cad原理2011年-第一章

cad原理2011年-第一章第一页，共96页。性质：本课程是机械制造及自动化、机械设计及理论和机械电子工程专业研究生专业基础课。目的：通过本课程的学习，使学生初步掌握CAD的基本知识，了解处理CAD问题的基本方法，提高学生应用CAD解决实际问题的能力。任务：系统的讲授CAD的基本知识，包括CAD发展及应用、CAD软件构成及技术核心，计算机输入及输出，坐标变换、3D实体模型生成、软件Pro/E功能及应用，着重于学生提高应用CAD方法解决实际问题的能力。第二页，共96页。课程包括12章(80学时，授课30时，作业8时，答疑2时，课外40机时)1. CAD技术及发展简介

(4)2. 计算机软件与硬件(2)

3. 计算机图形处理技术(4)

a)2D、3D几何变换b)2D、3D几何变换

c)

平行投影5. Pro/ENGINEER设计建模系统介绍(4)

a)

Pro/ENGINEER基础及基于特征的实体建模CAD系统

b)

Pro/E用户界面及零件、装配模型的生成第三页，共96页。6. 2D截面绘制(2)

1）了解驱动尺寸与参数化截面的概念；

2）掌握2D几何图素绘制与编辑操作；

3）掌握尺寸标注与修改操作；

4）掌握几何约束条件与设定操作；7. 3D造型基础(2)

1）了解特征与特征造型的概念；

2）掌握3D造型的基本方法

3）掌握工程特征生成方法

4）掌握特征的阵列与复制操作；第四页，共96页。8. 高级造型设计(2) 掌握高级造型方法 掌握特征操作与设计变更操作； 掌握各种曲线曲面设计方法；9.工程图、文件及文件变换(2)10.设计优化简介(2)11.CAD数据组织(2)

a)数据结构及数据库

b)图形标准和CAD/CAM数据转换12.复杂零件建模、复杂装配(4)

第五页，共96页。作业（禁止直接下载，如有雷同，0分）练习/项目(小组3-5人，课堂报告形式)课堂（签到，发言，纪律）考试（闭卷）第六页，共96页。作业25%项目30%出勤5％考试40%项目评分：任务工作量，难度，完成情况，及个人任

务完成情况第七页，共96页。作业:

每次限定交作业时间.迟交不记分.项目作业以课堂报告形式.

切记:不要只给方程–

请解释你的推导.

别跳过你的计算过程–

写出全部的过程.

第八页，共96页。作业:电子版邮箱地址:

第九页，共96页。1.1CAD的内涵1.2CAD基本功能1.3CAD系统组成1.4CAD的主要目标1.5CAD/CAM的发展概况1.6

CAD/CAM的基本概念1.6

CAD/CAM的基本概念1.7

CAD/CAM系统的工作过程1.8

CAD/CAM系统的主要任务1.9CAD/CAM技术的应用1.10主要的CAD/CAE/CAM软件第十页，共96页。CAD：ComputerAidedDesign什么是设计什么是CAD第十一页，共96页。Q1：设计的定义设计是一种有目地的创作行为。设计是在我们要达到什么和我们如何达到它之间的互动。设计是把一种计划、规划、设想通过视觉的形式传达出来的活动过程机械设计是根据使用要求对机械的工作原理、结构、运动方式、力和能量的传递方式、各个零件的材料和形状尺寸、润滑方法等进行构思、分析和计算并将其转化为具体的描述以作为制造依据的工作过程。

