CAD_CAM试题答案

2008级研究生CAD/CAM试题

1、列举构造实体几何法、边界表示法和分解表示法的特点及应用。（P48-54）《产品数字化造型技术》

2、数字化仿真的基本步骤是什么？

《数字化仿真与优化技术》（系统建模、仿真实验、仿真结果分析）

数字化仿真的基本步骤

?系统建模：仿真工作的基础，模型的质量和准确性决定了仿真结果的可信性和有效性。

–数学建模：根据仿真目标建立的数学模型

?演绎法：从某些前提、假设、原理和规则出发，通过数学或

逻辑推导建立

?归纳法：通过对真实系统的测试，获得有关真实系统本质的

信息和数据，对其进行出来，得出真实系统规律性的描述–模型的可信度：建模的先验知识及试验数据是否正确完备；建模方法是否合理；模型转换精度

实际系统几何建模数学建模仿真建模仿真试验仿真结果

数字化仿真的基本步骤

–仿真建模：采用仿真软件中的仿真算法或通过程序语言，将系统的数学模型转化为计算机能够接受的技术程序。

?仿真试验

–运行仿真程序、进行仿真研究的过程，即对建立的仿真模型进行数值试验和求解的过程

研究对象：

已有或设计中的系统

数学模型：

系统的几何及数学模型仿真模型：

仿真算法及程序

数学建模仿真试验

仿真建模

数字化仿真的基本步骤

?仿真结果分析

–采用图形化技术，通过图形、图表、动画等形

式显示被仿真对象的各种状态，使得仿真数据

更加直观、丰富和详尽，有利于对仿真结果的

分析。

–仿真技术中包括主观方法、抽象化、直观感受

和设想，因此必须对仿真结果做全面的分析。

3、图示虚拟现实的组成，并说明各个模块的作用。

《虚拟现实技术》

?虚拟现实系统的组成模块

–输入模块：是虚拟现实系统的输入接口，其功能是检测用户的输入信号，并通过传感器模块作用于虚拟环境。

–传感器模块：是虚拟现实系统中操作者和虚拟环境之间的桥梁。

–响应模块：是虚拟现实系统的控制中心。

–反馈模块：是虚拟现实系统的输出接口。

4、虚拟现实系统分为哪几类，举例说明。（沉浸式、非沉浸式、叠加式、分布式）

《虚拟现实技术》

5、优化设计的数学模型由哪几部分组成？优化设计的一般步骤是什么？

《数字化仿真与优化技术》（目标函数、设计变量、约束条件）

优化设计的数学模型

?目标函数

–评价优化问题性能的准确性函数，也称为评价函数。

–目标函数优化的方式

?目标函数的极小化-为统一算法和程序

?目标函数的极大化

–目标函数根据具体的设计要求建立，但是在某些设计要求目前尚未确切的技术关系式来表

达，可以用一个与它等价的定量指标表达。

优化设计的数学模型

?设计变量和设计空间

–目标函数的优化是通过对设计变量的调节实现的。

?设计变量之间必须相互独立

?设计变量的个数也称为优化问题的维数，表示设计

的自由度。

?设计变量作为连续变量处理。

–设计空间是以n个设计变量作为坐标轴所组成的矢量空间。

?设计点：每个设计方案均由一组设计变量构成，相

当于设计空间的一个点。

优化设计的数学模型

?约束条件和可行域

–机械优化设计中，设计变量一般不允许任意取

值，而是要受到一定限制。

–约束条件增加的优化设计的计算量，减少了可

行解的数量。

–约束条件的分类：

?约束条件性质的不同，分为等式和不等式

?按约束条件的功能不同，可分为边界约束和性能约

束。

