计算机辅助设计技术读书报告

机电工程学院

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20##年6月17日

目录

第一章：概述——————————————————————————2

1.1：ＣＡＤ发展历程———————————————————————2

1.2：CAD发展现状————————————————————————3

1.3：CAD发展趋势————————————————————————7

第二章：数据库的应用及其实例——————————————————9

2.1：数据库管理系统的基本功能——————————————————9

2.2：数据库的几个应用实例——————————————————10  第三章：Pro/e建模和SolidWorks—————————————————10  3.1：Pro/e模块与功能简介———————————————————10    3.2：SolidWorks 软件的功能及其模块———————————————13

3.3 SolidWorks 软件的特点———————————————————17

第四章：计算机辅助设计的基本方法—————————————17

4.1 二分法方程求根——————————————————————17

4.2：数值积分的基本思想———————————————————19

4.3:矩阵在计算机三维图形中的应用—————————————21

第五章：CAD/CAPP/CAM集成——————————————24

5.1理想的CAD/CAPP/CAM集成—————————————————24

5.2当前实用的集成途径—————————————————————24

参考文献-----------------------------------------------------------------------------24

第一章：概述

1.1：CAD技术发展历程

现在计算机辅助设计在众多领域中得到了迅速的、日益广泛的应用, 在一定意义上可以说，它是机械与计算机技术发展融合的产物。

1943年底,英国人为了破译德国的密码系统建造了一台叫做“Colossus”的电子计算机。与此同时在美国的康恩(Corn)有几个大学和研究所为了进行高速度的数值计算也在研制计算机。到1946年,具有真正意义的第一代计算机“ENIAC”诞生了。

1952年,麻省理工学院(MIT)的伺服机构实验室完成了数控铣床的研究,首先将计算机用于机械制造。随后,H.J.Gerber根据数控加工的原理为波音公司生产了世界上第一台绘图仪。随着使用计算机的经验逐渐增加,人们利用计算机进行复杂的数值计算、非数值计算和事务处理的能力迅速提高,同时开始了“人工智能”的研究。随后人们利用计算机证明了数学定理,进行了语言翻译,解出了几何问题,在下棋中击败人。

1962年,D.T.Ross和机械工程系的S.A.Coons合作,开始在机械设计方面探索计算机辅助的可能。Coons在题为《计算机辅助设计需求纲要》的报告中,对计算机辅助设计作了如下的描绘:设计者坐在显示器前用光笔操作,从概念设计、生产设计直到制造,都通过人机对话方式获得计算机的协助。这在当时只是科学家的梦想，但后来这个梦想逐步变成了现实。与此同时,另一个具有划时代意义的工作由MIT的林肯研究所完成。I.E.Sutherland提出了用光笔在显示器上选取、定位图形要素的Sketch-pad系统。使用该系统,设计者可以在控制台上对问题及问题的解决直接通信,实现了人机对话式的交互作业。通常要花几周时间的一些工作,在这里只要10～15分钟就能完成。他还提出了用不同的层来表示某一工程图的轮廓、剖面线和尺寸。这个系统为交互式图形学和计算机辅助绘图技术奠定了基础。

汽车工业对计算机辅助设计技术的发明首先做出了响应。美国通用汽车公司和IBM公司率先开发了DAC-1(Design Augmented　by　Computer)系统,用来设计汽车外型与结构。美国洛克希德公司和IBM公司联合开发了基于大型计算机的图形增强设计与制造软件包CADAM，用于设计与绘图,并具有三维结构分析能力。随后计算机辅助绘图、设计、制造、分析技术在英、日、意等国的汽车公司也都获得了广泛的应用,并逐渐扩展到其它部门。

由于早期的计算机非常昂贵,最早使用的计算机辅助绘图、设计、制造、分析系统都是集中式主机型系统。这种系统由一台集中的大型机(或中、小型机)与若干图形终端连接而成,有一个集中的数据库统一管理所有数据。由于各种软件店都存储在主机里,一旦主机出现故障将影响所有用户的工作。另一方面,当计算量过大时,系统响应变慢,甚至会出现个别终端等待的现象。为了减少主机的负荷,不久出现了智能终端型(Intelligent　Terminal)系统。这种系统的终端设备采用微机控制。大容量的分析计算、数据库的控制和管理由主机承担。通讯控制、图形处理等由其它处理器承担。

到了20世纪70年代,出现了将硬件与软件配套交付用户使用的“交钥匙系统”(Turn-Key System),这种系统是在小型机和超级小型机的基础上增加图形处理功能,按分时处理的原则,一台主机可以带几个到几十个终端。这个时期计算机在机械行业得到了广泛的应用。中小企业开始采用计算机辅助绘图、设计、制造、分析技术。

80年代初期,随着计算机制造技术的发展,所有配套的软硬件都可以集成到一台工作站上。再加上计算机网络的迅速发展,工作站很快取代了“交钥匙系统”。工作站系统可以作为一个独立的单用户系统,到80年代中后期就成为计算机辅助绘图、设计、制造、分析的主流系统。

