计算机辅助工程

一．结合产品周期，论述了计算机辅助工程的概念及其包含的主要内容，并论述了集成制造系统的组成。

一般产品的生产周期包括(1)产品设计阶段(2)产品制造阶段(3)市场销售阶段，三个环节。

不仅好的产品会受到市场的认可，同样市场的需求对产品有反作用，它催生着新的产品。

产品的一般生产过程下所示：了解到产品的周期后我们再来了解一下什么是计算机辅助工程。

计算机辅助工程(CAE)技术是计算机技术和工程分析技术相结合形成的新兴技术。

CAE软件是由计算力学、计算数学、结构动力学、数字仿真技术、工程管理学与计算机技术相结合,而形成一种综合性、知识密集型信息产品。

CAE的核心技术是有限元理论和数字计算方法。

经过几十年的发展,CAE软件分析的对象逐渐由线性系统发展到非线性系统,由单一的物理场发展到多场耦合系统,并在航空、航天、机械、建筑、土木工程、爆破等领域获得了成功的应用。

并随着计算机技术、CAD技术、CAPP技术、CAM技术、PDM技术和ERP技术的发展, CAE技术逐渐与它们相互渗透,向多种信息技术的集成方向发展。

计算机辅助工程CAE(Computer Aided Engineering)是一个很广的概念,从字面上讲它可以包括工程和制造业信息化的所有方面,但是传统的CAE主要是指用计算机对工程和产品的运行性能与安全可靠性分析,对其未来的状态和运行状态进行模拟、及早地发现设计计算中的缺陷,并证实未来工程、产品功能和性能的可用性和可靠性。

准确地说,CAE是指工程设计中的分析计算与分析仿真,具体包括工程数值分析、结构与过程优化设计、强度与寿命评估、运动/动力学仿真。

工程数值分析用来分析确定产品的性能;结构与过程优化设计用来保证产品功能、工艺过程的基础上,使产品、工艺过程的性能最优;结构强度与寿命评估用来评估产品的精度设计是否可行,可靠性如何以及使用寿命为多少;运动/动力学仿真用来对CAD建模完成的虚拟样机进行运动学仿真和动力学仿真。

从过程化、实用化技术发展的角度看,CAE的核心技术为有限元技术与虚拟样机的运动/动力学仿真技术。

它在现代生产领域，特别是生产制造业中的应用，主要包括计算机辅助设计、计算机辅助制造和计算机集成制造系统等方面发挥着很重要的作用。

计算机集成制造系统简称CIMS，又称计算机综合制造系统，在这个系统中，集成化的全局效应更为明显。

在产品生命周期中，各项作业都已有了其相应的计算机辅助系统，如计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助制造(CAM)计算机辅助工艺规划(CAPP)、计算机辅助测试(CAT)、计算机辅助质量控制(CAQ)等。

计算机集成制造系统将上述计算机的功能集合于一体实现从设计到制造的一体化辅助制造过程。

二．论述了现有几何建模方法的优缺点、局限性及其发展趋势。

建模技术是将现实世界中的物体机器属性转化为计算机内部数字化的表示，分析、控制和输出的几何形体的方法。

建模技术是产品信息化的源头，是定义产品在计算机内部表示的数字模型，数字信息及图形信息的工具，它为产品设计分析、加工仿真、生产过程管理等提供有关产品的信息描述与表达方法，是实现计算机辅助设计与制造的前提条件，也是实现CAD/CAM一体化的核心内容。

建模方法包括：(1)线框建模：线框建模是计算机图形学和CAD领域中最早用来表示形体的建模方法。

描述物体的边和点，在计算机的内部存储了物体边和点的信息。

优点是表达方法简单、占内存较小；缺点是内部结构不清、没法表示边和边的关系、不能表示实体、一些场合不太适用。

如数控加工、曲面表达等方面就不适用于线框建模。

(2)曲面建模利用离散的点来构建光滑的曲面，主要用于空间曲面的设计。

目前流行的几种曲面造型方法都源于生产实际的启示和需要。

例如费格森（FergusonJC)曲面产生于波音飞机公司，用于飞机机体的外形，并形成了FMILL 曲面加工程序。

贝齐埃（Bezier)原在法国雷诺汽车公司从事刀具设计和生产线组装，50岁后开始研究工程化的曲面构造方法，提出了Bezier曲线和曲面构造方法，并成功开发了UNISURF 和SurfAPT曲面加工系统，以及剑桥大学开发的DUCT系统。

优点是三维实体信息描述较线框建模严密、完整，能够构造出复杂的曲面可以计算面积，利用建模中的数据进行有限元划分。

缺点是曲面建模理论较复杂、使用起来比较麻烦并需要一定的数学理论和应用方面的知识，不能进行剖切、不能计算一些物体的物理属性、缺乏物体内部信息。

(3)实体建模采用基本体素组合，通过集合运算和基本变形操作建立三维立体的过程。

它的特点是完整准确的表达物体实体建模的原理、体素的拼合运算实体、计算机内部表示与线框建模、表面建模不同，三维实体建模在计算机内部存贮的信息不是简单的边线或顶点的信息，而是比较完整地记录了生成物体的各个方面的数据。

计算机内部表示三维实体模型的方法有很多，并且正向着多重模式发展，如边界表示法、构造立体几何法、混合表示法（即边界表示法与构造立体几何法混合模式）、空间单元表示法等。

优点与表面建模不同，计算机内部存储的三维实体模型信息不是简单的边线或顶点的信息，而是准确、完整、统一地记录生成物体各方面的数据。

(4)特征建模是建立在实体建模基础上，利用特征的概念面向整个产品设计和生产制造过程进行设计的建模方法。

曲面或实体建模系统存在的问题，系统只存储了形体的几何形状信息，缺乏对产品零件信息的完整描述，未能提供产品在CAD/CAPP/CAM生命周期所需的全部信息，不能构成符合数据交换规范的产品模型，导致CAD/CAPP/CAM集成的困难。

