计算机辅助设计第一章.ppt

1 第一章 绪论 2 1.1 计算机辅助制造工程基本概念 1.1.1 制造业、制造工程与制造系统 制造业的重要性 20世纪是以大规模生产为特征的制造业。一个国家的实力及其繁荣 ，最终将取决于其制造业所提供的产品和服务的竞争力。 工业化国家的经济总产值大约50%（日本）到68%（德国）是由制造 工业创造的 。 制造工业对国民经济的发展有决定性的影响，已成为国民经济的重要 基础，其先进与否是一个国家经济发展的重要标志。 制造业涉及机械产品制造、电气电子产品制造、仪器仪表业、轻工纺 织与服装业、化工产品制造、医药行业等诸多行业。 机械制造业 机械制造业是制造业的基础，它承担着为国民经济各部门提供各种 装备的任务。 【行业：航空、航天、船舶、汽车、装备、通用机械】 第一章 绪论 掌握： q制造业 q机械制造 业 q装备制造 业 了解： q大规模生 产 q大规模定 制 3 1.1 计算机辅助制造工程基本概念 制造过程 通过生产对象在几何形状和材料性能上的变化来为社 会提供所需的产品与服务。【冷工艺、热工艺】 制造技术 为工业界生产一系列创新的成本上有竞争能力和高质量 的产品与服务投入市场打下基础，是支撑制造工业的关键。 现代的制造技术是融合集成机械与结构技术、设计与工 艺技术、计算机控制与辅助技术、自动化技术、信息技术、 微电子技术、材料技术、财会金融与工商管理为一体，综合 应用于市场开拓、产品供销、设计、加工、检测、生产管理 与售后服务全过程。 q 按制造过程划分，制造技术包括设计技术、制造工程 技术、经营管理技术、加工与制造过程控制技术等。 q 按技术领域划分，制造技术包括设计技术、精密成形 与加工技术、快速成型（RP，Rapid Prototyping）技术、制 造自动化与计算机辅助制造技术、系统管理技术等。 第一章 绪论 掌握： q制造过程 q制造技术 及分类 4 1.1 计算机辅助制造工程基本概念 制造工程技术 是将工程科学与分析方法应用于产品设计与制造、制造过程与系统 的控制等所形成的专业化知识、技术与技能。 制造工程 是从产品设计到制造过程实现的中间环节和支撑体系，是制造技术 的重要组成部分。其基本活动包括：产品设计与规范的可制造性审查； 制造工艺过程的选择与设计；产品制造、装配与测试的方法和顺序的确 定；生产设备的选择与设计；工装与测试设备的选择与设计；工厂建筑 、机器、设备、材料与储存设施的布置；工时定额的确定；制造成本估 计、分析与转换研究；生产管理、协调与控制等。 制造系统 以系统论、信息论和控制论等所形成的系统科学和方法论为工具， 从系统各组成部分之间的相互联系、相互作用、相互制约的关系来分析 和研究制造过程，制造系统是由物质流、能量流、信息流三个基本要素 组成的，而信息流的引入是形成制造系统最关键的因素。 第一章 绪论 掌握： q制造工程 技术 q制造工程 q制造系统 5 1.1 计算机辅助制造工程基本概念 离散型制造 产品要通过有限次数的生产或装配操作，制造过程 的各个环节之间可以彼此关联或不关联。机电产品和机 械制造过程是一种典型的离散生产过程。 本书主要讨论离散型制造，特别是机械加工零件的 加工制造。 连续处理型（流程型）制造 是连续性产品的生产，其整个处理过程是通过阀门 、泵、加热器等进行控制的，例如，化工行业中的一种 化学反应将原材料转变成最终产品，这类生产也称为流 程型生产 。 第一章 绪论 掌握： q离散型制 造 q连续处理 型（流程型 ）制造 6 1.1 计算机辅助制造工程基本概念 1.1.1 制造业、制造工程与制造系统 第一章 绪论 制造系统 制造工程 生 产 管 理 工 艺 设 计 数 控 编 程 设 备 设 计 工 装 设 计 制造过程 存 储 运 输 零 件 加 工 产 品 装 配 经营管理 财 务 会 计 市 场 策 划 营 销 管 理 产品设计 概 念 设 计 结 构 设 计 详 细 设 计 工 程 分 析 图1.1 制造系统构成 7 第一章 绪论 产品开发 工艺规划 加工 库存 装配 包装 发货 运输 售后服务 回收利用 经营管理功能产品设计与制造功能 信 息 交 换 与 反 馈 图1.2 制造系统的两大功能主线 订单控制（销售 ） 主生产计划 物料需求计划 能力需求计划 生产指令发送 生产控制 生产数据采集 生产计划调整 质量管理 财务管理 成本核算 销售管理 后勤管理 客户满意度 更短的开发周期 高质量 低成本 创新速度 全球化的市场 产品的生命周期越来越短 8 设计 样机 产品发布 工程变更 维护/服务 概念 生产制造 信息 信息信息 信息 信息 信息 信息优势已逐渐成为企业竞争的优 先级竞争优势。 