机械CAD-CAM技术第一讲-CAD-CAM技术概述

1、机械CAD/CAM技术CAD/CAM技术的重要性随着计算机技术的飞速发展，传统的手随着计算机技术的飞速发展，传统的手工设计正逐渐被计算机辅助设计所代替；工设计正逐渐被计算机辅助设计所代替；而传统的制造领域也被计算机技术所深而传统的制造领域也被计算机技术所深刻地改造。刻地改造。企业要想在激烈的市场竞争获得优势就企业要想在激烈的市场竞争获得优势就必须不断实现技术创新和产品创新，发必须不断实现技术创新和产品创新，发展和应用现代设计制造技术是实现产品展和应用现代设计制造技术是实现产品创新的关键，因此机械创新的关键，因此机械CAD/CAM技术技术已成为工科类学生和工程技术人员必须已成为工科类学生和工程技

2、术人员必须掌握的一门重要技术。掌握的一门重要技术。CAD/CAM技术概况计算机技术在设计制造中的应用已经从计算机技术在设计制造中的应用已经从往日的计算、绘图、往日的计算、绘图、NC加工发展到当今加工发展到当今的三维建模型、优化设计、计算机辅助的三维建模型、优化设计、计算机辅助工程分析和虚拟设计，计算机辅助工艺工程分析和虚拟设计，计算机辅助工艺设计设计CAPP、CAD/CAM一体化自动数控一体化自动数控编程、柔性制造系统编程、柔性制造系统FMS、计算机集成计算机集成制造系统制造系统CIMS、计算辅助生产管理与控计算辅助生产管理与控制、智能制造与虚拟制造等技术。制、智能制造与虚拟制造等技术。本课程

3、的特点与着重要介绍的内容本课程的特点是兼顾成熟性与先进性、本课程的特点是兼顾成熟性与先进性、理论性与实践性。着重介绍理论性与实践性。着重介绍CAD/CAM应用技术的理论基础知识，另一方面也应用技术的理论基础知识，另一方面也对当前先进的对当前先进的CAD/CAM应用技术进行应用技术进行了介绍。并通过实践教学环节（实验）了介绍。并通过实践教学环节（实验）初步了解典型的常用实际应用系统。初步了解典型的常用实际应用系统。如何学习本课程在掌握基本理论的基础上加强实践（做在掌握基本理论的基础上加强实践（做好实验）。好实验）。分清重点、主次。分清重点、主次。乐于收集相关资料，乐于尝试，主动拓乐于收集相关资料

4、，乐于尝试，主动拓宽专业知识面。宽专业知识面。第一讲 CAD/CAM技术概述本章主要介绍本章主要介绍CAD/CAM的基本概念的基本概念CAD/CAM的基本功能的基本功能CAD/CAM的发展历史的发展历史CAD/CAM的应用状况及发展方向的应用状况及发展方向第一节 CAD/CAM的基本概念CAMComputer Aided Manufacturing System 通过计算机与生产设备直接或间接的联系，进行规划、设计、管理和控制产品的生产制造过程。狭义CAM：数控编程与数控加工广义CAM：指除数控外还包括CAPP、制造过程仿真（MPS）、自动化装配（FA）、车间生产计划、制造过程检测、故障检测、

5、产品装配等。将CAD、CAM、CAE、CAPP、PPC（生产计划与控制）等各种功能不同的软件有机结合起来，用统一的执行机制来组织各种信息的提取、交换、共享和处理，以保证系统内的信息畅通。（各模块间进行信息的自动传递和转换）PDM系统的体系结构系统的体系结构PDMPDM功能功能 计算机及配件设备（数字化仪、光笔、打印机、绘图机、数控机床、机器人等）计算机系统：主机系统、成套系统、工作站、微机系统组织方式：单机系统、联机系统二、CAD/CAM系统的组成系统软件：UNIX、Windows(NT、2000、XP )计算机的公共性底层管理软件支撑软件实现CAD/CAM各种功能的通用的应用基础软件，不针对

