[工学]计算机辅助设计简化版.ppt

第一章第一章 绪论：绪论： 1. 从设计过程来理解设计: 设计是规范 化的表达。 第一章第一章 绪论绪论 2.计算机辅助设计，CAD Computer Aided Design CAD是一个过程，利用计算机将专业知 识和技术应用于产品设计、绘图、分析、 编写技术文档等活动的过程 CAD是一项产品建模技术，把产品的物 理模型转化为产品的数据模型，并把产品 的数据模型存储在计算机供后续的计算机 辅助技术（CAX）所共享，驱动产品生 命周期的全过程 第一章第一章 绪论绪论 3.计算机辅助制造CAM（ Computer Aided Manufacturing） 狭义CAM，计算机辅助编制数控加工指 令 广义CAM，用计算机进行制造信息处理 的全过程。 第一章第一章 绪论绪论 4.现代CAD的主要技术 1) 图形学理论的应用 2) 专业科学技术，有限元，数值分析，优 化设计、力学分析等 3) 数据管理技术，数据库管理、数据规范 和接口技术 4) 文档处理技术，工程设计说明书、产品 明细清单等 5) 软件设计技术，人机交互、软件工程、人 工智能模拟与仿真技术等。 第一章第一章 绪论绪论 5.现代CAD系统的特点; 1) 标准化 CGI：Computer Graphics interface CGM：Computer Graphics metalfile GKS：Graphics kernel system IGES：initial graphics exchange specification STEP：standard for exchange of product model data 5.5.现代现代CADCAD系统的特点系统的特点 2) 集成化 CIMS:CAD、CAM、CAE、CAPP、 PDM， 计算机集成制造系统。 （PLM：Product Lifecycle Manage 产品生命周期管理） CE Concurrent engineering：并行工程 5.5.现代现代CADCAD系统的特点系统的特点 3) 智能化：设计型专家系统 集成智能设计系统 具有学习功能的知识工程 4) 网络化：CSCW（Computer supported cooperative work）计算机支持的基于 web的共同工作，EDS 、 MSC和 Dassault Systems都已经有了商业化的解 决方案。 8.8.现代高端现代高端CADCAD系统的硬件平台系统的硬件平台 1)高性能的CPU，突出的浮点处理能力 2)高性能的图形显示卡，杰出的Open GL支持性 3)大容量的内部存储器 4)大容量的外部存储器 5)高速度的IO吞吐能力 6)高分辨率的显示和输出设备 9.9.现代高端现代高端CADCAD系统的软件组成系统的软件组成 1)稳定的支持平台（操作系统） 2)优秀的图形造型系统，速度快，数据 量小，内核兼容性好 3)高度集成的Cax系统 4)集成的PDM和PLM解决方案 a) PDMProdcut Data Management 产品零件管理，产品结构树管理 b) PLM：Product Lifecycle Management 第二章第二章 CADCAD的基本图形及算法的基本图形及算法 q圆弧、规则曲线一般用数值微分法生成 q区域填充的算法： 多边形填充法 ： 根据多边形的顶点， 按扫描线顺序，计算 扫描线和多边形的相 交区域，完成填充。 第二章第二章 CADCAD的基本图形及算法的基本图形及算法 种子填充法 根据边界颜色特种和多边形内一点的 坐标，先填充种子点所在的象素，再 将种子点相邻的象素， 作为新的种子点，重 复运算，直至填充 完成 第二章第二章 CADCAD的基本图形及算法的基本图形及算法 l曲线的连续性 l曲线和曲线之间的连续性 C0，零阶,几何连续；C1，一阶，相切连 续；C2，二阶，曲率连续 第二章第二章 CADCAD的基本图形及算法的基本图形及算法 l连续和光滑(光顺) 连续，曲线至少有一阶连续。 光滑，曲线至少一阶连续，并且满足 设计要求（美学要求）。 汽车业的A 级面，一般是二阶连续面 ，并且保证光滑，美观，一般用反射 分析来评价光顺和美观。 （B级C级面？） 一点透视一点透视 两点透视两点透视 三点透视三点透视 第二章第二章 CADCAD的基本图形及算法的基本图形及算法 2.3.6 三维图形的显示流程 第二章第二章 CADCAD的基本图形及算法的基本图形及算法 如果将上述流程中投影与裁剪的顺序颠倒 ，则流程为： 此流程优点二维裁剪比三维裁剪容易，缺点所有物体都作投影变换 ，而部分物体可能不可见（在视见体外），浪费了部分计算。而且 三维裁剪并不难，显示时消隐处理需要深度信息，故前一个流程 更合理。 第三章第三章 产品建模技术产品建模技术 3.2 CAD三维几何建模 把真实世界中三维物体的几何形状用一套合 适的数据结构来描述，供计算机识别和处理 的信息数据模型。 完整地表达点、线、面、体几何信息。 3.2.1 几何建模的基本概念 1. 几何信息：构成几何实体的各个几何元素 在欧式空间中的位置和大小。数学表达式： 第三章第三章 产品建模技术产品建模技术 2. 拓扑信息：构成几何实体的几何元素的数 目和他们的连接关系。 第三章第三章 产品建模技术产品建模技术 基本几何元素：面（F）、边（E）、顶点（ V）。以平面立体为例子，其顶点、边、和 面的连接关系共有9种： 第三章第三章 产品建模技术产品建模技术 第三章第三章 产品建模技术产品建模技术 第三章第三章 产品建模技术产品建模技术 第三章第三章 产品建模技术产品建模技术 3. 形体信息： 几何实体在计算机内部通常用6个层次的拓 扑来定义： 1) 体 由封闭表面围成的有效空间 2) 壳 由一组连续的面围成，外壳、内 壳。 3) 面 几何实体表面的一部分，具有方向性 。 4) 环 有序、有向边组成的面的封闭边界。 5) 边 实体中两个相邻面的边界。 6) 顶点 边的端点， 第三章第三章 产品建模技术产品建模技术 外壳Shell 面Face 环Loop 边Edge 顶点Vertex 形体Object 第三章第三章 产品建模技术产品建模技术 4. 集合运算 类似于集合论中的并、交、差。 第三章第三章 产品建模技术产品建模技术 经过集合运算生成的形体也应该是具有良好 边界的几何形体。并保持最初形状的维数。 有时候集合运算在数学上是正确的，但是在 几何上是不恰当的。 下图所示三维体求交。 第三章第三章 产品建模技术产品建模技术 第三章第三章 产品建模技术产品建模技术 4. 欧拉检验公式（检验实体有效性的必要条 件） 任一形体的欧拉检验公式： VEF H2P 2B V顶点数E边数 F面数B不连续的形体数 P形体上的通孔数 H实体表面边界的内环数 第三章第三章 产品建模技术产品建模技术 第三章第三章 产品建模技术产品建模技术 3.2.2 线框模型 线框模型包括几何信息和拓扑信息 第三章第三章 产品建模技术产品建模技术 自由曲面模型的构造方法： 1. 通过曲线定义曲面. 2. 由控制网络多边形构成曲面 3. 通过插值其它曲面构造曲面 4. 点云直接生成曲面 第三章第三章 产品建模技术产品建模技术 3.2.4 实体建模（Solid Modeling） 实体建模是利用一些基本体素，如长 方体、圆柱体、球体、锥体、圆环体、以 及扫描体等通过集合运算（布尔运算）生 成复杂形体的一种建模技术 1. 体素的定义及描述 第三章第三章 产品建模技术产品建模技术 基本体素基本体素 第三章第三章 产品建模技术产品建模技术 基本体素特点：基本体素特点： 有少量的参数进行控制，如长方体 的长、宽、高。不同的建模系统提供的基 本体素各有不同，建立基本体素的方法也 不是唯一的。 第三章第三章 产品建模技术产品建模技术 3. 三维实体模型的计算机内部表示法 三维的实体模型要用一维的计算机数 组来表示。 a) 边界表示法边界表示法 BRepBRep (Boundary Representation) (Boundary Representation) 用封闭的边界表面围成的空间来表达 三维实体对象。 第三章第三章 产品建模技术产品建模技术 边界表示法边界表示法 第三章第三章 产品建模技术产品建模技术 边界表示法的特点： 详细记录了构成物体的所有几何信息 。它的核心信息是平面。边在计算机内部 是两次存储，通过边的指向可以标识面的 法向。 