技术基础第01章基本概念

1、CAD/CAM技术基础数字预装配参考主编.，计算机辅助设计与制造.高等教育CAD/CAM技术基础基本内容CAD/CAM概论CAD/CAM系统3. CAD/CAM开发基础（数据处理）CAD/CAM中的图形处理技术（几何变换）产品建模技术基础（实体建模、特征建模）计算机辅助数控编程技术计算机辅助质量系统技术计算机辅助生产管理与运行控制参数曲线曲面CAD/CAM系统集成第1章 CAD/CAM 概论CAD/CAM的基本概念CAD/CAM技术发展CAD/CAM技术的应用CAD/CAM技术的新发展1. CAD/CAM的基本概念CAD(Computer-Aided Design)：工程技术以计算机为辅助工具

2、来完成产品设计过程的各项工作。CAPP(Computer-Aided Pros Planning)：工艺人员借助计算机，根据产品制造的工艺要求，确定产品加工方法和方案。CAM(Computer-Aided Manufacturing)：借助计算机来完成从生产准备到产品制造出来的过程中的各项活动。CAD/CAM：使CAD、CAPP、CAM等成一个协同工作的有机整体，实现功能交互、信息共享和数据通讯。1. CAD/CAM的基本概念1.1从产品的诞生过程理解CAD/CAM的概念CADCAPPCAMCAD/CAM产品市场需求分析性能检验装配零件加工作业计划工装设计工艺规划详细设计基本设计概念设计生产工

3、艺设计产品设计1. CAD/CAM的基本概念1.2从制造的概念理解CAD/CAM的概念传统的制造概念：物料加工与转换过程现代制造的概念：人、技术、组织机构、装备集成产念市场需求分析售后服务质销售品概产品设计设计生产准备量控制产品生产生产技术和管理模式的演变时期制造业竞争的焦点相应的技术、管理与特点早期降低产品成本流水线、标准化5070年代提高企业的整体效率及产品质量统计质量工艺控制、数控技术、CAD、CAM.80年代全面满足用户T、Q、C、S等方面的要求JIT、CAD/CAM、CIMS.特点：信息集成90年代在TQCS与可持续发展的条件下(环境)快速开发质量、性能价格比好的新产品CAD/CAP

4、P/CDM、CE(并行工程)、AM(敏捷制造)特点：过程集成21世纪以知识创新带动的创新设计现代集成制造系统、虚拟制造 特点：企业集成、制造业信息化1. CAD/CAM的基本概念1.3CAD/CAM的基本功能工程数据库CAPP工艺知识检索工艺路线生成工序设计CAD几何造型工程绘图工程分析与优化模拟与仿真CAM数控编程加工仿真车间管理计划调度质量控制1. CAD/CAM的基本概念1.4CAD/CAM系统的工作流程方案设计产品几何建模工程分析、优化详细设计工程数CAPP据库CAD/CAM产品生产运行控制作业计划自动编程加工仿真NC编程产品设计市场需求2. CAD/CAM技术发展的回顾2.1 CAD

5、技术的发展四个阶段： (Computer Graphics, CG)形成期：1950s (MIT,CRT-CG)发展期：1960s (交互绘图技术、显示器成本降低）成熟期：1970s (实体造型技术，Solid M集成期：1980s (CAD、CAM-CAD/CAM)ing）2. CAD/CAM技术发展的回顾2.2CAM的发展1952 MIT,第一台数控铣床1955 APT语言1958 镗铣加工中心1962 第一台机器人、DNC直接数控1967 柔性制造系统1980S CAD/CAM2. CAD/CAM技术发展的回顾2.3 CAPP的发展1969 派生式CAPP挪威工业公司 AUTOPROS成

6、组技术-零件族-典型工艺过程-工艺规程针对性强-可移植性差、适应能力差、局限性大1977 创成式CAPP普渡大学 APPAS逻辑算法-处理几何要素、确定加工要素-工艺规程1980S 基于模拟工艺系统的CAPP的逻辑思维方式，利用知识对非确定性的工艺过程设计做出逻辑决策2.4 CAD/CAM的集成1970S1980S提出集成的需求与概念研究与发展出现集成化、商品化系统3. CAD/CAM技术的应用3.1CAD/CAM的应用状况3.2应用CAD/CAM技术的效益CT Q1）降低产品开发成本2）缩短产品开发周期3）提高产品质量4）降低劳动强度5）提高服务质量S3. CAD/CAM技术的应用项 目增

