計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造（第2版）圖書前言

本書的特點(diǎn)是通過(guò)示例來(lái)講解，即在介紹每一主題后均提供說(shuō)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(duì)本書介紹的某些內(nèi)容給予補(bǔ)充時(shí)，本書允許學(xué)生利用MATLAB來(lái)完成練習(xí)，從而使他們了解CAD的多學(xué)科性，以及書中的某些設(shè)計(jì)或分析可以用其他語(yǔ)言來(lái)編寫程序。之所以可以這樣做，是因?yàn)楣?yīng)商使不同的系統(tǒng)之間傳輸文件已變得越來(lái)越簡(jiǎn)單，而且在某些情況下能夠集成不同的分析工具來(lái)使學(xué)生和工程師與軟件進(jìn)行交互，以滿足他們的工程需求。在變量化設(shè)計(jì)和參數(shù)化設(shè)計(jì)中確實(shí)是這樣的。在這些設(shè)計(jì)中，工程方程是某些產(chǎn)品的幾何表示與設(shè)計(jì)的核心。

本書主要用于CAD教學(xué)(雖然在有限元介紹中涉及桁架分析以外的內(nèi)容)。用一個(gè)學(xué)期的時(shí)間很難學(xué)完本書的全部?jī)?nèi)容。授課教師應(yīng)根據(jù)課程和實(shí)驗(yàn)需要來(lái)選擇具體的教學(xué)內(nèi)容。例如，美國(guó)芝加哥伊利諾斯大學(xué)的CAD課程要求有實(shí)驗(yàn)部分，即給學(xué)生不同的題目，用一周的時(shí)間來(lái)掌握CAD軟件(如ProE或IDEAS)的使用。最后一個(gè)實(shí)驗(yàn)題目難度較大，通常需要某些形式的分析和動(dòng)畫。作者希望在教學(xué)中增加有限元方面的內(nèi)容，教師不僅要講解簡(jiǎn)單的桁架問(wèn)題，而且還能夠介紹熱傳導(dǎo)、FEM基本原理以及振動(dòng)方面的內(nèi)容，以拓寬分析范圍。這樣可以使高年級(jí)學(xué)生通過(guò)將他們所學(xué)的大多數(shù)知識(shí)相結(jié)合來(lái)學(xué)習(xí)FEM，同時(shí)還可以說(shuō)明借助于功能強(qiáng)大的FEM技術(shù)所能夠完成的工作。對(duì)本科生和一年級(jí)研究生采用這種教學(xué)模式非常成功，因?yàn)樗麄兡軌蛲ㄟ^(guò)本教科書來(lái)學(xué)習(xí)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(jìn)行工程分析。

本書共分15章，內(nèi)容包括設(shè)計(jì)、三維變換與幾何處理、表面創(chuàng)建、實(shí)體造型、優(yōu)化、有限元、機(jī)器人經(jīng)濟(jì)學(xué)以及CAD實(shí)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(yīng)用的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)。第2章介紹了設(shè)計(jì)過(guò)程中的不同階段，并提供了說(shuō)明如何完成這些階段的許多實(shí)例。本章的特點(diǎn)是介紹了參數(shù)化設(shè)計(jì)和變量化設(shè)計(jì)的概念。書中強(qiáng)調(diào)了要盡可能采用這些技術(shù)，因?yàn)樵诓贿h(yuǎn)的將來(lái)，它們有可能成為標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)通過(guò)CAD系統(tǒng)參與設(shè)計(jì)和制造過(guò)程以解決問(wèn)題描述、綜合、概念化以及分析方面的問(wèn)題時(shí)，人和機(jī)器相結(jié)合是一個(gè)有效的工具。當(dāng)學(xué)生對(duì)CAD技術(shù)有基本的了解后，就可以學(xué)習(xí)第2章的內(nèi)容。建議教師和讀者花一些時(shí)間來(lái)學(xué)習(xí)第2章中的例子，并創(chuàng)建自己的例子來(lái)體會(huì)這些工具的優(yōu)點(diǎn)。

第3章介紹二維變換、三維變換以及幾何處理，并對(duì)二維圖像和三維圖像進(jìn)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(lái)幫助學(xué)生掌握各個(gè)概念的應(yīng)用。根據(jù)學(xué)生的掌握程度，可以省略或簡(jiǎn)要介紹其中的一些內(nèi)容。

第5章介紹實(shí)體造型的概念以及造型時(shí)需要的各種構(gòu)造技術(shù)與表示方法。學(xué)生可以通過(guò)在實(shí)驗(yàn)室利用CAD創(chuàng)建實(shí)體模型來(lái)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(lái)說(shuō)明如何建立目標(biāo)函數(shù)、定義合適的約束條件以及選擇分析工具來(lái)解決問(wèn)題。本章重點(diǎn)是常用的優(yōu)化技術(shù)，因此高年級(jí)本科生和一年級(jí)研究生會(huì)熟悉這些技術(shù)的使用。

