第1次课 CADCAM 技术发展概论和 CADCAM 系 统 的支撑环境

1、CAD/CAM技术 CAD/CAM Technology主讲：齐向阳天津工业大学机电学院机制教研室8/14/20221CAD/CAM 概 述 CAD/CAM：计算机辅助设计与制造。广泛用于机械、电子、车辆、船舶、建筑、航空航天等领域。 20世纪最具杰出的工程成就之一。 CAD/CAM系统8/14/20222CAD/CAM 概 述8/14/20223CAD/CAM 概 述计算机辅助制造系统产品生产过程及CAD/CAM过程链工艺设计加工装配市场需求产品产品设计概念设计任务规划结构设计施工设计毛坯设计工艺路线设计工序设计刀卡量具设计NC编程加工仿真检测NC加工装配调试CADCAPPCAM8/14/2

2、0224CAD/CAM 概 述目的与要求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，重点掌握有限元和优 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。7) 了解现代先进制造技术的发展方向和目前水平。主要目的:8/14/20225CAD/CAM 概 述先修知识：1）计

3、算机的基本知识2）计算机辅助绘图（AutoCAD）3）机械制造工艺基础目的与要求具体要求:8/14/20226CAD/CAM 概 述本课程授课方法课堂讲授、实验编程+上机平时作业+结课考试8/14/20227CAD/CAM 概 述第一篇：CAD理论基础及应用CAD/CAM 技术概述CAD/CAM系统的支撑环境计算机辅助产品设计的方法CAD/CAM建模技术及产品数据模型计算机辅助工程分析8/14/20228CAD/CAM 概 述第二篇：CAM 技术及应用 CAM技术概述 CAPP技术 计算机辅助数控加工8/14/20229CAD/CAM 概 述第一章 CAD/CAM 技术概述1 CAD/CAM的

4、基本概念2 CAD/CAM的工作过程3 CAD/CAM系统的结构4 CAD/CAM系统的技术发展8/14/202210CAD/CAM 概 述 CAD/CAPP/CAM的定义 CADCAPPCAM的集成 CIMS的定义1. 0 CAD/CAM的基本概念8/14/202211CAD/CAM 概 述 CAD/CAM：计算机辅助设计与制造 (Computer aided design and Computer aided Manufacturing）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一1. 1 CAD/CAM的基本概念8/14/202212CAD/CAM 概 述

5、 计算机辅助设计（Computer Aided Design, 简称CAD） 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。1. 2 CAD的基本概念及CAD系统基本功能8/14/202213CAD/CAM 概 述CAD系统的功能几何建模工程分析模拟仿真自动绘图8/14/202214CAD/CAM 概 述CAD系统的组成科学计算：有限元分析、可靠性分析、动态分析、优化设计、常规计算。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。工程数据库：对

6、数据、图形、文档等进行信息进行存储和管理。8/14/202215CAD/CAM 概 述CAD系统的主要功能 草图设计 零件设计 装配设计 绘制工程图样 工程分析 数据交换接口等。 8/14/202216CAD/CAM 概 述零件造型8/14/202217CAD/CAM 概 述装配设计工程分析8/14/202218CAD/CAM 概 述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CAD系统功能模型 8/14/202219CAD/CAM 概 述1.2 计算机辅助工艺规程设计CAPP（ Computer Aided Process

7、Planning ） 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。8/14/202220CAD/CAM 概 述 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的功能8/14/202221CAD/CAM 概 述 CAPP的功能模型 CAPP工艺知识数据库图形系统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8/14/202222CAD/CAM 概 述 CAPP的优势 1

8、. 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； 2. 大大地缩短工艺设计周期； 3. 有助于对工艺设计人员的宝贵经验进行总结和继承； 4. 有利于工艺设计的最优化和标准化； 5. 为实现CIMS创造条件。 8/14/202223CAD/CAM 概 述1.3 计算机辅助制造(Computer Aided Manufacturing, 简称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

