Основы САПР

CAD/CAM/CAE

Кунву Ли

Основы САПР

CAD/CAM/CAE

С^ППТЕР

Москва Санкт-Петербург Нижний Новгород Воронеж Новосибирск Ростов-на-Дону - Екатеринбург Самара Киев Харьков Минск

ББК 30.2-5-05 УДК 621.398.001.2 Л55

Л55 Основы САПР (CAD/CAM/CAE). - СПб.: Питер, 2004. - 560 с: ил. ISBN 5-94723-770-9

В этой книге изложены основные принципы работы автоматизированных систем для проектирования изделии н подготовки их производства (без углубления и детали конкретных систем). Рассмотрены компоненты САПР, основные концепции графического программирования системы автоматизированной разработки чертежей, системы геометрического моделирования, представление кривых и поверхностей и работа с ними, метод конечных элементов, интеграция систем, быстрое нрототипнрование и изготовление, виртуальная инженерия, стандарты обмена данными между системами.

Книга может быть использована студентами инженерных специальностей в качестве учебного пособия при изучении систем автоматизированного проектирования.

ББК 30.2-5-05 УДК 621.398.001.2

Права на издание получены по соглашению с Addison-Wesley Longman.

Все права защищены. Никакая часть данной книги не может быть воспроизведена в какой бы то ни было форме без письменного разрешения владельцев авторских прав.

Информация, содержащаяся в данной книге, получена из источников, рассматриваемых издательством как надежные- Тем не менее, имея в виду возможные человеческие или технические ошибки, издательство не может гарантировать абсолютную точность и полноту приводимых сведений и не несет ответственности за возможные ошибки, связанные с использованием книги.

© 1999 by Addison Wesley Longman, Inc. ISBN 0201380366 (англ.) © Перевод на русский язык ЗАО Издательский дом Питер , 2004 ISBN 5-94723-770-9 © Издание на русском языке, оформление ЗАО Издательский дом Питер , 2004

