计算机辅助工程课件

1、计算机辅助工程报告学 号： S170802010 姓 名： 陈立志 指 导 教 师： 王军（女） 2018年1月1. 试述表面建模和实体建模方法的原理、特点以及计算机内部表示方法，并从CAD/CAM集成的角度分析几何建模的局部性及产品建模技术的发展趋势。（1）表面建模的原理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表示和建立物体的计算机内部模型。表面建模分为平面建模和曲面建模，其中曲面建模为主要建模方法。表面建模有以下特点三维实体信息描述较线框建模严密、完整能够构造出复杂的曲面如汽车车身、飞机表面、模具外型可以对实体表面进行消隐、着色显示和可以计算表面积利用建模中的基

2、本数据进行有限元划分以及可以利用表面造型生成的实体数据产生数控加工刀具轨迹。曲面建模理论严谨复杂所以建模系统使用较复杂并需一定的曲面建模的数学理论及应用方面的知识此种建模虽然有了面的信息但缺乏实体内部信息所以有时产生对实体二义性的理解。如一个圆柱曲面就无法区别它是一个实体轴的面或是一个空心孔的面。表面建模的数据结构是表结构（计算机内部存贮物体的顶点和棱线信息），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。（2） 实体建模的原理是在表面建模的基础上规定了表面完整的拓扑关系。实体建模是在计算机内部以实体描述客观事物利用这样的系统提供了实体完整的信息。实体建模分为体素法和扫描法，

3、主要为体素法，即体素的拼合运算。实体建模的特点是完整准确的表达物体，由具有一定拓扑关系的形体表面定义形体表面之间通过环、边、点建立联系表面的方向由围绕表面的环的绕向决定表面法向矢量指向形体之外覆盖一个三维立体的表面与实体可同时生成。三维实体建模的计算机内部表示与线框建模、表面建模不同，三维实体建模在计算机内部存贮的信息不是简单的边线或顶点的信息，而是比较完整地记录了生成物体的各个方面的数据。计算机内部表示三维实体模型的方法有很多，并且正向着多重模式发展。边界表示法构造立体几何法混合表示法（即边界表示法与构造立体几何法混合模式）空间单元表示法（3） 几何建模的局限性系统只存储了形体的几何形状信息

4、，缺乏对产品零件信息的完整描述，未能提供产品在CAD/CAPP/CAM生命周期所需的全部信息。不能构成符合数据交换规范的产品模型，导致CAD/CAPP/CAM集成的困难。（4） 产品建模技术的发展趋势产品建模技术的发展趋势是基于特征化建模的基础上，开发CAPP技术，同时进行模块化建模，每个模块都有自己的特征 。2. 试述计算机辅助工艺设计的主要任务和难点以及派生CAPP的工作原理和开发过程。(1) 计算机辅助工艺设计的主要任务和难点工艺设计是生产技术准备工作的第一步，是连接产品设计与产品制造的桥梁。工艺设计的主要任务为被加工零件选择合理的加工方法和加工顺序，以便能按设计要求生产出合格的成品零件

5、。计算机辅助工艺设计（CAPP：Computer Aided Process Planning）通常是指机械产品制造工艺过程的计算机辅助设计与文档编制。CAPP系统的主要任务是通过计算机辅助工艺过程设计完成产品设计信息向制造信息的传递、是连接CAD与CAM的桥梁，也是CIMS系统中的重要组成部分。传统工艺设计对工艺人员的要求：丰富的生产实践经验；熟知企业内部各种加工方法及相应设备的使用情况；熟知企业内部各种与生产加工有关的规范和规章制度；能与各方面保持友好合作。传统的工艺设计存在的问题：劳动强度大，效率低设计周期长，不能适应市场瞬息多变的需求依赖于工艺师的水平标准化和最优化差，经验的继承性困难

6、。CAPP的难点：零件图上的各种信息要完全准确的描述还很困难；工艺知识是一种经验性知识，如何建立完善的工艺决策模型，使计算机能够识别和处理还有待进一步解决工艺过程的优化理论还不完善，没有严格的理论和数学模型。（2）派生CAPP的工作原理和开发过程工作原理：以成组技术为基础，按零件结构和工艺的相似性，将零件分类归组，形成零件族，并给每一族的零件制定优化的加工方案和典型工艺规程。使用时根据零件编码检索出标准工艺，并在此基础上进行编辑修改。特点：建立在成组技术基础上.结构简单,易构建、易开发和维护、有系统性能可靠成熟等优点。开发方法如下;零件编码相似零件组划分设计零件分组的复合零件 复合零件又叫主样

