机械CAD技术基础

机械CAD技术使机械产品设计的质量和水平发生了根本性变革，彻底改变了产品设计的方式和方法，推动了机械设计制造领域的设计革命。目前，CAD技术已经普遍应用在各个领域各个企业的产品设计中，CAD技术不仅提高了产品的开发速度和设计精度，同时也提高了企业自身的技术素质，增强了企业的市场响应能力和竞争能力。
我国机械CAD技术应用已经十分广泛和普及，在机械设计制造领域取得了巨大成就，同时，国内CAD技术的应用与开发还很不平衡，需要继续培养大批具有CAD理论基础和掌握CAD技术新方法的工程技术人才，以提升我国机械产品设计的整体水平。
本教材的内容组织和结构体系，充分考虑了计算机硬件技术和软件技术的发展、从事机械CAD技术领域工作的产品开发技术人才所需的CAD开发技术和知识体系，以适应新时期CAD教学和CAD技术人才培养的需要。

本书共分13章，第1章介绍了CAD技术发展概况、CAD系统的硬件和软件组成； 第2章对CAD系统的基本功能、典型的商品化软件及CAD技术发展趋势作了介绍； 第3章对几何造型概念、理论与技术作了详细介绍； 第4章简要介绍了曲面造型理论与技术； 第5章介绍了参数化特征造型技术； 第6章介绍了图形几何变换理论； 第7章介绍图形技术基础； 第8章对CAD系统中常用的数据结构作了详细介绍； 第9章介绍了CAD工程数据库； 第10章详细讲述了工程设计数据资料的程序处理方法； 第11章讲述了专用CAD功能的开发基本方法； 第12章简要介绍了SolidWorks软件的三维建模技术； 第13章介绍了CAXA 3D软件实体设计基本建模技术。
本书内容体系完整，既可作为高等院校工科各专业高年级学生和研究生的教学用书，也可作为从事CAD应用系统软件开发的工程技术人员的参考用书。
全书由李凯岭主编，其中第1、2章由李萌编写，第3、4、12章由于明宝编写，第5、11章由王丽丽编写，第6~10章由李凯岭编写，第13章由练军峰、黄绍格编写。全书由赵正旭主审，王丽丽、于明宝、李萌在全书通稿和定稿过程中做了大量工作。书中内容均为作者从事机械CAD教学、应用与开发编程科研工作的总结和体会，难免存在不足之处，敬请读者斧正。

作者2021年10月

本书涵盖机械专业的数字化设计制造技术的发展和应用，讲述：CAD概述，CAD系统软、硬件，图形变换理论，数据结构，设计图表的处理，几何建模，图形显示，常用CAD工具软件系统简介，专用CAD开发技术，CAD技术发展，等不同章节内容。本书的内容体系，可以**限度地满足目前机械类专业教学大纲的要求，也可以供从事CAD系统研究、开发的工程技术人员参考。

李凯岭
? 山东大学大学生机电产品创新设计教育平台 负责人
? 山东大学机械工程学院 3D数字化设计制造技术工程中心 负责人
? 山东大学 机械设计制造与自动化专业精品课程（机械制造技术基础、专业课程设计、专业生产实习） 负责人
? 职称与学位：山东大学教授，硕士

本职工作：自1982年2月至今，一直工作在本科教学的线。
? 开设的课程：
? 机械CAD
? 机械制造技术基础/机械制造工程学
? 机械制造工艺学
? 模具设计制造技术
? 先进制造技术
? 数控加工技术
? 3D数字化设计制造技术

主要研究方向：
? 机械制造工艺技术与装备的研究与应用
? CAD/CAE/CAPP/CAM技术应用与开发
? 型腔模具CAD/CAM技术研究与CAD软件系统的开发
? CNC技术的开发与应用
? 非标机械及其机电一体化技术的开发与应用
? 立体停车机械设备
? 全电动注塑机

