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1、第二章 CAD/CAM支撑技术,2.1 CAD/CAM系统常用数据结构 2.2 数据管理技术 2.3 计算机网络技术 2.4 科学计算可视化 2.5 人工智能技术,2.1 CAD/CAM系统常用的数据结构,2.1.1 数据结构的概念 数据结构：数据及其数据间的关系。 是按某种逻辑结构组织起来，按一定的存储表示方式把组织好的数据存储到计算机中，并对之定义一系列操作运算的数据的集合。,数据结构,非线性结构,数据存储结构,数据运算,数据逻辑结构,线性结构,线性表,队列,栈,网状结构,树结构,链式存储,顺序存储,插入，删除，更新，检索，排序,2.1.2 线性表 逻辑结构：相同数据元素组成的有限序列，除
2、表头和表尾之外， 每 个数据元素仅有一个前驱和后继。如工资表、学生名册。,线性表存储结构：有顺序存储和链式存储两种结构 1）顺序存储相邻的存储单元存储逻辑上的顺序数据元素。 如线性表（a1, a2, , ai , , an）顺序存储结构为：,特点： 有序性，存储顺序与逻辑顺序一致； 均匀性，每个数据元素所占存储单元长度相同。 地址计算：设首址为b，则数据元素ai存储地址为 Loc（a）= b+（i-1）L,线性表顺序存储 结构的插入运算：,线性表顺序存储 结构的删除运算：,2）链式存储结构： 用任意的存储单元存放线性表的各个数据元素，用指针指示各元素的前驱和后继。 链表结点结构：数据域和指针域
3、。 指针域有单向指针和双向指针，可构成单向链表和双向链表。,链表插入操作运算步骤：申请新结点存储空间；将待插入元素M存放在新增结点数据域；新增结点指针链接。,线性表顺序存储与链式存储结构比较,顺序存储： 优点：结构均匀，便于数据元素访问和修改操作； 不足：删除插入大量数据元素需移动，运算效率低。 应用：多用于查找频繁、很少增删的场合。 链式存储： 优点：删除插入效率高，不需数据元素移动，不需 事先分配存储空间，存储空间利用充分。 不足：搜索效率低，需从头结点顺次搜寻。 应用多用于事先难以确定容量，频繁增、删场合。,2.1.3 栈和队列 栈（Stack）：限定在表尾进行插入或删除操作，且为“后进
4、先出”的线性表。 队列（Queue）：限定在表一端插入，在另一端删除的“先进先出”线性表。,入队,出队,队列数据结构,循环 队列,2.1.4 树与二叉树 树结构（层次结构）：每个结点有一个以上后继，除根结点之外，所有结点仅有一个直接前驱。,树结构相关术语： 结点 树的基本单元，包含一个数据元素及若干指向其子树的指针； 结点度 各结点子树个数； 树的度 树中最大结点的度，图示树的度为4； 叶结点 度为0的结点或终端结点，如图中C、E、K、G、H、I、L等； 分支结点 度不为0的结点或非终端结点； 结点层数：根结点为第一层，根的子结点为第二层，其余类推； 树的深度 树的最大层数，图示深度为4； 森
5、林 森林是n棵互不相交树的集合。,二叉树：各结点仅有左子树和右子树的特殊树结构。 若深度为k，其结点数最多是2k-1个。 满二叉树：拥有2k-1个结点的二叉树，所有结点都有左右子树， 所有叶结点都在同一层上。 完全二叉树：深度为k结点数为n的二叉树，从1至n每一结点 编号都与满二叉树编号一致。,二叉树存储结构 顺序存储：仅适合于完全二叉树，若用于一般二叉树， 将有许多空存储单元。,链式存储：每结点除数据域外，还包含左右子树指针。,二叉树的遍历 遍历：按一定规律每一节点被访问一次。 二叉树常用遍历算法：先序遍历；中序遍历；后序遍历。 先序遍历：先访问根结点，然后先序遍历左子树，再先序遍历右子树。