进入90年代以来,随着个人计算机(PC)的飞速发展,其性能迅速赶上了10年前高档工作站的性能。由于个人计算机的价格低、使用方便,以个人计算机为硬件平台的计算机辅助绘图、设计、制造、分析系统迅速崛起,市场逐步扩大。可以预见,在不久的将来个人计算机将成为计算机辅助设计的主流机型。

因特网(Internet)起源于60年代末,兴盛于90年代,目前已经把世界上各种类型的计算机如大、中、小型机、工作站和个人计算机连接成一个有机的整体,实现全球范围的资源共享、数据共享和设备共享。利用成熟的Internet技术建立企业内部网络(Intranet),从而将计算机辅助绘图、设计、分析、制造和管理系统密切地联系在一起相互协作,已经在各种企业中迅速推广和普及。

计算机辅助设计的现状与发展计算机技术为机械工业带来了革命性的变革,反过来计算机在机械工业中的应用也推动了计算机技术的迅速发展。新的设备、新的操作系统、新的软件、新的数据交换标准,正在迅速扩大计算机在工业中的应用范围,掀起一场新技术革命的浪潮,成为20世纪全球最杰出的工程技术成果

1.2  CAD技术发展现状

（1）现在计算机辅助设计及相关问题

计算机辅助设计是一种用计算机硬、软件系统辅助人们对产品或工程进行设计的方法和技术，是一门多学科综合应用的新技术。计算机在很多方面都可以协助人来更好地完成工作,从而进一步实现设计自动化。

到目前为止计算机应用已经渗透到了机械产品生产的各个环节。利用计算机可以进行产品的计算机辅助设计(Computer Aided　Design)、计算机辅助绘图(Computer　Aided　Drawing)、计算机辅助制造(CAM)、计算机辅助工程分析(CAE)、计算机辅助工艺规划(CAPP)、产品数据管理(PDM)、企业资源计划(ERP)等。这些技术一开始是各自独立、平行地开发应用的,因而被称为孤岛技术。由于在技术上和应用上都密切相关,后来在工程实践中这些技术逐渐结合在一起,为企业带来了更大的经济效益。计算机辅助绘图主要解决机械制图问题,是计算机辅助设计的一个组成部分, 也是计算机辅助设计的一个重要的应用领域。CAD系统准确地讲是指计算机辅助设计系统,其内容涵盖产品设计的各个方面。把计算机辅助设计和计算机辅助制造集成在一起,称为CAD/CAM系统。由于机械设计、制造和分析的密切相关,很多CAD系统逐渐添加CAM和CAE的功能,所以习惯上工程界把CAD/CAM系统或者CAD/CAM/CAE系统仍然叫做CAD系统,这样就扩大了CAD系统的内涵。企业资源计划ERP在制定生产计划、销售计划和采购计划时,需要从CAD系统获得产品结构,从计算机辅助工艺规划CAPP系统获得制造每个零件的工时和材料定额等基础数据,同时需要产品数据管理PDM系统作为集成的桥梁。因此出现了CAD/CAM/CAPP/ERP/PDM的集成。这些技术不同程度的集成,可以满足从构建中小规模CAD/CAM系统,到建立企业级CIMS,实施并行工程等各个层次的需求。

（2）当今CAD技术的特点

CAD技术是一项综合性的，集计算机图形学、数据库、网络通讯等计算机及其它领域知识于一体的高新技术；是先进制造技术的重要组成部分；也是提高设计水平、缩短产品开发周期、增强行业竞争能力的一项关键技术。

CAD能够提高产品的设计质量,缩短科研和新产品开发周期,降低消耗,提高新产品的可信度,大幅度提高劳动生产率,实现脑力劳动自动化。总体来讲,CAD系统具有以下优点:

缩短产品开发周期：由于计算机运算速度及数据查询速度极快,用户根据设计目标向计算机发出指令,计算机则根据人的意图做出反应。对特定的产品,利用专门的软件或程序,设计速度可以提高几十倍。由于计算机能够直观地将设计结果展示出来,设计者根据计算机的显示可以做出快速的反应。在计算机上修改设计比在图纸上修改要容易得多,而且计算机能提供复制、查询等功能。因此采用CAD系统能够极大地提高设计效率。

提高产品设计质量：由于计算精度高和便于优化设计，设计人员在具备专业知识的基础上，利用CAD手段可以完成更高质量的设计。设计人员利用实体造型可以直观地在计算机中将产品制作出来。采用先进的参数化设计、全相关数据库技术可以最大限度地避免设计上的疏忽。

降低生产成本：由于CAD能够缩短设计、加工和装配的时间,降低废品率,减少库存,所以将大大降低企业的生产成本。

提高管理水平：CAD系统所生成的设计结果主要是计算机数据,保存和检索都比较容易。在已经建立企业内部网的前提下，采用产品数据管理技术易于实现全局性的管理,提高企业的管理水平。

