計算機輔助設計與制造（第2版）

本書敘述清晰、簡明，并提供了眾多示例，使學生和工程師們能夠更好地掌握書中介紹的內(nèi)容。

第1章 數(shù)字計算機的發(fā)展歷史 1

1.1 簡介 1

1.2 計算機歷史 1

1.3 計算機的分類 4

1.4 計算機硬件 6

1.5 編程語言 6

1.5.1 低級語言 6

1.5.2 高級語言 6

1.6 CAD的歷史 7

1.6.1 CAD圖形生成器 11

1.6.2 CAD程序的目的 11

1.6.3 CAD軟件的繪圖功能 12

1.7 計算機在未來的作用 12

參考文獻 15

第2章 計算機輔助設計 17

2.1 簡介 17

2.2 傳統(tǒng)設計方法 17

2.3 設計過程描述 18

2.3.1 問題定義 19

2.3.2 概念化 19

2.3.3 綜合 20

2.3.4 分析 20

2.4 計算機輔助設計 24

2.4.1 繪圖與設計 24

2.4.2 線框造型 25

2.4.3 幾何造型 25

2.5 參數(shù)化設計與變量化設計 26

2.5.1 參數(shù)化設計系統(tǒng) 26

2.5.2 變量化設計系統(tǒng) 30

2.6 工程分析與CAD 36

2.6.1 解析法 36

2.6.2 實驗法 38

2.7 計算機輔助工程(CAE) 40

2.8 CAE中的集成數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng) 41

2.9 CAE產(chǎn)品開發(fā) 42

2.10 CAE實現(xiàn) 42

2.11 基于模擬的設計 43

參考文獻 46

第3章 對象的變換與處理 48

3.1 簡介 48

3.2 變換矩陣 50

3.3 二維變換 50

3.4 繞原點任意旋轉(zhuǎn) 52

3.5 以不同角度旋轉(zhuǎn) 52

3.6 組合變換 53

3.7 二維平移 53

3.8 向二維平面投影 54

3.9 恒等比例變換 55

3.10 繞任意點旋轉(zhuǎn) 56

3.11 二維反射 59

3.11.1 相對于任意點反射 60

3.11.2 相對于任意軸反射 61

3.12 三維變換 62

3.13 三維比例變換 63

3.14 對象的三維旋轉(zhuǎn) 65

3.14.1 繞y軸旋轉(zhuǎn) 67

3.14.2 繞z軸旋轉(zhuǎn) 67

3.14.3 繞x軸旋轉(zhuǎn)30o 68

3.14.4 繞y軸旋轉(zhuǎn)30o 69

3.14.5 繞z軸旋轉(zhuǎn)30o 69

3.15 三維反射與圖像鏡像 70

3.16 三維平移 73

3.17 繞任意軸的三維旋轉(zhuǎn) 74

3.18 三維可視化 81

3.19 正三軸測投影 81

3.20 等軸測投影 85

參考文獻 90

第4章 曲線與曲面 91

4.1 直線擬合 91

4.2 用冪函數(shù)進行非線性曲線擬合 94

4.3 用高次多項式進行曲線擬合 96

4.4 Chebyshev多項式擬合 98

4.5 離散系統(tǒng)的傅立葉級數(shù) 100

4.6 三次樣條曲線 106

4.7 三次拋物線樣條曲線 107

4.8 非參數(shù)化三次樣條曲線 113

4.9 邊界條件 115

4.9.1 自然樣條曲線 115

4.9.2 箝位樣條曲線 115

4.10 Bezier曲線 116

4.11 Bezier曲線方程的微分 118

4.12 B樣條曲線 119

4.13 非均勻有理B樣條(NURBS)曲線 121

4.14 創(chuàng)建面 123

4.15 平面 123

4.16 直紋面 124

4.17 矩形面 124

4.18 旋轉(zhuǎn)面 125

4.19 應用軟件 125

參考文獻 129

第5章 實體造型 130

5.1 簡介 130

5.2 實體構(gòu)造技術(shù) 130

5.2.1 布爾操作 131

5.2.2 掃略 132

5.2.3 自動創(chuàng)建圓角和倒角 132

5.2.4 微調(diào) 133

5.2.5 線框模型和投影的充實 133

5.3 表示方案 133

5.3.1 實例化法 133

5.3.2 邊界表示法 134

5.3.3 構(gòu)造實體幾何法 135

5.3.4 網(wǎng)格分解法 137

5.4 實體造型的應用 139

參考文獻 144

第6章 優(yōu)化技術(shù) 146

6.1 簡介 146

6.2 系統(tǒng)建模 146

6.3 設計優(yōu)化 149

6.3.1 優(yōu)化設計的表述 149

