第1章CADCAM概述(计算机辅助设计与制造)

.,主讲：任继文联系方式：renjiwen,机械CAD/CAM,.,机械CAD/CAM内容,第一章CAD/CAM概述()第二章CAD/CAM系统组成()第三章CAD/CAM软件开发基础第四章图形处理技术基础()第五章建模技术()第六章计算机辅助工程分析()第七章计算机辅助工艺规程设计()第八章计算机辅助数控加工编程()第九章计算机辅助质量系统技术第十章计算机辅助生产管理与运行控制第十一章CAD/CAM系统集成(),.,CADCAM涉及的相关技术,数据结构数据库技术高级语言编程技术计算机图形学技术有限元分析技术优化设计技术数控技术,.,本课程特点,涉及学科面广要求上机实践学时少,.,考核方式,平时考勤：20上机练习：20上机考试：60,.,第一章CAD/CAM概述,.,设计制造过程,.,CAD/CAM的基本术语,计算机辅助设计（ComputerAidedDesign，CAD)指设计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（ComputerAidedProcessPlanning,CAPP)指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（ComputerAidedManufacturing，CAM)指生产人员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。,.,现代制造的概念（大制造）,产品全生命周期,.,传统手工设计方法的局限性,设计周期长、效率低难于获得最优方案设计质量差,.,CAD/CAM的基本概念,数值计算方面数据存储与管理方面图样的绘制方面,创造性的思维活动,狭义的CAD/CAM系统是以计算机硬件、软件为支持环境，通过各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。在CAD/CAM中，人和计算机相结合，发挥自己的优势，有利于获得最优设计结果，缩短设计周期。,计算机的优势人的优势,.,CAD/CAM的必要性,设计方面据统计，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。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，因此实现CAD是非常必要的。工艺方面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。制造方面据统计，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。,.,CAD/CAM优势体现,有利于发挥设计人员的创造性，将他们从大量繁琐的重复劳动中解放出来。减少了设计、计算、制图、制表所需的时间，缩短了设计周期。由于采用了计算机辅助分析技术，可以从多方案中进行分析、比较、选出最佳方案，有利于实现设计方案的优化。有利于实现产品的标准化、通用化和系列化。减少了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，提高了加工效率。先进的生产设备既有较高的生产过程自动化水平，又能在较大范围内适应加工对象的变化，有利于企业提高应变能力和市场竞争力。CAD、CAM的一体化，使产品的设计、制造过程形成一个有机的整体，通过信息的集成，在经济上、技术上给企业带来综合效益。,.,CAD/CAM技术的效益,.,CAD/CAM系统的工作流程,.,CAD/CAM系统的基本功能,工程数据库,图形处理,产品建模,有限元分析优化设计,工艺过程规划,数控加工,模拟仿真,信息传输与交换,.,CAD/CAM技术的发展与回顾,CAD技术的发展CAPP技术的发展CAM技术的发展,.,CAD技术的发展,产生（50年代）形成（60年代）发展（70年代）提高（80年代）集成（90年代）,经历了产生、形成、发展、提高和集成等阶段。,.,产生（50年代）,1946年世界上第一台电子计算机在美国出现。电子管计算机，机器语言编程，主要用于科学计算。在50年代，首次研制成功数控机床。通过不同的数控程序就可以实现对不同零件的加工，产生了CAD的最初概念。,.,形成（60年代）,麻省理工学院的研究生I.E.Sutherland在他的论文人机对话图形通信系统中首次提出了计算机图形学的概念，对CAD技术的应用起到了重要的推动作用。