1、简述CAD/CAM集成的基本概念，
《机械CAD/CAM基础》习题解答_华中科技_何雪明
。答：集成是指将基于信息技术的资源及应用聚集成一个协同工作的整体，集成包含功能交互、信息共享以及数据通信三个方面的管理与控制。2、实现CAD/CAM集成有哪些方法？答：CAD/CAM系统的集成有信息集成、过程集成和功能集成。3、为什么说CIM是一种新的制造思想？答：CIM概念的产生反映了人们对“制造”有了更深刻的认识。通常，人们仅把工艺设计、库存控制、生产制造及维护这些活动称为制造，但实际上这是一种狭义的理解。从广义上看，制造应包括对产品需求的察觉、产品概念的形成、设计、开发、生产、销售以及对用户在使用产品过程中提供服务等全部活动。另一方面，过去人们仅把制造看作是一个物料转换的过程，即由原材料经过加工、装配，最终变成一个产品。实际上，制造是一个复杂的信息转换过程，在制造中进行的一切活动都是信息处理连续统一体的一部分。4、从功能上讲，CIMS由哪几部分组成？各有何功能？答：从功能上讲，CIMS包括产品设计、生产及经营等全部活动，这些功能对应着CIMS结构中的三个层次。即：决策层：帮助企业领导作出经营决策。信息层：生成工程技术信息，进行企业信息管理，包括物流需求、生产计划等。物资层：它是处于底层的生产实体，涉及生产环境和加工制造中的许多设备，是信息流和物料流的结合点。5、实现CIMS主要解决哪些关键技术？答：首先是信息传输；其次是数据模型、异构分布数据管理及网络通信等方面；第三个关键技术在于系统技术和现代管理技术。对这样复杂的系统如何描述、设计和控制，以便使系统在满意状态下运行，是一个有待研究的问题。CIMS会引起管理体制变革，所以生产规划、调度和集成管理方面的研究也是实现CIMS的关键技术之一。6、解决CIMS中的信息通信有些什么方法？答：随着CIMS发展的需要，信息传输技术发展很快，特别是工业局域网，它是利用计算机及通信技术，将分散的数据处理设备连接起来，完成信息传输的一种计算机网络。在工业局域网产品中发展最迅速的有MAP网、以太网、Ethernet、MAP网是按照自动化协议将一台或多台计算机、终端设备、数据传输设备、自动加工设备等不同软、硬件连接起来的系统的集合。7、为什么说产品集成模型能满足CIMS中集成化的要求？答：为实现集成化的要求，CAD系统必须能完整地、全面地描述零件的信息。除了有关几何信息和拓扑信息之外，还需要包含有关工艺特征、材料、加工精度以及表面粗糙度等方面的信息。后者对加工方法、工艺路线及刀具、切削用量的选择等具有决定性影响。为此需要在计算机内部把与产品有关的全部信息集成在一起，构成产品模型。产品模型中不仅包括了与生产过程有关的所有信息，而且在结构上还能清楚地表达这些信息之间的关联。因此产品模型可视为与产品有关的所有数据构成的逻辑单元。8、CIMS中的生产管理为什么采用MRPⅡ系统？答：目前机械制造生产管理中的核心问题是推广使用MRPⅡ。这是一个在规定了应生产的产品种类和数量之后，根据产品构成的零部件展开、制定生产计划和对由原材料制成成品的“物流”进行时间管理的计算机系统。它采用人机交互的方式帮助生产管理人员对企业的产、供、销、财务和成本进行统一管理。它能完成经营计划、生产计划、车间作业计划的制定及物料采购、库存和成本管理信息处理等功能。9、当前我国CIMS技术取得了哪些主要进展？答：一个重要进展是建成了CIMS技术的研究环境和工程环境，形成了我国CIMS研究和开发的基地。在应用工程方面，近年来已取得突破性进展。北京第一机床厂、沈阳鼓风机厂、成都飞机公司的CIMS工程突破口项目已进行验收，取得了重大进展，对企业产生了良好的效益，受到企业的高度评价。在产品开发方面也已取得重大成果。近年来，863/CIMS支持了近20项产品开发，包括了CAD、CAPP、制造业的管理及决策信息系统、加工过程的调度与控制、仿真以及其它与工厂自动化有关的计算机辅助技术产品。10、你认为在CIMS的研究发展中，应采用哪些先进技术？答：并行工程、面向对象技术、精良生产、虚拟制造和敏捷制造等。1、定义术言“有限元”。答：有限元法是用有限数量的单元将作为分析对象的结构连续体进行网格离散化，并通过这些单元的位移、应变和应力的近似求解来分析结构连续体的整体位移、应变和应力的一种数值方法。2、如何理解有限元法中的“离散”概念？答：有限元法是基于固体流动的变分原理，以数学上平衡微分方程、几何上变形协调方程和物理上的本构方程作为基本的理论方程，结合圣维南原理和虚位移原理作为解决问题的手段，通过求解离散单元在给定边界条件、载荷和材料特性下所形成的线形或非线形微分方程组，从而得到结构连续体的位移、应力、应变和内力等的结果。其描述的准确性依赖于单元细分的程度(即几何相似性)、载荷的真实性、材料力学参数的可信度、边界条件处理的正确程度(即力学相似性)等。简言之，有限元法就是一个基于下列基本假设上的“化整为零”的分析方法和“积零为整”的研究方法。1、简述CAD/CAM集成的基本概念。答：集成是指将基于信息技术的资源及应用聚集成一个协同工作的整体，集成包含功能交互、信息共享以及数据通信三个方面的管理与控制。2、实现CAD/CAM集成有哪些方法？答：CAD/CAM系统的集成有信息集成、过程集成和功能集成。3、为什么说CIM是一种新的制造思想？答：CIM概念的产生反映了人们对“制造”有了更深刻的认识。通常，人们仅把工艺设计、库存控制、生产制造及维护这些活动称为制造，但实际上这是一种狭义的理解。从广义上看，制造应包括对产品需求的察觉、产品概念的形成、设计、开发、生产、销售以及对用户在使用产品过程中提供服务等全部活动。