CAD CAM CAE理论给予与应用.ppt

fundamental and application of cad/cae/cam chen wei theory of lubrication and bearing institute 2012.10 course outline 1. introduction to cad/cae/cam and technology review 2. computer hardware and software for a cad system 3. graphical coordinate systems 4. reviews on geometric transformations and projections a) 2d and 3d transformations b) parallel projections 5. an introduction to the pro/engineer design modeling system a) foundation of the pro/engineer and feature-based solid modeling cad systems b) function modules of a cad/cae/cam system course outline c) pro/e user interface and part/assembly model generation d) engineering drawings and documentation, file conversion 6. an introduction to design optimization 7. data organization in cad a) data structure and database b) graphical standard and cad/camdata exchange 8. concept of fea 9. basic function of ansys course requirement nhomework npractice/projects nfinal examination grading components assignments/homeworks 25% project25% final50% it is accepted that projects could be done by a team work, but team numbers could not exceed 4 persons assignments and exam policy assignments: the due dates for each assignment will be given on the assignment sheet. no credit will be given for assignments that are submitted late. you are encouraged to present your assignment in a professional, organized format. when doing assignments for this course or any other, keep these points in mind: dont just give a big list of equations - please explain your work. dont skip steps in your procedures - please show all your work. assignments and exam policy continues: if you are using pro/e, matlab, ansys or whatever to do some of the work for you, dont just write down the final results - show the command files and/or the output listings if you are using two or more methods/programs to solve the same problem, dont just list the results of each - compare the results in a table and comment/explain whats going on (often its only this part of the report that is actually read!) dont make the reader look for the results/listings - tell them where things are: i.e. listing is shown on the following page or in appendix all exams are closed book. the final exam is comprehensive. how to submit your homework/projects nyou can submit me your homework/projects with either electronic or hardcopies nmy email address: definition of cad nwhat is design nwhat is cad nprimary object of cad ncad in mechanical engineering definition of design 设计是在我们要达到什么和我们如何达到它之间的互动。 