SIMS 4 设计自动化 CAD

1、TEL: E-Mail: CIMS与网络化制造1第二部分设计要素和生产工程使用并行工程的设计模型，以开发面向全球市场的产品设计过程应该使用现代的设计、分析工具和技术基于图形的设计是主要的设计工具生产工程师应该使用现代工艺规划和制造工程工具2CAD和PDM的概念CAD技术发展过程及现状用CAD软件来表示零件的四种方式CAD软件的主流供销商PDM的功能及主流软件供应商第四章 设计自动化：CAD和PDM3 4.1 CAD简介CAD（Computer-Aided Design）是CIM企业集成产品开发过程的一项关键技术。定义：CAD是借助计算机和图形软件来帮助或促进包括从概念化到建立文档的产品设计。计

2、算机辅助设计与计算机辅助绘图的区别。4设计模型中的CAD图4-1显示了CAD与设计过程和生产工程、制造工程的过程关系。分成六个组。整个过程始于产品概念化。PDM存储的是图形文件和设计数据，是CAD与其它部门之间的接口。5 4.2 基于图纸设计的成本基于图纸的设计存在隐性成本，处理、存储及维护困难，且费时间，因此成本较高。为了避免这些隐性成本，尅将纸质图纸转换为电子格式，具体方法如下：在CAD系统中手工重新绘制。使用CAD系统附带的手持游标器的数位板，追踪原始设计。通过扫描将纸质文档转化为一种与当前CAD环境兼容的电子格式。6 4.3 CAD软件7 4.3 CAD软件根据完成的几何图形中可视维数

3、的数目，可以将CAD软件分为两大类2D和3D。2D软件以二维表示图形。3D软件用三维投影来显示零件。3D软件将零件图形分为线框模型、曲面模型和实体模型。8线框模型是指用直线和弧线来表示物体各个面的交线的一种CAD图形，只能看到物体的二维视图。2DCAD软件具有两个显著特征：CAD：2D线框系统软件仅仅是对基本的手工绘图的电子化效仿和扩展。存储的几何实体只限于点、线、圆弧。图形文件占用空间比较小。93D线框模型是2D的扩展，主要区别是需要定义第三维尺寸。3D模型的特征包括：CAD：3D线框系统图形数据并不比2D图形大很多。带有与2D模型应用类似的包含基本元素和构造技术的命令集。带有用于创建曲面模

4、型的数据集。带有用于生成自动切屑机床的工艺程序数据。10隐藏线去除前后对比113D线框CAD软件的最佳应用范围包括：CAD：3D线框系统绘制仅有平坦曲面的物体。如果零件的几何和曲面特征能够很容易区别零件实体，则可使用3D线框CAD软件。用于初期的概念设计。用于绘制大的模型。12曲面模型系统建立的物体将曲面与3D线框图中的点、直线和圆弧结合起来。曲面在数学上有三种定义方式：直纹曲面、旋转曲面、雕塑曲面。曲面模型系统主要应用于设计和绘制由不规则曲面构成的物体，如汽车车身设计、电视柜、液体肥皂瓶等。CAD：曲面模型软件系统13直纹曲面和旋转曲面直纹曲面指通过用直线连接两条直线或者弧线所形成的曲面。旋

5、转曲面指通过将物体剖面2D图形绕着X、Y或Z轴旋转而形成的曲面14雕塑曲面雕塑曲面也称为自由曲面，是通过使用小块的曲面补丁来模拟复杂的曲面形状而形成的。用来生产曲面补丁的最常用的技术是基于贝塞尔（Bezier）曲线和B-样条曲线（B-Spline）的数学方法。非均匀有理B-样条曲线是生成复杂的曲面补丁时最常使用的。15贝塞尔曲线贝塞尔曲线就是这样的一条曲线，它是依据四个位置任意的点坐标绘制出的一条光滑曲线。1962年，法国数学家Pierre Bzier第一个研究了这种矢量绘制曲线的方法，并给出了详细的计算公式，因此按照这样的公式绘制出来的曲线就用他的姓氏来命名。16实体模型（Solid mod

6、el）是零件的几何图形的完全的无歧义的数学表示法。物体的实体模型具有实际零件的所有性质，通过测试实体零件模型得到的数据，可以作为真实零件的参考。CAD：实体模型软件系统17常用的实体建模技术有以下三种：CAD：实体模型软件系统构建式实体几何法（Constructive Solid Geometry，CSG）。边界表示法（Boundary Representation， B-rep）扫掠表示法（Sweeping）18构建式实体几何法(CSG) Constructive Solid Geometry用简单的几何形体构造复杂实体的造型方法。即用系统定义的体系如立方体、圆柱体、球体、锥体、环状体等，通

7、过并、交、差等集合运算进行实体造型，生成所需要的几何形体。布尔运算（Boolean）：并、交、差CSG结构树和紧凑码生成了实体的有效数据库。19构建式实体几何法(CSG) Constructive Solid GeometryCSG实现方法将产品形体按简单体素进行分解，形成CSG结构树（二叉树）；输入CSG树最底层的基本体素；依次将左子树和右子树按其根节点的集合运算符完成相应的运算，结果存入该根节点；进入上一层，继续上述运算，直到CSG树的根节点。20CSG实体建模CSG结构树构建式实体几何法(CSG) 21构建式实体几何法(CSG) Constructive Solid GeometryCS

8、G特点体素拼合是一个集合运算过程；只表示物体过程模型或隐式模型，不反应物体的面、边、顶点等有关边界信息，也不显式表示三维点集与所表示的物体的对应关系；参与运算的体素必须是正规集，运算必须封闭；表示一个复杂形体非常简单，用户输入信息少，存储紧凑，占用空间少；除真实感显示外，一般产品图形显示与绘图输出时，都要转换成边界表示法。22边界表示法 （B-rep）Boundary Representation是通过描述各边界面，并且定义了各面上的边、弧线、点，来表示物体的一种方法。面或曲面通常是用Bezier、B-Spline或NURBS等曲面模型来定义的。该方法可以用来表示任意复杂表面轮廓的物体。23边

9、界表示法 （B-rep）Boundary RepresentationB-rep实现方法将形体按树形结构分解，构成含有体、面、边、顶点为节点的有向图。输入已知顶点，由点生成边、由边形成环和面；再输入新点生成新边构成新环和新面。由生成的一组面并集而成产品的边界表面。24B-rep实体模型边界表示法 （B-rep）25边界表示法 （B-rep）Boundary RepresentationB-rep法特点体、面、环、边、点均有数学定义，层次分明。面边顶点相互邻接关系表示了拓扑信息，几何信息和拓扑信息记录详细；可精确表示产品的曲面实体模型，可在模型中混合使用线框、曲面和实体元素；数据量大、关系复杂，

10、管理困难；对物体几何的整体描述能力弱，不能表示物体的构造过程和特点，也无法记录构成物体的原始数据和特征；表示非唯一，面和边可能交错，有效性较差。26扫掠表示法Sweeping一个在空间移动的几何图形扫描出一个实体。实体表示为“运动的物体”加上“运动的轨迹”。扫掠动作有两种：平移和选择。最大的特点是实体模型的数据结构简单。27 4.4 CAD软件的过去、现在与将来CAD技术演变过程：CADrawing = CADesign = CAD in CAx = DFX (Design for x: Manufacturing, Assembling, Cost, Quality,.) = Co-Desi

11、gn in Network = CE (Concurrent Engineering) =VD (Virtual Design)28下面七个趋势将影响CAD在未来10年的发展方向：CAD未来技术的发展计算机将具有多个处理器，并行技术将增强台式计算机的能力，提高运行速度。微处理器晶体管的数目和速度将持续增加，并出现多处理器芯片。互联网将继续对通用商务，特别是使用CAD、PDM进行的产品设计产生影响。29下面七个趋势将影响CAD在未来10年的发展方向：CAD未来技术的发展Linux操作系统将会在许多市场领域成为微软的竞争对手。CAD软件将支持“虚拟模型”，允许在虚拟平台上将大量的产品零件组装起来，

