普通高等教育“十五”国家级规划教材

皮革制品 !"#!!"$

弓太生 主 编

彭文利 万蓬勃 副主编

图书在版编目（!"#）数据

皮革制品 !"#$!"%$弓太生主编 &—北京：中国轻工

业出版社，’(()&*普通高等教育“十五”国家级规划教材

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" & 皮 & & & # & 弓 & & & $ &%皮革制品 3 计算机辅助

设计 3 高等学校 3 教材&制革 3 计算机辅助制造 3 高等

学校 3 教材 ’ & 4,*)!51

中国版本图书馆 !+6 数据核字（’(()）第 ((7/1) 号

责任编辑：李建华 责任终审：滕炎福 封面设计：刘 鹏

版式设计：马金路 责任校对：燕 杰 责任监印：胡 兵

出版发行：中国轻工业出版社（北京东长安街 ) 号，邮编：0((/7(）

印 刷： 印刷厂（ ，邮编： ）

经 销：各地新华书店

版 次：’(() 年 * 月第 0 版第 0 次印刷

开 本：/2/ 8 0(1’ 0$0) 印张：07&*字 数：575 千字

书 号：+,-. /!*(01!*’*2!’$4,·5(*/ 定价：5(&(( 元

读者服务部邮购热线电话：(0(—)*’70)1* 2*000/’1 传真：2*000/5(发行电话：(0(—2*00120/ )*0’2212 传真：2*005’15网 址：9::;：$$<<<& =9>?;& =@A& =BCAD?>：=>EFG=9>?;& =@A& =B如发现图书残缺请直接与我社读者服务部联系调换

*(2’(H7I0(0J-K

前 言

在全球经济一体化趋势日益明朗的环境下，改革高等教育已经成为高等教育管理者

和工作者一致的呼声。从国外到国内，从高等教育主管部门到教学第一线的教师，包括

作为受教育对象的大学生，已经达成了广泛的共识，那就是必须加快教育思想、教学手

段和教学内容的改革，最大限度地适应市场对人才的要求。在这种背景下，教育部于

!""# 年进行了大规模的专业调整。强调以宽厚的基础知识培养学生的科学素养，加强对

学生的个性培养，营造培养创新人才的环境。依据教育部轻化工程专业指导委员会和

$%%! 年“十五”教材规划会议提出的指导性培养计划，陕西科技大学结合本校、其他相

关高校和企业的实际情况对服装设计与工程专业皮革制品设计方向的培养计划做了反复

修改，同时也对教学手段与教学内容的改革以及教材建设等问题进行了认真研讨，推出

了与新培养计划相适应的一系列措施。为了保证新培养计划能够落在实处，减少课程之

间的知识冗余，学校对该专业的专业课和部分学科基础课的教材进行了规划，形成了由

相关教材组成的系列化教材。本书是其中之一。

&’()&’* 作为 $% 世纪最杰出的技术之一，从 $% 世纪末开始走向成熟，目前已经应

用到几乎所有工程领域，皮革制品行业也不例外，特别是在皮革制品的设计、制造和生

产管理等环节中，&’()&’* 充当了最基本的构件。因此，开设本门课程，不但有益于培

养服装工程专业皮革制品设计专业方向学生的工程素养，而且对很多非工程专业学生的

综合素质培养也是十分有益的。

经过几十年的发展，&’()&’* 已经成为一门综合性很强的技术科学。除了皮革制品

设计和制造中的具体技术外，其触角也触及管理科学和信息处理技术等。受篇幅的限制，

本教材无法将所有这些内容全部包容进来，况且 &’()&’* 的内涵还在不断地发展。基于

这一现实，本书将重点介绍皮革制品 &’()&’* 中最基本、最核心且比较成熟的知识。全

书共分十一章，包括计算机辅助设计和辅助制造系统引论、皮革制品 &’()&’* 系统软硬

件技术基础、&’()&’* 系统中的交互技术与用户接口、皮革制品 &’()&’* 常用的数据结

构及数据库系统、计算机辅助皮革制品图形处理、皮革制品的三维建模技术、皮革制品

真实感图形生成的基本原理与方法、计算机辅助工艺过程设计及皮革制品样板的数控切

割设备、皮革制品生产过程中的数控加工及其程序编制、皮革制品企业计算机辅助质量

管理系统、皮革制品 &’()&’++)&’* 的集成化等内容。编写中，充分考虑了专业教学的

特点及需要，以在制鞋过程的应用为主，力求较系统地勾勒出 &’()&’* 技术在皮革制品

设计、制造和管理中应用的全貌。本书主要作为普通高等院校专业教材，高等及中等职

业学校选用教材，同时可供艺术类专业学生及有关工程技术人员参考。

本书由陕西科技大学弓太生、彭文利和万蓬勃编写。其中，第一章、第三章、第十

一章由弓太生和彭文利编写；第二章、第四章、第五章、第八章由万蓬勃编写；第六章、

第七章、第九章、第十章由彭文利编写。陕西科技大学研究生陈淑如和耿新柱绘制了书

中部分插图。全书由弓太生统稿。

!

陕西科技大学陈桦教授主审了全部书稿并提出许多宝贵意见，谨致以衷心的感谢！

本书编写中除参考了参考文献中的有关内容外，还参考了其他学者的研究成果和互

联网上的一些知识，在此向这些作者表示感谢。

尽管作者投入了很大精力，力图使本书取材合理、内容正确，但是由于 !"#$!"% 技

术发展很快，加之作者的水平有限，因此书中难免有错误存在，敬请读者指正。

编者

&’’()**

&

皮革制品 !"#$!"%

目 录

第一章 计算机辅助设计和辅助制造系统引论 !⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯

第一节 "#$%"#& 概述 !⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯

第二节 "#$%"#& 技术发展概况 ’⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯

第三节 皮革制品 "#$%"#& 技术的应用 (⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯

第四节 "#$%"#& 技术发展趋势 !!⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯

第二章 皮革制品 !"#%!"$系统软硬件技术基础 !)⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯

第一节 皮革制品 "#$%"#& 系统 !)⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯

第二节 "#$%"#& 系统的硬件 !*⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯

第三节 皮革制品 "#$%"#& 系统的软件 +*⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯

第四节 软件工程基础 +,⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯

第五节 图形软件的标准化 -!⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯

第六节 图形核心系统 -+⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯

第七节 其他图形标准和规范 -*⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯

第三章 !"#%!"$系统中的交互技术与用户接口 -,⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯

第一节 交互任务和交互技术 -,⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯

第二节 用户接口 )+⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯

第三节 用户界面的设计 ))⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯

第四节 交互式图形系统 )(⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯

第四章 皮革制品 !"#%!"$常用的数据结构及数据库系统 *!⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯

第一节 数据处理及数据库概述 *!⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯

第二节 线性表和树结构 *)⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯

第三节 查找和排序 ’’⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯

第四节 数据库系统简介 .!⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯

第五节 工程数据库 .)⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯

第五章 计算机辅助皮革制品图形处理 .(⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯

第一节 图形变换的数学方法 .(⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯

第二节 图形生成技术与方法 (.⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯

第三节 设计资料的处理 ,-⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯

第四节 交互式二维绘图系统的基本功能 ,’⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯

第五节 皮革制品工程图样的处理 ,,⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯

第六章 皮革制品的三维建模技术 !/!⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯

第一节 引言 !/!⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯

第二节 线框建模 !/’⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯

第三节 曲面建模 !/(⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯

!

第四节 实体建模 !!"⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯

第五节 特征建模 !##⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯

第七章 皮革制品真实感图形生成的基本原理与方法 !#$⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯

第一节 引言 !#$⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯

第二节 基本光照模型 !#%⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯

第三节 真实感图形的处理 !&!⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯

第四节 整体光照模型———光线跟踪算法 !&’⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯

第五节 辐射度方法 !(!⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯

第六节 纹理和自然景物模拟 !(&⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯

第七节 图形反混淆技术简介 !(%⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯

第八章 计算机辅助皮革制品工艺过程设计及数控设备 !$)⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯

第一节 计算机辅助工艺过程设计 !$)⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯

第二节 数控技术及数控设备 !$$⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯

第三节 皮革制品数控设备 !$%⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯

第九章 皮革制品生产过程中的数控加工及其程序编制 !"!⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯

第一节 引言 !"!⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯

第二节 数控语言自动编程 !"#⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯

第三节 图形交互自动编程 !"%⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯

第四节 *+,-*+. 集成编程及其在皮革制品加工中的应用 !%)⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯

第五节 数控加工程序的检验与仿真 !%$⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯

第十章 皮革制品企业计算机辅助质量管理系统 !’)⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯

第一节 引言 !’)⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯

第二节 皮革制品企业计算机辅助质量系统的结构 !’#⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯

第三节 皮革制品企业 *+/ 系统的实施 !0&⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯

第四节 皮革制品企业 *+/ 系统的评价和改进 #)!⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯

第十一章 皮革制品 !"#-!"$$-!"%的集成化 #)"⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯

第一节 皮革制品 *+,-*+. 集成的概念 #)"⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯

第二节 皮革制品 *+,-*+. 集成方法 #!&⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯

第三节 产品数据管理 #!"⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯

参考文献 ##&⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯

#

皮革制品 *+,-*+.

第一章 计算机辅助设计和辅助制造系统引论

随着人们生活水平的不断提高，消费者的价值观正在发生结构性的变化，呈现出个

性化与多样化的趋势，用户对皮革制品的质量以及其更新换代的速度都提出了越来越高

的要求。为了适应这种变化，皮革制品企业力求缩短皮革制品从设计、制造到投放市场

的周期，使产品向多品种、中小批量方向发展。要适应这种瞬息万变的市场需求，则要

求生产更具有柔性。传统的批量法则面临着严重的挑战，一场更加激烈的竞争正在形成。

皮革制品的计算机辅助设计（!"#，!$%&’()* "+,), #)-+./ 01-()%）与计算机辅助制造

（!"2，!$%&’()* "+,), 23/’435(’*+/. 01-()%）就是为满足这种新的要求而产生的一种新的

设计与制造方法。本章主要介绍 !"#6!"2 的基本概念、!"#6!"2 的基本功能、!"#6!"2的发展历史以及 !"#6!"2 技术的应用状况及其发展方向。

第一节 !"#6!"2 概述

!"#6!"2 是 78 世纪制造业最杰出的成就之一，也是计算机在各种制造业中应用最成

功的范例之一，皮革制品行业也不例外。从传统的皮革制品制造过程来看，产品从市场

需求分析开始，经过产品设计、工艺设计、加工装配、产品生产等环节，最后形成用户

所需要的产品。

在皮革制品产品设计阶段，主要完成设计任务规划、概念设计、结构设计、详细设

计、结构优化设计、工程设计等。如果借助计算机来完成这些任务，就叫做 !"#。在工

艺设计阶段，要完成下料工艺设计、缝制工艺设计、成型工艺设计和整饰检验等任务。

如果借助计算机来完成这些任务，就称为 !"99（!$%&’()* "+,), 9*$5)-- 9:3//+/.）。在生产

加工阶段，要完成数控编程、加工过程仿真、数控加工、质量检验、产品装配等。如果

使用计算机来完成这些工作，就称为 !"2。以前用计算机完成这些工作都是孤立的，彼

此之间是分开的，常常是 !"# 完成后的信息，不能被 !"2 直接使用，这样在计算机辅助

设计与制造上造成了信息资源上的浪费。如果使用计算机信息集成技术，为 !"#6!"2 提

供一个集成的工作环境，将 !"#、!"99、!"2 有机地联系起来，称之为 !"#6!"2 集成

技术。

一、!"#6!"2 的基本概念

!"# 和 !"2 是在自动化和计算机应用方面迅速发展起来的一门学科，它是对过去传

统的设计、制造工艺过程及控制方法的一个挑战。

（一）!"#的概念

!"# 是指以计算机为辅助手段来完成整个产品的设计过程。产品设计过程是指从接

受产品的功能定义开始，到设计完成产品的材料信息、结构形状、精度要求和技术要求

等，并且最终以零件图、装配图的形式作为可见媒体表现出来的过程。

;

广义的 !"# 包括设计和分析两个方面。设计是指构造零件的几何形状，选择零件的

材料，以及为保证整个设计的统一性而对零件提出的功能要求和技术要求等。分析是指

运用数学建模技术，如有限元、优化设计技术等，从理论上对产品的性能进行模拟、分

析和测试，以保证产品设计的可靠性。

!"# 技术的概念如图 $!$ 所示。从图可见，在计算机辅助下进行的设计与传统的以人

为核心的设计明显不同。根据产品开发计划和对产品功能的要求，不仅仅是依靠设计者

个人的知识和能力进行设计，而是运用存储在计算机中的多种知识，在 !"# 系统和数据

库的支持下进行工作。这种工作方式设计出的皮革制品产品肯定优于单个设计师凭个人

能力和脑力设计出的产品；另外，!"# 输出的结果也不仅仅是效果图、帮（底）部件图

和装配图等，还包括设计和生产过程中应用计算机所需要的各种信息。

图 $!$ !"# 概念

（二）!"#的概念

计算机辅助制造是指利用计算机系统，通过计算机与生产设备直接的或间接的联系，

进行规划、设计、管理和控制产品的生产制造过程。

在初始阶段，!"% 技术主要围绕着数控编程技术开始发展的。数控加工是 !"#&!"%发挥效益最直接、最明显的环节之一。加工对象的形状越复杂，加工精度越高，设计更

改越频繁，数控加工的优势越容易得到发挥。然而从制造全过程来看，应用计算机作为

辅助手段的不仅仅是数控编程，还有许多技术和方法归类于 !"% 的范畴，如计算机辅助

工艺规划、计算机辅助生产管理、计算机辅助质量控制等。有些内容已经超出了制造概

念的本质，而上升到管理概念的层面，这就产生了对 !"% 的广义解释和狭义解释。广义

的 !"% 是指在产品制造的全部过程中，应用计算机辅助手段，包括直接制造过程和间接

制造过程。即除自动编程以外，还包括工艺过程的设计、制造过程仿真、自动化装配、

车间生产计划、制造过程检测和故障诊断、产品装配与检测等。狭义的 !"% 是指在制造

过程的某个环节上应用计算机。图 $!’ 是对狭义 !"% 的一种概念性解释，其中在制造全

过程的数控编程环节应用了计算机，如皮革制品制造过程中的母楦加工和排料过程。

（三）!"$&!"#集成的概念

随着 !"#、!"% 软件技术的逐步应用，人们很快发现，!"# 产生的信息（特别是二

维绘图信息）不能够被 !"(( 和 !"% 所利用，如果要进行数控加工，或者用于零件的制

’

皮革制品 !"#&!"%

图 !!" #$% 概念

造工艺，还需要人工将 #$& 的图样转化为 #$% 或 #$’’ 所需要的数据格式。这样不仅影

响工作效率，而且，人工输入难免出错。如果能将 #$& 产生的图样直接被 #$’’、#$% 以

及以后的 #(%)（计算机集成制造系统）所利用，那就是 #$&*#$% 集成。

#$&*#$% 系统的集成就是把 #$&、#$%、#$+（计算机辅助工程）、#$’’、,#’（数

控编程）以及 ’’#（生产计划与控制）等各种功能不同的软件有机地结合起来，用统一的

执行机制来组织各种信息的提取、交换、共享和处理，以保证系统内的信息交流的畅通。

也就是说，它是将产品设计、生产管理、质量控制等有机地集成在一起，通过生产数据

采集和信息流形成一个闭环系统。

二、#$&*#$% 功能与任务

（一）!"#*!"$系统的基本功能

!- 图形显示功能

#$&*#$% 是一个人机交互的过程，从产品的造型、构思，方案的确定，结构分析到

加工过程的仿真，如果没有图形显示功能，系统就无法保证用户能够观察和修改中间结

果，进行实时编辑处理。有了图形显示功能，用户的每一次操作都能从显示器上及时得

到反馈，直到取得最佳的设计结果。图形显示功能不仅能够对二维平面图形进行显示控

制，还应当包含三维实体的处理。有了显示功能，用户可以很直观地从屏幕上进行修改，

得到所需要的信息。

"- 输入输出功能

在 #$&*#$% 系统运行中，用户需要不断地将有关设计的要求和步骤所需要的具体数

据等输入计算机内，通过计算机的处理，能够输出系统处理的结果。没有输出的系统是

毫无意义的。在 #$&*#$% 系统中，输入输出的信息既可以是数值的，也可以是非数值的

（例如图形数据、文本、字符等）。

.- 存储功能

由于 #$&*#$% 系统运行时数据量很大，往往有很多算法生成大量的中间数据。尤其

是对图形的操作以及交互式的设计、结构分析中网格划分等。为了保证系统能够正常地

运行，#$&*#$% 系统必须配置容量较大的存储设备，以支持数据在各设备模块运行时的

.

第一章 计算机辅助设计和辅助制造系统引论

正确流通。另外，工程数据库系统的运行也必须有存储空间作为保障。

!" 交互功能（即人机接口）

在 #$%&#$’ 系统中，人机接口是用户与系统连接的桥梁。友好的用户界面，是保证

用户直接而有效地完成复杂设计任务的必要条件。除软件中界面设计外，还必须有交互

设备以实现人与计算机之间的不断通信。

图 (!) 是以工程数据库为核心的一种 #$%&#$’ 系统，该系统各部分的功能如图所示。

图 (!) 以工程数据库为核心的 #$%&#$’ 系统

（二）!"#&!"$系统的主要任务

#$%&#$’ 系统需要对产品设计、制造全过程的信息进行处理，包括设计、制造中的

数值计算、设计分析、绘图、工程数据库的管理、工艺设计、加工仿真等各个方面。因

此，#$%&#$’ 系统必须完成以下主要任务。

(" 几何造型

在皮革制品设计构思阶段，系统能够描述基本几何实体及实体间的关系；能够提供

基本体素，以便为用户提供所设计皮革制品的几何形状和大小，进行帮（底）部件的结

构设计以及帮（底）部件的装配；能够动态地显示三维图形，解决三维几何建模中复杂

的空间布局问题；同时，还能进行消隐、彩色浓淡处理、剖切等。利用几何建模的功能，

用户不仅能构造各种产品的几何模型，还能够随时观察、修改模型，或检验帮（底）部

件装配的结果。

几何建模技术是 #$%&#$’ 系统的核心，它为皮革制品的设计、制造提供基本数据，

同时也为其他模块提供原始的信息。例如，几何建模所定义的几何模型的信息可供有限

元分析、绘图、仿真、加工等模块使用。在几何建模模块内，不仅能构造规则形状的产

品模型，对于复杂表面的造型，系统可采用曲面造型或雕塑曲面造型的方法，根据给定

的离散数据或有关具体问题的边界条件来定义、生成、控制和处理过渡曲面，或用扫描

的方法得到扫视体，建立曲面的模型。例如鞋的帮面、鞋楦、制鞋过程中所用到的模具

与工具等的设计制造，均采用此种方法。

*" 计算分析

#$%&#$’ 系统构造了产品的形状模型之后，能够根据产品几何形状，计算出相应的

体积、表面积、质量、重心位置、转动惯量等几何特性和物理特性，为系统进行工程分

!

皮革制品 #$%&#$’

析和数值计算提供必要的基本参数。另一方面，!"#$!"% 中的结构分析需进行应力、温

度、位移等计算；图形处理中变换矩阵的运算；体素间的交、并、差计算等；在工艺规

程设计中有工艺参数的计算。

因此，要求 !"#$!"% 系统对各类计算分析的算法不仅要求正确、全面，数据计算量

大，而且还要求有较高的计算精度。

&’ 工程绘图

产品设计的结果往往是视图的形式，!"#$!"% 中的某些中间结果也是通过数字化图

形表达的。!"#$!"% 系统一方面应具备从几何造型的三维图形直接向二维图形转换的功

能，另一方面还需有处理二维图形的能力，包括基本图元的生成、尺寸标注、图形的编

辑（比例变换、平移、图形拷贝、图形删除等）以及显示控制、附加技术条件等功能，

保证生成既合乎生产实际要求，又符合国家标准规定的设计图要求。

(’ 结构分析

!"#$!"% 系统中结构分析常用的方法是有限元法。这是一种逼值近似解方法，用来

解决结构形状比较复杂零件的静态特性、动态特性、强度、温度场强度、应力分布状态

等计算分析。在进行静、动态特性分析计算之前，系统根据产品结构特点，划分网格，

标出单元号、节点号，并将划分的结果显示在屏幕上，进行分析计算之后，将计算结果

以图形文件的形式输出，例如应力分布图、温度场分布图、位移变形曲线等，使用户方

便、直观地看到分析的结果。

)’ 优化设计

!"#$!"% 系统应具有优化求解的功能。也就是在某些条件的限制下，使产品或工程

设计中的预定指标达到最优。优化包括总体方案的优化、帮（底）部件结构的优化、工

艺参数的优化等。优化设计是现代设计方法学中的一个重要的组成部分。

*’ 计算机辅助工艺规程设计（!"++）

产品设计的目的是为了加工制造，而工艺设计是为产品的加工制造提供指导性的文

件。因此，!"++ 是 !"# 与 !"% 的中间环节。!"++ 系统应当根据建模后生成的产品信息

及制造要求，自动决策出加工该产品所采用的加工方法、加工步骤、加工设备及加工参

数。!"++ 的设计结果一方面能被生产实际所用，生成工艺卡片文件，另一方面能直接输

出一些信息，为 !"% 中的 ,! 自动编程系统接收、识别，直接转换为刀位文件。

-’,! 自动编程

在分析零件图和制定出零件的数控加工方案之后，采用专门的数控加工语言（例如

"+. 语言）或自动编程软件制成穿孔纸带输入计算机。其基本步骤通常包括：

（/）手工编程或计算机辅助编程，生成源程序。

（0）前置处理。将源程序翻译成可执行的计算机指令，经计算，求出刀位文件。

（&）后置处理。将刀位文件转换成零件的数控加工程序，最后输出数控加工纸带，

或者直接输入到数控机床。

1’ 模拟仿真

在 !"#$!"% 系统内部，建立一个工程设计的实际系统模型，通过运行仿真软件，代

替、模拟真实系统的运行，用以预测产品的性能、产品的制造过程和产品的可制造性，

用户可以在未加工之前，看到未来加工时的状况。如数控加工仿真系统，从软件上实现

)

第一章 计算机辅助设计和辅助制造系统引论

零件试切的加工模拟，避免了现场调试带来的人力、物力的投入以及加工设备损坏的风

险，减少了制造费用，缩短了产品设计周期。通常有加工轨迹仿真，机构运动学模拟，

工件、刀具、机床的碰撞，干涉检验等。

!" 工程数据管理

由于 #$%&#$’ 系统中数据量大、种类繁多，既有几何图形数据，又有属性语义数

据；既有产品定义数据，又有生产控制数据；既有静态标准数据，又有动态过程数据，

结构还相当复杂，因此，#$%&#$’ 系统应能提供有效的管理手段，支持工程设计与制造

全过程的信息流动与交换。通常，#$%&#$’ 系统采用工程数据库系统作为统一的数据环

境，实现各种工程数据的管理。

()" 特征造型

随着计算机技术的发展，传统的几何造型方法已经暴露出它的一些弊端。它只有零

件的几何尺寸，没有加工、制造、管理需要的信息，因而给计算机辅助制造带来不便。

特征兼有形状（特征元素）和功能（特征属性）两种属性，具有特定的几何形状、

拓扑关系、典型功能、绘图表示方法、制造技术和公差要求等。基本的特征属性包括尺

寸属性、精度属性、装配属性、工艺属性和管理属性。这种面向设计和制造过程的特征

造型系统，不仅含有产品的几何形状信息，而且也将公差、表面粗糙度等工艺信息建在

特征模型中，有利于 #$%&#$** 的集成。目前这种方法虽然出现了一些软件产品，但仍在

研究之中。

第二节 #$%&#$’ 技术发展概况

#$%&#$’ 技术是随着计算机技术的发展而发展起来的，虽然这项技术兴起的时间不

长，但发展速度很快。目前它已经成为新一代生产技术的核心，被公认为是提高制造业

生产率和产品竞争力的关键。在形成和发展过程中，#$%&#$’ 系统针对不同的应用领域、

用户需求和技术环境，表现出不同的发展水平和构造模式。#$% 和 #$’ 两项技术虽然几

乎同时诞生的，但在相当长的时间里却是按照各自轨迹独立地发展起来的。

一、#$% 技术的发展

#$% 技术的发展大致经历了四个发展阶段。

(" 形成阶段

(!+) 年，美国麻省理工学院（’,-，’.//.012/3443/ ,5/464243 78 -3015797:;）采用阴极射

线管（#<-，#.417=3 <.; -2>3）成功研制了图形显示终端，实现了图形的动态屏幕显示，

从此结束了计算机只能处理字符数据的历史，在此基础上诞生了一门新兴学科———计算

机图形学。

?" 发展阶段

?) 世纪 +) 年代后期出现了光笔，从此开始了交互式绘图的历史。?) 世纪 @) 年代初，

屏幕菜单点击、光笔定位、功能键操作、图形动态修改等交互式绘图技术相继出现。

(!@? 年，麻省理工学院的研究生 ," A" B2413C9.5= 发表了“人机对话图形通信系统”的

论文，推出了二维 BDA-#E*$% 系统，该系统容许设计者在图形显示器前操作光笔和键

@

皮革制品 #$%&#$’

盘，同时在屏幕上显示图形。他的论文首次提出了计算机图形学、交互技术及图形符号

的存储采用分层的数据结构等思想，为 !"# 技术提供了理论基础。随后，相继出现了许

多商品化的 !"# 系统。但是，由于当时显示器价格昂贵，!"# 系统很难推广应用。直到

$% 世纪 &% 年代末，显示技术的突破使得显示器价格大幅下降，!"# 系统的性价比大大提

高，!"# 用户才以每年 ’%(的速度逐年递增，形成 !"# 产业。

在显示技术发展的同时，计算机图形学也得到了很大发展，在 $% 世纪 )% 年代，以二

维绘图和三维线框图形为主的 !"# 系统是主流。

’* 成熟阶段

+,)’ 年，第一个实体造型试验系统（-./01 2.13/045）诞生了，并于 +,)6 年向市场推

出了第一代实体造型软件，此后 $% 年中，实体造型技术成为 !"# 技术发展的主流，并不

断走向成熟，出现了一批以三维实体造型为核心的 !"# 软件系统。实体造型技术的发展

和应用大大拓宽了 !"# 技术的应用领域。

7* 集成阶段

!"#、!"2 对设计过程和制造过程产生的巨大推动作用已被认同，加之设计和制造

自动化的需求，集成化 !"#8!"2 系统的出现是必然的结果。到了 $% 世纪 ,% 年代，几乎

所有的 !"#8!"2 系统都通过自行开发或购买配套模块的方式实现了系统集成。

二、!"2 技术的发展

自从 +,7& 年美国诞生了第一台计算机以来，计算机技术就日益渗透到制造领域中来，

数控技术几乎与电子计算机技术同时产生。第二次世界大战后，美国为了加速飞机工业

的发展，要革新样板加工的设备，由空军部门委托帕森斯公司（9:;<.4< !.*）和麻省理工

学院伺服机构研究所（-3;=. 23>?:40<@ A:B.;:C.;D .E C?3 2:<<:>?F<3CC< /4<C0CFC3 .E G3>?4./.5D）

进行数控机床的研制工作，于 +,H$ 年试制成功世界上第一台数控机床。该机床只需通过

改变数控程序即可完成不同零件的加工，具有直线插补、连续控制功能，奠定了 !"2 的

硬件基础。为解决加工编程问题，+,HH 年研制成功了在计算机上运行的自动编程工具

（"9G，"FC.@:C0>://D 9;.5;:@@31 G../<）语言，实现了 I!（IF@3;0>:/ !.4C;./）程序编制的自

动化。

$% 世纪 &% 年代初，西欧开始引入数控技术。在自动编程方面，除了引进美国的系统

外，各国还发展了自己的自动编程系统，如英国的 J!A、德国的 KL"9G。此外，还有日本

的 M"9G、N"9G，前苏联的 !!!、!"!!，中国的 JO!"+、J!L"’、!"2"$H+ 等。经过几十年

的发展，以 "9G 语言为代表的数控加工编程方法已经非常成熟，甚至当今最好的 !"#8!"2 系统还带有 "9G 源程序输出功能，将 !"# 数据传给 "9G 系统进行处理，并产生机床

数控指令。

随着计算机技术和 !"# 技术的发展，数控编程开始向交互式图形编程过渡。借助

!"# 图形，以人机交互的方式将有关工艺规程及参数输入编程系统，再由系统生成数控

加工信息。与批处理式的语言编程相比，该方式有很大的进步。目前绝大多数商品化 !"#8!"2 系统中，数控编程都采用此方式，如 PQ#、KP!AR#、R4C3;5;:S?、!T、R"#K"- 等。

$% 世纪 )% 年代以后，人们开发出面向图形的数控编程系统 QI!。它作为面向产品制

造的应用系统得到了迅速的发展和推广。它将几何造型、图形显示、数控编程和后置处

)

第一章 计算机辅助设计和辅助制造系统引论

理等功能模块有机地结合在一起，有效地解决了编程数据的来源问题，有利地推动了

!"#、!"$ 技术向着一体化和集成化的方向发展。

三、!"%% 技术的发展

最早出现的 !"%% 系统是挪威工业公司 &’(’ 年推出的 ")*+%,+- 系统。早期的 !"%% 一

般以成组技术为基础，把零件分类归并为族，制定出各零件族相应的典型工艺过程，然后按

照有关零件的具体工艺信息生成加工该零件工艺规程。曼彻斯特大学 &’./ 年开发的 ")*+0!"%即属于此类系统。这类系统针对性强、移植性差、局限性大，属于派生式的 !"%% 系

统。该类系统的优点是开发周期短、成本低、易于取得实效，是中小企业常用的方式。

为了克服派生式 !"%% 的缺点，人们又进行了创成式 !"%% 的研究。创成式 !"%% 中

不存储典型工艺过程，它采用一定的逻辑算法，对输入的几何要素等信息进行处理并确

定加工要素，从而自动生成工艺规程。美国的普渡大学和德国的阿亨大学等都开发了此

类系统。由于工艺过程设计的因素很多，完全自动创成工艺规程的通用系统仍停留在研

究阶段。

从 1/ 世纪 ./ 年代中期起，创成式 !"%% 的研究转向具有人工智能的专家系统方面，

专家系统已成为 !"%% 的重要发展趋势。它可模仿工艺专家的逻辑思维方式，利用专家的

知识对非确定性的工艺过程设计做出逻辑决策。目前各国学者均致力于使该系统达到实

用化和工具化的工作。

1/世纪 2/ 年代末期我国才开始研究 !"%%。&’.1 年，同济大学开发出国内第一个

!"%% 系统，即 *+34!"% 系统。至今国内已开发出上百个 !"%% 系统，其中有派生式和创

成式，也有在人工智能基础上开发的专家系统。

四、!"#5!"$ 集成技术

!"#5!"$ 系统在其形成和发展过程中，针对不同的应用领域、用户需求和技术环境，

表现出不同的发展水平和构造模式。在数据结构、软件组织结构、数据标准方面存在很

大的差异，!"# 和 !"$ 两项技术虽然差不多同时诞生，但发展轨迹有其各自的独立性。

由于 !"#、!"%%、!"$ 在数据结构、软件结构等方面的差异，各系统之间很难自动

完成数据交换，常常由 !"# 生成的设计信息需要人工转录到 !"%%、!"$ 系统中，严重阻

碍了 !"#、!"%%、!"$ 效益的发挥。1/ 世纪 2/ 年代后期、./ 年代初人们提出了 !"#5!"$ 集成的概念，有力地推动了 !"#、!"$ 技术向着一体化和集成化的方向发展。1/ 世

纪 ./ 年代出现了一大批工程化的 !"#5!"$ 商品化软件系统，其中较著名的有 !"#"$、

!"*4"、)6!"、4!#7"-、%8957:64:77,、"!4- 等，它们应用于机械、航空航天、汽车、

造船等领域。从 1/ 世纪 ’/ 年代以来，!"#5!"$ 系统的集成度不断增加，特征造型技术

的成熟应用，为从根本上解决由 !"# 到 !"$ 的数据流无缝传递奠定了基础，使 !"#5!"$达到了真正意义上的集成，使得 !"#5!"$ 系统能够发挥出最高的效益。

第三节 皮革制品 !"#5!"$ 技术的应用

皮革制品 !"#5!"$ 技术在发达国家的应用比较普及。已经应用在三维鞋楦设计、三

.

皮革制品 !"#5!"$

维造型设计、大底与跟型设计、三维扩缩、自动排料下料、鞋楦的数控加工等方面。国外

比较成熟的软件如英国 !"#$%& 鞋业集团的 ’()*+#&,*$、-./!0+ 公司的 1’!’()*2#%*$ 等。

在我国，相对于机械制造业而言，皮革制品行业的 !0-3!0+ 技术应用程度还不是很

普及，而且发展也不均衡。与国外的同行业相比，还有不小的差距。

皮革制品 !0-3!0+ 技术的应用目前主要在以下几个方面："鞋楦的设计与加工；#皮

革制品的产品设计；$皮革制品样板的设计与加工；%皮革制品的排料与下料；&辅助

工具、模具的设计与加工；’皮革制品企业的管理。下面分别加以简单介绍，详细内容

见后面章节。

一、鞋楦的设计与加工

鞋楦是制鞋工艺中的主要模具，是制鞋的基础。在整个制鞋设计与生产中，鞋楦作

为鞋子的母体，不仅决定了鞋子的长短肥瘦和造型，还决定了鞋子穿着舒适性。鞋楦体

的造型决定了鞋的式样和型号，鞋的花色品种和款式的翻新也是基于鞋楦来设计的。因

此，提高鞋楦的设计和生产技术水平，对制鞋业的发展具有十分重要的推动作用。长期

以来，由于鞋楦的 !0-3!0+ 技术的发展相对落后，因而严重地制约了整个制鞋业的

发展。

当前制鞋工业中常用的鞋楦仿形加工有很多局限，例如加工时必须要有实物模型。

在鞋楦的数字化测量制造系统中就可以克服这个问题，并且还能根据顾客的脚型对鞋楦

做局部的修改。利用接触式测头或非接触式激光扫描技术对标准鞋楦或人脚进行三坐标

的跟踪扫描测量，采集数据，即表面轮廓的数字化。在此基础上用计算机进行鞋楦的辅

助设计，生成数控加工代码。加工时直接调出数控加工代码，不再需要实物模型，就可

在机床的数控功能状态下，制造出具有个体特征的鞋楦。

利用计算机系统来辅助测量、制造鞋楦，可以实现小批量敏捷制造，大量降低生产

成本。顾客可以用比较合理的价格买到专为自己定做的鞋子，这已成为制鞋工业的未来

发展方向。

二、皮革制品的产品设计

目前，在皮革制品的产品设计方面，有一些通用设计软件，如 04,)!0-、!)$*"-506、

7-+#8 等；也开发出了一些专用的设计软件，如前所述国外的 ’()*+#&,*$、1’!’()*2#%*$等，国内的上海协之博公司的 ’()*9):*$、奥斯曼软件、温州经纬软件等。目前这些软件

在皮革制品的二维设计方面基本满足要求，如二维部件图、组合图、扩缩图的绘制。在

三维设计方面，目前相对还比较欠缺，可以绘制出皮革制品的三维效果图，但从三维向

二维转换还没有完全实现，这是以后的一个发展方向和研究的重点。

三、皮革制品样板的设计与加工

皮革制品的样板是生产制造的基础，对于制鞋而言，选择好鞋楦以后，首先要根据

鞋楦设计出纸样板。目前，许多制鞋企业的样板的设计制作还采用手工，通过贴楦法做

出纸样板，再通过手工方法进行扩缩，制作出系列样板，这种方法效率低、精度也不高。

通过计算机辅助技术，可以对楦的曲面进行展平来设计二维样板，再根据标志点和

;

第一章 计算机辅助设计和辅助制造系统引论

关键尺寸的计算公式，利用软件进行样板扩缩，这样可以大大提高样板设计的效率和准

确性。

目前，国外有些软件也采用三维扩缩来设计样板。首先设计出一个尺码的三维款式，

确定款式和结构后，利用软件直接进行三维扩缩，然后在三维的基础上进行展平，设计

出相应的二维样板，这种样板设计更准确，但对软件的要求也较高。

四、皮革制品的排料与下料

在制鞋和服装等行业中，经常会涉及到排料问题，而且排料方案的优劣会直接关系

到产品的生产成本，进而影响到企业的经济效益。排料问题的实质是在给定材料上面按

最优组合方式排放一系列具有给定形状的样板，使得裁剪后所剩余料最少，从而尽可能

地提高原材料的利用率。在市场竞争日益激烈的今天，各个皮革制品企业都在想方设法

控制生产成本，传统的排料方法与现代制鞋的生产要求脱节，这迫使人们要探求适应当

今排料要求的新方法、新技术。计算机和人工智能技术的出现，使计算机辅助排料 !"#（!$%&’()* "+,), #)-(+./）不仅成为可能，而且成为现实。

对于皮革制品而言，它的排料主要分为均质材料和非均质材料的排料。均质材料是

指其物理性质和表面质量没有部位差和方向性，如人造革、布质面料、纸板等；非均质

材料是指其物理性质和表面质量有部位差和方向性，如天然皮革。在排料时，均质材料

可以不考虑部位差，因此主要利用相关的算法来组合样板排列，以提高材料的利用率。

而对于天然皮革而言，不但要考虑部位差，还要考虑各种伤残和纤维走向。首先标出有

缺陷的地方，然后在其余面积上组合样板进行排料。

!"# 有如下优点：缩短排料周期、提高排料效率；提高材料利用率，降低生产成本；

提高产品质量，简化加工工艺。

五、辅助工具、模具的设计与加工

在皮革制品生产制造过程中，会用到许多类型的工具和模具，如鞋大底成型模具、

鞋跟的成型模具、鞋内底成型的模具、帮面预成型的模具、注塑和模压鞋所用的各种模

具、下裁所用的刀模和工具、主跟内包头的成型模具等。这些模具和工具，形状基本都

是比较复杂的，表面又大都由不规则曲面组成，它们的设计与加工利用计算机辅助技术

很方便实现。

六、皮革制品企业的管理

皮革企业是我国传统的劳动密集型行业，从原始积累到现在，基本上已走到了具备

一定规模，从业人员较多的一个阶段。无论是内销企业还是外销企业，在生产过程中都

面临着生产品种多、交货期紧、原材料准备过程长而繁杂、销售网络比较原始、从业人

员整体文化素质较低的特点。如何提高皮革制品行业的整体效率，如何提升这个行业的

管理水平，如何把成熟的计算机技术应用到传统的行业中，是当前整个行业面临的最大

课题。皮革制品企业计算机辅助现代化管理是以皮革制品企业实际的业务流程为基础，

不断总结与探索，对样品材料计算管理系统、销售管理系统、质量管理系统等全系列的

皮革制品企业计算机管理进行整合。企业可以根据不同的需求选择相应的管理方案，也

01

皮革制品 !"23!"4

可以根据工厂现有的条件和实力量体裁衣，从单机的计算机管理到网络管理以逐步实现

整个企业的管理科学化、标准化、合理化，提高效率。

第四节 !"#$!"% 技术发展趋势

随着对 !"#$!"% 技术的不断研究、开发与广泛应用，人们对 !"#$!"% 技术的要求

也越来越高，因此 !"#$!"% 从其本身技术的发展来看，将朝着如下几个方向发展。

一、支持 #&’ 的 !"#$!"% 技术

#&’ 代表当代的一种产品开发技术，有效地运用该技术开发产品可以使产品质量提

高、成本下降、设计周期缩短。#&’ 包含面向装配的设计、面向制造的设计、面向服务的

设计、面向可靠性的设计和面向检测的设计。

面向装配的设计（#&"），目的是在设计时通过对帮（底）部件的控制来降低装配时

的复杂性。也就是通过消除或合并帮（底）部件的方式，使生产商达到减少装配时间和

装配成本的目的。对每一个帮（底）部件都考虑是否有必要单独设计或与其他帮（底）

部件融合在一起以减少装配次数，从而使产品设计系统化简化。

面向制造的设计（#&%），是在设计时考虑制造过程中帮（底）部件的成本，成本受

制造的难易程度、工艺的要求和工序的多少的影响。需要设计人员在加工过程、装配成

本、帮（底）部件优化设计中做出平衡决策。同时，也要求设计人员在资源库编制出合理

的工具、设备及材料的使用分配方案，还要在一定的约束下考虑精度及能源限制等因素。

面向服务的设计（#&(），是在产品设计时要考虑其能够进行高效的维护和维修。它

要为具体的每一款服务建立一套操作顺序。维护时区分出哪一部分帮（底）部件是需废

弃或可替代，根据具体维护方式的难易而定，并且需要考虑维护、维修中的拆卸顺序规

范、时间消耗以及拆卸后的再装配顺序和时间的消耗。

二、计算机集成制造

计算机集成制造（!)%，!*+,-./0 )1./203./4 %31-536.-0712），是 !"#$!"% 集成技术发展

的必然趋势。!)% 的最终目标是以企业为对象，借助于计算机和信息技术，使生产中各部

分从经营决策、产品开发、生产准备到生产实施及销售过程中，有关人、技术、经营管

理三要素及其形成的信息流、物流和价值流有机集成并优化运行，从而达到产品上市快、

高质、低耗、服务好、环境清洁，使企业赢得市场竞争的目的。!)%( 是一种基于 !)% 哲

理构成的计算机化、信息化、智能化、集成化的制造系统。它适应多品种、小批量市场

需求，可有效地缩短生产周期，强化人、生产和经营管理之间的联系，减少在制品数量，

压缩流动资金，提高企业的整体效益。所以，!)%( 是未来工厂自动化的发展方向。然而

由于 !)%( 是投资大、建设周期长的项目，因此不能一揽子求全，应总体规划、分步实

施。分步实施的第一步是 !"#$!"% 集成的实现。

三、智能化 !"#$!"% 系统

产品设计是一项创造性活动，在这一活动过程中，很多工作是非数据、非算法的。

88

第一章 计算机辅助设计和辅助制造系统引论

所以，随着 !"#$!"% 技术的发展，除了集成化之外，将人工智能技术、专家系统应用于

系统中，形成智能的 !"#$!"% 系统，使其具有人类专家的经验和知识，具有学习、推

理、联想和判断功能及智能化的视觉、听觉、语言能力，从而解决那些以前必须由人类

专家才能解决的概念设计问题。这是一个具有巨大潜在意义的发展方向，它可以在更高

的创造性思维活动层次上，给予设计人员有效的辅助。

另外，智能化和集成化两者之间存在密切联系。为了能自动生成制造过程所需的信

息，必须理解设计师的意图和构思。从这意义上讲，为实现系统集成，智能化是不可缺

少的研究方向。

四、并 行 工 程

并行工程（!&’()**+’, -’./’++*/’.）是随着 !"#、!0%1 技术发展提出的一种新哲理、

新的系统工程方法。这种方法的思路，就是并行地、集成地进行产品设计及其开发的过

程。它要求产品开发人员在设计的阶段就考虑产品整个生命周期的所有要求，包括质量、

成本、进度、用户要求等，以便更大限度地提高产品开发效率及一次成功率。并行工程

的关键是用并行设计方法代替串行设计方法。

在并行工程运行模式下，每个设计者可以像在传统的 !"# 工作站上一样进行自己的

设计工作。借助于适当的通信工具，在公共数据库、知识库的支持下，设计者之间可以

相互进行通信，根据目标要求既可随时应其他设计人员要求修改自己的设计，也可要求

其他设计人员响应自己的要求。通过协调机制，群体设计小组的多种设计工作可以并行

协调地进行。

并行工程的目标：

（2）提高全过程（包括设计$工艺$制造$服务）中的质量。

（3）降低产品全生命周期中的成本（包括从产品设计、制造、发送、支持、客户使

用至报废等成本）。

（4）缩短产品研制开发周期（包括减少设计反复，缩短设计时间$生产准备时间$制造

时间$发送时间等）。这是因为，人们认识到“上市快”已成为赢得竞争的首要因素。

随着市场竞争的日益激烈，并行工程必将引起越来越多的重视。但其实施也绝非一

朝一夕的事情，目前应为并行工程的实现创造条件和环境。其中，与 !"#$!"% 技术发展

密切相关的有以下几个方面：

（2）研究特征建模技术，发展新的设计理论和方法。

（3）开展制造仿真软件及虚拟制造技术的研究，提供支持并行工程运行的工具和

条件。

（4）探索新的工艺过程设计方法，适应可制造性设计（#5%）的要求。

（6）借助网络及统一数据库管理系统（#7%1）技术，建立并行工程中数据共享的环境。

（8）提供多学科开发小组的协同工作环境，充分发挥人在并行工程中的作用。

这几个方面的发展将极大地促进 !"#$!"99$!"% 技术的变革和发展。

五、虚拟制造技术

虚拟现实（:/*,);< =+;</,>）是一种新兴的多学科交叉技术，它涉及多方面的学科研究

32

皮革制品 !"#$!"%

成果与专业技术，它可以使人们“沉浸”在计算机创建的虚拟环境中，并以自然的交互

方式与虚拟环境交换信息。虚拟现实具有以下四个重要特征：!多感知性。在虚拟环境

中，用户除了具有三维视觉以外，还有听觉、触觉、运动感，甚至包括味觉、嗅觉等。

"沉浸感。是指用户感到作为主角存在于虚拟环境中的真实程度。三维模型、空间感、

三维环绕音响及场景随视点的变化而变化等，都会加强用户的沉浸感。#交互性。是指

用户对虚拟环境中物体的可操作程度、获得反馈的自然程度和对虚拟环境进行重新布置

的方式。$自主性。是指虚拟环境中物体反映一般规律的真实程度和用户在虚拟环境中

应遵循的一般准则。虚拟现实技术为 !"#$!"% 提供了真实感更强的工作环境。通过以虚

拟现实技术为基础，以皮革制品产品为对象，使设计人员能与多维的信息环境进行交互。

同时，利用这项技术也可以大大地减少实物模型和样件的制作。

虚拟制造（&%，&’()*+, %+-*.+/)*(’-0）就是“在计算机中完成产品的制造任务”，或

者说，虚拟制造是指由现实的和模拟的实体、活动和过程组成的，旨在提高制造过程各

环节决策和控制能力的计算机集成的基于信息的制造环境。它提供一个可视化的、交互

式的、从生产线到企业级的进行生产过程、生产规划、作业计划、装配计划、后勤保障

以及加工过程和装配过程的计算机模型和仿真工具，虚拟制造不生产物理意义上的产品，

但产生有关产品设计制造过程、过程控制与管理、产品性能数据等所有信息。

六、分布式网络化 !"#$!"% 技术

自 12 世纪 32 年代以来，计算机网络已成为计算机发展进入新时代的标志。所谓计算

机网络，就是用通信线路和通信设备将分散在不同地点的多台计算机，按一定网络拓扑

结构连接起来。这些功能使独立的计算机按照网络协议进行通信，实现资源共享。由于

!"#$!"44$!"% 技术日趋成熟，可应用于越来越大的项目。这类项目往往不是一个人，而

是多个人、多个企业在多台计算机上协同完成，所以分布式计算机系统非常适用于 !"#$!"44$!"% 的作业方式。同时，随着互联网的发展，可针对某一特定产品，将分散在不同

地区的现有智力资源和生产设备资源迅速组合，建立动态联盟的制造体系，以适应全球

化制造的发展趋势。

思考题与习题

56 简述 !"#$!"% 的基本概念。

16 简述 !"#$!"% 的发展经历了哪些阶段。

76 简述 !"#$!"% 系统的基本功能。

86 简述 !"#$!"% 系统的工作过程。

96 与传统设计制造方法相比，说明 !"#$!"% 的工作特点。

:6 试分析采用 !"#$!"% 技术的优越性。

;6 简述皮革制品 !"#$!"% 技术的应用。

<6 简述 !"#$!"% 技术的新发展。

75

第一章 计算机辅助设计和辅助制造系统引论

第二章 皮革制品 !"#!!"$ 系统软硬件技术基础

皮革制品 "#$!"#% 系统是计算机图形和图像处理技术、数控加工技术在皮革制品设

计和制造领域中的具体应用。随着行业整体技术水平的不断提升和计算机的日益普及，

皮革制品 "#$!"#% 系统已经逐步应用于各类皮革制品企业。

"#$!"#% 系统与一般计算机系统有着一定的差别，主要体现在硬件和软件两个方面。

硬件方面的区别是 "#$!"#% 系统采用专门的输入及输出设备来处理图形的交互输入和输

出问题，如采用高性能的图形显示器、扫描仪、绘图机以及切割机等设备。软件方面的

区别体现在集成性与软件界面上，"#$!"#% 系统提供给用户所需的全部功能模块，并通

过一个中央数据库集成起来；在界面方式上往往也不同于一般软件常用的数据文件或会

话方式，而是采用了一套完善的交互操作方式。

本章将重点介绍皮革制品 "#$!"#% 系统的硬件和软件。

第一节 皮革制品 "#$!"#% 系统

皮革制品 "#$!"#% 系统是以计算机为核心，由硬件和软件两大部分组成的系统。硬

件主要指计算机及各种配套设备，如各种档次的计算机、打印机、绘图机等。从广义上

说，硬件还应包括用于数控加工的各种机械设备。软件一般包括系统软件、支撑软件和

应用软件等。其中应用软件是指针对皮革制品设计应用专门编制的计算机程序。在程序

控制之下，计算机和外部设备才能按照设计师的意图和命令，进行效果图设计、款式设

计、样板制作、放码、排料等工作。图 &!’ 为 "#$!"#% 系统组成简图。

图 &!’ "#$!"#% 系统的基本组成

根据系统功能要求不同，硬件和软件的配置可以有多种方案，规模也有大有小。例

如，根据所采用的计算机类型，"#$!"#% 系统可以分为大中型机系统、小型机系统、由

工作站组成的系统及由微机组成的系统；根据系统功能和用途，也可以分为通用系统及

专用系统。

由于各皮革制品企业的技术水平及生产能力不同，在 "#$!"#% 技术应用上分为多种

情况。有些大型企业全面采用了功能比较完善的 "#$!"#% 系统，有些企业则是采用了适(’

合某种产品的功能有限的 !"#$!"% 系统，还有一些企业采用了仅以 !"# 为主的系统。

第二节 !"#$!"% 系统的硬件

!"#$!"% 系统的硬件环境对整个系统综合性能的充分发挥起着十分重要的作用。硬

件主要包括计算机主机、外存储器、图形输入设备、图形输出设备、网络通信设备以及

数控生产设备等。

其中计算机主机包括中央处理器和内存储器；外存储器包括硬盘、软盘、光盘和磁

带存储器；图形输入设备包括键盘、鼠标、数字化仪、扫描仪、数码相机等；图形输出

设备包括图形显示器、绘图机、打印机等；网络通讯设备包括网卡、传输介质、调制解

调器等；数控生产设备包括切割机、自动裁床等。其中计算机主机起核心控制作用，其

他的统称为计算机外部设备，分别执行特定的任务。

一、!"#$!"% 系统对硬件的要求

和一般的计算机硬件系统相比较，!"#$!"% 系统对硬件的要求要更高一些，主要表

现在以下几个方面。

（一）强大的图形处理和人机交互功能

在 !"#$!"% 系统的信息处理中，几何图形信息处理所占比重较大，一般都配有大型

图形软件。为满足图形处理和显示的需要，!"#$!"% 系统要求计算机具有大内存、快速

及高分辨率显示等特点。另外，!"#$!"% 系统的工作经常需要多次修改及人工参与决策

才能完成，要求计算机具有方便的人机交互渠道与较快的响应速度。

（二）相当大的外存容量

由于面向对象、可视化及多媒体技术的应用，用于 !"#$!"% 系统的各类软件一般都

需要几十兆至几百兆以上的存储及工作空间，而用户开发的图形库、数据库及各类文档

等则需要更大的硬盘资源。!"#$!"% 系统通常要存储的信息内容有：图形软件、数据库

管理系统等支撑软件，用户开发的图形库、数据库和应用软件，各类产品的图纸和技术

文档等。上述信息内容是十分庞大的，所以要求系统要有足够大的外存容量。

（三）良好的通信联网功能

!"#$!"% 系统是一个高度综合化的系统，它既包括了产品的设计和制造，又涉及到

制造中的计划、管理和控制，这些工作是在不同地点和不同部门中进行，并由各类技术

人员来参加实施的。各部门用于 !"#$!"% 系统的计算机型号和支撑软件系统通常不一定

相同。为达到系统的集成，使位于不同地点和不同生产阶段的各部门能够进行信息交换

及协同工作，需要把分散在各处的不同型号的计算机和控制装置按一定的拓扑关系连接

起来，从而实现数据交换和资源共享。这些要求只有通过网络技术才能实现，最终形成

网络化 !"#$!"% 系统。

在选择 !"#$!"% 系统硬件时，首先要考虑能否满足当前所需要的系统功能，其次还

要考虑系统今后发展的可扩充性，一般应选择符合公认标准的开放式系统。

&’

第二章 皮革制品 !"#$!"% 系统软硬件技术基础

二、计算机主机

（一）主机构成

主机通常指由中央处理器 !"#（!$%&’() "’*+$,,-%. #%-&）、内存储器和输入输出接口（/01）等组成的硬件系统，是整个计算机系统硬件的核心。其中 !"# 的功能是处理数据，由

控制器和运算器组成，可以直接访问内存储器。控制器按照从内存中取出的指令控制数

据在计算机各部分之间的传送，运算器执行指令要求的计算和逻辑操作，输出计算的结

果及逻辑操作的结果。通过输入输出接口实现计算机和外界之间的通信联系。

用于评价主机处理能力的指标主要有以下几项。

23 速度

速度的评价指标常采用 4/"5 和 4671"5。4/"5 表示每秒处理指令的平均数，其单位

是 289 指令0,；4671"5 代表向量处理速度，单位是 289 浮点0,。4/"5 和 4671"5 值越大，

表示处理速度越快。由于不同类型的 !"# 具有不同的结构体系和指令系统，所以，即使

是相同的运算指令执行次数，其运算能力也并不等同。现在，普通用户多习惯于根据主

机的工作频率来比较其处理速度的高低，但对不同结构的 !"# 来说，只以主机工作频率

的多少进行对比是不正确的。

为了能够客观地比较具有不同结构的 !"# 的能力，近年又流行一些基于某种基准测

试的评估方法和指标，例如经常用于测试工作站的 5":!;(’< 和用于测试微机的 =-%>?$%+@。5":!;(’< 是由系统性能评估联合会（5A,&$; "$’B*’;(%+$ :C()D(&-*% !*%,*’&-D;）提出

的用于评价高速计算机性能的一种标准的基准测试，它是通过一组共十个典型基准测试

程序来测试计算机 !"# 的综合功能。

E3 字长

表示主机性能的另一个重要指标是字长。字长是指中央处理器在一个指令周期内从

内存提取并处理的二进制数据的位数。位数越多表明一次处理的信息量越大，!"# 工作

性能越好。现在计算机的常见字长有 FE 位、9G 位、2EH 位、EI9 位等几种。

计算机结构有单个处理器和多个处理器之分，多处理器可以实现并行计算，提高运

算速度。处理器有两种体系结构，即复杂指令集体系结构（!/5!）和精简指令集体系结构

（J/5!）。J/5! 是 E8 世纪 H8 年代中期发展起来的技术，具有指令少、指令长度固定、格

式统一及单条指令可在一个指令周期内完成等特点，有效地提高了 !"# 的处理速度和可

靠性，降低了生产成本。

为减轻主 !"# 的负荷，提高工作效率，通常在主机内还配置有若干协处理器协助主

处理器工作，如浮点运算处理器、图形协处理器等。

F3 内存

内存储器用来存放指令、数据及运算结果（也包括中间结果）。内存储器一般包括：

随机读写存储器（JK4），存放各种输入、输出数据及中间结果，与外存储器交换信息，

JK4 中的信息既可以读出，也可以写入；只读存储器（J14），信息只能读出，不可写

入，所以信息是不变的，断电后不会丢失，一般用来存放固定程序，如管理、监控、汇

编、诊断程序等。

内存储器由一系列可编址的存储单元组成，每个单元可存放 H 个二进制位（L-&），称

92

皮革制品 !KM0!K4

为一个字节（!"#$）。%&’( 字节为 %)*（千字节），%&’()* 为 %+*（兆字节），%&’(+* 为

%,*。通常以 +* 或 ,* 为单位来定义内存容量的大小。内存容量的大小会直接影响程序

运行的速度。

（二）计算机类型

按照计算机的字长、计算速度和内存容量三个指标，计算机可分为大中型机、小型

机、工程工作站和微机等。-./0-.+ 系统常以其硬件组成特征分类，相应地分为大中型

机系统、小型机系统、工程工作站系统和微机系统等。

%1 大中型计算机

大中型计算机功能强大，通常采用一个主机连接多个终端，支持多个用户同时工作，

可以进行大型复杂设计运算和仿真分析，以及集中管理大型数据库。大中型机价格昂贵，

性能价格比不高，在市场上所占的比重在逐渐减小，但它在大型 -./0-.+ 系统中仍具有

不可替代的重要作用，一般用作大型 -./0-.+ 系统的中心服务器。

’1 小型机

小型机的性能价格比优于大中型机，’& 世纪 2& 年代末至 3& 年代初的 -./0-.+ 系统

多采用这种机型。3& 年代中期以后，小型机逐渐被性能价格比更高的工程工作站所代替。

41 工程工作站

所谓工程工作站，是以个人计算机环境和分布式网络环境相结合的高性能价格比的

小型机，由于它为工程技术人员提供了较理想的独立使用工作环境，故称为工程工作站。

与一般小型机相比，工程工作站具有较强的人机交互、图形显示和网络通信功能，能够

方便地通过网络组成分布式计算机系统，是 -./0-.+ 系统较理想的主流硬件平台。

(1 微机

微机的优点是投资少，性能价格比极高，操作简易，对使用环境要求低，应用软件

非常丰富。缺点是微型机 -56 处理能力相对来说较弱，图形显示及网络通信功能也不够

强。近年来，微机性能提高很快，高档微机的功能已接近低档工作站的水平，许多原来

只能在工程工作站上运行的软件已有移植到微机平台上的版本。因此，由微机组成的

-./0-.+ 系统越来越受到用户的欢迎。

上面介绍了 -./0-.+ 系统中常用的计算机类型，它们的运算速度、图形显示效果、

信息存储量等技术参数和性能有着较大的差别。选择时要充分考虑系统的复杂程度、处

理信息量的多少、终端数目和外围设备的配置情况等，要作详细论证。

三、输 入 设 备

输入设备是人机交互的主要工具，设计人员通过输入设备向计算机输入数据、程序

和图形等信息。常见的输入设备有三种类型。第一类是定位设备，操作方式是控制屏幕

上的光标并确定它的位置。在窗口及图标菜单环境下，定位设备除了定位功能外，还兼

有拾取目标、选择对象、跟踪录入图形及徒手画草图等功能。具体的物理设备有图形输

入板及其触笔、鼠标器、触摸屏等。第二类是数字化仪，能将放在上面的图形用游标器

指点摘取大量的点，进行数字化后存储起来。第三类是图像输入设备，如数码摄像机、

数码相机、扫描仪等，图形经图像数字化及图像处理后输出，这类输入已成为 -./ 系统

非常重要的输入方式。

2%

第二章 皮革制品 -./0-.+ 系统软硬件技术基础

（一）键盘

键盘是最常用的输入设备，其按键分为字符键、功能键和控制键三种。用户可以通

过键盘的字符键来输入数据和程序；通过功能键来输入一个命令或执行一个程序；通过

控制键来对屏幕和程序进行特殊处理。常用的键盘接口有 !" 接口（大口）、#$%& 接口

（小口）和 ’$( 接口。常见的人体工学键盘如图 &!& 所示。

（二）鼠标

鼠标是目前 )!*%)!+ 系统普遍采用的定位信息输入设备之一。它通过操作者对其本

身的移动来控制光标在屏幕上的位置，常用于定位和拾取。定位是在屏幕上用光标确定

一个位置，拾取是标记一个显示对象或选取光标所在处的菜单项目。鼠标非常适合于窗

口环境下的工作，常见的有双键、三键和多键鼠标。

鼠标有机械式、光机式和光电式几种类型，机械式和光机式是通过其底部滚球滚动

及传感机构来控制屏幕光标的移动，区别在于前者的传感系统是小球、译码轮和电刷，

后者则是小球、发光二极管、带有小孔（透光）的译码轮和光敏元件。早期的光电式带

有特制的反射式衬垫，其传感系统是发光二极管、反射式衬垫和光敏元件。现在已有新

式的光电式鼠标出现，由于它采用了被称为“光眼”（,-./012 $34567）的数字光电技术装

置，不再需要特殊鼠标衬垫，可在任何不反光的物体表面使用。常用的鼠标接口有 ),+、

#$%& 和 ’$( 三类。常见的光电式鼠标如图 &!8 所示。

图 &!& 人体工学键盘 图 &!8 鼠标

（三）数字化仪

数字化仪是一种重要的图形输入装置，能方便地实现图形数据输入、光标跟踪控制

及菜单选择等功能。它通常是由一块尺寸为 !9 : !; 的图板和一个带有十字叉丝的游标器

或触笔组成的，小幅面数字化仪也被称作图形输入板。在小型数字化仪面板上，有菜单

区和绘图区等若干区域。工作时，将欲输入的图形固定在数字化仪的台面上，用定位器

或触笔跟踪图形的特征点，使这些点的位置数字化后输入计算机，结合绘图指令即可完

成图样输入。

在皮革制品 )!* 系统中，!; 幅面的大型数字化仪常被作为服装纸样的输入工具，而

鞋靴样板的输入则可用 !8 幅面的数字化仪。目前还有一些图形输入板提供了多种压感电

流，用不同的压力就会有不同的信息传入计算机，这对于绘制产品的效果图非常有利，

用户可以通过控制笔的压力来产生不同风格的笔画。因此，用户要根据企业生产的产品

类型、纸样的大小等因素来选配数字化仪。

<=

皮革制品 )!*%)!+

数字化仪的主要技术指标是分辨率和精度。分辨率指数字化仪所能检测到的最小移

动量，一般用每英寸（!"#$%&）能识别的点数或线数表示，单位为 ’()（*)+, -,. /+%0）。点

数值越大，绘制出的效果也就越好。数字化仪的分辨率是可以调节的，标识的都是指最

大值，用户在使用时完全可以向下调整。目前主流的数字化仪的分辨率都已经达到了

!#$1’()。精度是指光笔在数字化仪的电磁感应板上可以表现出的最小的精确度。精度越

高，绘制出的图形的也就越精准，目前数字化仪的精度一般可达到 2 1"!#$&&，有些产品

可以达到 2 1"3!4&&。数字化仪接口有 56!!7! 和 869 两类。常见的数字化仪如图 !!$所示。

图 !!$ 数字化仪

（四）扫描仪

扫描仪是直接把图形和图像扫描到计算机中以像素信息进行存储的设备，其主要技

术指标有：扫描幅面、分辨率、扫描速度、图形灰度级等。目前常用的是 :$ 幅面的平板

式扫描仪，绝大多数采用的固态器件是电荷耦合器件（;;<，;0=.>, ;?@(’,A <,B)%,）。其

光学分辨率可达 !$11 C !$11A()，有些甚至高达 !$11 C $D11A()，色彩深度为 7E 位或 $D 位。

扫描仪的接口有并口、6;6/、/FFF 37G$ 和 869 等。常见的扫描仪如图 !!# 所示。

目前国内一些鞋类设计系统就是采用扫描仪进行样板输入，将得到的光栅文件进行

矢量化处理，为后续的处理打下基础。

（五）数码相机

数码相机也叫数字式相机（<;，<)>)H=’ ;=&,.=），是集光学、机械、电子技术于一体

的真实图像输入设备，它采用光电装置将光学图像转换成数字图像，然后存储在磁性存

储介质中，并且可以直接连接输入到计算机中进行显示和编辑修改处理。数码相机的主要

性能指标有感光器件、有效像素数、最高分辨率、存储介质等。数码相机如图 !!E 所示。

图 !!# 扫描仪 图 !!E 数码相机

G3

第二章 皮革制品 ;:<I;:J 系统软硬件技术基础

（六）触摸屏

触摸屏是以手指代替光笔的一种输入设备。它能对物体触摸位置产生反应，当人的

手指或其他物体触到屏幕不同位置时，计算机能接收到触摸信号并按照软件要求进行响

应处理。

常见的触摸屏有四种类型：电阻触摸屏、光学触摸屏、声学触摸屏、电容触摸屏。

（七）其他输入设备

除以上介绍的各种输入设备外，在逐步推广应用的虚拟现实系统中，数据手套和各

种位置传感器（如头盔）等正在成为新的输入手段。声音交互输入是另一种很有发展前

景的多媒体输入手段，正在研制的语音输入将通过人的自然语言输入图形特征参数及其

属性，然后得到所要求的图形，并将其显示在屏幕上或打印输出。

四、输 出 设 备

在 !"#$!"% 系统中，为了对所得结果进行展示或者存档，常常要将图形输出到打印

机或绘图仪上，这就需要用到图形绘制设备。常用的图形绘制设备有打印机和绘图仪。

打印机以打印文字为主，也能输出图形；绘图机则以输出图形为主，文字为辅，两者都

有单色型和彩色型。一般 !"#$!"% 系统中都配有一定数量的打印机和绘图机。

（一）打印机

作为一种常用的输出设备，打印机既能打印字符型文件，又能打印图形。一般可分

撞击式与非撞击式两种，前者用得最多的是点阵打印机，后者可采用喷墨技术、激光技

术、静电复印技术等，所以打印机按照其工作原理可以分为针式打印机、喷墨打印机和

激光打印机。

&’ 针式打印机

针式打印机的打印头有 ( 针、)* 针和 +) 针等几种。工作时，计算机控制每个针头的

撞击，并通过色带将文本或图形打印在纸上。它是一种非常经济的打印设备，多用于文

本打印。

)’ 喷墨打印机

喷墨打印机用喷墨头将几种不同色彩的墨水射在打印纸上而印出图案，所以喷墨头

是它的核心部件之一。另外，墨盒的颜色数量也直接影响打印效果，其颜色数量越多对

于色彩的还原性也就越好。目前颜色数量最多的是八色墨盒，但由于需要突出的重点不

同，不同厂商对色彩的分配也有一些差别。如可在传统的六色即黑色、青色、品红、黄

色、浅品红和浅黄色的基础上增加深灰和浅灰两种灰度级以增强灰度部分的表现力。

+’ 激光打印机

激光打印机主要由负责数据处理的控制系统、激光扫描系统、电子照相系统和送纸

机构等组成，它的核心部件是一个可以感光的硒鼓。与其他类型的打印机相比，激光打

印机具有打印速度快、品质好、工作噪声低等优点。

激光打印机有单色型和彩色型两种，但彩色型价格较高。常用激光打印机一般可打

印 "* 或 ,- 纸型，其主要技术指标有打印速度和分辨率。打印速度以打印机每分钟打印

输出的 "* 纸张页数计算，单位为 ..%（./012 .13 %45671）。分辨率是指在打印输出时横向

和纵向两个方向上每英寸最多能够打印的点数，通常以每英寸印点点数 894 表示。目前，

:)

