可以在各 CAD/CAM系统之间直接交换信息。
（ 3） DXF文件交换格式（ 一个事实上的图形文件交换标准）
AutoCAD
DXF out命令 生成 DXF文件 程序读 DXF文件
AutoCAD
DXF in命令 读入 DXF文件 程序生成 DXF文件
其他 CAD系统
或
计算程序
DXF文件结构
?标题段 HEADRER
图形文件当前的工作环境设置记录；
?表段 TABLES
当前图形编辑的支撑环境记录：视口表 VPORT、线型表 LTYPE、图
层表 LAYER、字体表 STYLE、视图表 VIEW、用户坐标系表 UCS、尺寸
标注式样表 DIMSTYLE和应用程序标识表 APPID；
?块段 BLOCKS
图块记录；
?实体段 ENTITIES
实体（类型、几何参数等）及其属性（实体所在图层、线型、颜色
等）的记录；
?结束段 END OF FILE
一条记录，即 0 EOF。
记录组成, 组码＋码值
? 组码（正整数） 定义记录类型，如,6－线型名,20－ y 坐标初始值，
等等；
?码值（实数、字符和字符串） 对应组码所从事的工作，即记录产生
当前图形的每一步细节。
如,0 实体
CIRCLE 圆
5 半径
40
100 圆心坐标（ x,y,z）
0
STL 类型文件 是 CAD／ CAM中广泛使用的一类三维空间造型存储文
件，它最初来源于快速成型技术及反求工程，目前几乎所有的三维造
型软件都具有输出此类文件的功能。该类文件主要的优势在于简单、
适应性好，即可以输出各种类型空间表面。文件中只包含有相互衔接
的三角形面片节点坐标及其外法矢，属于, 中性, 文件，可以在不同
的 CAD／ CAE／ CAM系统进行转换。尽管 IGES,STEP类型文件也具
有很好的描述空间造型的能力，但在不断变化的空间表面描述上 (金
属塑性成形过程 )，目前只能采用三角形或四边形描述，也就是说只
能采用将任意空间表面离散成网格，以三角形网格形式输出、存储。
（ 4） STL文件交换格式
利用 STL数据格式表示立体图形的方式较为简单，对于任何一个独
立的空间实体，都可借助其表面信息进行描述，而表面信息则是由
许许多多空间小三角面片的逼近体现出来，通过记录各小三角面片
的顶点和法向矢量信息来间接描述原来的立体图形。
STL数据遵循的规则有：
?共顶点规则：每一个三角面片必须与每个相邻的三角面片共用两个顶
点，即一个三角面片的顶点不能落在相邻的任何三角面片的边上；
?取向规则：单个面片上的法向量满足右旋定则，其正向必须朝着实体
外侧，且与相邻面片的法向量协同（即如果将两个相邻面片合并成一个
曲面、则两个面片的法向应该指向曲面的同一侧）；
?充满规则，三角面片必须布满三维模型的所有表面，不得有任何遗漏；
?取值规则，每个顶点的坐标值必须是非负的，即 STL实体应该在第一
象限。
2-4 计算机辅助工艺规程设计 （ CAPP）
1 工艺规程设计的任务
工艺规程设计是工厂工艺部门的一项经常性技术工作是生产技术
准备工作的第一步，也是连接产品设计和产品制造的桥梁。以文件
形式确定下来的工艺规程是进行工艺装备制造和零件加工的主要依
据，它对组织生产、保证产品质量、提高生产率、降低成本、缩短
生产周期、改善劳动条件都有着直接的影响 是生产中的关键性工作。
工艺规程设计的主要任务 是为被加工零件选择合理的加工方法、
加工顺序、工、夹、量具，以及切削条件的计算等，使能按设计
要求生产出合格的成品零件 。
主要内容有：
?选择加工方法和采用的机床、刀具、夹具及其它工装设备
?安排合理的加工顺序
?选择基准，确定加工余量和毛坯，计算工序尺寸和公差。
?选用合理的切削用量。
?计算时间定额和加工成本。
?编制包含上述所有资料的工艺文件。
其核心内容是选择加工方法和安排合理的加工顺序。
传统的工艺规程设计方法
工艺规程设计处于产品设计和制造的接口处，需要分析和处理大
量信息。既要考虑产品设计图样上有关零件结构形状、尺寸公差、
材料、批量等方面的信息，又要了解制造中有关加工方法、加工设
备、生产条件、加工成本、工时定额，甚至传统习惯等方面的信息、
各种信息之间的关系又极为错综复杂，设计工艺规程时必须全面而
周密地对这些信息加以分析和处理。
传统的工艺规程设计缺点：
? 耗时
长期以来，传统的工艺规程设计方法一直是由工艺人员根据他们多年
从事工厂生产活动而积累起来的经验，以手工方式进行的。这包括查
阅资料和手册，进行工艺计算，绘制工序图，填写工艺卡片和表格文
件等工作、其中，花费在书写工艺文件上的时间占 30％，工艺规程的
设计质量完全取决于工艺人员的技术水平和经验。
?质量不易保证
经验是一种宝贵的知识，但经验需要较长时期的积累，而且，由于
每个工艺人员的经验有限，习惯不同，技术水平也不一样，因而用
手工编制的工艺规程缺乏一致性，很难得到最佳的制造方案。对同
样的零件由不同的工艺人员设计，会得出多种不同的工艺方案。因
此，依靠个人经验。用手工方式设计的工艺规程一致性差，质量不
稳定，难以达到优化的目标。
?重复性劳动多
当工厂生产一个产品时，每个零件都要设计一个工艺规程，当产
品更换时，原有的工艺规程便不再使用，必须重新设计一套新产品
的工艺规程,当产品更换时，原有的工艺规程便不再使用，必须重
新设计一套新产品的工艺规程，即使新产品中的某些零件与过去生
产的零件相似或相同 也必须重新设计。其主要原因是工艺部门的管
理问题 工艺人员不能充分利用过去设计的工艺规程。
根据成组技术原理，各种机械产品中的许多零件都在一定程度上
具有相似性，所以它们的工艺规程也具有一定的相似性，而不是每
一个零件都必须设计一个工艺规程。
实 例
?某机床厂原来用 377个工艺规程制造 425种齿轮零件 应用成组技术
对齿轮和工艺规程进行仔细分析后，发现可以只用 71种标准工艺规
程就可以生产出 425种齿轮。
?某工厂，要在 10个星期内投产制造 2100种零件，是否需要设计 2100
个工艺规程呢？后经统计发现，虽然投入生产的零件品种数不断增
加，但很多零件有相似性，真正不同的工艺规程的增长率在下降、
实际上最后可归纳为 1200个工艺规程。
从上述两个例子可以看到，生产的零件品种数和工艺规程数并不存一一
对应的关系。目前工艺规程设计中存在的重复性和多样性，不仅本身是
一种浪费，而巨还影响到工装设备的制造和使用，并直接影响产品的投
产速度、交货日期、成本核算和企业的竞争能力。
综上所述，传统的工艺规程设计方法已不适应当前产品品种多
样化、更新换代日益频繁的生产形势、现今在机械制造领域中，由
于新工艺新技术的飞速发展，社会需求趋向于多样化，产品更新周
期日益缩短，多品种小批量生产的企业大量增加。
设计部门 （ CAD） 和制造部门 (CAM)都普遍采用了高度自动化的
技术，只有工艺设计工作仍然处于手工操作。凭经验办事，效率低
下的状态，再加上熟练的工艺人员正日益短缺 工艺设计已成为机械
制造系统中的瓶颈，不能适应当今生产发展和经济改革的需要。为
此 必须寻找新的工艺规程设计方法，代替原来的手工劳动，以提高
工艺设计的工作效率，缩短生产准备周期，降低工艺设计费用。
3 利用计算机实现 CAPP (Computer Aided Process Planning)
随着电子计算机技术的发展和在机械制造领域中的广泛应用，为工
艺规程设计提供了理想的工具、工艺规程设计主要是在分析和处理大量
信息的基础上进行选择（加工方法、机床。刀具、加工顺序等）、计算
（加工余量、工序尺寸、公差、切削参数、工时定额等）、绘图（工序
