第一章CADCAM概述

1、CAD/CAMCAD/CAM技术技术 机械工程学院 2013.7 第一章 概 述 1.11.1 CAD/CAM的基本概念的基本概念 1.21.2 CAD/CAM系统的结构系统的结构 1.31.3 CAD/CAM系统的应用和发展系统的应用和发展 学习目标：学习目标： 掌握掌握CAD/CAMCAD/CAM的基本概念；理解的基本概念；理解 CAD/CAMCAD/CAM系统工作过程以及系统工作过程以及CAD/CAMCAD/CAM系统的系统的 集成方案；了解集成方案；了解CAD/CAMCAD/CAM技术应用和发展前技术应用和发展前 景。景。 CAD/CAMCAD/CAM应用举例应用举例 AutoCADA

2、utoCAD软软件件 绘绘制的二制的二维图维图 2 AutoCADAutoCAD软软件件绘绘 制的三制的三维维模型模型 Autodesk Inventor Autodesk Inventor UG软件建立的三维模型 NC6110G-22NC6110G-22型柴油机背面型柴油机背面 NC6110G-22NC6110G-22型柴油机正面型柴油机正面 （南昌凯马柴油机有限公司）（南昌凯马柴油机有限公司） Autodesk Inventor 东方汽轮机厂 2020兆瓦机组高压内缸温度场模拟兆瓦机组高压内缸温度场模拟 Pro/E Pro/E 模模拟拟装配（蝴蝶装配（蝴蝶阀阀） Pro/E Pro/E 运

3、动运动仿仿真真 仿真加工的转子（ Vericut切削仿真系统） 实际实际加工的加工的转转子子 VERICUT是美是美国国CGTech公司推出的一款公司推出的一款数数控加工控加工 仿仿真软真软件，件，该软该软件件应应用范用范围围很广，很广，既既可作可作为独为独立立软软 件使用，又可件使用，又可与与其他其他CAM软软件集成。件集成。Pro/ENGINEEPro/ENGINEE R R软软件也件也内内部集成有部集成有VERICUTVERICUT模模块块。 VERICUT机床模机床模拟拟 VERICUT机床机床运动运动仿仿真视频真视频 BROTHERBROTHER 机床机床 德国大众汽车现德国大众汽车

4、现 代化的生产装备工代化的生产装备工 厂厂 1.1 CAD/CAM1.1 CAD/CAM的基本概念的基本概念 计算机辅助设计计算机辅助设计 （Computer Aided DesignComputer Aided Design，CADCAD) 是指工程技术人员在人和计算机组成的系统中指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以计算机为工具，辅助人类完成产品的设计、分设计、分 析、绘图析、绘图等工作，并达到提高产品设计质量、缩等工作，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。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计算机辅

5、助工艺过程设计（Computer Computer Aided Process Planning, CAPP)Aided Process Planning, CAPP) 是指在人和计算机组成的系统中，根是指在人和计算机组成的系统中，根 据产品设计阶段给出的信息，人机交互据产品设计阶段给出的信息，人机交互 地或自动地完成地或自动地完成产品加工方法的选择产品加工方法的选择和和 工艺过程的设计工艺过程的设计。 计算机辅助制造计算机辅助制造（Computer Aided Computer Aided ManufacturingManufacturing，CAM)CAM) 计算机辅助制造有广义和狭义两种

6、定义。计算机辅助制造有广义和狭义两种定义。 广义广义CAMCAM是指利用计算机辅助完成从是指利用计算机辅助完成从生产准生产准 备备到到产品制造产品制造整个过程的活动，包括工艺过程整个过程的活动，包括工艺过程 设计、工装设计、设计、工装设计、NCNC自动编程、生产作业计划、自动编程、生产作业计划、 生产控制、质量控制等。生产控制、质量控制等。 狭义狭义CAMCAM通常是指通常是指NCNC程序编制程序编制，包括刀具路，包括刀具路 径规划、刀位文件生成、刀具轨迹仿真及径规划、刀位文件生成、刀具轨迹仿真及NCNC代代 码生成等。码生成等。 本书采用狭义定义方法。本书采用狭义定义方法。 CAD/CAMC

7、AD/CAM技术的发展概况技术的发展概况 CAD/CAMCAD/CAM技技术从产术从产生到生到现现在，在，经历经历了了 形成、形成、发发展、提高展、提高和和集成集成等等阶阶段。段。 l19461946年世界上第一台电子年世界上第一台电子 计算机计算机 l在在5050年代，首次研制成功年代，首次研制成功 数控机床数控机床，通过不同的数，通过不同的数 控程序实现对不同零件的控程序实现对不同零件的 加工。加工。 l 6060年代，麻省理工学院的年代，麻省理工学院的 研究生研究生I.E.SutherlandI.E.Sutherland在在 他的论文他的论文人机对话图形人机对话图形 通信系统通信系统中首