优点：面、边、点的信息丰富，对于 工程图的生成和图形显示是十分必要的， 容易和二维绘图软件和衔接，也容易和曲 面建模软件联合应用。 第三章第三章 产品建模技术产品建模技术 缺点：无法表达物体生成的原始信息，即 无法知道原始体素的布尔计算过程。物体信息 量太大，有信息冗余。 第三章第三章 产品建模技术产品建模技术 b) 构造立体几何法 CSG (Constructive Solid Geometry) (Constructive Solid Geometry) 通过基本体素和他们的布尔运算来表 达三维物体。存储的是物体生成的过程， 也称为过程模型。 第三章第三章 产品建模技术产品建模技术 同一物体的两种同一物体的两种CSGCSG结构结构 第三章第三章 产品建模技术产品建模技术 构造立体几何法特点：构造立体几何法特点： 数据量小；基本体素通过布尔运算可数据量小；基本体素通过布尔运算可 以形成复杂的几何体；对于具有复杂曲线以形成复杂的几何体；对于具有复杂曲线 、曲面特征的模型表达有困难。、曲面特征的模型表达有困难。 第三章第三章 产品建模技术产品建模技术 构造立体几何法的数据结构构造立体几何法的数据结构 第三章第三章 产品建模技术产品建模技术 附加体法附加体法：构：构 造立体几何法造立体几何法 中物体的局部中物体的局部 修改方法。修改方法。 第三章第三章 产品建模技术产品建模技术 难于用附加体法倒圆的情况 第三章第三章 产品建模技术产品建模技术 c) 混合模式（Hybrid Model） 一个CAD系统里采用了多种数据结构 来表达物体，如常见的构造立体几何法与 边界表示法的混合。 在构造立体几何树的节点上再扩充一 级边界数据结构，以达到快速显示图形的 目的。 第三章第三章 产品建模技术产品建模技术 混合模式结构举例混合模式结构举例 第三章第三章 产品建模技术产品建模技术 d) 空间单元表示法 第三章第三章 产品建模技术产品建模技术 3.2.5 参数化建模（Parameter Modeling） 静态几何造型系统： 一旦造型完成，几何形体和具体尺寸 也就确定，后期的可修改性差。 参数化造型系统： 先确定草图形状和拓扑关系，尺寸值 则由参数控制，可以方便地实现后期的尺 寸修改。 第三章第三章 产品建模技术产品建模技术 参数化建模方法对于系列化产品的计 可以提供极大的方便。 1. 参数化设计的基本概念 a）用轮廓体现设计思想 b）尺寸驱动 第三章第三章 产品建模技术产品建模技术 2. 尺寸约束和关系式 尺寸：表达元素的长度、距离半径等 拓扑约束：表达元素之间的特殊关系 ，如平行、水平、铅垂、相切、共线、同 心、固定等 关系式：表达参数之间的数学关系。 第三章第三章 产品建模技术产品建模技术 d）变量驱动 也叫变量化建模技术，需要同时考虑 几何约束（尺寸和拓扑）和工程约束（应 力、性能等），将所有设计要考虑的影响 因素都设计成可以约束产品几何的变量。 这样在建模的同时也可以将产品的性能提 前考虑。 第三章第三章 产品建模技术产品建模技术 几何元素 几何约束 工程约束 尺寸值 约束管理约束网络分解 几何造型 变量设计原理 第三章第三章 产品建模技术产品建模技术 对于基于特征的造型系统： 特征是由具有一定拓扑关系的一组实 体体素构成的特定形体，它还包括附加在 形体之上的工程信息，对应于一个或多个 功能，能够被固定的方法加工成型。 特征是构成零件的基本元素。特征造 型是实体造型的一个新发展。 现在的流行三维CAD系统大多数都采 用了特征造型技术。 第三章第三章 产品建模技术产品建模技术 2. 2. 特征的分类特征的分类： 特征要反映机械设计制造的各个方面 的信息。 a）形状特征（Form Feature） 形状特征 主特征 辅特征 修饰特征 负特征 正特征 第三章第三章 产品建模技术产品建模技术 b）装配特征（Assembly Feature） 用于表达零件的装配关系，干涉检验 ，零件的统计信息等。 c）精度特征（Precision feature） 表达形状、位置和尺寸公差，表面粗 糙度。 d）材料特征（material feature） 表达材料的类型、性能、热处理信息 。 