工程数据库设计与应用-UML软件工程组织-火龙果软件

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工程数据库设计与应用

来源：ccut.edu.cn

◇ 第七节　计算机辅助设计与制造

计算机辅助设计与制造(Computer Aided Design and Manufacturing，简记为CAD/CAM)技术是近二十多年来迅速发展、广泛应用的一门新兴综合性计算机和自动化应用技术，这项技术从根本上改变了过去从设计到产品的整个生产过程中的技术管理和工作方式，给设计和制造领域带来了深刻的变革，对实现工业和国防现代化具有重要意义。CAD/CAM技术是当前国际上科技领域的前沿课题，也是计算机集成制造系统CIMS的核心技术之一。

早期的计算机辅助设计（Computer Aided Design）主要指计算机辅助绘图（Computer Aided Drawing）：利用计算机确定和设计产品形状和尺寸，完成绘图作业的过程。

但从前面产品设计章节的讨论我们可以看出，产品的设计不是一个简单的绘图过程，它还包括分析、优化，用到很多领域的知识。所以广义上说，CAD技术应包括二维工程绘图、三维几何造型、有限元分析、数控(NC)加工、产品数据管理及其集成技术等。也就是说，为支持产品的设计，CAD技术还应该包括计算机辅助分析、辅助制造等覆盖产品设计过程的五个阶段（如图1-14所示）。

图1-14 CAD/CAM的定义范畴

计算机辅助设计与制造的意义

美国工程科学院评出近25年来全球十项最杰出的工程技术成果，其中第4项是CAD/CAM技术。1991年3月，海湾战争结束后的第三周美国政府发表了跨世纪的国家关键技术发展战略，列举了六大技术领域中的22个关键项目，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。而CAD/CAM技术与其中的二大领域、11个项目紧密相关。其中制造领域有柔性计算机集成制造、智能加工设备、微米与毫微米级制造、制造系统管理技术；在信息和通讯领域包括软件、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、数据存储和外围设备、计算机建模和仿真。CAD/CAM技术推动了几乎一切领域的设计革命，其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，将它变为在计算机上交互设计、利用数据文件在不同的系统之间发送产品定义，在数字化产品模型下进行产品的设计打样、分析计算、工艺规划、工艺装备设计、数控加工、质量控制、编制产品维护手册、组织备件订货供应等。

对于企业来讲，实施CAD/CAM系统，首先是为了改变传统的设计、生产、管理模式，建立一种新的设计、生产、营销管理体制。在这种体制下，可以为企业带来以下好处：
　1) 方便地组织并行作业，缩短产品的研制开发周期；
　2) 在产品设计阶段用三维几何模型和零件、部件、设备的装配和安装，及早地发现结构布局和系统安装中的空间干涉和碰撞；
　3) 在产品改型或重新设计时组织迅速有效的发图修改；
　4) 根据产品模型进行产品的性能仿真；
　5) 通过产品造型提前进行产品和工程的外观造型设计等。

随着微电子技术、计算机技术和软件技术的发展，CAD/CAM技术日趋成熟，并被广泛应用于机械、电子、航空、航天、汽车、船舶、建筑工程、轻工、纺织以及影视广告、装璜美工等领域；CAD/CAM技术是企业争夺市场份额和生存发展不可缺少的手段。国内外的实践证明，CAD/CAM技术对加速新产品开发，缩短设计制造周期，提高质量、节约成本，发挥着重要作用。无论是军事工业还是民用工业，无论是建设行业还是制造加工业，无论是离散生产业还是连续生产业都离不开CAD/CAM技术。现在国际上几乎所有重大工程都实行招标承包制，如果没有CAD/CAM绘制工程总体设计方案和相应的投标文档，就没有投标的资格，可以说CAD/CAM技术已成为企业进入世界市场的"入场券"。

1.7.1、CAD/CAM/CAE系统构成

CAD/CAM系统通常由硬件与系统软件、支撑软件、应用软件和技术支持与服务四部分组成。对不同行业CAD/CAM应用软件有所不同，而其他三部分区别不大。

1、硬件与系统软件

硬件平台目前主要为工作站和微机两种；相应的操作系统分为Dos、Windows、Linux和Uinx等。

工作站所配置的系统软件主要是Unix、Windows NT/2000、LINUX操作系统、X Window和Motif以及图形用户接口(GUI)开发工具、TCP/IP网络协议等。微机上所带的系统软件通常有Windows、LINUX、DOS操作系统。

微机CAD/CAM系统平台由于其开放性和性能价格比好而越来越受到广大用户的欢迎。目前，国际上多数CAD/CAM系统均推出了微机平台的版本以满足广大用户的需要，去占领更大的市场。现在从市场上购买的一台工作台或微机均能满足了CAD/CAM系统硬件和系统软件的需求，有些用户为了输入图纸和输出图纸的需要还要购买图纸扫描输入仪和绘图仪；为了数控加工的需要还要购买数控加工中心或数控加工机床，如数控铣床、数控镗床等硬件。

2、支撑软件

CAD/CAM支撑软件是建立在计算机硬件和系统软件平台之上，是由面向应用的基础公用程序、数据库及其应用接口、二次开发环境等组成，主要的功能程序模块如下所述：
　1）用户接口：提供开发CAD/CAM系统的用户界面、菜单命令、对话框等交互构件、二次开发语言。用户接口管理系统是CAD/CAM系统和操作系统及窗口系统的隔离层，它用C或C++语言编程、与操作系统有关，只要将此子系统移植到相应的操作系统下，则整个CAD/CAM系统就随之而实现了移植。
　2）交互绘图：通过对几何元素(如直线段、圆弧、自由曲线等)及字符(多字体点阵/矢量字符)的交互定位、定形、结构约束、参数化设计及动态引导和尺寸驱动等手段方便用户产生三维形体的二维线框表示和符合国标、部标及企业标准的工程图纸。该子系统是整个CAD/CAM系统的基础。
　3）产品造型：这是将线框、表面、实体和特征统一于一体的新一代造型系统。该子系统主要完成形体的描述、构造和表示功能，并提供数控加工、结构分析、优化设计所需要的形体的形状、位置数据。因此，该子系统是整个CAD/CAM系统的核心。
　4）结构分析：该子系统在上述二维、三维造型的基础上自动、半自动生成有限元网格及其属性数据，自动地或人机交互地建立有限元模型；对形体作线性或非线性有限元分析；对分析结果进行标量图、矢量图、色彩图等图表输出。
　5）优化设计：针对上述二维、三维造型的形体，实现常用零件(如齿轮、轴等)、机构(如四杆、六杆机构、工业平缝机械等)、结构(如板、壳、刚架等)及电机等部件作线性规划、非线线规划、混合离散规划和多目标规划的优化设计。
　6）数控加工：对上述二维、三维造型物体的表面，自动产生加工轨迹，进行干涉、碰撞检测，刀具管理及不同加工中心和数控加工设备的驱动，并实现加工过程的仿真模拟。
　7）工程数据管理：与设计有关的所有数据都必须存储在工程数据库中。这些数据包括：设计对象的模型、图形数据、对象的特性、描述设计过程中的状态信息以及设计文档等。由于设计的交互性和反复性，工程数据必须能快速访问大量相关数据项的复杂功能及各种模型（数据模型）的构造能力。