另一方面，过去人们仅把制造看作是一个物料转换的过程，即由原材料经过加工、装配，最终变成一个产品。实际上，制造是一个复杂的信息转换过程，在制造中进行的一切活动都是信息处理连续统一体的一部分。4、从功能上讲，CIMS由哪几部分组成？各有何功能？答：从功能上讲，CIMS包括产品设计、生产及经营等全部活动，这些功能对应着CIMS结构中的三个层次。即：决策层：帮助企业领导作出经营决策。信息层：生成工程技术信息，进行企业信息管理，包括物流需求、生产计划等。物资层：它是处于底层的生产实体，涉及生产环境和加工制造中的许多设备，是信息流和物料流的结合点。5、实现CIMS主要解决哪些关键技术？答：首先是信息传输；其次是数据模型、异构分布数据管理及网络通信等方面；第三个关键技术在于系统技术和现代管理技术。对这样复杂的系统如何描述、设计和控制，以便使系统在满意状态下运行，是一个有待研究的问题。CIMS会引起管理体制变革，所以生产规划、调度和集成管理方面的研究也是实现CIMS的关键技术之一。6、解决CIMS中的信息通信有些什么方法？答：随着CIMS发展的需要，信息传输技术发展很快，特别是工业局域网，它是利用计算机及通信技术，将分散的数据处理设备连接起来，完成信息传输的一种计算机网络。在工业局域网产品中发展最迅速的有MAP网、以太网、Ethernet、MAP网是按照自动化协议将一台或多台计算机、终端设备、数据传输设备、自动加工设备等不同软、硬件连接起来的系统的集合。7、为什么说产品集成模型能满足CIMS中集成化的要求？答：为实现集成化的要求，CAD系统必须能完整地、全面地描述零件的信息。除了有关几何信息和拓扑信息之外，还需要包含有关工艺特征、材料、加工精度以及表面粗糙度等方面的信息。后者对加工方法、工艺路线及刀具、切削用量的选择等具有决定性影响。为此需要在计算机内部把与产品有关的全部信息集成在一起，构成产品模型。产品模型中不仅包括了与生产过程有关的所有信息，而且在结构上还能清楚地表达这些信息之间的关联。因此产品模型可视为与产品有关的所有数据构成的逻辑单元。8、CIMS中的生产管理为什么采用MRPⅡ系统？答：目前机械制造生产管理中的核心问题是推广使用MRPⅡ。这是一个在规定了应生产的产品种类和数量之后，根据产品构成的零部件展开、制定生产计划和对由原材料制成成品的“物流”进行时间管理的计算机系统。它采用人机交互的方式帮助生产管理人员对企业的产、供、销、财务和成本进行统一管理。它能完成经营计划、生产计划、车间作业计划的制定及物料采购、库存和成本管理信息处理等功能。9、当前我国CIMS技术取得了哪些主要进展？答：一个重要进展是建成了CIMS技术的研究环境和工程环境，形成了我国CIMS研究和开发的基地。在应用工程方面，近年来已取得突破性进展。北京第一机床厂、沈阳鼓风机厂、成都飞机公司的CIMS工程突破口项目已进行验收，取得了重大进展，对企业产生了良好的效益，受到企业的高度评价。在产品开发方面也已取得重大成果。近年来，863/CIMS支持了近20项产品开发，包括了CAD、CAPP、制造业的管理及决策信息系统、加工过程的调度与控制、仿真以及其它与工厂自动化有关的计算机辅助技术产品。10、你认为在CIMS的研究发展中，应采用哪些先进技术？答：并行工程、面向对象技术、精良生产、虚拟制造和敏捷制造等。1、定义术言“有限元”。答：有限元法是用有限数量的单元将作为分析对象的结构连续体进行网格离散化，并通过这些单元的位移、应变和应力的近似求解来分析结构连续体的整体位移、应变和应力的一种数值方法。2、如何理解有限元法中的“离散”概念？答：有限元法是基于固体流动的变分原理，以数学上平衡微分方程、几何上变形协调方程和物理上的本构方程作为基本的理论方程，结合圣维南原理和虚位移原理作为解决问题的手段，通过求解离散单元在给定边界条件、载荷和材料特性下所形成的线形或非线形微分方程组，从而得到结构连续体的位移、应力、应变和内力等的结果。其描述的准确性依赖于单元细分的程度(即几何相似性)、载荷的真实性、材料力学参数的可信度、边界条件处理的正确程度(即力学相似性)等。简言之，有限元法就是一个基于下列基本假设上的“化整为零”的分析方法和“积零为整”的研究方法。3、列出有限元法的5种优点。答：连续性、均匀性、同向性、线弹性和小变形。4、列举和简要说明有限元法的一般步骤。答：有限元法求解问题的基本步骤为：1、问题及求解域定义；2、求解域离散化；3、确定状态变量及控制方法；4、单元推导；5、总装求解；6、联立方程组求解和结果解释。5、简要说明有限元法的发展趋势。答：集成的CAD/CAM/CAE技术、更为强大的网格处理能力、线性问题→非线性问题、单一结构场→耦合场以及程序面向用户的开放性。6、如何理解优化设计方法与传统设计方法的异同点，以及优化设计方法较传统设计方法有何优势。答：传统设计所遵循的“原始方案→计算和校核→调整方案→再计算和校核→…”的设计流程，是以牺牲设计效率和质量为代价的相对繁琐和耗时的设计方法，随着设计越来越系统化，设计规模越来越大型化，该方法已经越来越不能满足设计的时效和精度要求。代之而起的优化设计方法则采用数学方法和计算机的“自动探索”，来代替传统设计所遵循的设计流程。7、如何理解优化设计三要素，在数学模型中的地位和作用。答：优化设计的数学模型主要由设计变量向量X、目标函数f(X)和约束函数三部分组成，简称为优化模型的三要素。在设计过程中进行选择和调整并最终必须确定的独立参数称之为设计变量，设计变量可以是连续变量也可以是离散变量。其数目称为优化问题的维数，由n个设计变量的坐标轴所形成的n维实空间称为设计空间。