Краткое содержание

Предисловие...................................13

Глава 1. Введение в САПР............................17

Глава 2. Компоненты САПР...........................34

Глава 3. Основные концепции графического программирования.........51

Глава 4. Системы автоматизированной разработки чертежей..........96

Глава 5. Системы геометрического моделирования...............115

Глава 6. Представление кривых и работа с ними ...............164

Глава 7. Представление поверхностей и работа с ними.............202

Глава 8. Метод конечных элементов......................225

Глава 9. Оптимизация.............................268

Глава 10. Интеграция CAD и САМ........................300

Глава 11. Числовое программное управление..................329

Глава 12. Быстрое прототипирование и изготовление..............378

Глава 13. Виртуальная инженерия........................436

Глава 14. Стандарты обмена данными между системами.............462

Приложение А. Реализация структуры данных полуребер............474

Приложение Б. Реализация структуры данных крыльевых ребер........476

Приложение В. Операторы Эйлера.................,......478

Приложение Г. Пошаговый алгоритм реализации булевской операции.....492

Приложение Д. Структура данных и топологические операторы

для немногообразных систем моделирования..........499

Приложение Е. Алгоритм де Кастильо..................... 508

Приложение Ж. Вычисление В-сплайновой кривой по методу Кокса-де Бура . . 511

Приложение 3. Объединение В-сплайнов.................... 516

Приложение И. Доказательство формулы дифференцирования В-сплайна . . . 519

Приложение К. Подход Пенга к вычислению пересечения

NURBS-поверхностей......................522

Приложение Л. Формулировка системных уравнений конечноэлементного

анализа на базе основного дифференциального уравнения . . . 526

Приложение М. Сравнение CAD-систем на платформе Windows......... 531

Литература ................................... 541

Алфавитный указатель.............................. 551

Содержание

Предисловие...................................13

От издательства..................................16

Глава 1. Введение в САПР............................17

1.1. Обзор.....................................17

1.2. Определение CAD, САМ и CAE.........................22

1.3. Сценарий интеграции проектирования и производства посредством

общей базы данных ..............................24

1.4. Реальный пример использования САПР в разработке продукта.........28

Вопросы и задачи.................................33

Глава 2. Компоненты САПР............................34

2.1. Аппаратное обеспечение...........................34

2.1.1. Векторные графические устройства ...................36

2.1.2. Растровые графические устройства....................38

2.2. Конфигурация аппаратных средств......................42

2.3. Программные компоненты...........................43

2.4. САПР на базе Windows.............................48

Вопросы и задачи.................................50

Глава 3. Основные концепции графического программирования.........51

3.1. Графические библиотеки...........................51

3.2. Системы координат..............................53

3.3. Окно и видовой экран.............................59

3.4. Примитивы..................................61

3.4.1. Отрезок................................. 62

3.4.2. Многоугольник.............................. 63

3.4.3. Маркер.................................. 63

3.4.4. Текст................................... 64

3.5. Ввод графики................................. 66

3.6. Дисплейный файл............................... 66

3.7. Матрица преобразования........................... 67

3.7.1. Трансляция ...............................68

3.7.2. Вращение................................69

3.7.3. Отображение...............................73

3.7.4. Другие матрицы преобразования.....................77

3.8. Удаление невидимых линий и поверхностей..................Т

3.8.1. Алгоритм удаления невидимых граней..................7

3.8.2. Алгоритм художника...........................8и

3.8.3. Алгоритм удаления невидимых линий .................-81

3.8.4. Метод z-буфера............................. 82

3.9. Визуализация................................. 84

3.9.1. Затушевывание ............................. 84

3.9.2. Трассировка лучей............................ 89

3.10. Графический интерфейс пользователя.................... 90

3.11. Система X window.............................. 91

Вопросы и задачи................................. 92

Глава 4.. Системы автоматизированной разработки чертежей...........96

4.1. Настройка параметров чертежа .... ...................96

