机械CADCAM技术概述市公开课一等奖省赛课获奖课件

机械CAD/CAM技术机械专业本科课程

何钢机电工程学院河海大学机械CADCAM技术概述第1页课程概况

计算机辅助设计与制造(ComputerAidedDesign&ComputerAidedManufacture,简称CAD/CAM)技术是一门多学科综合性应用技术，是当代设计制造方法及伎俩综合表达。

CAD/CAM技术已广泛应用于机械、电子、建筑、土木工程、航天、纺织等领域，并已成为提升产品与工程设计水平、缩短产品开发周期、增强产品市场竞争力、提升劳动生产率主要伎俩,已成为衡量国家科技与工业当代化主要标志之一。机械CADCAM技术概述第2页课程主要内容

机械CAD/CAM技术概述

CAD/CAM支撑技术设计数据处理技术计算机图形处理技术机械CAD/CAM建模技术机械CAD/CAM应用软件开发计算机辅助工艺过程设计数控加工编程

CAD/CAM集成技术

机械CADCAM技术概述第3页课程概况

教材

王隆太等编.机械CAD/CAM技术(第２版)，机械工业出版社

参考书目

1.孙家广.计算机辅助设计技术基础，清华大学出版社

2.童秉枢.机械CAD技术基础(第３版)，清华大学出版社

3.唐荣锡.CAD/CAM技术，北京航空航天大学出版社

4.严蔚敏.数据结构，清华大学出版社

5.施法中.计算机辅助几何设计与非均匀有理B样条,高等教育出版社课时安排：

40课时考评方式：

平时成绩(30%)+考试成绩(70%)机械CADCAM技术概述第4页主要内容

机械设计概述

CAD/CAM系统功效和作业过程

CAD/CAM系统基本概念

CAD/CAM系统硬件和软件

CAD/CAM技术发展和应用第一章机械CAD/CAM技术概述机械CADCAM技术概述第5页

机械设计概念

机械设计就是依据使用要求确定产品应该具备功效，构想出产品工作原理、结构形状、运动方式、力和能量传递、以及所用材料等事项，并转化为详细描述，比如图纸和设计文件等，以此作为制造依据。设计结果经过制造转化成产品。

机械设计是产品从需求分析、设计、制造、销售、使用和回收整个产品全生命周期中一个主要步骤，对产品成本影响占80％。

1.机械设计概述机械CADCAM技术概述第6页

机械设计主要地位1）产品设计成本约占产品成本10％，却决定了产品制造成本70%一80%，在产品质量事故中，约有50%是因为不良设计所造成，所以设计技术在制造技术中作用和地位是举足轻重。2）机械设计对产品先进性和竞争能力起着决定性影响。设计是当代社会工业文明主要支柱，是工业创新关键步骤。3）设计是实现国民经济跨越式发展和企业良性循环基本条件，是知识经济在制造业主要表达。1.机械设计概述机械CADCAM技术概述第7页1.机械设计概述

传统机械设计过程市场调研与需求功效设计概念设计初步设计与详细设计绘图、描图、晒图分析计算加工工艺制订产品制造与装配产品销售机械CADCAM技术概述第8页0102030405060产品定义产品设计工艺规划制造检验应用发生错误修改错误75%成本%80%设计修改工作75%修改工作由产品设计阶段引发

80%修改工作在产品制造阶段或后续阶段完成1.机械设计概述机械CADCAM技术概述第9页传统机械设计过程特点绘图等步骤靠手工完成，效率较低设计方案靠经验，方案较少且难以充分优化不能进行复杂力学分析，难以按动态、准确方法计算，轻易犯错设计与制造过程是串行，周期长，成本高1.机械设计概述机械CADCAM技术概述第10页计算机辅助设计(CAD)产生详细设计终止并不意味着最终取得了一个好设计机械产品在经历了制造加工、样机测试、批量生产、以及销售使用后，会返回大量信息，需要对产品进行不停修改机械设计是一个“设计——评价——再设计”重复迭代、不停优化过程

