CAD/CAM/CAE系统原理

　　本书从计算机辅助技术服务于产品整个生命周期与开发全过程的角度，按照七个知识模块的体系结构，全面系统地介绍了cad/cam/cae系统的基本概念、基本原理、实现方法和系统开发与集成技术。主要内容包括cad/cam/cae系统的基本概念和软硬件组成、图形库与图形编程基本知识、计算机辅助绘图系统、实体建模系统、非流形建模系统、三维建模的基本原理、曲线的表示与处理、曲面的表示和处理、有限元建模与分析、优化设计、数字控制、cad与cam的集成、数据交换标准step等，以及反映cad/cam/cae领域最新成果的快速原型制造和虚拟工程。
　　 本书可作为研究生和高年级本科生学习“计算机辅助设计和制造”的教材，也可供从事产品设计、计算机辅助设计、计算机辅助制造等领域的科研人员和工程技术人员参考使用。

第1章 cad/cam/cae系统导论
1.1 概述
1.2 cad，cam和cae的定义
1.3 通过数据库集成设计和制造——情景描述
1.4 用cad/cam/cae系统进行产品开发——应用实例
习题
第2章 cad/cam/cae系统的组成
2.1 硬件组成部分
2.2 硬件配置
2.3 软件组成
2.4 基于windows的cad系统
习题
第3章 图形编程的基本概念
3.1 图形库
3.2 坐标系
3.3 窗口与视区
3.4 基本输出实体
3.5 图形输入
3.6 显示列表
3.7 变换矩阵

　　翻译出版本书的初衷源于双语教学的需要，后来发现我国从20世纪80年代开始基本上没有出版过CAD/CAM领域的英文翻译版图书，于是更坚定了我出版该英文教材中文版的想法。
　　随着计算能力的显著提高以及软件在设计和制造过程中的广泛应用，CAD/CAM/CAE系统不再仅仅是产品设计的工具，也不再仅仅是传统意义上的CAD，CAM，CAE的简单集成，而具有更为广泛的含义。CAD/CAM/CAE系统已经成为产品集成开发平台的代名词，其功能在不断扩展，逐渐覆盖了产品整个生命周期，服务于产品开发的全过程，包括产品的设计、产品的数字化校核与验证、产品的生命周期管理，成为了提高企业市场响应速度和产品竞争力的重要保障。
　　本书体系结构可以分为七个知识模块。一、CAD/CAM/CAE系统的基本概念和基础知识，分别在第1章、第2章、第3章中介绍；二、CAD/CAM/CAE系统的基本原理，分别在第4章和第5章中介绍；三、CAD/CAM/CAE系统的数学实现方法与计算机图形学基础知识，分别在第6章和第7章中介绍；四、CAD/CAM/CAE系统中产品校核与验证及优化设计的原理与实现方法，分别在第8章和第9章中介绍；五、CAD/CAM/CAE系统中计算机辅助工艺设计与辅助制造的基本原理与实现方法，分别在第10章和第11章中介绍；六、CAD/CAM/CAE系统最新发展的技术与系统，分别在第12章和第13章中介绍；七、CAD/CAM/CAE系统的数据交换标准与系统集成，分别在第10章和第14章中介绍。本书具有以下主要特点：
　　1．体系结构科学合理，内容全面系统。围绕七大知识模块，从产品集成开发平台的角度，围绕“设计－校核验证－制造”三个环节系统地介绍了CAD/CAM/CAE系统的概念、原理、技术和方法。
　　2．内容新颖、条理清晰、说理透彻。本书既包括了传统CAD/CAM/CAE系统中的有关知识，也包括了CAD/CAM/CAE领域最新发展的研究成果，如快速原型制造、虚拟工程等。每一章中的知识介绍由浅入深、逐步深入，各章节之间有过渡衔接。
　　3．图文并茂、实例丰富、习题准确。本书在论述过程中，提供了大量的图表、程序代码，以使知识内容的表述更加简明扼要。同时，在每一章中还提供了大量的应用实例，以加深对理论知识的理解。结合每章习题的练习，可以进一步提高运用所学知识解决问题的能力。
　　本书可作为研究生和高年级本科生学习“计算机辅助设计与制造”、“产品开发设计与开发”等有关课程的教材，也可供从事产品设计、计算机辅助设计、计算机辅助制造等领域的科研人员和工程技术人员参考使用。
　　本书英文原版教材已被世界上许多著名大学用做本科生和研究生教材，如University of Washington，Washington State University，University of Michigan，Arizona State University，University of Maryland，Louisiana State University，Simon Fraser University，University of Regina，McMaster University，University of South Australian，Letterkenny Institute of Technology，University of the Aegean等。
