先进制造技术(英文版第三版)唐一平-第四章翻译

1、4、计算机辅助设计和计算机辅助制造在我们的工业社会的历史，许多发明已经申请专利和新技术的发展。惠特尼的可互换零件的概念，瓦特的蒸汽机，和福特的装配线不过是一些发展，我们的工业时期最值得注意的。所有这些发展都影响了制造我们所知道的，在我们的历史书，这些人得到了应得的认可。或许单个的发展影响制造更快更明显比以往任何技术是数字计算机。由于计算机技术的出现，制造的专业人士都想自动化设计过程和使用数据库开发自动制造过程。计算机辅助设计/计算机辅助制造（CADCAM），如果成功实施，应该去掉“墙”，历来存在之间的设计和制造的部件。CADCAM是指在设计和制造过程中使用计算机。由于CAD / CAM的到来，

2、其他方面发展：（1）计算机图形（CG）。（2）计算机辅助工程（CAE）。（3）计算机辅助设计与绘图（CADD）。（4）计算机辅助工艺规划（CAPP）。这些附带条件都是CADCAM的概念的具体方面。CAD / CAM本身是一个更广泛，更具包容性的术语。它的核心是自动化和集成manufacturing.111CADCAM的一个关键目标是产生的数据可以用于制造产品而开发的，产品设计的数据库。当成功实现了CADCAM，涉及到一个共享P40一个公司的设计和制造的部件之间常见的数据库。交互式计算机图形学（ICG）是CADCAM的重要作用。通过ICG的使用，设计开发一个图形设计在存放电子构成的图形图像数据的

3、产品形象。图形图像可以在一个二维（2-D），提出了三维（3-D），或固体的格式。ICG图像使用等基本几何特征的点，线，圆，曲线构造。一旦创建，这些图像可以很容易地编辑和以各种方式包括放大，缩小，旋转操作，和运动。ICG系统主要有三部分组成（图中）：（1）硬件，包括计算机和各种外围设备；（2）软件，包括计算机程序和技术手册的系统（流行的CADCAM软件使用ICG目前包括了AutoCAD，Pro/E，UG，CATIA等）和I-DEAS和；（3）人的设计师，最重要的三个组成部分。一个典型的ICG系统硬件配置包括一台电脑，一个显示终端，用于软盘磁盘驱动器，硬盘，或两者；和输入/输出设备，如键盘，绘图仪

4、/打印机和扫描仪。这些P41设备，随着软件的工具，是现代设计师们用来开发和文档设计。ICG系统能通过允许设计者关注设计过程知识方面提高设计过程，如概念和判断为基础的决策。计算机执行它更适合，如数学计算，存储和检索数据，以及各种重复操作如开。CAD / CAM 4.1为理论基础CADCAM为基础是类似的，用来证明任何制造技术的改进。它是一个需要不断提高的生产力，质量，和，反过来，竞争力。也有其他原因，公司可以从CADCAM的手动流程进行转换：（1）提高生产率。（2）更好的质量。（3）更好的沟通。（4）制造业常见的数据库。（5）降低建造成本原型。（6）对客户快速响应。4.1.1提高生产力在设计过程

5、中，生产率提高CADCAM。耗时的任务，如数学计算，数据存储和检索，可视化设计是由计算机处理，这给设计师更多的时间花在构思并完成设计。此外，要求设计文件可与CADCAM的时间明显减少。所有这些加在一起意味着更短的设计周期，缩短整个项目的完成时间，和更高的生产力。P424.1.2质量更好因为CAD CAM让设计师更专注于实际的设计问题和耗时的，非生产任务，产品质量的提高与CAD CAM。CAD / CAM允许设计者检测范围更广的设计方案（例如，产品特点）和分析每个选择之前，选择一个更彻底。此外，由于劳动密集型的任务都由计算机完成，减少设计错误发生。这些都导致更好的产品质量。4.1.3更好的沟通设