4.1.1. Единицы измерения...........................96

4.1.2. Размеры чертежа.............................97

4.1.3. Слой...................................99

4.1.4. Сетка и привязка............................100

4.2. Базовые функции черчения .........................100

4.2.1. Прямая линия.............................. 100

4.2.2. Окружность и дуга окружности..................... 101

4.2.3. Сплайн................................. 102

4.2.4. Удаление................................ 102

4.2.5. Скругление и снятие фасок....................... 102

4.2.6. Штриховка............................... ЮЗ

4.3. Функции аннотирования........................... ЮЗ

4.3.1. Простановка размеров .........................ЮЗ

4.3.2. Примечания...............................105

4.4. Вспомогательные функции..........................105

4.4.1. Копирование.............................. 105

4.4.2. Окно.................................. Ю6

4.4.3. Символы................................. 106

4.4.4. Макропрограммирование........................ 107

4.4.5. Измерения............................... 107

4.4.6. Дополнительные функции........................ 108

4.5. Совместимость файлов чертежей . ..................... 108

Вопросы и задачи................................. 109

Глава 5. Системы геометрического моделирования...............115

5.1. Системы каркасного моделирования.....................116

5.2. Системы поверхностного моделирования...................117

5.3. Системы твердотельного моделирования...................118

5.3.1. Функции моделирования........................ 119

5.3.2. Структура данных............................ 129

5.3.3. Операторы Эйлера........................... 144

5.3.4. Булевские операторы.......................... 147

5.3.5. Расчет объемных параметров...................... 148

5.4. Немногообразные системы моделирования.................. 153

5.5. Системы моделирования устройств...................... 156

5.5.1. Базовые функции моделирования агрегатов............... 156

5.5.2. Просмотр агрегата ........................... 158

5.5.3. Возможности совместного проектирования............... 159

5.5.4. Использование моделей агрегатов ................... 159

5.5.5. Упрощение агрегатов.......................... 160

5.6. Моделирование для Web........................... 161

Вопросы и задачи................................. 162

Глава 6. Представление кривых и работа с ними................164

6.1. Типы уравнений...............................164

6.2. Конические сечения.............................165

6.2.1. Окружность и дуга окружности..................... 165

6.2.2. Эллипс и эллиптическая дуга...................... 167

6.2.3. Гипербола ............................... 168

6.2.4. Парабола................................ 168

6.3. Эрмитовы кривые .............................. 169

6.4. Кривая Безье................................. 171

6.4.1. Дифференцирование уравнения кривой Безье..............174

6.4.2. Вычисление кривой Безье........................176

6.5. В-сплайн...................................176

6.5.1. Вычисление В-сплайна......................... 184

6.5.2. Объединение В-сплайнов........................ 184

6.5.3. Дифференцирование В-сплайна..................... 184

Пример 6.5.................................. 185

6.6. Неоднородный рациональный В-сплайн ................... 186

6.6.1. Вычисление NURBS-кривой.......................190

6.6.2. Дифференцирование NURBS-кривой...................191

6.7. Интерполяционные кривые..........................192

6.7.1. Интерполяция эрмитовой кривой.................... 193

6.7.2. Интерполяция В-сплайном ....................... 196

6.8. Пересечение кривых............................. 197

Вопросы и задачи................................. 199

Глава 7. Представление поверхностей и работа с ними.............202

7.1. Типы уравнений поверхностей........................ 202

7.2. Билинейная поверхность........................... 203

7.3. Лоскут Куна................................. 204

7.4. Бикубический лоскут............................. 206

7.5. Поверхность Безье.............................. 209

7.5.1. Вычисление поверхности Безье.....................211

7.5.2. Дифференцирование поверхности Безье................212

7.6. В-сплайновая поверхность..........................213

7.6.1. Вычисление В-сплайновой поверхности................. 213

7.6.2. Дифференцирование В-сплайновой поверхности............ 214

7.7. Поверхность NURBS............................. 215

7.8. Интерполяционная поверхность....................... 219

7.9. Пересечение поверхностей Вопросы и задачи.......