近年上市的CAD/CAM系统除了上述功能外，还有以下针对制造业需要的功能模块。
　1）基于特征的设计：特征设计是用易于识别的，包含加工信息的几何单元，如孔、槽、倒角等，来取代以往设计中所用的纯几何描述，如直线或圆弧等。特征是构造零件的最基本的单元要素，它既反应零件的图形信息，同时又反应零件的加工工艺特征信息，为系统的集成提供了条件。例如，对孔的设计，非特征的系统常采用圆柱体与某个实体进行集合运算来实现。对基于特征的设计系统，孔始终具有它拥有的一切特性，包括它在装配图中的参数。
　2）尺寸驱动的参数化设计：在设计过程中，用户可以有选择地定义约束模型形状的尺寸作为控制尺寸，这样通过修改模型的尺寸值便可改变模型的几何形状。参数化设计使得用户可以在若干几何形体之间建立起一些复杂的关系，以满足设计的需要。例如，用户可以建立某个圆环的内径是其外径的1/2等。
　3）约束管理：约束管理负责对设计中几何形体间的关系进行控制和管理，它是和参数化设计相关联的。它能确保设计的模型具有正确的用户所定义的关系，如平行、同轴或相切等。若某个模型具有复杂的几何关系或它是由数学公式定义的，当用户进行操作时，约束管理便能够帮助控制设计的模型，并给出相应的提示。例如，当一个轴的外径改变时，轴套的内径和相应的尺寸也会改变。
　4）相关性设计：相关性设计为设计工作提供了极大的方便。用户无论是在什么地方进行修改，系统会自动地更新与修改有关的部分或全部内容。例如，当用户在左视图上对某个尺寸进行修改，则主视图、俯视图和三维模型中相应的尺寸和形状皆会改变。反之，在三维模型设计中的修改，同样会在三视图中得到更新。
　5）NURBS几何构造技术：NURBS(Non-Uniform Rational B-Splines)即非均匀有理B样条曲线曲面，它在CAD中用来定义复杂的几何曲面。运用NURBS技术可使得系统在描述自由曲线、曲面以及精确的二次曲线、曲面上得到统一的算法和表示方式。用NURBS技术构造的曲面易于生成、修改和存储，提高了系统对曲面的构造、编辑修改能力。
　6）装配设计和管理：装配设计是指系统能同时完成产品或装配部件的设计，而不是个别的零件设计。由于牵涉到许多零件的装配关系，它需要考虑的因素较复杂。借助于上述功能，如参数化设计、约束管理等，实现装配设计是不困难的。此外，装配设计还应提供有关装配方面的管理能力，如装配零件逻辑关系、装配件干涉检查、生成装配材料表BOM(Bill Of Materials)、零件装配关系轴测图、测算装配零件的质量等。

3、应用软件

应用软件主要面向行业/专业的CAD软件

在不同的专业领域里CAD/CAM应用软件的内容各不相同。象航空领域的CAD/CAM应用软件主要包括总体方案、重量计算、飞行控制、航空电子、电气系统、液压系统、机构设计、可靠性设计、弹射坐椅、火力控制、隐身设计等。

在激烈的市场竞争中，各家公司都力求保证技术优势，决不肯轻易出售自己的CAD应用专业设计系统。这类软件必须由各行业、各企业自行开发。

一般在CAD/CAM支撑软件的基础上，结合本行业、本企业的应用特点，用二次开发工具进行再开发，并在应用过程中不断完善。

4、技术支持与服务

企业应用CAD/CAM技术仅购买软件、硬件还不完全，还不能保证发挥好CAD/CAM系统的作用，还必须得到CAD厂商的技术支持、售后服务及其产品的升级等。

国内不少企业曾经投资几百万元，引进国外的CAD/CAM硬、软件，由于国外公司的技术支持和服务不落实，使得引进的CAD/CAM系统束之高阁，浪费资金、浪费人才、浪费空间，而且使不少企业领导对上CAD/CAM产生了误解。企业在购买CAD/CAM时，有偿的技术支持和服务至少应包括以下内容。
　1) 对企业技术人员作应用CAD/CAM技术培训，要使培训人员用CAD/CAM完成一、二件实际工作，帮助企业用CAD/CAM真正取得效益；
　2) 针对企业的应用需要，完成二次、三次开发，如开发CAD/CAM标准件、常用件库，开发专用CAD软件等；
　3) CAD/CAM软件版本的不断升级：随着计算机技术的发展，硬件和系统软件的不断升级，用户水平的提高，CAD/CAM系统的平台、功能等也要不断的推出新版本和新功能；
　4) 技术支持等。

1.7.2、CAD/CAM系统构造模式

CAD/CAM系统构造的模式常见的有四种类型。

CAD/CAM系统构造的模式常见的有四种类型。
　- 总线式体系结构：CAD/CAM各子系统通过总线控制（即我们将讨论的工程数据库）实现产品数据的存取和各子系统的数据交换。
　- 以几何造型器和数据流总线为核心的体系结构，例如美国Spatial Technology公司推出的ACIS系统的体系结构。ACIS是通用的几何造型器提供形体的几何、拓扑、属性三类信息，用户的应用软件所需要的数据描述及其操作方法都封装在对象数据库中，对象间的层次关系保证了操作的一致性，而重载机制又保证了操作的可扩充性。
　- 以几何设计工具为内核的集成开发环境结构：如美国Unicad公司提供的一个以几何设计工具为内核的集成开发环境，通过该集成环境，用户修改、移植、扩充所需要的CAD/CAM功能，达到开放和用户友好的目的。
　- 开放的资源框架结构：如美国Computer Vision公司在1992年推出了向应用软件开发人员提供的开放式资源框架结构CV-DORS(Developers Open Resource Software)，该结构向用户提供了四个程序库：三维几何造型、数据存取管理、图形生成工具和用户界面。CV公司用此结构开发的CADDS 5.0 CAD/CAM系统，也为用户开发CAD/CAM应用软件提供了一个开放式的平台。

系统构造模式的几个例子：

例子1：总线式体系结构:

CADEMAS是中国航空工业总公司和德国合作在八十年中后期在Unix操作系统下，以C语言为主开发的CAD/CAM系统，其框图如图2-1所示。该系统通过总线控制产品数据的存取和对外系统的数据交换。图中的RMI(Root Modeling Interface)是用C语言编写的一个小型几何数据管理系统，采用网状数据模型，在计算机内存中运行，响应速度较快。图中的CAX是CAD、CAE和CAM的统称。

例子1：总线式体系结构:

例子2：以几何造型器为核心的体系结构:

美国Spatial Technology公司推出的ACIS系统的体系结构

例子2：以几何造型器为核心的体系结构

例子3：以几何开发工具为内核的体系结构:

美国Unicad公司提供了一个以几何设计工具为内核的集成开发环境.

例子3：以几何开发工具为内核的体系结构

例子4：开放的资源框架结构:

美国Computer Vision公司在1992年推出了向应用软件开发人员提供的开放式资源框架结构

例子4：开放的资源框架结构:

例子5：基于STEP的体系结构:

下图所示是由清华大学负责研究开发的基于STEP标准数据存取接口(SDAI)、中性文件和用户接口的CAD/CAM系统结构。这种结构基于国际标准有利于系统的开放性和可移植性，数据存取管理和用户接口易于统一。

例子5：基于STEP的体系结构:

1.7.3 CAD/CAM系统的关键技术

CAD/CAM系统从开发到应用涉及许多关键技术，归纳起来主要有以下几方面。
　　1、工程图纸的扫描输入与识别
　　2、参数化设计
　　3、三维产品建模
　　4、特征造型

