CAD_CAM技术_第一章.概述

1、2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。 目前世界科技领域的前沿课题，被美国工程目前世界科技领域的前沿课题，被美国工程科学院评为当代做出科学院评为当代做出的十大工程技术的十大工程技术之一。之一。 3 CAD/CAM技术的推广应用不仅为制造业带来了巨大的社会效益和经济效益，而且已逐渐从一门新兴技术发展成为规模庞大的高新技术产业。4 CAD/CAM技术的应用人才需求正不断增加，学习和掌握CAD/CAM的原理、方法与技术，适应形势的发展和社会的需要是现代技术人员的基本要求。561.CAD/CAM1.CAD/CAM的基本概念的基本概念 2.CAD/CAM2.CAD/CAM的基本功能的基本

2、功能3.CAD/CAM3.CAD/CAM的主要任务的主要任务4.CAD/CAM4.CAD/CAM技术的发展技术的发展5.CAD/CAM5.CAD/CAM技术的应用技术的应用 6.CAD/CAM6.CAD/CAM技术的新发展技术的新发展 71. CAD/CAM的基本概念8计算机辅助设计 （Computer Aided Design，)完备的CAD系统包括: 和 9判断计算结果判断计算结果CAD技术可实现的功能而言：技术可实现的功能而言：CAD作业过程而言：作业过程而言：物理模型物理模型数据模型数据模型建模技术建模技术10KMCAPPKMCAPP 计算机辅助工艺过程设计 （Computer Aid

3、ed Process Planning, ) 指工艺人员借助计算机，根据产品设计结果和产品制造工艺要求，人机交互或自动地完成产品加工方法选择和工艺过程的设计。包括毛坯选择、加工方法选择、工序设计、工艺路线制定 InteCAPPInteCAPP 11计算机辅助工艺过程设计 （Computer Aided Process Planning, )手工方式进行工艺设计手工方式进行工艺设计 效率低、工艺方案因人而异、效率低、工艺方案因人而异、难以取得最佳的工艺方案难以取得最佳的工艺方案CAPP进行工艺设计进行工艺设计 能够迅速编制出完整、详尽、优化的工艺方案能够迅速编制出完整、详尽、优化的工艺方案和各种

4、工艺文件，可极大地提高工艺人员的工作和各种工艺文件，可极大地提高工艺人员的工作效率，缩短准备时间，加快产品投放市场的速度效率，缩短准备时间，加快产品投放市场的速度 可以获得符合企业实际条件的优化的工艺方案、可以获得符合企业实际条件的优化的工艺方案、给出合理的工时定额和材料消耗，为企业科学管给出合理的工时定额和材料消耗，为企业科学管理提供可靠的数据理提供可靠的数据12计算机辅助制造（Computer Aided Manufacturing，) 计算机辅助制造有和两种定义: v 指借助计算机完成从生产准备到产品制造出来的过程中的各项活动，包括工艺过程设计（CAPP)、工装设计、计算机辅助数控加工编

5、程、生产作业计划、制造过程控制、质量检测与分析 v 通常指NC（Numerical Control数控）程序编制，包括刀具路径规划、刀位文件生成、刀具轨迹仿真、后置处理及NC代码生成131415I-DEAS概念：是运用现代数字信息化技术将是运用现代数字信息化技术将CAD/CAMCAD/CAM各组成部分各组成部分以及制造系统中与以及制造系统中与CAD/CAMCAD/CAM有关的其它子系统有关的其它子系统有机地组织和管有机地组织和管理起来，实现系统信息共享、资源共享理起来，实现系统信息共享、资源共享，提高系统管理水平和，提高系统管理水平和运行效率。运行效率。CAD/CAPP/CAM集成16CAD/

6、CAPP/CAM集成 v 专用数据接口v 标准格式接口文件v 统一的产品模型和数据库v 产品数据管理系统17通过专用数据接口实现集成u 被集成的系统之间没有任何联系，必须专门开发接口使两个被集成的系统之间没有任何联系，必须专门开发接口使两个不同的系统间接地进行沟通；不同的系统间接地进行沟通； u 系统开发商自行开发的专用接口，专为解决自家系列产品之系统开发商自行开发的专用接口，专为解决自家系列产品之间的信息交换间的信息交换 早期早期CADCAD单元系统的独立性非常强，往往是提供一种专门的单元系统的独立性非常强，往往是提供一种专门的数据格式，应用非常不便数据格式，应用非常不便CAD/CAPP/C