6、具体设计对象，只提供工作或开发环境，是各类应用软件的基础。应用软件用户为了解决某个实际问题在支撑软件的基础上经过二次开发出来的软件，工厂根据本厂的特点设计的专用软件就属于此类。二、CAD/CAM系统的组成一般包括以下5种类型：1）绘图软件：AutoCAD、凯图、2）几何建模软件：Pro/Engineer、UG、CATIA、I-deas、Solid Workers、Solid Edge、Inventor、MDT 二、CAD/CAM系统的组成CAD/CAM支撑软件一般包括以下5种类型：3）计算机辅助工程软件：ANSYS、ABAQS、COSMOS、MSC NASTRAN、ADAMS（包括有限元分析与

7、运动学/动力学仿真）4）优化方法软件：OPB5）数据库系统软件：ORACLE、SQL Server三、 CAD/CAM系统的功能（一） CAD/CAM系统的主要功能几何建模模型的工程分析处理：运动学动力学分析，有限元分析，优化设计等工程绘图计算机辅助工艺设计（CAPP）NC自动编程加工过程模拟仿真工程数据管理三、 CAD/CAM系统的功能（二）CAD/CAM系统的作业过程创意构思-计算机辅助设计快速原型制造计算机辅助工艺规程计算机辅助NC编程虚拟制造（制造） 文件管理系统数据的冗余度大、缺乏数据的独立、没有集中管理，数据的完整性和安全性差。数据库管理系统数据的物理存储独立于应用程序、由于同一数

8、据可组织在不同的文件中，因此每个数据在理论上只需要存储一次，因而减少了数据的冗余。通过DBMS实现对数据的统一控制，保证了数据的正确性和保密性。 机械CADCAM系统数据类型1 、。2、。机械CADCAM系统数据类型3、，。4、包括产品各种图表、二维或三维的零件图和装配图。这类数据也是呈动态性的，它，例如对一个三维图形剖切一刀后，立即产生剖面图上所有交点、线和面的数据。工程数据库系统的主要特点1、：处理工程数据的非结构化的变长数据和特殊类型数据，支持多媒体信息的集成管理。2、：不仅能对结构化数据进行建模，而且能够动态地进行模型的建立，修改和扩充，支持反复改进的工程设计过程。工程数据库系统的主要

9、特点3、由于工程设计用到的信息多种多样，需要在各设计模块间传递数据，需要多库操作。由于工程事务的复杂性和反复试验的实践性，要求工程数据库系统具有良好的多版本管理和存储功能，以正确地反映工程设计过程和最终状态。4、，如工程图本身。工程数据库系统的主要特点 5、支持智能型的规则描述和查询处理具有一定的语义识别、推理和查询规则能力，。6、具有良好的数据库系统环境和支持工具，二、计算机网络技术 计算机网络具有单个计算机所不具备的功能和特点；网内各计算机站点可互为后备，提高计算机系统的可靠性； 三、可视化技术 特点特点：1）可使研究者一目了然获得研究对象的变化规律和分布情况，加快数据处理速度，使庞大数据

10、得到有效利用；2）可使人们发现和理解科学计算过程中所出现的不同现象；3）可使人们对计算过程进行引导和控制，通过交互手段改变计算所依据的条件并观察其影响。3、可视化技术算法、可视化技术算法三维数据场可视化处理算法三维数据场可视化处理算法1。三维数据场可视化处理算法三维数据场可视化处理算法2数据生成数据生成数据精炼与处理数据精炼与处理可视化映射可视化映射生成绘制生成绘制变换显示变换显示 专家系统的结构组成与工作原理专家系统的结构组成与工作原理 第三节 CAD/CAM的发展历史1946年，第一台计算机诞生1952年，帕森斯公司与麻省理工学院伺服机构研究所试制成功世界上第一台数控机床：三坐标铣床（电子