在人工设计情况下，存在许多缺点，所以实现某种程度设计自动化，缩短设计周期，降低设计成本，提升设计质量，就成为机械设计发展迫切要求，正是在这么背景下产生了计算机辅助设计(ComputerAidedDesign)1.机械设计概述机械CADCAM技术概述第11页2、机械CAD/CAM系统功效和作业过程机械CAD/CAM系统主要功效机械CAD/CAM系统工作流程机械CAD/CAM系统特点机械CADCAM技术概述第12页

当前CAD/CAM系统主要功效1.产品几何建模

产品几何建模是CAD/CAM系统关键功效，它为产品设计和制造提供基本数据，是后续工作基础。具备完善实体造型和曲面造型、参数化特征造型功效，能够结构出各种规则形状和自由曲面。

2、机械CAD/CAM系统功效和作业过程机械CADCAM技术概述第13页UG造型功效显示功效实体造型曲面造型机械CADCAM技术概述第14页特征造型装配建模2、机械CAD/CAM系统功效和作业过程机械CADCAM技术概述第15页2、机械CAD/CAM系统功效和作业过程UG产品设计实例机械CADCAM技术概述第16页2.产品模型工程分析处理

运动学、动力学分析-对机构位移、速度、加速度及受力情况进行分析，并直观地进行运动仿真。

有限元分析-对产品进行应力、应变分析，进行振动、热变形、温度场分析，生成应力分布图、温度场分布图、位移变形曲线等图形和文件；优化设计－包含方案优化、结构优化和工艺优化

2、机械CAD/CAM系统功效和作业过程机械CADCAM技术概述第17页机械CAD/CAM系统功效和作业过程机械CADCAM技术概述第18页2、机械CAD/CAM系统功效和作业过程运动仿真(Adams)机械CADCAM技术概述第19页2、机械CAD/CAM系统功效和作业过程运动仿真(Adams)机械CADCAM技术概述第20页2、机械CAD/CAM系统功效和作业过程运动仿真(Adams)机械CADCAM技术概述第21页2、机械CAD/CAM系统功效和作业过程模流分析机械CADCAM技术概述第22页2、机械CAD/CAM系统功效和作业过程3.图档与设计文档生成自动生成和修改二维图形，包含基本图元生成、尺寸标注、图形编辑、显示控制、技术条件标注等功效，生成满足实际生产需要、符合国家标准机械工程图。

机械CADCAM技术概述第23页2、机械CAD/CAM系统功效和作业过程4．辅助制订工艺规程（CAPP）

CAPP是连接CAD与CAM桥梁,能依据产品信息和制造工艺要求，自动进行加工方法、工艺路线、工艺参数和加工设备、刀具、卡具等规划，生成工艺规程和工艺卡片，并被CAM系统接收后自动生成NC控制代码。5．NC自动编程

依据CAD所建几何模型，以及CAPP所制订加工规程，选择所需要刀具和工艺参数，确定走刀方式，自动生成刀具轨迹，经后置处理，生成详细机床NC控制代码。当前，CAD/CAM系统具备了3至5轴联动加工数控编程能力。

机械CADCAM技术概述第24页2、机械CAD/CAM系统功效和作业过程6．加工过程仿真模拟

虚拟数控加工过程，检验NC代码正确性，检验几何干涉和物理碰撞，分析产品可制造性，并预测产品性能。机械CADCAM技术概述第25页2、机械CAD/CAM系统功效和作业过程机械CADCAM技术概述第26页2、机械CAD/CAM系统功效和作业过程7．工程数据管理

数据量大、数据种类多、数据结构复杂，因而CAD/CAM系统应能提供有效工程数据管理伎俩，支持产品设计与制造全过程数据信息流动和处理。机械CADCAM技术概述第27页2、机械CAD/CAM系统功效和作业过程CAD/CAM系统工作流程图产品设计要求功效与方案设计建立产品模型工程分析不满足要求修改满足要求详细设计制订加工工艺数控编程NC后处理方案设计教授系统造型软件系统有限元分析软件优化分析软件可制造性分析软件参数化建模CAPPNC自动编程，仿真软件，评价评价不满足要求满足要求工程数据库标准件库加工工艺参数库工装设备库NC代码库二维零件图库其它CAM软件机械CADCAM技术概述第28页2、机械CAD/CAM系统功效和作业过程管路设计强度分析结构分析数字预装配CAM装配过程仿真装配过程仿真计算流体力学虚拟风洞机械CADCAM技术概述第29页实物或模型数据采集CAD模型重构仿制改制产品ＰＤＭ系统制作系统CAM模具新产品二维图样技术文档仿制改制产品快速原形RP产品样件逆向工程机械CADCAM技术概述第30页CAD/CAM系统优点(1)提升了设计质量.各种分析和优化设计工具，为产品设计提供了科学基础。(2)提升了设计生产率.

