内 容 简 介

本书介绍计算机辅助设计、制造通用基础软件的基本实现技术及其近期发展概况，内容包括

CAD/CAM技术的发展、参数化绘图、三维线框造型、曲面造型、实体造型、特征造型、数控加工编

程、有限元网格自动剖分、几何特性计算、机器人的几何造型与运动模拟以及集成系统的数据管理

等十一章，反映了有关领域的国内外主要研究成果以及北京航空航天大学飞行器制造教研室近十

多年来在研制CAD/CAM应用软件中的技术积累，可供机械和工程设计专业的研究生以及CAD

应用系统的软件开发和使用人员参考。

目录

第一章 CAD/CAM技术的发展

1.1CAD/CAM技术的历史地位

1.2CAD/CAM软件产业的特点

1.3CAD/CAM系统的构成

1.4X窗口

1.5面向对象程序设计

1.6产品定义数据的表达与交换标准

1.7CAD系统的计算机硬件环境

1.8CAD技术的当前发展重点

参考文献

第二章 参数化绘图

2.1工程图的扫描输入和识别

2.2参数化和变量化绘图

2.2.1非线性方程组整体求解

2.2.2作图规则匹配

2.2.3几何作图局部求解

2.2.4辅助线作图法

2.2.5交互生成参数绘图命令

2.3标准件库建库方法

2.3.1事物特性表

2.3.2标准件图形特性文件

2.3.3图形的构成

2.3.4显示方式

2.4装配图

2.5工程图管理系统

附录 飞龙81绘图语言

参考文献

第三章 三维线框造型

3.1三维形体的几何描述

3.2工作平面与工作坐标系

3.3几何元素定义

3.4线框造型模块的基本功能

3.4.1三维点的定义

3.4.2直线段的定义

3.4.3圆和圆弧段定义

3.4.4线框编辑和查询

3.4.5三维元素的捡取

3.4.6线框模型的分层管理

3.4.7线簇操作

3.5线框模型向曲面和实体模型的自动转换

3.6线框模型的构造实例

参考文献

第四章 曲面造型

4.1曲面造型概况

4.2曲面构造方法

4.2.1线性拉伸面

4.2.2直纹面

4.2.3旋转面

4.2.4扫成面

4.2.5DUCT曲面

4.2.6Geomap曲面

4.2.7应用实例

4.3曲面光顺

4.4曲面求交

4.5曲面裁剪

4.6等距曲面

4.7圆角过渡面

参考文献

第五章 实体造型

5.1实体造型技术的发展概况

5.1.1体素拼合和边界表示

5.1.2半空间法

5.1.3CSG树

5.1.4光线投射法

5.1.5欧拉操作

5.1.6八叉树表示法

5.1.7非流形可修改实体

5.1.8参数曲面实体

5.1.9小结

5.2多面体模型的拼合算法

5.2.1平面多边形的拼合运算

5.2.2三维物体拼合中的降维处理

5.2.3多面体模型的数据结构和拼合准备

5.2.4新边的左右邻面选取

5.2.5新物体的生成

5.3提高拼合运算可靠性的措施

5.4NURBS曲面实体的处理特点

参考文献

第六章 特征造型

6.1特征技术的发展概况

6.1.1特征造型的特点和作用

6.1.2特征技术的历史概况

6.1.3特征的定义准则

6.1.4特征表示的几何模型

6.1.5特征识别

6.2轴类和箱体类零件的特征造型

6.2.1零件机械加工工艺过程的设计原理

6.2.2特征造型的技术实施

6.2.3特征造型系统与CAPP的接口

参考文献

第七章 数控加工编程

7.1数控加工的应用

7.2数控加工编程系统

7.3平面内槽加工

7.4参数曲面加工的刀位计算

7.5曲面离散和刀位干涉检查

7.6车削加工编程

7.7铣削加工程序的仿真校验

参考文献

第八章 有限元网格自动剖分

8.1有限元法及其应用

8.2有限单元类型

第一章 CAD/CAM 技术的发展

1.1 CAD/C AM技术的历史地位

1989年美国评出近25年间当代十项最杰出的工程技术成就，其中第4项是CAD/

CAM。1991年3月20日，海湾战争结束后的第三个星期美国政府发表了跨世纪的国家关键

技术发展战略，列举了6大技术领域中的22项关键项目，认为这些项目对于美国的长期国家

安全和经济繁荣至关重要［1］。而CAD/CAM技术与其中的两大领域11个项目紧密相关，这就

是制造与信息、通信。制造技术为工业界生产一系列创新的、成本上有竞争能力和高质量的产

品投入市场打下基础。而信息和通信技术则以惊人的速度不断发展，改变着社会的通信、教育

和制造方法。制造技术的关键项目有柔性计算机集成制造、智能加工设备、微米级和毫米级制

造、系统管理技术；信息和通信技术包括软件、微电子学和光电子学、高性能计算和联网、高清

晰度成像显示、传感器和信号处理、数据存贮器和外围设备、计算机仿真和建模。

CAD/CAM技术为什么这样重要？因为它推动了几乎一切领域的设计革命，CAD技术的

发展和应用水平已成为衡量一个国家科技现代化和工业现代化水平的重要标志之一。CAD/

CAM技术从根本上改变了过去的手工绘图、发图、凭图纸组织整个生产过程的技术管理方

式，将它变为在图形工作站上交互设计、用数据文件发送产品定义、在统一的数字化产品模型

下进行产品的设计打样、分析计算、工艺计划、工艺装备设计、数控加工、质量控制、编印产品维

护手册、组织备件订货供应等等。所谓建立一个产品的CAD系统，首先应该理解为建立一种

新的设计和生产技术管理体制。有了这样的新体制，就可以方便地：

1.组织平行作业。产品的各个部件设计组、系统组、专业分析组、试验组、生产准备组都

可以及时从屏幕上看到产品的总体布局，及早进行各种专业协调。

2.在产品设计阶段用三维几何模型模拟零件、部件、设备的装配和安装，及早发现结构

布局和系统安装的空间干涉。

3.组织迅速有效的发图更改。德国MBB飞机公司与英国、意大利合作生产“狂风”

（Tornado）战斗机，1983年在型号管理数据库中存储了7500项用户提出的各种设计更改要

求，18000个工厂内部的更改单，8000个三国协作的各种更改通知，95000个图纸更改单，

16000个生产更改单。日本从波音飞机公司转包生产777客机，在名古屋建立数据中心，与波

音的西雅图总部联网，将777的图纸和生产要求转送富士、川崎、三菱三家公司。

4.进行产品的性能仿真。核武器的物理设计要对比上千种模型。一次核反应在微秒级

的时间内完成，温度达到几千万度，压力超过几千万大气压，只有依靠计算机数值模拟，才能从

上千种设计方案中优选出一种进行物理试验。导弹设计的发射仿真同样可以大大减少实地打

靶数量。

5.提前进行产品的外观造型设计。这点对轻工业产品尤其重要，及早让订货单位从屏幕

上评审产品的色彩、装璜和包装。

CAD的设计对象有两大类，一类是工程设计，国外简称AEC（Architecture，Engineering，

Construction）；另一类是产品设计，又分为机械产品，电气、电子产品和轻工、纺织产品。近年

来我国每年的基本建设投资都在5千亿元以上。采用CAD技术提高设计质量，缩短工程周期

可以节约建设投资2％～5％。全国有8000个工程设计单位，其中甲级设计院500个，乙级设

计院3000个。全国还有100万个中小型机械工厂。所有这些单位迟早都要采用CAD技术。由

此可见，我国有最广阔的CAD市场。

1.2 CAD/CAM 软件产业的特点

CAD属于高技术产业，它的特点是高投入、高效益、高风险。说得更简单些，它要造成垄断

优势，使别人可望而不可及，高不可攀。我国863高技术计划中提出一个十分形象的口号，就是

要“顶天立地”。“顶天”是要跟踪国外技术发展的前沿，遵循各种国际规范，在国际和国内形成

独特的优势，从学术思想到产品性能出人头地，得到国际公认；“立地”是要立足国内，结合国

情，面向国内经济建设的实际需要，在国内生根开花，在近期发挥效益。CAD/CAM软件是国

内急需的设计现代化和工厂技术改造的重要手段，它的开发更要贯彻远近结合的原则。在我

们看来，近期的应用考核尤其重要。一个需要量大、适应面广的基础应用软件如果不能在当前

生产中赢得用户的承认，就谈不上今后长远的发展。因此，首先要“立地”，才能“顶天”。

美国有世界第一的计算机软件产业，根本原因在于它有高度发达的市场经济，由此孕育出

高效的新产品开发、技术转让和商品化包装、销售、服务的成套运行机制。个别CAD公司在剧

烈的市场竞争中升沉起伏，相互兼并，但是人才和技术始终在发展壮大，通过各种形式的转

移被集中到更有活力的公司中，形成更完美实用的新一代软件。我国要创建CAD软件产业还

有艰苦漫长的路要走，因此更要认真借鉴国外成功和失败的经验教训。

我们认为应该注意以下几点：

1.全盘吸收已有的软件开发成果。国外有明确的一条经验，如果软件合用，买别人已

有成果一定比自己开发合算。美国洛克希德飞机公司在IBM主机上开发的CADAM系统，

PatHanratty在小型机上开发的AD2000CAD/CAM系统，英国ShapeData公司研制的

Romulus实体造型系统等在60年代末和70年代都卖源程序。法国达索飞机公司的CATIA系

统正是在CADAM软件的框架上迅速成长起来的，青出于蓝而胜于蓝，最后合并了

CADAM。AD2000的成果被移植到很多有名的CAD系统中，象ComputerVision公司的

CADDS，CDC 公司的ICEM，麦道公司的Unigraphics，Calma公司的DDM，以及Auto－trol

Series7000，Gerber，Graftek等，促进了这些系统的快速发展。AD2000本身也在更新，成为

Anvil5000和OmniSolid。以后，随着竞争的加剧，大公司往往连人带技术整个合并一家或几

家公司，或者几家公司联合，相互拥有对方股票。不管具体方式如何，这种软件和人才集中转

移的作法有助于加快软件成果的积累和提高，对于发展一个国家的软件产业是十分有利的。

2.把握时机不断创新。计算机技术的发展日新月异。美国的微机及工作站的价格/性能

比，1991年比十年前下降为1/300至1/400。如果加入通货膨胀因素后，实际价格/性能比只

有原来的1/1000。CAD/CAM软件的开发周期长，必须提前规划好发展目标才有可能及时跟

上硬件发展的速度以及用户需求的相应变化。在这里，因循守旧，决策错误都会造成失败。