信息 加速了制造技术创新速度和新产品开发节 奏，提高了制造业自身素质与水平。制造企业 第一章 绪论 计算机技术在制造中应用的意义 9 第一章 绪论 1.1.2 计算机技术在制造工程中的应用及发展历史沿革 随着计算机技术的迅速发展，企业的制造工程环境发生了一系列 的革命性变化，计算机技术在产品设计、工艺过程设计、工装设计与制 造、数控编程与仿真、生产管理等方面得到了广泛的应用。 计算机辅助制造工程（CAME） 它是指计算机技术在制造工程中的应用技术的总称。 1计算机技术在制造工程中的应用 q 辅助作用：主要体现在数值计算、数据存储与管理、图形处理、 逻辑决策等方面。 q 计算的优越性：复杂运算精确度和准确性、人工错误避免、设计 分析方法的实现，例如优化方法、有限元分析等（CAE），离开计算 机便难以实现 。 q 存储管理的优越性:可靠的记忆能力，数据存储与管理方面发挥 重要作用 ,数据资料检索方面。 q 计算机辅助绘图：设计工作量的60%以上 ，重复使用，可以进行 修改与编辑。 q 智能特性： CAD/CAM、 人工智能技术，提高之咱系统智能水平 。 掌握： q计算机辅 助制造工程 q计算机技 术在制造工 程中的应用 10 第一章 绪论 1.1.2 计算机技术在制造工程中的应用 及发展历史沿革 2计算机辅助制造工程的发展历史沿革 CAME技术的发展是以各种计算机辅助单元技术在制造工程 某些环节上的应用为起点，它以相关的基础技术的发展为基础。 计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助工艺设计（CAPP） 、计算机辅助数控加工与测量、计算机辅助工装设计、计算机辅 助企业生产管理等一系列计算机辅助单元技术的发展，而这些计 算机辅助单元技术随着计算机技术及相关基础技术的发展而不断 完善，并向CIMS等先进制造系统模式发展。 计算机辅助技术支持环境：1、2、3、4代计算机。 计算机辅助技术支持系统：FEA、APT、GT、CAD、MRP 、CAPP、CAD/CAM、MRPII、CIMS。 掌握： q计算机辅 助单元技术 q计算机辅 助设计 q计算机辅 助工艺设计 q计算机辅 助数控加工 与测量 q计算机辅 助工装设计 q计算机辅 助企业生产 管理 qCAME技术 支持环境 qCAME技术 支持系统 11 第一章 绪论 图1.2 计算机辅助制造工程技术的发展 12 第一章 绪论 q20世纪纪40年代中期第一台计计算机的问问世及其发发展 q1952年，美国麻省理工学院（MIT）研制了世界上第一台数控机床 q第一台平板绘图仪绘图仪 ，第一台滚滚筒式绘图仪绘图仪 q成组组技术术(Group Technology, GT)的概念和方法 q零件分类编码类编码 系统统 q交互式图图形生成与显显示的基本理论论和技术术 q计计算机辅辅助工艺过艺过 程设计设计 (Computer Aided Process Planning, CAPP)技术术 q计计算机数字控制（Computer Numerical Control）、直接数控（DNC Direct Numerical Control）和自适应应控制等技术术 q物料需求计计划（MRP, Material Requriements lanning）技术术 q制造资资源计计划（Manufacturing Resources Planning） qERP（nterprise Resource