第一章CAD概论课件

计算机辅助设计－CAD罗天洪博士副教授机电与汽车工程学院.7/27/20231CAD/CAM概述第一章

CAD技术发展概论.7/27/20232CAD/CAM概述

计算机辅助设计（CAD）技术是随着计算机和数字化信息技术发展而形成的新技术，是20世纪最杰出的工程成就之一，也是数字化、信息化制造技术的基础。其发展和应用对制造业产生了巨大的影响和推动作用。经过几十年的发展和应用，不仅CAD本身已形成规模庞大的产业，而且为制造业带来了巨大的社会效益和经济效益。目前CAD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。

.7/27/20233CAD/CAM概述

随着CAD技术的推广应用，它已逐渐从一门新兴技术发展成为一种高新技术产业，带动了一批企业的技术改造和技术更新，从事CAD技术应用的人员还将不断增加，因此急需学习和掌握CAD的原理、方法与技术，以适应形势的发展和社会的需要。

.7/27/20234CAD/CAM概述第一章CAD技术发展概论1CAD的基本概念2CAD系统的主要任务3CAD技术发展简史与应用现状4CAD与CAM之间的联系.7/27/20235CAD/CAM概述1.0CAD的基本概念CAD的定义产品设计制造过程与CADCAD系统的工作过程

CAD的应用意义

.7/27/20236CAD/CAM概述1.1定义及CAD系统基本功能计算机辅助设计的定义

计算机辅助设计（ComputerAidedDesign,简称CAD）是指工程技术人员以计算机为辅助工具，完成产品设计构思和论证，产品总体设计，技术设计，零部件设计，有关零件的强度、刚度、热、电、磁的分析计算和产品图绘制等工作。.7/27/20237CAD/CAM概述CAD系统的主要功能：草图设计零件设计工程分析装配设计产品数据交换等

.7/27/20238CAD/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1.2CAD系统功能模型

.7/27/20239CAD/CAM概述1.3计算机辅助制造(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。

.7/27/202310CAD/CAM概述1.4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.7/27/202311CAD/CAM概述1.5产品设计制造过程与CAD产品设计工艺设计生产管理产品制造方案设计概念设计工程分析计算零件设计图纸绘制数控编程及仿真数控加工常规加工质量控制产品装配产品调试工艺过程设计毛坯设计工装设计作业计划编制物料管理制造资源管理.7/27/202312CAD/CAM概述1.6有代表意义的CAD单项技术

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(NumberControlProgramming)企业资源计划，简称ERP(EnterpriseResourcePlanning).7/27/202313CAD/CAM概述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)

.7/27/202314CAD/CAM概述1.7CAD系统结构.7/27/202315CAD/CAM概述1.8CAD系统的工作过程

（1）通过市场需求调查以及用户对产品性能的要求，向CAD系统输入设计要求，利用几何建模功能，构造出产品的几何模型，计算机将此模型转换为内部的数据信息，存储在系统的数据库中。

（2）调用CAD系统程序库中的各种应用程序对产品模型进行详细设计计算及结构方案优化分析，以确定产品总体设计方案及零部件的结构及主要参数，同时，调用CAD系统中的图形库，将设计的初步结果以图形的方式输出在显示器上。

.7/27/202316CAD/CAM概述（3）当把设计对象描述为计算机内部模型后，通过计算机辅助工程分析计算功能对产品技术性能指标进行优化设计、性能预测、结构分析和仿真。即通过计算机数值分析求解速度快、效率高的优势，对设计产品的结构和性能指标进行必要的工程分析和仿真计算。

（4）根据计算机显示的结果，设计人员对设计的初步结果作出判断，如果不满意，可以通过人机交互的方式进行修改，直至满意为止，修改后的数据仍存储在CAD系统的数据库中。

.7/27/202317CAD/CAM概述（5）CAD系统从数据库中提取产品的设计制造信息，在分析其零件几何形状特点及有关技术要求后，对产品进行工艺规程设计，设计的结果存入系统的数据库，同时在屏幕上显示输出。

（6）工艺设计人员可以对工艺规程设计的结果进行分析、判断，并允许以人机交互的方式进行修改。最终的结果可以是生产中需要的工艺卡片或以数据接口文件的形式存入数据库，以供后续模块读取。

.7/27/202318CAD/CAM概述（7）在打印机上输出工艺卡片，成为车间生产加工的指导性文件。CAM子系统从数据库中读取零件几何信息和加工工艺规程，生成NC加工程序。

（8）有些CAD系统在生成了产品加工的工艺规程之后，对其进行仿真、模拟，验证其是否合理、可行。同时，还可以进行刀具、夹具、工件之间的干涉、碰撞检验。

（9）在普通机床、数控机床上按照工艺规程和NC加工程序加工制造出有关产品。

.7/27/202319CAD/CAM概述1.9CAD的应用意义缩短产品开发周期

提高产品设计质量

降低生产成本

提高管理水平

.7/27/202320CAD/CAM概述CAD的应用意义降低维修成本降低销售成本减少装配制造时间缩短生产时间时间减少设计工时

减少库存降低废品率0%40%20%60%80%100%30%33%45%48%70%85%46%.7/27/202321CAD/CAM概述2.CAD系统的主要任务