工程设计图是设计院和工厂的宝贵财富，可以在新的设计项目中部分重复使用和参考。当CAD技术在一个企业内应用到相当规模后，就有迫切的愿望将过去存档的几万张乃至几十万张手工绘制的图纸与用CAD系统新生成的绘图文件汇总在一起，形成计算机管理的统一数字化图库。从80年代中期起，很多工业发达国家开始从事这一工作。最简单的方法是请人用某一种CAD系统重画一遍过去的蓝图。这样可以使图面美观统一，尺寸比例准确。但这笔费用相当可观。人们自然要努力研制高效的图纸自动扫描输入系统。最简单的扫描输入处理是用CCD摄像头将图纸上的线条和字符变换成二值的位图记录，空区用0表示，线条和字符的笔划部分用1表示。图像数据经过压缩后仍以点阵的形式存储和显示到屏幕上。用户可以交互修改图画，例如擦去多余的象素，将线条修光或者增删某些线条和标注等，然后用点阵式静电绘图机绘出新的图纸。这类系统的主要缺点是仍旧不能与用CAD系统新画的图纸做到完全兼容。

处理功能上升一级是将图像变成矢量，用笔式绘图机输出绘图。某些功能强的扫描输入装置还能进一步识别字母、数字、汉字以及标准符号，如电路图中的元件等。处理功能再上升一级，就是引入人工智能技术，使系统带有一定的智能，能在某种程度上理解图纸的内容。这方面的最终目标是能自动找出图面上的尺寸标注与被标注的几何元素间的一一对应关系，并且建立几何图形的拓扑结构，让软件根据尺寸标注值重建整幅画面，以此达到人工输图中重画一遍图纸的同样效果。现阶段将图像转变成矢量，进而将矢量变成结构化的几何图素的技术还不成熟，因此，不可能有商品化及工程图纸全自动扫描输入与识别系统。

工程图纸目前扫描输入与识别的一般步骤如下所述。
　1). 用光电元件逐行扫描线输入工程图纸，扫描的点阵密度可以从每英寸200~300点(简称dpi：dot per inch)到500甚至1000点。扫描的灰度等级最简单的只有两级，低于设定的分界值取为0，否则取1。这样一张图纸经过扫描输入后便变成由0和1组成的图像文件。为了节省磁盘存储空间，图像数据需要压缩，目前一般采用国际电报电讯咨询委员会CCITT制订的TIFF(Tag Image File Format)标志图像文件格式，与传真和电子印刷和系统的图像传输格式相统一，可以将存储数据量压缩到1/15~1/30。
　2). 去除噪声，即去除图纸上的污点、线条上的毛刺和断裂等，对线条经细化，将多点宽度的线条通过侵蚀算法缩减到一个点宽，获得图形的骨架。这样可以在几何特征基本保持不变的前提下大量地减少处理数据，使得几何关系更加明朗化；但缺点是会引起变形，并且失去了线宽信息，线条粗细对工程图是有意义的，因此有的系统不做细化处理，或在细化过程中同时提取线宽信息。
　3). 矢量化，即从图像中找出所有线段，然后根据各线段之间的连接关系生成直线、圆弧、虚线和曲线等。矢量化可以将原始扫描图像的数据量压缩到1/100以下。
　4). 识别箭头、字符和图形符号等。
　5). 最后进一步校正图形，修补线条，生成某一CAD系统格式的绘图文件。

在上述每一步中，都要有许多用户的交互操作，以弥补全自动处理的不完备。

2、参数化设计

在工程设计绘图过程中，设计师一般是用丁字尺、圆规、绘图板等工具按照次序依次绘制各图形对象。后绘制的图形对象是在已绘制的基础上，利用已有的尺寸、图形对象及几何关系完成的。对复杂图形对象的绘制，通常利用作辅助线和设计计算完成。这种图形的绘制过程本身就给出了图形约束关系的一种建立、求解方法。基于上述思想，产生了采用扩展的有向超图结构，建立了支持尺寸约束、几何约束和拓扑结构约束的参数化图形表示模型的方法。根据交互构造的图形对象的依赖关系建立参数化图形约束关系和求解次序，在超图中采用有向边依次连接图形对象构成求解次序。由于在图形构造的每一步都保证约束的一致性，因此，不会出现过约束或欠约束的情况。针对约束耦合程度高的循环约束情况，采用约束关系自定义机制和约束模型的递归求解机制解决。

参数化、变量化设计技术是当前CAD/CAM系统的研究热点之一，是实现工程设计智能化、自动化的重要手段。在工程设计的概念设计阶段，产品的主要尺寸、结构细节难以具体化，设计师关心的是产品的基本结构、主要尺寸关系，因此无法采用具体尺寸绘图设计。在一般CAD系统中，设计好的图形如果要取得结构、尺寸关系，只好重新绘制有关图形，这大大影响设计师的设计效率。如何在概念设计阶段支持图形尺寸、拓扑结构的变化，使设计师将精力集中在设计创意等创造性工作上，一直是CAD研究者追求的目标。能够支持约束表达、求解和动态调整已成为现代CAD系统区别于传统CAD系统的最显著的特征。

参数化、变量化技术是支持概念设计、系列化产品设计的重要方法。参数化技术与变量化(或尺寸驱动)技术在应用和关键技术方面有一定差异。参数化技术是面向系列化产品设计建模，强调从产品设计约束上看一幅图形的哪些尺寸需要改变；哪些尺寸是依赖其他尺寸计算的以及尺寸之间的计算次序。尺寸驱动是从支持草图设计的角度出发，强调的是图形的几何约束的可满足性和几何约束关系的自动获取，一般不讨论标注尺寸之间的约束关系。目前，参数化、变量化技术主要有三类方法：
　1) 一是非线性约束方程组求解，它将图形的尺寸约束、几何约束转化为一组基于特征点的的约束方程组，然后用Newton-Raphson迭代等数值方法求解，计算出每个特征点的坐标；其主要缺点是求解问题的复杂性大，难以进行稳定可靠的求解。
　2) 二是基于符号推理的智能技术，运用经典的产生式规则或谓词表达、匹配技术，通过推理与计算，从而得到满足约束的几何图形。该方法几何知识的逻辑表达清晰。其主要缺点是搜索、匹配产生式规则计算量大，计算效率低。
　3) 三是约束传播求解法，首先约束被转换为由变量和常量构成的方程；然后构造无向图，由方程、变量和常量作为顶点，边表示方程是否与变量或常量关联。该方法从常量开始，依次检查是否可解，直到所有的方程计算完为止。该方法计算效率高，但约束过早地被转化为代数方程，忽略了约束的几何特点，难以检查、处理约束的循环依赖问题。

上述几种方法仅适用于表示图形的尺寸约束和几何约束。当图形具有复杂结构关系时，模型求解效率呈非线性下降，难以支持图形的拓扑结构(如：图中孔的个数，子部件形状等)变化和图形的嵌套。

3、三维产品建模

CAD的工作对象绝大多数是三维的，因此总的发展趋势是越来越多采用三维设计。工作对象越复杂，采用三维设计的优越性就越突出。美国波音公司1988年着手试点用CATIA软件进行波音767飞机发动机舱的三维打样，此后在波音777新机研制中全面展开应用。1991年6月报道，波音777上有一半零件用三维实体设计到50%细节，由此可以将工程设计中的图面错误预先排除掉一半。麦道飞机公司也决定用UGⅡ软件建立全机的三维数字模型。我国南昌飞机制造厂在1989~1990年研制教8新机时直接用CAD软件在屏幕上协调主起落架收放过程，取得成功。

CAD的三维模型有三种层次的建立方法，即线框、曲面和实体，分别对应于用一维的线、二维的面和三维的体来构造形体。早期的CAD系统往往分别处理以上三种造型方法，象微机上的CADKEY系统以三维线框造型为主，DUCT软件以曲面设计加工为主，ROMULUS和MEDUSA以三维实体造型为主。而当前的发展趋势，则是将三者有机结合起来，形成一个整体，在建立产品几何模型时兼用线、面、体三种设计手段。