促进了设计规范化，标准化，便于编辑、修改和设计文档自动生成。快速检索及图样绘制自动化和参数化，提升了设计效率。(3)能够较大幅度地降低生产成本简化了产品开发步骤，各种分析和模拟工具应用，降低了废品和次品率，有效地降低生产成本。(4)

将技术人员从繁重工作中解放出来集中投人到含有创造性话动中。(5)

CAD和CAPP/CAM结合将深入精简产品生产步骤，提升生产效率和质量。2、机械CAD/CAM系统功效和作业过程机械CADCAM技术概述第31页CAD(ComputerAidedDesign)CAM(ComputerAidedManufacturing)

计算机辅助设计是技术人员在计算机和软件帮助下，对产品进行设计、绘图、分析和编写技术文档等设计活动总称。

CAD是综合性技术，集设计方法学、计算机图形学、数据库、网络通讯等计算机及其它领域知识于一体高新技术；是提升设计水平、缩短产品开发周期、增强行业竞争能力一项关键技术。

狭义CAM：3、CAD/CAM系统基本概念

通常指数控程序编制，包含刀具路线规划、刀位文件生成、刀具轨迹仿真以及后置处理和NC代码生成

机械CADCAM技术概述第32页3、CAD/CAM系统基本概念

利用计算机辅助完成从毛坯到产品制造过程中直接和间接各种活动，包含：工艺准备、生产作业计划、物流过程运行控制、生产控制、质量控制等方面.其中工艺准备包含:

计算机辅助工艺过程设计、计算机辅助工装设计与制造、NC编程、计算机辅助工时定额和材料定额编制等内容；物流过程运行控制包含：

物料加工、装配、检验、输送、储存等生产活动。

广义CAM：机械CADCAM技术概述第33页3、CAD/CAM系统基本概念工艺设计：依据产品设计结果进行产品加工方法和制造过程设计

按设计蓝图、零件清单编制工艺规程，选择加工方法，毛坯、排出加工工序过程，选择各工序加工余量、参数、刀具、工艺装备，绘制必要工序简图，编制工艺卡片，计算工时定额，材料定额，编制工装汇总、工艺关键件明细表、外协件明细表、焊接件明细表、锻件明细表、热处理明细表等工艺文件。

计算机辅助工艺规划

CAPP-ComputerAidedProcessPlanning

机械CADCAM技术概述第34页1）加工小端面2）对小端面钻中心孔3）加工大端面4）对大端面钻中心孔5）车大端面外圆6）对大端面倒角7）车小端面外圆8）对小端面倒角9）铣键槽10）去毛刺工艺实例3、CAD/CAM系统基本概念机械CADCAM技术概述第35页工艺过程卡（小批量）3、CAD/CAM系统基本概念机械CADCAM技术概述第36页CAPP系统功效加工方法选择工序设计毛坯选择；加工设备和工装选取；加工余量分配、切削用量选择；机床、刀具选择；必要工序图生成，编制工艺卡片工艺路线制订和工时定额计算等，包含：材料定额，编制工装汇总、工艺关键件明细表、外协件明细表、焊接件明细表、锻件明细表、热处理明细表等工艺文件3、CAD/CAM系统基本概念机械CADCAM技术概述第37页4、CAD/CAM系统硬件和软件硬件软件计算机计算机网络输入设备输出设备存放器生产装备数控设备、检测设备、搬运设备、机器人快速成型设备