图）以及编制文件等工作，而计算机能有效地管理大量的数据，进行快
速、准确的计算和各种形式的比较、选择，能自动绘图和编制表格文件。
这些功能恰恰适应工艺规程设计的需要，于是出现了计算机辅助工艺规
程设计（ Computer Aided Process Planning ），简称 CAPP。这样一种新
技术。
CAPP不仅能实现工艺设计自动化，还能把生产实践中行之有效的若
干工艺设计原则与方法，转换成工艺设计决策模型，建立科学的决策逻
辑。把长期从事工艺设计工作的人的经验传授给初参加工作的人，编制
出最优的制造方案。
?派生法 （ Variant）
根据成组技术的原理将零件划分为相似零件组，按零件组编制出
标准工艺规程，并以文件的形式贮存在计算机中。当要为新零件设计
工艺规程时，输入该零件的成组技术代码，由计算机判别零件属于哪
一个零件组，检索出该零件组的标准工艺规程，再根据零件的结构形
状特点、尺寸公差，进行编辑修改，获得适合于该零件的工艺规程。
通常调用 标准工艺文件，确定加工顺序，计算切削参数、加工时间或
加工费用 都是由计算机自动进行的。
?创成法 （ Generative）
不以原有的工艺规程为基础，在计算机软件系统中收集了大量的工
艺数据和加工知识，并在此基础上建立了一系列的决策逻辑，形成了
工艺数据库和加工知识库。当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，
自动地生成零件的工艺规程。
CAPP系统的工作原理
2-4 专家系统与有限元优化技术
2-4-1 专家系统的基本概念
人工智能 ---研究的是怎样利用机器模仿人脑从事推理、规划、设计、思考、
学习等思维活动，解决迄今认为需由专家才能处理好的复杂问题。即由计算
机来表示和执行人类的智能活动。可以从 3个方面来理解人工智能系统（ 1）
从完成的主要功能看，分为视觉系统、听觉系统、专家系统、自动程序设计
系统等；（ 2）从系统完成思维活动的抽象过程看，是一个广义问题求解系统；
（ 3）从处理对象看，是一个知识信息的处理系统。
专家系统 （ Expert System） ---是 人工智能的一个分支，是指在某个领域内
能够起到人类专家作用，具有大量知识和经验的智能系统。是一种问题求解
的智能软件系统。
专家系统的实质,知识＋推理
专家系统结构：
人机接口
解释系统 推理机 中间数据库
知识库
知识库开发系统
用户 知识应用
专家
知识获取
?知识库 (Knowledge Base)
存放专家知识和经验的特殊数据库。
?推理机 (Inference Machine)
控制、协调专家系统工作的一组程序。
正向推理和反向推理
?解释系统 (Explanation System)
解释系统的推理结果，回答用户问题。
?知识获取系统 (Knowledge Acquisition)
将存储在人类专家头脑中的知识和经验提取出来，经验证后转存于
系统的知识库中。
?人机接口 (Interface)
人、机对话界面。
?中间数据库 (Temporary Database)
用于存放推理过程的中间结果或论据的临时数据库。
例如,
零件加工
回转件 非回转件
孔 外圆表面
螺纹孔 光孔
钻,(镗 )
车内螺纹
钻 钻、铰 钻、镗、
磨
精密铸造
车
>0.1 >0.01 <0.01
铣削
2-4-2 知识工程
1,产品设计 ---从信息处理的观点来看，是建立一个满足要求的模型结构和
形状表示，记叙设计和制造对象所应具有的性质、动作和功能等。为此，必
须有某种描述性语言可用来描述。此外，对于结构、形状的表示，除了可用
于提取制造信息外，还应该包括可查明其外观和质感的显示信息，并以此为
依据进行评价，确认模型是否满足要求。由此可见，产品设计实际上是一个
围绕产品模型的反复评价和多次修改的动态过程。
2,知识库 +演绎
取代传统的, 数据库 +检索, 的功能用于设计。其实现大致有 2种方法, （ 1）
一是按要求条件提供模型的部分结构，直接参与建造模型；（ 2）积蓄各种技
术信息及使用方法，从候选的结构组中尽快去掉实现可能性较小的结构形式。
3,当前建造智能化 CAD系统的基本条件,P31
2-4-3 知识表示
知识表示 ---是人工智能研究中的重要领域，是一个知识获取并应用
知识的过程。而知识必须要有适当的表示形式才能在计算机中存储、
检索、使用和修改。亦即：研究如何存储信息的数据结构和智能地管
理这些数据结构以进行推理的过程。
(1) 谓词逻辑表示法
主要是运用命题演算和谓词演算等知识来描述事实。
例如：盐是咸的 海水中溶有大量的盐 所以海水是咸的
(2) 语义网络表示法
由结点 (事实或结论 )和表示
结点间关系 (推理 )的有向线段
构成的知识描述方法。
例如：
(3) 框架表示法
由结点 (槽 Slot)和无向线段组成的一种分层次的知识结构表示
法，其最上层结点代表给定情况下总是成立的事实，而下层结点存
放特定的参数、文字、数据或其它框架的内容。
例如：
AFO,A Feature Of
内孔 H1框架的 PROLOG语言描述：
Frame(,内孔 H1”,/*框架名（特征名）
[slot(,AFO”,[value[,内倒角, ]]),/*定义子框架（子特征）
slot(,特征编码,,[default[,hole” ]]),
slot(,孔径,,[value[,70” ]]),
slot(,开始位置,,[value[,0” ]]),
slot(,结束位置,,[value[,25” ]]),/*孔深＝开始位置－结束位
置
slot(,Ra”,[if_needed(,solve_Ra” )]),/*表面粗糙度
由规则 solve_Ra确定 */
slot(,加工方法,,[if_needed(,solve_Hole” )]),/*加工工艺由规
则 solve_Hole确定 */
(4) 产生式表示法
该法用, IF…… THEN……” 的形式表述知识。
例如,IF
注射时给定树脂的塑料熔体不能充满型腔
THEN
适当提高熔体温度，或加大注射压力，或 ……
（ 5） 面向对象的知识表示法
面向对象含义,知识（数据）和处理方法（功能）的统一体。知识
是对象的内部状态、事实的静态特征属性描述；知识处理方法表现
为动态智能行为，即获取知识、推理、消息传递和更新知识等。
面向对象方法的特点：
? 抽象性
? 封装性
? 继承性
? 多态性
利用面向对象方法表述知识和知识处理方法举例
Class Rule{
public:
Rule(); // 建立规则
~Rule(); // 取消规则
void far load(); // 读取规则
void far save(); // 将规则存入知识库
private:
char *ID; // 规则编码
char *premise(); // 前提
char *conclusion(); // 结论
double certainty; // 置信度
static int num; // 使用频率
……
}
2-4-4 设计型专家系统框架 P33
1 适合专家系统的领域,（ 1）解决问题的方式 —经验 +判断推理；
（ 2）解决问题的过程 ---涉及数值计算、符号推理，使用, 启发,,, 规
则,,, 策略, ；（ 3）专家经验。
2 设计型专家系统的开发：
2-4-5 有限元分析优化技术
(1) 问题的提出（以结构设计为例）
结构设计通常要解决的两类问题
? 强度 经典分析法（如材料力学）：
? 刚度 经典分析法（如弹性力学）：
][m ax ?? ?