零件造型

装配造型

标准件库

工程绘图

工程分析

优化设计

计算机辅助工艺规程设计

计算机辅助NC编程

模拟仿真

工程数据管理

应用软件二次开发.7/27/202322CAD/CAM概述2.1零件造型

零件造型是指在计算机中建立零件的三维实体模型。零件造型应能够准确表达零件的形状、尺寸、色泽、体积、重心、表面信息、材料信息等。设计人员在三维CAD软件的支持下可以根据自己的设想将零件从计算机中逐步“制作”出来。在制作过程中，设计人员可以从各个角度观察具有真实感的零件造型。如果对模型不满意，可以立即修改零件造型。.7/27/202323CAD/CAM概述常用的零件可以存储在零件库中，供需要时调用。先进的CAD系统都提供参数化的基于特征的实体造型方法。.7/27/202324CAD/CAM概述零件造型实例球阀阀体三维造型

.7/27/202325CAD/CAM概述零件造型对于复杂表面的造型，系统可采用曲面造型或雕塑曲面造型的方法，根据给定的离散数据或有关具体工程问题的边界条件来定义、生成、控制和处理过渡曲面，或用扫描的方法得到扫描体、建立曲面的模型。例如：汽车车身、飞机机翼、船舶等设计制造，均采用此种方法。.7/27/202326CAD/CAM概述曲面造型实例叶轮曲面造型.7/27/202327CAD/CAM概述2.2装配造型

零件造型是指在计算机中建立产品的三维装配模型。装配造型能够模仿实际的装配过程，生成产品的装配图。通过装配造型可以发现由于设计不当在实际装配时可能出现的问题，如间隙过小或过大、零件之间的干涉等。装配造型还能够提供产品的外观效果图和反映装配关系的零件散开分布的爆炸图。.7/27/202328CAD/CAM概述装配造型示例:立体装配图及其剖视图球阀阀体装配造型

.7/27/202329CAD/CAM概述装配造型示例:装配分解图

.7/27/202330CAD/CAM概述2.3标准件库

大多数CAD系统均提供通用标准零件和特征的扩展库。用户可以很方便地选取标准特征或零件，并将它们组合进零件或部件的设计中。常用的标准零件有方形和六角形螺母、螺栓、普通垫圈、弹簧垫圈、半月销、内六角螺钉、铆钉、开口销等等。标准特征包括孔、槽、轴、颈、法兰、加强筋、壳、耳、螺纹、通风格栅、管状特征等等。

.7/27/202331CAD/CAM概述2.4工程绘图

产品设计的结果往往是工程图的形式，CAD中的某些中间结果也是通过图形表达的。一般的CAD软件都具有人机交互输入和处理二维图形的能力，包括基本图元的生成，标注尺寸，图形的编辑（比例变换、平移、图形拷贝、图形删除等）以及显示控制、附加技术条件等功能，保证生成符合生产实际要求，也符合国家标准的工程图。

.7/27/202332CAD/CAM概述先进的CAD软件已具备根据零件的三维零件图和装配造型自动生成投影图、辅助图、剖面图和局部视图的功能，并能自动标注尺寸，其工程图样与零件造型密切相关。如果改变了图纸中的尺寸，相关零件的造型尺寸也将随之改变，图纸中的线条长度和位置也将反映这种变化，从而保证能够对设计进行快速、一致的修改。.7/27/202333CAD/CAM概述2.5工程分析

CAD中的结构分析中需进行大量的应力、温度、位移等分析计算。因此，要求CAD系统完成各类分析计算的算法正确、全面，能处理大量的数据，还要有较高的计算精度。

CAD系统构造了产品的形状模型之后，能够根据产品几何形状，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、为系统进行工程分析和数值计算提供必要的基本参数。.7/27/202334CAD/CAM概述CAD系统中结构分析常用的方法是有限元法，这是一种数值近似解方法，用来求解结构形状比较复杂工程构件的静态和动态特性，以及构件的强度、振动、热变形、磁场、温度、应力分布状态等的计算分析。在进行静、动态特性分析计算之前，系统根据产品结构特点，划分网格、标出单元号、节点号、并将划分的结果显示在屏幕上；进行分析计算之后，将计算结果以图形、文件的形式输出，例如应力分布图、温度场分布图、位移变形曲线等，使用户方便、直观地看到分析的结果。.7/27/202335CAD/CAM概述有限元分析实例-实体模型(1)在Pro/E中进行的零件造型.7/27/202336CAD/CAM概述有限元分析实例–网格划分(2)用Ansys5.7进行的有限元网格划分析.7/27/202337CAD/CAM概述有限元分析实例–应力分布图(3)用Ansys生成的应力分布云图.7/27/202338CAD/CAM概述2.6优化设计