9、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。 8/14/202224CAD/CAM 概 述刀具轨迹仿真8/14/202225CAD/CAM 概 述狭义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8/14/202226CAD/CAM 概 述1.4 有代表意义的 CAD/CAM单项技术 计算机辅助绘图，简称CAG(Computer Aided Graphics) 计算机辅助工程分析，简称CAE(Computer Aided Engineering) 计算机辅助工艺设计，

10、简称CAPP(Computer Aided Process Planning) 计算机辅助数控编程，简称NCP(Number Control Programming) 计算机辅助夹具设计，简称CAFD (Computer Aided Fix Design)企业资源计划，简称ERP(Enterprise Resource Planning) 计算机辅助质量控制，简称CAQ(Computer Aided Quality ) 产品数据管理，简称PDM(Product Data Management) 虚拟设计，简称VR-CAD(Virtual Reality-CAD ) 虚拟制造，简称VM(Virt

11、ual Manufacturing) 8/14/202227CAD/CAM 概 述1.5 CADCAPPCAM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。 8/14/202228CAD/CAM 概 述产生前提： 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 Computer Integrated Manufacturing System： 将生产信息以及生产管理过程所需

12、的全部信息进行集成。实现CIMS的核心技术是CAD/CAM集成。1.6 CIMS技术8/14/202229CAD/CAM 概 述2.0 CAD/CAM系统的工作过程选择设计方案输入设计要求三维几何造型及产品模型满足产品要求?输出图样及文件CAPPNC自动编程加工模拟满足设计要求?加工制造最优化设计应力应变等工程分析装配仿真运动仿真物性分析图形库设计参数数据库NC代码库工艺库修改设计YYNNCADCAM程序库刀具切削用量库iacM8/14/202230CAD/CAM 概 述3.0 CAD/CAM系统的结构 产品生产过程与CAD/CAM过程链 CAD/CAM 系统组成 CAD/CAM系统集成方案8

13、/14/202231CAD/CAM 概 述3.1 产品生产过程与CAD/CAM过程链工艺设计加工、装配市场需求产品产品设计概念设计任务规划结构设计施工设计毛坯设计工艺路线设计工序设计刀卡量具设计NC编程加工仿真检测NC加工装配调试CADCAPPCAM8/14/202232CAD/CAM 概 述3.2 CAD/CAM 系统组成 CAD/CAM系统的功能 快速数字计算及图形处理能力 数据知识的存储及快速检索能力 人际交互通信的功能 输入、输出信息及图形的能力8/14/202233CAD/CAM 概 述3.2 CAD/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

14、软件支撑软件应用软件8/14/202234CAD/CAM 概 述3.2 CAD/CAM 系统组成 CAD/CAM系统总体结构用户界面应用系统CADCAPPCAM数据库操作系统、网络系统计算机硬件8/14/202235CAD/CAM 概 述3.3 CAD/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8/14/202236CAD/CAM 概 述用户管理项目管理工作流程管理权限控制应用工具集成异构硬件平台网络分布异

15、构数据库应用工具网络通信服务统 一 用 户 界 面CADCAPPCAM用户1用户2用户n用户层应用系统层PDM系统集成层异构环境处理层基于PDM的系统集成体系结构8/14/202237CAD/CAM 概 述4.0 CAD/CAM系统的应用和发展CAD/CAM技术是20世纪最杰出的工程成就之一，其发展和应用对制造业产生了巨大的影响和推动作用。为制造业带来了巨大的社会效益和经济效益。CAD/CAM软件的应用目前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的重要标志。 8/14/202238CAD/

16、CAM 概 述 I-DEAS 美国SDRC公司 UG NX 美国EDS公司 Pro/E 美国PTC SolidWorks 美国Solid Works公司 CATIA 法国达索飞机公司AutoCAD，Inventor 美国Autodesk公司高华CAD、天河CAD、开目CAD、CAXA当今流行的商品化CAD/CAM软件4.0 CAD/CAM系统的应用和发展8/14/202239CAD/CAM 概 述CAD技术在我国的发展技术是在80年代中期才有的，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。4.0 CAD/CAM系统的应用和发展8/