皮革制品 !"#$!"%

一般的激光打印机的打印速度可以达到 !"##$，分辨率一般为 %&&’()，高分辨率可达

*+&&’()。（二）绘图机

*, 喷墨绘图机

喷墨绘图机与喷墨打印机的工作原理是一样的，实质上是一台大幅面的喷墨打印机。

此种绘图机的外形与笔式滚筒绘图机很相似。幅面一般有 -& 和 -* 两种，分辨率一般为

%&&’()，可输出浓淡不一的各种单色或彩色图形、图像及文字符号。绘图速度比笔式绘图

机高，但消耗材料的成本较高。

+, 笔式绘图机

笔式绘图机一般分平板式与滚筒式两种。小型笔式绘图机多为平板式的，常用的是

-! 幅面，大型笔式绘图机一般是滚筒式的。绘图时，通过控制抬笔、落笔及笔和纸的相

对运动来实现图形的绘制。

平板式绘图机工作时，图纸固定，由绘图笔作 !、" 方向的运动而绘制各种图形，它

有 -. / -& 多种规格；滚筒式绘图机工作时，图样沿滚筒轴线的垂直方向移动，绘图笔沿

滚筒轴线方向移动，由这两个运动的合成来实现图形的绘制，一般有 -* 和 -& 两种规格，

可绘制加长幅面的图样。相对于平板式绘图机，滚筒式绘图机结构简单，价格较低，占

地面积小，但速度低，精度也较差。

笔式绘图机的主要技术性能指标有：绘图速度、步距、绘图精度。绘图速度一般为

*+ / .0121)3；步距也称分辨率，一般为 &,&* / &,*112步，步距越小，画出的图形精度越

高；绘图精度包括静态精度、重复精度和零位精度。

五、图形显示设备

图形显示设备是交互式 4-524-$ 系统的重要设备之一。现在的图形显示设备绝大多

数是基于阴极射线管（467，489:;’< 68= 7>?<）的显示器。此外还有液晶显示器和等离子

体显示器，它们体积小、功耗少，也得到了一定的应用。

（一）光栅扫描显示器

阴极射线管按其工作原理可以分为直接存储管式显示器、随机扫描刷新式显示器和

刷新式光栅扫描式显示器三种类型。目前使用最普遍的是光栅扫描式显示器，其系统组

成如图 +!@ 所示。

图 +!@ 光栅扫描式显示器的系统构成

其中内存显示文件代表图形的矢量信息，经矢量光栅转换器转换成数字化的光栅点

阵信息，存入帧缓冲存储器，再经显示控制器，图形就在阴极射线管的屏幕上显示出来。

矢量到光栅的转换用软件（或固化后的硬件）实现。帧缓冲存储器、显示控制器及 467构成了显示器的硬件，以下对图中各环节的工作原理作一介绍。

*+

第二章 皮革制品 4-524-$ 系统软硬件技术基础

!" 矢量光栅转换器

在光栅扫描显示器的屏幕上划分有很多间距相等的描述扫描轨迹的横条，称为“扫

描行”。每个扫描行又分成等距的若干小格，称为“扫描点”。整个屏幕上具有许多排列

整齐的栅格，称之为光栅（#$%&’(）。每一个栅格是显示器的最小图像单元，称之为像素

（)*+’,）。每个像素点的亮度等级用“亮度”（-.&’.%*&/）描述。显示器屏幕上的图像是靠光

栅扫描形成的。所谓光栅扫描就是用显示控制器发出的信号控制 0#1 中的电子束在屏幕

上从左到右、从上到下按固定的节拍扫描。整幅屏幕的扫描称帧扫描，要想获得不闪烁

的图像每秒至少进行 23 次帧扫描。

衡量显示器性能的一个重要指标是屏幕分辨率（45(’’. #’%6,7&*6.），它是指屏幕可显

示的像素点数，用水平方向的像素点数乘以垂直方向的像素点数来表示。显示器的分辨

率取决于显像管荧光粉的粒度、荧光屏的尺寸、0#1 电子束的聚焦能力以及图形控制卡

的性能等。目前一般微机的分辨率可达 !389 : ;<=>?* 或以上。

光栅扫描显示的基本工作原理是将显示屏按预先规定的分辨率在水平及垂直方向上

划分成矩阵，每个像素有自己的 !、 " 屏地址。假如分辨率为 # : $，则意味着有 $ 行

及# 列的像素，每一行代表一条扫描线。把要显示的图形（它们可能是彩色明暗图、灰

度图或线条图）也按此方式离散成像素。每个像素除了它的 !、 " 位置值，还有相应的属

性值，这些属性值代表该点的明暗度或颜色，此过程称为图形的光栅化，由矢量光栅转

换器完成。光栅化后的像素是与屏幕一一对应的，并存入帧缓冲存储器。

8" 帧缓冲存储器

帧缓冲存储器是显示器的核心，用来存储经光栅化后的图形像素阵列，它在主机和

显示器间起缓冲数据传送的作用。帧缓冲存储器所需的容量取决于分辨率及色彩种类，

帧缓存的物理位置常常放在图形显示控制卡上或直接利用主机的内存。当用户图形发生

变化时，帧缓存内容将随之更新，此时由于显示控制器对帧缓存内容的不断扫描（每秒

至少 23 次），保证了屏幕图形得到及时刷新，这就使图形的交互设计成为可能。因此，从

原理上说，帧缓冲存储器是一个大容量高速的双端口随机存取@读写存储器。

A" 显示控制器

显示控制器是一块图形显示控制卡，也叫图形适配器（简称显示卡），它通过总线与

0)B 和显示器相连，是 0)B 与显示器之间的接口，即视频控制电路。显示卡将显示缓冲

存储器送出的信息转换成视频控制信号，用于控制显示器的显示。显示卡必须与显示器

匹配，其性能好坏直接影响图形显示的速度及效果。显示卡大都制作成独立的卡插在主

板扩展槽里，也有集成到主板上的。自 83 世纪 =3 年代初以来，出现了带有图形处理功能

的显示卡。这种卡不仅具有高分辨率的显示控制功能，而且有高性能的 8C@AC 图形处理

功能，减轻了主机 0)B 的负担，使显示器图形显示功能大为增强。

显示控制器的主要部件有显示主芯片、显示缓存（简称显存）和数字模拟转换器

（#DECD0）。显示主芯片是显卡的核心，俗称 F)B，它的主要任务是对系统输入的视频信

息进行构建和渲染。显存是用来存储将要显示的图形信息以及保存图形运算的中间数据

的，它与显示主芯片的关系，就像计算机的内存与 0)B 一样密不可分，显存的大小和速

度直接影响着主芯片性能的发挥。#DECD0 就是视频存储数字模拟转换器，它在视频处

理中的作用是把二进制的数字转换成为和显示器相适应的模拟信号。

88

皮革制品 0DC@0DE

!" 阴极射线管 #$%图形监视器的核心部件是阴极射线管（#$%，#&’()*+ $&, %-.+）。图 /!0 是 #$% 监视

器的结构简图。#$% 部件包括：一个阴极，当灯丝加热它时发射出电子束；一个栅极，

它既控制发射的电子束方向又控制电子束的发射率；一个聚焦系统，使电子束变细以使

它轰击荧光屏时成为一个细小的圆点；一个加速系统，它将提高电子束的速度以使电子

束轰击荧光屏时能产生一个可见的亮点；一个偏转系统，控制电子束在正确的位置轰击

荧光屏而产生亮点；荧光粉层，当电子束轰击它时发出辉光。荧光粉的质量直接影响 #$%的成像效果。当荧光粉受到电子轰击时，便发出可见的荧光，停止轰击后，荧光仍会保

持一段时间才消失，这种现象称为余辉。从电子束停止轰击开始，直到余辉亮度下降到

初始值的 123所用的时间称为余辉时间。余辉时间非常短暂，一般为（2"4 5 1） 6 127 8 9，为了得到持续稳定的图像，需要控制电子束反复“画”同一图形，即不断刷新屏幕。

图 /!0 #$% 监视器的结构简图

彩色 #$% 显示不同颜色是通过把发出不同颜色的荧光物质进行组合而实现的。彩色

#$% 有三种类型：穿透式、荫罩式和荫栅式彩色 #$%。由于荫栅式显像管亮度和色彩饱和

图 /!: 液晶显示器

度更好，画面细腻，色彩更鲜艳。目前在专业显示器中，绝大多数都采用了荫栅式显

像管。

（二）液晶显示器

#$% 显示器技术目前已经越来越成熟，显示质量越来越好，大屏幕也逐渐成为主流，

但 #$% 固有的物理结构限制了它向更广的显示领域发

展。液晶显示器（;#<，;=>-=* #?,9’&@ <=9A@&,）是采用

了液晶控制透光度技术来实现色彩的显示器，如图 /!: 所示。和 #$% 显示器相比，液晶显示器具有许多优

点，如低电压、功耗小、重量轻、体积小等，现在已

经被大量使用。

液晶是一种介于液体和固体之间的特殊物质，它

具有液体的流态性质和固体的光学性质。当液晶受到

电压的影响时，就会改变它的物理性质而发生形变，

此时通过它的光的折射角度就会发生变化，从而产生

色彩。

8/

第二章 皮革制品 #B<C#BD 系统软硬件技术基础

常见的液晶显示器按物理结构分为四种：扭曲向列型（!"，!#$%&’( "’)*&$+），超扭曲

向列型（,!"，,-.’/ !"），双层超扭曲向列型（0,!"，01-23’3*4’/ ,-.’/ !"），薄膜晶体管

型（!5!，!6$7 5$3) !/*7%$%&1/）。目前主流的液晶显示器是 !5! 型，液晶显示器的主要基本

技术指标如下。

89 可视角度

由于液晶的成像原理是通过光的折射而不是像 :;! 那样由荧光点直接发光来实现的，

因此在不同的角度看液晶显示屏必然会有不同的效果。当视线与屏幕中心法向成一定角

度时，人们就不能清晰地看到屏幕图像，而那个能看到清晰图像的最大角度被称为可视

角度，包括水平可视角度和垂直可视角度。一般所说的可视角度是指左右（上下）两边

的最大角度相加。视角越大，观看的角度越好，液晶显示器也就更具有适用性。目前市

场上大多数产品的可视角度在 8<=>以上，部分产品达到了 8?=>以上。

<9 点距和分辨率

液晶屏幕的点距即像素间距（@$A’3 @$&+6），就是两个液晶颗粒（光点）之间的距离，

液晶显示器的像素数量是固定的，因此在尺寸与分辨率都相同的情况下，大多数液晶显

示器的像素间距基本相同。目前 ，一般分辨率为 8=<B C ?DE(.$ 的 8F$7（8$7 G <9FB+)）液

晶显示器，其像素间距均为 =9<H?))，而 8?$7 的均为 =9<DB))。

分辨率在液晶显示器中的含义并不和 :;! 中的完全一样。传统 :;! 显示器所支持的

分辨率较有弹性，而液晶显示器的像素间距已经固定，所以支持的显示模式不像 :;! 那

么多。液晶显示器的最佳分辨率，也叫最大分辨率，在该分辨率下，液晶显示器才能显

现最佳影像。比如 8=<B C ?DE(.$ 的含义就是指该液晶显示器含有 8=<B C ?DE 个液晶颗粒。

只有在最佳分辨率下液晶显示器才能得到最佳的显示效果。其他较低的分辨率只能通过

缩放来显示，效果并不好。目前 8F$7 液晶显示器的最佳分辨率为 8=<B C ?DE(.$，8? I 8H$7的最佳分辨率通常为 8<E= C 8=<B(.$。

六、外 存 储 器

皮革制品 :J0K:JL 系统中包含大量的数据、程序等信息资源，必须借助于外存储器

来进行存储。当需要使用外存储器中的信息时，由操作系统根据命令调入内存。常用的

外存储器有硬磁盘、软磁盘、光盘等。

（一）硬盘存储器

硬盘存储器是计算机系统中最主要的外存设备，一个完整的硬盘存储器由驱动器、

控制器和盘片三部分组成。通过控制器及驱动器对盘片进行读写操作，实现数据的存取。

硬盘含有多个盘片，其驱动器有多个读写磁头，常见的硬盘如图 <!8= 所示。

硬盘的主要技术参数是硬盘存储容量、读写速度及数据传输速度。硬盘通过控制器

与 :@M 连接，对于不同的硬盘控制器及其接口，其数据传输速度差别很大，在微机上常

用的接口有 N0O 接口、,:,N 接口、,J!J 接口和光纤通道四种类型。硬盘存取速度是指主

机从硬盘读写数据的平均存取时间。它受多个因素影响，包括硬盘转速、寻道时间、外

部传输速率以及硬盘驱动器内部机械结构等。目前，常见的台式机硬盘容量为 8<=PQ，有

的甚至高达 F==PQ，转速一般为 ?<==/K)$7。另外，采用 M,Q 接口的移动硬盘也得到了广

泛的应用。

B<

皮革制品 :J0K:JL

（二）光盘存储器

光盘（!"#$%&’ ($)*）利用光学方式进行信息读写，光盘存储具有存储密度高、容量

大、可随机存取、保存寿命长、工作稳定可靠和便于携带等一系列其他记录媒体无可比

拟的优点。目前普通光盘容量在 +,-./ 以上，一些 (0( 盘片的容量甚至达到 123/，所以

光盘存储特别适于大数据量信息的存储和交换。根据性能和用途不同，光盘存储器可分

为三种类型：只读型光盘（4(!5!.）、一次写型光盘（6!5.）和可擦写型光盘。

常用的光驱与主机接口标准有 78、949:、:(; 和 <9/ 等多种技术。目前，光驱传输

数据速率已达到 ,= 倍速（指与音频 4( 标准传输速率 1,->/?) 相比的倍数），4( 刻录速度

达到 @- 倍速，(0( 刻录速度达到 1+ 倍速。常见的光驱如图 =!11 所示。

图 =!11 光驱图 =!1- 硬盘

七、网络互联设备

网络技术是计算机技术和数据通讯技术相结合的产物，它是利用通讯线路和通讯设

备将设在不同地点功能独立的各类计算机系统相互连接，按照网络协议进行数据通讯，

实现信息传递和资源共享。

47(?47. 系统的网络系统可以是独立的小局域网，也可以作为子网与企业内部网相

连。无论采用何种形式，其网络结构都可以根据需要选用总线型、星型、环型或者是三

种模式的混合型等当中的一种，其工作模式多采用客户机?服务器体系结构。

第三节 皮革制品 47(?47. 系统的软件

计算机软件是指与计算机系统操作使用有关的程序、规程及相关文档资料等的总和，

亦可简单理解为各种程序及其相关数据的总称。对于皮革制品 47(?47. 系统而言，除了

必要的硬件设备外，还必须配备相应的软件。如无软件的支持，硬件设备便不能发挥其

作用。软件是决定皮革制品 47(?47. 系统功能强弱、效率高低和使用是否方便的关键因

素。在购置皮革制品 47(?47. 系统时，软件部分的投资往往会超过硬件部分的投资。

在 47(?47. 系统中，根据执行任务和编写对象的不同，可以将软件分为三个层次：

系统软件（9A)#BC 9DE#F&GB）、支撑软件（9H""DG# 9DE#F&GB）及专业性应用软件（7""’$%&#$DI9DE#F&GB）三类。

系统软件主要负责管理硬件资源及各种软件资源，其作用是合理调度硬件资源并扩

充计算机的功能。它是面向所有用户的公用软件，同时它又是基础软件，是计算机的公

,=

第二章 皮革制品 47(?47. 系统软硬件技术基础

共性底层管理软件，即系统开发平台，是支撑软件和应用软件的开发环境。

支撑软件运行在系统软件之上，是实现 !"#$!"% 各种功能的通用性应用基础软件，

是 !"#$!"% 系统专业性应用软件的开发平台。

专业性应用软件则是根据用户具体要求，在支撑软件基础上经过二次开发的专用软

件。图 &!’& 表示了这些软件间的层次关系。

图 &!’& !"# 软件层次

一、系 统 软 件

系统软件指操作系统及语言等，它们不是用户的应用程序，而是着眼于计算机资源

的有效管理、用户任务的有效完成以及操作的方便，目的是要构成一个良好的软件工作

环境，供应用程序的开发使用。

系统软件一般包括操作系统、程序语言处理系统、数据库管理系统、网络及网络通

讯系统等。系统软件大都是由计算机制造商或软件公司开发，并作为商品软件出售，如

目前流行的 ()*+,-.&///$01、()*+,-. 23 等系统软件。

（一）操作系统

操作系统（45，46789:7 5;.:7<）是由一组程序模块组成的。它是对计算机系统硬件

（包括 !1=、存储器、>$4 设备）及系统配置的各种软件进行全面控制和管理的底层软件，

负责计算机系统内所有硬件和软件资源的监控和调度，并且合理地组织计算机的作业流

程，使其协调一致、高效率地运行。可以认为，操作系统就是用户和计算机之间的接口，

用户只有通过操作系统才能控制和操纵计算机。

根据处理问题的方式不同，操作系统可分为单用户系统、批处理系统、分时系统、

实时系统、网络式操作系统和分布式操作系统等。根据需要可将上述系统组合起来而形

成通用操作系统。如把分时系统作为前台作业，把批处理系统作为后台作业的通用系统。

这样能够充分发挥计算机的处理能力。常用的操作系统有以下几种。

’?#45 操作系统

%5!#45 是基于 >*:78 系列微机普遍采用的一种单用户、单任务操作系统，主要包括输

入$输出（>$4）管理系统、命令处理程序及外部命令程序集。该系统操作简单且易于掌

握，对于硬件性能要求不高。但是在内存管理方面的局限性限制了它的发展。

@&

皮革制品 !"#$!"%

!"#$%& 系统

#$%& 系统是由美国 ’()( 公司贝尔实验室研制的，它是一个多用户多任务分时操作

系统。在 #$%& 环境下，多个用户采用分时方式共享主机的资源。由于 #$%& 系统的程序

主要用 * 语言编写，其特点是功能强，可移植性好，成为工程工作站广泛采用的操作系

统。目前，许多高档微机、小型机到大中型机都可采用 #$%& 系统，但是不同版本的

#$%& 系统并不完全兼容。

+",%$-.,/ 操作系统

,%$-.,/ 操作系统是 012345467 公司推出的一种基于图形界面的多任务窗口环境，可

以完成硬件管理、网络管理和外部设备管理等功能，在这个环境下能够运行为 ,1894:5 编

写的各种程序，也可以运行为 0/!-./ 环境设计的程序。目前比较流行的有 ,1894:5!;;;<&=、,1894:5 $( 等。

>"&!,1894:5 系统

&!,1894:5 最早是 0%( 研制的一种可移植的网络透明的窗口系统，可以在不同体系结

构或操作系统的机器上运行，并充分发挥网络的作用，是一个可以在分布式网络环境下

工作的多任务多窗口系统。它采用客户<服务器的工作方式，它的 &?%@ 库含有数百个子程

序。目前 &!,1894:5 已经成为一个协议性标准，其典型产品是 ./A 的 04716 和 /B8 及 ’()(的 .CD8 ?44E 等。

（二）程序语言处理系统

计算机语言一般分为汇编语言和高级语言。汇编语言是一种与计算机硬件相关的符

号指令，属于低级语言，执行速度快，能充分发挥硬件性能，常用来编制最底层的绘图

功能或者编制硬件驱动程序。

*’-<*’0 系统中的程序语言处理系统主要包括有关高级语言以及编译相应语言程序

的编译解释程序和汇编程序。而这些有关的高级语言如 * F F 、G*、HIJI 是用来编写各种

应用程序，从而进行分析计算、图形处理和数据检索等工作。* F F 、G* 是开发高质量

软件的最佳语言；G@ 提供大量的界面构件库，易学易用；HIJI 在不同的系统平台上可提

供统一接口，是很好的设计浏览器软件的工具。

（三）数据库及数据库管理软件

数据库是以一定的组织方式存储在计算机中的相互有关的数据的集合。数据库管理

系统（-@0/）是对数据和数据库进行各种管理的软件。数据库系统则是由数据库和数据

库管理系统所组成。

-@0/ 管理一个 *’-<*’0 系统中所需要的一个庞大的工程数据库。这个管理系统可

以保证数据资源共享，数据保密和安全，还可以尽量减少库内数据的重复性和冗余性。

在用户使用计算机时通过该系统检索数据库内有关数据，因此，可以认为数据库管理系

统是用户与数据之间的接口。目前比较流行的商品化的数据库系统有 A4K@’/L、A4K=34、.3I2MD 等，它们都属于商业用数据库系统，但 *’-<*’0 系统需要工程数据库的支持，因

此工程人员常常在商业用数据库的基础上进行必要的开发，以解决工程数据的管理问题。

（四）网络及网络通信系统

网络及网络通信系统是指网络协议及软件。联网的 *’- 系统能使网内各用户共享网

内全部软硬件资源，可以使开发小组共同进行某个产品的辅助设计或开发同一软件系统。

N!

第二章 皮革制品 *’-<*’0 系统软硬件技术基础

为了使网络中信息交换和资源共享能正常有效地进行，就必须建立一套由全网络成员共

同遵守的约定，这个约定就是网络协议。协议一般都分层次地规定了双方通信的约定。

目前国际标准的网络协议方案为“开放系统网络标准模式”（!"#，!$%& "’()%* #&)%+,-&&%,.)/-&），!"# 由物理层、链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层等 0 个层次构

成。目前比较有名的通信协议标准有 1234#3 和 5634#3。以太网（7)8%+&%)）是国际著名的

局域网之一，工作可靠，易于扩充，所以被广泛采用。

二、269 支撑软件

2694265 系统的支撑软件是以系统软件为基础，直接支撑用户进行 2694265 工作的

通用性功能软件，可以实现 2694265 作业过程中的某一特定任务。支撑软件通常都是已

商品化的软件，由专门的软件公司研制开发。支撑软件可分为集成型和单一功能型，集

成型 2694265 系统的支撑软件提供了设计、分析、造型、数控编码及加工控制等多种模

块，功能比较完备，如美国 3:2 公司的 3+-47&;/&%%+ 系统；单一功能型支撑软件只提供用

于实现 2694265 中某些典型过程的功能，如 6<"=" 主要用于分析计算，!>62?7 则是专

用的数据库系统。

用户在组建 2694265 时，要根据使用要求来选购配套的支撑软件，形成相应的应用

开发环境。既可以以某个集成型系统为主来实现，也可以选取多个单一功能型支撑软件

的组合来实现，在此基础上进行专用应用程序的开发，以实现既定的 2694265 系统的

功能。

三、应 用 软 件

专业性应用软件是指针对用户具体要求而开发的软件。在实际应用中，由于用户的

设计要求及生产条件多种多样，所选购的支撑软件难以完全适应，因此，在具体的 2694265 应用中必须进行二次开发，即根据用户要求开发用户化的应用程序。应用软件的水

平、质量及可靠性是 2694265 系统能否取得生产效益的关键。企业在产品设计等方面所

开发研制的各类软件都属于应用软件。如针对服装生产开发的服装款式设计系统、服装

纸样设计系统、服装推码系统和服装样片排料系统等。这类软件专业性强、效率高，但

软件开发难度大、软件维护任务重，一般多由专业技术人员或软件公司与科研单位、高

等院校协作研制开发。

现有的绝大多数 269 软件如 6@)-269、39 等都提供了二次开发手段供用户来开发自

己的 269 应用软件。这种开发难度相对较小，且省时省力，是目前 269 应用的主要途径

之一。

6@)-269 系统是美国 6@)-A%(B 公司为微机开发的一个交互式绘图软件，它是一个集二

维、三维绘图、通用数据管理于一体的通用绘图软件包，也是目前世界上应用最广的

269 软件。开放式的体系结构是 6@)-269 最为显著的特点之一。6@)-269 提供 6@)-?#"34C/(@DE ?#"3、CF6、!GH%,)6>I 作为二次开发的工具。在许多实际应用领域如机械、建筑、

电子、服装设计中，一些软件开发商在 6@)-269 的基础上已开发出许多符合实际应用的

软件。图 J!KL 所示的是以 C/(@DE ?#"3 为工具在 6@)-269 基础上开发的楦面展平模块的

界面。

MJ

皮革制品 2694265

图 !!"# 基于 $%&’($) 的楦面展平模块软件界面

第四节 软件工程基础

由于皮革制品种类较多，常常需要针对具体对象在选定的 ($) 软件平台上进行二次

开发。因此，如何优质、高效地开发 ($) 应用软件和软件开发后如何实施维护，就成为

($) 应用软件开发的一个重要问题。

软件工程借助科学的理论和现代工程技术来指导软件的开发过程，对软件的规划、

设计、测试、销售等各个环节进行科学管理，从而达到以较低的成本研制高质量软件的

目的。因此，从事皮革制品 ($)*($+ 应用软件研发和应用的技术人员应该了解软件工程

的一些基本概念和软件开发工程标准规范。在从事皮革制品应用软件开发时，要符合软

件工程规范，这样才能保证所开发的软件具有良好的维护性和发展前景。

一、工程化软件的特征及要求

软件工程涉及范围较广，其求解过程往往也比较复杂，但一般情况下都应该满足以

下基本要求。

", 正确性

能正确实现预定功能，运行过程和结果正确无误，性能优良。

!, 可靠性

运行稳定可靠，在各种条件下反复测试，出错的概率小于规定的指标，并具有较强

的纠错能力和完善的错误处理体系。

#, 易用性

具有良好的用户界面，简便灵活的操作方式，快速的反应能力。应尽量满足硬件无

关原则，便于不同硬件平台上的快速移植。

-!

第二章 皮革制品 ($)*($+ 系统软硬件技术基础

!" 简明性

遵循标准化原则，程序简明易读，具有较好的模块化结构和简单清晰的接口，以便

于系统集成。

#" 易维护性

工程化软件应具有较好的功能更新扩展能力，以便校正和维护软件。

二、$%& 软件产品开发的一般过程

（一）产品研究阶段

产品研究的目的是不断扩充和完善有关产品的知识，这些知识是有效进行产品开发

的前提条件。与产品相关的研究包括技术现状总结、有关专业技术研究分析、涉及产品

开发的技术研究、产品工艺方面的研究、针对竞争的市场分析等。技术研究通常分为基

础性研究和应用性研究。基础性研究的目的是分析和解释自然现象，以便应用于实践中

所提出的技术问题。应用性研究是检验基础性研究成果在技术产品上的可应用性。在此

阶段一般要形成技术发展现状分析报告、技术分析报告和应用前景分析报告。

（二）产品规划阶段

任何产品都是为了满足和适应市场需求，因此在产品规划阶段必须进行市场需求分

析、市场预测、功能分析、技术和经济可行性分析等工作。确定该软件的各项功能、性

能需求和设计约束，明确设计目的和任务，最后形成详细的产品开发可行性报告，给出

详细的项目开发计划书，并确定对文件编制和标准化的要求，也要形成软件需求规格说

明书。

（三）产品设计阶段

根据产品设计任务书和现有技术水平，进行方案和技术设计。系统设计人员和程序

设计人员应该在反复理解软件需求的基础上，提出多个设计方案并进行比较，最终确定

一个较好的设计方案。该阶段通常可分为概要设计和详细设计。概要设计要建立系统的

总体结构，设计全局数据库或数据结构，面向目标将功能进行分解，并制定组装测试计

划。详细设计对功能模块进一步分解，设计程序模块的内部细节，包括数据结构和函数

以及函数内部的数据结构和算法，为编写程序代码提供必要的说明和依据。最后要编制

概要设计说明书、详细设计说明书、数据库设计说明书和测试计划。

（四）产品编程阶段

将详细设计说明转化为程序设计语言编写的程序，完成源程序的编码、编译和排错

调试，得到无语法错误的程序清单。对程序单元进行测试，验证程序模块接口的一致性，

并按照组装计划完成软件系统的组装。最后完成模块开发卷宗和开发进度月报的编写，

并且要完成用户手册、操作手册等面向用户的文件编写工作。

（五）产品测试阶段

产品组装完成后，必须按照项目开发计划书和测试计划进行全面的产品测试，检查

审阅已编制的文件，包括各种功能和技术指标的鉴定，提供详细的测试报告。除了按照

测试计划进行测试外，还可采用专家测试鉴定、用户测试鉴定等方法。作为开发工作的

结束，所生产的程序、文件以及开发工作本身将逐项被评价，最后完成项目开发总结

报告。

’(

皮革制品 $%&)$%*

（六）运行与维护阶段

软件系统投入市场后，应建立完善的信息反馈体制，及时发现和纠正隐含的产品缺

陷，并根据市场的变化情况和新提出的需求进行必要且可能的扩充和删改，制定产品更

新和重新开发规划。

第五节 图形软件的标准化

随着 !"#$!"% 技术的发展以及计算机图形学应用领域的不断扩大，各种图形软件系

统日益增多，图形设备也随着计算机硬件的飞速发展变得十分繁杂。用户对计算机图形

处理的要求越来越高，使得高性能的交互式图形软件系统的开发难度增大、成本提高。

如果针对某种具体设备和具体应用而研制一整套图形软件，不仅浪费时间、精力和财力，

而且也难于实现软件在不同的计算机和图形设备之间的移植与共享。为了便于图形软件

的移植和开发，迫切需要制定统一的图形软件标准。

图形软件标准的研究和制定在 &’ 世纪 (’ 年代进入了大发展时期。)*++ 年由美国计算

机协会 "!% 成立的图形标准化委员会提出了“核心图形系统（!,-. /-012345 6758.9）”的

规范，为计算机图形软件标准化的工作做了有益的尝试。与此同时，世界各国也都陆续

制定了自己的图形软件标准，其中以德国的 /:6 标准最为著名。)*(; 年，作为第一个国

际计算机图形信息标准———计算机图形核心系统 /:6 得到国际标准化组织 <6= 的批准。

在此后的 &’ 多年中，国际标准化组织又陆续批准了许多图形接口、图形功能的标准文

件，如三维图形核心系统 /:6!>#、程序员层次交 互 式 图 形 系 统 ?@</6、计 算 机 图 形

元文件 !/%、计算机图形接口 !/<、基本图形交换规 范 </A6 以 及 产 品 数 据 交 换 标 准

6BA? 等。

一、图形软件标准的基本概念

计算机图形软件的标准通常是指图形系统及其相关应用系统中各个界面之间进行数

据传送和通信的接口标准，以及供图形应用程序调用的子程序功能及其格式标准，前者

称为数据及文件格式标准，后者称为子程序界面标准。计算机图形软件标准在图形及其

应用系统各界面之间的作用和关系如图 &!)C 所示。其中 !/% 和 !/< 是面向图形设备的接

口标准；/:6、/:6!>#、?@</6、=1.D/E 等是面向图形应用软件的标准；</A6 和 6BA? 是

面向图形应用系统中工程和产品数据模型及其文件格式的标准。图形化的用户接口———

窗口系统是近几年来蓬勃发展并广泛应用的工业标准，其典型代表有工作站上的 %,83F、=1.D!E,,G 和个人计算机上的 %5!H3DI,J5。

由于图形软件标准是一组通用的、独立于设备的图形系统软件包，它提供图形描述、

应用程序和图形输入输出接口等功能。这样一来，软件专业人员只需要遵循图形软件标

准，就可以使图形应用软件开发直接在面向应用的高层次上进行，而不必在基本图形技

术和接口上重复花费精力。同时也使应用软件系统更易于移植，信息资源更易于共享，

!"#$!"% 集成更易于实现。

)>

第二章 皮革制品 !"#$!"% 系统软硬件技术基础

图 !!"# 图形系统各个界面的标准

二、图形软件标准的接口类型

对交互式图形系统而言，所谓可移植性即：应用程序在不同系统之间的可移植性、

应用程序与图形设备的无关性、图形数据的可移植性和程序员的可移植性。为实现这些

要求，交互式图形系统中有三个接口必须要实现标准化。

第一个接口是为应用程序设计的标准图形软件接口，称为“应用接口”。该接口把应

用程序与物理设备隔开，实现应用程序在源程序级的可移植性。目前已经被国际标准化

组织（$%&）批准为国际标准的图形系统有：图形核心系统 ’(%、三维图形核心系统 ’(%!)* 以及程序员级层次交互式图形系统 +,$’% 等。

第二个接口是图形软件与图形输入-输出设备之间的接口，称之为“虚拟图形设备接

口”。该接口保证图形软件与图形设备之间的相互独立性，可以实现绘图软件在不同系

统、不同配置之间的可移植性。$%& 为这个接口制定的标准为计算机图形接口（.’$，./012345 ’561789: $;345<694），.’$ 可看作是面向图形设备驱动程序的接口标准。

第三个接口是图形数据接口，它规定了记录图形信息的数据文件格式。该接口使程

序与程序之间或系统与系统之间相互交换图形数据成为可能。$%& 为这个接口制定的标准

为计算机图形元文件（.’=，./012345 ’561789: =436<8>4）、产品模型数据转换标准（%?@+，

%?6;A65A </5 374 @B976;C4 /< +5/A293 0/A4> A636）。此外，基本图形交换规范（ $’@%， $;8386>’561789: @B976;C4 %1498<89638/;）和图形数据交换文件（*DE，*636 4D976;C4 E8>4）也是图形

系统广泛采用的图形数据文件标准。

第六节 图形核心系统

图形核心系统即（’(%，’561789 (45;4> %F:340），"GHG 年由德国标准化组织 *$I 提出草

!)

皮革制品 .J*-.J=

案，于 !"#$ 年被国际标准化组织 %&’ 采用并作为国际标准。

它是一个为应用程序服务的基本图形系统，它提供了应用程序和图形输入(输出设备

图 )!!$ *+& 在应用中的地位

之间的功能性接口。它只定义了一个独立于语言的图形

系统核心，在具体应用中，必须以符合使用语言约定的

方式，把 *+& 嵌入到相应的语言之中。*+& 在整个图形

系统中的地位如图 )!!$ 所示。图中每个层次可以调用下

一层次的功能。对于应用程序员来说，通常使用面向应

用层、依赖语言的接口层以及操作系统等资源。为了使

图形应用程序获得更高的可移植性，*+& 的体系结构具

有可更换设备驱动程序的元文件等特点。

一、*+& 的功能

*+& 在应用程序和图形输入(输出设备之间提供功能接口，它包括一系列交互式和非

交互式图形设备的基本图形处理功能。如图形的生成、删除、复制等功能，对各种输入

设备的初始化和设定设备方式等功能。若配有 *+& 图形软件，用户可根据自己的需要在

应用程序中调用 *+& 的各种功能，这样编写的应用程序能方便地在具有 *+& 的不同图形

系统间移植。移植时只需编写具体设备的驱动程序即可。

二、图形的输入与输出

（一）!"#输入功能

*+& 定义了以下六种输入功能，分别为：

（!）定位（,-./0-1）：提供用户坐标系中某点的坐标，并变换到规格化的设备坐标系

中，如指定一个圆心。

（)）笔画（&01-23）：输入用户坐标系中一组点的坐标，并变换到规格化的设备坐标系

中，如输入折线的一组顶点。

（4）取值（5/67/0-1）：取一个整数或实数值，如输入转角、比例因子等。

（8）选择（9:-;.3）：从一组可以选择的对象中选择一个，并输出一个非负的整数，

如选择菜单项。

（$）拾取（<;.27=）：标识一个显示目标，如使目标图形变色、闪烁或增亮。

（>）字符串（&01;?@）：输入一个字符串。

（二）!"#输出图素

*+& 有六种输出图素，分别为：

（!）线元素：折线（<-6A6;?3）。

（)）点元素：多点标记（<-6AB/1231）。选用圆点、加号、星号或叉号作为记号标出一

组离散点。

（4）字符元素：文本（C3D0）。

（8）光栅元素：区域填充（E;66 F13/）。在区域内填充图案、颜色。

（$）单元阵列（9366 F11/A）：光栅显示中像素点阵的抽象。它是一个矩形区域，该区

域被划分为 G! H G" 个单元，每个单元可任意指定一种颜色以构成彩色阵列。

44

第二章 皮革制品 9FI(9FJ 系统软硬件技术基础

（!）广义图素（"#$，"%&%’()*+%, #’(-*&. $’*/*0*1%）：一般画线图素，如圆弧、样条曲

线以及用户自定义图素。

输出图素具有三类属性：几何属性、非几何属性和标志符。几何属性控制图素的几

何形状和大小；非几何属性控制图素的线型、颜色等。图素的这些属性设置都记录在 "23状态表中。

三、图 段

在 "23 中，由图素构成的复杂图形叫做图段，系统以图段为单位进行图形输出。各

图段由应用程序定义，"23 根据图段名进行识别与选择。图段有变换、可见性预测、检

测、删除、插入和改名等操作。

四、工 作 站

"23 中系统可调用的图形输出4输入设备均称为图形工作站，它是一个抽象的物理设

备。它提供了应用程序控制物理设备的逻辑接口。通过工作站，应用程序可以从输入设

备获得各种信息，也可以将这些信息通过工作站传送到输出设备上。

"23 共有六种工作站：输入型、输出型、输入4输出型、元文件输入型、元文件输出

型、图段存储型。每种工作站都对应一个工作站描述表，用来描述工作站的功能与特性。

使用工作站时必须将工作站描述表打开（56%&），不用时应将其停止并关闭（7)89%）。

五、坐 标 系

"23 设置了三种坐标系。第一种是世界坐标系，专供应用程序用；第二种是规范化

设备坐标系，供 "23 内部使用；第三种是设备坐标系，是各工作站物理设备使用的坐

标系。

六、"23 的文件接口

"23 采用元文件 "23: 在 7;# 系统之间传送图形信息。"23 的元文件用于：图形信

息的存档；在不同系统之间传送图形信息；在不同的 "23 应用软件之间传送图形信息；

与图形信息相关的非图形信息的存储和复用。

七、"23 的分级管理

"23 是一个综合性的较为复杂的图形系统，其应用广泛。针对不同的应用，"23 将管

理分为 < 级，即 =>(，=>?，=>@，=A(，=A?，=A@，=B(，=B?，=B@。其中 >、A、B 为输出功能级，

(、?、@ 为输入功能级，=>(功能最低，依次向后功能逐渐提高。每一级都有它适合的应用

领域和必要的设备配置，在每一级上构成的 "23 子系统是向上兼容的，用户可根据应用

要求选用。

八、三维图形核心系统

三维图形核心系统（"23!C#）系统是在 "23 基础上扩展的一个完全的三维系统，其

所有操作都在三维情况下进行，所有图段、图素数据均为三维格式。它包括了 "23 的重

DC

皮革制品 7;#47;:

要概念和特点，在三维空间里对原 !"# 的功能进行精确定义。这样，两者在实现时并不

相互依赖，而在设计原则和基本结构上又尽量保持一致。!"# 系统和 !"#!$% 系统在功能

上可以混合使用，如可用 !"# 系统定义一个平面，然后把它转换到三维空间中去，再用

!"#!$% 系统对它进行各种处理。

!"#!$% 系统的三维功能有：三维图素、填充区域图素集、具有视图操作的三维变换、

三维输入、隐藏线及隐藏面的消除、边界属性、三维几何属性等。

第七节 其他图形标准和规范

一、程序员层次交互式图形系统

程序员层次交互图形系统（&’(!#，&)*+),--.)’/ ’0.),)1201,3 (45.),1506. !),7201/ #8/5.-）

是美国计算机图形技术委员会于 9:;< 年推出的，后被接受为国际标准。它是为应用程序

员提供的控制图形设备的图形软件系统接口及动态修改和绘制显示图形数据的手段。

&’(!# 的图形数据按照层次结构组织，使多层次的应用模型能方便地利用它进行描述。它

是为应用高度动态性和交互性三维图形而设计的图形软件工具包。&’(!# 标准主要特点如

下所述。

（9）&’(!# 具有模块化的功能结构，其标准功能分别由九个程序模块实现，各模块相

对独立，彼此之间通过系统的公共数据结构间接连接。这样便于在整个 &’(!# 系统中逐

个模块地进行程序开发。

（=）&’(!# 的图形数据按照层次结构组织，使多层次的应用模型能方便地利用它进行

描述。图形数据存放在一个中央结构存储器（>##）中，&’(!# 对它进行管理和操作。

>## 中的基本单位是结构，它是由图形数据和应用数据组成的一个整体。每个结构由

一些结构元素的序列组成。结构元素有图形元素（直线、字符等）和属性元素等。一个

结构可以引用另一个结构，通过结构的引用可以建立层次结构网络。应用程序通过规定

的方式可以创建一个 &’(!# 结构。

（$）&’(!# 提供了动态修改和显示图形数据的手段，&’(!# 有非常有效的结构编辑能

力，如删除、插入结构元素等。它能够迅速地修改图形模型的数据，并相应地显示出修

改后的图形模型。

（?）&’(!# 把工作站分成输出型、输入型、输出@输入型、元文件输出型和元文件输

入型五类。使用工作站时必须打开（A7.4）该工作站，用完后关闭（>3*/.）该工作站。

在某工作站上输出图形是通过遍历指定结构并解释它的结构元素来实现的。

二、计算机图形接口

计算机图形接口（>!(，>*-7B5.) !),7201/ (45.)C,1.）是美国标准化协会 DE#( 于 9:;? 年

起草的，后被 (#A 接受为国际标准。它的目的是提供一种与设备无关的控制图形设备的方

法，可使有经验的用户最大限度地、灵活地直接控制图形设备。>!( 也可看作是图形设备

驱动程序的一种标准，它有五个主要功能：控制、查询和出错处理、输出图素及其属性、

图段定义及管理、输入和响应处理、光栅图形处理。

F$

第二章 皮革制品 >D%@>DG 系统软硬件技术基础

三、计算机图形元文件

计算机图形元文件（!"#，!$%&’()* "*+&,-./ #)(+0-1)）是 234 正式发布的国际标准。

它采用了高效率的图形编码方法，是一套与设备无关的语义、词法定义的图形文件格式。

作为图形数据的中性格式，它能适用于不同的图形系统和图形设备。!"# 分为四个部分，

第一部分是功能描述，包括元素标志符、含义的定义以及参数描述，其余三部分为 !"#的三种标准编码形式，即字符、二进制和清晰的正文编码。

四、基本图形交换规范 2"53 和图形数据交换文件 678

基本图形交换规范（2"53，29-(-+1 "*+&,-./ 5:.,+9;) 3&).-0-.+(-$9）是美国 <=32 标准。

图形数据交换文件（678）是 <’($>)/? 公司为其 <’($!<6 软件制定的图形数据交换格式

文件。

（一）!"#$ 简介

2"53 建立了用于产品定义的数据表示方法与通信信息结构，其作用是在不同的 !<6@!<# 系统间交换产品定义数据。2"53 的思路是通过前置处理器把某个 !<6 系统的内部模

型翻译成符合 2"53 规范的“中性模型”，需用此内部模型的另一个应用系统，再通过后置

处理器将此“中性模型”翻译成系统接受的内部模型。2"53 定义了文件结构格式、格式

语言以及几何、拓扑及非几何产品定义数据在这些格式中的表示方法，其表示方法是可

扩展的，并且独立于几何造型方法。目前，绝大多数图形支撑软件都提供读、写 2"53 文

件的接口，使不同软件系统之间交换图形成为现实。

2"53 的出错处理是十分重要的。因为在不同系统间转换数据会产生错误，如重字符、

错字符等，开发的转换器会对 2"53 文件产生不正确的解释。这些错误可能发生在产

生 2"53 文件或读入 2"53 文件的过程中，这就要求 2"53 转换程序能报告并校正有关的

错误。

（二）%&’ 简介

678 是一种具有专门格式的 <3!22 码文本文件，其作用是供外部程序和图形系统或者

不同的图形系统之间交换图形信息。由于其易懂、易写以及 <’($!<6 软件的广泛应用，

678 格式已成为事实上的一种标准，它与其他 !<6 系统的交换方式如图 A!BC 所示。

图 A!BC <’($!<6 与其他程序以 678 文件交换方式

BD678 的文件结构

完整的 678 文件由四个段（3).(-$9）和一个文件结尾所组成：即标题（E)+>)*）段、

表（F+G1)/）段、块（H1$.?/）段、实体（59(-(-)/）段和文件结束（548）。标题段记录了

CI

皮革制品 !<6@!<#

所有系统变量的当前值和当前状态；表段包括定义线型的线型表、定义图层的图层表、

定义字体的字样表、定义视图的视图表；块段记录图中定义每一个块时的块名、块内包

含的实体（即图形元素）、插入点等；实体段记录图中所有实体（!"#$%!& 系统采用的实

体多达几十种）的名称、性质、几何信息等；结束段标志文件结束。

&’( 文件各段均有开始的段头（)*+#,$-）标识及结束的段尾（./&).%）标识，两者

之间是段的内容。如实体段由实体段开始、实体段内容及实体段结束三部分组成。实体

段内容记录图中每个实体的名称（如 01/. 为直线段的名称）、所在图层的层名（如层 !）、

有关的几何数据等。

23 组代码和组值

&’( 文件由若干个组构成。每个组有两行，第一行（文件的奇数行）为组代码，第

二行（文件的偶数行）是组值。组代码是一个非负的整数，用来描述数据类型，取值为

4 5 666，每个组代码的含义是由系统约定好的。组值相当于数据的值，其类型由组代码决

定。组代码和组值结合起来表示一个数据的含义和它的值。

73 标题（8*9:*;）段

记录 !"#$%!& 系统的所有标题变量的当前值或当前状态，这些标题变量记录了 !"#$<%!& 系统当前工作环境。如 !"#$%!& 的版本号、绘图界限的左下角和右上角、当前线型、

当前颜色等。

=3 表（>9?@*A）段

表示图形中使用的非实体的符号表的定义。这类符号表常用的有视窗表（BCDE>）、

线型表（0>FC.）、图层表（0!F.E）、字体表（)>F0.）、视图表（B1.G）、用户坐标系表

（H%)）、尺寸标注样式表（&1I)>F0.）和应用程序标识表（!CC1&）。表的顺序可以改变，

但是有引用关系的表应按引用顺序表示。

J3 块（K@$+LA）段

记录图中使用的所有块的详细定义信息。其中包括用户定义的块、从外部插入的块

以及通过区域填充、尺寸标注等项操作所产生的无名块定义。关于块中所用的实体的定

义方法与实体段的定义方法相同。

M3 实体（.-#,#,*A）段

记录图形中所有实体的详细定义信息。包括实体名称、所在图层的名称、线型名、

颜色号、基面高度、厚度以及有关的几何数据。如果某些特征取默认值（如线型、颜色、

线宽等）则可以省略。

思考题与习题

N3 简述 %!&O%!I 系统的基本组成。

23 选择 %!&O%!I 系统硬件时主要考虑的性能指标有哪些？

73%!&O%!I 系统中的输入O输出设备主要有哪些？各有何特点？

=3%!&O%!I 系统中的软件主要分几类？各起什么作用？

J3 简述开发 %!& 软件产品的一般流程。

M3 定制和采用计算机图形软件标准有何意义？

P7

第二章 皮革制品 %!&O%!I 系统软硬件技术基础

!" #$% 已经批准的计算机图形软件标准有哪些？

&" 简述 ’($ 标准的功能和特点。

)"’($ 提供的图形处理功能有哪些？

&*

皮革制品 +,-.+,/

第三章 !"#!!"$ 系统中的交互技术与用户接口

多数计算机的应用过程都可抽象为输入、处理、输出三个逻辑部分，而 "#$!"#%中，这个过程不是单向的一个周期，却是输入、处理、输出，再输入、再处理、再输

出⋯⋯这样的反复过程。具体而言，技术人员将设计构思输入系统，系统对构思加以描

述、整理输出给技术人员；技术人员进行修改、补充后再输入计算机，系统再进行分析、

判断，将结果输出；如此循环往复，直到设计满意为止，这就是所谓人机交互设计的

过程。

显然，实现人机交互设计需要交互式绘图系统的支撑环境。这就要求人和计算机之

间具有一个高效的人机通信系统，或称人机交互系统。一个高效的人机通讯环境可以提

高用户使用计算机的效率，它要求 "#$!"#% 应用软件除具备基本功能外，还需提供良好

的人机界面和交互手段。因此，在目前的 "#$!"#% 应用软件的开发中，人们越来越重视

人机交互技术的研究与开发。本章重点介绍 "#$!"#% 系统中的交互技术与用户接口技术

等内容。

第一节 交互任务和交互技术

在交互处理过程中的交互序列可分解为一系列的基本任务。交互式应用程序中的每

一种交互任务都有一些应用上的要求，如定位，要求屏幕光标动态连续地表示出定位过

程，而定位技术则是指这种定位过程中提供的反馈类型。因此，交互技术是完成交互任

务的手段，而交互技术的实现在很大程度上依赖于设备及其支撑环境。

一、交 互 任 务

基本交互任务归纳起来主要有定位、选择、文本、定量、定向、定路径等六项。

（一）定位

定位任务是用来给应用程序指定位置坐标（ !， "）或（ !， "， #）。定位任务的完成

有两种情况，一种是移动屏幕上的光标到满意的位置后确定；另一种是用键盘键入一个

点的位置坐标。前者用户希望反馈显示在屏幕的具体位置上，后者则需要用户知道一个

点准确的坐标值。

（二）选择

选择任务是要从一个确定选择集中挑选一个元素，典型的选择集有命令、操作数、

属性组和目标对象等。选择集有固定选择集和可变选择集两种。命令、属性及对象类型

等选择集一般是固定的，而对象调用选择集通常是可变的。

完成选择任务可通过指名方式和指定位置等方式进行。如键入选项命令全称或助记

符形式执行命令，指定位置实现选择如通过鼠标移动光标选取选项。

&’

（三）输入文本

输入文本任务即输入一个字符串，应用程序对输入的字串不赋于任何特殊意义。输

入一个命令名或菜单项并不是文本输入任务，但是如输入一个图形的数据，向文字处理

器输入文字和数字等都是文本输入任务。键盘是文本任务的主要工具。

（四）定量

在交互过程中，常常需要输入某一范围的数值或数字。定量交互任务是要在最大和

最小数值之间确定一个值。最基本的方法是直接键入数值，用户也可以用光标移动屏幕

上的标度盘或刻度尺的指针获得数值。

（五）定向

定向是在指定的坐标系中确定形体的方向，需要由应用程序来确定其反馈类型、自

由度和精度。

（六）定路径

定路径任务是一系列定位和定向任务的结合，它与时间、空间有关。

二、交 互 技 术

针对以上的交互任务，产生了相应的交互技术。作为设计应用系统用户接口的主要

部分，交互技术应尽量满足以下五个方面的要求：!舒适性：尽量减少用户负担，辅助

用户愉快地完成工作任务；"自释性：能明确告诉用户系统的要求及应用范围，提供简

单易懂的用户指南及必要的帮助信息，告知用户任意时刻系统的状态；#可控性：人机

对话应在用户可以控制的范围以内；$容错性：在用户输入错误信息时，系统应能指出

错误并帮助改错，这是系统稳定运行的一个重要条件；%柔性：用户能够根据个人习惯、

专业特长等对系统进行不同的设置，如界面色彩、度量单位等。

（一）定位技术

定位技术用来为应用程序指定一个坐标。首先要明确定位坐标系问题，是用户坐标

系还是设备坐标系；其次还要明确定位自由度，是矢量上定点还是平面上定点、还是三

维空间定点。最后，要选择合适的定位技术和辅助定位方法。常采用网格、辅助线、导

航等技术，以帮助提高定位精度，减少定位误差，这是实现精确定位的技术。

定位技术主要有三种：!用图形输入板、数字化仪或鼠标控制光标定位；"用键盘

输入定位坐标值；#用定向键控制光标定位。

通常采用辅助定位方法主要有：!网格化：即拉动光标定位在按规律划分的附加坐

标网格点上；"捕捉：使光标捕捉定点（如交点、中点、圆心点、象限点等）；#辅助

线：利用辅助线找到要定位的点；$导航：通过与相关实体的导航约束确定定位点；%牵

引：由已知实体特征点的正交牵引线导出定位点。

（二）选择技术

选择技术需要确定可选择集的大小及选择值，典型的选择集有命令选择、操作数选

择、属性组选择和目标对象选择等。选择集可以是固定的，也可以是变长的。固定选择

集表示命令、属性及对象类型选择集合的特性，可变选择集则表示对象调用选择集合的

特性。选择要求有拾取设备，如光笔或任何可以模拟拾取设备的定位设备。

选择技术有以下几种方式：!用鼠标等定位设备控制光标移动选择；"键入选项命

!"

皮革制品 #$%&#$’

令全称、命令缩写选择；!用功能键或热键作选择；"用语音识别选择和笔划识别选择。

（三）文本技术

文本技术需要确定字符串的内容和长度。实现文本的技术主要有：键盘输入字符、

菜单选择字符、单行或多行文本窗口输入字符、语音识别或笔画识别等。

（四）定量技术

定量技术在交互过程中是必不可少的，要求用户输入各种参数和数据，如大小、长

度、角度等，完成这种任务需要确定精度（单位）。也有通过选择定位转换出所需量的技

术，如尺寸标注中，用户选取一段圆弧，系统自动标注出圆弧半径尺寸。

定量输入设备可以是键盘、旋钮等，也可以是各种指点设备，如鼠标、数字化仪等。

定量技术也有两种：#直接键入数值，这是一种最基本的方法；$通过在屏幕上显示标

尺、刻度尺、拉杆或按钮等模拟的方法输入定值，这种方法比较直观。

（五）定向技术

定向即是在一个坐标系中为图形确定一个方向。此时需要确定坐标系及其维数（旋

转自由度）、定义旋转中心及旋转角度，还要考虑视觉效果等问题。另外也可通过某些图

形软件（如 !"#$%!&）提供的动态热键旋转方式进行定向。

（六）定路径技术

定路径技术是在一定的时间或一定的空间内，确定一系列的定位点和方向角。它可

以由定位和定向这两个更基本的交互任务组成，定路径时要考虑现实世界中的时间因素。

此时用户关心的不是某一点或方向，而是一系列的定位点和方向值及其次序。产生路径

的技术与定位和定向一致。

三、交互控制任务及技术

（一）交互控制任务

交互控制任务大致可分为四类：

（’）变形：用户可改变物体的一个特殊点的属性（如位置），而物体的其他属性保持

不变。如改变线段的一个端点、多边形的一个顶点、圆的半径或圆心等。

（(）草图、徒手画：用户可以像使用铅笔或画笔一样，用游标画出任意形状的图形。

（)）移动、拖动：用以改变形体在观察空间中的位置。

（*）光滑外形：用户可按指定的要求和参数，改变一个形体的外部形状，如平滑一

条曲线，光滑一张曲面等。

（二）交互控制技术

常用的交互控制技术有以下四种：

（’）橡皮筋技术：橡皮筋技术主要针对变形类图形的要求，动态地、连续地表现变

形过程，像随意拉动橡皮筋一样，使用户在这个交互过程中找到最满意的变形状态。常

用的有橡皮筋线、橡皮筋圆、橡皮筋多边形、橡皮筋棱锥等。如在 !"#$%!& 软件中的

+,-.，!/%，%,/%+. 等命令中，都采用了橡皮筋技术。

（(）草图技术：草图技术又称为徒手画技术，它支持用户类似于在图板上画草图那

种徒手绘图方式，可以实现用户任意画图的要求。草图技术的实现分为基于时间和基于

距离采样取点两种方式，它用折线或拟合曲线将点连接起来，生成图形。如果是用粗笔

’*

第三章 %!&0%!1 系统中的交互技术与用户接口

画，则可以用区域填色技术跟踪笔画走过的区域。

（!）拖动技术：将形体在空间的移动过程动态地、连续地表示出来，使用户能实时

观察到形体的位置，便于将其放置到目标位置。拖动技术常用于演示部件拼装定位过程、

进行动画轨迹模拟等。如 "#$%&"’ 软件中的 ()**+*，*+,",-，(+.- 等命令都采用了拖

动技术。

（/）定位技术：这是实现精确定位的技术。常采用绘图网格、吸附、栅格捕捉、辅

助线、正交方式等技术来帮助提高定位精度，减少定位误差。

第二节 用 户 接 口

在计算机辅助设计过程中，交互处理是必不可少的部分。一个 &"’ 系统必须使用户

能动态地输入坐标位置、指定选择功能、设置变换参数等，即需要有一个用户接口。早

期的用户接口与应用程序相互渗透、嵌套，融为一体，因而严重地依赖于应用程序。自

01 世纪 21 年代初开始，人们把用户接口从应用程序中独立出来，提出了用户接口管理系

统（3)(4，3567 )8$679:;6 (:8:<6=68$ 4>5$6=）的新概念，并逐渐形成了相应的学科。良好

的用户接口可以大大缩短人们与计算机之间的距离，使得计算机易学、易理解，方便了

用户，也提高了工作效率。

一、用户接口的常用形式

常用的面向应用程序的用户接口形式有三种，即子程序包、专用语言和交互命令。

（一）子程序包

子程序包的基本思想是选择一种合适的高级程序设计语言（如 & ? ? 、@:A: 等）作为

主语言，用此主语言扩展一系列的过程或函数调用，用以实现有关的设计分析和图形处

理。在此情况下，应用程序包括两部分：其一是主语言语句，其二是扩展的过程或函数

调用语句。这类子程序包常用的有 )4+ 公布的图形核心系统 BC4、BC4!!’、程序员层次交

互式图形系统 DE)B4、DE)B4 ? 、美国 4B) 公司推出的图形程序库 BF、+G68BF 等。这类子

程序包通常提供多种主语言的联编形式，其功能包括六个方面：基本图素生成、坐标变

换、设置图形属性和显示方式、输入H输出、真实图形处理、用户界面设计。

用户使用子程序包的过程分为以下几个步骤：

（I）编写源程序（含主语言语句和图形子过程或子函数的调用语句）；

（0）编译源程序，产生相应程序的目标代码；

（!）装配连接图形程序库和系统库，产生相应程序的可执行代码；

（/）运行可执行代码并判断结果的正误，若有错，进一步修改源程序后继续编译并

依次执行后面各步的操作；若无错，输出执行结果，结束。

子程序包的接口形式使用方便，易于扩充、便于用户将自己编写的源程序或目标代

码加入相应的子程序包中，并且可充分利用高级程序设计语言本身具有的功能，实现用

户希望产生的图形和交互处理。但需要用户对每一个作业编写较长的源程序，且修改程

序时比较麻烦。

0/

皮革制品 &"’H&"(

（二）专用语言

专用语言的功能与子程序包的功能类似，但其使用形式与子程序包大不一样。常见

的使用形式有解释执行，即扫描专用语言的每一条语句，解释并执行；另一种形式是用

户写的专用语言语句（一段应用程序），经编译、装配连接后生成可执行代码，这种情况

类似于用高级语言编写的程序。

（三）交互命令

人与计算机运行的程序之间相互传递信息的过程称为交互，子程序包中每个子程序

的功能以及专用语言中的有关语句都可以按照命令方式提供给用户使用。交互命令就是

基于某种模型，实现用户所需要的输入、选择、拾取、删除、增加、修改等操作。

交互命令是用户接口中应用最普遍、效率最高的一种形式，随着交互设备和交互技

术的不断发展，人们对计算机提出的“所见即所得”的要求已经实现。交互命令的设计

与实现涉及到交互设备、交互任务、交互技术以及控制方式等的综合处理。

二、用户接口的设计原则

用户接口确定用户与计算机如何进行信息交换。设计一个友好的图形用户接口应遵

循三个主要的设计原则：!易于接受，用户能迅速掌握系统的特点；"易于操作和使用，

通过用户接口用户能够以最简单的方式提出应用要求，使用系统的全部功能；#高效率、

高可靠性和实用性，并尽可能减少错误。

本着上述三条基本原则，在进行图形系统用户接口设计时应着重考虑如下几个方面。

（一）适应不同熟练程度的用户

在交互式图形系统中，用户接口应提供多种软件操作方法给不同熟练程度的用户。

例如要求系统执行一个绘图命令，由于新用户一般对菜单及有大量提示信息的对话类型

比较敏感，就可以用鼠标选择下拉式菜单、弹出式菜单来实现；然而对于有经验的熟练

用户则可以使用功能键、热键或键盘命令来实现。

另外，系统帮助功能要分成几个层次来设计，使得初学者可以获得较为详细的帮助

信息，但对有经验的用户则要减少或去掉某些帮助信息。

（二）保持一致性

一致性原则是指在设计系统时，遵循一致、简单的规则，将各个环节的交互功能设

计成统一的概念模式和语义，使系统以相同的命令语法和操作步骤工作，显示同样的屏

幕状态格式。这种一致性不仅体现在系统内部，如图符含义、菜单项位置、功能键定义、

控制键定义、鼠标按钮定义等在系统内部要前后保持一致；还应包括系统之间的一致性，

即应用软件不同子系统间类似或相同的操作要保持一致。

一致性的优点在于用户能将系统的一个方面的知识能推广到其他方面。也就是说，

只要用户掌握了一个方面或一个模块的交互要求，就能举一反三，推广到系统的其他方面

或模块，这样就可以减少用户对操作命令的记忆量，从而提高用户对不同的操作功能的识

别能力，减少差错。实现一致性设计最好的方法是对整个系统采用自顶向下的设计方法。

（三）具有良好的容错及改错能力

用户在使用系统的过程中难免会出错，好的用户接口设计应尽量消除用户在这一方

面的疑虑，系统内部应设计完整性、合理性约束，具有较好的容错性和改错能力。为此，

!"

第三章 #$%&#$’ 系统中的交互技术与用户接口

可以采用如回退（!"#$）机制、取消机制、确认机制、设计好的诊断程序、提供出错消

息、对可能导致错误的一些动作进行预测、约束机制、动作与对象相一致等方法，避免

用户因误操作而造成损失。系统对于用户输入的错误命令及其他类型的误操作要有适当

的容错处理，不能因用户输入了错误的信息而造成系统的崩溃。

（四）提供反馈

反馈是交互界面的基本组成部分，它可以动态地显示系统运行中所发生的变化，可

以使用户更有效地进行交互作用。在交互系统中，反馈可能有三级，它与用户界面的三

级（语义、句法和词法）相对应。其中词法级反馈用以说明用户输入了什么；句法级反

馈用以反应用户有何要求；语义级反馈是给出某种指示，告诉用户系统做得怎么样。设

计者必须有意识地考虑每一级，并明确地决定是否应当提供反馈，如果提供，应当取何

种形式。

常用的反馈形式有如下几种：!给出声音信号，如以音乐、鸣叫等声音表示成功、

警告等；"目标对象或菜单项高亮度显示、阴影凹凸显示或者变色、闪烁等；#直接显

示命令或菜单项执行结果。如根据用户具体的输入显示输入字符、将光标移动中的坐标

值动态地显示在状态栏中、图形旋转角度智能提示等；$在信息区显示状态文本；%当

计算机处于某一进程的执行状态中时，在屏幕上改变光标指示器图符，如沙漏的形式，

或用动态标尺或刻度盘等显示任务进程的百分比。

（五）提供联机帮助功能

为用户提供联机帮助（%"&&’"( )(*+）措施，在用户操作过程中的任何时刻能提供帮

助。联机帮助功能应具有以下特点：!内容完整，做到有求必应，应尽可能满足用户的

所有要求；"针对性强，不同用户有不同要求，应对不同的用户提供不同的帮助信息；

#简便高效，使用户可以方便、高效地找到帮助主题，如用超媒体结构构建帮助系统；

$具有智能性，帮助系统应能够猜测到用户的困难，使用诸如向导的方式帮助用户解决

问题；%具有实时性，应能为用户在不同操作中主动提供相关主题帮助信息。

（六）减少用户记忆量

交互式 ,-. 系统要使设计达到高质、高效，就应尽可能地避免出错，减少用户记忆

量是交互系统中界面设计的一个极为重要的设计原则。它可以使操作人员全身心地投入

到工作中，发挥系统的最大效率。常采取的措施有：合理设计菜单结构，使菜单的功能

命令包容面为百分之百；增加中文提示；设置在线帮助和手册；统一交互模式和操作方

式等方面。一致性是实现这种要求的方法之一。需要注意的是，这里指的是减少记忆，

要用好一种系统，对一些基本命令必须记忆，否则就不能高效地工作。

第三节 用户界面的设计

用户界面是人机交互的重要部分，也是向用户展示 ,-. 软件全貌的一个重要窗口。

它不能简单地被理解成是人操作计算机时所面对的屏幕显示形式，它隐含着人机交互的

状态、表达形式、操作方法等一系列内容。

现在，软件工具和用户界面管理系统为用户界面设计者提供了快速开发与修改界面

的手段，从而有效地减少了用户界面开发的时间和费用。

//

皮革制品 ,-.0,-1

一、用户界面类型

用户界面主要有四种类型：所见即所得、直接操作、图标和对话。

（一）所见即所得型（!"#$ %&’ ()) *( +"#$ %&’ ,)$）这是一种屏幕上的显示与最终输出的结果一致的界面类型，它是交互图形处理的基

本要求。大部分交互式图形应用程序都具有一些所见即所得模块，如许多文本编辑器就

具有所见即所得界面，用户可实时控制、编辑文本字体、字号，并可实时观察到实际结

果，如以黑体字符显示的字符打印出来也是黑体字符。而在非所见即所得的编辑器中，

用户看到的是文本的控制代码。

（二）直接操作型

这是一种操作动作与操作目的完全吻合的用户界面类型。如在 !"#$%&’ 环境下，用鼠

标将要删除的文件直接拖入垃圾箱或将某些应用程序图标直接移动到另一程序组窗口。

这种情况下，功能命令已不是由通常的菜单选择或键盘输入来执行的，而是隐含在对直

观表示符的操作中，其中表示符可能是文字，更一般的是图形。这种界面易学、易掌握，

且直观、有趣、不乏味，易为广大用户所接受。但对于具有较复杂含义、不便于用某个

平面动作直观表示的功能命令则无法采用这种形式。因此，它常与其他界面形式一起

出现。

（三）图标型（-.&/）

这是一种用图标代替文字或数值的界面类型。图标可以分为两类，一类是应用图标

（())*"+,-"%# .+%#’），用来代表具体的对象；另一类是控制图标（/%#-0%* .+%#’），代表旋转、

放大、比例、裁剪和粘贴等对对象的操作和控制。使用图标可表示一个对象、一个动作、

一个属性或者是其他概念的形式表示。图标型界面有许多优点，直观、便于理解、操作

方便。将状态设置为图标形象，操作也方便，这是目前最为流行的界面类型。

图标的选用需从三个方面来考虑：!便于识别：要使用户能迅速而准确地识别出图标的

含义；"便于记忆：需要考虑如何让用户更多、更好地记住每一个图标的含义；#便于区

别：图标之间要有显著的区分特征。比如，命令图标用现实世界中能完成同样功能的物

体来表示，这样剪刀可被用于表示剪切，放大镜可用于表示比例变换。

（四）对话型

前面的三种界面都是“内蕴图形”方式。因为在交互操作中，我们的注意力集中在

面向图形的交互作用上。对话不是“内蕴图形”形式，但它们也可用于图形应用程序。

这里共有四种对话形式：菜单对话、命令语言、自然语言对话和问答对话。

12 菜单对话

这是一种将功能命令按分类组织并列于屏幕之上，由用户选择的界面类型。用户不

必事先记住所有功能命令，只要找到菜单结构中相应的命令，点取就可执行操作。菜单

对话界面的基本好处是可以边使用边记忆，减轻用户记忆负担，操作效率高，广泛应用

于图形和非图形应用程序中。但当菜单层次过多的情况下，命令索取的效率要大大降低。

32 命令语言

命令语言是通过键盘输入指令控制系统工作的界面类型。使用命令语言与计算机交

互作用是一种传统的方法。这种交互技术可容纳较大的选择集，便于扩充（仅增加其他

45

第三章 /(67/(8 系统中的交互技术与用户接口

指令）。有经验的用户使用起来很快，可免除查找菜单结构的时间。但初学者需要记忆大

量的命令，不易掌握，且易于出错。

!" 自然语言

它是一种用自然语言与计算机对话的界面类型。它被人们认为是交互系统的最理想

的目标。用户只需要将要做的操作口述出来，计算机通过识别就能进行相应的操作。但

是，现有的大词汇量的语言识别器需为识别一个特定用户的声音而进行专门的训练，并

且经常出错，必须进行适当纠正。再者，因为自然语言不能限制应用程序指令集，且可

能模糊不清，因此使用自然语言界面的用户总是提出难以实现的意见。目前，已开发出

自然语音控制 #$%&’() 工作的系统，但仅限于 #$%&’() 格式化的工作命令语音，还不能识

别人们日常的自然语音。

*" 问答对话

它是伴随程序执行进程而设定的人机对话应答的界面类型。通常是系统执行到某一

阶段时在屏幕上提示需要用户干预、决策的信息项目，等待用户响应；用户可以用键盘

输入任何答案，一旦符合系统内置的答案，系统继续运行。如果希望的答案不多，问题

中可列出可能的答案，菜单选择也可替代键盘作为一种响应方式。这种对话形式存在的

不足，是不能返回到前几步去修改答案。

上述类型界面互相之间并不排斥，在实际系统中常常采用几种类型的组合，针对不

同的环境、不同的需要而设置不同的界面。如 #$%&’() 的菜单有图标式、文本式，结合起

来使用，互相取长补短；+,-’.+/、0!/1+2 的界面既有菜单选择，又有命令键入。

二、用户界面的设计方法

用户界面涉及到屏幕布局、用户模型、字型选用、颜色选择、菜单设置等多方面内

容，应注意建立和维护数据表示与显示的一致性。

（一）屏幕布局

针对显示屏幕的大小、格式和分辨率，合理、充分地利用屏幕，将屏幕作适当划分，

以便于不同的显示用途。在 .+/3.+4 系统中，屏幕一般应包括图形工作区、菜单区、命

令提示及反馈信息区等三个区域。根据这些区域在屏幕上的位置，布局可划分为对称型

和非对称型，如图 !!5 所示。以它们的位置及窗口大小是否可变，又区分为固定式、活动

式或混合式三种。

图 !!5 常用的屏幕划分形式

6*

皮革制品 .+/3.+4

固定式屏幕布置的优点是信息的位置固定，用户在系统使用过程中易于形成固定模

式，一旦用户掌握了系统的使用方法以后，人机之间就易于形成良好的配合，从而提高

系统的使用效率。其缺点是由于每个区域都要按最大信息容量来设计显示面积，这就使

得屏幕的总面积常常不够用。因此，在设计固定式屏幕布局时，要尽可能节约每个区域

的面积，努力使工作区面积为最大。

活动式屏幕布置是指表示某一功能的内容的显示位置是不定的，它可以根据需要显

示在屏幕的任意位置，并且这些区域有时可以互相重叠，有时可以临时挂起，当某一部

分需要增大显示面积时，可以临时将这一区域放大。活动式屏幕布置具有较大的灵活性，

它克服了固定式屏幕中显示面积紧张的缺点，使屏幕面积得到了最充分的利用，其缺点

是操作相对复杂，频繁的移动与变换容易影响使用效率。

混合式屏幕布置是将固定式和活动式同时应用在一个系统中。一般是将使用最频繁

的区域设计成固定式，而将使用不太频繁的区域设计成活动式，也有的系统是在固定式

的基础上再增加一些新的表现方式，如下拉式菜单、弹出式对话框等。

（二）用户模型

用户在使用计算机时，总希望使用自己熟悉的，符合专业规范的，甚至是符合原有

习惯的工作方式来操作计算机。这就要求在设计交互系统中面对用户一方的过程时，必

须从所要解决的专业问题出发，充分考虑该专业用户解决该类专业问题的过程，概念方

式和习惯，避免将计算机内部描述设计对象的方式、数据结构、计算方法等直接展现给

用户。解决这一问题的关键就是建立用户模型。

用户模型的概念是把计算机模型分成两部分，一部分面向用户，另—部分面向计算

机。基本要求是：从用户角度，要求模型尽量接近现实，非形式化。而对计算机，则要

模型具有严格的形式化描述。例如，用户在进行图形缩放时，应让用户输入的是缩放比

例大小，而不是图形变换矩阵。此外，用户模型的设计还应使用户输入尽可能简单、方

便，使用户操作减少到最低程度，凡是能通过计算或派生的数据应尽量让计算机去计算。

（三）字型选用

无论是菜单还是系统运行中的显示信息，都会涉及到字型的选用，若字型选用得当

可以给屏幕带来和谐生动效果，实践中一般有如下经验：!在字型选择上，无论是英文

还是中文都可以利用字体的不同，建立起一种层次关系。如标题采用区别于文本的字体，

以达到清晰、简单、醒目的效果；"字符间距、行距尽量保持一致，每行长度适当，两

端留有余地。给人以整齐划一、有规则的感觉；#屏幕、图形符号、光标、文本等都应

留有页边空白，洒脱、清新、不拘谨。

（四）颜色灰度选择

用不同颜色和灰度来标志信息、设置背景、分离不同形体，这对于用户在操作过程

中集中注意力、减少错误是非常有效的，同时对操作者的情绪、心情等均会产生影响。

实践经验表明对颜色、灰度的选择应从以下几个方面考虑：!颜色的配置要尽量设计成

可调颜色，可由用户选用，避免以个人对颜色的好恶决定界面颜色的配置；"屏幕色彩

总体效果应采用偏冷色调的颜色，对于稳定操作者心绪有利；#为减轻视觉疲劳，应在

视野范围内保持均匀的色彩的明亮度；$色彩搭配要协调，应尽量选择黄色、绿色、蓝

绿色和淡青色等不容易引起视觉疲劳的颜色；%避免同时使用光谱边缘上的颜色作背景

!"

