2023年7月28日发(作者：)

一、 CAD/CAM概论

本章主要是讲解CAD/CAM的基本概念、基本功能和工作原理等。

CAD/CAM技术是一门多学科综合性应用技术，是20世纪制造领域最杰出的技术之一。

1．1 CAD/CAM的基本概念

CAD(Computer Aided Design):是指工程技术人员以计算机为工具完成产品设计过程中的各项任务，如草图绘制、零件设计、装配设计、工装设计、工程分析等；

CAPP(Computer Aided Process Planning):是指工艺人员利用计算机，根据产品制造工艺要求，交互或自动地确定产品加工方法和方案，如加工方法的选择、工艺路线和工序的设计等；

CAM(Computer Aided Manufacturing):制造人员借助于计算机完成从生产准备到产品制造出来的过程中各个环节与活动，如数控加工编程、制造过程控制、质量检测等。

1.1.1 从产品制造的过程理解CAD/CAM

传统制造概念与过程 如图1。1

市场

需求

产品设计阶段

任务规程

概念设计

结构设计与分析

详细设计

工程设计

工艺设计阶段

毛坯设计

工艺路线设计

工序设计

工装设计

产品生产阶段

NC编程

加工仿真

NC加工

质量控制

装配

性能测试

产品

CAD CAPP

CAM

将三者集成 CAD/CAM

现代制造概念与过程

服务 销售

1

质量控制 生产制造

市场需求分析 产品概念设计 产品设计 生产准备

管理与协调

利用计算机完成各个环节的工作成为CAD/CAM

几点说明：1、计算机技术只能解决信息的查询与统计，信息的管理、重复而繁琐的工作等，而并不能代替人的工作，特别是创造性的工作。

2、现代制造概念很大，本书CAD/CAM的概念只涉及到产品的设计、工艺设计、加工、车间控制与质量控制等内容。

3、上述制造环中有三个流：物流、资金流与信息流。

4、企业制造资源有人、财、物、技术与信息。

1.1.2 CAD/CAM的基本功能

在CAD/CAM系统中，人们利用计算机完成产品结构描述、工程信息表达、工程信息的传输与转化、信息管理等工作。因此，CAD/CAM系统应具备以下基本功能：

1、产品与过程的建模

如何用计算机能够识别的数据（信息）来表达描述产品。如产品形状结构的描述、产品加工特性的描述、如何将有限元分析所需要的网格及边界条件描述出来等等。

2、图形与图象处理

在CAD/CAM系统中，图形图象仍然是产品形状与结构的主要表达形式，因此，如何在计算机中表达图形、对图形进行各种变换、编辑、消隐、光照等处理是CAD/CAM的基本功能。

3、信息存储与管理

设计与制造过程会产生大量、种类繁多的数据，如设计分析数据、工艺数据、制造数据、管理数据等。数据类型有图形图象、文字数字、声音、视频等；有结构化和非结构化的数据；有动态和静态数据等。怎样将CAD/CAM系统产生这些大量的电子信息存储与管理好，是CAD/CAM的必备功能。采用工程数据库。

4、工程分析与优化

计算体积、重心、转动惯量等，机构运动计算、动力学计算、数值计算，优化设计等。CAE

5、工程信息传输与交换

信息交换有CAD/CAM系统与其他系统的信息交换和同一CAD/CAM系统中2 不同功能模块的信息交换。

6、模拟与仿真

为了检察产品的性能，往往需要对产品进行各种试验与测试，需要专门的设备与生产出样品，并具有破坏性，时间长，成本大。通过建立产品或系统的数字化模式，采用计算机模拟技术可以解决这一问题。如加工轨迹仿真，机构运动仿真，工件、刀具和机床碰撞与干涉检验等。

7、人机交互

数据输入、路线与方案的选择等，都需要人与计算机进行对话。人机对话交互的方式有软件界面与设备（键盘、鼠标等）

8、信息的输入与输出

1.1.3 CAD/CAM系统的组成与工作过程

如图1.4 P5

CAPP

工艺知识检索

工艺路线生成

工艺设计

CAD

几何造型

工程绘图

工程分析和优化

模拟与仿真

CAM

数控加工编程

加工仿真

车间管理

计划调度

质量控制

信息的输入与输出有人机交互式输入输出与自动输入输出。

CAD/CAM的具体功能见图1.3 P4

工程数据库

EDBMS

1.2 CAD/CAM技术的发展回顾

1.2.1CAD技术的发展

1．形成期 1950 MIT CRT(阴极射线管) → 计算机能够处理图形→ 计算机图3 形学。

2. 发展期 50年代 光笔→交互式会图 60年代 屏幕菜单点击、 功能键盘、光笔定位、图形动态修改。1962 美国 Ivan Sutherland 第一个交互式图形系统（SketchPad） 2D系统

3、成熟期

1973 实体造型技术 实体造型软件 3D系统

4.集成期

信息分散、不能共享，不能发挥合力效益，开发专用接口，成本大，自动化程度不高 等等 集成CAD/CAM.

1.2.2 CAM技术的发展

1952年数控机床→1955自动编程工具（APT） 1958自动换刀系统→加工中心（MC） 1962工业机器人→物料搬运自动化，利用一台计算机控制多台数控设备→(直接数控系统)DNC →FMS.

70年代，交互式图形编程系统，CAM成熟

智能化，集成化，自动化。

1.2.3 CAPP技术的发展

1969年，挪威，成组技术，零件分类归族，典型样件与典型工艺 AutoPros

1980年，英国AutoCAP. 派生式CAPP系统。简单，实用，成本低，周期短；但与企业的特性相关度高，一般不适合于其他企业。

采用规则，推理，根据工艺的特性，自动生成工艺路线，成为创成式CAPP，自动化程度高，适合于多种企业。但由于工艺过程涉及的因素多，开发周期及成本高，目前仍然在研究阶段。

80年代中期，CAPP专家系统。

1.2.4 CAD/CAM的集成技术

CAD、CAPP、CAM技术长时间独立发展，使数据结构、软件结构、平台等方面有很大差异。系统之间不能进行自动的数据交换，需要大量的人工参与以完成数据传输工作，严重阻碍CAD、CAPP、CAM技术的效益与发展。80年代，人们致力于CAD、CAPP、CAM技术集成研究。相继推出了CADAM、CATIA、UG、Pro/E等。

4 1.3CAD/CAM技术的应用

1.3.1CAD/CAM的应用现状

机械是主要应用领域

2D应用最广

我国在2D CAD系统和CAPP系统中自主产品，市场占有率较高。3D刚起步。

1.3.2 CAD/CAM的应用效益

生产精度与产品质量提高

产品开发周期缩短 GM 汽车 5年→3年

新产品可靠性提高 20%→60%

生产成本下降 波音777未生产样机

详细效益请见P11

1.4 CAD/CAM技术的新发展

1.4.1 制造企业面临的市场形式

产品形式多样化、个性化，生产方式由大批量、少品种→少批量、多品种；

市场响应速度快。大吃小→快吃慢

产品的范畴：产品→产品P+质量Q+时间T+服务S (T,Q,C,S)

竞争范围：区域→全球

核心竞争力→创新技术与人才

各种新技术的出现与应用，特别是计算机与信息技术，Internet

上述原因，企业未来呈现的特点：

1、 产品开发生产周期短，上市快；

2、 制造柔性化；

3、 整个产品生命周期内的质量保证

4、 企业组织形式，出现虚拟企业与企业联盟

5、 生产过程更为精良

6、 人才素质高

7、 智能化与自动化程度高

8、 绿色制造

9、 分布、并行、集成并存

5 企业未来力呈现的特点对CAD/CAM系统的要求

1、 集成化，2、智能话，3、网络化，4、分布并行处理，5、综合技术的产品开发，6、虚拟现实技术，7、人机工程。

1.4.2CAD/CAM新方向

1、 支持TOP-Down，2、支持DFx，3、智能CAD/CAM，4、CE、5、虚拟制造，6、集成制造，7、异地设计制造。

二、CAD/CAM系统

CAD/CAM系统的基本组成、结构与分类，软件、硬件及网络的基本概念，软件、硬件的分类，网络设备的功能等。重点是应用软件的基本概念及其分类和网络与网络设备的基本功能。

2.1 CAD/CAM系统组成与分类

2.1.1 CAD/CAM系统组成

CAD/CAM系统由硬件和软件系统组成。

硬件系统是指可触摸到的物理设备，如主机设备、终端设备、网络及通信设备、输入输出设备，数控加工及控制设备等。

软件系统通常是指程序及其相关文档的总和，软件系统一般分为系统软件、支撑软件和应用软件。具体见图2.1 P21.

2.1.1 CAD/CAM系统的分类

从不同的角度，CAD/CAM系统可分为不同的类型。

从硬件角度，分为两大类。

1、以大型机或小型计算机为主机的、多用户分时系统。其基本结构如2.2a图，P22.

主机系统的特点：

1) 外围设备和用户工作站与主机相连，用户工作站中至少有一台图型工作站和一套图形处理设备（如图形终端，图形输入输出设备等），图形工作站基本结构如2.2b图，P22.