Planning） q计计算机集成制造系统统（CIMS，Computer Integrated Manufacturing System） q柔性制造系统统（FMS，Flexible Manufacturing System） 13 第一章 绪论 1.1.2 计算机技术在制造工程中的应用 及发展历史沿革 计算机辅助制造系统的新模式 q并行工程（CE，Concurrent Engineering） q敏捷制造（AM，Agile Manufacturing） q虚拟制造（VM，Virtual Manufacturing） q智能制造（IMT，Intelligent Manufacturing Technology） 掌握： qCE qAM qVM qIMT 14 第一章 绪论 1.2 计算机辅助制造工程技术体系与内容 1.计算机辅助制造工程技术体系 第1个层层次是以计计算机辅辅助制造工程应应用软软件及其它相 关的计计算机辅辅助软软件有机结结合与集成所构成的基于CIMS 等先进进制造系统统模式的计计算机辅辅助制造系统统。 第2个层层次由计计算机辅辅助产产品设计设计 、计计算机辅辅助制造工 程、计计算机辅辅助企业经营业经营 管理等专业专业 化技术术与软软件以及 相应应的基础础技术术与集成技术术所构成。 第3个层层次由数控机床、存储储运输输装置等制造硬件环环境 和计计算机硬件、支撑软软件环环境、计计算机网络络等计计算机环环境 构成。 掌握： q计算机辅 助制造工程 技术体系 q计算机辅 助制造系统 qCAME基础 技术与集成 技术 q计算机环 境 15 第一章 绪论 1.2 计算机辅助制造工程技术体系与内容 1.计算机辅助制造工程技术体系 基于CIMS等先进制造系统与模式的计算机辅助制造系统 计算机辅助制造工程技术与软件 计算机辅助产品设计 计算机辅助工艺设计 计算机辅助工装设计与管理 计算机辅助制造 计算机辅助生产管理等 计算机 辅助 企业 经营管理 技术与软件 计算机 辅助 数控加工 与 生产过程控制 技术与软件 基础技术与集成技术 GT、数据管理与数据库技术、人工智能技术、人机一体化技术、集成技术等 制造硬件环境 数控机床、存储运输装置等 计算机环境 计算机硬件与系统软件、计算机网络与 Internet/Intranet等 图1.3 计算机辅助制造工程技术体系 16 第一章 绪论 1.2 计算机辅助制造工程技术体系与内容 2. 计算机辅助制造工程基础技术 （1）成组技术（GT） 成组组技术术（GT，Group Technology）是提高多品种 、中小批量机械制造业业生产产效率和水平，增加生产产效益的 一种基础础技术术。 （2）数据管理与数据库技术 产产品的开发发制造过过程实质实质 上是一个数据采集、传递传递 和 加工处处理的过过程，其制造形成的产产品可以看作是数据的物 质质表现现。因此如何实现产实现产 品数据的收集、存储储、处处理和共 享是计计算机辅辅助制造工程的共性技术术和基础础技术术，数据库库 技术术与数据交换换技术术的发发展为计为计 算机辅辅助制造工程的发发展 提供了良好的基础础。 概念： q成组技术 q数据管理 q数据库技 术 17 第一章 绪论 1.2 计算机辅助制造工程技术体系与内容 2. 计算机辅助制造工程基础技术 （3）人工智能与专家系统技术 在制造智能化发发展中，人们们将人工智能融进产进产 品设计设计 、工艺过艺过 程设计设计 、生产计产计 划调调度、工艺过艺过 程控制等制造 系统环节统环节 ，使计计算机能够够帮助人们们完成一定的逻辑逻辑 决策功 能，从而提高制造系统统各个环节环节 的智能水平。其中以专专家 系统统为为代表的符号化人工智能技术术在计计算机辅辅助制造工程 中得到广泛应应用，成为实现计为实现计 算机辅辅助制造工程智能化的 重要基础础技术术。 (4）人机一体化技术 在计计算机辅辅助制造工程技术术的应应用开发发中，注意人和 计计算机有机结结合，恰当地发挥发挥 二者的作用十分重要。 概念： q人工智能 q专家系统 q人机一体 化 18 第一章 绪论 人机的特点 q经验经验 与判断 ，设计过设计过 程必须须由人控制 ，算机完成一些工作量大的 选择选择 性逻辑逻辑 决策任务务，而不必片面追求决策的自动动化 。 