7、件，它包含一组零件的全部形状要素，有一定的尺寸范围，可以是实际存在的，也可以是假想的。以它作为样板零件，设计适用于全组的通用工艺规程。设计标准工艺规程 标准工艺规程应能满足该零件组所有零件的加工要求，并能反映工厂实际工艺水平，尽可能是合理可行的。建立工步代码文件 标准工艺规程是由各种加工工序组成的，一个工序又可以分为多个工步，所以工步是标准工艺规程中最基本的组成要素。如车外圆、钻孔、铣平面、磨外圆、滚齿、拉花键等。3. 举例说明人工智能技术在计算机辅助工艺规划领域的应用。(1)人工智能技术在计算机辅助工艺设计过程中应用人工智能技术，带来最明显的优点就是智能化，对于计算机辅助工艺设计来说，计算机

8、辅助设计技术本身无法脱离辅助工具的范畴，但是，由于人工智能的运用，改变了计算机作为辅助工具的状态，使计算机辅助工艺设计系统具备相应的智能分析能力。 目前，在计算机辅助工艺设计中人工智能技术的有效运用，具体体现在推理能力上，主要包括模糊推理功能与混沌理论推理功能在实际运用人工智能技术过程中这些推理功能都是相互渗透综合使用的，而不是单独使用的，它们在使用过程中发挥各自优势，弥补双方缺陷例如人工神经网络技术的特性具有自觉形象思维，而模糊图例特性具有逻辑思维，人工智能技术可在计算机辅助工艺设计过程中将这两种技术进行互冲，以此提升计算机辅助工艺设计系统的智能化水平在计算机辅助工艺设计研究的领域中，大部分

9、研究主要集中在研究机械产品设计理论、方法上，而研究辅助工艺设计的技术相对较少由于设计活动中辅助工艺设计和机械产品设计存在趋同性，所以，可以推断出计算机辅助工艺技术智能化设计理论和方法主要有三部分构成:基础科学层、智能化设计方法层级信息技术层.(2) 遗传算法遗传算法作为计算机辅助工艺设计系统中人工智能的重要系统，是指模仿达尔文遗传选择与自然淘汰生物进化论过程的一种计算模型，能够通过模仿自然进化论搜索出最优解的方法。遗传算法是开始于代表问题中可能存在的解集种群，而这些种群的组成主要是基因编码个体联合形成的，每一个基因编码个体实际上就是染色体特性的实体。所以，在工艺设计初期，需要将表现型到基因型的

10、编码工作全部完成例如二进制编码，在初代种群全部完成后，根据优胜劣汰以及适者生存的原理，对产生的近似值进行演化，按照问题当中的实体适应度在每一代中选出合理的实体，并通过自然遗传学的算子让种群组合变异再组合，从而形成新的解集种群。这些种群的变化过程就相当于进化过程，后代会比前代更加适应环境，而最后一代种群中的最有实体经过解码乙后，可以将其作为问题最优解的近似值.(3) 人工神经网络技术计算机辅助辅助工艺设计的产品相对比较复杂，影响因素具有不确定性早期只能依靠成组技术的C APP系统和以往操作经验来解决这些产品工艺设计的问题，整个生产设计工艺的效率低随着人工神经系统技术的产生、应用，有效解决了这些问

11、题，提高了计算机辅助工艺设计的技能. 人工神经网络技术是根据生物神经系统的基本原理对真实世界客观事物进行处理，主要由单一的非线性处理单元合并形成的，可以分布、联合存储信息，同时自动组织、学习记忆在计算机辅助工艺设计过程中人工网络神经技术的运用，可以自我适应、调节。例如计算机辅助工艺设计过程中，人工神经网络技术的运用，最初是核对基本数值与系统内部的具体情况，检测自身适应性，以此推演、修改神经网络中每个节点，从而调整网络运用的适应性.(4) 粗糙集技术该项技术作为现代人工智能领域中计算机辅助工艺设计系统的模糊控制技术，粗糙集技术应用目的是为了有效解决计算机辅助工艺设计系统中模糊不清的问题例如计算机