2)优点：主机功能强，可处理大量信息，如分析计算，模拟。使用性能取决于软件水平。

3）缺点：系统专用性强，比较封闭，终端过多，系统速度变慢，价格较高。另外，系统的可靠性取决于主机（主机发生故障，整个系统都将瘫痪）。

2、工程工作站或微机系统的单用户系统。（）

此系统特点：

6

1）每一个工程工作站或微机系统都能独立完成CAD/CAM系统所要求的各项任务。

2）价格较低，在中小型企业得到应用

3）可靠性高

已成为主流

按功能划分，CAD/CAM系统可分为CAD、CAM、CAD/CAM。

1、 CAD系统：专门为设计而建立的系统，可完成各项设计任务，如造型、会图、工程分析仿真与模拟，文档管理等。不具备数控编程、加工仿真、生产控制及管理等。

2、 CAM系统：具备数控编程、加工仿真、生产控制及管理等功能，几乎不具备造型、会图、工程分析仿真与模拟等功能。

3、 CAD/CAM系统：具备CAD与CAM的所有功能，并可进行信息的自动交换。已成为主流。

根据是否使用计算机网络，CAD/CAM系统又可分为单机系统和网络系统。

计算机网络：通过通信线路连接起来的自治的计算机集合。包括三个含义（1、必须有两台或两台以上的具有独立功能的计算机系统相互连接在一起，达到资源共享的目的；2、连接在一起的计算机必须有一条信息交换的通道；3、在同一网络中的计算机系统之间进行信息交换，必须遵循共同的约定与规则，即协议）

1、 单机CAD/CAM系统：具备所有CAD/CAM的软件与硬件功能。但不能与其他CAD/CAM进行信息交换。信息不能共享。

2、 网络CAD/CAM系统：将具备CAD/CAM的软件与硬件功能的各个节点用网络设备和通信线路进行连接就形成了一个网络化的CAD/CAM系统。可实现资源与信息共享。已成为主流。

网络结构有星型、环型、总线型和网络等形式。

由于总线型具有兼容性强，开放性和可扩展性良好等特性，因此，总线已成为主流。

2.2CAD/CAM系统中的典型硬件

2.2.1计算机基本系统

计算机基本系统由主机（包括CPU、主板和内存）、外存（磁盘、光盘）、显示器、键盘和鼠标等组成。

主机：包括CPU、主板和内存

7 主机的性能主要取决于CPU性能，CPU由控制器、运算器及各种寄存器组成，其性能由主频和寄存器的位数决定。

内存：内存直接与CPU相连，并直接进行数据读取。内存分为只读存储器ROM与随机存取存储器RAM。8位二进制为一个字节。

外存：磁盘、光盘

2.2.2输入设备

键盘、鼠标、操纵杆；数字化仪（如图2.7 P27），数字化一般用于将纸张图转化成计算机图。图形板、光笔、触摸屏、扫描仪、数字化手套、传感器等。

2.2.3输出设备

显示器、打印机、绘图仪、生产设备。

2.2.4网络设备

服务器（用于提供公共服务的高性能计算机，运行网络操作系统）、工作站。

电缆：同轴电缆(500m)、光缆(1000m)、双绞线（100m）。

网卡

中继器：用于信号放大，使信息传输更远，不改变信号。

网桥：对网络进行分割，平衡网络负载。

路由器：LAN与WAN的连接设备，将多个独立网进行连接。实现互联网之间的最佳寻径与数据传输。

网关：连接不同体系网络，如不同协议。Novell与Ethernet。

2.3 CAD/CAM软件系统

软件是一种逻辑实体，是程序、数据及相关技术文档的总和。

根据层次划分，CAD/CAM软件系统分为系统软件、支撑软件和应用软件。其层次关系如图2.13 P35

系统软件：面向计算机及网络系统的，实现对计算机及网络的管理，提供用户操作及管理计算机与网络的界面。是其他软件系统的基础。系统软件主要包括操作系统、编程语言、网络通信及其管理三大部分。

1、操作系统

操作系统的主要功能是：处理器管理、设备管理、存储管理、文件管理与用户接口（界面）。

8 按功能及其工作方式分，操作系统可分为单用户、批处理、实时、分时、网络和分布式六类。

DOS是一个单用户、单任务系统，而Unix与Windows是多用户分时系统。可由人工干预，实现交互式操作。

实时系统不需要人工干预，处理速度快，可靠性高，能够对信息处理的过程进行监控。

在CAD/CAM系统中，常用的操作系统有，工作站：Unix、VMS；微机：Windows、XENIX。

2、计算机编程语言

计算机语言有机器、汇编（低级语言）及高级语言。机器语言是计算机唯一能够识别的语言。用汇编和高级语言编写的程序必须经过转换成机器语言后才能运行。

低级语言依赖计算机硬件程度高，而高级语言几乎不依赖以计算机硬件。低级语言编写的程序比高级语言编写的程序要快。

高级语言编写的程序必须经过编译和连接后才能执行。

常用的高级语言有VisualC++、Visual Basic、Java（面向对象编程方法）。Lisp,ProLog用于人工智能与专家系统。

3、网络通信及其管理软件

网络通信及其管理软件主要包括网络协议、网络资源管理、网络任务管理、网络安全管理与网络通信浏览工具等功能。

在计算机网络中，不同的计算机系统之间进行信息交换时，必须遵循某种共同的约定与规则，这种约定与规则即为协议。网络协议是按层次划分的。按”开放系统网络标准模式”

OSI，网络协议分为七层，即应用层、表示层、会话层、传输层、网络层、链路层和物理层。

CAD/CAM流行的主要网络协议有：

1) MAP(Manufacturing Automation Protocol) 用于工厂自动化

2) TOP(Technicality and Office Protocol) 用于技术与办公环境

3) TCP/IP( Transmission Control Protocol / Internet Protocol) 按报文为传输单位。

2.3.2机械CAD/CAM支撑软件

支撑软件不为某一具体应用而设计开发的，只为用户提供应用工具和开发环境。从功能上划分，支撑软件可分为，基本图形资源与自动绘图，几何造型、工程分析与计算、仿真与模拟、专用设备控制程序生成器、集成与管理等6大部分。

9 1、基本图形资源管理与自动绘图软件

基本图形资源软件是根据图形标准或规范实现的软件包，为用户提供的是基本图形及图形操作的程序和函数库。是其他图形软件的基础。常用的有CGI(计算机图形界面)，GKS（图形软件包）及PHIGS(程序员等级交互图形系统)等。

自动绘图软件提供了各种基本图元与图形基本操作等功能，用户可采用交互式方式完成绘图工作，常用有AutoCAD，CADKey等。

2、几何建模软件。

提供完整的三维几何形状的描述与显示。还具有各种图形渲染及物性计算等功能，常用有Pro/E、UGII。

3、工程分析与计算

利用工程计算及分析软件可完成运动学、动力学、有限元分析等任务，常用的有Ansys、nastran等。

4、仿真与模拟软件

5、工艺过程设计

6、管理与集成

对各种CAD/CAM软件所产生的数据进行管理，采用数据库。常用的数据库有Oracle、Sybase、MS SQL Server 、DB2、Informix。

2.3.3应用软件

基于系统软件、支撑软件基础之上，专为某种特殊应用开发而成应用软件。如机械标准件图库，公差标注工具，电子元器件。

2.4 CAD/CAM系统的设计原则

2.4.1系统设计的总原则

在满足需求的前提下，既要实现目标，又要适应技术的发展，还要考虑具有的人才与资金的条件。

1、 实用性；2、适度的先进性；3、系统性（完整性、功能与性能的配套，集成）；4、整体设计与分步实施。

2.4.2系统硬件选用原则

1、系统功能

速度、精度、存储能力及兼容性

10 2、 开发性与可移植性

3、 升级与扩展性

4、 性价比

5、可靠性及维护性与服务

2.4.3 软件选用原则

1、功能；2、性价比；3、与硬件配套；4、二次开发能力、二次工具与开发环境；5、开放性；6、可靠性与服务。

三、CAD/CAM软件开发基础

重点：不同数据的数字化方法，特别是插值法，数据结构（线性表和二叉树），数据库的基本概念，工程数据的特点与工程数据库的功能。

在CAD/CAM系统应用过程中，不仅要向系统输入大量的数据，同时系统也会产生大量的数据，怎样存储、使用、管理好这些数据是使用好CAD/CAM系统的重要任务，也是开发CAD/CAM软件的基础。

3.1工程数据的程序化

在进行机械设计与制造中，会遇见很多格式数据，要实现CAD/CAM系统，首先要对这些数据进行计算机化或程序化。

3.1.1 数值程序化

1、数组形式

对于一组单一、精确、而数据之间又无规律的数列，可定义数组进行存放处理。

如齿轮标准模数，见P43 表3.1

可定义一个一维数组加以存放与处理。

2、公式化

对于一组单一、精确、而数据之间又规律的数列可采用公式表达。

如60、70、80、90、100、110、120这一标准的直径序列，可采用下列公式（表达式进行处理）

D=int(Dc/10.02)*10+10 其中Dc是根据强度计算所得到的直径。

3.1.2数表程序化

1、屏幕直观交互式输入法

如果数表中的数据量不大，可在有限的屏幕中放置，且数据为有限个离散值，在使用时11 是根据综合考虑选用中间值，此时可这些数据用屏幕输出语句输到屏幕上供使用者直观交互式地选用。如齿轮传动强度计算中的系数Kv，此系数是根据原动机工作特性和工作载荷特性等进行综合，在表3.2中进行选值（可选中间值）。

表中数据量少，可在有限的屏幕中放置。

2、数组化

数据量较大，精确且无规律的数表可采用数组进行存储与处理。如平键和键槽与轴径的尺寸关系数表3.3 P45。注：只能选用数表中数据，不能取中间值。

3、公式化

如果数表中只有两个参数，设Pi、fi，且这两个参数存在一一对应关系，即已知一个在数表中找得到的Pi值、数表中有一个fi值与其对应，且若已知一个在数表中找不到的Pi值，有一个近似非数表中的fi值与之对应，Pi与fi存在函数关系，则此数表可进行公式化。

如表3.4 （ P47 ）中蜗轮当量齿数与齿形系数的关系表。

工程上常采用插值法和拟合法对这种数表可进行公式化。

插值法原理：设有离散点序列（x1,y1）、（x2,y2）、……、（xi,yi）、…、（xn,yn），若有一函数y=f(x)，且yi=f(xi)，则称y=f(x)为（x1,y1）、（x2,y2）、……、（xi,yi）、…、（xn,yn）序列插值函数。

常用的插值方法有线性插值和拉格朗日插值法。

1）线性插值(两点插值)

已知两点，（x1,y1）、（x2,y2），并近似地认为其它数据在这两点区间成线性关系，则可采用线性插值。插值函数为

yy1y2y1yy1=→y=y1+2(x-x1)

xx1x2x1x2x1如果有多点，相邻两点用直线段连接，则每段线性插值的一般形式为：

y=yi+yiyi1(x-xi-1) 例如：如表3.4 （ P47 ）中蜗轮当量齿数与齿形系数的关系表，xixi1当zv=25.6(即x=25.6) ( xi-1=24, yi-1=1.88)；( xi=26, yi=1.85)，求YF