what we need how can we made it definition of cad cad是一种用机算机硬、软件系统辅助人们对产品或工程进行设计的 方法与技术，包括设计、绘图、工程分析与文档执著的呢及活动。 cad主要涉及以下技术： 1. 图形处理技术 2. 工程分析技术 3. 数据管理与数据交换技术 4. 文档处理技术 5. 界面开发技术 6. 基于web的网络应用技术 1.1 cad的内涵 cad：computer aided design n什么是设计 n什么是cad q1：设计的定义 设计是一种有目地的创作行为。 设计是在我们要达到什么和我们如何达到它之间的互动。 设计是把一种计划、规划、设想通过视觉的形式传达出来的活动过程 机械设计是根据使用要求对机械的工作原理、结构、运动方式、力和能 量的传递方式、各个零件的材料和形状尺寸、润滑方法等进行构思、分析 和计算并将其转化为具体的描述以作为制造依据的工作过程。 q2：cad的定义 定义一 cad是一种用机算机硬、软件系统辅助，人们对产品或工程进行 设计的方法与技术，包括设计、绘图、工程分析与文档执著的 设计活动。 定义二 以计算机为工具，通过人机交互，处理产品设计过程中的图形 和数据信息，辅助完成整个产品设计过程的一门综合技术。 1.2 cad（cae/cam）基本功能 几何建模 用基本几何实体及其相互关系构造零件 或产品三维几何模型； 工程分析 进行运动学、动力学、有限元分析，优化设计等； 工艺编程 自动决策生成加工方法、工艺路线、工艺参数和加工设备； 数控编程 选择所需要刀具和工艺参数，确定走刀方式，生成刀具轨迹，后置处理，生成nc程序 。 模拟仿真 预测产品工作性能，检查nc代码正确性，检查制造过程几何干涉和物理碰撞，分析产 品可制造性； 数据管理 提供有效的工程数据管理手段，支持产品设计与制造全过程数据信息流动和处理。 cad （cam） 工程绘图 工程分析 几何建模 数据管理 模拟仿真 数控编程 工艺规程 实例 nca e ncam ncad 1.3 cad 系统组成 ncad/cam系统 n硬件系统n软件系统 n计算机 n生产设 备 n外围设 备 n系统软 件 n支撑软 件 n应用软 件 1.4 cad 的主要目标 请思考-传统机械产品设计的基本流程 n减少人的工作量/错误 n缩短设计时间 n降低开发成本 n给不同的团队、平台之间提供交流工具 总之：解放了人，提高了效率，降低了成本 cad/cam技术经历了形成、发展、提高和集成阶段。 l形成期（20世纪50年代60年代） （1 1）技术准备）技术准备 n20世纪50年代，数控机床研制成功； n麻省理工学院用计算机制作数控纸带，实现了nc编程的自动化； ncad最初概念：设想计算机辅助的过程是通过自动运行的各个程序实现 的，是解决不同复杂程度的生产计划问题的各个过程，从设计、分析到 计算都是在人与计算机之间交互进行的。 1.5 cad/cam 发展概况 n20世纪60年代初，mit研究生i. e. sutherland发表了人机对话图形 通信系统论文，研制了sketchpad系统，首次提出计算机图形 学、交互技术及基于分层数据结构的图形符号存储技术等思想。 n20世纪60年代初，出现了许多商品化的cad设备及系统。ibm公司 推出用于大型机设计与制造的cad/cam系统，该系统具有绘图、 数控编程及强度分析等功能；通用汽车（gm）公司研制了用于汽 车设计的dac-1系统；洛克希德飞机公司开发了cadam系统。 n1962年，第一台工业机器人研制成功，实现了物料搬运的自动化。 n1966年，出现了用大型通用计算机直接控制多台数控机床的dnc系 统。 1.5 cad/cam 发展概况 （2）单元技术的出现 n计算机辅助设计(cad) 20世纪60年代初期，主要是交互 式绘图和三维线框建模。线框模型无法表达几何数据间 的拓扑信息和表面信息，无法实现 (cae)和 (cam)。 n计算机辅助制造(cam) 20世纪50年代初期，主要侧重于 数控加工自动编程。 n计算机辅助工艺规划(capp ) 20世纪50年代中期，其主 要功能是产品加工工艺规划制定。 n计算机辅助工程分析(cae ) 20世纪80年代，其主要功能 是指产品几何形状的模型化和工程分析与仿真。 