在这些空间中，n个设计变量的坐标值组成了一个设计点并代表一个设计方案。目标函数又称为评价函数，是用来评价设计方案优劣的标准，即目标函数是用设计变量来表达设计中预期目标的函数表达式，一个n维设计变量优化问题的目标函数记为f(X)。依据目标函数所代表的设计目标的数量，目标函数可分为单目标函数和多目标函数两类。目标函数值取决于设计变量的变化，但这种变化并不是任意的自由变化，绝大部分实际问题的设计或多或少的总要满足一定的设计条件，而这些条件构成了对设计变量取值的限制函数，称之为约束函数或(设计)约束。8、如何理解优化设计迭代解法的基本思想。答：优化设计迭代解法的基本思想，是根据目标函数f(X)的收敛变化规律，由第k轮迭代设计点X(k)开始，采用适当的步长α(k)，在可行域内沿着使目标函数值下降的方向，通过迭代公式来改变X(k)到第k+1轮迭代的新设计点X(k+1)，然后再在点X(k+1)处，采用新的步长α(k+1)和新的方向，重复上一步的迭代过程，直至逼近问题的最优点X*为止。因此，优化问题的最优解X*不是问题的精确解，而是满足一定计算精度ε下的近似解。9、如何理解目标函数的凸性和正定性的关系。答：当目标函数f(X)为二次函数时，H(X)为一常数矩阵，如果它是正定的，则称f(X)为正定。正定二次函数的等值线或等值面是一簇具有共同中心的椭圆或同心椭球。由于非正定二次函数在极小点附近的等值线或等值面，也可近似地用椭圆或椭球来代替。在已知存在极值的基础上，我们还要知道极值的数目及性质，是否在全局极值点外还存在一个或者多个局部的极值点，这将有目标函数的凸性来辅助决定，对于有约束的目标函数，其极值还要结合约束条件来共同来确定。如果f(X)在凸集Θ上具有二阶的连续导数，则f(X)为凸函数的充分必要条件是其Hessian矩阵H(X)处处半正定。对于具有凸性的目标函数，其极值点只有一个，当然也就是全局的最优点。为此，如果事先能通过H(X)的正定性判断出目标函数是个凸函数，则该函数的极值点就是全域最优点。10、如何理解函数的方向导数和梯度的关系和它们的异同点。答：对于从同一个设计点X采用不同的方向逼近X*，是否存在一个最佳的方向，使逼近X*的效率最高，很显然这个就是目标函数值变化最大的梯度方向。梯度方向为一矢量，定义为：如果将f(X)在设计点X处沿任意方向的函数值变化率，定义为f(X)在X处方向上的方向导数，方向导数为一标量，定义为：11、对于正定的二次函数，为什么切线法和插值法能够一步得到其精确最优解；又如何理解即使对于非二次的函数，插值法也是非常有效的。答：假如目标函数具有较好的一、二阶导数，还可以采用计算量少、可靠性好、应用更为方便的平分法和切线法。当目标函数相当复杂，可以采用一个容易求解极小值的较低次函数p(X)，在满足一定的条件下来近似代替f(X)。这种方法称为插值法。不管目标函数一、二阶导数如何，序列消去法是比较理想的探索区间收缩法。现假设探索单峰区间[αS，αe]内第k次迭代的两点α1(k)、α2(k)的函数值为f(α1(k))、f(α2(k))。如果f(α1(k))< f(α2(k))，则探索区间缩短为[αS(k)、α2(k)]，虽然在这一步我们计算了两点的目标函数值，但是真正使用到的只有f(α2(k))，除用于比较外，f(α1(k))的计算工作很可惜地被浪费了。所以，我们自然会想到，能否将这里没有用到设计点α1(k)和函数值f(α1(k))，作为下一步即第(k+1)步迭代中的一个点。这样，每一步迭代只需要计算一个新点和新点的函数值；而另一个点和点的函数值将由上一步继承下来，这样的处理方法称为序列消去法，该法将会使计算量减少而使效率提高。12、如何理解无约束多维问题的优化方法与无约束一维问题的优化方法的关系。答：多维搜索法是利用已有的信息，通过计算点一步一步地直接移动，逐步逼近并最后达到最优点。因此，每移动一步的计算都应该达到两个目的，⑴获得目标的改进值；⑵为下一步计算提出有用的信息。相对于一维搜索法只需要确定搜索步长而言，多维搜索法要复杂得很多，它不仅要确定搜索方向和其上对应的最优搜索步长向量α(k)，而且对于有约束的优化问题，还要保证每次迭代的设计点X(k)必须在可行区域内。一旦搜索方向确定了，由于可以使用前面的一维搜索法，探索出最优的搜索步长向量α(k)。13、如何理解约束多维问题的优化方法与无约束一(多)维问题的优化方法的关系。答：设计变量的取值范围受到某种限制时的优化方法，称为约束问题的优化方法，它是处理实际工程中绝大部分问题的基本方法。约束问题的优化方法也包括直接法和间接法，直接法主要用于求解不等式约束条件的优化问题；而间接法对不等式约束和等式约束均有效。与无约束问题一样，约束问题的优化方法重点也是要解决探索方向和步长的问题。14、等式约束和不等式约束多维优化的间接方法处理上如何不同。答：直接法主要用于求解不等式约束条件的优化问题；而间接法对不等式约束和等式约束均有效。在可行域内按照一定的原则，直接探索出问题的最优点，而无须将约束问题转换成无约束问题去求优的方法，称为约束优化问题的直接法。由于约束条件常常使得可行域为非凸集而出现众多的局部极值点，不同的初始点往往也会导致探索点逼近于不同的局部极值点不等式约束的优化问题，既包括只有不等式约束的情况，也包括不等式约束和等式约束兼而有之的情况。该优化问题的间接解法，只要将不等式约束gi(X)≤0变换成gi(X)+ωi2=0的等式约束，其余则与等式约束的优化问题一致。。15、多目标优化方法处理方法主要有哪些？答：统一目标法、主要目标法、协调曲线法和设计分析法。16、如何理解系统的组成和特点。