2）拉格朗日插值

当线性插值误差较大，可采用高次插值（二次和二次以上）

通过整理线性插值表达式得：

12

f(x)=y=y1·二次插值

xx2xx1+ y2·

x1x2x2x1f(x)=y=y1·(xx2)(xx3)(xx1)(xx3)(xx1)(xx2)+ y2·+ y3·

(x1x2)(x1x3)(x2x1)(x2x3)(x3x1)(x3x2)对于n个节点的n-1次拉格朗日插值的一般式子有：

f(x)=y=i1nyi·Ai

其中Ai=(xx1)(xx2)(xxi1)(xxi1)(xxn)

(xix1)(xix2)(xixi1)(xixi1)(xixn)4、交互式分级描述法

将复杂的多元函数表按一定的原则分解成多个子表，用程序描述各子表之间的关系，通过人机交互式的方式逐步选值。如表3-5齿轮常用材料及力学性能 , P48。

3.1.3线图程序化

在工程中有许多线图，这些线图有的是通过计算公式所计算数据而来，有的是通过实验数据而来。对实验数据，由于实际情况的复杂性，很难用公式精确描述，一般采用某种近似曲线公式来加以描述，这种曲线公式就称为经验公式，建立经验公式的过程称为曲线拟合。

拟合与插值的区别是，插值是必须过插值节点，而拟合是不一定需要过节点的。

1、拟合原理

曲线拟合的方法很多，常用的是最小二乘法。

1）线性方程拟合 有n组实验数据（xi，yi），设线性方程的形式： y=a+bx

最小二乘法：为了达到最好的拟合，应使各节点的偏差平方最小，即使。

S(a，b)=(yi1niabxi)2最小。S(a，b)有两个参数 a与b。采用偏导求出最大值。

2）对数方程拟合 有n组实验数据（xi，yi），设对数方程的形式： y=a+blnx

设X=lnx，则对数方程的形式为y=a+bX。

注意：在利用3.9和3.10式求a，b时，应将lnxi代入。

3）指数方程拟合 有n组实验数据（xi，yi），设指数方程的形式： y=axb

对两边取对数。得lny=lna+blnx。设Y=lny，X=lnx，A=lna，则有 Y=A+bX

与线性方程拟合一样求解。

4）对数指数方程拟合（略）

13 5）二次方程及多次方程拟合（略）

3.2CAD/CAM中的数据结构

在CAD/CAM中存在大量的数据，如性能参数，工艺数据、管理数据等。这些数据不是孤立的，他们之间存在作关系。怎样将这些数据进行有效的管理与存储，表达和定义好他们的结构是基础。这就是数据结构问题。

3.2.1基本概念与术语

数据：是现实世界客观存在的实体或事物的属性值，即人们感知到的景象。数据可以是数值、字符、文字，也可以是声音、图形图象等。

信息：是含有一定意义的数据称为信息

信息与数据的关系是：

1） 信息是有一定含义的数据

2） 信息是经过加工处理后的数据

3） 信息是对决策有价值的数据

现实世界（数据）、信息与计算机之间的关系如图3.8 P56

实体：客观存在并可相互区别的事物。

属性：实体特性

属性值：每一个实体属性所能测量或记录的值。

数据（属性）域：属性取值范围

数据按组成的内容可分成若干层次

1）字符 是组成数据的最小单位。包括数字、字母、特殊符号等

2）数据项 是数据中最基本的、不可分的、并有命名的数据单位，由字符组成，代表数据

处理

信息

存储

某一数据量。如轴承性能表 3.9 P57 中的轴承代号、尺寸、载荷等。

3）组合项 由一个或多个数据项组成。如尺寸由四个数据项组成。

4）记录：相关数据项或组合项构成的集合称为一条记录，他描述了一个实体。如代号为6202轴承对应一行中的各数据项共同描述的某一型号的轴承。记录又称为数据元素。

5）文件 相同性质的记录的集合就是文件。表 3.9 中记录全体构成了一个文件

6）数据库 非单纯性（即有一定的特点与要求）、具有结构文件的集合。

3.2.2 数据结构

14 数据元素（记录）不是孤立的，而是相互有关联的。多个数据元素之间的关系构成一个数据结构，而数据结构又可能是另一个数据结构中的数据元素。即数据结构是可嵌套的。

如图3.9中的车床结构图。

数据结构有逻辑结构和物理结构之分。

1、逻辑结构

逻辑结构描述的是数据之间的逻辑关系，它是从客观的角度去组织和表达数据。

根据关系特点，逻辑结构分为线性结构和非线性结构。

1）线性结构

数据之间的关系只有顺序排列的位置关系，这种顺序位置关系是线性的。因此这种数据结构称为线性结构，也称为线性表结构。数组就是一种线性结构。

在线性结构中，每一数据元素（节点或数据域）只有一个前趋节点和一个后趋节点。

2）非线性结构

当数据结构中的某数据元素有两个或两个以上的前趋或后趋节点，则这种数据结构中的数据元素之间的关系是非线性的，因此此种数据结构称为非线性数据结构。

如图3-9 车床零部件关系（树状结构）和图3-10 工艺路线方案（网状结构） P58

图3-11表示的是一个几何图形及其数据结构，在这个数据结构中，树状结构与网状结构共存。

树状结构：当数据结构中的数据元素有多个前趋，只有一个后趋。

网状结构：当数据结构中的数据元素有多个前趋和多个后趋。

2、物理结构

数据的物理结构是指数据在计算机内部的存储方式，是从物理存储的角度描述数据之间的关系。常用的物理结构有顺序存储结构与链接存储结构两种。

1）顺序存储结构：用一组连续的存储单元依次存放各数据元素。

特点：存储顺序与逻辑顺序一致，只需要存放第一个数据元素的地址，其他元素的地址是第一个元素地址加上一个相对地址，因此占用存储单元少，简单，结构紧凑。但缺乏柔性，当要进行增删操作时，必须重新分配存储单元。费时。如数组。

2）链接存储结构

在数据元素中，除存放数据外，还存放其他数据的存放地址。这样，在得到第一个元素得地址后，就可以根据第一个数据元素中地址检索出其下一个数据元素的存放地，以此类推。

15 这种物理存储方式称为链接存储结构。

在链接存储结构中，每一个数据元素有数据和地址（或指针）两种域组成。

根据指针域的个数，链接存储结构可大致分为三类。

（1）单向链结构 在每一个数据元素中，只有一个指向下（或上）一个数据元素指针域。如图3-14a

如果指针所指的方向与逻辑顺序相同，则称正向链；如图3-14a

如果指针所指的方向与逻辑顺序相反，则称为反向链；如图3-14b

如果在最后一个数据元素中，有指向第一个数据元素的指针，则此链接结构构成了一个环链；如图3-14c

（2）双向链结构 在每一个数据元素中，有两个指针，一个指向下一个数据元素，而另一个指向上一个数据元素。双向链也可以构成环链。如图3-14d和如图3-14e

环链的最大特点是任何一个数据元素都可以是数据存取的入口点，存取效率高。

（3）多向链结构 在数据结构中，某些数据元素有两个以上的指向其他数据元素的指针域。多向链结构一般用于矩 、树状等数据结构存储。如图3-14f

3.2.3 常用的数据结构

1、线性表

线性表是一个由n（n>=0）个数据元素（a1，a2，……，an）组成的有限序列，表中的每一个数据元素，除第一个和最后一个外，仅有一个直接前驱和一个直接后继。当n=0时，称为空表。线性表的逻辑表示可为：（a1，a2，……，an），如轴径序列值（3，6，10，14，18，24，30，40，50，65，….）

线性表的物理存储结构既可以采用顺序存储，也可以采用链接存储结构。

2、栈与队列

1）栈 当对线性表的删除与插入操作只能在表的一端进行时，线性表就变成了栈。

在栈中，允许插入与删除的端称为栈顶，而另一端称为栈底。栈的操作是按后进先出的原则进行的，因此栈也称为后进先出表（LIFO）。实际生活中，栈的例子很多。如穿衣服，火车换道。栈的示意图如图3-16。

举例 2 5 3 4 按顺序入栈，出栈有几种顺序？

栈的物理存储结构可以是顺序，也可以是链接。在顺序栈中，要有一个栈顶指示器和一个栈顶界限（限制栈的空间）。

16 2）队列 当对线性表的删除与插入操作限制只在一端插入，在另一端删除时，线性表就变成了队。允许插入的一端称为队尾，而允许删除的一端称为队头。栈的操作是按先进先出的原则进行的，因此队也称为先进先出表（LIFO）。实际生活中，队的例子很多。如排队买东西，如图3-18。

队的物理存储结构可以是顺序，也可以是链接。在顺序队中，要分别设置队头指针和队尾指针以及一个队尾界限（限制队的空间）。

队“溢出”与“假溢出”，参见P 62.