尽管CAD系统功能非常强大,但如果没有人能够正确地操作和使用,CAD系统根本不可能产生经济效益。CAD对操作者的专业知识、外语能力和计算机水平要求较高。技术人员一般需要较长的时间熟悉CAD,了解其功能和用法。因此培养优秀的CAD系统使用人员是当务之急。

（3）现在计算机辅助设计的应用

计算机辅助设计开始用于机械行业，到现在CAD已是一个包括范围很广的概念。概括来说，CAD的设计对象有两大类，一类是机械、电气、电子、轻工和纺织产品；另一类是工程建筑。而如今，CAD技术的应用范围已经延伸到艺术、电影、动画、广告和娱乐等领域，产生了巨大的经济及社会效益，有着广泛的应用前景。

CAD在机械制造行业的应用最早，也最为广泛。采用CAD技术进行产品设计不但可以使设计人员“甩掉图板”，更新传统的设计思想，实现设计自动化，降低产品的成本，提高企业及其产品在市场上的竞争能力；还可以使企业由原来的串行式作业转变为并行作业，建立一种全新的设计和生产技术管理体制，缩短产品的开发周期，提高劳动生产率。如今世界各大航空、航天及汽车等制造业巨头不但广泛采用CAD/CAM技术进行产品设计，而且投入大量的人力物力及资金进行CAD/CAM软件的开发，以保持自己技术上的领先地位和国际市场上的优势。

计算机辅助建筑设计(Computer Aided Architecture Design，简称CAAD)是CAD在建筑方面的应用，它为建筑设计带来了一场真正的革命。随着CAAD软件从最初的二维通用绘图软件发展到如今的三维建筑模型软件，CAAD技术已开始被广为采用，这不但可以提高设计质量，缩短工程周期，还可以节约2%至5%的建设投资，而近几年来我国每年的基本建设投资都有几千亿元之多，如果全国大小近万个工程设计单位都采用CAAD技术，则可以大大提高基本建设的投资效益。

CAD技术还被用于轻纺及服装行业中。以前我国纺织品及服装的花样设计、图案的协调、色彩的变化、图案的分色、描稿及配色等均由人工完成，速度慢、效率低，而目前国际市场上对纺织品及服装的要求是批量小、花色多、质量高、交货要迅速，这使得我国纺织产品在国际市场上的竞争力不强。采用CAD技术以后，大大加快了我国纺织及服装企业走向国际市场的步伐。

如今，CAD技术已进入到人们的日常生活中，在电影、动画、广告和娱乐等领域大显身手。电影拍摄中利用CAD技术已有十余年的历史。动画和广告制作中也充分利用了计算机造型技术，实质上也是一种虚拟现实技术。虚拟现实技术还被用于各种模拟器及景物的实时漫游、娱乐游戏中。

近十年来，在CIMS工程和CAD应用工程的推动下，我国计算机辅助设计技术应用越来越普遍，越来越多的设计单位和企业采用这一技术来提高设计效率、产品质量和改善劳动条件。目前，我国从国外引进的CAD软件有好几十种，国内的一些科研机构、高校和软件公司也都立足于国内，开发出了自己的CAD软件，并投放市场，我国的CAD技术应用呈现出一片欣欣向荣的景象。

    1.3  CAD技术发展趋势：

（2）　CAD的发展趋势

CAD技术涉及面广而复杂、技术变化快，新的理论、技术和方法的研究，从未停止过。到目前从总体上讲,CAD技术的发展趋势是参数化、智能化、集成化和标准化。

参数化：传统的CAD绘图软件都是用固定的尺寸值定义几何元素，要进行图面修改只有删除原有的线条后重画，而新产品的打样设计不可避免的要进行多次的修改，进行零件形状和尺寸的综合协调、优化，而且大多数设计工作都是在原有设计基础上的改进。

参数化设计一般是指设计对象的结构形状比较定型，可以用一组参数来约定尺寸关系，设计结果的修改受尺寸驱动。生产中最常用的系列化标准件就是属于这一类型。变量化设计(Variational design)是指设计对象的修改需要更大的自由度，通过求解一组约束方程来确定产品的尺寸和形状。约束方程可以是几何关系，也可以是工程计算条件，设计结果的修改受到约束方程驱动。变量化设计允许尺寸欠约束的存在，这样设计者便可以采用先形状后尺寸的设计方式，将满足设计要求的几何形状放在第一位而暂不用考虑尺寸细节，设计过程相对宽松。变量化设计可以用于公差分析、运动机构协调、设计优化、初步方案设计选型等，尤其在做概念设计时更显得得心应手。

智能化：现有的计算机辅助设计系统智能化程度越来越高,原来繁琐的操作逐渐由计算机智能化地进行处理。如图纸尺寸标注,原来每增加一个尺寸,都要作很多操作。现在用户只要指明要标注的对象,尺寸就能在图上适当的位置标注出来。甚至对整个设计对象自动标注尺寸。图形的修改更加方便了。用户只需要很少的操作就能把图形作合理的修改。在图形的绘制方面,很多系统增加了智能导引的机制。系统始终猜测用户的设计意图,并根据当时的设计环境提供不同的人机交互工具,使用户感觉非常顺手。