7、AM集成18利用数据交换标准格式接口实现集成 作为系统集成的接口，应用最多的标准数据格式是美国国家标准局（NBS）主持开发的数据交换规范（Initial Graphics Exchange Specification） 为克服专用数据接口集成模式的弊端，有些系统开发商为克服专用数据接口集成模式的弊端，有些系统开发商提出用通用数据格式作为系统集成的接口提出用通用数据格式作为系统集成的接口 应用系统数据按标准格式输入应用系统数据按标准格式输入/ /输出，就可集成到一起输出，就可集成到一起 比较典型的公用数据交换标准：比较典型的公用数据交换标准：IGESIGES、STEPSTEP、GKSGKS、VD

8、IVDI CAD/CAPP/CAM集成19CAD/CAPP/CAM集成集成 基本工作步骤基本工作步骤CAD设计产品结构，绘制图样，准备数据经数据转换接口，将产品数据转换成中性文件 iges、igs、step等格式CAPP读入中性文件，转换为可识别格式生成零件工艺过程CAD、CAPP系统生成数控编程所需数据，转换为中性文件CAM系统读入中性文件，转换格式后生成数控程序20v计算机集成制造系统（CIM） “制造”的概念所涉及的范围扩大到了从订单处理、原材料采购、产品设计、工艺设计、调度与加工、产品装配、质量控制直至产品销售与售后服务、仓储管理、财务管理、人事管理等企业的各项活动，形成了大“制造”的

9、概念，如图所示。从这个意义上理解，在图中所示的各个环节中，采用计算机来协助人们完成各项任务都可以称为CAD/CAM。21产品生产过程：产品生产过程：产品从需求分析开始，经过产品设计、工产品从需求分析开始，经过产品设计、工艺设计和制造等环节，最终形成用户所需要的产品。艺设计和制造等环节，最终形成用户所需要的产品。 产品生产过程与产品生产过程与CAD/CAMCAD/CAM过程链过程链在各阶段、各环节内，计算机都得到了不同程度的应用。在各阶段、各环节内，计算机都得到了不同程度的应用。22 借助借助公共的工程数据库、网公共的工程数据库、网络通信技术、标准格式中性文件络通信技术、标准格式中性文件接口接口

10、等应用计算机信息集成技术，等应用计算机信息集成技术，为为CAD/CAM提供了一个集成工提供了一个集成工作环境，将作环境，将CAD、CAPP、CAM有机的联系了起来。有机的联系了起来。CAD/CAMCAD/CAM技术技术23 CADCAM系统以计算机硬件、软件为支持环境，通过各个功能模块（分系统）完成对产品的描述、计算、分析、优化、绘图、工艺规程设计、NC加工仿真、生产规划、管理、质量控制等方面的任务。CAD/CAMCAD/CAM技术技术242. CAD/CAM的基本功能v交互功能交互功能 v图形显示功能图形显示功能 v存储功能存储功能 v输入输出功能输入输出功能 在CADCAM系统中，计算机主

11、要帮助人们完成产品结构描述、工程信息表达、工程信息传输与转化、结构及过程的分析与优化、信息管理与过程管理等工作。因此，作为CADCAM系统，应具备图形图像处理、产品与过程建模、信息存储与管理、工程计算分析与优化、工程信息传输与交换、模拟与仿真、人机交互、信息的输入和输出等基本功能。25交互功能友好的用户界面，是用户直接而有效地完成复杂设计任务的必要条件除软件中界面设计外，还必须有交互设备实现人与计算机之间的不断通信26图形显示功能 CAD/CAM是一个人机交互的过程，从产品的造型、构思、方案的确定，结构分析到加工过程的仿真，系统随时保证用户能够观察、修改中间结果，实时编辑处理 用户的每一次操作

12、都要能从显示器上及时得到反馈，直到取得最佳的设计结果。 图形显示功能不仅能够对二维平面图形进行显示控制，还应当包含三维实体的处理27存储功能 为了保证系统正常的运行，CAD/CAM系统必须配置容量较大的存储设备，支持数据在模块运行时的正确流通； 其次，工程数据库系统的运行也必须有存贮空间的保障 CAD/CAM CAD/CAM系统运行时，数系统运行时，数据量很大，有很多算法往往据量很大，有很多算法往往生成大量的中间数据，尤其生成大量的中间数据，尤其是对图形的操作、交互式的是对图形的操作、交互式的设计以及结构分析中的网格设计以及结构分析中的网格划分等。划分等。IBM737 Magnetic cor