第7章~第10章為低年級(jí)和高年級(jí)學(xué)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(diǎn)。如果課程教學(xué)的重點(diǎn)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(yīng)力分析、熱傳導(dǎo)、動(dòng)態(tài)分析以及振動(dòng)，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(shí)際問(wèn)題，這有助于培養(yǎng)學(xué)生對(duì)FEM的濃厚興趣。

第11章~第15章介紹計(jì)算機(jī)輔助制造，重點(diǎn)介紹學(xué)生感興趣的內(nèi)容，如機(jī)器人與經(jīng)濟(jì)影響、成組技術(shù)、計(jì)算機(jī)集成制造。這些是集成CAD和CAM時(shí)需要掌握的內(nèi)容。

本書適用于高低年級(jí)本科生以及對(duì)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)知之甚少的一年級(jí)研究生。本書假設(shè)學(xué)生已有一些編程經(jīng)驗(yàn)，并且在大學(xué)一年級(jí)的制圖課程學(xué)習(xí)中對(duì)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(xué)本科生。通過(guò)學(xué)習(xí)本書，學(xué)生能夠掌握各種設(shè)計(jì)技術(shù)(如參數(shù)化設(shè)計(jì)和變量化設(shè)計(jì))，并能夠?qū)EM的工作原理和如何將FEM用于各種工程應(yīng)用有更好的了解。

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

印次：1-1

裝幀：平裝

印刷日期：2006-9-30

第1章 數(shù)字計(jì)算機(jī)的發(fā)展歷史 1

1.1 簡(jiǎn)介 1

1.2 計(jì)算機(jī)歷史 1

1.3 計(jì)算機(jī)的分類 4

1.4 計(jì)算機(jī)硬件 6

1.5 編程語(yǔ)言 6

1.5.1 低級(jí)語(yǔ)言 6

1.5.2 高級(jí)語(yǔ)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(jì)算機(jī)在未來(lái)的作用 12

參考文獻(xiàn) 15

第2章 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì) 17

2.1 簡(jiǎn)介 17

2.2 傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法 17

2.3 設(shè)計(jì)過(guò)程描述 18

2.3.1 問(wèn)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(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì) 24

2.4.1 繪圖與設(shè)計(jì) 24

2.4.2 線框造型 25

2.4.3 幾何造型 25

2.5 參數(shù)化設(shè)計(jì)與變量化設(shè)計(jì) 26

2.5.1 參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng) 26

2.5.2 變量化設(shè)計(jì)系統(tǒng) 30

2.6 工程分析與CAD 36

2.6.1 解析法 36

2.6.2 實(shí)驗(yàn)法 38

2.7 計(jì)算機(jī)輔助工程(CAE) 40

2.8 CAE中的集成數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng) 41

2.9 CAE產(chǎn)品開發(fā) 42

2.10 CAE實(shí)現(xiàn) 42

2.11 基于模擬的設(shè)計(jì) 43

參考文獻(xiàn) 46

第3章 對(duì)象的變換與處理 48

3.1 簡(jiǎn)介 48

3.2 變換矩陣 50

3.3 二維變換 50

3.4 繞原點(diǎn)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(diǎn)旋轉(zhuǎn) 56

3.11 二維反射 59

3.11.1 相對(duì)于任意點(diǎn)反射 60

3.11.2 相對(duì)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(duì)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(cè)投影 81

3.20 等軸測(cè)投影 85

參考文獻(xiàn) 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(jìn)行非線性曲線擬合 94

4.3 用高次多項(xiàng)式進(jìn)行曲線擬合 96

4.4 Chebyshev多項(xiàng)式擬合 98

4.5 離散系統(tǒng)的傅立葉級(jí)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(yīng)用軟件 125

參考文獻(xiàn) 129

第5章 實(shí)體造型 130

5.1 簡(jiǎn)介 130

5.2 實(shí)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(dòng)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(shí) 133

5.3 表示方案 133

5.3.1 實(shí)例化法 133

5.3.2 邊界表示法 134

5.3.3 構(gòu)造實(shí)體幾何法 135

5.3.4 網(wǎng)格分解法 137

5.4 實(shí)體造型的應(yīng)用 139

參考文獻(xiàn) 144

第6章 優(yōu)化技術(shù) 146

6.1 簡(jiǎn)介 146

6.2 系統(tǒng)建模 146

6.3 設(shè)計(jì)優(yōu)化 149

6.3.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)的表述 149

6.3.2 設(shè)計(jì)參數(shù) 149

6.3.3 約束 149

6.3.4 評(píng)價(jià) 150

6.4 最優(yōu)設(shè)計(jì)概念 151

6.5 無(wú)約束優(yōu)化 152

6.6 有約束優(yōu)化問(wèn)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(xiàn) 172