7、效缩短产品上市周期提高产品质量提高劳动生产率增加工程能力 提高设备利用率降低工程设计造价降低劳动力成本提高分析问题与解决问题的能力30%60%25倍40%70%33.5倍23倍10%40%220%335倍3. CAD/CAM技术的应用3.3我国CAD/CAM技术的发展与应用研究及产品开发应用4. CAD/CAM技术的新发展进一步发展CAD/CAM的必要性制造技术的发展趋势全球化敏捷化虚拟化智能化网络化标准化绿色化4. CAD/CAM技术的新发展B)制造业的新特点产品生命周期缩短用户需求多样化 制造系统柔性化全生命周期的质量保证 经济全球化与制造全球化交货期成为竞争的第一要素信息化、智能化人的知

8、识、素质和需求的变化环境保护意识的增强与可持续发展- 制造业信息化用计算机技术表示、处理和传输制造业生产经营的一切信息1)制造依据数字化-工程图样产品定义数据未来现在过去产品定义数据产品定义数据唯一的生产依据两种生产依据并存唯一生产依据标准适合新的设计图样图样- 制造业信息化2)制造过程数控化Boeing777“无纸”制造过程的数字指令控制加工、成形、装配、测量4. CAD/CAM技术的新发展C)制造业的新特点对CAD/CAM的新要求集成化智能化网络化分布式并行处理虚拟制造人机环境的改善4.2.1 支持TOP-DOWN的CAD/CAM技术CAD/CAM发展新方向支持TOP-DOWN的CAD/C

9、AM技术TOP-DOWN自顶向下概念设计 - 初步设计-详细设计BOTTOM-UP自底向上4.2.1 支持TOP-DOWN的CAD/CAM技术头脑产品的Bottom-Up设计产品分析将零件装配成产品设计产品中零件CAD模型修改零件修改概念模型形成概念模型产品定义4.2.1 支持TOP-DOWN的CAD/CAM技术产品的Top-Down设计产品分析修改零件模型形成产品详细几何模型模型修改形成产品参数化结构模型概念模型分析调整概念模型形成产品概念模型产品定义4.2.1 支持TOP-DOWN的CAD/CAM技术Top-Down设计的优点a)符合产品设计过程和设计的思维过程功能-几何结构抽象-具体b)

10、便于实现多个子系统的协同，实现并行设计概念设计阶段-主要功能、关键约束、配合关系分配任务-关键约束-子系统c)为 DFx 提供了条件对约束进行可行性评价TopBottomDownUp产品信息模型接口总线、产品数据管理PDM工艺分析、NC检查工艺加工知识库装配知识库装配性分析仿运动仿真、查、装配真检设计知识系统结构设计标准零件库典型零件库概念设计设计过程管理4.2.1 支持TOP-DOWN的CAD/CAM技术Top-Down设计的装配模型缺少支持概念设计、基本设计、详细设计的装配模型从概念设计阶段的功能模型到初步设计阶段的结构模型的转化? 功能模型 - 结构模型缺少实现产品功能到结构的推理方法4

11、.2.1 支持TOP-DOWN的CAD/CAM技术结构模型转化成详细装配模型目前缺少一个在对零件尺寸、位置进行调整时，保持装配模型中的工程约束和尺寸约束的有效方法。高效、快速的装配顺序规划方法缺乏一个将CAD、CAPP、 CAM有效地集成起来，进行并行设计的系统框架4.2.2支持DFx的CAD/CAM技术DFA：面向装配的设计DFM：面向制造的设计 DFE：面向环境的设计DFQ:面向质量的设计4.2.2支持DFx的CAD/CAM技术DFx: Design for X侠义：x-A、M、Q、广义：x-eXcellence-面向全面优化的设计制造业 ，设计质量：1)可制造性(Manufacturab

12、ility) 2)安全性(Safety)3)环保性(Environmental friendliness)4)用户友或人机工学性 (User friendliness, ergonomics)短的上市时间(Short time to market)可升级性(Upgradability)4.2.2支持DFx的CAD/CAM技术DFx是一种基于知识的产品设计方法目标简化产品降低制造和装配的成本提高产品质量缩短上市时间内容DFA: Design for AssemblyDFM: Design for ManufactureDFE: Design for EnvironmentDFLC: Design