?,f
例如：深筒拉伸
当 d 很小时，凸模（成型杆）
的强度和刚度能否满足要求？
经典分析法的弱点：
（ 1）靠经验类比（公式中的各种系数）与较大的安全系数来确定
结构尺寸和用材；
（ 2）对结构动特性和耦合特性的分析基本无能为力；
（ 3）对设计结果难以把握，一般要通过实验来验证。
(2) 有限元分析 (Finite Element Analysis,FEA)的基本思想
将一个连续体的求解区域离散（剖分）成有限个形状简单的
子区域（单元），各子区域相互连接在有限个节点上，承受等效
节点载荷（应力载荷、温度载荷、流动载荷、磁载荷等）；根据
“平衡,条件分析并建立各节点的载荷场方程，然后将它们组合
起来进行综合求解，以获得对复杂工程问题的近似数值解。
(3) 有限元分析过程（以结构分析为例）
几何参数 载荷 边界条件 材料性能
前置处理
求解
后置处理
节点位
移清单
应力值
清单
位移图
形显示
等值线
图形显
示
单元颜
色变化
图
动态图
形显示
建立有限元模型
有限元分析
分析结果的判定
(4) 有限元分析的前后处理
A,两种类型,P36
B,前处理
1）生成有限元网格；
2）节点的优化排序；
3）生成有限元属性数据；
4）生成输入数据文件。
C,后处理
1）对计算结果的加工处理；
2）计算结果的图形显示；（有：结构变形图、等值线图、主
应力迹线图、等色图）
颜色表示应力分布，形状改变表示弹性形变情况：
例如：分析一端固定，一端受静力的零件上应力和应变分布情况
还可以用动画表示应力和形变的传播：
2-4-6 仿真模拟技术
(1) 基本概念
1）仿真的必要性,P37
2）计算机仿真 (Simulation)：利用计算机进行产品的概念设计、
结构设计和模拟仿真，并优化此结果。 Or,CAE技术。
3）仿真的优缺点,P38
4） 计算机仿真的关键技术：
?建立仿真对象的数学模型
?求解数学模型，并将结果显示出来
(2) CAD/CAM系统中仿真技术的应用
? 产品外形与装配关系仿真
? 机构运动仿真
? 加工过程和试验过程仿真
? 生产过程仿真
? 热加工过程仿真
产品外形仿真
装配关系仿真
铸件在砂型中冷却时的温度变化仿真
冲压模具工作过程仿真
零件数控铣仿真
(3) 数字仿真基本方法
?建立数学模型
定量描述仿真对象固有特性，及其在外界作用下动态响应。
?建立仿真模型
在给定数学模型的基础上，设计出求解数学模型的算法。
?编写相应的仿真程序
根据仿真模型编写计算机程序。
?设置时间间隔
设置当前状态和下一个状态的时间间隔，计算每一个状态下的
结果，最终形成时间序列对应的整体过程。
?动态显示仿真结果
按时间序列在屏幕上依次显示各状态结果。
2-4-7 虚拟现实技术 (Virtual Reality)
(1) 含义
一种高逼真地模拟人在自然环境中视觉、听觉、触觉和动感等行
为的人机界面技术。
(2) VR典型结构
(3) VR基本特征
o 多感知性 (Multi-Sensory)
o 存在性 (Presence)
o 交互性 (Interaction)
o 自主性 (Autonomy)
(4) VR的关键技术和研究内容
?动态环境建模技术
?实时三维图形技术
?立体显示和传感技术
?应用系统开发工具
?系统集成技术
2-1 计算机辅助设计系统的组成与分类
（ 1）基本组成
CAD/CAM系统
硬件系统 软件系统
计算
机
外围
设备
联网
设备
系统
软件
支撑
软件
数据
库
应用
软件
（ 2）硬件要求
A,性能要求较高的图形输入、输出设备
B,较高的运行速度 —CAD软件中大量的复杂的数值计算
C,足够的外部存储空间 ---计算过程中大量的图形、图像、技术文
件、优化分析结果、图形库、数据库和配套的应用软件
D,较好的网络性能 —设计网络系统的速度、稳定性、安全性等
（ 3）软件组成
（ A） 操作系统
具有下述功能：管理 CPU；管理存储器；管理外部设备；管理文
件；网络通信功能；其它为用户开发应用软件服务的特定功能。
（ B） 支撑软件
主要功能：图形处理；三维产品建模；有限元建模与分析；机构运
动分析；数据信息交换；工程数据管理；二次开发工具。
（ C）数据库
把手册和资料中的数表、线图数据事先存放在数据库中，要求具有
图形和非图形数据处理的能力。
（ D）应用软件
面向用户（如某一企业、某一类产品或某一个工程），如开目 CAD、
大恒 CAD、华正 CAD、圆方 CAD、大方 CAD。
搬运机械 NC机床 机器人 自动测试装置
TCP/IP 网络
主机
扫描仪
数字相机
操作杆
光笔
鼠标
键盘
绘图仪
打印机
磁盘机
………,.