第十二页，共96页。第十三页，共96页。Q2：CAD的定义定义一

CAD是一种用机算机硬、软件系统辅助，人们对产品或工程进行设计的方法与技术，包括设计、绘图、工程分析与文档执著的设计活动。定义二以计算机为工具，通过人机交互，处理产品设计过程中的图形和数据信息，辅助完成整个产品设计过程的一门综合技术。第十四页，共96页。第十五页，共96页。第十六页，共96页。第十七页，共96页。第十八页，共96页。第十九页，共96页。第二十页，共96页。第二十一页，共96页。第二十二页，共96页。第二十三页，共96页。第二十四页，共96页。几何建模用基本几何实体及其相互关系构造零件或产品三维几何模型；工程分析进行运动学、动力学、有限元分析，优化设计等；工艺编程自动决策生成加工方法、工艺路线、工艺参数和加工设备；数控编程选择所需要刀具和工艺参数，确定走刀方式，生成刀具轨迹，后置处理，生成NC程序。模拟仿真预测产品工作性能，检查NC代码正确性，检查制造过程几何干涉和物理碰撞，分析产品可制造性；数据管理提供有效的工程数据管理手段，支持产品设计与制造全过程数据信息流动和处理。CAD（CAM）工程绘图工程分析几何建模数据管理模拟仿真数控编程工艺规程第二十五页，共96页。CAECAMCAD第二十六页，共96页。CAD/CAM系统硬件系统软件系统计算机生产设备外围设备系统软件支撑软件应用软件第二十七页，共96页。请思考-----传统机械产品设计的基本流程减少人的工作量/错误缩短设计时间降低开发成本给不同的团队、平台之间提供交流工具总之：解放了人，提高了效率，降低了成本第二十八页，共96页。CAD/CAM技术经历了形成、发展、提高和集成阶段。形成期（20世纪50年代~60年代）（1）技术准备20世纪50年代，数控机床研制成功；麻省理工学院用计算机制作数控纸带，实现了NC编程的自动化；CAD最初概念：设想计算机辅助的过程是通过自动运行的各个程序实现的，是解决不同复杂程度的生产计划问题的各个过程，从设计、分析到计算都是在人与计算机之间交互进行的。第二十九页，共96页。20世纪60年代初，MIT研究生I.E.Sutherland发表了《人机对话图形通信系统》论文，研制了SKETCHPAD系统，首次提出计算机图形学、交互技术及基于分层数据结构的图形符号存储技术等思想。20世纪60年代初，出现了许多商品化的CAD设备及系统。IBM公司推出用于大型机设计与制造的CAD/CAM系统，该系统具有绘图、数控编程及强度分析等功能；通用汽车（GM）公司研制了用于汽车设计的DAC-1系统；洛克希德飞机公司开发了CADAM系统。1962年，第一台工业机器人研制成功，实现了物料搬运的自动化。1966年，出现了用大型通用计算机直接控制多台数控机床的DNC系统。第三十页，共96页。（2）单元技术的出现计算机辅助设计(CAD)

20世纪60年代初期，主要是交互式绘图和三维线框建模。线框模型无法表达几何数据间的拓扑信息和表面信息，无法实现(CAE)和(CAM)。计算机辅助制造(CAM)

20世纪50年代初期，主要侧重于数控加工自动编程。计算机辅助工艺规划(CAPP)

20世纪50年代中期，其主要功能是产品加工工艺规划制定。计算机辅助工程分析(CAE)

20世纪80年代，其主要功能是指产品几何形状的模型化和工程分析与仿真。第三十一页，共96页。发展期(20世纪60年代中期~70年代中期)以小型机、超小型机为主机的CAD系统；针对某个特定问题的CAD成套系统；面向中小企业的CAD/CAM商品化系统；1967年，英国莫林公司——CNC自动化制造系统；20世纪70年代初，美国辛辛那提公司——柔性制造系统(FlexibleManufacturingSystem，FMS)。第三十二页，共96页。提高期（20世纪80年代~90年代）CAD/CAM技术在中小企业得到推广；应用领域：由产品设计发展到工程设计；计算机辅助工艺规程设计(CAPP)；计算机辅助工装设计；计算机辅助质量控制(CAQ)；研制高效益、高柔性的智能化制造系统。第三十三页，共96页。集成期（20世纪90年代后）CAD/CAM技术向着集成化、智能化、网络化、可视化、并行化、标准化的方向发展。以I-DEAS、UGⅡ、Pro/Engineer等为代表的CAD/CAM软件(硬件平台以工程工作站为主)推出了微机版本。推出一批优秀的基于微机平台的CAD/CAM软件，如SolidWorks、Inventor、MDT、MasterCAM、CATIA等国内公司开发了一批具有自主知识产权的CAD/CAM系统，如金银花CAD系统、CAXA系列软件、开目CAD系列软件等。第三十四页，共96页。计算机辅助概念设计