第三章 #$%&#$’ 系统中的交互技术与用户接口

和前景色，因为会使显示难以分辨；!字符、细线、小物体避免用蓝色，蓝色产生收缩

视觉，易被人忽略；"采用同种颜色、不同灰度的搭配常常产生意外的好效果。

（五）菜单设置

菜单是一组功能、对象、数据或其他用户可选择实体的列表，是目前 !"#$!"% 系统

最常用的交互功能方法。菜单项的表示既可以是文字，也可以是图形。菜单设计时，通

常要考虑菜单的类型、结构、形状等因素。

&’ 菜单类型

在菜单分类中，按菜单项在屏幕上的出现形式可分为静态的固定式菜单和动态菜单。

静态的固定菜单始终显示在屏幕的某一固定位置，通常位于用户界面的最上方。动态菜

单只有在需要的时候才打开，有利于节省屏幕空间。常用的动态菜单有：#拉出式菜单：

用户从上级菜单的边缘拉出一个个菜单，包括上拉、下拉、左拉、右拉菜单；$弹出式

菜单：在无菜单的区域，通过某种操作而从无到有地弹出一个菜单；%翻页式菜单：主、

子菜单完全覆盖，按层次或顺序分页，当打开一层菜单时就以最新的菜单覆盖旧的菜单；

&增大式菜单：通过拾取上级小菜单延展出增大的下级菜单。

另外，按菜单项的描述形式也可将菜单分为文字式菜单和图标式菜单，通常可以将

两者结合起来使用。

(’ 菜单结构

一个系统的功能命令很多，这就决定了菜单界面中菜单项的数目，安排次序很重要。

可以按字母顺序安排，也可以按功能分组安排，实践表明按功能分组安排最有助于选择

应用。一般按功能大类划分第一级菜单，称为主菜单；每一个主菜单项又由若干二级菜

单项组成，称为子菜单；如果需要，子菜单项还可由三级菜单项组成，但最好层次不要

太多，以小于等于四级为宜。另外，系统中的菜单结构和使用方式在各个模块应保持一

致，每级菜单的回退和跳转应尽量灵活，避免不按级退回主菜单就无法选择其他菜单的

现象。

)’ 菜单形状

菜单一般多为矩形，文本菜单呈扁矩形，图标菜单呈正方形，也有一些软件采用类

似按钮样的圆形图标菜单。

*’ 菜单选择

菜单的选择多用鼠标这种指点式输入设备来完成。就文本菜单而言，还应设置相应

热键操作方式。用户每选择一项菜单时，计算机都应对被选中的菜单项有醒目的回显，

回显的方式可以是高亮、变色、变形、加边框等。

第四节 交互式图形系统

一、交互式图形系统及其组成

严格地讲，一个交互式图形系统应由硬件、软件和用户三部分组成，如图 )’( 所示。

软件部分包括操作系统、图形数据结构或几何模型、支撑软件和应用软件。硬件部分则

由输入子系统、主机和输出子系统构成。用户通过硬件设备和软件系统进行交互，从而

+*

皮革制品 !"#$!"%

完成图形的生成和处理操作。

图 !!" 交互式图形系统的组成

二、交互式图形系统的功能

一个交互式图形系统一般应具有下列功能。

（一）基本图形功能

基本图形功能是指在屏幕上置点，画直（折）线、圆（弧）、椭圆（弧）、曲线、写

字符串，以及线型颜色控制和区域填充等功能。

（二）图形变换功能

这类功能包括图形的拷贝、缩放、比例、平移、旋转、阵列和对称以及对三维图形

的投影、透视等功能。用户可以用这些功能来生成较复杂的图形。

（三）图形编辑功能

图形编辑功能是指对图形进行的修改、删除、添加及清除屏幕等功能。

（四）图形的存储与输入#输出功能

图形生成以后，应当可以按各种方式加以存储。交互式图形系统应当对各种输入#输出设备提供相应的驱动程序以支持这些设备。

（五）图形文件管理功能

交互式图形系统应当具有图形文件的打开、写入、读出、关闭、删除、登记和增加

等功能。这样既可提高图形处理的效率，又提供了和其他应用程序交换数据的可能性。

对于简单的或是专用的图形系统，可以自行从最低层进行开发，实现上述功能；对

于复杂的并且通用的图形系统，可以在现有的如 $%&’()*、+,’-./ 等图形库的基础上进行

二次开发。但无论采用什么方案，都要遵循现有的图形软件标准以提高系统的可移植性。

01

第三章 23$#234 系统中的交互技术与用户接口

三、面向对象的程序设计方法

传统的结构化程序设计方法是按功能来分解系统的，系统通常被划分成为若干个功

能模块（函数），这些功能模块之间尽可能地保持相互独立，每一个都有其自己的数据和

逻辑，通过参数在模块间传递信息。因此可以说，结构化的程序设计方法是面向功能的。

在结构化程序设计中，只需要知道一个功能模块可以完成什么特定的任务就足够了。该

任务是如何被执行的并不重要，只要该模块是可靠的，就可以在不知道它是如何正确地

完成其功能的情况下使用它。

面向对象的程序设计（!"#$%&!!’($)&$* +’,-’.//()-）方法是根据构成系统的对象来划

分模块的。也就是说，面向对象的程序是围绕被操作的数据而设计的，而不是围绕操作

本身。面向对象的程序设计把数据结构和操作结合起来，它指定其数据类型的性质和行

为，这就可以确切地知道应对各种数据类型期望什么样的操作。也就是说，在面向对象

的程序设计中，每声明一个数据类型便同时指定针对这种数据类型所能进行的各种操作，

即操作这种数据类型的各种函数，然后将数据类型及其操作函数一起封装起来形成一个

“类（01.22）”。

面向对象的程序是用可以重复使用的软件成分建立起来的。一旦一个类被完成并已

被测试，它就可以被用来作为一个基类来构造程序。如果需要新的功能或修改，新的类

就可以从已有的类派生；基类已被证明是可靠的性能无需再重新开发。程序员只要写新

的代码而不必再写原有的东西，软件变得易于测试和维护，因为程序的错误可以被隔离

在派生类的新代码中。

面向对象的程序设计技术的应用可以有效地提高程序开发效率，并有效地提高计算

机程序的可靠性。这一技术已在交互式图形系统中得到了广泛的应用。随着计算机图形

学的飞速发展，人机图形交互技术也被越来越多地应用于交互式图形系统中，其技术手

段也日益丰富，已成为计算机图形学中的一个重要的组成部分。

图形的交互需要通过图形输入和图形显示设备来实现。从逻辑功能上讲，+3456 和

576 将图形输入设备分为六类，即定位设备、笔画设备、定值设备、选择设备、拾取设

备和字符串设备。只要有适当的软件，大多数输入设备均可实现这六种逻辑功能。因此

对一个图形系统来讲，只需要有几种适当的硬件输入设备，再通过软件来实现所需要的

逻辑功能，就可以进行人机交互绘图了。

思考题与习题

89 常见的交互任务有哪几种？试分析常用的完成交互任务的方法。

:9 常见的交互技术有哪几种？哪一种交互技术最容易实现和应用？

;9 举例说明常见的交互控制任务及技术。

<9 面向应用程序的用户接口形式有哪些？各自的作用是什么？

=9 设计用户接口应遵循哪些原则？

>9 试举例说明用户界面的几种类型。

?9 简述交互式图形系统的组成及功能。

@=

皮革制品 0ABC0AD

第四章 皮革制品 !"#!!"$ 常用的数据结构及数据库系统

用 "#$!"#% 系统进行皮革制品产品方案设计、样板结构设计、工艺图形绘制、技术

文档编制以及加工制造的过程，实质上是利用计算机进行信息处理的过程。数据是计算

机表达信息的主要形式，例如描述一个楦体的信息时，楦底样长、跖围、跗围、兜跟围、

踵心全度等长度、围度和宽度的尺寸信息就构成了一组数据关系。在皮革制品产品设计

以及加工制造的过程中，需要存储、运算、管理大量各种类型的数据，此过程中用户提

供给计算机的并不是简单的、孤立的数值，而是存在着某种关系的批量的数据。因此如

何合理地组织、有效地存储和管理数据，使得 "#$!"#% 的各种程序具有较高的运行效率

和较少的存储空间，就要涉及到数据结构及数据库系统等问题。数据库系统是在文件系

统的基础上发展起来的一门新型数据管理技术。它是一种能够“管理大量的、持久的、

可靠的、共享的数据的工具”，包括数据库和数据库管理系统两大核心部分。

所以，从事皮革制品 "#$!"#% 技术和研究的人员应该具备一定的数据结构及数据库

系统方面的知识。本章着重介绍了数据结构、数据库系统以及工程数据库的基本知识。

第一节 数据处理及数据库概述

一、数据和数据结构

（一）数据

数据是对客观事物的符号表示，客观世界的各种事物都有其固有的特征和性质。我

们研究客观世界，就是了解研究对象的特征和性质。如要了解目前女式凉鞋的流行趋势，

那么我们就需要了解市场上女式凉鞋的款式、色彩、楦型、材质、跟高等基本信息，市

场上的这些信息反映到我们的头脑中就变成了反映目前凉鞋流行趋势的信息。这些信息

有的可以用数字、字符和符号表示出来，如跟高为 &’ ( ’)**；有的则不能用数字、字符

和符号表示出来，如款式“简洁大方”。如果用计算机系统来处理女式凉鞋的流行趋势，

就需要把这些有关流行趋势的信息变成数据输入到计算机中。像“跟高”这样的信息很

容易变成计算机能够识别和处理的数据并被输入到计算机中，而对于款式“简洁大方”

这一条信息，就必须对其进行数据化处理，把这一信息也变成计算机能够识别和处理的

数据。所以，在计算机科学中，数据的含义非常广泛，它是一切描述客观事物并能被计

算机接受和处理的符号的集合。这些符号可以是数字、文字、表格、图形、图像、语音

等等。例如：“)，+)，+,’，-，.， / ， 0 ， 1 ， 2 ”。

（二）数据结构

数据的基本单位是数据元素，数据元素是数据这个集合中相对独立的个体。例如，

内底、沿条、勾心等可以作为底部件的数据元素。数据结构是描述物体数据元素之间关

系的组织形式。例如，仅给定三个点的坐标而不确定它们之间的绘图关系，那么就存在

+’

利用三点画线、画圆或画圆弧等多种可能，此时计算机就很难判断该如何进行绘图，只

有当点的坐标和绘图关系确定后，计算机才能做出正确判断。因此，数据结构表达是否

合理直接影响应用软件的效率。

数据结构包含三个内容：数据的逻辑结构、数据的物理结构和数据的运算。

二、数据的逻辑结构和物理结构

（一）数据的逻辑结构

数据的逻辑结构是指数据元素之间的逻辑关系，是面向问题的，它的结构形式与数

据存储形式无关。通常所说的数据结构一般是指数据的逻辑结构，它可以分为线性结构

和非线性结构两种形式。线性结构的数据关系简单，只是按顺序排列的线性关系，可以

用数表的形式表达，也称为线性表结构。非线性结构的数据关系比较复杂，常用的有树

状结构和网状结构。图 !!" 是皮鞋及其零部件所属关系的数据结构图。

图 !!" 皮鞋的数据结构

（二）数据的物理结构

数据的物理结构是指数据在计算机内部的存储形式，是面向计算机的。计算机处理

信息的最小单位叫做位（#$%），一个位表示一个二进制的数。若干位的组合形成一个位

串，用一个位串表示一个数据元素，称这样的位串为一个结点，结点是数据元素在计算

机中的映像。映像的方法不同，数据元素在计算机中的存储结构也不同。顺序映像得到

顺序的存储结构，非顺序映像得到非顺序的存储结构。所以，常用的数据物理结构有顺

序存储结构和链式存储结构两种形式。

顺序存储结构是用一组连续的存储单元依次存放各数据。这种存储方式占用存储单

元少，简单易行，结构紧凑，但是数据结构缺乏柔性，不适合需要频繁修改、补充、删

除数据的场合中使用。

在链式存储结构中，一个数据元素项由信息字段和指针字段组成，并且根据信息段

逻辑关系的复杂程度分别设置一个或若干个指针，从而建立起数据元素之间的逻辑关系。

链式存储结构根据指针的数目可以分为单向链式结构、双向链式结构、多向链式结构三

种类型。

三、数据项、记录及数据文件

一般情况下，一个对象具有多个属性，而这些属性的值（数字或者符号）就决定了

一个对象。把描述属性的数据称为数据项，把描述一个对象的全部数据项称为记录，由

&’

皮革制品 ()*+(),

若干个记录组成的数据表称为数据文件。

（一）数据项

数据项也称为字段。在现实中，要描述一个客观事物，需要用到该客观事物的各种

属性。如鞋靴设计中要设计鞋跟，鞋跟是我们所要描述的对象，而鞋跟的高度、大掌面、

小掌面、跟口面、后弧面、侧样、材质等都是描述跟体的属性。这些描述对象性质的数

值和字符统称为属性值，数据结构中把描述属性的数据称为数据项，它是构成数据的最

小单位。

（二）记录

数据结构中把描述一个对象的数据项的集合称为记录。记录是组成数据的基本单位，

程序中通常把记录作为一个整体来考虑。例如，设计鞋靴时，可以把鞋靴中的帮部件、

底部件和辅助部件等看作是相对独立的设计单元，这样每一个部件就是一个记录。设计

底部件时，可以把底部件中的每一个零件如外底、内底等看作是相对独立的设计单元，

这样每一个零件就是一个记录。所以，记录本身可简单也可复杂，但它是一个相对的独

立体。

（三）数据文件

若干个记录组成的数据表称为数据文件。

例如，表 !!" 列举了不同款式品种中号皮鞋楦底样长、放余量及后容差等尺寸。从表

中可知："表中的第一行是数据项的名称，第二行至第六行分别对应着男素头、男三接

头、女圆口、女棉鞋、童素头的情况，即所要描述的记录，表中共包含 # 个记录；#记录

中各数据项的取值范围称为数据项的域，款式品种和型号取值为符号型，脚长、底样长、

后容差、放余量和基本放余量取值为数字型；$表中每一列对应于记录的一个数据项，

每个数据项的数据类型是相同的；%表的全部记录组成一个数据文件。所以，可把此表

称为一个中号鞋楦数据文件。

表 !!" 不同款式品种中号皮鞋楦底样长、放余量及后容差 单位：$$

款式品种 鞋 号 脚长 底样长 后容差 放余量 基本放余量

男素头 %#& %#& %’# # %& "#

男三接头 %#& %#& %(& # %# %&

女圆口 %)& %)& %!& !*# "!*# "&

女棉鞋 %)& %)& %!% !*# "’*# "%

童素头 "+& "+& ",% )*# "#*# "%

四、数据库简介

为了迅速高效地处理、存储和管理 -./0-.1 系统中的各类信息，使同一个 -./0-.1系统中的众多用户及应用程序既能共享这些信息资源，又能保证程序与数据的独立性和

完整性，还能避免不必要的数据冗余，就需要采用被认为是 -./0-.1 集成系统中关键技

术之一的数据库技术。数据库技术是计算机科学领域中的一个重要分支，它出现于 %& 世

纪 ’& 年代末期，在 (& 年代得到迅速的发展。数据库技术首先应用在各种企、事业的管理

)#

第四章 皮革制品 -./0-.1 常用的数据结构及数据库系统

工作中，现在已经在 !"#$!"%、人工智能等科技领域内得到广泛地应用。目前公众一般

认为数据库就是按照一定的数据结构形式存储在计算机外存储器内的相互有关的并且被

集中管理的数据集合。

第二节 线性表和树结构

一、线性表的顺序存储结构

（一）线性表的定义

线性表是一种最常用且最简单的数据结构，是 !（ !!&）个数据元素的有限序列

（"’，"(，")，⋯"# ，⋯"! ）。数据元素 "# 可以是一个数、一个符号，也可以是一个线性

表，甚至是更复杂的数据结构。在线性表中，除了第一个数据和最后一个数据之外，每

个数据元素有且仅有一个直接前驱和一个直接后继。

例如，一组楦底样长的数据可以构成一个简单的线性表（(**，(+&，(+*，(,&，(,*，

(-&，(-*），其数据元素是由数字组成的。

表 .!( 所示的是我国不同地区城市成年男子脚长的全距和标准差表，它也可以构成一

个线性表，表中的数据元素是由地区、平均数、最大值、最小值、全距和标准差 + 个数据

项组成的一个记录。

表 !!" 不同地区城市成年男子脚长的全距和标准差 单位：//

地 区 平 均 数 最 大 值 最 小 值 全 距 标 准 差

北 京 (*)0(& )&& ((& -& ’’0(*

上 海 (*’0&+ (-* ((& +* ’&0)*

天 津 (*’0&) (1* ((& ,* ’’0&&

辽 宁 (*(0-+ (-* ((& +* ’&0-*

黑龙江 (*(0&) (-* ((& +* ’&0)*

山 东 (*)0-) (1* ((& ,* ’&0-&

四 川 (.-0’& (-& (’* +* ’&0.*

湖 北 (.10.* (-* ((& +* ’&0.*

广 东 (.,0-( (-& ((& +& ’&0-&

福 建 (.10(+ (-& ((& +& ’&0-&

全 国 (*’0). )&* (’& 1* ’&01’

可见，不同表的数据元素可以是不同的数据结构类型，但同一表中的数据结构类型

必须是相同的。线性表中数据元素的个数定义为线性表的长度。

（二）线性表的顺序存储结构

线性表在计算机内的存储方式可以是顺序的，也可以是非顺序的。

线性表的顺序存储就是用一组连续的存储单元按线性表数据元素的逻辑顺序依次存

.*

皮革制品 !"#$!"%

放表中所有数据元素。在顺序存储结构中，数据元素在介质中的存放地址和该元素的逻

辑顺序一一对应。设每个数据元素占用 ! 个存储单元，第一个数据元素 "! 的存储地址为

"#$（"!），那么第 # 个数据元素的存储地址 "#$（"# ）为

"#$（"# ） % "#$（"!） & （ # ’ !）!

即表中的每个数据元素的存储地址是该元素在表中位置 # 的线性函数，如果知道了第一个

数据元素的地址和每个数据元素所占用存储单元数的大小，就能很方便地求出任一数据

元素的存储地址。可以看出，线性表顺序存储结构具有均匀性和有序性的特点。

（三）线性表顺序存储结构的各种运算

根据线性表顺序存储的特点，线性表可以实现建表、访问、修改、删除和插入的运

算。下面我们以插入和删除为例进行介绍。

!( 插入

线性表的插入操作是指在线性表的第 # 个数据元素 "# （!! #! $）前插入一个新的数

据元素 %，使长度为 $ 的线性表（"!，")，⋯ "# ’ !， "# ，⋯ "$ ）变成长度为 $ & ! 的线性

表（"!，")，⋯"# ’ !，%，"# ，⋯"$）。原表中 "# 及其以后所有数据元素依次后移一个位

置。如图 *!) 在第 # 个数据元素前插入 %。

图 *!) 线性表的插入

设线性表 +,-./012-0 有 3 个数据元素（4，5，6，7，8，9），用 6 语言编写的实现插入

一个数据元素的程序如下：

: ;.<2,. "8= >?@2,（ ）

｛-0@02$ $A@/ +,-./012-0［"8=］ % ｛B4B，B5B，B6B，B7B，B8B，B9B｝；

2,0 2，C；$A@/ $/；D/2,0<（E F , 输入一个新的数据元素：E）；

$/ % G.0$A.（ ）；

D/2,0<（E F , 输入新插入数据元素的位置：E）；

-$@,<（EH;E，I2）；

<#/（C % "8=；C J 2；C ’ ’ ）

+,-./012-0［C ’ !］ % +,-./012-0［C ’ )］；

+,-./012-0［C ’ !］ % $/；<#/（2 % K；2 L >；2 & & ）

D/2,0<（EH$ E，+,-./012-0［2］）；

G.0$A（ ）；

MM

第四章 皮革制品 647N64O 常用的数据结构及数据库系统

｝

!" 删除

删除线性表中的第 !（#! !!"）个数据元素 #! 。删除 #! 后，为保证线性表的均匀性

和有序性，#! 以后的每一个数据元素 #! $ #、 #! $ !、⋯、 #" 均应依次向前移动一个位置，

此时线性表的长度由 " 减为 " % #。如图 &!’ 删除第 ! 个数据元素。

图 &!’ 线性表的删除

删除一个数据元素的程序如下：

( )*+,-* ./0 123,-（ ）

｛4535,6 6738 9*:*5*:,45［./0］ ; ｛<=<，<><，<?<，<9<，</<，<@<｝；

,-5 ,，A；B8,-5+（C D - 要删除第几个元素？C）；

463-+（CE)C，F,）；

+G8（A ; ,；A H ./0；A $ $ ）

9*:*5*:,45［A % #］ ; 9*:*5*:,45［A］；

9*:*5*:,45［A］ ; < D I<；+G8（, ; I；, H 1；, $ $ ）

B8,-5+（CE6C，9*:*5*:,45［,］）；

J*567（ ）；

｝

线性表在顺序存储结构中是均匀有序的。因此，对表内的数据元素的访问和修改快

速而方便。但在删除和插入运算时，需要对数据元素作大量的移动，尤其是当表很长时，

平均移动量就很大，从而增加了运算时间。由于线性表是一个静态表，运行前必须先进

行定义，且定义后大小不能随意改变。因此，对于长度可能发生变化的线性表，软件设

计时，必须按最大的长度分配存储空间，而且表的容量也不能随意扩充，运行时不管该

内存是否使用都要占用内存，浪费内存资源。因此，这种顺序存储结构多用于查找频繁、

很少增删、长度很少变化的场合。如鞋楦设计中常用的脚型规律等标准数据的存储。

二、线性表的链式存储结构

线性表的链式存储结构是用一组任意的存储单元存储线性表的数据元素，简称链表。

它的存储单元可以是连续的，也可以是不连续的。因此，为了表示数据元素 #! 与其直接

后继数据元素 #! $ #之间的逻辑关系，对于 #! 来说，既要存储自身的信息，还要存储一个

KL

皮革制品 ?=9M?=N

指示其直接后继的信息。这两部分信息组成数据元素 !" 的存储映像，称为结点。它包括

两种域：存放数据元素本身的域称为数据域，存储其直接后继的域称为指针域。指针域

中存储的信息称为指针，不连续的链表存储单元可以通过指针来实现线性表中各数据元

素之间的逻辑关系。线性表的链结构与顺序结构相比，有不需要事先知道表的长度以及

增删操作方便等优点，是较为常用的一种数据结构。

链表有单向链表、双向链表和循环链表三种形式。

（一）单向链表

单向链表是链表结构中最简单的一种，其结点的指针域只有一个，通常存放直接后

继结点的地址。单结点的结构如图 !!!（"）所示。

图 !!! 单向链表

（"）结点结构 （#）存储结构示意图

第一个元素的地址需要专门存放在指定的指针型变量中，或者设置一个与链表结点

相同的结点，它的数据域可以是空的，也可以存放表长等附加信息，指针域指向第一个

结点。一般可以设置一个表头指针（$%"&）指向第一个结点。单向链表中的最后一个结点

无后继，其指针域为空，故设置为 ’())，称为空指针（图中用符号!表示）。见图 !!!（#）。

对单向链表可以进行访问、修改、插入或删除运算。下面我们以插入和删除运算为

例进行介绍。

*+ 插入

若在第 " 个数据元素位置后插入一个新的数据元素，首先为这个数据元素申请一个存

储空间，生成一个新结点，然后在新结点的数据域存放数据元素的值，再找到第 " 个结

点。令新结点指针域的指针等于第 " 个结点指针域的指针，第 " 个结点的指针域存放新结

点的地址即可。如图 !!, 所示在第 " - * 位置插入数据元素 #。

图 !!, 单链表的插入

.+ 删除

/,

第四章 皮革制品 0123014 常用的数据结构及数据库系统

若要删除表中的第 ! 个数据元素，先要找到表的第 ! ! " 个结点，将第 ! ! " 个结点指

针域中原指向第 ! 个结点的指针指向第 ! # " 个结点，再释放第 ! 个结点所占用的存储空

间即可，如图 $!% 所示删除第 ! 个位置的元素。

图 $!% 单链表的删除

设线性表为（&，’，(，)，*，+），将其按单向链表存储。下面给出用 ( 语言建立

单向链表以及插入、删除一个数据元素的函数程序清单。

, -./0123 4 562-78 9 :;! 定义结点的数据结构 !;56<1/6 0-.=｛/9>< 2>6>；

56<1/6 0-.= !.3?6；｝!93>2；

;! 函数说明 !;@7-2 /<3>63（@7-2）；

@7-2 -.53<6（/9><，-.6）；

@7-2 230（-.6）；

;! 主函数 !;A>-.（ ）

｛-.6 -；/9>< /；/<3>63（ ）；

-.53<6（BCB，$）；

230（$）；

D<-.6E（F G . H<355 >.I =3I 67 3?-6⋯F）；

J36/9（ ）；

｝

;! 建立一个单向链表 !;@7-2 /<3>63（@7-2）

｛-.6 -，K*L M %；

56<1/6 0-.= !.723，!63AD；

D<-.6E（FN93 .3O 0-.= >5 E7007O： G .F）；

E7<（- M P；- 4 K*L；- # # ）

｛.723 M （56<1/6 0-.= !）A>007/（5-Q37E（56<1/6 0-.=））；

.723 ! : 2>6> M B&B # -；RS

皮革制品 (&);(&T

!"#$%&（’()’，$*+, - . +/%/）；

$*+, - . $,0% 1 2344；

#&（# 1 1 5）6,/+ 1 %,7! 1 $*+,；,89,｛%,7! - . $,0% 1 $*+,；

%,7! 1 $*+,；｝

｝

!"#$%&（’ : $’）；

｝

;! 插入一个新的数据元素 !;<*#+ #$9,"%（)6/" )，#$% #）

｛#$% = 1 >；

9%"?)% 8#$@ !$*+,，!%,7!；

%,7! 1 （9%"?)% 8#$@ !）7/88*)（9#A,*&（9%"?)% 8#$@））；

%,7! - . +/%/ 1 )；#&（# B >）｛%,7! - . $,0% 1 6,/+；

6,/+ 1 %,7!；

｝

,89,｛$*+, 1 6,/+；

C6#8,（$*+, - . $,0%）｛#&（= D D 1 1 #）E",/@；

$*+, 1 $*+, - . $,0%；｝

#&（$*+,！ 1 2344）｛%,7! - . $,0% 1 $*+, - . $,0%；$*+, - . $,0% 1 %,7!；

｝

,89,｛$*+, 1 %,7!；

%,7! - . $,0% 1 2344；

｝

｝

!"#$%&（’F6, #$9,"% ",9?8% /9 &*88*C： : $’）；

%,7! 1 6,/+；

C6#8,（%,7!）｛!"#$%&（’()’，%,7! - . +/%/）；

%,7! 1 %,7! - . $,0%；｝

!"#$%&（’ : $’）；

｝

;! 删除一个结点 !;<*#+ +,8（#$% #）

｛#$% = 1 >；

GH

第四章 皮革制品 IJK;IJL 常用的数据结构及数据库系统

!"#$%" &’() !(*+,，!-.%)；

(*+, / -.%) / 0,.+；

’1（’ / / 2）｛0,.+ / 0,.+ 3 4 (,5"；1#,,（-.%)）；1#,,（(*+,）；

6#’("1（780, +,&,", #,!$&" .! 1*&&*9： : (7）；

90’&,（0,.+）｛6#’("1（7;%7，0,.+ 3 4 +.".）；

0,.+ / 0,.+ 3 4 (,5"；｝

#,"$#(；

｝

90’&,（(*+,）｛’1（ < < = / / ’）

｛-.%) / (*+, 3 4 (,5"；’1（-.%) / / >?@@）｛6#’("1（7 : ( 超出链表范围！7）；

#,"$#(；

｝

(*+, 3 4 (,5" / -.%) 3 4 (,5"；｝

(*+, / (*+, 3 4 (,5"；｝

6#’("1（780, +,&,", #,!$&" .! 1*&&*9： : (7）；

90’&,（0,.+）｛6#’("1（7;%7，0,.+ 3 4 +.".）；

0,.+ / 0,.+ 3 4 (,5"；｝

｝

（二）双向链表

单向链表的结点只有一个存储直接后继的指针域，因此只能顺着指针往后搜寻其他

结点，而无法进行逆向操作，若要查找结点的直接前驱，则必须从表头指针开始。

双向链表是给单向链表的每个结点中均增设一个指针域，存储它的直接前驱的地址，

如图 A!B（.）所示。在双向链表中再增加一个尾指针 #,.# 指向最后一个结点，如图 A!B（-）所示。这样链表就有两条不同方向的链，用前驱链表或后继链表都可以检索整个表。

并且当其中一条链表损坏时，仍可用另一条链表将表重新修复。下面对双向链表的插入

和删除操作作一介绍。

图 A!B 双向链表

（.）结点结构 （-）存储结构示意图

CD

皮革制品 EFGHEFI

!" 插入

若在第 ! 个数据元素后插入一个新的数据元素 "，首先为新元素 " 申请存储空间，得

到一个新结点，新结点的数据域存放该数据元素的值 "。先将结点 ! # ! 的前驱指针 $$%&’指向新结点，新结点的后继指针 ($%&’ 指向结点 ! # !，然后将结点 ! 的后继指针 ($%&’ 指向

新结点，新结点的前驱指针 $$%&’ 指向结点 ! 即可，如图 )!* 所示。

图 )!* 双向链表的插入

+" 删除

若删除第 ! 个数据元素，将结点 ! , ! 的直接后继指针 ($%&’ 指向结点 ! # !，将 ! # !的直接前驱指针 $$%&’ 指向 ! , !，然后释放结点 ! 所占据的存储空间即可，如图 )!- 所示。

图 )!- 双向链表的删除

（三）循环链表

如果将单向链表最后一个结点的指针指向第一个结点，把链表的首尾相接，就构成

单向循环链表，如图 )!!. 所示。把双向链表的首尾相接，也形成双向循环链表，如图 )!!! 所示。循环链表首尾相接，所以查找表中结点比较方便，可以从表中的任何一个结点

开始，顺着链表指针，就一定能找到任何一个结点，而不必像单向链表那样，非要从表

头开始，才能遍历全表。

图 )!!. 单向循环链表存储结构示意图

图 )!!! 双向循环链表存储结构示意图

线性表的链式存储与顺序存储相比较，有以下几个特点：

!/

第四章 皮革制品 0123014 常用的数据结构及数据库系统

（!）不需事先分配存储空间，以免有些空间不能充分利用；

（"）表的容量易于扩充；

（#）按逻辑顺序进行查找的速度慢。但删除或插入运算速度快，因为删除或插入运

算过程中数据并不移动；

（$）比相等长度的顺序存储多占用作为指针域的存储空间。

可见，链式存储很好地弥补了顺序存储的不足，对于事先难以确定容量或增删运算

频繁的线性表，用线性链表存储是比较合理的。

三、树 结 构

（一）树的概念

树是一种重要的非线性数据结构，图 $!!" 表示了树的逻辑结构。树主要用来存放非

线性的具有分支结构的结点。结点之间有着明显的层次关系，所以也称为层次结构。

图 $!!" 树的逻辑结构

树是由一个结点或多个结点组成的有限

集合 !，其中有一个没有前驱的特殊结点称

为根结点，其余结点又可分为 "（ "!%）个

互不相交的有限集合 !!，!"，⋯ !"，这些集

合中的任一个本身又是一棵树，称为原树的

子树。显然树的定义是递归的，所以树是一

种递归数据结构。

在树结构中，一个结点具有的子树数目

称为该结点的度。度为零的结点称为叶子结

点或终端结点，度不为零的结点称为分支结

点或非终端结点。树内各结点的度的最大值称为树的度。结点的直接前驱称为该结点的

双亲，结点的直接后继称为该结点的孩子，同一双亲的孩子间称为兄弟。结点的层次从

根开始定义，根为第一层，根的孩子为第二层，⋯⋯树中结点的最大层次称为树的深度

或高度。% 个或多个不相交的树的集合称为森林。

由于树中的任一个结点具有多个孩子结点，故采用多重链表结构表示，即每一个结

点除了数据域之外，还设有多个指针域，分别存储各个孩子结点的地址。每个结点中的

指针域数目取决于该结点的度数，而一般树结点中每个结点的度数是不相同的，这就使

得同一棵树中各结点的指针域数目也不同。所以，这样定义结点和构造一棵一般形态的

树，会给存储分配带来困难，同时也不便于增删运算。为了统一存储格式，常采用定长

结点的链表结构，这时每个结点的指针域数目取为树结点的最大度数。但这样就强制增

加了存储量，造成存储空间浪费。所以在树结构中通常采用二叉树的结构。

（二）二叉树

二叉树是一种很重要的树结构。它的每一个结点最多只有两棵子树，子树有左、右

之分，不能颠倒。

图 $!!# 为二叉树的五种基本形态：（&）为空二叉树，（’）为只有一个根结点的二叉

树，（(）为只有左子树的二叉树，（)）为只有右子树的二叉树，（*）为完全二叉树。

二叉树与一般树的区别在于：

"+

皮革制品 ,-./,-0

图 !!"# 二叉树的五种基本形态

（"）二叉树可以为空，一般树至少有一个根结点；

（$）二叉树的子树有左、右之分，且不能颠倒，一般树的子树不区分其次序；

（#）二叉树的度数不能超过 $，一般树的每一个结点则可以有任意个子树。

完全二叉树和满二叉树，是两种特殊的二叉树。一棵深度为 ! 且有 $!!" 个结点的二

叉树称为满二叉树。所有结点的度数或者为 %，或者为 $ 的二叉树称为完全二叉树。满二

叉树和完全二叉树如图 !!"! 所示。

图 !!"! 特殊的二叉树

（&）满二叉树 （’）完全二叉树

图 !!"( 所示为二叉树的逻辑结构和链式存储结构，在这种存储结构中，每个结点具

有三个域，即左指针、数据域和右指针。左指针指向左子树的地址，右指针指向右子树

的地址，无子树的指针设为空。这种存储结构会多占用一些空间，但是方便了分配内存

和运算。

图 !!"( 二叉树的逻辑结构和链式存储结构

（&）逻辑结构 （’）链式存储结构

（三）二叉树的遍历

遍历二叉树是指按照一定的规律访问二叉树的每一个结点，且每个结点仅访问一次。

#)

第四章 皮革制品 *+,-*+. 常用的数据结构及数据库系统

也就是按一定的规则将二叉树的结点排列成一个线性序列。由于任何一棵二叉树或其子

树都由根结点 !、左子树 "、右子树 # 三个基本单元组成，所以遍历一棵二叉树的排列次

序有六种，即 !"#、"!#、"#!、!#"、#!" 和 #"!。前三种是按照先左后右的次序，是

常用的遍历方式。根据 ! 的位置的不同，这三种方案又分别称为先序遍历（!"#）、中序

遍历（"!#）、后序遍历（"#!）。图 $!%& 所示为待遍历的二叉树，三种遍历的方式与结果

如下所述。

%’ 先序遍历（!"#）

先序遍历的次序是：若二叉树为空，则退出；否则，访问根结点，遍历左子树，遍

历右子树，退出。先序遍历二叉树的过程如图 $!%( 所示，遍历结果为：)、*、!、+、,、-、.、/、0、1。

图 $!%& 待遍历的二叉树 图 $!%( 先序遍历二叉树

2’ 中序遍历（"!#）

中序遍历的次序是：若二叉树为空，则退出；否则，遍历左子树，访问根结点，遍

历右子树，退出。中序遍历二叉树的过程如图 $!%3 所示，遍历结果为：+、!、,、*、-、

)、/、0、.、1。

4’ 后序遍历（"#!）

后序遍历的次序是：若二叉树为空，则退出；否则，遍历左子树，遍历右子树，访

问根结点，退出。后序遍历二叉树的过程如图 $!%5 所示，遍历结果为：+、,、!、-、*、

0、/、1、.、)。

图 $!%5 后序遍历二叉树图 $!%3 中序遍历的二叉树

$&

皮革制品 .)!6.)7

下面给出对图 !!"# 所示的二叉树进行先序遍历、中序遍历和后序遍历的程序清单。

$ %&’()*+ , -.*%/0 1 2-.3)’. .3++｛’143 *4.4；

-.3)’. .3++ !(+5.；-.3)’. .3++ !3%61.；｝；

.78+*+5 -.3)’. .3++ .3++&/*+；

.78+*+5 .3++&/*+ !9.3++；9.3++ ’3+4. 9.3++（’143 !&/*+(%-.，%&. 8/-%.%/&）

｛9.3++ &+:&/*+；%5（&/*+(%-.［8/-%.%/&］ ; ; < == 8/-%.%/& 2 ">）

3+.)3& ?@AA；

+(-+｛&+:&/*+ ; （9.3++）B4((/’（-%C+/5（.3++&/*+））；

&+:&/*+ D 2 *4.4 ; &/*+(%-.［8/-%.%/&］；

&+:&/*+ D 2 (+5. ; ’3+4. 9.3++（&/*+(%-.，E!8/-%.%/&）；

&+:&/*+ D 2 3%61. ; ’3+4. 9.3++（&/*+(%-.，E!8/-%.%/& F "）；

3+.)3& &+:&/*+；｝

｝

83+/3*+3（9.3++ 8/%&.）｛%5（8/%&.！; ?@AA）

｛83%&.5（GH’G，8/%&. D 2 *4.4）；

83+/3*+3（8/%&. D 2 (+5.）；

83+/3*+3（8/%&. D 2 3%61.）；

｝

｝

%&/3*+3（9.3++ 8/%&.）｛%5（8/%&.！; ?@AA）

｛%&/3*+3（8/%&. D 2 (+5.）；

83%&.5（GH’G，8/%&. D 2 *4.4）；

%&/3*+3（8/%&. D 2 3%61.）；

｝

｝

8/-./3*+3（9.3++ 8/%&.）｛%5（8/%&.！; ?@AA）

｛8/-./3*+3（8/%&. D 2 (+5.）；

8/-./3*+3（8/%&. D 2 3%61.）；

83%&.5（GH’G，8/%&. D 2 *4.4）；

｝

>#

第四章 皮革制品 IJKLIJM 常用的数据结构及数据库系统

｝

!"#$（ ）

｛%&’(( ’))& * +,--；

#$& #；./"’ $)0(1#2&［34］ * ｛5，676，686，696，6:6，6;6，6<6，6=6，6>6，6?6，5，5，5，6@6，5，5｝；

’))& * .’("& %&’((（$)0(1#2&，3）；

A’#$&B（CD/( A’()’0(’ ’(2E1& "2 B)11)F ：G $C）；

A’()’0(’（’))&）；A’#$&B（C G $C）；

A’#$&B（CD/( #$)’0(’ ’(2E1& "2 B)11)F：G $C）；

#$)’0(’（’))&）；A’#$&B（C G $C）；

A’#$&B（CD/( A)2&)’0(’ ’(2E1& "2 B)11)F ：G $C）；

A)2&)’0(’（’))&）；A’#$&B（C G $C）；

H(&./（ ）；

｝

第三节 查找和排序

在上一节介绍了一些基本的数据结构，包括线性表的顺序存储结构、线性表的链式

存储结构和树结构，并讨论了这些结构的存储映像以及定义在其上的相应运算。本节将

着重介绍数据结构中的重要技术部分———查找和排序。

在非数值运算问题中，数据存储量一般很大，为了在大量信息中找到某些值，就需

要用到查找技术，而为了提高查找效率，就需要对一些数据进行排序。查找和排序的数

据处理量几乎占到总处理量的 I5J以上，故查找和排序的有效性直接影响到基本算法的

有效性，因而查找和排序是重要的基本技术。

一、查 找

查找也称检索，是数据结构中常见的基本运算。它是根据给定的关键字值，在特定

的列表中确定一个其关键字与给定值相同的数据元素，并返回该数据元素在列表中的位

置。若找到相应的数据元素，则称查找是成功的，否则称查找是失败的，此时应返回空

地址及失败信息，并可根据要求插入这个不存在的数据元素。

查找是从大量的数据中找出需要的数据，因为数据都有一定的逻辑结构和存储结构，

所以查找运算和数据结构密切相关，数据的组织形式就决定了要采用何种查找方式。例

如从线性表中查找某个数据元素或从树结构中查找某个结点，数据的结构不同，查找的

方法自然也就不一样。查找运算是程序设计中经常遇到的问题，下面介绍几种常用的基

于线性表的查找方法，这一类方法具体可分为顺序查找法、折半查找法以及分块查找法。

被查找的顺序表类型定义如下：

K 0(B#$( L7M- N 表中最多记录的个数 O&PA(0(B 2&E’.& ｛

Q(PDPA( R(P； S! 关键字 !S44

皮革制品 97:S97L

!"#"$%&’ ("#"； )! 其他数据 !)｝*+(’$%&’；#%&’(’, *+(’$%&’ -’./01#［234/ 5 6］ )! 顺序表类型 !)

（一）顺序查找法

顺序查找也称线性查找，是一种最基本最简单的查找方法。顺序查找是从线性表的

一端开始，顺序扫描线性表，并依次将扫描到的线性表中各元素的关键字与所给关键字

进行比较，若当前扫描到的元素的关键字与所给关键字相符合，表示查找成功，并给出

数据元素在表中的位置；若整个表检索完后仍未找到与所给关键字相符的元素，则查找

失败。顺序查找既适合于顺序存储的静态查找表，又适合于链式存储的静态查找表。这

种查找方法简单易行，但是效率很低。

用顺序查找法在顺序表 !［78 8 8 " 9 6］中查找关键字为 : 的记录，成功时返回找到的

记录位置，失败时返回 9 6。顺序查找的算法如下所列。

0;# -’.-’"<=>（-’./01# ?，0;# ;，@’%$%&’ :）

｛0;# 0；,+<（0 A 7；0 B ; CC ?［0］ 8 :’%！ A :；0 5 5 ）；

0,（0 D A ;）<’#E<; 9 6；

’F1’ <’#E<; 0；｝

从顺序查找过程可见（不考虑越界比较 # B "）， $# 取决于所查记录在表中的位置，如

查找表中的第一个记录时，仅需比较一次；而查找表中最后一个记录时，需比较 " 次，

即 $# A #。一般常用确定数据元素在表中的位置所做的平均查找长度 3-/（3G’<"H’ -’"<=> /’;H#>）

来评价查找算法的效率。在长度为 " 的表中查找一个元素成功的 3-/ 为：

3-/ A ""

# A 6%#$#

式中 %# ———查找表中第 # 个元素的概率；

$# ———查找到表中第 # 个元素所需的比较次数。

因此，假设表中每个元素的查找概率相等，则成功时的顺序查找的平均查找长度为：

3-/-- A ""

# A 6%#$# A 6

"""

# A 6# A " 5 6

I

即查找成功时的平均比较次数约为表长的一半。若 & 值不在表中，则必须进行 " 5 6次比较才能确定查找失败。当表的长度 " 增大时，这种方法的效率就较低。这种查找方法

的优点是算法简单，易于实现，对表的结构无任何要求，即表中的关键字不必有序排列。

（二）折半查找法

折半查找法又称为二分查找法，它是一种查找速度比较快的查找方法。但是这种方

法要求待查找的列表必须是按关键字大小有序排列的顺序表。其基本过程是：将表中间

位置记录的关键字与查找关键字比较，如果两者相等，则查找成功；否则利用中间位置

记录将表分成前、后两个子表，如果中间位置记录的关键字大于查找关键字，则进一步

查找前一子表，否则进一步查找后一子表。重复以上过程，直到找到满足条件的记录，

JK

第四章 皮革制品 L3!)L32 常用的数据结构及数据库系统

使查找成功，或直到子表不存在为止，此时查找失败。

折半查找法的算法如下：

!"# $!"%&’()*（%&+,!-# .，!"# "，/&0102& 3）

｛!"# 456 7 8，*!9* 7 " : ;，<!=；

6*!4&（456 > 7 *!9*）｛

<!= 7 （456 ? *!9*）@A；

!B（.［<!=］C 3&0 7 7 3） @! 查找成功，返回 !@(&#D(" <!=；

!B（.［<!=］C 3&0 E 3） @! 继续在 .［456C C<!= : ;］中查找 !@*!9* 7 <!= : ;；

&4-&456 7 <!= ? ;； @! 继续在 .［<!= ? ;C C *!9*］中查找 !@

｝

(&#D(" : ;｝

折半查找成功时的平均查找长度为：

F%, G- 7 "!

" 7 ;#"$" 7 ;

!"!

" 7 ;" H A ":; 7 ! ? ;

! 459 A（! ? ;）: ;

当 ! 很大时，可以用近似公式459 A（! ? ;）: ; 作为折半法的平均查找长度。折半查找

方法的优点是比较次数少且查找速度快，平均性能好；其缺点是必须对数据进行排序，

且插入删除困难。因此，折半查找方法适用于数据量较大、变动很少而查找频繁的有序

列表。

（三）分块查找法

分块查找又称为索引顺序查找，它是一种性能介于顺序查找和折半查找之间的查找

方法。如果待处理的线性表基要求较快的检索同时又需要动态变化，那么就可以采用分

块查找的方法。分块查找的基本思想是：首先将线性表分成若干个块（子表），一般情况

下，块的长度均匀，最后一块可以不满。每块中元素任意排列，即块内无序，但块与块

之间有序。比如有块（A，I，J，K，L）、（;8，;I，;J，AA，;A），在第一块中，五个数之

间无序排列，但与第二块相比较，第一块中的任意一个数都比第二块的任意一个数小。

另外，还要建立各块的最大关键字表，这个关键字表也是有序的。

分块查找的基本过程是：首先将待查关键字 3 与索引表中的关键字进行比较，以确

定待查记录所在的块，具体的可用顺序查找法或折半查找法进行，然后进一步用顺序查

找法，在相应块内查找关键字为 3 的元素。

分块查找的平均查找长度由两部分构成，即查找索引表时的平均查找长度 %G 以及在

相应块内进行顺序查找的平均查找长度 %6。

F%, G- 7 %G ? %6

设每块含 & 个元素，则可以得到近似的值为：

F%, G 7 459 A!&( )? ; ? &

A

ML

皮革制品 NFO@NFP

可见，分块查找的效率介于顺序查找与折半查找之间。

二、排 序

排序和查找一样是一种十分重要的数据运算，是将一组数据或者记录按其关键字的

递增或者递减的次序排列起来。这种运算不仅在一般的程序设计中十分有用，在 !"#$!"% 技术中也是十分重要的运算。

下面介绍几种比较常用的排序方法。排序时假设全部数据均存放在内存中，各记录

都由其关键字表示。

（一）选择排序法

选择排序法的基本思想是：从待排序的所有记录中找出关键字最小的记录，将它和

原始序列的第一个记录交换位置，然后再从去掉了关键字最小的记录的剩余记录中选择

关键字最小的记录与原始记录的第二个记录交换位置；依次类推，直到将整个记录的全

部元素按其关键字从小到大的次序排列好为止。下面用一个具体的例子说明选择排序的

算法过程。

如对数组（&，’，(，)，*(，+）按从小到大顺序进行排序，过程如下：

（*）在（&，’，(，)，*(，+）中找出最小的元素 (，让它和 & 交换位置；

（(）在 (（’，&，)，*(，+）中找出最小元素 &，让它和 ’ 交换位置；

（&）在 (，&（’，)，*(，+）中找出最小元素 +，让它和 ’ 交换位置；

（,）在 (，&，+（)，*(，’）中找出最小元素 ’，让它和 ) 交换位置；

（+）在 (，&，+，’（*(，)）中找出最小元素 )，让它和 *( 交换位置；

（-）结果（(，&，+，’，)，*(）。

上述排序的程序如下：

. /012345 6 784/9: ; <=>/0（）$!?52518 79@8!$｛/08 >［］ A ｛&，’，(，)，*(，+｝；

/08 1 A -，/，B，8，C；

12@71@（）；

D9@（/ A E；/ 6 1；/ F F ）

G@/08D（HI4I1H，>［/］，/ 6 1 J *？H：K L 0K）；

D9@（/ A E；/ 6 1 J *；/ F F ）

｛C A >［/］；8 A /；D9@（B A / F *；B 6 1；B F F ）

｛/D（C < >［B］）

｛8 A B；C A >［B］；｝

｝

>［8］ A >［/］；>［/］ A C；

G@/08D（HI4H，>［/］）；

｝

G@/08D（HI4 L 0H，>［1 J *］）；

)-

第四章 皮革制品 !"#$!"% 常用的数据结构及数据库系统

!"#$%（ ）；

｝

（二）冒泡排序法

这是一种简单而又著名的排序方法。排序时每次对相邻两个元素的关键字进行比较，

若发现不符合排序要求的数则立即交换位置，经过一轮比较后，关键字较大（或者较小）

的元素就像水中的气泡一点点向上冒出来一样，逐渐上升起来，故称冒泡排序。

如采用冒泡排序法把数组（&，’，(，)，*）按从小到大顺序进行排序，其过程如下：

第一轮：

（+）（’，&，(，)，*） &，’ 比较，位置交换；

（)）（’，&，(，)，*） &，( 比较，位置不变；

（,）（’，&，)，(，*） (，) 比较，位置交换；

（’）（’，&，)，(，*） (，* 比较，位置不变；

第二轮：

（-）（’，&，)，(，*） ’，& 比较，位置不变；

（&）（’，)，&，(，*） &，) 比较，位置交换；

（(）（’，)，&，(，*） &，( 比较，位置不变；

第三轮：

（.）（)，’，&，(，*）’，) 比较，位置交换。

冒泡排序程序如下：

/ 01$234" 5 6#4078 % 9:;01（）<!=3>>2" 67?#!<｛01# ;［］ @ ｛&，’，(，)，*｝；

01# 0，A，#，$ @ -；

B7?（0 @ C；0 5 $；0 D D ）

E?01#B（FG4G$F，;［0］，0 5 $ H +？F：I J 1I）；

B7?（0 @ C；0 5 $；0 D D ）

B7?（A @ $ H +；A 9 C；A H H ）

0B（;［A H +］ 9 ;［A］）

｛# @ ;［A H +］；;［A H +］ @ ;［A］；;［A］ @ #；｝

B7?（0 @ C；0 5 $；0 D D ）

E?01#B（FG4G$F，;［0］，0 5 $ H +？F：I J 1I）；

!"#$%（）；

｝

（三）插入排序

进行插入排序时，首先认为第一个元素的位置是正确的，然后将其和第二个元素作

比较，若第二个元素的关键字较小则插到第一个元素的前面，否则保持位置不变，这样

第一元素和第二元素就形成了一个有序的记录；依次类推，直到排序完成。

如对数组（+)，(，)，.，+）进行插入排序。过程如下：

（+）［（+)）(，)，.，+］ 把 ( 插入到有序数组（+)）中；

C(

皮革制品 KLM<KLN

（!）［（"，#!）!，$，#］ 把 ! 插入到有序数组（"，#!）中；

（%）［（!，"，#!）$，#］ 把 $ 插入到有序数组（!，"，#!）中；

（&）［（!，"，$，#!）#］ 把 # 插入到有序数组（!，"，$，#!）中；

（’）［（#，!，"，$，#!）］ 排序完毕。

在插入排序过程中，每个数在插入到前面的有序数组中时，要先找出它的合适位置。

因为这个数组是有序的，故可以用线性查找法，也可以用对半查找法。下面是用线性查

找法的插入排序程序。

( )*+,-./ 0 12.)34 5 678)*（ ）9!:*1/;2 13;2!9｛)*2 8［ ］ < ｛#!，"，!，$，#｝；

)*2 )，=，2，+ < ’；

>3;（) < ?；) 0 < + @ #；) A A ）

B;)*2>（CD.C，8［)］）；

B;)*2>（C E *C）；

>3;（) < ?；) 0 + @ #；) A A ）

｛)>（8［)］ 6 8［) A #］）

｛2 < 8［)］；8［)］ < 8［) A #］；8［) A #］ < 2；｝

>3;（= < ) A #；= 6 ?；= @ @ ）

｛)>（8［= @ #］ 6 8［=］）

｛2 < 8［= @ #］；8［= @ #］ < 8［=］；8［=］ < 2；｝

｝

｝

>3;（) < ?；) 0 < + @ #；) A A ）

B;)*2>（CD.C，8［)］）；

F/2+5（）；

｝

（四）快速排序

快速排序时，在排序数组中任取一个元素作为排序标准，将该数组分成两个分组，

第一分组的所有元素均小于或等于该元素，第二分组的所有元素均大于该元素，标准元

素置于这两个分组之间，即确定了它的正确排序位置。然后再对各分组用上述方法进行

排序，直到把所有的元素的正确位置确定好为止。由于这种排序方法是在对数组的不断

划分的过程中完成的，故该排序也叫划分排序。快速排序法的算法比较复杂，但是当数

组是随机的和数组较长时，它的排序速度是最快的。

此外，还有希尔排序法、合并排序法、堆阵排序法、基数排序法等。

第四节 数据库系统简介

数据库系统由数据库、数据库管理系统、数据库应用程序及支持数据库管理系统的

操作系统所组成。

#"

第四章 皮革制品 GHI9GHJ 常用的数据结构及数据库系统

一、数据库的基本特点

数据库（!"#"$"%&）是一个可满足多个用户、多种应用的需要，在计算机系统中按一

定的数据模型组织、存储的相互联系的数据集合。如某图书馆的数据库就是馆内图书的

集合，某单位人事管理的数据库就是该单位职工情况的集合。数据的存储独立于应用程

序，应用程序能够共享数据资源。

数据库技术是在数据人工管理、数据文件管理的基础上发展起来的数据管理技术，

是目前最先进的数据管理技术。和前两种数据管理技术相比较，它具有以下特点。

（一）数据的共享性

利用存储在计算机中的数据可以无限制地被复制的特点，数据库可以实现数据对多

用户和多个应用程序的共享服务。在数据库内的数据是面向系统和结构化的。这样不但

能使数据有共享性，而且减少了数据的冗余度，节约了存储空间和存储时间。

（二）数据的独立性

数据的独立性是指在数据库技术方式下，应用程序与数据的逻辑结构及其存储方式

无关，即数据可以独立于程序存在，数据结构发生变化时应用程序不需要修改。数据的

独立性提高了数据处理的稳定性，节省了维护程序所需的时间。

（三）数据的完整性

数据的完整性是指数据的正确性、有效性和相容性。数据库系统对违反数据约束的

错误数据有检验措施，以保证数据的正确性和可靠性。数据约束包括类型和数值的约束

以及属性之间相互依赖的约束。数据的完整性检查一般在时间上花费比较大。

（四）数据的安全性

数据的安全性是指保护数据并防止数据被用户非法使用，对用户使用数据是否越权

或者非法可以进行严格的检查，可以用口令或者其他手段来检查用户的身份，如果检查

通过方能让用户在其权限范围之内进行数据操作。

数据库要具有以上特点，还需要一个数据库软件，它用来对数据进行定义、描述和

操作，以达到管理和维护数据的目的。这一软件的核心就是数据库管理系统，数据库和

数据库管理系统组成一个数据库系统。

二、数据库的数据模型

为了对数据库中的数据进行处理，数据库管理系统要将这些数据按照一定的数据结

构形式组织，以反映数据之间的联系方式。数据库中数据内容和数据结构的描述称为数

据模型（!"#" ’()&*）。数据库可通过表格或连接路径等方式实现数据之间的联系。数据模

型是数据库系统的核心和基础，每一种数据库管理系统都是基于某种数据模型的。最常

用的数据模型有三种，即层次模型、网状模型和关系模型。

（一）层次模型（!"#$%$&’"&%( )*+#(）层次模型也称为树状模型，其数据结构呈树型组织结构。层次模型是数据库系统用

得最早的一种数据模型。层次模型节点间联系简单，层次分明，结构清晰，但只能反映

一对一或一对多的联系。支持层次模型的典型系统是 +,’ 公司的 +’-（+./(01"#2(. ’"."3&41&.# -5%#&1）系统。这种模型的基本特征是：

67

皮革制品 89!:89’

（!）有且仅有一个根结点，根结点无双亲。

（"）其他的结点有且仅有一个双亲。

（二）网状模型（!"#$%&’ (%)"*）网状模型的数据结构呈网状。它允许每个结点有多个父结点和多个子结点，是一种

多对多的联系。网状模型能够处理记录之间非常复杂的关系，但其模型结构也是极其复

杂的。支持网状模型的典型系统是 #$%&（#’(’ $’)* %’)+ &,-./）系统。这种模型的基本特

征是：

（!）系统有一个以上的无双亲结点。

（"）至少有一个结点有多于一个的双亲。

该模型是层次模型的推广，层次模型是网状模型的一个特例。

（三）关系模型（+"*,#-%.,* (%)"*）关系模型是目前最重要的一种数据模型，它是用二维表结构来表示实体之间联系的

模型，能表示实体之间的多对多的关系。关系模型数据之间的关系简单明了，有严格的

数学基础，用户易懂易用，因此关系数据库得到了很大的发展，成为当今计算机世界所

流行的一种数据库系统，如 0-1$234、0-15,-、266*)) 、7,’68* 等。作为一个“关系”的二

维表，必须满足下列条件：

（!）表中每一列必须是基本数据项，而不是组合项。

（"）表中每一列必须具有相同的数据类型。

（9）表中每一列必须有一个惟一的属性名。

（:）表中不应有内容相同的行。

（;）行与列的顺序均不影响表中所表示的信息含义。

上述三种基本数据模型为传统的数据模型，常作一般的数据处理。自 "< 世纪 =< 年代

后期以来相继发展了一些新的数据模型，其中有混合数据模型、实体!联系数据模型、函

数式数据模型、语义数据模型和面向对象数据模型等，用于适应不同的应用场合。

三、数据库系统的体系结构

美国国家标准化研究所 2>3?@A9@35BC 对数据库的体系提出了一个标准化建议，把数

据库结构分为三级模式：外模式、概念模式、内模式。

（一）外模式（/0#"&.,* 123"4,）

外模式又称为用户模式或子模式（3.D)6E*F’），面向用户，它是用户能看到并操作的

局部数据的逻辑结构和特征的描述，是数据库用户的数据视图，是与某一应用有关的数

据的逻辑表示。

（二）模式（123"4,）

模式也称概念模式，是对数据库的整体逻辑结构和特征的描述。一个数据库可以有

多种外模式，但只有一个概念模式，它是一种全局的逻辑结构。它既区别于外模式，与

具体的应用程序无关，也不同于内模式，不涉及数据的物理存储细节和硬件环境。

（三）内模式（5.#"&.,* 123"4,）

内模式也称为存储模式（3(-,’G* 36E*F’），一个数据库只有一个内模式。它是对数据

库的物理结构和存储方式的描述，是数据在数据库内部的表示方式。

9=

第四章 皮革制品 C2#@C2H 常用的数据结构及数据库系统

上述三种模式并不是孤立存在的，它们之间存在着外模式!模式、模式!内模式这两个

映像机制，而这两种映像机制又使得应用程序和库内数据之间相互独立，这是数据库重

要特征之一。

四、数据库管理系统

数据库管理系统（"#$%，"&’& #&() $&*&+),)*’ %-(’),）是数据库系统的核心，是统一

管理整个数据库系统的应用支撑软件。在数据的建立、应用和维护过程中，数据库管理

系统对其进行集中调控，各个应用程序都必须通过数据库管理系统才能访问数据库，它

对数据库系统的功能和性能有决定性影响。它的基本功能包括以下几个方面。

（一）数据库定义和存取功能

利用数据描述语言定义数据库的结构（包括外模式、模式、内模式及其相互之间的

映像），定义数据的完整性约束、保密权限以及信息格式等约束条件，并将其存放在数据

库的数据字典中，供系统查询、操纵和控制。

（二）数据库管理功能

这是 "#$% 的核心部分，包括对系统运行的监控以及对用户的并发访问、安全性、恢

复机制、完整性约束条件的检查和执行等。

（三）数据建立及维护功能

包括数据库的建立、数据更新与再组织、数据的转换转储和恢复等以及数据库性能

监视。

（四）数据库数据通信功能

包括与操作系统的联机终端、分时系统及远程作业协同处理数据。

（五）其他功能

包括应用程序的开发、文件管理、变量存储及设备控制等。

目前，随着计算机软硬件的发展，"#$% 的体系结构也在不断地发展。主要的 "#$%体系结构有以下三类。

./ 微机方式下简单的 "#$%常见的有 012#&()、012341、566)(( 等。这些系统既有单机版也有网络版，操作简单，

价格低廉，应用广泛。

7/ 分时系统环境下集中式数据库体系结构

在这种系统中，数据是集中的，数据管理也是集中的，数据库系统的核心结构都集

中在 "#$% 所在的中心计算机上，各用户借助终端共享中心 "#$% 上的功能和资源，如

895:;< 系统。

=/ 网络环境下的客户!服务体系结构

:>?)*’!%)4@)4 是随着 ;5A 的发展而提出来的，目前已成为计算机 ;5A 下的一种主流体

系结构。

第五节 工程数据库

自 7B 世纪 CB 年代末以来，数据库技术的应用扩展到 :5"!:5$ 系统、计算机集成制

DC

皮革制品 :5"!:5$

造系统 !"#$ 和人工智能等科技领域，原来的面向企、事业管理的数据库系统远远满足不

了工程技术领域对其的要求。为了满足这种需求，数据库技术发展成为工程数据库技术。

所以工程数据库系统就是满足工程与产品的设计与制造、生产管理、经营决策与支持环

境的数据库系统。工程数据库系统应该包括工程数据库、工程数据库管理系统和系统的

终端用户。

对于工程数据库来说，它存储着应用 !%&’!%# 系统所遇到的大量工程数据，其中包

括系统运行所需的数据和运行结果得到的数据。各个用户可根据需要向数据库存取数据，

不同用户可以共享数据库中的某些数据。

由于工程设计和应用的多样性和复杂性，工程数据库不同于商业、统计领域应用的

管理数据库。针对不同的工程设计对象要求所建立的工程数据库相互之间会有不少差异，

因此目前规范的数据库原理尚难以支持工程数据库的设计和应用。随着 !%&’!%# 集成系

统的发展，系统的数据管理也日益复杂，需要提供适合于工程设计特点的数据管理手段，

而工程数据库及其管理系统则成了整个集成系统核心。

一、工程数据库管理系统与传统数据库管理系统的区别

工程数据库管理系统（(&)#$，(*+,*--.,*+ &/0/ )/1- #/*/+-2-*0 $310-2）与一般数据

库管理系统（&)#$）的主要区别体现在以下几个方面。

（一）管理对象

一般数据库管理系统所管理的对象通常是静态的，实体和实体之间的关系比较清晰，

在进行库设计的阶段就能实现准确、完整地描述出这些关系。而工程数据库管理系统除

了管理静态的数据（如设计标准、设计规则等）外，另一类需管理的数据则是高度动态

的。因为有些数据无法事先选定，只有在设计过程中逐步地确定，而设计过程是一个创

造性的活动，需要多次反复和修改，所以设计结果的数据是动态形成的。

（二）数据的类型

一般数据库处理的数据，绝大部分可表示为字符串和数值类型。而工程上的数据，

除了字符串和数值这样的简单数据类型外，还有大量的复杂数据类型的数据，如向量矩

阵、集合、有序集、时间序列、几何图形、复杂的数学公式和过程等。

（三）数据结构

一般数据库的数据，用关系型这种数据结构通常就能清晰地被表达。但在工程上，

一个实体，如一种产品，往往由多个部件、零件等实体组成，这些部件、零件均呈树状

的继承关系，并且在设计过程中实体间的关系复杂多样，有的呈网状结构。因此这些都

是一般数据库难以表达的。

（四）数据库的变化

一般数据库的修改主要体现在数值的多变上，结构上的变化是缓慢的，用户只改变

数值，数据结构则必须由数据库管理员改动。而工程设计者作为工程数据的全权使用者，

必须允许其对库的数值和结构都可作改动，以满足设计过程中的多变性要求。

（五）信息种类

工程数据包含的信息种类繁多，如：

（4）产品的图形信息：零部件的二维图、三维图以及部件、产品的装配图等。

56

第四章 皮革制品 !%&’!%# 常用的数据结构及数据库系统

（!）产品的文字数据信息：零部件的材料、加工要求等信息以及产品、部件的装配

关系信息等。

（"）设计所需参数和分析计算数据：设计规范、标准、资源、设备等。

（#）工艺数据：加工设备、工艺规程、工序文件及加工的数控代码等。

（$）系统的分层结构：一般数据库也支持事务处理功能，但商务性、管理性的事务

规律性较强，便于实现。而工程设计过程是一个创造性的、多人协作的过程，涉及的数

据结构繁多、复杂，并需要多次的反复和修改，一般的数据库系统难以支持这类应用，

所以需要设计分层结构的数据库系统，来解决工程中的长事务处理问题。

二、工程数据分析

在 %&’(%&) 系统的整个工作过程中，一个产品或工程的设计与制造的各个不同阶段

都需要大量的不同类型的关系复杂的工程数据，同时还要生成许多中间工程数据。根据

%&’(%&) 和生产管理（*)，*+,-./01,2 )323456520）这三个范畴对其分类如下。

（一）!"#数据

主要包括产品设计数据、产品模型数据、材料数据、绘图数据、有限元分析及优化

设计数据、测试数据等。

（二）!"$数据

静态数据有加工材料数据、加工数据、机器操作数据。动态数据有处理方案数据、

数控加工数据、质量检测数据、工具数据和加工数据。

（三）%$数据

包括产品统计表、销售预测数据、条件数据、用户数据、供应量、设备数据、消耗

数据、会计数据等。

综上所述，在 %&’(%&) 系统中出现的工程数据有如下几个特点：

（7）数据形态多样：包括有静态的标准数据和动态的过程数据。

（!）数据类型繁多：有表格数据、图形数据、算法数据、模糊数据和正文数据等。

（"）数据关系复杂：有多层次、多嵌套关系，有多对多的网状关系及不定结构。

（#）数据修改频繁：工程数据需要不断交流、不断反馈、反复试探和反复修改。

三、工程数据库的特点

工程数据所具有的特点就决定了处理这些数据的工程数据库的特点。因此，工程数

据库在功能上和结构上应该根据工程数据的特点满足一些特殊的要求：

（7）能存储和管理各种类型的数据，支持图形标准之间的相互转化，具有多库协调

管理能力。

（!）能描述复杂的数据模型，保存相关语义信息。所谓语义是指数据的结构性质、

完整性约束以及数据库操作规则。

（"）能够进行动态模式的定义和修改，不需重新编译和重载数据，有版本管理功能。

（#）有长事务处理功能，以便在设计过程中对几种不同的方案进行比较。

（$）支持程序控制和交互操作两种工作方式。

（8）具有分布式数据库处理功能，支持多用户工作环境。

89

皮革制品 %&’(%&)

四、工程数据库的开发方法

目前国内外都在积极地进行工程数据库系统的研究和开发工作，一般通过下列方法

来进行工程数据库的构成。

（!）在一般的面向事务管理的数据库管理系统外层增加一层软件，用来弥补原 "#$%在工程环境的功能上的欠缺。

（&）增加原来的 "#$% 的功能，以满足 ’(")’($ 工程环境对数据管理的要求。

（*）建立专用的文件管理器，把原有的 "#$% 作为一项来应用。

这些方法是在原有的数据库管理系统基础上加上某些功能，从而满足工程对数据管

理的要求，这在当前情况下是一种较为实际的方法。其优点是易于实现，开发工作量小；

缺点是不能满足工程数据管理的整体要求，增加了界面之间的转换，从而使整个系统效

率下降。

（+）研究新的数据模型，开发新的工程数据库管理系统，使它具有满足工程数据管

理要求的功能和性能。这种方法是从满足工程数据的要求出发，开发新的工程数据库管

理系统，其优点在于可以满足工程数据的数据模型，系统效率高；缺点是技术难度大，

投资多，开发工作量大，开发周期长。目前提出的新型数据模型有语义数据模型（%,-./0123 ".1. $45,6）和对象!关系模型（789,31!:,6.124/;<2= ".1. $45,6）等，新型数据库有面向对

象数据库（789,31!7>2,/1,5 ".1.#.;,）。另外人工智能技术和数据库技术的结合也是一种发

展趋势，出现了智能化数据库，最近研究的主动数据库就是智能化的数据库。随着计算

机网络的发展，分布式数据库技术也随之得到了迅速的发展，以满足 ’(")’($ 集成系统

和 ’?$% 的需要。

思考题与习题

!@ 数据结构的基本概念有哪些？

&@ 常见的数据逻辑结构有哪些？它们在计算机中如何存储？

*@ 简述线性表的存储结构形式及特点。

+@ 简述单向链表、双向链表和循环链表的特点及基本算法。

A@ 什么是二叉树？它与一般树有何区别？

B@ 举例说明各种数据结构形式在 ’(")’($ 技术中的应用。

C@ 简述查找的几种基本方法、特点及查找效率。

D@ 简述常用排序方法的基本思想。

E@ 数据库管理系统的基本功能有哪些？

!F@ 何谓数据库系统的数据模型？各种模型有哪些特点？

!!@ 针对工程数据的特点，分析工程数据库的功能需要。

!&@ 简述工程数据库在 ’(")’($ 系统的作用。

CC

第四章 皮革制品 ’(")’($ 常用的数据结构及数据库系统

第五章 计算机辅助皮革制品图形处理

计算机辅助图形处理技术是 !"#$!"% 系统的重要组成部分，它的发展有力地推动

!"#$!"% 的研究和发展，为 !"#$!"% 提供了高效的工具和手段；而 !"#$!"% 的发展又

不断对其提出新的要求和设想，因此，!"#$!"% 的发展与计算机辅助图形处理技术的发

展有着密不可分的关系。

在皮革制品的设计生产过程中，皮革制品的效果图及样板图是指导生产必不可少的

工程文件，技术人员用各类图纸来表示设计结果，图纸是传递产品信息的重要媒介。用

计算机来设计和绘制皮革制品的效果图及样板图，是 !"#$!"% 技术在皮革制品行业的具

体运用。根据我国皮革制品企业的实际情况，!"# 技术主要的功用之一是进行产品样板

图形的设计，并自动绘制二维工程图纸。

计算机辅助皮革制品图形处理涉及到图形变换方法、图形生成技术、数据处理等多

方面的内容，本章将着重介绍这些内容。

第一节 图形变换的数学方法

在 !"#$!"% 系统工作过程中，对图形进行表示和处理叫做图形变换。通过图形变

换，可以用简单的基本图形来生成复杂的图形，可以用二维图形来表示三维图形，可以

用静态图形的快速变换来获得动态图形的视觉效果，还可以通过对图形的放大、旋转和

平移等变换，对设计的对象从某一个最佳的角度进行观察，了解其工作性能和加工过程，

从而对其设计进行必要的修改，所以说图形变换在 !"#$!"% 系统工作过程中起着十分重

要的作用。

图形变换中的各种基本变换，从原理上讲，就是将图形上点的坐标变换成新图形上

对应点的坐标。根据几何变换的特性，图形上的一个直线段经变换后的新图形上所对应

的仍然是一个直线段。这样，直线段的变换可以通过它的两个端点的变换来实现。

一、窗!视变换

（一）用户域和窗口区

用户通常是在直角坐标系中来描述图形，这个为用户所确定和使用的坐标系就是用

户坐标系，在理论上它是无穷大的。由它定义的整个自然空间叫做用户域，用户所要描

述的图形均在用户域中进行定义。用户域是一个实数域，在理论上它是无限连续的。

用户在进行图形处理时，常常遇到这样的情况：在不同时刻关心整幅图形的不同部

位，或仅对图形的某一部分感兴趣，而对其他部分暂时不感兴趣。此时，希望能够尽量

清晰地将所关心的这部分图形显示出来。如何把指定的局部图形从整体中正确分离出来，

图形系统采用开“窗口”的方法来解决。这样用户就可以指定一个观察区域来观察和处

理自己所感兴趣的图形，这个观察区域叫做窗口。显然窗口区是小于或者等于用户域。

&’

窗口区通常是矩形域，可以用矩形的左下角点坐标（ !"# ，!$% ）和右上角点坐标

（!"& ，!$’ ）来确定窗口的大小和位置，通过改变窗口的大小、位置和比例，可以方便地

观察局部图形，控制图形的大小。

窗口可以嵌套，即在第 ( 层窗口中可以再定义第 ( ! " 层窗口。用户还可以根据具体

需要，定义圆形窗口、多边形窗口等异形窗口。

（二）屏幕域和视区

显示器屏幕的整个区域叫屏幕域，屏幕域是设备输出图形的最大区域，是有限的整

数域。任何小于或者等于屏幕域的区域称为视区。它可由用户在屏幕中用设备坐标来定

义，用于输出窗口中的图形。视区决定了窗口中的图形要显示于屏幕上的位置和大小。

定义小于屏幕的视区可以在同一屏幕上同时显示不同的图形信息。如一些三维鞋类

设计软件通常将屏幕分为四个视区，其中三个用于显示鞋类部件的三视图，另一个用于

显示整鞋的轴测图。

一般地，视图区也是一个矩形域。和窗口区一样，它也可以用其左下角点坐标（)"# ，

)$%）和右上角点坐标（)"& ，)$’ ）来进行定义。视区可以嵌套，用户可以在同一显示屏幕

上定义多个视区，分别来显示不同角度，不同对象的图形，或者作其他不同的用途。图

#!"所示为窗口与视区示意图。

图 #!" 窗口与视区示意图

图 #!$ 窗口!视区变换

（三）窗口!视区变换

窗口与视区是在不同的坐标系中定义的，其中窗口在用户坐标系中定义，而视区则

在设备坐标系中定义。在多数情况下，窗口与视区无

论大小还是单位都不相同，因此，为了把选定的窗口

内容在希望的视区上表现出来，即将窗口内某一点 !（"* ，$*）映射在视区的指定位置 )（ "+ ， $+ ）时，

必须进行坐标变换，这个变换就称为窗口!视区变换。

如图 #!$ 所示，设在用户坐标系下定义的窗口为：左

下角点坐标（!"# ，!$%），右上角点坐标（!"& ，!$’ ）；

在设备坐标系中定义的视区为：左下角点坐标（)"# ，

)$%），右上角点坐标（)"& ，)$’ ）。按照比例关系可以

推导出：

%&

第五章 计算机辅助皮革制品图形处理

!" ! #!$

#!% ! #!$" !& ! ’!$

’!% ! ’!$

(" ! #()

#(* ! #()" (& ! ’()

’(* ! ’}

()

（#!$）

由上式可知窗口中一点 ’（ !& ， (& ）变换到视区中对应的点 #（ !" ， (" ）二者之间

的关系为：

!" "#!% ! #!$

’!% ! ’!$·（ !& ! ’!$ ）% #!$

(" "#(* ! #()

’(* ! ’()·（ (& ! ’() ）% # }

()

（#!&）

设 + " #!% ! #!$

’!% ! ’!$， ) " #!$ !