12、辅助工艺设计系统一旦出现模糊不清的问题，人工智能技术即可通过迷糊对比分析方式，根据问题影响作用的大小对问题影响因素进行排列，同时，进行加权赋值，然后借助预设判断算法剥离冗余的条件属性与因素，最后剩下的条件因素即是模糊现象的正解.4. 试述数控加工自动编制的方法和特点。（1） 数控加工自动编程的方法准备原始数据 自动编程系统不会自动地编制出完美的数控程序。首 先，人们必须给计算机输入必要的原始数据，这些是数据描述了被加工零件的所 有信息，包括零件的几何形状，尺寸和几何要素之间的相互关系，以及刀具运动 轨迹和工艺参数等。原始数据的表现形式随着自动编程技术的发展越来越多样 化，它可以是用数控语言编写

13、的零件源程序，也可以是图形信息，还可以是操作 者发出的指令声音等。这些原始数据是由人工准备的，当然他比直接编制数控程 序要简单、方便的多。 翻译、输入 原始数据一以某种方式输入计算机后，计算机并不能立 即识别和处理，必须通过一套预先存放在计算机中的变成系统 软件，将它翻译 成计算机能够识别和处理的形式，故又称编译软件。计算机编程系统品种繁多， 原始数据的输入方式不同，编程系统也不一样，即使是同一种输入，也有很多种 不同的编程系统。 数学处理 这部分主要是根据已经翻译的原始数据计算出刀具相对 工件的运动轨迹。编译和计算合称为前置处理。 后置处理 编程系统将前置处理的结果处理结果处理成具体的数控

14、机床所需要的输入信息，即形成零件加工的数控程序。信息的输出 将后置处理得到的程序信息输入装置，就能制成控制介 质，用于数控机床的输入，也可以利用计算机和数控机床的通讯接口，直接把程 序信息输入数控机床，控制数控机床的加工，或边输入、边加工；还可利用打印 机打印输出制成程序单。(2)数控加工自动编制的主要特点 与手工编程相比，自动编程速度快，质量好，这是因为自动编程具有以下 主要特点。 数学处理能力强 对轮廓形状不是有简单的直线、圆弧组成的复杂零 件，特别是空间曲面零件，以及几何要素虽不复杂、但程序量很大的零件，计算 则相当繁琐，采用手工程序编制是难以完成的。例如，对一般二次曲线轮廓形， 手工编

15、程必须采用直线或圆弧逼近的方法，算出各节点的坐标值，其中列算式、 解方程，虽说能借助计算机计算，但工作量之大是难以想象的。而自动编程借助 于系统软件强大的数学处理能力，人们只需给计算机输入该二次曲线的描述语句，计算机就能自动计算出加工该曲线的刀具轨迹，快速而准确。功能较强的自 动编程系统还能处理手工编程难以胜任的二次曲面和特种曲面。 能快速、自动生成数控程序 对非圆曲面的轮廓加工，手动编程即使 解决了节点坐标的计算，也往往因节点过多、程序段很大而使编程工作又慢又容 易出错。自动编程的一大优点之一，就是在完成计算刀具运动轨迹之后，后置处 理程序能在极短的时间内自动生成数控程序，且该数控程序不会出

16、现语法错误。 当然自动生成的速度还取决于计算机硬件的档次，档次越高，速度越快。 后置处理程序灵活多变 同一个零件在不同的数控机床上加工，由于 数控系统的指令形式不相同，机床的辅助功能也不一样，伺服系统的特性也有差 别。因此，数控程序也是不一样。但在前置处理过程中，大量的数学处理，轨迹 计算却是一致的。也就是说，前置处理可以通用化，只是稍微改变一下后置处理 程序，就能自动生成适用于不同数控机床的数控程序来，后置处理相比前置处理 工作量要小得多，但灵活多变，适应不同的数控机床。 程序自检、纠错能力强 复杂零件的数控加工程序往往很长，要一次 变成成功，不出一点错误是不现实的。手工编程时，可能书写笔误