1）. 线框造型
　(1) 工作平面与工作坐标系
　三维线框的设计工作一般都在某一空间平面上进行，后者就称工作平面。工作坐标系建立在工作平面上。线框设计要求工作平面及其相应的工作坐标系有方便灵活的定义和切换方法。三维作图时需要将工作平面依次设定在零、部件上顶面以及前后左右各个侧面和底面上，在局部平面上画二维图。
　工作坐标系的引入，增加了数据管理上的复杂性。同一组几何元素出现了相互关联的两种不同表示：工作坐标系中的二维形式和总体坐标系中的三维形式。它们的存储管理有三种可能方案。第一种是两类数据并存，这样用户便于回溯修改设计，实现参数化尺寸驱动。它的代价是采用更复杂的数据结构和管理方法。第二种方案是存储二维几何，以工作平面上的二维操作作为设计主要手段，尽量避免三维操作。因为现有的工程图都采用三视图的方式绘制，将工作平面取成与视图平面重合是十分自然的。这对某些加工编程十分有利，而且输出零件视图方便。这种方案的缺点是三维拾取较困难，用户必须进入某一几何元素的所属工作平面后才能从屏幕上指点和拾取该元素。第三种方案是统一存储三维数据，将工作平面上的二维几何随时自动变换成总体坐标系中的三维几何。这样简化了系统的数据管理，用户交互操作可以不受工作平面的约束，随时可以自由拾取所有的几何元素。当需要修改某些工作平面上的原始二维几何定义时将相关的三维几何进行逆变换，再次恢复成二维形式。
　(2) 几何元素的定义
　三维产品建模最常用的几何元素是点、线、面。在ISO STEP标准中的曲线类分为直线、二次曲线、有界曲线、曲面上的曲线和等距线等子类。二次曲线又分为圆、椭圆、双曲线和抛物线；有界曲线分为折线、B样条曲线、裁剪曲线和组合曲线。定义和生成这些几何元素在计算机内的表示需要相应的数据结构和算法。
　线框模型向曲面和实体模型自动转换的研究沿着两个方向发展。其一是从平面投影的三视图自动构造三维实体。其二是在线框上蒙面，构成面模型。这两个方向的研究难度大，理论工作多，具有重要的理论意义和实用价值。

2）. 曲面造型
　曲面造型是CAD和计算机图形学中最活跃、最关键的学科分支之一。这是因为三维形体的几何表示处处都要用到它，从飞机、汽车、船舶、叶轮的流体动力学分析，家用电器、轻工产品的工业造型设计、服装、皮鞋的三维打样和款式设计，山脉、水浪、云彩的自然景物模拟，地形、地貌、矿藏、石油分布的地理资源描述，人体外貌和内部器官的CT扫描数据三维重构，科学计算中的应力、应变、温度场、速度场的直观显示等等，无不需要强有力的曲面造型工具。在CAD领域中目前应用最广的是张量积参数曲面，这是在拓扑矩形的边界网格上利用混合(调配)函数在纵向和横向两对边界曲线间构造光滑过渡的曲面。STEP产品数据表达和交换的国际标准选用了NURBS作为几何描述的主要方法，因为NURBS曲面不但可以表示标准的解析曲面，如圆锥曲面、一般二次曲面和旋转曲面等，而且可以表示复杂的自由曲面。通过调整控制顶点和权因子，可以灵活地改变曲面的形状。个别控制顶点和权因子的调整只影响曲面形状的局部修改。B样条基函数具有计算稳定、快速的优点。NURBS曲面包含在由它的控制顶点构成的凸包内，并且可以方便地等价转换成对应的贝齐埃曲面，因此拥有贝齐埃曲面的一切优异特性。但是其他的曲面表示方法，象圆锥曲面的解析表达式等，由于应用的历史久，算法简单、成熟，同样应该充分发挥作用。三角曲面片可以适应不规则分布点的插值需要，在人体和自然景物造型、三维数据场可视化等领域的应用中占有重要地位。曲面造型在CAD/CAM中，主要研究曲面的参数化表示，曲面求交、修改、裁剪、拼接、过渡和光顺等内容。有兴趣者可参阅[1][2]。

3）. 实体造型
　早在60年代初，就提出了实体造型的概念，但由于当时理论研究和实践都不够成熟，实体造型技术发展缓慢。70年代初出现了简单的具有一定实用性的基于实体造型的CAD/CAM系统，实体造型在理论研究方面也相应取得了发展。如1973年，英国剑桥大学的布雷德(I.C. Braid)曾提出采用六种体素作为构造机械零件的积木块的方法，但仍然不能满足实体造型技术发展的需要。在实践中人们认识到，实体造型只用几何信息表示是不充分的，还需要表示形体之间相互关系、拓扑信息。到70年代后期，实体造型技术在理论、算法和应用方面逐渐成熟。进入80年代后，国内外不断推出实用的实体造型系统，在实体建模、实体机械零件设计、物性计算、三维形体的有限元分析、运动学分析、建筑物设计、空间布置、计算机辅助制造中的NC程序的生成和检验、部件装配、机器人、电影制片技术中的动画、电影特技镜头、景物模拟、医疗工程中的立体断面检查等方面得到广泛的应用。
　实体造型是以立方体、圆柱体、球体、锥体、环状体等多种基本体素为单位元素，通过集合运算(拼合或布尔运算)，生成所需要的几何形体。这些形体具有完整的几何信息，是真实而唯一的三维物体。所以，实体造型包括两部分内容：即体素定义和描述，以及体素之间的布尔运算(并、交、差)。布尔运算是构造复杂实体的有效工具。目前常用的实体表示方法主要有：边界表示法(BRep)、构造实体几何法(CSG)和扫描法。
　(1) 三维形体在计算机内的常用表示法
　对于三维几何元素或简称三维形体，最常用的表示法有两种：CSG和BRep。
　① CSG表示法：先定义一些形状比较简单的常用体素，如方块、圆柱、圆锥、球、棱柱等。然后用集合运算并、交、差把体素修改成复杂形状的形体。早期的CSG模型仅使用代数方程及半空间的概念，体素只支持多面体与二次曲面体，而不支持表面含有自由曲面的实体。整个模型是棵树结构，最终形体的表面交线与有效区域没有显式给出，不能直接用于NC加工与有限元分析等后继处理。
　② BRep表示法：用点、边、面、环以及它们之间相互的邻接关系定义三维实体，形体表面、边界线、交线等都显式给出。但是生成个别形体的过程相当复杂、不直观，不可能由用户直接操作。它的优点是能支持所有类型的曲面作为形体表面。能直接支持NC加工与有限元分析等，故其优缺点恰与CSG模型相反。后来，人们转向使用CSG与BRep的混合模型。
　③ CSG与BRep的混合模型表示法：用CSG作为高层次抽象的数据模型，用BRep作为低层次的具体表示形式。CSG树的叶子结点除了存放传统的体素的参数定义，还存放该体素的BRep表示。CSG树的中间结点表示它的各子树的运算结果。用这样的混合模型对用户来说十分直观明了，可以直接支持基于特征的参数化造型功能，而对于形体加工，分析所需要的边界、交线、表面不仅可显式表示，且能够由低层的BRep直接提供。
　(2) 三维形体的集合运算
　通常一个形体是由两个或两个以上较简单的形体(称之为体素)经过集合运算得到的集合运算子<op>包括并(è)、交(?)、差(-)。设A和B是两个用BRep表示描述的维数一致的多面体，集合运算结果形体C=A<op>B的步骤可简介如下：
　① 确定集合运算两形体之间的关系：形体边界表示BRep结构中的面、边、点之间的基本分类关系分别是"点在面上"、"点在边上"、"两点重合"、"边在面上"、"两边共线"、"两个多边形共面"等六种关系。先用数值计算确定"点在面上"的关系，其余五种关系可以根据"点在面上"关系推导出来。当这些关系发生冲突时，就用推理的方法解决冲突。
　② 进行边、体分类：对A形体上的每一条边，确定对B形体的分类关系(A在B形体内、外、上面、相交等)；同样对B形体上的每一条边，确定对A形体的分类关系。
　③ 计算多边形的交线：对于A形体上的多边形PA和B形体上的每一个多边形PB，计算它们的交线。
　④ 构造新形体C表面上的边：对于A形体上和B形体上的每一个多边形PA、PB，根据集合运算的算子收集多边形PA的边与另一个多面体表面多边形PB的交线以生成新形体C表面的边，如果多边形PA上有边被收集到新形体C的表面，则PA所有的平面将成为新形体C表面上的一个平面，多边形PA的一部分或全部则成为新形体C的一个或多个多边型。如果定义了两个形体A和B的完整边界，那么形体C的完整边界就是A和B边界各部分的总和。
　⑤ 构造多边形的面：对新形体C上的每一个面，将其边排序构成多边形面环。
　⑥ 合法性检查：检查形体C的BRep表示的合法性。