需解决建模和推理两大技术难题。计算机支持的协同设计

须解决：

①群体成员间实时、可靠、廉价的信息交换；②保证异地、异构环境下协同设计系统可靠运行；③群体成员冲突协调解决机制。海量信息的存储、管理和检索技术

智能CAD/CAM技术

CAD/CAM与虚拟现实技术的集成计算机安全第三十五页，共96页。机械产品的生产过程分析

第三十六页，共96页。CADCAM第三十七页，共96页。根据产品设计过程的特点，可将设计划分为：(1)功能设计

确定产品功能和结构之间的对应关系。(2)布局设计完成技术实体部分(零部件)的排列组合。(3)参数设计定义零部件的几何形状及尺寸参数。(4)公差设计制定形状、位置及尺寸精度。第三十八页，共96页。根据各设计任务所占的比重不同，又可将设计划为：(1)新设计

是一种从无到有的开放性设计。通常从概念设计、功能设计开始，或者重新排列现有的、新的零部件以达到设计目的。新设计通常需要创造性思维。(2)适应性设计

保持总体布局不变，通过修改个别零部件的功能或形状以适应质和量方面的附加要求。(3)参数化设计

功能、布局、零件的几何拓扑关系均保持不变，仅改变零件的尺寸参数，以产生系列化的设计结果。第三十九页，共96页。产品设计现状：

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%属于新设计。某些标准化程度高的领域，参数化设计达到50%左右。（CAD）工艺规程设计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，也存在重复工作的问题。（CAPP）。

第四十页，共96页。加工制造过程在机械制造行业，50件以下的小批量生产约占75%。据统计，一个零件在车间的平均停留时间中，只有5%的时间在机床上，而这5%的时间中，又只有30%的时间用于切削加工。绝大部分时间都消耗在工件的装卸、调整、测量及等待切削上。要改进这一状况，必须借助计算机对产品的加工制造过程进行控制。（CAM）第四十一页，共96页。

CAD/CAM技术：不是传统设计、制造流程和方法的简单映像，也不是局限于在个别步骤或环节中部分地使用计算机作为工具，而是将计算机科学与工程领域的专业技术以及人的智慧和经验以现代的科学方法为指导结合起来，在设计、制造的全过程中各尽所长，尽可能地利用计算机系统来完成那些重复性高、劳动量大、计算复杂以及单纯靠人工难以完成的工作，辅助而非代替工程技术人员完成整个过程，以获得最佳效果。CAD/CAM系统以计算机硬件、软件为支持环境，通过各个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。第四十二页，共96页。★

计算机辅助设计

(ComputerAidedDesign)

简称CAD，是指工程技术人员以计算机为工具，用各自的专业知识对产品进行总体设计、绘图、仿真、分析及编写技术文档等设计活动的总称。★

计算机辅助制造

(ComputerAidedManufacturing)

简称CAM，是指使用计算机系统进行生产规划、管理和控制产品制造的全过程，它既包括与加工过程直接联系的计算机监测与控制，也包括使用计算机来管理生产经营，提供计划进度表等。狭义的CAM是指计算机辅助机械加工，更确切地说，是指数控程序的编制。广义的CAM是指利用计算机辅助完成从毛坯到产品全部制造过程中的各种直接和间接的活动，包括工艺准备、NC编程、生产作业计划、生产控制、质量控制等。第四十三页，共96页。(1)需求分析，几何建模。(2)详细设计及优化，图形输出。(3)人机交互，模型修正。(4)工艺规程设计，结果输出。(5)工艺规程修改。结果存储。(6)生成NC加工指令，加工制造。(7)工艺仿真，干涉、碰撞检验。(8)加工制造。1.7CAD/CAM系统的工作过程第四十四页，共96页。