l发展期(20世纪60年代中期70年代中期) n以小型机、超小型机为主机的cad系统； n针对某个特定问题的cad成套系统； n面向中小企业的cad/cam商品化系统； n1967年，英国莫林公司cnc自动化制造系统； n20世纪70年代初，美国辛辛那提公司柔性制造系统 (flexible manufacturing system，fms)。 l提高期（20世纪80年代90年代） ncad/cam技术在中小企业得到推广； n应用领域：由产品设计发展到工程设计； n计算机辅助工艺规程设计(capp)； n计算机辅助工装设计； n计算机辅助质量控制(caq) ； n研制高效益、高柔性的智能化制造系统。 l集成期（20世纪 90年代后） ncad/cam技术向着集成化、智能化、网络化、可视化、 并行化、标准化的方向发展。 n以i-deas、ug、pro/engineer等为代表的cad/cam软 件(硬件平台以工程工作站为主)推出了微机版本。 n推出一批优秀的基于微机平台的cad/cam软件，如 solidworks、inventor、mdt、mastercam、catia等 n国内公司开发了一批具有自主知识产权的cad/cam系统 ，如金银花cad系统、caxa系列软件、开目cad系列软 件等。 l发展趋势（20世纪90年代后） 计算机辅助概念设计 需解决建模和推理两大技术难题。 计算机支持的协同设计 须解决： 群体成员间实时、可靠、廉价的信息交换； 保证异地、异构环境下协同设计系统可靠运行； 群体成员冲突协调解决机制。 海量信息的存储、管理和检索技术 智能cad/cam技术 cad/cam与虚拟现实技术的集成 计算机安全 1.6 cad/cam的基本概念 机械产品的生产过程分析 ncad nca m 一、产品设计的分类 根据产品设计过程的特点，可将设计划分为： n(1)功能设计功能设计 确定产品功能和结构之间的对应关系。 n(2)布局设计布局设计 完成技术实体部分(零部件)的排列组合。 n(3)参数设计参数设计 定义零部件的几何形状及尺寸参数。 n(4)公差设计公差设计 制定形状、位置及尺寸精度。 n根据各设计任务所占的比重不同，又可将设计划为： n(1)新设计 是一种从无到有的开放性设计。通常从概念设计、功能设计开始， 或者重新排列现有的、新的零部件以达到设计目的。新设计通常需 要创造性思维。 n(2)适应性设计 保持总体布局不变，通过修改个别零部件的功能或形状以适应质和 量方面的附加要求。 n(3)参数化设计 功能、布局、零件的几何拓扑关系均保持不变，仅改变零件的尺寸 参数，以产生系列化的设计结果。 二、为什么需要cad/cae n产品设计现状： 据统计，机械制造领域的设计工作有56%属于适应性设计， 20%属于参数化设计，只有24%属于新设计。某些标准化程度 高的领域，参数化设计达到50%左右。（cad） n工艺规程设计 编制工艺规程是设计、制造过程中生产技术准备工作的重 要环节，过去一直是工艺人员手工完成，不仅效率低，而且依 附于人的技能和经验，很难获得最佳方案。同时，与产品设计 一样，也存在重复工作的问题。（capp）。 n加工制造过程 在机械制造行业，50件以下的小批量生产约占75%。据统计， 一个零件在车间的平均停留时间中，只有5%的时间在机床上，而 这5%的时间中，又只有30%的时间用于切削加工。绝大部分时间 都消耗在工件的装卸、调整、测量及等待切削上。要改进这一状 况，必须借助计算机对产品的加工制造过程进行控制。（cam ） cad/cam技术：不是传统设计、制造流程和方法的简单映像，也不是 局限于在个别步骤或环节中部分地使用计算机作为工具，而是将计算机 科学与工程领域的专业技术以及人的智慧和经验以现代的科学方法为指 导结合起来，在设计、制造的全过程中各尽所长，尽可能地利用计算机 系统来完成那些重复性高、劳动量大、计算复杂以及单纯靠人工难以完 成的工作，辅助而非代替工程技术人员完成整个过程，以获得最佳效果 。cad/cam系统以计算机硬件、软件为支持环境，通过各个功能模块 实现对产品的描述、计算、分析、优化、绘图、工艺规程设计、仿真以 及nc加工。而广义的cad/cam集成系统还应包括生产规划、管理、质 量控制等方面。 三、cad/cam的基本概念 计算机辅助设计计算机辅助设计 (computer aided design) 简称cad，是指工程技术人员以计算机为工具，用各自的专业知识 对产品进行总体设计、绘图、仿真、分析及编写技术文档等设计活动的 总称。 计算机辅助制造计算机辅助制造 (computer aided manufacturing) 简称cam，是指使用计算机系统进行生产规划、管理和控制产品制 造的全过程，它既包括与加工过程直接联系的计算机监测与控制，也包 括使用计算机来管理生产经营，提供计划进度表等。 狭义的cam是指计算机辅助机械加工，更确切地说，是指数控程 序的编制。广义的cam是指利用计算机辅助完成从毛坯到产品全部制 造过程中的各种直接和间接的活动，包括工艺准备、nc编程、生产作 业计划、生产控制、质量控制等。 三、cad/cam的基本概念 (1)需求分析，几何建模。 (2) 详细设计及优化，图形输出。 (3) 人机交互，模型修正。 (4) 工艺规程设计，结果输出。 (5) 工艺规程修改。结果存储。 (6) 生成nc加工指令，加工制造。 (7) 工艺仿真，干涉、碰撞检验。 (8) 加工制造。 