CADCAM课后习题答案.pdf
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1、第 一 章 绪 论1、什么是CAD、CAM,CAPP?什么是CAD/CAM集成?答:CAD(Computer Aided DesignSystem)是指以计算机为辅助手段来完成整个产品的设计过程、分析和绘图等工作。CAD的功能包括:概念设计、结构设计、装配设计、曲面设计、工程图样绘制、工程分析、真实感和渲染、产品数据接口。CAM(Computer AidedManufacturing Svstem)通过计算机与生产设备直接的或间接的联系,完成从生产准备到成品制造整个过程的活动。狭义的CAM指NC数控程序编制,包括:刀具路径规划、刀位文件生成、刀具轨迹仿真及NC代码生成。CAPP(Compute
2、r Aided ProcessPlanning)借助计算机根据设计阶段的信息,人机交互的或自动完成产品加工方法的选择和工艺过程的设计,称 为CAPP。CAPP的功能包括:毛坯设计、加工方法选择、工艺路线制定、工序设计、刀夹量具设计等。CAD产生的图纸直接被CAPP,CAM以 及 以 后 的CIM S所 利 用,这就是CAD/CAM 集成。2、一般所说的CAD/CAM过程链主要包括哪些内容?答:CAD/CAM过程链是一个串行的过程链,在此过程链中包括从市场需求到产品整个的产品生产过程,具体包括:1)市场需求2)产品设计(任务规划、概念设计、结构设计、施工设计)3)工艺设计(毛坯设计、工艺路线设计
3、、工序设计、刀夹量具设计)4)加工装配(NC编程、加工仿真、NC加工、检测、装配、调试)3、CAD/CAM集成方案有哪几种?答:1)通过专用数据接口实现集成2)利用标准格式接口文件实现集成3)基于统一产品模型和数据库4)基于产品数据管理(PDM)的系统集成4、CAD/CAM的发展趋势如何?答:1)CAD/CAM系统的集成化方向发 展(CIM)2)并行工程3)智能化CAD/CAM系统4)虚拟产品开发5)网络化CAD/CAM第 二 章CAD/CAM系统的支撑环境1、CAD/CAM系统应具备哪些基本功能答:1)交互图形输入及输出功能。2)产品建模功能3)工程分析与仿真功能4)处理数控加工信息的功能5
4、)信息管理功能2、企业在CAD/CAM系统配置选型时应考虑哪些问题?1)根据企业的特点、规模、追求目标及发展趋势等因素,确定应具有的系统功能。2)从整个产品设计、制造周期中各个阶段的工作要求出发,考核拟选用的系统各模块的功能,包括其开放性和集成性等特点。然后,根据性能价格比选择合适的硬件与软件环境。3)考虑如何有效使用、管理系统,并使其发挥应有的作用,为企业创造良好的效益。3、CAD/CAM系统中的存储设备主要有哪几种,各有什么特点?答:1)内存储器:用 于 存 储CPU工作程序、指令和数据。读写存储器(RAM)可以随意不安顺序的存取信息、但如果断电,其存储的信息也会丢失。只读存储器(ROM)
5、用于存储启动引导程序和基本输入输出程序等,CPU只能从中读出信息,断电也不会丢失。高速缓冲存储器(Cache)。解决了 CPU和存储器存取速度不匹配的问题,提高了读写速度。2)外存储器:用于把有用信息永久性保存,并可以扩大逻辑工作内存容量。硬盘存储器存储容量大、读写速度快、传输数据的速度快。闪盘存储器和软盘存储器存储容量较小、读写速度、传输数据的速度较慢。光 盘 存 储 器CD,DVD,Blue-RayDVD容量大、可靠性高、信息存取成本低、随机存取速度快。磁带存储器/软盘存储器容量较大、记录单位信息的价格低,磁 带 格 式 统、互换性好、与各种类型机器连接方便,用于系统备份。4、CAD/CA
6、M系统中的输入输出设备主要有哪几种?答:I)输入设备键 盘、鼠标、数字化仪、扫描仪、数码相机和数码摄像机其 它 输 入 设 备 触 摸 屏 声 音 交互输入数据手套三坐标测量仪2)输出设备显示器和显示卡打印机与绘图机(针式打印机、激光打印机、喷墨绘图机、笔式绘图机、热敏打印机)5、CAD/CAM系统中的软件主要分几类?各有什么作用?答:在CAD系统中,软件可分为系统软件、支撑软件及专业性应用软件三类。系统软件主要负责管理硬件资源及各种软件资源,是计算机的公共性底层管理软件,即系统开发平台;支撑软件运行在系统软件之上,是实现CAD/CAM各种功能的通用性应用基础软件,是CAD/CAM系统专业性应
