CAD,CAM建模方法与发展.doc

CAD/CAM的基本术语计算机的出现和发展，实现了将人类从脑力劳动解放出来的愿望。早在三四十年前，计算机就已作为重要的工具，辅助人类承担一些单调、重复的劳动，如辅助数控编程、工程图样绘制等。在此基础上逐渐出现了计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助工艺过程设计（CAPP）及计算机辅助制造（CAM）等概念。 计算机辅助设计（Computer Aided Design，CAD)指工程技术人员以计算机为辅助工具来完成产品设计过程中的各项工作，如草图绘制、零件设计、装配设计、工程分析等，并达到提高产品设计质量、缩短产品开发周期、降低产品成本的目的。 计算机辅助工艺过程设计（Computer Aided Process Planning, CAPP)指在工艺人员借助于计算机，根据产品设计阶段给出的信息和产品制造工艺要求，交互地或自动地确定产品加工方法和方案，如加工方法选择、工艺路线确定、工序设计等。 计算机辅助制造（Computer Aided Manufacturing，CAM)计算机辅助制造有广义和狭义两种定义。广义CAM是指借助计算机来完成从生产准备到产品制造出来的过程中的各项活动，包括工艺过程设计（CAPP)、工装设计、计算机辅助数控加工编程、生产作业计划、制造过程控制、质量检测与分析等。狭义CAM通常是指NC程序编制，包括刀具路径规划、刀位文件生成、刀具轨迹仿真及NC代码生成等。设计制造过程分析 由于计算机的硬件结构截至目前为止，仍是冯诺依曼的结构，即集中的、顺序的控制，因此，决定了计算机的工作是一种系统化、格式化的工作。计算机辅助设计与制造也不例外，其前提是设计、制造过程的算法化、规律化，否则，计算机将无能为力、不能胜任。要先将设计、制造过程程式化，就必须研究其中的规律及人脑的思维活动。 根据设计方法学的观点，设计过程可以划分为若干个设计阶段，各设计阶段又可划分为若干个设计步骤。设计、制造过程概括图示. 任何产品的设计、制造过程往往是从市场需求分析开始的，根据需求确定产品的性能，建立产品的总体设计方案，进行综合分析论证；在此基础上，设计具体结构，包括结构方案的优化、评估，几何参数、力学特性的分析计算；最后得到产品的设计结果。完成实际工作之后，需对产品的几何形状和制造要求作进一步分析，设计产品的加工工艺规程，进行生产准备，随后，加工制造，装配，检验。 设计的分类 深入研究各个阶段的主要任务，可将设计划分为： 功能设计： 确定产品功能和结构之间的对应关系。布局设计： 完成技术实体部分（零部件）的排列组合。参数设计： 定义零部件的几何形状及尺寸参数。公差设计： 制定形状、位置及尺寸精度。CAD/CAM技术应用的可能性、必要性和迫切性据统计，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%属于创新设计。某些标准化程度高的领域，参数化设计达到50%左右。上述数据说明，工程技术人员的大部分时间和精力是消耗在重复性工作或局部小修小改之中了，不可能有充沛精力去从事创造性劳动，也不会有足够的时间去学习掌握新知识和新技能，久而久之，人的创造性思维能力也会随着日复一日、年复一年的重复、繁琐的劳动而萎缩。尤其在市场竞争剧烈的条件下，很难适应发展的需要。因此，使设计方法及设计手段科学化、系统化、现代化，实现CAD是非常必要的。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，也存在着繁琐而重复的密集型劳动束缚工艺人员、难以从事创造性开拓工作的问题。因此，迫切需要CAPP技术。再考察制造阶段的生产状况。从机械制造行业来看，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%的时间是在机床上，而在这个5%的时间中，又只有30%的时间用于切削加工。由此可见，零件在机床上的切削时间只占零件在车间停留时间的1.5%。要提高零件的加工效率、改善经济性，就要减少零件在车间的流通时间和在机床上装卸、调整、测量、等待切削的时间。而做到这一点必须综合考虑生产的管理、调度、零件的传送和装卸方法等多方面因素。这需要通过计算机辅助人们作全面安排，控制加工过程。上述设计、制造过程分析说明了CAD/CAM技术应用的可能性、必要性和迫切性。从计算机科学的角度看，设计与制造的过程是一个关于产品信息的产生、处理、交换和管理的过程。人们利用计算机作为主要技术手段，对产品从构思到投放市场的整个过程中的信息进行分析和处理，生成和运用各种数字信息和图形信息，进行产品的设计与制造。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（分系统）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。CAD/CAM系统选用原则 系统设计的总体原则实用化原则CAD/CAM系统是一项实用性、针对性很强的技术，具有高投入、高产出、高风险的特征。实施CAD/CAM技术必须以实用化为前提，否则很难带来经济效益和社会效益。设计系统时必须明确应用领域和对象，要达到的目标及需要的关键技术。适度先进性原则CAD/CAM技术是一项处于不断发展和完善中的技术。在设计系统时，要有发展的眼光，对CAD/CAM技术的未来有一定的预测，选用实用性强、技术先进且成熟的设备与软件，降低投资风险。系统性原则系统性原则有两方面的含义，一是指在系统设计时要充分考虑功能、软硬件配置上的完整性，二是指充分考虑各硬件设备和软件在功能、性能方面的匹配。由此确定系统集成水平，提出对系统硬件、软件、数据库、网络、接口的具体要求。整体设计与分步实施原则如上所述，CAD/CAM是处于不断发展和完善中的高投入高风险技术，在进行设计时既要考虑实用性和企业承受能力，又要考虑先进性和系统性。