[工学]第一讲 概述.ppt

CAD CAM计算机辅助设计和辅助制造讲授 戚江波天津工业大学机电学院机制教研室 本课程授课方法课堂讲授上机平时成绩 结课考试 参考教材Pro ENGINEER中文野火版4 0基础教程詹友刚机械工业出版社CAD CAM技术 第2版 宁汝新机械工业出版社 第一部分绪论本课程总体可分为两部分 1 CAD CAM理论基础及其应用2 Pro E软件为例来讲述实体建模的方法 本课程的主要目的和任务 1 了解CAD CAM的基本概念 系统基本构成 2 掌握计算机绘图的基本方法和理论 3 建立工程数据库基本概念 掌握CAD CAM建模基本方法 了解各建模方法的区别 4 掌握数控自动编程方法 了解各种常用自动变成软件 学会手工编制数控加工程序 5 了解工程分析所用理论和方法 了解有限元和优化设计方法的使用和常用软件 6 了解CAPP的基本方法和内容 掌握各种CAPP系统的基本理论和使用 了解计算机辅助夹具设计的基本步骤 方法 内容 本课程的主要目的和任务 7 了解现代先进制造技术的发展方向和目前水平 8 了解Pro E软件的功能特点 9 能够熟练应用Pro E软件进行产品建模 组装 分析及编程 10 能够将Pro E模型图转化为工程图 第一章CAD CAM技术概述及其系统的支撑环境 CAD CAM技术的重要性 CAD CAM技术是随着信息技术的发展而形成的一门新技术 它的应用和发展引起了社会和生产的巨大变革 因此CAD CAM技术被视为20世纪最杰出的工程成就之一 目前CAD CAM技术广泛应用于机械 电子 航空 航天 汽车 船舶 纺织 轻工及建筑等各个领域 它的应用水平已成为衡量一个国家技术发展水平及工业现代化水平的重要标志 1989年被美国工程科学院评为1964年以来当代最杰出贡献的十项工程技术之一 第一节CAD CAM技术的基本概念 1 1 基本概念 CAD CAM CAPP CAE CAD 计算机辅助设计 Computeraideddesign CAM 计算机辅助制造 ComputerAidedManufacturing CAPP 计算机辅助工艺过程 ComputerAidedProcessPlanning CAE 计算机辅助分析 Computeraidedengineering CAD的基本概念及CAD系统基本功能 1 2计算机辅助设计 CAD 概念 工程技术人员在人和计算机组成的系统中以计算机为工具 辅助人类完成产品的设计 分析 有限元分析 仿真模拟 绘图等工作 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 CAD的基本概念及CAD系统基本功能 CAD系统的主要功能 概念设计 草图设计 结构设计 零件设计 装配设计 复杂曲面设计 真实感及渲染 绘制工程图样 工程分析 数据交换接口等 CAD的基本概念及CAD系统基本功能 CAD系统的组成图形系统 几何造型 自动绘图 二维工程图 三维实体图 动态仿真 科学计算 有限元分析 可靠性分析 动态分析 优化设计 常规计算 工程数据库 对数据 图形 文档等进行信息进行存储和管理 CAD的基本概念及CAD系统基本功能 零件造型 CAD的基本概念及CAD系统基本功能 装配设计 工程分析 CAD的基本概念及CAD系统基本功能 CAD系统功能模型 CAD 新产品开发计划 产品要求 性能规格 零件图 装配图 产品设计文件 零件信息文件 设计知识 数据库 CAD软件 计算机硬件系统 CAPP的基本概念及CAPP的基本功能 1 3计算机辅助工艺过程设计 CAPP 定义 指人与计算机组成的系统中 根据产品设计阶段给出的信息 人机交互地或自动地确定产品加工方法和工艺过程 传统的工艺设计方法局限性手工编制强度大 效率低 设计周期长 设计质量依赖于工艺人员的水平 难以最优化 标准化 CAPP的基本概念及CAPP的基本功能 