8、次提出了中首次提出了 计算机图形学计算机图形学、交互技术、交互技术 等思想，对等思想，对CADCAD技术的应用技术的应用 起到了重要的推动作用。起到了重要的推动作用。 l19521952年，年，数控（数控（NumericaNumerica l control l control ，NCNC）机床）机床首首 次研究成功，奠定了次研究成功，奠定了CAMCAM 的硬件基础。的硬件基础。 l 19551955年，研制成功在通用年，研制成功在通用 计算机上运行的自动编程计算机上运行的自动编程 工具工具（APTAPT）语言）语言，实现，实现 了了NCNC编程自动化。编程自动化。 l19621962年，年，

9、第一台工业机器第一台工业机器 人人诞生，实现了物流搬运诞生，实现了物流搬运 自动化；自动化； l第一台第一台通用计算机集中控通用计算机集中控 制多台数控机床制多台数控机床的实现。的实现。 准备和酝酿时期（准备和酝酿时期（2020世纪世纪50-6050-60年代初）年代初） 蓬勃发展和进入应用时期（蓬勃发展和进入应用时期（20世纪世纪60-70年代）年代） l6060年代末期到年代末期到7070年代中年代中 期，是期，是CADCAD技术趋于成熟技术趋于成熟 的阶段。计算机的阶段。计算机硬件硬件的的 发展；发展；数据库管理系统数据库管理系统 等软件陆续开发；以等软件陆续开发；以小小 型和超级小型计

10、算机为型和超级小型计算机为 主机的主机的CADCAD系统系统进入市场进入市场 并形成主流。针对并形成主流。针对特定特定 问题的专用问题的专用CADCAD系统系统蓬勃蓬勃 发展。发展。CADCAD技术还是以二技术还是以二 维绘图和三维线框图形维绘图和三维线框图形 系统为主。系统为主。 l7070年代美国辛辛那提公年代美国辛辛那提公 司研制出一条司研制出一条柔性制造柔性制造 系统系统（Flexible Flexible Manufacturing System Manufacturing System ， FMSFMS）。将）。将CAD/CAMCAD/CAM技术技术 推向了一个新阶段。推向了一个新

11、阶段。 l2020世纪世纪7070年代后期，年代后期，几几 何造型技术、图形显示何造型技术、图形显示 技术和数控编程后置处技术和数控编程后置处 理技术理技术的发展和应用，的发展和应用， 出现了交互式图形编程出现了交互式图形编程 系统，为系统，为CAD/CAMCAD/CAM集成奠集成奠 定了基础。定了基础。 突飞猛进的时期突飞猛进的时期(20(20世纪世纪8080年代年代) ) l超大规模集成电路的出现，超大规模集成电路的出现， 使使计算机硬件计算机硬件成本大幅度成本大幅度 下降；下降； l计算机外围设备计算机外围设备（例如彩（例如彩 色高分辨率图形显示器、色高分辨率图形显示器、 大型数字化仪、

12、自动绘图大型数字化仪、自动绘图 机等品种齐全的输入输出机等品种齐全的输入输出 装置）已成系列产品；装置）已成系列产品； l相应的软件技术如相应的软件技术如数据管数据管 理技术、有限元分析、优理技术、有限元分析、优 化设计等技术化设计等技术也迅速提高；也迅速提高； l商品化软件商品化软件的出现，促进的出现，促进 了了CADCAD技术的推广和应用技术的推广和应用 。 实体造型技术实体造型技术成为主流并成为主流并 走向成熟。走向成熟。 l出现和发展了与产品设计出现和发展了与产品设计 制造过程相关的计算机辅制造过程相关的计算机辅 助技术；助技术； l如计算机辅助工艺过程设如计算机辅助工艺过程设 计计C

13、APPCAPP，计算机辅助质量，计算机辅助质量 控制控制CAQCAQ等等。 标准化、集成化和智能化的发展时期标准化、集成化和智能化的发展时期 (20(20世纪世纪9090年代以后年代以后) ) 1.2 CAD/CAM系统的结构系统的结构 产品生产过程和CAD/CAM过程链 市场需求 产品设计产品设计 施工设计施工设计 结构设计结构设计 概念设计概念设计 任务计划任务计划 工艺设计工艺设计 刀夹量具设计刀夹量具设计 工序设计工序设计 工艺路线设计工艺路线设计 毛坯设计毛坯设计 加工、装配加工、装配 调试调试 装配装配 检测检测 NC加工 加工 加工仿真加工仿真 编程 编程 产品 CAD CAPP