第三章第三章 产品建模技术产品建模技术 e）性能分析特征（analysis feature ） 如用于有限元分析的有限元网络。 f）补充特征（additional feature） 用于管理零件的信息。 特 征 分 类 树 第三章第三章 产品建模技术产品建模技术 3. 3. 基于特征的参数建模技术基于特征的参数建模技术 将参数化的技术引入特征造型系统里将参数化的技术引入特征造型系统里 ，用尺寸驱动或变量设计的方法定义特征，用尺寸驱动或变量设计的方法定义特征 。 具有代表型的是具有代表型的是EDSEDS公司的公司的UGUG和和 I IDeasDeas，还有达索公司的，还有达索公司的CATIACATIA，国产的，国产的 CAXACAXA实体设计，金银花等。实体设计，金银花等。 PROPRO E E 是基于参数的特征造型系统。是基于参数的特征造型系统。 第三章第三章 产品建模技术产品建模技术 4. 4. 特征造型的特点和意义特征造型的特点和意义 a a）特征造型致力于表达产品的几何信）特征造型致力于表达产品的几何信 息、建模过程信息、明确的产品设计意图、息、建模过程信息、明确的产品设计意图、 合理的产品加工信息、产品管理信息。合理的产品加工信息、产品管理信息。 b b）特征的参数化使产品具有灵活的后）特征的参数化使产品具有灵活的后 期修改能力期修改能力 c c）可以方便地建立设计、加工和管理）可以方便地建立设计、加工和管理 的规则库、知识库，是专家系统等智能的规则库、知识库，是专家系统等智能CADCAD 系统的基础。系统的基础。 第三章第三章 产品建模技术产品建模技术 3.2.7 三维建模技术的总结 1. 1. 造型技术的发展：造型技术的发展： 线框造型 表面（曲面）造型 实体造型 基于参数的实体造型 基于特征的参数化造型 变量化技术的应用 第三章第三章 产品建模技术产品建模技术 2. 2. 当前当前CADCAD系统的建模技术趋势系统的建模技术趋势 采用混合模式，如混合使用线框、曲 面、实体元素，混合使用Brep法和CSG法 等。 以精确表示形式存储曲面实体模型。 引入参数化、变量化建模方法，便于 设计修改。 广泛采用特征建模技术。 第三章第三章 产品建模技术产品建模技术 3. 3. 强大的动态设计和后期修改能力强大的动态设计和后期修改能力 4. 4. 面向产品、面向过程、面向加工的面向产品、面向过程、面向加工的 产品生命周期全过程管理（产品生命周期全过程管理（PLMPLM） 第三章第三章 产品建模技术产品建模技术 3.3 CAD结构建模 lCAD几何建模和特征建模，是面向零件的 建模技术。 l无法对产品结构信息进行完整的描述 l现代工业产品的设计要求 快速，创新，技术继承，协同设计，柔性设快速，创新，技术继承，协同设计，柔性设 计计 l电子样机(虚拟装配)技术可以满足以上结 构建模的要求 第三章第三章 产品建模技术产品建模技术 3.3.1 电子样机（虚拟装配）相关概念 1.虚拟装配是一种零件模型按约束关 系进行重新定位的过程。 2.虚拟装配是根据产品设计的形状特性 、精度特性，真实地模拟产品三维装 配过程，并允许用户以交互方式控制 产品的三维真实模拟装配过程，以检 验产品的可装配性。 第三章第三章 产品建模技术产品建模技术 3.虚拟装配模型的数据库只存储零件的 文件名及其存储路径，而不存储零件 的数据库，保证了零件数据库的唯一 性。 第三章第三章 产品建模技术产品建模技术 能高效地进行物理装配，能在产品研制 初期使设计部门与制造部门之间更有效 地协同工作。 2）自顶向下（TopDown）的并行产 品设计（CPD） 基于并行产品设计的 装配技术支持自顶向下的设计方法，通 过自顶向下的并行产品设计可以分层次 地建立统一的产品动态电子样机。 第三章第三章 产品建模技术产品建模技术 2 2以过程控制为中心的虚拟装配，实现以过程控制为中心的虚拟装配，实现 对产品总体设计进程的控制对产品总体设计进程的控制 我们将虚拟装配技术应用于产品设计 过程划分为三个阶段：总体设计阶段 、装配设计阶段、详细设计阶段。 