4、特征造型

80年代以来，为了满足CAD/CAM技术的集成化以及CIMS技术的发展，人们在研究直接表示诸如倒角、圆弧、圆角、孔，以及加工用到各种过渡面等形状信息和工程信息的特征造型技术。

特征是指产品描述信息的集合，并可按一定的规则分类。纯几何的实体与曲面是十分抽象的，将特征的概念引入几何造型系统的目的是为了增加实体几何的工程意义。

常用的特征信息主要包括：
　　1) 形状特征：与公称几何相关的概念；
　　2) 精度特征：可接受公称形状和大小的偏移量；
　　3) 技术特征：性能参数；
　　4) 材料特征：材料、热处理和条件等；
　　5) 装配特征：零件相关方向、相互作用面和配合关系。

其中形状特征按几何形状的构造特点可分为：通道、凹陷、凸起、过渡、面域、变形；按特征在设计中所起的作用又可把形状特征分为五类。基本类：零件的主要形状；附加类：形状局部修改特性；交特征类：基本特征和附加特征相交的性质；总体形状类：整个零件的属性；宏类：基本类的复合。

与传统的几何造型方法相比，特征造型具有如下特点：
　　1) 特征造型着眼于更好地表达产品的完整的技术和生产管理信息，为建立产品的集成信息服务。它的目的是用计算机可以理解和处理的统一的产品模型替代传统的产品设计和施工成套图纸以及技术文档，使得一个工程项目或机电产品的设计和生产准备的各个环节可以并行展开。
　　2) 它使产品设计工作在更高的层次上进行，设计人员的操作对象不再是原始的线条和体素，而是产品的功能要素，象螺纹孔、定位孔、键槽等。特征的引用体现了设计意图，使得建立的产品模型容易为别人理解和组织生产，设计的图样容易修改。设计人员可以将更多的精力用在创造性构思上。
　　3) 它有助于加强产品设计、分析、工艺准备、加工、检验各个部门间的关系，更好地将产品的设计意图贯彻到各个后续环节并且及时得到后者的意见反馈，为开发新一代基于统一产品信息模型的CAD/CAPP/CAM集成系统创造条件。

1.7.4 计算机辅助工艺

CAPP(Computer Aided Process Planning)是计算机辅助工艺设计的简称。工艺设计是生产技术准备工作的第一步，也是连接产品设计与产品制造之间的桥梁。工艺规程是进行工装设计制造和决定零件加工方法与加工路线的主要依据，它对组织生产、保证产品质量、提高劳动生产率、降低成本、缩短生产周期及改善劳动条件等都有着直接的影响，因此是生产中的关键工作。

工艺设计必须分析和处理大量信息，既要考虑产品设计图上有关结构形状、尺寸公差、材料及热处理以及批量等方面的信息，又要了解加工制造中有关加工方法、加工设备、生产条件、加工成本及工时定额，甚至传统习惯等方面的信息。

工艺设计包括查阅资料和手册，确定零件的加工方法，安排加工路线，选择设备、工装(必要时还要设计工装)、切削参数、计算工序尺寸、绘制工序图、填写工艺卡片和表格文件 … 等工作。

世界上最早研究CAPP的国家是挪威，始于1966年，并于1969年正式推出世界上第一个CAPP系统AUTOPROS，1973年正式推出商品化AUTOPROS系统。美国是60年代末70年代初开始研究CAPP的，并于1976年由CAM-I公司推出颇具影响力的CAM-I'S Automated Process Planning系统。

从60年代末CAPP的研究开始，先后出现了在设计方式上不同的两类系统，即派生式系统和创成式系统。派生式(Variant)系统已从单纯的检索式发展成为今天具有不同程度的修改、编辑和自动筛选功能的系统，融合了部分创成式的原则和方法。创成式(Generative)系统的研究与开发始于70年代中期，而且很快得到普遍重视，被认为是有前途的方法。近年来，这两类系统都在发展中不断改进提高和互相渗透，而且在传统软件技术(如传统的过程性结构和判定树、判定表等决策形式)继续应用的情况下，从80年代开始探索将人工智能、专家系统技术等应用于CAPP系统的研究和开发，研制成功了所谓基于知识的创成式CAPP系统或CAPP专家系统。近几年来，有人将人工神经元网络技术、模糊推理以及基于实例的推理等用于CAPP之中，也有人提出了CAPP系统构造工具的思想，并进行了卓有成效的实践。还有人将传统派生法、传统创成法与人工智能结合在一起，综合它们的优点，构造了所谓的混合式CAPP系统。

目前国内外已有许多上述各类系统的实例，一般是针对某类零件的专用CAPP系统，但迄今为止已得到生产实际考验和令人满意的系统还不多。我国对CAPP的研究始于80年代初，但与世界先进水平相距不远。特别是在国家863/CIMS计划的支助和推动下，近年来CAPP技术已取得很大的成绩。

集成化的CAPP系统能直接接收CAD的零件信息，工艺规划，生成有关工艺文件(必要时还可向CAD系统反馈有关工艺评价信息)，并以工艺设计结果和零件信息为依据，经过适当的后置处理，生成数控加工NC程序，从而实现CAD/CAPP/CAM的集成。

CAPP系统的分类如下所述。

图 1-15 CAPP系统的分类

1.7.5、计算机辅助制造

计算机辅助制造CAM的主要内容是数控加工编程。数控加工可以保证产品达到极高的加工精度和稳定的加工质量；操作过程容易实现自动化，生产率高；生产准备周期短，可以大量节省专用工艺装备，适应产品快速更新换代的需要；它与CAD衔接紧密，可以直接从产品的数字定义产生加工指令，保证零件具有精确的协调和互换性；产品最后用数控测量机检验，容易严格控制外形和尺寸精度。生产对象的形状越复杂，加工精度要求越高，设计更改越频繁，生产批量越小，数控加工的优越性就越容易得到发挥。

数控编程

数控编程的主要内容包括：分析零件图纸，进行工艺处理，确定工艺过程；数学处理，计算刀具中心运动轨迹，获得刀位数据；编制零件加工程序；制备控制介质；校核程序及首件试切。数控编程一般分为以下几个步骤，见图1-16。

图1-16 数控加工编程的步骤

数控加工的应用

在飞机工业中，象新机吹风模型的铣切、机翼大型壁板和梁、框、复杂连接件等整体结构件的生产、重要工艺装备的制造，都离不开数控加工。以上海飞机制造厂为麦道公司生产的MD82水平尾翼为例，数控加工零件达到90项。对于结构更复杂的机头、机翼、发动机短舱等，数控加工件的比重更要加大。在汽车行业中，带有复杂型面的各种工艺装备的加工，象车身外主模型和内主模型，外形钣金零件的冲压模，保险杠、仪表板等大型注塑模，发动机进气道、气缸水套等的铸造砂芯模，连杆、曲轴等锻模，都是数控加工发挥特殊优势的领域。

