本书系统地阐述了机械CAD/CAM技术的基础理论、关键技术和具体应用方法。主要内容包括CAD/CAM系统工作原理及其支撑技术、工程数据处理技术、计算机图形处理技术、CAD/CAM几何建模技术、计算机辅助工艺过程设计、数控加工编程、CAD/CAM系统集成技术、机械CAD/CAM应用软件开发技术等。全书在保持CAD/CAM技术的系统性、完整性基础上，更注重机械CAD/CAM技术的实用性，通过不同应用实例阐述机械CAD/CAM技术的各种方法和原理。各章节之间结构清晰，层次分明，衔接自然。语言简洁流畅，通俗易懂，便于组织教学和读者自学。本书配有CAI课件，并且有配套的《机械CAD/CAM实训指导书》，包括课程实验、课程设计等不同类型的课程实训指导，以帮助学生学习理解CAD/CAM技术以及动手能力的培养。本书可作为机械工程及其自动化专业的本科生教材，也可作为从事CAD/CAM技术研究和应用的工程技术人员的培训教材或参考书。
本书自2002 年出版第1 版、2005 年出版第2 版、2010 出版第3 版以来, 累计印次27次, 深受广大读者和高校师生的支持和关爱。为了体现与时俱进、精益求精的精神, 编者特对本书第3 版进行了修订。
CAD/ CAM 技术是一项工程应用型先进实用技术, 经过半个多世纪的发展, 已逐渐成熟并得到普及应用, 现已成为企业产品设计与开发不可或缺的工具。作为工程应用专业类教材, 面对现已成熟的技术, 本次修订侧重于CAD/ CAM 技术的功能原理、技术实现以及具体的工程应用。为此, 在全书结构上, 添加了“计算机辅助工程分析” 一章的内容, 合并了原有的“CAD/ CAM 的支撑技术” 与“设计/ 制造数据的处理技术” 章节, 摒弃了原有的“机械CAD/ CAM 应用软件开发” 章节; 在内容选材方面, 强化了该技术的功能原理及其技术实现方面的内容, 删减了该技术的发展过程性及探索性内容; 在逻辑关系上, 按照机械CAD/ CAM 技术的基本概念、数据与图形处理、CAD 建模技术、CAE 分析技术、CAPP 系统、CAM 编程系统以及CAD/ CAM 技术集成的顺序, 重新调整了各章节间的关系; 在技术应用方面, 以更多应用实例来阐述各项技术的实际工程应用。经过本次修订, 提高了本书内容的完整性、合理性和可读性, 更加便于教师组织教学和学生自学。
本书各章节内容具体安排如下。
第1 章为机械CAD/ CAM 技术概述, 包括CAD/ CAM 技术内涵、CAD/ CAM 系统的结构组成、作业过程、主要功能以及CAD/ CAM 技术发展历程与当前研究热点。
第2 章为工程数据计算机管理与处理技术, 包括CAD/ CAM 系统常用的数据结构、数据管理模式、工程数表及线图的计算机处理技术。
第3 章为计算机图形处理技术, 包括计算机图形处理的数学基础、窗口与图形裁剪技术、图形变换技术、计算机辅助绘图技术以及自由曲线和曲面。
第4 章为机械CAD/ CAM 建模技术, 包括CAD/ CAM 建模技术概述、线框建模技术、表面(曲面) 建模技术、实体建模技术、特征建模技术和装配建模技术。
第5 章为计算机辅助工程分析, 包括CAE 内涵作用、涉及的功能范畴, 以及有限元分析、优化设计和计算机仿真。
第6 章为计算机辅助工艺设计, 包括CAPP 功能作用、技术发展与趋势, CAPP 系统类型、结构组成, 以及派生式CAPP 系统、创成式CAPP 系统和CAPP 专家系统。
第7 章为计算机辅助数控加工编程, 包括数控加工编程技术基础、数控编程方法及其实现、刀位点计算和CAD/ CAM 系统数控编程作业过程。
第8 章为CAD/ CAM 集成技术, 包括CAD/ CAM 系统集成概念、集成关键技术、集成方式以及基于PDM 平台的CAD/ CAM 系统集成。
本次修订由王隆太教授负责完成, 宋爱平、朱灯林、戴国洪参加修订。全书由沈世德教授主审。
由于编者水平有限, 书中不足、漏误之处在所难免, 敬请读者批评指正。
编 者