CAD
/CAM
硬
件
系
统
的
组
成
显示器
CAD/CAM系统的硬件布局形式
独立式系统
以一个主机为中心．可以支持多个终端运行，共享一个 CPU．这种系统的
优点是用户共享主机系统的资源。系统可以配置较大的内存和外存，以及高
精度、高速度、大幅面的图形输入输出设备；可以装备中心数据库．通过数
据库管理系统集中管理和维护全部数据；可以运行规模较大的支撑软件和应
用软件，设计、计算、绘图、分析等工作结合起来，进行复杂的作业。当增
加新的用户，即增加较多的终端时．平均每个终端的投资相对较少。
?主机系统
缺点,一方面．当主机出现故障时．整个系统佳处于瘫痪状态．将
会中断所有用户的作业；另一方面．当用户数量增加时．每个终端
的处理速度及响应时间就会相应的减慢．尤其是在做复杂的分析或
大量的数据运算时就更为明显。
?工作站系统
工作站是介于个人机与小型机之间的一种计算机、通常具有较
高的性能，支持高分辨率彩色图形显示器；具有良好的人机界面；
同时，还可支持高技术指标的外围设备及网络环境。近年来,工作
站的性能价格比不断提高，已成为当前 CAD／ CAM的主要硬件环
境
?个人机系统
个人机即通常所说的 PC机。与前述几类相比,PC机成本的，运
算的速度和处理能力相对较低，但随着微机硬件技术的提高以及软
件开发水平的提高,PC机上的 CAD/CAM系统也逐步显示出其独特
的优势．一方面，硬件配置与工程工作站的差距越来越小；另一方
面,PC机上 CAD系统已从单纯的简单计算、二维图形处理发展为
具有三维交互设计、实体建模、有限元分析、优化设计等功能的综
合设计系统。
分布式系统
所谓分布式系统，是利用计算机技术及通讯技术将分布于各处的计
算机 以网络形式联接起来．网络上各个结点可以是微机，也可以是
SUN,HP,SGI等工作站；网络上结点分布形式可以是星型分布、树型
分布．也可以是环型分布。分布式系统的特点是系统的软、硬件资源
分布在各个结点上。
每个结点有自己的 CPU和外部设备．使用速度不受网络上其它
结点的影响。通过网络软件提供的通讯功能．每个结点的用户还可
以享用其它结点的资源，例如．大型自动绘图仪、激光打印机等硬
件设备，也能够共享某些公共的应用软件及数据文件。这类系统的
配置和开发投资可以从小到大进行，易于扩展，有利于逐步提高
CAD／ CAM系统的技术性能：有利于各专业同时进行那些负责的、
需要处理大量信息的工程工作。
CAD/CAM系统中，硬件应具有以下几项基本功能：
?性能要求较高的图形输入、输出设备
?较高的运行速度
?足够的外部存储空间
?较好的网络性能
CAD/CAM系统的软件
计算机是按照程序和数据进行工作的，相对于计算机及其外围设
备而言，这些程序、数据及相关的文档就是软件。软件着重研究如
何有效地管理和使用硬件，如何实现人们所希望的各种功能要求，
因此，软件水平的高低直接影响到 CAD/CAM系统的功能、工作效率
及使用的方便程度，软件包含了管理和应用计算机的全部技术。
根据在 CAD/CAM系统中执行
的任务和服务的对象的不同，可将
软件系统分为三个层次；即系统软
件、支撑软件和应用软件
?系统软件：工作站为 UNIX，微机为 DOS,WINDOWS等
?支撑软件：支撑软件是 CAD/CAM系统的核心，它不针对具体的设
计对象，而是为用户提供工具或开发环境，不同的支撑软件依赖一
定的操作系统，又是各类应用软件的基础。一般包括以下几种类型：
?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 /动力学模拟仿真软件
?计算机辅助工程软件
?应用软件：用户为解决实际问题而自行开发或委托开发的程序系
统。应用软件的模块化结构不仅可以方便地调试和管理，而且可以
提高使用的柔性、可靠性和经济性
对 CAD而言，按系统运行时设计人员介入的程度，以及系统的工
作方式，可以将应用软件分为以下几种类型：
?检索型
?自动型
?交互型
?智能型
检索型
特点：以参数化设计技
术为基础。
适用范围：设计已定型
的、标准化的和系列化程度
很高的产品。
检索型 CAD系统工作流程
例如：设计滚动轴承 GB277-89
自动型,设计者预先将待解决的问题，建立数学模型，找到目标函
数，将其求解过程编制成程序输入计算机，系统运行时，根据输入的
参数自动进行数学模型求解，不需人的介入。
应用范围：事先能够用数学模型描述的一类设计问题
?人机交互型
特点：人的主导作用贯穿整个设计过程。
适用范围：从产品概念设计到产品最终设计。
输入设计要求
建立产品模型
分析优化模型
细节与结构设计
输出图样,
文档等评价
数据库
图形库
程序库
Y
Y
N
到 CAM系统
?智能型
特点：利用知识库和推理机制完成设计工作。
适用范围：未来的 CAD系统。
智能型 CAD系统工作原理
CAD/CAM系统选择原则
CAD/CAM系统硬件选择不仅要适应 CAD/CAM技术发展水平，而且
要满足它服务的对象，应以使用目的和用户所具有的条件（包括经
费、人员技术水平等）为前提，以制造商提供的性能指标为依据，
以性能价格比及其适用程度为基本出发点，综合考虑各方面因素加
以决策，具体应考虑以下几个方面：
?系统功能
?系统的开放性和可移植性
?系统升级扩展能力
?系统的可靠性、可维护性与服务质量
CAD/CAM系统的软件选择原则
软件性能价格比
与硬件匹配
二次开发环境
开放性
软件商的综合能力
2-2 几何造型技术
几何造型－－利用计算机系统描述物体的几何形状，建立产品几何模型
的技术。通过这种方法定义、描述的几何实体必须是完整的、唯一的，而且
能够从计算机内部的模型上提取该实体生成过程中的全部信息，或者能够通
过系统的计算分析自动生成某些信息
几何造型的主要作用：
?为图形的显示和输出提供信息；
?为各种应用程序,（如，结构设计、受力分析、成型模拟、图形变换、
数控加工等）提供信息。
由于客观事物大多是三维的、连续的，而在计算机内部的数据均
为一线的、离散的、有限的，因此，在表达与描述三维实体时，怎样
对几何实体进行定义，保证其准确、完整和唯一几何建模的方法：是
将对实体的描述和表达建立在几何信息和拓扑信息处理的基础上。
几何信息：物体在空间的形状、尺寸及位置的描述；
拓扑信息：构成物体的各个分量的数目及相互之间的连接关系
按照对这两方面信息的描述及存贮方法不同，三维几何建模系统
可划分线框建模、表面建模和实体建模三种主要类型
(1) 线框造型
线框造型 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构架
图。在计算机内部，存贮
的是该物体的顶点及棱线
信息，将实体的几何信息
和拓扑信息层次清楚地记
录在顶点表及边表中。
线框造型
特点,采用线框建模的描述方法所需信息最少．数据运算简单。所
占的存贮空间也比较小．另外．这种建模方法对硬件的要求不，容易
掌握．处理时间较短。
但是，线框建模也有局限性。一方面．线框建模的数据模型规定
了各条边的两个顶点以及各个顶点的坐标．这对于由平面构成的物体
来说．轮廓线与棱线一致、能够比较清楚地反映物体的真实形状．但
是对于曲面体，仅能表示物体的棱边就不准确了。例如表示圆柱的形
状．就必须添加．对有些轮廓就必须描述圆孤的起点、终点、圆心位
置、圆弧的走向等。另一方面，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．即没有构成面的信息．由于信息表达