人工智能是计算机几大功能之一,将人工智能引入CAD系统,使其具有专家的经验和知识,具有学习、推理、联想和判断的能力,以及智能化的视觉、听觉、语言的处理能力,从而达到设计自动化的目的。

要真正使产品的质量好、成本低、市场竞争能力强,就需要采用最好的设计、最好的加工和最好的管理,就需要总结国内外相关产品的设计制造经验和教训,把成功的设计制造经验做成智能设计、智能制造系统去指导新产品的设计制造,才能使企业的产品具有创造性。

集成化：它的内涵是借助计算机，把企业中与制造有关的各种技术系统地集成起来，进而提高企业适应市场竞争的能力。这个概念强调了两个方面:一方面是企业的各个生产环节不可分割，需要统一安排组织；另一方面是产品制造过程实质上是信息采集、传递、加工处理的过程。

集成化主要包含信息集成、过程集成和企业集成:

(a)信息集成主要是指在企业内部实现信息正确、高速的共享和交换，是改善企业技术和管理水平必须首先解决的问题。

(b)过程集成是指把产品设计中的各个串行过程尽可能多地转变为并行工程，在设计时考虑到下面工序中的可制造性、可装配性，则可以减少反复，缩短开发时间。并行工程便是基于这一思想的一种先进制造模式。

(c)企业集成是指为提高自身的市场竞争力，企业必须面对全球制造的新形势，充分利用全球的制造资源，以便更好、更快、更节省地响应市场。

标准化：随着CAD技术的不断发展和日益成熟以及各行业CAD应用的不断深入，CAD标准化工作越来越显示出了它的重要性。

目前，在微机和工作站上用于数据交换的图形文件标准主要有：AutoCAD系统的DXF(Data Exchange File)文件，美国标准IGES(Initial Graphics Exchange Specification即初始图形交换规范)及国际标准STEP(Standard for The Exchange of Product model data)。其它一些较为重要的标准还有：在ESPRIT(欧洲信息技术研究与开发战略规划)资助下的CAD-I标准(仅限于有限元和外形数据信息)；德国的VDA-FS标准(主要用于汽车工业)；法国的SET标准(主要应用于航空航天工业)等等。

CAD标准化工作作为高新技术标准化的一部分，在CAD技术工作中占有很重要的位置，国家科委工业司和国家技术监督局标准司于“八五”期间共同发布了《CAD通用技术规范》，规定了我国CAD技术各方面的标准，而其中CAD数据交换问题是CAD广泛应用后各行业所面临的重要问题。由于CAD数据的急剧膨胀，而不同的CAD系统产生的数据文件又采用不同的数据格式，甚至各个CAD系统中数据元素的类型也不尽相同，这种状况潜在地阻碍了CAD技术的进一步应用和发展。

第二章   数据库的应用及其实例

数据库，顾名思义是存放数据的仓库。这个仓库一定是存放在计算机存储设备上，而且数据是按一定结构存放的。严格地讲，数据库是长期存储在计算机内有组织的和可共享的数据集合。数据库管理系统就是管理数据库的系统，即对数据库执行一定的管理操作。目前使用的数据库一般都是关系数据库管理系统（RDBMS）。它可以从下面3个方面来定义。

关系（R）：它表示一种特殊种类的数据库管理系统，即通过寻找相互之间的共同元素使存放在一个表中的信息关联到存放在另一个表中的信息。

管理系统（MS）：是允许通过插入、检索、修改或删除记录来使用数据的软件。

?数据库：数据库管理系统由一个互相关联的数据集合和一组用以访问这些数据的程序组成，这个数据集合通常被称为数据库（DataBase）。

2.1 数据库管理系统（DBMS）基本功能

（1）数据定义功能。DBMS提供相应数据语言来定义（DDL）数据库结构，它们是刻画数据库框架，并被保存在数据字典中。

（2）数据存取功能。DBMS提供数据操纵语言（DML），实现对数据库数据的基本存取操作：检索，插入，修改和删除。

（3）数据库运行管理功能。DBMS提供数据控制功能，即是数据的安全性、完整性和并发控制等对数据库运行进行有效地控制和管理，以确保数据正确有效。 

（4）数据库的建立和维护功能。包括数据库初始数据的装入，数据库的转储、恢复、重组织，系统性能监视、分析等功能。

（5）数据库的传输。DBMS提供处理数据的传输，实现用户程序与DBMS之间的通信，通常与操作系统协调完成。

2.2  数据库应用的几个实例

从企业到政府机关，从学校到科研机构，从城市到农村，信息技术的应用与社会、经济发展息息相关，数据库应用无所不在、以下有几个实例：

1)    高考成绩数据库：实现成绩录入的准确性、高效性和安全性，并对成绩进行客观的统计分析。不同的用户已不同权限登录后能确保不同需求，工作人员、招生人员及考生均可按需求所取。