　　本书是在研究生和本科生双语教学的基础上逐渐完成的。第1章至第6章由袁清珂译，第7章由冯桑译，第8章由骆少明译，第9章由唐文艳译，第10章由王海燕译，第11章由马平译，第12章至第14章和附录由张湘伟译。吕文阁、成思源、熊汉伟、高健、张晓伟、吕惠卿等分别校对并修改了第一稿的有关章节；赵斌、陈伟国、罗小美、夏博、张维、谢养等研究生参与了部分章节的翻译及文字整理和插图绘制工作。全书由袁清珂和张湘伟负责通稿校订，并通读一、二、三稿，最终修改定稿。
　　本书由殷国富、曹岩、朱虎担任审校，他们通读了第一稿、第二稿，提出了许多宝贵的意见和建议，在此向他们表示衷心的感谢。
　　作者还要感谢韩国首尔国立大学Kunwoo Lee教授、马彦昭博士、刘淼博士、吴芳英博士、Sungchan Kim博士以及韩国首尔国立大学Computer Aided Design & Analysis国家重点实验室，感谢他们在本书翻译和审校过程中提供的大力支持和帮助！最后，作者真诚地感谢所有为本书翻译、审校、出版做出贡献的各位专家、教授、学者、编辑及朋友们。
　　由于时间仓促和水平的限制，书中错误在所难免，欢迎各位专家、同仁批评指正。若发现书中错误或不妥之处，烦请告知，译者将不胜感激！译者联系方式为qkyuan@163.com。
　　袁清珂
　　2005年12月于韩国首尔国立大学
　　

　　目前，随着计算能力的显著变化以及软件在设计和生产中的广泛应用，工程人员不再只是用CAD/CAM/CAE系统进行示范，而是更多地把它应用到日常工作中。国际竞争一方面正在逐渐降低熟练劳动的可用性，另一方面又在不断加强对生产质量的重视，这样的国际竞争也同样迫使生产厂家利用CAD/CAM/CAE系统，使其设计和生产过程实现自动化。因此，工程技术学校的教师正经受着一种新的压力，即转变与设计相关课程的授课方法，以使学生们能够使用CAD/CAM/CAE系统，并掌握其在基本原理方面的知识。
　　本书的目的是为了说明CAD/CAM/CAE系统的基本原理和概念，而不是就某个特定系统的应用进行解释说明。一些人认为教会学生如何利用现有的系统，甚至是某个具体通用的系统就足够了，因为将要成为工程技术人员的学生将是这种系统的使用者而不是开发者。然而，为了能够有效地利用现有的软件，同时针对自动化设计创建有用的宏或程序，使用者不但要了解计算环境，还要知道底层的系统原理。只有具备了这些基本的原理知识，学生们才能在特定的环境下很快地掌握某个具体的系统，并充分地利用它，使它发挥最大的能效。此外，和CAD/CAM/CAE系统一起提供的那些具有代表性的手册和文献，在假定用户具备充分的理论背景的前提下，往往倾向于把重点放在用户界面和句法上。若一个用户不具备这样的知识背景，则他对系统文件中术语的理解和系统错误的处理就会非常困难。
　　本书主要写的是机械工程中的CAD/CAM/CAE系统，但是关于计算机图形方面的内容也同样会引起其他领域工程人员的兴趣。本书可以作为高年级本科生和研究生一年级课程的教材，它仅仅要求学生们具备编程、微积分、矩阵和矢量代数的知识，而不一定要有预先的CAD/CAM/CAE系统知识。这样，复杂的数学术语和解释就可以保持到最少，而与之相关的问题则会尽可能地以直观的方式来说明。因此，若某些章节放在以后再讲解，则这本书可以用来作为低年级课程的教材，而对于那些想对CAD/CAM/CAE系统有个概括性了解的工程技术人员来说，本书也可以作为参考书。
　　在写此书的过程中，笔者的目标是用适当的数据（图例）和实例来阐明基本概念，而又不涉及太多的细节内容。笔者曾经看过一些教科书，虽然在这些书中对太多细节问题进行了详细的说明，但是却没有把他们的观点表达清楚。这种对于细节的过分依赖会使整本书变得很厚，从而使学生们不能有效地使用它。对于细节问题，笔者建议学生们参考本书最后的参考文献部分，这些参考文献的选择就有这样的目的。这里尽可能只推荐与每一个问题有直接关系的原文，这样就可以使参考文献的数量保持最少。某些教科书推荐了太多的参考文献，使得学生们不堪重负。