13、e storage unit28输入输出功能 CAD/CAM系统运行中，用户需不断地将有关设计的要求、各步骤的具体数据等输入计算机内，通过计算机的处理，能够输出系统处理的结果输入输出的信输入输出的信息既可以是数息既可以是数值的，也可以值的，也可以是非数值的，是非数值的，如图形数据、如图形数据、文本文本 输入输出设备输入输出设备都有哪些？都有哪些？293. CAD/CAM的主要任务v几何建模几何建模 v工程绘图工程绘图 v计算分析计算分析 v优化设计优化设计 v有限元分析有限元分析 v计算机辅助工艺规程设计计算机辅助工艺规程设计 v数控编程数控编程 v动态仿真动态仿真 v计算机辅助测试技术计算机

14、辅助测试技术 v工程数据管理工程数据管理 30几何建模。几何建模技术几何建模技术是CAD/CAM系统的核心，为产品设计、制造提供基本数据和原始信息 31工程绘图 CAD/CAM系统有处理二处理二维图形维图形的能力，包括基本图元的生成，标注尺寸，图形编辑（比例变换、平移、拷贝、删除等）CAD系统的重要环节，产品最终结果的表达方式 系统还应具备从几何造型的系统还应具备从几何造型的三维图形直接向二维图形三维图形直接向二维图形的功能的功能32计算分析 计算分析对象包括几何特征几何特征（如体积、表面积、质量、重心位置、转动惯量）和物理特征物理特征（如应力、 温度、位移）低压冷涡轮叶片结构分析 要求CAD

15、/CAM系统对各类计算分析的算法正确、全面，且有较高的计算精度油井压缩机头部封盖失效的原因分析33优化设计 CAD/CAM系统应具有优化求解的功能，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。优化设计包括： 总体方案的优化 产品零件结构的优化 工艺参数的优化 优化设计是现代设计方法学中的重要的组成部分 34有限元分析 CAD/CAM 系统结构分析中的常用方法是有限元法有限元法，这是一种数值近似解方法，用来解决结构形状比较复杂零件的静态、动态特性计算，强度、振动、热变形、磁场、温度场强度、应力分布状态等计算分析。 35计算机辅助工艺规程设计 CAPP根据建模生成的产品信息及制

16、造要求，人机交互或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设计结果一方面生成工艺卡片文件被生产实际应用 一方面直接输出信息，为CAM中的接收、识别，直接转换为刀位文件36数控编程 分析零件图和制订出零件的数控加工方案后，采用专门的数控加工语言（例如APT语言），提供数控机床各种运动和操作的全部信息数控编程基本步骤通常包括： 手工或计算机辅助编程，生成源程序 编译源程序，求出刀位文件 将刀位文件转换成零件的数控加工程序37动态仿真：根据设计要求，建立一个工程设计的实际系统模型，例：机构、机械手：通过对系统模型的试验运行，研究一个存在（或设计中）的系统，通常有加

17、工轨迹仿真，机构运动学仿真，机器人仿真，工件、机床、刀具、夹具的碰撞、干涉检验目的：预测产品性能，模拟产品制造过程、可制造性，避免损坏，减少制造投资38计算机辅助测试技术 计算机辅助测试技术结合计算机技术、测量技术、信号处理及现代控制理论形成了一门新兴综合性学科模具检测 逆向工程 管件测量 39工程数据管理 CAD/CAM系统数系统数据量大、种类繁多，因据量大、种类繁多，因此此CAD/CAM系统应提系统应提供有效的管理手段，支供有效的管理手段，支持工程设计与制造全过持工程设计与制造全过程的信息传输与交换程的信息传输与交换 随着并行作业方式随着并行作业方式的推广应用，还存在着的推广应用，还存在着

18、几个设计者或工作小组几个设计者或工作小组之间的信息交换问题，之间的信息交换问题，因此因此CAD/CAM 系统系统应具备良好的应具备良好的信息传输信息传输管理功能管理功能和和信息交换功信息交换功能能40 在上述基本功能和主要任务的基础上，分别构成CAD、CAPP、CAM中各项任务的具体功能，如图1.3所示。 41vCAD/CAM是辅助人们完成产品设计、制造各个环节的信息处理和辅助决策的技术，它克服了传统手工设计和信息处理的许多缺陷，充分利用计算机的信息处理与存储管理能力，结合人的经验、知识及创造性，形成一个人机交互、紧密配合的系统。v主要研究对象的描述、系统的分析、方案的优化、计算分析、工艺设计

19、、仿真模拟、NC编程以及图形处理等理论和工程方法。v输入的是设计要求，输出的是制造加工信息。42CAD/CAM工作过程包括以下几个方面：43（1）通过市场需）通过市场需求调查以及用户求调查以及用户对产品性能的要对产品性能的要求，向求，向CAD系统系统输入设计要求，输入设计要求，利用几何建模功利用几何建模功能构造出产品的能构造出产品的几何模型，计算几何模型，计算机将此模型转换机将此模型转换为内部的数据信为内部的数据信息存储在系统的息存储在系统的数据库中。数据库中。 44（2）调用系统程）调用系统程序库中的各种应用序库中的各种应用程序对产品模型进程序对产品模型进行详细设计计算及行详细设计计算及结构