6、,preorder(struct btree *node) if(!node) return； printf(“%d ”，node-data)； preorder(node-lchild)； preorder(node-rchild)； ,ABDGHCEIF,inorder(struct btree *node) if(!node) return； inorder(node-lchild)； printf(“%d ”，node-data)； inorder(node-rchild)； ,postorder(struct btree *node) if(!node) return； postor
7、der(node-lchild)； postorder(node-rchild)； printf(“%d ”，node-data)； ,中序遍历：先中序遍历左子树，然后访问根结点，再中序遍历右子树。,后序遍历：先后序遍历左子树、后序遍历右子树，再访问根结点。,GDHBAEIGF,GHDBIEFCA,树的二叉树表示的转换步骤： 将各层兄弟结点用水平线连起来； 除最左子结点外，去掉各结点与其父结点连线； 以根为中心，将整棵树顺时针旋转45，最终得到所需二叉树。,2.2 数据管理技术,一、文件管理模式 二、数据库管理模式 三、产品数据管理PDM,一、文件管理模式 数据文件：具有相同性质和结构的记录集
8、合。 文件管理系统：是一种按统一规则和方法进行数据组织和存取 的技术。文件管理系统由操作系统提供， 规定数据文件 的存取方法，管理文件存储地址。 特点：系统简单、实现方便灵活、处理效率高。 不足：数据冗余度大；缺乏数据独立性；数据完整性、 安全性难以保证。,二、数据库管理模式 1、数据库管理系统 数据的存储独立于应用程序，数据结构的改变不会影响应用程序； 应用程序的开发，可不考虑数据的存储管理； 实现数据的共享，减少了数据的冗余； 有DBMS对数据的统一管理和控制，保证了数据的完整性和保密性。,数据库与数据管理系统的关系,数据库常用数据模型 层次模型：树结构，可表示“一对多”关系； 网状模型：
9、各节点可有多个父节点，表示“多对多”关系； 关系模型：二维表结构，每张二维数表可看作为是一种关系，关系与关系之间可通过关键码实现联系。,关系模型,层次模型,网状模型,机械CAD/CAM涉及的数据类型 管理型数据 如设计标准、产品目录、技术资料等，其数据结构不变，数据间关系分明，数据相对稳定。 设计型数据 如产品功能数据、设计分析参数、各种资源描述数据等，其特点是动态性，随设计过程的展开在不断地变化。 加工制造型数据 包括工艺数据、数控指令、监控数据等，其实时性要求较高。 图形类数据 包括各种图表、零件图和装配图等，其特点呈动态变化，随设计过程急剧增加，如三维图形经剖切后，将产生新交点、交线和面
10、等大量新的图形数据。,工程数据库 ：存储和管理工程设计的数据库，包含有几何的、物理的、技术的、工艺的以及其它技术实体特性及其相互间的关系。,工程数据库与一般商用数据库的比较,目前已有的工程数据库系统： 美国国家标准局研制的集成制造数据管理系统（IMDAS）； 挪威工业中心研究所开发的TORNADO； 印度科学院研制的交互式设计ARDBID系统； 日本NIPPOW公司研制的多级数据库管理系统MLDB等。 上述系统均尚有一定的局限性，未达到满意的通用工程数据库水平。 现实：1）以现有商用关系数据库为基础进行扩充， 2）利用大型CAD/CAM系统数据管理模块与商用数据库相结合 开发的工程数据库，这是
11、较为有效的途径。,三、产品数据管理PDM PDM定义： PDM是管理所有与产品相关的信息和过程的技术。 与产品相关的信息：CAD/CAM文件、材料清单、产品配置、 电子表格、供应商及用户清单等。 与产品相关的过程：设计过程、加工工序、工作流程、审 批发放过程、产品变更过程等。,关系数据库管理系统,面 向 对 象 管 理 系 统,系统 工作 文档 工作流 产品配 零件分 项目 管理 环境 管理 程管理 置管理 类管理 管理,用户界面开发工具,工作站,微机,网络计算机,用户层,功能层,对象层,支持层,PDM系统的体系结构,l 电子资料室管理和检索 PDM最基本的功能，PDM核心。 l 产品配置管理