　　第1章介绍了CAD/CAM/CAE系统在产品周期中的作用。在这一章中也给出了CAD/ CAM/CAE系统的定义，通过实例说明了这些系统在设计和生产过程中的应用。实例研究阐明了后续章节中所解释的那些基本原理是如何在使用CAD/CAM/CAE系统进行新设计和生产中发挥作用的。第2章回顾了组成CAD/CAM/CAE系统可用的硬件和软件。随着新的硬件和软件的不断出现，教师们应该更新这些章节的内容。本章可供阅读之用，而不用深入地讲解。
　　第3章介绍了不管用何种图库进行图形编程都要用到的所有概念，而不局限于某个特定的图库。但本书采用了OpenGL图库来编写示例图形程序，因为无论是在工作站中还是在个人计算机中，OpenGL图库都被当做是实际的标准库。对于任何一个对计算机图形感兴趣的人来说，本章基本上可以当做一个很好的介绍性章节。第4章回顾了大部分计算机绘图系统提供的基本命令，与第3章相同的是，这一章针对产品文档介绍了一般性概念和功能，它们适用于大部分计算机绘图系统。但是，本章所应用的示例命令都是AutoCAD中的命令，因为AutoCAD是目前最流行的绘图系统；某个具体系统的使用方法可以通过实验课掌握，以作为本课程的补充。
　　第5章介绍了几何造型系统的基本原理，也介绍了一种非流形造型系统，这是一个新兴的几何造型领域。对于学生来说某些内容太深，本书将其在附录中列出来以供专业人员参考。对于那些只对使用几何造型系统感兴趣的人来说，这些内容可以忽略。第6章、第7章涵盖了曲线和曲面的表示及处理方法。这些内容为几何造型甚至计算机辅助绘图系统奠定了数学基础。在能够满足大多数学生使用要求的同时，笔者已尽可能地压缩了曲线和曲面类型的内容。为了不使学生们迷惑，笔者已经把这些复杂的数学推导从正文移到了附录，并且已尽最大可能从工程技术人员的角度，而不是从数学研究者的角度解释了这些数学概念。
　　第8章介绍了CAE系统，阐述了有限元分析程序是如何生成的，以及有限元分析程序所必需的信息是如何从CAD系统所生成的几何模型中获得的，回顾了各种有限元自动生成的方法。第9章回顾了最优化的各种技术，详细介绍了新兴的各种最优化技术，如模拟退火算法和遗传算法。一个有限元分析和最优化相结合的实例就是相当新的结构优化概念。结构优化可以用于零件最初的概念设计，以确保它具有所期望的承载能力。
　　第10章介绍了作为CAD/CAM集成的关键技术，各种工艺过程的设计方法和软件，还介绍了成组技术的概念。成组技术能够实现零件编码，这也是自动工艺过程设计的先决条件。第11章描述了当一个部件的形状被CAD系统定义且加工方法被确定之后，如何针对数控机床编制数控加工程序。第12章介绍了一种新兴的制造技术，即快速原型，它被看做是计算机辅助制造的另一个方向。与在数控机床上进行的生产不同，在不需要复杂的工艺过程设计的情况下，这种技术可以直接利用CAD模型生成一个零件。实际上，这种技术第一次完全实现了自动化的CAD/CAM。第13章介绍了另一种新兴技术，即虚拟工程。在这种方法中，几何造型系统、计算机图形学、CAE和CAM系统都被用于产品的开发过程中。
　　第14章叙述了几种标准数据文件格式，这些数据文件格式允许不同的系统进行通信，它们对CAD/CAM/CAE系统的集成是不可缺少的。
　　本书的每一章都以一系列的问题或编程任务结束，这样做的目的是为了加深学生对本书内容的理解，其中一些题目要求学生采用自己的系统。在这种情况下，这些系统的文件可以当做本书内容的补充来使用。
　　像前面提到的那样，本书可以用做水平较低的本科生课程的教材。若是这样，附录部分的内容就可以忽略，因为这部分是从系统开发者的角度来讲的。相反，笔者建议把重点放在与CAD/CAM/CAE系统应用相关的工程上，这些工程包括实体建模、相应图纸的绘制、设计结果的有限元评估，以及用数控铣床或其他快速成型机（如激光快速成型机）生成相应的原型。若本书用于研究生的高级几何造型课程，则第1章、第2章、第4章以及第14章可以当做阅读任务，并且读者需要重视附录中的内容。
　　笔者非常感谢审阅者提出的意见和建议，这些建议毫无疑问提高了本书的质量。在此，笔者非常感谢麻省理工学院的David C. Gossard教授，在此书的规划过程中，David C. Gossard教授给予了非常重要的建议。同时，也要感谢Kyung Ho Cho教授、Young ILKim教授、Jongwon Kim教授、Woncheol Choi博士、Ha-Yong Shin博士、Suk Ju Kim先生和Jin Pyung Chung先生，感谢他们在最优化、虚拟工程、工艺过程设计、标准数据文件方面提供的相关材料。最后，感谢我的学生，特别是Junghoon Hur和Inhaeng Cho，感谢他们帮助笔者整理了本书的手稿和插图。