本书自2002 年1 月第1 版出版以来, 受到不少读者的支持和关爱, 到2004 年7 月已进行5 次印刷。然而, 由于编者的水平所限, 在第1 版中无论是教材结构、内容选取, 还是语言文字等方面均存在不少缺陷和不足。两年多来, 不少热心的读者对本书提出了许多善意的意见和积极改进的建议。为了满足读者的要求, 适应我国制造业快速发展的形势, 编者在征求和整理读者意见的基础上, 对第1 版进行修订。
第2 版教材的读者对象仍然面向普通高等教育应用型机械工程类专业在校学生, 侧重点在于CAD/ CAM 技术的工程应用, 同时保留基本的CAD/ CAM 技术原理和方法; 在内容选取方面, 主要体现CAD/ CAM 成熟实用技术, 尽可能反映本领域的前沿发展; 在内容编排上,每个主要章节附有具体的技术应用实例, 便于读者学习与理解; 在教学计划和课程设置方面, 建议配匹一定学时量的实践性教学环节, 如课程实验或课程实习。
此次修订主要增删的内容包括:1) 将第1 版第一章中“CAD/ CAM 支撑技术” 单列为一章, 其中包括数据结构、数据管理技术、计算机网络技术和成组技术等内容。
2) 第三章增加了数据库应用示例, 包括数据库数表的建立和查询以及数据库技术在CAD/ CAM 系统开发中的应用。
3) 在第四章图形变换部分增加了投影变换和透视变换内容, 以及图形变换应用举例。
4) 第五章加强了机械零件三维造型示例部分, 包括AutoCAD 和UG 系统的三维造型示例。
5) 第六章删除了有关CAD 系统类型的内容, 从软件工程方法出发, 侧重阐述机械CAD/ CAM 应用软件开发原则和步骤, 以及机械CAD 应用软件二次开发技术。
6) 第八章在介绍数控编程基本方法和原理基础上增加了UG 系统编程示例。
7) 第九章删除了原有集成系统信息流以及集成系统类型等内容, 增加了基于PDM 平台的CAD/ CAM 集成技术和网络化制造技术等新内容。
第2 版教材由王隆太教授担任主编, 朱灯林博士、戴国洪博士担任副主编。具体章节编写分工如下: 第一、八章由王隆太编写, 第二章由陈飞编写, 第三章由宋爱平编写, 第四由张剑锋编写, 第五章由朱灯林编写, 第六章由孙春华编写, 第七、九章由戴国洪编写。全书由王隆太统稿, 并参与第二章和第九章部分小节的编写, 陈飞老师协助有关章节的图稿整理。
全书由西安交通大学赵汝嘉教授主审。
由于编者水平有限, 书中不足、漏误之处在所难免, 敬请读者指正。
编 者于扬州大学
第4 版前言
第3 版前言
第2 版前言
第1 版前言
第1 章 机械CAD / CAM 技术概述 1
1. 1 CAD/ CAM 技术内涵 2
1. 1. 1 CAD 技术 2
1. 1. 2 CAE 技术 2
1. 1. 3 CAPP 技术 3
1. 1. 4 CAM 技术 4
1. 1. 5 CAD/ CAM 集成技术 4
1. 2 CAD/ CAM 系统的作业过程和主要
功能 5
1. 2. 1 CAD/ CAM 系统的作业过程 5
1. 2. 2 CAD/ CAM 系统的主要功能 7
1. 3 CAD/ CAM 系统的结构组成 8
1. 3. 1 CAD/ CAM 系统的主要组成 8
1. 3. 2 CAD/ CAM 系统的硬件 8
1. 3. 3 CAD/ CAM 系统的软件 11
1. 3. 4 常用CAD/ CAM 软件系统 13
1. 4 CAD/ CAM 技术的发展 15
1. 4. 1 CAD/ CAM 技术发展历程 15
1. 4. 2 CAD/ CAM 技术当前研究热点 17
本章小结 19
思考题 19
第2 章 工程数据计算机管理与处理
技术 20
2. 1 CAD/ CAM 系统常用的数据结构 21
2. 1. 1 数据结构基本概念 21
2. 1. 2 线性表 22
2. 1. 3 栈和队列 26
2. 1. 4 树结构 27
2. 1. 5 二叉树 29
2. 2 数据管理模式 32
2. 2. 1 文件管理模式 32
2. 2. 2 数据库管理模式 32
2. 2. 3 产品数据管理PDM 35
2. 3 工程数表的计算机处理技术 38
2. 3. 1 工程数表的类型和处理技术 38
2. 3. 2 数表的程序化处理 38
2. 3. 3 数表的文件化处理 42