q人可以从过过去的设计设计 中学习习，总结经验总结经验 ，而计计算机的学习习能力差 ，学习习的任务应务应 由人来完成 。 q数值值分析工作，计计算机可高速精确地完成 。 q计计算机具有永久存储储信息的能力，对对重复性工作有极强的耐力。 q计计算机具有系统检错统检错 的能力，人则则可用直觉觉方式检错检错 。 q改正错误错误 、修放设计设计 的任务应务应 通过过人的控制来完成 。 人和计计算机在计计算机辅辅助制造工程中起着不同的作用，人的主要 作用是控制整个设计过设计过 程，利用自身的经验经验 、直觉觉思维维和想象力进进 行创创造性的工作；计计算机的作用则则是扩扩展人脑脑的记忆记忆 功能，加强设设 计计者的分析能力，将设计设计 者从繁琐琐的重复性的工作中解放出来，在 计计算机辅辅助技术术中人与计计算机相结结合，共同进进行设计设计 。 19 第一章 绪论 1.2 计算机辅助制造工程技术体系与内容 3. 计算机辅助制造工程单元技术 （1）计算机辅助设计(CAD) ，Computer Aided Design技术术具有两层层含义义：一 层层含义义是指产产品零件与工程的计计算机辅辅助设计设计 ，另一层层含义义 是指计计算机图图形学、几何造型、图图形数据存储储与管理、标标准件 库库等基础础技术术。 （2）计算机辅助工艺过程设计（CAPP） 工艺设计艺设计 确定制造过过程及制造所需的制造资资源、制造时间时间 等，是完成产产品设计设计 信息向制造信息转换转换 的关键键性环节环节 。 CAPP技术应术应 用对对于缩缩短产产品制造周期，提高产产品质质量，降低 产产品成本具有重要意义义。 （3）计算机辅助工装设计 工艺艺装备备设计设计 的过过程中，要把大量的人力、时间时间 花费费在繁 琐琐的资资料检检索、分析计计算、绘图绘图 、编编制文件等工作上，采用计计 算机辅辅助设计设计 技术术，可显显著地提高设计设计 效率和质质量，从而缩缩短 产产品开发发周期。 概念： qCAD qCAPP q计算机辅 助工装设计 20 第一章 绪论 1.2 计算机辅助制造工程技术体系与内容 3. 计算机辅助制造工程单元技术 （4）计算机辅助制造（CAM） 从广义义角度，是指利用计计算机来完成从原材料到产产 品的全部制造过过程，其中包括制造过过程监监控与控制等直接或“在 线线”（On Line）制造过过程和、编编程、生产产管理等 间间接制造过过程或“离线线”（ff Line）支援辅辅助功能。在此意义义 上，包含了本书书所论论述的计计算机辅辅助制造工程概念；从 狭义义角度，通常是指一些主要的离线线支援功能，甚至被 看作编编程的同义词义词 。在本书书中，主要是指编编程等离线线 支援辅辅助功能。 （5）计算机辅助生产管理 计计算机辅辅助生产产管理系统统或生产产管理信息系统统是企业业管理 信息系统统的重要组组成部分。它根据市场预测场预测 、客户订单户订单 、指令 性计计划等，制定产产品交付、零部件配套的主生产计产计 划，并编编制 包括生产产作业计业计 划和采购购供应计应计 划的物料需求计计划。在制造过过 程中，以车间为单车间为单 元，以能力需求和平衡为为依据，对车间对车间 内部 进进行动态调动态调 度和控制。 概念： qCAM q计算机辅 助生产管理 21 第一章 绪论 1.2 计算机辅助制造工程技术体系与内容 4. 计算机辅助制造工程集成技术 （1）面向装配的设计（DFA）与面向制造的设计（ DFM）技术 在制造企业业中，产产品设计设计 与工艺设计艺设计 相对对独立 ，甚至分属于不同部门门，造成了工艺艺从属与设计设计 、 工艺艺与设计设计 相脱离等现现象，严严重影响了制造技术术的 发发展。 面向装配的设计设计 （DFA，Design for Assembly） 与面向制造的设计设计 （DFM,Design for Manufacture） 。 实现实现 DFA/DFM的关键键是CAPP及工装CAD等系统统 ，能与产产品设计动态设计动态 集成，随时时向产产品设计设计 系统统 提供产产品可制造性的评评价信息。 