7、用软件的开发平台;专业性应用软件则是根据用户具体要求,在支撑软件基础上经过二次开发的应用软件。6、目前流行的操作系统及窗口系统有哪些?各有何特点?答:1)Windows 系统目前在微机上应用最广泛的操作系统,具有易用性、灵活性、可靠性、安全性及良好的网络服务功能。2)UNIX系统C语言开发的多用户、多任务分时操作系统,系统功能强、可移植性好,是工程工作站广泛应用的操作系统。3)微型机中采用的DOS操作系统单用户、单任务操作系统,操作简单、易于掌握、功能有限,内存在1MB之内。4)Linux操作系统具 有UNIX的所有功能,但是它属于白由软件,不仅免费提供了具有强大功能的操作系统功能,还提供了大
8、量的免费应用软件。7、常用的网络拓扑结构有哪几种?如何理解网络协议?答:总线型拓扑结构星型拓扑结构环型拓扑结构网络拓扑结构混合型拓扑结构网络协议:在计算机网络中,不同计算机之间进行信息交换时,必须通过某种共同的约定即协议,其中硬件协议定义了硬件设备如何运作以及如何协同工作,软件协议则完成程序之间的通讯。网络中通讯双方共同遵守的规则和约定的结合称为网络协议。第三章计算机辅助产品设计的方法1、产品的设计过程包含哪些阶段?各阶段的主要任务是什么?答:1)任务规划阶段进行需求分析、市场预测、可行性分析,根据企业内部的发展目标,现有设备的能力及科研成果等,确定设计参数及约束条件,最后明确详细的设计要求作
9、为设计、评价和决策的依据,确定产品设计任务书。2)概念设计阶段进行产品功能原理的设计,将系统总功能分解为若干复杂程度低的功能元,通过各种方法求各个功能元的多个解,组合功能元的解或直接求多个系统原理解,并在此法础上,求得较好的最佳原理方案。3)结构设计阶段将功能原理图具体化为产品结构草图,并对零件布局排列、运动副设计、人-机-环的关系设计、并对零部件进行选材和结构尺寸的设计。4)详细设计阶段在装配草图的基础上,进行部件、零件的分解设计、优化设计等,通过模型试验检查产品的功能和零部件的性能,并加以改进,完成产品生产图样,进行工艺设计,编制工艺文件等技术文件。5)定型生产阶段通过用户试用、设计定型,
10、进行生产规划,投入生产制造。2、列举计算机辅助概念设计的关键技术。答:1)原理方案设计技术2)概念设计建模技术3)设计创新设计4)并行和协同概念设计技术3、分析参数化设计的基本原理答:参数化设计般是指设计图形拓扑关系不变,尺寸形状由一组参数进行约束。参数与图形的控制尺寸有显式的对应,不同的参数值骚动不同大小的儿何图形。可见,参数化设计是规格化、系列化产品设计的一种简单、高效、优质的设计方法。4、什么是变量化设计?它与参数化设计有和区别?变量化设计是指设计图形的修改自由度不仅是尺寸形状参数,而且包括拓扑结构关系,甚至工程计算条件,修改余地大,可变元素多,设计结果受到一组约束方程的控制和骄动。这种
11、方法为设计者提供了更加灵活的修改空间。无论是参数化设计还是变量化设计,其本质是相同的,即在约束的基础上驶动产生新的设计结果,所不同的是约束自由度的范围。参数化技术在设计全过程中,通过尺寸约束来实现对儿何形状的控制;变量化技术将形状约束和尺寸约束分开处理。参数化技术在非全约束时,造型系统不许可执行后续操作;变量化技术由于可适应各种约束状况,操作者可以先决定所感兴趣的形状,然后再给一些必要的尺寸,尺寸是否注全并不影响后续操作。参数化技术的工程关系不直接参与约束管理,而是另由单独的处理器外置处理;在变量化技术中,工程关系可以作为约束直接与几何方程耦合,最后再通过约束解算器统一解算。5、何为模块化设计
12、?举例说明生活中模块化思想的应用。答:所谓模块化设计,即在对产品进行功能分析的基础上,划分并设计出一系列相对通用的功能模块,通过模块的选择和组合可以构成不同功能获相同功能不同性能、不同规格的产品,以满足市场的不同需求。生活中,模块化应用广泛,例如:2 6个英文字母可以表达任何意思,一组儿童积木可以拼搭不同的玩具,相同的建筑材料可以盖成不同式样的楼房等。目前,模块化设计的思想已渗透到许多领域,例如机床、减速器、家电、计算机等。6、产品设计的可视化包含哪些技术?答:图形生成技术与算法图形变换技术真实感图形现实技术科学计算的可视化技术虚拟现实技术7、虚拟现实技术的特征和关键技术是什么?答:特征1)沉