6.3.2 設計參數(shù) 149

6.3.3 約束 149

6.3.4 評價 150

6.4 最優(yōu)設計概念 151

6.5 無約束優(yōu)化 152

6.6 有約束優(yōu)化問題 156

6.7 斐波納契(Fibonacci)法 160

6.8 牛頓(Newton)法 166

6.9 線性規(guī)劃 167

6.10 幾何規(guī)劃 168

6.11 其他優(yōu)化技術(shù) 169

參考文獻 172

第7章 有限元法介紹 174

7.1 簡介 174

7.2 有限元法的基本概念 175

7.3 勢能公式 183

7.4 閉式解 186

7.5 加權(quán)殘值法 188

7.6 伽遼金法 189

參考文獻 191

第8章 桁架——有限元法 193

8.1 桁架分析簡介 193

8.2 有限元公式 193

8.3 局部剛度矩陣的特性 196

8.4 整體剛度矩陣 197

8.5 桁架問題的解 201

8.6 局部力的計算 204

8.7 應力分析 208

8.8 力與位移的關(guān)聯(lián)矩陣 209

8.9 三維桁架分析 211

參考文獻 215

第9章 熱傳導分析——有限元法 216

9.1 簡介 216

9.2 一維單元 216

9.3 有限元表述 217

9.3.1 邊界條件的作用 221

9.3.2 附加約束的處理 221

9.3.3 有限差分法 225

9.4 兩單元桿的熱傳導分析 226

9.5 N單元整體剛度矩陣 228

9.6 二維熱傳導分析 231

9.7 單元傳導矩陣 234

9.8 單元受力函數(shù) 235

9.9 FEM與優(yōu)化 243

參考文獻 249

第10章 動態(tài)分析——有限元法 251

10.1 簡介 251

10.2 單元剛度和質(zhì)量矩陣 251

10.3 軸向變形 253

10.3.1 運動的一單元方程 253

10.3.2 運動的三單元方程 254

10.4 梁的彎曲變形或橫向變形 255

10.5 柏努利梁 260

10.6 力矢量 261

10.7 邊界條件 263

10.8 平面梁結(jié)構(gòu) 264

10.9 特征值問題 265

10.10 模態(tài)分析 269

參考文獻 275

第11章 工業(yè)機器人 277

11.1 簡介 277

11.2 機器人的結(jié)構(gòu) 278

11.2.1 機械手 278

11.2.2 控制器 280

11.2.3 動力部分 281

11.3 機器人編程 282

11.3.1 聯(lián)機編程 282

11.3.2 脫機編程 283

11.4 編程語言 283

11.5 機器人的傳感系統(tǒng) 286

11.5.1 機器人傳感器的分類 287

11.5.2 視覺系統(tǒng) 288

11.5.3 其他傳感器 289

11.6 機械爪設計基礎 290

11.7 機器人在空間的定位 292

11.8 定義機器人的工作空間 295

11.9 機器人與計算機輔助設計 297

參考文獻 300

第12章 機器人經(jīng)濟學 301

12.1 簡介 301

12.2 經(jīng)濟上的合理性 302

12.2.1 投資回收期 302

12.2.2 生產(chǎn)率回收期公式 303

12.3 應用機器人的合理性論證 304

12.4 機器人應用 308

12.4.1 焊接 308

12.4.2 噴漆和拋光 309

12.4.3 為設備裝料 310

12.4.4 裝配 310

12.4.5 機械加工 311

12.5 機器人的選擇與實施 312

參考文獻 313

第13章 成組技術(shù) 314

13.1 簡介 314

13.2 零件的分類與編碼 314

13.2.1 零件簇 314

13.2.2 設計檢索 315

13.2.3 編碼系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 315

13.2.4 不同類型的代碼 316

13.2.5 現(xiàn)有的編碼系統(tǒng) 316

13.3 一個提出的分類系統(tǒng) 321

13.3.1 通用碼 322

13.3.2 專用碼 322

13.3.3 提出的分類系統(tǒng)的分類方法 322

13.4 工作單元 323

13.4.1 工作單元的類型 324

13.4.2 工作單元中機床的排列 325

13.5 計算機編碼與信息檢索 328

13.5.1 零件編碼 328

13.5.2 信息檢索 328

13.6 成組技術(shù)的優(yōu)點 332