6、计文件，如图纸，零件清单，材料清单，和规格的工具用于沟通设计那些制造它。更均匀，规范，准确的这些工具，沟通会更好。因为CAD / CAM导致更均匀，标准，和准确的资料，提高了通信。4.1.4常用数据库这是一个CAD / CAM的最重要的好处。随着CADCAM的数据，生成一个产品的设计过程中可用于生产的产品。他们共享一个数据库有助于消除分离设计和制造功能的古老的4twair（图4.2）。4.1.5原型成本降低与手工设计，模型和原型的设计必须制作和测试，增加了成品的成本。随着CADCAM，计算机三维模型可以降低，在某些情况下，消除建设昂贵的原型的需要。固体建模允许设计师用电脑模型代替在许多情况下，

7、CAD / CAM功能原型等。4.1.6更快响应客户响应时间是至关重要的制造。需要多长时间来填补P43客户的订单？时间越短越好。快速的响应时间是在竞争日益激烈的市场竞争的关键之一。今天，以最快的响应时间是厂家可能用最低的出价赢得合同。缩短整个设计周期，提高设计和制造的组件之间的通信，CAD / CAM可以提高公司的响应时间。CAD / CAM 4.2的历史发展CADCAM的发展历史已经紧跟计算机技术的发展，对应了ICG技术的发展。领先的CADCAM重大的发展始于20世纪50年代后期和1960年代初期。这首先是发展，在麻省理工学院（MIT），自动的P44编程工具（APT）的计算机程序设计语言。A

8、PT的目的是简化数控机床零件程序的开发。这是第一个计算机语言是用于此目的的。APT语言的代表向自动化生产的重要一步过程。在CADCAM的发展史上的又一重大发展紧随其后的APT，麻省理工也发达，被称为画板项目。这个项目，伊凡萨瑟兰诞生了ICG的概念。画板项目是第一次使用了计算机上创建和实时显示CRT操作图形图像。在上世纪60和70年代的其余部分，CAD的不断发展，一些供应商为自己的名字生产和销售交钥匙工程CAD系统。这是完整的系统，包括硬件，软件，维护和培训作为一个包装出售。这些早期的系统被配置在大型机和小型机。作为一个结果，他们在中小型制造企业实现大规模接受太贵了。到了20世纪70年代，它变得

9、清晰，微机将最终在CAD / CAM的进一步发展起到一定的作用。然而，早期的计算机没有处理能力，内存，或图形功能所需的ICG。因此，早期的CAD / CAM配置在微机系统失败。1983 IBM推出了PC，第一台微型计算机的处理能力，内存和图形功能，可用于CADCAM。这对一个LED的数量在迅速增加，CAD / CAM供应商。1989，对CADCAM基于微机装置和基于大型机和小型机的数量。4.3电脑设计电脑已经在日常工作与设计的一个重要影响是完成。它可以用在很多方面做很多事情。P45然而，使用计算机所有完成的设计工作分为四大类：（1）造型设计。（2）设计分析。（3）设计审查。（4）设计文件。4.

10、3.1设计建模在CAD / CAM设计建模，开发了产品几何模型描述了部分数学。数学描述转换为图形的形式显示在阴极射线管（CRT）。的几何模型还允许图形图像可以很容易地编辑和操纵一次显示。这个过程开始时，设计器创建一个图形图像使用一种特殊的ICG软件包。图像是通过输入命令使计算机构建图像的点，生成线，圆，曲线。要创建一个图形图像，计算机必须翻译成相应的几何特征的数学模型。看来设计师作为一个图形图像存储在计算机中的一系列数学坐标。作为设计师的命令修改或操纵的图形图像，计算机对数学模型。计算机必须首先在它可以改变图像变化的几何模型，它必须在它可以显示字符计算的数学坐标的几何特征。图形图像显示有三种格

11、式：（1）二维或二维（2）two-and-a-half-dimensional或21 /二维（3）三维或三维效果。这三种格式进行了fig.4.3，4.4和4.5。二维图形图像显示一个正（平）表示，通常显示两个或两个P47多个视图（例如，前，前，右）。21 /二维图形图像是斜的表示。三维图形图像可能是一个线框模型或一个真正的三维实体模型（偏）。通讯可以进一步提高时，图像的颜色会显示出来。CADCAM的许多功能，包括有限元分析，三维实体建模，和，比较容易理解的图形图像显示的颜色。具体应用如管道图纸更易于阅读显示在适当的各种颜色。当图像都只有一种颜色显示，有时很难确定何时线交叉或下，什么是近，什么是