概念： q集成技术 qDFA qDFM 22 第一章 绪论 1.2 计算机辅助制造工程技术体系与内容 （2）特征基CAD/CAPP/CAM集成技术 以特征技术为术为 基础础的CAD/CAPP/CAM集成技术术 ，可实现实现 NC编编程的高度自动动化，大大提高数控编编程 的效率和数控加工程序的质质量。 （3）CAPP与生产计划调度的过程集成技术 CAPP与生产计产计 划调调度的过过程集成要求CAPP在制 订订零件工艺规艺规 程时应时应 充分考虑虑机床、刀具等制造资资 源对对工艺过艺过 程的动态约动态约 束，实现实现 工艺过艺过 程的动态动态 优优化，保证证制造资资源的平衡，使整个生产过产过 程处处于 整体最优优，并且能够够在机床过载过载 、机床故障、刀具 损损坏等动态动态 偶发发事件发发生时时，及时时消除生产产阻塞， 保证证生产过产过 程的畅畅通。 概念： q特征基 CAD/CAPP/CA M集成技术 qCAPP与生 产计划调度 过程集成技 术 23 第一章 绪论 1.2 计算机辅助制造工程技术体系与内容 （4）CIMS等先进制造系统/模式下的系统集成技术 CIMS等先进进制造系统统/模式下的系统统集成，不是 制造系统统各个环节计环节计 算机辅辅助系统统的简单简单 叠加，而 是在计计算机网络络和分布式数据库库支持下的有机集成 ，它包括信息集成、功能集成、过过程集成等多方面 的集成。近年来，在系统统集成实实施中有两个很重要 的变变化： 由强调调技术术支撑变为变为 强调调技术术、人和经营组织经营组织 的集成，通过过管理把技术术、组织组织 （包括人）和经营经营 （包括策略）集成起来； 由“技术术推动动”变为变为 “需求牵牵引”，强调调用户户的 需求是成功实实施的关键键，用户户是核心。 概念： qCIMS q先进制造 系统 q信息集成 q功能集成 q过程集成 24 第一章 绪论 1.3 计算机辅助制造工程系统的计算机环境 1.3.1 计算机硬件与系统软件 1. 计算机硬件 硬件环环境主要包括主机、外存储储器、显显示设备设备 、输输入 设备设备 、输输出设备设备 等。 (1)主机 (2)显示器 (3)输入设备 (4)输出设备 2. 系统软件 计计算机系统软统软 件包括操作系统统、汇编汇编 系统统、编译编译 系统统 和诊诊断系统统等。 概念： q计算机硬 件 q系统软件 25 第一章 绪论 1.3 计算机辅助制造工程系统的计算机环境 1.3.2 计算机网络 计计算机网络络是用通信线线路将分散在不同地点、并具有 独立功能的多台计计算机系统统互相连连接，并按照网络协议络协议 进进行数据通信，实现实现 共享资资源（如网络络中的硬件、软软件 、数据等）的计计算机以及线线路与设备设备 的集合。 通讯讯网络络与各种功能的网络软络软 件相结结合，实现实现 不同 条件下的通信以支持系统统集成。 计计算机辅辅助制造工程的功能需求是多方面的，任何 一种计计算机或工作站都难难以适应应各种不同的需求；同时时 ，所使用的软软件、数据库库以及外部设备设备 也常常是多种多 样样的。 概念： q计算机网 络 q网络协议 26 第一章 绪论 1.3 计算机辅助制造工程系统的计算机环境 1.3.2 计算机网络 计计算机网络络按连连网计计算机分布的地理范围围及通信要 求的不同，有广域网（WAM）、市域网（MAN）和局域 网（LAN）三种类类型，。 局域网(Local Area Network) 指的是较较小的地理区 域内(0.125km范围围，通常是12km距离以内)高数据传传 输输率的通信网络络。局域网以各节节点相互连连接的拓扑结结构 分，有星型、总线总线 型、环环型、树树型等不同结结构，以及集 星型、环环型两种型式优优点于一身的星型环环拓扑结结构。 概念： q广域网 q城域网 q局域网 27 第一章 绪论 1.3 计算机辅助制造工程系统的计算机环境 1.3.2 计算机网络 概念： q广域网 q城域网 q局域网 28 第一章 绪论 1.3 计算机辅助制造工程系统的计算机环境 1.3.2 计算机网络 网络络通信是在网络协议络协议 的支持下进进行的，协议协议 是信 息交流规则规则 的集合。 