參考文獻 333

第14章 計算機集成制造 336

14.1 簡介 336

14.2 CIM的目標 337

14.3 企業(yè)與產(chǎn)品的建模 338

14.4 CIM架構(gòu) 339

14.4.1 開放式系統(tǒng)互連模型(OSI) 340

14.4.2 制造自動化協(xié)議(MAP) 341

14.5 計算機輔助工藝規(guī)劃(CAPP) 342

14.5.1 檢索型CAPP 342

14.5.2 生成型CAPP 342

14.5.3 常用的工藝規(guī)劃系統(tǒng) 343

14.6 CIM中的計劃與控制 346

14.6.1 物料需求計劃 346

14.6.2 制造資源計劃 347

14.7 生產(chǎn)能力計劃 347

14.8 數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng) 348

14.8.1 層次數(shù)據(jù)庫 348

14.8.2 關(guān)系數(shù)據(jù)庫 348

14.8.3 數(shù)據(jù)庫管理 348

14.9 CIM的實施 349

14.10 CIM實施的成本 349

參考文獻 350

第15章 CAD/CAM系統(tǒng)的實施 351

15.1 簡介 351

15.2 對CAD/CAM的誤解 351

15.3 CAD/CAM系統(tǒng)的選擇 352

15.4 實施CAD/CAM的實際利益 352

15.5 費用 353

15.6 選擇供應商 354

15.7 測試系統(tǒng) 355

15.8 CAD/CAM市場 355

參考文獻 356

附錄A 矩陣 357

A.1 定義 357

A.2 矩陣的表示與主要類型 357

A.2.1 矩陣的階數(shù) 357

A.2.2 行矩陣 357

A.2.3 列矩陣 357

A.2.4 矩形陣和方陣 358

A.2.5 單位矩陣 358

A.2.6 空矩陣 358

A.2.7 轉(zhuǎn)置矩陣 358

A.2.8 逆矩陣 358

A.2.9 正交矩陣 358

A.2.10 子式、代數(shù)余子式、伴隨矩陣 359

A.2.11 對稱矩陣 360

A.2.12 斜對稱矩陣 360

A.2.13 矩陣的跡 360

A.3 行列式 361

A.3.1 行列式的性質(zhì) 362

A.3.2 矩陣的奇異性 362

A.4 矩陣分塊 362

A.5 矩陣運算 362

A.5.1 加法 362

A.5.2 減法 363

A.5.3 乘法 363

A.6 矩陣定律 364

A.6.1 交換律 364

A.6.2 分配律 364

A.6.3 結(jié)合律 364

A.7 求逆陣的方法 364

A.7.1 求2×2矩陣的逆陣 364

A.7.2 求3×3矩陣的逆陣 365

A.8 解聯(lián)立線性方程 367

參考書目 370

2100433B

印次：1-1

裝幀：平裝

印刷日期：2006-9-30

本書的特點是通過示例來講解，即在介紹每一主題后均提供說明相關(guān)概念的例子。本書介紹的基本工程概念并不涉及具體的軟件。 在對本書介紹的某些內(nèi)容給予補充時，本書允許學生利用MATLAB來完成練習，從而使他們了解CAD的多學科性，以及書中的某些設計或分析可以用其他語言來編寫程序。之所以可以這樣做，是因為供應商使不同的系統(tǒng)之間傳輸文件已變得越來越簡單，而且在某些情況下能夠集成不同的分析工具來使學生和工程師與軟件進行交互，以滿足他們的工程需求。在變量化設計和參數(shù)化設計中確實是這樣的。在這些設計中，工程方程是某些產(chǎn)品的幾何表示與設計的核心。

本書主要用于CAD教學(雖然在有限元介紹中涉及桁架分析以外的內(nèi)容)。用一個學期的時間很難學完本書的全部內(nèi)容。授課教師應根據(jù)課程和實驗需要來選擇具體的教學內(nèi)容。例如，美國芝加哥伊利諾斯大學的CAD課程要求有實驗部分，即給學生不同的題目，用一周的時間來掌握CAD軟件(如ProE或IDEAS)的使用。最后一個實驗題目難度較大，通常需要某些形式的分析和動畫。作者希望在教學中增加有限元方面的內(nèi)容，教師不僅要講解簡單的桁架問題，而且還能夠介紹熱傳導、FEM基本原理以及振動方面的內(nèi)容，以拓寬分析范圍。這樣可以使高年級學生通過將他們所學的大多數(shù)知識相結(jié)合來學習FEM，同時還可以說明借助于功能強大的FEM技術(shù)所能夠完成的工作。對本科生和一年級研究生采用這種教學模式非常成功，因為他們能夠通過本教科書來學習分析中涉及的基本概念，以便能夠利用諸如ANSYS、IDEAS、CATIA等有限元工具進行工程分析。

