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机械 CAD-CAM 复习资料大全

第一章

CAD/CAM 的定义、功能及应用：CAD 定义：Computer Aided Design(计算机辅助设计)的简

称。计算机辅助设计是将人和计算机的最佳特性结合起来，辅助进行产品的设计与分析的一

种技术，是综合了计算机与工程设计方法的最新发展而形成的一门新兴学科。

还可以定义为：工程技术人员以计算机为工具，用自身的专业知识，对产品进行几何造

型、分析计算、绘图和编写技术文件等设计活动的总称。

CAD 的功能：工程设计的过程包括设计需求分析、概念设计、设计建模、设计分析、设计

评价和设计表示，CAD 的功能就是在工程设计的过程中起相应的作用。

CAM（Computer Aided Manufacturing）到目前为止还没有明确的定义。是指计算机在制造

领域有关应用的统称，有广义和狭义之分。

广义 CAM 指利用计算机辅助完成从毛坯到产品制造过程中直接和间接的各种活动。包括工

艺准备（计算机辅助工艺设计，工装设计、制造，NC 编程），生产作业计划，物流过程的

运行控制（物料加工、装配、检验、输送、储存等生产活动）。

狭义 CAM 通常指数控程序的编制，包括刀具路线的规划、刀位文件的生成、刀具轨迹仿真

以及 NC 代码的生成。

CAD/CAM 技术在机械工业中的主要应用有以下几个方面：(1) 二维绘图。(2) 图形及符号

库。(3) 参数化设计。(4) 三维造型。(5) 工程分析。(6) 生成设计文档及报表。(7)数控加工

举例说明 CAD/CAM 系统硬件及软件：

系统软件指操作系统和系统实用程序等，它用于计算机的管理、控制和维护。

1．操作系统。如 Windows 2000/xp/NT UNIX（工作站，微机）等。

2．计算机语言及编译系统。如 Basic、Fortran、Pascal、C/C++等，这些高级语言均有相应

的编译系统。

3．系统实用程序。

支撑软件 1、图形处理软件。负责 CAD 的绘图，如 AutoCAD。2、几何建模软件。Pro/E

等。 3、数据库管理系统。如 FoxBASE，FoxPRO，工程数据库等。计算方法库：如解线性

方程组优化方法软件 4、工程分析及计算软件有限元分析软件：如 ANSYS 等机构分析

及机构综合的软件系统动态分析软件。 5、文档制作软件。如 WPS，WORD 等

应用软件应用软件是用户为解决各类实际问题，在系统软件的支持下而设计、开发的程

序，或利用支撑软件进行二次开发形成的程序，如模具设计软件、电器设计软件等。应用软

件的功能和质量直接影响 CAD/CAM 系统的功能和质量。

典型的 CAD/CAM 系统的硬件

计算机主机、信息存储设备（主要指外存、如硬盘、软盘、光盘等）、图形输入设备（键盘、

鼠标、扫描仪等）、图形输出设备（显示器、绘图仪、打印机等）及网络设备、多媒体设备、

数控机床、检测设备、物流设备等组成。

CAD/CAM 系统的类型：1、检索型 CAD/CAM 系统

检索型 CAD/CAM 系统主要用于产品结构及其零部件已实现标准化、系列化及模块

化的产品，它们的零部件图及装配图已转化为程序存储于计算机中，在设计过程中，根据给

出参数的具体数值按要求检索出所需要的零部件图，在计算机上装配成产品图，并对产品性

能进行校核，满足要求后，输出所需的各种技术文件及图纸。