采用循环队解决“假溢出”问题。

3、数组

数组是一种按顺序排列与存储、并且每个数据元素具有相同的数据类型的特殊线性表。

4、串

是一种特殊的数组，其数据元素中数据为字符类型。

5、树与二叉树

1）树

栈、队、数组与串都是线性结构，不能解决实际中非线性问题，如行政单位结构，产品结构等问题。这就需要各种非线性结构。

树是一种常用的非线性结构，其定义为当数据元素集合中的每一个数据元素都一个或多个后继，而只有一个前驱，并且处于最高层的那个数据元素没有前驱。这样的数据结构称为树。没有前驱的最高层的那个数据元素（节点）称为树根；树的最大层次称为树的深度；节点的后继（子树）个数称为度；度数（或后继）为零的节点称为树叶。

用例子图3-21说明这些概念。P63

树的物理结构可以是顺序、也可以是链接。

2）二叉树

当树具有以下特点时，就称其为而叉树。

（1） 可以没有任何数据节点，即为空。树必须具有至少一个根节点。

（2） 每一个节点的度不能超过2。树则无限制；

（3） 二叉树的子树有左右之分，不能颠倒。树的子树无左右之分，可以交换位置。

二叉树的物理存储结构常采用链接结构，其每个节点有一个左指针域和一个右指针域。这种结构与二叉树的逻辑结构一致。

17 3）二叉树的遍历

按一定规律，不重复地访问树中的每一个节点，这种操作称为遍历。对于二叉树，有三中遍历方式，即前序、中序和后序。

具体算法见P64。举例说明三种遍历方法的算法。参见图3-24 P65

6、图与网

在一个数据结构中，每一个节点（数据元素）可以有多个直接的前驱和后继时，这种数据结构称为图。

图由顶点与边组成，见图3-25 P65

设V是顶点集合，E是边的集合，则图G可用下式表示：

G=(V,E)

若顶点之间是有序的，则边是有方向的，如图3-25 G3 P65，这种图称为有向图。否则称为无向图。

树与图的关系：树是一种特殊的图。图3-25中的图G2，即是图，也是树。 P65

通常用n阶邻接方阵来表示n个顶点的图的逻辑结构。邻接矩阵中每个元素定义如下：

参见图3-26说明图及其邻接矩阵。

当图的边有权重时，图的邻接变为

0 若Vi与Vj不相连

V(i,j)=

Wij 若Vi与Vj相连

0 若Vi与Vj不相连

V(i,j)=

1 若Vi与Vj相连

此时图称为网。参见图3-27说明网及其邻接矩阵。

3.3数据文件

文件是数据管理的一种形式，它能独立于应用程序单独存储。文件用于数据的管理、交换等。

文件是记录的集合，文件记录中唯一能够记录的数据项的称为关键字。如表3-10 齿轮18 参数表（P67）中的零件编号就是齿轮参数文件的关键字。

1、常用的文件组织方法

1）顺序文件 物理存储顺序与其逻辑顺序一致。其存储是连续的，结构紧凑简单，但增删、查询算法较为复杂，时间度与空间度较大。有一些存储设备只能存储顺序文件，如磁带。

2）索引文件 带有一个包括关键字与记录存放地址索引表的文件称为索引文件。

索引文件查询方法是：先按关键字到索引文件中查到该关键字所对应的记录存放地址，在根据地址到数据文件中去查找记录。

索引文件的索引表必须按关键字按顺序排序。而文件本身可以排序或不排序。若文件本身排序称为索引顺序文件，否则称为索引非顺序文件。

3）直接存取文件 又称为随机文件。采用一种算法将记录的关键字转换为一个随机数，根据这个随机数确定记录在存储器中存放的位置。

2、文件的操作

文件的操作主要是查询与排序。

1）查询 即查找关键字为某值的记录

常用的查找方法有顺序、折半和分块等三种查找方法。

（1）顺序查找法 从第一条记录开始，逐条查找，若查找到欲查数值则查找结束。此方法最为简单，但效率低。

（2）折半查找法 也叫二分查找法

原理是：先将文件记录按关键字大小顺序排序，再将位置为中间的记录的关键字值Km与欲查值K进行比较，比较结果有三种，Km＞K、Km＜K Km＝K。若Km＜K，则欲查记录在文件前半区；若Km＜K，则欲查记录在文件后半区；若Km=K，则查到欲查记录，查找结束。如果为前两种情况，则在前半区或后半区继续进行。

（3）分块查找 原理与折半法类似，不同是将按关键字排好序的文件分成大于2的若干块；再将欲查关键字依次与各块的最大关键字值进行比较，确定查找范围；然后在确定的那一块进行顺序查找。

举例 设有一零件记录，其关键字分别为4、7、16、31、39、41、47、55、61、77、80、83，以升序排序，要查找关键字为80的记录。

查找步骤：

19 1、将记录分成三块（4、7、16、31）、（39、41、47、55）、）61、77、80、83）

2、将欲查值80与各块的最大值（31、55、83）进行比较，确定欲查记录在第三块

3、在第三块中进行顺序查找

2）、排序

对文件中记录的关键字按递增或递减的顺序进行重新排列称为排序。

排序的方法有很多，常用的有

（1）选择排序

在记录文件中找出关键字最小的记录，将其与第一条记录进行位置交换，然后从第二条记录开始到最后一条记录重复上述操作。

举例 P69

(2) 冒泡法

顺序比较相邻记录的关键字，若后者比前者小，则交换位置，否则位置不变。经过不断的比较与位置交换，小值往前移，大值往后移，如水中的气泡。

举例 P 69

（3）插入法

首先假定第一条记录的位置是合适的，然后取出第二条记录与第一条记录进行关键字比较，若小于，则将第二条记录插入到第一条记录的前面，再取第三条记录与前面各条记录进行关键字比较；依次操作。 举例 P70

3.3.2 数据库系统

要解决CAD/CAM系统中的数据信息交换问题，首先是解决数据信息集成与共享问题。数据库技术是进行数据集成与共享的最佳技术。

1、数据库特点

数据管理技术经历了三个阶段，即人工管理、文件管理与数据库管理。

人工管理：程序中所用到的数据及其相关操作（如存储、查询等）都必须由程序员自己编程完成。数据与程序依赖度高，程序中存在大量的重复数据（冗余），数据不能共享。数据与程序一一对应。如图 3-30 P70

文件管理：数据按统一格式，以文件形式长期保存在计算机外存储器中，数据与程序之间相对独立。但数据文件之间彼此孤立，文件内部又无结构信息，因此数据的冗余度较大，共享范围有限，且文件管理系统缺乏对数据进行集中管理与控制，数据的操作仍然离不开程

20 序员，数据与程序不能完全独立。 数据文件与程序之间的关系见图3-31 P71

数据管理：其特点如下：

1）数据模型复杂 在描述数据的同时，也描述数据之间的关系，即数据结构化强。

2）数据的共享性好、冗余度低

3）数据具有独立性 数据可独立于程序存在，应用程序不必随着数据结构的变化而修改。数据库系统本身具有很强数据操作功能，不需要程序进行数据操作。数据文件与程序之间的关系见图3-32 P71

4)数据具有安全性、完整性。数据库系统提供了对数据控制的功能，数据能够得到保护；数据的正确性、有效性、相容性，即完整性能得到保证。

任何一个数据库管理系统DBMS（Data Base Management System）,都会提供上述特点和功能。DBMS是数据库系统的核心。

尽管数据库管理有许多优点，但必须根据具体情况选用数据的管理方法。

2、数据库管理系统

1）数据库系统的构成

数据库系统由相应的硬件、软件和专职管理人员及数据构成。

（1） 硬件

（2） 软件 数据库软件系统层次见图3-33 P72

（3） 数据库管理人员 （Data Base Administrator）DBA。决定数据库的信息内容与存储结构，定义和存储数据库数据；监督与控制对数据库的使用与运行，保证数据的完整性；定义用户权限；维护和改进数据库。

