1第一章-机械CAD-CAM技术概述.ppt

1、机械CAD/CAM技术,机械专业本科课程,何 钢机电工程学院河海大学,课程概况,计算机辅助设计与制造(Computer Aided Design&Computer Aided Manufacture,简称CAD/CAM)技术是一门多学科的综合性应用技术，是现代设计制造方法及手段的综合体现。CAD/CAM技术已广泛应用于机械、电子、建 筑、土木工程、航天、纺织等领域，并已成为提高产品与工程设计水平、缩短产品开发周期、增强产品市场竞争力、提高劳动生产率的重要手段,已成为衡量国家科技与工业现代化的重要标志之一。,课程的主要内容,机械CAD/CAM技术概述 CAD/CAM支撑技术 设计数据的处理技术

2、计算机的图形处理技术 机械CAD/CAM建模技术 机械CAD/CAM应用软件开发 计算机辅助工艺过程设计 数控加工编程 CAD/CAM集成技术,课程概况,教材 王隆太等编.机械CAD/CAM技术(第版)，机械工业出版社 参考书目 1.孙家广.计算机辅助设计技术基础，清华大学出版社 2.童秉枢.机械CAD技术基础(第版)，清华大学出版社 3.唐荣锡.CAD/CAM技术，北京航空航天大学出版社 4.严蔚敏.数据结构，清华大学出版社 5.施法中.计算机辅助几何设计与非均匀有理B样条,高等教育出版社 课时安排：40学时 考核方式：平时成绩(30%)+考试成绩(70%),主要内容,机械设计概述 CAD/

3、CAM系统的功能和作业过程 CAD/CAM系统的基本概念 CAD/CAM系统的硬件和软件 CAD/CAM技术的发展和应用,第一章 机械CAD/CAM技术概述,机械设计的概念,机械设计就是根据使用要求确定产品应该具备的功能，构想出产品的工作原理、结构形状、运动方式、力和能量的传递、以及所用材料等事项，并转化为具体的描述，例如图纸和设计文件等，以此作为制造的依据。设计的结果通过制造转化成产品。机械设计是产品从需求分析、设计、制造、销售、使用和回收整个产品全生命周期中的一个重要环节，对产品成本的影响占80。,1.机械设计概述,机械设计的重要地位,1）产品设计成本约占产品成本的10，却决定了产品制造成

4、本的70%一80%，在产品质量事故中，约有50%是由于不良设计所造成的，所以设计技术在制造技术中的作用和地位是举足轻重的。2）机械设计对产品的先进性和竞争能力起着决定性的影响。设计是现代社会工业文明的重要支柱，是工业创新的核心环节。3）设计是实现国民经济跨越式发展和企业良性循环的基本条件，是知识经济在制造业的重要体现。,1.机械设计概述,1.机械设计概述,传统的机械设计过程,市场调研与需求,功能设计概念设计,初步设计与详细设计绘图、描图、晒图,分析计算,加工工艺制定,产品制造与装配,产品销售,设计修改工作,75%的修改工作由产品设计阶段引起 80%的修改工作在产品制造阶段或后续阶段完成,1.机

5、械设计概述,传统机械设计过程的特点,绘图等环节靠手工完成，效率较低设计方案靠经验，方案较少且难以充分优化不能进行复杂的力学分析，难以按动态的、精确的方法计算，容易出错设计与制造过程是串行的，周期长，成本高,1.机械设计概述,计算机辅助设计(CAD)的产生,详细设计的终结并不意味着最终获得了一个好的设计机械产品在经历了制造加工、样机测试、批量生产、以及销售使用后，会返回大量信息，需要对产品进行不断修改机械设计是一个“设计评价再设计”的反复迭代、不断优化的过程 在人工设计情况下，存在许多的缺点，因此实现某种程度的设计自动化，缩短设计周期，降低设计成本，提高设计质量，就成为机械设计发展的迫切要求，正