答：系统是一组相互联系的为实现特定功能的若干要素所组成的，一个可辨别的、复杂的具有固定特性/行为的动态有机整体。系统的主要特点。1)结构；2)输入/输出；3)功能。17、建立系统模型的意义何在？模型建立的一般步骤是什么？答：我们所面对的系统大多数并不具备真实试验的可行性，这时就需要按照实际系统建立出系统相关抽象的模拟模型即系统模型并对之进行研究，然后依据这个系统模型的分析结果来推断实际系统的各种可能的工作状况。这里为保证一定的系统模拟精度，实际系统和相应的系统模型就必须要具有一定的相似性和同形性。模型建立的一般步骤是：1)理解系统的功能原理并提出所建模型的目的和要求；2)分清系统的主、次要要素及各种因果关系；3)用数学符号表示要素及各种因果关系的定义；4)其他可以定量描述的相关内容的补充及数学描述；5)联立以上各种结构的数学关系，构成系统的数学模型；6)实验研究并就其结果判断模型符合真实系统的程度；7)根据模型符合真实系统的程度对模型作必要的修改。当然，数学模型的一般构造步骤也可以认为仅包括上述的第1)~5)步，而第6)和7)步，将是计算机仿真的有关内容。18、定义术言“计算机仿真”，列举和简要说明计算机仿真的基本步骤。答：这里的仿真是指使用系统模型和计算机技术来模拟和分析真实系统行为的一种方法，其中的模型扮演了描述系统是什么的角色，而仿真则扮演了显示系统在做什么的角色。计算机仿真的过程，实际上就是凭借系统的数学模型，并通过该模型在计算机上的运行，来执行对模型的模拟、检验和修正，并使模型不断趋于完善的过程。在试图求解系统问题之前，实际系统的定义最为关键，尤其是系统的包络边界的识别；一旦有了这些明确的系统定义，结合一定的假设和简化，在确定了系统变量和参数以及它们之间的关系后，即可方便地建立出描述所研究系统的数学模型；建立了数学模型之后，随之着手准备的工作是收集系统有关的各项输入、输出数据，以及用于描述系统各部分之间关系的一些数据；接下来要做的工作是实现数学模型向计算机执行的转换。计算机仿真的目的，主要是为了研究或再现实际系统的特征，因此模型的仿真运行是一个反复的动态过程；并且有必要对仿真结果作全面的分析和论证。1、举例说明CAD/CAM中建模的概念及其过程。答：当人们看到三维客观世界中的事物时，对其有个认识，将这种认识描述到计算机内部，让计算机理解，这个过程称为建模。在CAD／CAM中，建模的步骤：首先对物体进行抽象，得到一种想象中的模型；然后将这种想象模型以一定格式转换成符号或算法表示的形式，形成信息模型，该模型表示了物体的信息类型和逻辑关系；最后形成计算机内部的数字化存储模型。通过这种方法定义和描述的模型，必须是完整的、简明的、通用的和唯一的，并且能够从模型上提取设计、制造过程中需要的全部信息。因此，建模过程实质就是一个描述、处理、存储、表达现实物体及其属性的过程。2、什么是几何建模技术？几何建模技术为什么必须同时给出几何信息和拓扑信息？答：所谓的几何建模就是以计算机能够理解的方式，对几何实体进行确切的定义，赋予一定的数学描述，再以一定的数据结构形式对所定义的几何实体加以描述，从而在计算机内部构造一个实体的几何模型。通过这种方法定义、描述的几何实体必须是完整的、唯一的，而且能够从计算机内部的模型上提取该实体生成过程中的全部信息，或者能够通过系统的计算分析自动生成某些信息。几何信息是指构成三维形体的各几何元素在欧氏空间中的位置和大小，它可以用具体数学表达式来进行定量描述。拓扑是研究图形在形变与伸缩下保持空间性质不变的一个数学分支。拓扑不管物体的大小，只管图形内的相对位置关系。拓扑信息反映三维形体中各几何元素的数量及其相互间连接关系。各种几何元素相互间的关系构成了形体的拓扑信息。如果拓扑信息不同，即使几何信息相同，最终构造的实体可能完全不同。3、试分析三维几何建模的类型及其应用范围。答：线框建模：不适用于对物体需要进行完整性信息描述的场合，一般使用在适时仿真技术或中间结果显示上。表面建模：增加了面、边的拓扑关系，因而可以进行消隐处理、剖面图的生成、渲染、求交计算、数控刀具轨迹的生成、有限元网格划分等作业；但表面模型仍缺少体的信息以及体、面间的拓扑关系，无法区分面的哪一侧是体内或体外，仍不能进行物性计算和分析。实体建模：可对实体信息进行全面完整的描述，能够实现消隐、剖切、有限元分析、数控加工，对实体着色、光照及纹理处理、外形计算等各种处理和操作。4、实体建模的方法有哪些?答：实体建模的方法有：体素调用法，空间位置枚举法，单元分解法，扫描变换表示法，体素构造表示法和边界表示法。5、实体建模中是如何表示实体的？答：实体模型提供了面和体之间的拓扑关系。在实体模型中，面是有界的不自交的连通表面，具有方向性，其外法线方向是根据右手法则由该面的外环走向确定，其中的环，是由有向边有序围成的封闭边界，确定面的最大外边界的环叫外环，按逆时针走向，面中的孔或凸台周界的环叫内环，按顺时针走向。6、什么是体素？体素的交、并、差运算是何含义？答：体素的定义方式有两类：一类是基本体素，另一类是扫描体素。基本体素可以通过输入少量的参数定义。扫描体素又可以分为平面轮廓扫描体素和三维实体扫描体素。平面轮廓扫描法是一种将二维封闭的轮廓，沿指定的路线平移或绕任意一个轴线旋转得到的扫描体。三维实体扫描法是用一个三维实体作为扫描体，让它作为基体在空间运动。体素的交运算结果是多个体素的重合部分；并运算的结果是多个体素包含的所有部分；差运算的结果是一个体素包含的部分减掉重合部分。7、简述边界表示法的基本原理和建模过程。答：边界表示法的基本思想是将物体定义成由封闭的边界表面围成的有限空间。这样一个形体可以通过它的边界，即面的子集来表示。