（4） 数据库 由DBMS建立、运行、管理及维护的通用化的、综合性的数据集合。

2）数据库管理系统的功能

（1）数据库定义功能 实现对数据的全局逻辑结构、局部逻辑结构、物理存储结构及权限等定义。

（2）数据库管理功能 提供对数据各种应用操作，如增删、排序、查找、统计、输入输出、修改等。

（3）数据库的建立与维护功能 建立、更新、再组织、恢复等功能。

（4）通信功能 与操作系统通信、与应用程序的通信

（5） 其他功能 文件管理、应用开发、存储管理、设备管理等

21 3）数据库管理系统的组成

（1）、数据描述语言（Data Description language ,DDL）及其翻译程序，用于描述数据及其之间的关系，实现对数据库的定义。

（2）数据库操纵语言（Data Manipulation language ,DML）及其编译程序，用于存储、检索、编辑数据库数据。

（3）数据库管理例行程序（Data Base Management Routiness ,DBMR），一般包括系统运行控制程序、语言翻译程序和DBMS的公用程序

4）数据库管理系统的抽象层次

用户所看到的数据与计算机中存储的数据之间有一种映射关系，这种映射关系通过数据库的三个模型层实现的。

（1）外模型 用户使用的数据视图，是局部的逻辑视图。表示用户理解的实体、实体属性、实体之间的关系。外模型有多个，处理系统的外层。

（2）概念模型 数据库的全局逻辑视图。表示整个系统的实体、实体属性、实体之间的关系。概念模型只有一个，属于系统的概念层。

（3）内模型 数据库的物理存储模型。只有一个，最底层。

在DBMS中用DDL精确描述上述三种模型，就得到相应的模式。即外模式（子模式）、概念模式（模式）、内模式（物理模式）。

以内模式（物理模式）为框架的数据库为物理数据库。

以概念模式（模式）为框架的数据库为概念数据库。概念数据库是由数据库设计者在物理数据库之上构造出来的。

以外模式（子模式）为框架的数据库为用户数据库。

从内模式到外模式需要经过物理模式→模式→子模式的两级转换。参见图3-34和3-35 P74

3、数据库的数据模型

表示实体与实体之间的关系的模型称为实体模型。常见的数据模型有层次模型、网状模型和关系模型。

1）层次模型 用树结构表示实体及实体之间的关系的模型。

层次模型必须满足两个条件，即只有一个根节点，根节点以外的其他节点有且仅有一个前驱。 如图 3-36 P75

2) 网状模型 取消层次模型的两个要求，就可得到网状模型 如图 3-37 P75

22 3）关系模型 用二维表结构表示实体及实体之间的关系的模型。一张二维表就是一个关系。参见表3-11 P76

关系二维表必须满足下列条件：

（1） 表中的每一列必须是基本数据项，不能是组合项

（2） 每一列必须具有相同的数据类型

（3） 每一列必须有一个唯一的属性名

（4） 不能有两条相同数据的行

（5） 列与行的顺序不受限制

基于关系模型建立的数据系统称为关系型数据库系统。

4、工程数据库

目前，商用数据库（即关系型数据库）发展已较为成熟，但仍然不能满足对工程数据的管理。这是因为，工程数据具有如下特点：

1）数据形态多样性 静态数据、动态过程数据、定期改变的结果数据。

2）数据类型的多

3）数据关系复杂 有网状数据、多层、多嵌套，还有不定结构的数据

4）数据修改频繁 数据需要进行不断的交流、反馈、反复修改等。

工程数据库应具备的功能特点：

1） 能够描述复杂的数据模型

2） 支持模式动态定义与修改

3） 支持工程长事务的处理

4） 具备版本管理、图形标准转换等

工程数据库开发方法

1） 以商用数据库为基础，扩充其功能

2） 分析、拆解商用数据库系统的代码，按工程数据库管理系统的要求，重新组织其结构、模式等

3） 根据EDBMS的要求，重新开发

新一代数据库技术

1） 分布式数据库 物理分布、逻辑整体、分布独立和场地自治性。

2） 主动数据库 将数据库技术与人工智能技术相结合

23 3） 多媒体数据库

4） 面向对象数据库

3.4软件开发标准规范与文档管理

3.4.1软件生存周期

1、可行性研究与计划 2、需求分析 3、设计 4、实现 5、测试 6、运行与维护

四、图形处理技术基础

重点：二维与三维的基本图形变换，复合变换和投影变换。图形消影与裁剪算法。

物体的几何信息是CAD/CAM系统中重要信息，图形处理技术又是对几何信息处理的重要技术。图形处理技术主要包括图形变换、消隐、光照和裁剪等。

4.1 图形的几何变换

4.1.1 基本原理

图形变换实际上是对图形上各点的坐标进行变换。点的坐标变换可通过以下矩阵相乘实现。

（x* y* 1）=（x y 1）*T

（x* y* 1）变换前的点坐标，（x y 1）变换后点的坐标

T变换矩阵

对于一个由点组成图形，变换由下列式子实现 V*=V*T

V 变换前的图形顶点坐标 V* 变换后的图形顶点坐标 T变换矩阵

对于二维图形，变换矩阵T为3*3齐次矩阵；对于三维图形，变换矩阵T为4*4齐次矩阵

4.1.2 二维图形基本变换

二维图形基本变换包括：比例变换（放大与缩小）、对称变换、旋转、平移、错切和透视等。

二维图形基本变换矩阵为：

变换矩阵中各元素取值的不同，实现不同的变换。Abcd实现比例变换（放大与缩小）、对称变换、旋转、错切等，pq实现透视，lm实现平移，s实现全图的等比例变换。

二维图形基本变换及其变换矩阵。

T=

a b p

c d q

l m s

T=

a 0 0

0 d 0

0 0 1

24

等比例T=

1 0 0

0 1 0

0 0 s 比例

平移T=

1 0 0

0 1 0

l m 1

cosθ sinθ 0

-sinθ cosθ 0

0 0 1

旋转T=

X方向错切T=

1 0 0

c 1 0

0 0 1

y方向错切T=

1 b 0

0 1 0

0 0 1

X轴对称T=

+45轴对称T=

1 0 0

0 -1 0

0 0 1

y轴对称T=

-1 0 0

0 1 0

0 0 1

0 1 0

1 0 0

0 0 1

-45轴对称T=

0 -1 0

-1 0 0

0 0 1

+45轴对称T=

-1 0 0

0 -1 0

0 0 1

4.1.3 二维图形的组合变换

上述的基本变换是针对坐标原点或坐标轴的，但实际工程中的变换常常是针对任意点和轴的，因此仅仅靠基本变换是不能达到目标的，必须采用多个基本变换才能实现，即组合变换。

组合变换是通过组合变换矩阵实现的，组合矩阵是将一个复杂变换分解为几个基本变换，给出各基本变换矩阵，并将按分解顺序相乘所得。

例题

如图4.2 P86 将三角形abc绕点A(5、3)逆时针旋转90度。

25 变换分解及顺序：

1） 将三角形及旋转点A进行平移，使点A与坐标原点重合。

2） 将三角形绕坐标原点逆时针旋转90

3） 将旋转后得三角形及旋转点A平移至点(5、3)，使点A回到原位置。

4） 将三个基本坐标变换矩阵按上述顺序相乘，相乘后得矩阵即为组合矩阵。

5） 将三角形的三坐标点分别与组合矩阵相乘，便得到变换后的三角形。

注意：分解顺序与矩阵相乘顺序必须一致。因为矩阵相乘不具有交换律。

4.1.4 三维图形基本变换

Abcdefghi实现比例变换（放大与缩小）、对称变换、旋转、错切和正投影等，pqr实现透视，lmn实现平移，s实现全图的等比例变换。

比例T=

y轴旋转T=

26

T=

a b c p

d e f q

g h i r

l m n s

a 0 0 0

0 e 0 0

0 0 i 0

0 0 0 1

等比例T=

1 0 0 0

0 1 0 0

0 0 1 0

0 0 0 1

平移T=

1 0 0 0

0 1 0 0

0 0 1 0

l m n 1

X轴旋转T=

1 0 0 0

0 cosθ sinθ 0

0 -sinθ cosθ 0

0 0 0 1

cosθ 0 sinθ 0

0 1 0 0

-sinθ 0 cosθ 0

0 0 0 1

z轴旋转T=

cosθ sinθ 0 0

-sinθ cosθ 0 0

0 0 1 0

0 0 0 1

Xoy对称T=

错切变换

投影变换

主视图Tw=

27

1 0 0 0

0 1 0 0

0 0 -1 0

0 0 0 1

zoy对称T=

-1 0 0 0

0 1 0 0

0 0 1 0

0 0 0 1

Xoz对称T=

1 0 0 0

0 -1 0 0

0 0 1 0

0 0 0 1

o对称T=

-1 0 0 0

0 -1 0 0

0 0 -1 0

0 0 0 1

沿X错切 T=

1 0 0 0

d 1 0 0

g 0 1 0

0 0 0 1

沿y错切 T=

1 b 0 0

0 1 0 0

0 h 1 0

0 0 0 1

沿z错切 T=

1 0 c 0

0 1 f 0

0 0 1 0

0 0 0 1

主视图Tv=

1 0 0 0

0 0 0 0

0 0 1 0

0 0 0 1

主视图Th=

1 0 0 0

0 1 0 0

0 0 0 0

0 0 0 1

0 0 0 0

0 1 0 0

0 0 1 0

0 0 0 1 4.1.5 三维图形组合变换

与二维图形的组合变换相似

4.1.6 工程图的生成

1、主视图的生成（见P92）

只需要对图形进行主视图变换即可

2、俯视图（见P92）

先对图形进行俯视图变换，再进行绕x轴作90顺时针旋转，并沿y轴负方向作d距离平移。

3、左视图（见P93）

先对图形进行左视图变换，再进行绕y轴作90逆时针旋转，并沿y轴负方向作d距离平移。

4.2 图形的消隐技术

4.2.1

消隐的概念与作用

作用：为了提高图形的真实感、消除二义性。例子 图4.6 p93和图4.7 P94

消隐概念：找出、确定并消除隐藏线和隐藏面的技术。

主要目的：提高物体投影图的真实感，使其只有唯一的一种解释。

4.2.2 消隐算法中的基本测试方法

针对不同的对象及其显示要求，消隐算法也不同。大部分消隐算法都是以基本的测试方法为基础的。一种消隐算法可能包括一个或多个基本测试方法。

1、重叠测试

重叠测试法：将两个物体投影多边形（一个物体投影多边形可能有多个）进行判别，看看多边形是否有重叠部分，如果没有重叠，则物体互不遮挡。

为提高计算机处理效率，重叠测试一般分两步完成。第一步进行粗筛选，将不可能重叠多边形筛选掉。第二步是对有重叠多边形进行进一步测试，直到求出重叠交点。

在进行重叠测试时要使用多边形的外接矩形。外接矩形由多边形的最大坐标值点（xmax，Ymax）与最小坐标值点（xmin，Ymin）构成。如图4.8a P95。

如果两个物体的外接矩形不重叠，即下列不等式成立，则物体不重叠，即不存在消隐。

XAmax≦XBmin ；yAmax≦yBmin 或

XAmin≧XBmax；yAmin≦yBmax

如果多边形外接矩形重叠，则测试重叠多边形的各边外接矩形。如果边的外接矩形重叠，计算重叠边的交点。注意：两外接矩形重叠的边并不一定有交点。

28 例题：图4.8 P95

2、包含性测试

包含性测试是测试点是否在多边形中，即点与多边形的包含关系。

包含性测试方法有两种，即射线交点数与夹角求和法两种。

射线交点数法：从测试点开始，向多边形外引一条射线，如果射线与多边形的交点为奇数，则测试点在多边形内部，如果为偶数，则测试点在多边形外部。

如图4.9 P95 中的A、B点。

奇异情况：1）射线通过多边形的顶点；2）射线与多边形的一条边重合。

可采用以下方法处理：

1） 记交点：如果射线通过多边形的顶点，且形成顶点的两边在射线两侧，则记相交一次, 如图4.9 P95 中的D点；如果形成顶点的两边在射线的同一侧，则记相交两次或零次，如图4.9 P95 中的E点。或重新引射线。

2） 射线与多边形的一条边重合，则重新引射线。如图4.9 P95 中的C点。

夹角求和法：将多边形定义成有向多边形后，由被测试点与多边形的每条边的两端点构成三角形，求被测试点与多边形各边对应的中心角，记αi，如果中心角对应的边（此边一定是多边形边）相对测试点为逆时针方向，则中心角αi记为正，否则为负，求各中心角的和Σαi

如果Σαi=±2π，则被测试点在多边形内部，（如图4.9b P95 中的A点）;

如果Σαi=0，则被测试点在多边形外部，（如图4.9b P95 中的B点）

3、深度测试

深度测试是测试一个物体遮挡另一个物体的基本方法。

常见的深度测试法由优先级测试和物体空间测试。

根据重叠测试法求出投影多边形的重叠部分的交点，将交点的投影面的两坐标代入被测物体的方程中，求出投影方向坐标值，比较两被测物体的投影方向坐标值，大值物体可见。

如图4.10 深度测试 P96

4、可见性测试

可见性测试主要用来判别物体自身有没有自身某一部分被自身其他另一部分遮挡而不可见。

物体某点的可见性可通过物体表面测试点的法矢N与视线矢量S的点积进行判断。

N·S=∣N∣·∣S∣cosθ

如果点积为正，即θ为锐角，则测试点可见。

29 如果点积为负，即θ为钝角，则测试点不可见。

4.2.3常用消隐算法

通过上述测试方法可以判断那些物体或物体部分被遮挡，那些物体或物体部分没有被遮挡。没有被遮挡的物体应该在显示器中显示出来，而被遮挡的部分应消隐。

消隐算法很多，不同的消隐算法适应不同的领域。到现在为止，没有那一种算法适应各种领域。常用的算法有Warnock细分算法和Catmull曲面分割法等。

1、Warnock细分算法

Warnock细分算法适用于平面多面体图形消隐显示算法。应用Warnock细分算法有两个前提：1）所显示的多面体已消除自隐藏面；2）多面体的顶点和边的坐标以及各顶点的深度已知。