12、远，什么是失真图像与原图像是什么（如有限元分析的情况下），和层某一部分上。色彩的运用可以更明确的区分上下，远近，和原来的和扭曲的。它也有助于澄清许多组成的物体表面或几个组成部分。4.3.2设计分析电脑简化了设计分析阶段P48过程明显。一旦设计已被开发，有必要分析它将如何站起来的条件，这将是。这样的分析方法作为传热和应力应变计算费时和复杂。与CAD / CAM，特殊编写的计算机程序分析的目的是提供具体的Tor。这样的一个程序，简化了分析制成品叫高元分析。有限元分析的对象涉及打破成许多小矩形或三角形的元素（中心），然后再由计算机分析每个元素。这种方法提供了一个彻底的分析，不可能不借助电脑是可行的。

13、它还提供了专门针对问题的位置，这样的设计可以修正更容易取得优势。有限元分析，计算机必须有一个强大的处理能力。计算机通过分析每个有相互关联的有限元分析的总体目标。通过分析对象的每个有限元的应力，应变响应，热，或其他力上，计算机可以预测整个对象的反应。有限元分析现代CAD / CAM系统的能力过程的简单实现。用户首先定义区域，分和计算机自动划分领域互联有限元网络。P49有限元分析的一个特别重要的特征是其能够直观地显示分析结果的能力。例如，如果对一个部分进行分析，以确定如何在受到一定的压力，使计算机能叠加的强调部分图像在非重读的部分。在这种方式中，所产生的失真是很容易看到的。这种视觉证据的结果可以为

14、设计者确定必要的设计变化更容易。4.3.3设计审查在设计过程中，已由计算机简化的另一个步骤是设计审查。这包括检查所有方面的设计精度。有几个ICG能力使CAD / CAM容易用手工设计综述。首先是许多CAD / CAM软件包半自动标注功能。为了产生一个图像，一个ICG系统必须先建立数学模型。在这个模型中的数据可用于计算机自动计算尺寸。最良好的CAD / CAM软件可以根据标准尺寸及公差显示这些方面的做法。这意味着更少的标注错误，手工标注的常见问题。分层能力的CAD / CAM软件还简化了设计审查。如果一个多层印刷电路板的设计，每一层的痕迹，可以单独显示在CRT显示不同的颜色。他们也可以同时显示。

15、以这种方式，可以很容易地追踪检查以确保所有的连接已被适当地确定。分层能力还可以用来检查复杂的管道布局，确保管道不相交，他们不应该这样做，他们应该相交。良好的CAD / CAM系统可以在超过250层。另一个CADCAM软件的功能，简化了设计审查称为干涉检查。有了这种能力，交配部分可加入的CRT显示器，因为他们将在最后的装配。设计师可以立即看到如果有干扰。用干涉检查，这P50计算机变焦能力是特别有用。变焦可以让设计者的眼睛，以逐步接近图中复杂的细节。它给放大了的小细节的出现，使他们能够更容易地看到。这是特别有用当workmg复杂的组件组成的许多小部件。一些较先进的CAD / CAM软件包的运动能力

16、。这意味着他们可以模拟CRT显示运动。这是特别有用的设计由运动部件工作时。在这种情况下，计算机模拟需要由设计人员在过去的纸板和塑料模型的地方。4.3.4设计文档设计文件是另一个领域的CAD / CAM提供了主要的利益相比，手工绘图技术。随着CADCAM，需要的图纸文件的设计可以使用在设计过程中创建的数据库。在生产力五倍的改进现在与现代CAD / CAM系统。CADCAM软件简化标注这种耗费时间的起草任务，创造放大的复杂细节，转换（例如，等长，正方，和三维投影），缩放，纠正错误，使设计revisions.121起草了nonrepetition现实的概念。一个手册起草相关的最徒劳的任务是重细节，剖