1.7 cad/cam系统的工作过程 1.8 cad/cam系统的主要任务 cad/cam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。 (1) 几何造型 几何造型是指在计算机中建立零件的 三维实体模型。先进的cad都提供参数 化的基于特征的实体造型方法。 几何造型技术是cad/cam系统的核心， 它为产品的设计、制造提供基本数据， 也为其他模块提供原始信息。 几何造型 n曲面造型 n装配造型 几何造型 (2) 计算分析 cad/cam系统根据形状模型，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，为进行工程分析和数值计算提供必要的基本参数。还可应 力、温度、位移等结构分析计算。 (3) 工程绘图 cad/cam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。 先进的cad软件都具备根据零件的三维零件图和装配造型自 动生成投影图和局部视图的功能，并能自动标注尺寸 (4) 结构分析 结构分析常用的方法是有限元法, 是一种数值近似 解方法，用来求解形状比较复杂的工程构件的静态和 动态特性，以及构件的强度、振动、热变性、温度及 应力分布等的分析计算。 系统根据产品结构特点，划分网格、标出单元号、 节点号，并将结果显示，分析计算后，以图形或文件 的形式输出计算结果，如应力分布图、温度场分布图 等。 结构分析 (5) 优化设计 在某些条件下，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、产品零件结构的优化、工艺参数的优 化等 (6) 计算机辅助工艺规程设计 (capp) capp系统应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、步骤、设备及参数。 设计结果一方面能被生产实际所用，生成工艺卡，另一方面 能直接输出一些信息，为cam中的nc自动编程系统接收、识别 ，直接转换为刀位文件。 (7) nc自动编程 早期的nc自动编程是采用apt语言对加工路径、加工、刀具等参数进行 描述，然后利用计算机对数控程序进行分析，并生成nc程序代码，最后制 成穿孔纸带输入数控系统控制加工。 目前的cam软件大部分采用图形交互式自动编程，即以cad生成的零件 几何信息为基础，在计算机屏幕制定被加工零件的几何特征、定义相关的 加工参数后，由计算机进行分析处理，直接产生nc加工程序。 仿真功能则能在计算机上动态显示加工路径，模拟实际加工情况。 通过 各自接口可将计算机与数控机床连接起来，利用cam软件中的通信模块， 能将计算机上的nc加工程序直接送至数控机床的cnc系统实现数控加工， 这个过程称为直接数字控制 (dnc)。 (8) 模拟仿真 在cad/cam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，以预测产品的性能、 产品的制造过程和产品的可制造性。 (9) 工程数据管理 cad/cam系统中数据量大、数据种类多，既有几何图形数据，又有 属性定义数据；既有静态标准数据，又有动态过程数据。因此， cad/cam系统应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，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。 (10) 应用软件二次开发 大多数商品化cad系统都提供了基于c、c+、visual c+、 visual basic的二次开发工具，为用户或者第三方在其基础上编写 应用软件提供了很大的方便。 二次开发工具中提供的函数和方法可以调用cad系统内部命令 ，直接存取cad内部数据库。 在实际应用中，有可能只需完成上述的某几项任务，故应 根据实际情况选购或开发所需的 cad/cam系统。 (1) 机械cad 汽车和飞机是这个行业的先驱。使用cad设计车身，可提高工效 20倍，使企业在竞争中取得优势。我国造船业现在已建成规模巨 大的船舶cad/cam系统cadis-1，覆盖船舶设计与制造全过程。 (2) 建筑cad 建筑行业是cad技术应用最广泛的领域之一，包括建筑设计、结 构设计、水电设计、小区规划、路桥设计、城市规划等 (3) 电子cad 包括集成电路cad、印刷电路板cad、整机系统模拟、故障测试 与诊断等。 1.9 cad/cam技术的应用 (4) 计算机辅助工业设计 包括家电、相机、钟表、车辆、器皿、家具等日用工业产品设计， 室内、室外、园林等环境设计，图案、广告、展览、动画等表达设 计。 (5) 地图cad 包括行政区域图、地形图和电子沙盘、地质图、城市规划图、地 下管网图、交通图、人口分布图、环境保护图、生物分布图、海图 、气象图等与地域位置有关信息的操作和图形设计。地图cad与地 理信息管理、分析、处理等功能合在一起，称为地理信息系统gis (geographic information system)。 