CAD/CAM系统需要对产品设计、制造全过程的信息进行处理，包括设计、制造中的数值计算、设计分析、绘图、工程数据库的管理、工艺设计、加工仿真等各个方面。(1)几何造型几何造型是指在计算机中建立零件的三维实体模型。先进的CAD都提供参数化的基于特征的实体造型方法。几何造型技术是CAD/CAM系统的核心，它为产品的设计、制造提供基本数据，也为其他模块提供原始信息。第四十五页，共96页。曲面造型装配造型第四十六页，共96页。第四十七页，共96页。(2)计算分析CAD/CAM系统根据形状模型，根据产品几何形状，计算出相应的体积、表面积、质量、重心位置、转动惯量等几何特性和物理特性，为进行工程分析和数值计算提供必要的基本参数。还可应力、温度、位移等结构分析计算。(3)工程绘图CAD/CAM系统一方面应具备从几何造型的三维图形直接向二维图形转换的功能，另一方面，还需有处理二维图形的能力。先进的CAD软件都具备根据零件的三维零件图和装配造型自动生成投影图和局部视图的功能，并能自动标注尺寸

第四十八页，共96页。(4)结构分析

结构分析常用的方法是有限元法,是一种数值近似解方法，用来求解形状比较复杂的工程构件的静态和动态特性，以及构件的强度、振动、热变性、温度及应力分布等的分析计算。系统根据产品结构特点，划分网格、标出单元号、节点号，并将结果显示，分析计算后，以图形或文件的形式输出计算结果，如应力分布图、温度场分布图等。第四十九页，共96页。第五十页，共96页。(5)优化设计在某些条件下，使产品或工程设计中的预定指标达到最优。

优化包括总体方案的优化、产品零件结构的优化、工艺参数的优化等(6)计算机辅助工艺规程设计(CAPP)CAPP系统应根据建模后生成的产品信息及制造要求，自动决策出加工该产品所采用的加工方法、步骤、设备及参数。

设计结果一方面能被生产实际所用，生成工艺卡，另一方面能直接输出一些信息，为CAM中的NC自动编程系统接收、识别，直接转换为刀位文件。第五十一页，共96页。(7)NC自动编程早期的NC自动编程是采用APT语言对加工路径、加工、刀具等参数进行描述，然后利用计算机对数控程序进行分析，并生成NC程序代码，最后制成穿孔纸带输入数控系统控制加工。

目前的CAM软件大部分采用图形交互式自动编程，即以CAD生成的零件几何信息为基础，在计算机屏幕制定被加工零件的几何特征、定义相关的加工参数后，由计算机进行分析处理，直接产生NC加工程序。

仿真功能则能在计算机上动态显示加工路径，模拟实际加工情况。通过各自接口可将计算机与数控机床连接起来，利用CAM软件中的通信模块，能将计算机上的NC加工程序直接送至数控机床的CNC系统实现数控加工，这个过程称为直接数字控制(DNC)。第五十二页，共96页。(8)模拟仿真

在CAD/CAM系统内部建立一个工程设计的实际系统模型，通过运行仿真软件，代替、模拟真实系统的运行，以预测产品的性能、产品的制造过程和产品的可制造性。(9)工程数据管理CAD/CAM系统中数据量大、数据种类多，既有几何图形数据，又有属性定义数据；既有静态标准数据，又有动态过程数据。因此，CAD/CAM系统应提供有效的管理手段，支持工程设计与制造全过程的信息流动与交换。通常，采用工程数据库系统作为统一的数据环境，实现各种工程数据的管理。第五十三页，共96页。(10)应用软件二次开发大多数商品化CAD系统都提供了基于C、C++、VisualC++、VisualBasic的二次开发工具，为用户或者第三方在其基础上编写应用软件提供了很大的方便。