12、 以电子资料室为底层支持，以物料清单BOM为组织核心，把产品所有工程数据和文档联系起来，对产品相互关系管理。 l 工作流程管理 实现产品设计与修改过程的跟踪与控制，包括工程数据资料的提交、修改控制、监视审批、文档的分布控制、自动通知控制等。 l 项目管理功能 实现项目实施过程中的计划、人员以及相关数据的管理与配置，进行项目运行状态监控，完成计划反馈。,PDM功能,基于PDM的集成平台,PDM集成平台 在PDM上可以集成或封装CAD、CAE、CAPP、CAM等多种开发环境和工具，使CAD、CAPP、CAM可从PDM中提取各自所需要的信息，处理结果再放回PDM中去，从而可实现CAD/CAPP/CA
13、M之间的信息集成。,2.3 计算机网络技术,计算机网络功能特点： l能够在计算机之间快速地实现数据的传递； l共享网内计算机软硬件资源； l网内各计算机互为后备，提高系统的可靠性； l若干计算机可共同完成一项任务，协同进行网络作业。 计算机网络类型： 广域网：用于地区间通信，距离可达几千公里，Internet是目前规模 最大一种广域网。 局域网：在数公里范围内，是直接用于传递数字信号计算机网络。 CAD/CAM系统所采用的网络均属于局域网。,网卡与媒体 服务器 工作站 网间连接器 网络系统软件,计算机局域网的组成：,网络拓扑结构：,总线网,星形网,环形网,网状形,树形网,OSI互联网络协议（开
14、放系统互联模型）,应用层 表示层 会话层 传输层 网络层 链路层 物理层,应用层 表示层 会话层 传输层 网络层 链路层 物理层,开放系统A,开放系统B,物理传输介质,在OSI互连模型中，各层之间均有自身协议，同时要求下一层为其服务。,客户机/服务器模式(C/S) 特点： 可均衡CAD/CAM作业事务的处理； 有较快的通信速度； 客户端有自身应用程序，交互性强。 不足：客户机维护费用高，随客户机增加系统性能会下降。,基于网络的CAD/CAM系统模式结构,浏览器/服务器模式（ B/S）,特点： 包括用户层、应用服务层、数据服务层三层结构； 客户端仅需通用浏览器，客户端得到简化； 系统功能体现在应
15、用服务器上，减轻了客户端维护工作量； 浏览器为提供了统一、友好、便于操作的界面。 不足：与C/S比较，处理速度较慢，交互灵活性较差。,2.4 可视化技术,一、可视化技术概念 定义：20世纪80年代后期发展起来的一个新研究领域，它运用计算机图形学和图像处理技术，将计算机计算处理结果转换为图形或图像形式在屏幕上显示出来的理论和方法。 特点：1）可使研究者一目了然获得研究对象的变化规律和分布情况，加快数据处理速度，使庞大数据得到有效利用；2）可使人们发现和理解科学计算过程中所出现的不同现象；3）可使人们对计算过程进行引导和控制，通过交互手段改变计算所依据的条件并观察其影响。,二、可视化技术的应用 医
16、学 如B超、CT等 地质勘探 以勘探数据或测井数据的等值面、等值线图显示其范围及走向，并用不同颜色显示出多种参数及其相互关系，可对钻井作业做出指导，减少无效井位。 气象学 可将气象数据转换为等压面、等温面、位涡、云层的位置及运动、暴雨区的位置及其强度、风力的大小及方向等。 计算流体力学 可将计算结果数据动态地显示出流体中每一点的流速和流向，表示出涡流、冲击波、剪切层、尾流及湍流等流体的运动状态。 有限元分析 实现形体的网络剖分以及对有限元分析结果进行各种不同的图形图像显示，即所谓有限元分析的前后置处理。,砂带磨头的有限元分析,三、可视化技术算法 可视化处理层次： 事后可视化处理 在计算结束后在脱机状态下，对计算结果进行可视化处理，不要求对数据进行实时显示处理，其处理能力需求较低。 跟踪可视化处理 要求跟踪计算过程，实时显示计算结果，并根据计