2)    银行管理数据库：实现普通操作人员、高级管理员、存取款、开户销户、用户修改密码、卡号挂失、当天数据备份、银行注册、查询历史存取信息、浏览及打印等功能。

3)    航空运输管理：有效而快速地完成航班管理、客票管理、行李运输管理、货物运输管理，实现基于网络环境下的全面管理。

4)    学生宿舍管理系统数据库：对学生基本信息管理，包含宿舍管理、财产管理等。 

5)    Access示例数据库Northwind：Access示例数据库是一个相当出色的数据库系统。Northwind示例数据库是一个简化了的典型企业管理数据库，包括了产品、订单、订单明细、供应商、雇员、客户、产品类别和运货商等数据，可以利用Access的表、查询、窗体和报表对象，实现输入、修改、浏览和查找数据以及打印报表等常用管理功能。

通过以上几简单的例子，可以看到在我们的身边数据库应用无处不在，例子举不胜举，因此，掌握数据库技术已经成为信息时代的一个最基本要求。

第三章：Pro/e建模和SolidWorks

3.1  Pro/e模块与功能简介

Pro/Engineer是一套由设计至生产的机械自动化软件，是新一代的产品造型系统，是一个参数化、基于特征的实体造型系统，并且具有单一数据库功能。
1． 参数化设计和特征功能

Pro/Engineer是采用参数化设计的、基于特征的实体模型化系统，工程设计人员采用具有智能特性的基于特征的功能去生成模型，如腔、壳、倒角及圆角，您可以随意勾画草图，轻易改变模型。这一功能特性给工程设计者提供了在设计上从未有过的简易和灵活。

2． 单一数据库

Pro/Engineer是建立在统一基层上的数据库上，不象一些传统的CAD/CAM系统建立在多个数据库上。所谓单一数据库，就是工程中的数据全部来自一个库，使得每一个独立用户在为一件产品造型而工作，不管他是哪一个部门的。换言之，在整个设计过程的任何一处发生改动，亦可以前后反应在整个设计过程的相关环节上。例如，一旦工程详图有改变，NC（数控）工具路径也会自动更新；组装工程图如有任何变动，也完全同样反应在整个三维模型上。这种独特的数据结构与工程设计的完整的结合，使得一件产品的设计结合起来。这一优点，使得设计更优化，成品质量更高，产品能更好地推向市场，价格也更便宜。

一、 Pro／Engineer

Pro/Engineer是软件包，并非模块，它是该系统的基本部分，其中功能包括参数化功能定义、实体零件及组装造型，三维上色实体或线框造型棚完整工程图产生及不同视图（三维造型还可移动，放大或缩小和旋转）。Pro/Engineer是一个功能定义系统，即造型是通过各种不同的设计专用功能来实现，其中包括：筋（Ribs）、槽（Slots）、倒角（Chamfers）和抽空（Shells）等，采用这种手段来建立形体，对于工程师来说是更自然，更直观，无需采用复杂的几何设计方式。这系统的参数比功能是采用符号式的赋予形体尺寸，不象其它系统是直接指定一些固定数值于形体，这样工程师可任意建立形体上的尺寸和功能之间的关系，任何一个参数改变，其也相关的特征也会自动修正。这种功能使得修改更为方便和可令设计优化更趋完美。造型不单可以在屏幕上显示，还可传送到绘图机上或一些支持Postscript格式的彩色打印机。Pro/Engineer还可输出三维和二维图形给予其它应用软件，诸如有限元分析及后置处理等，这都是通过标准资料交换格式来实现，用户更可配上 Pro/Engineer软件的其它模块或自行利用 C语言编程，以增强软件的功能。它在单用户环境下(没有任何附加模块)具有大部分的设计能力，组装能力(人工)和工程制图能力(不包括ANSI， ISO， DIN或 JIS标准)，并且支持符合工业标准的绘图仪(HP，HPGL)和黑白及彩色打印机的二维和三维图形输出。Pro/Engineer功能如下：

1． 特征驱动（例如：凸台、槽、倒角、腔、壳等）；

 2． 参数化（参数=尺寸、图样中的特征、载荷、边界条件等）；

    3． 通过零件的特征值之间，载荷/边界条件与特征参数之间（如表面积等）的关系来进行设计。

4． 支持大型、复杂组合件的设计(规则排列的系列组件，交替排列，Pro／PROGRAM的各种能用零件设计的程序化方法等)。

5． 贯穿所有应用的完全相关性(任何一个地方的变动都将引起与之有关的每个地方变动)。其它辅助模块将进一步提高扩展 Pro／ENGINEER的基本功能。

二：Pro／MOLDESIGN

Pro/MOL DESIGN模块用于设计模具部件和模板组装，它包括如下功能：

1． 采用参照设计模型的方法，自动生成模具型腔几何体。

2． 对单一、多面类似或者多面不同的型腔，采用 Pro/ENGINEER的组装命令及花样组来定出型腔。

3． 对复杂的多面/注模，提供 Slider/CAMMED移动功能。

4． 用不同的缩减补偿方式，修改造型几何体。

5． 在模拟过程，采用干扰核查的方法支定度及模似模具开口及 Molding Ejection Sequence。

6． 备有 AC Technology的 C—Flow/EZ分析软件，提供空腔冲填及 AIR TRAPPING模拟、 Front、ram速度、weld线及流体速度(Flow Velocity)。