#!% ! #!$

’!% ! ’!$·’!$

, " #(* ! #()

’(* ! ’()， - " #() !

#(* ! #()

’(* ! ’()·’() ，

则上式可写成

!" " +!& % )

(" " ,(& % }-（#!’）

写成矩阵形式

［ !" (" $］ " ［ !& (& $］·

+ ( (( , () -

$

（#!)）

由式（#!)）可以得出结论：

（$）视区不变，窗口放大或者缩小，显示的图形会相应地缩小或者放大。

（&）窗口不变，视区放大或者缩小，显示的图形会相应地放大或者缩小。

（’）视区纵横比不等于窗口纵横比时，显示的图形会有伸缩变化。

（)）窗口与视区大小相同、坐标原点也相同时，显示的图形不变。

综上所述，采用窗口技术可选择整体图形中的部分图形进行处理。但是要将窗口内

的图形正确无误地从整体图形中分离出来，还需要应用图形的“裁剪”技术，即对落在

窗口边框上的图形进行裁剪，仅保留窗口内的部分。

二、图 形 裁 剪

通过定义窗口和视区，可以把图形的某一部分显示于屏幕上的指定位置，这不仅要

进行上述的窗口!视区变换，更重要的是必须正确识别图形在窗口内和窗口外部分，以便

把窗口内的图形信息输出，而窗口外的部分则不输出，这种选择可见信息的方法称为裁

剪。当然，为适应某种需要亦可裁剪掉窗口内的图形，使留出的窗口空白区作文字说明

或其他用途，这种处理方法称为覆盖。

图形裁剪技术与窗口技术密切相关，裁剪的边界可以是任意多边形，但常用的是矩

形，常用的裁剪算法主要是针对直线、多边形以及字符的，有编码算法、矢量线段裁剪

法、中点分割法等。裁剪算法的核心是速度，就一条直线而言，就是要迅速而准确地判

定：它是全部在窗口之外还是之内，否则，它必定是部分在窗口内，此时要求出它与窗

口的交点，从而确定窗口内的部分。

(*

皮革制品 +,-.+,/

（一）点的裁剪

点的裁剪是最简单的一种，但也是裁剪其他元素的基础。判断点的可见性可用下面

简单的不等式，若点 !（"，#）满足：

$"%! "!$"&

$#’! #!$ }#(

（!!!）

则点 !（"，#）为可见，否则不可见。

（二）线段的裁剪

如图 !!" 所示，线段相对于窗口的位置有三种情况："线段在窗口之内（线段 )），

图 !!" 线段与窗口的相对位置

应保留；#线段在窗口外同侧（线段 *），应舍弃；$线段

与窗口边界相交（线段 +、 ’），或线段在窗口外两侧（线

段 ,），它们可能有一部分在窗口内，也可能全部在窗口外。

要裁剪窗口外线段，保留窗口内线段，其算法有多种，

以下介绍两种常用的直线段裁剪算法：编码裁剪算法和矢

量裁剪算法。

#$ 编码裁剪算法

编码裁剪算法也称作 %&’()!*+,’(-./)0 算法，其基本思

想是：每一线段或者整个位于窗口的内部，或者能够被窗

口分割而使其中的一部分能很快地被舍弃。因此，该算法分为两步：第一步先确定一条

线段是否整个位于窗口内，若不是，则确定该线段是否整个位于窗口外，若是则舍弃；

第二步，当第一步的判断均不成立时，那么就通过窗口边界所在的直线将线段分成两部

分，再对每一部分进行第一步的测试。

图 !!1 编码裁剪法区域划分及编码

首先，设定矩形窗口的四条边界 $"% 2 "34)，

$"& 2 "3/5，$#( 2 #3/5， $#’ 2 #34)，延长后，将图

形所在的平面分为 6 个区域，如图 !!1 所示。每个

区域 内 的 点 都 对 应 有 一 个 四 位 二 进 制 编 码，即

-1 -" -7 -#。其含义为：

点在窗口的左边界之左，即 " 8 "34)，-# 2 #；

否则 -# 2 9。

点在窗口的右边界之右，即 " : "3/5，-7 2 #；

否则 -7 2 9。

点在窗口的底边界之下，即 # 8 #34)，-" 2 #；

否则 -" 2 9。

点在窗口的顶边界之上，即 # : #3/5，-1 2 #；

否则 -1 2 9。

这样，根据要裁剪线段 !# !7 的端点坐标求出相应的编码值。再用以下规则判断每条

线段是否可见、是否需要裁剪：两端点编码均为 9999，则该线段可见；两端点编码不全

为 9999，则将两端点编码按位逻辑相乘，观察结果，若：

（#）结果不为 9999，则该线段不可见；

#;

第五章 计算机辅助皮革制品图形处理

（!）结果为 """"，则为暂不确定线段，有两种情况：

#$ 该线段至少有一部分可见；

%$ 该线段完全不可见。

这种结果，需进一步求交以便判断属于哪种情况。如图 &!’ 中所示线段 !，两端点均

不为 """"，逻辑相乘后，得 """"，同时该线段与窗口边界有交点，因此，有一部分可见；

而线段 "，两端点均不为 """"，逻辑相乘结果为 """"，可是，该线段与窗口无交点，完

全落在窗口之外，不可见。

图 &!& 矢量裁剪法

编码方法直观方便，速度较快，是一种较

好的裁剪方法，但有两个问题还有待进一步解

决："由于采用位逻辑乘的运算，这在有些高

级语言中是不便进行的；#全部舍弃的判断只

适合于那些仅在窗口同侧的线段，对于跨越三

个区域的 线 段，就 不 能 一 次 作 出 判 别 而 舍 弃

它们。

!$ 矢量裁剪算法

这种裁剪方法与编码裁剪法相似，只是判

断端点是否在窗口内所采用的过程不同。如图

&!& 所示，窗口的四条边界把平面分成 ( 个区，

为讨论问题方便起见，我们把 ( 个区域分别标上代码，" 区是相应的窗口。

设有一条矢量线段 #，起点、终点坐标分别为（$)，%)）和（$!， %!），窗口定义为：

（&$’ ，&%!）、（&$( ，&%) ）。由于矢量裁剪法对线段的起点、终点坐标处理方法相同，因此

下面以起点为例来说明矢量裁剪算法的步骤。

（)）若线段 # 满足下述四个条件之一，即

*#+（ $)，$!）, &$’ ；*-.（ $)，$!）/ &$(

*#+（ %)，%!）, &%! ；*-.（ %)，%!）/ & }%)

则 # 在窗口外，无输出，裁剪过程结束。

（!）若 # 满足

&$’! $)!&$(

&%!! %)!&{%)

则 # 的起点在 " 区内，即可见段的新起点坐标为

$* 0 $)%* 0 %{

)

否则，# 与窗口的关系及其新起点（$* ，%* ）的求解过程如（’）。

（’）若 $) , &$’ ，即起点可能在 ’，1，& 区，此时与窗口的左边界求交点，令

$* 0 &$’

%* 0 %) 2（&$’ 3 $)）（ %! 3 %)）4（ $! 3 $) }）（&!5）

!6

皮革制品 789478:

讨论：

!若 !"!［#!$ ，#!% ］，则求解有效，即（&" ，!" ）是可见段的新起点坐标。

"若（&!，!!）在 " 区，且 !" # #!% 或 !" $ #!$ ，则 ’ 与窗口无交点，即求解无效，无

可见段输出，裁剪过程结束。

#若（&!，!!）在 % 区，则有如下两种情况。情况一：如果 !" $ #!$ ，则 ’ 在窗口

外，求解无效，无可见段输出；情况二：如果 !" # #!% ，则应重新求交点，即与窗口的上

边界求交：

&" & &! ’（#!$ ( !!）（ &) ( &!）*（ !) ( !!）

!" & # }!%

（+$,）

若 #&("&""#&) ，则求解有效，否则求解无效，’ 在窗口外。

%若（&!，!!）在 + 区，亦有两情况。情况一：如果 !" # #!% ， ’ 在窗口外，由式

（+$-）求出的（&" ，!" ）无效；情况二：如果 !" $ #!$ ，则应重新求交点，即与窗口的下

边界求交：

&" & &! ’（#!$ ( !!）（ &) ( &!）*（ !) ( !!）

!" & # }!$

（+$.）

若 #&("&""#&) ，则求解有效，否则 ’ 在窗口外，求解无效。

（"）若 &! # #&) ，即 ’ 的起点可能在 -，,，. 区，此时可用与（%）类似的步骤求出 ’与窗口边界的交点。

（+）若（&!，!!）在 !，) 区，则分别用式（+$,）和式（+$.）求出 ’ 与上、下窗口边

界的交点（&" ，!" ），如果 #&("&""#&) ，则求解有效。否则 ’ 在窗口外，求解无效，无

可见段输出，裁剪过程结束。

同理，用终点代替起点，采用同样的过程可以求解出 ’ 在窗口内新的终点坐标，将

新的起点和新终点连接起来，即可输出窗口内的可见段。

三、二维图形的图形变换

（一）二维图形的变换矩阵

二维图形几何变换可用 % / % 矩阵来表示，即：

*)0 &’ $ +, - .

( / "

从变换功能上可以将 *)0分为四个子矩阵，其中’ $[ ], -

产生比例、对称、错切和旋

转等变换；［ ( /］产生平移变换；[ ]+. 产生投影变换；［ "］用来对整体图形作比例变换。

（二）二维图形的基本变换

二维图形的基本变换矩阵如表 +$! 所示。

%.

第五章 计算机辅助皮革制品图形处理

表 !!" 二维图形的基本变换

名称 变 换 矩 阵 说 明 图 例

平移

变换! !

" # #

# " #

" #

"

" 为图形沿 $ 轴方向平移量

# 为图形沿 % 轴方向平移量

比例

变换! !

&’ # #

# &( #

# # "

&’ 和 &( 分别为图形沿 $ 轴和 % 轴方

向的比例因子（ &’ $ #， &( $ #）

当 &’ ! &( ! " 时，为恒等比例变换

当 &’ ! &( $ " 时，为等比例放大

当 &’ ! &( % " 时，为等比例缩小

当 &’! &( 时，为非均匀比例变换

对称

变换

! !

" # #

# & " #

# # "

对 $ 轴对称

! !

& " # #

# " #

# # "

对 % 轴对称

! !

& " # #

# & " #

# # "

对坐标原点对称

! !

# " #

" # #

# # "

对直线 ( ! ’ 对称

! !

# & " #

& " # #

# # "

对直线 ( ! & ’ 对称

’(

皮革制品 )*+,)*-

续表

名称 变 换 矩 阵 说 明 图 例

错切

变换

! !

" # #

" " #

# # "

沿 # 轴方向错切， " 为错切量

当 " $ # 时，沿 # 轴正向作错切变换

当 " % # 时，沿 # 轴负向作错切变换

! !

" $ #

# " #

# # "

沿 % 轴方向错切， $ 为错切量

当 $ $ # 时，沿 % 轴正向作错切变换

当 $ % # 时，沿 % 轴负向作错切变换

旋转

变换! !

&’(! ()*! #

+ ()*! &’(! #

# # "

图形绕原点旋转!角

逆时针旋转时，!角取正值

顺时针旋转时，!角取负值

（三）二维图形的组合变换

实际问题中对图形的变换往往比较复杂，但是它们都可以分解为若干个有序的基本

变换。组合变换即是指几种基本变换有序地结合在一起构成的变换。解决这类问题关键

是要确定图形变换包含哪些基本变换，它们是按照什么样的变换顺序组合的，然后将各

个基本变换的矩阵依次连乘就可以得到组合变换矩阵。在进行组合变换时，由于矩阵的

乘法不符合交换律，因此要注意各个基本变换的次序。

四、三维图形的图形变换

（一）三维图形的变换矩阵

三维图形的变换是二维图形变换的简单扩展，变换的原理是把齐次坐标点（ &， ’，

(，"）通过变换矩阵变换成新的齐次坐标点（&,， ’,， (,，"）。在三维空间里，用四维齐

次坐标［&，’， (，"］表示三维点，三维变换矩阵则用 - . - 阶矩阵来表示，即：

［ &，’， (，"］·! ! ［ &, ，’, ， (, ，"］

其中 !/0为三维基本变换矩阵：

!/0 !

) $ " *+ , - ./ 0 1 2

3 4 5 6

从变换功能上可以将 !/0分为四个子矩阵，其中

) $ "+ , -

/ 0 1

产生比例、对称、错切和

12

第五章 计算机辅助皮革制品图形处理

旋转等基本变换；［ ! " #］产生平移变换；

$%&

产生透视变换；［ ’］产生整体比例

变换。

（二）三维图形的基本变换

三维图形的基本变换矩阵如表 !!" 所示。

表 !!" 三维图形的基本变换

名称 变 换 矩 阵 说 明 图 例

平移

变换( #

$ % % %

% $ % %

% % $ %

! " #

$

!，"， # 分别为图形沿 ) 轴，* 轴

和 + 轴方向的平移量

比例

变换( #

’, % % %

% ’- % %

% % ’. %

% % % $

’,， ’-， ’. 分别为 图 形 沿 ) 轴， *

轴和 + 轴方向的比例因子

对称

变换

( #

$ % % %

% $ % %

% % & $ %

% % % $

( #

& $ % % %

% $ % %

% % $ %

% % % $

( #

$ % % %

% & $ % %

% % $ %

% % % $

以 ,/- 面对称

以 -/. 平面对称

以 ,/. 面对称

以 -/. 平面对称

’(

皮革制品 )*+,)*-

续表

名称 变 换 矩 阵 说 明 图 例

错切

变换

! !

" # # #

" " # #

# # " #

# # # "

沿 $ 轴方向错切， "、 # 为错切系

数

! !

" % # #

# " # #

# & " #

# # # "

沿 ’ 轴方向错切， %、 & 为错切系数

! !

" # ( #

# " ) #

# # " #

# # # "

沿 * 轴方向错切， (、 ) 为错切系数

沿 $ 向错切

旋转

变换

! !

" # # #

# $%&! &’(! #

# ) &’(! $%&! #

# # # "

绕 $ 轴旋转，逆时针为正，顺时针

为负

! !

$%&! # ) &’(! #

# " # #

&’(! # $%&! #

# # # "

绕 ’ 轴旋转

! !

$%&! &’(! # #

) &’(! $%&! # #

# # " #

# # # "

绕 * 轴旋转

绕 $ 轴旋转

（三）三维图形的组合变换

与二维组合变换一样，通常可将一个复杂的变换分解为若干个有序的基本变换。通

过对三维基本变换矩阵的组合，可以实现对三维物体的复杂变换。

第二节 图形生成技术与方法

利用计算机可以生成非常复杂的图形，但无论图形多么复杂，都是由基本图形组合

而成的。因此，有必要学习图形生成技术与方法。

*+

第五章 计算机辅助皮革制品图形处理

一、图形生成技术与算法

（一）基于图形设备的基本图形元素的生成算法

如在光栅显示器上生成直线、圆弧、规则曲线、封闭区域填充等。

生成直线或圆弧的算法很多，常用的有：!!!" 法，即数字微分分析法（!#$#%&’ !#()(*+*,%#&’ ",&’-.*+），即根据直线的微分方程来画直线；"/+*0*,1&2 算法，即根据直线的斜

率 !［"# 3 4 5 "# 3 !（$# 3 4 6 $# ）］和相邻两列（行）像素的坐标差 4 的事实得出

$# 3 4 5 $# 3 4

"# 3 4 5 "# 3{ !

这是一个求 " # 3 4的递推公式。除此之外，还有生成圆弧的正负法、多边形逼近法等许多

算法。

区域填充是指在一个有界区域内填充某种颜色或图案，如工程图样中的剖面线。区

域填充分为两种算法：!多边形填充，即根据多边形各顶点的坐标，按扫描线顺序，计

算扫描线与多边形的相交区间，再用要求的颜色或图案显示这些区间的像素，从而完成

填充；"种子填充，即根据边界颜色特征及区域内的一个点（种子点）的坐标，首先填

充种子点所在的像素，再将相邻的像素坐标作为新的种子，如此循环往复，直至完成

填充。

（二）自由曲线和曲面的生成

曲线曲面是描述物体外形中不可缺少的元素。对于规则的曲线曲面，只要按照其参

数方程实际画出即可。而那些不能用简单的数学模型进行描述的线面，则需由不规则的、

离散数据加以构造，通常采用插值法或曲线拟合法。除此之外，还包括曲线曲面的拼接、

分解、过渡、光顺、整体修改、局部修改等。

（三）图形元素的求交以及集合运算

几何建模中的核心算法是物体拼合算法，也就是通过如交、并、差等集合运算将基

本体拼合成所需要的任意复杂的物体。拼合运算的基础是几何运算，在各种几何运算中

又基本上可分为两大类：一类是求交运算，一类为检验几何元素位置的运算。其中求交

运算可分为：!面与面的相交；"面与线的相交；#线与线的相交。而检验位置的运算

则分为：!交点是否在给定的线段上；"交点是否在给定的平面上；#交点是否在给定

的物体上。求交运算还是消隐等算法的基础。

（四）图形字符的生成

工程图样中标注的英文字母、数字、汉字及各种符号等统称为字符，字符的描述方

法通常有点阵式和矢量式两种。按照字符的生成原理，字符可分为文本字符和图形字符。

文本字符采用点阵式或矢量式描述，这种字符不能直接在绘图机上画出。图形字符用矢

量（笔画）式描述，一般靠软件利用编码技术生成。

点阵式即由像素点阵拼成字符，每个字符点阵为 7 8 9，9 8 : 或 47 8 4; 等，字符编码

由 < 和 4 组成，4 代表像素亮点，< 代表不亮。点阵越密，字符质量越高，但编码所占空

间也会相应增大。

用软件产生矢量图符时，应先定义字符，把字符的笔画数字信息按事先定义好的编

==

皮革制品 >"!?>"@

码结构存储起来，再编写通用程序调用和书写字符。如 !"#$%!& 软件提供了一套定义字

符的编码系统，它使用一种称为 ’()*+ 的图形实体来定义字符，一个形或若干个形组合在

一起存储在形文件（! , -./）中。由它定义的字符信息量少，调用速度快，具有显示和

直接在绘图机上绘制的优越性。

二、图形生成方法

图形生成方法决定了计算机绘图的作用和效率，因而始终是 %!& 研究中的一项重要

内容，只有简便、快捷地生成图形，才能使 %!& 系统更加实用。归纳起来，主要有以下

五种方法。

（一）轮廓线法

任何一个二维图形都由线条组成，它们是所描述实体上各几何形状特征在不同面

上投影产生的轮廓线的集合。所谓轮廓线法，就是将这些线条逐一绘出，它只取决于

线条的端点坐 标，不 分 先 后，没 有 约 束。这 种 方 法 简 单 且 适 应 面 广，但 绘 图 工 作 量

大、效率低，容易出错。另外，采用轮廓线法生成的图形重用率低，要改变图形的某一

几何尺寸，就必须重新修改程序或重画相关部位，因而难以满足系列化产品图形的设计

要求。

采用轮廓线法绘图通常有两种工作方式：一是编制程序，成批绘制图线，程序一经

确定，所绘图形也就确定了，若要修改图形，只有修改程序，这是一种程序控制的静态

的自动绘图方式。二是利用交互式绘图软件系统，以人机对话方式生成图形，!"#$%!& 绘

图软件就属于这种方式。

（二）参数化法

参数化法是指对于几何形状类似的图形，定义一组参数与主要的形状尺寸相对应，

当赋予参数不同的数值时，可获得大小不同但形状类似的图形，即用参数约束图形。这

种方法可提高绘图速度，但不适于约束关系不定的、结构可能会经常变化的新产品的设

计，通常用于建立已定型系列化产品的图形库，利用一套几何模型，即可随时调出所需

产品型号的图纸，也能进行约束关系不变的改型设计。

参数化法也有程序绘图和交互绘图两种工作方式。程序绘图需将参数代入程序或在

程序运行初期输入其中；交互绘图则先将赋有缺省值的参数图以图形文件形式存入系统，

使用时调入，再以人机对话方式逐一改变参数。

具有图形参数化功能的 %!& 系统能够记录和识别几何图形的拓扑关系和几何约束关

系，其中拓扑关系确定了几何图形的构成规则，几何约束关系确定了图形元素之间特殊

的相对位置，如水平、垂直、相切、对称等。

（三）图形元素拼合法

图形元素拼合法（简称图元拼合法）类似于一种搭积木的方法。将各种常用的、带

有某种特定专业含义的图形元素存储建库，设计绘图时，根据需要调用合适的图形元素

加以拼合。这种方法可用于新产品的设计和绘制，效率又远远高于轮廓线法。通常，图

形元素的定义和建库都是针对本行业产品形状特征的，要想建立一个包罗万象的、通用

的图形元素库是很困难的。因此，图形元素库大多适用于一定范围。图形元素拼合法要

以参数化法为基础，每一个图形元素实际上就是一个小参数化图形。固定尺寸参数的图

01

第五章 计算机辅助皮革制品图形处理

形元素在应用中几乎没有实用价值。

图形元素拼合法既可以交互方式通过屏幕菜单拾取选项加以拼合，也可以通过在总

控程序中选择调用各图形元素子程序实现操作。

（四）尺寸驱动法

这是一种交互式的变量设计方法。绘图伊始，按设计者的意图，先将草图快速勾画

于屏幕之上，然后根据产品结构形状需要，为草图建立尺寸和形位约束，草图就戏法般

受到这种约束的驱动而变得横平竖直起来，尺寸大小也一一对应。这种方法甩掉了繁琐

的几何坐标点的提取和计算，保留了图形所需的矢量，尺寸绘图质量好、效率高；它使

设计者不再拘泥于一些绘图细节（如某线条是否与另一条相关线平行、垂直，它的端点

坐标是什么等），而把精力集中在该结构是否能满足功能要求上，因而支持快速的概念设

计，怎么构思就怎么画，所想即所见，绘图和设计过程形象、直观。至于那些图形细节，

只要约束一经建立，就全部由系统代劳了。尺寸驱动法是当前图形处理乃至 !"# 实体建

模的研究热点之一，它的原理还可应用于装配设计，建立好装配件间的尺寸约束关系，

即可支持产品零部件之间的驱动式一致性修改。

（五）三维实体投影法

回顾设计师的设计过程，尤其是进行零件结构设计时，首先在思维中建立起来的是

一种三维物体模型，只是苦于没有一个形象描述、记录的工具和手段，因而将其投影到

不同的平面，绘出二维图纸；而在读图时，又要在头脑中还原图纸表示的三维物体。随

着设计的不断深入、不断修改，这种投影、还原，还原、投影的过程就要在设计师的头

脑中反复进行。如果开始设计时就在计算机三维建模环境下，则不仅能更直观、全面地

反映设计对象，还能减轻设计师的负担，提高设计质量和效率。这时，若要将三维设计

结果以二维图纸形式输出，则只需利用三维几何建模软件系统中提供的二维图投影功能

就可方便地实现，再加上一些必要的修改，补充好尺寸标注、公差和技术要求。这种方

法最为理想，它不仅使设计直观化，而且将二维绘图工作量减小到最大限度。另外，因

为二维图是三维实体投影而来，二者之间有着一对一的映射关系，故对二维图中尺寸变

量加以修改后，能直接反馈到三维实体，三维实体也随之改变。可以预见，这将是未来

计算机绘图的主要方法。

三、图形与图像处理

（一）矢量图与点阵图

计算机辅助图形处理就是利用计算机存储、生成、处理和显示图形，并在计算机控

制下，把过去由人工一笔一画完成的绘图工作由自动绘图机等图形输出设备来完成。实

际上，计算机处理的图形不仅包括可由绘图机等绘图工具绘出的工程图样，还包括客观

世界的各种景观、图片、绘画及雕塑等。计算机只能处理数字化的信息，这两种图形在

计算机中的存储方式也是数字式的，并且在计算机内部是采用不同的方法描述的，一种

为矢量图形，一种为点阵图形。

所谓矢量图形，即计算机记录图形的形状参数与颜色、线型等属性参数。当以矢量

方式存储一条曲线时，只存储曲线的起始位置、结束位置以及标识该曲线的某些信息

（如曲率半径、颜色等）。所谓点阵图形，即用点阵的填充来表示图形，构成点阵的所有

$%

皮革制品 !"#&!"’

点（像素）都具有一定的灰度和色彩。当以点阵方式存储一条曲线时，保存的是这条曲

线上成千上万个点的位置及其信息（如颜色）。通常，将点阵图形称为图像，而将矢量图

形简称为图形。

矢量图与点阵图的区别体现在以下四个方面。

!" 分辨率

矢量图形与分辨率无关，可以实现高精度的打印输出。即可以将矢量图缩放到任意

大小，以任意分辨率在输出设备上打印出来，都不会影响清晰度。点阵图像是与分辨率

有关的，即在一定面积的图像上包含有固定数量的像素。因此，如果在屏幕上以较大的

倍数放大显示图像，或以过低的分辨率打印，位图图像会出现锯齿边缘。

#" 文件存储尺寸

点阵图占用的存储器空间比较大。影响点阵图大小的因素主要有两个：图像分辨率

和像素深度。分辨率越高，就是组成一幅图的像素越多，则图像文件越大；像素深度越

深，就是表达单个像素的颜色和亮度的位数越多，图像文件就越大。而矢量图文件的大

小则主要取决图形的复杂程度。

$" 编辑性能

矢量图具有高度的可编辑性。因为矢量图由曲线、结点及决定物体外形的各种控制

点组成，这些控制点处理起来比较方便。点阵图可以进行像素编辑，不存在描述图的数

字控制点，必须逐点编辑点阵图。

%" 显示效果

矢量图与点阵图相比，显示点阵图文件比显示矢量图文件要快。尤其对于复杂图形，

使用矢量图形计算机要花费很长的时间去计算每个对象的大小、位置、颜色等特性。且

由于其固有的特性，矢量图通常看起来没有点阵图那样形象生动，缺乏真实感。点阵图

真实感强，适合于表现比较细致、层次、颜色比较丰富、含有大量细节的图像。

由此可见，矢量图侧重于“绘制”，而点阵图偏重于“获取”。矢量图和点阵图之间

可以用软件进行转换，由矢量图转换成点阵图采用光栅化技术，这种转换也相对容易；

由点阵图转换成矢量图用跟踪技术，这种技术在理论上说是容易，但在实际中很难实现，

对复杂的彩色图像尤其如此。

目前，可用来进行图形图像设计的软件非常多，有些软件专门处理矢量图，如 &’()*+&,、+)-./,0&1 和 2-..3456；有些软件专门处理点阵图，如 73)()83)9 和 73)()8(:/.。

（二）常用图形格式

常用的点阵图文件类型有很多，如! " ;<9、! " 9=>、! " ?@A、! " B9?、! " (@A、73)()*83)9 的! " 9C6、D)64E 73)() +, 的! " 9=6、+)-./ 73)()74@5( 的! " =9( 等。常用的矢量图形格

式也 很 多，如 &6);. F//’C(-4()- 的! " 4@、! " .9C、! " CG?、&’()+&, 的! " 6H?、! " 6>A、+)-./,0&1 的! " =6-、1@56)HC 标准图元文件! " H<A 和增强型图元文件! " .<A 等。

!"IJ7 格式

IJ7 是 1@56)HC 操作系统中的标准图像文件格式，能够被多种 1@56)HC 应用程序所支

持。随着 1@56)HC 操作系统的流行与丰富的 1@56)HC 应用程序的开发，IJ7 位图格式被广

泛应用。IJ7 格式的特点是包含的图像信息较丰富，但由于其几乎不进行压缩，导致占

用磁盘空间过大。

!K

第五章 计算机辅助皮革制品图形处理

!"#$% 格式

#$% 格式是 &’()* 公司在开发图像处理软件 #+,-./0123 时开发的一种格式，这是一种

经过压缩的格式，占用磁盘空间较少。由于该格式出现的时间较长，并且具有压缩及全

彩色的能力，所以现在仍比较流行。

4"56) 格式

56)（50+73,82 6-.9083+-:9 );0<+.）是美国 $;<71’90=9 公司于 >?@A 年制定的格式，56)格式的特点是压缩比高，磁盘空间占用较少，所以这种图像格式迅速得到了广泛的应用。

B" C#D5 格式

C#D5 是由联合照片专家组（C;,-. #3;.;:0+73,8 DE790.2 50;17）开发的，其扩展名为 " F7:或 " F79:。其压缩技术十分先进，它用有损压缩方式去除冗余的图像和彩色数据，在获取

极高的压缩率的同时能展现十分丰富生动的图像。同时 C#D5 还具有调节图像质量的功

能，支持以不同的压缩比例对这种文件压缩。

C#D5!GGG 采用新一代静态影像压缩技术，是 C#D5 的升级版，它具备更高的压缩率以

及更多的新功能，其压缩率比 C#D5 高约 4GH。与 C#D5 不同的是，C#D5!GGG 同时支持有

损和无损压缩，而 C#D5 只能支持有损压缩。

I"*6)) 格式

*6))（*+: 6<+:9 ),J9 );0<+.）是 K+8 中广泛使用的图像格式，它由 LJM12 和微软联合开

发，最初是出于跨平台存储扫描图像的需要而设计的。它的特点是图像格式复杂、存储

信息多。正因为它存储的图像细微层次的信息非常多，图像的质量也得以提高，故而非

常有利于原稿的复制。该格式有压缩和非压缩两种形式，其中压缩可采用 N&O 无损压缩

方案存储。

P"#’Q 格式

#’Q（#3;.;23;7 Q;81<9-.）格式是 LM;/9 公司的图像处理软件 #3;.;’3;7 的专用格式。

#’Q 其实是 #3;.;23;7 进行平面设计的一张“草稿图”，它里面包含有各种图层、通道、遮

罩等多种设计的样稿，以便于下次打开文件时可以修改上一次的设计。在 #3;.;23;7 所支

持的各种图像格式中，#’Q 的存取速度比其他格式快很多，功能也很强大。

A"Q%) 格式

Q%)（L1.;M92R Q0+S,-: DE83+-:9 );0<+.）是 L1.;$LQ 中的矢量文件格式，它以 L’$66码方式存储文件，在表现图形的大小方面十分精确。许多软件都支持 Q%) 格式的输入与

输出。

@" ’T5 格式

’T5（’8+J+/J9 T98.;0 50+73,82）格式是由 O;0JM O,M9 O9/ $;-2;0.,1<（O4$）联盟基于

%KN（DE.9-2,/J9 K+0R17 N+-:1+:9）进行开发的。严格来说应该是一种开放标准的矢量图形

语言，用户可以直接用代码来描绘图像，可以用任何文字处理工具打开 ’T5 图像，通过

改变部分代码来使图像具有互交功能，并可以随时插入到 U*KN 中通过浏览器来观看。

?"OK) 格式

OK)（O,-M;S2 K9.+V,J9 );0<+.）是 O,-M;S2 中常见的一种图元文件格式，属于矢量文

件格式。它具有文件短小、图案造型化的特点，整个图形常由各个独立的组成部分拼接

而成，其图形往往较粗糙。

!?

皮革制品 $LQW$LK

!"#$%& 格式

$%&（$’()’*+, %+-)./0+）是微软公司为了弥补使用 1%& 的不足而开发的一种 1/’2,34567 位扩展图元文件格式，也属于矢量文件格式，其目的是欲使图元文件更加容易

接受。

第三节 设计资料的处理

皮革制品设计的计算机辅助过程，实质上可以看作是对各种数据流进行自动处理的

过程。数据流包括输入数据、设计资料、输出数据等，如图 8!9 所示。

图 8!9 计算机辅助设计的数据流

在皮革制品设计过程中，所用的设计资料包括各种计算公式、各种标准规范、各种

数表和线图等。例如各种中号皮鞋楦底样长、放余量及后容差数据；鞋脸、鞋耳、鞋舌

长度比例数据；全国成年男子（女子）趾围分布曲线图等。在传统的设计中，这些资料

都是以设计手册的形式提供给设计人员的；在计算机辅助设计的应用中，必须将这些资

料转化成为计算机可以识别、处理的数据形式才能达到自动处理的目的。总体说来，设

计资料可以归纳为数表和线图两大类，其处理方法有以下两种。

!# 程序化

在应用程序内部对这些数表及线图进行查表、处理或计算。具体处理方法分为两种：

第一种是将数表或线图拟合成计算公式，编入程序计算出所需数据，这种方法程序简洁，

占用内存小，但若数据和公式改变时则需要重新编程。第二种是将数表中的数据或线图

经离散化后存入数组，用查表、插值等方法检索所需数据，这种方法的优点是简单易用，

缺点是数据融入源程序、数组占用内存大、数据不易更改，适用于数据量小、数据固定

不变的场合。

7# 数据库存储

将数表或经离散化的线图中的数据按数据库的结构化要求存放在数据库文件当中，

数据完全独立于应用程序，但又能为所有应用程序提供服务。这种方法的优点是应用程

序不必随数据的变化而修改，数据库管理系统为应用程序分担了对数据操作的任务；数

据结构性好，数据更改更为方便；数据冗余度低，统一性、可靠性和共享性好。这种方

法适用于处理数据复杂的问题，是目前数据处理中较为先进的方法。

一、数表的程序化

数表的程序化有两种基本方式：一种是把数表中的数据以数组的形式结合数据的检

取直接编在解题的程序中；另一种方式则是把数据编成一个与程序分开的数据文件，并

6:

第五章 计算机辅助皮革制品图形处理

存储在辅存中，供解题程序检取或调用。还可以在文件的基础上建立数据库，以适应

!"#$!"% 作业的需要。

（一）实例

不同年龄段素头皮鞋楦底心凹度的数据见表 &!’。

表 !!" 不同年龄段素头皮鞋楦底心凹度的数据 单位：((

项 目

年 龄幼 童 小 童 大 童 成年女 成年男

号 型 )*& )+, -)& -’,（二） -&,（三）

后跟高 ! )’ )& ). -, -&底心凹度 " -/& ’/& */& & 0

在查询表中所列的数据时，仅有一个自变量，即表示不同年龄段的中号素头皮鞋的

号型，且为非数值型，查询得到的函数值为素头皮鞋楦的后跟高和底心凹度，均为离散

型实型数。程序化时可以定义两个一维数组，并将表中数值添加在程序中使数组初始化，

在定义一个整型变量 # 代表号型，当 # 1 , 时代表幼童 )*&， # 1 ) 时代表中童 )+,，以此类

推。以下给出 ! 语言的程序片断。

234 2；56784 9［&］1｛)’/,，)&/,，)./,，-,/,，-&/,｝；

56784 :［&］1｛-/&，’/&，*/&，&/,，0/,｝；

如用户给定 # 1 ’，即成年女 -’,（二），则程序可立即查出 !［’］1 -,/,，"［’］1 &/,。

（二）一元函数的插值

由于工程上许多复杂问题难以确定其变量之间的精确函数关系，所以设计手册中的

许多数表实际上是人们用试验测得的数据，是经验数据的总结。用数表表示的列表函数，

只能给出各节点 $)，$-，⋯$% 上的函数值 &)， &-，⋯ &% 。如果需要求不在节点上的函数

值，当精度要求较低时可用附近节点上的函数值来近似代替；如果要求较高，则必须用

插值的方法求得。

插值法的基本思想是：在插值点附近选取几个合适的节点，过这些点构造一个简单

函数 ’（$），在所选区间用 ’（$）代替原来的 (（$），这样插值点的函数值就用 ’（$）的值

来替代，’（$）也称为逼近函数。因此，插值法的实质问题就是如何构造一个既简单又具

有足够精度的函数 ’（$）来代替原来的 (（$）。

常用的插值方法有：线性插值、抛物线插值、拉格朗日插值和分段插值等。

)/ 线性插值

如果 & 只是 $ 的单变量函数 & 1 (（$），则称列表函数 & 是一维的。对于给定的 $，求

其函数值 &。

线性插值就是在插值点前后选取两点来构造一个线性函数 ’（ $）代替原来的函数

(（$），如图 &!. 所示。设所选取的点分别是：（ $# ， &# ），（ $# ; )， &# ; )），且满足条件 $# <$ < $# ; )。过这两点作直线 ’（$）代替原来的函数 (（$），得一维线性插值公式：

& 1 &# ; ) = &#

$# ; ) = $#（ $ = $# ） ; &# （&!>）

*>

皮革制品 !"#$!"%

从图中可知，上述插值的结果会产生一定的误差 !（"）! #（ "），故线性插值主要用于自

变量间隔较小，插值精度要求不高的场合。如果需要较高的插值精度，可采用多点插值法。

"# 抛物线插值方法

一元列表函数 $ $ #（ "）的抛物线插值法是使用通过相邻三个节点的抛物线来构造

!（"）代替原来的函数 #（"），如图 %!& 所示。其方程式为：

图 %!& 抛物线插值示意图图 %!’ 线性插值示意图

$ $（ " ! "% ）（ " ! "% ( )）

（ "% ! ) ! "% ）（ "% ! ) ! "% ( )）$% ! ) (

（ " ! "% ! )）（ " ! "% ( )）（ "% ! "% ! )）（ "% ! "% ( )）

$% (（ " ! "% ! )）（ " ! "% ）

（ "% ( ) ! "% ! )）（ "% ( ) ! "% ）$% ( ) （%!)*）

在抛物线插值中，关键是根据插值点 "（满足 "% ! ) + "! "% ， % $ ,，-，!& ! )）选取

合适的三个点，插值区间的选取方法如下：

"当 . " ! "% ! ) .! . " ! "% . 时， " 靠近 "% ! ) 点，选取点 "% ! "， "% ! )， "% ，这时式（%!)*）

中的 % $ % ! )；

#当 . " ! "% ! ) . / . " ! "% . 时， " 靠近 "% 点，选取点 "% ! )， "% ， "% ( )，这时式（%!)*）

中的 % $ %；

$当 ")!"!"" 时，" 靠近表头，选取点 ")，""，",，这时式（%!)*）中的 % $ "；

%当 "& ! )!"!"& 时，" 靠近表尾，选取点 "& ! "，"& ! )，"& ，这时式（%!)*）中的 % $ & ! )。

,# 拉格朗日插值公式

将线性插值和二次插值的方法推而广之，可以求得 & 个节点的 & ! ) 次插值多项式为：

$ $ "&

% $ )

（ " ! ")）（ " ! ""）!（ " ! "%!)）（ " ! "%()）!（ " ! "& ）（ "% ! ")）（ "% ! ""）!（ "% ! "%!)）（ "% ! "%()）!（ "% ! "& ）

$%

$ "&

% $[

) #&

’ $ )’$ %

" ! "’

"% ! " ]’$% （%!))）

式（%!))）中，# 表示累乘，#&

’ $ )’$ %

表示乘积遍取 ’ 从 ) 到 & 除 ’ $ % 以外的全部整数值，这就

是拉格朗日插值公式。该式在逻辑结构上表现为二重循环，内循环计算累乘，再用外循环求

代数和。

-# 分段插值

适当提高插值公式的阶数可以改善插值精度，但阶数太高的插值公式效果并不好。

%0

第五章 计算机辅助皮革制品图形处理

在实际进行插值时，通常将插值范围划分为若干段，然后在每个分段上用低价插值（如

线性插值或抛物线插值），这就是分段插值方法。用低价插值的关键在于选择适当的插值

节点，选取的节点 !" 离插值点越近，则误差越小。因此，应尽量在插值点的邻近选取插

值节点。

二、线图的程序化

在皮革制品的设计数据中，有些参数之间的函数关系是用线图来表示的，包括直线、

折线和各种曲线图。线图的特点是鲜明直观，变化趋势显而易见。图 !!" 所示的全国城市

成年男、女脚长分布曲线即是用线图表示的。但是，线图本身不能用来直接解题，也不

能以线图的形式直接存储于计算机中，因此在 #$%&#$’ 系统中必须将线图变成相应的数

据形式存储，供设计时检索调用。处理线图时，可先将其转换成数表，然后用上文所述

的数表程序化方法将其程序化；也可以直接将线图公式化，在设计程序中调用。

图 !!" 全国城市成年男、女脚长分布曲线

无论用何种方法处理线图，都必须首先将线图离散化。为了将线图变换成数表，可

在曲线上取一些节点，把这些点的坐标列成一张一维数表。节点的选取随曲线的形状而

异，选取的基本原则是使各节点函数值之间相差不致很大。

一条曲线可变换为一张一维数表。当线图上有多条曲线时，可以将它们组合成一张

二维数表，经程序化处理后便可在设计程序中调用。

除可将线图程序化外，还可以将其公式化，即用插值方法或最小二乘法将离散化的

线图转化为公式。

第四节 交互式二维绘图系统的基本功能

以处理二维平面图形为主的图形软件系统称为二维图形软件。应用二维绘图基本功

能可完成皮革制品工程图样的绘制。大多数二维绘图软件系统都采取人机交互的工作方

式，操作者通过选择菜单或者直接键入相应命令，由系统调用各种图形处理功能，便可

生成所需的图形。

一、基本图形元素的生成和绘制

工程图样可以分解为若干基本部分。在二维图形软件系统中用以构成各种图样的基

("

皮革制品 #$%&#$’

本图形单元称为基本图形元素，简称图素或图元。在二维图形软件系统的数据库中，工程

图样以图元集合的形式存储为数据文件。当输入生成图元的命令和参数时，软件系统就在

内存中建立描述该图元的数据结构记录，同时在屏幕上显示相应的图元。可把在数据库中建

立描述图形数据结构的过程称为定义图形，而向屏幕或绘图机等输出图形称为绘制图形。

图元按形状可分为点、直线段、圆和圆弧、由直线段组成的封闭多边形、由直线段

和圆弧相接组成的多线段、逼近任意形状曲线的样条曲线、字符、文字符号等。

一般地，对同一类图元在数据库文件内部都是采用相同的数据结构存储。例如，存

储直线段都是存储其两端点的坐标。但在输入其定义时，为方便作图起见，则可有多种

选择。例如，在定义圆时，可采取输入圆心点坐标和半径长度；输入圆心点坐标和直径

长度；输入圆周上三个点坐标等不同的方法。

二维图形软件对图元除了定义其形状以外，还要定义线型和层等几何属性。例如，

对于皮革制品样板图中的不同零部件，需要采用不同的线型如粗实线、细实线、细点划

线、虚线、双点划线等来表示，在生成图元时要指明其线型。二维图形软件系统一般还

应具有根据需要自行定义线型规格的功能。还可在屏幕上分别选用不同颜色显示不同线

型，以作明显区别。

图样中的各个图元，可以人为地赋予所谓层的属性，具有相同层属性的图元有相同

的线型、颜色和可见性（在显示时可指明哪些层上的图元要显示或不显示）。一个工程图

样分别在不同层上定义存储，可想像为该图样由多张透明纸绘制覆盖组成，同一层上图

形元素绘在同一张透明纸上，可以抽出单独进行修改，可任意组合显示。对于代表位于

空间不同实体的图元，采用分层控制显示，可以给人以清晰的空间相互位置关系概念。

绘图时，通常将具有某些相同特征的图元，如尺寸标注、汉字注解等集中定义在某一层

上，以便于图形的编辑和修改。

二、基本图形元素组合及图形的编辑和修改

工程图样中经常有许多重复出现的子图形，这些子图形又由若干图元组成。图形软

件系统，通常都具有将由若干图元组成的子图形定义为图形组合单元的功能，这种图形

组合单元常称为组或块，可以为组或块定义属性。采用组或块可以有效提高绘图效率，

节省图形存储空间。

对图形的典型编辑和修改处理功能有：

移动：将对象从图上某个位置移至另一位置；

复制：将对象复制到图上另一位置；

删除：删除多余的对象；

镜像：按照指定的镜像线对源对象进行镜像复制；

缩放：按照给定的要求改变对象的比例；

旋转：按照给定的角度旋转对象；

阵列：按照给定的规律（通常为环形或矩形阵列），一次将对象复制到多处；

延伸：使选定的对象延伸至与另一选定为界限的对象相交；

打断：以某一对象为界限，将其他相交的对象打断；

倒角：将两条指定边在相交处倒角并删去倒角外线段；

!"

第五章 计算机辅助皮革制品图形处理

圆角：将两条指定边在相交处以圆弧连接，并删去圆弧外线段。

三、辅助作图功能

为方便观察和定义图形，图形软件系统常具有下列辅助作图功能。

（一）缩放及平移

由于屏幕尺寸所限，在绘制复杂图形时，必须经常调整屏幕显示比例和显示的部位。

缩放命令用以改变显示的比例；平移命令则用以改变显示部位。

（二）栅格及捕捉

栅格的作用类似于坐标纸，在屏幕上显示有供作图参考对比的辅助性网格点或网格

线，网格划分的疏密由输入的参数控制；捕捉用于设定鼠标指针移动的间距。当启用栅

格和捕捉后，移动光标位置输入点坐标时，点的位置会自动被限制在设定的网格节点上，

从而实现点坐标的精确输入。

（三）正交方式

在正交方式下，光标在屏幕上只能沿水平和垂直方向移动，便于绘制水平线或垂

直线。

（四）对象捕捉

在对象捕捉方式下，可快速、准确地拾取对象上的一些特殊几何点，如端点、中心

点、交点、垂足点、切点、最近点等。

（五）追踪方式

追踪方式通常有极轴追踪和自动追踪，通过定义追踪增量角即可实现图形的快速

绘制。

四、尺寸标注、查询及属性定义功能

尺寸标注是绘制机械工程图的基本工作内容之一。采用图形软件系统进行尺寸标注

时，一般只需在输入尺寸类型（角度、半径、直径、水平长度、垂直长度）之后，再输

入被标注对象（或尺寸界限）及尺寸数据标注位置即可。半自动尺寸标注功能，首先具

有将标注尺寸中引用的有关图元及符号（尺寸线、尺寸边界线、字符、箭头等）按照输

入情况自行智能安排；其次，它能自动提供被标注尺寸的默认值，该默认值是按照被标

注对象（或尺寸界限），在图形数据库中存储的坐标值计算得到，只有当标注值与默认值

不同时，才需要人工输入标注值。尺寸标注中有关的状态和参数，例如，箭头大小、字

符大小、尺寸标注值是在尺寸线中间或是在尺寸线之上、公差值的标注形式等，都可由

操作者选择设定默认值。

查询功能，指软件系统可以对用户提出的查询要求，列出图形数据库中被查询图元

的有关数据，并可以在作一些计算之后回答，诸如两指定点之间距离、多边形的的面积、

周长等问题。

皮革制品工程图作为设计内容的表达，还应包含有许多非几何图形信息，例如零部件的

代号、加工工艺要求、材料、数量等。非几何图形信息不能以图形表示，是不可见的。但软

件系统所提供的属性功能，可以将上述非图形信息定义为属性内容，赋给相关的图元，并

且可以进行查询管理。经过软件接口，还可以将上述信息提取并传递到其他模块。

!"

皮革制品 #$%&#$’

第五节 皮革制品工程图样的处理

对现代化皮革制品企业实行科学管理的重要方法是用标准图纸指导生产，操作工人

严格照图施工。皮革制品工程图样就是用来指导生产的标准图纸，它包括皮革制品的效

果图及部件图等内容。工程图样的合理性、标准化程度、规范化程度决定了皮革制品企

业的技术水平。皮革制品 !"# 系统的优劣也主要体现在对工程图样的处理能力上，所以

工程图样设计也是评价 !"# 系统的重要因素之一。

一、皮革制品工程图样的特点及分类

（一）皮革制品工程图样的特点

由于其产品自身的特点，皮革制品工程图样与其他行业的图样相比，具有以下几个

特点：

（$）图形对象多为曲线，且常是不规则的曲线；

（%）图样中所需表达的细节较多，如鞋底花纹、装饰图案、装饰件等；

（&）图样中需要表现的零部件形状、位置及层次关系较复杂，要采用不同的线条及

符号来表示。

因此，工程技术人员应具备一定的绘图知识，要学会绘图和读图。在熟悉产品工艺

加工过程的基础上，应掌握一些通用计算机绘图软件或专业软件。

（二）皮革制品工程图样的分类

以皮鞋生产为例，每双鞋都是由若干部件组成的，不同款式品种的皮鞋其部件数量

也不尽相同。制鞋时先加工鞋的部件，然后把部件装配成成品鞋。

一般地，把直接表示皮鞋外观式样、颜色、结构的图样称为效果图，把表示部件形

状的图样称为部件图，把表示鞋帮或鞋底整体结构组合关系的图样称为装配图。皮鞋工

程图样的分类如图 ’!$( 所示。

图 ’!$( 皮鞋工程图样的分类

二、计算机辅助皮鞋工程图样设计

现阶段，国内多数制鞋企业仍然依靠手工方法进行皮鞋工程图样的设计。如通过贴

))

第五章 计算机辅助皮革制品图形处理

楦的方法手工制板获取净样板，然后在其基础上制作里样板、下料样板、折边样板等系

列样板。这种方法比较直观，但过分依赖于设计人员的实践经验，效率较低。

采用计算机辅助设计的方法进行皮鞋工程图样设计，具有设计效率高、速度快、适

应性强等特点，设计精度、准确度和易用程度等远远高于手工操作，尤其对于如加放余

量、样板扩缩、楦面展平等重复性工作而言，具有无可比拟的优越性。

计算机辅助皮鞋工程图样设计可借助专业设计软件来完成，也可以对通用设计软件

进行适应于皮革制品行业的二次开发，在其基础上来完成。

（一）专业软件设计

目前，鞋类专业设计软件发展速度很快，各个软件在功能上也有较大的差异。主要

功能包括：鞋楦设计（楦型输入、修改与楦面展平）、三维鞋样效果图设计、二维三维双

向帮样设计、三维底跟设计、排料设计等。

（二）通用软件设计及二次开发

专业设计软件功能比较完善，但是，在现阶段，对于国内多数中小制鞋企业而言，

还存在着人才、技术、资金等制约因素。针对制鞋行业的具体要求，对通用设计软件进

行二次开发是一种简便易行的解决方法。

用户化二次开发工作是计算机辅助皮鞋工程图样设计应用软件开发中的重要内容，

对应用效果有很大影响。目前，几乎所有的支撑软件均具有用户化二次开发模块，如 !"#$%&!’ 软件自身的二次开发工具有 ()*"+,-./0、12345$!67 和 !"$%&!’(8! 等。

思考题与习题

9: 试述窗口和视区的概念和变换原理。

;: 简述二维图形变换的基本原理、方法、种类。

<: 什么是复合变换？如何实现复合变换？

=: 计算机图形生成方法有哪些？各有什么特点？

>: 矢量图与点阵图的区别有哪些？

?: 常见的设计资料都有哪些类型？它们在计算机中如何处理？

@: 皮革制品工程图样有何特点？

A: 简述 &!’ 软件二次开发的必要性。

BB9

皮革制品 &!’C&!D

第六章 皮革制品的三维建模技术

三维几何建模技术是 !"#$!"% 系统的理论基础，是采用直观方法构造皮革制品产品

及零件形状的一种手段，同时为产品的后续处理（分析、计算、制造等）提供了条件。

本章主要介绍 !"#$!"% 系统中常用的三维几何建模方法及其在皮革制品设计中应用。

第一节 引 言

一、几何建模技术

几何建模技术是 &’ 世纪 (’ 年代中期发展起来的，它是一种通过计算机表示、控制、

分析和输出几何实体，是 !"#$!"% 技术发展的一个新阶段。

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。所谓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模型。通过这种方法定义、描

述的几何实体必须是完整的、惟一的，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。通常把能够定义、

描述、生成几何实体，并能交互编辑的系统称为几何建模系统，它是集理论知识、应用

技术和系统环境于一体的。计算机集成制造系统的水平很大程度上取决于三维几何建模

系统的功能，因此，几何建模技术是 !"#$!"% 系统中的关键技术。

二、二维绘图与三维建模

皮革制品产品的设计与制造涉及许多有关产品几何形状的描述、结构分析、工艺设

计、加工、仿真等方面的技术，其中几何形状的定义与描述作为其核心部分，它为结构

分析、工艺规程的生成以及加工制造提供基本数据。不同的领域对物体的几何形状定义

与描述的要求是不同的。在产品设计中，经常用投影视图来表达一个零件的形状及尺寸

大小。早期 !"# 系统基本上是显示二维图形，这恰好能够满足单纯输出产品设计结果的

需要，!"# 工程图成为描述和传递信息的有效工具。由于二维系统可以满足一般绘图工

作的要求并且所占存储空间少，价格便宜，因此 !"#$!"% 的研究大多是从二维系统开始

的，尤其对平面状零件，如皮革制品的展平图、样板图、鞋帮样图和某些模具图，用二

维视图和剖面图完全可以准确、清楚地对工件进行描述。但是在二维系统中，各视图及

剖面图在计算机内部是相互独立产生的，它不可能将描述同一个零件的这些不同信息构

成一个整体模型。所以当一个视图改变时，其他视图不可能自动改变，这是它的一个

弱点。

皮革制品产品设计过程可以描述为，首先在设计人员思维中建立起产品的真实几何

)’)

形状或实物模型，然后依据这个模型进行必要的设计、分析、计算，最后以实体或通过

投影以图样的形式表达设计的结果。因此，仅有二维的 !"# 系统是远远不够的，人们迫

切需要能够处理三维实体的 !"# 系统。

现实世界的物体是三维的，只有采用三维几何建模才能更加真实地、完整地、清楚

地描述物体，它代表了当今 !"# 发展的主流。例如鞋的设计，过去是从完全的手工二维

图纸开始，而现在鞋的设计包括造型设计、结构设计、色彩设计及各组成零部件的设计

等，大部分都采用计算机辅助的二维或三维数字化设计。

由于计算机内部的数据是一维的、离散的、有限的，客观事物大多是三维的、连续

的，如何表达与描述三维实体，怎样对几何实体进行定义，保证其准确、完整和惟一，

怎样选择数据结构描述有关数据，使其存取方便自如等，都是几何建模系统必须解决的

问题。

三、三维建模技术基础

（一）三维形体的几何信息和拓扑信息

三维实体的处理需要考虑到构成这一实体的几何信息和拓扑信息。几何信息一般是

指一个物体在三维欧氏空间中的形状、位置和大小。具体地说，几何信息包括有关点、

线、面、体的信息。如对于一条空间直线，可以用它的两个端点的位置矢量来表示，也

可以用其端点在三维直角坐标系中的坐标分量来定义。但是只用几何信息表示物体并不

充分，常会出现物体表示上的二义性。例如图 $!% 中的五个顶点可以用两种不同方式连接

起来，就可能有不同的理解。这说明对几何建模系统来说，为了保证描述物体的完整性

和数学的严密性，必须同时给出几何信息和拓扑信息。

图 $!% 物体表示的二义性

拓扑信息是指一个物体的拓扑元素（顶点、边、和表面）的个数、类型以及它们之

间的关系，根据这些信息可以确定物体表面的邻接关系。因此，拓扑关系允许三维实体

做弹性运动，这些运动使得三维实体上的点仍为不同的点，而不允许把不同的点合并成

一个点。

对于两个形状和大小不一的实体的拓扑关系恰好可能是等价的。一个典型的例子是

立方体和圆柱体，这两个实体的几何信息是不同的，其拓扑特性是等价的，如图 $!&所示。

&’%

皮革制品 !"#(!")

图 !!" 拓扑等价的两个几何实体

对于多面体，其拓扑元素顶点、边、面的连接关系共有 # 种，如图 !!$ 所示。

图 !!$ 平面立体顶点、边和面的连接关系

（%）面相邻性 （&）面!顶点包含性 （’）面!边包含性 （(）顶点!面相邻性 （)）顶点相邻性

（*）顶点!边相邻性 （+）边!面相邻性 （,）边!顶点包含性 （-）边相邻性

描述形体拓扑信息的根本目的是便于直接对构成形体的各面、边及顶点的参数和属

性进行存储和查询，便于实现面、边及点为基础的各种几何运算和操作。

（二）形体的定义

形体在计算机内常采用五层拓扑结构来定义，如果包括外壳在内则为六层（如图 !!.所示），并规定形体及其几何元素均定义在三维欧氏空间中。

/0 体

体是由封闭表面围成的有效空间，其边界是有限个面的集合，外壳是形体的最大边

界，是实体拓扑结构中的最高层。

"0 壳

壳是由一组连续的面围成的，实体的边界称为外壳，如果壳所包围的空间是个空集

则为内壳。

$0 面

$1/

第六章 皮革制品的三维建模技术

面是形体表面的一部分，且具有方向性，它是有一个外环和若干个内环界定其有效

图 !!" 定义形体的拓扑结构

范围。面的方向用垂直于面的法矢表示，法矢向外为正

向面。

"# 环

环是由有向的边组成的封闭边界，环中各条边不能相

交，相邻两边共享一个端点。环有内环和外环之分，外环

最大且只有一个，内环的方向与外环相反。

$# 边

边是两相邻面（正则形体）或多个相邻面（非正则形

体）的交线，直线边由两个端点确定，曲线边由一系列型

值点或控制点描述，也可用方程表示。

!# 点

点是边的端点，点不允许出现在边的内部，也不能孤

立地存在于物体内、物体外或面内。点是几何造型中最基

本的元素，它可以是形体的顶点，也可以是曲线曲面的控

制点、型值点和插值点。

顶点则是面中不共线线段的交点。

%# 体素

体素是指可由若干个参数描述的基本形状，如方块、圆柱、球和环等，体素也可以

是由定义的轮廓沿指定迹线扫描生成的空间。

（三）正则集合运算

几何建模中几何运算的理论依据是集合论中的交、并、差等运算，是用来把简单形

体（体素）组成复杂形体的工具。

经过集合运算生成的形体也应是具有边界的、良好的几何形体，并保持初始形状的

维数。对两个实体进行普通布尔运算得到的结果是实体、平面、线、点或空集，只有结

果为实体或空集时对造型才有意义。若两个三维形体经过交运算后的结果为平面、直线

或点，即产生了退化，在实际的三维形体中是不可能存在的，如图 !!$ 所示，在形体中多

了一个悬面。这种在数学上是正确的，而在几何上是不恰当的集合运算需要加以避免。

为了解决上述问题，需采用正则集合运算来实现。

图 !!$ 两个三维形体的交

"&’

皮革制品 ()*+(),

正则集合运算与普通集合运算的关系为

!"! # ! $ "（#"!） （#!$）

!%! # ! $ "（#%!） （#!%）

! & ! # ! $ "（! & #） （#!’）

式中， "!、%!、 & !分别为正则交、正则并和正则差； $ 是封闭的意思； " 是内部的

意思。

图 #!(（)）为两个三维形体，普通布尔运算示意图，图 #!(（*）为普通布尔运算的结

果，出现了悬面，图 #!(（+）为正则求交的结果。

四、三维几何建模技术的发展

在 ,-./,-0 系统中，,-. 的数据模型是一个关键，随着 ,-. 建模技术的进步，,-0才能有本质的发展。在 ,-. 数据建模技术上，有四次大的技术革命。从早期的 ,-. 系统

以平面图形的处理为主，系统的核心是二维图形的表达。最早的三维 ,-. 系统所用到的

数据模型是线框模型，它用线框来表示三维形体，没有面和体的信息，在这种数据模型

基础之上的 ,-0 最多处理一些二维的数控编程问题，功能也非常有限。

法国雷诺汽车公司的工程师贝赛尔针对汽车设计的曲面问题，提出了贝赛尔曲线、

曲面算法，这称得上是第一次 ,-. 技术革命，它为曲面模型的 ,-./,-0 系统奠定了理论

基础，法国的达索飞机制造公司的 ,-12- 系统是曲面模型 ,-. 系统的典型代表。由于

,-. 系统曲面模型的出现，为曲面的数控加工提供了完整的基础数据，和这种 ,-. 系统

集成的 ,-0 系统可以进行曲面数控加工程序的计算机辅助编程。有了曲面模型，,-0 的

数控加工编程问题可以基本解决。

由于表面模型技术只能表达形体的表面信息，难以准确表达零件的其他特性，如质

量、重心、惯性矩等，不利于 ,-3 分析的前处理。基于对 ,-./,-3 一体化技术发展的探

索，4.5, 公司于 $676 年发布了世界上第一个完全基于实体造型技术的大型 ,-./,-3 软

件———2!.3-4。由于实体造型技术能够精确表达零件的全部属性，在理论上有助于统一

,-.、,-3、,-0 的数据模型表达，给设计带来了很大的方便，可以说，实体模型是 ,-.技术发展史上的第二次技术革命。实体造型技术在带来算法的改进和未来发展希望的同

时，也带来了数据计算量的极度膨胀，在当时的硬件条件下，实体造型的计算及显示速

度很慢，它的实际应用显得比较勉强，实体模型的 ,-. 系统并没有得到真正的发展。但

实体模型的 ,-./,-0 系统将 ,-3 的功能集成进来，并形成了 ,-.、,-3、,-0 一致的数

据模型。

实体模型之前的造型技术都属于无约束自由造型技术，这种技术的一个明显缺陷就

是无法进行尺寸驱动，不易实现设计与制造过程的并行作业。在这种情况下，原来倡导

实体建模技术的一些人提出了参数化实体建模理论，这是 ,-. 技术发展史上的第三次技

术革命。这种造型技术的特点是：基于特征、全尺寸约束、全数据相关、尺寸驱动设计

修改。其典型的代表系统是 81, 公司的 89:/3;<";==9。当实体几何拓扑关系及尺寸约束关系较复杂时，参数驱动方式就变得难于驾驭，人

们面对挤满屏幕的尺寸不知所从。当设计中关键形体的拓扑关系发生改变，失去了某些

约束的几何特征也会造成系统数据混乱。面对这种情况，4.5, 公司在参数化造型技术的

(>$

第六章 皮革制品的三维建模技术

基础上，提出了变量化造型技术，它解决了欠约束情况下的参数方程组的求解问题，

!"#$ 抓住机遇，将原来基于实体模型的 %!"&’! 全面改写，推出了全新的基于变量化造型

技术的 % ( "&’! )*+,-. !-./-+$’"0$’) 系统，这可称得上是 $’" 技术发展史上的第四次技

术革命。

另外值得一提的是，由于 $’"0$’) 系统发展的历史继承性，许多 $’"0$’) 系统宣

称自己采用的是混合数据模型，主要是由于它们受原系统内核的限制，在不愿意重写系

统的前提下，只能将面模型与实体模型结合起来，各自发挥自己的优点。实际上这种混

合模型的 $’"0$’) 系统由于其数据表达的不一致性，其发展空间是受到限制的。

第二节 线 框 建 模

一、线框建模的原理

线框建模是 $’"0$’) 发展中应用最早的三维建模方法。线框模型是由一系列的点、直

线、圆弧及某些二次曲线组成，描述的是产品的轮廓外形。线框建模的数据结构是表结构，

计算机存储的是该物体的顶点和棱边信息，将物体的几何信息和拓扑信息层次清楚地记录在

顶点表及边表中。顶点表描述每个顶点的编号和坐标，边表说明每一棱边起点和终点的编

号。图 1!1 所示为一物体的线框图，表 1!2 和表 1!3 为该线框图的顶点表和边表。

图 1!1 物体的线框模型

表 !!" 顶 点 表

点号 ! " #

2 4 5 6

3 6 5 6

5 6 5 5

7 3 5 5

点号 ! " #

4 3 5 284

1 4 5 284

9 4 6 6

: 6 6 6

点号 ! " #

; 6 6 5

26 3 6 5

22 3 6 284

23 4 6 284

162

皮革制品 $’"0$’)

表 !!" 边 表

线号 线上端点号

（!） ! "

（"） " #

（#） # $

（$） $ %

（%） % &

（&） & !

线号 线上端点号

（’） ’ (

（(） ( )

（)） ) !*

（!*） !* !!

（!!） !! !"

（!"） !" ’

线号 线上端点号

（!#） ! ’

（!$） " (

（!%） # )

（!&） $ !*

（!’） % !!

（!(） & !"

二、线框建模的特点

采用线框建模的描述方法构造实体时，所需信息量少，数据运算简单，占据的存储

空间比较小，对硬件的要求不高。但线框模型的局限性是明显的，一方面，线框建模的

数据结构规定了各条边的两个顶点以及各个顶点的坐标，这对于由平面构成的实体来说，

轮廓线与棱线是一致的，能够比较清楚地反映物体的真实形状，但对于曲面体，仅能表

示物体的棱边就不准确了，如表示圆柱的形状需要添加母线，有些轮廓还必须描述圆弧

的起点、终点、圆心位置、圆弧的走向等信息。另一方面，线框建模所构成的实体模型

只有离散的边，而没有边与边的关系，即没有构成面的信息，由于信息表达不完整，在

许多情况下，会对物体形状的判断产生多义性。如图 &!’ 所示，由于建模后生成的物体所

有的边都显示在图形中，而大多数的三维线框建模系统尚不具备自动消隐的功能，因此无法

判断哪些是不可见边，哪些又是可见边，难以准确地确定实体的真实形状，这不仅不能完

整、准确、惟一地表达几何实体，也给物体的几何特性和物理特性的计算带来了困难。

图 &!’ 线框建模的多义性

由此可见，线框模型不适用于对物体需要进行完整信息描述的场合。但是在有些情

况下，例如评价物体的外部形状、布局、干涉检验或绘制图样等，线框模型的信息已经

’*!

第六章 皮革制品的三维建模技术

足够了。由于它具有较好的时间响应特性，对于实时仿真技术或中间结果显示很适用。

因此，在实体建模的 !"# 系统中常采用线框模型显示中间结果。图 $!% 为用 "&’(!"# 绘

制的两种鞋跟的线框模型，（)）是旋转式造型的鞋跟，（*）是带有跟舌的压跟。

图 $!% 鞋跟的线框模型

第三节 曲 面 建 模

一、曲面建模的原理

曲面建模也称表面建模，是通过对实体的各个表面或曲面进行描述而构造实体模型

的一种建模方法。曲面建模时，先将复杂的外表面分解成组成物体的表面、边线和顶点，

用顶点、边线和表面的有限集合来表示和建立物体在计算机内部的模型。它常常利用线

框功能，先构造一线框图，然后用基本面素来建立各种曲面模型，基本面素可以是平面

或二次曲面，例如圆柱面、圆锥面、圆环面、旋转面等，通过各面素的连接构成组成面，

各组成面的拼接就是所构造的模型，可以看作在线框模型上覆盖一层薄膜所得到的。因

此曲面模型可以通过在线架模型上定义曲面来建立。在计算机内部，曲面建模的数据结

构仍是表结构，表中除了给出边线及顶点的信息之外，还提供了构成三维立体各组成面

素的信息，即在计算机内部，除顶点表和边表之外，还提供了面表。表 $!+ 即为图 $!$ 所

示物体的几何面信息，表中记录了面号、组成面素的线号及线数。

表 !!" 面 表

面号 面上线号 线数

" ,，-，+，.，/，$ $

# ,-，,,，,0，1，%，2 $

$ $，,%，,-，,+ .

% -，,.，%，,/ .

面号 面上线号 线数

& .，,$，,0，,2 .

’ /，,2，,,，,% .

( +，,/，1，,$ .

) ,，,+，2，,. .