1）总体设计阶段 进行产品初步的结 构、系统总体布局 第三章第三章 产品建模技术产品建模技术 2）装配设计阶段 产品模型空间分配 （装配区域、装配层次的划分）；具体 模型定义（建立几何约束关系、三维实 体模型等）； 3）详细设计阶段 详细设计阶段为产 品研制的完善阶段，完成产品三维实体 模型的最终设计，进行产品模型的计算 机装配，进行全机干涉检查。 第三章第三章 产品建模技术产品建模技术 3.3.3 虚拟装配基本方法 1.Top-Down Modeling，自上而下装 配 2.Bottom-Up Modeling，自下而上装配 3.Mixing and Matching，混合装配 第四章第四章 产品数据交换技术产品数据交换技术 4.1 问题的提出 产品数据产品数据 必须包括足够的信息来表达 产品的整个生命周期，从设计到分析、制造 、质量控制测试、检测和产品支持功能。 产品数据交换存在于产品生命周期的全 过程。 1. 不同设计部门之间 2. 设计、生产准备、制造部门之间 3. 不同合作企业之间 第四章第四章 产品数据交换技术产品数据交换技术 4. 不同时期的研制产品之间 5. 不同CAD/CAM系统之间 6. 同一CAD/CAM系统的不同版本之 间。 数据交换接口数据交换接口可以在产品数据的各种 计算机内部模型之间架起桥梁。 第四章第四章 产品数据交换技术产品数据交换技术 第四章第四章 产品数据交换技术产品数据交换技术 4.2 通用数据交换接口介绍 4.2.1 初始图形交换规范 IGES 1981年由美国发布，几乎所有商品化 的CAD/CAM系统都配有IGES接口，成为 目前事实上的国际标准。 1. IGES数据文件是顺序文本文件。 第四章第四章 产品数据交换技术产品数据交换技术 2. IGES数据文件的结构分析 1) 起始段（STARSECTION） 给使用者提供阅读IGES数据文件的说 明语言。格式和行数不限，第73列为字母 “S”。 2）全局段（GlobalSection） 提供整个模型相关的信息，如文件名 、生成日期等。第73列为字母“G” 第四章第四章 产品数据交换技术产品数据交换技术 3）元素索引段（Directory Entity Section） 记录IGES文件中采用的元素目 录，每一种元素对应一个索引，每一个索 引记录了有关元素的类型、参数指针、版 本、线型、图层、视图等20项内容。第73 列字母为“D” 第四章第四章 产品数据交换技术产品数据交换技术 4) 参数数据段（Parameter Data Section） 记录每个元素的几何数据，其 记录内容随元素不同而不同。第73列字符 为“P” 。 5) 结束段（TerminateSection） 标识IGES文件的结束。 演示IGES数据文件的结构组成。 第四章第四章 产品数据交换技术产品数据交换技术 3. IGES元素 IGES元素共分三类： a. 几何元素 b. 标注图形元素 c.属性和结构 IGES元素表 第四章第四章 产品数据交换技术产品数据交换技术 第四章第四章 产品数据交换技术产品数据交换技术 用UG绘制的一个曲线圆。 中心坐标（0，0，0），半 径35. 现在将这个圆输出成IGES 文件 a01.igs 第四章第四章 产品数据交换技术产品数据交换技术 起始段 结束段参数段 索引段 全局段 第四章第四章 产品数据交换技术产品数据交换技术 元素类型 曲线圆 起点X坐标起点Y坐标终点X坐标 终点Y坐标 圆心Z坐标圆心X坐标圆心Y坐标 第四章第四章 产品数据交换技术产品数据交换技术 3. IGES元素在应用中的问题和发展 。 成功的应用：不同CAD系统之间工程 图样之间的转换；CAD和NC系统之间的 连接；CAD和有限元方法FEM（Finite Element Method）系统之间的连接。 第四章第四章 产品数据交换技术产品数据交换技术 IGES格式转换成CAD/CAM系统的数 据格式时常会出现问题 ： 1)1)元素类型有限元素类型有限 主要是点、线、面几 何信息，没有体的信息。在转换的过程里 非几何信息会发生丢失。 2)2)占用的存储空间大占用的存储空间大 由于采用固定的数 据格式和存储长度，IGES文件是稀疏的。 巨大的文件导致许多CAD/CAM系统难以 处理。 第四章第四章 产品数据交换技术产品数据交换技术 3）时常发生转换错误时常发生转换错误 由于语法上的二 义性造成解释错误。