主持、参与国家科技重点专项、国家自然科学基金、山东省科研基金、山东省*科研基金项目、济南市科研基金项目、国内企业合作项目等30余项。

培养专业研究生：
? 机械设计制造专业研究生
? 工业设计专业研究生
? 机械设计专业研究生

第1章CAD概述

1.1CAD技术

1.2CAD技术的发展

1.3CAD系统的软件组成

1.3.1系统软件

1.3.2支撑软件

1.3.3应用软件

1.4CAD系统硬件平台的演变

1.4.1CAD硬件系统的演变

1.4.2网络结构

1.5CAD系统计算机及外围设备

1.5.1计算机主机

1.5.2图形输入设备

1.5.3图形显示设备

1.5.4绘图输出设备

第2章CAD系统的基本功能与商品化软件

2.1CAD作业过程

2.2CAD系统的基本功能

2.3典型的商品化CAD软件

2.3.1微机上运行的CAD软件

2.3.2工作站和中小型机上运行的CAD软件

2.3.3国内软件

2.4CAD技术发展的趋势

2.5CAD系统的选择

2.5.1CAD系统的计算机硬件选择

2.5.2CAD软件系统的选择

2.5.3CAD/CAM系统实用案例

第3章几何造型

3.1几何造型的一般概念

3.1.1什么是几何造型

3.1.2三维几何造型的发展概况

3.1.3三维几何造型在机械CAD/CAM中的应用

3.2形体在计算机内的表示

3.2.1图形系统的坐标系

3.2.2几何元素的定义

3.3几何造型理论基础

3.3.1正则集与有效几何形体

3.3.2正则集合算子

3.3.3基于集合成员分类法的正则集合运算

3.3.4欧拉公式与欧拉运算

3.3.5几何造型中的布尔运算

3.4表示形体的模型

3.4.1线框模型

3.4.2表面模型

3.4.3实体模型

3.4.4特征造型

3.4.5模型表示方式的功能比较

3.5几何造型中的形体表示模式

3.5.1扫描变换表示法

3.5.2构造体素表示法

3.5.3边界表示法

3.5.4形体表示模式的应用

3.5.5其他表示法

第4章曲面造型

4.1曲线曲面微分几何基础

4.1.1曲线的预备知识

4.1.2曲线的基本理论

4.1.3曲面的基本理论

4.2Bezier曲线

4.2.1Bezier曲线的定义

4.2.2Bernstein基函数的性质

4.2.3Bezier曲线的性质

4.2.4Bezier曲线的递推算法

4.2.5Bezier曲线的拼接

4.3Bezier曲面

4.3.1Bezier曲面的定义

4.3.2Bezier曲面的性质

4.3.3Bezier曲面片的拼接

4.4B样条曲线

4.4.1B样条曲线的性质

4.4.2B样条曲线的矩阵表示

4.5B样条曲面

4.5.1均匀双二次B样条曲面

4.5.2均匀双三次B样条曲面

4.6NURBS曲线曲面

4.6.1NURBS方法的优缺点

4.6.2NURBS曲线的定义

4.6.3权因子对NURBS曲线形状的影响

4.6.4NURBS曲面的定义

4.7曲线曲面生成

4.7.1曲线生成

4.7.2曲面生成

4.8曲面建模中的几个关键技术

4.8.1曲线曲面求交

4.8.2过渡曲面

4.8.3曲线曲面光顺

第5章参数化特征造型

5.1参数化造型技术

5.1.1参数化造型概述

5.1.2变量化设计方法

5.1.3参数化和变量化技术比较

5.1.4约束求解方法

5.1.5参数化特征造型方法

5.2参数化设计方法

5.2.1尺寸驱动法原理

5.2.2变量几何法

5.3参数化图形库技术

5.4参数化图素拼装原理

第6章图形的几何变换

6.1图形变换的方法

6.1.1构成图形的基本要素及其表示方法

6.1.2点的变换

6.2二维变换

6.2.1二维基本变换

6.2.2二维齐次变换

6.2.3二维组合变换

6.3三维图形变换

6.3.1三维基本变换矩阵

6.3.2三维基本变换

6.3.3三维基本变换矩阵的组合

6.4三维图形的投影变换

6.4.1平行投影变换

6.4.2透视投影变换

第7章图形技术基础

7.1窗口与视区

7.1.1窗口

7.1.2视区

7.1.3窗口视区变换

7.2二维图形的裁剪

7.2.1二点的裁剪

7.2.2直线段的裁剪

7.3隐藏线和隐藏面的消除

7.3.1隐藏线和隐藏面问题

7.3.2消隐算法中的基本测试方法

7.3.3z向深度缓冲区算法

7.3.4扫描线算法

7.3.5循环细分算法

7.4 图形显示基本原理

7.4.1线框图显示

7.4.2线框消隐图显示

7.4.3浓淡图显示

7.4.4光照模型与真实感显示

7.4.5实时真实感图形学技术

7.5图形标准

7.5.1图形核心系统（GKS）

7.5.2三维图形核心系统（GKS3D）

7.5.3程序员层次结构交互式图形系统（PHIGS）

第8章CAD中常用的数据结构

8.1基本概念

8.2线性表

8.2.1线性表的逻辑结构