CAPP的功能1 毛坯设计2 加工方法选择3 工艺路线制定4 工序设计5 刀夹具设计其中工序设计又包含机床和刀具选择 切削用量选择及加工余量分配以及工时定额计算 CAPP的基本概念及CAPP的基本功能 CAPP的功能模型 CAPP 零件几何信息 工时定额文件 工艺路线文件 零件毛坯图 工序图 零件工艺信息 工艺内容文件 计算机硬件系统 CAPP的基本概念及CAPP的基本功能 CAPP的优势将工艺设计人员从繁琐和重复性的劳动中解放出来 转而从事新产品及新工艺开发等创造性的工作 大大地缩短工艺设计周期 有助于对工艺设计人员的宝贵经验进行总结和继承 有利于工艺设计的最优化和标准化 为实现CIMS创造条件 计算机辅助制造 1 4计算机辅助制造CAM狭义CAM 通常是指计算机辅助数控加工程序的编制 包括刀具路径规划 刀位文件生成 刀具轨迹仿真 NC代码生成以及与数控机床数控装置的软件接口等 广义CAM 一般是指利用计算机辅助完成从生产准备到产品制造整个过程的活动 包括工艺过程设计 工装设计 NC自动编程 生产作业计划 生产控制 质量控制等 计算机辅助制造 刀具轨迹仿真 计算机辅助制造 狭义CAM系统功能模型 CAM 工艺路线文件 工艺内容文件 零件信息 NC加工程序 NC监测程序 加工设备 数据库 CAM软件 计算机硬件系统 CAD CAM系统的工作过程 1 10CAD CAM数据的传输过程1 CAD设计产品结构 绘制产品图样 为CAPP CAM过程准备数据 2 经数据转换接口 将产品数据转换成中性文件 如初始图形交换文件 IGES 产品数据交换标准文件 STEP 3 CAPP系统读入中性文件 并将其转换为系统所需格式后生产零件工艺过程 4 CAD CAPP系统生产数控编程所需数据并按一定标准转换成相应的中性文件5 CAM系统读入中性文件并将其转换为本系统所需格式后生成数据控制程序 这样所生成的集成系统表达式为CAD CAPP CAM 简写为CAD CAM 1 11CIMS技术产生前提 为了使计算机辅助技术给企业带来更大的经济效益 增强市场竞争力 CIMS ComputerIntegratedManufacturingSystem 将生产信息以及生产管理过程所需的全部信息进行集成 实现CIMS的核心技术是CAD CAM集成 1 6有代表意义的CAD CAM单项技术计算机辅助绘图 简称CAG ComputerAidedGraphics 计算机辅助工程分析 简称CAE ComputerAidedEngineering 计算机辅助工艺设计 简称CAPP ComputerAidedProcessPlanning 计算机辅助数控编程 简称NCP NumberControlProgramming 计算机辅助夹具设计 简称CAFD ComputerAidedFixDesign 企业资源计划 简称ERP EnterpriseResourcePlanning 计算机辅助质量控制 简称CAQ ComputerAidedQuality 产品数据管理 简称PDM ProductDataManagement 虚拟设计 简称VR CAD VirtualReality CAD 虚拟制造 简称VM VirtualManufacturing 现代产品设计过程 1 5产品生产过程与CAD CAM过程链 1 7CAD CAPP CAM的集成目前系统的局限性 目前CAD CAPP CAM系统彼此独立 不能实现系统之间信息的自动传递和交换 含义 指设计与制造过程中的CAD CAPP和CAM三个环节的软件集成 以实现各模块之间信息的自动传递和交换 优点 发挥最大经济效益 1 9CAD CAM系统集成方案CAD CAM系统集成的关键是信息的交换和共享 根据信息交换和共享程度的不同 集成方案主要有通过专用数据接口集成利用标准格式接口文件集成基于统一产品模型和数据库的集成基于产品数据管理 