14、 CAM 生生产产的的观观点点 N N C C 产品生命周期 产品生命周期是指某一个产品从完成试制、投放 市场开始，直到最后被淘汰退出市场为止的过程 所经历的时间。 从市场变化的观点看，产品又可以分为投入期、 生长期、饱和期和淘汰期。 产品的生命周期可分为产品研究、产品规划、产 品设计、产品试制、产品制造、产品销售、产品 使用及产品报废、回收等阶段。 计算机的应用，面对产品的整个生命周期。 市市场变场变化的化的观观点点 CAD/CAM系统的组成 数控机床 1950年 1955年 1960年 1965年 1970年 1975年 1980年 1985年 1990年 1995年 曲面造型技术 实体造

15、型技术 线框造型技术 参数化造型技术 变量化造型技术 有限元法 APT- 旋风号 APT- MRP APT- MRP CAD CAD/CAM 第一台机器人 自适应控制 1945年 第一代电子计 算机：电子管 计算机 第三代电子计 算机：集成电 路计算机 第二代电子计 算机：晶体管 计算机 第四代电子计 算机：大规模、 超大规模集成 电路计算机 柔性制造系统 DNC系统 数据库 CAPP APT- STEP 敏捷制造 CE CIMS 精良生产 虚拟制造 特 征 建 模 支 持 系 统 图1-1CAD/CAM相关技术的发展 图1-3CAD/CAM系统的组成 产 品 总 体 设 计 产 品 需 求

16、分 析 产 品 产 品 装 配 产 品 加 工 装 配 数 控 程 序 编 制 零 件 检 测 数 控 加 工 仿 真 数 控 加 工 刀 具 夹 具 设 计 产 品 毛 坯 设 计 工 艺 路 线 设 计 加 工 工 序 设 计 产 品 生 产 准 备 产 品 施 工 设 计 二 维 工 程 制 图 产 品 结 构 设 计 产 品 详 细 设 计 产 品 模 型 分 析 产 品 概 念 设 计 设 计 任 务 规 划 图1-2产品开发过程及CAD、CAE、CAM的范围 广义CAD/CAM 广义CAD CADCAE 广义CAM CAPPCAM 调 试 产品规划 方案设计 详细设计 结构设计 机

17、构运动仿真 装配系统规划 装配过程仿真 装配工艺规划 装 配 模 型 管 理 器 设 计 进 程 型 管 理 器 知 识 存 储 管 理 器 装配资源 模 型 运动机构 模 型 装配工艺 模 型 功能结构 模 型 CAD/CAPP/CAM(CAD/CAM) 图1- 功能集成的现代CAD系统 集 成 化 产 品 装 配 模 型 产 品 数据库 评 价 知识库 设 计 知识库 广义设计工具集 CAD/CAM系统 CAD/CAM硬件系统CAD/CAM软件系统 系统软件应用软件专业软件计算机外部设备 人 支撑软件应用软件 CAD/CAM硬件CAD/CAM软件 外围设备 CAD/CAM系统的总体结构 用

18、户界面 应用系统 CADCAPPCAM 数据库 操作系统、网络系统 计算机硬件 CAD/CAM系统的集成方案 CAD/CAMCAD/CAM系统的集成有系统的集成有信息集成信息集成、过程集成过程集成、 功能集成功能集成。 目前的目前的CAD/CAMCAD/CAM系统大多是在系统大多是在信息集成信息集成基础上。基础上。 一般的一般的CAD/CAMCAD/CAM集成指的是把集成指的是把CADCAD、CAECAE、CAPPCAPP、 CAFDCAFD、CAMCAM等各种功能软件有机结合在一起，等各种功能软件有机结合在一起， 用统一的执行程序来控制和组织各功能软件信用统一的执行程序来控制和组织各功能软件

19、信 息的提取、转换和共享，从而达到系统内信息息的提取、转换和共享，从而达到系统内信息 的畅通和系统协调运行的目的。的畅通和系统协调运行的目的。 CAD/CAMCAD/CAM系统集成的关键是系统集成的关键是信息的交换和共享信息的交换和共享。 集成方案 集成方案主要有以下四种： 1、通过专用数据接口实现集成。 2、利用标准格式接口文件实现集成。 3、基于统一产品模型和数据库的集成。 4、基于产品数据管理（PDM）的系统集成。 1 1、通过专用数据接口实现集成、通过专用数据接口实现集成 模型模型 A A 系统系统A A 模型模型 B B 系统系统B B 专用接口程序专用接口程序 2 2、利用标准格式

20、接口文件实现集成、利用标准格式接口文件实现集成 系统A 系统B 前置处理器 后置处理器 标准数据交换 格式文件 前置处理器 后置处理器 数据交换接口标准:IGES:IGES、STEPSTEP等。 初始图形交换规范初始图形交换规范IGESIGES 早在20世纪70年代，美国国家标准和技 术局开始研究初始图形交换规范IGES （Initial Graphics Exchange Specification）。 IGES是CAD/CAM系统之间图形信息交 换的一种规范。它由一系列产品的几何、绘 图、结构和其他信息组成，可以处理 CAD/CAM系统中大部分信息，是用来定义 产品几何形状的现代交互图形系