边界表示法强调的是形体的外表细节，详细记录了形体的所有几何和拓扑信息。边界表示的模型通常采用翼边数据结构。在表面、棱边、顶点组成形体的三要素中，WED以边为核心来组织数据。棱边的数据结构中包含两个点指针，分别指向该边的起点和终点，棱边被看做一条有向线段。当一个形体为多面体时，其棱边为直线段，由它的起点和终点惟一确定。当形体为曲面体时，其棱边为曲线段，这时必须增添一项指针指向该曲线数据。此外，WED中另设有两个环指针，分别指向棱边所邻接的两个表面上的环，由这种边环关系就能确定棱边与相邻面之间的拓扑关系。为了能从棱边出发搜索到它所在的任一闭环上的其他棱边，数据结构中又增设了4个指向边的指针，分别是左上边、左下边、右上边、右下边。其中右下边表示该棱边在右面环中沿逆时针方向所连接的下一条棱边，而左上边为棱边在左面环中沿逆时针方向所连接的下一条线，其余类推，工程
《《机械CAD/CAM基础》习题解答_华中科技_何雪明》(https://www.unjs.com)。8、简述CSG表示法的基本原理和建模过程。答：构造立体几何法简称CSG法，是一种利用一些简单形状的体素，经变换和布尔运算构成复杂形体的表示模式。在计算机内部存储的主要是物体的生成过程。在这种表示模式中，采用二叉树结构描述体素构成复杂形体的关系。树根表示定义的形体，树叶为体素或变换量，中间节点表示变换方式或布尔运算的算子。对体素施以变换，可使之产生刚体运动，将其定位于空间中的某一位置。布尔算子可以是并、交、差等集合运算。该二叉树又称为CSG树。9、分析比较B-Rep与CSG的特点。答：B-Rep法强调的是形体的外表细节，详细记录了形体的所有几何和拓扑信息，具有显示速度快等优点，缺点在于不能记录产生模型的过程。而CSG法具有记录产生实体的过程，便于交、并、差运算等优点，缺点在于对物体的记录不详细。10、举例说明空间单元法是如何利用四叉树、八叉树来描述复杂形状物体的。答：在计算机内部通过定义各个单元的位置是否填充来建立整个实体的数据结构。这种数据结构通常是四叉树或八叉树。四叉树常用作二维物体描述，对三维实体需采用八叉树。首先定义三维实体的外接立方体，并将其分割成八个子立方体，依次判断每个子立方体，若为空，则表示无实体；若为满，表示有实体充满；若判断结果为部分有实体填充，将该子立方体继续分解，使所有的子立方体或为空，或为满，直到达到给定的精度。11、何谓特征？与实体建模相比，特征建模有何突出优点?答：从加工角度看，特征被定义为与加工操作和工具有关的零部件形式以及技术特征；从形体造型角度看，特征是一组具有特定关系的几何或拓扑元素；从设计角度看，特征又分为设计特征、分析特征和设计评价特征等。优点：特征造型则是着眼于更好地表达完整的产品技术和生产管理信息，为建立产品的集成信息模型服务；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；有助于加强产品设计、分析、工艺准备、加工、检验各部门间的联系，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，为开发新一代的基于统一产品信息模型的CAD/CAPP/CAM集成系统创造条件；有助于推动行业内的产品设计和工艺方法的规范化、标准化和系列化，使得产品设计中及早考虑制造要求，保证产品结构有更好的工艺性；推动各行业实践经验的归纳总结，从中提炼更多规律性知识，以丰富各领域专家的规则库和知识库，促进智能CAD系统和智能制造系统的逐步实现。12、什么是参数化设计？什么是变量化设计？两种方法有和区别？答：参数化设计用约束来表达产品几何模型，定义一组参数来控制设计结果，从而能够通过调整参数来修改设计模型。参数化设计方法与传统方法相比，最大的不同在于它存储了设计的整个过程，设计人员的任何修改都能快速地反映到几何模型上，并且能设计出一组形状相似而不是单一的产品模型。变量化技术保留了参数化技术的基于特征、全数据相关、尺寸驱动设计修改的优点，但在约束的定义和管理方面作了根本性改变：变量化技术将形状约束和尺寸约束分开来处理，而不像参数化技术那样，只用尺寸来约束全部几何；变量化技术可适应各种约束状况，设计者可以先决定所感兴趣的形状，然后再给出必要的尺寸，尺寸是否注全并不影响后续操作；而不像参数化技术，在非全约束时，造型系统不允许执行后续操作；变量化技术中工程关系可以作为约束直接与几何方程耦合，然后再通过约束解算器统一解算，方程求解顺序上无所谓，而参数化技术由于苟求全约束，每个方程式必须是显函数，即所使用的变量必须在前面的方程内已经定义过，并赋予某尺寸参数，几何方程求解只能定顺序求解；参数化技术解决的是特定情况下的几何图形问题，表现形式是尺寸驱动几何形状修改，变量化技术解决的是任意约束情况下的产品设计问题，不仅可以做到尺寸驱动，亦可实现约束驱动，即以工程关系来驱动几何形状的改变，这对产品结构优化是十分有意义的。1、什么是CAD？什么是CAM？什么是CAPP？什么是CAE？什么是CAD/CAM集成？答：CAD是指以计算机为工具，对产品进行包括方案构思、总体设计、工程分析、图形编辑和技术文档整理等设计活动的技术。CAM是指借助计算机进行产品制造活动的简称，有广义和狭义之分。广义CAM，一般是指利用计算机辅助完成从毛坯到产品制造过程中的直接和间接的各种活动。狭义CAM，通常指数控程序的编制。CAPP是指借助于计算机软硬件技术和支撑环境，利用计算机进行数值计算、逻辑判断和推理来制定零件机械加工工艺过程。CAE技术是以现代计算力学为基础、计算机仿真为手段的工程分析技术。