2. 3. 4 数表的公式化处理 45
2. 3. 5 数表的数据库存储管理 47
2. 4 工程线图的计算机处理技术 51
2. 4. 1 工程线图的处理方法 51
2. 4. 2 一般线图的计算机处理 51
2. 4. 3 复杂线图的计算机处理 53
本章小结 54
思考题 54
第3 章 计算机图形处理技术 56
3. 1 计算机图形处理的数学基础 57
3. 1. 1 矢量运算 57
3. 1. 2 矩阵运算 57
3. 1. 3 齐次坐标 59
3. 2 窗口与图形裁剪技术 60
3. 2. 1 窗口与视区 60
3. 2. 2 直线段的裁剪技术 61
3. 2. 3 多边形的裁剪技术 64
3. 3 图形变换技术 68
3. 3. 1 工程图形的表示 68
3. 3. 2 二维图形的几何变换 69
3. 3. 3 三维图形的几何变换 74
3. 3. 4 三维图形的投影变换和透视
变换 75
3. 4 计算机辅助绘图技术 79
3. 4. 1 交互式绘图 79
3. 4. 2 程序参数化绘图 81
3. 4. 3 尺寸驱动式参数化绘图 83
3. 4. 4 参数化图库的使用与创建 85
3. 4. 5 工程图的自动生成 86
3. 5 自由曲线和曲面 88
3. 5. 1 曲线和曲面基本概念 88
3. 5. 2 Bezier 曲线曲面 92
3. 5. 3 B 样条曲线曲面 96
3. 5. 4 NURBS 曲线曲面 101
本章小结 102
思考题 103
第4 章 机械CAD / CAM 建模技术 104
4. 1 CAD/ CAM 建模技术概述 105
4. 1. 1 CAD/ CAM 建模技术内涵 105
4. 1. 2 CAD/ CAM 建模基本知识 105
4. 1. 3 CAD/ CAM 常用建模技术 109
4. 2 线框建模技术 110
4. 2. 1 线框建模原理 110
4. 2. 2 线框模型特点 110
4. 3 表面(曲面) 建模技术 112
4. 3. 1 表面建模原理 112
4. 3. 2 表面模型特点 113
4. 3. 3 曲面建模方法 113
4. 4 实体建模技术 114
4. 4. 1 实体建模原理 114
4. 4. 2 实体模型特点 116
4. 4. 3 实体模型的表示方法 116
4. 5 特征建模技术 119
4. 5. 1 特征建模概念 119
4. 5. 2 特征的分类 120
4. 5. 3 特征间关系 122
4. 5. 4 特征建模基本方法 122
4. 5. 5 特征建模基本步骤 124
4. 5. 6 特征建模技术实现 124
4. 6 装配建模技术 128
4. 6. 1 装配模型概念 128
4. 6. 2 装配模型中的约束配合关系 130
4. 6. 3 装配建模方法 131
4. 6. 4 装配建模实例 132
本章小结 138
思考题 138
第5 章 计算机辅助工程分析 140
5. 1 概述 141
5. 1. 1 CAE 内涵 141
5. 1. 2 CAE 作用 141
5. 1. 3 CAE 涉及的功能范畴 142
5. 2 有限元分析 142
5. 2. 1 有限元法基本思想及分析步骤 142
5. 2. 2 有限元分析软件系统 146
5. 2. 3 线性静力分析 147
5. 2. 4 模态分析 152
5. 3 优化设计 154
5. 3. 1 优化设计数学模型 154
5. 3. 2 优化设计过程 156
5. 3. 3 常用优化计算方法 157
5. 3. 4 优化设计应用实例 162
5. 4 计算机仿真 164
5. 4. 1 计算机仿真技术概述 164
5. 4. 2 计算机仿真过程 165
5. 4. 3 CAD 软件系统的运动仿真 166
5. 4. 4 应用MATLAB 编程进行系统性能
仿真 167
5. 4. 5 应用ADAMS 系统仿真 173
本章小结 177
思考题 177
第6 章 计算机辅助工艺设计 179
6. 1 概
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