21、统。 最初开发IGES是为了能在计算机绘图 系统的数据库上进行数据交换； 从1981 年的IGES 1.0版本到1991年的IGES 5.1 版本，到后来的5.3版本等又推出新的版 本，IGES逐渐成熟，覆盖了CAD/CAM 数据交换的越来越多的应用领域。 几乎所有商品化CAD/CAM系统都有 IGES接口，成为应用最广泛的数据交换 标准。 IGES的前后处理程序 IGES是一种中性文件。 将某种CAD/CAM系统的输出转成 IGES文件时需经前置处理程序处理。 IGES文件传至另一种CAD/CAM系统 时则需经过后置处理程序处理。 因此要求各种应用系统必须具备相应 的前、后置处理程序，以便利

22、用IGES文 件传递产品的信息。 IGES标准存在的问题 （1）元素范围有限，IGES中定义的主要 是几何图形方面的信息，不是产品的全面 信息，不能满足CAD/CAM集成的要求。 （2）IGES对数据传输不可靠，有数据丢 失现象， IGES的一些语法结构有二义性 ，造成不同系统对同一个文件解释不同， 导致数据交换失败。 （3） 占用的存储空间大，影响处理速度 和传输效率。 产品数据交换标准产品数据交换标准 STEP（Standard for the Exchange of Product Model Data）标准是以PDES（ Product Data Exchange Specificat

23、ion）基 础上发展的。 为改进和发展IGES，1984年美国IGES委 员会开始研究PDES，国际标准化组织（ISO ）的下设组织确定了STEP的名称， STEP已 成为国际标准。 STEPSTEP标准标准 该标准提供一种不依赖于具体系统的该标准提供一种不依赖于具体系统的 中性机制，能够描述产品整个生命周期中中性机制，能够描述产品整个生命周期中 的产品数据。的产品数据。 STEP STEP 特点特点 v支持广泛的应用领域；支持广泛的应用领域； v独立于任何具体的软件系统；独立于任何具体的软件系统； v完整表示产品数据，不仅适合于中性文件完整表示产品数据，不仅适合于中性文件 交换，也是实现产品

24、数据库共享的基础。交换，也是实现产品数据库共享的基础。 STEPSTEP标准的实现方法标准的实现方法 是指符合是指符合STEPSTEP标准的信息和数据的存标准的信息和数据的存 取与交换方法或格式。取与交换方法或格式。 STEPSTEP标准将数据交换的实现方法有三标准将数据交换的实现方法有三 种：第一种为种：第一种为文件交换文件交换；第二种为；第二种为应用编应用编 程接口（程接口（APIAPI）；第三种为；第三种为数据库交换数据库交换。 对于不同的对于不同的CAD/CAMCAD/CAM系统，可以根据对系统，可以根据对 数据交换的要求和技术条件选取一种或多数据交换的要求和技术条件选取一种或多 种形

25、式。种形式。 3 3、基于统一产品模型和数据库的集成、基于统一产品模型和数据库的集成 CAFDCAFD（Computer Aided Fixture DesignComputer Aided Fixture Design） 计计算机算机辅辅助助夹夹具具设计设计 界 4 4、基于产品数据管理（、基于产品数据管理（PDMPDM）的系统集成）的系统集成 异构异构硬件硬件 平台平台网络网络 分布分布异构异构 数数据据库库 应应用用 工具工具 网络网络通通 信服信服务务 权权限限 控制控制 用用户户 管理管理 项项目目 管理管理 工作流工作流 程管理程管理 应应用工用工 具集成具集成 CADCADCAP

26、PCAPPCAMCAM 统统一用一用户户界面界面 用用户户1 1用用户户2 2用用户户n n 用用户层户层 应应用系用系统层统层 PDMPDM系系统统集成集成层层 异构环异构环境境处处理理层层 1.3 CAD/CAM系统的应用和发展系统的应用和发展 商品化的商品化的CAD/CAMCAD/CAM软件软件大量投入市场大量投入市场 UG UG 、I-DEASI-DEAS、 Pro/EngineerPro/Engineer、Oracle Oracle 广泛应用于机械、电子、航空、航天、船舶、汽广泛应用于机械、电子、航空、航天、船舶、汽 车、纺织、建筑等行业。车、纺织、建筑等行业。 我国的我国的CAD/CAMCAD/CAM技术取得了可喜成绩：高华技术取得了可喜成绩：高华CADCAD软软 件、开目件、开目CADCAD软件等。软件等。 CAD/CAMCAD/CAM技术的应用技术的应用 CAD/CAM技术的发展趋势 v集成化集成化 计算机集成制造计算机集成制造 （Computer Integrated ManufacturingComputer Integrated Manufactur