13、 for Life-cycle面向装配的设计面向制造的设计面向环保的设计面向全生命周期的设计1) DFADFA (Design for Assembly, 面向装配的设计)引言主要目标: 通过产品装配合理化-Q、C、T的产品。装配合理化产品的设计最根本的影响基本准则尽可能减少零数目减少后期制造和维修的全部费用! 不应使合并后的单个零件的制造成本过高。1) DFA1.3.2 使产品结构和零结构尽可能的易于装配应采用标准化的、模块化的、积木块式的产品结构;尽量减少联接件;减少装配表面和装配方向;使零有一定柔性，强化零的对称性等。2) DFM2)DFM (Design for Manufacture

14、, 面向制造的设计)目标: 降低成本，提高制造的容易性 DFA: 考虑产品整体配置的概念设计 DFM: 面向单个零件加工过程的设计广义：DFM包括任何设计步骤、方法、系统，能够产生易于DFA-DFMDFMA制造或降低制造成本的产品设计2.2 DFM 主要内容DFM包括产品DFM和零件DFM2.2.1 产品DFM对整个产品设计方案的优化分析技术，处理产品结构对整个加工成本的影响。是2) DFM两个技术DFA技术，从装配的角度对产品结构的优化设计;成本早期预估(Early Cost Evaluating-ECE)技术，从成本角度对各种方案的制造费用进行比较研究以确定最优方案。2.2.2 零件DFM

15、对零件设计的优化分析技术，包括材料成本最小化和加工工艺的优选等，应尽量避免一些不必要的、花费高的零件特征a)b)c)d)e)f)原材料和加工工艺的选择采用模块化设计采用标准零设计多用途零 避免分立连接件最小化装配方向2) DFM2.4 举例金属支架尼龙支撑套螺钉钢轴尼龙支架钢轴2) DFMDFA: 装配效率7% 最少零件数准则 93% ECE:3) DFEDFE (Design for Environment, 面向环境的设计)概念DFE是产品设计的一种新理念，它要求所设计的产品从、使用到产品报废/回收等的整原材料获取、生产、个产品生存周期内不对环境或少对环境造成危害。ISO14000系列标准

16、产品生命周期内的环境问题归态健康、资源耗费三个方面。结为:健3) DFE目标1)减少产品和服务的物料使用量; 2)减少产品和服务的能量使用量;3)减少物质的排放;加强物质的循环使用能力;最大限度可持续的利用再生资源;提高产品的耐用性。3.2 循环经济全球剧增、K.、环境污染丁 1960s在人、自然资源和科学技术的大系统内，在资源投入、企业生产、产品消费及其废弃的全过程中，把传统的依赖资源消耗的线性增长的经济，转变为依靠生态型资源循环来发展的经济。4.2.3 智能CAD/CAM技术智能CAD/CAM技术elligent CAD/CAM利用人工智能的、方法和技术，分析归纳设计/工艺知识，模拟人脑推

17、理分析，提出设计/工艺方案，从而提高设计/工艺水平，缩短周期，降低成本。A)工作步骤a)初步方案的形成 c)设计的修改e)信息反馈b)最优方案的选择d)图形形成4.2.3 智能CAD/CAM技术B)智能CAD/CAM系统结构推理机解释模块动态数据库(上下文)知识库图形处理系统知识获取机制人机接口4.2.3 智能CAD/CAM技术1)2)知识库数据库本领域知识、经验和书本知识、的器；领域内初始数据和推理过程中得到的各种中间信息。设计、制造数据，动态数据，上下文类型的特征，正在建立的上下文树特征；3)控制、协调整个系统，根据当前输入的数据 (即数据推理机库中的信息)，利用知识库中的知识，按一定的推