6、是在这样的背景下产生了计算机辅助设计(Computer Aided Design),1.机械设计概述,2、机械CAD/CAM系统的功能和作业过程,机械CAD/CAM系统的主要功能机械CAD/CAM系统工作流程机械CAD/CAM系统的特点,目前CAD/CAM 系统的主要功能,1.产品几何建模 产品几何建模是CAD/CAM系统的核心功能，它为产品的设计和制造提供基本数据，是后续工作的基础。具备完善的实体造型和曲面造型、参数化特征造型功能，能够构造出各种规则形状和自由曲面。,2、机械CAD/CAM系统的功能和作业过程,UG造型功能,显示功能,实体造型,曲面造型,特征造型,装配建模,2、机械CAD/C

7、AM系统的功能和作业过程,2、机械CAD/CAM系统的功能和作业过程,UG产品设计实例,2.产品模型的工程分析处理 运动学、动力学分析-对机构位移、速度、加速度及受力状况进行分析，并直观地进行运动仿真。有限元分析-对产品进行应力、应变分析，进行振动、热变形、温度场分析，生成应力分布图、温度场分布图、位移变形曲线等图形和文件；优化设计包括方案优化、结构优化和工艺优化,2、机械CAD/CAM系统的功能和作业过程,机械CAD/CAM系统的功能和作业过程,2、机械CAD/CAM系统的功能和作业过程,运动仿真(Adams),2、机械CAD/CAM系统的功能和作业过程,运动仿真(Adams),2、机械CA

8、D/CAM系统的功能和作业过程,运动仿真(Adams),2、机械CAD/CAM系统的功能和作业过程,模流分析,2、机械CAD/CAM系统的功能和作业过程,3.图档与设计文档的生成自动生成和修改二维图形，包括基本图元的生成、尺寸的标注、图形的编辑、显示控制、技术条件标注等功能，生成满足实际生产需要、符合国家标准的机械工程图。,2、机械CAD/CAM系统的功能和作业过程,4辅助制定工艺规程（CAPP）CAPP是连接CAD与CAM的桥梁,能根据产品信息和制造工艺要求，自动进行加工方法、工艺路线、工艺参数和加工设备、刀具、卡具等规划，生成工艺规程和工艺卡片，并被CAM系统接收后自动生成NC控制代码。,

9、5NC自动编程 根据CAD所建几何模型，以及CAPP所制定的加工规程，选择所需要的刀具和工艺参数，确定走刀方式，自动生成刀具轨迹，经后置处理，生成具体机床的NC控制代码。目前，CAD/CAM系统具备了3至5轴的联动加工的数控编程能力。,2、机械CAD/CAM系统的功能和作业过程,6加工过程仿真模拟 虚拟数控加工过程，检查NC代码的正确性，检查几何干涉和物理碰撞，分析产品的可制造性，并预测产品的性能。,2、机械CAD/CAM系统的功能和作业过程,2、机械CAD/CAM系统的功能和作业过程,7工程数据管理 数据量大、数据种类多、数据结构复杂，因而CAD/CAM系统应能提供有效的工程数据管理手段，支

10、持产品设计与制造全过程的数据信息的流动和处理。,2、机械CAD/CAM系统的功能和作业过程,CAD/CAM系统的工作流程图,产品设计要求,功能与方案设计,建立产品模型,工程分析,不满足要求,修改,满足要求,详细设计,制订加工工艺,数控编程,NC后处理,方案设计专家系统,造型软件系统,有限元分析软件优化分析软件可制造性分析软件,参数化建模,CAPP,NC自动编程，仿真软件，,评价,评价,不满足要求,满足要求,工程数据库,标准件库,加工工艺参数库,工装设备库,NC代码库,二维零件图库,其它,CAM软件,2、机械CAD/CAM系统的功能和作业过程,管路设计,强度分析,结构分析,数字预装配,CAM,装