17、视图，或其他图纸已先前画。由于计算机可以存储在CADCAM系统完成了所有图纸的数学模型，一旦图纸已制作，它从来没有被重新绘制。它可以简单地被称为从储存，进入适当的位置，在绘图软件包，再应用。4.4 CAD CAM接口随着CADCAM，设计和制造之间的接口P51他们分享共同的数据库组件。这是CADCAM的本质。与传统的设计与制造，工程师通过在设计过程的每一步，绘图员绘制图纸和其他文件的传达设计，制造人员使用图纸制定加工计划，车间人员实际生产产品。用老办法，直到绘图设计人员完成他们的工作，生产人员没有看到它。设计与绘图部门完成的工作，“把计划贴在墙上”，制造能做它的工作。这种方法的LED持续通信故

18、障以及不良关系的设计和制造的部件。其结果是生产力的损失。CADCAM与制造人员，获得了在设计阶段就创建了数据。在设计过程中的任何一点，他们可以调用信息从数据库的设计和使用。由于数据共享，从开始到结束，没有惊喜，当完成的设计可以产生。当设计器创建数据库和起草者记录的设计，生产人员可规划，建立，订购材料，制备的零件程序。生产人员生产所需的产品都包含在公共数据库。数学模型，图形图像，材料清单，零件清单，大小，形态，位置尺寸，公差规格和材料规格都包含在通用的数据库（图4.8）。P524.5 CAD / CAM硬件一个CAD / CAM系统的硬件部分是典型配置包括一个中央处理单元（CPU），各种输出设备

19、，如绘图仪和打印机，辅助存储能力，图形终端，和各种输入设备。一个CAD / CAM系统的CPU是作为CPU的任何计算机控制系统相同。它包含主存储器和逻辑/算法对系统部分。使用最广泛的辅助存储介质在CAD / CAM是硬盘和光盘。设计师其实在CAD工作站工作。工作站由需要产生和文档设计的硬件组成。一个典型的CAD工作站组成的图形终端和输入/输出设备需要与系统进行交互。绘图仪和打印机可能在附近或在偏远的地方，他们是由几个工作站共享。切显示了典型的I/O设备中使用的CAD系统。输入设备P53通常用于从人类或存储介质信息传送到计算机，进行CAD功能”。键盘是用来传输数字数据系统的标准输入设备。功能按键

20、也使输入更容易。4.6 CAD / CAM软件软件允许使用者把硬件配置成一个强大的设计和制造系统。计算机图形软件允许我们在功能五大类完成任务（fig.4.10）：（1）生产的图形图像。（2）图形图像处理。（3）控制终端显示。（4）执行编辑功能。（5）执行输入功能。4.6.1生产图形图像所有的设计文件，是否在图纸的形式，材料清单，零件清单，或规格，包括几何特征和字母数字数据。字母数字数据的数据包括字母，数字，和其他专用键盘的数字。几何特征包括点，线，圆，和其他组件的图形图像。所有这些元素都是让设计师用他们的积木生产纳入计算机图形软件P54文件包。4.6.2处理图形图像一旦一个图形图像已经产生，设

21、计师必须能够操纵它。操纵图形图像意味着扩大，缩小，旋转，或移动它的图像或部分。这样的操作是通过变换在图像的数学模型被修改或数据库中的重新定位。4.6.3控制终端显示一个优点是ICG的能力称为窗口。窗口是显示控制的概念，允许用户将一个窗口中的任何位置上显示，其中的数据可以控制和操纵。指定窗口内的数据是可以旋转，放大，或缩小。另一个显示控制功能是隐藏线消除。任何一个图形图像在三维格式显示，有些线是可见的，有些是隐藏的。当是可见的和隐藏的线相互重叠，图像可能难以阅读和理解。通过消除隐藏线，隐藏线消除的图像，使图像更容易阅读和理解。径向是一个复杂的三维图形，很难如果隐藏线没有被删除，读一个例子。P55

22、4.6.4执行编辑功能编辑图像意味着修订或修正删除，替换，或改变它的一部分。这些部分被称为段。因此，编辑图像有时被称为分割。编辑在CAD是什么擦除和重新手动文件相同。这可能意味着删除线和更换，添加新的线条和几何特征，变化的数据，或任何修改或校正图相关的其他任务。4.6.5执行输入功能计算机图形软件包要求用户与系统交互的方式，输入数据和命令。这也决定了输入设备，可以使用。较好的计算机图形软件包通常是最容易与他们是友好的。一个最简单的命令方式和其他互动与CADCAM系统是一种通过内置的软件菜单的使用。菜单简化输入功能允许用户选择他们想要的系统进行操作。4.7 CAD / CAM数据库也许一个计算机