CAD/CAM集成系统借助于工程数据库技术、网络通信技术、以及标准格式的产品数据接口技术，把分散于机型各异的各个CAD/CAM模块高效、快捷地集成起来，实现软、硬件资源共享，保证整个系统内的信息流动畅通无阻。2、CAD/CAM集成的意义何在？答：随着网络技术、信息技术的不断发展和市场全球化进程的加快，出现了以信息集成为基础的更大范围的集成技术，包括信息集成、过程集成、资源集成、工作机制集成、技术集成、人机集成以及智能集成等，譬如将企业内经营管理信息、工程设计信息、加工制造信息、产品质量信息等融为一体的计算机集成制造系统CIMS(Computer Integrated Manufacturing System)。而CAD／CAM集成技术则是计算机集成制造系统、并行工程、敏捷制造等新型集成系统中的一项核心技术。3、简述CAD/CAM硬件的类型及其特点。答：CAD/CAM硬件主要由主机、存储器、输入/输出设备、图形显示器及网络通信设备组成。主机是CAD/CAM系统硬件的核心，主要由CPU、内存储器以及I/O接口组成，主机是CAD/CAM系统的指挥和控制中心，其类型和性能很大程度上决定了CAD/CAM系统的性能，如运算精度和速度。外存储器是CAD/CAM系统中独立于内存、用于存放各种数据和代码的外部存储设备，通常用于存储CPU暂时不用的程序和数据，CAD/CAM系统的大量软件、图形库和数据库均存于外存储器中。输入设备的特点是将各种外部数据转换成计算机能识别的编码。输出设备是计算机实用价值的体现。CAD/CAM系统中输出设备的作用主要是将设计的数据、文件、图形、程序、指令等显示、输出或者发送给相关的执行设备。网络设备的特点是让越来越多的CAD/CAM系统采用网络化系统以达到资源和数据共享。4、CAD/CAM的软件是由哪些组成的?各组成部分在系统中起什么作用？答：CAD/CAM系统中的软件系统由系统软件、支撑软件和应用软件组成。系统软件主要用于计算机的管理、维护、控制、运行以及对计算机程序的翻译和执行。支撑软件是CAD/CAM系统的是各类应用软件的基础，由专门的软件公司开发，为用户提供工具或二次开发环境。应用软件是在系统软件和支撑软件基础上，针对某一专门应用领域的需要而研制的软件,一般提供二次开发所需要的接口、语言和工具等技术支，使二次开发的软件能与应用软件本身紧密结合，构成用户实际需要的CAD/CAM系统。5、CAD/CAM系统的基本功能和主要任务是什么？答：CAD/CAM系统具有以下几个方面的功能：几何造型功能、计算分析功能、工程绘图功能、结构分析功能、优化设计功能、计算机辅助工艺规程设计(CAPP)功能、NC自动编程功能、模拟仿真功能、工程数据管理功能和特征造型功能。CAD/CAM系统的以计算机硬件、软件为支持环境，通过各个功能模块（分系统）完成对产品的描述、计算、分析、优化、绘图、工艺规程设计、NC加工仿真、生产规划、管理、质量控制等方面的任务。6、CAD/CAM系统中常用的输入/输出设备有哪些？答：输入设备包括：键盘、鼠标、数字化仪、图形扫描仪、数码相机、数据手套、光笔、触摸屏、声音交互输入、位置传感器等。输出设备包括：图形显示器、打印机、自动绘图仪、3D听觉环境系统、生产系统设备等。7、CAD/CAM的发展趋势如何？答：CAD/CAM发展趋势可以概括为以下几个方面：向集成化方向发展、向智能化方向发展、向网络化方向发展、面向并行工程的发展、面向先进制造技术的CAD技术的发展、面向虚拟设计技术的发展。8、简要说明CAD/CAM系统支撑软件的类型和功能。答：从功能上可将支撑软件划分为基本图形资源与自动绘图、几何造型、工程分析与计算、仿真与模拟、专用设备控制程序生成、集成与管理6大部分。基本图形资源软件是根据各种图形标准或规范实现的软件包，大多是供应用程序调用的图形子程序包或函数库，支持不同专业的应用图形软件开发，具有基本图形元素绘制、图形几何运算等功能；自动绘图软件主要解决零件图的详细设计问题，输出符合工程要求的零件图或装配图，包括图形变换、编辑、存储、显示控制以及人机交互、输入/输出设备驱动等功能。几何建模软件为用户提供一个完整、准确地描述和显示三维几何形状的方法和工具，具有消隐、着色、浓淡处理、实体参数计算、质量特性计算等功能。工程计算与分析软件的功能包括：基本物理机械量的计算、基本力学参数计算、有限元分析、产品装配、公差分析、机构运动学分析、动力学分析、优化算法等。仿真与模拟软件的功能是利用模型分析系统的行为而不建立实际系统，在产品设计时，实时、并行地模拟产品生产或各部分运行的全过程，以预测产品的性能、产品的制造过程和产品的可制造性。专用设备控制程序的功能是针对不同类型、不同厂家的设备所用的控制方式、要求和数据各不相同的情况，生成相应的设备控制程序。管理与集成软件的功能是将不同功能的软件模块有机地连接到一起，形成一个完整的CAD/CAM系统，保证系统内信息流畅通，并协调各子系统有效地运行，以达到信息数据无缝传输、数据共享、资源共享、提高工作效率的目的。1、软件工程的基本概念和重要意义。答：软件工程是指导软件开发和维护的工程类学科，是开发、运行、维护和修改软件的系统方法，即制定合理的工程原则，以最低的成本、最短的时间、最好的质量开发出满足用户需求的软件。软件工程通过采用软件生命周期模型，从时间的角度上将软件开发和维护的整个周期进行分解。通过规范各开发阶段的文档，从技术和管理两个方面对开发过程进行严格的审查，从而保证软件的顺利开发，保证软件的质量和可维护性。2、常用逻辑结构和物理结构的类型、特点。答：逻辑结构包括线性结构、树形结构和网状结构；物理结构包括顺序存储结构和链接存储结构。