12、用于产品的设计分析。不同CAD软件之间的数据共享成为可能。在工业界将不断发生合并现象。30 4.5 制造系统中CAD的应用CAD主要应用于两个领域：概念及重复设计和制图。概念和重复设计 CAD软件承担了制造业中大部分的设计工作，包括产品的设计以及与生产工艺相关的所有设计。制图 生成成品制造过程所需要的所有工作图。31 4.6 企业选择CAD软件选择CAD软件的准则零件几何形状和制图的类型及复杂性。概念设计和重复设计。产品的尺寸和复杂性。企业数据接口。外部数据接口。32 4.7 CAD软件供应商常用的CAD软件包括：AutoCAD。SolidworksCATIAPro/ENGINEERUG（Un

13、igraphics ）33AutoCADAutoCAD(Auto Computer Aided Design)是美国Autodesk公司首次于1982年生产的自动计算机辅助设计软件，用于二维绘图、详细绘制、设计文档和基本三维设计。现已经成为国际上广为流行的绘图工具。34Solidworks SolidWorks公司成立于1993年，SolidWorks软件是世界上第一个基于Windows开发的三维CAD系统，由于技术创新符合CAD技术的发展潮流和趋势，SolidWorks公司于两年间成为CAD/CAM产业中获利最高的公司。1997年由法国达索公司全资并购 。35CATIA Computer A

14、ided Tri-Dimensional Interface Application 世界上一种主流的CAD/CAE/CAM 一体化软件。在70年代Dassault Aviation 成为了第一个用户，CATIA 也应运而生。法国 Dassault Aviation 是世界著名的航空航天企业。其产品以幻影2000和阵风战斗机最为著名。CATIA的产品开发商Dassault System 成立于1981年。使用CATIA设计的产品耳熟能详，波音737、777，空客A380，法国阵风战斗机，Bombardier公司的Global Express 公务机，Lockheed Martin公司的Dark

15、star，当然还有中国的飞豹、枭龙、歼10和ARJ21支线客机。 36Pro/ENGINEER 1985年，PTC公司成立于美国波士顿，开始参数化建模软件的研究。1988年，V1.0的Pro/ENGINEER诞生了。经过10余年的发展，Pro/ENGINEER已经成为三维建模软件的领头羊。目前已经发布了proewildfire5.0 。37UG（Unigraphics ）UG从CAM发展而来。20世纪70年代，美国麦道飞机公司成立了解决自动编程系统的数控小组，后来发展成为CAD/CAM一体化的UG1软件。90年代被EDS公司收并，为通用汽车公司服务。2007年5月正式被西门子收购；因此，UG有

16、着美国航空和汽车两大产业的背景。自UG 19版以后，此产品更名为NX。目前的最新版本是NX7。38 4.8 国产CAD软件九十年代初，国产CAD软件曾经百花齐放，市场上活跃着许多的国产CAD产品，如高华CAD，华正电子图板，大恒CAD，德赛CAD，金银花CAD等。造成国产CAD软件这种困境的原因在于AutoCAD确立了CAD软件的标准。无论是来料加工，图纸验收，设计方案评比，AutoCAD的DWG文件成了默认的格式。而国产软件由于自主开发，兼容性一直是最大的困扰。39 4.8 国产CAD软件使用习惯是另一个困扰国产软件的因素。软件兼容性，用户操作习惯的改变的问题成了国产CAD的硬伤。国产CAD

17、软件的希望在于应用。国产CAD软件阵营中，CAXA电子图版、清华天河、开目软件、中望CAD等几家抓住了机遇，走在了最前面。40CAXACAXA电子图板定位于快速崛起的中国制造业企业，除了基本的辅助绘图功能，软件还根据中国机械行业的特点提供了丰富的标准件图库。虽然刚开始CAXA并不直接兼容AutoCAD，但鉴于AutoCAD的广泛应用，CAXA电子图板也提供了与AutoCAD的兼容接口。为了让用户接受国产软件，CAXA做起了国产CAD软件的普及工作，与中国工程图形学会等机构合作，在教育行业以非常低的价格提供给学校供学生使用。41CAXA42中望CAD中望CAD选择了和AutoCAD完全兼容的方式来抢占市场，不但界面、命令方式、操作习惯与AutoCAD非常相似，内部文件格式也采用了和AutoCAD一致的DWG文件。使得原先习惯了AutoCAD的用户或者是有大量AutoCAD图纸的用