11、管元件、直线插补）1955年，研制出APT自动数控编程系统用于加工复杂零件曲面这一阶段出现了由计算机控制的平板绘图机。第三节 CAD/CAM的发展历史1962年，提出了计算机图形学，人机交互技术和图形符号的分层数据结构存储思想，为CAD技术提供了理论基础。随后出现了许多商品化的CAD系统：通用汽车公司的DAC-1系统；洛克希德飞机公司的CADAM等，软硬件价格均贵1966年，挪威开始研究工艺设计自动化系统，并于1969年正式发表AUTOPROS系统-利用成组技术原理开发得最早的CAPP系统。第三节 CAD/CAM的发展历史1960年代末，出现DNC系统（Direct Numerical Con

12、trol）用一台或几台计算机直接控制若干台数控机床的系统控制方法-群控。解决纸带输入数控程序故障多的问题。1970年代中期，小型计算机应用到数控机床出现计算机数控系统（CNC）-用通用计算机软件实现数控的大部分功能（译码、插补、刀补、速度处理、位置控制）。第三节 CAD/CAM的发展历史1970年代末，美国辛辛那提公司研制出世界上第一条FMS柔性制造系统。1970年代以后，DNC发展成为分布式数字控制系统，具有信息收集、系统状态监控等功能。1980年代初，CAD开始全面打入市场，包括高端的三维CAD/CAM一体化系统，如CADDS、UG、IDEAS、CATIA等；和低端的二维系统AutoCAD

13、第三节 CAD/CAM的发展历史1980年代以后，CAD/CAM技术不断完善，在CAD技术领域，出现了很多革命性技术，如：实体建模技术、参数化技术、特征造型技术、变量化技术等使CAD技术进入了一个全新时代。CAM领域发展出了计算机集成制造技术CIMS1990年代后，数控领域进入了以PC机为平台的开放式机构数控系统时代。制造方面将ERP（企业资源计划）概念引入CAM领域，将辅助制造领域进一步扩大。同时将并行设计思想引入CAD/CAM系统，进一步提高了企业的产品开发效率。第三节 CAD/CAM的发展历史 。在这一阶段，面向产品全生命周期的建模技术，基于工程数据库的企业级产品数据管理（PDM），由工

14、程工作站或高档微机组成的客户机/服务器的网络系统，支持群体小组的协同工作模式，是整个20世纪90年代CADCAM技术研究的热点问题。第三节 CAD/CAM的发展历史下面简要介绍一下CAD技术的4次技术革命，。一、第一次CAD技术革命：曲面造型系统 20世纪60年代出现的三维CAD系统只是极为简单的系统。这种初期的线框造型系统只能表达基本的几何信息，不能有效表达几何数据间的拓扑关系。由于缺乏形体的表面信息，CAE及CAM均无法实现。第一次CAD技术革命：曲面造型系统 进入20世纪70年代，飞机和汽车工业中遇到了大量的自由曲面问题，随着法国人提出了，使人们用计算机处理曲线及曲面问题变得可行，同时也

15、使得法国达索飞机制造公司的开发者们，能在二维绘图系统CADAM的基础上，开发出以，推出了三维曲面造型系统。第一次CAD技术革命：曲面造型系统 CATIA的出现，标志着计算机辅助设计技术从单纯模仿工程图样的三视图模式中解放出来，同时也使得CAD技术的开发有了现实的基础。曲面造型系统CATIA为人类带来了第一次CAD技术革命，改变了以往只能借助油泥模型来近似表达曲面的落后的工作方式。 第一次CAD技术革命：曲面造型系统 此时的CAD技术价格极其昂贵，而且软件商品化程度低，开发者本身就是CAD用户，彼此之间技术保密。只有少数几家受到国家财政支持的军火商，才有条件独立开发或依托某厂商发展CAD技术。第

16、一次CAD技术革命：曲面造型系统由美国洛克希德(Lochheed)公司开发； 由美国通用电气公司(GE)开发； 由美国波音(Boeing)公司开发； 由美国国家航空及宇航局(NASA)开发； 由美国麦道(MD)公司开发； 由法国达索(Dassault)公司开发。 这时的CAD技术主要应用在军用工业。二、第二次CAD技术革命：实体造型技术 二、第二次CAD技术革命：实体造型技术二、第二次CAD技术革命：实体造型技术。但由于表面模型技术只能表达形体的表面信息，难以准确表达零件的其他特性，如质量、重心、惯性矩等，对CAE十分不利，最大的问题在于分析的前处理特别困难。基于对于CADCAE一体化技术发展