当时的CAD技术还是以二维绘图和三维线框图形系统为主。,.,发展（70年代）,数据库管理系统等软件陆续开发以小型和超级小型计算机为主机的CAD系统进入市场并形成主流。CAD系统出现曲面造型技术,.,提高（80年代）,超大规模集成电路的出现，使计算机硬件成本大幅度下降，计算机外围设备（例如彩色高分辨率图形显示器、大型数字化仪、自动绘图机等品种齐全的输入输出装置）已成系列产品，为推进CAD技术向高水平发展提供了必要的条件。相应的软件技术如数据管理技术、有限元分析、优化设计等技术也迅速提高，商品化软件的出现，促进了CAD技术的推广和应用，使其从大中型企业向小企业发展，从发达国家向发展中国家发展；从用于产品设计发展到用于工程设计。实体造型技术成为CAD技术主流并走向成熟,.,集成（90年代）,特征建模成为CAD技术主流CAD/CAM朝着标准化、集成化、智能化、网络化方向发展。CIMS为研究热点。,CIMS，ComputerIntegratedManufacturingSystem计算机集成制造系统,.,CAM技术的发展,APT语言,NC机床,MC,工业机器人,柔性制造系统,交互式图形编程系统,1952年,1955年,1958年,1962年,1967年,70年代,开放式数控系统,1987年,.,CAPP技术的发展,国外发展状况60年代，派生式CAPP。如1969年，挪威AUTOPROS系统为最早的CAPP。70年代，80年代初期，创成式CAPP成为研究重点。如1977，美国普渡大学，APPAS系统1983，美国普渡大学和宾州大学，TIPPS系统1980，德国阿亨大学，AUTAP系统80年代中期，研究转向CAPP专家系统方面。国内研究状况1982，同济大学，TOJICAPP系统为国内第一个CAPP系统,.,CAD/CAM集成技术,信息集成过程集成企业集成,.,信息集成,60年代专用数据接口70年代标准化数据接口（DXF、IGES、STEP等）,.,信息集成,80年代基于统一产品模型和数据库的集成,集成产品模型是实现集成的核心，统一工程数据库是实现集成的基础。,.,基于特征集成产品数据模型,.,产品数据管理（PDM）,产品数据管理（PDM，ProductDataManagement）,.,并行工程（ConcurrentEngineering）过程集成,串行方式,并行方式,相关技术,DFX（面向某一领域的设计）：如DFM、DFA等特征建模加工仿真和快速原型制造,.,生产方式的变迁,家庭作坊手工加工,单件小批量生产,大批量生产,多品种批量生产,通用机床,刚性自动化流水线，采用专用机床、自动机床、组合机床,柔性生产线，采用数控机床、加工中心,创新产品快速生产,敏捷制造、快速原型制造、高端制造,.,精良生产（LeanProduction）,强调以人为本。丰田生产方式认为生产活动的核心是人，而不是机器。要想完善生产过程，必须调动所有员工(特别是生产一线人员)的积极性和创造性。采用终身聘用和工龄工资制度，使雇员的利益与公司的利益紧密结合起来，使雇员甘心情愿为公司拼命工作。以简化为手段。要求生产线上没有一个多余的人，没有一样多余的物品，没有一点多余的时间，岗位设置必须是增值的，不增值岗位一律撤除，工人要求是多面手，可以互相顶替。精良生产将生产过程中一切不增值的东西(人、物、时间、空间、活动等)均视为“垃圾”，认为只有清除垃圾，才能实现完美生产。贯彻准时制生产（JIT），实现零库存。不断改进，以“尽善尽美”为最终目标。宁肯停止生产，也不放过任何一个问题。一旦出现问题，就要追查到底，直至解决问题为止。每解决一个问题，就是一次改进。视顾客为上帝，贯彻“需求驱动”原则，按顾客需求生产适销对路的产品。,50年代由日本丰田汽车公司提出，其特点：,.,克服了单件生产成本高、大量生产缺乏柔性的弱点。,技艺生产：灵活多变，适应性强；但产品价格高，周期长，生产率低下。大量生产：高效率、低成本、高质量；但存在设备多、人员多、库存多、占用资金多、柔性差等弊病。精良生产：集合了技艺生产高柔性和大量生产高效率的优点，并同时避免了两者的弱点。,.,敏捷制造（AgileManufacturing）企业集成,1991年美国为了恢复其在制造业的领导地位提出的生产方法，其原理：采用标准化和专业化的计算机网络和信息集成基础结构，以分布式结构连接各类企业，构成虚拟制造环境；以竞争合作为原则，在虚拟制造环境内动态选择成员，组成面向任务的虚拟公司进行快速生产，系统运行目标是最大限度满足用户需求。,敏捷制造要求CAD/CAM系统具有良好的开放性和柔性。