不完整，在许多情况下．会对物体形状的判断产生多义性。由于建模
后生成的物体所有的边都显示在图形中．而大多数的三维线框建模系
统尚不具备自动消隐的功能．因此无法判断哪些是不可见边，哪些又
是可见边。对同一种线框模型．难以准确地确定实体的真实形状．这
不仅不能完整、准确、唯一地表达几何实体，也给物体的几门特性、
物理特性的计算带来困难。
（ 2）曲面造型
? 基本曲面
能够用初等数学解析式描述的曲面。
例如：
?轨迹曲面
由二维曲线在三维空间运动的轨迹所构成的曲面。
拉伸表面 Extruded Surface（路径是直线）
旋转表面 Revolved Surface
?扫动曲面 Swept Surface
截面曲线沿由任意空间曲线代表的路径移动而构成的曲面。
路径可以有多条（如 6,7），截面曲线也可以有多条（如 1～ 5）。
?蒙皮曲面
覆盖在一组线条上的曲面称为蒙皮 Skin。
?规则表面 Ruled Surface
由 两条互不相交的空间曲线扩展而成的规则表面。
?平坦表面 Planar Surface
由封闭的二维线框构成的表面。
?其它曲面
如,孔斯（ Coons） 曲面,Bezier曲面,B样条曲面,非均匀有理样条
(NURBS)曲面等。
? 优点,可以描述各种各样的面（如，平面、二次曲面和自由曲面等）；
便于曲面求交线和进行几何体的消隐处理，能够为 CAM提供加工信息。
?缺点,对面存在于物体的哪一侧定义不明确；无法判断建立的物体是
实心体还是壳体，难以对表面模型进行物性分析。
（ 3）实体造型
线框建模和表面建模在完整、准确地表达实体形状方面各有其
局限性，要想唯一地构造实体的模型，还需采用实体建模的方法 。
实体建模的原理
实体建模的标志，是在计算机内部以实体描述客观事物．利用这
样的系统，一方面可以提供实体完整的信息，另一方面，可以实现对
可见边的判断，具有消隐的功能。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，其特点在于覆盖三维立体
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，是当前普遍采用
的建模方法
实体生产的方法
按照物体生成的方法不同，实体建模的方法可分为体素法、扫描
法等几种．
1．体素法
体素法是通过基本体素的集合运算构造几何实体的建模方法。每一
基本体素具有完整的几何信息，是真实而唯一的三维物体．体素法包
含两部分内容；一是基本体素的定义与描述，二是体素之间的集合运
算．常用的基本体素有长方体、球、圆柱、圆锥、圆环、锥台等．如
图所示．
描述体素时，除了定义体素的基本尺寸参数外，例如长方体的长、
宽、高，圆柱的直径、高等，为了准确地描述基本体素在空间的位置
和方向，还需定义基准点，以便正确地进行集合运算．体素间的集合
运算有交、并、差三种．以两个三锥体素为例．运算结果如图所示．
2．扫描法
有些物体的表面形状较为复杂．难于通过定义基本体素加以描
述．可以定义基体，利用基本的变形操作实现物体的建模．这种构造
实体的方法称为扫描法．扫描法又可分为平面轮廓扫描和整体扫描两
种。
平面轮廓扫描是一种与二维系统密切结合的方法．由于任一平面轮
廓在空间平移一个距离或绕一固定的轴旋转都会扫描出一个实体，
因此，对于具有相同截面的零件实体来说，可预先定义一个封闭的截
面轮廓．再定义该轮廓移动的轨迹或旋转的中心线、旋转角度．就可
得到所需的实体，如图所示。
所谓整体扫描就是首先定义一个三维实体作为扫描基体，让此基体
在空间运动，运动可以是沿某方向的移动．也可以是绕某一轴线转
动．或绕一面的摆动，运动方式不同．生成的实体形状也不同，如图
所示．整体扫描法对于生产过程的于涉 验，运动分析等有很大的实用
价值．尤其在数控加工中对于刀具轨迹的生成与检验方面更具有二要
意义。
概括地说，扫描变换需要两个分量，一个是被移动的基体．另一个
是移动的路径。通过扫描变换可以生成某些用体素法难于定义和描述
的物体模
?优点,对各侧面有明确的定义（与法矢量方向一致为外侧面，相反为内侧
面）；能够唯一的表现物体；有利于物性分析和有限元分析。
?缺点,数据量大，数据结构复杂，且缺乏明确的工程意义。
（ 4） 特征造型技术
A.传统造型的不足,只含物体的几何信息和拓扑信息。 P20
B.特征造型,
定义：将特征作为产品描述的基本单元，并将产品描述成特征的集合。
每一个特征，通常又用若干属性来描述，以说明形成特征的制造
工序类别及特征的形状、长、宽、直径、角度等满足生产的要求。
除几何信息和拓扑信息外，还包含能反映物体特点（属性）的非几
何信息等,e.g 尺寸公差、工艺（表面）处理、制造信息。
C.功能要求
# 参数化设计功能
# 基于特征设计思想
# 采用通用数据交换标准
特征的含义－－反映产品零件特点、可按一定原则分类的产品描述信息。
例如：
产
品
特
征
孔类
槽类
下陷类
凸起类
台阶类
边过渡
通孔
盲孔
通槽
盲槽
－－直通孔、锥通孔、沉头通孔等
－－盲直孔、盲锥孔、盲沉头孔、盲螺纹孔等
－－ T型,V型、燕尾槽、圆弧槽等
－－键槽等
－－矩形凹陷、弧形凹陷、环形凹陷等
－－圆柱凸起、矩形凸起等
－－矩形台阶、内外园台阶、斜台阶等
－－倒角、园角等
基体类 －－板、块、柱、锥、环、球等
右图零件的特征描述：
特征造型的主要优点：
?使造型对象更具工程意义（如，模板、型腔、通孔等）；
?将尺寸、公差、表面粗糙度和热处理等属性信息附着在零件的几何特
征上，为零件加工提供统一的数学模型。
型腔板
模板
矩形槽
直通孔
材料、热处理、尺寸精度、形位公差、表面粗糙度等
尺寸精度、形位公差、粗糙度等
精度、粗糙度等
2-2-3 参数化造型技术
造型对象的几何形状、拓扑结构固定，但尺寸不固定；改变尺寸即改变
对象的大小。
通用性较差。适合于标准件、通用件和系列件的设计与绘图。
例如：
2-2-4 约束变量驱动造型技术
组成几何对象的各图素之间存在约束（尺寸、形状、位置等）。适合于
草图设计、装配设计和方案选型等场合。
x
y
R
② 局部求解
边作图边记录约束条件（用特征树维持约束）
例如右图零件：
零件
板
圆角
凸台
通孔
③ 几何推理
利用专家系统，检查约束的有效性。如上图，判断孔和凸台是否超出
板的边缘。
④ 辅助线求解
利用辅助线作为约束条件。下图的对称线即为约束条件，两孔中心必
须以垂直中心线对称，并与水平中心线共线。
CAD
工程数
据库管
理系统
CAE
CAM
专家
系统
技术
优
化
设
计
方
案
零件信息
改进零件结构
NC指令
CAD/CAE/CAM系统功能模型图
设计任务书
用户需求
产品模型
CAD/CAE/CAM一体化技术
2-3 产品数据交换技术
产品数据 不仅包括产品模型的几何图形数据，还包括制造特征、尺寸公
差、材料特性、表面处理等非几何数据。
?产品几何描述, 如线框表示、几何表示、实体表示以及拓扑、成形及
展开等,
?产品特性,长、宽等体特征；孔槽等面特征；旋转体等车削件特征等；
?公差,尺寸公差与形位公差；
?表面处理,如喷涂等；
?材料,如类型、品种、强度、硬度等；
?说明,如总图说明等．
?其他,如加工、工艺装配等。
产品数据交换标准 是为实现不同的 CAD系统之间以及 CAD／ CAM内部
信息集成，与硬件设备无关的通用标准化软件接口，目的是实现信息资
源共享。
产品数据 是指定义某一零部件或构件所需要的几何、拓扑、公差、关系、
性能和属性等数据。
产品数据的内容：