11、配过程仿真,装配过程仿真,计算流体力学,虚拟风洞,逆向工程,CAD/CAM系统的优点,(1)提高了设计质量.多种分析和优化设计工具，为产品设计提供了科学的基础。(2)提高了设计生产率.促进了设计的规范化，标准化，便于编辑、修改和设计文档的自动生成。快速检索及图样绘制的自动化和参数化，提高了设计的效率。(3)可以较大幅度地降低生产成本 简化了产品的开发环节，各种分析和模拟工具的应用，减少了废品和次品率，有效地降低生产成本。(4)将技术人员从繁重的工作中解放出来 集中投人到具有创造性的话动中。(5)CAD和CAPP/CAM的结合 将进一步精简产品生产的环节，提高生产的效率和质量。,2、机械CAD/

12、CAM系统的功能和作业过程,CAD(Computer Aided Design),CAM(Computer Aided Manufacturing),计算机辅助设计是技术人员在计算机和软件的帮助下，对产品进行设计、绘图、分析和编写技术文档等设计活动的总称。CAD是综合性技术，集设计方法学、计算机图形学、数据库、网络通讯等计算机及其他领域知识于一体的高新技术；是提高设计水平、缩短产品开发周期、增强行业竞争能力的一项关键技术。,狭义CAM：,3、CAD/CAM系统的基本概念,通常指数控程序的编制，包括刀具路线的规划、刀位文件的生成、刀具轨迹仿真以及后置处理和NC代码生成,3、CAD/CAM系统的基

13、本概念,利用计算机辅助完成从毛坯到产品制造过程中的直接和间接的各种活动，包括：工艺准备、生产作业计划、物流过程的运行控制、生产控制、质量控制等方面.其中工艺准备包括:计算机辅助工艺过程设计、计算机辅助工装设计与制造、NC编程、计算机辅助工时定额和材料定额的编制等内容；物流过程的运行控制包括：物料的加工、装配、检验、输送、储存等生产活动。,广义CAM：,3、CAD/CAM系统的基本概念,工艺设计：根据产品设计结果进行产品的加工方法和制造过程的设计 按设计蓝图、零件清单编制工艺规程，选择加工方法，毛坯、排出加工工序过程，选择各工序的加工余量、参数、刀具、工艺装备，绘制必要的工序简图，编制工艺卡片，

14、计算工时定额，材料定额，编制工装汇总、工艺关键件明细表、外协件明细表、焊接件明细表、锻件明细表、热处理明细表等工艺文件。,计算机辅助工艺规划 CAPP-Computer Aided Process Planning,1）加工小端面2）对小端面钻中心孔3）加工大端面4）对大端面钻中心孔5）车大端面外圆6）对大端面倒角7）车小端面外圆8）对小端面倒角9）铣键槽10）去毛刺,工艺实例,3、CAD/CAM系统的基本概念,工艺过程卡（小批量）,3、CAD/CAM系统的基本概念,CAPP系统的功能,加工方法选择工序设计毛坯选择；加工设备和工装的选用；加工余量的分配、切削用量选择；机床、刀具的选择；必要的工

15、序图生成，编制工艺卡片工艺路线制定和工时定额计算等，包括：材料定额，编制工装汇总、工艺关键件明细表、外协件明细表、焊接件明细表、锻件明细表、热处理明细表等工艺文件,3、CAD/CAM系统的基本概念,4、CAD/CAM系统的硬件和软件,硬件,软件,计算机,计算机网络,输入设备,输出设备,存储器,生产装备,数控设备、检测设备、搬运设备、机器人,快速成型设备,键盘、鼠标、数字化仪、扫描仪、数码相机,显示器、绘图机、打印机,人在CAD/CAM中起主导作用，设计策略，逻辑控制，创造性,MIPS,MFOLPS,主频，字长，多CPU,磁带、磁盘、光盘,CAD/CAM系统组成,系统软件、支撑软件、应用型软件,