%0,

皮革制品 !"#3!"4

二、曲面建模的特点

曲面模型由于增加了面的信息，所以在提供三维实体信息的完整性、严密性方面，

比线框模型进了一步，它克服了线框模型的许多缺点，能够比较完整地定义三维立体的

表面，所能描述的零件范围广，特别像鞋楦、鞋跟、鞋用模具、汽车车身、飞机机翼等

难以用简单的数学模型表达的物体，都可以采用曲面建模的方法构造其模型。另外，曲

面建模可以对物体作剖切面、面面求交、线面消隐、数控编程以及提供明暗色彩图显示

所需要的曲面信息等。由于皮革制品形状一般都是不规则表面，因此设计中曲面建模是

主要的方法。

对于曲面模型，由于面与面之间没有必然的关系，无法给出形体位于面的哪一侧的

明确定义，所描述的仅是形体的外表面，并没有切开物体而展示其内部结构，因此也就

无法表示零件的立体属性，仍旧缺乏面、体间的拓扑关系，也无法指出所描述的物体是

实心还是空心，依然不是实体模型。因而在物性计算、有限元分析等应用中，曲面模型

仍缺乏表示上的完整性。

三、曲面建模的方法

曲面建模方法的重点是在给出离散点数据的基础上，构建光滑过渡的曲面，使这些

曲面通过或逼近这些离散点。由于曲面参数方程不同，得到的复杂曲面类型和特性也

不同。

（一）曲线与曲面的数学表示

曲线分为规则曲线和拟合曲线（不规则曲线）两大类。所谓规则曲线就是具有确定

描述函数的曲线，如直线、圆锥曲线等。由离散的特征点（或称为型值点）构造函数来

描述的曲线称为拟合曲线，也称自由曲线。这里的特征点是通过实验、测量或计算得到

的。对于同样的特征点，由于构造函数的方法不同，就出现了 !"#$%& 曲线、! 样条曲线等

众多曲线。同样，曲面也分为规则曲面和拟合曲面（不规则曲面）两大类。规则曲面就

是具有确定描述函数的曲面，如圆柱、圆锥、圆球等回转曲面、螺旋面等。由离散特征

点构造函数来描述的曲面称为拟合曲面，也称自由曲面。如 ’(()* 曲面、!"#$%& 曲面、!样条曲面等。

+, 参数曲线的定义

对于三维空间上连续的单值参数曲线可定义为

! - !（ "）# - #（ "）$ - $（ "

{）

"!［.，+］ （/!0）

它是三维空间上的一个有界点集， " - . 和 " - + 分别为参数曲线的两个端点参数。

尽管曲线有三种表示方法：显式、隐式和参数表示法，但是显式和隐式表示的曲线

与坐标系的选择有关，方程也较复杂，而且曲线范围不好确定。特别是在绘制曲线时，

当 ! 取相等的间隔来计算点时，这些点沿曲线长度将不是均匀分布的，这会影响图形输

出的质量和准确性。另外，当曲线对某坐标轴的斜率为无穷大时，会造成计算机处理上

的困难，也不便于计算和编程。因此，人们采用参数形式来表示曲线，曲面也是如此。

1.+

第六章 皮革制品的三维建模技术

!" 参数曲面的定义

和曲线一样，尽管曲面也有显式、隐式和参数表示，但是在计算机图形学上，参数

曲面更便于用计算机表示和构造。一张矩形域上的由曲线边界包围具有一定连续性的、

单值的曲面片的参数方程为

! # !（"，#）

$ # $（"，#）

% # %（"，#{

）

"，#!［$，%］ （&!’）

其中 "，# 为参数。

(" 参数形式表示曲线曲面的优点

采用参数形式表示的曲线、曲面与坐标系的选择无关（称为几何不变性）；有更大的自

由度来控制曲线、曲面的形状，方便我们进行几何造型；参数方程中代数量和几何量完全分

离，并且数量不限，便于把低维空间中的曲线、曲面扩展到高维空间去；对于斜率为无穷大

的问题，不会因此而中断计算；规格化的参数变量，使其相应的几何分量有界，不必考虑曲

线和曲面的边界；易于用矢量和矩阵形式表示几何分量，简化了计算，便于编程。

下面是几种常用的曲线和曲面。

（二）!""#$ 曲面

)**+, 曲面是由四条边界曲线定义的插值曲面片，曲面片通过四条边界线。常用的

)**+, 曲面为双三次 )**+, 曲面，它是三次参数样条曲线的拓广。

双三次 )**+, 曲面由四个角点的位置矢量、两个方向（参数 "，# 方向）切矢量以及

扭矢量来定义（这与由四条边界曲线定义是等价的），如图 &!- 所示。

图 &!- 双三次 )**+, 曲面

图中（$，$），（$，%），（%，$）， "（%，%）为角点位置矢， "（$，$）， "（$，%）， "（%，$）， "（%，

%）为角点 " 方向切矢， #（$，$）， #（$，%）， #（%，$）， #（%，%）为角点 # 方向切矢， "#（$，$），

"#（$，%）， "#（%，$）， "#（%，%）为角点扭矢。

双三次 )**+, 曲面的定义式为：

$%%

皮革制品 )./0).1

（!，"） ! #$%$" &" （#!!，"!$） （%!%）

其中：

# !［!& !’ ! $］ & !［"& "’ " $］

$ !

’ ( ’ $ $( & & ( ’ ( $# # $ #

$ # # #

% !

（#，#） （#，$） "（#，#） "（#，$）

（$，#） （$，$） "（$，#） "（$，$）

!（#，#） !（#，$） !"（#，#） !"（#，$）

!（$，#） !（$，$） !"（$，#） !"（$，$

）

$"，&" 分别为 $，& 的转置矩阵。

从上式可看出，双三次 )**+, 曲面片的形状取决于角点信息矩阵 %。角点的位置矢、

切矢的几何意义比较明确，也容易确定，困难在于确定扭矢。研究表明，角点扭矢同曲

面片的边界形状无关，它只影响曲面片的内部形状。当角点扭矢为零时，曲面片在角点

附近将趋于平坦；当角点扭矢不为零时，曲面将凸起。图 %!$# 为 )**+, 曲面构造出的鞋楦

网格模型图。

图 %!$# )**+, 曲面生成的鞋楦模型图

（三）!"#$%& 曲线和曲面

-./012 曲线、曲面是法国雷诺汽车公司的 301221-./012 在 $4%’ 年提出的一种构造曲线、

曲面的方法。$45’ 年以后，一些以 -./012 方法为基础的自由型曲线与曲面的设计系统投入

应用，使 -./012 方法成为计算机辅助几何设计中有效的方法之一。

$6-./012 曲线

-./012 曲线是由四个位置矢量 ’#、 ’$、 ’’、 ’& 定义的曲线，通常将 ’#， ’$，⋯ ’( 组

成的多边形折线称为 -./012 控制多边形，多边形的第一条折线和最后一条折线代表曲线起

点、终点的切线方向，其他顶点用于定义曲线的阶次和形状，-./012 曲线的一般数学表达

式为：

)（!）! "(

* ! #’*+(，*（!），#! !! $ （%!5）

$$$

第六章 皮革制品的三维建模技术

式中，!" 为各控制点的位置矢量，由各控制点构成的折线集称为 !"#$%& 曲线的特征多边

形，#$，"（$）为伯恩斯坦（!%&’()%$’）基函数：

#"，%（$）* &"%$"（+ , $）% , " * %！

"！（% , +）！$"（+ , $）% , " ，" * -，+，!，%

令 % * +，!（$）*（+ , $）!- . $!+，这时的 !"#$%& 曲线为连接点 !-、!+ 的直线段。

令 % * /，!（$）*（+ , $）/ !- . /$（+ , $）!+ . $/ !/，这时的 !"#$%& 曲线为以 !-、!/ 的端

点的抛物线段。

令 % * 0，!（$）*（+ , $）0 !- . 0$（+ , $）/ !+ . 0$/（+ , $）!/ . $0 !0，这时的 !"#$%& 曲线

为以 !-、!0 为端点的三次曲线。图 1!++ 所示为三次 !"#$%& 曲线。

图 1!++ 三次 !"#$%& 曲线

三次 !"#$%& 曲线及曲面用得最多，由于高次 !"#$%&曲线还有些理论问题有待解决，所以通常都是用分段的

三次 !"#$%& 曲线来代替。

!"#$%& 曲线具有下列特点：

"!"#$%& 曲线的形状由特征多边形确定，它均落在

特征多边形的各控制点形成的凸包内，即 !"#$%& 曲线具

有凸包性。

#!"#$%& 曲线首尾端点分别经过特征多边形首尾两

个端点，并在首尾两点处相切于特征多边形。

$!"#$%& 曲线不具备局部控制能力，修改特征多边形的一个顶点或改变顶点数量时，将

影响整条曲线，对曲线要全部重新计算。

/2!"#$%& 曲面

用一个参数 ’ 描述的向量函数可以表示一条空间曲线，用两个参数 $、( 描述的向量函

数就能表示一个曲面。

!"#$%& 曲面是 !"#$%& 曲线的拓广，其定义为：

给定（) . +）·（% . +）个空间矢径 "*（ " * -，+，!，)；* * -，+，!，%），称 ) 3 % 次参数曲

面片。

图 1!+/ 双三次 !"#$%& 曲面

!+（$，(）* ")

" * -"%

* * -#"，)（$）#*，%（(） "*

（-# $，(# +） （1!4）

为 ) 3 % 次 !"#$%& 曲面。其中 #"，) （ $），

#*，%（(）分别为 ) 次、 % 次 !%&’()%$’ 基函数，

只需把 !"#$%& 曲线定义中的参数分别换为 $ 和

( 即可。逐次用线段连接 "$ 中相邻两个矢径的

端点所组成的网格称为特征网格。

当 ) * % * 0 时，上述曲面片称为双三次

!"#$%& 曲面，如图 1!+/ 所示。即

!+（$，(）* "0

" * -"0

* * -#"，0（$）#*，0（(） "*

/++

皮革制品 5678569

! !"" "#" $# （$!%）

其中

"" !

& ’ ( & ( ’( & $ ( )& ( ( ) )

’ ) ) )

!

)) )’ )* )(

’) ’’ ’* ’(

*) *’ ** *(

() (’ (*

((

+

!，$ 意义同双三次 ,--./ 曲面。

012345 曲面与 012345 曲线性质类似。012345 曲面保持了 012345 曲线在端点处插值的优

点，012345 曲面通过特征网格的四个角点，且曲面四条边线与相应网格边相切。双三次

012345 曲面也有拼接问题。

（四）! 样条曲线和曲面

’60 样条曲线

0 样条曲线与 012345 曲线密切相关，它继承了 012345 曲线直观性等优点，仍采用特征

多边形及权函数定义曲线，所不同的是权函数不再是伯恩斯坦函数，而是 0 样条基函数，

它克服了 045./743. 基函数的上面的缺点，0 样条曲线的表达式为：

%（&）! !’

( ! ))(*(，+（&） )" &" ’ （$!’)）

式中 ( 是基函数的序号 ( ! )，’，*，⋯ ’； + 是样条次数， )( 为控制顶点， , 表示一个基

函数是由哪几项相加。

0 样条基函数为：

*(，+（&）! ’+！!

+& (

, ! )（& ’）,-,

+8’（& 8 + & ( & ,）+

0 样条具有局部支撑性质，0 样条基是多项式样条空间具有最小支撑的一组基，故称

之为基本样条（09/3: ;<=3.4），简称 0 样条。

0 样条曲线具有下列特点：

"0 样条曲线形状比 012345 曲线更接近于它的控制多边形。控制多边形的各顶点构成

的凸包区域比同一组顶点定义的 012345 曲线凸包区域要小，具有更强的凸包性。0 样条曲

线恒位于它的凸包内。

#0 样条曲线的首尾端点不通过控制多边形的首末两个端点。

$局部调整性，+ 次 0 样条曲线的一点，只被相邻 + 个顶点控制，与其他控制点无

关。一个控制点的移动只会影响该曲线的 + 个节点区间，对整个曲线的其他部分没有

影响。

*60 样条曲面

(’’

第六章 皮革制品的三维建模技术

由 ! 样条曲线也很容易推广到 ! 样条曲面。! 样条曲面的定义为：

给定（! " #）·（ " " #）个空间矢径 #$ （ # $ %，#，!，!； $ $ %，#，!， "），称

! & " 次参数曲面片

!%（&，’）$ "!

# $ %"

"

$ $ %(#，!（&）($，"（’） #$ （%# &，’# #） （’!##）

为! & " 次 ! 样条曲面。其中 (#，!（&），($，"（’）分别为 ! 样条基函数，可从 ! 样

条曲线定义式中得到。! 样条曲面也有相应的特征网格。

当 ! $ " $ ( 时，上述曲面片称为双三次 ! 样条曲面片，如图 ’!#( 所示。即

图 ’!#( 三次 ! 样条曲线及三次 ! 样条曲面

!%（&，’）$ "(

# $ %"

(

$ $ %(#，(（&）($，(（’） #$ （%# &，’# #）

$ )*+ *,+-, （’!#)）

其中

图 ’!#* 双三次 ! 样条曲面

生成的休闲鞋网格图

*+ $#’

+ # ( + ( #( + ’ ( %+ ( % ( %

# * # %

$

%% %# %) %(

#% ## #) #(

)% )# )) )(

(% (# ()

((

&，’ 意义同双三次 ,--./ 曲面。

! 样条曲线与曲面的最大优点就是它们的

局部性，修改一个控制点就只改变了控制点附

近的区域，这样就可以灵活改变物体的局部形状，方便了设计。! 样条曲面也有插值问

题，其实质是由型值点反算特征网格，解线性方程组。图 ’!#* 为采用双三次 ! 样条生成

*##

皮革制品 ,012,03

的休闲鞋网格图。

（五）!"#$%曲线和曲面

非均匀有理 ! 样条 "#$!%（"&’ #’()&*+ $,-(&’,. !!%/.(’0）将描述自由曲线曲面的 ! 样

条方法与精确表示二次曲线与二次曲面的数学方法相互统一，具有形状定义方面的强大

功能与潜力。1221 年国际标准化组织（3%4）正式颁布的工业产品几何定义 %567 标准中

将 "#$!% 规定为自由型曲线和曲面的惟一表示方法。

18"#$!% 曲线

"#$!% 曲线的定义如下：给定 ! 9 1 个控制点 "# （ # : ;，1，⋯!）及权因子 $# （ # :;，1，⋯!），则 % 阶（% < 1）次 "#$!% 曲线表达式为

&（’）:!

!

# : ;$#"#(#，%（’）

!!

# : ;$#(#，%（’）

（=!1>）

式中，(#，% （’）是 ! 样条基函数。

?8"#$!% 曲面

"#$!% 曲面的定义与 "#$!% 曲线定义相似，给定（) 9 1）·（ ! 9 1）个空间矢径 #*

（ # : ;，1，!，)； * : ;，1，!，!），以及相应的权值 $#* （ # : ;，1，⋯!； * : ;，1，⋯

)），则其 "#$!% 曲面的表达式为：

+（’，,）:!

!

# : ;!

)

* : ;(#，%（’）(*，-（,）""#*$#*

!!

# : ;!

)

* : ;(#，%（’）(*，-（,）$#*

（=!1@）

式中，(#，% （’）为 "#$!% 曲面 ’ 参数方向的 ! 样条基函数；(*，- （,）为 "#$!% 曲面 .参数方向的 ! 样条基函数；%、 - 为 ! 样条基函数的阶次。

"#$!% 曲线和曲面具有以下特点：

"! 样条曲线和曲面的所有优点都在非均匀有理 ! 样条曲线和曲面中保留。

#控制点经过透视变换后所生成的曲线或曲面与原先生成的曲线或曲面的再变换是

等价的。

$不仅可以表示自由曲线和曲面，还可以精确表示解析曲线和曲面，并能实现两者的统一。

%能给出更多的控制形状的自由度以生成各种形状的曲线和曲面。

四、常用的曲面构造方法

在 ABCDABE 系统中构造一个曲面，已经不需要从原始的构造曲线（曲面）的基本方

程开始，而是从构造线开始，通过对曲线的拉伸、扫掠、旋转等操作，直接形成所需要

的型面。常用的型面简介如下。

18 线性拉伸面

通过将一条曲线沿某一方向滑动所扫成的曲面。

?8 直纹面

F11

第六章 皮革制品的三维建模技术

给定两条相似的曲线，它们具有相同的次数和相同的节点矢量，将两条曲线上对应

点用直线相连，便构成了直纹面。圆柱面、圆锥面、飞机的机翼和尾翼面都是直纹面。

当构成直纹面的两条边界曲线具有不同的阶数和不同的节点分割时，需要首先运用

升阶公式将次数较低的一条曲线提高到与另一条曲线相同的次数，然后使插入节点序列

相等。同时，两条曲线的走向必须相同，否则曲面将会出现扭曲。

!" 旋转面

将某一平面内的一条曲线绕该平面内的任一条直线旋转 !#$%就得到旋转面，一般绕

该平面的两个坐标轴旋转。

&" 扫描面

扫描面的构造方法很多，最简单的方法是用一条曲线沿另一条基准线滑动生成。

图 #!’( 为通过 )*+,- 曲线生成后帮的侧面轮廓曲线，然后沿一条基准线（后帮的俯

视轮廓线）移动生成的后帮曲面图。

在曲面建模过程中，需要根据物体的曲面几何形状和对曲面片连接特性等方面的要

求，选择合适的曲面建模方法。为构成一个真实的物体边界面，必须对它们加以处理，

如熔接曲面光滑地连接两段相邻的曲面片，对比较复杂的物体表面，还要通过曲面拟合

来使生成的曲面光滑逼真。

图 #!’# 为通过 )*+,- 曲面拟合生成的楦的外怀曲面图。

图 #!’# 楦的外怀 )*+,- 曲面图图 #!’( 扫描法生成的后帮曲面图

第四节 实 体 建 模

一、实体建模的原理

实体建模技术是 .$ 世纪 /$ 年代后期、0$ 年代初期逐渐发展完善并推向市场的。目前

实体建模技术已成为 1234125 技术发展的主流。实体建模是采用实体对客观事物进行描

述的一种方法。它是通过定义基本体素，利用体素的集合运算或基本变形操作构造所需

要的实体，其特点在于覆盖三维立体的表面与其实体同时生成。利用这种方法，可以完

整地、清楚地对物体进行描述，并能实现对可见边的判断，具有消隐的功能。由于实体

#’’

皮革制品 1234125

建模能够定义物体的内部结构形状，因此，可以完整地描述物体的所有几何信息。

二、实体生成的方法

（一）体素法

体素法是通过基本体素的布尔运算构造几何实体的建模方法。每一个基本体素都具

有完整的几何信息，是真实而惟一的三维实体。体素法包含两部分内容：一是基本体素

的定义与描述，二是体素之间的布尔运算。常用的基本体素有长方体、球、圆柱体、圆

锥体、圆环和锥台等，如图 !!"# 所示。为了准确地描述基本标素在空间的位置和方向，

除了定义体素的基本尺寸参数外，还需定义基准点，以便正确地进行布尔运算。体素间

的布尔运算有交、并、差三种，以两个基本体素为例，运算结果如图 !!"$ 所示。

图 !!"# 常用的几种基本体素

（%）长方体 （&）圆柱体 （’）楔 （(）带 ")* 圆柱 （+）")* 圆柱

（,）三棱柱 （-）球 （.）圆环 （/）圆锥

图 !!"$ 体素的布尔运算

#""

第六章 皮革制品的三维建模技术

（二）扫描法

有些物体的表面形状较为复杂，难以通过定义基本体素加以描述，这时可采用基体，

利用基体的变形操作实现实体的建模，这种构造实体的方法称为扫描法。扫描法又可分

为平面轮廓扫描和整体扫描两种。

平面轮廓扫描是采用平面轮廓在空间平移一定距离或绕一固定的轴线旋转产生实体

的方法。如皮革制品下圆片料时所用的带状刀模的造型，就是以平面单面楔轮廓绕与该

面平行的轴线旋转一周可得到。

整体扫描是定义一个三维实体为扫描的集体，让此基体在空间运动所获得的实体。

运动可以是沿某方向的移动也可以是绕某一轴线转动，或绕某一点摆动，运动方式不同，

生成的实体形状也不同。这种方法在生产过程的模拟及干涉检验方面具有很大的实用价

值。特别是在 !" 加工中刀具轨迹生成和检验方面具有重要意义。

体素法和扫描法生成的实体是相对规则的实体。

三、三维实体模型的计算机内部表示方法

现实世界中的物体是三维的连续实体，但计算机内部表示是一维的离散描述，如何

利用一维离散来描述现实世界三维实体并保证数据的准确性、完整性、统一性，是计算

机内部表示方法研究的内容。与线框建模和曲面建模不同，三维实体建模在计算机内部

存储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实体的各个方面

的数据。

目前，计算机内部表示三维实体模型的方法很多，并且正在向着多重模式发展。以

下仅就当前国际上常见的几种模式作简单介绍。

（一）边界表示法

边界表示法（#$，#!$%&，#’()*+,- $%&,%.%)/+/0’)）首先是在欧洲发展起来的，并成为

很多 "123"14 系统，例如 "1561、78"962、:7;4;2 等的基础。这些系统的基本设想是

把物体定义为封闭的边界表面围成的有限空间，这样一个形体可通过它的边界，即面的

子集来表示。而每一个面又通过边，边通过点，点通过三个坐标值来定义。如图 <!=> 所

示。

图 <!=> 四棱锥实体的数据结构

?==

皮革制品 "123"14

边界表示法强调的是形体外表细节，详细记录了构成几何形体的所有几何、拓扑信

息，将面、边和顶点的信息分层记录，建立层与层之间的联系。这在数据管理上易于实

现，也便于系统直接存取组成实体的各几何元素的具体参数。在 !"#$!"% 集成环境下，

采用边界表示法建立三维实体的数据模型，有利于生成和绘制线框图、投影图，有利于

计算几何特性和与二维绘图功能衔接生成工程图。

边界表示法的核心信息是平面，因而对几何体的整体描述能力相对较差，无法提供

有关物体生成的原始信息，即它是由哪些基本体定义的，是怎样拼合而成的，在边界表

示法中无法提供，同时描述所需信息量较大，并有信息冗余。

（二）构造立体几何法

构造立体几何法（!&’()*+,)-./ 0&1-2 3/&4/)*5）简称 !03 法。在计算机内部，它是通过

基本体素及它们的集合运算（如并、交、差）进行表示的，即通过布尔模型生成二叉树

结构进行表示，如图 6!78 所示。!03 法与 9!:/; 法的主要区别在于计算机内部表示与物

体的描述和拼合运算过程密切相关，即存储的主要是物体的生成过程，所以也称为过程

模型。!03 法强调的是记录各体素进入拼合时的原始状态，而 9!:/; 法则强调记录拼合后

的结果。

图 6!78 !03 树

与边界表示法相比，!03 法构成实体几何模型相当简单，对于同一形体，!03 法数据

量只有 9!:/; 法的 <$<8。其基本思想是将一个复杂物体视为由若干个简单基本体素的相

加、相减、相交所构成。各个基本体素不需再分解，而是直接存储在数据结构中。当然

还需要存储变换矩阵，以便确定这些基本体素在三维空间中的位置和方向。据统计，大

约 =8>的工业产品零件可由长方体和圆柱体这两种最基本的体素构成。但对于形状比较

复杂的物体，特别是曲线形状较多的物体，如皮革制品生产过程中鞋的造型、楦的造型、

鞋底和某些鞋跟模具等的造型，这种方法的应用有一定局限性。

?<<

第六章 皮革制品的三维建模技术

（三）混合模式

混合模式（!"#$%& ’(&)*）目前还没有清楚的界限，但在 +,- 系统中广为应用。总之，

它是在一个系统中采用了不同形式的表达方法，例如常见的 +./ 法与边界表示法的混合。

混合模式由两种不同的数据结构组成，以便互相补充或应用于不同的目的。当前应

用最多的混合系统都是基于这样一种设想：在原来 +./ 树的结点上再扩充一级边界数据

结构（图 0!12），以便达到实现快速图形显示的目的。因此，混合模式可理解为是在 +./系统基础上的一种逻辑扩展。在这种混合模式中，起主导作用的数据结构仍然是 +./ 结

构，所以边界模式的一些优点，如便于局部修改等，在混合模式中仍然无济于事。+./ 法

的所有特点完全存在于这种混合模式中。

图 0!12 混合模式结构

鞋跟的造型也常用混合模式。鞋跟是一个由复杂的不规则的异形曲线和曲面所组成

的自由型闭合曲面体，其外形轮廓不能由初等解析曲面构成，也不能用简单的机械三视

图来描述，它和一般的三维物体有所区别，所以不能完全照搬上述的三维几何建模技术，

必须依据鞋跟的自身特性找到一种既能较好地描述鞋跟三维轮廓，又能比较容易实现的

三维造型方法。

由于鞋跟部分外表面不规则，所以单纯地使用线框模型或实体模型都无法满足鞋跟

建模的要求，此时很自然地就把焦点集中到了曲面建模上。如前所述，利用曲面建模技

术中的参数曲面模型可以用来描述不能用简单数学模型进行描述的复杂物体。但是，如

果要以鞋跟外表面的离散数据点为基准，构造出 345%)$、3 样条等光滑过渡曲面，使这些

点通过或逼近这些离散点，从而实现表面建模，其建模过程将会变得异常复杂。367&)) 在

运动鞋鞋底的三维建模中也对此进行了研究，认为应该采用混合建模的方法。

对于鞋跟而言，在保证各项基本尺寸正确的前提下，其造型多是由设计者构思的尺

寸，不像鞋楦造型那样必须要保证表面的每一点都要准确无误，实际生产中的鞋跟由于

812

皮革制品 +,-9+,’

材质、造型等原因，表面不可能非常平整，还需要一个人工抛光打磨工序才能形成最终

的产品。或者要用包鞋跟皮进行包裹。因此，在这种情况下，为了追求过高的精度采用

样条表面建模而花费太多的时间就显得很不值得，只要能够保证精度，就应该尽量采用

更为简单易行而且可靠实用的造型方法。

采用实体!曲面混合建模方法设计鞋跟曲面，对于一些比较规则的部位，采用实体建

模，如鞋跟面皮等；而对于大多数的不规则的部位，则采用曲面建模。

图 !!""（#）为在 $%&’($) 软件中建好的三维鞋跟曲面模型，图 !!""（*）为执行消隐

命令后的三维鞋跟曲面模型。

图 !!"+ 为在 +) ,#- 中采用线框!曲面混合建模方法设计的楦的曲面模型图。（#）为线

框模型，（*）为处理后的曲面模型。

图 !!"" 鞋跟曲面模型

图 !!"+ 鞋楦曲面模型

（四）空间单元表示法

空间单元表示法是通过一系列空间单元构成的图形来表示物体的一种方法。这些单

元都是具有一定大小的立方体。在计算机内部主要通过定义各单元的位置是被占有还是

没有被占有来表达物体。这是一种数字化的近似表示法。很明显，单元的大小直接影响

到模型的分辨率。

空间单元表示法要求有大量的存储空间。此外，它不能表达一个物体任意两部分之

.".

第六章 皮革制品的三维建模技术

间的关系，也没有关于点、线、面的概念。它仅仅是一种空间的近似。但从另一方面讲，

它的算法比较简单，同时也是物性计算和有限元网格划分的基础。

（五）半空间法

由日本北海道大学开发的 !"#$ 系统在 %$& 模式基础上引进了半空间的概念。为了工

程上应用方便，!"#$ 系统设置了 ’( 种基本元素，它们是点、直线、平面、圆、圆柱、立

方体、矩形、圆角、圆锥、椭圆、球、抛物线。虽然有些基本元素从名称上看，好像是

平面图形，实质上定义的都是三维空间的。例如定义的圆，表示的是沿 ! 轴方向无限伸

长的圆柱表面。同理也适用于矩形、圆角、椭圆和抛物线等。

这种半空间概念在数学上很容易定义。例如一个平面半空间可通过一个无限平面和

法向向量来定义。这样空间被分成两半，其中只有一半是有意义的，即具有物质的。利

用半空间的概念很容易将 %$& 模型中的基本体继续分割。例如，一个六面体就可理解为

由六个平面半空间切割而成，一个圆柱体由一个圆柱半空间和两个平面半空间组成。利

用这种概念可实现在 %$& 模型中不可能实现的局部修改功能，同时在半空间模型中很容

易引进自由曲面。实际上利用半空间概念使 %$& 数据结构在形式上向着面模式过渡。

随着 %)* 应用范围不断扩大，实体建模技术也在不断发展。近几年在计算机内部表

达方面有如下几个发展趋势：

!采用混合模式，如混合使用线框、曲面、实体元素，混合使用 +",-. 法和 %$&法等；

#以精确表示形式存储曲面实体模型；

$引入参量化、变量化建模方法，便于设计修改；

%采用特征建模技术，实现系统集成。

第五节 特 征 建 模

一、特征建模的概念

三维线框模型、曲面模型和实体模型只提供了三维形体的几何信息和拓扑信息，称

其为产品的几何建模，产品的几何建模尚不足以驱动产品生命周期的全过程。例如，计

算机辅助工艺设计（%)##）不仅需要由 %)* 系统提供被加工对象的几何信息和拓扑信

息，还需要提供加工过程中所需要的工艺信息。为提高产品生产组织的集成化和自动化

程度，促使 %)*、%)/、%)## 和 %)0 向集成化方向发展，要求由几何模型向产品模型过

渡。产品模型不仅包括了产品的几何信息和拓扑信息，还包括了产品的非几何信息，如

有关皮革制品的工艺信息，像材料、冷热定型、刷胶、整饰检验等。产品模型为后续

%)1 系统提供了完整的原始信息，它是 %)*2%)/2%)## 和 %)0 等过程的集成介质。特征

建模技术（3-4567- 089-:;<=）的研究是建立产品模型的一个重要途径。目前，该技术在皮革制

品的建模中没有被完全应用，还处在探索阶段。下面只对特征建模技术做简要的介绍。

（一）特征的定义

特征建模从提出到现在，仍处在不断完善和发展过程中，至今特征还没有一个统一

明确的定义。美国麻省理工学院的 >8?< *;@8< 教授对特征的定义是：特征应该理解为一个

((’

皮革制品 %)*2%)0

专业术语，它兼有形状和功能两种属性，从它的名称和词义定义联想它的特定几何形状、

拓扑关系、典型功能、绘图表示方法、制造技术和其他要求。

从设计、制造角度出发，可以定义形状特征为：形状特征是零件上一组相互关联的

几何实体所构成的特定形状，具有特定的设计或制造意义。

!" 特征定义

特征定义的实现有以下两种方式：

!在产品设计过程中提供一套预先定义好的形状特征，称作特征的前置定义，或称

作基于特征的设计。

"首先进行几何设计，然后从几何模型中识别或抽取形状特征，称作特征的后置定

义，或称作特征识别。

#" 特征识别

特征识别为现有几何造型系统的进一步改进提供了方法，部分解决了实体造型系统

与应用系统交换的不匹配问题，但仍具有一定的局限性，具体表现为：

!对简单形状特征的识别比较有效，当产品比较复杂时，特征识别就显得非常困难，

甚至无法实现。

"特征识别使形状特征在形状上得到了一定程度的表达，但形状与特征之间的关系

仍无法识别。

（二）特征的分类

从总体上看，特征可分为通用特征和应用特征两大类。

!" 通用特征

通用特征是从产品的几何形状抽象出来的一般性特征，由基本形状特征和附加形状

特征组成。基本形状特征是表达一个零件总体形状的特征，附加形状特征是对零件局部

形状进行修改的特征。

基本形状特征可以单独存在，即基本形状特征可不与其他特征发生联系。而附加形

状特征则不能单独存在，它必须与基本形状特征或其他附加形状特征发生联系，对它们

进行修改。一个零件可由基本形状特征和若干个附加形状特征来描述。

#" 应用特征

应用特征是指各种工程专业应用领域里所遇到的各种形状特征。这些特征中有的仍

以前述的通用特征为基础。但在设计、分析、制造等不同阶段，可有不同的特征定义。

二、特征建模技术的实现和发展

特征概念包含丰富的工程语义，所以利用特征的概念进行设计是实现设计与制造集

成的一种行之有效的方法。特征识别是在建立的几何模型上，通过人工交互或自动识别

算法进行特征的搜索、匹配。基于特征的设计是直接采用特征建立产品模型，即特征建

模。实现特征的具体方法如下：

!对于基本形状特征，可以直接采用根据参数建立拓扑、几何信息的方法，如拉伸

类特征、旋转类特征、扫描类特征、混合类特征。这类似于几何造型系统中的基本体素

的几何拓扑结构的建立。

"对于附加形状特征，尽可能采用局部修改技术直接修改原有的拓扑、几何结构。

$#!

第六章 皮革制品的三维建模技术

!对不易采用方法"的附加形状特征，尽可能分别构成基本形状特征和附加形状

特征。

#对不易采用方法$、"、!的特征，可采用布尔运算实现，但显式操作仍为特征

造型而不是布尔运算。

最近几年在基于特征的 !"##、基于特征的 $! 编程方面进行了很多研究。由于设计

特征与制造特征的对应关系，在 !"% 设计完成后，!"##、!"& 可直接将特征设计的结果

作为输入，自动生成工艺过程和 $! 加工程序，实现了具有统一数据库、统一界面的集成

!"%’!"##’!"& 系统。

特征建模技术是正在研究发展中的技术，至今还有很多难题有待进一步研究。例如，

特征的严格数学定义、特征所能胜任的零件复杂度、特征如何体现零件的功能要求以及

功能特征与制造特征的映射等。%()*+ 等人认为实体建模技术经历了 ,- 年的努力，而特征

建模技术为支撑下一代智能 !"% 系统也需要 ,- 年的努力。

三、特征建模的特点

特征建模的特点主要概括为以下几个方面：

$特征建模使产品的设计工作不停留在底层的几何信息基础上，而是依据产品的功

能要素，起点在比较高的功能模型上。特征的引用不仅直接体现设计意图，也直接对应

着加工方法，以便于进行计算机辅助工艺过程设计并组织生产。

"特征建模以计算机能够理解的和能够处理的统一产品模型代替传统的产品设计、

工艺设计、工具设计等各个生产环节的连接，使得产品设计与原来后续的各个环节并行

展开，系统内部信息共享，实现真正的 !"%’!"##’!"& 的集成，且支持并行工程。

!有利于实现产品设计和制造方法的标准化、系列化、规范化，使得产品在设计时就

考虑加工、制造要求，保证产品有较好的工艺性及可制造性，有利于降低产品的生产成本。

思考题与习题

./ 举例说明 !"%’!"& 中建模的概念及其过程。

,/ 什么是几何建模技术？几何建模为什么必须同时给出几何信息和拓扑信息？

0/ 试分析三维几何建模的类型及其应用范围。

1/ 比较线框模型和表面模型的区别。

2/ 实体建模中是如何表示实体的？

3/ 试述曲面建模中常用的几种双参数曲面的形成原理及其优缺点。

4/ 什么是体素？体素的交、并、差运算是何含义？

5/ 简述边界表示法的基本原理和建模过程。

6/ 简述 !78 表示法的基本原理和建模过程。

.-/ 分析比较 9%:;< 与 !78 的特点。

../ 应用一种 !"% 软件建立鞋楦的三维模型。

.,/ 什么是特征？特征是如何分类的？依据何在？

.0/ 特征建模技术的实现方法有哪些？

1,.

皮革制品 !"%’!"&

第七章 皮革制品真实感图形生成的基本原理与方法

皮革制品真实感图形的显示是使用计算机产生同照片那样的黑白图像或彩色图像。

它与电视画面有很大区别，电视画面是由实际物体拍摄而成，而计算机产生的画面是在

没有实物模型的条件下，产生设计师所构思的各种皮革制品产品的真实感图形。也就是

说，它是建立在对皮革制品及自然界的数学描述基础上或建立在计算机对人眼所观察的

皮革制品与自然界的模拟上的。本章在介绍真实感图形生成的基本原理与方法的基础上，

介绍它在皮革制品设计过程的应用。

第一节 引 言

一、真实感图形的应用

真实感图形绘制是当前计算机图形学的一个重要研究领域。自从 !" 世纪 #" 年代中期

以来，一直在探讨具有真实感的计算机图形显示方法。近些年来，随着多色彩高分辨率

光栅图形设备和液晶图形设备的发展以及对光学与热能传播、某些数学分支和材料科学

的研究，计算机图形的生成已由过去的近似模拟发展到今天越来越逼真的地步，有的已

达到以假乱真的地步。

在皮革制品产品的计算机辅助设计中，设计师总希望看一下它的初步设计究竟是什

么样子，它不同于手工绘制的效果图，是要在计算机上模拟显示出在自然环境下、在不

同的光照和观看角度下皮革制品的真实感图形，以确定设计师的设计结果，接受消费者

对该设计的反馈意见和建议。利用计算机绘制真实感图形在许多领域都很需要，特别是

产品外形设计方面，例如在皮鞋、皮革服装等的设计中，希望有一足够逼真的图像，以

便让人来评价设计。图 $!% 是采用 &’()*(+), 软件生成的一款男鞋的真实感图形。

图 $!% 一款男鞋的真实感图形

-!%

过去往往用人工绘图或制作实物模型来检查设计效果。而且随着方案的修改，要反

复绘图或反复制作模型，耗费大量人力物力。而采用计算机图形显示技术，就可很方便

地在屏幕上显示产品的真实感图像，而且可以从各种不同角度去观察产品外形。如发现

不合适的地方，可在屏幕上直接对产品外形进行交互式修改。这种技术大大节约了人力

和物力，并使设计周期缩短，质量提高。

多年前，计算机图形还只是面向规则的形体，如机械、建筑物的设计与显示等。而

现在计算机图形已经能够相当逼真地模拟很多自然景物和自然现象，例如森林、树木、

山脉、河流、波浪、云彩、火焰等。众多自然景物和现象在各种不同天气和光照条件下

的情况已能很好地得到模拟。此外，微观世界或宏观世界中许多看不到的物理现象，如

分子结构、星体运行等，也可以借助计算机图形有力地帮助人们进行直观的观察和形象

的理解。

二、真实感图形生成的主要技术

用计算机生成真实感图形要解决以下技术问题：

!场景造型———景物外形的描述，用数学方法建立所需场景的几何描述。

"投影变换———利用图形变换方法生成轴测图或透视图。

#消隐———将那些被不透明的面或物体遮蔽的线段或面消去。

$光照模型———模拟光在场景中的分布与传播。

%画面绘制———根据一定的光照模型，计算画面上每一点投射到观察者眼中的光亮

度与颜色，将计算所得的画面显示在图像屏幕上，形成了一幅明暗不一、颜色相异、具

有高光、阴影的一幅高度真实感的图像。

&透明、阴影、表面纹理的模拟。

’图形反混淆技术———消除由于采样不当使图像的细节失真。

场景造型就是景物外形的描述。景物有两类：人造物体（如皮鞋、皮衣、箱包、家

具、房屋、汽车、飞机等）及自然景物（如树木、云彩、烟雾等）。对于人造物体可用三

维几何造型技术来建立景物模型。至于自然景物，如山脉、火焰、树木等大多千姿万态，

具有随机的形状，很难用常规的方法来造型和表示。近年来已发展了一些数学方法来模

拟，如扰动表面法线法、分形几何学、粒子系统方法等。

三、光 照 模 型

景物表面的明暗处理是增强图像真实感最重要的(个方面。当在大自然观察一个物体

时，我们的眼睛能看到它的明暗、色彩和形状，都是由于物体发出的光到达人眼的结果。

如果我们能计算出物体上每个可见点所发出的光的强度和色彩，把它转化为显示屏幕上

相应象素的灰度或色彩强度，就能得到物体的真实感图形。光照模型就是模拟光在物体

间传递的过程，以确定物体可见表面每一点的亮度和颜色。

当光照射到一个物体表面上时会发生三种情况，反射、透射和吸收。光可以在物体

表面向空间反射，产生反射光；其次，对于透明体，光可以透射该物体并从另一端射出，

产生透射光；最后，部分光可能被物体表面吸收而转换成热。

从一个物体反射出去的光包含有漫反射光和镜面反射光。漫反射光是向空间四面八

!"#

皮革制品 $%&’$%(

方均匀反射出去的光。而镜面反射光则是朝着一个方向———镜面反射方向的反射光。对

于透射，同样也有漫透射与规则透射（镜面透射）。

反射光和透射光到达人眼产生了视觉效果。物体表面的反射光和透射光的强弱决定

了物体表面的明暗程度，这些光包含的不同波长的比例决定了物体表面的色彩。

物体表面呈现的颜色是由表面向视线方向辐射的光能中各种波长的分布所决定的。

若表面辐射光中等量地包含了所有波长的可见光，则按辐射能的大小，表面将呈现白色、

灰色或黑色。若表面反射光中各波长的光所占比例各不相等，则表面呈现彩色。如果光

线集中在可见光谱的上端，则呈现红色；若光线集中在可见光谱的下端，则呈现蓝色。

用光谱分布表示一束光中不同波长光所占的比例，显然光谱分布决定了相应可见光的

色彩。

在现实世界中光照射到景物表面产生的现象是很复杂的。它与光源的性质、形状、

数量、位置有关，还与物体的几何形状、光学性质、表面纹理等许多因素有关，甚至与

人眼对光的生理与心理视觉因素有关。我们不可能把这一切都准确计算出来，因此需要

找出主要因素，建立数学模型，为了模拟光能在场景中的传播与分布，需要提出一种光

照模型。现在已提出多种光照模型，有的简单，但逼真度不很高；有的考虑全面逼真度

很高，但计算复杂，计算量大得惊人。要求逼真到什么程度，决定于应用场合，因此可

根据应用场合来选择哪一种光照模型比较适合。

第二节 基本光照模型

光照模型是根据光学物理有关定律，计算画面上景物表面各点投射到观察者眼中光

线的光亮度和色彩所组成的公式。这里先介绍一个简单而实用的光照模型，是由 !"#!$"%&’ ()%&’ 于 *+,- 年提出的。

先假设只有一个点光源的情况，而且物体是非透明体。这个模型只考虑环境光、点

光源的漫反射与镜面反射这三个因素。

一、环 境 光

这是一种来自环境的漫射照明，光来自四面八方，例如从墙壁、地板及天花板反射

回来的光，是一种分布光源。假定这些光是均匀的，每一个被照到的地方都得到同样的

光能量，与其取向无关，既没有特别亮的点，也没有哪一个方向特别强一些。由环境光

照明的一个物体的光亮度（或光的强度）为

! . !"#" （,!*）

式中 !" ———环境光的光亮度，这里视为常数；

#" ———环境光的漫反射系数（/!#"!*）。

点光源照射到不透明体产生的反射光有两个分量：漫反射光与镜面反射光。

二、漫 反 射 光

它是光源在景物表面的反射光中那些向空间各方向均匀反射出去的光，可认为是光

穿过物体表面并被吸收后重新发射出来的光。这种反射光可用朗伯定律（0123456’7 018）

,9*

第七章 皮革制品真实感图形生成的基本原理与方法

来计算。

朗伯定律指出：对于一个漫反射体，表面反射的光亮度和光源入射角（入射光线与

表面法线的夹角）的余弦成正比。即

! ! !"#$ "#$! （%!&）

式中 !———表面漫反射光的光亮度；

!"———从点光源所发出的入射光的光亮度；

#$ ———漫反射系数（决定于表面的材料及入射光的波长）’!#(!)；

!———入射光线与表面法线间的夹角，’!!!"& 。

上式说明，当观察一个漫反射体时，人眼接收到的光亮度和观察者的位置无关，因

为漫反射光均匀地向空间各个方向反射。图 %!&（*）表示将式（%!&）应用于一个球面的

图 %!& 漫反射光在球面上的分布

情况。由于在点 % 的光源入射角为零，

故反射光亮度最大，而点 & 和 &+的光亮

度就弱些，点 ’ 和 ’+的 光 源 入 射 角 为

,’-，从而使发出的光亮度为零。球面的

明暗过渡曲线如图 %!&（.）所示。

按照式（%!&）计算，没有受到点光源

直接照射的地方会呈现黑色，如未照射到

的半个球面是黑的。这种情景宛如在黑夜

只有一束光照射到物体的情况。但实际上

有环境光的作用，明暗过渡要柔和得多。

漫反射面是一个粗糙的、无光泽的表面，如粉笔，理想的漫反射面只产生漫反射。

客观世界中大多数物体表面都介于理想的漫反射面和理想的镜面之间，因此不仅有漫反

射，而且还有镜面反射。

三、镜面反射光

有许多物体，如擦亮的金属、光滑的塑料等，受光照射后表现出特有的光泽。一个

点光源照射到一个抛光的金属球时，会在球面上形成一块特别亮而使人耀眼的区域，呈

现所谓“高光”。这是光源在金属球面上产生的镜面反射光。

镜面反射光是朝一定方向的反射光，对于一个理想的镜面，入射至表面上的光严格

地遵守光的反射定律朝一个方向———镜面反射方向反射出去，如图 %!/（*）。对于一般光

图 %!/ 镜面反射

（*）纯镜面 （.）光滑表面

0&)

皮革制品 1234125

滑表面，由于表面具有一定粗糙度，微观来看表面实际上是由许多朝向不同的微小表面

组成，其镜面反射光散布在反射方向周围，如图 !!"（#）所示。

$%&!’%()* +,()* 提出采用余弦函数的幂次来模拟镜面反射光的空间分布。

即

! - !"#$ .(/%! （!!"）

式中 !———观察者接收到的镜面反射光亮度；

!"———点光源所发出的入射光亮度；

!———镜面反射方向和视线方向的夹角；

%———镜面反射光的会聚系数；

#$ ———镜面反射系数（与材料性质有关，而且与入射光波长及入射角有关）。

对于较光滑的表面，其镜面反射光会聚程度较高，% 值较大。而较粗糙面的镜面反射

光呈发散状态，% 值较小。图 !!0 表示 % 值大小与镜面反射光会聚程度的情况。

图 !!0 不同 % 值时镜面反射光会聚程度

式（!!"）表明投向观察者的镜面反射光和观察方向有关，当视点取在镜面反射方向

附近时，观察者接受到的镜面反射光较强，而偏离这一方向观察时，接受到的镜面反射

光就会减弱，故高光随着观察者的位置变化而移动。另外，由于镜面反射光是经物体外

表面直接反射产生的，与漫反射光不同，高光具有与入射光同样的性质。例如当白光照

射在涂着蓝色的光亮物体上时，反射生成的高光仍为白色而不是蓝色。

图 !!1 +,()* 模型中各方向矢量

四、+,()* 光照模型

如前所述，表面的光亮度可认为是环境光、漫反射光、镜面反射光三个分量的组合。

即

! - !&#& 2 !" （ #’ .(/"2 #$ .(/%!） （!!0）

如存在多个光源，可将它们的效应线性叠加，

这时光照模型为

! - !&#& 2!(

) - 3!4 )（ #’ .(/") 2 #$ .(/%!) ） （!!1）

式中 (———光源数目。

令 * 为入射光方向单位矢量，+ 为表面法线单

位矢量，, 为反射光方向单位矢量，- 为视线方向

单位矢量，如图 !!1 所示，则式（!!0）中余弦函数

可用矢量点积来表示。即

（*·+） - .(/" （,·-） - .(/!

563

第七章 皮革制品真实感图形生成的基本原理与方法

五、距 离 效 应

设两个物体对光源有相同朝向，但与光源距离不同，则它们的光亮度应该不同，然

而按上面的光照模型计算两个物体表面的反射光亮度，则所得结果相同。这时如果两个

物体在画面上部分重叠，就难以分辨它们。因此要考虑光亮度随距离增加而衰减的影响。

根据经验，如果光亮度按距离作线性衰减，得出的结果较为符合实际，因此可采用下式

来计算距离效应。

! ! !"#" "!$

% " &（ #% #$%!" #’ #$%("） （&!’）

式中 %———视点到物体的距离；

&———光亮度衰减系数。

一般情况下距离效应对图像的真实感影响不大，为了减少计算工作量，可以不考虑

它。只有在深度衬托比较重要的场合才考虑，如飞行模拟器中，要模拟大气的朦胧与衰

减，应考虑距离效应。

六、彩 色 显 示

对于彩色显示，可把光源分成红、绿、蓝三基色光，对每一基色分别用相应的算式

来计算

!) ! !"#" " !$ （ #%) #$%!" #’ #$%("） （&!&）

!* ! !"#" " !$ （ #%* #$%!" #’ #$%("） （&!(）

!+ ! !"#" " !$ （ #%+ #$%!" #’ #$%("） （&!)）

上式中镜面反射光一项对三个式子都是一样的。

上述光照模型是一个经验模型，它只考虑给定光源的直接照射而没有考虑周围物体

光照的影响，但是由于较好地模拟了镜面高光，而且计算简单，所产生的图像有一定的

真实感，所以得到广泛的应用。

七、表面法线的计算

如果已知表面的解析表达式，表面法线可直接算出。然而通常曲面是用若干小的平

面多边形来逼近。这时对于每一多边形小片，可根据其所在平面方程的系数，决定每小

平面片的法线。若已知多边形各顶点的坐标（ ,- ， .- ， /- ），则多边形所在平面方程 ", "+. " 0/ " % ! * 的系数可按下式计算，即

" ! !(

- ! +（ .- , .1 ）（ /- " /1 ）

+ ! !(

- ! +（ /- , /1 ）（ ,- " ,1 ）

0 ! !(

- ! +（ ,- , ,1 ）（ .- " .1 ） （&!+*）

式中，若 - ! +，则 1 ! +，否则 1 ! - " +。% 可由给出平面上任一点而定。

有时需要计算表面顶点处的法矢，这时可取该顶点周围各多边形法线的平均值，例

*-+

皮革制品 ./01./2

如在图 !!"，!# 处的近似法线方向为

图 !!" 由多边形表示的曲面法

矢的近似计算

"# $ （#% & ## & #’）!$ & （ %% & %# & %’）

!& & （ ’% & ’# & ’’）

!( （!!##）

式中 #%，##，#’，%%，%#，%’， ’%， ’#， ’’———!# 点周围三个多边形 )%，)#，)’ 的平

面方程系数。

若各多边形平面方程未知，顶点处的法矢可取交于此顶点的各棱边矢积的平均值，

例如在图 !!"（(）中顶点 !# 处，其近似法线的方向为

"# $ !# !!)·!# !!’ & !# !!*·!# !!) & !# !!’·!# !!* （!!#)）

注意求平均值时，只计外法线。

上面两种近似方法所计算出顶点法矢的方向略有不同，如图 !!"（+）所示。

八、反射光线矢量的确定

根据反射定律，入射光、表面法线和反射光位于同一平面内，且入射角和反射角相

图 !!! 确定反射光的方向

等。由图 !!! 不难推出各矢量的关系。

令法线方向单位矢量为 "，入射光方向单位矢量为 *，反

射光方向单位矢量为 +，则图 !!! 中各线段的长度为

,- $ # ,. $ # ,/ $ ,-.! .0 $ ),-.!由几何关系不难看出 !,0 $ !,. & !.0故 + $ * & ),-.!"即 + $ * & ) / "·* / "

第三节 真实感图形的处理

01-23 模型用于曲面物体时，由于曲面上各点法线方向不同，对每个点计算法矢很费

时，因此常用若干多边形小平面来逼近。如果整个多边形平面只有一个光亮度值，就会

造成两个多边形相邻处亮度突变，很不自然，因此需要匀化处理，对明暗程度进行平滑，

以获得较光滑的表面效果。自然界有许多物体是透明的，其真实感图形的生成需要进行

相应的透明处理。阴影处理可以反映画面景物的相对位置，增强了图形的立体感和场景

#4#

第七章 皮革制品真实感图形生成的基本原理与方法

的层次感，丰富了画面的真实感。

一、明暗的匀化处理

（一）!"#$%#& 的明暗处理

基本思想是对离散的光亮度采样作双线性插值以获得一连续的光亮度函数。具体方

法是先计算出多边形顶点的法矢，取顶点处的法矢等于围绕顶点各多边形平面法矢的平

均值。对图 !!" 中的顶点 ! 有：

"!! # （"!$ % "!& % "!’ % "!(）)( （!!$’）

然后用每个顶点的法矢去计算每个顶点的光亮度，有了各顶点的光亮度，就可用双线性

插值的方法求出多边形内每一点的光亮度。

图 !!* 表示一四边形，假设四个顶点的光亮度已经算出。如要计算一条扫描线上的光亮

度，这条扫描线与多边形交于点 # 和点 $。取点 # 的光亮度 %# 为 %$ 和 %& 的线性插值；点 $的光亮度 %$ 为 %$ 和 %( 线性插值。#$ 线上某点 & 的光亮度 %& 则为 %# 和 %$ 的线性插值。

图 !!* 光亮度的双线性插值图 !!" 光亮度插值计算

%# #$

’$ + ’&［ %$（ ’# + ’&） % %&（ ’$ + ’# ）］ （!!$(）

%$ #$

’$ + ’(［ %$（ ’$ + ’(） % %(（ ’$ + ’$ ）］ （!!$,）

%& #$

($ + (#［ %# （ ($ + (& ） % %$ （ (& + (# ）］ （!!$-）

采用 ./01203 明暗处理不但可以克服用多边形小平面逼近曲面的光亮度不连续的现

象，而且计算量很小。为了进一步提高计算效率，线性插值可使用增量法计算，其运算

量仅涉及一次加法运算，特别是上面第三式的计算，可沿扫描线从左至右顺序计算 #$ 区

段上所有像素的光亮度。设在 #$ 段分为若干等分，每一小段的距离增量为"(，其相应

的光亮度增量对每一小段都是一样，即

"%& # "((# + ($

（ %$ + %# ）

若计算出第 " + $ 点的 %" + $，则下一个第 " 点的光亮度为

%" # %" + $ %"%& （!!$!）

./01203 方法简单但并不能完全消灭多边形的痕迹，有马赫带存在（即光亮度变化率

&’$

皮革制品 456)457

不连续的边界处呈现亮带或黑带）。另外，不能正确模拟高光，例如高光发生在多边形中

图 !!"# 规则波纹表面各顶点的法矢都相同

心部分时，用 $%&’(&) 方法，若各顶点无高光，

多边形内也就不会插值而有高光。

此外，$%&’(&) 方法有时还会出现错误，如

规则的波纹表面，如简化成图 !!"# 的多边形平

面，则将会出现各顶点的法矢都是一致的，导

致多边形面片内各光亮度都是一样，这显然是

不正确的。针对这种情况，可以将多边形分割

成更小的多边形，这些小多边形起到了过渡的

作用，因此避免了错误。

为 了 克 服 $%&’(&) 方 法 的 缺 点，可 采 用

*+%,- 的明暗处理。

（二）!"#$% 明暗处理

基本思想是对离散的法向量采样作线性插值，构造一个连续的法向量函数，将这一

连续的法向量插值函数代入光亮度计算公式，即得到一个非线性的光亮度插值公式。

这一方法大大减少了马赫带效应，并能产生出真实的高光效果。

法向量的插值方法和光亮度的插值类似。如在图 !!. 中，点 ! 的法向量 "! 为 "" 和 "/

的线性插值，点 # 的法向量 "# 为 "" 和 "0 的线性插值，而点 $ 的法向量则是 "! 和 "# 的线

性插值。

线性插值的计算仍可采用前述的增量法。图 !!"" 为经过明暗处理的鞋楦的真实感图

形。由于每一像素的光亮度计算还要使用光照模型的算式，计算量要比 $%&’(&) 方法大得

多，这影响了它在一些实时图形系统中的直接应用。

图 !!"" 明暗处理后鞋楦的真实感图形

二、透 明

（一）基本概念

自然界中许多物体是透明的，如玻璃杯、玻璃窗、水等。

光线通过透明物质表面会发生反射和透射，如图 !!"/ 所示。当光线从一种媒质进入

另一种媒质时，光线将由于折射而弯曲。光线弯曲程度由斯涅耳（1,233）定律决定，该定

44"

第七章 皮革制品真实感图形生成的基本原理与方法

律指出折射光与入射光位于同一平面内，且入射角和折射角之间存在下列关系

!! "#$!% !& "#$!’

式中 !———入射角；

!’———折射角；

!!，!&———光线在第一种媒质和第二种媒质的折射率。

由于折射，当透过某些透明体进行观察时，位于其后的景物将会失真。折射对视觉

产生的影响可以图 (!!) 为例说明。其中物体 ! 为透明体，它的折射率大于周围媒质的折

射率，物体 & 和物体 ) 为不透明体。若不考虑折射，光线 " 将交于物体 &，如虚线所示，

然而由于折射导致光线。实际交于物体 )。结果使得一个原为不可见的物体变成可见，原

来可见的物体变成不可见的。

图 (!!) 折射现象图 (!!& 折射的几何定律

另一方面，透射也有鳞面透射与漫透射。光通过透明物质，如玻璃，产生镜面透射。

除了曲面透明体的侧面轮廓线附近外，通过透明材料观察物体仍然是清晰的。通过半透

明物质会产生漫透射，因此所看到的物体是很模糊的。这是由于表面粗糙（如毛玻璃）

或透明体内部材料的杂质，扰乱了通过半透明体的光线，造成其向各方向散射。

（二）透明性的简单模拟

如不考虑折射，不考虑漫透射，透明现象就容易模拟。如图 (!!* 的物体 + 是透明体，

对观察者而言，物体 , 位于透明体 + 之后。若不考虑折射的影响，根据 -./.00 提出的线

性透明算法，将物体表面的光亮度与位于透明物体后面的物体的表面光亮度作线性组合。

点 # 向观察者发出的光包含两个部分，其一是光源在点 # 的反射光能，其二是物体 , 上

#$ 点传送到点 # 的透射光能，#$ 是视线穿过透明体与背后物体 , 的交点。设点 # 的光亮

度为 %& （前面可见面的光亮度），#$ 向视线辐射的光亮度为 %$ ，透明体的透射系数为 $，则到达观察者的光亮度应是

% % （! 1 $） %& 2 $%$ （(!!3）

这就是最简单的模拟透射光的计算公式。 $ % 4 对应不透明面， $ % ! 为透明面。 $ 也

称透明度。

%& 、 %$ 的值可用 567$8 光照模型计算。

上述线性近似算法并不适用于曲面透明体，这是因为在曲面的侧面处，介质厚度增

加，透明度降低，例如在玻璃杯的边缘处，透明度比中间处就要低得多。为了得到更好

的效果，取透明度为

$ % $9#$ 2（ $9:; 1 $9#$）［! 1（! 1 < != <）’ ］ （(!!>）

式中 $9#$和 $9:;———物体上最小和最大透明度；

*)!

皮革制品 ?+@A?+B

!" ———点 # 处表面法矢的 " 分量；

$———指数因子；

%———物体上任一点的透明度。

图 !!"# 为一圆环的透明真实感图形。

图 !!"# 圆环的透明真实感图形图 !!"$ 透明性的简单模拟

上述方法无法模拟光通过透明介质时产生的折射现象，要模拟这种现象必须应用下

面介绍的光线跟踪算法。

三、阴 影

（一）概述

阴影是指景物中那些没有被光源直接照射到的暗区。当观察方向与光源方向不一致

时，就会观察到阴影。阴影可以反映画面景物的相对位置，增强图形的立体感和场景的

层次感，丰富画面的真实感。

阴影可分本影和半影两种。观察一个物体的影子时，可以看到位于中间的全黑的轮

廓分明的部分就是本影。本影周围半明半暗的区域则为半影。本影是那些没有被光源直

接照射的部分：而半影是指那些被一部分光源直接照射但未被其余光源直接照射的部分。

如果是只有一个点光源或平行光，将只产生本影。如果在有限距离内有分布光源，将同

时形成本影和半影。本影是所有光源的光线都照不到的区域，而半影则为可接收到分布

光源的部分光线的区域。

半影的计算比较复杂，计算量较大，可采用后面介绍的光线跟踪算法计算。在许多

场合下，只考虑本影，也就是假设环境曲点光源或平行光源照明。

本影计算的工作量与光源的位置有关。如果光源位于无穷远处，计算阴影就比较容

易，可由正投影来处理。而对于有限远处的点光源，问题就难些，这时需用透视投影技

术来处理。最困难的情况则是点光源位于视区之内的情形，这时需将空间分成若干区域，

并分别计算每一区域中的阴影。

图 !!"% 显示一个立方体。图 !!"%（&）所示为该立方体垂直放置于一个空间坐标的

&’( 平面上。在图 !!"%（’）中，一个点光源位于立方体前面的左上方无穷远处，视点位

于立方体前面的右上方。这时有两类阴影：自身阴影和投射阴影。自身阴影是由于物体

自身遮挡而使光线照射不到它的某些面，如图中立方体的右侧面；它类似于自隐藏面，

且可用同样方法求出。投射阴影是由于物体的遮挡使场景中位于它后面的物体受不到光

#("

第七章 皮革制品真实感图形生成的基本原理与方法

照而形成的。如图中基平面上的阴影。投射阴影可从光源投射光线将所有非自隐藏面投

影到场景而得到。图 !!"! 为一双童鞋的阴影真实感图形。

图 !!"# 阴影———自身阴影和投射阴影

图 !!"! 童鞋的阴影真实感图形

计算本影已有几种算法，实用中要根据阴影计算的特点考虑如何减少计算时间和内

存。这里介绍几种算法的思想。

（二）影域多面体方法

这种方法在景物空间中引入影域多面体的概念。由于物体遮挡了光源，在物体后面

形成一个影域。影域是景物空间中光线被该物体轮廓多边形所遮挡的区域（物体轮廓多

边形沿光线投影方向作平移扫描所形成的区域）。影域多面体是视域四棱锥和影域的空间

布尔交集，如图 !!"$ 所示。显然，位于影域多面体的任何景物表面均为阴影面，所以确

定某点是否落在阴影中，只要判别该点是否位于影域多面体中即可。这个算法与扫描线

算法相结合就容易实现。

图 !!"$ 影域多面体

#%"

皮革制品 &’()&’*

（三）多边形裁剪算法

该算法分为两步，通过从光源和视点两次消隐生成阴影。第一步取光源方向为视线

方向对景物进行第一次消隐。采用基于多边形区域分类的隐藏面消去算法，即从光源出

发将画面中的景物按它们离光源的远近顺序排定一优先级表，然后用位于表前的相对于

光源可见多边形表面去裁剪其后的景物多边形，经过裁剪后，景物表面分割为相对于光

源可见和不可见部分，其中可见部分被保存，记为景物表面的细节多边形。第二步从观

察点出发，进行正常的绘制，景物表面上位于细节多边形之外的可见部分作为阴影处理。

（四）! 缓冲器方法

由于阴影是光线照射不到而观察者却可见到的区域，换句话说，阴影是相对于光源

不可见而从视点却可见到的区域。所以在画面中生成阴影的过程基本上相当于二次消隐，

一次是对光源消隐，另一次是对视点消隐，! 缓冲器算法就是基于这个原理。它采用两步

法，首先利用 ! 缓冲器消隐算法按光源方向对景物进行消隐。所有景物均变换到光源坐

标系，此时 ! 缓冲器（称为阴影缓冲器）中存储的只是那些离光源最近的景物点的深度

值，显然这些景物点对光源是可见的。第二步，仍用 ! 缓冲器消隐算法，但按视线方向

计算画面，将每一像素对应的曲面上可见点变换至光源坐标系，并将变换后的深度值和

存储在阴影缓冲器中的深度值进行比较，若阴影缓冲器中的深度值较小，说明该点不是

离光源最近的点，从光源方向看为不可见，因而位于阴影中。该法的优点是能处理任意

复杂的景物，可以较方便地在光滑曲面上生成阴影，且计算量小，程序简单，但阴影缓

冲器的存储耗费较大。

（五）光线跟踪算法

在光线跟踪算法中，要确定某点是否在某个光源的阴影内，只要从该点出发向光源

发出一根探测光线即可。若测试光线在到达给定光源之前和其他景物相交，那么该点位

于给定光源的阴影之中，否则受到该光源的直接照射。用光线跟踪算法也可以方便地计

算半影，只需从景物表面交点处向线光源或面光源的不同部位分布式地发射光线即可。

但这个算法工作量较大，在下面一节详细介绍这一技术。

图 "!#$ 为一款皮靴的真实感图形。

图 "!#$ 一款皮靴的真实感图形

"%#

第七章 皮革制品真实感图形生成的基本原理与方法

第四节 整体光照模型———光线跟踪算法

一、概 述

前面介绍的简单光照模型，仅考虑了光源直接照射在景物表面上产生的反射光能，

而将周围环境对景物表面光亮度的影响简单地概括为环境光，没有考虑物体间光线的相

互影响，即没有考虑光源经过其他景物的反射和折射后照射到该景物表面的光，因而这

是一种局部光照模型。事实上，光源照射到一个物体后的反射光，对另一个物体而言则

成为光源。另外，经透明体的折射光，对其他物体而言也是光源。为进一步增强图形的

真实感，就应考虑其他物体的反射光与透射光的影响。

反射包含有漫反射与镜面反射，从一个物体反射出去的光有漫射分量与镜面反射分

量，这些光到达另一个物体后，又会产生镜面反射光与漫反射光，因此包含了四种情况：

镜面反射到镜面反射、镜面反射到漫反射、漫反射到镜面反射、漫反射到漫反射。对于

透射，同样也有漫透射与规则透射（镜面透射）。如果一下子将它们全部考虑进去，情况

就会十分复杂。为了使问题简化，可分两步进行。首先，只考虑光在景物表面间的镜面

反射和规则透射，这样得出的图形就能模拟出下列效果：在光亮平滑的物体表面上会呈

现出其他景物的映像，景物之间互相辉映作用，以及通过透明物体看到其后的环境映像。

其次，考虑光照从漫反射到漫反射，这样得出的画面更为柔和并能模拟辉映作用，距离

相近的景物表面之间有彩色渗透现象，例如一个光亮的白色物体，如果在附近有红色物

体，则看上去会略带红色。

整体光照模型考虑了整个环境的总体光照效果和各种景物间光照的相互作用，在

!"#$% 模型的基础上又考虑了上述两项因素。整体光照模型可用光线跟踪技术及辐射度的

方法来实现。应用光线跟踪算法可以模拟沿给定方向传播的镜面反射光和规则透射光对

景物光亮度产生的整体光照效果，而辐射度方法则用来模拟光照由漫反射到漫反射所产

生的效应。

二、&"’(()* 整体光照模型

&"’(()* 于 +,-. 年提出了第一个整体光照模型。它在 !"#$% 模型中增加了环境镜面反

射光亮度和环境规则透射光亮度。它除了考虑光源直接照射引起的反射光到达观察者的

光亮度，还考虑从场景中其他物体镜面反射或透射来的光。景物表面某点 ! 向观察点辐

射的光亮度由三部分组成，依下式求出。

" / "+ 0 "#$# 0 "%$% （1!2.）

式中 "+———光源直接照射引起的反射光亮度，按照 !"#$% 模型来计算；

"# ———在镜面反射方向上其他物体向点 ! 辐射的光亮度；

"% ———在折射方向上其他物体向点 ! 辐射的光亮度；

$# ———景物表面的反射系数；

$% ———景物的透射系数。

-3+

皮革制品 4567458

!" ， !# 的确定要求助于光线跟踪算法。

三、光线跟踪算法

光线跟踪算法是 !"#$$%& 在提出整体光照模型的同时发展起来的。它利用光线的可逆

性原理，不是从光源出发，而是从视点出发，沿其视线方向追踪，如图 ’!() 所示。从视

点出发，通过屏幕上一像素 % 投射光线，求出光线与场景中最近的形体的交点 $，在交点

$ 处，光线分为沿镜面反射方向 %* 和折射方向 #* 两支。追踪这两支光线，找出它们与场

景中其他形体的交点 & 和 ’。要计算点 ’ 和 & 辐射的光亮度还要继续追踪。从点 ’ 出发

沿该点反射方向 %( 和折射方向 #( 进行追踪，从点 & 出发向 %+ 和 #+ 方向进行追踪，如此

继续下去，直至被跟踪的光线射出画面，或跟踪深度达到给定层次为止（一般为四层）。

因为考虑到跟踪光线经多次反射和透射后会衰减。也可通过判别跟踪光线对显示像素的

光亮度的贡献是否小于一给定值来控制跟踪深度。

图 ’!() 光线跟踪算法

上述光线追踪过程可用一棵二叉树（称为光线树）来表示，树上每一结点（除根结

点外）都是对显示像素光亮度有贡献的发光点，位于 ( 和 ) 结点之间的边（ ) 为 ( 的子结

点）表示发光点 ) 向!() 方向辐射的光亮度。

由上看出光线跟踪是自然界光照明物理过程的近似逆过程。自然过程是光源发出的

光经环境景物间的多次反射、折射后投射到景物表面，最终进入人眼。光线跟踪技术则

是逆向跟踪上述过程。为什么要这样呢？因为若从光源出发追踪光线，则只有极少量的

光线到达观察者的眼睛，这样处理效率很低，因此按相反途径追踪光线。

在计算表面点 $ 的光亮度时，需从后到前（从叶到根）的次序遍历相应的光线树，

在树的每一节点处，递归地调用式（’!()）。因为按式（’!()）计算点 $ 的光亮度需要知

道 !" 和 !# ，即点 ’ 和点 & 的光亮度，而对于点 ’ 和点 & 仍需用式（’!()）式计算，即

!’ , !-* . !-" *-" . !-# *-# （’!(*）

!& , !/* . !/" */" . !/# */# （’!((）

而 !-" ， !-# ， !/" ， !/# 仍需应用式（’!()）来计算，如此继续下去直至光线树的叶结点。

四、反射与折射光线矢量与阴影处理

在计算过程中首先必须确定反射光线矢量 % 和折射光线矢量 #。设 + 为法线方向单位矢量， ! 为投射光线单位矢量，, 为反射光线单位矢量，- 为

0+*

第七章 皮革制品真实感图形生成的基本原理与方法

折射光线单位矢量。

根据本章第三节的推导，反射光线单位矢量为

! ! " " #!#·"!#

至于折线光线单位矢量可由图 $!#% 中的几何关系得出，其中要用到折射定律

图 $!#% 折射光线矢量计算

$%$#

! &’(!)&’(!

因为 " 和 % 是单位矢量，故线段 &’ 和 &( 的

长度为 %。

&’ ! &( ! % 则 &) ! *+&!于是 "’) ! " " #*+&!

"*("’) ! &’(!)