23、图形软件包中最重要的元素是数据库。这是共享一个共同的数据库，是CADCAM心脏的潜力。的CAD / CAM数据库包含以下：由此软件：系统命令。菜单。输出例程。使用该软件创建的文档：图纸。设计信息。P56物料清单*零件清单。规格。文件的其他项目。这是第二类，数据文件，并通知生产人员和用于生产的设计。4.8二维与三维软件CADCAM系统可与2-D和3-D能力。早期的系统是有限的，这是一个严重的缺点，因为三维物体的二维表示的是内在的混乱。从历史上看，已与设计人员正确表示在二维格式对象不相关的许多制造误差和浪费。同样的问题一直是生产人员无法正确阅读和解释复杂的二维表示的对象。二维图纸一般有两个正字法（

24、平）的观点（例如，前，前，右）的对象。fig.4.12是二维绘图显示只有一个视图的一个例子。而这张画是有吸引力的和准确的，它不包含足够的信息来制造人员出示在咨询设计人员。至少有两个额外的视图，或是一个顶部和侧面，会有信息的生产人员，他们需要生产它所需要的。即使有这些额外的意见，他们的任务将会很困难，因为人类的眼睛看不到的二维也不是人脑，因此认为，P57即使有必要的观点，生产人员可能难以想象的成品。精确的可视化技术采取集中培训学习和经验来完善年，这限制了生产力的设计和制造人员在二维文件设置。在CADCAM的发展趋势是对三维图像的表示。这样的陈述会产生近似的实际形状和外观的对象；因此，他们很容易阅

25、读和理解。计算机图形软件的三维功能是两种类型：线框和三维实体模型。物体的三维表示为模型。线框模型比实体模型和需要更少的计算机内存和处理能力来支持。他们近似的外观实物通过轴测（等距，正方，和半径）表示。他们更容易阅读和理解比二维模型，但这些都不是实际物体真实的陈述。线框模型最关键的弱点是表现物体的轮廓和边缘。很难确定一个表面持平或轮廓，固体或打开。这一弱点LED为固体模型作为CADCAM能力的发展。实体模型是一个计算机模型的实际对象，里里外外，建立数据库，并显示在终端屏幕。实体建模有两个基本方法：（1）构造实体几何。（2）边界表示。构造实体几何（CSG），有时被称之为构建块，使用简单的固体如立方

26、体，圆柱体，球体金字塔，并构建模型。CSG是易于使用和理解。这与从木制积木建筑的生活模式，很多人已经做的和能与CSG的另一个积极的方面是，数学模型存放在数据库结构紧凑、精确。它要求大量的计算，但比较小的存储空间。边界表示法（B-rep），涉及到实际绘制的边界P58该模型以使其显示在一个图形显示终端的显示。这些图纸是字形和包括所有视图（顶部，底部，右，前，后，左侧）需要完全定义对象。B-rep方法比CSG构造形状奇特的模型不易使标准几何积木更有效。一个三维模型需要大量的存储空间，但计算较CSG模型较少。最现代的实体建模软件包结合CSG和B-rep表示方法，充分利用各自的优势劣势而减少。这种能力已

27、经增强的通信设计中的组件和组件之间的设计和制造。但它伴随着一个价格。两种固体建模软件是昂贵的。首先，软件包本身是昂贵的。其次，它需要更复杂的硬件支持。尽管如此，实体建模软件是CADCAM的未来。有一种强烈的共识设计制造专业，固体建模简化通信，因此，减少错误和浪费。计算机技术的不断快速发展足以保证必要的支持实体建模软件的硬件将不断便宜，将软件本身。最后，固体建模可以消除一些昂贵的生活原型和模型建设的需要。4.9 CAD系统的例子在前面的章节中，讨论了工程设计CAD。在这一节中，一些使用CAD系统实例。目前主流的CAD软件产品包括AutoCAD，Solidworks，UG，Pro/E和CATIA。