? 借助统一的产品数据模型和工程数据库管理系统进行交换
CAD/CAM
系统 A
统一的
产品模
型和数
据库管
理系统
CAD/CAM
系统 B
2-3-1 产品数据交换途径：
? 借助专用或标准（中性）文件进行交换（ P25）
CAD/CAM
系统 A
专用
或标
准文
件
CAD/CAM
系统 B
2-3-2 常用产品数据交换标准简介
（ 1）图形数据交换规范 IGES（ Initial Graphics Exchange Specification）
由美国国家标准局 （ NBS） 主持成立的由波音公司和通用电气公司
参加的技术委员会于 1980年编制出的初始图形信息交换技术规范。
它开创了国际性的 CAD／ CAM技术的数据交换文件格式标准化工
作。我国于 1993年 9月将 IGES 3.0作为国家推荐标准。
IGES模型 指用于定义某产品的实体的集合。定义 IGES模型就是通过
实体，对产品的形状、尺寸以及某些说明产品特性的信息进行描述。
实体 是基本的信息单位。它可能是单个的几何元素，也可能是若于
个实体的集合。实体可分为几何实体和非几何实体。
?几何实体 定义与物体形状有关的信息，包括点、各种类型的曲线、
曲面、体以及结构相似的实体所组成的集合。 IGES 4.0中包括几何定义、
有限元模型和 CSG模型。
?非几何实体 提供将有关实体组合成平面视图的手段，并用注释和尺
寸标注来丰富此模型。此外。它还可向单个实体或一个实体组合提供
特有的属性或特征、组合实体的定义和实例。非几何实体又分为两类；
注释 ——提供信息的字符串或符号，但并不是几何模型的一部分；结
构 ——提供有关将实体组合成一个组合实体的手段
IGES 文件结构
特征段 Flag Section：表示数据的存储格式；
起始段 Start Section：文件序言；是对文件的介绍，供人阅读
全局段 Global Section：为前、后置处理程序提供的接口信息；
实体索引段 Directory Entry Section：检索实体的入口；
参数数据段 Paramenter Data Section：每个实体的记录；
结束段 Terminate Section：归总起始段、全局段、实体索引段和参数
数据段中的记录数。
?IGES 在交换产品数据中存在的问题
?IGES定义的实体主要是几何图形方面的信息，其他信息交换不充分。
?交换复杂图形时容易丢失某些信息（部分语法结构不统一造成）；
?交换文件占用的存储空间较大，数据处理时间较长。
STEP采用统一的产品数据模型以及统一的数据管理软件来管理产品
数据，各系统间可直接进行信息交换，它是新一代面向产品数据定义
的数据交换和表达标准，它采用 EXPRESS语言描述信息模型，便于表
示复杂实体，表达形式统一；另外 STEP采用应用协议（ Application
Protocol）来保证语义的一致性．应用协议说明了如何用 STEP标准的
集成资源来解释产品数据模型以满足工业需求，即根据不同应用领域
的实际需要，选定标准的逻辑子集或加上必须补充的信息作为标准强
制地要求各应用系统在交换、传输与存储产品数据时符合应用协议的
规定。
（ 2）产品模型数据交换标准 STEP
Standard for the Exchange of Product Model Data
STEP技术 提供一种不依赖于具体系统的中性机制，它规定了产品设计、
开发、制造，以至于产品全部生命周期中所包含的诸如产品形状、解析
模型、材料、加工方法、组装分解顺序、检验测试等必要的信息定义和
数据交换的外部描述、因而 STEP是基于集成的产品信息模型。
STEP的应用范围非常广泛。 STEP的标准内部划分成许多子标准，其
内容分别涉及几何、拓扑、外形表示、特征、外形表示接口、公差、材
料、产品数据表示、绘图、机械产品结构、建筑工程结构、船舶模型、
电子产品、有限元分析以及数据转换等。以后的版本又增加运动机构、
标准零件、工艺规模、质量管理、加工制造、测试和产品寿命等内容。
特点,采用统一的产品数据模型和统一的数据库管理系统来定义和管
理数据，可以在各 CAD/CAM系统之间直接交换信息。
（ 3） DXF文件交换格式（ 一个事实上的图形文件交换标准）
AutoCAD
DXF out命令 生成 DXF文件 程序读 DXF文件
AutoCAD
DXF in命令 读入 DXF文件 程序生成 DXF文件
其他 CAD系统
或
计算程序
DXF文件结构
?标题段 HEADRER
图形文件当前的工作环境设置记录；
?表段 TABLES
当前图形编辑的支撑环境记录：视口表 VPORT、线型表 LTYPE、图
层表 LAYER、字体表 STYLE、视图表 VIEW、用户坐标系表 UCS、尺寸
标注式样表 DIMSTYLE和应用程序标识表 APPID；
?块段 BLOCKS
图块记录；
?实体段 ENTITIES
实体（类型、几何参数等）及其属性（实体所在图层、线型、颜色
等）的记录；
?结束段 END OF FILE
一条记录，即 0 EOF。
记录组成, 组码＋码值
? 组码（正整数） 定义记录类型，如,6－线型名,20－ y 坐标初始值，
等等；
?码值（实数、字符和字符串） 对应组码所从事的工作，即记录产生
当前图形的每一步细节。
如,0 实体
CIRCLE 圆
5 半径
40
100 圆心坐标（ x,y,z）
0
STL 类型文件 是 CAD／ CAM中广泛使用的一类三维空间造型存储文
件，它最初来源于快速成型技术及反求工程，目前几乎所有的三维造
型软件都具有输出此类文件的功能。该类文件主要的优势在于简单、
适应性好，即可以输出各种类型空间表面。文件中只包含有相互衔接
的三角形面片节点坐标及其外法矢，属于, 中性, 文件，可以在不同
的 CAD／ CAE／ CAM系统进行转换。尽管 IGES,STEP类型文件也具
有很好的描述空间造型的能力，但在不断变化的空间表面描述上 (金
属塑性成形过程 )，目前只能采用三角形或四边形描述，也就是说只
能采用将任意空间表面离散成网格，以三角形网格形式输出、存储。
（ 4） STL文件交换格式
利用 STL数据格式表示立体图形的方式较为简单，对于任何一个独
立的空间实体，都可借助其表面信息进行描述，而表面信息则是由
许许多多空间小三角面片的逼近体现出来，通过记录各小三角面片
的顶点和法向矢量信息来间接描述原来的立体图形。
STL数据遵循的规则有：
?共顶点规则：每一个三角面片必须与每个相邻的三角面片共用两个顶
点，即一个三角面片的顶点不能落在相邻的任何三角面片的边上；
?取向规则：单个面片上的法向量满足右旋定则，其正向必须朝着实体
外侧，且与相邻面片的法向量协同（即如果将两个相邻面片合并成一个
曲面、则两个面片的法向应该指向曲面的同一侧）；
?充满规则，三角面片必须布满三维模型的所有表面，不得有任何遗漏；
?取值规则，每个顶点的坐标值必须是非负的，即 STL实体应该在第一
象限。
2-4 计算机辅助工艺规程设计 （ CAPP）
1 工艺规程设计的任务
工艺规程设计是工厂工艺部门的一项经常性技术工作是生产技术
准备工作的第一步，也是连接产品设计和产品制造的桥梁。以文件
形式确定下来的工艺规程是进行工艺装备制造和零件加工的主要依
据，它对组织生产、保证产品质量、提高生产率、降低成本、缩短
生产周期、改善劳动条件都有着直接的影响 是生产中的关键性工作。
工艺规程设计的主要任务 是为被加工零件选择合理的加工方法、