,敏捷制造的主要特征：需求响应的快捷性。主要指快速响应市场需求的能力。这就要求制造企业具有高度的制造柔性，具有针对市场需求迅速转产和快速实现多品种小批量生产的能力。制造资源的集成性。不仅指企业内部的资源共享与信息集成，还指友好企业之间的资源共享与信息集成。组织形式的动态性。为实现某一个市场机会，将拥有实现该机会所需资源的若干企业组成一个动态组织，它随任务的产生而产生，并随任务的结束而结束。,.,计算机集成制造系统（CIMS）,CIMS关键在于集成，包括三个层次：信息集成（统一的产品数据模型）过程集成（并行工程）企业集成（敏捷制造）,目标：Ttime（时间）QQuality（质量）CCost（成本）SService（服务）,.,CAD/CAM技术的发展方向,快速化柔性化集成化网络化,虚拟化数字化绿色化智能化,.,快速化、柔性化,柔性制造(FM，FlexibleManufacturing),敏捷制造(AM，AgileManufacturing),快速化,柔性化,.,集成化,集成,信息集成,过程集成,企业集成,：统一的产品数据模型,：CE，DFA，DFM，RPM,：企业动态联盟（AM）,CIMS，ComputerIntegratedManufacturingSystem计算机集成制造系统,.,网络制造(NM,NetworkedManufacturing),所谓网络制造，企业利用计算机网络，面对市场机遇，针对某一市场需要，灵活而快速地组织社会制造资源（人力、设备、技术等)，按资源优势互补的原则，迅速地组成一种跨地域的、靠电子网络联系的、统一指挥的运营实体网络联盟企业，以便快速推出高质量、低成本的新产品。其实质是通过计算机网络进行生产经营业务活动各个环节的合作，以实现企业间的资源共享、优化组合和异地制造。其核心是通过Internet网络，使企业直接面向客户，由客户通过互联网自主选择和定制产品，并参与产品的设计开发，协商确定设计方案，从而实现产品的协同制造，直至产品的网上销售、采购和配送及网上支付，最终满足用户的个性化需求。用户在整个产品的设计制造活动中处于决策者和过程参与者的地位。数字化、柔性化、敏捷化为基本特征。网络制造技术集中地体现了协同商务的概念，可以分为三种类型：协同设计，协同制造及协同销售。,.,虚拟制造（VM，VirtualManufacturing）,虚拟制造是一个在计算机网络及虚拟现实环境中完成的，利用制造系统各层次及不同侧面的数学模型，对包括设计、制造、管理和销售等各个环节的产品全生命周期的各种技术方案和技术策略进行评估和优化的综合过程。其目的是在产品设计阶段或产品制造之前，就能实时和并行地模拟出产品的未来制造全过程及其对产品设计的影响，预测产品的性能、成本和可制造性，从而有助于更有效、更经济和更灵活地组织生产，使工厂和车间的资源得到合理配置，使生产布局更合理、更有效，以达到产品的开发周期和成本的最优化，生产效率的最高化。虚拟制造具有集成性、反复性、并行性和人机交互性等特点。虚拟制造系统的功能主要包括虚拟设计、虚拟制造、虚拟装配、虚拟生产和虚拟企业等功能。目前，虚拟制造技术主要应用在外型设计与布局设计、机械运动与动力学仿真、虚拟加工系统、虚拟装配等几个方面。,.,数字制造（DM，DigitalManufacturing）,数字制造研究领域:数字产品设计与开发（产品数字化）集成CADCAM系统。例如：波音公司无图纸生产。基于反求工程的数字产品产品建摸数字化阶段。根据现有的模型或参考零件，用测量设备获取其表面各点的空间坐标值模型重构阶段。由获得的测量数据构造出产品的CAD模型。数字制造装备（装备数字化）机器人与数控机床数字化测量设备研究趋势是将激光扫描仪、视觉系统、三坐标测量机设备及相关的应用软件有机结合，构建一个快速测量建模环境。快速成形设备制造过程的建模和仿真（过程数字化）建模与传真的典型应用之一是加工制造过程仿真，早期主要用于几何或运动检验，如NC代码检验、刀具运动干涉检验等。,数控机床、数控三坐标测量机与工业机器人一起形成重要的数字化加工、测量和操作装备，成为数字制造的基础之一。,就是用数字的方式来存储、管理和传递制造过程中的所有信息。,.,绿色制造（GM，GreenManufacturing）,绿色制造技术是指在保证产品的功能、质量、成本的前提下，综合考虑环境影响和资源效率的现代制造模式。它使产品从设计、制造、使用到报废整个产品生命周期中节约资源和能源，不产生环境污染或使环境污染最小化。传统的竞争要素是TQCS，现在则变为TQCSE。