最差的情况是因一个或几 个实体无法转换，使整个图形都无法转换。这 时可通过另一个CAD/CAM系统来进行转换， 如欲把某IGES文件转换成CATIA，可先把该 IGES文件转换成UGII，再通过UGII的IGES 转换器转换成IGES格式，然后经CATIA的后 处理器转换成CATIA的数据格式。 第四章第四章 产品数据交换技术产品数据交换技术 在转换数据的过程中经常发生某个 或某几个小曲面丢失的情况，这时可利 用原有曲面边界重新生成曲面；但当子 图形丢失太多时，则可通过前述第一种 类似方式进行转换。 第四章第四章 产品数据交换技术产品数据交换技术 某些小曲面(Face)在转换过程中变 成大曲面(Surface) 不能把两个零部件的信息放在一个 文件中；不能转换零件的属性信息； 第四章第四章 产品数据交换技术产品数据交换技术 4.2.2 产品数据交换标准STEP（Standard for the Exchange of Productor Model Data） 1984年ISO/TC1/SC4/在法兰克福确定了 STEP。它是一个描述怎样表达和交换数字 化产品信息的ISO标准（ISO10303）。 STEP涵盖了几何、拓扑、公差、约束 、属性、装配、尺寸和其它许多方面的内 容。 第四章第四章 产品数据交换技术产品数据交换技术 STEP被构造成一个由多个分部组成的 ISO标准。它的基本分部已经完成并公布， 但是多数正在发展中。这部分标准除了专 门的工业信息外，还包括了一些通用领域 如测试过程、文件格式和编程接口。STEP 最为重要的一点是可扩充性。它建立于这 样一种语言之上：对任何需要交换的工程 信息，这种语言均能规范描述其结构和正 确性条件。 第四章第四章 产品数据交换技术产品数据交换技术 1.STEP的组成 包括以下5方面的内容： 第四章第四章 产品数据交换技术产品数据交换技术 STEP七个 系列文件 第四章第四章 产品数据交换技术产品数据交换技术 2.STEP的数据交换实现方法： a. 文件交换 通过WSN语言将Express语言描述的产 品模型转换成易读的中文编码中性文件 由标题段、数据段组成的顺序文件。 b. 应用编程接口 应用程序利用STEP提供的SDAI来获得 和操作数据。 第四章第四章 产品数据交换技术产品数据交换技术 c. 数据库 通过共享数库据来实现。数据库的内 部格式和应用解释模型的格式一致， 应用系统直接向数据库进行查询、存 储数据。 第四章第四章 产品数据交换技术产品数据交换技术 3. STEP规范中的产品数据模型描述 ： STEP采用面向对象的信息建模方法， 基本模型 应用模型 产品信息 几何模型、拓扑模型、形状模型、 形状特征模型、公差模型、表面状 况模型、材料模型、显示模型 基本模型上的附加信息，对于特定的 领域是必不可少的，建筑、工程、结 构、机械、船舶、汽车、电子等。 第四章第四章 产品数据交换技术产品数据交换技术 l总结 lSTEP标准作为产品数据模型描述的标准 格式应用越来越广。有的学者认为， STEP将成为全球工程技术人员在计算机 环境下进行交流的标准语言。 第四章第四章 产品数据交换技术产品数据交换技术 4.2.3 形状特征形状特征在STEP标准中的表达方法 形状特征的特点形状特征的特点：具有一定的几何形 状，是产品信息的携带者，具有工程意义 。 STEPSTEP中特征的定义：中特征的定义：形状特征是为了 某种应用的目的，而预先构想的模型或者 说是模板。在一个产品中，它是整个产品 形状的一部分，是模板的一个体现。形状 特征能够按照它本身的形状以及它与其它 部分的关系来描述。 第四章第四章 产品数据交换技术产品数据交换技术 形状特征（形状特征（Form FeatureForm Feature）是STEP 标准中集成资源的一部分。它是符合一定 原型（preconceived pattern or stereotype） ，并与特定应用有关的几何形状；即形状 特征同时包含参数化的标准几何形状信息 和相应的应用领域的工程信息 。 第四章第四章 产品数据交换技术产品数据交换技术 在当前的CAD系统中，一般都有特征 功能，但是特征种类和应用方法各不相同 。