Warnock细分算法是一种对显示窗口进行递归细分的方法。

多边形与窗口的关系有四种：

1） 多边形环绕窗口 如图4.13a

2）多边形与窗口相交 如图4.13b

3) 窗口环绕多边形 如图4.13c

4) 窗口与多边形分离 如图4.13d

根据多边形与窗口的关系，对显示作如下操作：

1）窗口与多边形分离：在窗口中填充背景色；

2）只有一个多边形与窗口相交或多边形被窗口环绕：在窗口中填充背景色，再对窗口内的多边形部分采用扫描线算法进行颜色填充。

3)窗口中存在一个或多个多边形，但其中离观察者最近的一个多边形包围了窗口，此时将整个窗口填上那个包围窗口的多边形颜色。

4）其它情况，对窗口进行四等份划分，在四个小窗口中对多边形进行测试，如果测试的情况与上述三种情况相同，则不再划分，采用上述算法进行颜色填充。如果窗口的边长与像素的宽度相等，也不再划分，窗口的颜色取离观察者最近的颜色。

2、Catmull曲面分割算法

Warnock算法是针对多面体的（2次），Catmull算法是针对曲面的（参数面）。

Catmull算法具体是将曲面进行递归分割，直到分割所到的曲面在屏幕的投影最多覆盖一个像素点，然后将像素点填上离观察者最近的曲面片的颜色。

3、Z缓冲器扫描线算法

30 扫描平面：

一行像素为一个扫描窗口。

4.3图形的光照处理技术

4.3.1光照处理的基本原理

光的亮度由光的强度决定，颜色由光的波长决定。

光照射到物体会产生有三种光效果。及漫反射、镜面反射和环境光，这三种光的强度可采用下列式子进行计算：

1、漫反射 见图4.22 P106

I=kdIlcosθ 考虑光源与物体之间的距离

I=kdIlcos

rkθ是指向点光源方向的矢量L与物体表面法矢量的夹角。

Kd是漫反射系数

r：光源与物体之间的距离

k为系数

2、镜面反射

ksIlcosnIln(,)cos I=I=

rkrkn:

3、环境光

I=kaIa

4、综合光强

I=kaIa+Il(kdcoskscosn)

rk对于多点光源，可采用线性叠加

I=kaIa+rk(kj0mIlncoskcos)

ds4.3.2光照处理的基本算法

1、恒定亮度法

31 2、gouraud插值法

4.4 图形裁剪技术

裁剪技术：使图形能恰当地在图形设备上输出

4.4.1 窗口与视区

1、世界坐标系与窗口

笛卡尔右手坐标系，用户坐标系或世界坐标系，坐标为实数且无限。设计坐标系。

在用户坐标系取一个矩形区域，称为窗口。

2、设备坐标系与视区

图形输入输出设备的坐标系称为设备坐标系，设备坐标系中的一个矩形区域称为视口或视区。

3、规格化设备坐标系

设备坐标系规格化到一个与设备无关的0-1范围内所得到的坐标系。

4、窗口与视区的坐标转换

设窗口在用户坐标系的四边的坐标为xwl，xwr，ywt，ywb；设视口在设备坐标系中的四边坐标为xvl，xvr，yvt，yvb。将两个坐标系放到一起，并使原点重合，x与y坐标轴方向一致。则窗口到视区的变换由三个基本变换组成。见P110推演过程。

得

xv=xvrxvlyyvl(xw-xwl)+xvl yv=vr(yw-ywl)+yvl

xwrxwlywrywl4.4.2 二维图形裁剪

裁剪就是将窗口中图形显示，窗口之外的图形舍弃。

设窗口顶点坐标为（xwl，ywb，xwr，ywt），点P的坐标为（x,y），如果有

xwl≦x≦xwr

ywb≦x≦ywt

成立，则点在窗口中可见，否则不可见。

可将一个复杂的图形离散成点，再逐点判断每一个点的可见，将不可见点裁剪掉。这种方法逐点比较法。方法简单，适用范围广，但速度慢，而且点的拓扑关系没有保留，给图形输出带来麻烦。

常用的裁剪算法有编码裁剪法，矢量法线段裁剪、中点分割法等。

32 1、编码裁剪法

延长窗口的四条边，将窗口平面分成9个区域。每个区域用四位编码编号。编码规则见P112的表4.3。对于线段：

1）若线段的两顶点所在的区域编码都为0000，则此线段可见。

2）若线段的两顶点所在的区域编码不全为0000，则求其编码的逻辑积（位逻辑与），如果结果非0，则线段不可见。否则，求线段与窗口的交点，如果没有交点，则线段为不可见；有交点，线段为部分可见，在交点处对线段进行分割。

2、中点分割法

通过采用编码法可以将完全可见与完全不可见的判断出来，剩下的是部分可见，即与窗口边界相交。需要求交点，交点可采用中点分割法进行。参见P113。

3、逐边裁剪法

对多边形的裁剪，只要将多边形离散成多条线段，也可采用上述裁剪算法。但这样会使多边形的边之间拓扑关系消失，使多边形的属性重建遇上麻烦。如图4.32 P114.

为了解决这一问题，1974年提出了逐边裁剪法，具体算法：每次用窗口的一边界对被裁剪的多边形进行裁剪，将窗口内部部分保留下来，窗口外部部分裁剪掉，得到一个新的多边形。注意：在多边形内部的窗口边界是新多边形的边。具体裁剪过程参见图4.33。P115

五 建模技术

重点：产品建模的基本概念，各种建模方法的基本特点，几何模型的基本数据结构，表面建模中曲面模型的参数曲面曲线数学方法，Bezier曲线曲面和B_Spline曲线曲面的性质。三维实体建模的基本概念及其数据结构。特征建模的重要性及其特点。

5.1基本概念

5.1.1基本概念

建模技术是将现实世界中的物体及其属性转化成计算机能够表达的原理与方法。即将物体及其属性进行数字化。

建模技术的任务是将现实世界中的物体及其属性转换成为计算机能够处理、存储和管理的数字化的信息。

33 物体的模型一般由数据、数据结构、算法三部分组成，所以CAD/CAM建模技术研究的是产品数据模型在计算机内部的建立方法、过程及采用的数据结构和算法。

建模的过程如图5.1 P118

5.1.2几何建模与特征建模

在CAD/CAM中，产品的信息主要包括几何信息、工艺信息、工程分析信息及管理信息等，相对这些信息，其建模技术主要有几何建模与特征建模。

产品的数据模型包括二维模型、三维线框模型、三维表面模型、三维实体模型、特征模型、集成化模型以及最新的生物模型。

1、几何建模

几何建模是将产品的几何信息作为产品表达形式。几何信息是产品的最为重要、也是最方便用计算机处理和表达信息。特征信息的种类多，且表达困难，因此几何建模是CAD/CAM系统的主要建模方式，因此目前市场流行的CAD/CAM系统大多数是采用几何建模或主要是几何建模。

几何建模主要是表达和处理物体的几何信息和拓扑信息

几何信息是指物体在欧氏空间中的形状、位置和大小，最基本的几何元素是点、线、面。

拓扑信息是指拓扑元素（顶点、边棱线和表面）的数量及其相互连接的关系。

仅有几何信息是不能唯一表达物体的，即产生二义性。只有将几何信息与拓扑信息结合起来才能保证对物体描述的完整性与严密性。

在计算机中，常采用链表作为存储物体的几何信息与拓扑信息的结构。即顶点表、边棱线表、面表和体表。

顶点表记录顶点的序号及坐标值以及前后顶点的指针。反映了物体的大小与空间位置。

边棱线表反映了结构体的顶点与边、边与面的邻接关系。

面表反映了物体的面与边、面与顶点的邻接关系。

体表反映了体与面、面与面、面与边等邻接关系。

2、特征建模

由于集成的要求，需要将产品的需求分析、设计开发、制造数据、质量及售后服务等产品整个生命周期内各环节的信息及功能进行集成。几何建模显然不满足这一要求。将产品整个生命周期内各环节的信息都纳入到产品模型中的建模方式称为特征建模。除几何信息外，产品的特征信息很多，而且随着信息技术的发展与应用推广，特征信息也在不断发展，因此

34 完整的特征建模是非常难以实现的，况且，由许多特征信息很难进行数字化表达。

5.1.3 CAD/CAM建模的基本要求

1、 具备信息描述的完整性

2、 应贯穿产品的整个生命周期

3、 为信息的集成创造条件

5.2 线框建模

仅用有限的顶点和边棱线的集合来表达与建立物体的计算机内部模型，称为线框模型。

线框模型可分为二维线框模型和三维线框模型。

5.2.1 二维线框建模

二维线框模型是用二维的基本图形元素（如点、线、圆弧）为基础表达二维图形。是三维线框模型的基础。

二维线框模型的数据结构见图5.3 P120

有顶点表和边表。采用链接存储结构。

在二维几何建模中，平面轮廓处理有两种方式，即边式与面式。

边式只描述轮廓边，不定义相互联系的边的范围，因此不能实现自动绘制剖面线、拷贝和图形变换。

面式：将封闭的轮廓边包围的范围定义成一个平面加以整体考虑，从而不仅可以进行自动绘制剖面线、拷贝和图形变换，而且可随意进行图形拼合。参见图5.4 P121。

由于二维模型简单、数据量小、而且符合人们的传统绘图方式，因此在许多领域中还是非常有使用价值的。如计算机绘图和回转零件的数控加工。但由于二维系统中的各视图及剖面图是相互独立地存在计算机内部的，因此就不可能将描述同一个零件的不同信息构成一个整体模型。