,.,智能化,智能设计（智能CAD）智能制造（IM，IntelligentManufacturing）,智能制造则主要研究不确定性和不完全信息下的设计制造问题求解。,.,附录CIMS缩写词语（1）,CIMSComputer(Contemporary)IntegratedManufacturingSystem计算机（现代）集成制造系统TISTechnicalInformationSystem技术信息系统MISManagementInformationSystem管理信息系统QISQualityInformationSystem质量保证系统MASManufacturingAutomaticSystem制造自动化系统NETNetware网络系统DBSDataBaseSystem数据库系统,.,附录CIMS缩写词语（2）,CADComputerAidedDesign(Drafting)计算机辅助设计（绘图）CAPPComputerAidedProcessPlanning计算机辅助工艺规划CAEComputerAidedEngineering计算机辅助工程分析CAMComputerAidedManufacturing计算机辅助制造CAQComputerAidedQuality计算机辅助质量CAOComputerAidedOffice计算机辅助办公PDMProductDataManagement产品数据管理EDMEngineeringDataManagement工程数据管理,.,附录CIMS缩写词语（3）,LMLabourManagement劳动人事管理PMProductManagement生产管理FMFinaccalManagement财务管理MMMaterialManagement材料管理BMBusinessManagement供销管理MRPMaterialRequirementPlanning材料需求计划MRP-ManufacturingResourcesPlanning制造资源计划ERPEnterpriseResourcePlanning企业资源计划BOMBillofMaterial材料清单,.,附录CIMS缩写词语（4）,NCNumericalControl数控DNCDirect/DistributedNumericalControl直接/分布式数控CNCComputerNumerialControl计算机数控MCManufacturingCenter加工中心FMCFlexibleManufacturingCenter柔性加工中心FMSFlexibleManufacturingSystem柔性生产系统FMLFlexibleManufacturingLine柔性生产线FAFactoryAutomation自动化工厂,.,附录CIMS缩写词语（5）,IEIndustryEngineering工业工程JITJustinTime及时生产LPLeanProduct精良生产AMAgileManufacturing敏捷制造CAXComputerAidedX计算机辅助XDFXDesignForX面向X的设计DFADesignforAssembly面向装配的设计DFMDesignforManufacturing面向制造的设计VRVirtualReality虚拟现实VMVirtualManufacturing虚拟制造CEConcurrentEngineering并行工程,.,思考题,1.简述CAD/CAM的基本概念。2.简述CAD/CAM发展经历的阶段。3.简述CAD/CAM系统的基本功能。4.简述CAD/CAM系统的工作过程。5.与传统设计制造方法相比，说明CAD/CAM的工作特点。6.试分析采用CAD/CAM技术的优越性。7.简述CAD/CAM技术的新发展。,.,作业,1、题目、姓名、学号2、中文摘要3、引言（目的意义）4、简介（结构原理）5、研究进展（国内外研究状况）6、存在问题（难点、关键）7、前景趋势8、结束语9、参考文献注：格式、字体、排版参考科技期刊论文，最好做一个PPT,在产品制造领域，选一个你认为目前热门的或未来有潜力的相关技术、产品作为话题，写一篇综述性的科技论文。文章结构如下：,.,作业选题参考,目前国家大力扶持的行业。如七大战略性新型产业：节能环保、新一代信息技术、生物、高端装备制造、新能源、新材料、新能源汽车。其中高端装备制造包括：航空、航天、高铁、海洋工程、智能制造。具有发展潜力的技术：三网融合（通信网、计算机网络、有线电视网）、物联网、智能电网、光伏发电、MEMS。