28、其中，AutoCAD是一个基于PC的系统开发和销售由Autodesk；SolidWorks是应用最广泛的CAD软件UG的世界；用能谱在1990开发的，它是一种结合三维建模CAD软件，仿真和数控加工；Pro/E是PTC的产品（参数化技术公司）和CATIA的开发由IBM，P59以前，它只能运行在大型机上，目前基于PC的版本。以下是Pro/E和AutoCAD简介。4.9.1 Pro/ENGINEERPro/ENGINEER®为工程师提供了一个革命性的机械自动化设计基于一个独特的，参数化，基于特征的实体建模技术。该系列产品包括Pro/ENGINEER，旗舰产品，和特定应用的产品，解决机械设计

29、完整的光谱通过制造一系列过程。强度和Pro/ENGINEER系列产品的独特性是双重的。基于特征的参数化功能，提供前所未有的易用性和灵活性的工程师。此外，Pro/ENGINEER独特的数据结构提供了所有工程学科之间的相关性，捆绑在一起，通过产品制造的整个设计。这使公司开发自己的产品和制造过程的同时，并很容易地评估多种设计方案，从而更好地设计产品，产生更快的速度和更低的成本。参数化技术的市场战略强调技术领先，积极的价格/性能，世界性分布，和广泛的客户支持。Pro/Engineer概述：易用性：Pro/ENGINEER设计开始，设计工程师从功能和设计标准。级联菜单流在一个直观的方式，提供合乎逻辑的选

30、择和预先选择的最常用的选项，除了短菜单描述和完整的在线帮助。这使得它简单易学，利用Pro/ENGINEER，即使最普通用户。Pro/ENGINEER采用“映射键”将经常使用的命令和自定义菜单成倍增加他们的使用速度专家用户。由于Pro/ENGINEER提供素描直接对实体模型的能力，功能布局简单、准确。全相关性：Pro/ENGINEER是基于一个单一的数据结构，P60使改变内置到系统的能力。因此，当一个变化是发展过程中的任何地方，它是传播到整个设计通过制造过程，确保所有工程交付的一致性。参数化，基于特征的建模：Pro/ENGINEER特征与嵌入式智能工艺规划。它们易于使用，但足够强大的圆角，圆，壳

31、甚至最复杂的几何形状。这些功能包含非几何信息，如制造过程和相关的成本，以及位置和关系信息。这意味着功能不需要放置的坐标系统，和他们“知道”它们是如何与其他的模型。作为一个结果，作出迅速和始终坚持原始设计意图的变化。强大的组件功能：组装部件很容易与Pro/ENGINEER。简单地告诉系统“伴侣”，“插入”、“对齐”组件，并安装，始终保持设计意图。同时，由于零件的“知道”它们是如何相关的，如果一个成分的变化，无论是位置和几何，其他的也会发生相应的变化。部分可直接在装配设计和其他组件的定义，所以如果他们移动或改变大小，部分会自动更新以反映变化。鲁棒性：产品Pro/Engineer的家庭是基于双精度，

32、非平面的实体建模核心。这为工程师与几何，最准确的表示质量特性，和干涉检查可用。变更管理：强大的变革能力是内在的，充分结合Pro/E，使设计制造学科的并行执行它们的功能。参数化数据管理工具成功地管理这些并发进程和促进组织，控制工作流程。硬件独立性：Pro/Engineer运行在所有主要UNIX，VMS和Windows NT平台，保持相同的外观和感觉，在每一个系统。用户可以选择最经济的硬件P61他们需要的配置，和混合和匹配平台的任何组合。信息可以很容易地交换从一台机器到其他，Pro/ENGINEER任何建筑差异管理。a'few图纸在Pro/Engineer系统示于fig.4.13。左边的屏幕是一个初步的概念设计，制造，装配，和绘图。对屏幕显示所有可交付成果自动更新为设计发展到成品。4.9.2 AutoCADAutoCAD是计算机辅助制图和个人计算机上实现设计系统。虽然AutoCAD进行工程工作站如太阳，太阳神域，与IBM PC的RT，AutoCAD实现大部分仍是基于IBM个人电脑和MS DOS的机器。AutoCAD支持大量I/O包括大多数的数字化设备，打印机/绘图仪，视频显示板，和市场上现有的绘图仪。由于IBM PC兼容计算机在工作场所通常是可用的，A