1. 分析零件图样，进行工艺处理

编程人员首先需对零件的图纸及技术要求作详细分析，明确加工的内容及要求。然后，需确定加工方案、加工工艺过程、加工路线、设计工夹具、选择刀具以及合理的切削用量等。工艺处理涉及的问题很多，数控编程人员要注意以下几点：　　　(1) 确定加工方案根据零件的几何形状特点及技术要求，选择加工设备。此时应考虑数控机床使用的合理性及经济性，并充分发挥数控机床的功能。
　(2) 正确地确定零件的装夹方法及选择夹具在数控加工中，应特别注意减少辅助时间，使用夹具要加快零件的定位和夹紧过程。夹具的结构大多比较简单。使用组合夹具有很大的优越性，生产准备周期短，标准件可以反复使用，经济效果好。另外，夹具本身应该便于在机床上安装，便于协调零件和机床坐标系的尺寸关系。
　(3) 合理地选择走刀路线应根据下面的要求选择走刀路线：
　　1) 保证零件的加工精度及表面粗糙度；
　　2) 取最佳路线，即尽量缩短走刀路线，减少空行程，提高生产率，并保证安全可靠；
　　3) 有利于数值计算，减少程序段和编程工作量。
　(4) 正确的选择对刀点数控和编程时，正确地选择对刀点是很重要的。"对刀点"就是在数控加工时，刀具相对工件运动的起点，对刀点亦称为"程序原点"。编程时，应首先选择对刀点，原则如下：
　　1) 选择对刀的位置(即程序的起点)应符合编程简单；
　　2) 对刀点在机床上容易找正，方便加工；
　　3) 加工过程便于检查；
　　4) 引起的加工误差小。
　　在工艺处理中必须正确确定切削深度和宽度、主轴转速、进给速度等。切削参数具体数值应根据数控机床使用说明书、切削原理中规定的方法并结合实践经验加以确定。
　(5) 合理选择刀具数控编程时还需正确选择刀具。根据工件的材料性能、机床的加工能力、数控加工工序的类型、切削参数以及其它与加工有关的因素来选择刀具。对刀具总的要求是：安装调整方便、刚性好、精度高、耐用度好等。

2. 数学处理

根据零件的几何形状，确定走刀路线及数控系统的功能，计算出刀具运动的轨迹，得到刀位数据。数控系统一般都具有直线与圆弧插补功能。

数控编程中误差处理亦是一个重要问题。数控编程误差由三部分组成：
　(1) 逼近误差用近似的方法逼近零件轮廓时产生的误差，又称一次逼近误差，在用直线段或圆弧段直接逼近零件轮廓以及由样条函数拟合曲线及曲面时常会发生，此时亦称拟合误差。因所拟合零件的原理形状是未知的，因此拟合误差往往难以确定。
　(2) 插补误差用样条函数拟合零件轮廓后进行加工时，必须用直线或圆弧段作二次逼近，此时产生的误差亦称插补误差。其误差根据零件的加工精度要求确定。
　(3) 圆整误差编程中数据处理、脉冲当量转换、小数圆整时产生的误差。对这个误差的处理不当会产生较大的累积误差，从而导致编程误差增大，应选择合理的圆整化方法。

　3. 编写零件加工程序
　　4. 设备控制介质及输入程序
　　5. 程序校验及首件试切

3. 编写零件加工程序 在完成上述工艺处理及数值计算后，即可编写零件加工程序。按照规定的程序格式和编程指令，逐段写出零件加工程序。

4. 设备控制介质及输入程序 过去大多数数控机床程序的输入是用穿孔纸带实现的。现在也可通过控制面板或直接通讯的方法将程序输送到数控系统中。

5. 程序校验及首件试切 在数控机床上，过去试验时以笔代替刀具，坐标纸代替工件进行空运转画图，检查机床运动轨迹与动作的正确性。现在，在具有微机的数控机床上，用显示走刀轨迹或模拟刀具和工件的切削过程直观检查更为方便。对于复杂的空间零件，则需使用石蜡、木件进行试切。首件试切不仅可查出程序是否有错误，还可知道加工精度是否符合要求。当发现错误时，或修改程序或采取尺寸补偿等措施。近来还可采用先进的数控加工仿真系统，对数控程序进行检验。

数控加工使用的机床类型很多，有钻铰类、车削类、铣削类、磨销类、线切割类、加工中心等。按照加工过程中同时控制的轴数，数控机床又分成点位式、两坐标、三坐标、以及五坐标等。两坐标联动是指机床的x、y、z三个坐标中同时控制两个坐标动作，例如x-y或x-z等。这类机床的第三个坐标只作阶段性调整，因此习惯上称作加工。三坐标联动是机床的x、y、z三个坐标轴可以同时控制，用来加工一般的曲面外形零件。切削中有时刀具轴线还需要相对于加工零件产生摆动，例如翼面的大梁有变化的斜角，坐航骨架和三元流叶轮等有更复杂的型面构造规律。刀具相对于工件绕x、y或z方向偏转的运动称作A、B、C坐标。根据加工对象的特点，可以分别以以上几种坐标的组合联动。例如x、y、z加上刀具的摆动A或转盘的旋转C，称作四坐标加工。x、y、z加上刀具的两个方向摆动A和C等称作五坐标加工。当零件的平面外形有平坦的曲率时可以近似采用四坐标加工；否则应用五坐标加工。当铣切加工皮类模胎时，如果铣刀的刀轴限制在一个平面内摆动，就属于四坐标加工；否则属于五坐标编程加工。

数控加工编程的主要任务是计算加工走刀中的刀位点(cutter location point，简称CL点)，用(x、y、z)坐标表示。多轴加工中还要给出刀轴矢量(I，J，K)。如果刀轴与机床z轴重合，刀轴矢量为(0, 0, 1)。

1.7.6、计算机辅助工程(CAE)

目前，计算机辅助工程的主要内容是有限元分析。用有限元法进行工程分析的过程包括三个阶段：
　　- 有限元模型的建立和数据输入；
　　- 用分析软件对工程进行计算；
　　- 对计算分析结果的判断和评定。

有限元法是求解复杂工程问题的一种近似数值分析方法。它的基本概念是将一个形状复杂的连续体的求解区域分解为有限个形状简单的子区域(单元)，即将一个连续体简化为由有限个单元组成的等效组合体；通过将连续体离散化，把求解连续体的场变量(应力、位移、压力和温度等)问题简化为求解有限个单元结点上的场变量值。此时求解的基本方程将是一个代数方程组，而不是原来的描述真实连续体场变量的微分方程组，得到近似的数值解。求解的近似程度取决于所采用的单元类型、数量以及对单元的插值函数。

虽然有限元法最初是用于研究飞机结构力学问题，但因它是求解数学物理方程的通用数值计算方法，所以也适用于广泛的工程技术领域，包括固体力学、流体力学、传热学和电磁学等。例如，在固体力学方面用于线性和非线性静态分析、动力分析或稳定性分析以及断裂和复合材料力学分析，求出结构的应力、位移和温度的分布以及频率特性。在流体力学方面用于不可压缩和可压缩的非粘性和粘性的流体分析，求解流场的压力、温度、密度和流速的分布。在注塑模设计中用于分析注射过程中塑料的流动和压力、温度的分布。在传热学方面用于分析热传导过程，求解热传导速度和温度的分布。有限元法特别适合解决具有复杂几何形状连续体的工程分析问题。