&’(!! $%$#

故 "*( ! $%$#"’) ! $%

$#（ " " #*+&!） （$!#,）

又 "&* ! - #*+&!) "&( ! "&* " "*(

故 % ! - #*+&!) "$%$#

（ " " #*+&!） （$!#.）

即 % ! $%$#" - *+&!) -

$%$#

*+&( )! # （$!#/）

*+&! [) ! % - $%$( )#

#

（% - *+&#! ]）%0#

（$!#1）

利用光线跟踪技术可以方便地求出阴影。可在上述光线跟踪过程中，对每个交点向

光源发射阴影测试光线，测试该交点与光源之间有无物体遮挡。若测试光线在到达光源

之前和其他景物相交，那么该点位于给定光源的阴影之中。同时，亦可方便地计算半影，

只要向每一个点光源发射测试光线，若发射的 + 条测试光线中有 , 条被阻挡，则该点的

暗度等于 ,。如果场景中景物表面为曲面，则可将其离散成若干三角形面片。

五、提高计算效率

光线跟踪技术模拟了自然界中光的传播，可得到高度真实感的图像。它可模拟场景

中的景物互相辉映，模拟阴影、透明体等。但是它的实现需要耗费极大的计算量。在# 2- 显示分辨率的屏幕上生成图形，必须从视点出发通过屏幕向场景发射 # 2 - 条光线。

而每条光线在场景中经过反射与折射又派生出几条光线，这样至少有数百万条光线。要

进行数百万次光线与景物的求交计算及法线、反射和折射方向的计算，计算量十分惊人。

主要计算工作量花费在求交计算，因此如何提高求交的计算效率是光线跟踪算法一个主

要问题。

对于一个较复杂的场景，常蕴含有许多景物表面，特别是曲面，由很多多边形平面

组成。当一条光线射入场景中，由于算法事先无法确定与哪一个景物表面先交，因此对

于同一光线，要与场景中所有景物表面都进行求交，然后，将各交点沿光线投射方向排

序，取第一个交点。为了避免上述繁琐的计算，可采用下面的方法。

将景物表面划分成若干三角形面片，同时将景物所在空间分割成若干网格单元，在

所有网格单元中仅有一部分网格单元内含景物表面，因此在求交测试过程中，被跟踪光

3.%

皮革制品 4560457

线仅需同含有景物表面的网格单元进行求交测试。这样可使光线跨越一个个空的网格单

元，直到它与景物的第一个交点时为止，此后光线无需再继续跟踪下去。空间分割剖分

有两种方式，一种是将空间均匀地分割成大小相同的小立方体网格单元，它需占用较大

的内存。另一种是采用八叉树式的空间分割，可以减少每一条被跟踪光线所穿越的空间

网格单元数目，所需的内存也较小。一个较为成功的算法是采用线性八叉树数据结构。

所谓线性八叉树，即用一可变长度的一维数组来存储一棵八叉树，数组中仅存八叉树的

终结点。每一非空的空间网格惟一地对应一空间线性八叉树结点。位于被跟踪的光线上

的空间网格可在线性八叉树中通过简单的索引和查找求得。这样，通过定向跟踪和测试

光线所穿过的空间网格单元，便能很快地求得光线与景物的第一个交点，从而使计算量

大大减小。

第五节 辐射度方法

光线跟踪算法成功地模拟了整体光照效果的镜面反射和折射过程，但无法模拟光能

在景物表面间由漫反射到漫反射的能量传播形式。因此，采用光线跟踪算法绘制的图像，

仍有一些照明效果得不到正确表现。漫反射效应很难用光线跟踪算法来实现。因为漫反

射光是向空间各方向均匀反射的光，要模拟它需要引出很多条光线，计算量太大，无法

实现。

!"#$ 年 %&’()*+ 等人提出辐射度方法来解决上述问题，它是基于辐射换热的方法。它

假定所考虑的环境是一封闭的理想漫反射环境，从光源发出的光能经过景物间的多重漫

反射后最终达到平衡状态，每个面元辐射出的光能等于接收到的光能。把单位面积上向

视点辐射的光能称为辐射度，也就是漫射光亮度，以 ! 表示。为了计算景物各点的辐射

度，把环境中景物表面分割成若干小的面元，每一面元具有均匀的辐射度。根据能量守

恒原理，一个面元辐射出的光能应等于该面元由光源直接照射所接收的光能加上接收到

来自周围景物表面的光能，用下式表示。

!" ,#" - $" ,#" .!"!%

& - !!&’"& ,#& （/!0/）

式中 $" ———面元本身作为漫射光源向空间辐射的漫射光亮度，或作为接收到的光源直

接照射光亮度；

’"&———形状因子（反映了从面元 & 辐射出的光能到达面元 " 的比例数）；

!" ———漫反射率（反映入射能量被漫反射出来能量的比例数）。

于是，面元 ,#" 的辐射度

!" - $" .!"!%

& - !!&’"& （/!0#）

这里应用了关系式 ’"& ,#& - ’"& ,#"

对于每一面元均有此方程式，对于整个场景则有 % 个方程组。

! 1!! ’!! 1!! ’!0 "" 1!! ’!%

1!0 ’0! ! 1!0 ’00 "" 1!0 ’0%

" " "" "1!%’%! 1!%’%0 "" ! 1!%’

%%

!!

!0

(!

%

-

$!

$0

($

%

（/!0"）

!$!

第七章 皮革制品真实感图形生成的基本原理与方法

上式就是求解封闭系统中所有面元的漫射光亮度的方程。

用该式可模拟彩色渗透现象，从方程中明显看出，光亮度 !" 是其余曲面片发出的光

亮度的线性组合。这种线性组合反映出彩色渗透。

在应用式（!!"#）式之前，必须先确定形状因子 #"$ ，这是运用辐射度方法求解环境

中光能分布的关键问题。

参看图 !!""，形状因子由下式决定，即

#"$ $ %%!&"!& $

&"$ ’()!" ’()!$

"’" *%$ *%" （!!+,）

图 !!"" 两面元的形状因子

&"$ 是面元 *%" 和 *%$ 之间的遮挡因子，

它定义为

&"$ $ %，*%" 和 *%$ 之间无遮挡；

&"$ $ ,，*%" 和 *%$ 之间有遮挡。

形状因子与 *%" 和 *%$ 相对取向及距离

有关。它等于由 *%" 发出直接到达 *%$ 的辐

射光能除以离开 *%" 向半球空间所有方向辐

射的光能。换句话说，它表示面元 *%" 向四

周辐射的光能中有多少到达 *%$ 。

其中 ,"#"$"%

另外有 #(

" $ %#"$ $ %

另外有运用上述方法求出的是每一面元

上的平均光亮度，若直接用于绘制，会使画面上面元之间明暗突变。为此可采用光亮度插值

方法，先将其变换成面元的角点的光亮度，然后用双线性插值求出面元内每点的光亮度。

辐射度方法的关键在于计算每一面元对景物上其他面元的形状因子，它占辐射度方

法计算量的 #,-以上。一般情况下 #"$ 的计算涉及双重积分，为了避免积分计算，可以应

用一种半立方体方法。要计算面元 *%" 对任一面元 *%$ 的形状因子，取面元 *%" 上一点为

中心，其法线方向为 ) 轴，建立半个正立方体；半立方体的五个表面分成均匀的正方形

网格，每一网格称为“像素”。然后将面元 *%$ 向半立方体表面作中心投影，得一投影区

域，计算 *%" 对此投影区域的形状因子，也就等于 *%" 对原来 *%$ 的形状因子。*%" 对半

立方体表面上每一“像素”的形状因子可以很方便地计算，事先将其算出并存放到一张

查找表中，要计算 *%$ 的形状因子，只要找出 *%$ 在半立方体表面上投影区域所覆盖的那

些“像素”，将每一“像素”的形状因子相加，其和即为 *%$ 的形状因子。

上述方法仅适用于由理想漫反射体组成的封闭环境，但实际光照环境还应包括镜面、

透明面在内。因此，要对辐射度方法加以改进，首先要考虑光能在物体表面间经由其他

镜面或透明面传递光能的过程。./00/’1 等人引入“间接形状因子”这一方法来解决这个

问题，即在计算两个面的形状因子时，除包括直接形状因子外（考虑直接漫射能量的传

播），还应计入它们之间经由其他镜面或透明面传递光能而产生的“间接形状因子”。

辐射度方法只是模拟漫反射，不能模拟镜面反射和规则透射，为了模拟各种照明效

"2%

皮革制品 3&453&6

果，可采用两步法。第一步采用辐射度方法求出整体环境的漫反射光能分布。对于景物

中一个面元通过中间面元的镜面反射或规则透射对另一面元所间接辐射的光能，用间接

形状因子予以模拟。第二步采用光线跟踪技术，求出整体镜面反射光和规则透射光对给

定屏幕像素的光亮度贡献。一般来说，表面光亮度中的漫反射分量沿景物表面变化较为

缓慢，且漫射光各向同性，这意味着在第一步中可以对景物表面进行较为粗糙的分割，

并无需对空间角度采样。第二步采用光线跟踪算法，可以只计算那些最终投射到观察者

眼中的整体镜面反射光和透射光。在两步法中，两种方法各施所长，互补不足，较完全

地模拟了各种整体照明分量，以产生高度真实感的图形。

第六节 纹理和自然景物模拟

一、纹 理

上面讨论的仅是景物外形的绘制，没有考虑物体表面细节的模拟。事实上，同是平

面，真皮表面和木质表面的纹理颜色大不一样。正是丰富的表面纹理颜色使世界显得绚

丽多彩，模拟物体的表面细节，使生成的图形更接近自然景物。

在计算机图学中物体的表面细节称为纹理。表面纹理包括颜色纹理与几何纹理。颜

色纹理主要是指光滑表面上附加花纹和图案。如皮革制品上各种非立体的图案，墙面上

的拼花图案，木质家具表面，塑料地板等。几何纹理主要是指景物表面在微观上呈现出

的起伏不平，例如真皮的粒面、柑橘表皮、树皮等。下面分别介绍颜色纹理和几何纹理

的模拟方法。

颜色纹理可采用纹理映射技术（!"#!$%" &’(()*+）来模拟。在光滑表面上描绘花纹，

实际上是花纹在表面上的映射。即将任意的平面图形或图像覆盖到物体表面上，在物体

表面形成真实的色彩花纹。所以描绘花纹可以简化为由一个坐标系到另一个坐标系的变

换。将在纹理空间中 !" 平面上预先定义的二维纹理函数映射到景物空间的三维景物表面

上。通过取景变换，再进一步映射到图像空间的二维图像平面上；可以看出纹理映射涉

及纹理空间、景物空间、图像空间（屏幕空间）三个空间之间的映射，见图 ,!-.。

图 ,!-. 纹理空间、景物空间和图像空间之间的映射

假定花纹图案定义在纹理空间中的一个正交坐标系（ !， "）中，而景物表面定义在

另一个正交坐标系（!，"）中，把纹理图案加到景物表面上去，就需要在这两个坐标系

之间确定一个变换函数

!/ #（!，"） " / $（!，"）

.01

第七章 皮革制品真实感图形生成的基本原理与方法

或 ! ! "（!，"） # ! $（!，"）

一般假定映射函数为一个线性函数

!! %! " &

" ! ’# " (式中常数 %、&、’、( 可用两个坐标系已知点之间的关系而获得。

除了用数学模型定义二维纹理外，也可使用数字化仪对已有的图片采样，建立一二

维模式数组，用离散方式定义颜色纹理。设一数字化图像用一数组 ) 表示，) 为真实感

图像的离散采样，其大小为 * # +。然后利用纹理数组 ) 来构造纹理函数。一种最简单

的方法是对纹理数组进行双线性插值来构造纹理函数。

以上算法都只涉及二维纹理向景物表面的映射。此外，还可将纹理定义为三参数的

图 $!%& 木纹鞋楦的真实感图形

纹理函数，并映射到景物的体内，称为体纹

理映射（’()*+ ,-./01*23）。这种方法将纹理函

数直接定义在景物空间中，即 , ! ,（ -， .，

/）。这里（ -， .， /）是景物空间坐标。现

实生活中的木头截面反映了体纹理。用体纹

理映射方法模拟物体表面细节的最大优点是

使复杂曲面的纹理能很好地衔接，避免同一

物体相邻表面间纹理颜色的不协调以及同一

表面由于重复用相同纹理模式而引起的纹理

不衔接。

图 $!%& 为一款鞋楦的木纹真实感图形，

图 $!%4 为一款鞋跟不同材质的真实感图形。

图 $!%4 不同材质鞋跟的真实感图形

二、自然景物的模拟

自然景物如山脉、树木、云彩、火焰、树皮、果皮等大都千姿万态，具有随机形状，

很难用常规的方法来造型和表示，下面介绍几种成功的模拟自然景物的方法。

（一）法向扰动法

法向扰动法由 5)*22 在 67$8 年提出，主要用于模拟表面细微的凹凸不平的景物，如真

皮、海面的波浪、云彩。5)*22 用一扰动函数（可以解析地定义，也可用一组离散数据非

解析地定义）对常规曲面的法向量进行“扰动”，即在表面每一点上沿其表面法向方向附

&&6

皮革制品 9:;<9:=

加一个新的向量，这一向量比较小，不影响原表面的大致形状，但对表面该点处的法向

产生较大的扰动作用，结果使曲面变得非常粗糙，通过恰当地选择扰动函数，可使生成

的图形具有不同的皱褶纹理效果。

设初始曲面为 !（"， #），沿 "， # 方向的偏导数矢量以 !"、!# 表示。!"、!# 在该

点的切平面上，!"、!# 的叉积决定曲面在该点的法矢

$ ! !" " !#

为了在表面上产生凹凸纹理，可在原表面法线方向上附加一个以扰动函数 %（ "， #）

作为分量的矢量，从而得到一个新的表面，其任一点的位置矢量为

&（"， #） ! !（"， #） # %（"， #） $$ $ $ （%!&’）

&（"， #）的法矢为 $ ! &" " &#

&"、&# 为& 的两个偏导矢量。

&" ! !" # %"$$ $ $ # % $

$ $( )$ "

&# ! !# # %#$$ $ $ # % $

$ $( )$ #

由于 % 很小，上面式中第三项可以忽略，则

&" ! !" # %"$$ $ $

&# ! !# # %#$$ $ $

于是 $( ! &" " &# ! $ # %" （$ " !# ）

$ $ $ # %# （$ " !" ）

$ $ $ （%!&)）

式中最后两项为原表面法矢的扰动项，$ 就是扰动后的法矢。扰动函数可取任何有偏

导数的函数。常用的有正弦函数扰动来描述果皮，概率论上的正态分布函数来描述海面

的浪峰和浪谷。

法向扰动法能够模拟不规则景物表面的凹凸不平，如树皮、果皮、海面的波浪等，

但扰动函数不易选取，再就是景物的“不规则”仅局限于给定物体的表面上，而不反映

在物体的整体构造上，这使它的应用受到一定的限制。

（二）碎化表面法

这种方法是利用不规则的碎片平面来模拟地形起伏，特别是那些多岩石的地形。其

方法是先用四边形的网格（各四边形不必是平面）对山加以近似，然后对每个四边形又

细分。细分的方法是：先取四边形每条边的中点，然后对每一中点按一个随机函数值扰

动它的位置，作为四个新的顶点，再用类似的方法对四边形中心进行扰动，得到的扰动

点作为细分后的四个小空间四边形的公共点，于是连同原来四个顶点，将原来四边形细

分为四个随机倾斜的四边形。这样反复细分多次，直至满足碎化要求，则终止碎化。

碎化表面法的优点是它可以无限地分割下去，因此任何细节都可获得，而且细分的

层次可由观察者位置决定，离观察者越近，则图像越细致；离观察者相距较远时，许多

细节可以略去。它的缺点是分割中碎片数目的增加大大超出线性速度，因此必须在分割

次数和图形细节的层次之间作出权衡，否则可能导致计算量过大而影响图形生成速度。

*+’

第七章 皮革制品真实感图形生成的基本原理与方法

（三）粒子系统方法

粒子系统是一种成功的模拟不规则模糊物体的景物生成系统。它充分体现了不规则

模糊物体的动态和随机性，很好地模拟了火、云、水、森林和原野等自然景象。

粒子系统的基本设计思想是采用许多形状简单的微小粒子作为基本元素来表示不规

则模糊物体，这些粒子都赋予一定“生命”，它们在系统中都要经历“出生”、“运动和生

长”及“死亡”三个阶段。由于粒子系统是一个有“生命”的系统，因而它不像传统方

法那样只能生成瞬时静态景物画面，而可产生一系列运动进化的画面，这使得模拟动态

的自然景象成为可能。生成系统某瞬间画面的基本步骤如下：

!产生新的粒子；

"赋予每一新粒子一定的属性；

#删去那些已超过生存期的粒子；

$根据粒子动态属性对粒子进行移动和变换；

%显示由有生命粒子组成的图像。

由于粒子系统是一个生命系统，因而粒子的“出生”、“运动和生长”及“死亡”都

应是不确定性的。粒子系统采用了随机过程的控制方法。例如每一画面产生的新的粒子

数目是：

粒子数目 ! 平均粒子数目 " #$%& ’ 粒子数目的方差

其中 #$%& 是在 ( ) 至 " ) 范围内的随机数。同样粒子的一些随机属性可类似地确定。对新

产生的粒子，系统赋予它们一些初始随机属性，如初始运动方向、初始大小、初始颜色、

初始透明度、初始形状以及生存期等都是随机的。粒子在它的“运动和生长”过程中将

随机地改变这些属性，粒子系统的随机性使模拟不规则模糊物体变得十分简便。

（四）分形几何法

分形几何（*#$+,$- ./01/,#2）认为，分形体的最本质的特点就是其形状的不规则性，

图 3&45 分形几何法生成的山脉真实感图形

包括形状上的自相似性和结构上的无限细分性。分形几何描述自然形体，正是从其不规

则性着手，在不规则中求其“规则”的一面，从而给出符合形体客观结构规律的描述。

另一方面，在形体的表示方式上，分形几何与传统的欧几里德几何是截然不同的。欧几

里德几何总是试图用方程来描述形体的形状，而分形几何则是通过某个动态过程来表示

形体。由于迭代程序最能反映自

相似和无限细分的特性，同时也

是计算机最容易处理的过程，因

而 常 用 迭 代 过 程 来 描 述 分 形

形体。

显而易见，相对于欧几里德

几何而言，分形几何描述自然对

象最大的优势在于，它遵循而不

是违背了自然形体形状上的不规

则性，同时，又充分发挥了计算

机技术在过程处理上的优越性。

图 3&45 为通过分形几何法生

56)

皮革制品 789:78;

成的山脉的真实感图形。

第七节 图形反混淆技术简介

图形反混淆又称图形反走样。图形的混淆表现在图形上的直线或光滑曲线呈锯齿状、

图形细节或纹理绘制失真，以及细小的对象在画面上得不到反映。在动画中，细小物体

在画面上会时隐时现，这在飞行模拟器中是不容许的。图形的混淆是由于计算机生成的

图形是由离散点组成的图像，而直线、多边形的边、彩色边界等实际上是连续的，因而

生成的图形必然与真实景物之间存在误差。

产生图形混淆的原因从信号理论的角度来看，是由于生成图像时对真实画面的采样

频率过低。举一个简单的例子，设有一正弦信号，如果采样点足够多，采样频率大于信

号频率的两倍，则根据这些采样点可重新建立起原来的信号，如图 !!"!（#）。如果采样频

率小于两倍信号频率，则将产生混淆，如图 !!"!（$）和（%），得到的是一个较低频率的

正弦信号。所以为了避免信号走样，采样频率应大于最高信号频率的两倍。

一幅真实画面的信号是一个二维连续函数 !（ "， #），函数值代表屏幕上的光亮度。

在光栅显示器屏幕上一幅由离散的像素构成的数字化图像，可认为是对真实画面的一个

采样。由于 !（"）有高频分量，对其采样必然会有图形混淆问题。形象地说，图形中的

细节反映了该图像的高频分量，图像中景物的大致形态反映了图像的低频分量，因而当

采样频率过低（即分辨率过低）时，图像中的细节就会丢失。

图 !!"! 不同采样频率的结果

解决图形混淆的最简单方法是提高光栅图形显示器的分辨率，但这种方法受到经济

上与技术上的限制，花费代价大，况且分辨率并不是可以无限提高，现在对应最高分辨

率的一条扫描线上的像素不超过 "&&&。所以一般采用软件的方法来解决图形混淆问题。

基本上有两类图形反混淆方法。

!’(

第七章 皮革制品真实感图形生成的基本原理与方法

图 !!"# 加权表

第一类方法是提高采样频率，即从软件的方法提高分辨率。其方法是高分辨率计算，

低分辨率显示。高分辨率计算是将低分辨率的图形显示像素划分为许多子像素，如 $ % $，

& % &，! % ! 划分。然后按通常的算法计算出各个子像素的光亮度值，取各子像素光亮度

值的加权平均值作为整个像素的光亮度进行低分辨率显示。加权的方法有多种，图 !!"#所示的加权表是典型的一种。

这个方法明显的增加了工作量，特别在光线跟踪算法中。实际上并不一定需要对所

有像素进行细分，只需对发生图形混淆的像素进行细分。实际应用中可将原来取像素中

心点改为取像素的四个角点计算光亮度，最终像素的光亮度是四个角点光亮度的算术平

均值。是否有图形混淆可视四个角点光亮度相差程度如何来判断。如果一个像点的光亮

度与其他角点光亮度之差超过某一预定值，则进行细分。取各子像素光亮度的加权平均

而得到整个像素的光亮度。

图 !!"’ 点采样的图形混淆

(—位于最前面的红色物体

)—位于 ( 后面的绿色物体

*—蓝色的背景

第二类方法是用面积采样代替点采样，即把像素

作为一个有限的区域而不是作为一个点来处理。因为

一个像素所代表的实际上是一屏幕区域。当像素区域

内所包含画面各部分的实际光亮度不一致时，仅用像

素中点的光亮度来代替整个像素的光亮度会产生图形

混淆现象。例如在图 !!"’ 中，取像素中心点采样得

到的光亮度颜色为绿色，而实际上整个像素由三种不

同颜色的物体所覆盖，如各部分颜色所占面积大致相

等，实际上像素将呈现白色。

为了解决上述问题，可以求出像素内不同物体所

占据的面积，然后按其面积对这些物体的光亮度进行

加权平均。即像素的光亮度为

! + !, ", - !" "" - !$ "$ - !. ". -"

最近提出一种随机采样法，其采样点不是规则排列，而是对其随机地扰动得到不规

则分布的采样点。随机采样算法可以将图形信号的走样转化为图形信号的噪声，获得了

#.,

皮革制品 *(/0*(1

好的效果。

采取什么样的图形反混淆方法视具体情况而定，在消隐、阴影生成、光线跟踪及纹

理映射中都会出现图形混淆，要分别采用相应的有效图形反混淆方法。

思考题与习题

!" 真实感图形生成的主要技术有哪些？

#" 简述基本光照模型的建立过程。

$" 简述真实感图形常用的处理方法。

%" 简述光线跟踪算法的原理和基本步骤。

&" 简述辐射度方法在真实感图形中的应用。

’" 举例说明真实感图形在皮革制品设计中的应用。

(" 简述纹理的生成原理及其在皮革制品设计中的应用。

)" 简述自然景物模拟的方法。

*" 简述图形的反混淆技术。

*%!

第七章 皮革制品真实感图形生成的基本原理与方法

第八章 计算机辅助皮革制品工艺过程设计及数控设备

工艺设计是皮革制品生产制造过程中的一项重要的技术准备工作，是产品设计与车

间实际生产之间的纽带，工艺设计所生成的工艺文档是指导生产过程的主要文件及制定

生产计划与调度的依据。它是以生产实践为基础，并随企业生产制造环境的变化而变化

的一个多变的决策过程。

随着计算机集成制造系统（!"#$）在企业的逐步推广应用，为寻求有效的工艺设计

方法提供了可能，从缩短生产准备周期，提高工艺文件质量，使广大工艺人员从繁琐和

重复的劳动中解放出来，提高企业内部信息的集成度等方面考虑，计算机辅助工艺过程

设计（!%&&）便应运而生。皮革制品生产过程是一个典型的工艺加工过程，应用计算机

辅助皮革制品工艺过程设计（皮革制品 !%&&）代替传统的工艺设计方法，是用先进技术

改造、提升传统制造业的必然趋势，具有重要的意义。

在皮革制品的制造生产过程中，采用先进的数控技术和数控设备是提高产品质量、

降低生产成本的重要手段。本章将着重介绍计算机辅助皮革制品工艺过程设计及皮革制

品生产中常用的数控设备。

第一节 计算机辅助工艺过程设计

一、计算机辅助工艺过程设计

传统工艺过程设计中大量的设计决策是由工艺设计人员根据被加工工件的结构工艺

信息、加工条件、工艺技术现状及发展趋势等多方面因素主观决定的。因此，工艺文件

的内容、质量以及编制时间主要取决于工艺设计人员的经验和熟练程度。

当前，皮革制品生产是以多品种小批量生产为主，这种生产模式的变化必然要求工

艺设计方法也随之变化。因而，传统的工艺设计方法已难以适应当前行业发展的需要，

具体表现为：!传统工艺规程设计由人工编制，劳动强度大，效率低；"工艺设计周期

长，不能适应市场瞬息万变的要求；#设计质量因人而异，在很大程度上依赖于工艺设

计人员的经验水平；$工艺设计最优化、标准化较差，工艺设计经验的继承性也难于保

证；%工艺设计人员主要进行繁琐且重复性的工作，缺少对工艺创新的研究。

计算机辅助工艺过程设计（!%&&）的实质是计算机对工艺人员的工艺设计过程的仿

真。它要求将工件的有关信息输入计算机后，由计算机自动完成各项工艺设计任务。

!%&& 系统的开发研究是以改进传统工艺设计方法和推进工艺设计自动化为主要目标，并

向设计制造信息集成和智能方向发展。用 !%&& 代替传统的工艺设计方法具有重要的意

义，主要表现在：!可以将工艺设计人员从繁琐和重复性的劳动中解放出来，转而从事

新产品及新工艺开发等创造性的工作；"可以大大缩短工艺设计周期，提高产品在市场

上的竞争力；#有助于对工艺设计人员的宝贵经验进行总结和继承；$有利于工艺设计

’()

的最优化和标准化；!为实现 !"#$ 等先进的生产模式创造条件。

（一）!"##系统的结构

!%&& 系统的结构与其开发环境、产品对象、规模大小有关。一般 !%&& 系统由零件

信息的输入、数据文件或数据库、工艺规程的生成、系统的控制和管理与工艺文件管理

与输出等五个部分组成。

’( 零件信息的输入

零件信息是系统进行工艺设计的对象和依据，零件信息可以由人工交互输入或者从

!%) 系统直接获取，也可以来自集成环境下统一的产品数据模型。

*( 数据文件或数据库

数据文件或数据库是系统的支撑工具，它包含了工艺设计所要求的所有工艺数据和

规则。

+( 工艺规程的生成

对标准工艺进行检索、调用、修改和编辑，生成零件的工艺规程；或者是以零件信

息为依据，按预先规定的顺序或逻辑，调用有关工艺数据或规则，进行必要的比较、计

算和决策，生成零件的工艺规程并进行适当的编辑和修改。

,( 系统的控制和管理

负责对整个系统进行控制与管理。

-( 工艺文件管理与输出

工艺文件的管理和维护既是 !%&& 系统的重要内容，也是整个 !%).!%#.!%&& 集成系

统的重要组成部分。输出部分包括工艺文件的格式化显示、存盘、打印等内容。

（二）!"##系统的工作原理

用 !%&& 生成工艺规程的基本原理，是将经过标准化或优化的工艺过程或工艺过程设

计的逻辑思想程序化。!%&& 系统按工作原理可以分为四种类型：派生式（/012034）、创成

式（5636104276）、混合式（89:12;）以及专家系统（<=>614 $9?46@）。

’( 派生式 !%&& 系统

在成组技术的基础上，根据相似性原理将零件分类成组，按零件组编制出标准工艺

规程以及相应的检索方法与逻辑，并以文件的形式存储在计算机中。当需要生成一个新

零件的工艺规程时，输入该零件的成组技术代码，检索系统根据输入零件的结构、工艺

特征和加工要求进行检索并给出该零件组的标准工艺规程。对标准工艺规程进行增删、

修改和编辑即可生成该零件具体的工艺规程。

*( 创成式 !%&& 系统

不是依靠任何零件组的成组工艺规程，而是在系统软件中存储了大量的工艺数据和

加工知识，并在此基础上建立起一系列的决策逻辑，形成工艺数据库和加工知识库。当

输入新零件的有关信息后，系统可以模仿工艺人员，应用各种工艺决策逻辑规则，在没

有人工干预的条件下，由系统自动地生成新零件的工艺规程。

+( 混合式 !%&& 系统

有人将传统的派生法、创成法与人工智能结合在一起，综合它们的优点，构造了所

谓的混合式 !%&& 系统。这种工艺设计系统沿用以派生式为主的检索"编辑原理，当零件

不能归入系统已存在的零件组时，则采用创成式原理进行工艺设计，或在工艺编辑时引

’-’

第八章 计算机辅助皮革制品工艺过程设计及数控设备

入创成式的决策逻辑原理。

!" 专家系统

传统的创成式系统由于决策逻辑嵌套于应用程序中，系统结构复杂，不易修改。在

基于知识的 #$%% 专家系统中，工艺专家编制工艺的经验和知识存储在知识库中，它可以

方便地通过专用模块增删和修改，这就使系统的适应性和通用性大大提高。创成式 #$%%系统与 #$%% 专家系统都可以自动地生成工艺规程。但是，创成式 #$%% 系统是以逻辑算

法加决策表为其特征，而 #$%% 专家系统则以推理加知识为其特征。

二、皮革制品 #$%%

皮革制品工艺设计是皮革制品制造过程中技术准备工作的一项重要内容，是一个经

验性很强而且随生产制造环境变化而多变的决策过程。皮革制品工艺设计的任务在于：

设计产品工艺过程、工艺操作内容、工艺参数和工艺装备等。

（一）皮革制品工艺设计现状

随着大众消费观念的转变，人们对皮革制品的需求也呈现出多样化、个性化的特点。

目前，皮革制品企业的生产特点已经发生了明显转变，生产类型已由原来的大批量、少

品种、长周期向小批量、多品种、短周期方向发展，产品更新速度不断加快，具有明显

的时尚性。

皮革制品的生产过程是一个典型的工艺加工过程，其工艺设计的内容涵盖了皮革制

品加工装配的全过程，从零部件到皮革制品成品，通常需要几十甚至上百道工序。以制

鞋工艺为例，工艺设计的内容包括裁断、零部件整型加工、部件装配、帮底组合以及整

饰检验等，其中每一工段又包含了许多具体的工序。在企业中，工艺设计人员的主要任

务之一就是要根据具体产品来编制生产工艺，包括工序安排、机器设备安排、生产人员

调配、工时计算、生产流水线平衡等环节，只有把这些工作安排得井然有序，才能保证

产品的顺利生产。

但是，目前皮革制品行业具有丰富生产经验的工艺管理人员还很匮乏，而且我国皮

革制品生产的理论和技术基础也比较薄弱，现代生产管理的模式在皮革制品企业还未得

到广泛应用，生产环节大多由生产技术管理人员（如生产主管、车间主任、生产班组长

等）凭经验进行适当调配，往往需经多次反复调整才能取得较好的效果，这种方式依赖

于个人的经验积累，主观性强，已经难以适应我国皮革制品行业的生产要求，具体体现

在以下几个方面。

&" 工艺过程难以实现标准化、规范化

由于工艺规程的编制完全是手工劳动，因此工艺规程的编制质量在很大程度上依赖

于个人的知识水平和经验，对于同样的款式，不同的工艺人员往往会编制出不同的工艺

规程，这样就使一些款式相同或相似产品的工艺过程多样化，从而使生产准备工作复杂

化，直接导致生产成本增加。

’" 效率低、工艺创新较少

在皮革制品生产过程中，虽然具体产品的款式造型有所变化，但其往往都是在一定

的原型基础上进行局部变化设计而来的，它们之间的一些基本组（部）件组成、基本工

序也是相近似的，但现在的手工工艺规程编制过程往往忽略了这一有利条件，对于一个

’(&

皮革制品 #$)*#$+

新款式则要从零开始编制全新的工艺规程，工艺人员进行大量的繁琐、重复性劳动，这

样就大大降低了工作效率，同时也不利于工艺人员开展工艺创新研究。

!" 设计周期长、设计经验难以继承

传统的工艺设计周期长、主观性强，由于企业工艺文件管理还不规范，工艺人员流

动性较大等原因，常常导致一些好的设计经验难以继承。

可以看出，手工编排工艺过程的最大缺点在于时间长、效率低、人为地增加了工艺

准备周期，传统的工艺设计已无法适应当前皮革制品工业的发展需求，采用计算机辅助

工艺过程设计（#$%%）是必然趋势。

（二）皮革制品 !"##的概念

皮革制品 #$%% 系统是对皮革制品生产管理中的工序流程设计、工序平衡、人员编

制、设备布局设计、生产技术等环节进行自动化辅助管理，它是皮革制品 #&’( 系统的重

要组成部分，是联系设计和生产的纽带。#$%% 系统从 #$) 系统中获取相关的工艺信息，

并根据 #&’( 系统和 ’&( 系统提供的企业生产条件、物料资源以及工人的技术水平等信

息，用计算机系统代替人工进行工艺设计、形成工艺流程图。工序分析表、工艺单及自

动加工的控制指令，并能指导柔性制造技术（*’(）系统进行动态调度。

皮革制品 #$%% 系统是皮革制品设计的生产实施，它的合理性、科学性直接影响到生

产效率和皮革制品质量，#$%% 系统的应用缩短了设计周期，降低了设计成本，实现了工

艺设计的标准化和最优化，也是皮革制品生产工业化、规范化的技术保证。皮革制品

#$%% 系统涉及到计算机绘图、企业工艺数据的采集及录入，其难度大于皮革制品 #$) 软

件的实施，对操作人员的综合素质要求也比较高，但实施成功后给企业带来的效益也是

非常显著的。

（三）皮革制品 !"##的主要研究内容

为了适应皮革制品企业环境和皮革制品产品类型的复杂性、多样性，皮革制品 #$%%系统的主要研究内容一般包括：皮革制品产品信息建模及管理系统和皮革制品工艺设计

系统，其中以工艺设计系统为核心，包括产品工艺流程设计、产品生产图纸设计、工艺

文件设计。工艺流程设计又包括零部件加工工艺设计、成品装配工艺设计等内容。

+" 皮革制品产品信息建模及管理系统

该系统包括信息建模与管理两个模块，信息建模是实现皮革制品产品信息的输入与

建模工作，从而建立皮革制品产品数据库，为工艺设计与工艺管理系统建立完善的产品

信息描述。皮革制品产品的信息管理模块的主要功能是将产品生命周期内与产品相关的

信息和所有与产品相关的过程集成到一起，使参与产品生命周期内各用户能自由地共享

和传递与产品相关的所有信息，包括用户管理、产品管理、辅助管理三个部分。

皮革制品产品信息建模就是要确定皮革制品产品的定义和表达方式，完善的产品信

息及其合理描述是进行正确工艺设计及其他生产活动的前提。在进行产品信息建模时要

考虑影响产品加工工艺的因素和产品信息描述的内容。

（+）影响皮革制品加工工艺的因素

皮革制品加工工艺一般比较复杂，影响皮革制品加工工艺的因素主要有款式结构、

材料、设备、工艺习惯、客户需求等。其中，款式结构是影响皮革制品产品工艺的主要

因素，产品款式结构不同，其加工工艺也有所不同；在产品加工过程中，选用不同的材

!,+

第八章 计算机辅助皮革制品工艺过程设计及数控设备

料也会引起工艺的变化；设备是影响皮革制品产品加工工艺的另一个因素，采用不同的

设备会导致不同的工艺路线和工艺方法，尤其是一些专用设备的采用会简化工艺过程，

对工艺方法和工艺路线产生较大影响；工艺习惯体现了具体企业的生产习惯，其工艺人

员的经验和习惯对皮革制品加工工艺也有较大的影响；客户的特殊需求也会影响产品的

加工工艺。

（!）皮革制品产品信息的主要内容

皮革制品产品信息主要包括管理信息、款式信息、结构信息、材料信息和工艺信息

等内容。这些信息描述了皮革制品产品的不同属性，这些属性中包含或隐含着相应的工

艺知识。其中，管理信息也称皮革制品产品的总体信息、描述皮革制品的基本属性，包

括订单号、产品名称和编号、规格、交货期、设计者、审核者等内容；款式信息一般蕴

含于皮革制品产品结构信息和工艺信息之中，是产品信息最直观的表示方法；结构信息

用于描述产品的结构信息，通常可用“成品—部件—组件—零件单元”这种层次性树状

结构来描述；材料信息主要是对产品使用的材料的各种属性信息进行描述；工艺信息是

指皮革制品产品加工中各部分的加工方法及加工要求，工艺信息是皮革制品产品信息模

型中的一个重要内容。因此，对皮革制品产品信息进行分析和推理，就可以得出皮革制

品产品的加工工艺方案。

!" 皮革制品工艺流程设计系统

皮革制品工艺流程设计系统是皮革制品 #$%% 系统的核心部分。皮革制品工艺规程的

编制是皮革制品从设计阶段向生产阶段过渡的桥梁，是皮革制品生产准备工作的第一步。

编好的工艺规程是一切生产准备工作的依据和原始资料，是生产作业的法规。工艺编制

的好坏，直接影响着生产周期、产品质量以及生产成本，所以编制工艺规程是皮革制品

企业中一项十分关键的工作。

如前文所述，工艺流程设计系统有派生式、创成式、混合式和专家系统等四种类型。

派生式系统是以数据检索方式查找事先存入的标准工艺流程的，或者通过人工编辑后形

成工艺 #$%% 系统；创成式系统是不依靠任何标准工艺过程，而是由建立在系统内部的逻

辑与算法进行工艺流程编制过程中的一系列决策，最后生成工艺流程，可见创成式系统

完全摆脱了工艺编制过程对人的经验和知识的依赖，它能保证工艺的优化而且能适应生

产条件的变化和生产技术的发展；混合式则是将传统的派生法、创成法与人工智能结合

在一起，综合了它们各自的优点。

由于现阶段皮革制品工艺理论还不成熟，工艺设计无法建立数学模型和相应的通用

算法。创成式工艺流程设计系统要在事先不存入任何标准工艺的情况下，完全由系统通

过一系列逻辑决策，从无到有地自动生成皮革制品工艺是十分困难的。所以，在现阶段

开展皮革制品工艺流程设计系统应以派生式和混合式为主来进行。

&" 皮革制品产品生产图系统

在皮革制品 #$%% 系统中，为了能对皮革制品产品的各类信息进行完整的说明，图形

是必不可少的辅助信息，主要包括：产品效果图、工艺结构图、工序解剖图、工序流程

图等。图形信息分散于款式、结构、工艺等信息之中。

绘制生产图是皮革制品 #$%% 系统重要的辅助功能，它的实现原理主要是以计算机图

形学为理论基础，再结合皮革制品生产图等图形的特殊要求进行开发，其实现方法有两

’()

皮革制品 #$*+#$,

种：一是利用通用的图形软件（如 !"#$%!& 等），根据绘制皮革制品生产图的特殊要求进

行二次开发；二是利用高级语言（如 ’()"*+ % , , 等）编程工具及 -(./$0) 中的 1&2 函数

库重新开发专用的绘图软件。无论采用哪种方法，一个功能较完善的生产图绘制系统应

具有对象绘制功能、对象编辑功能、属性修改功能、标注功能、图形库功能等，图形库

包括部件库、线型库、缝型库、饰件库等，一般图形库应具有分类管理、自定义扩充、

导入、导出等功能。

34 皮革制品工艺文件设计系统

在皮革制品生产中，需要许多技术性的工艺文件对皮革制品产品的生产进行指导，

而这些工艺文件大都是一些规范性的表单或卡片文件。但是这种规范性往往由于各地区、

各企业及所生产产品的不同，在内容及格式的要求上有所区别。所以该系统应能方便快

捷的设计个性化的工艺表单模板，能将工艺数据库中的信息与这些表单关联，实现工

艺单相 关 内 容 的 自 动 填 写。同 时，用 户 也 应 能 对 其 进 行 添 加、 修 改、 删 除 等 编 辑

操作。

第二节 数控技术及数控设备

数控（5%，5"678(9*+ %$.#8$+）技术是用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的

技术，它是集传统的机械制造技术、计算机技术、现代控制技术、传感检测技术、网络

通信技术和光机电技术等于一体的现代制造业的基础技术，具有高精度、高效率、柔性

自动化等特点，对制造业实现柔性自动化、集成化和智能化起着举足轻重的作用。

数控设备则是以数控技术为代表的新技术对传统制造产业和新兴制造业的渗透形成

的机电一体化产品。作为数控技术的控制对象是具体的机械设备，如果一种设备的操作

命令是以数字或数字代码的形式来描述，工作过程是按照指定的程序自动地进行，那么

这种设备就称之为数控设备。如数控机床、数控切割机、数控雕刻机、数控绘图仪、数

控裁床等等都属于数控设备。

一、数控设备的分类及特点

（一）数控设备的分类

数控设备的品种规格繁多，分类方法不一，各行业都有自己的数控设备和分类方法。

虽然在使用方面，各行业的数控设备不尽相同，但在原理上却是一致的。根据数控系统

的基本原理，通常按照下列三种方法进行分类。

按照控制的运动轨迹分类：有点位控制系统、直线控制系统和连续（轮廓）控制系

统；按照伺服控制方式分类：有开环控制系统、闭环控制系统和半闭环控制系统；按照

工艺用途分类：有机械加工设备、塑性加工设备、特种加工设备、非加工数控设备及数

控加工中心等。

（二）数控设备的特点

与一般的加工设备相比，数控设备具有以下几个特点。

:4 适应性强

如果加工产品改变，加工设备的控制功能也就改变，对于数控设备只要改变相应的

;;:

第八章 计算机辅助皮革制品工艺过程设计及数控设备

控制程序即可，而不必改变其硬件。数控设备加工产品时，只需要简单的夹具，所以改

变加工产品后，也不需要制作特别的工装夹具，更不需要重新调整机床。因此，数控设

备特别适合单件、小批量及试制新产品的工件加工。

!" 加工精度高

由于采用了数字控制方式，同时采用了很多提高精度的措施，使数控设备能达到较

高的加工精度，而且其加工精度不受产品形状及其复杂程度的影响。另外，数控设备是

按照预订的程序自动加工，加工过程不需要人工干预，这就消除了操作者人为产生的误

差，使同批产品的尺寸一致性好，加工质量稳定。

#" 生产率高

工件加工所需时间包括机动时间和辅助时间，数控设备能有效地减少这两部分时间。

可实现多工序连续加工，生产效率的提高更加明显。

$" 劳动强度低

数控设备的工作是按照预先编制好的加工程序自动连续完成的，操作者除输入加工

程序或操作键盘、装卸工件、关键工序的中间测量及观察设备的运行状况之外，不需要

进行繁重的重复手工操作，这就使操作者的劳动条件大为改善。

%" 良好的经济效益

虽然数控设备的价格昂贵，分摊到每个工件上的设备费用较大，但是使用数控设备

可节省许多其他费用。特别是不需要设计制造专用工装夹具，加工精度稳定，废品率低，

减少了调度环节等，所以整体成本下降，可获得良好的经济效益。

&" 有利于生产管理的现代化

数控设备使用数字信息与标准代码处理、传递信息，特别是在数控设备上使用计算

机控制，为实现生产过程自动化创造了条件。

二、数控设备的组成及工作原理

（一）数控设备的组成及作用

数控设备主要由输入输出设备、数控装置、伺服系统和受控设备四部分组成，基本

结构如图 ’!( 所示。

图 ’!( 数控设备基本结构示意图

(" 输入输出设备

输入输出设备的主要功能是编制程序、输入程序和数据、打印和显示。这一部分的

硬件，简单的可能只有键盘和发光二极管显示器，一般的可再加上纸带、光电读带机、

&%(

皮革制品 )*+,)*-

磁带、磁盘输入机、人机对话编程操作键盘和 !"# 显示器，高级的可能还包含有一套自

动编程机或 !$%&!$’ 系统。

() 数控装置

数控装置是数控设备的控制指挥中心。它是根据输入的程序和数据，完成数值计算、

逻辑计算、输入输出控制、轨迹插补等功能。目前数控设备的数控装置一般采用微机

控制。

*) 伺服系统

伺服系统是数控装置与受控设备之间的电传动联系环节，其主要功能是将数控装置

插补产生的脉冲信号，经系统功率放大器放大后，驱动伺服电动机运转，从而通过机械

传动装置拖动受控设备的执行机构运动。伺服系统由伺服控制电路、功率放大电路、伺

服电动机组成。常用的伺服电动机有步进电动机、直流伺服电动机和交流伺服电动机。

伺服系统的性能是决定数控设备加工精度和生产效率的主要因素之一。

+) 受控设备

受控设备是被控制的对象，是数控设备的主体，一般都需要对它进行位移、角度和

各种开关量的控制。受控设备包括机床行业的各种机床和其他行业的许多设备，如切割

机、电火花加工机、绘图机、雕刻机等等，在受控设备上一般装有检测装置，以便将位

置和各种状态信号反馈给数控装置，实现闭环控制。

（二）数控设备的工作原理

数控设备工作时，都是根据所输入的工作程序，由数控装置控制该设备的执行机构

的运动轨迹，并使其满足给定的图样要求。执行机构的运动轨迹取决于所输入的工作程

序，而输入的工作程序是根据图样的要求编制的。

不同的数控设备，其执行机构以及由执行机构所完成的轨迹运动均有所不同，如数

控机床的执行机构使刀具相对于工件运动，完成零件的切削加工，达到零件图样的要求；

数控切割机的执行机构带动切割刀具相对于板材运动，切割出图样所要求的板材；数控

绘图仪的执行机构带动绘图笔相对于图纸运动，绘出所要求的图样。

第三节 皮革制品数控设备

在皮革制品设计生产过程中，会涉及到一些数控测量设备和数控加工设备，这些设

备的使用有效地提高了产品设计精度和生产效率，下面予以简要介绍。

一、皮革制品样板数控切割设备

皮革制品样板经过扩缩处理后，可以通过计算机将其输入到样板数控切割设备中，

从而直接切割出样板用于后序工序的生产。常用的有平台式切割机、裁床等。

（一）样板自动切割设备

样板自动切割设备是专为样板切割而设计的自动化数控设备。这类产品的推广应用，

将会改变皮革制品行业传统的手工裁剪作业，使皮革制品设计工作走向计算机自动化控

制。图 ,!( 和图 ,!* 所示分别为平板式电脑切割机和服装用电脑裁床切割机。

-./

第八章 计算机辅助皮革制品工艺过程设计及数控设备

图 !!" 电脑裁床切割机图 !!# 平板式电脑切割机

目前，国产的小型切割机一般多采用真空吸附或胶粘的方式固定样板，采用同步带

或钢丝带进行传动，以数字液晶面板和触点按钮控制切割刀（笔）的运动，同时在切割

机机芯内部装有控制器，借助一定容量的数据缓冲区可实现数据的快速传输。通常还配

有基于 $%&’()* 平台的设计及刻绘控制软件，使设计、排版变得更加容易。另外，由于其

采用标准的输入输出接口，可连接多种 +,- 软件。可切割诸如红硬纸板、塑料板、白纸

板、纤维中底板等多种材质，特别适用于制鞋、服装及箱包设计等行业。

（二）样板切割机主要性能参数

样板切割机要求性能稳定、安全可靠，其主要性能参数如下。

./ 有效切割面积

有效切割面积是企业选用切割机的主要考察参数之一。切割机有 01122 3 41122、

41122 3 .#1122、41122 3 .51122、.#1122 3 .51122、.#1122 3 .!1122、.11122 3.01122、#11122 3 .01122、"11122 3 .01122、611122 3 .01122 等多种规格，企业可根

据自身生产产品的类型来选用。

#/ 最大切割速度及切割厚度

最大切割速度及切割厚度直接影响着切割效率。目前，一般切割机的最大切割速度

为 611 7 011228*，切割厚度为 1/5 7 #22。

"/ 切割刀、笔设置

切割刀头有单头和双头之分，双切割刀头可装一刀一笔，刀可进行半切、全切两种

设置，可使用的笔型有签字笔、油性笔、圆珠笔等。切割机一般都有几组不同的笔画、

半刀、全刀设置，且刀压连续可调以适应不同的切割要求。

6/ 切割精度

切割精度直接影响着样板的切割质量。一般地，切割机机械分辨率可达 1/11922，软

件分辨率最高可达 1/1#522。

5/ 绘图指令系统

目前，切割机多采用 :;<= 兼容格式。

0/ 传输接口

常用的有标准并口、串口或 >?@ 接口。

二、皮革制品其他数控设备

（一）数控刻楦机

鞋楦是制鞋过程中不可取代的重要模具。传统的鞋楦制造方法是以手工制作母楦，

!5.

皮革制品 +,-8+,A

然后以母楦为模板在鞋楦仿形加工机床上进行加工，由于机械级放是一种近似方法，通

常同一系列不同规格的鞋楦制造需采用多种母楦，造成母楦制造困难、制造周期长、成

图 !!" 电脑数控刻楦机

本高，而且母楦制造误差将直接影响鞋楦的制造

精度，进而影响成鞋的质量。

数控鞋楦加工装备通常由测量装置、#$%&#$’ 软件和数控刻楦装置三个功能模块组成。数

控刻楦装置在加工程序的控制下，通过调用鞋楦

#$%&#$’ 模块生成的加工数据文件实现鞋楦自动

加工。数控刻楦装置是鞋楦 #$%&#$’ 系统的最

终输出设备，也是整个系统中的关键一环，它的

工作可靠性直接影响到所加工鞋楦的质量。

图 !!" 所示的电脑数控刻楦机集扫描刻楦于

一体，具备样楦数据存储能力及数字化缩放功

能，具有头部、跟部精细刻制功能，每小时可加

工 () * (+ 双鞋楦。

（二）皮革制品数控测量设备

在皮革制品的设计生产过程中，常常需要输入如人台、鞋楦、脚型等真实物体的三

维信息，在计算机中生成三维实体模型，而这个模型有时要通过已有的实物部件得到，

此时就需要一种设备来采集实物表面各个点的位置信息。一般的方法是通过激光扫描或

直接接触扫描来实现，这种三维扫描装置实质上也是一种数控测量设备，现在国外已经

有许多此类的商业仪器，下面就介绍两种可用于鞋类设计的三维扫描设备。

’,-./0-.,12!34 是美国 5662.7,/8 公司研制生产的三维数字化仪，其外观如图 !!+ 所示。

它可用于建立精确细致的三维电脑模型。该产品是由三段碳纤维臂构成，臂与臂之间由

球形连接器相连，内置高精度位置和方向传感器，以感知探头所处位置并进行取点。其

特点是精度高（)94: * )9":66）、扫描速度快、操作简便、工作范围大（(94; * (9<;6）并

可支持多种三维软件，广泛应用于产品设计、动画制作、游戏开发、模具制作、制鞋等

行业。

图 !!< 三维足部扫描仪图 !!+ 三维数字化仪

=+(

第八章 计算机辅助皮革制品工艺过程设计及数控设备

!"#$%&三维足部扫描仪是由加拿大 ’()*& 公司研制生产的一种精密光学成像设备，

其外观如图 +!, 所示。该设备用于与 -./01%!23*4%&、055#678"%&足部模具系统协同工作。

整套系统采用八个摄像头和四个激光器对鞋楦形状或足部进行数据化，可获取高分辨率

的数据，能使鞋楦设计者大幅度提高生产效率。

思考题与习题

9: 派生法 -.22 系统和创成法 -.22 系统的工作原理有何不同？

;:-.22 专家系统和一般的 -.22 系统的工作原理有何不同？

<: 皮革制品 -.22 系统的主要研究内容有哪些？

=: 数控设备由哪些部分组成？各部分的作用是什么？

>: 简述皮革制品生产中用到的数控设备及其作用。

?,9

皮革制品 -.@A-.&

第九章 皮革制品生产过程中的数控加工及其程序编制

第一章中曾经提到，在皮革制品的生产过程中有些环节需要计算机辅助来完成制造

过程，如皮革制品样板的切割加工、鞋楦的加工、辅助工具和模具的加工、皮革制品的

下料等生产过程。在这些环节中利用计算机辅助制造技术（!"#）———即数控加工可以提

高生产效率和产品质量，降低生产成本。本章将在数控编程方法讨论的基础上，重点讨

论语言自动编程方法、图形交互式自动编程方法、数控程序的检验方法和皮革制品生产

过程中的数控加工及其程序编制的相关知识。

第一节 引 言

数控加工程序的编制是数控加工的基础。国内外数控加工统计表明，造成数控加工

设备空闲的原因有 $%& ’ (%&是编程不及时所造成的，可见数控编程直接影响数控设备

的加工效率。从计算机集成制造系统的角度来看，数控加工程序的编制，也是一个关键

问题，因为其最终也要产生数控加工程序。

一、自动编程的一般原理

自动编程就是利用计算机编制数控加工程序，所以又称为计算机辅助编程或计算机

零件程序编制。

自动编程的一般过程如图 )!* 所示：编程人员首先将被加工零件的几何图形及有关工

艺过程用计算机能够识别的形式输入计算机，利用计算机内的数控系统程序对输入信息

进行翻译，形成机内零件拓扑数据；然后进行工艺处理（如刀具选择、走刀分配、工艺

参数选择等）与刀具运动轨迹的计算，生成一系列的刀具位置数据（包括每一次走刀运

动的坐标数据和工艺参数），这一过程称为主信息处理（或前置处理）；最后经过后置处

理便能输出适应某一具体数控机床所要求的零件数控加工程序（又称 +! 加工程序），该

图 )!* 数控自动编程的一般过程

加工程序可以通过控制介质（如磁带、磁盘等）送入机床的控制系统。在现代的数控机

床上，可经通讯接口直接将计算机内的加工程序传输给机床的数控系统，免去了制备控

制介质的工作，提高了程序信息传递的速度及可靠性。

*,*

整个系统处理过程是在数控系统程序（又称系统软件或编译程序）的控制下进行的。

数控系统程序包括前置处理程序和后置处理程序两大模块。每个模块又由多个子模块及

子处理程序组成。这些程序是系统设计人员根据系统输入信息、输出信息及系统的处理

过程，事先用计算机高级语言（如 !"#$#%& 语言）开发的一种系统软件。计算机有了这

套处理程序，才能识别、转换和处理全过程，它是系统的核心部分。

二、自动编程的主要类型及特点

自动编程根据编程信息的输入与计算机对信息的处理方式不同，主要有以自动编程

语言为基础的自动编程方法和以计算机绘图为基础的自动编程方法。

以语言为基础进行自动编程时，编程人员是依据所用数控语言的编程手册以及零件

图样，编写零件源程序，以表达加工的全部内容，然后再把这些内容全部输入到计算机

中进行处理，制作出可以直接用于数控加工设备的 &’ 加工程序。以计算机绘图为基础进

行自动编程时，编程人员首先在对零件图样进行工艺分析，在确定构图方案后，利用自

动编程软件本身的自动绘图功能，在 ’#$ 屏幕显示器上以人机对话的方式构建出零件几

何图形，其后利用软件的 ’%( 功能，制作出 &’ 加工程序。这种自动编程方式目前大多

以人!机交互方式进行，所以又称为图形交互式自动编程。

从计算机对信息的处理方式上看，语言自动编程方法，对计算机来说是采用批处理

的方式，编程人员必须一次性将编程的全部信息向计算机交代清楚，计算机一次就把这

些信息处理完毕，如果信息输入正确就可马上得到结果。例如，编程人员用规定的数控

编程语言编写好源程序，将源程序输入计算机处理，如果源程序编写正确，就可以通过

自动编程系统直接获得所需的机床 &’ 加工程序。

图形交互式自动编程则是一种人机对话的编程方法，编程人员根据屏幕菜单提示的

内容，反复与计算机对话，选择菜单目录或回答计算机提问，直到把要答的问题全部答

完。这种编程方式对零件图形的定义、刀具的选择、起刀点的确定、走刀路线的安排，

以及加工参数的选择等过程都是在对话方式下完成，不存在什么编程语言的问题，最后

得到的也是所需的 &’ 加工程序。

语言自动编程系统出现最早，也是迄今数量最大、形式最多、应用面最广的一种编

程系统。图形自动编程系统于 )* 世纪 +* 年代微处理机问世以后，才进入实用阶段，主要

用于 ’%,-’%( 集成系统中。

第二节 数控语言自动编程

一、语言自动编程的一般原理

语言自动编程就是利用计算机以专门的数控编程语言编写零件的源程序来实现自动

编制零件数控加工程序。其整个编程过程如图 .!) 所示，它可以分为源程序编制和目标程

序编制两个阶段。

（一）源程序编制阶段

零件加工源程序是由编程人员根据所要加工的零件图纸及其工艺过程，用专门的数

)/0

皮革制品 ’%,-’%(

图 !!" 数控语言自动编程原理

控语言（如 #$%、&#$%、’(#$% 及 ’#$% 等）人工编写的，用以描述零件的几何形状、尺

寸大小、工艺路线、工艺参数及刀具相对零件的运动轨迹等内容。零件源程序由各种语

句构成，这些语句类似日常语言和车间的工艺用语，因此，源程序的编制比较简单方便。

零件源程序应能准确、完整地表示零件的加工过程，程序编写的好坏还直接影响数

控加工的质量和加工效率。因此在编写源程序前，编程人员必须首先要对该零件进行工

艺分析，要考虑到在加工中所要涉及到的许多细节问题。其次要正确选取零件坐标系，

坐标系的选择应考虑编程的方便，尽可能减少零件尺寸标注的换算工作，同时还要考虑

所选择的坐标系是否与机床坐标系一致，如果两者不一致，则需应用坐标变换语句统一

坐标系或作必要的换算工作。

根据已确定的数控加工工艺规程及坐标系，画出零件数控加工的草图。在这张草图

上要标出零件的坐标系；标注出零件定位面以及压板压紧部位和尺寸；标注出所有需要

定义的几何元素名；标注出走刀路线（包括起刀点、计划停刀点、停车点、换刀点）；标

注出主要的工艺类型（如钻、铰、攻丝、铣平面等）。

（二）目标程序编制阶段

零件源程序并不能被数控系统所识别，因此不能直接控制机床，只是加工程序预处

理的计算机输入程序。零件源程序编好后，输入计算机，由计算机完成后续工作直至自

动生成机床数控系统所需的加工程序，称之为目标程序。通常所说的数控加工程序就是

指目标程序。计算机内的数控软件具有处理零件源程序和自动输出具体机床加工程序的

能力，它分两步对零件源程序进行处理。第一步完成主信息处理，将输入的零件源程序

翻译成可执行的计算机指令，并计算刀具中心相对于零件运动的轨迹，最后形成包括一

些附加指令在内的刀位数据文件。由于这部分处理不涉及具体数控机床的指令形式和辅

助功能，因此具有通用性。但这部分结果仍不能直接在数控机床上使用，因为数控机床

上的控制装置只能识别数控指令，如 ) 代码、* 代码等。第二步是后置处理，针对具体

数控机床的功能产生控制指令，这部分处理涉及具体加工机床，所以是不通用的。经过

这样两个阶段的处理，计算机就能自动输出符合具体数控机床要求的数控加工程序了。

数控加工程序的格式与功能代码已趋向通用化和标准化，目前多采用国际标准化组织颁

布的 +,- 数控代码。

从图 !!" 中可以看出，为实现语言自动编程，数控自动编程语言和数控系统程序是两

./0

第九章 皮革制品生产过程中的数控加工及其程序编制

个重要的组成部分。

二、语言编程系统的信息处理过程

数控系统程序是自动编程系统的核心之一，由前置处理和后置处理两部分组成，完

成对源程序进行处理并生成零件数控加工程序。

（一）前置处理

前置处理的工作有以下两部分。

!" 输入翻译阶段

输入翻译阶段即语言处理阶段，它是为计算刀具运动轨迹阶段作准备的。此阶段的

主要功能是按源程序的顺序依次阅读并对源程序进行处理。当遇到几何定义语句时即转

入几何定义处理程序，判断是哪类几何元素及采用哪种定义方式，然后分门别类地将其

处理成标准形式并求出标准参数；再根据几何名字将其几何类型和标准参数存储在计算

机的某个内存区内（称为信息表），供计算阶段使用。

其他类型语句也采用类似方法，都被处理成信息表的形式，从而形成一个供计算机

计算阶段使用的中间结果程序。此外，在翻译阶段还要进行词法分析和语法检查，遇有

错误时，将错误地址和错误性质等打印输出。编程人员依此及时对源程序进行修改，然

后再次处理源程序。

#" 轨迹计算阶段

轨迹计算作用是处理连续运动语句，产生刀具运动的一系列有序的坐标数据。根据

导动面和检查面的信息（如方向指示语句等）计算基点坐标和节点坐标，从而求出刀位

数据并以刀位文件（二进制或 $%&!格式）的形式加以存储。对于有工艺处理能力的程序

系统，还包括工艺过程和工艺参数的确定。这个阶段的目标程序要适应各种不同机床后

置处理程序的要求，即应是通用的。

（二）后置处理

后置处理产生相应具体数控机床的数控程序。按照轨迹计算阶段得到的结果———刀

位数据，通过后置处理完成增量计算和脉冲当量转换等，即可生成符合具体数控机床要

求的零件加工程序，从而将计算阶段目标程序给出的数据、工艺参数及其他有关信息，

转变成具体数控机床所要求的指令和程序格式，形成零件的数控加工程序。后置处理程

序与具体的数控机床和数控系统有关，数控系统不同，代码也不同。

生成的零件 ’& 加工程序可以打印为加工程序单，或者可通过控制介质输入数控机

床，还可以通过计算机通信接口，将后置处理的输出传送至数控系统的存储器予以调用。

目前，经计算机处理的数据还可以通过屏幕图形显示或由绘图机绘出图形，用自动绘出

的刀具运动轨迹图形，检查数据输入的正确性，以便编程员分析错误的性质并予以修改。

三、数控自动编程语言

（一）概述

数控语言系统有现成的商用语言系统和自行研制语言系统两类。目前，商用的数控

语言系统有很多种，其中美国 $()（$*+,-.+/0.112 (3,43.--56 ),,17）系统影响最大，它是

#8 世纪 98 年代中期由美国麻省理工学院研究开发的自动编程系统，其语言被称为 $() 语

:;!

皮革制品 &$<=&$>

言，专门用于机械零件数控加工的自动编程。最早的版本是 !"#!，以后经过几次大的修

改和充实，由 !"#"发展到 !"##、!"#$!$（!%&’()*% $+(,+-./(0）和 !"#11（1)-23,-.*%1-.4’)*）。其中 !"#!适用于平面曲线的自动编程；!"#"的出现，使数控编程从面向机床

指令的手工编程上升到面向几何元素的高一级编程，它可用于 5 6 7 坐标立体曲面的自动

编程；!"##可处理自由曲面自动编程，使机械加工中遇到的各种几何图形，几乎都可以

由数控编程系统给出刀具运动轨迹；!"#$!$ 具有切削数据库管理的能力；!"#11 可处理

复杂雕塑曲面自动编程。经过多年的不断使用和完善，!"# 系统已是一种功能非常丰富、

通用性非常强的系统，在全世界获得广泛应用，许多系统都是在它的基础上发展起来的，

但它需要性能好的中、大型计算机，编程费用大，这又限制了它的推广使用。在 !"# 语

言自动编程系统的基础上，世界各国又先后开发出许多具有各自特点的数控编程系统，

这些系统往往是针对性强、范围窄的小型语言系统，以适应中、小型企业的要求。如美

国开发的用于轮廓控制的 !8!"# 系统、用于点位控制的 !9#:1":# 系统；德国的 ;<!"#系统除具有几何、运动和后置处理等必备功能外，还有很强的工艺处理功能，能自动地

确定加工该零件的工艺过程、工艺参数和使用刀具，适合铣镗加工中心和数控车床的程

序编制，很有特色；此外，英国的 =$> 系统、日本的 ?!"# 系统、日本德国合作的 @ABC

图 D$5 !"# 语言编程的简单实例图

A!?? 系统都是以 !"# 语言为基础。我国原机械

工业部 EDF= 年发布的数控机床自动编程语言标

准（GH5EE=—EDF=）采 用 了 !"# 的 词 汇 语 法，

EDF7 年国际标准化组织 A1: 公布的数控机床自

动编程语言（A1:I5I=—EDF7）也是以 !"# 语言

为基础。

（二）零件源程序编写的一般步骤

下面结合一个例子，简要介绍用 !"# 语言

编写源程序的步骤和方法。通过例子分析，可

以对语言自动编程过程有一个大致的了解。

图 D$5 所示的平板类零件，类似于皮革制

品生产过程中的二维样板，用 !"# 语言编写的

零件源程序列于表 D$E 中。

表 !!" 零件源程序举例

序号 语 句 说 明

E "!J#B:K#;@">!#;初始语句，#;@">!#; 为零件名称，也是程序名称，作为 B$ 程

序的标识符，将被穿制在数控纸带的开头，便于检索

= J;@!JLL1$MM= 注释语句，说明零件图号

5 J;@!JLN!@O27$?;H$EDF5 注释语句，说明编程员姓名、日期

IP11P ":1#"J:$;11ABO

8;?ABA#A:B

注释语句，双美元符号表示一行语句结束，后面的字符起注释

作用，不解释执行

7 @!$QAB;K?=IM，= 后置处理语句，说明数控机床控制系统的类型和系列号

R $>"JB# 说明需要打印刀位数据清单

7RE

第九章 皮革制品生产过程中的数控加工及其程序编制

续表

序号 语 句 说 明

! "#$$"%&’(’’) 指定用直线段逼近零件轮廓的外容差为 ’(’’)**

+ ,-$"%&’(’’) 内容差为 ’(’’)**

. /#$$01&2’ 说明选用平头立铣刀，直径为 2’**

2’ 34 34 50"60$17 809,-:$,"- 以下为几何定义语句（22 ; 2!）

22 %-: < %,-0&)’，)’，)’，!’ 定义一直线，过点（)’，)’）和（)’，!’）

2)%-) < %,-0&（=",-$&)’，!’），

>$>-5%，!?，%-:定义一直线，过点（)’，!’），并与直线 %-: 成 !?@

2A%-A < %,-0&（=",-$&BC，)’），

>$>-5%，B?，D36>%%定义一直线，过点（BC，)’），并与 ! 轴正方向成 B?@

2B %-B < %,-0&)’，)’，BC，)’ 定义一直线，过点（)’，)’）和（BC，)’）

2?/,1 < /,1/%0&736>%%，%-)，

7%>150，%-A，1>8,#3，2’

定义一圆，该圆分别在 " 的正方向和负方向与直线 %-) 和 %-A相切，半径为 2’

2C D7=% < =%>-0&’，’，2，’定义了一个法矢指向 # 坐标正方向 # < ’ 的平面，按方程 $! E

%" E &# E ’ < ’ 定义

2! 30$=$ < =",-$& F 2’， F 2’，2’ 定义点，坐标为（ F 2’， F 2’，2’）

2+ 34 34 /#$$01 6"$,"- 以下为刀具运动语句

2. 91"6&30$=$ 指定起刀点为 30:99（ F 2’， F 2’，2’）

)’ 9081>$&9’2 选用 9’2 快速前进

)2 5"8%$>&)’，)’， F ? 刀具运动语句，刀具走增量（)’，)’， F ?）

)) 3=,-8%&"- 后置处理语句，启动主轴旋转

)A /""%-$&"- 后置处理语句，送切削液

)B 9081>$&9’) 刀具运动语句，指定切入速度

)? 5"&$"，%-:，$"，D7=%，$"，%-B 刀具运动语句，初始运动指定

)C 9081>$&9’A 刀具运动语句，指定正常切削速度

)! $%%9$，5"%9$&%-:，=>3$，%-) 以下说明走刀路线

)+ 5"15$&%-)，$>-$"，/,1 沿直线 %-) 运动直至切于圆 /,1

). 5"9G8&/,1，$>-$"，%-A 沿圆 /,1 运动直到切于直线 %-A

A’ 5"9G8&%-A，=>3$，%-B 沿直线 %-A 运动直至超过直线 %-B

A2 5"15$&%-B，=>3$，%-: 沿直线 %-B 运动直至超过直线 %-:

A) 9081>$&9’) 指定切出速度

AA 5"8%$>&’，’，2’ 刀具运动语句，走增量（’，’，2’）

AB 3=,-8%&"99 后置处理语句，主轴停

A? /""%-$&"99 后置处理语句，关闭冷却液

AC 5"$"&30$=$ 刀具运动语句，回到起刀点

A! 0-8 后置处理语句，机床停止

A+ =1,-$&A，>%% 后置处理语句，打印程序中所有几何元素的定义参数

A. 9,-, 后置处理语句，零件源程序结束

CC2

皮革制品 />8&/>6

书写零件源程序的一般步骤如下：

!分析零件要素，明确加工要求。通过分析零件图样，明确待加工特征以及加工要

求，这是编写零件源程序的第一步，本例零件的待加工特征是直线和圆弧形成外轮廓。

"选择编程坐标系。选择编程坐标系要考虑编程方便，尽可能减少零件尺寸标注的

换算工作，所有几何元素都必须在所选的坐标系中定义。同时还要考虑所选择的坐标系

是否与机床坐标系一致，如果两者不一致，则需应用坐标变换语句统一坐标系或作必要

的换算工作。

#给需要定义的几何元素用不同的标识符命名并标在图上。例如图 !$" 中，#$%、#$&、#$"、#$’ 等表示直线，()* 表示圆。

%选择允差、刀具以及起刀点和退刀点的位置并确定走刀路线。在书写刀具运动语

句前应把工艺参数写在程序里，而且要位于切削运动语句的前面。若要变更时，只要重

新指定即可。本例为：)$+,#-./..&，0++,#-./..&，(0++1*-2.。还有工艺方面的参数和

机床指令：314*5+-3.2，67)$4#-,$，(,,#$+-,$ 等。

&写出各几何元素的定义语句。依照一定的先后顺序，写出各几何定义语句（见表

!$2 中第22 8 29 语句）。几何语句的书写顺序是无关紧要的，但几何元素的名字一定要在

使用前预先定义。

’按加工路线逐段写出刀具运动语句。在运动语句中用到的几何元素名字、宏指令

名字和加工方法名字等都应预先定义。在书写刀具运动语句时首先要写起刀点语句，按

图 !$" 所示的刀具走刀路线图，逐条写出刀具运动语句。由图 !$" 可知，刀具从点 61+7+（坐标原点左下方）开始启动，为此先定义这个点的位置，即 61+7+ : 7,)$+- ; 2.， ; 2.，

2.。然后再书写运动语句。

(作相应的后置处理并填入其他语句，如计算参数语句以及速度（如速度由 314<*5+-3.2 改为 314*5+-3.&）、停车（67)$4#-,$）、程序结束（3)$%）等语句。

)对所写的程序进行全面检查，如格式是否正确、语句及其中的字是否遗漏，确认

无误后才能输入到计算机中进行处理。

从这个零件源程序举例可以看出，整个源程序是由各种语句组成的。必须注意，在

零件源程序中要先完成几何定义，然后编写刀具运动语句。在几何定义过程中，如果要

引用某几何元素，则此元素必须事先已定义好。几何定义语句和刀具运动语句是 57+ 源

程序的前置处理语句，而后置处理语句则跟某一具体数控机床密切相关。

以上例子反映了 57+ 源程序的概貌，从中可以看出人工编写源程序是很繁琐的，而

且不能有一点差错。由于专用词及语句格式很多，熟练运用绝非数日之功。复杂的零件

几何定义和运动语句繁多，一个熟练的编程员往往也需要几个星期才能编制出来，而且

上机调试还要花费较长时间，效率虽然比手工编程要高，但仍然未克服编程效率低与机

床加工速度不匹配的矛盾。

第三节 图形交互自动编程

用图形交互自动编程时，编程人员首先要在对零件图样进行工艺分析、确定构图方

案的基础上，利用自动编程本身的绘图功能，在屏幕上以人机对话的方式构建出零件几

=>2

第九章 皮革制品生产过程中的数控加工及其程序编制

何图形，然后再利用系统的 !"# 功能，制作出 $! 加工程序。由于这种自动编程方式以

人机交互方式实现，所以称为图形交互自动编程。

一、图形交互自动编程原理

“图形交互自动编程”是一种计算机辅助编程技术，它是通过专用的计算机软件（如

皮革制品 !"% 软件）来实现的。利用 !"% 软件的图形编辑功能，通过使用鼠标、键盘、

数字化仪等将零件的几何图形绘制到计算机上，形成零件的图形文件，然后调用数控编

程模块，采用人机交互的实时对话的方式，在计算机屏幕上指定被加工的部位，再输入

相应的加工参数，计算机便可自动进行必要的数学处理并编制出数控加工程序，同时在

计算机屏幕上动态地显示出刀具的加工轨迹。很显然，这种编程方法比语言自动编程，

具有速度快、精度高、直观性好、使用简便、便于检查等优点。因此，“图形交互自动编

程”已经成为目前国内外先进的 !"%&!"# 软件所普遍采用的数控编程方法。

在人机交互过程中，根据所设置的“菜单”命令和屏幕上的“提示”，引导编程人员

有条不紊地工作。菜单一般包括主菜单和各级分菜单，它们相当于语言系统中几何、运

动、后置等处理阶段及其所包含的语句等内容，只是表现形式和处理方式不同。

与语言系统相比，交互图形编程系统的硬件配置增加了图形输入器件，如鼠标、键

盘、数字化仪、功能键能等输入设备，这些设备与计算机辅助设计系统是一致的。因此，

交互图形编程系统不仅可用已有零件图样进行编程，更多的是适用于 !"%&!"# 系统中零

件的自动设计和 $! 程序编制。这是因为 !"% 系统已将零件的设计数据予以存储，可以直

接调用这些设计数据进行数控程序的编制。

二、图形交互自动编程系统组成

图形交互自动编程系统一般由几何造型、刀具轨迹生成、刀具轨迹编辑、刀位验证、

后置处理（相对独立）、计算机图形显示、数据库管理、运行控制及用户界面等部分

组成。

在图形交互自动编程系统中，数据库是整个模块的基础；几何造型完成零件几何图

形构建，并在计算机内自动形成零件图形的数据文件；刀具轨迹生成模块根据所选用的

刀具及加工方式进行刀位计算、生成数控加工刀位轨迹；刀具轨迹编辑根据加工单元的

约束条件，对刀具轨迹进行裁剪、编辑和修改；刀位验证用于检验刀具轨迹的正确性，

也用于检验刀具是否与加工单元的约束面发生干涉和碰撞，检验刀具是否啃切加工表面；

图形显示贯穿整个编程过程的始终；用户界面提供用户一个良好的运行环境；运行控制

模块支持用户界面所有的输入方式和各功能模块之间的接口。

国外图形交互式自动编程软件种类很多，如荷兰的 #’()*$、日本富士通的 +",( 等

系统。这些软件的功能和面向用户的接口方式有所不同，所以编程的具体过程及编程过

程中所使用的指令也不尽相同。

三、图形交互自动编程的基本步骤

虽然存在多种类型的图形交互式编程系统，但从总体上讲，其编程的基本原理及基

本步骤大体上是一致的，归纳起来可分为以下五个步骤。

-./

皮革制品 !"%&!"#

!" 零件图样及加工工艺分析

这是数控编程的基础，目前该项工作仍主要靠人工进行。分析零件的加工部位，确

定有关工件的装夹位置、工件坐标系、刀具尺寸、加工路线及加工工艺参数等。

#" 几何造型

利用图形交互自动编程软件的图形构建、编辑修改、曲线曲面造型等有关指令，将

零件被加工部位的几何图形准确地绘制在计算机屏幕上，与此同时，在计算机内自动形

成零件图形的数据文件。这就相当于在 $%& 语言编程中，用几何定义语句定义零件几何

图形的过程。不同点在于它不是用语言而是用计算机绘图的方法，将零件的图形数据输

入到计算机中，这些图形数据是下一步刀具轨迹计算的依据。自动编程过程中，软件将

根据加工要求提取这些数据，进行分析判断和必要的数学处理，以形成加工的刀具位置

数据。经过这个阶段系统自动产生 $%& 几何图形定义语句。

如果零件的几何信息在设计阶段就已被建立，图形编程软件可直接从图形库中读取

该零件的图形信息文件，所以从设计到编程信息流是连续的，有利于计算机辅助设计和

制造的集成。

’" 刀位轨迹的生成

刀位轨迹的生成是面向屏幕上的图形交互进行的。首先在刀位轨迹生成的菜单中选

图 (!) 图形交互式编

程流程图

择所需的菜单项，然后根据屏幕提示，用光标选择相应的图形目标，点取相应的坐标点，

输入所需的各种参数（如工艺信息）。软件将自动从图形文件中提取编程所需的信息，进

行分析判断，计算节点数据，并将其转换为刀具位置数据，存入指定的刀位文件中或直

接进行后置处理，生成数控加工程序，同时在屏幕上显示出刀具轨迹图形。在这个阶段，

生成了 $%& 刀具运动语句。

)" 后置处理

后置处理目的是形成数控加工文件。由于各种机床使用的数

控系统不同，所用的数控加工程序其指令代码及格式也有所不同。

为解决这个问题，软件通常设置一个后置处理惯用文件，在进行

后置处理前，编程人员应根据具体数控机床指令代码及程序的格

式，事先编辑好这个文件，这样才能输出符合数控加工格式要求

的 *+ 加工文件。

," 程序输出

由于图形交互自动编程软件在编程过程中，可在计算机内自

动生成刀位轨迹文件和数控指令文件，所以程序的输出可以通过

计算机的各种外部设备进行。使用打印机可以打印出数控加工程

序单，并可在程序单上用绘图机绘制出刀位轨迹图，使机床操作

者更加直观地了解加工的走刀过程；使用由计算机直接驱动的磁

带机、磁盘驱动器等，可将加工程序写在磁带或磁盘上，提供给

有读带装置或磁盘驱动器的机床控制系统使用；对于有标准通用

接口的机床控制系统，可以和计算机直接联机，由计算机将加工

程序直接送给机床控制系统。

图 (!) 为图形交互式自动编程流程图。该例中，零件几何信息

(-!