PDM 的系统集成 第二节CAD CAM技术的发展和应用 2 1CAD CAM技术的发展历程概念的提出 是20世纪50年代末60年代初 由美国麻省理工学院的D T Ross教授在APT AutomaticallyProgrammedTools 程序的发展基础上提出的用于自动程序设计的数控机床工具 这种语言是通过对刀位轨迹的描述来实现计算机辅助自动数控编程的系统 在发展这一程序系统的时候 人们就提出了一种设想 不描述刀位轨迹 而是直接描述被加工件的尺寸和形状 由此产生了人机协同设计加工的设想 并开始了计算机图形学的研究 第二节CAD CAM技术的发展和应用 2 2CAD技术在我国的发展CAD技术是在80年代中期才有的 七五 期间国家支持24个重点机械产品进行了CAD的开发研制 同时我国的863计划中的CIM主题也促进了CAD的发展 高速发展 是在90年代中期 几乎与国际同步 目前的CAD CAM软件有高华CAD 开目CAD CAXA等等 第二节CAD CAM技术的发展和应用 2 3CAD CAM系统的新进展计算机集成制造 CIM 并行工程 ConcurrentEngineering 智能化CAD CAM虚拟产品开发网络化设计与制造 第二节CAD CAM技术的发展和应用 计算机集成制造 CIM CIM ComputerIntegratedManufacturing 是CAD CAM技术发展的必然趋势 其最终目标是以企业为对象 借助于计算机和信息技术 使生产中各部分从经营决策 产品开发 生产准备到生产实施及销售过程中 有关人 技术 经营管理三要素及其形成的信息流 物流和价值流有机集成并优化运行 从而达到产品上市快 高质 低耗 服务好 增强企业竞争力 第二节CAD CAM技术的发展和应用 并行工程 ConcurrentEngineering 并行工程就是并行的 集成的设计产品开发的过程 它要求产品开发人员在设计的阶段就考虑产品整个生命周期的所有需要 包括质量 成本 进度 用户要求等 以便最大限度地提高产品开发效率 第二节CAD CAM技术的发展和应用 智能化CAD CAM将人工智能 专家系统应用于CAD CAM系统中 形成智能的CAD CAM系统 使其具有人类专家的经验和知识 具有学习 推理 联想和判断功能及智能化的视觉 听觉 语言能力 第二节CAD CAM技术的发展和应用 虚拟产品开发 VirtualProductDevelopment VPD VPD以计算机仿真和产品生命周期建模技术为基础 集计算机图形学 人工智能 并行工程 网络技术 多媒体技术和虚拟现实等技术于一体 在虚拟环境下 对产品进行构思 设计 制造 测试和分析 特点 以 数字化 样机代替实物样机进行仿真 分析 缩短开发周期 降低开发成本 第二节CAD CAM技术的发展和应用 网络化设计与制造借助于计算机网络技术突破地域的限制 方便 迅速地获取和交换分布在异地的资源信息 可实现资源的取长补短和优化配置 方便 可靠地提高企业的产品竞争力 快速响应能力 第三节CAD CAM系统的结构 3 1CAD CAM系统组成CAD CAM系统由三大部分组成 操作者 硬件 软件 设计者 系统软件 支撑软件 应用软件 生产设备 计算机及相关设备 计算机网络 第三节CAD CAM系统的结构 3 2CAD CAM系统应具有的功能 交互图形输入及输出功能 产品建模功能 工程分析及仿真功能 4 处理数控加工信息的功能 5 信息管理功能 第三节CAD CAM系统的结构 3 3系统软件操作系统 CPU管理 内存管理 输入输出管理 文件管理 DOS WINDOWS Unix等 编译系统与图形接口标准 将高级语言转换成汇编语言 3 4支撑软件有专门的软件公司开发 单一功能型系统 只提供某些典型功能 二维绘图 三维造型设计 工程分析计算 数据库系统 综合集成型系统 提供设计 分析 造型 数控编程 加工控制等多种功能 