在不同CAD系统之间进行数据交换时， 这部分信息是无法交换的。因此我们有必 要知道在当前最重要的数据交换标准之一 STEP中对于特征是怎样归纳和处理的。 第四章第四章 产品数据交换技术产品数据交换技术 有关有关AP214AP214中的特征介绍：中的特征介绍： AP214是关于汽车机械设计过程的应 用协议（Core Data for Automotive Mechanical Design Process）。 该协议定义了在汽车设计过程中各个 开发阶段的内容、范围和信息需求 。该 协议至少覆盖小汽车、卡车、大客车和摩 托车 ；根据美国和欧洲的研究和实践， AP214同样也可以适用于航空工业和其它 机械制造业 。 第四章第四章 产品数据交换技术产品数据交换技术 特征的分类 实体特征 板金特征 分布特征 过渡特征 第四章第四章 产品数据交换技术产品数据交换技术 a.实体特征 坑特征（袋） 筋特征 圆孔特征 键槽 突台 复合体特征 第四章第四章 产品数据交换技术产品数据交换技术 定位特征包含四个属性，分别为： 底半径（base_radius） 是指在钣料与 定位特征侧壁之间的过渡半径。 直径（diameter） 圆锥的底部直径。 顶半径（tip_radius） 圆锥的顶部小 圆半径 顶部尖角（tip_angle） 圆锥的顶部尖 角。 第四章第四章 产品数据交换技术产品数据交换技术 c. c. 分布特征分布特征 分布特征（Replicate_feature）表达一 组相同的形状特征按一定规则的排列，比 如齿轮的齿、阵列孔等。在AP214中，定 义了三种分布特征： 圆形阵列（circular_pattern） 矩形阵列（rectangular_pattern） 一般阵列（general_pattern） 第五章第五章 数控加工编程基础数控加工编程基础 5.1 5.1 概概 述述 狭义狭义CAMCAM，计算机辅助编制数控加，计算机辅助编制数控加 工指令工指令 第五章第五章 数控加工编程基础数控加工编程基础 CAM是CAD/CAM系统的重要模块之 一。由CAD系统所生成的产品几何模型以 及与制造有关的产品非几何信息在CAM 系统中转换为产品的加工工艺方案并提交加工工艺方案并提交 数控机床实施加工数控机床实施加工。 设计与制造所用模型的唯一性可以保 证产品的精确定义与制造；应用CAM系 统，产品制造工程师可以在产品的零件模 型上完成全部加工过程的模拟，选择最优 化的加工方法，并通过对刀具轨迹的验证 以确认加工的正确性、公艺性和可靠性。 第五章第五章 数控加工编程基础数控加工编程基础 5.1 CAM系统的发展过程 1. 19501. 1950年代年代，手工穿孔纸带进行编程 加工。改进的编程指令是近似汇编语言的 数控语言。 APT（Automatic Programming Tool ）语言结构简单，其处理器可以完成二维 和三维的刀具轨迹计算和插值运算。APT 语言至今仍然被广泛使用，而且成为许多 数控编程语言发展的基础。 第五章第五章 数控加工编程基础数控加工编程基础 2. 1970 2. 1970年代，年代，在小型机上出现了 CAD/CAM集成系统。该系统基于统一的 数据库，用户可以通过交互系统直观地、 方便地检查刀具轨迹的生成情况。图形可 以缩放、旋转，刀具轨迹可以修改或修剪 。这些系统的输出文件类似于APT语言所 写的刀具位置文件（刀具位置文件（CLFCLFCutter Locator Cutter Locator FileFile），系统还带有后置处理器（Post Processor），将这些文件转换为机床数控 系统所能够接受的数控语言（数控语言（NC CodeNC Code） 。 第五章第五章 数控加工编程基础数控加工编程基础 方案设计 机床 用户定义 后置处理 DNC 刀具轨迹生 成和模拟 几何定义 NC纸带机床控 制器 第五章第五章 数控加工编程基础数控加工编程基础 5.2 CAM系统的基本组成 目前CAM系统的应用大致可以分为几 种类型： 1. CAD/CAM系统完全独立，程序员 完成一个零件的刀具轨迹后，通过穿孔纸 或磁盘磁带将NC控制程序送入数控机床进 行加工。一般小规模的工厂企业中应用。 