13、浸感用户感到作为主角存在与模拟环境中的真实程度。2)多感知性具有视觉感知、听觉感知、力觉感知、触觉感知、运动感知甚至味觉感知、嗅觉感知等。3)交互性用户对模拟环境内物体的可操作程度和从环境得到反馈的自然程度。4)自主性拟环境中物体依据物理定律动作的程度。关键技术1)环境建模技术2)跟踪技术3)虚物实化感知技术4)高性能计算处理技术5)应用系统开发工具技术8、试用某一编程语言编写一参数化设计应用程序。9、已知四边形的各定点坐标为:A(0,0),B(20,0),C(20,15),D(0,15),对此进行矩阵变换:使整个图形放大原来的2.5倍,放大中心在C点。解:将C点平移到原点T.=1 0 00
14、1 0-20-15 1实施比例变换一2.5 0 0T2=0 2.5 00 0 1将c点移回原来位置 1 0 0L=0 1 020 15 1T =T 1 T 2 RT 3 =1 0 Q2.5 0 00 1 00 2.5 0-20-15 10 0 1 1 0 02.5 0 00 1 0=0 2.5 020 15 1J-30-22.5 1P=PT =001一2.500200102.5020151-30-22.5101511-一-30-22.5 120-22.5 120 15 1-30 15 1第四章 CAD/CAM建模技术及产品数据模型1、举例说明在计算机内部实现建模的过程答:例如要设计一个三维物体
15、,可以先想象成二维的方式进行描述,或以三维的方式进行描述,表示了用户所理解的客观事物及食物之间的关系,然后将这种想象模型以格式转换成符号或算法的形式,即形成产品信息模型,它表示了信息类型和信息间的逻辑关系。最后形成计算机内部模型,即产品数据模型。2、试分析三维几何建模的类型及应用范围。答:线框建模、曲面建模、实体建模1)线框结构的儿何模型是在C A D刚刚起步时惯用的几何模型,它也是一种比较广泛被采用的模型。三维线框模型不适用于对物体需要进行完整性信息描述的场合。但在评价物体外部形状、位置或绘制图纸,线框模型提供信息是足够的,同时它具有较好的时间响应性,对于适时仿真技术或中间结果的显示是适用的
16、。2)曲面建模它不仅可以为设计、绘图提供几何图形信息,还可以为其它应用场合继续提供数据,例如当曲面设计完成以后,可以根据用户要求自动进行有限元网格的划分、三坐标或五坐标NC编程以及计算和确定刀具轨迹等。曲面建模主要适用于其表面不能用简单数学模型进行描述的物体,如飞机、汽车、船舶等的一些外表面。表面建模的重点是曲面建模,用于构造复杂曲面的物体。3)实体建模是目前C A D/C A M技术发展的主流,在计算机内部以实体描述客观事物,这样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,具有消隐功能。,造型时覆盖三维立体的表面与其实体同时生成。3、分析三维几何建模中的边界表示法和构造立体
17、几何法的原理及优缺点。答:1)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。(1)边界表示法强调的是形体的外表细节,详细记录了形体的所有几何和拓扑信息。(2)数据结构在管理上易于实现,也便于系统直接存取组成实体的各种几何元素的具体参数,当需要进行有关几何体的结构运算时,可以直接使用几何体的面、边、体、点定义的数据,进行交、并、差运算,甚至可以直接通过人机交互的方式对实体进行修改。(3)面的边线存储是按照逆时针存储,因此边在计算机内部存储都是两次,这样边的数据存储有冗余。此外,它没有记录实体是由哪些基本体素构成的,无法记录基本体素。2)构造立
18、体几何法物体都是些基本体素按照定的顺序拼合而成的。通过记录基本体素及它们的集合运算表示物体的生成过程。1)数据结构非常简单,每个基本体素不必再分,而是将体素直接存储在数据结构中。2)对于物体结构的修改非常方便,只需要修改拼合的过程或编辑基本体素。3)能够记录物体结构生成的过程。也便于修改.4)记录的信息不是很详细,无法存储物体最终的详细信息,如边界、顶点的信息等。4、以回转体和板块类零件为例说明特征建模的基本思路和特征的分类。答:目前特征的分类多以形状特征为例进行分类,形状特征的分类依赖于相应的应用领域及零件类型。根据制造方法不同,特征分为:铸、锻、焊、机加工和注塑成型特征,按零件类型不同:轴