第三节CAD CAM系统的结构 3 5单一功能型支撑软件交互式绘图软件 完成二维工程图样的生成 AutoCAD PICAD 开目CAD 高华CAD 华正等 三维设计CAD系统 MDT Solidworks Solidedge等 数控编程系统 MasterCAM SurfCAM Caxa等 工程分析软件 NASTRAN ANSYS3 6综合集成型支撑软件这类软件功能比较完备 综合提供了设计 造型分析 数控编程等多种功能 如 I DEAS UGII CATIA PRO E CAXA等 3 7对硬件的要求1 强大的图形处理和人机交互功能 2 相当大的外存储容量 3 良好的通信联网功能 3 8CAD CAM系统的硬件计算机主机输入设备输出设备存储器网络互联设备生产装备 计算机主机 计算机系统组成 硬件 软件 硬件 软件 计算机系统 计算机硬件组成 计算机硬件组成 对主机的要求 处理速度快 存容量大 评价主机处理能力的指标 速度 字长 提高处理速度的措施 多处理器并行运算 配置协处理器协助朱处理器 采用精简指令集 计算机分类 大中型计算机 一个主机连接多个终端 昂贵 小型机 性价比优于大中型机 被工作站代替 工程工作站 采用多CPU并行处理 是理想的平台微型计算机 性价比极高 性能已接近工作站 在CAD CAM系统中已占主流 存储器的分类 内存储器 RAM 随机存取存储器 ROM 只读存储器 磁鼓机磁盘机磁带机 硬盘 C D 软盘 A B 光盘固态盘 U盘 SRAM 磁带存储器 外存储器 存储器 存储器 内部存储器访问速度快暂时性价高 存储器是计算机的记忆装置 外部存储器访问速度慢永久性价低 输入设备 输入设备是用来接受操作者输入的原始数据或程序 并将它们转变为计算机能识别的形式存放到内存中 常用的输入设备有 键盘 鼠标 数字化仪 图像扫描仪 数码相机 其它输入设备 触摸屏 输入设备 鼠标是在图形用户界面下实现指针定位的最常见输入设备 常用的鼠标器有机械式和光电式两种 鼠标常用操作1 左键单击 双击2 右键单击 双击3 转动滚轮 输出设备 输出设备用于将计算机处理的结果以人们或其它机器所能接受的形式输出 常见的输出设备有 显示器打印机绘图仪等 输出设备 图形显示器 打印机 针式打印机激光打印机喷墨打印机自动绘图机 笔式绘图机 平板式和滚筒式 喷墨绘图机 平板式和滚筒式 网络互联设备 网络适配器传输介质 有线传输介质 双绞线同轴电缆光缆无线传输介质 无线电波红外线调制解调器 利用电话线拨号上网的接口设备或中继器 集线器 网桥 交换机 路由器 网关 CAD CAM系统的软件 系统软件支撑软件应用软件 系统软件 操作系统 CPU管理 内存管理 输入输出管理 文件管理 DOS WINDOWS Unix等 编译系统与图形接口标准 将高级语言转换成汇编语言 支撑软件 CAD CAM系统支撑软件的组成 1 图形支撑软件2 三维造型软件 几何建模 特征建模 物性计算 真实感图形显示干涉检验二维图及二维剖面图生成3 分析软件及优化设计软件 有限元分析软件机械运动分析软件动力学分析软件优化设计软件4 工程数据库管理软件 支撑软件 有专门的软件公司开发 单一功能型系统 只提供某些典型功能 二维绘图 三维造型设计 工程分析计算 数据库系统 综合集成型系统 提供设计 分析 造型 数控编程 加工控制等多种功能 单一功能型支撑软件 交互式绘图软件 完成二维工程图样的生成 AutoCAD PICAD 开目CAD 高华CAD 华正等 三维设计CAD系统 MDT Solidworks Solidedge等 数控编程系统 MasterCAM SurfCAM Caxa等 工程分析软件 NASTRAN ANSYS 综合集成型支撑软件 这类软件功能比较完备 综合提供了设计 造型分析 数控编程等多种功能 如 I DEAS UGII CATIA PRO E CAXA等 综合集成软件组成 