 7． 直接取得 Pertinent模具设计工程的信息，包括冲填器皿及型腔表面积等信息。

8． 可生成摸具的特定功能，包括浇口(Sprue)、浇道(Runner)、浇槽(Gates)、冷凝线(cooling line)及分离线。

9． Pro/LIBARARY亦有提供与 Pro/MOLDESIGN使用的功能，包括标准化的摸具组装及组件。

三：PRO/MECHANICA

PRO/MECHANICA是PRO/E一个比较独立的模块，它既可以和PRO/E在一起使用，又可以独立的使用，它的主要功能是有限元分析、静力学分析、动力学分析、震动分析、热力分析、最新的功能还可以进行疲劳分析、疲劳预测等。对于发动机、车体、起重机构等的分析可以帮助工程师找到设计中的应力集中点以便更新设计，延长产品的使用寿命，它的准确率非常高，可以避免许多设计中的缺陷。事实上，很多缺陷并不是设计师的能力所及，必须通过响应的分析软件才能解决。PRO/MECHANICA就是这样一个软件。

3.2 SolidWorks 软件的功能及其模块

零件建模

　　★SolidWorks 提供了无与伦比的、基于特征的实体建模功能。通过拉伸、旋转、薄壁 特征、高级抽壳、特征阵列以及打孔等操作来实现产品的设计。

　　★ 通过对特征和草图的动态修改，用拖拽的方式实现实时的设计修改。

　　★ 三维草图功能为扫描、放样生成三维草图路径，或为管道、电缆、线和管线生成路径。

曲面建模

　　通过带控制线的扫描、放样、填充以及拖动可控制的相切操作产生复杂的曲面。可以直观地对曲面进行修剪、延伸、倒角和缝合等曲面的操作。

钣金设计

　　SolidWorks 提供了顶尖的、全相关的钣金设计能力。可以直接使用各种类型的法兰、薄片等特征，正交切除、角处理以及边线切口等钣金操作变得非常容易。　用户化　SolidWorks 的API为用户提供了自由的、开放的、功能完整的开发工具。

　　开发工具包括Microsoft Visual Basic for Applications (VBA)、Visual C++，以及其他支持OLE的开发程序。

数据转换

　　SolidWork 提供了当今市场上几乎所有CAD软件的输入/输出格式转换器,有些格式，还提供了不同版本的转换。

PhotoWorks高级渲染

　　----与SolidWorks完全集成的高级渲染软件

  

SolidWorks渲染的自行车

有效地展示概念设计，减少样机的制作费用，快速地将产品投放入市场。PhotoWorks为你提供方便易用的、最品质的渲染功能。通过在Windows环境下，与三维机械设计软件的标准SolidWorks的无缝集成，PhotoWorks帮助你方便制作出真实质感和视觉效果的图片，并向客户发布。

　　任何熟悉微软Windows的人都能用PhotoWorks非常快地将SolidWorks的零件和装配体渲染成漂亮的图片。在高级渲染领域中，PhotoWorks无疑是最优秀的。

　　动感真实的图片用于产品发布或演示

　　既然能用高质量的图片更方便交流设计思想，为什么还要用陈旧的视图表示呢？任何熟悉微软 Windows的人，都能用PhotoWorks非常快地将SolidWorks的零件和装配体渲染成高质量的图片。

　　高品质的视觉效果

　　用PhotoWorks 的菜单和工具栏中的命令，可以容易地产生高品质的三维模型图片。PhotoWorks软件中包括一个巨大的材质库和纹理库，用户可以自定义灯光、阴影、背景、景观等选项。为你为SolidWorks零件和装配体选择好合适的材料属性，在渲染之前可以预览，设定好灯光和背景选项，随后你就可以生成一系列用于日后交流的品质图片文件。

　　减少样件的制作费用和缩短面市的时间

　　你无需投入巨资制作实体模型和样件，PhotoWork可以让你查看产品的外观。从而缩短审批的周期。在产品投产之前，就可以检验市场的效应，减少了投放市场的时间。

图形输出

　　★输出到窗口：将图形输出到SolidWorks窗口，或采用交互方式高效地预览渲染模型。

　　★输出到文件：将渲染图形输出到用户定义的图形文件格式，包括24位的PostScript、JPEG、TARGA、TIFF或BMP格式。

　　★输出到打印机：可直接从SolidWorks窗口中打印渲染图形，在保证长宽比的同时可以改变图形比例来覆盖整个打印区域。

FeatureWorks特征识别

　　----与SolidWorks 完全集成的特征识别软件

　　FeatureWorks是第一个为CAD用户设计的特征识别软件。与其它CAD系统共享三维模型，充分利用原有的设计数据，更快将向SolidWorks系统过渡，这就是特征识别软件FeatureWorks所带来的好处。