线性结构中结点按照它们之间的关系，可以排成一个序列，所表示的关系是一对一的。树形结构反映的关系是层次关系。树形结构所反映的关系是一对多的。网状结构的数据元素之间存在多对多的关系。顺序存储结构占用存贮单元少，简单易行，结构紧凑。但数据结构缺乏柔性，若要增删数据，必须重新分配存储单元，重新存入全部数据，因而不适合需要频繁修改、补充、删除数据的场合。链接存储结构可独立于逻辑结构，数据在存储介质上的顺序不必与逻辑顺序一致而仍能按逻辑要求来存取数据。3、简述文件的主要操作。答：文件的操作主要表现在两个方面，一是查找，二是排序。查找是寻找关键字为某值的记录，或从数组中寻找某个确定的数据。常用的查找方法有三种：顺序查找法、折半查找法和分块查找法。排序是对文件中记录的关键字（或数组元素值）按递增或递减的顺序重新排列。排序的方法很多，常用的有以下几种：选择排序、冒泡排序、插入排序、快速排序法、希尔排序法、合并排序法、堆阵排序法、基数排序法等。4、处理工程数据一般有哪几种方法？各有什么优缺点？答：从总体上说，处理工程数据的方法有以下3种：程序化处理：特点是程序与数据结合在一起。缺点是数据无法共享，增大程序的长度。文件化处理：特点是数据与程序做了初步的分离，实现了有条件的数据共享，增强了数据管理的安全性，提高了数据系统的可维护性。缺点是文件只能表示事物而不能表示事物之间的联系；文件较长；数据与应用程序之间仍有依赖关系；安全性和保密性差。数据库管理：特点是数据共享；数据集中；数据结构化，既表示了事物，又表示了事物之间的联系；数据与应用程序无关；安全性和保密性好。5、简述曲线拟合的理论基础。答：曲线拟合的方法很多，最常用的是最小二乘法。设由实验得到或绘图经离散后得到m个点：(xi，yi)，i＝1，2，…，m。假设由这些点得到的拟合公式为y=f(x)，则每个节点处的偏差为：ei=f(xi)-yi，i＝1，2，…，m。将所有节点的偏差取平方值并求和，让偏差平方和达到最小，因此称为最小二乘法拟合。6、对下表所示的试验数据，分别用直线、抛物线插值法求解当x=2.05时的y值。x
2.592.402.332.212.092.001.881.801.721.01y1.881.81.71.681.621.591.531.491.441.36解：线性插值法构造函数y=P(x)选取x1=2.09，x2=2.00，则y1=1.62，y2=1.59当x=2.05时，抛物线插值法选取3个插值节点：(x1=2.21，y1=1.68)，(x2=2.09，y2=1.62)，(x3=2.00，y3=1.59)所以，插值公式为：7、采用最小二乘法对表中的试验数据进行多项式拟合，并绘制拟合曲线。解：采用线性方程拟合时求得的曲线方程为：y=0.924106+0.3419341x对数方程拟合时求得的曲线方程为：y=1.2513688+0.5363392lnx指数方程拟合时求得的曲线方程为：y=1.276592x0.3402815对数指数方程拟合时求得的曲线方程为：y=1.040708e0.2152673x二次方程拟合时代入数据得解方程得求得的曲线方程为：y=1.5490368-0.3995479x+0.2053018x2各曲线方程的x、y计算值比较如下表x
表值y线性方程对数方程指数方程对数指数方程二次方程计算值差值计算值差值计算值差值计算值差值计算值差值2.592.402.332.212.092.001.881.801.721.011.881.81.71.681.621.591.531.491.441.361.811.741.721..681.641.611.571.541.511.270.070.060.020-0.02-0.02-0.04-0.05-0.070.091.761.721.711.681.651.621.591.571.541.260.120.08-0.010-0.03-0.03-0.06-0.08-0.1-0.11.761.721.701.671.641.621.581.561.541.280.120.0800.01-0.02-0.03-0.05-0.07-0.10.081.821.741.721.671.631.601.561.531.511.290.060.06-0.020.01-0.01-0.01-0.03-0.04-0.070.071.891.771.731.671.611.571.521.501.471.35-0.010.03-0.030.010.010.020.01-0.01-0.030.01偏差平方和S0.02680.05270.0460.02020.0037有差数组量9991010绝对最大差值0.090.120.120.070.03由上表可知，二次方程拟合时的偏差平方和S值最小，而且绝对最大差值也远小于其他方程的拟合，尽管二次方程拟合时有差值的数据组数并非最少，但综合考虑，仍可选择二次方程为实验数据的拟合公式。各种拟合方程的拟合曲线如下所示：线性方程拟合：对数方程拟合：指数方程拟合：对数指数方程拟合：二次方程拟合：8、何谓数据库系统的数据模型？各种模型有哪些特点？答：数据模型是指数据库内部数据的组织方式，描述了数据之间的联系、数据的操作以及语义约束规则，是数据结构化的表现。其实质是一组向用户提供的规则，这组规则规定了数据如何组织在一起，以及相应地允许进行何种操作。现行数据库系统中，常用的数据模型有三种：层次模型：只有一个根结点；根结点以外的其它节点有且仅有一个父结点。网状模型：它体现了多对多的关系。取消层次模型中的两个限制条件便形成了网状模型。关系模型：数据结构简单，数据独立性高，具有直观、使用方便等优点。