CAD部分 几何造型参数化特征造型模块工程图绘制模块装配模块 三维 CAE部分 有限元分析模块机构运动仿真分析模块优化设计模块CAM部分 数控加工编程模块数控加工后置处理模块切削加工检验模块用户开发工具 如AutoLISP接口等 应用软件 模具设计软件组合机床设计软件电器设计软件机械零件设计软件汽车车身设计软件组合夹具设计软件 数据管理技术 CAD CAM的数据 产品的物理特性材料性能数学模型零件规格几何形体描述测试数据各种设计标准和规范 数据管理技术 数据形式 数值文字信息几何图形信息 数据管理技术 工程数据管理模式 文件管理系统数据库管理系统工程数据库 数据库 数据结构 数据库的产生 50年代后期至60年代中期 计算机采用文件系统进行数据管理 即以数据文件的形式进行数据存取 文件管理系统 特点 按统一的规则和方法来组织和存取数据 可顺序存取 随机存取和动态存取 优点 实现方便 使用效率高 简单 灵活 缺点 数据的冗余度大 缺乏数据的独立性不能实现以记录和数据为单位的数据共享 修改数据结构就得修改应用程序 没有集中的数据管理 难以保证数据的完整性和安全性 数据库管理系统 文件管理方式只适用于简单的工程应用 为此 20世纪60年代末 在文件管理系统的基础上 出现了数据库技术 其核心部分是 数据库的管理系统 DBMS DataBaseManagementSystem 数据库管理系统的作用 作用 程序与数据库之间的接口 对数据库定义 建立 检索 编辑修改用户使用时不必了解数据库的物理结构 数据库系统的特点 数据库的物理存储独立于应用程序 数据具有独立性 数据可独立于程序之外 数据共享性好 冗余度低 多个文件共享一个数据库 数据具有安全性 完整性 数据库的结构形式 数据库的数据模型 层次型 树状结构 一对多 网状型 网络结构 多对多 关系型 线性结构 一一对应 工程数据库 能满足人们在工程活动中对数据处理要求的数据库 它可支持复杂的数据类型和工程数据动态定义和管理 工程数据库 工程数据的类型 管理型数据 国家标准 产品目录 技术资料 设计型数据 产品参数 工艺参数等 加工制造型数据 加工参数 数控指令 检测监控数据 图形数据 二维或三维的零件图和装配图 CAD CAM集成系统的数据管理方法 基于文件记录的专用数据管理方法 在商用数据库管理系统上建立软件接口 采用工程数据库管理系统建立数据库的方法 PDM 产品数据管理 工程手册的数据处理技术 以往的不足 费时 费事对策 采用计算机技术 数据计算机处理 工程手册中的数据种类 常数数表 材料的力学性能 标准件的尺寸参数 列表函数 三角函数表 实验数据 工程手册中数据的处理方法 常数数表 数组赋值法 数据文件 数据库 列表函数 同上 公式化处理 数表的程序化 定义数组分别赋值编程查询输出显示适用于数表较小或数表个数较少的情况 数表的程序化 程序化方式 数值程序化将需要使用的各参数及其函数关系用合理程序存入计算机 用数组形式存储数据如齿轮模数系列 罗纹尺寸系列等 用数学公式描述数据如轴的标准系列 D INT Dc 10 02 10 10 数表的程序化 数表程序化 屏幕直观输出用于交互选取 数组存储法键槽各尺寸选择 公式计算法如蜗轮齿数与齿形系数的关系表 交互式分级描述法对复杂关系表格的选择 数表的程序化 线图程序化对能够找出描述曲线的数学公式的线图 可以用这种方法程序化 主要方法 曲线拟合 数表的文件化 适用于数据量较大的情况 方法 编程建立数据文件 编程查询数据 数表的文件化 数据资料文件化数据程序化的缺点 数据依赖于程序而存在 修改数据 必须修改程序 数据资料文件的类型 文本文件 数据文件 线图的计算机处理 工程手册中线图的处理方法 建立线图公式 编程存储 将线图离散化为数表 查表插值 复杂线图个别处理 数表的公式化处理 数表离散化不足 占用空间大 检索时间长 离散误差 两点间数据取相近值 