二次开发工具中提供的函数和方法可以调用CAD系统内部命令，直接存取CAD内部数据库。在实际应用中，有可能只需完成上述的某几项任务，故应根据实际情况选购或开发所需的CAD/CAM系统。第五十四页，共96页。(1)机械CAD

汽车和飞机是这个行业的先驱。使用CAD设计车身，可提高工效20倍，使企业在竞争中取得优势。我国造船业现在已建成规模巨大的船舶CAD/CAM系统CADIS-1，覆盖船舶设计与制造全过程。(2)建筑CAD

建筑行业是CAD技术应用最广泛的领域之一，包括建筑设计、结构设计、水电设计、小区规划、路桥设计、城市规划等(3)电子CAD

包括集成电路CAD、印刷电路板CAD、整机系统模拟、故障测试与诊断等。第五十五页，共96页。(4)计算机辅助工业设计

包括家电、相机、钟表、车辆、器皿、家具等日用工业产品设计，室内、室外、园林等环境设计，图案、广告、展览、动画等表达设计。(5)地图CAD

包括行政区域图、地形图和电子沙盘、地质图、城市规划图、地下管网图、交通图、人口分布图、环境保护图、生物分布图、海图、气象图等与地域位置有关信息的操作和图形设计。地图CAD与地理信息管理、分析、处理等功能合在一起，称为地理信息系统GIS(GeographicInformationSystem)。

第五十六页，共96页。◆

杭州汽轮机动力集团公司应用CAD/CAM技术，使产品设计图样的90%实现了CAD，每项产品设计时间从5~6个月缩短为1.5~2个月，关键零部件数控加工，中小零件工艺设计90%采用CAPP技术。◆据美国的统计资料，大规模集成电路采用CAD设计后，效率平均提高18倍；机械产品的设计效率平均提高5倍；建筑设计的效率平均提高3倍；编辑出版的效率提高4.4倍。◆

日本夏普公司生产电视、录音机和汽车覆盖件的模具，采用传统方法的生产周期为一年，而采用CAD/CAM技术后，从设计到制造的周期仅为1.5~2个月。

第五十七页，共96页。

(1)有利于发挥设计人员创造性。(2)减少设计、计算、制图、制表所需时间，缩短设计周期。(3)有利于实现设计方案的优化。(4)有利于实现产品的标准化、通用化和系列化。(5)减少了零件在车间的流通时间等待时间，提高了加工效率。(6)有利于企业提高应变能力和市场竞争力。(7)提高了产品的质量和设计、生产效率。(8)CAD/CAM的一体化，使产品的设计、制造过程形成一个有机整体，通过信息集成，在经济上、技术上给企业带来综合效益。第五十八页，共96页。计算机辅助绘图，简称CAG(ComputerAidedGraphics)

计算机辅助工程分析，简称CAE(ComputerAidedEngineering)

计算机辅助工艺设计，简称CAPP(ComputerAidedProcessPlanning)计算机辅助数控编程，简称NCP(NumericalControlProgramming)

企业资源计划，简称ERP(EnterpriseResourcePlanning)

计算机辅助质量控制，简称CAQ(ComputerAidedQuality)

产品数据管理，简称PDM(ProductDataManagement)

虚拟设计，简称VR-CAD(VirtualReality-CAD)

虚拟制造，简称VM(VirtualRealityManufacturing)

第五十九页，共96页。第六十页，共96页。应用案例1装饰表面设计和建模第六十一页，共96页。应用案例2效果图中的虚拟现实第六十二页，共96页。应用案例3运动仿真及动画（拖拉机）第六十三页，共96页。应力分析应用案例4第六十四页，共96页。工位空间及顺序仿真应用案例5第六十五页，共96页。第六十六页，共96页。

交互绘图软件：主要完成二维工程图样的绘制，如AutoCAD、PICAD高华CAD开目CAD等。

三维造型软件：如MDT、Solidworks、Solidedge等。

数控编程软件：如MasterCAM、SurfCAM等。

工程分析软件：如SAP、ADINA、NASTRAN、ANSYS等。

综合集成软件：如I-DEAS、UGII、PRO/E、CATIA等,

具有CAD、CAE、CAM等综合功能。第六十七页，共96页。现代CAD/CAE/CAM工具专业的CAD/CAE/CAM工具

－CATIA(DassaultSystemes-IBM)