第九章 皮革制品生产过程中的数控加工及其程序编制

是从设计阶段图形数据文件中读取的，对此文件进行一定的转换产生所要加工零件的图

形，并在屏幕上显示；工艺信息由编程员以交互方式通过用户界面输入的。

从上述可知，采用图形自动交互编程用户不需要编写任何源程序，当然也就省去了

调试源程序的繁琐工作。若零件图形是设计员负责设计好的，这种编程方法就更有利于

计算机辅助设计和制造的集成。由于刀具路径可立即显示，直观、形象地模拟了刀具路

径与被加工零件之间的关系，易发现错误并改正，因而可靠性大为提高，试切次数减少，

对于不太复杂的零件，往往一次加工合格。据统计，其编程时间平均比 !"# 语言编程节

省 $%& 左右。图形交互编程的优点促使 $’ 世纪 (’ 年代的 )!*%)!+ 集成系统纷纷采用这

种技术。

四、图形交互自动编程特点

图形交互自动编程是一种全新的编程方法，与 !"# 语言编程比较，主要有以下几个

特点：

（,）图形编程将加工零件的几何造型、刀位计算、图形显示和后置处理等结合在一

起，有效地解决了编程数据来源、几何显示、走刀模拟、交互修改等问题，弥补了单一

利用数控编程语言进行编程的不足。

（$）不需要编制零件加工源程序，用户界面友好，使用简便、直观、准确，便于检

查。因为编程过程是在计算机上直接面向零件的几何图形，以光标指点、菜单选择及交

互对话的方式进行的，其编程的结果也是以图形的方式显示在计算机上。

（&）编程方法简单易学，使用方便。整个编程过程是交互进行的，有多级功能“菜

单”引导用户进行交互操作。

（-）有利于实现与其他功能的结合。可以把产品设计与零件编程结合起来，也可以

与工艺过程设计、刀具设计等过程结合起来。

第四节 )!*%)!+ 集成编程及其在皮革制品加工中的应用

$’ 世纪 .’ 年代开始出现并迅速发展起来的图形编程技术，推动了 )!* 和 )!+ 向集

成化发展的进程。)!* 与 )!+ 集成技术已从研制阶段不断走向成熟，达到实用化的阶

段，并且为柔性制造系统和计算机集成制造系统的发展奠定了技术基础。)!*%)!+ 集成

技术中的重要内容之一就是数控自动编程系统与 )!* 及 )!"" 的集成，其基本任务就是要

实现 )!*、)!"" 和数控编程之间信息的顺畅传递、变换和共享。数控编程与 )!* 的集

成，可以直接从产品的数字定义提取零件的设计信息，包括零件的几何信息和拓扑信息；

与 )!"" 的集成，可以直接提取零件的工艺设计结果信息，从而自动产生零件的数控加工

指令。

一、)!*%)!+ 集成化技术与数控自动编程

将 )!*%)!+ 集成化技术用于数控自动编程，无论是在工作站上，还是在微机上所开

发的 )!*%)!+ 集成化软件，都应该解决以下问题。

,/ 统一的零件信息模型

’.,

皮革制品 )!*%)!+

由于 !"#、!"$$、!"% 系统是独立发展起来的，它们的数据模型彼此不相容。!"#系统采用面向数学和几何学的数学模型，虽然可完整地描述零件的几何信息，但对非几

何信息，如精度、公差、表面粗糙度等只能附加在零件图样上，无法在计算机内部逻辑

结构中得到充分表达。!"#&!"% 的集成除要求几何信息外，更重要的是面向加工过程的

非几何信息。因此，!"#、!"$$、!"% 系统间出现了信息的中断。解决的办法就是建立

各系统之间相对统一的、基于产品特征的产品定义模型，以支持 !"$$、’! 编程、加工过

程仿真等。

建立了统一的产品信息模型是实现集成的第一步，要保证这些信息在各个系统间完

整、可靠和有效地传输，还必须建立统一的产品数据交换标准。以统一的产品模型为基

础，应用产品数据交换技术，才能有效地实现系统间的信息集成。

产品数据交换标准中最典型的有：美国国家标准局主持开发的初始图形交换规范 ()*+,，它是最早的、也是目前应用最广的数据交换规范，但它本身只能完成几何数据的交

换；产品模型数据交换标准 ,-+$ 标准，是国际标准化组织研究开发的，基于集成的产品

信息模型。产品数据在这里指的是全面定义零部件或构件所需的几何、拓扑、公差、关

系、性能和属性等数据。,-+$ 作为标准仍在发展中，其中某些部分已很成熟，基本定型，

有些部分尚在形成之中，尽管如此，它目前已在 !"#&!"% 系统的信息集成化方面得到广

泛应用。

./ 自动化的工艺设计

自动化工艺设计的目的就是根据 !"# 的设计结果，用 !"$$ 系统软件自动进行工艺

规划。

!"$$ 系统直接从 !"# 系统的图形数据库中，提取用于工艺规划的零件的几何和拓扑

信息，进行有关的工艺设计，主要包括零件加工工艺过程设计及工序内容设计，必要时

!"$$ 还可向 !"# 系统反馈有关工艺评价结果。工艺设计结果及评价结果也以统一的模型

存放在数据库中，供上下游系统使用。

建立统一的零件信息模型和工艺设计自动化问题的解决，将使数控编程实现完全的

自动化。

0/ 数控加工程序的生成

数控加工程序的生成是以 !"$$ 的工艺设计结果和 !"# 的零件信息为依据，自动生成

具有标准格式的 "$- 程序，即刀位文件。经过适当的后置处理，将 "$- 程序转换成 ’! 加

工程序，该 ’! 加工程序是针对不同的数控机床和不同的数控系统的。目前，有许多商用

的后置处理软件包，用户只需要开发相应的接口软件，就可以实现从刀位文件自动生成

’! 加工程序。生成的 ’! 加工程序可以人工由键盘输入数控系统，或采用串行通讯线路

传输到数控系统里。

一个集成化的 !"#&!"% 数控编程系统，一般由几何造型、刀具轨迹生成、刀具轨迹

编辑、刀具轨迹验证、后置处理、图形显示、几何模型内核、运行控制及用户界面等部

分组成，如图 1!2 所示。

下面以鞋楦集成化数控编程为实例做一介绍。

343

第九章 皮革制品生产过程中的数控加工及其程序编制

图 !!" #$%&#$’ 集成数控编程系统的组成

二、鞋楦 #$% 的方法

根据计算机辅助产品设计和鞋楦自身的特点，在前面的章节中已经介绍过鞋楦几何

模型的生成方法。如一般通过线框模型、曲面模型、实体模型或两种造型方法结合生成

鞋楦的几何模型。还可以采用基于点的鞋楦几何模型的生成方法。基于点的鞋楦几何模

型的生成过程如下：

以楦头和楦尾的中心连线作为鞋楦的中心轴 !，以楦尾中心为原点建立坐标系。从

原点开始，以一定的间距且垂直于 ! 轴的系列平面和鞋楦外表面相交得到 " 条截面曲线，

如图 !!( 所示。每条截面曲线对应一个 ! 值，对每条曲线均以圆心角!为参数，从圆心

图 !!( 以!为参数等分楦截面取点

角为 # 处开始等分曲线获取 $ 个点，得到总数

为 " ) $ 个、参数 % 和!两个方向上规则有序

的点集，记为 & * ｛&’，( （ %，!，"） + ’ * ,，

-，#，"； ( * ,，-，#，$｝，"为极半径。对

固定的 (，&’，( 对应的圆心角相同，即 &’，( 在过

鞋楦轴线与 )!! 平面夹角为!的半平面上，&即为基于点的鞋楦的几何模型。

可以通过三种方式得到基于点的鞋楦的几

何模型：通过拷贝现有模型的方式、从实物样

楦设计鞋楦、通过组合楦头和楦尾的模型设计

鞋楦。鞋楦点的几何模型可以方便地对点数据

进行三角网格化，形成网格化实体模型，也可

以方便地建立曲面模型或实体模型，用于模型显示和相关应用，还可以直接用于计算刀

位轨迹，实现鞋楦数控编程。

三、鞋楦数控编程

目前，鞋楦制造业非金属鞋楦加工最有效的方式是如图 !!. 所示的数控切削加工方

-.,

皮革制品 #$%&#$’

式。鞋楦由夹具固定作 ! 向旋转运动，高速回转且倾斜一定角度的刀具在 "!# 平面内作

# 向上升运动和 " 方向的进给运动，在鞋楦表面形成螺旋线加工轨迹，数控刻楦机通过控

制（!，"，#）切削毛坯楦得到成品楦。

对各种样式的鞋楦加工实验证明，刀具倾斜一定的角度（!"#左右）能够有效地防止

切削干涉。可以在鞋楦的 $%&’( 曲面模型上获取离散点，通过计算离散点与刀具的距离

得到刀位点。下面介绍基于点的鞋楦几何模型的数控编程方法。

!) 刀具模型

鞋楦数控加工的刀具具有特殊性，三把碗状铣刀均匀镶嵌在刀盘上，刀盘高速旋转

后形成的刀具包络面为圆环面，如图 *!+ 所示建立刀具空间坐标系，以刀具中心为坐标原

点，刀具旋转轴为 # 轴，刀具的进给方向为 " 轴，则刀具在该坐标系下可表达为：

$（ %，&，’）, %- . &- , (（ ’）-

(（ ’）, ) . *- / ’! -

0

’"［ / *，*］，

0

%，&"［ / (（ ’），(（ ’）］

图 *!+ 刀具模型

（1）正视图 （2）俯视图

图 *!3 鞋楦的加工方式

图 *!* 刀位点坐标变换

（1）变换前 （2）变换后

在刀位计算时，设定编程坐标系为鞋楦点模型的坐标系，且刀具倾斜!角，因此需

要变 换 刀 具 模 型 。如 图*!*所 示 ，先 绕 +,轴 转!角 ，然 后 沿 +"轴 平 移"$ 。设 坐 标 变 换

43!

第九章 皮革制品生产过程中的数控加工及其程序编制

前后的坐标分别为（!，"， #）和（!!，"!， #!），则刀具在新坐标系下的数学表达式为：

$（ !! ，"! ， #!） " （ !! #$%!& #! %’(!& %$ #$%!）) * "! ) " &（ #）)

&（ #!） " ’ * ［ () & （ !! %’(!* #! #$%!& %$ %’(!）)］+)

) , 刀位点计算

根据鞋楦加工方式，设鞋楦绕 ) 轴旋转的速度为每分钟 * 转，刀具沿 + 向进给的速

度为每分钟 , 米，在时刻 -，鞋楦转离初始位置"- "!*

-.·-，刀具 + 向位置 +- " ,·-，% 向

位置 !- 需要通过计算得到。

!- 的计算过程如下：假设刀具不动，变换鞋楦点模型，计算在刀具进给方向上与刀

具模型距离最近的鞋楦模型点，该点即为鞋楦加工的刀触点，从而计算 !- 。鞋楦模型点的变换矩阵 .- 为：

.- "

#$%"- & %’("- . .

%’("- #$%"- . .

. . + .

. . . +

+ . . .. + . .. . + .. . #. & #-

+

，

计算变换后的鞋楦模型点/0（ !0 ，"0 ，#0 ）在刀具进给方向上的向刀具模型的投影点 /0 !（!0 !，"0 !，#0 !），即将 "0 ! " "0 ， #0 ! " #0 代入刀具在新坐标系下的表达式，则求解方程：

（ !#$%!& #0 %’(!& %$ #$%!）) * "0! ) & () & （ !%’(!* #0 #$%!& %$ %’(!）! ) " ’

其中 %$ 为 - 时刻前一刀位点的刀具位置。首先判断解的有效空间，然后采用迭代法

解出 ! " !"，得到投影点 /0 !（!"，"0 !， #0），则该点与刀具模型在刀具进给方向上的距

离 10 " !" & !0 。对所有鞋楦模型点重复上述过程，选取最短距离 1/’(，则 !- " %$ & 1/’(。

时刻 - 的刀位点为（"- ， #- ，!-），鞋楦加工的所有刀位点通过计算 - " &-. 处的刀位

点获得，其中 & " .，+，)，"， -. 为时间间隔常量，可以控制刀位点的密度。用上述方

法计算得到的刀位点即为数控刻楦机的运动位置点，后处理时无需进行坐标变换和其他

处理，采用直线插补方式。

图 0#+. 所示为数控加工的外底模具。

图 0#+. 数控加工的外底模具

12+

皮革制品 3456347

近年来，数控自动编程也在向自动化、智能化和可视化的方向发展。数控编程自动

化的基本任务是要把人机交互工作减到最少，人的作用将在解决工艺问题、工艺过程设

计、数控编程的综合中，如知识库、刀具库、切削数据库的建立及专家系统的完善，人

机交互将由智能设计中的条件约束和转化来实现。可视化技术是国际上 !" 世纪 #" 年代末

期提出并发展起来的一门新技术，它是将科学计算过程中及计算结果的数据和结论转换

为图像信息（或几何图形），在计算机的图形显示器上显示出来，并进行交互处理。利用

可视化技术，将自动编程过程中的各种数据、实施计算到表达结果均用图形或图像完成

或表现，最后结果还可以用具有真实感的动态图形来描述。

第五节 数控加工程序的检验与仿真

一、概 述

无论是采用语言自动编程方法还是采用图形自动编程方法生成的数控加工程序，在

加工过程中是否发生过切、少切，所选择的刀具、走刀路线、进退刀方式是否合理，零

件与刀具、刀具与夹具、刀具与工作台是否干涉和碰撞等，编程人员往往事先很难预料，

结果可能导致工件形状不符合要求，出现废品，有时还会损坏机床、刀具。随着 $% 编程

的复杂化，$% 代码的错误率也越来越高。因此，零件的数控加工程序在投入实际的加工

之前，采用有效的方法检验和验证数控加工程序的正确性，确保实际投入应用的数控程

序正确，是数控加工编程的重要环节。

通常数控加工程序检验的方法主要有：试切、刀具轨迹仿真、三维动态切削仿真和

虚拟加工仿真等。

试切法是 $% 程序检验的有效方法。传统的试切是采用塑模、蜡模或木模在专用设备

上进行的，通过对这些模型尺寸的正确性来判断数控加工程序是否正确。但试切过程不

仅占用了加工设备的工作时间，需要操作人员在整个加工周期内进行监控，而且加工中

的各种危险同样难以避免。

将计算机仿真技术应用于数控加工中，代替或减少实际的试切工作，将程序的执行

过程在计算机屏幕上显示出来，是解决数控加工问题最经济、最有效的方法。动态模拟

过程中，观察者在屏幕上看到的是连续的、逼真的加工过程。利用这种视觉检验效果，

就可以很容易发现刀具和工件之间的碰撞及其他错误的程序指令。

二、刀位轨迹仿真

通过读取刀位数据文件检查刀具位置计算是否正确，加工过程是否发生过切，所选

刀具、进给路线、进退方式是否合理，刀位轨迹是否正确，刀具与约束面是否发生干涉

碰撞等情况。这种仿真一般采用动画显示的方法，效果逼真，通常在后置处理之前进行，

故可以脱离具体的数控系统环境进行。刀位轨迹仿真法是目前比较成熟有效的仿真方法，

主要有刀具轨迹显示验证、截面法验证和数值验证三种方式。

&’ 刀位轨迹显示验证

刀位轨迹显示验证的基本方法是：当完成待加工零件的刀具轨迹计算后，将刀具轨

()&

第九章 皮革制品生产过程中的数控加工及其程序编制

迹在图形显示器上显示出来，从而判断刀具轨迹是否连续，检查刀位文件计算是否正确。

判断的依据和原则主要包括：刀具轨迹是否光滑连续、刀具轨迹是否交叉、刀轴矢量是

否有突变现象、凹凸点处的刀具轨迹是否连接合理、组合曲面加工时刀具轨迹的拼接是

否合理、走刀方向是否符合曲面的造型原则等。

刀具估计显示验证还可将刀具轨迹与加工表面的线框图组合在一起，显示在图形显

示器上，或在待加工的刀位点上显示出刀具表面，然后将加工面及其约束面组合在一起

进行消隐显示，根据刀具轨迹与加工表面的相对位置是否合理、刀具轨迹的偏置方向是

否符合实际要求、分析进退刀位置是否合理等，更加直观地分析刀具与加工表面是否有

干涉，从而判断刀具轨迹是否正确，走刀路线和进退方式是否合理。图 !!"" 是加工外底

模具时刀位轨迹的显示验证图。

图 !!"" 数控加工外底模具的刀位轨迹显示验证

#$ 刀具轨迹截面法验证

截面法是先构造一个截面，然后求该截面与待验证的刀位点的刀具外形表面、加工

表面及其约束面的交线，构成一幅截面图形显示在屏幕上，从而判断所选刀具是否合理，

检验刀具与约束面是否发生干涉与碰撞，加工过程是否存在过切等。

截面法主要应用于侧铣加工、型腔加工及通道加工的刀具估计验证。截面形式有横

截面、纵截面及曲截面等三种方法。

采用横截面方式时，构造一个与进给路线上刀具的刀轴方向大致垂直的平面，然后

用该平面去剖截待验证的刀位点上的刀具表面、加工表面及其约束面，从而得到一张所

选刀位点上刀具与加工表面及其约束面的截面图。该截面图能反映出加工过程中刀杆与

加工表面及其约束面的接触情况。

如图 !!"# 所示为采用二坐标侧铣加工模具轮廓及二坐标端铣加工模具型腔时的横截

面验证图。

纵截面验证是用一张通过刀轴中心线的平面（纵截面）去剖截待验证的刀位点上刀

具表面、加工表面及其约束面，从而得到一张截面图，在该截面图的显示过程中，规定

刀具始终摆正放置，即刀杆向上、刀尖向下。可选取刀平面作为纵截面，或将刀平面绕

刀轴转动一定的角度而生成纵截面。纵截面验证不仅可以得到一张反映刀杆与加工平面、

刀尖与导动面的接触情况的定性验证图，还可以得到一个定量的干涉分析结果表。

%&"

皮革制品 ’()*’(+

图 !!"# 横截面验证图

（$）加工轮廓的横截面验证图 （%）加工型腔的横截面验证图

图 !!"& 所示为在用球头刀加工自由曲面时，若选择的刀具半径大于曲面的最小曲率

半径，则可能出现过切干涉或加工不到位的情况。

曲面验证是用一指定的曲面去剖截待验证的刀位点上的刀具表面、加工表面及其约

束面，从而得到一张反映刀杆与加工表面及其约束面的接触情况的纵截面验证图。主要

应用于五坐标数控加工的检验。

&’ 刀具轨迹数值验证

刀具轨迹的数值验证也称为距离验证，是一种刀具轨迹的定量验证方法。它通过计

算各刀位点上刀具表面与加工表面之间的距离进行判断，若此距离为正，表示刀具离开

加工表面一定距离；若距离为负，表示刀具与加工表面发生过切。

如图 !!"( 所示，选取加工过程中某刀位点上的刀心，然后计算刀心到所加工表面的

距离，则刀具表面到加工表面的距离为刀心到加工表面的距离减去球形刀具的半径。设

! 表示刀具的刀心，" 是刀心到加工表面的距离，# 表示刀具半径，则刀具表面到加工表

面的距离为!) " * #。

图 !!"( 球形刀加工的数值验证图图 !!"& 纵截面验证图

三、三维动态切削仿真

在自动编程中，三维动态切削图形仿真检验是采用实体造型技术建立加工工件毛坯、

++"

第九章 皮革制品生产过程中的数控加工及其程序编制

机床、夹具及刀具在加工过程中的实体几何模型，然后将加工工件毛坯及刀具的几何模

型进行布尔运算，最后采用真实感图形显示技术，把加工过程中的工件模型、机床模型、

夹具模型及刀具模型动态地显示出来，模拟工件的实际加工过程。该方法的特点是仿真

过程的真实感较强，基本上具有试切加工的验证效果。三维动态切削仿真已经成为图形

数控编程系统中刀具轨迹验证的重要手段。现代数控加工过程的动态仿真验证有两种典

型的方法：一种是只显示刀具模型和工件模型的加工过程动态仿真；如图 !!"# 所示。另

一种是同时动态显示刀具模型、工件模型、夹具模型和机床模型的机床仿真系统，如图

!!"$ 所示。

图 !!"# 刀具模型和外底模型加工动态仿真图

图 !!"$ 外底模具加工的机床仿真系统

四、虚拟加工仿真

虚拟加工仿真法是应用虚拟现实技术实现加工过程的仿真。这种加工仿真的方法主

要解决加工过程中实际加工环境的工艺系统间发生的干涉碰撞问题和运动关系。由于加

工过程是一个动态的过程，刀具与工件、夹具、机床之间的相对位置是随时间改变的，

工件从毛坯开始经过若干工序的加工，在形状和尺寸上均在不断地变化，因此，虚拟加

工法是在各组成环境确定的工艺系统上进行动态仿真。

虚拟加工方法由于能够利用多媒体技术实现虚拟加工，因此与刀位轨迹仿真方法不

%&"

皮革制品 ’()*’(+

同，它不只是解决刀具与工件之间的相对运动仿真，更重视对整个工艺系统的仿真，虚

拟加工软件一般直接读取数控程序，模拟数控系统逐段翻译并执行，同时利用三维真实

感图形显示技术，模拟整个工艺系统的状态，还可以在一定程度上模拟加工过程中的声

音等，提供更加逼真的加工环境效果。

从发展前景来看，一些专家正在研究开发考虑加工系统物理学、力学特性情况下的

虚拟加工过程，一旦成功，数控加工仿真技术将会产生质的飞跃。

思考题与习题

!" 简要叙述数控加工编程的基本过程及其主要工作内容。

#" 试分析比较常用的几种数控编程方法，简要说明其原理和特点。

$" 举例说明切触点、刀具轨迹和刀位文件的概念。

%" 简述 &’( 语言编程的基本步骤。

)" 举例说明 &’( 语言中如何定义点、直线和圆。

*" 在 &’( 语言编程中，语言翻译的作用是什么？它是如何工作的？

+" 什么是后置处理？在数控编程中，为什么要进行后置处理？

," 什么是图形交互式自动编程？简述其基本工作过程。

-" 试分析比较常用的几种数控程序检验方法，简要说明其原理和特点。

!." 举例说明刀具轨迹仿真的基本原理，说明如何利用刀具轨迹仿真检验数控程序的正

确性。

-+!

第九章 皮革制品生产过程中的数控加工及其程序编制

第十章 皮革制品企业计算机辅助质量管理系统

质量是产品参与激烈市场竞争的重要因素，因此产品的质量是企业经营成败的关键。

近年来，用户对质量提出了越来越严格的要求。随着这种趋势的发展，必须全面提高质

量才能使产品具有社会信誉，赢得市场，以保证企业获得和保持良好的经济效益。为达

到上述目的，需要实现质量工作的现代化。计算机辅助质量（!"#，!$%&’()* "+,), #’-.+/(0）系统的研究和实施已越来越受到企业的重视。

第一节 引 言

一、皮革制品企业质量管理

当今，质量已成为商品世界共同的语言，是现代工业社会和各国经济建设中一个受

到普遍关注的突出问题。不论是发达国家还是发展中国家，尤其像日本、美国在内的一

些经济高度发达的工业化国家都高度重视产品质量和服务质量。并且，还在努力寻找提

高产品质量的有效途径。

众所周知，日本的经济腾飞就是从抓质量开始的。12 世纪 32 年代，日本从美国引进

了质量管理（#’-.+(0 !$4(*$.），5635 年设立了戴明奖，5672 年，日本开展“质量月”活动。

日本“青出于蓝而胜于蓝”，后来超过了美国，创建了日本式的全面质量管理（8#!，

8$(-. #’-.+(0 !$4(*$.），8#!成 为 日 本 企 业 的 制 胜 法 宝。 美 国 著 名 质 量 管 理 专 家 朱 兰

（9:;: 9’*-4）考察了日本经济后说：“日本经济的振兴，是一次成功的质量革命”。

56<= 年美国 9$>)&? @-**+4A($4 博士提出计算机集成制造（!B;，!$%&’()* B4()A*-(), ;-4/’C-D(’*+4A）概念以来，!B; 的理论和实践应用得到了很大的发展，受到世界各国的广泛重

视，许多企业都研究、建立了计算机制造系统（!B;E，!B;!E0>()%），并以此作为企业在

市场竞争中取胜的关键手段。作为 !B;E 组成部分的计算机辅助质量系统的概念，是在

!B; 概念提出 52 年后才出现的，但很快得到了企业界的关注，并在一些率先研究、建立

!"# 系统的企业中取得了较大成效。

（一）我国皮革制品企业质量管理的历史和现状

在国际皮革制品市场中，中国的产品占有一定的地位，我国是世界上鞋类生产和出

口大国。但是我国皮革制品的生产和出口也存在很多问题，我们不得不面对的现实是，

;"FG BH !@BH"（中国制造）在国际上还只是“低档货”的代名词。

造成这种现象的原因之一就是企业片面追求经济效益，忽略产品质量管理，缺乏完

善、科学和有效的质量管理手段。这种企业的短视现象严重影响了我国皮革制品企业的

发展。它并不是个新的问题，而是一个由来已久的问题。

早在改革开放之初，大大小小的皮革制品企业在南方各地如雨后春笋般的建立起来，

并且创造了很大的经济效益。可是，由于一些企业为了追求高额的经济效益，不注重产

2I5

品的质量管理，致使假冒伪劣产品泛滥。不但消费者深受其害，而且企业本身也是自食

恶果。这种现象在温州最为严重，温州产品在其他地区几乎就成了“冒牌货”的代名词。

为此，温州的企业花了 !" 多年的时间才重新建立起来自己的声誉。

时至今日，虽然有不少的企业已经意识到了质量管理的重要性，可是，“短视风”依

然盛行。以制鞋企业为例。在全球鞋类贸易中，#""! 年我国鞋类出口 $%&’ 亿双，出口金

额 %’&( 亿美元，占世界鞋类出口额的 !)*。可是由于质量不高，平均单价仅为 #&** 美元)双，远远低于意大利、西班牙、巴西等国的产品，而且中国制造的皮鞋几乎没有自己的

品牌，而使用国外商标和品牌。这也与我国制鞋企业多年来的“短视”现象密不可分的。

多年以来，我国的制鞋企业不注重科研、开发、设计，多以来料加工或相互模仿、抄袭

为主，很少注入必要的资金研究、开发产品，致使产品质量不高难以取得更高的经济

效益。

（二）皮革制品企业质量管理的发展趋势

随着科学技术的发展和社会的进步，我国的皮革制品企业应该清楚的认识到，质量

是企业制胜的法宝。而在今天这个混乱的全球经济中，质量包括了为顾客提供能够为生

活增加乐趣、价值的产品。所谓的“质量”，就是为你的顾客提供方便、有用，甚至好玩

的产品、服务或个人经验。在顾客眼里，“零缺点”只是“质量”的一小部分，而且是必

备条件。因此说，当今我国皮革制品企业的产品的质量不仅仅要经久耐用，更要符合顾

客的需要，更具有个性。

随着“质量”的定义的改变，皮革制品企业的质量管理范围也要随之改变。它不但

包括生产而且还要包括售后的服务质量。在生产过程中，质量管理直接影响着产品；而

售后服务的质量不仅关系到顾客的满意程度而且通过售后服务还能够了解顾客的需求，

从而设计出顾客更满意的产品———提高了产品的质量。

随着 +,-. 在制造业中的广泛应用，皮革制品制造这一劳动密集型行业势必也会向该

方向发展。不难想象到计算机辅助质量管理（+/0）必将打破单一的人的管理模式。+/0以其强大的信息资源和网络功能帮助管理者更好的完成管理工作，使产品质量提到更高

的水平。

（三）皮革制品企业质量管理存在的问题

随着企业对质量管理的重视，很多皮革制品企业都有着一套自己的质量管理系统。

但并不是所有的质量管理系统都发挥了作用，提高了产品质量。在我国大大小小的皮革

制品企业中，在质量管理上仍存在不少的问题。

!& 质量管理使得企业过于注重内部流程，而忽略外在结果

企业主管在内部工作绩效评估、标准化指标确定、技术规范设定上所花费过多的精

力和时间，无可避免地降低了企业主管对外在环境的注意力———顾客的需求、顾客所面

对的新选择、对顾客有利的科技变化，以及顾客可能会有兴趣的产品或服务改善。这将

导致企业生产出“零缺点”的产品，却还是没有销路。

#& 质量管理体系过于庞大

现代企业的管理体系的“扁平化”是一大趋势之一。过于庞大的质量管理体系不但

使得管理工作缺乏弹性而且容易造成管理工作模式化。庞大的质量管理体系会造成大量

的报告、备忘录、许多小组、委员会、开不完的会议，而且要求每个人都要遵守。这将

!(!

第十章 皮革制品企业计算机辅助质量管理系统

会导致职工将整个质量观念视为纸上的游戏或管理的“鞭子”。

二、皮革制品企业计算机辅助质量系统（!"#）

皮革制品企业计算机辅助质量系统是皮革制品企业在生产和售后服务中所引入的新

的质量管理系统。它是对原有质量管理系统的完善，是一种更有效的质量管理手段。

（一）皮革制品企业建立 !"#系统的目的和意义

随着企业不断被推向市场，迫使企业的品种不断增加，产品质量不断提高。保证产

品质量，是企业生存和发展的必由之路。皮革制品企业建立 !"# 系统的目的就是为了进

一步完善自己质量管理系统提高自己的产品质量。

皮革制品企业 !"# 系统的建立使得企业的生产效率、产品质量进一步提高，从而使

得在市场上的竞争力增强，获得更好的经济效益。同时，!"# 系统的建立加强了企业与

客户之间的沟通，使得企业更加了解顾客的需要，生产出更多的高质量皮革制品。

成功的 !"# 系统应该能够有效地支持企业的质量管理活动和实现企业经营目标。因

此，它是服务于企业其他系统，促进其他系统的工作。

（二）皮革制品企业 !"#系统对企业质量管理的支持

!"# 系统的建立，其根本目的是支持企业全面有效地实施质量管理。为此，建立

!"# 系统时必须考虑满足以下几个方面的要求，并且以它们为目标确定具体的支持内容。

（$）!"# 系统应能够为企业完善和促进质量体系的有效运作提供支持，其任务主要

是能够以 %&’())) 族标准为基础来支持企业的质量管理工作。具体支持内容包括：形成

和使用质量体系文件、为获得信任提供客观证据以及为质量审核和质量改进提供积极

帮助。

（*）在计算机网络支持下，!"# 系统应能够向企业内部各层次的决策者提供快速而

正确的各类信息，支持决策者适时作出决策并迅速传递决策者的指令。

（+）!"# 系统应能够为有效进行质量信息管理提供支持。因为，在 !%,& 下进行的市

场研究与产品开发、计算机辅助设计、计算机辅助工艺设计、计算机辅助检测以及企业

质量管理活动本身产生了大量的质量信息，而 !"# 系统能够对这些质量信息充分发挥作

用提供有效地支持。

（-）!"# 系统应能够为提高过程质量控制和质量保证能力提供支持。具体地讲，!"#系统应能够支持实现过程的即时控制，并且依据 %&’())) 族标准，从技术上为过程质量控

制和保证能力的持续提高提供强有力的支持。

第二节 皮革制品企业计算机辅助质量系统的结构

一、皮革制品企业计算机辅助质量管理系统总体架构

皮革制品企业计算机辅助质量管理系统是利用计算机技术和网络技术管理质量信息

资源，是对原有质量管理系统的改善和提高。因此，对于劳动密集型的皮革制品企业来

说，计算机辅助质量系统是以质量信息管理为主，并且增强质量管理部门与企业其他部

门的沟通与协调为目标。

*.$

皮革制品 !"/0!",

（一）质量信息管理的概念

信息是客观事物的特征和变化的反映，而在生产过程中所产生的和质量有关的各种

数据、情报、文件、资料统称为质量信息。它包括产品质量信息和工作质量信息。资料、

数据经过加工才能称为信息，未经加工的数据和资料称为原始信息。

质量信息，按照分类方式的不同，有不同的分类：如按信息发生地点可分为：厂外

质量信息———市场动态、协作厂质量水平、使用过程中的问题；厂内质量信息———企业

规定的质量方针、目标、计划、技术标准、管理标准，日常生产中和质量有关的资料如

质量检验、工序控制统计数据、质量指标完成情况及质量事故分析处理结果等；如按信

息功能又可分为：质量指令信息、质量动态信息、质量反馈信息等。

虽然质量信息的分类不尽相同，但它们都具有一些共同的性质。

!" 重要性、使用性

质量信息是企业管理的一个重要因素，是企业质量保证活动能够正常进行的重要保

证之一，而且具有使用价值和保存价值，是企业的一项财富，可以像财富一样出售。

#" 正确性

要正确反映质量活动的真实情况，如果该信息不符合实际情况，不仅不能起到好的

作用，而且还会有害，甚至导致企业领导决策失误。

$" 滞后性和不完整性

从收集原始资料到加工资料成为有用信息，然后再把信息传递到有关的责任部门，

这一过程要花去一定时间，即为质量信息的滞后过程。在实际工作中，希望通过努力使

此滞后过程越短越好。另外质量信息是以生产各个环节、各个部门为单位收集的，因此

不可能是绝对完整的。只有不断地从各个部门、单位收集数据资料，尽量使加工出的信

息全面些。

%" 可加工性

可以运用科学的方法对信息进行加工处理，去伪存真，发现事情的本来面目。另外，

在进行信息处理时通常分成三个等级：高层（决策）、中层（执行）、基层（实施）。越向

底层（比如基层）提供的信息，越要求详细具体。

&" 可追踪性

由于信息有可靠的来源，因此可以找到信息发生的时间地点和责任人，便于进行

处理。

’" 可共享性

作为企业管理的一个重要的资源，质量信息为企业各部门所共有，可以共同使用，

以充分发挥作用。

（二）皮革制品企业计算机辅助质量管理系统（!"#）

企业管理的实质就是信息流动，通过信息流动，实现对人、财、物的管理。而质量

信息是企业信息的重要组成部分，质量管理的过程实际就是质量信息的收集、传递、加

工、判断和决策的过程，质量信息的阻塞和遗失会导致领导者的决策失误，从而给企业

利益带来损害。因此，对于皮革制品企业来说，质量信息更加重要。质量信息是依据，

是基础。

随着社会发展和企业科技进步，产品结构日益复杂，用户对产品质量要求越来越高。

$(!

第十章 皮革制品企业计算机辅助质量管理系统

在质量信息传递、处理和查询中，数据统计分析工作量越来越大，手工操作由于中间环

节多、信息分散、工作效率低等弊端，难以满足需要。而皮革制品企业建立 !"# 系统后，

不但可以利用计算机强大的信息和网络功能，而且还可以根据事先拟定的程序进行复杂

的运算和快速操作，所以随着质量管理工作的进一步深入发展，!"# 系统对于皮革制品

行业来说会更加的重要。

（三）皮革制品企业 !"#系统的框架

产品质量的产生、形成和实现的过程，一般要经过以下 $ 个步骤。

%& 市场调研

进行市场调查，了解用户意见，通过质量分析确定产品的各种质量水平。

’& 开发设计

根据用户要求，确定产品的结构、规格、性能和采用的主要原材料等，从而设计出

符合用户要求的产品。

(& 工艺技术准备

根据设计质量，编制工艺控制文件，设计工艺装备，确定所需的设备、工具及测试

设备和手段。

)& 采购

根据设计及工艺要求购买所需的原料、零部件及有关设备。

*& 制造

对工人进行技术培训，以掌握产品质量要求。按工艺规程操作，以生产出符合设计

要求的产品。

+& 检验和信息反馈

按照产品工艺规程和质量标准对成品半成品进行检验，并将质量信息及时反馈给有

关部门。

$& 售后服务

收集用户意见，提出新的改进要求。

我国现有的不少皮革制品企业只注重生产过程中的质量管理———工艺技术准备、采

购制造、检验等质量职能，而对于生产前和生产后的质量管理———市场调研、设计开发

和销售服务等质量职能———往往重视不够。皮革制品企业计算机辅助 质 量 管 理 系 统

（!"#）的建立，不但使先进的计算机成为进行管理工作的有力工具，而更重要的是引入

了新的管理理念，打破了原有旧的狭隘的质量管理观念，从而形成了一种全面的质量管

理概念。这种全面的质量管理概念将产品生产前、生产中和产品使用的整个过程都纳入

了质量管理的范畴，使得质量管理由原来的弥补质量问题转变为预防质量问题的发生。

皮革制品企业计算机辅助质量管理系统（!"#）可划分为：企业内部 !"# 系统———辅助

工艺技术准备、采购制造、检验等生产过程中质量管理职能完成；企业外部 !"# 系

统———辅助市场调研、开发设计、销售服务和用户服务等生产前和生产后的质量职能完

成。其结构如图 %,!% 所示。

美国著名质量管理专家朱兰博士在深入研究了企业产品质量运动后进一步指出，一

个产品从设计、制造到使用可以细分 %( 个细节：市场调查、研制、设计、确定产品规格、

制定工艺、采购、仪器仪表及设备装置、生产、工序控制、检验、测试、销售服务、用

)-%

皮革制品 !"./!"0

图 !"!! 皮革制品企业计算机辅助质量管理系统（#$%）结构

户服务，而对于每个环节都要展开相应的质量活动。朱兰认为，在企业的生产经营活动

图 !"!& 朱兰质量螺旋曲线

中，这 !’ 个环节的活动是周而复始。不断地进

行的，他 用 一 个 螺 旋 曲 线 表 示（如 图 !"!& 所

示），人们称之为“朱兰螺旋曲线”。

按影响产品质量形成的规律分析，可以看出

对于影响皮革制品企业的主要质量职能有 ( 个方

面："市场调研；#开发设计；$生产技术准备；

%采购供应；&生产制造；’质量检测；(产品

销售；)用户服务。皮革制品企业建立计算机辅

助质量系统（#$%），使上述 !’ 个环节各种质量

活动更加协调，使它们一环扣一环，互相依赖、

互相制约、互相促进、不可缺少，而且要求参与

每个环节活动的所有人员，都要各司其职，完成

好自己所承担的质量职能，因此，要满足用户的

需要，要求企业全体人员参加到质量循环中来。

上述 !’ 项“朱兰螺旋曲线”活动的总和就是质

量职能。

二、企业内部的框架

瑞典质量管理专家桑德霍姆为了形象、直观地表示出工业企业内部 ( 个主要的质量职

能，作出了如图 !"!’ 所示的质量循环图。从图中可以看出：质量循环是朱兰质量螺旋曲

线的俯视图。它只不过是把螺旋曲线 !’ 个环节，按照对企业内部管理的要求，并归为 (大质量职责职能。要使 ( 大职能在企业内部协调并正常地进行，就要求企业大多数职能部

门和工作人员做好本职工作。而皮革制品企业内部所建立的计算机辅助质量系统就是为

)(!

第十章 皮革制品企业计算机辅助质量管理系统

了更好的协调和改善企业大多数职能部门和工作人员做好本职工作以达到提高产品质量

的目标。

图 !"!# 质量职能图

（一）构成皮革制品企业内部 !"#系统的要素

我国皮革制品行业现在仍然是一个劳动密集型行业，在生产中主要采用手工方法

进行收集、分析、处理 和 反 馈 生 产 过 程 中 的 各 种 信 息。如 各 种 统 计 图 表、工 艺 流 程

卡、明细表、各科室与企业各级领导的报告和反馈等，均以人工 方 式 完 成，但 效 率 和

准确性不高。而 $%& 系统则是在人工系统的基础上，以计算机为工具的信息系统。计算

机按照人们编制的程序对数据进 行 处 理 分 析、运 算、判 断、打 印 或 显 示 出 结 果。计 算

机处理信息具有精确、系统、统一、集中、快速等特点，与人工系统比较，它具有以下

优点：

（!）信息储藏量大，且查询速度快。

（’）处理质量信息速度快，准确性高。

（#）把管理人员从琐碎的事物性工作中解脱出来，用更多精力搞好管理工作，提高

工作效率。

在皮革制品企业的 $%& 系统中，根据企业规模体制大小，下设若干子系统、技术检

验、计量、各生产车间、实验室等。每个子系统都包括以下 ( 个基本组成部分，如图 !"!)所示。

（!）信息源———产生信息的来源，如来自用户的索赔信息和来自车间产品设备事故

的报警信息。

（’）信息流———信息的流动。是指发出质量指令到结果的管理工作活动。信息流动

必须按照企业预先规定的质量信息流程流动，以保证质量信息系统正常工作。

（#）信息中心———在质量管理部门设立的主管信息工作的单位，是信息系统的核心，

下设若干子中心（在每个子系统中设立），该中心负责整个信息管理的业务组织协调及

考核。

（)）决策机构———企业中各级领导机构或各级负责人。各级信息中心，均在相应级

别的决策机构领导下进行工作。

（(）执行机构———接受输出指令和具体执行指令的部门。如各生产车间的各级巡检、

*+!

皮革制品 $%,-$%.

图 !"!# 皮革制品企业 $%& 系统结构图

质检部门等。

（二）皮革制品企业内部 !"#系统框架的建立条件

随着企业质量管理工作的深入，质量信息的传递、分析、处理、反馈等工作量越来

越大，因而计算机的使用，已在发达国家的质量管理中十分广泛。对于我国的皮革制品

企业来说，由于技术薄弱、管理工作不完善、水平不高，所以目前计算机的应用大多仅

限于单项简单的系统管理中。少数企业已具备了较高的管理水平，但在建立计算机辅助

质量辅助系统时必须根据自身实际情况而定，不能盲目从事。皮革制品企业在具备以下

条件后，方能着手建立 $%& 系统。

（!）管理基础工作良好 企业在管理的各个方面应具备良好的基础，如产品技术、

定额等的标准化，组织结构、工作程序、规章制度、管理体制等的健全，同时具备较高

的管理人员素质。这是前提工作。

（’）企业的生产稳定 企业应在原材料、设备工艺、人员素质及质量需求等方向具

有相对的稳定性，以便达到系统全面、细致的管理。

（(）硬件及软件、人员配备齐全 在具备以上两个条件的情况下，实现计算机加入

的人机管理系统的关键在于企业要有适用的计算机硬件和软件设备，同时要有具备专业

水平的计算机专业人员，能够设计编制相应的管理程序并进行操作管理。

)*!

第十章 皮革制品企业计算机辅助质量管理系统

在着手进行 !"# 系统设计之前首先要确定系统的功能。计算机对质量系统的管理是

借助于计算机专业人才编制的系统软件程序进行的，而系统软件的编制设计又基于质量

管理人员对现在管理模式的分析、研究基础上。

要求质量管理人员做好以下工作：

（$）制定应用目标 将各级质量管理工作进行分解展开，变成简单可执行的应用目

标，即管理工作到此一级即可完成。

（%）可行性分析 对所要建立的系统在技术上和经济上进行可行性论证，分析已制

定的目标是否合理、有效及必要。

（&）确定信息及信息流程 根据已制定的应用目标，排列出各目标所需信息的信息

源，划分出不同的层次（根据组织结构和业务分工）。按照全部信息及流程，画出能够满

足程序设计要求的信息流程控制图，其中包括对输入输出的要求，如数据格式及名称的

确定，数据来源和处理后结果的去向。

（三）企业内部计算机辅助质量管理系统的建立

企业内部计算机辅助质量管理系统的建立包括：系统建立的目标、系统的设计原则

以及系统的设计三部分。

$’ 系统建立的目标

（$）根据信息流程控制图，编制各子系统程序，以完成数据收集、处理、存储、传

输，为各级管理者提供准确的质量信息。将该系统的各子系统的各子程序通过流程先后

连接起来，形成完整的质量信息系统程序。

（%）建立质量信息数据库，以实现计算机对数据的集中管理，并保持数据的完整性

和一致性。

（&）建立质量统计、分析、处理及反馈模型，为辅助质量管理提供决策依据。

（(）在进一步应用中，逐步提高计算机的参与能力，实现计算机辅助管理、设计与

质量审核等的相互协调与提高。而对于皮革制品企业可以建立信息质量流程控制图。皮

革制品企业（内部）!"# 系统结构如图 $)!* 所示。

%’ 系统设计的原则

（$）操作性能好，即使用方便和便于维护。用户程序的编制易懂，也便于一般操作

人员能很快掌握；硬件方面要求系统的控制开关不能太多、太复杂；操作顺序要简单，

同时，一旦发生故障，软硬件都要有较完备的排除故障的措施。

（%）通用性好，便于扩充。系统的各项设计指标应留有一定余量，以便在今后进一

步提高 !"# 系统时，易于调整，整个系统应是标准统一的。

（&）可靠性高。对于 !"# 系统的要求，可靠性是最突出和最重要的，因为该系统的

运行正常与否影响到整个工厂生产情况和信息决策问题，所以系统所提供的信息，要准

确可靠并且有安全保密性。

（(）技术先进性。计算机辅助管理系统的建立，应充分吸收和采用国内外的先进科

学技术，成为符合发展潮流的，具有生命力的信息系统，如先进的计算机技术、通讯技

术、优化算法、数据库等。而通过网络化可进一步扩大 !"# 系统的管理范围。

&’ 系统的设计

皮革制品企业计算机辅助管理系统是为了实现企业的质量保证任务而进行收集、处

++$

皮革制品 !",-!".

图 !"!# 皮革制品企业（内部）$%& 系统结构图

理、分析和提供各种质量信息以辅助原有的质量管理系统，最终达到提高企业的管

理水平，增加经济效益的目的。在具体设计时制定系统的功能必须和质量管理机构的功

能一致、协调。一般系统应满足以下几个方面：

（!）能准确、可靠地进行数据的收集、处理、运输、存储，及时提供准确、较完善

的信息，并能及时将出现异常的信息反馈给各有关部门。

（’）建立质量数据库，对数据集中管理，便于各单位共同使用，并与计算机辅助设

计（$%(）、计算机辅助制造（$%)）、计算机辅助检测（$%*，$+,-./01 %2303 *04/）和计

算机辅助质量审核（$%%，$+,-./01 %2303 %55044）等相协调。

（6）根据设计原则，运用系统工程学理论对系统进行逻辑设计，再根据企业现有

技术经济条件，具体设计出实现逻辑的功能手段，并加以实施。当然在实施前还要做

好一系列基础准备工作，比如一定的管理组织机构、工作制度方法以及人员的配备培

训等。

具体实施步骤包括："确定系统功能。#设立信息中心。这是筹建 $%& 系统最重要

的工作，建立过程也是对信息中心工作人员的培训和锻炼过程。$列出信息源，从中

找出管理重点。%确定企业质量 信 息 流 程，画 出 质 量 管 理 流 程 图。&制 定 信 息 传 递、

78!

第十章 皮革制品企业计算机辅助质量管理系统

反馈、储存、显示的方法，统一各种传递信息的报表，规定各种信息分级、分类归档的

办法。

三、皮革制品企业 !"# 系统的外部框架

近年来世界发达国家的制造商已经将质量管理的重点由制造过程转移到设计过程。

这是因为他们经过多年来的实践和统计分析发现，在由市场信息获取的索赔和意见的报

告中，设计问题所占的比例呈明显上升趋势。这种倾向引起了国外制造商的密切关注，

并取得了一致性的观点———产品的设计开发是产品质量的源头。于是在 $% 世纪 &% 年代以

后，各国制造商们成倍地增加设计部门的人员以保证产品设计开发阶段的质量。世界著

名企业认为 #’（#()*+,- ’).)/010.,）重点由制造向设计转移的理由是：统计资料中显示

设计质量引起索赔所占的比例显著，外部故障成本的涵义被广泛认同。正如美国质量专

家菲利浦·克劳斯比（23+*+4 !*567-）所说：“第一次就做好。返修的费用是很高的，带来

极大的损失，延误交货期。”因此，清楚了解什么样的顾客需要什么样的产品及服务；这

些顾客将来可能需要什么。对于一个企业来说，尤其像皮革制品企业这种制造业来说，

没有什么事能比这个更基本，更不可缺少。并且上述问题明显处于企业中心地位，所有

其他的事物都围绕着它。既然如此，产品设计开发质量目标就是满足用户的需要。为此，

正确识别用户的明确要求和潜在要求是首要的，也是确定新产品设计开发的依据。识别

过程就是大量搜集客户的质量信息，并进行系统分析的过程。而我国不少的皮革制品企

业往往对此缺乏认识，造成产品的质量不高，无法取得好的经济效益。皮革制品企业

（外部）!"# 系统则是从提高企业的售后服务的质量———建立质量反馈子系统———来获取

大量的客户、市场以及竞争对手的信息以提高企业的产品质量。它任务在于：

（8）为技术服务部门提供故障产品数据；

（$）为生产决策中的产品质量提供质量反馈信息；

（9）为经营管理者提供产品的生产决策依据。

（一）企业外部 !"#系统的质量信息流程

皮革制品企业计算机辅助质量管理系统（企业外部）是企业 !"# 系统的子系统，它

的任务是：为企业收集质量信息和反馈质量信息，另一任务则是售后服务。

质量信息的搜集包括如下几方面。

8: 社会动态、市场情报

国内和国外的经济形势、市场规模的变化趋势和市场预测、相关公司（企业）市场

占有率比较分析、市场评价、安全及环境法规以及革制品行业的新的科学技术动态。

$: 竞争对手的情报

产品开发动向、未来发展战略及课题方向、竞争产品的性能及特征、与产品竞争对

手产品的比较分析。

9: 用户情报

用户对企业产品质量的评价、用户对同类产品生产厂家的评价、用户对同类产品的

产品质量的需求、用户对同类产品的改进意见、用户对产品价格的期望值和承受能力以

及用户的使用环境和使用方法。

;: 质量信息反馈

%<8

皮革制品 !"=>!"’

对收集的质量信息进行系统的分析，以识别和确认用户或潜在用户。这样就为新产

品开发目标决策提供了依据，同时也将新产品的质量特性的准确界定和设计开发新产品

投放市场的风险降到最小。

质量信息反馈子系统涉及到来函管理、回访单管理、库存管理、成本价格管理等多

方面的内容。其中来函管理是信息反馈的信息源，通过来函管理确定数据的流程，回访

单管理则完成对事务的处理。在收到客户对产品质量信息后，技术服务部门做出相应的

处理方式，经过技术服务部门的审核，决定处理的方式，通过回访单的信息，然后决定

如何进行处置，并把处理的内容及时的传送到相应的解决部门，如设计、生产部门等。

及时了解库存信息和产品的价格等信息反馈给用户。然后再把统计的结果反馈到质量的

决策部门，使之做出相应的质量调整和生产调整。从而完成了整个质量信息反馈的过程。

整个系统的流程如图 !"!# 所示。其中技术服务和回访信息的内容是整个系统的核心内容。

从技术服务和回访信息中，按照企业内部的约定对信息进行规则化、标准化，将信息等

反馈到企业内部。并对收集到的信息进行加工处理，通过与企业其他子系统数据共享，

了解企业内部的实际情况，包括产品库存和产品价格等。

图 !"!# 皮革制品企业外部 $%& 系统信息流程图

（二）皮革制品企业外部 !"#系统结构

皮革制品企业的外部 $%& 系统采用了客户端’服务器（$’(）和浏览器’服务器（)’(）

双重结构，所以客户端的软件包括了技术服务部门的软件系统和内部网站，两套软件是

根据不同的需求，采用不同的结构设计，共同享用数据库信息。

质量信息反馈内部网站，企业内部技术部门及相关部门提供网上查询和统计分析情

况的功能。除此之外，质量信息反馈内部网站还为企业内部人员提供了发布信息、相互

交流的功能。其结构如图 !"!* 所示。

!+!

第十章 皮革制品企业计算机辅助质量管理系统

图 !"!# 皮革制品企业质量反馈系统结构

质量反馈系统的客户端软件是在功能分析和企业实际要求以及总体方案设计的要求

下，完成了客户端总体系统功能的设计，总共包括以下几个方面：登录、来函管理、来

函的统计分析、顾客管理、回访单管理、技术服务报告、结果分析、合格证管理等部分。

四、内外部结构的结合与协调

皮革制品企业计算机辅助质量管理系统的内、外部结构的结合完成了皮革制品企业

全面质量管理的任务。因此，如何完成皮革制品企业 $%& 系统内、外部结构的衔接是十

分重要的。

（一）结合方式

皮革制品企业计算机辅助质量管理系统重要的特点之一就是网络化。在皮革制品企

业 $%& 系统建立后，便在皮革制品企业、客户和供应商之间建立起来了一个质量信息网

络。所有的质量信息都会汇集到信息中心的质量信息反馈系统数据库，中心信息对质量

信息进行分析并报告给管理系统。质量分析报告成为企业管理者的决策依据，管理者根

据质量报告调整生产以解决出现的质量问题。

对于皮革制品企业 $%& 系统的内、外部结构来说，质量信息反馈系统数据库就是它

们的结合点。质量管理信息反馈系统数据库通过 $%& 系统建立起来的计算机网络将皮革

制品企业 $%& 系统内、外部结构紧密地结合起来，将两者所收集的质量信息汇集，供信

息中心进行质量分析，从而为皮革制品企业管理者的决策提供准确、可靠的依据，如图

!"!’ 所示。

（二）协调的途径

皮革制品企业计算机辅助质量管理系统内外部的协调主要通过主动和被动两种途径

进行协调。

（!）被动方式的协调途径。是指皮革制品企业的管理系统通过行政指令对 $%& 系统

内、外部结构进行调整。企业管理系统根据信息中心所提供的质量报告，要对企业生产

()!

皮革制品 $%*+$%,

图 !"!# $%& 系统内、外结构的结合

进行调整。同时，企业也要对 $%& 系统进行调整、协调，以适应新的生产，解决出现的

质量问题。行政指令一般会以文件的形式下达给 $%& 系统的内、外部结构进行协调。

（’）主动途径的协调。主要是指皮革制品企业 $%& 系统内、外部结构通过主动地相

互交流，以达到相互协调的目的。当对 $%& 系统进行评价时，系统的内、外部结构可以

以此为平台进行交流。而在日常生产中，两者又可以利用皮革制品企业 $%& 系统所建立

起来的质量信息网络，如电子邮件、电子留言板等途径进行沟通，将自己的困难、建议

和想法提出来，以寻求使之相互协调的方法。

五、存在的问题及解决方法

皮革制品企业计算机辅助质量管理系统还只是处于刚刚起步阶段，在 $%& 系统结构

的建立过程中往往可能会因为缺乏必要的经验而出现一些错误。皮革制品企业在建立

$%& 系统时，也许会希望找到一个通用的最佳模式，能立竿见影，对于建立系统前的调

查、分析没有耐心，甚至是不愿投入，对皮革制品企业自身存在的特殊要求没有进行充

分的研究、分析，造成建立 $%& 系统前的“先天不足”，影响了 $%& 系统建立后的运行

效果。

笔者认为，皮革制品企业之间存在着诸多不同，如不同的企业环境、不同的企业质

量目标、不同的顾客、不同的企业组织结构、不同的企业质量体系等，因而不可能存在

普遍适用的最佳的 $%& 系统模式。皮革制品企业在建立 $%& 系统时应该考虑到这种差异

性的存在，根据企业自身的实际条件来设计和建立适合本企业需要的 $%& 系统。建立

$%& 系统，其初步设计是极其重要的环节。$%& 系统的功能模型设计和信息模型设计是

初步设计环节中的两个重要内容，直接影响到 $%& 系统建立后的运行效果。因此，进行

这两部分内容设计一定要与企业自身的实际情况紧密结合。

第三节 皮革制品企业 $%& 系统的实施

皮革制品企业计算机辅助质量系统建立以后能否发挥作用需要在实践中检验。因此，

()!

第十章 皮革制品企业计算机辅助质量管理系统

如何实施 !"# 系统，就成为皮革制品企业在建立起 !"# 系统后至关重要的问题。它既是

对管理者也是对工人在质量意识上的检验。

一、影响皮革制品企业 !"# 系统运行的因素

皮革制品企业建立起来后能否正常有效地运行将受到很多因素的影响。总体上可以

分为人为因素和系统体制因素两类。

（一）人对 !"#系统的影响

皮革制品企业计算机辅助质量系统（!"#）的建立是对原有质量管理系统的改善和提

高，是一种全面的质量管理系统。它要求企业全体职工都要共同参与到质量管理的过程

中，是科学质量管理的客观要求。

产品是企业广大职工通过设计、加工等共同劳动的结果。产品质量的好坏，归根到

底决定于职工队伍的质量意识与技术水平，决定于各方面管理工作的水平。因此，皮革

制品企业在建立起计算机辅助质量系统的同时，还要组织好职工的质量教育工作，努力

提高职工的技术业务水平，加强他们的质量意识。

建立皮革制品企业 !"# 系统不仅仅是质量管理手段上的更新，更重要的是质量管理

理念的改变。皮革制品企业 !"# 系统为企业带来的是一种全面的质量管理理念，从产品

生产前、生产中到产品使用的整个过程都将纳入质量管理的范畴。那么，对于在整个

!"# 系统中起着重要作用的人来说，是否具有正确的质量观念是十分重要的。

（$）皮革制品企业的管理者要改变他们以前狭隘的质量观念，形成全面的质量管理

理念。在我国有不少的皮革制品企业的管理者只注重生产中的质量管理，而忽略了产品

生产前和使用中的管理。造成了我国皮革制品企业的产品互相抄袭成风、产品售后服务

差等现象的出现，这样不但失去了顾客的信任，也使得我国的皮革制品一直是“低档货”

的代名词。因此，皮革制品企业的管理者应重视产品生产前（材料的采购、市场调研以

及产品的设计与开发等环节）和产品使用中（客户的售后服务）的质量管理，这样才能

使 !"# 系统能发挥其作用，才能打造出自己的品牌，才能在市场中占有一席之地。

（%）对于产品的生产者———工人来说，工人既是产品的制造者，同时也是产品质量

的制造者和管理者。工人要形成重视质量的意识，关心产品质量，把提高产品质量作为

自己的职责。工人应该认识到自己虽然只是从事产品生产中的一道工序，但是产品的质

量正是从这一道道的工序中形成的，因此自己的工作对于产品质量的好坏是十分重要的。

只有通过培养正确的质量观念，工人才能自觉地遵守各种质量管理规范，才能使 !"# 系

统在企业中顺利地运行，从而提高企业的产品质量，这也是皮革制品企业计算机辅助质

量管理的基础。

综上所述，皮革制品企业计算机辅助质量管理系统是一种全员性的质量管理系统，

它要求皮革制品企业的全体工人共同参与。质量管理的全员性、群众性是科学质量管理

的客观要求。皮革制品企业产品质量的好坏，涉及企业的所有部门和所有人员。这就是

说，一方面产品质量与每个人的工作有关，提高产品质量需要依靠所有人员的共同努力；

另一方面，在这个基础上产生的质量管理和其他各项管理，如技术管理、生产管理、劳

动管理、物资管理、财务管理等各方面之间，存在着有机的辨证关系，它们以质量管理

为中心环节相互联系，又相互促进。

&’$

皮革制品 !"()!"*

（二）系统体制结构对于 !"#系统的影响

随着企业管理的不断发展，组织的“扁平化”成为了当今世界企业管理的主要发展

趋势之一。如果企业的组织中管理层级过多、冗员充斥、部门庞杂，企业的管理势必效

率低下影响企业的生产管理水平，使企业在残酷的市场竞争中处于劣势。而计算机辅助

质量管理系统就是着眼于企业质量管理机构的组织“扁平化”，让部门主管从企业控管中

解脱出来，让第一线员工从部门主管的控管中解脱出来。因此，皮革制品企业在使用计

算机辅助质量管理系统时，要尽量做到减少原有管理系统的层级，减少人员，精简管理

部门，从而提高企业的质量管理水平。

对于皮革制品企业的 !"# 系统如果结构设置不当会对系统造成两方面的影响。

（$）不合理的 !"# 系统设置可能会浪费质量管理的人力资源。不合理的设置会使得

质量管理人员在信息收集和反馈上浪费大量的时间和精力。例如，质量信息反馈单的设

计不合理造成质量信息的不全面、不详细，这就会使得质量管理人员不得不再去搜集质

量信息———浪费了时间和精力。

（%）不合理的 !"# 系统设置可能会使系统的功效得不到发挥。以 !"# 系统对皮革制

品企业管理决策的支持为例。不合理的系统设置可能会延误质量问题向管理层的汇报从

而影响了企业的管理和决策。

二、!"# 系统的标准

随着质量观念的演变，质量管理的理论和实践也得到了不断的发展，先后经历了质

量检验、统计质量控制和全面质量管理三个阶段。特别是在 $&’( 年国际质量标准化组织

颁布了 )*+&,,, 族标准后，质量管理理论和实践的发展得到了进一步推动，按照 )*+&,,,族标准建立的企业质量管理体系为企业产品质量的提高提供了保证。

质量管理体系是为了实施质量管理所需的组织结构、职责、程序和资源。它是为了

支持质量管理而建立和运行的组织机构、程序、过程和资源组成的有机整体。其中组织

结构是质量体系有效运行的保证。质量体系的资源包括人才资源和专业技能、设计和研

制设备、制造设备、检验和试验设备、仪器、仪表和计算机软件等。)*+&,,, 族标准在总

结大中型制造企业质量控制职能和特点的基础上，结合质量形成的全过程，提出了四大

类 $( 项质量体系要素，供企业在建立质量体系时选用。

（$）总体要素，包括：管理职能、质量体系、质量体系的财务考虑。

（%）基本过程要素，包括：营销、产品设计和开发、采购、生产制造、过程控制、

产品验证、生产后活动。

（-）辅助过程要素，包括：检验、测量和试验设备控制、不合格品控制、纠正措施。

（.）基础性要素，包括：质量记录、人员、产品安全性、统计方法的应用。

质量体系客观地存在于每一企业，但在运行中要不断地完善。企业应在研究和制定

企业的质量方针和质量目标后，针对产品的生产特点确定质量环节的内容，对照 )*+&,,,族标准选出需要控制的要素来建立质量体系，开展质量控制、质量保证和质量改进活动。

同时为了保证质量体系的有效运行，企业必须定期对质量体系进行审核和评审，并不断

根据外界环境对质量体系进行完善。

建立和健全质量体系的目的是保证产品或服务的质量，满足用户的需求，实现企业

/&$

第十章 皮革制品企业计算机辅助质量管理系统

的质量方针和目标。而皮革制品企业计算机辅助质量管理系统就是在 !"#$%%% 族标准之上

建立起来的质量体系，是对原有质量体系的完善和提高。&’( 系统遵循 !"#$%%% 族标准的

各项原则，是该标准在皮革制品企业中的应用与深化。

三、&’( 系统在皮革制品企业中的运行

在皮革制品企业中，实施 &’( 系统就是产品质量形成的全过程，从产品设计制造到

使用的各环节致力于质量的提高，消除不合格品，做到防检结合，以防为主。也就是要

求企业把质量管理工作的重点，从事后检验产品质量转移到事前控制生产过程质量上来，

在设计和制造过程的管理上下工夫，在生产环节的一切环节中加强质量检验，保证生产

过程的质量良好，消除产生不合格品的种种隐患，做到防患于未然，还要求企业逐步建

立一个包括市场调查、设计研究到销售使用的全过程的，能够稳定地出产合格品的质量

保证体系。

（一）在企业内部的运行

&’( 系统在皮革制品企业内部运行的重点是制造过程的管理工作，它的工作重点和

场所都只在生产车间。企业的产品能不能保证达到质量标准，在很大程度上取决于生产

车间的技术能力及制造过程的质量管理水平。

在制造过程中，&’( 系统不仅要组织好各个环节的质量检验工作，发挥其“把关”

的作用，坚持做到不合格的原料不投产，不合格的部件不转入下一道工序，不合格的成

品不出厂。更重要的是展开质量分析活动，找出产品质量缺陷的原因，采取措施，把废

次品、返修品减少到最低限度，把质量管理工作贯穿到产品制造的全过程。

)* 做好“检验规划”工作，统筹安排整个企业的检验活动

这项任务主要由质检部在 &’( 系统中根据工艺说明书制定质检任务。质量任务书要

具体到每一道工序、每一个工人和检验人员，这样就可以做到有据可查。当出现质量问

题时，就可以很快找出问题是出在哪一道工序、哪一名工人或检验人员身上。质量任务

书的主要内容是根据各种产品的不同要求事先确定检验项目，检验方式（工人自检互检

和专职检验、定点检验、巡回检验），检验方法与手段（理化检验、计量测试、感官检

验），检验数量（全数检验、抽样检验），检验次数和时间，检验机构的设置和人员的配

备，检验数据的处理等。

以缝帮工序来说。首先，在缝合之前要对裁断好的帮部件进行专职检验（定点、全

数检验）；其次，在缝合帮套时采取巡检员进行巡回检验和工人自检相结合（抽样检验）；

最后，在帮工工序全部完成后，由专职检验人员进行检验（全数检验），将有质量问题的

帮套及时返工，将损失减到最小，决不让不合格的帮套进入下一道工序。

合理选择检验方式。不同的检验对象可以采取不同的检验方式，例如：按工作过程

的次序可以分为预先检验、中间检验和最后检验；按检验地点来划分可以分为流动检验

和固定检验。总之，要根据有效性和经济性的要求，选择采取合理方式。实行专业检验

与工人自检、互检相结合的制度。

有效的质量检验工作必须有一支专业的检验队伍。首先是因为科技的发展，检验已

成为一门专业技能。专业检验人员应能够认识并解释质量标准，通过实测值同质量标准

比较，要做出“符合性判断”，判断合格与否，还要负责记录检验数据、反馈信息。其

+$)

皮革制品 &’,-&’.