5.2.2 三维线框模型

通过投影，从三维线框模型很容易得到二维线框模型图。因此发展三维线框模型比二维线框模型更有意义。

三维线框模型是用三维的基本图形元素（如点、线、圆弧、曲线）为基础表达和描述物体。

图5.7是一个四面体的三维线框建模的数据结构。P123，由顶点表和棱线表组成。

顶点表记录了几何信息，而棱线表则记录了顶点的拓扑关系。

线框模型是基本模型，几乎所有的CAD/CAM系统中以线框模型为基本模型。

35 线框模型的数据结构简单，容易实现，操作方便，算法快，消耗资源少。但存在以下几方面问题：

1、几何意义的二义性。见p124 图5.8

2、结构体的空间定义缺乏严密性

3、拓扑关系缺乏有效性（实际上是一个不存在物体）

4、没有面的信息，因此无法进行消隐、干涉检验、物性计算等。

5.3 表面建摸

5.3.1 表面建模的基本原理

在表面建摸中，物体是由表面、边线和顶点组成。用顶点、边线和表面的有限的几何集合来表示和建立物体的计算机内部模型。表面模型是在线框模型基础上，通过边的拓扑关系，定义面而得到的。如图5.9 P124。

表面模型能够实现消隐、着色、表面计算、曲面求交、加工轨迹计算、表面网格划分。非常适用于对壳面物体的造型。如汽车、飞机、轮船及模具等。但缺乏面与体的拓扑关系，无法区分面的体内侧与体外侧，仍然会产生二义性理解。

表面模型需要以线框模型为基础。

5.3.2 表面描述方法的种类

表面模型一般用于构造复杂壳面物体。其主要的难点是对曲面的描述或表达。

常用的曲面描述方法有：见P126

1、平面 用三点定义

2、直纹面 （Ruled surface）

3、回转面 （Surface of revolution）

4、柱面 （Tabulated cylinder）：将一平面曲线沿垂直于该平面的方向移动一个距离所产生的面。

5、Bezier曲面 ：通过拟合一组空间离散点而得到的曲面，不具备局部控制功能。

6、B样条曲面。也是通过拟合一组空间离散点而得到的曲面，但具备局部控制功能。

7、孔斯（Coons）曲面：由一组封闭的曲线构成的曲面。

8、圆角面（Fillet surface）：两曲面间的过渡曲面，一般用B样条曲面表示。

9、等距面（Offset surface）：沿一张曲面的法矢方向移动一个距离所得到的曲面。

5.3.3 自由曲面的建模方法

36 1、唯一性和几何不变性

对自由形状传统上采用模线样板法按模拟量进行信息传递，不能保证形状的唯一性。采用数学的方法可以解决唯一性问题。

在解析几何数学中，采用标量显函数y=y(x)、z=(x,y)与隐函数F(x,y)=0、F(x,y,x)=0表示曲线与曲面。但这种方法不具备几何不变性。

如：过三点（0，0）、（1，0.5）、（2，0）的二次函数为y=-0.5x2+x，图形如下：

（1，1/2）

（0，0）

（2，0）

832x211x，图形为

3当把这三点绕原点逆时针旋转450后，二次函数变为：y

(2,2)(2/4,32/4)（0，0）

结论：标量函数不具有几何不变性。

2、矢量参数方程

矢量：绝对矢量与相对矢量

37

（0，0） 工程上有许多复杂的形状难以用解析几何（二次方程）进行描述，解决的方法是给出一些离散点，然后由这些点构造光滑过渡的曲面或曲线来表示形状。这种光滑的曲面或曲线称为自由曲面或曲线。

1、参数化曲线

自由曲线或曲面一般采用参数形式来表示，因为参数化形式表示具有以下特点：

1)形状控制能力强 可通过改变数据点和控制点来调整形状。

2）与所取坐标系无关 曲线或曲面的形状由控制点或控制多边形决定，而坐标系的改变不会改变曲线或曲面的形状；对图形的变换不需要逐点进行，只要对控制点或控制多边形进行变换。

3）类似弧线坐标系，不需要通过求解非线性方程求取曲线或曲面上点的坐标，只需要按步长代入参数值即可。

4）采用参数化，对处理导数无穷问题提供了方便。同时，对于复杂形状，可采用低阶分段定义或拼接解决，不需要采用高阶（高阶会出现许多数学问题）。

参数化曲线或曲线很多，常用的有贝赛尔（Bezier）、B样条（B_Spline）和非均匀有理B样条(NURBS)

2、三次贝赛尔（Bezier）曲线

是一种通过控制点（或控制多边形）确定曲线的形状的方法。1971 法国Renault公司的Bezier提出的，并成功地应用于Unisurf系统中。其数学表达如下：

P(t)=

PJii0ni,n(t) Pi是控制点（或控制多边形顶点） i=(0,1,2,……,n)

iiniJi，n(t)=

cnt(1t)=n!ti(1t)ni 伯恩斯坦基函数

i!(ni)!t =0~1 参数

贝赛尔曲线的次数与控制点的个数有关，从伯恩斯坦基函数可以看出，次数为控制点数减1。

在工程中，一般三次就能够满足要求。因此，讨论三次贝赛尔曲线。

P(t)=

PJii03i,3(t)=P0J0,3(t)+P1J1,3(t)+P2J2,3(t)+P3J3,3(t)

38 1336J0,3(t)=（1-t）3 =（t3

t2

t 1）

J1,3(t)=3t(1-t)2 =（t3

t2

t 1）

33103130J2,3(t)=3t2(1-t)= （t3

t2

t 1）

J3,3(t)=t3=（t3

t2

t 1）

0000四个基函数构成了三次贝赛尔曲线一组空间基。任何一条三次贝赛尔曲线都是这四条基曲线的线性组合。

写成矩阵形式

p0133p1363P(t)=（J0,3(t)

J1,3(t)

J2,3(t)

J3,3(t)）=（t3

t2

t 1）p3302p1003贝赛尔曲线的特点：

1）改变控制点，可改变曲线的形状。

1p00p1

0p20p32）贝赛尔曲线的起点和终点与控制多边形的起点和终点重合，且起点和终点处的切矢与控制多边形的起边和终边相同方向。

3）当控制多边形封闭时，贝赛尔曲线也封闭

4）凸包性

5）保凸性：控制多边形为凸多边形时，贝赛尔曲线也为凸曲线。

6）变差缩减性：任意一条直线与贝赛尔曲线相交点数和与控制多边形相交点数相同。

7）贝赛尔曲线的次数为控制点数减一。

8）贝赛尔曲线不具备局部控制能力。

当控制点数大于4时，可采用通过插入控制点，用分段的三次贝赛尔曲线解决高次问题

实际工程中，已知点是型值点，必须通过型值点去反算控制点。

39 3、三次B样条曲线

1972年，德布尔（De Boor）提出了B样条曲线的算法。1974由通用汽车公司的戈登（）和里森菲尔德（feld）应用到设计中。

133363P(t)=1/6（t3

t2

t 1）303141B样条曲线的优点：

1p00p1

0p20p31）贝赛尔曲线的各种优点（几何不变性，凸包性、保凸性，变差缩减性等）

2）曲线的次数与控制点的数量无关

3）局部控制性

4、参数化曲面

1）双三次贝赛尔曲面

1333633 2P(u,v)=（uuu1）3301002）双三次B样条曲面

1p000p100p200p30p01p11p21p31p02p12p22p32p03133p13363p23330p330011000Tv32vv

11333633 2P(u,v)=（uuu1）3031415、非均匀有理B样条

解决统一的数学模型。

1p000p100p200p30p01p11p21p31p02p12p22p32p03133p13363p23303p334111000Tv32vv

1可用控制点来调整线或面的形状，还可以通过权因子来调整。

5.3.4 表面建模的特点

1）具有表面和边界的定义信息，可对物体的表面进行各种处理

2）可进行各种与表面相关的物性计算

3）可进行有限网格划分

不足之处：

1）理论上，虽然可进行各种复杂的结构设计，但在很多场合下不实体建模效率高。

40 2）会出现“丢面”现象，在面与面的相交处出现重叠或间隙，使精度满足不了要求。

5.4 实体建模（Solid Modeling）

5.4.1 实体建模的基本原理

表面建模的不足之处在于无法确定面的那一侧是实体，那一侧是实体之外。因此实体建模要解决的首要问题是确定面与实体之间的关系。

采用面的法向矢量进行约定，即面的法向矢量指向物体之外。要确定面的法向矢量，应首先对边有向化，边的方向由顶点的编号的大小决定，小编号顶点指向大编号顶点称为“正”。

对于实体建模，也可以采用点、线、面表来存储，与表面模型不同的是，在实体建模中，其面表中边应具有正负。见图5-14. P 132

边的正负是可根据其所面的法向矢量方向，采用右手定则来确定。符合右手定则的为正，否则为负。一条边总是属于两个面，所以一条边对一个面如果为正，则对另一个面则为负。

详见见图5-14中的面表。 P 132

5.4.2 体素及其布尔运算

实体模型的构造方法通常采用存储在计算机内的一些基本体素（如正方体、球体、圆柱体、扫描体等），通过（几何布尔运算）集合运算生成复杂形体。因此实体建模的主要内容是体素的定义与描述和体素之间的布尔运算（并、交、差）。

1、体素的定义及描述

有两类体素：基本体素与扫描体素

基本体素的定义：体素的几何信息及拓扑和基准点。

扫描体素：分为平面轮廓扫描体素和三维实体扫描体素。

平面轮廓扫描体素：一个二维封闭轮廓+运动轨迹（直线、圆、任意平面曲线）

三维实体扫描体素：一个三维实体+运动轨迹（直线、圆、任意平面曲线）

2、布尔运算

并（∪）、交（∩）、差（－）。

布尔运算表达式：C= A B

5.4.3 实体模型的表示方法

实体模型在空间上是三维连续的，怎样将这种三维连续的实体在一维的离散计算机中表示或存储？是实体模型表示方法要解决的首要问题。

计算机三维实体表示方法很多，并朝着多重模式发展。在此介绍几种常用的方法。

41 1、边界表示法（Boundary Representation）B_Rep

边界表示法是将实体分解成面、面分解成边、边分解成点。用点表、边表、面表表示。参见图5.19 P134 实体的逻辑结构图

边界表示法的优点在于其包含了较为丰富的面、边、点及其拓扑关系信息，对工程绘图、图形显示非常有用，在对图形处理时，不需要进行布尔运算，并且与线框模型和表面模型的数据结构一致，局部修改性强。