加工顺序、工、夹、量具，以及切削条件的计算等，使能按设计
要求生产出合格的成品零件 。
主要内容有：
?选择加工方法和采用的机床、刀具、夹具及其它工装设备
?安排合理的加工顺序
?选择基准，确定加工余量和毛坯，计算工序尺寸和公差。
?选用合理的切削用量。
?计算时间定额和加工成本。
?编制包含上述所有资料的工艺文件。
其核心内容是选择加工方法和安排合理的加工顺序。
传统的工艺规程设计方法
工艺规程设计处于产品设计和制造的接口处，需要分析和处理大
量信息。既要考虑产品设计图样上有关零件结构形状、尺寸公差、
材料、批量等方面的信息，又要了解制造中有关加工方法、加工设
备、生产条件、加工成本、工时定额，甚至传统习惯等方面的信息、
各种信息之间的关系又极为错综复杂，设计工艺规程时必须全面而
周密地对这些信息加以分析和处理。
传统的工艺规程设计缺点：
? 耗时
长期以来，传统的工艺规程设计方法一直是由工艺人员根据他们多年
从事工厂生产活动而积累起来的经验，以手工方式进行的。这包括查
阅资料和手册，进行工艺计算，绘制工序图，填写工艺卡片和表格文
件等工作、其中，花费在书写工艺文件上的时间占 30％，工艺规程的
设计质量完全取决于工艺人员的技术水平和经验。
?质量不易保证
经验是一种宝贵的知识，但经验需要较长时期的积累，而且，由于
每个工艺人员的经验有限，习惯不同，技术水平也不一样，因而用
手工编制的工艺规程缺乏一致性，很难得到最佳的制造方案。对同
样的零件由不同的工艺人员设计，会得出多种不同的工艺方案。因
此，依靠个人经验。用手工方式设计的工艺规程一致性差，质量不
稳定，难以达到优化的目标。
?重复性劳动多
当工厂生产一个产品时，每个零件都要设计一个工艺规程，当产
品更换时，原有的工艺规程便不再使用，必须重新设计一套新产品
的工艺规程,当产品更换时，原有的工艺规程便不再使用，必须重
新设计一套新产品的工艺规程，即使新产品中的某些零件与过去生
产的零件相似或相同 也必须重新设计。其主要原因是工艺部门的管
理问题 工艺人员不能充分利用过去设计的工艺规程。
根据成组技术原理，各种机械产品中的许多零件都在一定程度上
具有相似性，所以它们的工艺规程也具有一定的相似性，而不是每
一个零件都必须设计一个工艺规程。
实 例
?某机床厂原来用 377个工艺规程制造 425种齿轮零件 应用成组技术
对齿轮和工艺规程进行仔细分析后，发现可以只用 71种标准工艺规
程就可以生产出 425种齿轮。
?某工厂，要在 10个星期内投产制造 2100种零件，是否需要设计 2100
个工艺规程呢？后经统计发现，虽然投入生产的零件品种数不断增
加，但很多零件有相似性，真正不同的工艺规程的增长率在下降、
实际上最后可归纳为 1200个工艺规程。
从上述两个例子可以看到，生产的零件品种数和工艺规程数并不存一一
对应的关系。目前工艺规程设计中存在的重复性和多样性，不仅本身是
一种浪费，而巨还影响到工装设备的制造和使用，并直接影响产品的投
产速度、交货日期、成本核算和企业的竞争能力。
综上所述，传统的工艺规程设计方法已不适应当前产品品种多
样化、更新换代日益频繁的生产形势、现今在机械制造领域中，由
于新工艺新技术的飞速发展，社会需求趋向于多样化，产品更新周
期日益缩短，多品种小批量生产的企业大量增加。
设计部门 （ CAD） 和制造部门 (CAM)都普遍采用了高度自动化的
技术，只有工艺设计工作仍然处于手工操作。凭经验办事，效率低
下的状态，再加上熟练的工艺人员正日益短缺 工艺设计已成为机械
制造系统中的瓶颈，不能适应当今生产发展和经济改革的需要。为
此 必须寻找新的工艺规程设计方法，代替原来的手工劳动，以提高
工艺设计的工作效率，缩短生产准备周期，降低工艺设计费用。
3 利用计算机实现 CAPP (Computer Aided Process Planning)
随着电子计算机技术的发展和在机械制造领域中的广泛应用，为工
艺规程设计提供了理想的工具、工艺规程设计主要是在分析和处理大量
信息的基础上进行选择（加工方法、机床。刀具、加工顺序等）、计算
（加工余量、工序尺寸、公差、切削参数、工时定额等）、绘图（工序
图）以及编制文件等工作，而计算机能有效地管理大量的数据，进行快
速、准确的计算和各种形式的比较、选择，能自动绘图和编制表格文件。
这些功能恰恰适应工艺规程设计的需要，于是出现了计算机辅助工艺规
程设计（ Computer Aided Process Planning ），简称 CAPP。这样一种新
技术。
CAPP不仅能实现工艺设计自动化，还能把生产实践中行之有效的若
干工艺设计原则与方法，转换成工艺设计决策模型，建立科学的决策逻
辑。把长期从事工艺设计工作的人的经验传授给初参加工作的人，编制
出最优的制造方案。
?派生法 （ Variant）
根据成组技术的原理将零件划分为相似零件组，按零件组编制出
标准工艺规程，并以文件的形式贮存在计算机中。当要为新零件设计
工艺规程时，输入该零件的成组技术代码，由计算机判别零件属于哪
一个零件组，检索出该零件组的标准工艺规程，再根据零件的结构形
状特点、尺寸公差，进行编辑修改，获得适合于该零件的工艺规程。
通常调用 标准工艺文件，确定加工顺序，计算切削参数、加工时间或
加工费用 都是由计算机自动进行的。
?创成法 （ Generative）
不以原有的工艺规程为基础，在计算机软件系统中收集了大量的工
艺数据和加工知识，并在此基础上建立了一系列的决策逻辑，形成了
工艺数据库和加工知识库。当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，
自动地生成零件的工艺规程。
CAPP系统的工作原理
2-4 专家系统与有限元优化技术
2-4-1 专家系统的基本概念
人工智能 ---研究的是怎样利用机器模仿人脑从事推理、规划、设计、思考、
学习等思维活动，解决迄今认为需由专家才能处理好的复杂问题。即由计算
机来表示和执行人类的智能活动。可以从 3个方面来理解人工智能系统（ 1）
从完成的主要功能看，分为视觉系统、听觉系统、专家系统、自动程序设计
系统等；（ 2）从系统完成思维活动的抽象过程看，是一个广义问题求解系统；
（ 3）从处理对象看，是一个知识信息的处理系统。
专家系统 （ Expert System） ---是 人工智能的一个分支，是指在某个领域内
能够起到人类专家作用，具有大量知识和经验的智能系统。是一种问题求解
的智能软件系统。
专家系统的实质,知识＋推理
专家系统结构：
人机接口
解释系统 推理机 中间数据库
知识库
知识库开发系统
用户 知识应用
专家
知识获取
?知识库 (Knowledge Base)
存放专家知识和经验的特殊数据库。
?推理机 (Inference Machine)
控制、协调专家系统工作的一组程序。
正向推理和反向推理
?解释系统 (Explanation System)
解释系统的推理结果，回答用户问题。
?知识获取系统 (Knowledge Acquisition)
将存储在人类专家头脑中的知识和经验提取出来，经验证后转存于
系统的知识库中。
?人机接口 (Interface)
人、机对话界面。
?中间数据库 (Temporary Database)
用于存放推理过程的中间结果或论据的临时数据库。
例如,
零件加工
回转件 非回转件
孔 外圆表面
螺纹孔 光孔
钻,(镗 )
车内螺纹
钻 钻、铰 钻、镗、
磨
精密铸造
车
>0.1 >0.01 <0.01