2、自动型 CAD/CAM 系统

自动型 CAD/CAM 系统能根据产品性能规格要求在输入基本参数后，不需人工干预，计算

机能根据规定的程序，自动完成设计工作，输出产品设计全部图纸及技术文件，仅适用于设

计理论成熟；计算公式确定；设计步骤及判别标准清楚；资料数据完备的产品。

3、交互型 CAD/CAM 系统

在机械产品设计过程中，方案的决策及结构布置要完全实现自动化设计是非常困

难的，有时也是不可行的，设计过程中往往需要设计人员的随时参与，由此产生了交互型

CAD/CAM 系统。它充分发挥了人与计算机二者的长处，即：计算机的高速运算能力和严格

的逻辑判断及大量信息的存储能力和设计人员长期积累的智慧和丰富的经验。交互型

CAD/CAM 系统在产品设计工作中具有较实用的价值，并且在实现上相对也容易一些。

4、智能型 CAD/CAM 系统

将人工智能技术、专家系统技术与普通 CAD/CAM 系统结合起来，便产生了智能型

CAD/CAM 系统。它主要由知识库、推理机、实时系统、知识获取系统以及人机接口等组成。

智能型 CAD/CAM 系统可以对产品设计的全过程进行支持。

CAD/CAM 技术的发展趋势：

1 集成化，

提高集成水平是 CAD/CAM 系统发展的一个重要方向,必须在以下几方面提高水平：从传统

的实体造型到参数化特征造型的转变必须有自己统一的数据库及其管理系统解决好不同

CAD/CAM 系统间产品模型数据的转换问题集成系统内部应该包括种类更多、功能更为完

善的设计与制造应用软件解决好网络通信问题，使不同节点及不同地区的用户能够协同工

作。

2 网络化

提供多学科领域开发团队的协同产品开发支持跨部门、跨行业、跨地域的企业协作，提供数

据共享、知识共享、资源共享。

3 智能化

现有的 CAD/CAM 技术在机械设计中只能处理数值型的工作，包括计算、分析与绘图

在设计活动中存在另一类符号推理型工作，将人工智能技术，特别是专家系统的技术，与

传统 CAD/CAM 技术结合起来，形成智能化 CAD/CAM 系统是机械 CAD/CAM 发展的必然

趋势。

4 标准化

面向图形设备的标准 CGI ，面向用户的图形标准 GKS ,OPENGL，面向不同 CAD/CAM 系

统的数据交换标准 IGES 和 STEP ，事实标准：CATIA 与 UG 文件格式，DXF，X_T，SET

等。

第三章

几何造型技术又称为几何建模技术，是利用计算机以及图形处理技术来构造物体的几何形

状，模拟物体的动、静态处理过程的技术。

这种技术能将物体的形状及其属性（颜色、材质、精度）存储在计算机内，形成该物体

的三维几何模型，这个模型是对原物体的确切的数学描述或是对原物体某种状态的真实模拟。

这个模型将为各种不同的后续应用提供信息（例如：由模型产生有限元网格；由模型生成数

控加工刀具轨迹，进行碰撞、干涉检验；VM；机床模型；刀具模型；夹具模型；零件模

型）。

几何造型系统：通常把能够定义、描述、生成几何模型，并能交互地进行编辑的系统称为几

何造型系统

三维几何造型在 CAD/CAM 中的应用

三维几何造型在 CAD/CAM 中主要应用在设计、图形、制造和装配四个方面。

(1) 设计能随时显示零件形状，并能利用剖切来检查诸如壁的厚薄，孔是否相交等问

题。能进行物体的物理特性计算；如计算体积、面积、重心、惯性矩等。能检查装配中的干

涉。能作运动机构的模拟等等。 (2) 图形产生二维工程图，包括零件图，装配图等。 (3)

