制造业信息化第4章1

第4章制造业信息化的技术集成14.1CAD技术2

一、CAD技术概要计算机辅助设计(CAD，ComputerAidedDesign)是指工程技术人员以计算机、外围设备及其系统软件为基础，运用各自的专业知识，进行产品设计、建模、分析及编写技术文档等设计活动的总称。

CAD系统的功能可以分为四大类：数字建模、工程分析、动态模拟和自动绘图。完整的CAD系统，应由人机交互接口、科学计算、图形系统和工程数据库等组成。4.1CAD技术3

人机交互接口是设计、开发、应用和维护CAD系统的界面，已经经历了从字符用户接口、图形用户接口、多媒体用户接口到网络用户接口的发展过程；科学计算包括有限元分析、可靠性分析、动态分析、产品的常规设计和优化设计；图形系统包括几何(特征)造型、二维绘图设计、三维几何造型设计、动态仿真；工程数据库对设计过程中需要使用和产生的数据、文档等进行管理。随着Internet/Intranet网络和并行、高性能计算及事务处理的普及应用，异地、协同、虚拟设计及实时仿真也得到广泛应用。4.1CAD技术4

二、CAD技术的发展历史

50年代，CAD技术处于被动式的图形处理阶段。50年代后半期出现了光笔，开始了交互式计算图形学的研究。

60年代，提出了计算机图形学、交互技术、分层存储符号的数据结构等新思想，为CAD技术的发展和应用打下了理论基础。这一代系统主要用于二维绘图，其技术特征是利用解析几何的方法定义有关点、线、圆等图素。

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70年代，这时期的交互图形技术日渐成熟，并在工业界中日益得到应用，主要是二维交互绘图系统及三维几何造型系统。形成了众多商品化程度高的实用系统。推出第一个完整的CAD系统。

70年代以后，CAD技术的发展经历了四次大的飞跃。

（1）第一次CAD技术革命：“贵族化”的曲面造型系统

（2）第二次CAD技术革命：生不逢时的实体造型技术

（3）第三次CAD技术革命：一鸣惊人的参数化技术

（4）第四次CAD技术革命：更上一层楼的变量化技术4.1CAD技术6

发展趋势：标准化、可视化（包括虚拟设计）、开放化、智能化、集成化和网络化虚拟现实技术用于设计，使CAD技术主要在两个方面得到提高：一是更逼真地看到正在设计的产品及其开发过程；另一方面是提高交互能力，使设计人员或群体可以直接和所设计产品交互操作。在CAD系统中，综合应用正文、图形、图像、语音等多媒体技术和人工智能、专家系统等技术大大提高了自动化设计的程度，出现了智能CAD新学科。它把工程数据库及其管理系统、知识库及其专家系统、拟人化用户接口管理系统集于一体。4.1CAD技术7

三、CAD系统硬件计算机系统：目前CAD使用的计算机系统主要有工作站和高档微机2种。图形输入设备：用来交互的输入和修改产品设计方案的图形，并对图形作多种变换操作，除键盘外，还有光笔、鼠标、扫描仪。图形显示设备：显示器图形绘制设备：打印机、绘图仪4.1CAD技术8

四、CAD系统软件

CAD系统软件包括系统软件和应用软件。系统软件：主要用于计算机管理、维护、控制及运行。它包括操作系统和支持软件。支持软件为用户开发软件提供各种方便，包括变成软件、调试测试程序、编辑服务程序以及图形基础软件等。应用软件：针对某一特定任务而设计的程序包。4.1CAD技术9

五、CAD的建模技术

CAD设计中的工程信息，如图形、尺寸、符号等，都是以数字形式存取和交换的。计算机图形的生成必须首先建立图形的数学模型和存储数据结构，再通过有关运算，把图形存储在计算机中或显示在屏幕上。

1.线框模型最早用来表示形体的模型。用顶点和邻边表示形体。

2.曲线曲面造型

基本理论的形成于20世纪60年代。NURBS作为定义工业产品几何形状的唯一数学方法。4.1CAD技术10

3.实体造型技术实体造型是以立方体、圆柱体等多种基本体素为单位体素，通过集合运算，生成所需要的几何形体。实体造型包括体素定义和描述，以及体素之间的布尔运算。常用的方法主要有：边界表示法、构造实体几何法和扫描法。4.1CAD技术11