8.2.2线性表的顺序存储结构

8.2.3线性表的链式存储结构

8.3栈和队列

8.4树

8.4.1基本概念

8.4.2树的存储结构

8.5二叉树

8.5.1二叉树的定义

8.5.2遍历二叉树

8.5.3二叉排序树

8.6图的逻辑结构

第9章CAD工程数据库

9.1基本概念

9.1.1数据库有关术语

9.1.2实体间的关系

9.2数据库系统

9.2.1数据库系统的产生

9.2.2数据库系统

9.2.3数据库与文件的关系

9.3数据库中的数据模型

9.3.1层次模型

9.3.2网状模型

9.3.3关系模型

9.4SQL Server关系型数据库

9.4.1SQL Server基础

9.4.2SQL Server基本操作

9.4.3SQL Server应用举例

9.4.4数据库管理系统开发

9.5CAD/CAM数据库

9.5.1工程数据特点及其管理

9.5.2CAD/CAM数据库系统的特点

9.5.3对工程数据库管理系统的要求

9.5.4CAD/CAM数据库的内容

9.5.5CAD/CAM数据库的组织

第10章工程设计数据的程序处理

10.1数据表格的程序处理

10.1.1一维数表

10.1.2二维数表

10.1.3多维数表

10.2线图的程序处理

10.2.1直接采用理论公式

10.2.2线图的数表化处理

10.2.3线图的公式化处理

10.3设计数据的插值处理

10.3.1一元列表函数的插值

10.3.2二元列表函数的插值

10.4列表函数的公式化拟合

10.4.1常用拟合函数

10.4.2小二乘法拟合的基本思路

10.4.3用小二乘法求线性方程

10.4.4小二乘法的多项式拟合

10.4.5列主元素高斯消去法求解线性联立方程组

10.5数据文件的处理

10.5.1文件及其操作

10.5.2采用数据文件的特点

10.5.3顺序文件与随机文件

10.5.4数据转化为数据文件

10.6有关数据的处理

10.6.1恒等比较

10.6.2度与弧度的转换

10.6.3数字的圆整

10.6.4取标准值

第11章专用CAD功能的开发

11.1AutoCAD二次开发技术

11.1.1AutoCAD VBA基本概念

11.1.2AutoCAD ActiveX基础

11.1.3AutoCAD VBA环境图形文件操作

11.1.4AutoCAD应用程序窗口控制

11.1.5AutoCAD图形窗口控制

11.1.6AutoCAD图元创建和编辑

11.2SolidWorks二次开发技术

11.2.1SolidWorks API

11.2.2关于DLL技术

11.2.3菜单的加载方法

11.2.4使用VB进行二次开发

11.2.5使用VC 进行二次开发

11.2.6螺栓设计的具体开发实例

第12章SolidWorks基本建模技术

12.1SolidWorks启动与用户界面

12.1.1SolidWorks启动

12.1.2SolidWorks用户界面

12.2基准特征与草图绘制

12.2.1基准面

12.2.2绘制草图指针的变化

12.2.3草图绘制模式

12.2.4在新零件中生成新草图

12.2.5绘制草图的命令

12.2.6尺寸标注

12.2.7添加几何约束

12.2.8草图设计实例

12.3基于特征的零件实体建模技术

12.3.1视图工具栏

12.3.2特征工具栏

12.3.3零件实体建模实例

12.4装配体建模技术

12.5工程图

12.5.1图纸格式

12.5.2生成标准三视图

12.5.3投影视图命令

12.5.4命名视图命令

12.5.5相对视图命令

12.5.6辅助视图的添加

12.5.7视图的编辑

12.5.8工程图尺寸标注和格式

12.5.9基准特征符号

12.5.10形位公差的标注

12.5.11添加文字注释

12.6自上而下的产品设计开发

第13章CAXA 3D实体设计基本建模

13.1CAXA 3D实体设计启动与用户界面

13.1.1CAXA 3D实体设计启动

13.1.2CAXA 3D实体设计3D设计环境用户界面

13.1.3CAXA 3D实体设计2D工程图环境用户界面

13.2设计模式

13.2.1创新模式

13.2.2工程模式

13.3设计元素库

13.3.1设计元素库种类

13.3.2工具标准件库

13.4二维草图

13.4.1创建草图

13.4.2草图检查

13.4.3选择对象

13.5实体特征的构建

13.5.1特征生成

13.5.2实体修改

13.6曲线曲面造型

13.6.13D空间点

13.6.23D曲线

13.6.3曲面生成

13.7装配设计

13.7.1创建零件

13.7.2装配定位

参考文献

本教材的内容组织和结构体系，充分考虑了计算机硬件技术和软件技术的发展，从事机械CAD技术领域工作的产品开发技术人才的CAD开发技术和知识体系，以适应新时期CAD教学和CAD技术人才培养的需要。