　　FeatureWorks同SolidWorks 完全集成。当引入其它CAD软件的三维模型时，FeatureWorks能够重新生成新的模型，引进新的设计思路。FeatureWorks对静态的转换文件进行智能化处理，获取有用的信息，减少了重建模型所化的时间。

　　FeatureWorks最适合识别带有长方形、圆锥形、圆柱形的零件和钣金零件。

　　FeatureWorks提供了崭新的灵活功能，包括在任何时间按任意顺序交互式操作以及自动进行特征识别。FeatureWorks 提供了在新的特征树内进行再识别和组合多个特征的能力，新增功能还包含识别拔模特征和筋特征的能力。 

　　标准的数据转换器使人们可以共享不同CAD系统的几何信息，但是转换的模型有时成功，有时不成功，通常需要人工重建模型。人们往往需要引入新的设计意图，或增加转换过程中丢失的信息。FeatureWorks软件能让你迅速而方便地在转化的数据模型中添加新的设计意图。

　　第一个为用户设计的特征识别软件

　　FeatureWorks与SolidWorks完全集成，是第一个为用户而设计的特征识别软件。FeatureWorks能对由标准数据转换器转换来的几何模型进行特征识别，为几何模型添加信息，形成SolidWorks特征管理员中的特征。

　　方便地对孔、切除、圆角、倒角和拉伸的尺寸和位置进行修改

　　一旦特征识别完成后，你可以用SolidWorks 的命令按需要对设计进行修改。例如你可以简单地将识别后的孔直径从3cm改成5cm。由FeatureWorks识别的特征是完全可以编辑的、是全相关的和参数化的，而且你可随时增加新的特征。FeatureWorks给以前的设计数据赋予新的价值，使不同的CAD用户之间更方便、更快地共享三维设计模型。

　　保持设计思想，提高产品质量

　　FeatureWorks不仅能够灵活地对转化数据进行修改，而且能保持或修改新的设计思想。例如一个孔原来是“盲孔”或“通孔”，转换时它可能丢失就需要重新定义，因此转换时需要保持原始的设计思想，以确保产品质量。

　　使用特征识别，节省时间

　　FeatureWorks可以从标准转换器转换的几何模型捕捉所有的数据，然后进行特征识别。标准数据格式包括STEP，IGES，SAT(ACIS)，VDAFS和Parasolid。FeatureWorks最适合识别规则的机加工轮廓和钣金特征，其中包括：

　　★拉伸特征，特征的轮廓是由直线、圆或圆弧构成；

　　★圆柱或圆锥形状的旋转特征；

　　★所有孔特征，包括简单孔、螺纹孔和台阶孔；

　　★筋和拔模特征；

　　★等半径圆角；

　　★其他诸如倒角或圆角的特征。

自动和交互两种方式

　　FeatureWorks 提供自动和交互两种特征识别方式。自动的方式不需要人工干预。一般情况下，如果不能自动识别特征时，就有一个交互式的对话框弹出，通过简单的交互，点取一个孔或凸台的一个面，你通过控制或指定设计意图来实现特征识别。模型指示器显示特征识别前后的轮廓变化。在交互识别方式和自动识别方式可以交替使用。

　3.3 SolidWorks 软件的特点

(1) 基于特征及参数化的造型

SolidWorks 装配体由零件组成,而零件由特征(例如凸台、螺纹孔、筋板等) 组成。这种特征造型方法,直观地展示人们所熟悉的三维物体,体现设计者的设计意图。

(2) 巧妙地解决了多重关联性

SolidWorks 创作过程包含三维与二维交替的过程,因此完整的设计文件包括零件文件、装配文件和二者的工程图文件。SolidWorks 软件成功的处理了创作过程中存在多重关联性,使得设计过程顺畅、简单及准确。

(3) 易学易用

SolidWorks 软件易于使用者学习,便于使用者进行设计、制造和交流。熟悉Windows 系统的人基本上都可以运用SolidWorks 软件进行设计,而且软件图标的设计简单明了,帮助文件详细,自带教程丰富,又采用核心汉化,易学易懂。其三维CAD 软件学习通常需要三个月相,而SolidWorks 只需要两星期。