解决方法 对数表进行公式化处理 曲线拟合 函数插值的方法 线性插值法 两点插值 抛物线插值法 三点插值 拉格朗日插值法 多点插值 函数拟合法 插值法的不足 列表节点为经验数据 有误差 节点仍需存储 占用空间 解决方法 曲线拟合法 曲线拟合的步骤 1 在坐标纸上画出曲线的大致趋势 2 确定近似的拟合函数类型 多项式 对数函数 指数函数 线性函数 3 用最小二乘法确定待定系数 此外 还可用Matlab直接进行多项式拟合 传统系统和网络协同系统 计算机网络和协同工作环境 计算机网络的优点 1 能实现信息快速传输处理 2 能实现计算机系统资源的共享 3 提高计算机可靠性 均衡负载协同工作 分布处理 什么是计算机网络计算机网络是把多台具有独立功能的计算机通过通信设备和线路连接起来 再配有相应的软件 以实现资源共享和相互通信的系统 从用户的角度看 计算机网络是一个透明的数据传输机构 计算机网络和协同工作环境 计算机网络技术 计算机网络的分类 1 从网络的地理范围进行分类 局域网 局域网内传输速率较高 误码率低 结构简单容易实现 具体标准是美国电气工程师协会制订的IEEE802系列标准 在一个学校范围内的计算机网络通常我们称为校园网 实质上它是由若干个局域网连接构成的一个规模较大的局域网 也可视校园网为一种介于普通局域网和城域网之间规模较大的 结构较复杂的局域网络 城域网 广域网 它的通信传输装置和媒体一般由电信部门提供 2 从网络的拓扑结构进行分类 星型拓扑 总线拓扑结构 特点 结构简单 可靠性高布线容易 连线总长度小于星型结构对站点扩充和删除总线任务重 易产生瓶颈问题总线本身的故障对系统是毁灭性的 特点 通信协议简单对外围站点要求不高单个站点故障不会影响全网电路利用率低 连线费用大网络性能依赖中央结点每个站点需要有一个专用链路 环型拓扑结构 特点 传输速率高 传输距离远各节点的地位和作用相同各节点传输信息的时间固定容易实现分布式控制站点的故障会形起整个网络的崩溃 Internet网是当今世界上规模最大 用户最多 影响最广泛的计算机互联网络 Internet网上联有大大小小成千上万个不同拓扑结构的局域网 城域网和广域网 应此 Internet网本身的拓扑只是一种虚拟拓扑结构 无固定形式 单机连接和局域网连接 连接Internet Internet服务提供商ISP InternetServiceProvider 连接Internet 单机电话拨号入网连接 内置Modem卡 如何上网 1 上网的含义上网意味着选择一种方式和手段把你的计算机与计算机网络连起来 使你的计算机能够与其他连在网上的计算机进行通信 交流信息 共享资源 2 上网的方式 局域网拨号上网 如何上网 1 局域网采用一种局域网技术 使用网卡 传输介质和网络设备 把用户计算机接入网络的方式 传输介质 光纤 无屏蔽双绞 UTP 网络设备 集线器 HUB 交换机 Switch 路由器 Router 如何上网 集线器 HUB 交换机 Switch 路由器 Router 如何上网 局域网的优点 高带宽 计算机接入的速率为 10 100 1000Mbps用户上网方便 一开机 就能上网受网络布线系统的限制 只有校园网光纤到达的楼群可以局域网接入 局域网连接 如何上网 2 拨号上网拨号上网是借助公用交换电话网 通过电话线以拨号方式接入网络 拨号上网的特点 带宽低 接入速率最高115 2Kbps用户上网之前 必须先拨号连接不受网络布线的限制 只需要电话外线和调制解调器 Modem 拨号连接 如何通过局域网上网 1 局域网的必备条件1 硬件设备网卡 计算机与传输介质的连接网线 连接计算机和网络设备网络设备 数据转发 如何通过局域网上网 2 协议软件协议 在通信过程中 通信双方共同遵守的一组约定和规则TCP IP 传输控制协议 网间互联 Internet使用的协议每台计算机 必需遵守TCP IP