16、数字化仪,4、CAD/CAM系统的硬件和软件,数字化仪,扫描仪,、CAD/CAM系统的硬件和软件,软件,支撑软件,系统软件,应用软件,单一功能型支撑软件只提供CAD/CAM系统中某些典型过程的功能。交互式绘图软件三维设计CAD系统工程分析计算数据库系统,综合集成型CAD/CAM支撑软件提供了设计、分析、造型、数控编程及加工控制等多种模块，功能比较完备。CAD部分：几何造型、工程绘图、装配规划CAE部分：有限元分析、运动分析、优化CAM部分：NC编程模块、测量规划,专用软件（可以由用户自行开发）,软件,、CAD/CAM系统的硬件和软件,常用CAD/CAM软件,Autodesk公司的AutoCAD

17、 PTC公司的Pro/Engineer Siemens公司:UG NX I-DEAS NX SolidEdge Dassault公司的CAITIA Solidworks公司的 Solidworks 北航海尔的CAXA,PRO-E,I-DEAS,CATIA,UG,CADAM,通用软件,Pro/ENGINEER的基本功能,CAD/CAM系统的支撑技术,计算机及图形学网络技术成组技术,能够在计算机之间快速地实现数据的传递；共享网内计算机资源，包括如大容量磁盘存储设备、绘图机等硬件资源，如支撑软件、数据库等软件资源；网内各计算机站点可互为后备，提高计算机系统的可靠性若干台计算机可以完成一项CAD/CA

18、M任务，进行协同作业。,软件工程技术、产品建模方法、数据管理技术、信息集成等,利用产品零件之间的相似形，将零件分类成组，然后根据每组零件所拥有的相似特征，为其同组零件找出相对统一的最佳方案，从而节约时间和精力以取得所期望的经济效益,、CAD/CAM系统的硬件和软件,工程分析 技术仿真技术,有限元分析，机构分析，可制造性分析，可回收性分析,运动、装配、加工仿真，虚拟现实，快速成型,设计(类比法），制造（CAPP),应用领域：,相关问题：,编码，存储，搜索，相似度确定,、CAD/CAM系统的硬件和软件,、CAD/CAM技术的发展和应用,一、CAD/CAM技术的发展,1952 MIT试制成功世界第一

19、台数控铣床，随后又研制开发了自动编程语言1963 MIT成功研制第一套实时交互的计算机图形系统SKETCHPAD 单元技术的发展和应用阶段(20世纪60年代-70年代)计算机图形处理技术进一步发展 三维线框造型和曲面造型得到应用 实体造型技术出现 数控加工编程系统 成组技术,、CAD/CAM技术的发展和应用,CAD/CAM集成阶段(20世纪80年代)实体造型技术已经成熟并发展了特征建模技术；人工智能和专家系统开始运用于CAD和CAPP;工程数据库得到发展 计算机硬件发展迅速 面向并行设计的CAD/CAM阶段(20世纪90年代)面向产品全生命周期的建模技术 基于工程数据库的企业级产品数据管理 基

20、于网络的协同工作平台,2D绘图,3D设计,工程分析,虚拟样机,集成平台,、CAD/CAM技术的发展和应用,二、CAD/CAM技术的应用,虚拟样机的概念：由分布的、不同工具开发的、甚至异构的子模型组成的模型联合体（CAx、DFx、外观、仿真），这些数字模型联合体即虚拟样机（virtual prototype），能从视觉、听觉、触觉以及功能、性能和行为上模拟真实产品。虚拟样机技术是以并行工程思想为指导，建模仿真理论为核心，以各领域CAx（如CAD、CAM、CAE等）/DFx（如DFA、DFM等）/仿真为工具的一种综合应用技术。,、CAD/CAM技术的发展和应用,多CAD 模型集成装配 动态干涉检查

21、 动态剖面检查 接近度阵列,、CAD/CAM技术的发展和应用,以虚拟样机（Virtual Prototype）为基础，实现虚拟验证、虚拟测试、虚拟试验与仿真，减少物理试验次数，缩短试验周期，提高产品质量,、CAD/CAM技术的发展和应用,铁路机车车辆虚拟样机系统,三、CAD/CAM技术的研究热点,1计算机支持的协同设计网络化2CAD/CAM集成技术3智能CAD/CAM技术智能化专家系统4与虚拟现实技术的集成-可视化5.并行工程6.快速原型技术7计算机安全,、CAD/CAM技术的发展和应用,1计算机支持的协同设计-网络化,用于支持设计群体成员交流设计思想、讨论设计结果、发现成员间接口的矛盾和冲突