17、，可能算式有 问题，也可能程序格式出错，靠人工检查一个个错误是困难的，费时又费力。采 用自动编程，程序有错主要是原始数据不正确而导致刀具运动轨迹有误，或刀具 与工件干涉，或刀具与机床相撞等。自动编程能够借助于计算机在屏幕上对数控 程序进行动态模拟，连续逼真地显示刀具加工轨迹和零件加工轮廓，发现问题及 时修改，快速又方便。现在，往往在前置处理阶段，计算出刀具运动轨迹以后立 即进行模拟检查，确定无误以后在进入后置处理阶段，计算出刀具运动轨迹以后 立即进行动态模拟检查，确定无误以后再进入后置处理，从而编写出正确的数控 程序来。 便于实现与数控系统的通讯 自动编程生成的数控一般制成控制介 质输入数控系

18、统，控制数控机床进行加工。如果数控程序很长，而数控系统的容 量有限，不注意一次容纳整个数控程序，必须对数控程序进行分段处理，分批输 入比较麻烦。自动编程系统通讯可以把自动生成的数控程序经通讯接口直接输入 数控系统，控制数控机床加工，无需再制备穿孔纸带等控制介质，而且可以做到 边输入边加工，不必考虑数控系统内存不够大，免除了将数控程序分段。自动编 程的通讯功能进一步提高编程效率，缩短了生产周期。 自动编程技术优于手工编程，这是不容置疑的。但是，并不等于说凡是编程 必选自动编程。编程方法的选择必须考虑被加工零件形状的复杂程度、数值计算 的难度和工作量的大小、现有设备条件（计算机、编程系统等）以及时

19、间和费用 等诸多因素。一般来说，加工形状简单的零件，如点位加工或直线切削零件，用 手工编程所需时间和费用与计算机自动编程所需的时间和费用相差不大，这时采 用手工编程比较合适。5. 结合某一CAM软件举例说明数控加工自动编程的过程。Pro/ENGINEER是当今最好的三维设计和制造软件之一，其NC加工模块具有强大的加工、后置处理功能。Pro/NC为机械工程人员的设计开发工作提供了有利的工具，但由于其级联菜单复杂，加工种类繁多，设置步骤冗长等一些问题，使刚接触Pro/NC的操作者常常无处下手，或由于操作不当造成不必要的损失。 其实利用Pro/NC设计加工程序的流程与实际加工的思维逻辑是相似的，Pr

20、o/NC加工程序设计步骤如下： 利用ProE NC生成数控程序的操作步骤如图1所示。调入参考模型 设计工件创建制造模型机床设置 设置工件坐标系 制造设置夹具设置 设置退刀面 创建NC序列加工仿真生成刀位数据文件 后置处理图1 ProE NC加工操作步骤5.1启动ProE，单击菜单“文件”“新建”或图标，系统显示新建对话框，如图2所示。在类型选项组选中“制造”单选按钮，在“子类型”选项组选中“NC组件”单选按钮，输入加工文件的名称am1（系统默认为mfg0001.mfg），取消选定“使用缺省模板”复选框，单击“确定”按钮。5.2弹出新文件选项对话框，如图3所示。在模板中选中“mmns_mfg_n

21、c”选项，单击“确定”按钮，进入ProE NC加工制造模块。 图2 “新建”对话框 图3“新文件选项” 对话框5.3创建制造模型5.3.1进入ProE NC加工制造模块后，在图4菜单管理器中，单击“制造模型”选项，在弹出的“制造模型”菜单中选择“装配”选项，弹出如图5所示的“制造模型类型”菜单，单击“参考模型”选项，弹出“打开”对话框。 图4菜单管理器 图5 “制造模型类型”菜单图6“放置”上滑面板对话 5.3.2在“打开”对话框中，选择文件“am1prt”，单击“打开”按钮，在弹出的“元件放置”操控板中单击“放置”按钮，弹出“放置”上滑面板。在“约束类型”选项框中选择“缺省”，如图6所示。单

22、击按钮，完成参考模型的导人。5.3.3在图7所示的“制造模型类型”菜单中选择“创建”、“工件”选项，弹出下一级菜单，在菜单中选择“实体”、“加材料”、“拉伸”、“实体”、“完成”选项，创建工件。 图7“制造模型类型”菜单 图8“操作设置”对话框 5.3.4单击菜单“完成/返回” 命令，完成制造模型的创建。一个完整的加工制造模型建立以后，应包括以下4个单独的文件：（1）参照模型：扩展名为.prt（2）工件：扩展名为.prt（3）加工组合：扩展名为.asm（4）加工工艺文件：扩展名为.mfg5.4制造设置在图4菜单管理器中，单击“制造设置”、“操作”选项，打开如图8所示的“操作设置”对话框，在该对