有限元分析过程如图1-17所示。

图1-17 有限元分析过程

国际上流行的有限元分析软件一般都带专用的前置和后置处理模块，象ADINA、ANSYS、ASKA、MSC/NASTRAN、PDA/PATRAN-G、SAP等。商品化的CAD系统由于已有功能很强的几何造型和图形显示模块，所以往往也都提供自动剖分网格功能以及若干种有限元分析软件的前后置处理接口。

◇ 第八节　CAD/CAM的集成技术

从CAD/CAM系统发展过程来看，传统系统的集成方式有以下几种：

1. 松散集成方式

如图1-18所示，各应用系统建立的产品模型各不相同，相互间的数据交换需要存在于两个系统之间。这种集成方式对于系统开发者和使用者都会带来很大的负担。集成系统中需要开发大量的用于数据交换和共享的接口，而且对这些接口的维护也需付出很大努力。如：对于一个已有n个节点的系统，其内部用于数据交换和共享的最大接口数；而增加一个新节点需增加的最大接口数。在这种系统集成方式下可能存在的最大问题是各应用系统间模型不一致，造成数据中有无法转换的部分，导致产品数据的不完整。这种方式下数据交换与共享的层次低，一般只能支持批量数据的传输。

图1-18 松散集成方式

八十年代以前的系统集成主要采用这样的方式，不同的系统之间通过前置处理器和后置处理器转换不同模型之间的数据（如下图所示）。

2、中性文件集成方式

如图1-19所示，有一个与各系统无关的中性格式，各系统数据均变成标准格式的文件，每个系统只与标准格式文件打交道，无需知道别的细节。这种方式为系统的开发者和使用者提供了较大的方便，可以减少集成系统内接口数和降低接口维护难度。如：n个节点的集成系统实现，用于数据共享与交换的最大接口数Im=2n，增加一个节点只需增加的最多接口数 DIm=2。但这种集成方式下仍需很好解决各系统间模型统一的问题，只有这样才能保证数据交换顺利进行。这种方式数据交换的作用也主要是提供批量数据的传输。

图1-19 中性文件集成方法

采用数据交换标准集成。有两个优点：
　● 第一, 减少了前后转换器的开发数目，N个不同的应用程序只需2×N个转换界面（如下图所示）。
　● 第二,中性文件结构可以采用国际数据交换标准格式，如IGES、DXF、STEP、等。

3、共享数据库集成方式

如图1-20所示，各个应用系统在统一的产品数据模型的指导下，通过数据库应用程序接口(API)存取共享产品数据库内的各种产品数据。

图1-20 共享数据库集成方式

同一对象的数据在数据库中只出现一次，各系统(应用)对它的操作的一致性由数据库保证。在这种方式下，各系统间的数据共享与交换达到很高程度，数据库提供各系统的产品数据并发存取控制，并为CIMS环境下的并行工程实现提供实现基础。这种集成方式是CAD/CAM集成系统的目标，其优点是系统能在全局统一的产品数据模型指导下集成，充分利用了数据库特别是面向对象数据库系统提供的强有力的数据建模、存贮、查询、控制等管理功能。

4. 基于STEP的系统集成方式

CAD/CAM各子系统根据全局产品数据模型确定相互间要交换数据的模式，然后再根据这一模式确定相互间交换文件的结构，再在文件结构的指导下编制STEP文件前、后处理器。STEP文件前、后处理器的编制则以STEP交换文件格式为根据。

这里根据STEP的三种实现方法，提出了三种基于STEP的CAD/CAM集成方法

STEP交换文件实现方式是STEP实现方式中一种比较方便、成熟、简单的数据交换机制。在这种集成方式下，各应用系统通过STEP文件交换数据，如下图所示。

在交换文件结构中数据段中的实例数据的格式则必须由交换数据的模式确定，并且必须遵循EXPRESS描述到交换文件结构的映射规则。从EXPRESS模型，到交换文件结构，到前、后处理器生成过程用IDEF0图表示如图2(a)；而集成系统中数据交换过程见图2(b)所示的IDEF0图。

基于STEP交换文件实现的CAD/CAM系统集成的主要工作在于EXPRESS模型向STEP交换文件结构的转化，以及系统中应用系统的前、后处理器的建立与维护。

(2) 基于STEP的SDAI实现CAD/CAM集成方式

基于标准数据存取接口SDAI的CAD/CAM系统集成方式如图3所示。在这种方式下应用系统通过程序接口层的SDAI操作与底层数据打交道，实现数据的共享与交换。

这一集成方式，其核心仍然是全局的、统一的产品数据模型(由EXPRESS描述)，这一模型支配着各应用程序的数据需求模型并指导着各应用系统的基于SDAI的数据输入、输出接口的生成。

(3) 基于STEP共享数据库的集成方式

基于STEP的共享数据库集成方式如图3所示，集成的主要工作仍然是建立全局共享产品数据模型及编制各应用系统的数据共享与交换接口。

STEP已将共享数据库定为其实现方法的一种，这也是数据库技术，特别是面向对象数据技术迅速发展至今的必然结果，STEP也正是利用数据库的诸多优点，将这一实现方式视为其最高实现方式。STEP的共享数据库实现方法的相应标准尚在制订之中，但遵循STEP体系不难想像，这一实现方法的目的是要在应用系统和底层数据库之间建立一个标准化接口，这个接口提供了符合STEP标准的数据管理功能，并将应用与具体数据库形式独立开来。

对于应用系统而言，要求共享数据库实现提供的最主要功能是数据建模功能和数据操作功能。数据建模功能是在数据库内为应用系统建立一个数据模型；数据操作功能则提供具体操作给应用系统，如一般对象的创建、删除、修改、查询等。而EXPRESS语言将成为这一实现的首选建模语言。

◇ 第九节　为何要研究工程数据库

　随着计算机技术的进步，在工程领域的应用迅速发展，特别是计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）、计算机辅助工程（CAE）以及计算机集成制造系统（CIMS）技术的发展，工程数据库管理已变得日益重要，并且与一般商用数据库管理系统的差异越来越大。因此，研究和发展工程数据库管理系统（EDBMS:Engineering DataBase Management System）是计算机应用的一个重要技术发展方面，它具有极为重要的理论意义和实用价值。

工程数据库管理系统的研究从八十年代初开始热门，当时主要是解决有关工程对象的复杂表示和数据库的建模能力、长事务管理、大容量数据存取、复杂对象的快速存取和对象之间的关系导航等，满足计算机辅助设计特别是计算机集成制造系统中各种单元系统集成的需要。但随着面向对象技术的发展、传统数据库技术的进步和工程应用的发展。工程数据库研究的重点从九十年代初开始就从工程数据库管理系统的角度研究转移到工程应用的建模和表达上，并且如何的将各种工程语义模型通过一定的工具与手段转变成数据库的组织模型。

在讨论数据库及其技术之前，我们简要回顾以下为何要研究工程数据库。

首先，它来自计算机应用的需求。从前面的工程应用分析中可知，工程领域的数据管理与传统的面向事务型的数据管理是不同的。从前面的产品设计和计算机辅助设计的分析，我们可以看出工程领域的数据具有以下特点：

1、多媒体数据类型

工程数据库管理对象是多媒体信息，除数字和字符外，还有大量的图形、图像、运动视频和声音信息，只有多媒体信息表示形式，才能生动逼真地表达工程对象。

工程数据的多媒体信息表现，再加上工程对象本身的系统性和过程长的固有特点，使得工程数据量庞大而复杂，如建筑工程中的环境规划图、建筑渲染图、设计方案等，存储量在几十到几百兆字节。即使是较为标准的数据，如设计规范数据、标准公差、结构要素、材料和零件、技术规范等，其数据量也是很大的，这些客观因素都要求工程数据库具备大容量数据存储和快速处理能力。