?按约束条件形式，可分为显示约束和隐式约束

步骤：a、确定设计要求及规模（优化目标主要取决于问题的要求和性质，同时还与系统规律的认识程度、设计者的经验及所采取的优化方法等因素有关。）

b、分析优化对象（分析设计对象，建立数学模型）

c、选择合适的优化方法（根据优化模型的规模和类型选择优化方法）

6、从CAD模型到快速原型都需要哪些处理。

（三维模型的近似处理、三维模型的切片处理、截面轮廓的加工、截面轮廓的叠加）三维模型的近似处理

?产品零件上往往有一些不规则的自由曲面，在制作快速

原型前必须对其进行近似处理，才有可能获取确切的截

面轮廓。

?在目前的快速原型系统中，最常见的近似处理方法是，

用一系列的小三角形平面来逼近自由曲面。其中，每一

个三角形用3个顶点的坐标和一个法向量来描述。三角

形的大小是可以选择的，从而能得到不同的曲面近似精

度。经过上述近似处理的三维模型文件称为STL格式文

件，它由一系列相连的空间三角形组成。典型的CAD

软件都有转换和输出STL文件的接口，但是，有时输出

的三角形会有少量错误，需要进行局部的修改。

三维模型的切片处理

?由于快速原型是按一层层截面轮廓来进行加工，因此，加工前必须从三维模型上，沿成形的高度方向，每隔一定的间隔进行切片处理，以获取截面的轮廓。

?间隔的大小根据待成形零件的精度和生产率要求选定。

间隔愈小，精度愈高，但成形时间愈长。间隔选取的范围为0．05~0．5mm，常用的是0．1mm左右，在此取值下，能得到相当光滑的成形曲面。切片间隔选定之后，成形时每层叠加的材料厚度则与其相适应。各种快速原型系统都带有切片处理软件，能自动提取CAD模型的截面轮廓。

摩托车汽缸盖三维模型及某一截面轮廓

截面轮廓的加工

根据切片处理得到的截面轮廓，在计算机的控制下，快速原型设备中的成形头(激光头或喷头)在X—Y平面内，按截面轮廓运动，切割纸或固化液态树脂、烧结粉末材料或喷射粘结剂、热熔材料，得到具有一定厚度的一层层截面轮廓。

截面轮廓的叠合

每层截面轮廓成形之后，快速原型设备

将下一层的原材料送至已成形的轮廓表面

上，然后进行新一层截面轮廓的成形，并

将其与已成形的一层截面粘合或融合，从

而将一层层的截面轮廓逐步叠合在一起，

最终形成三维的产品零件原型。

7、反求工程中数据采集的方式有哪些？并分析他们的优缺点及不同应用场合。（P328-334）

?各种数据采集方法的比较

精度速度是否可测内轮廓形状限制材料限制成本

三坐标测量±0.5μ慢否无无高

投影光栅法±20 快否表面不能太陡无低

激光三角形法±5μ快否表面不能太光无较高

CCD摄像法40μ快否无无低

CT和MRI 1mm 较慢是无有很高

逐层切削扫描±20μ较慢是无无较高

8、分析反求工程中多视数据产生的原因及其处理方法。

（在逆向工程实际过程中，对实物样件实行数字化时，往往不能在同一坐标系下完成产品的几何数据一次测出。其原因一是产品尺寸超出测量机的行程，二是在部分区域测量探头受被测实物几何形状的干涉阻碍以及不能触及产品的反面，这时就需要在不向的定位状态(即不同的坐标系下)测量产品的各个部分，因此将这种多个坐标下测量得到的数据称为多视数据，而逆向工程的几何模型构建时必须将这些不同坐标系下的客视数据变换或统一到同—个坐标系中，这个数据处理过程称为多视数据的统一，也称为数据拼合）