－UnigrphicsSolutions(ElectronicDataSystemdCorp-EDS)

－I-DEAS(EDS)

－Pro/ENGINEER(PTC)其他CAD和绘图包

－AutoCADMechanicalDesktop

－SolidWorks(CATIA)

－SolidEdge(EDS)

－MicroStation

－Intergraph第六十八页，共96页。现代CAD/CAE/CAM工具-Pro/ENGINEER由(PTC)公司提供的CAD/CAE/CAM行业领先的软件工具供应商之一80年代后期新的基于特征，参数化设计示范的先驱者，现在为标准用于从概念设计到生产自动开发机械产品的系统提供集成化的软件技术减少产品投放市场的时间、改善工程过程和优化产品质量在机械设计自动化领域增长最快的公司之一最新版本改进用户界面第六十九页，共96页。现代CAD/CAE/CAM工具-Pro/ENGINEER第七十页，共96页。由IBM专门推出Dassault系统开发的以过程为中心的CAD/CAM软件用于设计和制造许多3D复杂产品，今天70％飞机和40％汽车用CATIA－CADAM设计，使它成为这些市场的标准从用户定制产品到工厂设计和轮船制造应用到很广的软件全球范围内有30万用户，主要是英语市场现代CAD/CAE/CAM工具-CATIA第七十一页，共96页。现代CAD/CAE/CAM工具-CATIA第七十二页，共96页。由StructuralDynamicsResearchCorporation（SDRC）开发的全套设计建模、分析、仿真和制造CAD/CAE/CAM软件最老的和基础良好的CAD/CAE系统，有相当的市场份额很强的CAE能力从用户定制产品到工厂设计和汽车制造应用到很广的软件现代CAD/CAE/CAM工具-I-DEAS

第七十三页，共96页。现代CAD/CAE/CAM工具-I-DEAS

第七十四页，共96页。由UnigraphicsSolutions开发的全套设计建模、分析、仿真和制造CAD/CAE/CAM软件最老的和基础良好的CAD/CAE系统之一应用到很广的软件，特别是汽车和航空产品开发现代CAD/CAE/CAM工具-Unigraphics

第七十五页，共96页。现代CAD/CAE/CAM工具-Unigraphics

第七十六页，共96页。强有力的建模工具集成化设计管理大型装配体的生产率容易采用建模快在工程帮助下消除错误绘图工具无比的协同工作能力设计到制造全过程现代CAD/CAE/CAM工具-SolidEdge第七十七页，共96页。现代CAD/CAE/CAM工具-SolidEdge第七十八页，共96页。世界领先的基于微机的3D机械设计包，AutoDesk公司开发过去主要用于微机绘图包由于微机平台及低价它是世界最流行的CAD软件灵活的编程工具，AutoLISP，ADS和ARX最新特性（MechanicalDesktop） －ACIS3.0先进的实体建模发动机 －NURBS表面建模 －强健的装配建模和自动关联绘图现代CAD/CAE/CAM工具-AutoCAD和MechanicalDesktop第七十九页，共96页。通过在AutoCAD中编程的CAD应用现代CAD/CAE/CAM工具-AutoCAD和MechanicalDesktop第八十页，共96页。3D计算机辅助机械设计软件，由SolidWorks公司开发，该公司成立于1993年1997年被Dassault系统公司收购新的低价机械设计软件公司组中领先者用于零件和装配体完全的以3D为中心与自动装配和绘图功能相关的设计与过程系统在Windows95和NT环境下运行的第一个实体建模程序，并且价格低廉现代CAD/CAE/CAM工具-SolidWorks第八十一页，共96页。COSMOSSolidWoks－一个设计自动化软件包用于生产零件、装配及工程图包含多个功能模块：COSMOSXpress