制造能利用生成的三维几何模型进行数控自动编程及刀具轨迹的仿真。此外还能进行工艺

规程设计等。 (4) 装配在机器人及柔性制造中利用三维几何模型进行装配规划、机器人

视觉识别、机器人运动学及动力学的分析等。

特征造型的两种方式

1、特征识别是根据已有的几何模型进行相应的特征识别，并加以定义，实现特征建模。

有交互式和系统自动识别两种方式。特征识别+特征提取

2、特征设计基于特征的造型技术，由设计人员调用特征造型系统中的特征，通过

增加、删除和修改等操作建立零件特征模型。它所遵循的思想是利用具有工程意义与确定形

状的特征直接构造零件模型。

3.2 三维几何造型系统的几种模型

几何造型系统发展至今，先后出现了线框模型、表面模型、实体模型、特征模型等，这

几种模型代表了几何形体在计算机内的不同存储方式，本节从工程角度出发，介绍这几种模

型的原理与计算机表达

3.2.1 线框模型

1、建模

线框模型是用顶点和棱边表示三维形体，其棱边可以为直线、圆弧、二次曲线及样

条曲线组成。

它的计算机表示包括两方面的信息：一类是几何信息，记录各顶点的坐标值，即顶

点表；另一类是拓扑信息，记录定义每条边的两个端点，即棱线表。实际物体是顶点表和棱

线表相应的三维映象。2、优缺点

优点结构简单，计算机内部易于表达，绘制快速；物体的三维数据可以产生任意视图，为

生成工程图带来了方便。

缺点：有二义性，缺少表面轮廓信息，当形状复杂、棱线过多时，会引起模糊理解。

在数据结构中缺少边与面、面与体之间关系的信息。从原理上讲，此种模型不能消除隐藏线、

计算物性、生成数控加工刀具轨迹、有限元网格剖分、物体干涉检验等，缺少拓扑信息，即

边与面、面与体之间关系的信息，因此不能构成实体。

3.2.2 表面模型表面模型也称曲面模型，通常用于构造复杂的曲面物体，构造时常常利用线

框功能，先构造一线框图，然后用扫描或旋转等手段变成曲面，也可以直接利用系统提供的

许多曲面图素来建立各种曲面模型。表面模型在计算机中的存储与线框模型相比多了一个面

表，记录了边、面间的拓扑关系。优点： (1) 能实现消隐、着色、表面积计算、二曲面求

交、数控刀具轨迹生成、有限元网格划分等。 (2) 擅长构造复杂的曲面物体，如模具、汽

车、飞机等表面。

缺点：(1) 缺乏面间的拓扑关系，依然不能构成实体，有时产生对物体二义性理解。2) 操

作比较复杂，要求操作者具备曲面建模的数学知识，因此要对操作者进行一定的培训。

3.2.3 实体模型（Solid Model）

1、建模

实体模型与表面模型不同之处在于确定了表面的哪一侧存在实体这个问题。用有向

棱边的右手法则确定所在面外法线的方向，如规定正向指向体外。如此只需将上图的面表改

为如下，即可确切地分清体内体外，形成实体模型。

2、优缺点

优点：（1）包含的信息全面，不仅记录了全部几何信息，而且记录了全部点、线、面、

体的拓扑信息。（2）无二义性。可以消隐、剖切、有限元网格划分、生成 NC 刀具轨迹。

（3）可计算物理特性。实体造型包括两部分：（1）体素定义和描述（2）体素间的布尔运算

（构成复杂实体的有效工具。

3.3 三维实体表示方法

目前实体造型系统开发中使用的三维实体表示方法有许多，广泛采用的两种方法是

几何实体构造法和边界表示法。它们分别是早期和近期 CAD 开发中三维形体表示的主要方

法，其他表示方法还有扫描表示法、八叉树表示法、基本体素表示法、空间分割法、实体参

数表示法等。

3.3.1 几何实体构造法

几何实体构造法（CSG：Constructive Solid Geometry）是

用简单实体通过集合运算交、并、差构造复杂实体的方法。是目前最常用的、最重要的一种

三维实体表示方法。严格来说 CSG 法是由简单的正则集合经过正则集合运算构成复杂实体

的方法。

用 CSG 法构造的实体模型在计算机中是通过用 CSG 树的形式加以表达的，通常采用二