22、，及时地加以协调和解决，减少以至避免设计的反复，从而进一步提高设计工作的效率和质量。协同设计关键技术：图形、多媒体信息的实时、可靠地交换 协同建模和拓扑元素命名、增量传输如何保证协同系统在异构环境下的可靠性协同过程管理和协同冲突管理 一致性维护与并发控制,、CAD/CAM技术的发展和应用,、CAD/CAM技术的发展和应用,计算机支持企业群体协同设计平台,、CAD/CAM技术的发展和应用,2 发展方向,空客A380在4国进行协同研制,机舱内装饰,前后机身,驾驶舱和中段,机翼,发动机机架,垂直尾翼,水平尾翼,、CAD/CAM技术的发展和应用,计算机辅助技术目标：,*,.,问题？现有的商品化CAD、

23、CAPP、CAM系统相互独立一个企业购买多个软件公司的产品。各系统难以沟通，交流困难,工艺规划,NC代码,CAD系统（厂家A）,CAM系统（厂家C）,2.集成技术-信息集成、过程集成、企业集成,CAPP系统（厂家B）,、CAD/CAM技术的发展和应用,如何集成？,建立转换规范标准“STANDARD”由谁来建？如何维护？,CAE与CAD系统的集成,（一）信息集成 CIMS技术的核心-针对设计、加工、制造及管理中的大量信息孤岛，解决信息正确、高效的共享和交换。设计系统信息集成：CAD/CAPP/CAM/加工制造/管理信息集成。关键技术产品建模 特征建模、STEP、面向全生命周期的数据交换问题工程数

24、据管理问题 逻辑上集中、物理上分布、异构数据库访问,、CAD/CAM技术的发展和应用,（二）过程集成 CE的核心-信息集成+过程集成串行过程-并行过程,设计时就考虑可装配性、可制造性、可靠性和成本等因数。关键：支持开发过程的重构和建模；实现协同设计环境；提供功能集成、信息集成支持并行设计的CAX和DFX工具。（三）企业集成 企业级信息集成+过程集成 针对某一产品-选择合作伙伴，组建动态联盟-联盟内信息集成+过程集成,、CAD/CAM技术的发展和应用,现代集成制造系统平台、企业建模、应用服务器,PDM,数字化设计与制造系统,ERP,企业管理与电子商务系统,MES,过程自动化系统,重点行业现代集成

25、制造系统（航空、航天、铝业、镁合金）,典型区域网络化制造系统/ASP(成德绵、关中、浙江、重庆）,制造资源优化配置,CAPP,3DCAD,EB,SCM,CRM,计划调度,实时数据库,EPA,、CAD/CAM技术的发展和应用,企业集成系统框架,3.智能CAD/CAM技术-智能化专家系统,设计分类1）数值计算-计算、分析、绘图-数学模 型，数值处理；2）符号推理-方案设计、评价、决策、结构设计等-创造性活动,思考+推理。如概念设计(初始条件，设计需求、目标和各种约束往往是不精确的、近似的、模糊的或未知的。),、CAD/CAM技术的发展和应用,模糊信息处理与决策,创造性思维研究与设计方法学研究,基于

26、知识的辅助设计技术,研究内容,、CAD/CAM技术的发展和应用,将人工智能技术，特别是专家系统的技术，与传统CAD技术结合起来，形成智能化CAD系统是机械CAD发展的必然趋势。,先进专家系统的特性(1)并行分布式处理功能(2)多专家协同工作(3)更强的自学习能力(4)更新的推理机制(5)自纠错和自完善能力(6)先进的智能接口(7)更多的先进技术被引入和融合,4与虚拟现实技术的集成-可视化,虚拟现实(Virtual Reality-VR)技术是利用计算机生成的一种模拟现实环境的技术，通过数据头盔(Head Mounted Display)、数据手套(DataGlove)、数据衣(Data Sui