铣削
2-4-2 知识工程
1,产品设计 ---从信息处理的观点来看，是建立一个满足要求的模型结构和
形状表示，记叙设计和制造对象所应具有的性质、动作和功能等。为此，必
须有某种描述性语言可用来描述。此外，对于结构、形状的表示，除了可用
于提取制造信息外，还应该包括可查明其外观和质感的显示信息，并以此为
依据进行评价，确认模型是否满足要求。由此可见，产品设计实际上是一个
围绕产品模型的反复评价和多次修改的动态过程。
2,知识库 +演绎
取代传统的, 数据库 +检索, 的功能用于设计。其实现大致有 2种方法, （ 1）
一是按要求条件提供模型的部分结构，直接参与建造模型；（ 2）积蓄各种技
术信息及使用方法，从候选的结构组中尽快去掉实现可能性较小的结构形式。
3,当前建造智能化 CAD系统的基本条件,P31
2-4-3 知识表示
知识表示 ---是人工智能研究中的重要领域，是一个知识获取并应用
知识的过程。而知识必须要有适当的表示形式才能在计算机中存储、
检索、使用和修改。亦即：研究如何存储信息的数据结构和智能地管
理这些数据结构以进行推理的过程。
(1) 谓词逻辑表示法
主要是运用命题演算和谓词演算等知识来描述事实。
例如：盐是咸的 海水中溶有大量的盐 所以海水是咸的
(2) 语义网络表示法
由结点 (事实或结论 )和表示
结点间关系 (推理 )的有向线段
构成的知识描述方法。
例如：
(3) 框架表示法
由结点 (槽 Slot)和无向线段组成的一种分层次的知识结构表示
法，其最上层结点代表给定情况下总是成立的事实，而下层结点存
放特定的参数、文字、数据或其它框架的内容。
例如：
AFO,A Feature Of
内孔 H1框架的 PROLOG语言描述：
Frame(,内孔 H1”,/*框架名（特征名）
[slot(,AFO”,[value[,内倒角, ]]),/*定义子框架（子特征）
slot(,特征编码,,[default[,hole” ]]),
slot(,孔径,,[value[,70” ]]),
slot(,开始位置,,[value[,0” ]]),
slot(,结束位置,,[value[,25” ]]),/*孔深＝开始位置－结束位
置
slot(,Ra”,[if_needed(,solve_Ra” )]),/*表面粗糙度
由规则 solve_Ra确定 */
slot(,加工方法,,[if_needed(,solve_Hole” )]),/*加工工艺由规
则 solve_Hole确定 */
(4) 产生式表示法
该法用, IF…… THEN……” 的形式表述知识。
例如,IF
注射时给定树脂的塑料熔体不能充满型腔
THEN
适当提高熔体温度，或加大注射压力，或 ……
（ 5） 面向对象的知识表示法
面向对象含义,知识（数据）和处理方法（功能）的统一体。知识
是对象的内部状态、事实的静态特征属性描述；知识处理方法表现
为动态智能行为，即获取知识、推理、消息传递和更新知识等。
面向对象方法的特点：
? 抽象性
? 封装性
? 继承性
? 多态性
利用面向对象方法表述知识和知识处理方法举例
Class Rule{
public:
Rule(); // 建立规则
~Rule(); // 取消规则
void far load(); // 读取规则
void far save(); // 将规则存入知识库
private:
char *ID; // 规则编码
char *premise(); // 前提
char *conclusion(); // 结论
double certainty; // 置信度
static int num; // 使用频率
……
}
2-4-4 设计型专家系统框架 P33
1 适合专家系统的领域,（ 1）解决问题的方式 —经验 +判断推理；
（ 2）解决问题的过程 ---涉及数值计算、符号推理，使用, 启发,,, 规
则,,, 策略, ；（ 3）专家经验。
2 设计型专家系统的开发：
2-4-5 有限元分析优化技术
(1) 问题的提出（以结构设计为例）
结构设计通常要解决的两类问题
? 强度 经典分析法（如材料力学）：
? 刚度 经典分析法（如弹性力学）：
][m ax ?? ?
?,f
例如：深筒拉伸
当 d 很小时，凸模（成型杆）
的强度和刚度能否满足要求？
经典分析法的弱点：
（ 1）靠经验类比（公式中的各种系数）与较大的安全系数来确定
结构尺寸和用材；
（ 2）对结构动特性和耦合特性的分析基本无能为力；
（ 3）对设计结果难以把握，一般要通过实验来验证。
(2) 有限元分析 (Finite Element Analysis,FEA)的基本思想
将一个连续体的求解区域离散（剖分）成有限个形状简单的
子区域（单元），各子区域相互连接在有限个节点上，承受等效
节点载荷（应力载荷、温度载荷、流动载荷、磁载荷等）；根据
“平衡,条件分析并建立各节点的载荷场方程，然后将它们组合
起来进行综合求解，以获得对复杂工程问题的近似数值解。
(3) 有限元分析过程（以结构分析为例）
几何参数 载荷 边界条件 材料性能
前置处理
求解
后置处理
节点位
移清单
应力值
清单
位移图
形显示
等值线
图形显
示
单元颜
色变化
图
动态图
形显示
建立有限元模型
有限元分析
分析结果的判定
(4) 有限元分析的前后处理
A,两种类型,P36
B,前处理
1）生成有限元网格；
2）节点的优化排序；
3）生成有限元属性数据；
4）生成输入数据文件。
C,后处理
1）对计算结果的加工处理；
2）计算结果的图形显示；（有：结构变形图、等值线图、主
应力迹线图、等色图）
颜色表示应力分布，形状改变表示弹性形变情况：
例如：分析一端固定，一端受静力的零件上应力和应变分布情况
还可以用动画表示应力和形变的传播：
2-4-6 仿真模拟技术
(1) 基本概念
1）仿真的必要性,P37
2）计算机仿真 (Simulation)：利用计算机进行产品的概念设计、
结构设计和模拟仿真，并优化此结果。 Or,CAE技术。
3）仿真的优缺点,P38
4） 计算机仿真的关键技术：
?建立仿真对象的数学模型
?求解数学模型，并将结果显示出来
(2) CAD/CAM系统中仿真技术的应用
? 产品外形与装配关系仿真
? 机构运动仿真
? 加工过程和试验过程仿真
? 生产过程仿真
? 热加工过程仿真
产品外形仿真
装配关系仿真
铸件在砂型中冷却时的温度变化仿真
冲压模具工作过程仿真
零件数控铣仿真
(3) 数字仿真基本方法
?建立数学模型
定量描述仿真对象固有特性，及其在外界作用下动态响应。
?建立仿真模型
在给定数学模型的基础上，设计出求解数学模型的算法。
?编写相应的仿真程序
根据仿真模型编写计算机程序。
?设置时间间隔
设置当前状态和下一个状态的时间间隔，计算每一个状态下的
结果，最终形成时间序列对应的整体过程。
?动态显示仿真结果
按时间序列在屏幕上依次显示各状态结果。
2-4-7 虚拟现实技术 (Virtual Reality)
(1) 含义
一种高逼真地模拟人在自然环境中视觉、听觉、触觉和动感等行
为的人机界面技术。
(2) VR典型结构
(3) VR基本特征
o 多感知性 (Multi-Sensory)
o 存在性 (Presence)
o 交互性 (Interaction)
o 自主性 (Autonomy)
(4) VR的关键技术和研究内容
?动态环境建模技术
?实时三维图形技术
?立体显示和传感技术
?应用系统开发工具
?系统集成技术