本書共分15章，內(nèi)容包括設計、三維變換與幾何處理、表面創(chuàng)建、實體造型、優(yōu)化、有限元、機器人經(jīng)濟學以及CAD實現(xiàn)等內(nèi)容。

第1章介紹CAD技術(shù)的發(fā)展歷史，并介紹了在 程環(huán)境中應用的虛擬現(xiàn)實技術(shù)。第2章介紹了設計過程中的不同階段，并提供了說明如何完成這些階段的許多實例。本章的特點是介紹了參數(shù)化設計和變量化設計的概念。書中強調(diào)了要盡可能采用這些技術(shù)，因為在不遠的將來，它們有可能成為標準。當通過CAD系統(tǒng)參與設計和制造過程以解決問題描述、綜合、概念化以及分析方面的問題時，人和機器相結(jié)合是一個有效的工具。當學生對CAD技術(shù)有基本的了解后，就可以學習第2章的內(nèi)容。建議教師和讀者花一些時間來學習第2章中的例子，并創(chuàng)建自己的例子來體會這些工具的優(yōu)點。

第3章介紹二維變換、三維變換以及幾何處理，并對二維圖像和三維圖像進行了深入的分析。第4章介紹樣條曲線、參數(shù)化和非參數(shù)化曲線以及Bezier曲線和曲面。本章提供了一些例子來幫助學生掌握各個概念的應用。根據(jù)學生的掌握程度，可以省略或簡要介紹其中的一些內(nèi)容。

第5章介紹實體造型的概念以及造型時需要的各種構(gòu)造技術(shù)與表示方法。學生可以通過在實驗室利用CAD創(chuàng)建實體模型來掌握其中的某些概念。

第6章介紹各種優(yōu)化技術(shù)，并介紹一些基本概念來說明如何建立目標函數(shù)、定義合適的約束條件以及選擇分析工具來解決問題。本章重點是常用的優(yōu)化技術(shù)，因此高年級本科生和一年級研究生會熟悉這些技術(shù)的使用。

第7章~第10章為低年級和高年級學生介紹有限元方法。書中介紹的內(nèi)容并不涉及繁瑣的微積分，這也是本書的一大特點。如果課程教學的重點是分析，那么可以介紹這全部4章的內(nèi)容，否則可以有選擇地介紹FEM。可以介紹的內(nèi)容有應力分析、熱傳導、動態(tài)分析以及振動，或者只是介紹第7章給出的FEM基本公式。這些章節(jié)中介紹的例子解決的均是實際問題，這有助于培養(yǎng)學生對FEM的濃厚興趣。

第11章~第15章介紹計算機輔助制造，重點介紹學生感興趣的內(nèi)容，如機器人與經(jīng)濟影響、成組技術(shù)、計算機集成制造。這些是集成CAD和CAM時需要掌握的內(nèi)容。

本書適用于高低年級本科生以及對計算機輔助設計知之甚少的一年級研究生。本書假設學生已有一些編程經(jīng)驗，并且在大學一年級的制圖課程學習中對CAD的基本概念有所了解。本書適用于滿足其專業(yè)要求的大學本科生。通過學習本書，學生能夠掌握各種設計技術(shù)(如參數(shù)化設計和變量化設計)，并能夠?qū)EM的工作原理和如何將FEM用于各種工程應用有更好的了解。

計算機輔助設計與制造

本書共12章，主要介紹計算機輔助設計與本書共12章，主要介紹計算機輔助設計與制造基本理論和基礎知識；工程數(shù)據(jù)的處理；圖形技術(shù)基礎；幾何造型系統(tǒng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；幾何造型技術(shù)；隱藏線和隱藏面的處理；自由曲線與曲面CAD；計算機輔助工藝過程（CAPP）技術(shù)基礎；計算機輔助工程（CAE）技術(shù)基礎；計算機輔助制造；CAD/CAM集成技術(shù)；逆向工程與快速原型制造等。

本教材內(nèi)容系統(tǒng)、完整、結(jié)構(gòu)清晰，既包含了經(jīng)典的理論基礎知識，也反映了近年來計算機輔助設計與制造技術(shù)發(fā)展的新動向。本書可作為高等工科院校機械類專業(yè)教材，也可作為函授相關(guān)專業(yè)教材和教學參考書，也可供從事計算機輔助設計與制造、計算機集成制造和現(xiàn)代制造系統(tǒng)的工程技術(shù)人員參考。