键盘、鼠标、数字化仪、扫描仪、数码相机显示器、绘图机、打印机人在CAD/CAM中起主导作用，设计策略，逻辑控制，创造性MIPS,MFOLPS,主频，字长，多CPU磁带、磁盘、光盘CAD/CAM系统组成系统软件、支撑软件、应用型软件机械CADCAM技术概述第38页数字化仪4、CAD/CAM系统硬件和软件数字化仪扫描仪机械CADCAM技术概述第39页４、CAD/CAM系统硬件和软件软件支撑软件系统软件应用软件单一功效型支撑软件只提供CAD/CAM系统中一些经典过程功效。交互式绘图软件三维设计CAD系统工程分析计算数据库系统综合集成型CAD/CAM支撑软件提供了设计、分析、造型、数控编程及加工控制等各种模块，功效比较完备。CAD部分：几何造型、工程绘图、装配规划CAE部分：有限元分析、运动分析、优化CAM部分：NC编程模块、测量规划专用软件（能够由用户自行开发）软件机械CADCAM技术概述第40页４、CAD/CAM系统硬件和软件惯用CAD/CAM软件Autodesk企业AutoCADPTC企业Pro/EngineerSiemens企业:UGNXI-DEASNXSolidEdgeDassault企业CAITIASolidworks企业

Solidworks

北航海尔CAXA机械CADCAM技术概述第41页PRO-EI-DEASCATIAUGCADAM通用软件研发单位美国洛克西德飞机公司麦道企业法国Dassault飞机企业美国NASA-SDRCPTC企业研发时间1965198420世纪70年代19791988

主要功效工程制图、修改图纸、几何分析、结构模型、生成NC指令工程制图、自由曲面造型、特征建模、工程分析、二次开发、NC编程实体建模、钣金件设计、自由曲面物体设计、仿真优化、应力分析、数据转换复杂曲面建立功效、产品修改工具功效，机床仿真功效、有限元模型结构功效参数化设计和特征功效；含有单一数据库应用对象飞机制造汽车船舶航空航天航空航天航空航天汽车电子工业设备机械制造机械CADCAM技术概述第42页Pro/ENGINEER基本功效

机械CADCAM技术概述第43页

CAD/CAM系统支撑技术

计算机及图形学网络技术成组技术①能够在计算机之间快速地实现数据传递；②共享网内计算机资源，包含如大容量磁盘存放设备、绘图机等硬件资源，如支撑软件、数据库等软件资源；③网内各计算机站点可互为后备，提升计算机系统可靠性④若干台计算机能够完成一项CAD/CAM任务，进行协同作业。软件工程技术、产品建模方法、数据管理技术、信息集成等利用产品零件之间相同形，将零件分类成组，然后依据每组零件所拥有相同特征，为其同组零件找出相对统一最正确方案，从而节约时间和精力以取得所期望经济效益

４、CAD/CAM系统硬件和软件机械CADCAM技术概述第44页工程分析技术仿真技术有限元分析，机构分析，可制造性分析，可回收性分析运动、装配、加工仿真，虚拟现实，快速成型设计(类比法），制造（CAPP)应用领域：相关问题：编码，存放，搜索，相同度确定４、CAD/CAM系统硬件和软件机械CADCAM技术概述第45页５、CAD/CAM技术发展和应用一、CAD/CAM技术发展

1952MIT试制成功世界第一台数控铣床，随即又研制开发了自动编程语言1963MIT成功研制第一套实时交互计算机图形系统SKETCHPAD

单元技术发展和应用阶段(20世纪60年代---70年代)

计算机图形处理技术深入发展 三维线框造型和曲面造型得到应用实体造型技术出现数控加工编程系统成组技术机械CADCAM技术概述第46页５、CAD/CAM技术发展和应用

CAD/CAM集成阶段(20世纪80年代)

实体造型技术已经成熟并发展了特征建模技术；人工智能和教授系统开始利用于CAD和CAPP;

工程数据库得到发展计算机硬件发展快速

面向并行设计CAD/CAM阶段(20世纪90年代)

面向产品全生命周期建模技术基于工程数据库企业级产品数据管理基于网络协同工作平台机械CADCAM技术概述第47页2D绘图3D设计工程分析虚拟样机集成平台５、CAD/CAM技术发展和应用二、CAD/CAM技术应用

机械CADCAM技术概述第48页

虚拟样机概念：

由分布、不一样工具开发、甚至异构子模型组成模型联合体（CAx、DFx、外观、仿真……），这些数字模型联合体即虚拟样机（virtualprototype），能从视觉、听觉、触觉以及功效、性能和行为上模拟真实产品。虚拟样机技术是以并行工程思想为指导，建模仿真理论为关键，以各领域CAx（如CAD、CAM、CAE等）/DFx（如DFA、DFM等）/仿真为工具一个综合应用技术。５、CAD/CAM技术发展和应用多CAD模型集成装配