特征可以定义为零件的一部分表面，它包含以下含义：(1) 特征不是体素，是某个或某几个加工表面。

(2) 特征不是完整的零件。

(3) 特征的分类与该表面加工工艺规程密切相关。

(4) 描述特征的信息中，除表达形状的诸如直径、长度、宽度等几何信息及约束关系信息外，还需包含材料、精度等制造信息。

(5) 通过定义简单的特征，还可以生成组合特征。

计算机技术的发展为几何建模技术的的发展提供了有利的条件,使其向着集成化、智能化和标准化的方向发展。

（1）集成化是指为企业提供一体化的解决方案,最大限度的实现企业信息的共享。

从广义层次上,集成化是将CAD技术的计算方法以及其功能模块做成芯片,从而有效的提高CAD系统运行的效率；（2）智能化一直是人们追求的目标,让机器把人类从繁重的体力和脑力劳动中解放出来。

人们追求的智能CAD不仅仅是将智能技术与CAD技术的简单结合,而是用信息技术来表达和模拟人类的思维模型,为人类提供一种全新的设计理论和设计方法。

目前市场上CAD软件多种多样,其软件间的兼容性和一致性是该技术发展首要要解决的问题,只有依靠标准化技术才能完全解决不同系统间相互兼容的问题。

目前,CAD技术的标准化已经基本完成,且建立了面向应用的标准零件库,并且正向着理化工程设计的方向发展；（3）该软件的开放性主要是指其在用户接口、信息交换和开发环境方面的开放性。

目前市场上应用的软件都为用户预留了二次开发的相关接口,从而方便用户定制更适合自己产品的CAD系统， CAD的开放性还要求供应商向用户提供面向不同行业和企业的专用软件和相关数据库。

三．论述了计算机辅助工艺设计的主要任务和难点，以及人工智能在技术在计算机辅助工艺规划领域的应用的必要性和应用现状。

计算机辅助工艺设计（Computer Aided Process Planning, CAPP)是利用计算机技术辅助工艺师完成零件从毛坯到成品的设计和制造过程，是将产品的设计信息转换为制造信息的一种技术。

是通过向计算机输入被加工零件的几何信息（形状、尺寸等）和工艺信息（材料、热处理、批量等），由计算机自动输出零件的工艺路线和工序内容的过程。

CAPP系统的主要任务是通过计算机辅助工艺过程设计完成产品设计信息向制造信息的传递、是连接CAD与CAM的桥梁，也是CIMS系统中的重要组成部分。

对产品质量和制造成本具有极为重要的影响。

应用CAPP技术，可以使工艺人员从繁琐重复的事务中解放出来，迅速编制出完整而详尽的工艺文件，缩短生产准备周期，提高产品制造质量，进而缩短整个产品的生命周期。

工艺设计的主要任务为被加工零件选择合理的加工方法和加工顺序，以便能按设计要求生产出合格的成品零件。

工艺规程设计的主要内容有选择加工方法和采用的机床、刀具、夹具及其它工装设备；安排合理的加工顺序；选择基准，确定加工余量和毛坯，计算工序尺寸和公差；选用合理的切削用量；计算时间定额和切削用量；编制包含上述所有资料的工艺文件。

其核心内容是选择加工方法和安排合理的加工顺序。

CAPP的难点有零件图上的各种信息要完全准确的描述还很困难；工艺知识是一种经验性知识，如何建立完善的工艺决策模型，使计算机能够识别和处理还有待进一步解决；工艺过程的优化理论还不完善，没有严格的理论和数学模型；CAPP技术落后于CAD和CAM完全创成式CAPP仍处于不断发展和完善阶段；受零件建模技术的影响，零件图样上的各种信息要完全难确地描述还有在困难，特别是对复杂零件的三维模型的建立也还没有完全解决；工艺知识是一种经验型知识，如何建立完善的工艺决策模型，使计算机能够识别、处理还有待进一步解决；工艺过程的优化理论还不完善，没有严格的理论和数学模型。

工艺设计中很多问题求解复杂，常常没有算法可循，因此人们就用人工的方法和技术来模拟人类求解复杂问题的思维方式和过程，从而解决人类专家才能处理的工艺问题，这样就导致了人工智能技术的产生并在CAPP中达到广泛应用。

人工智能是相对于人类智能而言的，它用人工方法来模拟、延伸和扩展人类智能的一门学科。

从智能信息的处理角度看，人工智能分两类：符号智能和计算智能。

符号智能是以知识为基础，研究知识的获取、表达和推理，例如专家系统。

计算智能是以数据为基础，采用数学计算法研究和处理智能问题，包括神经计算、模糊计算和进化计算。

智能CAPP是人工智能应用于工艺规划CAPP专家系统与一般的CAPP系统的工作原理不同，结构上也有很大差别。

CAPP专家系统由零件信息输入模块、知识库、推理机三部分组成。

其中知识库和推理机是互相独立的。

根据输入的零件信息频繁地去访问知识库，并通过推理机中控制策略，从知识库中搜索能够处理零件当前状态的规则，然后执行这条规则，并把每次执行规则得到的结论部分按照先后顺序记录下来，直到零件加工达到终结状态，这个记录就是零件加工所要求的工艺规程。

能处理多义性和不确定的知识，可以在一定程度上达到模拟人脑进行工艺设计，使工艺设计中很多模糊问题得以解决。

专家系统善于解决不确定性的、非结构化的、没有算法的困难问题。

同时现在也出现了网络化CAPP系统的基本构成，依靠网络为CAPP提供强大的数据库。