CAD系统根据需要还可配置优化设计功能，也就是在某些条件的限制下，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。优化设计是现代设计方法学中的一个重要的组成部分。

.7/27/202339CAD/CAM概述2.7计算机辅助工艺规程设计

设计的后续过程是加工制造，而工艺设计是为产品的加工制造提供指导性的文件。因此，CAPP是CAD与CAM的中间环节和桥梁。CAPP系统应当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、加工步骤、加工设备及加工参数。CAPP的设计结果一方面能被生产实际所用，生成工艺卡片文件，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。

.7/27/202340CAD/CAM概述

CAPP的功能模型

.7/27/202341CAD/CAM概述2.8计算机辅助NC编程

早期的计算机辅助NC编程是指在技术人员在分析零件图和制订出零件的数控加工方案之后，采用APT语言对加工路径、加工参数、刀具参数等进行描述，然后计算机对APT格式的数控程序进行分析处理并生成NC程序代码，最后制成穿孔纸带输入数控系统控制加工。.7/27/202342CAD/CAM概述目前的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，采用人机交互对话方式，在计算机屏幕上指定被加工件的几何特征、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，模拟实际切削加工。.7/27/202343CAD/CAM概述计算机辅助NC编程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上的CNC系统（计算机数字控制系统）中控制数控加工，这个过程称为直接数字控制（DNC）。.7/27/202344CAD/CAM概述2.9模拟仿真

通过运行仿真软件，代替、模拟真实系统的运行，用以预测产品的性能、产品的制造过程和产品的可制造性。通常有加工轨迹仿真，机构运动学模拟，机器人仿真，工件、刀具、机床的碰撞、干涉检验等。

.7/27/202345CAD/CAM概述.7/27/202346CAD/CAM概述2.10工程数据管理

由于CAD系统中数据量大、种类繁多，既有几何图形数据，又有属性语义数据；既有产品定义数据，又有生产控制数据；既有静态标准数据，又有动态过程数据，结构还相当复杂。CAD系统应能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。目前，CAD系统中多采用PDM（ProductDataManagement）系统或工程数据库系统作为统一的数据管理环境，实现各种工程数据的管理。.7/27/202347CAD/CAM概述2.11应用软件二次开发

由于机械产品的用途多种多样，任何强大的CAD系统都不可能向用户提供各种具体产品的完善的CAD解决方案。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，为用户将自己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。

.7/27/202348CAD/CAM概述3.CAD技术发展简史与应用现状

CAD最初概念的产生(50年代初期)二维绘图系统SKETCHPAD(60年代初期)专用CAD系统的出现(60年代年中期,大型机)“交钥匙”系统（60年代末-70年中期,小型机)硬件的发展、CAD技术的普及及全面深化(80年代,外设及工作站)集成化、智能化、网络化、可视化、并行化、标准化(90年代-现在,高性能微机)反映时代潮流的商品化CAD软件在我国应用日益广泛。.7/27/202349CAD/CAM概述CAD技术历史地位

89年美国评出近25年间当代十项最杰出的工程技术成就，其中第四项就是CAD。

91年3月2日，海湾战争结束后的第三个星期，美国政府发表了跨世纪的国家关键技术发展战略，列举了6大技术领域中的22项关键项目，认为这些项目对于美国的长期国家安全和经济繁荣至关重要。而CAD技术与其中的两大领域11个项目紧密相关，即制造与信息、通讯。.7/27/202350CAD/CAM概述

制造技术为工业界生产一系列创新的、成本上有竞争能力和高质量的产品投入市场打下基础。而信息和通讯技术则以惊人的速度不断发展，改变着社会的通信、教育和制造方法。制造技术的关键项目：1）柔性计算机集成制造

2）智能加工设备

3）纳米、微米、毫米级制造

4）系统管理技术

5）并行工程

6）分布式网络化.7/27/202351CAD/CAM概述信息与通讯技术包括：

（1）软件（2）微电子学与光电子学（3）高性能计算机和联网（4）高清晰度成像显示（5）传感器和信号处理（6）数据存储器和外围设备（7）计算机仿真及建模.7/27/202352CAD/CAM概述

CAD技术推动了几乎一切领域的设计革命，而CAD技术的发展和应用水平已成为衡量一个国家科技、工业现代化水平的重要标志之一。CAD技术已从根本上改变了过去的手工绘图、发图、凭图纸组织整个生产过程的技术管理方式，将它变为图形工作站上交互设计、用数据文件发送产品定义，在统一的数字化产品模型下进行设计打样、分析计算、工艺规划、工艺装备设计、数控加工、质量控制、编印产品维护手册、组织备件设计订货供应等。.7/27/202353CAD/CAM概述4.CAD与CAM之间的联系

CAD技术是围绕产品（工程）的设计和制造相对独立发展起来的。在应用时，常常也是以独立的形式出现，并在各自的应用领域发挥了重要作用。然而，正如产品设计与产品制造是两个密切关联的环节一样，CAD与CAM是企业生产活动自动化的两个重要环节，两者之间存在密切的信息联系