17、14/202240CAD/CAM 概 述CAD/CAM系统的新进展 计算机集成制造（CIM） 并行工程（Concurrent Engineering） 智能化CAD/CAM 虚拟产品开发 网络化设计与制造4.0 CAD/CAM系统的应用和发展8/14/202241CAD/CAM 概 述计算机集成制造（CIM） 4.0 CAD/CAM系统的应用和发展 CIM （Computer Integrated Manufacturing）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、

18、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。8/14/202242CAD/CAM 概 述并行工程（Concurrent Engineering）4.0 CAD/CAM系统的应用和发展 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。8/14/202243CAD/CAM 概 述智能化CAD/CAM4.0 CAD/CAM系统的应用和发展 将人工智能、专家系统应用于CAD/CAM系统中，形成智能的C

19、AD/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。8/14/202244CAD/CAM 概 述虚拟产品开发 （Virtual Product Development，VPD） 4.0 CAD/CAM系统的应用和发展 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。8/14/202245CAD/CAM 概 述 网络化设计与制造

20、4.0 CAD/CAM系统的应用和发展 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。8/14/202246CAD/CAM 概 述第 二 章 CAD/CAM 系 统 的支撑环境CAD /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。8/14/202247CAD/CAM 概 述第 二 章 CAD/CAM 系 统 的支撑环境CAD /CAM系统的组成： 硬件（系统的基础） 软件：系统软件、支

21、撑软件、应用软件 （系统的核心） 人：人机交互8/14/202248CAD/CAM 概 述 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。8/14/202249CAD/CAM 概 述 CAD /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8/14/202250CAD/CAM 概 述对主机的要求： 处理速度快； 内存容量大。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。8/14/202251CAD/CAM 概 述计算机分类大中型计算机

22、：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。8/14/202252CAD/CAM 概 述存储器的分类 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8/14/202253CAD/CAM 概 述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8/14/202254CAD/CAM 概 述输入

23、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）。8/14/202255CAD/CAM 概 述输入设备 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8/14/202256CAD/CAM 概 述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。8/14/202257CAD/CAM 概 述输

24、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）8/14/202258CAD/CAM 概 述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8/14/202259CAD/CAM 概 述CAD/CAM 系 统 的 软件系统软件支撑软件应用软件8/14/202260CAD/CAM 概 述 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、WIND

25、OWS、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。8/14/202261CAD/CAM 概 述支撑软件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 8/14/202262CAD/CAM 概 述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、

26、造型、 数控编程、加工控制等多种功能。8/14/202263CAD/CAM 概 述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、ANSYS8/14/202264CAD/CAM 概 述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。8/14/20226

27、5CAD/CAM 概 述综合集成软件组成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8/14/202266CAD/CAM 概 述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8/14/202267CAD/CAM 概 述数据管理技术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8/14/202268CA

28、D/CAM 概 述数据管理技术数据形式：数值文字信息几何图形信息8/14/202269CAD/CAM 概 述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8/14/202270CAD/CAM 概 述 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。8/14/202271CAD/CAM 概 述文件管理系统特点：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

29、（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。8/14/202272CAD/CAM 概 述数据库管理系统 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, Data Base Management System） 8/14/202273CAD/CAM 概 述 数据库管理系统的作用 应用程序数据库管理系统数据库作用：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 8/14/202274CAD/CAM 概

30、 述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。8/14/202275CAD/CAM 概 述 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)8/14/202276CAD/CAM 概 述工程数据库：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8/14/202277CAD/CAM 概 述工程数据的类型管理型数据：国家标准、产品目录、

31、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。8/14/202278CAD/CAM 概 述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8/14/202279CAD/CAM 概 述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8/14/202280CAD/CAM 概 述 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

32、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。8/14/202281CAD/CAM 概 述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8/14/202282CAD/CAM 概 述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+108/14/202283CAD/CAM 概 述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8/14/202284CAD/C