具有较大市场或发展潜力的产品：触摸屏、光机电产品、LED、RFID等。制造业的发展方向（八化）,.,第二章CAD/CAM系统组成,.,系统基本组成,硬件,软件,计算机,外围设备,生产设备,系统软件,支撑软件,应用软件,CAD/CAM系统,.,CAD/CAM系统的典型硬件,主机：CPU、内存、主板存储设备：磁盘、磁带、光盘输入设备：第一阶段：控制开关、穿孔纸等等第二阶段：键盘第三阶段：二维定位设备，如鼠标、光笔、图形输入板、触摸屏等等，语音第四阶段：三维输入设备（如空间球、数据手套、数据衣），用户的手势、表情等等第五阶段：用户的思维输出设备：显示器、打印机、绘图机、头盔、眼镜网络设备：服务器、工作站、电缆、网卡、集线器HUB、路由器、网桥、网关生产设备：数控机床、加工中心MC、搬运机械、机器人等,.,图形显示设备的发展,CRT显示器,单显,彩显,球面显象管,平面直角显示器,纯平显示器,液晶显示器（LCD，LiquidCrystalDisplay）,其它平面显示器,等离子显示器（PDP，PlasmaDisplayPanel）,场致显示器(FED,FieldEmissionDisplay),发光聚合体显示器(LEP,lightemittingpolyma),三维显示器,.,头盔式显示器HMD（Head-MountedDisplay）,两个液晶(LCD)或(CRT)显示器,.,立体眼镜,原理：显示器能显示左眼和右眼两种不同的图像。但在显示器显示左眼图像时，系统控制立体眼镜，把左眼的液晶快门打开，让用户的左眼看到左眼的图像。同理，右眼也一样，这样，当切换频率达到50Hz时，我们便能看到连续的图像，从而也就产生了立体感。,.,墙式显示屏自动声象虚拟环境（CAVE，Cave-likeAutomaticVirtualEnvironment）,参数:3-6面均由大屏幕投影机投上的立体图像。180的宽视野，12801024分辨率外形尺寸为10109英尺,.,虚拟现实中心（环幕式）,.,360度柱形环幕虚拟现实系统,.,360度球幕影院,.,世界最大球幕影院亮相中国科技馆新馆,.,3D全息投影技术,1.在美国麻省一位叫ChadDyne的29岁理工研究生发明了一种空气投影和交互技术，这是显示技术上的一个里程碑，它可以在气流形成的墙上投影出具有交互功能的图像。此技术来源海市蜃楼的原理，将图像投射在水蒸气上，由于分子震动不均衡，可以形成层次和立体感很强的图像。,我们经常可以在科幻电影中见到一种三维的全息通讯技术，可以把远处的人或物以三维的形式投影在空气之中，就像电影星球大战中的场面：,.,CAD/CAM系统的软件系统,系统软件支撑软件应用软件,.,系统软件,.,操作系统,.,编程语言,第一个阶段：机器码编程。如穿孔纸带第二个阶段：低级语言。如汇编语言第三个阶段:结构化高级语言。如C,PASCAL,FORTANT第四个阶段:面向对象的高级语言。如C+JAVA,.,网络协议,7应用层6表示层5会话层4传输层3网络层2数据链路层1物理层,.,支撑软件,绘图软件:具有基本图形元素（点、线、图）绘制等，图形变换（缩放、平移、旋转等），编辑（增、删、改等），存贮，显示控制以及人机交互，输入/输出等功能。如:AUTOCAD软件。几何建模软件:提供一个完整，准确地描述和显示三维几何造型的方法和工具。具有消隐、着色、浓淡处理、实体参数计算、质量特性计算等功能。如:I-DEAS，Pro-E,UG等。工程计算与分析软件:功能包括基本物理机械量的计算，基本力学参数计算，有限元分析，产品装配，公差分析，机构运动学，动力学分析，优化设计等。其中有限元分析是核心工具，它可以进行静态、动态、热特性分析，通常包括前置处理、计算分析及后置处理三部分。如:SAP,NASTRAN,ANSYS,ABAQUS等有限元分析软件。模拟仿真软件：在产品设计时，实时、并行地模拟产品生产或各部分进行的全过程，以预测产品的性能、产品的制造过程和产品的可制造性。包括动力学模拟和运动学模拟，如：ADAMS机械系统动力学自动分析软件。数据库系统软件:能够支持各子系统中的数据传递与共享,其中工程数据库是CAD/CAM系统的重要组成部分。如:ORACLE,SYBASE,FOXPRO等关系型数据库管理系统。,.,应用软件,是用户解决实际问题自行开发或委托开发的程序系统。它是在系统软件的基础上，或用高级语言编程，或基于某种支撑软件，针对特定的问题设计研制，既可为一个用户使用，也可为多个用户使用的软件。,.,应用软件分类,检索型自动型交互型智能型,按系统运行