缺点：没有保存基本体素及物体的构造过程，描述物体的信息较多，有信息冗余，并且由于“面”和“边”的定义形式不唯一，使边界表示形式也不唯一（即同一个物体有多种边界数据结构）。

2、构造立体几何表示法（Constructive Solid Geometry CSG）

CSG是将物体分解成许多简单的体素，将这些体素通过布尔运算组合成物体。此方法包括布尔运算、体素、边界计算和点成员。

通过CSG构造的物体其逻辑结构可用二叉树表示，二叉树的叶节点表示基本体素及其变换矩阵，用实心圆表示。节点表示布尔运算，用空心圆表示。每个节点的子树表示布尔运算和变换的结果。CSG具体构造过程参见图5.20。P135

同一个物体、用相同的体素构造，其构造过程有多种，因此其二叉树也有多种。

通过CSG构造方法所构造的物体在计算机中存储是体素坐标变换矩阵及体素之间的布尔运算，存储的几何信息较少，如果需要未存储的几何信息，则需要通过大量的数学及几何运算。并且会出现较多的“废面”或“废体”。而且，对一些计算所得到的边不属于任何体素，CSG在对这些边无法进行处理。

3、混合表示法

为了发挥各自的优点，在同一个建模系统中采用几种不同的表示方法，即采用两种或两种以上的数据结构，这种方法称为混合表示法。用得最多的混合表示法是CSG与B_Rep的混合。

这种混合法的逻辑数据结构是：在CSG构造的物体二叉树逻辑结构中的每一个布尔运算节点处扩充一个B_Rep结构，记录存储布尔运算结果体的几何信息。参见图5.21 P136.

4、空间单元表示法

通过一系列的空间单元构成的图形来表示物体。

单元（cell）是具有一定大小的正方形平面（二维图形）或立方体（三维实体）。

逻辑数据结构采用四叉树（用于二维图形）和八叉树（用于三维）。

42 空间单元法算法简单，能够实现物性及有限元计算。但其精度较低，要实现高精度需要大量的存储空间，而且不存在点、边、面的概念与信息。数据结构及布尔运算参见图5.22 P137.

5.4.4 实体建模的特点

采用实体建模，可实现各种计算和图形处理，如真实感处理、物性的计算、工程分析、数控加工。三种建模的比较参见表5.2 P138。

5.5 特征建模

5.5.1 特征建模的基本概念

1、特征建模的定义

特征：是产品开发过程中各种信息的载体，除几何、拓扑信息外，还包括设计制造过程中一些非几何信息，如材料、形位公差、热处理等。

根据描述信息内容的不同可将特征区分为形状特征、精度特征、材料特征、技术特征等。

特征定义为：一组具有确定约束关系的几何实体，同时包含某种特定的语义信息

即产品特征=形状特征+工程语义信息

语义信息包括三类属性信息：静态信息；规则与方法；特征关系。

2、特征建模的分类

分类标准：每一类特征都是零件设计的基本功能单元，同时其加工方法和制造手段基本一致。

根据工艺特性，产品特征可分为铸、锻、焊、机加工和注塑成型等。

根据零件形状特性，产品特性可分为轴类、盘类、板块类、箱体类等。

3、特征建模的作用与特点

作用：建立一个能够表达整个产品生命周期的技术和生产组织、计划管理等各阶段的信息的集成平台。

5.5.2 特征建模的表示方法及其数据结构

参见图5.26 p141

通过三层关系表示特征：特征体素、特征面、特征几何元素。

特征体的定义类似于CSG方法中的体素定义。

六 计算机辅助工艺规程设计

本章重点：CAPP系统的原理及组成，CAPP在CAD/CAM系统中的作用，以检索式和派生式CAPP为主，零件分组。

43 7.1概述

7.1.1CAPP的基本概念

CAPP:Computer Aided Preocess Planning 计算机辅助工艺规程设计。

利用计算机、信息等技术，采用先进的信息处理技术，帮助工艺设计人员完成工艺设计中的各项任务。定位基准选择、加工工艺路线的设计，加工余量的确定，公差、加工设备、切削用量，检查设备及方法，定额工时的计算，最后生成加工时所需要的各种工艺文件（如生产工艺流程图、加工工艺过程卡、加工工艺卡、工艺管理文件等）

工艺设计是一件经验性非常的工作，影响工艺的因素非常多（设备、人员、材料、成本、批量等），且容易出错。多品种小批量生产和多品种的大规模定制的生产方式，使得传统的工艺设计方式不能满足需要，借助计算机完成工艺设计工作，不仅可以大大减轻劳动量，更重要的是便于知识的积累，数据管理和系统的集成。

经过多年的发展，CAPP取得了重大的突破，但还有许多问题有待解决，如工艺知识的描述等。随着CAD/CAM系统向集成化、智能化的发展及并行工作模式的出现等，对CAPP系统提出了新的要求。如一头向 MRP发展，而另一头向自动生成NC指令方向发展。

7.1.2 CAPP的基本组成

CAPP的工作过程与步骤

库 设计过程 设计阶段

CAD零件信息模型

CAD零件几何信息和工艺信息

零件图 零件信息输入

毛坯信息生成

毛坯制造方法

毛坯选择与设计

材料库

定位和夹紧方案

定位夹紧方法

加工方法库

加工方法

工艺路线及工序内容

加工顺序

加工设备库

工艺设备 通用选择，专用设计

工夹量具

工艺装备，通用选择，专用设计

44

切削用量确定

加工设备工艺装备

切削用量

加工余量

加工余量、工序尺寸及公差计算

工艺参数的计算

CAPP系统的组成与结构

1、 控制模块 协调、控制获取产品信息的方式

2、 零件信息的获取

人工、从CAD系统中直接或从集成的环境下统一的产品模型中输入

如何描述和输入零件信息一直是CAPP系统开发的关键。

3、 工艺过程设计模块 进行加工工艺流程决策，生成工艺过程卡。

4、 工序决策模块 选择加工设备、安装方式、加工要求、生成工序卡

5、 工步决策模块 选择刀具轨迹、加工参数、生成刀位文件等

6、 输出模块 输出工艺卡、工序卡、工序图

7、 数据库：产品设计数据库、制造资源数据库、工艺知识数据库、典型案例等

7.1.3 CAPP的类型及其工作原理

按工艺决策方式的不同，可将其分为检索式、派生式和创成式三大类。

1、检索式CAPP原理

检索式CAPP工作原理：将企业现行的各零件的工艺文件，根据产品和零件图号，存入工艺数据库中。进行工艺设计时，可以根据产品或零件图号，在工艺数据库中检索相关类似零件的工艺文件，检索后，由工艺人员采用交互式进行修改得到零件的最终加工工艺。

检索式CAPP系统的功能弱，没有决策能力，决策由人工完成。由于企业零件在结构和工艺方面由很大的相似性，因此检索式CAPP系统会大大提高工艺人员的工作效率和质量。检索

45 式CAPP系统开发简单、使用方便，实用性强，与现行工艺设计方式相同。检索式CAPP系统在企业应用非常广泛。

2、派生式CAPP系统

原理：利用零件成组GT代码，将零件根据结构和工艺的相似性进行分组，针对每一个零件组编制典型工艺，即主样件工艺。在工艺设计时，首先根据零件的GT代码，确定零件所属的零件组，检索出该零件组的典型工艺，对该典型工艺进行修改。

派生式CAPP系统工作原理简单，开发和使用方便，是目前应用最广的一种系统。但其适应性不强，只能针对企业具体产品的特点开发。

3、创成式CAPP系统

其工作原理与派生式CAPP系统和检索式CAPP系统不同，它是根据零件的信息，通过逻辑推理规则、公式和算法等，自动进行工艺决策，自动生成工艺规程。

由于工艺决策过程复杂，需要许多人的主观经验，工艺过程建模困难。因此创成式CAPP系统应用还不广泛。一般与检索式和派生式系统混合使用。

CAPP系统的开发及应用还有许多关键技术问题需要克服。

1）成组技术（GT）

2) 零件（特征）信息的描述和获取

3）工艺设计决策机制

4）工艺知识的获取和表达

5） 工艺数据库的建立

7.1.4CAPP的作用与意义

1、克服传统工艺设计中的不足

依赖工艺人员本身的水平和经验，工艺标准化和规范化程度低，同一零件会产生多种工艺，工艺专家的知识和经验难以保存和使用；设计周期长，重复劳动大；很难设计出最佳工艺方案；工艺成本高。

2、为CAD/CAM的集成提供技术桥梁

CAD

零件几何、材料、精度制造技术要求等

工艺要求和工艺评价

切削参数、工46

加工设备、装、刀位文件

CAPP CAM

47

48

控制模块

制造资源库

零件信息输入 CAD系统

产品设计数据库

零件信息获取

工艺知识库

工艺路线设计模块

典型工艺库

工序决策模块

制造工艺文件库

工步决策模块

编辑工具库

工艺流程图

工序卡

工步卡

工艺管理文件

输入编码或图号

检索工艺规程

工艺规划库

修改编辑工艺规程

输出工艺规程

检索式

输入零件信息

按编码检索零件族

零件族特征矩阵

调用编辑工艺规程

输出工艺规程

典型工艺规划库

输出工艺规程

各种工艺库

派生式

输入零件信息

工艺知识库

工艺过程生成

各种工艺库

输出工艺规程

创成式

修改编辑工艺规程

7.2 CAPP中零件信息的描述和输入

零件信息包括管理信息（也称表头信息，如零件名称、图号、所属产品零件或部件）、结构信息、尺寸、加工精度（尺寸公差、行位公差和表面粗糟度）、材料信息及技术要求等。

如何表达和描述零件的工艺特征信息是开发检索式和派生式的关键。可以根据零件相似性，采用GT技术，对零件工艺特征信息进行GT分类编码。

7.2.1零件分类编码概念

在进行零件编码时，必须考虑几个问题：

1、 零件类型（回转体、菱形件、拉伸件、板金件等）

2、 代码含义的详细程度

3、 代码的结构：链式、分级结构或混合结构

4、 代码的数制：二进制、八进制、十进制

代码结构

树式结构：是一种隶属关系，即后面的编码含义是根据前面码确定的，如身份证编码。

49