27、t)等多种传感设备构造虚拟环境，向设计者提供诸如视觉、听觉、触觉等各种直观而又自然实时的感知。,、CAD/CAM技术的发展和应用,、CAD/CAM技术的发展和应用,多感知性(Multi-Sensory)所谓多感知是指除了一般计算机技术所具有的视觉感知之外，还有听觉感知、力觉感知、触觉感知、运动感知，甚至包括味觉感知、嗅觉感知等。,沉浸感(Immersion)指用户感到作为主角存在于模拟环境中的真实程度。,交互性(Interactivity)指用户对模拟环境内物体的可操作程度和从环境得到反馈的自然程度(包括实时性)。,构想性(Imagination)强调虚拟现实技术应具有广阔的可想像空间，可拓宽

28、人类认知范围，不仅可再现真实存在的环境，也可以随意构想客观不存在的甚至是不可能发生的环境。,虚拟现实技术的主要特征,虚拟现实技术,、CAD/CAM技术的发展和应用,、CAD/CAM技术的发展和应用,、CAD/CAM技术的发展和应用,、CAD/CAM技术的发展和应用,虚拟现实技术的优缺点：,CAD技术与VR技术的有机结合，可显示设计内容、显示设计对象性能特征以及设汁对象与周围环境的关系，设计者可与虚拟设计系统进行自然的交互，灵活地修改设计。目前，VR技术所需的软硬件价格还相当昂贵，技术开发的复杂性和难度还较大，VR/CAD 集成还有待进一步研究。,、CAD/CAM技术的发展和应用,并行工程是一个

29、关于设计过程的方法，它需要在设计中全面地考虑到相关过程的各种问题，但并非包括制造过程等其它过程。它要求所有设计工作要在生产开始前完成，并不是要求在设计产品的同时就进行生产。并行工程不是指同时或交错地完成设计和生产任务，而是指对产品及其下游过程进行并行设计，不能随意消除一个完整工程过程中现存的、顺序的、向前传递信息的任一必要阶段。并行工程是对设计过程的集成，是企业集成的一个侧面，它企图做到的是优化设计，依靠集成各学科专业人员的智慧做到设计一次成功。,5并行工程,、CAD/CAM技术的发展和应用,、CAD/CAM技术的发展和应用,串、并行产品开发流程的对比,丰田汽车公司的并行工程系统,、CAD/C

30、AM技术的发展和应用,快速成形制造技术是综合利用CAD技术、数控技术、激光加工技术和材料技术实现从零件设计到三维实体原型制造一体化的系统技术。它采用软件离散材料堆积的原理实现零件的成形。,、CAD/CAM技术的发展和应用,6.快速原型技术(Rapid Prototyping),、CAD/CAM技术的发展和应用,激光快速原型制造技术,、CAD/CAM技术的发展和应用,快速原型技术的特点,（1）更适合于形状复杂的、不规则零件的加工（2）没有或极少废弃材料，是一种环保型制造技术（3）系统柔性高，修改CAD模型就可生成各种形状零件；（4）具有广泛的材料适应性（5）无需专用工装夹具和模具，大大缩短新产品

31、试制时间（6）技术集成，设计制造一体化（7）零件的复杂程度与制造成本关系不大,RPM的应用及发展趋势RPM的应用主要表现在以下一些方面：（）快速样机制造。（）快速模具制造。（）快速制造。目前的发展趋势一是新型成形方法的研究和开发，其关键是寻找新的分层叠加成形原理，用什么材料进行分层叠加，如何进行分层叠加是研究的热点所在。,、CAD/CAM技术的发展和应用,7计算机安全 1）计算机内设计结果和数据已成为企业的宝贵财富，一旦某企业或行业的计算机系统遭到破坏，就可能导致该企业或行业的瘫痪，甚至会影响到整个社会生活。2）随着市场竞争的激烈和知识产权意识的增强，使产品的设计信息更具有保密性。,、CAD/CAM技术的发展和应用,谢谢大家！,