9、简述工程数据库的概念。答：所谓工程数据库，是指能满足人们在工程活动中对数据处理要求的数据库。理想的CAD/CAM系统，应该是在操作系统支持下，以图形功能为基础，以工程数据库为核心的集成系统，从产品设计、工程分析直到制造过程中所产生的全部数据都应维护在同一个工程数据库环境中。1、分析图形软件标准化的意义。答：图形软件标准是一组通用的、独立于设备的、由标准化组织发布实施的图形系统软件包，它提供图形描述、应用程序和图形输入输出接口等功能，使应用软件更易于在各系统间实现资源共享、CAD/CAM系统的集成更易于实现。2、图形软件的常用标准有哪些？答：图形软件标准按其功能及在系统中的地位，可分为以下3个层次：1、CAD系统间的数据交换标准，包括IGES初始图形交换规范、STEP产品模型数据交换标准和DXF文件；2、图形系统标准，包括GKS图形核心系统和PHIGS程序员层次交互图形系统；3、图形子功能程序和图形输入输出装置之间接口标准，包括CGM计算机图形元文件编码和CGI计算机图形接口编码。3、试述窗口和视区的概念及变换原理。答：窗口是在用户坐标系中进行观察和处理的一个坐标区域。视区是在图形输出设备上用来复制窗口内容的矩形区域。变换原理为：设窗口的左下角点坐标为(Xwl，Ywb)，右上角点坐标(Xwr，Ywt)；在设备坐标系中定义的视区为：左下角点坐标为(Xvl，Yvb)，右上角点坐标(Xvr，Yvt)。窗口-视区变换要求在保持一定比例关系的前提下，把窗口中的点W(Xw，Yw)映射到视区中的点V(Xv，Yv)，即保持点在闭合矩形中的相对位置不变。4、以下叙述中正确的是（A）A、窗口大小不变化，当视区增大时，图形放大B、窗口大小不变化，当视区减小时，图形放大C、视区大小不变化，当窗口增大时，图形放大D、窗口大小不变化，当视区增大时，图形不变5、利用图形变换矩阵，可以使图形产生（A、B、C、D、E）A、比例变换 B、对称变换 C、旋转变换 D、错切变换 E、平移变换6、什么是复合变换？如何实现复合变换？答：由两种及两种以上的基本变换组合而成的变换称为复合变换。复合变换的原理及步骤：首先将任意点平移向坐标原点或任意线平移和旋转与X或Y轴重合；再将图形作基本变换，最后反向移回任意点或将任意线移回原位。7、已知图形变换矩阵为：，请说出其变换过程。答：该变换过程为：先将图形顺时针旋转30°，然后将图形沿x正向轴平移2，沿y轴正向平移3。8、已知ΔABC各顶点的坐标分别为：A（20，15）、B（20，40）、C（40，30），分别进行下列变换：(1) 使长度方向（x方向）缩小一半，高度方向（y方向）增加一倍；(2) 使整个三角形放大为原来的1.5倍。解：(1)三角形的齐次矩阵表达式为：变换矩阵为：变换后的图形的齐次矩阵表达式为：变换前和变换后的图形如下左图所示。(2) 三角形的齐次矩阵表达式为：变换矩阵为：变换后的图形的齐次矩阵表达式为：变换前和变换后的图形如下右图所示。9、已知四边形ABCD各顶点的坐标分别为A（9，9）、B（30，9）、C（30，24）、D（9，24），试用齐次变换矩阵对其进行下列变换，并画出变换前后的图形。(1) 沿x方向平移10，沿y方向平移20，再绕坐标原点逆时针旋转90°；(2) 绕坐标原点逆时针旋转90°，再沿x方向平移10，沿y方向平移20。解：(1) 四边形的齐次矩阵表达式为：变换矩阵为：变换后的图形的齐次矩阵表达式为：变换前和变换后的图形如下左图所示。(2) 四边形的齐次矩阵表达式为：变换矩阵为：变换后的图形的齐次矩阵表达式为：变换前和变换后的图形如下右图所示。10、将上题中的四边形绕点P（12，35）逆时针旋转60°，试求变换结果。解：四边形的齐次矩阵表达式为：用三种变换复合而成：1)将旋转中心移到原点（平移）；2)按要求的角度方向旋转（旋转）；3)将旋转后的图形平移到原来的旋转中心（平移）变换矩阵为：变换后的图形的齐次矩阵表达式为：变换前和变换后的图形如下图所示：11、已知正方体的棱边长为60㎜，其中一个顶点在坐标原点，且正方体位于第一挂角内，将其沿x方向平移10，沿y方向平移20，沿z方向平移15，试用齐次变换矩阵求变换结果。解：该正方体的齐次坐标表达式为：变换矩阵为：变换后的图形的齐次矩阵表达式为：12、计算机绘图中如何产生三视图？写出各视图的变换矩阵。答：取V面（XOZ平面）上的投影为主视图，投影的结果是Y坐标为0，变换矩阵为：俯视图变换的过程是：先将物体向H面作正投影，即令z=0，然后使水平投影面按右手系绕X轴旋转-90°，使其与正面投影面共面，最后让图形沿负Z轴平移一段距离n（n>0），以使H面投影和V面投影之间保持一段距离。变换矩阵为：左视图变换的过程是：先将物体向W面作正投影，即令x=0，然后将投影面按右手系绕Z轴旋转90°，使其与V面共面，最后让图形沿负X轴平移一段距离l（l＞0），以使W面投影和V面投影之间保持一段距离。变换矩阵为：13、何谓透视变换？它能产生什么效果？答：透视图是采用中心投影法得到的图形，即通过透视中心（视点），将空间立体投射到二维平面（投影面）上所产生的图形。14、按自己的理解，叙述窗口和裁剪的定义以及它们的用途。答：为了将图形显示到屏幕上，先用一个矩形框在世界坐标系中取出一幅图，像照相取景一样，此矩形区域称作窗口。窗口是在用户坐标系中定义的确定显示内容的一个区域，只有在这个区域内的图形才能在设备坐标系下输出，而窗口外的部分则被裁剪掉。为了正确显示窗口内的全部图形，必须明确地把图形分为窗口内的部分（可见部分）和窗口外的部分（不可见部分），尤其是与窗口边界相交的那些图形。区分可见与不可见图形部分的过程称为裁剪。