20、、方案优化分结构、方案优化分析，确定产品总体析，确定产品总体设计方案及零部件设计方案及零部件的结构和主要参数，的结构和主要参数，同时调用系统中的同时调用系统中的图形库，将设计的图形库，将设计的初步结果以图形的初步结果以图形的方式输出在显示器方式输出在显示器上。上。 45（3）根据屏幕显）根据屏幕显示的结果，对设计示的结果，对设计的初步结果作出判的初步结果作出判断，如果不满意，断，如果不满意，可以通过入机交互可以通过入机交互的方式进行修改，的方式进行修改，直至满意为止，修直至满意为止，修改后的数据仍存储改后的数据仍存储在系统的数据库中。在系统的数据库中。 46（4）系统从数据）系统从数据库中提取

21、产品的设库中提取产品的设计制造信息，在分计制造信息，在分析其几何形状特点析其几何形状特点及有关技术要求后，及有关技术要求后，对产品进行工艺规对产品进行工艺规程设计，设计的结程设计，设计的结果存入系统的数据果存入系统的数据库，同时在屏幕上库，同时在屏幕上显示输出。显示输出。 47（5）用户可以对）用户可以对工艺规程设计的结工艺规程设计的结果进行分析、判断，果进行分析、判断，并允许以人机交互并允许以人机交互的方式进行修改。的方式进行修改。最终的结果可以是最终的结果可以是生产中需要的工艺生产中需要的工艺卡片或以数据接口卡片或以数据接口文件的形式存入数文件的形式存入数据库，以供后续模据库，以供后续模块

22、读取。块读取。 48 49（7）CADCAM系统在生成了产品系统在生成了产品加工的工艺规程之加工的工艺规程之后，对其进行仿真、后，对其进行仿真、模拟，验证其是否模拟，验证其是否合理、可行，还可合理、可行，还可以进行刀具、夹具、以进行刀具、夹具、工件之间的干涉、工件之间的干涉、碰撞检验。碰撞检验。 50（8）将所生成的）将所生成的工艺文件和数控加工艺文件和数控加工程序输入生产计工程序输入生产计划系统，进行生产划系统，进行生产平衡后制订相应的平衡后制订相应的作业计划（包括物作业计划（包括物料采购计划、制造料采购计划、制造资源添置计划、生资源添置计划、生产加工计划、产品产加工计划、产品装配计划、质量

23、检装配计划、质量检测计划等）。测计划等）。 51（9）将生成的作）将生成的作业计划输入运行控业计划输入运行控制系统，完成产品制系统，完成产品加工生产任务在加工生产任务在付诸实施的过程中，付诸实施的过程中，进行质量检测控制、进行质量检测控制、进度控制、成本控进度控制、成本控制等，最后按要求制等，最后按要求生产出相应的产品。生产出相应的产品。 52 由上述过程可以看出，从初始设计要求、产品设计的中间结果到最终的产品生产，都是信息不断产生、修改、交换、存取的过程。 系统应能保证用户随时观察、修改各个阶段的数据，实施编辑处理，直到获得最佳结果。因此，CAD/CAM系统应当具备支持上述工作过程的功能。5

24、3（一）（一）CADCAD技术的发展技术的发展（二）（二）CAMCAM技术的发展技术的发展（三）（三）CAPPCAPP技术的发展技术的发展（四）（四）CADCADCAMCAM的集成技术的集成技术4. CAD/CAM技术的发展541946年，ENIAC 50年代，APT（自动编程工具）1963年，SKETCHPAD（交互式图形系统） 70年代末，以小型和超级小型计算机为主机的CAD系统进入市场并形成主流，形成CAD产业 55（一）（一）CADCAD技术的发展技术的发展（二）（二）CAMCAM技术的发展技术的发展（三）（三）CAPPCAPP技术的发展技术的发展（四）（四）CADCADCAMCAM的

25、集成技术的集成技术4. CAD/CAM技术的发展56CAD技术大致经历了四个发展阶段：v（1）形成期）形成期v（2）发展期）发展期 v（3）成熟期）成熟期 v（4）集成期）集成期 CAD技术发展57 1950年美国麻省理工学院v采用阴极射线管（CRT）研制成功图形显示终端，实现了图形的动态显示，从此结束了计算机只能处理字符数据的历史。形成期形成期 研制出类似于示波器的图形设备“旋风I号”（Whirlwind I），用它可以显示简单图形。58v1958年，美国Calcomp公司研制出滚筒式绘图仪；Gerber公司研制出平板绘图仪。 形成期形成期 整个50年代，人们大多采用电子管计算机，用机器语言