次，生产工人只担负局部生产活动，对前后工序及整个产品质量要求了解较少，而专业

检验人员则对质量问题较为敏感，责任心也较强，还可担负质量教育、质量监督等工作。

因此，一般来说，必须建立专职检验部门，在企业管理者直接领导下对产品质量进行集

中管理。但是，大规模生产的皮革制品企业，每一部件、每道工序都要依靠专职人员检

验是不可能的，有时也是不必要的。产品质量是否符合标准，归根到底还是决定于直接

生产过程，决定于操作人员。因此，必须发挥工人在质量管理中的积极作用，实现工人

自检互检，实行专检与自检相结合的制度。一般地，原材料、半成品、成品检验以专业

人员检验为主；在生产过程中工序检验则应以工人自检为主，并辅以专业人员的巡回

检验。

不断提高检验人员的工作质量，并进行合理的考核。衡量检验人员工作质量的直接

标准就是错检、漏检的程度。为提高检验工作质量，首先应该加强对质检人员的思想教

育和职业培训，同时采用适当的考核标准，其计算公式如下：

检验人员准确性 ! ! " "! " " # # $ %&&’ （%&!%）

式中 !———检验人员确定的不合格数；

"———检验人员错检（把合格品判为不合格）数；

#———检验人员漏检（把不合格品判为合格）数。

这个指标可作参考，当然要使检验准确无误的根本途径还在于不断提高检验手段的

自动化水平。

加强对不合格产品的管理。对于生产过程产生的需要返修返工的产品应存放于专门

地点，而对于废品，必须及时送入废品库，绝不允许不合格品出厂或流入下道工序。不

合格品是否仍可使用，须做出适用性判断，但此项工作一般不应由检验部门单独负责，

而应成立“审查小组”，吸收其他部门甚至用户参加，共同做好适用性工作。

对于上述的工作必须在 ()* 系统的数据库内进行资料备份，明确规定企业每个部门、

每个职工在质量检验工作中的具体任务、责任和权限，以便把与产品质量有关的各项工

作和广大职工的积极性结合起来，做到质量检验工作事事有人管，人人有专责，办事有

标准，工作有检查，使企业形成一个更加严密的质量管理工作系统。

+, 严格贯彻执行工艺规程，组织文明生产

产品质量是否合乎质量标准，关键在于工艺过程的质量。因此，严格贯彻工艺规程，

要求生产工人自觉提高操作技术，遵守工艺纪律，是全面质量管理以预防为主，控制过

程产品质量的客观要求。那么，在 ()* 系统中，相应地就要将各种产品的工艺说明书作

为资料进行备份，一方面，有利于查询做到有所依据；另一方面，也便于出现质量问题

后进行分析，进一步完善和改进工艺。同时，组织文明生产也是保证工艺质量的重要条

件。文明生产，就是生产要均衡，工艺纪律要严明，成品、半成品、帮套等的堆放、储

运要有条理，轻拿轻放，设备、工作地布置要合理、整齐、清洁，工作器具要齐全，工

人的劳动条件要不断改善。例如，对于裁断后废料的处理，应采取专人负责的措施进行

处理。一方面，合理地处理废料，可以废物再用，提高材料的经济效益，减轻对环境的

污染；另一方面，合理地处理废料也有利于培养职工的环保意识，进行“绿色生产”。

-, 掌握质量动态，进行质量分析

./%

第十章 皮革制品企业计算机辅助质量管理系统

为建立可以有效保证产品质量的生产系统，!"# 系统信息中心必须对车间质量现状

进行综合分析，发现问题，找出原因，分清责任，制定措施，加以控制。由于 !"# 系统

质量数据库的建立，我们不仅仅可以分析废品、防止废品，还可以着眼于消除所有不良

品，即对于返修品、回用品、次品或一般质量事故都进行深入的分析。在 !"# 系统质量

分析中，可以采用主次因素排列图、因果分析图、分层图、直方图、散布图等一系列统

计图表法。这些统计方法对于了解与掌握质量动态，分析质量原因，制定管理对策，都

具有明显的效果。质检部门要及时对 !"# 系统所反映的质量问题进行处理。对于人为因

素要及时地制定新的措施，防止问题再次发生。而对于非人为因素要积极改进工艺水平

和生产技术，力争将发生的几率减小到最低。例如，合底工序近期经常出现质量问题，

那么我们应分析是何种因素造成的。如果是由于工人的操作不当，那么就要制定新的操

作规范并对工人进行培训，使错误的操作不再发生。相反，如果是非人为因素，那么就

要进行工艺技术的改进（如胶粘剂的配方、刷胶的量、烘干时间和温度等）。

$% 质量信息的利用和处理

!"# 系统所收集到的信息大致可以分为正常信息和异常信息两类。

正常信息指的是质量动态信息，定期分析产品质量状况，以采取相应措施以维持一

定的质量水平，并找出企业经常性的质量缺陷，为企业组织质量改进活动提供依据和制

定工厂质量方针时参考。各质量信息子系统还应按其质量职能对分管的质量信息不断进

行分析和应用，如利用工序质量信息来控制产品制造质量；销售部门及时反映给企业领

导和开发设计部门的用户需求信息可作为开发新产品、质量改进等经营决策的依据；质

量审核和质量成本分析报告可作为质量改进的依据。

异常信息的出现比较突然，所以又称为突发质量信息。为了减少由于异常情况造成

的损失，企业必须以最快的速度来处理这类信息。对异常信息可以用 "、&、! 分析法按

其重要程度进行分级处理（如表 ’(!’ 所示）。

表 !"!! 质量信息分级表

" 级

严重影响企业信誉、产品性能、安全而且产量大、损失严重的质量事故信息

这时应立即和责任部门直接联系并报告信息中心，如顾客投诉的质量问题（包括断底、断跟、断

面等）

& 级

影响某一生产部门工作、损失少于 " 级的信息

由生产部门和有关部门协商加以纠正，并按月汇总报告信息中心。如果部门之间协调不了则可上报

信息中心，要求上级管理部门出面解决。如设计部门的工艺说明书不合理或不够详细明了，使得生产

部门无法进行生产

! 级

批量和损失价值微小的信息

由具体发生部门解决，不需上报。如工人在操作中出现失误造成诸如绷帮不正、折边不合格等产品

质量问题

在企业内部反馈信息可按信息的重要程度向各级管理者汇报，以便及时协调和纠正

错误以及使上级管理者了解情况，并将信息汇集到 !"# 系统数据库内。为了快速纠偏，

发生偏差的部门应向责任部门报告，要求纠偏，并填写信息反馈单交给信息中心，信息

中心按其重要程度分级，然后采取相应措施解决和检查验收。

)*’

皮革制品 !"+,!"-

（二）在企业外部的运行

皮革制品企业计算机辅助质量系统在企业外部运行是为了提高企业在售后服务的质

量，并从对顾客的服务中获取新的质量信息、新的质量需求和要求并反馈给企业。

质量信息中心的工作在企业外部主要承担起企业和客户之间的沟通作用。信息中心

通过售后服务，从客户那里得到质量信息的反馈，其中包括：企业产品的质量不足、顾

客的质量需求、出现质量问题的产品类型、数量、何种质量问题等具体情况。质量信息

中心所获信息经过分析、整理，及时向企业反馈和汇报。做好信息显示，及时通过刊物、

电子邮件、!!" 等形式通报质量动态，并要做好分类和归档工作，建立相应数据库，以备

需要时检索。同时还要进行质量信息的追踪考核，按企业规定的考核办法，依据质量情

况月报表、质量信息反馈单、质量信息处理单和用户申诉等资料向皮革制品企业管理者

提出考核建议。对原因不明、责任不清、性质严重或重复出现的质量信息进行查询，可

以用填“信息反馈查询单”或召开会议的形式进行。据调查结果进行处理并要不断加强

信息中心的建设，比如加强人员的业务学习、开发新的信息源、不断完善信息管理制度

和补充新的人员等以提高信息管理的成效。

皮革制品企业外部 #$% 系统的信息反馈一般为用户访问报告、外购材料质量检验报

告、来电、来访等。应按信息内容归口负责，比如用户信息由销售部门负责、供应厂商

由供应部门接待等。外反馈信息也按照信息的重要程度分级，处理程序同企业内反馈信

息的处理程序，并作为存档在 #$% 系统的数据库内进行资料备份。对意见、建议要在规

定时间内答复。

对于非正式渠道的信息，信息中心可发放信息卡让知情人填写，然后收集并分发到

有关部门，并对价值较大信息的提供者给予奖励以调动积极性。

（三）与企业其他系统的协调

美国质量管理学家戴明曾经提出了“&’#$ 循环”（又称戴明环）的概念。他把质量

管理工作分为计划（&()*）、执行（’+）、检查（#,-./）、处理（$.01+*）四个阶段，这四

个阶段，有时周而复始不断运转（见图 23!4），其中每个阶段又可具体划分为若干步骤

（见表 23!5）。

图 23!4 &’#$ 管理循环图

表 !"!# $%&’具体实施步骤

计 划

分析现状找出问题

产生问题的原因

找出主要原因

拟定措施，执行计划

执 行 执行措施，执行计划

检 查 检查工作，调查结果

处 理标准化，固定成绩

遗下的转入下一周期

管理循环每转动一周就是质量提高一步。皮革制品企业计算机辅助质量管理系统与

442

第十章 皮革制品企业计算机辅助质量管理系统

企业其他系统的相互联系，相互影响，相互促进正好完成了“!"#$ 管理循环”。#$% 系

统为企业其他系统的工作和制定方针提供了依据，同时，其他系统的指令也为 #$% 系统

的运行提供了保障，它们之间的相互作用如图 &’!&’ 所示。

图 &’!&’ #$% 系统与皮革制品企业其他系统的协调

四、存在的问题及解决方法

要使皮革制品企业 #$% 系统在企业中实现其应有的作用，则必须在实施 #$% 系统时

消除以下几个错误：

（&）过分强调硬件的先进性。在建立 #$% 系统时，皮革制品企业的管理者可能会为

系统选择最新型的计算机型号、配备最好的外部设备和购买最新版应用软件。由于计算

机及其软件技术的发展迅速、日新月异，导致人们围绕着那些设备或软件最先进而争论

不休，迷失了建立 #$% 系统的目标。

笔者认为，#$% 系统的成功，应该是系统能够有效地支持企业的质量管理活动和实

现企业经营目标。因此，皮革制品企业建立 #$% 系统的计算机及其外部设备和软件的选

择，一方面，有赖于企业生产自动化程度和技术条件；另一方面，应考虑其适用性，包

括性能、寿命、可信性、安全性和经济性。先进性是一个综合性因素，应该以适用性为

前提，而不是 #$% 系统成功的必然条件。

（(）片面认为“#$% ) 质量管理 * 自动化”。持这一观点的人普遍存在。从 (’ 世纪 +’年代以来，我国已有不少企业在质量管理领域采用了计算机辅助手段，但获得满意效果

的却不多见。许多企业建立 #$% 系统的目的是将质量管理工作自动化，用计算机代替人

的一些工作，结果是 #$% 系统成了企业原来的质量管理系统的翻版，计算机及其网络的

’’(

皮革制品 #$",#$-

技术优势没有发挥，也没有使企业质量管理得到实质性的进步。

笔者认为，这对于皮革制品企业是十分值得借鉴的。皮革制品企业建立 !"# 系统应

该是充分利用计算机及其网络的先进信息技术，推动企业的质量管理及组成结构、运作

体制、活动内容和方法的改进，提高人员素质和工作效率，改善质量体系及其运作效果，

从而满足企业所有受益者的需求和愿望。必须认识到，建立 !"# 系统，并不是取代企业

原有的质量体系，而是推动原有的质量体系进行一次重大的变革，促进企业建立更适用、

更有效、更令顾客和企业全体员工满意的质量体系。

第四节 皮革制品企业 !"# 系统的评价和改进

皮革制品企业计算机辅助质量管理系统持续改进性是其自身重要的特点之一。!"#系统通过持续性的改进使得系统不断同企业的实际生产相适应，使得企业的质量管理不

断提高和完善。

一、皮革制品企业 !"# 系统的评价

（一）评价原则

皮革制品企业的管理者应当开展管理评审活动，使其不仅限于对皮革制品企业计算

机辅助质量管理系统的有效性和效率进行验证，且应扩展为在整个组织范围内对体系效

率进行评价的过程。

（$）受到皮革制品企业管理者领导作用激励的管理评审，应当成为交换新观念、进

行开放式的讨论和评价的平台。

（%）为使管理评审给企业带来增值，皮革制品企业的管理者应当通过系统的基于质

量管理系统的评审，对产品实现和支持过程的业绩进行控制。

（&）评审的频次应当视组织的需求而定。最高管理者应按策划的时间间隔评审质量

管理体系，以确保其持续的适宜性、充分性和有效性。

（’）评审过程的输入应当导致超越质量管理体系有效性和效率的输出。评审的输出

应当提供用于企业进行业绩改进策划的数据。

（(）评审应包括评价质量管理体系改进的机会和变更的需要，包括质量方针和质量

目标。并且应保存管理评审的记录，并在 !"# 系统中备份，以备查找。

（二）评价方式

对皮革制品企业 !"# 系统的考核可以用如下四种指标进行考核。

$) 信息准确率

这是指符合企业信息分级分类，并且内容真实的填报条数占全部输入信息条数的百

分比。它的计算公式为：

信息准确率 * 准确的信息条数输入的信息条数

+ $,,- （$,!%）

%) 信息准时率

这是指按规定时间返回的信息处理单的信息条数占同一时间内输入信息总数的百分

比。其计算公式为：

$,%

第十章 皮革制品企业计算机辅助质量管理系统

信息准时率 ! 按时返回的信息条数信息输出总数

" #$$% （#$!&）

&’ 信息有效率

这是指经过信息反馈后得到妥善处理的信息条数占同一时期内输出信息总数的百分

比。其计算公式为：

信息有效率 ! 处理有效信息数输出准确信息总数

" #$$% （#$!(）

(’ 信息完整率

这是指某一时期实际收到的动态信息数占同一时期按规定应该收到的动态信息总数

的百分比。其计算公式为：

信息完整率 ! 某一时期实收动态信息数同期按规定应收总数

" #$$% （#$!)）

以上公式中的输入和输出信息都是相对于皮革制品企业的质量信息中心———质检

部———而言的，其考核的依据就是质量反馈单、处理单及各种质量统计报表。上述四个

百分率的计算是适合对整个企业或某一部门在不同时期自身的比较，而不适于部门之间

或企业之间的横向比较，这是因为各部门的信息输入、输出总数差别可能很大的缘故。

（三）评价的输入

为了评价质量管理体系的效率和有效性，评审的输入应当考虑顾客和其他相关方，

并应当包括如下内容：

（#）质量目标和改进活动的状况和结果以及管理评审措施项目的状况；

（*）审核和组织自我评定的结果、新的改进机会；

（&）相关方满意程度的反馈，甚至可能是他们提出的观点；

（(）与市场有关的因素，如技术、研究和开发以及竞争对手的业绩等，以及市场评

估及战略；水平对比活动的结果，战略合作活动的状况；

（)）不合格的过程和产品的控制；

（+）供方的业绩、质量活动的经济效果和可能影响组织的其他因素，如财务、社会

或环境条件以及相关法律法规的变化等。

而对于皮革制品企业评价的输入应对以下方面的信息给予重视："审核结果；#顾

客反馈；$预防和纠正措施的状况；%以往管理评审的跟踪措施以及改进的建议；&过

程的业绩和产品的符合性和可能影响质量管理体系的变更。

（四）评审输出

皮革制品企业通过扩展对 ,-. 系统管理评审的范围，使之超越对质量管理体系的验

证，管理者可将管理评审的输出作为过程改进的输入。管理者也可将评审过程作为识别

企业业绩改进机会的强有力的工具。评审计划应当有利于及时为皮革制品企业的战略策

划方案提供数据。经过选择的输出应当加以沟通，以便向企业内人员表明管理评审过程

如何使组织获益的新目标。

为了提高效率，其他的输出可包括："产品和过程的性能目标和组织的业绩改进目

标；#对企业结构和资源的适宜性的评价；$营销、产品以及使顾客和其他相关方满意

的战略和切入点；%针对已识别的风险所制定的预防和减少损失的计划；&有关皮革制

品企业未来需求的战略策划信息。

*$*

皮革制品 ,-/0,-1

评审记录应当充分在 !"# 系统内备份保存，以便追溯和促进对管理评审过程自身的

评价，从而确保其持续有效性和为组织增值。管理评审的输出保存内容应包括与以下方

面有关的任何决定和措施：

!质量管理体系及其过程有效性的改进；"与顾客要求有关的产品的改进；#资源

需求。

二、皮革制品企业 !"# 系统的改进

皮革制品企业的管理者应当不断寻求对企业的质量管理过程的有效性和效率的改进，

而不是等出现了问题才去寻找改进的机会。改进的范围可从渐进的日常的持续改进，直

至战略突破性改进项目。皮革制品企业应当建立识别和管理改进活动的过程。这些改进

可能导致企业对产品或过程进行更改，直至对质量管理体系进行修正或对企业进行调整。

（一）改进原则

持续改进。持续改进是一个皮革制品企业永恒的目标。皮革制品企业应利用质量方

针、质量目标、审核结果、数据分析、纠正和预防措施以及管理评审，持续改进质量管

理体系的有效性。实施本原则要开展的活动：

（$）将持续地对产品、质量管理过程和皮革制品企业计算机辅助管理系统进行改进

作为企业每一名员工的目标。

（%）应用有关改进的理论进行渐进式的改进和突破性的改进。

（&）周期性地按照“卓越”的准则进行评价，以识别皮革制品企业自身具有改进潜

力的区域。

（’）持续地改进生产过程的效率和有效性。

（(）企业鼓励预防性的活动。

（)）皮革制品企业应向每一位员工提供有关持续改进的方法和工具方面的教育和培

训，如：*+!" 循环、解决问题的方法、过程重组、过程创新等。

制定措施和目标，以指导和跟踪改进活动。对任何改进给予承认。实施本原则给皮

革制品企业带来的效应：对于方针和战略的制定，通过对战略和商务策划的持续改进，

制定并实现更具竞争力的商务计划。对于目标的设定，设定实际的和具有挑战性的改进目

标，并提供资源加以实现。对于运作管理，对质量管理过程的持续改进应涉及企业的员工

的参与。对于人力资源管理，向企业的全体员工提供工具、机会和激励，以改进产品、

生产过程和质量管理体系。

（二）改进的方法

$, 质量方针

皮革制品企业的管理者应当将质量方针作为领导企业进行业绩改进的一种手段。企

业的质量方针应当是其总方针和战略的组成部分，并与其保持一致。在制定质量方针时，

管理者应当考虑：

!为使组织成功，将来所需进行的改进的程度和类型；

"预期或期望的顾客满意程度；

#组织内人员的发展；

$其他相关方的需求和期望。

&-%

第十章 皮革制品企业计算机辅助质量管理系统

可用于改进的质量方针应当考虑：

!与皮革制品企业的管理者对企业未来的设想和战略相一致，并且表明管理者对质

量以及为实现目标提供足够资源的承诺；

"使质量目标在整个皮革制品企业内都能得到理解和贯彻落实；

#在最高管理者的明确领导下，有助于促进整个组织对质量的承诺，包括与顾客和

其他相关方需求和期望满意程度相关的持续改进。

同时质量方针应当像其他经营方针一样定期进行评审。

!" 质量目标

皮革制品企业的战略策划和质量方针为确立质量目标提供了框架。管理者应当建立

能促进企业业绩改进的目标。这些目标应当是可测量的，以便管理者进行有效和高效地

评审。在建立这些目标时，管理者还应当考虑：

!企业以及所处市场的当前和未来需求；

"管理评审的相关结果；

#现有的产品性能；

$相关方的满意程度；

%自我评定结果；

&水平对比，竞争对手的分析，改进的机会；

’达到目标所需的资源。

质量目标应当以皮革制品企业内人员都能对其实现作出贡献的方式加以沟通。对质

量目标的展开职责应当予以规定。目标应当系统地评审并在必要时进行修订。

#" 数据分析

皮革制品企业的决策应当基于对测量所获得的数据和按照企业所制定标准规定所收

集的信息的分析。企业应当分析各种来源的数据，以便对照企业的计划、目标和其他规

定的指标评定企业 $%& 系统的业绩并确定改进的区域，包括相关方可能的利益。

基于事实决策要求进行有效和高效的活动，如：有效的分析方法、适宜的统计技术、

基于逻辑分析的结果，权衡经验和直觉，作出决策并采取措施。

数据分析有助于确定现有或潜在问题的根本原因，因而可指导企业作出为改进所需

的采取纠正和预防措施的决定。

为使皮革制品企业管理者对企业 $%& 系统的整体业绩作出有效的评价，企业应当汇

总和分析来自各部门的数据和信息。$%& 系统整体业绩的表达方式应当适合组织的不同

层次。企业可使用分析结果，以确定：趋势、顾客的满意程度、质量管理过程的有效性

和效率、企业业绩改进目标的完成情况、质量经济性、财务和与市场有关的业绩水平对

比和竞争能力。

’" 纠正措施

皮革制品企业的管理者应当确保将纠正措施作为改进的一种手段。纠正措施的策划

应当包括评价问题的重要性，并应当根据对运作成本、不合格成本、产品性能、可信性、

安全性以及顾客和其他相关方满意程度等方面的潜在影响来评价。组织应当吸收不同领

域的人员参加纠正措施过程。当采取措施时，组织还应当强调过程的有效性和效率，并

要对措施进行监视，以确保达到预期目标。在管理评审中应当考虑包含对纠正措施的

’(!

皮革制品 $%)*$%+

评审。

为了制定纠正措施，组织应当确定信息的来源，收集信息，以确定需采取的纠正措

施。所确定的纠正措施应当注重消除不合格的产生原因，以避免其再发生。纠正措施考

虑的信息来源可包括：顾客抱怨、不合格报告、内部审核报告、管理评审的输出以及数

据分析的输出等。

确定不合格原因的方法有许多，包括由个人或委托纠正措施项目小组所做的分析。

组织应当根据所考虑问题的影响来权衡在纠正措施方面的投资。

为了评价纠正措施的需求，以确保不合格不再重复发生，企业应当考虑对指定的执

行纠正措施项目的人员提供适当的培训。

适当时，企业应当将对不合格根本原因的分析纳入纠正措施过程。不合格根本原因

的分析结果应当在确定和采取纠正措施之前通过试验来验证。

!" 损失的预防

管理者应当策划如何减轻损失对企业产生的影响，以保持过程业绩和产品性能。所

策划的损失的预防应当用于实现和支持过程、活动和产品，以确保相关方满意。

为了有效和高效，对损失预防的策划应当是系统的。这种策划应当基于通过采取适

宜方法（包括对以往数据的评价以判定趋势）所获得的数据，以及对组织业绩和其产品

性能相关的关键点，从而获得以定量方式表达的数据。数据可来自：风险分析方法的应

用，如故障模式和影响分析、顾客需求和期望的评审、数据分析的输出、满意程度的测

量、有关质量管理体系的记录等方面。

这种数据将为制定适用于每个过程和产品的有效和高效的损失预防计划以及确定优

先次序提供信息，以满足相关方的需求和期望。对损失预防计划有效性和效率的评价结

果应当是管理评审的输出，并应当作为修改计划和改进过程的输入。

思考题与习题

#" 简述计算机辅助质量系统的作用和意义。

$" 简要分析计算机辅助质量系统的功能。

%" 画图说明计算机辅助质量系统软件的基本结构及各部分的作用。

&" 简要分析比较 ’() 中几种常见的质量数据采集方法。

!" 分析影响皮革制品企业 ’() 系统运行的因素。

*" 简述 ’() 系统在企业内部和外部运行的过程。

+" 分析 ’() 系统运行过程中可能存在的问题及其解决方法。

," 简要说明皮革制品企业 ’() 系统评价的原则和方式。

-" 简要说明皮革制品企业 ’() 系统改进的原则和方法。

!.$

第十章 皮革制品企业计算机辅助质量管理系统

第十一章 皮革制品 !"#!!"$$!!"% 的集成化

随着计算机技术的日益广泛深入的应用，人们发现这些互相独立的系统之间很难实

现系统之间信息的自动传递和交换，形成了所谓的“自动化孤岛（"#$%&’ () *+,(-%,.(&）现

象”。如 /*0 系统设计的结果，不能直接作为 /*11 系统可接受的输入数据，还必须用人

工将 /*0 系统设计的结果、图纸和有关文件中的信息转变成 /*11 系统所需要的可以接受

的输入数据，同时 /*11 系统产生的工艺规程等有关文件中的加工信息，也不能直接为

/*2 系统所接受，而必须用人工将其转换成 /*2 系统能够接受的输入数据。这不但大大

地影响了各个系统的工作效率，而且在人工转换数据的过程中难免产生错误。这就形成

了影响各个系统工作效率和质量，妨碍各个系统进一步发展的瓶颈。只有当 /*0 系统生

成的产品零件设计信息能自动地转换成其后续环节（/*11，/*2 等）所需要的输入信息，

才能使产品的设计与制造的效率大大提高，同时也充分发挥了 /*0 系统，/*11 系统和

/*2 系统的功能。因此人们自然地提出了 /*0!/*11!/*2 一体化的概念，也叫 /*0!/*2一体化或 /*0!/*2 集成系统。通过实现 /*0、/*11、/*2 各系统之间数据的自动转换和

传递，把原来存在的各自独立工作的 /*0、/*11、/*2 系统集成起来形成一个统一的系

统，从而使之发挥更大的效益。

第一节 皮革制品 /*0!/*2 集成的概念

一、集成的基本概念与作用

（一）集成的概念

集成（"&,345%,.(&）是近 67 年来使用频率比较高的一个词。电路设计讲集成，软件系

统开发讲集成，制造系统的规划设计也讲集成。由于应用领域的差异，集成的含义有所

不同。即便是在同一领域，不同的阶段、不同的层面，集成的含义也有差别。因此，很

难给集成下一个准确完整的定义。目前有下面几种说法。

（8）共享数据，每一部分不必重新初始化，这就是集成化（9:%5.&4 ’%,%，&(, 53.&.,.%$.&4., .& 3%;: ’3<%5,-3&, ，.# .&,345%,.(&）。

（6）集成化技术指的是如何使软件具有集成性的技术。集成性有两层含义：一为内

部集成，为使系统能成为真正的开发式系统，并易于扩充，各个组成部分之间的接口必

须一致；二为外部集成性，为使一系统能嵌入另一系统而作为其组成部分，前者的外部

接口必须和后者的内部接口一致。总之，接口一致性构成集成性的实质。发展集成化技

术有助于在原有软件的基础上开发新软件。这样既有助于提高生产率，也有助于提高软

件质量。

（=）系统集成化就是把各种功能不同的软件系统，如设计、制造、有限元分析、工

艺规划及信息管理等系统，按不同的用途有机地结合起来，用统一的执行控制程序来组

>76

织各种信息的传递，保证系统内部信息流畅通，并协调各子系统有效地运行。

（二）皮革制品 !"#!!"$的集成方式

从皮革制品 "#$!"#% 技术的实际应用上看，集成有两种方式。一是所谓系统集成，

即 "#$!"#% &’()*+,(-.’。它是将不同功能、不同开发商的单元系统集成到一起，形成一个

完整的 "#$!"#% 系统。这种应用系统的优点是单元系统配置灵活，选择余地大，可以选

择单元技术最优秀的系统进行组合。另外，在系统升级换代时，可有选择地保留一些不

太落后的单元，与新的系统集成。因此是应用非常广泛的一种方式。本章的内容主要以

这种系统为背景展开。这种系统也有一些缺点，比如系统集成以后，在单元子系统之间

很难做到“无缝连接”，或多或少地总会留有一点“痕迹”。这种缺陷偶尔会给整个系统

带来灾难性的影响。

皮革制品 "#$!"#% 的另一种集成方式是集成系统，即 &’()*+,()/ "#$!"#%。它是在系

统设计一开始，就将系统未来要用的功能都考虑周全，并将这些功能的实现全都集成到

一个系统中，特别是采用统一的产品数据模型的共享机制，因此不会有任何连接的痕迹。

这种系统一般不容易做到广泛意义上的 "#$!"#%，它更多地是以狭义的 "#$!"#% 系统方

式出现。例如 "#0&#、& 1 $2#3、"#$$3 等著名软件系统，可以在一个集成环境下完成从

产品设计、工程分析到数据加工的过程。这种系统在一些特定行业或部门应用非常成功，

比如模具行业，在皮革制品行业还不成熟，但是它是皮革制品 "#$!"#% 的一个发展

趋势。

从皮革制品 "#$!"#% 的集成技术上看，它包括硬件的集成，也包括软件的集成；可

以采用网络系统，也可以不采用网络系统。

（三）皮革制品 !"#!!"$集成的作用

皮革制品 "#$!"#% 集成的作用可以从以下几个方面去理解：

! 有利于系统各应用模块之间的资源共享，提高时空效率；

" 避免应用系统之间信息传递误差，特别是人为的传递误差，从而提高了最终产品

的质量；

# 有利于实现并行工程的运作，使企业在提高产品质量、缩短产品上市时间等方面

有所作为；

$ 有利于实现面向制造的设计（$4%）和面向装配的设计（$4#），降低成本，提高

产品竞争力；

% 有利于敏捷制造等先进制造模式的实施，扩大企业的市场机遇。

二、皮革制品 "#$!"#% 集成系统的基本组成

（一）狭义的皮革制品 !"#!!"$集成系统

皮革制品 "#$!"#% 技术的应用覆盖面非常宽广，尽管已经将着眼点落在皮革制品产

品制造上，也还会由于制造对象的不同，而对 "#$!"#% 集成系统的组成提出不同的要

求。所以，在构造 "#$!"#% 集成系统时，通常采用模块组成方式，用一个基础模块构成

基本系统，然后再根据集体需要配置适当的模块。常用的用于构成 "#$!"#% 集成系统的

模块有皮革制品产品设计（"#$）、工程分析（"#2）、工艺过程设计（"#55）、数控加工

编程（6"）、分布式数据库以及系统接口和数据交换标准等。

789

第十一章 皮革制品 "#$!"#55!"#% 的集成化

!" 产品设计模块

对于绝大多数 #$%&#$’ 系统，这是一个最基本的模块，其中应包括建模和图形处理

功能。应用该模块进行皮革制品产品的方案设计和结构设计时，设计结构可以真实感图

形显示在屏幕上。根据集成化的特点，该模块越来越强调产品零部件的特征表达，以便

在设计阶段就能考虑制造或装配的工艺特性，甚至将这些信息附加到皮革制品的零部件

模型中。

(" 工程分析模块

工程分析模块包括对产品结构的分析，也包括对皮革制品产品性能和特性的计算与

分析。针对不同的皮革制品，工程分析的要求可能大不相同，因此有各种各样的工程分

析模块可供选择。对于一般的产品，有结构分析、透气性和透水汽性、穿着时足部应力

分析、鞋底受力仿真分析、应力计算、有限元分析、优化设计等；对于皮革制品制造过

程中用到的模具类附件，还有流道分析、温度场分析、加工仿真等。工程分析模块也是

构成皮革制品 #$%&#$’ 集成系统的基础模块，作为产品设计结果的检验与校核，它至少

应包括相关的有限元分析和优化设计功能。这一模块目前是皮革制品 #$%&#$’ 的一个研

究热点。

)" 工艺过程设计模块

工艺过程设计模块将皮革制品 #$% 数据转换为各种加工、管理信息，包括整理的工

艺路线、工序卡等工艺文件，以及供数控加工用的数控程序及其工艺信息。#$** 模块的

输入数据来自 #$%。如果 #$%&#$’ 系统采用了特征建模技术，#$** 与 #$% 实际上是共

享数据。在皮革制品设计时，产品数据模型中就要为添加工艺信息留出空间。#$** 的有

效工作需要一个包括工艺知识库、工艺参数数据库和推理机的专家系统。工艺知识库包

括各种典型工艺路线和典型工序，以及工艺决策方法。这些资料是经过对不同类别皮革

制品零部件的工艺分析，从大量经验中提炼出来的。工艺参数数据库包括加工设备、辅

助工具、加工方法、工序及其工艺过程参数等资料。

+" 数据加工编程模块

在所有模块中，数据加工编程模块与 #$%&#$’ 集成系统的血缘关系最近。因为 #$%&#$’ 概念的提出，首先是 #$% 产品的数据在计算机内部直接转换成加工程序，从而改变

了由人在 #$% 系统和数控加工设备之间与信息转换的笨拙方式。数控加工编程模块的任

务是根据 #$% 和 #$** 模块传来的数据产生刀位数据，其中有些工艺上的处理需要适当的

人工干预；然后利用刀具轨迹编辑功能对刀位数据进行编辑，编辑工作是可视化的；再

针对不同的数控系统生成数控加工程序；最后还要对加工程序进行仿真，发现问题及时

修正。

," 分布式数据库

皮革制品 #$%&#$’ 集成系统往往采用工程数据库而不用一般的管理数据库。这主要

是因为：系统数据量大；数据形式多样、结构繁琐、关系复杂、动态性强；图形数据与

非图形数据并存；系统的各种信息以不同的文件格式存储。分布式数据库恰好适合管理

这类文件。由于设计工作是在分布于不同地点的网络节点上完成的，所产生的文件也存

在于节点工作站上，所有网络节点需要共享一个工程数据库，因此要求数据库必须具有

分布式功能。

-.(

皮革制品 #$%&#$’

!" 系统接口

提到接口，很自然地令人想起硬件电路，但这里所说的接口是“软”接口。由于皮

革制品 #$%&#$’ 集成系统采用的是模块组合方式，一个模块实际是一个子系统，各子系

统表达信息的数据结构很可能是不同的，有些子系统处理的还不是同一类数据。为了使

子系统之间能够交换数据，就要为它们做接口。从这个意义上讲，接口相当于翻译器，

即将一个系统的信息翻译给另外一个系统。随着皮革制品 #$%&#$’ 技术的发展和普及，

接口已经趋于标准化，摆脱了对具体子系统的依赖。事实上，标准化接口已成为皮革制

品 #$%&#$’ 系统集成的重要基础。标准化接口是通过规定格式的文件实现的，例如图形

信息的变换可采用 ()*+ 格式的文件；产品级的信息交换可采用 +,*- 标准文本格式。当

然，对于集成的皮革制品 #$%&#$’ 系统，由于采用了统一的产品数据模型，因而无需考

虑接口问题。

（二）广义的皮革制品 !"#&!"$集成系统

如果站在更高的层次看问题，从设计和制造的全过程去理解皮革制品 #$%&#$’，就

有理由相信皮革制品 #$%&#$’ 集成系统由更加广泛的内容组成。按照功能的划分，可认

为这样的系统由四个应用分系统和一个支撑分系统组成，如图 ..!. 所示。

图 ..!. 皮革制品 #$%&#$’ 集成系统组成

." 生产管理分系统（-’+）

这个系统包括制造资源管理、生产计划管理、物料管理、财务管理和项目管理五个

子系统。

"制造资源管理系统对皮革制品生产用的设备、工装、仪器与量具，以及人力资源

等进行管理，并及时统计使用及维修情况。

#生产计划管理系统负责企业中、短期生产计划的制定，并通过对生产过程的监控，

/01

第十一章 皮革制品 #$%&#$--&#$’ 的集成化

及时对计划进行调整。生产计划一般包括主生产计划模块、物料需求计划模块、能力需

求计划模块和车间生产监控模块。

!物料管理系统对原材料、标准件等采购供应进行管理；对库存物资（包括原料 、

半成品、成品、外购件等）进行管理。

"项目管理根据定单安排生产进度，并协调各种型号产品生产进度及资源调配的冲

突，以及资源与成本的平衡。

!" 工程设计分析系统（#$%）

这个 系 统 包 括 皮 革 制 品 的 计 算 机 辅 助 设 计（&’$($)*）、计 算 机 辅 助 工 艺 设 计

（&’++）、计算机辅助工装设计（&’)$）和计算机辅助制造（&’,）四个子系统。

#&’$($)* 子系统包括皮革制品的概念设计、零部件设计、装配设计、工程分析、

造型及图形显示、优化设计、动态分析，以及设计文件自动生成等。

$&’++ 子系统包括典型皮革制品零部件工艺检索、工艺规程的制定、工艺参数的选

择和工时定额制定，以及工艺文件的自动生成等。

!&’)$ 子系统包括皮革制品生产过程中使用的工装夹具、模具族的检索、其三维参

数化设计、精度分析，以及组合工具的设计与组装等。

"&’, 子系统根据 &’$ 系统产生的设计对象和 &’++ 系统产生的加工工艺信息，生

成工艺文件和 -& 代码，并通过加工过程仿真系统进行程序调试，然后把 -& 代码传递给

相应的加工设备。

." 制造自动化分系统（,’%）

这个系统包括皮革制品车间生产信息管理、设备故障诊断、车间作业监控和车间作

业调度仿真四个子系统，完成对加工车间层、工段（单元）层及设备层的调度与监控

管理。

/" 质量管理分系统（0,%）

这个系统包括皮革制品质量信息综合管理、质量分析与评价、质量检测与控制、检

测规划等子系统。

1" 支撑分系统

这个系统包括计算机硬件与系统软件、网络、数据库、应用集成软件框架及协同工

作环境等子系统。它支持四个应用分系统间的信息集成、过程集成以及多功能协同作业。

三、&’$(&’, 集成系统的体系结构

（一）!"#(!"$集成系统的结构类型

从开发与应用两方面同时考虑，&’$(&’, 集成系统可分为三种类型。

2" 传统型系统

这类系统的开发应用较早，现在仍在广泛使用，而且随着 &’$(&’, 技术向更宽领域

的渗透，还在不断地发展与完善。例如 3%$#’%、4533、&’$’,、&’63’、&’$$% 等较著名

的系统在结构上是以某种应用功能（如工程绘图、曲面设计和有限元分析等）为基础，

逐渐将功能扩充到 &’$(&’, 其他领域的。例如 3%$#’% 的最基本功能是有限元分析，而

45 系列产品的基础是曲面造型与设计等等。由于系统开发之初的硬件环境、设计思想和

设计方法的局限性，使这些系统不太容易适应高度集成化的要求。

72!

皮革制品 &’$(&’,

!" 改进型系统

这类系统是 !# 世纪 $# 年代中期发展起来的，像 %&’()*+、,-./*01&**2 等都属于这

类系统。相比之下，这类系统提高了某些功能的自动化程度，如参数化特征设计、系统

数据与文件管理、数控加工程序的自动生成等，但仍缺乏对数据交换和共享信息集成要

求的支持。

3" 数据驱动型系统

这是正在发展中的新一代 %(4/%(’ 集成系统。其基本出发点是着眼于产品整个生命

周期，寻求产品数据完全实现交换和共享的途径，以期在更高的程度和更宽的范围实现

集成。其中一条主要途径是采用 5*6, 产品数据交换标准，逐步实现统一的系统信息结构

设计和系统功能设计。图 77!! 给出了这类系统的一种体系结构。由图可见，整个系统分

三个层次。最底层为产品数据管理层。它以 56*, 的产品定义模型为基础，提供了三种数

据交换方式，即数据库、工作格式和 56*, 文件交换。这三种方式的数据存取分别用数据

库管理系统、工作格式管理模块和系统交换器来实现。系统运行时，通过数据管理界面

按选定的数据交换方式进行产品数据的交换。

图 77!! %(4/%(’ 集成系统体系结构

系统中间一层为基本功能层。其中的功能模块在应用上具有通用性，即每一种功能

都可能被不同的应用系统使用。图中只列举了四个方面的功能模块。这一层为 %(4/%(’应用系统提供开发环境，应用系统可以通过功能界面来调用这些功能。

系统的顶层为应用系统层。它可以完成从设计、分析到加工、装配的全过程。这些

77!

第十一章 皮革制品 %(4/%(,,/%(’ 的集成化

功能通过用户界面提供给用户。

（二）递阶控制的体系结构

皮革制品 !"#$!"% 集成系统是多个自动化单元的集成体，因此系统的控制显得格外

重要。针对皮革制品 !"#$!"% 集成系统的应用特点，一般采用递阶控制的体系结构，如

图 &&!’ 所示。

图 &&!’ 皮革制品 !"#$!"% 系统递阶控制体系结构

从应用系统构成的角度看，递阶控制体系包括公司、厂$所、车间、工作站（单元）

及设备等五层。从计算机系统实现的角度看，皮革制品 !"#$!"% 系统的结构可分为计算

机硬件与系统软件、网络、数据库、应用集成框架$协同工作环境及应用软件五层。

"公司的主要任务是皮革制品消费市场预测、生产规划及资源规划、对向厂$所下达

的任务及进度进行宏观调控。

#厂$所层涉及生成管理子系统、工程设计子系统和质量管理子系统。其主要任务是

根据公司下达的计划任务，以生成管理功能为核心，制定生产计划、物料需求计划、生

产能力需求计划，并向 (#) 和 %") 分别下达设计任务和生产任务；制定质量规划、检测

计划、综合质量管理信息、向车间下达产品质量的任务；完成无图纸的 !"#、!"**、

!"+# 和 !"% 任务。

$车间层涉及车间制造自动化子系统、生产管理子系统、工程设计子系统和质量管

理子系统。其主要任务是对厂$所层下达的生产计划进行分解和车间作业调度仿真，并向

各工作站层下达及监控工具、物料调度和加工任务；向工段层下达并监控有关质量检测

任务；向厂$所层反馈车间生产状况和系统状态。

%工段层涉及车间制造自动化子系统及质量管理子系统。它由物料工作站、工装工

作站、加工工作站和测量工作站组成。其主要任务是向个各工作站管辖的设备下达工作

任务，完成物料库的数据采集、监控和管理，向各测量设备分配检测任务，并进行管理

和监控；向车间层提供加工、库存及测量等多类数据。

,&,

皮革制品 !"#$!"%

!设备层涉及车间制造自动化子系统和质量管理子系统。它由多类物料库（皮革制

品原材料、在制品、模具、工具、辅具、成品等）和各种加工设备组成。其主要任务是

完成各类加工、测量和物料储运工作。

第二节 皮革制品 !"#$!"% 集成方法

一、基于专用接口的皮革制品 !"#$!"% 集成

在所有皮革制品 !"#$!"% 集成方法中，基于专用接口的集成是最原始的一种。对于

专用接口，可以从两个方面来理解：一是被集成的系统之间没有任何联系，必须专门开

发接口使两个不同的系统间接地进行沟通；二是系统开发商自己开发的专用接口，以解

决自家系列产品之间的信息交换。

图 &&"’ 给出的是最早进行皮革制品 !"#$!"% 集成的模式。它的单元系统的独立性非

常强，至多是提供一种专门的数据格式。要解决应用问题，首先需要进行前置处理，将

问题转换成这种专门数据格式的表达形式。系统处理过后，还要经过后置处理，还原到

应用问题空间，才能看到处理结果。前置处理程序和后置处理程序都需要用户自己开发。

如果用户既做过系统 " 的开发，又做过系统 ( 的开发，就同时了解两个系统各自的专用

数据格式，因此有可能开发专用接口，沟通两个系统。例如，应用早期的有限元分析系

统 )"*+ 进行有限元分析，首先需编制前置处理程序，将分析对象的单元划分表达为系统

规定的数据格式，才得到分析结果的实际物理解释。随着计算机软硬件技术发展和 !"#$!"% 应用水平的提高，这种集成模式越来越少。

为了克服上述集成模式的弊端，有些系统开发商提出了自己的标准数据格式作为系

统集成的接口，于是系统集成就由图 &&"’ 所示的形式进化成图 &&"+ 给出的模式。此时，

应用系统只要是能够按标准格式输入$输出，就可集成到一起。例如，",-./012 公司的系

列产品普遍支持 #34 格式的输入$输出，因而很容易集成。事实上 #34 格式已经被许多公

司所接受，几乎成为一种标准。实际应用中，多家产品通过 #34 格式进行集成的成功实

例屡见不鲜。

用标准数据格式作为系统集成的接口，应用最多的还是美国国家标准局（5()）主持

开发的数据交换规范（678)，69:-:;< 7=;>?:@1 8A@?;9B0 )>0@:C:@;-:.9）。

图 &&"’ 基于专用接口的 !"#$!"% 集成

D&E

第十一章 皮革制品 !"#$!"**$!"% 的集成化

图 !!!" 基于标准数据格式的 #$%&#$’ 集成

二、基于 ()*+ 的皮革制品 #$%&#$’ 集成

随着各种数据交换标准的开发与问世，人们逐渐认识到，为解决不同的 #$%&#$’ 系

统间的数据交换，应当采用一种统一的、也是惟一的标准来实现相应的操作。为此，,(-于 !./0 年 !1 月在负责工业自动化系统的技术委员会 )#,(2 内成立了产品数据的外部表示

分会 (#2，其任务是制定国际标准《,(- !3030———产品数据的表达与交换》（又称《产品

模型数据交换标准 ()*+》）。

()*+（(4567587 9:8 4;< *=>;56?< :9 +8:7@>4 ’:7<A %545）标准提供一种不依赖于具体系统

的中性机制。它规定了产品设计、开发、制造，甚至于产品全部生命周期中所包括的诸

如产品形状、解析模型、材料、加工方法、组装分解顺序、检验测试等必要的信息定义

和数据交换的外部描述。因而 ()*+ 是基于集成的产品信息模型。

产品数据指的是全面定义零部件或构件所需要的几何、拓扑、公差、关系、性能和

属性等数据，包括：

"产品几何描述，如线框表示、几何表示、实体表示、拓扑、成型及展开等；

#产品特性，如长宽等体特征、孔槽等面特征、旋转体等切削特征等；

$公差，如尺寸公差与形位公差等；

%表面处理，如喷涂、起毛、刷胶等；

&材料，如类型、品种、强度、硬度等；

’说明，如总图说明等；

(产品控制信息；

)其他，如加工、工艺装配等。

产品信息交换指的是信息的存储、传输和获取。交换方式不同可导致数据形式的差

异。为满足不同层次用户的需求，()*+ 提供了四种产品数据的交换方式，即文件交换、

操作形式交换、数据库交换和知识库交换。

()*+ 是一种中性机制，目标是完整表达产品生命周期各阶段的数据。它有三个明显

的特点：

"支持广泛的应用领域；

#独立于任何具体的 #$= 软件系统；

$完整表示产品数据，不仅适合于中性文件交换，也是实现产品数据库共享的基础。

按照 ()*+ 方法学，可以将集成系统划分为三个层次，即应用层、逻辑层和物理层，

如图 !!!B 所示。其中 $! 表示不同的应用领域。各层的作用如下：

2!1

皮革制品 #$%&#$’

图 !!!" 基于 #$%& 的 ’()*’(+ 集成

"应用层根据不同的应用领域提出相应的需求模型；

#逻辑层根据以上的需求模型形成 ,&,+（,-./012./3 &14356. ,-74182.94- +43/:），并转换

成 %;&<%## 表示，用于与物理层建立联系；

$物理层定义与 #$%& 文件结构相对应的数据结构。

用 #$%& 作为信息交换标准实现 ’()*’(+ 集成，关键是要用 %;&<%## 语言描述应用

对象。

#$%& 文件的可读性较差，事实上 #$%& 文件是有一定语法规则的，可以用专门为生成

#$%& 文件而开发的、可读性比较好的 %;&<%## 语言来描述零件，然后按 %;&<%## 语言与

#$%& 文件数据节的对应关系，借助计算机将 %;&<%## 语言文件自动转换成 #$%& 文件。

这种类似于写高级语言程序式的接口形式完全脱离了具体的系统。在 ’()*’(+ 集成系统

中，所有子系统共享一个 %;&<%## 文件，达到了集成的目的。%;&<%## 语言和 #$%& 文件

的映射关系请读者参考有关文献。

三、基于数据库的皮革制品 ’()*’(+ 集成

本章第一节曾经提到，皮革制品 ’()*’(+ 集成系统通常采用工程数据库。事实上，

由于工程数据库在存储管理大量复杂数据方面具有独到之处，使得以工程数据库为核心

构建的 ’()*’(+ 集成系统得到了广泛应用。其系统构造如图 !!= 所示，从产品设计到制

造的所有环节都与工程数据库有数据交换，实现了数据全系统的共享。

为了满足系统各个模块的需要，工程数据库一般包括以下内容：

"皮革制品全局数据和局部数据的管理；

#皮革制品相关标准及标准零部件库；

$皮革制品参数化图块库；

%皮革制品所用工具、模具库；

&皮革制品加工工艺参数数据库；

’皮革制品工艺知识库；

>!?

第十一章 皮革制品 ’()*’(&&*’(+ 的集成化

!皮革制品零部件设计结果存放库；

"皮革制品所用工具、模具 !" 代码库；

#用户接口；

$其他。

第三节 产品数据管理

产品数据管理（#$%，#&’()*+ $,+, %,-,./0/-+）出现于 12 世纪 32 年代初。当时提出

这一技术的目的主要是为了解决大量工程图纸、技术资料的电子文档管理问题。随着先

进制造技术的发展和企业管理水平的不断提高，#$% 的应用范围逐渐扩展到设计图纸和

电子文档的管理，材料明细表（45%，4677 ’8 %,+/&6,7）、工程文档的集成、工程变更请求9指令（:";9:"5，:-.6-//&6-. "<,-./ ;/=)/>+95&(/&）的跟踪管理等领域。同时成为皮革制

品 "?$9"?% 集成的一项不可缺少的关键技术。

一、产品数据表达

一个完整的产品是由许多零件组成的，复杂产品的零件数目甚至达到上万个。面对

如此巨大的数据量，"?$9"?% 集成系统要将其有条不紊地管理好，必须有一个很好的产

品数据表达模型（产品数据模型）来清晰地描述产品全部数据及其相互关系，使得各个

子系统之间、子系统内部各部件之间，以及零部件与描述产品的数据之间的关系一目

了然。

产品数据模型可以理解为所有与产品有关的信息构成的逻辑单元集成。它不仅包括

产品生命周期内的全部相关信息，而且在结构上还能清楚地表达这些信息的关联特性。

特征建模技术的发展使建立满足这种要求的产品数据模型成为可能。基于特征的产品数

据模型结构由于具有容易表达、处理、反映设计意图明了、描述信息完备等优点而引起

广泛重视。它是一种让设计、分析、加工、管理各个环节都能自动理解的全局性模型。

在基于特征的产品数据模型中，特征信息的描述很重要，包括特征自身信息和特征

之间的关系。除此之外，还必须将一些公共信息表达清楚。图 @@%A 给出基于特征的集成

产品数据模型层次结构示意图。其中包含以下由数据表达的信息。

@B 产品的构成

反映产品由哪些部件构成，各个部件又由哪些零部件组成，每种零部件的数量等。

零部件的构成可以呈树状关系，也可以是网状关系。

1B 零件信息

主要是关于零件总体特征的文字性描述，包括零件名称、零件号、设计人、零件材

料、最大尺寸、质量要求以及生产纲领等。

CB 基体信息

概念上相当于零件的毛坯。在产品数据模型中，它是用于制造的原始形体，可以是

预先定义好的参数化实体，也可以是根据现场需要由系统造型功能生成的形体。基体主

要包括基体表面之间的信息，以及基体与特征之间关系的信息。比如将基体划分为若干

方位面，并按方位面来组织特征。这样组织产品数据，将信息模型与按面组织加工的常

D@1

皮革制品 "?$9"?%

图 !!!" 基于特征的集成产品数据模型层次结构

规工艺路线相对应，有益于在 #$%&#$’ 集成环境中生成工艺过程，以及制定定位方案和

夹紧方案。

() 零件特征信息

记录特征的分类号、所属方位面号、控制点坐标及方向、尺寸、公差、特征所在面

号、定位面及定位尺寸、切入面与切出面、特征组成面、粗糙度、形位公差等。

*) 零件的几何、拓扑信息

包括描述零件几何形状的面、边、点等数据。

在基于特征的产品数据模型中，面的作用格外重要，应该突出它的地位。这是因为

它既是建立特征之间关系、尺寸关系和形位公差的基准，又是设计和制造中使用的基础，

如基准面、工作面、连接面等。所以在皮革制品 #$%&#$’ 集成系统的应用过程中，应能

以可视化的方式访问面的标号、属性等数据。

二、产品数据管理

（一）!"#的基本概念

早期的 +%’ 功能比较单一，主要是进行大量工程图纸文档的管理，所以称为文档管

理，或称为工程数据管理。经过 ,- 年的发展，+%’ 已经成为一项具有应用价值的技术。

"!,

第十一章 皮革制品 #$%&#$++&#$’ 的集成化

现在所用的 !"# 技术发源于美国，是对工程数据管理、文档管理、产品信息管理、技术

数据管理、技术信息管理、图像管理等信息管理技术的一种概括。随着网络技术、数据

库技术的发展，以及客户机$服务器与面向对象技术的应用，近几年 !"# 技术发展非常

快，在美国、日本等发达国家的企业中得到越来越多的应用，同时也引起国内企业的广

泛关注。但是，由于 !"# 技术与应用范围发展太快，人们对它还没有统一的认识，给出

的定义也不完全相同。致力于 !"# 技术和计算机集成技术研究与咨询的国际咨询公司

%&#’()( 所给出的定义：“!"# 是一门管理所有与产品相关的信息和所有与产品相关的过

程的技术。”*(+),-+ *+./0 公司给出的定义为：“!"# 是一个使能器，它用于在企业范围内

构造一个从产品策划到产品实现的并行化协作环境（%1!2，%.,3/++-,) 1+)!).!!+.’/3) 2,45+6.,7-,) 由供应、工程设计、制造、采购、市场与销售、客户等构成）。一个成熟的 !"# 系

统能够使所有参与创建、交流以及维护产品设计意图的人员在整个产品生命周期中自由

共享与产品相关的所有异构数据，如图纸与数字化文档、%1" 文件和产品结构等。”

从上面两个定义可以看出，!"# 可以是狭义上的，也可以是广义上的。狭义地讲，

!"# 仅管理工程设计相关领域的信息。广义地讲，!"# 可以覆盖从产品的市场需求分析、

产品设计、制造、销售、服务与维护的全过程，即全生命周期中的信息。综合上述两个

定义，国内学者结合自身对 !"# 技术的研究给出一下定义：“产品数据管理以软件为基

础，是一门管理所有与产品相关的信息（包括电子文档、数字化文件、数据库记录等）

和所有与产品相关的过程（包括工作流程和更改流程）的技术。”它提供产品全生命周期

的信息管理，并可在企业范围内为产品设计与制造建立一个并行化的协作环境。!"# 技

术在皮革制品行业的应用还处在初级阶段，并没有广泛被使用。

（二）!"#系统的体系结构

如图 88!9 所示，!"# 系统的体系结构可分为四层，即用户界面层、功能模块及开发

工具层、框架核心层和系统支撑层。

图 88!9 !"# 系统的体系结构

8: 用户界面层

向用户提供交互式的图形界面，包括图示化的浏览器、各种菜单、对话框等，用于

支持命令的操作与信息的输入、输出。通过 !"# 提供的图示化用户界面，用户可以直观

方便地完成管理整个系统中各种对象的操作。它是实现 !"# 各种功能的媒介，处于最

上层。

;: 功能模块及开发工具层

98;

皮革制品 %1"$%1#

除了系统管理外，!"# 为用户提供的主要功能模块有电子仓库与文档管理、工程流

程管理、产品结构与配置管理、零部件分类与检索、工程变更与管理、集成工具等。

$% 框架核心层

提供实现 !"# 各个功能的核心与架构。由于 !"# 系统的对象管理框架具有屏蔽异构

操作系统、网络、数据库的特性，所以用户在应用 !"# 系统的各个功能时，实现了对数

据的透明化操作、应用的透明化调用和过程的透明化管理等。

&% 系统支撑层

以目前流行的关系数据库系统为 !"# 的支持平台，通过关系数据库提供的数据操作

功能支持 !"# 系统对象在底层数据库的管理。

（三）!"#系统的主要功能

!"# 系统提供了管理和控制所有与产品相关的系统，以及与产品相关的过程的机制

与功能。按功能模块划分，!"# 系统的基本功能包括电子仓库与文档管理、工作流与过

程管理、产品结构与配置管理、零件分类与检索管理和工程变更管理。除此之外，还有

项目管理、集成工具、浏览与圈阅、电子协作等。

’% 电子仓库与文档管理

所谓电子仓库，是在 !"# 中实现某种特定数据存储机制的元数据（管理数据的数据）

库及其管理系统。它保存所有与产品相关的物理数据的文件的元数据，以及指向物理数

据和文件的指针。该指针指定存放物理数据的数据库记录和存放物理文件的文件系统与

目录，如图 ’’!( 所示。可以认为，电子仓库是 !"# 系统中最基本、最核心的功能，是实

现 !"# 系统中其他相关功能的基础。

图 ’’!( 电子仓库

电子仓库提供给用户的主要数据操作功能包括："数据对象的检入和检出；#改变

数据对象的状态；$转换数据对象的属主关系；%按对象属性进行检索；&数据对象的

动态浏览与导航；’数据对象的归档；(数据对象的安全控制与管理。

在皮革制品的整个生命周期中与皮革制品相关的信息是多种多样的。这些信息以文

件或图档的形式存在，统称文档。其中包括设计任务书、设计规划、二维图纸、三维图

纸、三维模型、技术文件、各种工艺数据文件（工艺卡、工序卡、工步文件等）、制造资

源文件（设备文件、辅助工具文件、夹具文件、量具文件等）、合同文件、技术手册、线

路原理图、使用手册、维修卡等。

在 !"# 中管理文件有两种方法：一种是将文档“打包”管理，即将文档整体看做一

个对象，规定其名称、大小等描述信息，并将这些信息放到 !"# 数据库表中，而文档的

(’)

第十一章 皮革制品 *+",*+!!,*+# 的集成化

物理位置仍然在操作系统目录下，由 !"# 提供管理该文件的机制；另一种是将文件内容

打散，将其内容分门别类地放到数据库中，由 !"# 提供分类查询，或建立与其他数据库

中对象的关联，并提供图示化的管理工具。

利用 !"# 的文档管理功能可以完成以下工作：!文档对象的浏览与导航；"文档的

分类归档管理；#文档的版本管理；$文档的安全控制。

$% 工作流与过程管理

工作流与过程管理（&’()*+’, -./ !(’0122 #-.-3141.5）是 !"# 的基本功能之一。它用

来定义和控制数据操作的基本过程，主要管理用户操作数据过程中人与人之间或活动与

活动之间的数据流向，以及在一个项目的生命周期内跟踪所有事务和数据的活动。这里

的数据可以是需要纳入流程中管理的各种文档。在企业中，过程管理广泛用来跟踪和控

制产品的设计和修改过程，以增强产品开发过程的自动化程度。同时，运用 !"# 中特定

的过程建模工具，还能对产品开发过程进行重组，规范开发流程，降低开发成本，提高

开发效率，获取最大的经济效益。

工作流与过程管理的功能包括：!定义并建立工作流程；"运行并控制工作流程；

#察看流程中文档的状态。

6% 产品结构与配置管理

产品结构与配置管理（!(’/705 85(7057(1 -./ 9’.*:37(-5:’. #-.-3141.5）作为产品数据组

织与管理的一种形式，以电子仓库为底层支持，以材料明细表为其核心，把定义最终产

品的所有工程数据和文档联系起来，实现产品数据的组织、管理与控制，并在一定目标

或规则约束下，向用户或应用系统提供产品结构的不同视图和描述，如设计视图、装配

视图、制造视图、计划视图等。

产品结构与配置管理包括产品结构管理与产品配置管理两部分。提供给用户的产品

结构与配置管理基本功能主要包括以下几方面：

!产品材料明细表的创建与修改；

"产品材料明细表的版本控制；

#支持对“零件或子部件被哪些部件采用”和“部件采用了哪些零件或子部件”的

查询；

$支持对产品文档的查询；

%产品材料明细表的多视图管理；

&系列化产品结构视图管理；

’支持与制造资源计划（#;!<<，#-.7*-057(:.3 ;12’7(01 !+-..:.3）或企业资源计划

（=;!，=.51(>(:21 ;12’7(01 !+-..:.3）的集成等。

?% 零件分类与检索管理

!"# 中产品结构管理是从某个产品或部件的结构中考察零部件在其中的作用及其具

有的属性，而一个零件或部件往往在多处使用，不完全属于某个产品，具有脱离产品独

立存在的特点。如何以零件为中心，组织有关产品信息，达到便于检索、便于借用和信

息重用的目的，是零件分类管理的目标。

零件分类管理就是将零件按照相似性原则划分成若干类，分别加以管理。零件的分

类方法很多，最典型的方法为成组技术（@A，@(’7> A10B.’+’3C）。

D$$

皮革制品 9E"F9E#

!"# 的零件分类管理提供的基本功能包括：

!基于属性的相似零件和文档对象，以及基于属性的标准零件和文档对象的检索；

"建立零件、文档对象与零件族的关系；

#定义与维护分类模式（如分类码、分类结构、标准接口等）的基本机制；

$定义与维护缺省的或用户自定义的属性关系。

$% 工程变更管理

工程变更管理是生产过程中不可避免的事情。在一个企业中，工程变更往往有规范

的过程约束与流程控制，所以它与工作流程管理是密不可分的。工程变更包括工程变更

请求与工程变更指令两部分内容。下游人员（如生产人员、组装人员等）发现问题后，

必须向上游人员（如设计人员）提出更改请求。提出请求时，要求说明更改原因，指明

更改内容，并将更改请求提交流程管理部门审批。只有通过审批，签发的更改请求才能

实施。原信息修改完毕后，要求通知相关人员，并修改受影响的信息。

（四）!"#与皮革制品 $%"&$%#的集成

!"# 以其对产品生命周期中信息的全面管理能力，不仅自身成为 ’("&’(# 集成系统

的重要构成部分，同时也为以 !"# 系统作为平台的 ’("&’(# 集成提供了可能。用发展的

观点看，这种系统具有很好的应用前景。图 ))%)* 给出了以 !"# 作为集成平台，包含

’("、’(!!、’(# 三个主要功能模块的集成系统示意图。从该图可以清楚地看出各个功

能模块与 !"# 交流信息、’(" 系统产生的二维图纸、三维模型（包括零件模型与装配模

型）、零部件的基本属性、产品明细表、产品零部件之间的装配关系、产品数据版本及其

状态等，交由 !"# 系统来管理，而 ’(" 系统又从 !"# 系统获取设计任务书、技术参数、

原有零部件图纸资料以及更改要求等信息。’(!! 系统产生的工艺信息，如工艺线路、工

序、工步、工装夹具要求以及对设计的修改意见等，交由 !"# 进行管理，而 ’(!! 也要

从 !"# 系统中获取产品模型信息、原材料信息、设备资源信息等。’(# 系统则将其产生

的刀位文件、+’ 代码交由 !"# 管理，同时从 !"# 系统获取产品模型信息、工艺信息等。

现在分析信息交流是怎样在集成系统中实现的。

图 ))%)* 基于 !"# 的系统集成

)%’(# 与 !"# 集成

),,

第十一章 皮革制品 ’("&’(!!&’(# 的集成化

由于 !"# 与 $%# 系统之间只有刀位文件、&! 代码、产品模型等文档信息的交流，

所有 !"# 与 $%# 之间采用应用封装来满足两者之间的信息集成要求。

’(!"$$ 与 $%# 的集成

!"$$ 与 $%# 之间除了文档交流外，!"$$ 系统的运行还需要从 $%# 系统中获取设备

资源信息、原材料信息等。而 !"$$ 系统产生的工艺信息，为了支持与 #)$!或车间控制

单元的信息集成，也需要分解集成基本信息单元（如工序、工步等）存放于工艺信息库

中，供 $%# 与 #)$!集成之用。所以 !"$$ 与 $%# 之间的集成需要接口，即在实现应用

封装的基础上，进一步开发信息交换接口，使 !"$$ 系统可通过接口从 $%# 中直接获取

设备资源、原材料信息的支持，并将其产生的工艺信息通过接口存放于 $%# 的工艺信息

库中。由于 $%# 系统不直接提供设备资源库、原材料库和工艺信息库，因此需要用户利

用 $%# 的开发工具自行开发上述库的管理模块。

*(!"% 与 $%# 的集成

!"% 与 $%# 的集成是用户最为关心，也是 $%# 实施中要求最高、难度最大的一环。

其关键在于需保证 !"% 的数据变化与 $%# 中的数据变化一致。从用户需求考虑，!"% 与

$%# 的集成应达到真正意义的紧密集成。!"% 与 $%# 的应用封装只解决了 !"% 产生的文

档管理问题。零部件描述属性和产品明细表则需要通过接口导入 $%#。同时，通过接口

交换，实现 $%# 与 !"% 系统之间数据的双向异步交换。但是，这种交换仍然不能完全保

证产品结构数据在 !"% 与 $%# 中一致。所以要真正解决这一问题，必须实现 !"% 与 $%#之间的紧密集成，即在 !"% 与 $%# 之间建立共享产品数据模型，实现互动操作，保证

!"% 中的修改与 $%# 中的修改的互动性和一致性，真正做到双向同步一致。目前，这种

紧密集成仍然有一定的难度，一个 $%# 系统往往只能与一两家 !"% 产品达到紧密集成的

程度。

思考题与习题

+( 什么是皮革制品 !"%,!"# 系统集成？它涉及哪几方面的内容？

’( 为什么要进行集成？有何作用和意义？

*( 实现皮革制品 !"%,!"# 系统集成有哪些方案和方法？

-( 什么是 $%#？其主要功能和作用是什么？

.( 简要说明基于 $%# 的皮革制品 !"%,!"# 系统集成方法。

’’’

皮革制品 !"%,!"#

参 考 文 献

［!］宁汝新，赵汝嘉，欧宗瑛 " #$%&#$’ 技术 " 北京：机械工业出版社，!(((［)］李学志 " 计算机辅助设计与绘图 " 北京：清华大学出版社，)**+［+］葛友华 " #$%&#$’ 技术 " 北京：机械工业出版社，)**,［,］刘文剑 " #$%&#$’ 集成技术 " 哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，)***［-］孙文焕 " 计算机辅助设计和制造技术 " 西安：西北工业大学出版社，!((,［.］刘极峰 " 计算机辅助设计与制造 " 北京：高等教育出版社，)**,［/］姚英学，蔡颖 " 计算机辅助设计与制造 " 北京：高等教育出版社，)**)［0］王贤坤，陈淑梅，陈亮 " 机械 #$%&#$’ 技术、应用与开发 " 北京：机械工业出版社，)**!［(］盛白浩，陈宗舜 " 机械产品设计与 #$% 技术 " 北京：清华大学出版社，)**-［!*］张鸿志 " 服装 #$% 原理与应用 " 北京：中国纺织出版社，)**-［!!］杨岳，罗意平 " #$%&#$’ 原理与实践 " 北京：中国铁道出版社，)**)［!)］任仲贵 " #$%&#$’ 原理 " 北京：清华大学出版社，!((!［!+］王隆太，朱灯林，戴国洪 " 机械 #$%&#$’ 技术 " 北京：机械工业出版社，)**)［!,］万小利，高志 " 计算机辅助机械设计 " 北京：机械工业出版社，)**+［!-］蔡汉明，陈清奎 " 机械 #$%&#$’ 技术 " 北京：机械工业出版社，)**+［!.］李树明，高东强 " #$%&#$’ 技术基础 " 西安：陕西人民出版社，)***［!/］许社教，璩珀青 " 计算机绘图 " 北京：电子工业出版社，)**+［!0］弓太生 " 皮鞋工艺学 " 北京：中国轻工业出版社，)**!［!(］萨师煊，王珊 " 数据库系统概论（第三版） " 北京：高等教育出版社，)***［)*］严蔚敏，吴伟民 " 数据结构（# 语言版） " 北京：清华大学出版社，!((.［)!］唐策善，李龙澍，黄刘生 " 数据结构———用 # 语言描述 " 北京：高等教育出版社，!((-［))］严蔚敏，吴伟民 " 数据结构（第二版） " 北京：清华大学出版社，!(()［)+］潘锦平，施小英，姚天! " 软件系统开发技术（修订版） " 西安：西安电子科技大学出版社，!((/［),］李树明，高东强 " 数控机床加工编程技术 " 西安：陕西人民出版社，)**)［)-］李乔祥 " 数据结构与算法 " 北京：冶金工业出版社，)**,［).］张义宽 " 计算机图形学 " 西安：西安电子科技大学出版社，)**,［)/］蔡颖 " #$%&#$’ 原理与应用 " 北京：机械工业出版社，!((0［)0］藤铸，季敏波，程华 " 现代企业管理学 " 上海：上海财经大学出版社，!((/［)(］栾军 " 质量管理学教程 " 上海：上海交通大学出版社，!((-［+*］刘慧罗 " 质量管理学 " 西安：西北工业大学出版社，!((!［+!］李盘靖 " 网络信息化下的质量管理 " 西安：西北工业大学，)**!［+)］殷国富，陈永华 " 计算机辅助设计技术与应用 " 北京：科学出版社，)***［++］王洵 " 计算机图形学基础 " 北京：科学出版社，)***［+,］王先逵 " 计算机辅助制造 " 北京：清华大学出版社，!((0［+-］董玉红 " 数控技术 " 北京：高等教育出版社，)**,［+.］林宋，田建君 " 现代数控机床 " 北京：化学工业出版社，)**+［+/］赵汝嘉，孙波 " 计算机辅助工艺设计（#$11） " 北京：机械工业出版社，)**+［+0］彭文利，弓太生，秦忠宝等 " 皮革制品网络化创新设计研究 " 中国皮革，)**+，+)（)）：!)* 2 !)!［+(］彭文利，李晓钡 " 皮革制品企业计算机辅助质量管理系统的研究 " 西部皮革，)**+，)-（0）：+/ 2 +(

+))

［!"］吉卫喜，梁素琴 # 计算机辅助加工质量管理系统 # 机械科学与技术，$%%&，$：’( ) &"［!$］景旭文，赵良才，易红 # 给予并行工程的集成质量保证系统 *+ , -./ 的研究 # 中国机械工程，

’""$，$’（!）：!&0 ) !&(［!’］阙雪松，姚宇明，李善平等 # 基于 123 的三层式 -./ 系统设计和实现 # 计算机工程，’""$，’4

（$）：’& ) ’!［!&］李向东 # 计算机辅助质量管理———-./ 系统应用 # 矿山机械，$%%(，&：44 ) 4(［!!］张志英 # 计算机辅助质量管理软件的开发应用 # 电子标准化与质量，$%%4，$：$( ) $%［!5］张新峰，周新委 # 计算机辅助质量管理系统的开发 # 重型汽车，’""$，5：’’ ) ’&［!0］高忠民 # 拷问 678%"""———兼论我们需要怎样的质量管理 # 企业管理，’""&，&：’" ) ’&［!4］刘广第 # 质量管理学 # 北京：清华大学出版社，$%%4［!(］李运河 # 皮鞋设计学 # 北京：中国轻工业出版社，’""’［!%］尤建新，周文泳，沈荣芳 # 关于建立 -./ 系统的研讨 # 世界标准化与质量管理，$%%(，0：( ) $$［5"］陈建良，金涛，童水光 # 基于点的 -.+9-.: 技术 # 计算机辅助设计与图形学报，’""5，$4（5）：

$$’! ) $$’(［5$］贾庆锋，苏显渝，宋万忠 # &- 技术在制楦工业中的应用 # 四川大学学报（自然科学版），’""’，&%

（’）：’0( ) ’4’［5’］高潮，郭永彩，胡学东等 # 皮鞋鞋楦 -.+9-.: 技术 # 重庆大学学报（自然科学版），’"""，’&（0）：

$$4 ) $’"［5&］彭文利，万蓬勃，张雄，弓太生等 # 敏捷制造在皮革制品生产中应用的研究 # 中国皮革，’""&，&’

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皮革制品 -.+9-.: