计算机辅助设计与制造（第2版）图书前言

本书的特点是通过示例来讲解，即在介绍每一主题后均提供说明相关概念的例子。本书介绍的基本工程概念并不涉及具体的软件。 在对本书介绍的某些内容给予补充时，本书允许学生利用MATLAB来完成练习，从而使他们了解CAD的多学科性，以及书中的某些设计或分析可以用其他语言来编写程序。之所以可以这样做，是因为供应商使不同的系统之间传输文件已变得越来越简单，而且在某些情况下能够集成不同的分析工具来使学生和工程师与软件进行交互，以满足他们的工程需求。在变量化设计和参数化设计中确实是这样的。在这些设计中，工程方程是某些产品的几何表示与设计的核心。

本书主要用于CAD教学(虽然在有限元介绍中涉及桁架分析以外的内容)。用一个学期的时间很难学完本书的全部内容。授课教师应根据课程和实验需要来选择具体的教学内容。例如，美国芝加哥伊利诺斯大学的CAD课程要求有实验部分，即给学生不同的题目，用一周的时间来掌握CAD软件(如ProE或IDEAS)的使用。最后一个实验题目难度较大，通常需要某些形式的分析和动画。作者希望在教学中增加有限元方面的内容，教师不仅要讲解简单的桁架问题，而且还能够介绍热传导、FEM基本原理以及振动方面的内容，以拓宽分析范围。这样可以使高年级学生通过将他们所学的大多数知识相结合来学习FEM，同时还可以说明借助于功能强大的FEM技术所能够完成的工作。对本科生和一年级研究生采用这种教学模式非常成功，因为他们能够通过本教科书来学习分析中涉及的基本概念，以便能够利用诸如ANSYS、IDEAS、CATIA等有限元工具进行工程分析。

本书共分15章，内容包括设计、三维变换与几何处理、表面创建、实体造型、优化、有限元、机器人经济学以及CAD实现等内容。

第1章介绍CAD技术的发展历史，并介绍了在 程环境中应用的虚拟现实技术。第2章介绍了设计过程中的不同阶段，并提供了说明如何完成这些阶段的许多实例。本章的特点是介绍了参数化设计和变量化设计的概念。书中强调了要尽可能采用这些技术，因为在不远的将来，它们有可能成为标准。当通过CAD系统参与设计和制造过程以解决问题描述、综合、概念化以及分析方面的问题时，人和机器相结合是一个有效的工具。当学生对CAD技术有基本的了解后，就可以学习第2章的内容。建议教师和读者花一些时间来学习第2章中的例子，并创建自己的例子来体会这些工具的优点。

第3章介绍二维变换、三维变换以及几何处理，并对二维图像和三维图像进行了深入的分析。第4章介绍样条曲线、参数化和非参数化曲线以及Bezier曲线和曲面。本章提供了一些例子来帮助学生掌握各个概念的应用。根据学生的掌握程度，可以省略或简要介绍其中的一些内容。

第5章介绍实体造型的概念以及造型时需要的各种构造技术与表示方法。学生可以通过在实验室利用CAD创建实体模型来掌握其中的某些概念。

第6章介绍各种优化技术，并介绍一些基本概念来说明如何建立目标函数、定义合适的约束条件以及选择分析工具来解决问题。本章重点是常用的优化技术，因此高年级本科生和一年级研究生会熟悉这些技术的使用。

第7章~第10章为低年级和高年级学生介绍有限元方法。书中介绍的内容并不涉及繁琐的微积分，这也是本书的一大特点。如果课程教学的重点是分析，那么可以介绍这全部4章的内容，否则可以有选择地介绍FEM。可以介绍的内容有应力分析、热传导、动态分析以及振动，或者只是介绍第7章给出的FEM基本公式。这些章节中介绍的例子解决的均是实际问题，这有助于培养学生对FEM的浓厚兴趣。

第11章~第15章介绍计算机辅助制造，重点介绍学生感兴趣的内容，如机器人与经济影响、成组技术、计算机集成制造。这些是集成CAD和CAM时需要掌握的内容。

本书适用于高低年级本科生以及对计算机辅助设计知之甚少的一年级研究生。本书假设学生已有一些编程经验，并且在大学一年级的制图课程学习中对CAD的基本概念有所了解。本书适用于满足其专业要求的大学本科生。通过学习本书，学生能够掌握各种设计技术(如参数化设计和变量化设计)，并能够对FEM的工作原理和如何将FEM用于各种工程应用有更好的了解。

本书叙述清晰、简明，并提供了众多示例，使学生和工程师们能够更好地掌握书中介绍的内容。

印次：1-1

装帧：平装

印刷日期：2006-9-30

第1章 数字计算机的发展历史 1

1.1 简介 1

1.2 计算机历史 1

1.3 计算机的分类 4

1.4 计算机硬件 6

1.5 编程语言 6

1.5.1 低级语言 6

1.5.2 高级语言 6

1.6 CAD的历史 7

1.6.1 CAD图形生成器 11

1.6.2 CAD程序的目的 11

1.6.3 CAD软件的绘图功能 12

1.7 计算机在未来的作用 12

参考文献 15

第2章 计算机辅助设计 17

2.1 简介 17

2.2 传统设计方法 17

2.3 设计过程描述 18

2.3.1 问题定义 19

2.3.2 概念化 19

2.3.3 综合 20

2.3.4 分析 20

2.4 计算机辅助设计 24

2.4.1 绘图与设计 24

2.4.2 线框造型 25

2.4.3 几何造型 25

2.5 参数化设计与变量化设计 26

2.5.1 参数化设计系统 26

2.5.2 变量化设计系统 30

2.6 工程分析与CAD 36

2.6.1 解析法 36

2.6.2 实验法 38

2.7 计算机辅助工程(CAE) 40

2.8 CAE中的集成数据库管理系统 41

2.9 CAE产品开发 42

2.10 CAE实现 42

2.11 基于模拟的设计 43

参考文献 46

第3章 对象的变换与处理 48

3.1 简介 48

3.2 变换矩阵 50

3.3 二维变换 50

3.4 绕原点任意旋转 52

3.5 以不同角度旋转 52

3.6 组合变换 53

3.7 二维平移 53

3.8 向二维平面投影 54

3.9 恒等比例变换 55

3.10 绕任意点旋转 56

3.11 二维反射 59

3.11.1 相对于任意点反射 60

3.11.2 相对于任意轴反射 61

3.12 三维变换 62

3.13 三维比例变换 63

3.14 对象的三维旋转 65

3.14.1 绕y轴旋转 67

3.14.2 绕z轴旋转 67

3.14.3 绕x轴旋转30o 68

3.14.4 绕y轴旋转30o 69

3.14.5 绕z轴旋转30o 69

3.15 三维反射与图像镜像 70

3.16 三维平移 73

3.17 绕任意轴的三维旋转 74

3.18 三维可视化 81

3.19 正三轴测投影 81

3.20 等轴测投影 85

参考文献 90

第4章 曲线与曲面 91

4.1 直线拟合 91

4.2 用幂函数进行非线性曲线拟合 94

4.3 用高次多项式进行曲线拟合 96

4.4 Chebyshev多项式拟合 98

4.5 离散系统的傅立叶级数 100

4.6 三次样条曲线 106

4.7 三次抛物线样条曲线 107

4.8 非参数化三次样条曲线 113

4.9 边界条件 115

4.9.1 自然样条曲线 115

4.9.2 箝位样条曲线 115

4.10 Bezier曲线 116

4.11 Bezier曲线方程的微分 118

4.12 B样条曲线 119

4.13 非均匀有理B样条(NURBS)曲线 121

4.14 创建面 123

4.15 平面 123

4.16 直纹面 124

4.17 矩形面 124

4.18 旋转面 125

4.19 应用软件 125

参考文献 129

第5章 实体造型 130

5.1 简介 130

5.2 实体构造技术 130

5.2.1 布尔操作 131

5.2.2 扫略 132

5.2.3 自动创建圆角和倒角 132

5.2.4 微调 133

5.2.5 线框模型和投影的充实 133

5.3 表示方案 133

5.3.1 实例化法 133

5.3.2 边界表示法 134

5.3.3 构造实体几何法 135

5.3.4 网格分解法 137

5.4 实体造型的应用 139

参考文献 144

第6章 优化技术 146

6.1 简介 146

6.2 系统建模 146

6.3 设计优化 149

6.3.1 优化设计的表述 149

6.3.2 设计参数 149

6.3.3 约束 149

6.3.4 评价 150

6.4 最优设计概念 151

6.5 无约束优化 152

6.6 有约束优化问题 156

6.7 斐波纳契(Fibonacci)法 160

6.8 牛顿(Newton)法 166

6.9 线性规划 167

6.10 几何规划 168

6.11 其他优化技术 169

参考文献 172

第7章 有限元法介绍 174

7.1 简介 174

7.2 有限元法的基本概念 175

7.3 势能公式 183

7.4 闭式解 186

7.5 加权残值法 188

7.6 伽辽金法 189

参考文献 191

第8章 桁架——有限元法 193

8.1 桁架分析简介 193

8.2 有限元公式 193

8.3 局部刚度矩阵的特性 196

8.4 整体刚度矩阵 197

8.5 桁架问题的解 201

8.6 局部力的计算 204

8.7 应力分析 208

8.8 力与位移的关联矩阵 209

8.9 三维桁架分析 211

参考文献 215

第9章 热传导分析——有限元法 216

9.1 简介 216

9.2 一维单元 216

9.3 有限元表述 217

9.3.1 边界条件的作用 221

9.3.2 附加约束的处理 221

9.3.3 有限差分法 225

9.4 两单元杆的热传导分析 226

9.5 N单元整体刚度矩阵 228

9.6 二维热传导分析 231

9.7 单元传导矩阵 234

9.8 单元受力函数 235

9.9 FEM与优化 243

参考文献 249

第10章 动态分析——有限元法 251

10.1 简介 251

10.2 单元刚度和质量矩阵 251

10.3 轴向变形 253

10.3.1 运动的一单元方程 253

10.3.2 运动的三单元方程 254

10.4 梁的弯曲变形或横向变形 255

10.5 柏努利梁 260

10.6 力矢量 261

10.7 边界条件 263

10.8 平面梁结构 264

10.9 特征值问题 265

10.10 模态分析 269

参考文献 275

第11章 工业机器人 277

11.1 简介 277

11.2 机器人的结构 278

11.2.1 机械手 278

11.2.2 控制器 280

11.2.3 动力部分 281

11.3 机器人编程 282

11.3.1 联机编程 282

11.3.2 脱机编程 283

11.4 编程语言 283

11.5 机器人的传感系统 286

11.5.1 机器人传感器的分类 287

11.5.2 视觉系统 288

11.5.3 其他传感器 289

11.6 机械爪设计基础 290

11.7 机器人在空间的定位 292

11.8 定义机器人的工作空间 295

11.9 机器人与计算机辅助设计 297

参考文献 300

第12章 机器人经济学 301

12.1 简介 301

12.2 经济上的合理性 302

12.2.1 投资回收期 302

12.2.2 生产率回收期公式 303

12.3 应用机器人的合理性论证 304

12.4 机器人应用 308

12.4.1 焊接 308

12.4.2 喷漆和抛光 309

12.4.3 为设备装料 310

12.4.4 装配 310

12.4.5 机械加工 311

12.5 机器人的选择与实施 312

参考文献 313

第13章 成组技术 314

13.1 简介 314

13.2 零件的分类与编码 314

13.2.1 零件簇 314

13.2.2 设计检索 315

13.2.3 编码系统的结构 315

13.2.4 不同类型的代码 316

13.2.5 现有的编码系统 316

13.3 一个提出的分类系统 321

13.3.1 通用码 322

13.3.2 专用码 322

13.3.3 提出的分类系统的分类方法 322

13.4 工作单元 323

13.4.1 工作单元的类型 324

13.4.2 工作单元中机床的排列 325

13.5 计算机编码与信息检索 328

13.5.1 零件编码 328

13.5.2 信息检索 328

13.6 成组技术的优点 332

参考文献 333

第14章 计算机集成制造 336

14.1 简介 336

14.2 CIM的目标 337

14.3 企业与产品的建模 338

14.4 CIM架构 339

14.4.1 开放式系统互连模型(OSI) 340

14.4.2 制造自动化协议(MAP) 341

14.5 计算机辅助工艺规划(CAPP) 342

14.5.1 检索型CAPP 342

14.5.2 生成型CAPP 342

14.5.3 常用的工艺规划系统 343

14.6 CIM中的计划与控制 346

14.6.1 物料需求计划 346

14.6.2 制造资源计划 347

14.7 生产能力计划 347

14.8 数据库管理系统 348

14.8.1 层次数据库 348

14.8.2 关系数据库 348

14.8.3 数据库管理 348

14.9 CIM的实施 349

14.10 CIM实施的成本 349

参考文献 350

第15章 CAD/CAM系统的实施 351

15.1 简介 351

15.2 对CAD/CAM的误解 351

15.3 CAD/CAM系统的选择 352

15.4 实施CAD/CAM的实际利益 352

15.5 费用 353

15.6 选择供应商 354

15.7 测试系统 355

15.8 CAD/CAM市场 355

参考文献 356

附录A 矩阵 357

A.1 定义 357

A.2 矩阵的表示与主要类型 357

A.2.1 矩阵的阶数 357

A.2.2 行矩阵 357

A.2.3 列矩阵 357

A.2.4 矩形阵和方阵 358

A.2.5 单位矩阵 358

A.2.6 空矩阵 358

A.2.7 转置矩阵 358

A.2.8 逆矩阵 358

A.2.9 正交矩阵 358

A.2.10 子式、代数余子式、伴随矩阵 359

A.2.11 对称矩阵 360

A.2.12 斜对称矩阵 360

A.2.13 矩阵的迹 360

A.3 行列式 361

A.3.1 行列式的性质 362

A.3.2 矩阵的奇异性 362

A.4 矩阵分块 362

A.5 矩阵运算 362

A.5.1 加法 362

A.5.2 减法 363

A.5.3 乘法 363

A.6 矩阵定律 364

A.6.1 交换律 364

A.6.2 分配律 364

A.6.3 结合律 364

A.7 求逆阵的方法 364

A.7.1 求2×2矩阵的逆阵 364

A.7.2 求3×3矩阵的逆阵 365

A.8 解联立线性方程 367

参考书目 370

2100433B

计算机辅助设计与制造

本书共12章，主要介绍计算机辅助设计与本书共12章，主要介绍计算机辅助设计与制造基本理论和基础知识；工程数据的处理；图形技术基础；几何造型系统的数据结构；几何造型技术；隐藏线和隐藏面的处理；自由曲线与曲面CAD；计算机辅助工艺过程（CAPP）技术基础；计算机辅助工程（CAE）技术基础；计算机辅助制造；CAD/CAM集成技术；逆向工程与快速原型制造等。

本教材内容系统、完整、结构清晰，既包含了经典的理论基础知识，也反映了近年来计算机辅助设计与制造技术发展的新动向。本书可作为高等工科院校机械类专业教材，也可作为函授相关专业教材和教学参考书，也可供从事计算机辅助设计与制造、计算机集成制造和现代制造系统的工程技术人员参考。