26、编程。计算机主要用于科学计算，为之配置的图形设备仅具有输出功能，CAD技术处于被动式的图形处理阶段。59v20世纪50年代后期出现 了光笔，从而开始了交 互式绘图。v20世纪60年代初，开发了屏幕菜单点击、功能键操作、光笔定位、图形动态修改等交互绘图技术。v1963年美国学者Ivan Suthcrland开发出第一个交互式图形系统Skechpad。发展期发展期1963年，SKETCHPAD（交互式图形系统）光笔60 此后，相继出现了一大批CAD商品软件。v1964年美国IBM公司推出了商品化的计算机绘图设备v美国通用汽车公司的多路分时图形控制台，可实现各阶段的汽车设计。发展期发展期61v 19

27、731973年诞生了第一个实体造型（年诞生了第一个实体造型（Solid ModelingSolid Modeling）试验系统试验系统v 19781978年推出了第一代实体造型软件年推出了第一代实体造型软件 此后的二十年中实体造型技术成此后的二十年中实体造型技术成为为CADCAD技术发展的主流，并走向成熟，技术发展的主流，并走向成熟，出现了一批以三维实体造型为核心的出现了一批以三维实体造型为核心的CADCAD软件系统。软件系统。成熟期成熟期62 实体造型技术的发展和应用大实体造型技术的发展和应用大大拓宽了大拓宽了CADCAD技术的应用领域，出技术的应用领域，出现了面向中小企业的现了面向中小企业

28、的CAD/CAMCAD/CAM商品商品化系统。化系统。 7070年代末，美国年代末，美国CADCAD工作站安工作站安装数量超过装数量超过1200012000台，使用者超过台，使用者超过2500025000人。人。 成熟期成熟期63 在这个时期，图形系统和CAD/CAM工作站的销售量与日俱增。集成期集成期大中企业大中企业小企业小企业发达国家发达国家发展中国家发展中国家产品设计产品设计工程设计、工艺设计工程设计、工艺设计64 同时，CAD技术和系统的开放性取决于其所用计算机和系统软件的开放性。 在这个时期由于微机加Windows 95/98/NT操作系统与工作站加Unix操作系统在以太网的环境下构

29、成了CAD系统的主流工作平台，因此，出现了集成化的CAD/CAM系统。 集成期集成期65（一）（一）CADCAD技术的发展技术的发展（二）（二）CAMCAM技术的发展技术的发展（三）（三）CAPPCAPP技术的发展技术的发展（四）（四）CADCADCAMCAM的集成技术的集成技术4. CAD/CAM技术的发展66 美国自美国自19461946年研制出世界上第一台年研制出世界上第一台电子计算机以后，就不断地将计算机技电子计算机以后，就不断地将计算机技术引入机械制造领域。术引入机械制造领域。v19521952年首次研制成功数控（年首次研制成功数控（Numerical Numerical contr

30、olcontrol，NCNC）机床）机床，该机床只需通过改，该机床只需通过改变数控程序即可完成不同零件的加工，变数控程序即可完成不同零件的加工，奠定了奠定了CAMCAM的硬件基础。的硬件基础。CAM技术发展67v为解决加工编程问题，1955年研制成功在通用计算机上运行的自动编程工具自动编程工具（APTAPT）语言，实现了）语言，实现了NCNC程序编制的自程序编制的自动化。动化。v随着APT语言编程方法的广泛应用，编编程方法的改进和加工程序的检验与评价程方法的改进和加工程序的检验与评价成为成为CAMCAM中的关键问题中的关键问题。CAM技术发展68v20世纪70年代后期，由于几何造型技术、图形显示技术和数控编程后置处理技术的发展和应用，出现了交互式图形编程系统，标志着CAM技术发展到了成熟阶段。v随后，出现了加工过程仿真和加工程序检验系统，也为CAD/CAM集成奠定了基础。69（一）（一）CADCAD技术的发展技术的发展（二）（二）CAMCAM技术的发展技术的发展（三）（三）CAPPCAPP技术的发展技术的发展（四）（四）CADCADCAMCAM的集成技术的集成技术4. CAD/CAM技术的发展70v最早出现的CAPP系统是挪威工业公司于1969年开发的AUTOPROS系统。v为了克服派生式CAPP系统的缺点，许多学者进行了创成式CA