第四章：计算机辅助设计的基本方法

4.1 二分法方程求根

一般地，对于函数f(x),如果存在实数c,当x=c时f(c)=0,那么把x=c叫做函数f(x)的零点。

  解方程即要求f(x)的所有零点。

  先找到a、b，使f(a)，f(b)异号，说明在区间(a,b)内一定有零点，然后求f[(a+b)/2],

  现在假设f(a)<0,f(b)>0,a<b

  ①如果f[(a+b)/2]=0，该点就是零点，

  如果f[(a+b)/2]<0,则在区间（(a+b)/2，b)内有零点，(a+b)/2=>a，从①开始继续使用中点函数值判断。

  如果f[(a+b)/2]>0，则在区间(a,(a+b)/2)内有零点，(a+b)/2=>b，从①开始继续使用中点函数值判断。

  这样就可以不断接近零点。通过每次把f(x)的零点所在小区间收缩一半的方法，使区间的两个端点逐步迫近函数的零点，以求得零点的近似值，这种方法叫做二分法

二分法方程求根流程图

4.2  数值积分的基本思想

    一．问题提出：

（1）针对定积分，若,a=0,b=1，即有，但当，，……，时，很难找到其原函数。

（2）被积函数并没有具体的解析形式，即仅为一数表。

二．定积分的几何意义

定积分的几何意义为，在平面坐标系中I的值即为四条曲线所围图形的面积，这四条曲线分别是，y=0，x=a，x=b。

三

1.中矩形公式

；

几何意义：用以下矩形面积替代曲边梯形面积

2.梯形公式

梯形公式的几何意义：用以下梯形面积替代曲边梯形的面积：

3.辛普生公式

辛普生公式的几何意义：阴影部分的面积为抛物线曲边梯形，该抛物线由三点构成。

4.3 矩阵在计算机三维图形中的应用

三维平移变换、比例变换可看成是二维情况的直接推广。但旋转变换则不然，因为我们可选取空间任意方向作旋转轴，因此三维变换处理起来更为复杂。与二维变换相似，我们也采用齐次坐标技术来描述空间的各点坐标及其变换，这时，描述空间三维变换的变换矩阵是4×4的形式。

由此，一系列变换可以用单个矩阵来表示。

第五章：CAD/CAPP/CAM集成

实现CAD/CAPP/CAM集成是当前CIMS中的一个重要研究课题。由于目前商品化的CAD零件系统主要是几何造型，所以要应用这样的系统来实现CAD/CAPP/CAM集成只能是不完善的。为了实现理想的集成，许多技术人员提出应用特征技术改造当前的CAD系统，或者建立新的以特征技术为基础的CAPP系统。此外，还有不少研究者正在从事研究用通用的产品规范STEP，并通过STEP标准实现有效的集成。

5.1  理想的CAD/CAPP/CAM集成

   实现了CAD/CAPP集成，就从根本上解决了CAPP系统的零件信息输入问题。要实现理想的CAD/CAPP/CAM集成，为CAD/CAPP/CAM制定通用的产品定义规范是极其重要的，STEP已经定位ISO标准，将逐步为各国所使用。

   美国政府、工业企业和标准组织正在执行一项计划PDES，目标是高水平的自动化集成，使设计、工艺和制造同时进行以获得高的效益。在并行工程中，设计阶段就能调用制造知识，进行NC加工模拟并进行成本换算，保证设计出性能高、成本低和生产快的高水平产品。我国的CIMS研究计划中也将STEP列入研究项目，并取得一定进展。

   STEP标准相当复杂，熟悉研究和推广应用要花很长的时间，有关特征技术的研究虽然已经取得一些进展，但离实际应用还有很大的距离。

5.2当前实用的集成途径

正如前述，由于当前CAD系统还不是按真正的产品定义规范开发的，所以要从CAD系统完全自动化的生产CAPP系统所要求的输入信息目前难度很大。但是对护体类型零件，从CAD系统取出几何信息并适当的通过人机对话的方式补充工艺信息来提供CAPP系统以及NC编程所需的信息是完全可能的。这是当前实施CAD/CAM/CAPP集成的一种途径。实际上已经有一些这方面的例子，例如：

由英国UMIST大学开发的菱形CAPP系统，通过COMPACT2NC加工衔接，并采用IGES作为它的CAD系统的接口。

图显示了CAD-ICAPP-NC三者之间的关系。图中，COMPUTERVISIONG是VC CAD系统（一种商品化CAD系统），CADDS4用来生成IGES文件，并传到运行ICAPP的VAX小型机上。CAMACS是一种软件通信工具，它可以提供在computervision终端和其他任何带有R232串行接口的设备之间的异步通信吗、。ICAPP翻译器可以处理IGES文件信息，并重新建立在VAX机上的相同图形。从零件图形上选择待加工表面靠高水平的人机交互。ICAPP工艺设计模块除生成工艺规程之外，还生成零件源程序，它是COMPACT2自动编程系统的输入。

 参考文献：

【1】           迟毅林. 计算机辅助设计基础，重庆大学出版社，2000.2

【2】           胡仁喜.  AUTO CAD2008入门实战与提高，北京：电子工业出版社，2009.1

【3】           吴立军.   Pro/E Wildfire 4.0三维造型技术教程，北京：清华大学出版社，2110.1

【4】           百度百科网

【5】           孙进平 .计算机辅助设计的现状与发展，2003.8