19、类零件、盘类零件、箱体类、自由曲面类等。从设计于制造集成的角度我们可以依据这样的标准对特征进行分类:每一类特征都是零件的基本功能单元,同时其加工方法和制造手段基本致。例如轴盘等回转体类零件,可以分为:内、外圆柱面、端面槽、键槽、螺纹、齿形、倒角等特征。对于板块类可以分为:槽类、孔类、凹腔类、突起类、台阶类、过渡边类等特征。5、说明特征建模技术的产生背景及发展。答:特征概念包含丰富的工程语义,所以利用特征的概念进行设计师实现设计与制造集成的一种行之有效的方法,利用特性的概念进行设计经历了特征识别及基于特征的设计两个阶段,特征识别是首先进行特征设计,然后再建立的特征模型的基础上通过人工交互或自动识
20、别算法进行特征的搜索、匹配,由于特征信息的提取和识别算法困难,所以只适用一些简单的加工特征识别,并且形状特征之间的关系无法表达,为此Wilson等人提出了直接采用特征进行产品建模,而不是事后在识别的想法,这就是基于特征设计的思想,即特征建模。特征建模技术是正在研究发展中的技术,还有很多难题有待进一步解决,例如特征严格的数学定义、特征能胜任的零件复杂度,特征如何体现零件的功能要求以及功能特征与制造特征的映射。6、常用的产品数据交换标准有哪些?各有什么特点?答:1)IGES:IGES是 美 国 1981年发布的,是20年来影响最大的数据交换标准。几何所有商品化的CAD/CAM系统都配有1GES接口
21、,所以成为事实上的国际标准。主要应用是图形信息的交换应用。但 IGES不能完全满足模型之间进行数据交换时,所有数据都能完整、准确的进行传递。主要原因是IGES定义的主要是几何方面的信息,并且选择了固定的数据格式和存储长度。语法具有二义性。2)STEPSTEP技术为CAD/CAM系统提供了一种中性机制,它规定了产品设计、制造以至于产品全生命周期所需要的有关产品形状、解析模型、材料、加工方法、装配顺序、检验测试等方面信息的定义和数据交换的外部描述。因 此 STEP标准能够解决生产过程中的产品信息的共享以及从根本上解决CIMS信息的集成问题。第五章计算机辅助工程分析1、计算机辅助工程分析的主要内容及
22、其分析计算方法有哪些?答:1)主要内容:(1)对受有载荷作用的产品零部件进行强度分析;计算已知零部件尺寸在受载下的应力和变形,或根据已知许用应力和刚度要求计算所需的零件尺寸;如果所受的载荷为变动载荷,还要计算系统的动态响应。(2)对作复杂运动的机械和机械人机构等进行运动分析,计算其运动轨迹、速度和加速度。(3)对系统的温度场、电磁场、流体场进行分析求解。(4)按照给定的条件和准则,寻求产品的最优设计参数,寻求最优的加工规则等。(5)在复杂表面的数控加工中,当选定加工刀具后计算刀位轨迹,以生成数控程序。(6)对已形成的产品设计方案和加工方案进行仿真分析,即按照方案的数学描述,通过分析计算,模拟实
23、际系统的运行,预测和观察产品的工作性能和加工生产过程。2)分析计算方法有限元分析法优化设计计算机仿真2、论述有限元分析的基本原理和分析步骤。答:1)原理:是一种根据变分原理进行求解的离散化数值分析方法。由于其适合于求解任意复杂的结构形状和边界条件以及材料特性不均匀等力学问题而广泛应用,几乎可以应用于所有求解连续介质和场的力学及数学物理方程问题。有限元基本思想是将一个连续的求解离散化,即分割成彼此用节点(离散点)互相联系的有限个单元,一个连续弹性体被看作是有限个单元体的组合,根据一定精度要求,用有限个参数来描述各单元体的力学特性,而整个连续体的力学特性就是构成它的全部单元体的力学特性的综合。2)
24、分析步骤(1)结构离散化把连续弹性体分割成许多个有限个具有某种形状的单元,对连续体要考虑选择单元的形状、数目和剖分方案,计算各个节点的坐标,并为单元和结点编号。(2)单元特征分析由于单元小,形状简单,可以选择简单且与单元类型相适应的函数即位移函数近似地表示每个单元上真实位移的分布。将所有作用在单元上的力(表面力、体积力、集中力)等效地移置为节点载荷。这样就可以采用力学的变分原理、获得单元的平衡方程组。要达到这一目的,关键在于建立单元内节点位移与节点力的关系矩阵一单元刚度矩阵。(3)建立整体矩阵方程将各单元的刚度矩阵集合成整体刚度矩阵;各单元的等效节点载荷向量集合成总的载荷向量,把整体结构的各单
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