动态干涉检验

动态剖面检验靠近度阵列机械CADCAM技术概述第49页５、CAD/CAM技术发展和应用以虚拟样机（VirtualPrototype）为基础，实现虚拟验证、虚拟测试、虚拟试验与仿真，降低物理试验次数，缩短试验周期，提升产品质量控制设计师共享模型虚拟样机概念物理样机验证与测试设计设计机械设计师机械CADCAM技术概述第50页５、CAD/CAM技术发展和应用铁路机车车辆虚拟样机系统机械CADCAM技术概述第51页三、CAD/CAM技术研究热点

1．计算机支持协同设计－网络化2．CAD/CAM集成技术3．智能CAD/CAM技术－智能化教授系统4．与虚拟现实技术集成-可视化5.并行工程6.快速原型技术7．计算机安全

５、CAD/CAM技术发展和应用机械CADCAM技术概述第52页1．计算机支持协同设计-网络化

用于支持设计群体组员交流设计思想、讨论设计结果、发觉组员间接口矛盾和冲突，及时地加以协调和处理，降低以至防止设计重复，从而深入提升设计工作效率和质量。

协同设计关键技术：图形、多媒体信息实时、可靠地交换协同建模和拓扑元素命名、增量传输怎样确保协同系统在异构环境下可靠性协同过程管理和协同冲突管理一致性维护与并发控制５、CAD/CAM技术发展和应用机械CADCAM技术概述第53页５、CAD/CAM技术发展和应用计算机支持企业群体协同设计平台机械CADCAM技术概述第54页５、CAD/CAM技术发展和应用2发展方向BuxtehudeLaupheimHamburgBremenNordheimVarelMeaulteSt.NazaireNantesBrougltonFiltonToulouseGetateIllescasPuertoRealStadeHamburg德国法国英国西班牙空客A380在4国进行协同研制CADCAECAMCADCAECAM研制

ERPSCMSCMERP数据/BOM表

项目

需求CPC平台机舱内装饰前后机身驾驶舱和中段机翼发动机机架垂直尾翼水平尾翼机械CADCAM技术概述第55页５、CAD/CAM技术发展和应用计算机辅助技术目标：************……..………转换中间文件问题？现有商品化CAD、CAPP、CAM系统相互独立一个企业购置多个软件企业产品。各系统难以沟通，交流困难工艺规划NC代码CAD系统（厂家A）CAM系统（厂家C）2.集成技术-信息集成、过程集成、企业集成CAPP系统（厂家B）机械CADCAM技术概述第56页５、CAD/CAM技术发展和应用怎样集成？建立转换规范标准“STANDARD”由谁来建？怎样维护？系统A系统A系统ACAPPCAMCAFDCAT标准文件“STANDARD”机械CADCAM技术概述第57页Solver

ANSYSLS-DYNAABAQUSNASTRANCAE前后置处理专用接口CAD模型Pro/EUGCATIAI-DEASMDT零件/装配参数参数FEM结果FEM模型CAE与CAD系统集成机械CADCAM技术概述第58页（一）信息集成

CIMS技术关键----针对设计、加工、制造及管理中大量信息孤岛，处理信息正确、高效共享和交换。设计系统信息集成：CAD/CAPP/CAM/加工制造/管理信息集成。关键技术产品建模