叉树的形式加以描述。

用 CSG 树表示一个形体是无二义性的，但一个形体可以有不同的 CSG 树表示，取决于使用

的体素、构造操作方法和操作顺序。

优点： (1) 数据结构比较简单，信息量小，易于管理； (2) 每个 CSG 都和一个实际的有效

形体相对应； (3) CSG 树记录了形体的生成过程，可修改形体生成的各环节以改变形体的

形状。

缺点：(1) 不能进行形体的局部修改，如面、边、点等 (2) 直接基于 CSG 表达形体，其组

合运算及显示效率很低。

Brep 表示法的优点：

(1)表示形体的点、线、面等几何元素是显式表示、使得形体的显示很快并且很容易确定

几何元素之间的连接关系；

(2)可对 Brep 法的形体进行多种操作和局部修改

缺点：

(1)数据结构复杂，需要大量存储空间，维护内部数据结构及一致性的程序较复杂；

(2)对形体的修改操作较难实现。

第 6 章计算机辅助工程分析

一、计算机辅助工程分析概述

二、有限元法

三、优化设计方法

四、仿真

机械产品设计过程的一个重要环节是分析、计算，包括：

（1）对产品几何模型进行分析、计算；

（2）通过应力变形进行结构分析；

（3）对设计方案进行分析，评价等。

传统的分析方法一般比较粗略，尤其是结构分析对象的模型往往经过了较大的简化，

有时引入了难以令人置信的假设，致使有些分析结果不甚可靠。因此，这种传统的分析方法

只能用来定性地比较不同方案的好坏。

近三十年来，由于计算机的应用以及测试手段的不断改进和完善，机械设计已由静态、

线性分析向动态、非线性过渡；由经验类比设计向最优化过渡；由人工计算向自动计算、由

近似计算向精确计算过渡，以适应产品向高效、高速、高精度、低成本等现代化要求发展的

需要。在这种前提下，将计算机引入工程分析领域，这是机械设计中的一场巨大变革。

利用计算机辅助工程分析的关键是在三维实体建模的基础上，从产品的方案设计阶段开

始，按照实际使用的条件进行仿真和结构分析；按照性能要求进行设计和综合评价，以便从

多个设计方案中选择最佳方案。因此，计算机辅助工程分析通常包括有限元法、优化设计、

仿真技术、试验模态分析等方面。计算机辅助工程分析已成为 CAD／CAM 中不可缺少的重

要环节。

6.1.1 有限元法简介

1、提出：1960 年，美国 Clogh 教授首次提出“有限元法”这个名词。从此，有限元法正式作

为一种数值分析方法出现在工程技术领域。

2、有限元法的基本思想：先把原来是连续的物体剖分（离散）成有限个单元，且它们相互

连接在有限个节点上(如图所示)，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

数是有限的，节点数目也是有限的，所以称为有限元法。

3、有限元法常用的单元类型：

在采用有限元法对结构进行分析计算时，依据分析对象的不同，采用单元类型也不同。常见

的单元类型有：杆单元（如图 a）、梁单元（如图 b，c）、板单元（如图 d，e）、轴对称单元

（如图 f，g）、薄板弯曲单元（如图 h，i）、板壳单元（如图 j）、多面体单元（如图 k，l）

等。

用有限元法进行结构分析时，需要输入大量的数据，这些数据如果采用人工输入，工作

量大、繁琐枯燥且易于出错。当结构经过有限元分析后，亦会输出大量数据，对这些数据的

观察和分析也是一项细致而难度较大的工作。因此有限元计算程序应具备前置处理和后置处

理的功能。

有限元前后置处理类型：

（1）将几何建模系统与有限元分析系统有机结合，在建模系统中将有限元的前后置处

理作为线框模型、表面模型、实体模型的应用层。即把几何模型的几何参数和拓扑关系等数

据进行加工，自动剖分成有限元的网格，然后输入有限元分析需要的其它数据，生成不同有

限元分析程序所需的数据网格文件。

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