工程数据主要分为两大类：一是设计环境数据，二是设计对象数据。前者主要是设计规则、设计方法、标准元素、设计条件和需求等；后者则主要是设计产品定义、设计约束控制、产品性能、生产要求、经济核算、设计方案优化等。两类内容中都存在普通管理信息和基本标准数据类型，同时又存在非结构化的变长数据。一般的基于传统数据模型的DBMS就难以用自然的方式对这类复杂对象进行描述、操纵和检索，更谈不上有效地调度和使用。

2 动态数据模式

工程数据一般也具有静态数据部分，即事先准备好的用于指导设计的信息，如设计规范、施工计划等。更为重要的动态数据处理，是在工程设计过程中随设计行为展开而动态产生，并且直接关系到工程结果的数据，如结构分析计算、力学模型、工程图形等，又如工艺规程、方案处理、技术文档等，所以数据库的结构模型（模式）也具有动态构造性质，直到工程对象最终结果产生出来，数据库的模式构造才完成，一般的商用型DBMS难以支持这类动态数据的描述和处理。

3. 数据结构复杂

工程数据在随过程展开而动态形成发展的同时，因之带来的实体间的关系是复杂多样的，呈现网状结构，又有层次之分；分层设计不仅有层次结构，而且对于不同的设计对象的层次数目也不一样，在每个结点中，有的本身也可能具有复杂的结构特性，甚至有可能存在回路连接；而传统的DBMS无法提供这类设计数据的存储结构，也难以用方便手段操纵这种非标准层次化的数据。

工程中关于知识和规则的数据表示和存取，其结构关系就显得更加纷繁复杂，特别是许多事实知识（设计和生产经验）本身存在描述的模糊性，对设计对象或管理对象又具有复杂的逻辑联系和不确定性推理。因此，必须采用新的结构和方法去定义和操纵这种数据，这就是专家系统和人工智能所用知识库和规则库构造方式

4. 随机存取和过程存取数据运行方式

工程事务通常要延续很长一段时间，对数据库不仅是简单查询，要涉及到大量数据，而且提取数据要参与设计过程；而设计过程又使用多方面相关信息，并且新产生的设计结果（包括对已有设计数据的修改）要作为事务提交、存入数据库，因此工程数据主要是过程存取、事务管理是面向长事务的。

工程设计是一个试探性过程，具有反复性、尝试性和发展性，而且有些设计往往是范例的修改，有些设计可能有多种方案，这要求能保留和管理设计的历史，不同设计方案和动态变化的模式等等。因此，工程数据库运行方式上有版本控制的要求。

工程设计中有总体数据、有各专业数据，有横向关联数据，也有纵向关联数据，在一个集成系统中，随机存取数据量很大。

有了实际需求，但我们没有能力来准确地管理工程领域中超越一般事务管理中所出现的数据，也是不行的。从数据库技术的发展来看，它的应用系统出现于60年代。20世纪70年代，E.F.Codd先生提出的关系数据模型，对关系数据库模型理论做出了创造性的贡献，数据库技术得到了蓬勃发展。从八十年代开始，随着面向对象编程语言的发展和对象技术与数据库技术的结合，数据库应用领域的扩展，数据库技术日趋成熟。

传统的层次、网状、关系数据模型在复杂的工程应用中都暴露出一些不足。层次模型中同层部件的相互调用和底层部件调用不好实现；网状型的过程处理，数据存取需要程序员导航，增加了使用的复杂性；关系型不允许嵌套定义，即关系范式中规定"表中不允许再有表"，缺乏直接描述实体内结构关系及有效的处理手段。因此工程数据库管理系统的需求从70年代末就开始进行研究。

◇ 本章小结

本章主要通过对工程、工程管理理论的介绍，讨论工程应用对数据库管理系统的要求。通过工程应用的介绍，如企业功能建模、产品设计及计算机辅助设计与计算机辅助制造，让学生了解工程应用的背景及其复杂性，理解这些工程应用需要掌握一些方法和工具。通过这些工程知识的介绍也为后面课程的学习打下良好的应用背景。

最后通过工程应用对数据库技术的要求，让学生理解工程数据库研究的重要性和工程数据库研究的内容。

本章内容比较抽象，内容较多，需要同学课后结合某个工程应用，用IDEF0图描述它们的功能，掌握IDEF0方法。另外本章需要大家理解计算机辅助设计的概念，所以课程最后我们通过国家CAd工程中心开发的CAD系统的几张二维和三维CAD图形（高华CAD/GERMS4.0）来总结本章的内容。

本章相关的参考文献：
　－　萨师煊、王栅编著，《数据库系统概论》，高等教育出版社 2000年
　－　朱文坚、梁丽编著，《机械设计方法学》，华南理工大学出版社1997
　－　吴柏枝编著，《机械图的设计与校对》，国防工业出版社1990年
　－　陈禹六编，《IDEF 建模分析和设计方法》，清华大学出版社, 1999
　－　赵致格，殷任昆编著，《实用工程数据库技术》，机械工业出版社，1997年
　－　宛延闿编著，《工程数据库管理系统》，清华大学出版社，1999年

◇ 课后习题

第一章课后习题

问答题

1.1

简述工程数据库的由来？
工程数据库与事务型数据库有什么不同？
简述你熟悉的工程应用对数据库管理系统的要求？

1.2

什么是工程、工程过程？工程过程的描述模型是什么？
工程与系统工程有什么不同？
什么是工程管理？工程管理包括哪些活动，应遵循什么原则？
简述你熟悉工程领域的数据及其管理模型？

1.3

什么是数据和信息？数据和信息有什么不同，又有什么联系？
工程中的数据类型有几种，它们之间的关系是什么？
管理信息有什么特点？
数据处理和数据管理有什么不同。工程数据管理的含义是什么？

1.4

什么是数据库，什么是工程数据库？
工程应用对数据库有哪些要求？
工程数据库管理系统应该具备那些新功能才能满足工程应用的需求。
工程数据管理系统与传统的数据库管理系统有什么不同？

1.5

企业的定义是什么？它包括哪些功能？
在数据库中如何的管理企业的组织及相关的人员权限？
简述你对企业的了解，包括它的组织结构及其业务运作流程？
简述你对IDEF0工具的理解，并用IDEF0分析你熟悉的功能应用的功能。
简述对你熟悉得工程应用系统的分析建模工具。

1.6

什么是产品？产品的核心概念是什么？
什么是设计？设计有什么特征？
简述你对产品设计的理解，并以你熟悉的产品设计为例，说明产品设计的过程？
产品设计的一般步骤是什么？简述你对产品设计过程的理解。
什么是方案设计？为什么要进行产品方案设计？方案设计需要用到哪些技术与知识？
什么是结构设计？结构设计内容是什么？
什么是总体设计？总体设计的内容是什么？
简述机械图设计与产品设计的关系？机械图设计包括哪些内容？
产品设计过程中除了机械图以外，还应该包括那些文档资料？

1.8

什么是计算机辅助设计？CAD/CAM包括哪些内容？
简述CAD/CAM系统的组成。
简述CAD/CAM系统的构造模式。
CAD/CAM有哪些关键技术？
什么是计算机辅助工程（CAE）？它与CAD有什么关系？
简述方案设计、结构设计、总体设计在CAD/CAM中的位置。
CAD/CAM有哪些集成技术？各有什么优缺点？
简述你对CAD/CAM数据模型的认识。前面我们介绍的数据模型是否满足CAD/CAM系统的要求？

1.9

工程数据有什么特点？
相对于事务型数据，工程数据对数据库管理系统有什么特殊要求？
为何要研究工程数据库？

◇ 第七节 计算机辅助设计与制造