17、的探索，SDRC公司于年发布了世界上第一个完全基于实体造型技术的大型CADCAE软件。二、第二次CAD技术革命：实体造型技术 由于，给设计带来了惊人的方便。它代表着未来CAD技术的发展方向，实体造型技术的普及应用标志着CAD发展史上的第二次技术革命 。二、第二次CAD技术革命：实体造型技术 在这段技术跌宕起伏的时期，CV公司最先在曲面算法上取得突破，计算速度提高很大。由于，市场份额上升到第一位，兼并了CALMA公司，实力迅速膨胀，其产品为（当时震耳欲聋的）三、第三次CAD技术革命：参数化技术 正当实体造型技术逐渐普及之时，CAD技术的研究又有了重大进展。如果说在此之前的造型技术都属于的话，进入

18、20世纪80年代中期，CV公司提出了一种比无约束自由造型更新颖、更好的算法方法，该算法主要具有以下特点：。 三、第三次CAD技术革命：参数化技术 当时的参数化技术方案还处于一种发展的初级阶段，很多技术难点有待于攻克。由于参数化技术核心算法与以往的系统有本质差别。，投资及开发工作量必然很大，当时CAD技术主要应用在航空和汽车工业，这些工业中自由曲面的需求量非常大，参数化技术还不能提供解决自由曲面的有效工具（如实体曲面问题等），更何况当时CV的软件在市场上几乎呈供不应求之势，。三、第三次CAD技术革命：参数化技术，开始研制命名为的参数化软件。 20世纪80年代未，计算机技术迅猛发展，很多中小型企业

19、也开始有能力使用CAD技术。由于他们设计的工作量并不大，零件形状也不复杂，更重要的是他们无钱投资大型高档软件，因此他们很自然地把目光投向了。三、第三次CAD技术革命：参数化技术 PTC在起家之初瞄准中档市场，获得了巨大的成功。进入20世纪90年代，参数化技术变得比较成熟起来。踌躇满志的PTC先行挤占低端的AutoCAD市场；继而又试图进入高端CAD市场，与CATIA、SDRC、UG等群雄在汽车及飞机制造业市场逐鹿。目前，。可以认为，参数化技术的应用主导了CAD发展史上的第三次技术革命。第三次CAD技术革命：参数化技术Pro/E的早期开发人员实际上就是的早期开发人员实际上就是CV公司的，公司的，

20、那是那是一个一个IT异常活跃时期，异常活跃时期，任何一个人只要有了任何一个人只要有了新思想，就可以创业立万新思想，就可以创业立万！于是从！于是从CV公司中出公司中出来了几个恐怖的精英分子，开创了一个崭新的时来了几个恐怖的精英分子，开创了一个崭新的时代代参数化参数化设计时代！设计时代！Pro/E由于独特的由于独特的参数参数化化特征建模方式而在市场上一炮走红，让一个原特征建模方式而在市场上一炮走红，让一个原本不知名的小公司在短短的几年内，成为举世知本不知名的小公司在短短的几年内，成为举世知名的名的IT企业（呵呵！企业（呵呵！CAD/CAM界），演绎了又界），演绎了又一个一个IT神话。它迅速超过市场

21、上除神话。它迅速超过市场上除CATIA外的其外的其它同类，更神奇的是它竟然在很短的时间内将他它同类，更神奇的是它竟然在很短的时间内将他的诞生体的诞生体CV公司完整地吃了！公司完整地吃了！可怜的可怜的CADDS系列发展到系列发展到5便终结了。便终结了。四、第四次CAD技术革命：变量化技术 参数化技术的成功应用，使它在参数化技术的成功应用，使它在20世纪世纪90年代前后几乎成为年代前后几乎成为CAD业界的标准，业界的标准，。由。由于于CATIA、CV、UG、都在原来的非参数化模都在原来的非参数化模型基础上开发或集成了许多其他应用软件，在型基础上开发或集成了许多其他应用软件，在CAD方面也做了许多应