23、话框中定义操作名称、加工机床、加工坐标系及退刀面等。 5.4.1 定义操作名称。在“操作名称”下拉列表框中输入操作名称（系统默认为OP010）。5.4.2定义NC机床。单击图标按钮，打开如图9所示的“机床设置”对话框，各选项的设置如图中所示。单击图标按钮，保存机床参数的设置，单击“确定”按钮，完成数控机床的定义。图9“机床设置”对话框5.4.3在图10所示对话框的“参照”区域中，单击图标按钮，设置加工坐标系。如图11.11所示，单击“选取”命令，选取模型中的坐标系，完成加工坐标系的创建。 图11“制造坐标系”菜单 图12“退刀选取”对话框5.4.4在图9所示对话框的“退刀”区域中，单击图标按钮

24、，弹出如11.12所示的“退刀选取”对话框。 退刀面定义了刀具一次切削后所退回的位置，具体定义方法根据加工工艺的需要。退刀面可以定义为曲面、圆柱、球面以及用户自定义的曲面，可以在创建操作时定义，随后在创建具体NC序列时再根据需要进行修改。当一个操作的退刀面定义好之后，刀具将沿此退刀面从一个连续的NC轨迹的终止点移动到下一个NC轨迹的起点。退刀平面的指定是模态的，即一旦被指定之后，随后定义的所有NC序列就默认使用它，除非在下一个NC序列时特意地将其修改。图12所示为通过选取“退刀”选项卡中的相关选项来定义退刀面，图中主要选项的含义为：“选取”选择已有的基准平面或平面作为退刀面。 “创建曲面”创建

25、曲面特征作为退刀面。这个选项对3轴的NC加工无效，只适用于4轴以上的NC加工。 “沿Z轴”创建垂直于Z轴的平面作为退刀平面，在“输入Z深度”文本框中输入适当的偏移值。例：如果退刀平面高度设为加工坐标系Z向高度为10mm时，可在图12所示对话框中，单击“沿Z轴”按钮，然后在“输入Z深度”文本框中输入10，单击“确定”按钮，就完成了退刀平面的定义。最后单击“操作设置“对话框中的“确定” 按钮，再单击制造设置菜单中的“完成/返回”命令，完成操作设置。5.5创建NC序列 5.5.1在“加工”菜单中单击“NC序列”选项，弹出如图13所示的“辅助加工”菜单，其中包括了ProE NC提供的所有加工方法，依次

26、选择“轮廓”、“完成”选项结束加工方法的选择，弹出如图14所示的“序列设置”菜单。 图13“辅助加工”菜单 图14“序列设置”菜单 在图14中列出的各选项，表明了要创建一个完整的NC序列需要定义的元素。系统已经对有些选项作了选择标记，表明这些选项的内容是必须定义的。其他选择性的各项可以使用系统提供的默认值，不必具体定义。如果要定义某些选项，用鼠标选择相应选项前面的复选框即可。 5.5.2在图14所示的菜单中依次选取“刀具”、“参数”、“曲面”选项，单击“完成”选项打开如图11.15所示的“刀具设定”对话框，在该对话框中进行刀具定义，刀具的具体参数设置如图中所示。图15 “刀具设定”对话框 5.

27、5.3单击图15中的“确定”按钮结束刀具的设置，系统弹出如图16所示的“制造参数”菜单。 图16 “制造参数”菜单 图17 “参数树”对话框 5.5.4单击图16中的“设置”选项，弹出如图.17所示的“参数树”对话框，在该对话框中对轮廓加工工艺参数进行设置。5.5.5参数设置结束后，在“参数树”对话框中选择“文件”菜单中的“保存”选项，弹出如图18所示的“保存参数”对话框，采用默认参数数据文件名为milprm或输人新的文件名，单击“确定”按钮，系统将加工参数文件milprmmil以文本格式保存在工作目录下。选择“参数树”对话框中的“文件”菜单，单击“退出”选项，结束加工参数的定义，系统返回如图16所示的“制造参数”菜单。单击“制造参数”菜单中的“完成”命令，完成参数设置。图11.18 “保存参数”对话框5.5.6单击如图19所示的“曲面拾取”菜单。选择“模型”选项，单击“完成”选项，弹出如图11.20所示的“选取曲面”菜单。按住依次选取参考模型的所有侧