cad/cam技术的应用 杭州汽轮机动力集团公司应用cad/cam技术，使产品设计图样的 90%实现了cad，每项产品设计时间从56个月缩短为1.52个月， 关键零部件数控加工，中小零件工艺设计90%采用capp技术。 据美国的统计资料，大规模集成电路采用cad设计后，效率平均提 高18倍；机械产品的设计效率平均提高5倍；建筑设计的效率平均提 高3倍；编辑出版的效率提高4.4倍。 日本夏普公司生产电视、录音机和汽车覆盖件的模具，采用传统方 法的生产周期为一年，而采用cad/cam技术后，从设计到制造的 周期仅为1.52个月。 采用cad/cam技术的优越性 采用cad/cam技术的优越性 (1) 有利于发挥设计人员创造性。 (2) 减少设计、计算、制图、制表所需时间，缩短设计周期。 (3) 有利于实现设计方案的优化。 (4)有利于实现产品的标准化、通用化和系列化。 (5) 减少了零件在车间的流通时间等待时间，提高了加工效率。 (6) 有利于企业提高应变能力和市场竞争力。 (7) 提高了产品的质量和设计、生产效率。 (8) cad/cam的一体化，使产品的设计、制造过程形成一个有机整体， 通过信息集成，在经济上、技术上给企业带来综合效益。 常见的cad/cam单项技术 n计算机辅助绘图，简称cag (computer aided graphics) n计算机辅助工程分析，简称cae (computer aided engineering) n计算机辅助工艺设计，简称capp (computer aided process planning) n计算机辅助数控编程，简称ncp (numerical control programming) n企业资源计划，简称erp (enterprise resource planning) n计算机辅助质量控制，简称caq (computer aided quality) n产品数据管理，简称 pdm (product data management) n虚拟设计，简称vr-cad (virtual reality- cad) n虚拟制造，简称vm (virtual reality manufacturing) primary object of cad nminimized human work/errors nshorten design time nprovided tool for communication between different teams cad in mechanical engineering nmost vigor area nmost achievements nmost mature market brief history of cad/cae brief history of cad/cae brief history of cad/graphic 2d 绘图系统 三视图算法 贝塞尔算法应用 3d 曲面造型系统 特征参数化技术 参数化实体技术 变量化设计技术 实体造型技术 characteristics of cad characteristics of cad characteristics of cad characteristics of cad characteristics of cad characteristics of cad characteristics of cad major cad/cae/cam software ncad n3d studio viz nautodesk viz narchitectural desktop nautocad nautocad lt nautodesk inventor ncatia ni-deas nironcad nland development desktop nmechanical desktop nmicrostation npro/engineer nrevit nsilverscreen solid modeler nsolid edge nsolidworks nthinkdesign cad/cae/cam software ncae nalgor nansys nabacus nmsc/nastran ncatia ncosmosworks ni-deas npro/mechanica cam ncnc workshop ngibbscam nmastercam npro/manufacturing modern cad/cae/cam tools and their applications modern cad/cae/cam tools and their applications modern cad/cae/cam tools and their applications modern cad/cae/cam tools and their applications modern cad/cae/cam tools and their applications modern cad/cae/cam tools and their applications modern cad/cae/cam 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