要求将近期目标与长远目标相结合。设计时充分考虑系统性、完整性和先进性，实施时充分考虑实用性和承受能力，分步实施，逐步建设。建模的基本概念与基本要求 基本概念建模就是以计算机能够理解的方式，对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。在CAD/CAM中，产品或零部件的设计思想和工程信息是以具有一定结构的数字化模型方式存储在计算机内部的，并经过适当转换提供给生产过程各个环节，从而构成统一的产品数据模型。模型一般由数据、数据结构、算法三部分组成。 基本要求建模技术是系统的核心，建模的过程依赖于计算机的软硬件环境、面向产品的创造性过程。建模技术应满足以下要求：1.建模系统应具备信息描述的完整性 2.建模技术应贯穿产品生命周期的整个过程 3.建模技术应为企业信息集成创造条件线框建模的基本原理 定义线框建模是利用基本线素来定义设计目标的棱线部分而构成的立体框架图。线框建模生成的实体模型是由一系列的直线、圆弧、点及自由曲线组成，描述的是产品的轮廓外形。在计算机内部生成三维映像，还可实现视图变换及空间尺寸的协调。 数据结构线框建模的数据结构是表结构，在计算机内部存贮的是物体的顶点和棱线信息。下图为一立方体的线框模型。表分别为立方体的顶点表和边表，构成该物体的线框模型的全部信息。立方体的边表表面建模的基本原理 定义表面建模是将物体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的计算机内部模型。 建模方法下图描述的是表面建模的过程。 数据结构表面建模的数据结构是表结构，除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。实体建模的基本原理 定义实体建模是定义一些基本体素，通过基本体素的集合运算或变形操作生成复杂形体的一种建模技术，其特点在于三维立体的表面与其实体同时生成。 由于实体建模能够定义三维物体的内部结构形状，因此能完整地描述物体的所有几何信息和拓扑信息，包括物体的体、面、边和顶点的信息。 实体建模的优点1. 可以提供实体完整的信息； 2. 可以实现对可见边的判断，具有消隐的功能； 3. 能顺利实现剖切、有限元网格划分、直到NC刀具轨迹的生成。特征建模的概念 特征定义特征是一种综合概念，它作为“产品开发过程中各种信息的载体”，除了包含零件的几何拓扑信息外，还包含了设计制造等过程所需要的一些非几何信息。 特征建模定义特征建模是一种建立在实体建模的基础上，利用特征的概念面向整个产品设计和生产制造过程进行设计的建模方法，它不仅包含与生产有关的信息，而且还能描述这些信息之间的关系。 特征的图例行为特征建模简介 行为特征建模技术的概念是一种全新的概念，它将CAE技术与CAD建模融于一体，理性地确定产品形状、结构、材料等各种细节。产品设计过程就是寻求如何从行为特征到几何特征、材料特征和工艺特征的映射，它采用工程分析评价方法将参数化技术和特征技术相关联，从而驱动设计。 行为特征建模技术的特点1.在建模技术方面，不仅提供了创建几何模型的环境，更重要的是提供了性能分析、评价、再设计的功能，是通过设计分析导出几何模型。2.在特征技术方面，不仅保留了构建几何集合的工具，为用户进行参数化、模块化、系列化设计创造条件，而且关联的智能模型，使设计者把精力集中在智能化设计上。3.在设计意图的表达方面，不仅具备表示设计参数及其关系的形式，同时具有目标驱动式的建模能力，可以将分析评价结果驱动几何参数。 行为特征建模技术的核心要为产品开发者提供理想的设计环境，CAD系统的建模必须具备以下条件：1.智能模型：提供分析特征的方法，帮助设计者捕捉设计参数和目标。其中的特征包括：装配连接特征；运动范围特征；辅助特征；加工特征；边界特征；布线系统特征等。2.目标驱动式的设计机制：产品的形状、参数由工程要求驱动，并满足工程要求。这包括：技术指标定义；产品技术指标评价以及更改设计对技术指标的影响预测；多目标设计的综合等。3.灵活的评估手段：评估手段必须建立在具有知识获取、组织、传递和运用能力的系统之上，并能很好地表达设计意图和设计思想，并达到规范化。特别是有利于在分布式知识资源中搜索设计方案中的可能解和联想可能解，并利用分布式知识资源对解进行测试和评估。CAD/CAM技术的新发展学习目标：了解当前CAD/CAM热点研究的技术问题；密切结合专业发展动态，了解先进制造技术中的其他关键技术，扩大视野，提高对专业的兴趣。 学习内容：0.4学时思考题0.6学时多媒体在CAD/CAM中的应用多媒体技术的概念及特点了解0.7学时多媒体计算机系统的层次结构多媒体计算机的核心技术多媒体技术在CAD/CAM系统中的应用智能化技术在CAD/CAM中的应用智能化技术在CAD/CAM中的应用了解0.7学时智能制造技术的内容基于智能技术的产品敏捷开发技术虚拟现实技术在CAD/CAM中的应用虚拟现实技术的概念及特点了解0.7学时虚拟现实技术在CAD系统中的应用虚拟制造技术支持异地设计制造的CAD/CAM技术支持异地设计制造的CAD/CAM技术了解0.6学时并行工程并行工程了解0.3学时支持DFx的CAD/CAM技术支持DFx的CAD/CAM技术了解内容知识点学习要求建议自学学时支持TOP-DOWN的CAD/CAM技术支持TOP-DOWN的CAD/CAM技术了解CAD/CAM集成的概念计算机的出现和发展是为了将人类从繁琐、重复的脑力劳动中解放出来。早在三、四十年前，计算机就已作为重要的工具辅助人类承担一些单调、重复的劳动，如数值计算、工程工程图绘制和数控编程等。在此基础上，逐渐出现了计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助工艺规程设计(CAPP) 、计算机辅助制造(CAM) 、计算机辅助工程分析(CAE) 、计算机辅助夹具