国际标际标 准化组织组织 ISO的专门专门 委员员会曾制订订了一个开 放系统统互连连模型OSI(Open System Interconnection)。 它为为通信协议协议 的标标准化，以及分布式处处理的开放系统统的 互连连通信提供了基础础。OSI由物理层层、数据链链路层层、网 络层络层 、传输层传输层 、会话层话层 、表示层层、应应用层层等7个层层次构 成。其中，下面四层为层为 底层协议层协议 ，主要解决各种情况下 数据传输传输 的可靠性和完整性问题问题 ，上面三层为层为 高层协议层协议 ，主要为应为应 用所需的专门专门 服务务。 概念： q协议 q开放系统 互连模型 29 第一章 绪论 1.3 计算机辅助制造工程系统的计算机环境 1.3.2 计算机网络 目前，较较著名的通信协议标协议标 准有TCP/IP和 MAP/TCP/IP(Transmission Control Protocol/Internet Protocol)即传输传输 控制协议协议 /网络络互连协议连协议 ，是由美国国 防部定义义的网络协议络协议 ，相当于ISO-OSI7层层模型中的传传 输层输层 和网络层络层 。 MAP(Manufacturing Automation Protocol)是美国 通用汽车车公司(General Motor)提出的专门专门 用于生产产自 动动化的局域网协议协议 ，主要涉及生产产部门门和自动动装配线线。 TOP(Technical and Of-fice protocol)是由美国波音 公司(Boeing Company)开发发的一种用于办办公室自动动化 的局域网协议协议 。 概念： qTCP/IP qMAP qTOP 30 第一章 绪论 1.3 计算机辅助制造工程系统的计算机环境 总线总线 网是CAD/CAM集成系统统中常用的网络络形式。它的 主要优优点是：传输传输 速率高，用户节户节 点的重新配置较较容易实实 现现，网络络可靠性高，通信距离较较大等。如果用户较户较 分散， 而且信息流量不是太大时时，采用总线总线 网结结构可以获获得较为较为 理想的信息吞吐量。这这种网络结络结 构常采用“以太网 (Ethernet)”为为物理连连接介质质，已列入国际标际标 准ISO8802/3 。两个节节点的总长总长 度最大可达2.5km。当前世界上的局域 网大约约50%都采用“以太网”。 1.3.3 Internet/Intranet Internet 是一种基于TCP/IP协议发协议发 展起来的国际际互联联 网络络。 Intranet，企业业开始关注如何利用Internet技术术建立企 业业信息公路，即Intranet ，并将企业计业计 算机环环境中的资资源 与Internet集成在一起。 概念： q总线网 q以太网 qInternet qIntranet 31 第一章 绪论 1.3 计算机辅助制造工程系统的计算机环境 Web（WWW）应应用迅速成为为最广泛支持的应应用 模式。Web模式以浏览浏览 器作为为客户户端软软件，以HTML 页页面作为为用户户交互界面的描述，统统一、直观观的操作 界面和操作风风格方便了用户户的使用，减少了系统统培训训 和服务务的工作量，同时时Web模式的易用、开放和支持 动态变动态变 化等特性决定了它将成为为未来网络络信息系统统 发发展的主导导方向。以Internet/Web技术术和现实环现实环 境 的支撑, 通过过Internet/Intranet网,实现实现 异地协协同设计设计 与制造及企业业制造信息管理，为计为计 算机辅辅助制造工程 技术术提出了新的应应用与发发展需求。 概念： qWWW qWeb qHTML q异地协同 32 第一章 绪论 1.4 计算机辅助制造工程的应用与发展 计计算机辅辅助制造工程技术术的价值值在于应应用，通 过应过应 用形成新的生产产力，转转化为实际为实际 的经济经济 效益。 q系统统：包括各种计计算机应应用系统统，这这些系统统和