2009级研究生CAD/CAM试题

一、简单题

1、简述在三维位实体建模技术中的构造实体几何表示、边界表示法和分解表示法的特点和应用（P48-54）

2、什么是原型？原型制造有哪些基本方式？各有什么特点？

快速原型是一种基于离散和堆积原理的崭新制造技术。它将将零件的CAD模型按一定方式离散，成为可加工的离散面、离散线和离散点，而后采用物理或化学手段，将这些离散

的面、线段和点堆积而形成零件的整体形状。

?原型制造的四种方法

–净尺寸成形：利用材料的可变形性，在特定的边界约束或外力约束下，将半固化的流体材料挤压成形再硬化、定形，或通过挤压固体材料达到成形要求。

铸造、锻造、注塑

–去除材料成形

–生长成形：模拟自然界中的生物发育过程实现材料的生物活性成形

–添加材料成形：逐步连接原材料颗粒、丝、层，或通过流体在指定位置凝固、定形而达到成形目的。

3、论述数控机床中的坐标基准点类型及其之间的关系。

?数控机床中的坐标基准点

–机床原点：机床上设置的一个固定点，即机床坐标系的原点，在机床装配、调试时已确定，是数控机床加工运动的基准参考点。

–机床参考点：机械原点，指机床运动部件在各自的正向退至极限的一个固定点，有限位开关精密定位。加工中心的参考点一般为机床的自动换刀位置。

–工件原点：编程原点，是工件坐标系的原点。一般将工件图样上的设计基准作为工件原点。工件安装在工作台上时，工件原点与机床原点之间的位置尺

寸通过对刀操作来确定。

–对刀点和换刀点：为了确定工件原点在机床坐标系中的数值。可以设在工件上，也可以设在夹具上，但与工件定位基准之间需要一定的坐标关系。对刀

方法：对刀杆。换刀点：加工中心。

–程序原点：起刀点，是指刀具起始运动的刀位点，即程序开始执行时的刀位点。

4、什么是虚拟样机技术？与传统的物理样机实验相比，虚拟样机技术有哪些优点？

产品的虚拟原型

?概念

–虚拟原型(Virtual Prototyping)是利用虚拟环境在

可视化方面的优势以及可交互地探索虚拟物体的功

能，对产品进行几何、功能、制造等方面交互的建

模与分析。

?虚拟原型、数字原型与物理原型的关系

–与物理原型相比较，虚拟原型生成的速度快，生成

的原型可被人们直接感触、操纵和修改，且数据可

被重新利用。

–在产品开发的早期阶段，往往不必要进行详细的分

析。这一阶段所考虑的重点是外观、总体布置以及

一些诸如运动约束、可接近性等特征。这样，基于

传统CAD／CAM的数字原型就不能满足要求了。

5、在快速原型中，从CAD模型到叠层制造需要哪些步骤？

（三维模型的近似处理、三维模型的切片处理、截面轮廓的加工、截面轮廓的叠加）

6、以实物逆向为例，描述逆向工程的基本步骤及每个步骤所涉及到的主要内容。

?分析阶段

–逆向对象的功能、原理分析：充分理解和掌握逆向对象的功能特征，以及实现这些功能特征的原理和方法，求解对象的原理方案。

–逆向对象的材料分析：材料成分分析、组织结构分析和材料性能分析

?成分分析：钢种的火花鉴别、听音鉴别、原子发射光谱分析、红外

光谱分析、微探针分析

?组织结构分析：包括组织结构分析、晶相组织分析。

?性能检测：检测其力学、电磁、声、光、热等方面的物理性能–逆向对象的制造和装配工艺分析：研究采用怎样的加工和装配工艺以保证产品的性能要求，以及如何提高装配精度和装配速度

?反判法编制工艺规程：以技术要求为依据，查明设计基准，分析关

键工艺，优选工艺方案，往前递推

?改进工艺方案：保证引进设计的原设计要求和满足功能前提下，局

部改进某些实现较为困难的制造工艺

?用曲线对应法逆向工艺参数：以逆向对象的性能指标或工艺参数为

基础建立第一参照系，以企业的实际条件为基础建立第二参照系，

根据已知点或某些特殊点的工艺参数关系拟合出一条曲线，根据生

产实际，对曲线进行适当的拓展，并从曲线中选出优化的工艺方案

和参数

?满足产品的基本功能要求，局部改变产品结构。为满足逆向对象的

大批量生产，降低成本，在满足功能前提下，可以适当改变产品结

构，降低制造和装配的难度，提高制造和装配的精度。

–逆向对象的精度分析：主要包括对象形体尺寸的确定、精度分配等内容

?形体尺寸：实物逆向用游标卡尺、坐标测量仪等。软件逆向和影像

逆向，采用参照物对比法，利用透视成像的原理和作图技术并结合

人机工程和相关知识，通过分析计算确定形体尺寸。

?精度分配：要考虑产品的工作原理、精度要求、经济指标及技术条

件，并综合考虑企业的加工装备水平和相应的国家标准等

–明确产品的精度指标

–综合考虑各方面的可能误差，确定产品结构和总体布局

–计算所有的误差源，确定产品精度

–编写设计技术说明书，确定精度分配方案

–在产品设计、制造和装配的过程中，根据生产实际，对精度

分析和分配结果进行调整、修改

–逆向工程系列化、模块化分析

?有利于产品的多品种、多规格和通用化生产，有利于降低生产成本，

提高产品质量和产品的市场竞争力

–逆向对象的造型分析

–逆向对象的使用和维护技术分析

?在产品的开发阶段考虑到产品的使用、维护和回收等问题。

–再设计阶段

–根据分析结果和实物模型的几何拓扑关系，质量零件的测量规划，确定测量工具，以及测量顺序和精度

–对测量数据进行修正。修正的内容包括剔除测量数据中的坏点、修正测量值中明显不合理的测量结果、按照拓扑关系的定义修正几何元素的空间位置和

关系

–按照修正后数据及对象的几何拓扑关系，重构

–在分析逆向对象功能的基础上，对产品模型进行再设计，根据实际需要在结构和功能上进行必要的创新和改进

–制造阶段

–按照通常的制造方法，完成逆向产品的制造。采用一些的检测手段，对逆向对象进行结构和功能检测。

7、什么是优化设计，优化设计的数学模型有哪几部分组成？优化设计的一般步骤是什么？优化设计就是采用一定的方法和手段从众多方案中找出距设计目标最近的方案。

8、CIMS（计算机集成制造系统）主要有哪些子系统构成的？根据产品对象和制造工艺不同，CIMS是如何分类的？各有什么特点？（课件：产品创新与集成产品开发）（书：P405）