第7章 有限元法介紹 174

7.1 簡(jiǎn)介 174

7.2 有限元法的基本概念 175

7.3 勢(shì)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(xiàn) 191

第8章 桁架——有限元法 193

8.1 桁架分析簡(jiǎn)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(wèn)題的解 201

8.6 局部力的計(jì)算 204

8.7 應(yīng)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(xiàn) 215

第9章 熱傳導(dǎo)分析——有限元法 216

9.1 簡(jiǎn)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(dǎo)分析 226

9.5 N單元整體剛度矩陣 228

9.6 二維熱傳導(dǎo)分析 231

9.7 單元傳導(dǎo)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(xiàn) 249

第10章 動(dòng)態(tài)分析——有限元法 251

10.1 簡(jiǎn)介 251

10.2 單元?jiǎng)偠群唾|(zhì)量矩陣 251

10.3 軸向變形 253

10.3.1 運(yùn)動(dòng)的一單元方程 253

10.3.2 運(yùn)動(dòng)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(wèn)題 265

10.10 模態(tài)分析 269

參考文獻(xiàn) 275

第11章 工業(yè)機(jī)器人 277

11.1 簡(jiǎn)介 277

11.2 機(jī)器人的結(jié)構(gòu) 278

11.2.1 機(jī)械手 278

11.2.2 控制器 280

11.2.3 動(dòng)力部分 281

11.3 機(jī)器人編程 282

11.3.1 聯(lián)機(jī)編程 282

11.3.2 脫機(jī)編程 283

11.4 編程語(yǔ)言 283

11.5 機(jī)器人的傳感系統(tǒng) 286

11.5.1 機(jī)器人傳感器的分類 287

11.5.2 視覺(jué)系統(tǒng) 288

11.5.3 其他傳感器 289

11.6 機(jī)械爪設(shè)計(jì)基礎(chǔ) 290

11.7 機(jī)器人在空間的定位 292

11.8 定義機(jī)器人的工作空間 295

11.9 機(jī)器人與計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì) 297

參考文獻(xiàn) 300

第12章 機(jī)器人經(jīng)濟(jì)學(xué) 301

12.1 簡(jiǎn)介 301

12.2 經(jīng)濟(jì)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(yīng)用機(jī)器人的合理性論證 304

12.4 機(jī)器人應(yīng)用 308

12.4.1 焊接 308

12.4.2 噴漆和拋光 309

12.4.3 為設(shè)備裝料 310

12.4.4 裝配 310

12.4.5 機(jī)械加工 311

12.5 機(jī)器人的選擇與實(shí)施 312

參考文獻(xiàn) 313

第13章 成組技術(shù) 314

13.1 簡(jiǎn)介 314

13.2 零件的分類與編碼 314

13.2.1 零件簇 314

13.2.2 設(shè)計(jì)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(gè)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(jī)床的排列 325

13.5 計(jì)算機(jī)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(diǎn) 332

參考文獻(xiàn) 333

第14章 計(jì)算機(jī)集成制造 336

14.1 簡(jiǎn)介 336

14.2 CIM的目標(biāo) 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(dòng)化協(xié)議(MAP) 341

14.5 計(jì)算機(jī)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(jì)劃與控制 346

14.6.1 物料需求計(jì)劃 346

14.6.2 制造資源計(jì)劃 347

14.7 生產(chǎn)能力計(jì)劃 347

14.8 數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng) 348

14.8.1 層次數(shù)據(jù)庫(kù) 348

14.8.2 關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù) 348

14.8.3 數(shù)據(jù)庫(kù)管理 348

14.9 CIM的實(shí)施 349

14.10 CIM實(shí)施的成本 349

參考文獻(xiàn) 350

第15章 CAD/CAM系統(tǒng)的實(shí)施 351

15.1 簡(jiǎn)介 351

15.2 對(duì)CAD/CAM的誤解 351

15.3 CAD/CAM系統(tǒng)的選擇 352

15.4 實(shí)施CAD/CAM的實(shí)際利益 352

15.5 費(fèi)用 353

15.6 選擇供應(yīng)商 354

15.7 測(cè)試系統(tǒng) 355

15.8 CAD/CAM市場(chǎng) 355

參考文獻(xiàn) 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(duì)稱矩陣 360

A.2.12 斜對(duì)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(yùn)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

計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造

本書共12章，主要介紹計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與本書共12章，主要介紹計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造基本理論和基礎(chǔ)知識(shí)；工程數(shù)據(jù)的處理；圖形技術(shù)基礎(chǔ)；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(jì)算機(jī)輔助工藝過(guò)程（CAPP）技術(shù)基礎(chǔ)；計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）技術(shù)基礎(chǔ)；計(jì)算機(jī)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(chǔ)知識(shí)，也反映了近年來(lái)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造技術(shù)發(fā)展的新動(dòng)向。本書可作為高等工科院校機(jī)械類專業(yè)教材，也可作為函授相關(guān)專業(yè)教材和教學(xué)參考書，也可供從事計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造、計(jì)算機(jī)集成制造和現(xiàn)代制造系統(tǒng)的工程技術(shù)人員參考。