第五章第五章 数控加工编程基础数控加工编程基础 2. CAD/CAM系统与单个数控机床或 若干台机床以一定的控制网络互连，刀具 定位文件经过CAM系统后处理得到NC代 码，然后NC代码直接送入数控机床进行 加工。一般见于中小型企业中。 3. CAD/CAM系统通过一定的控制网 络互相连接，并在车间一级的局域网上通 过一定的生产管理系统，对产品制造制定 作业计划，对机床加工负荷进行合理调配 ，优化加工资源。一般用于大中型企业。 第五章第五章 数控加工编程基础数控加工编程基础 CAM系统从用途上分类一般有： 1. 1. 两轴至两轴半的加工，主要是二维 加工并阶段性沿第三轴扩展。 2. 2. 三轴以上的切削加工，主要是曲面 加工，曲面雕刻加工。 3. 电火花加工EDN（包括2轴以上） 4. 线切割加工 5. 板金加工 第五章第五章 数控加工编程基础数控加工编程基础 CAM按刀具的运动方式划分： 1. 点到点（Point to Point），孔加工 。 2. 线加工，包括直线、平面曲线和空 间曲线。 3. 曲面加工。 第五章第五章 数控加工编程基础数控加工编程基础 5.3 后置处理与NC 后置处理将CAD/CAM系统生成 的刀具定位文件转换成数控系统能够识别 的数控程序。 第五章第五章 数控加工编程基础数控加工编程基础 5.4 数控系统中的基本概念和术语 1.数控机床的机床坐标系统（MCS） 直线运动为按右手判定方向的直角坐 标系。Z轴应该和机床的传递主功率的 主轴轴线一直；X轴水平且和工件的装 夹平面平行，与Z轴垂直；Y轴与X、Z 轴垂直，方向按右手定律确定。 铣床的机床坐标系 第五章第五章 数控加工编程基础数控加工编程基础 绕X、Y 、Z轴的旋转 和摆动运动 ，定义为A、 B、C轴 第五章第五章 数控加工编程基础数控加工编程基础 2. 切削刀具的参数定义 a）平铣刀（END MILL） b）圆角铣刀（BULL NOSE CUTTER ） c）球头铣刀（BALL NOSE CUTTER ） 第五章第五章 数控加工编程基础数控加工编程基础 3. 切削加工中的阶段划分（8个阶段） 第五章第五章 数控加工编程基础数控加工编程基础 第五章第五章 数控加工编程基础数控加工编程基础 演示加工过程 第五章第五章 数控加工编程基础数控加工编程基础 5.5 数控编程 讨论刀具的运动轨迹，两轴加工、两 轴半加工、三轴加工、四轴和五轴加工。 5.5.1 二维数控编程的基本原理 确定零件的加工轨迹、尺寸和工艺参数以 及辅助功能等信息，编制成按一定格式书写的 数控程序，然后提交数控系统，控制数控机床 加工。 第五章第五章 数控加工编程基础数控加工编程基础 1. 程序结构 1) 程序号 2) 程序段号 3) 准备功能G代码 4) 尺寸字 5) 进给速度 6) 主轴功能 7) 刀具功能 8) 辅助功能 9) 刀补功能 10) 暂停功能 11) 程序号指定 12) 循环次数 13)其他参数 第五章第五章 数控加工编程基础数控加工编程基础 第五章第五章 数控加工编程基础数控加工编程基础 2.手工数控编 程例子 X Y 4 32 1 X 20 50 20 50 直线编程 第五章第五章 数控加工编程基础数控加工编程基础 第五章第五章 数控加工编程基础数控加工编程基础 圆弧编程例图 第五章第五章 数控加工编程基础数控加工编程基础 圆弧a程序: G91 G02 X30.0 Y30.0 R30.0 F100 圆弧b程序： G91 G02 X30.0 Y30.0 R-30.0 F100 第五章第五章 数控加工编程基础数控加工编程基础 第五章第五章 数控加工编程基础数控加工编程基础 第五章第五章 数控加工编程基础数控加工编程基础 3.CAD/CAM集成系统中G代码的获得 CAD几何模型 加工对象：孔、 路径、加工面 加工刀路 刀具定位源 文件（CLSF） G代码 第五章第五章 数控加工编程基础数控加工编程基础 4.CAM系统编程要考虑CAM所特有的工 艺和在工程意义上的一定规则与要求 ： 1) 刀具半径补偿 第五章第五章 数控加工编程基础数控加工编程基础 刀具半径补偿功能的 优越性： q在编程时可以不考虑 刀具的半径，直接按图 样所给的尺寸编程，只 要在实际加工时输入刀 具的