22、用模块开发；方面也做了许多应用模块开发；。因此他。因此他们采用的参数化系统基本上都是在原有模型技们采用的参数化系统基本上都是在原有模型技术的基础上进行局部、小块的修补，在推出自术的基础上进行局部、小块的修补，在推出自己的参数化技术后，均宣传自己是采用己的参数化技术后，均宣传自己是采用四、第四次CAD技术革命：变量化技术 由于参数化技术和非参数化技术内由于参数化技术和非参数化技术内核本质不同，核本质不同，。这样的。这样的系统由于其在参数化技术的和非参数化系统由于其在参数化技术的和非参数化技术上不具备优势，系统整体竞争力自技术上不具备优势，系统整体竞争力自然不高，只能依靠某些实用性模块上的然不高，

23、只能依靠某些实用性模块上的特殊能力来增强竞争力！特殊能力来增强竞争力！四、第四次CAD技术革命：变量化技术 1990年以前年以前公司已经摸索了几公司已经摸索了几年参数化技术，当时也面临同样的抉择：年参数化技术，当时也面临同样的抉择：要么它同样采用逐步修补方式，继续将要么它同样采用逐步修补方式，继续将其其IDEAS软件软件“参数化参数化”下去，这样做下去，这样做风险小但必然导致产品的综合竞争力不风险小但必然导致产品的综合竞争力不高；要么就是高；要么就是四、第四次CAD技术革命：变量化技术 SDRC的开发人员发现了参数化技术尚的开发人员发现了参数化技术尚有许多不足之处。首先，有许多不足之处。首先，

24、一旦所设计的零件形状过于复一旦所设计的零件形状过于复杂，面对满屏幕的尺寸，如何改变这些尺杂，面对满屏幕的尺寸，如何改变这些尺寸以达到所需要的形状就很不直观；寸以达到所需要的形状就很不直观；四、第四次CAD技术革命：变量化技术 另外，另外，。 事实上，全约束是对设计者的一种硬性规定。事实上，全约束是对设计者的一种硬性规定。“一定要全约束吗一定要全约束吗”“”“一定要以尺寸为设计的一定要以尺寸为设计的先决条件吗？先决条件吗？”“”“欠约束能否将设计正确进行欠约束能否将设计正确进行下去？下去？”沿着这个思路，一个更新颖大胆的设沿着这个思路，一个更新颖大胆的设想产生了。想产生了。 四、第四次CAD技术

25、革命：变量化技术 SDRC的决策者们权衡利弊，同意的决策者们权衡利弊，同意了这个方案，决定在公司效益正好之时，了这个方案，决定在公司效益正好之时，抓住机遇，从根本上解决问题，免留后抓住机遇，从根本上解决问题，免留后患，于是，患，于是，于，于1993年推出全新体系结构的年推出全新体系结构的IDEAS Master Series软件，在早期出现软件，在早期出现的大型的大型CAD软件中，这是唯一一家在软件中，这是唯一一家在20世纪世纪90年代将软件彻底重写的厂家！年代将软件彻底重写的厂家！四、第四次CAD技术革命：变量化技术。它的成功应用为它的成功应用为CAD技术的发展提供了技术的发展提供了更大的空间和机遇。无疑，变量化技术更大的空间和机遇。无疑，变量化技术成就了成就了SDRC，也驱动了也驱动了CAD发展的第发展的第四次技术革命。四次技术革命。 变量化技术的进一步说明 VGX的全称为的全称为Variational Geometry Extended，它是由，它是由SDRC公公司独家推出的一种司独家推出的一种CAD软件的核心技术。软件的核心技术。VGX技术扩展了变量化产品结构，技术扩展了变量化产品结构，。对于设计人员而言，采用。对于设计人员而言，采用VGX，就象拿就象拿捏一个真实的零部件面团一样，可以随意塑造捏一个真实的零部件面