特征建模、STEP、面向全生命周期数据交换问题工程数据管理问题

逻辑上集中、物理上分布、异构数据库访问５、CAD/CAM技术发展和应用机械CADCAM技术概述第59页（二）过程集成

CE关键-信息集成+过程集成串行过程->并行过程,设计时就考虑可装配性、可制造性、可靠性和成本等因数。关键：支持开发过程重构和建模；实现协同设计环境；提供功效集成、信息集成支持并行设计CAX和DFX工具。（三）企业集成企业级信息集成+过程集成针对某一产品->选择合作搭档，组建动态联盟->联盟内信息集成+过程集成５、CAD/CAM技术发展和应用机械CADCAM技术概述第60页当代集成制造系统平台、企业建模、应用服务器PDM数字化设计与制造系统ERP企业管理与电子商务系统MES过程自动化系统重点行业当代集成制造系统（航空、航天、铝业、镁合金）经典区域网络化制造系统/ASP(成德绵、关中、浙江、重庆）制造资源优化配置CAPP3DCADEBSCMCRM计划调度实时数据库EPA软构件软构件软构件软构件软构件软构件软构件软构件软构件软构件软构件软构件软构件软构件软构件软构件软构件软构件５、CAD/CAM技术发展和应用企业集成系统框架机械CADCAM技术概述第61页3.智能CAD/CAM技术-智能化教授系统设计分类1）数值计算->计算、分析、绘图->数学模型，数值处理；2）符号推理->方案设计、评价、决议、结构设计等->创造性活动,思索+推理。如概念设计(初始条件，设计需求、目标和各种约束往往是不准确、近似、含糊或未知。)５、CAD/CAM技术发展和应用含糊信息处理与决议创造性思维研究与设计方法学研究基于知识辅助设计技术研究内容机械CADCAM技术概述第62页５、CAD/CAM技术发展和应用将人工智能技术，尤其是教授系统技术，与传统CAD技术结合起来，形成智能化CAD系统是机械CAD发展必定趋势。人机接口数据库推理机知识获取用户知识库领域教授AI教授解释模块

教授系统基本结构先进教授系统特征(1)并行分布式处理功效(2)多教授协同工作(3)更强自学习能力(4)更新推理机制(5)自纠错和自完善能力(6)先进智能接口(7)更多先进技术被引入和融合机械CADCAM技术概述第63页4．与虚拟现实技术集成-可视化虚拟现实(VirtualReality-VR)技术是利用计算机生成一个模拟现实环境技术，经过数据头盔(HeadMountedDisplay)、数据手套(DataGlove)、数据衣(DataSuit)等各种传感设备结构虚拟环境，向设计者提供诸如视觉、听觉、触觉等各种直观而又自然实时感知。５、CAD/CAM技术发展和应用机械CADCAM技术概述第64页５、CAD/CAM技术发展和应用多感知性(Multi-Sensory)——所谓多感知是指除了普通计算机技术所含有视觉感知之外，还有听觉感知、力觉感知、触觉感知、运动感知，甚至包含味觉感知、嗅觉感知等。沉醉感(Immersion)——指用户感到作为主角存在于模拟环境中真实程度。交互性(Interactivity)——指用户对模拟环境内物体可操作程度和从环境得到反馈自然程度(包含实时性)。构想性(Imagination)——强调虚拟现实技术应含有辽阔可想像空间，可拓宽人类认知范围，不但可再现真实存在环境，也能够随意构想客观不存在甚至是不可能发生环境。虚拟现实技术主要特征机械CADCAM技术概述第65页虚拟现实技术５、CAD/CAM技术发展和应用机械CADCAM技术概述第66页５、CAD/CAM技术发展和应用机械CADCAM技术概述第67页５、CAD/CAM技术发展和应用机械CADCAM技术概述第68页５、CAD/CAM技术发展和应用机械CADCAM技术概述第69页虚拟现实技术优缺点：CAD技术与VR技术有机结合，可显示设计内容、显示设计对象性能特征以及设汁对象与周围环境关系，设计者可与虚拟设计系统进行自然交互，灵活地修改设计。当前，VR技术所需软硬件价格还相当昂贵，技术开发复杂性和难度还较大，VR/CAD集成还有待深入研究。５、CAD/CAM技术发展和应用机械CADCAM技术概述第70页并行工程是一个关于设计过程方法，它需要在设计中全方面地考虑到相关过程各种问题，但并非包含制造过程等其它过程。它要求全部设计工作要在生产开始前完成，并不是要求在设计产品同时就进行生产。并行工程不是指同时或交织地完成设计和生产任务，而是指对产品及其下游过程进行并行设计，不能随意消除一个完整工程过程中现存、次序、向前传递信息任一必要阶段。并行工程是对设计过程集成，是企业集成一个侧面，它企图做到是优化设计，依靠集成各学科专业人员智慧做到设计一次成功。5．并行工程５、CAD/CAM技术发展和应用机械CADCAM技术概述第71页５、CAD/CAM技术发展和应用串、并行产品开