18、理策略去解决当前解释模块。回答用户的询问，对系统的自身行为和导出的结论4)进行说明；知识获取机制学习功能；图形处理系统5)人工传授和机器习， 实现系统的6)7)显示或绘出的总图和零件图；人机接口实现计算机与或用户的相互通信。4.2.3 智能CAD/CAM技术C)系统开发语言1) LISP语言特点是来处理符号计算的，着重强调表的使用和处理，基本函数结构是树状的，语言的功能强，效率高。语法简单明快，容易掌握，用其设计系统，确。其通用版本有COMMON LISP；既简单又思GCLISP，宏LISP等。普遍认为LISP是一种用于建立统的优秀语言。系2) C语言为了便于使用现有的图形标准和图形，在开发C

19、ADCAM系统时，也采用C语言来建立系统。图形基础上开发比较容易，无须再学智能模块在现有图形语言，但进行知识表示和决策推理时，却有一定的难度。4.2.3 智能CAD/CAM技术3) PROLOG语言PROLOG语言是一种会话式符号语言，它能够用逻辑来规定它的任务，把数据和知识都作为关系处理，能成倍地减少开发时间，其最强的属性是模式匹配能相关数据库。PROLOG语言逐渐成为解决涉及对象力和的符号表示，以及解决对象之间关系问题时经常采用的语言。它是一种基于规则酌语言，被作为序设计工具来开发的。便的逻辑程TURB0PROLOG语言功能最强，使用员方便。4.2.3 智能CAD/CAM技术D)智能CAD

20、/CAM的1)多方案的并行设计智能CAD2)多系统的协同合作及信处理智能化的人机接口设计信息集成多种推理机制的综合应用知识库智能CAM智能CAPP4.2.3 智能CAD/CAM技术E)智能CAD/CAM的应用系统1)智能CAM系统erMillerMill是英国Delcam公司以当代制造加工专业需求为重点方向开发的基于Windows的面向工艺特征的符合工程化概念广泛地应用于汽车、航空、航天、的智能型CAM，该电子、工模具制造等领域。2)异型材料挤出模智能化CAD/CAM系统教授+中国船舶工业总公司交通科技大学港机系扬安昌， 19967163)级进模智能CAD/CAM原型系统CAMSLS交通大学模

21、具CAD国家工程4.2.4 并行工程无法消除不合理的产品设计和工艺设计工作周期长、产品上市慢加工生产产品原型详细设计概念设计4.2.4 并行工程打破部门界限、面向产品的、多学科交叉的协同工作小组4.2.5虚拟制造技术4.2.5虚拟制造技术A)虚拟制造概念虚拟制造系统是制造系统在虚拟现实下的，通过对制造知识进行系统化组的组织与分析，对整个制造过程建模，在计算机上进行设计评估和制造活动，是仿真、建模与分析技术及工具的综和应用，以增强各层制造设计和生产决策与控制，并进行优化。虚拟制造是由多学科先进知识组成的综合系统技术,是对这些领域知识的综合集成与应用,是计算机仿真、建模和优化技术。其与4.2.5虚

22、拟制造技术B)虚拟制造特征1)运用技术对制造系统中的(人、组织管理、物流、信息流、能量流)进行仿真,使之高度集成；2)无须制造实物样机就可以产品性能；在产品开发过程中可及早发现问题,工艺设计和制造一次成功；敏捷灵活,缩短新产品开发时间,提高质量,降低成本；分布合作，可异地在同一个产品模型上同时工作、相互交流、信息共享。保证产品设计、4.2.5 虚拟制造技术C)虚拟制造研究内容1)以设计为中心的虚拟制造把制造信息引入到设计全过程,强调以制造信息模型为基础,对数字化产品模型进行仿真与分析、优化，提出产品设计的修改意见；2)以生产为中心的虚拟制造在生产过程模型中融入仿真技术,在企业资源(如设备、人力、原材料等)的约束条件下,建立产品制造过程的虚拟设备、虚拟单元、虚拟生产线、虚拟车间和虚拟工厂，通过仿真实现制造方案的快速评价以及加工过程和生产过程的优化；4.2.5虚拟制造技术3)以控制为中心的虚拟技术为了实现制造系统的组织、调度与控制策略的优化以及虚拟制造过程中的人机智能交互与协同,需要对全系统的控制模型及现实加工过程进行仿真。4.2.5虚拟制造技术C)硬件虚拟现实系统图形工作站显示头盔或数据手套或声音响系统投影装置杆定位装置力反馈系统4.2.5虚拟制造技术虚拟现实系统4.2.5虚拟制造技术显示头盔或投影装置4.2.5 虚拟