Глава 8. Метод конечных элементов....................... 225

8.1. Введение в метод конечных элементов.................... 226

8.2. Формулировка метода конечных элементов.................. 229

8.3. Моделирование конечных элементов..................... 240

8.4. Автоматическое построение сетки...................... 244

8.4.1. Соединение узлов............................ 244

8.4.2. Топологическое разбиение....................... 248

8.4.3. Геометрическое разбиение....................... 250

8.4.4. Решеточные методы........................... 251

8.4.5. Отображаемые элементы........................ 254

8.4.6. Повышение качества сетки....................... 257

8.5. Пример анализа по методу конечных интервалов............... 258

Вопросы и задачи................................. 264

Глава 9. Оптимизация..............................268

9.1. Постановка задачи..............................268

9.2. Ограничения.................................270

9.2.1. Внешние штрафные функции...................... 271

9.2.2. Внутренние штрафные функции..................... 272

9.3. Методы поиска................................ 274

9.4. Метод модельной закалки.......................... 277

9.4.1. Комбинаторная оптимизация...................... 277

9.4.2. Алгоритм................................ 278

9.4.3. Применения алгоритма модельной закалки............... 281

9.5. Генетические алгоритмы........................... 284

9.5.1. Основные принципы ..........................285

9.5.2. Реализация...............................289

9.6. Структурная оптимизация..........................291

9.6.1. Оптимизация размеров......................... 292

9.6.2. Оптимизация формы.......................... 293

9.6.3. Оптимизация топологии......................... 294

Вопросы и задачи................................. 298

Глава 10. Интеграция CAD и САМ........................ 300

10.1. Производственный цикл детали....................... 300

10.2. Технологическая подготовка производства................. 301

10.2.1. Неавтоматизированный подход .................... 304

10.2.2. Модифицированный подход...................... 308

10.2.3. Генеративный подход......................... 309

10.3. Автоматизированные системы технологической подготовки производства . . 310

10.3.1. CAM-I САРР .............................. 310

10.3.2. MIPLAN и MultiCAPP.......................... 313

10.3.3. MetCAPP................................ 313

10.3.4. ICEM-PART............................... 313

10.4. Групповая технология............................ 314

10.4.1. Классификация и кодирование..................... 315

10.4.2. Существующие системы кодирования ................. 316

Глава 11. Числовое программное управление..................329

11.1. Введение.................................. 329

11.2. Аппаратная конфигурация станка с ЧПУ................... 330

11.3. Типы систем ЧПУ.............................. 332

11.4. Системы NC, CNC, DNC........................... 332

11.5. Основы составления программ обработки деталей.............. 335

11.5.1. Системы координат.......................... 335

11.5.2. Синтаксис программы обработки.................... 337

11.6. Составление программ вручную....................... 342

11.7. Автоматизированное составление программ................. 346

11.7.1. Язык APT ...............................347

11.7.2. Прочие языки программирования...................360

11.8. Программирование обработки по базе CAD.................361

11.8.1. Построение траекторий........................364

11.8.2. Моделирование и проверка траекторий ................369

Вопросы и задачи.................................375

Глава 12. Быстрое прототипирование и изготовление..............378

12.1. Обзор....................................378

12.2. Процессы быстрого прототипирования и изготовления ...........379

12.2.1. Стереолитография........................... 382

12.2.2. Отверждение на твердом основании.................. 384

12.2.3. Избирательное лазерное спекание .................. 385

12.2.4. Трехмерная печать........................... 386

12.2.5. Ламинирование............................ 387

12.2.6. Моделирование методом наплавления................. 390

12.2.7. Недорогие станки для быстрого прототипирования и изготовления . . . 390

12.3. Применение быстрого прототипирования и изготовления.......... 393

12.3.1. Прототипы для оценки проекта ....... ............. 393

12.3.2. Прототипы для функциональной оценки................ 393

12.3.3. Процессы быстрой инструментовки .................. 395

12.3.4. Примеры специального применения быстрого прототипирования .... 409

12.4. Процесс стереолитографии......................... 412

12.4.1. Входные геометрические данные.................... 413

12.4.2. Ориентация детали .......................... 417

12.4.3. Поддерживающая структура...................... 418

12.4-4. Расщепление и объединение...................... 419

12.4.5. Подготовка .............................. 423

12.4.6. Изготовление детали ......................... 424

12.4.7. Завершение детали и слив излишков полимера ............ 427

12.4.8. Последующая обработка........................ 427

12.5. Программные технологии для быстрого прототипирования .........429

12.5.1. Задачи программ подготовки детали..................430

Вопросы и задачи.................................435

Глава 13. Виртуальная инженерия .......................436

13.1. Определение виртуальной инженерии....................437

13.2. Компоненты виртуальной инженерии....................437

13.2.1. Виртуальное проектирование..................... 438

13.2.2. Цифровая имитация.......................... 439

13.2.3. Виртуальное прототипирование.................... 440

13.2.4. Виртуальный завод .......................... 441

13.3. Применение виртуальной инженерии.................... 442

13.3.1. Средство проектирования.......................443

13.3.2. Оценка возможности производства...................443

13.3.3. Оценка и контроль качества......................444

13.3.4. Оценка и оптимизация производственного процесса......... 444

13.3.5. Планирование производства и продуктов .............. 444

13.3.6. Интерфейс для заказчика.......................445

13.3.7. База знаний..............................445

13.3.8. Коллективная разработка.......................445

13.4. Родственные технологии..........................446

13.4.1. Интеграция CAD и компьютерного моделирования........... 446

13.4.2. Управление степенью детализации и избирательная визуализация . . . 446

13.5. Примеры промышленного применения виртуальной инженерии....... 448

13.6. Программные продукты........................... 450

13.7. Аппаратура................................. 455

13.8. Исследовательские проблемы и препятствия виртуальной инженерии .... 459 Вопросы и задачи................................. 460

Глава 14. Стандарты обмена данными между системами ............ 462

14.1. Методы обмена данными технических требований.............. 462

14.2. Формат IGES................................ 464

14.3. Формат DXF................................. 469

14.4. Формат STEP................................ 469

Вопросы и задачи................................. 473

Приложение А. Реализация структуры данных полуребер............ 474

Приложение Б. Реализация структуры данных крыльевых ребер........ 476

Приложение В. Операторы Эйлера....................... 478

Приложение Г. Пошаговый алгоритм реализации булевской операции..... 492

Приложение Д. Структура данных и топологические операторы для

немногообразных систем моделирования............499