4、特征造型技术为实现CAD/CAM技术的集成化，满足自动化生产要求的实体造型技术必须考虑诸如倒角、圆孤、圆角、孔，以及加工用到各种过渡面等形状信息和工程信息。特征造型正是为满足这一要求而提出来的。它与传统的CAD建模方式有根本不同，并不以点、线、圆、面、体为设计流程，而以产品的加工方式为基本参考依据，溶入相当内容的产品共性，建立相应的家族概念。在结构设计，允许设计人员直接面对三维实体进行加工处理,以期创造出更新更好的构思、对产品零件直接进行布尔运算，组合成新的部件。4.1CAD技术12

特征是指产品描述的信息的集合，并可按一定的规则分类。纯几何的实体与曲面是相对抽象的，将特征的概念引入几何造型系统的目的是为了增加实体几何的工程意义。需要在最终产生的形体上保留各个元素的原始定义和相互依存关系。在机加工零件设计中特征模型应用十分有效。由于特征本身具备参数化性质，其造型形状大小的改变也就可以非常方便地依托参数的变化加之自由调整，只要其数据关系不超出数据间的约束方程。特征造型中对三维实体的生成立足于三维曲面造型和三维实体造型已取得的成果。加之尺寸智能化处理，功能模型的标准化应用，构成了特征造型的方法。4.1CAD技术13

显然，现在对于特征本身还缺少明确的形式化定义，但从不同角度，给出了特征定义的众多条件与表达。从加工角度来看，特征被定义为加工操作和工具有关的零部件形式以及技术特征(如切割、打孔、组合等)。从形体建模角度，特征是一组具有特定关系的几何或拓扑元素。从设计人员角度，特征是用于设计、分析、设计评估到基本元素。特征可视为一组具有特定属性的实体，它反映了一个实际工程零件或部件的特定几何形状和特定加工的要求，即可为设计人员提供更高层次的设计概念与手段。因此，基于特征的造型系统大大提高了设计人员的设计效率和质量。4.1CAD技术14对于不同的应用观点，形成了不同的特征定义描述，由此也产生了不同的特征分类方式：从产品发展过程来看，特征可分为设计特征、加工特征、分析特征、公差及检测特征、装配组合特征。从功能上看，特征可分为形状特征、精度特征、技术特征、材料特征。从设计方法上看，特征可分为通道特征、挤压特征、提拉特征、过渡特征、表面特征、形变特征。从复杂程度看，有基本特征、组合特征和复合特征。4.1CAD技术15特征造型具有如下特点:1）特征造型着眼于更好地表达产品的完整的技术和生产管理信息，为建立产品的集成信息模型服务。它的目的是用计算机可以理解和处理的统一的产品模型替代传统的产品设计和施工成套图纸以及技术文档，使得一个工程项目或机电产品的设计和生产准备的各个环节可以并行展开。

2）使产品设计工作在更高的层次上进行，设计人员的操作对象不再是原始的线条和体素，而是产品的功能要素，像螺纹孔、定位孔、键槽等。特征的引用体现了设计意图

3）有助于加强产品设计、分析、工艺准备、加工、检验各个部门间的联系，为开发新一代基于统一产品信息模型的CAD/CAPP/CAM集成系统创造前提。4.1CAD技术16对于特征造型的基本操作，大致有以下几个环节，特征的创建、修改、删除、复制，进行参数化表达。在不同场合(如设计、加工)引用同一特征，查询特征内容，组合基本特征，用户自定义特征。以特征为基础的造型方法是CAD建模方法的一个新里程碑，它可以充分提供制造所需的几何数据，从而可用于制造可行性方案的评价、功能分析、过程选择、工艺过程设计等。把设计和生产过程紧密结合，有良好的发展前景。4.1CAD技术17

5、参数化设计参数化设计的主要思想是用约束来表达产品几何模型的形状特征，定义一组参数以控制设计结果，从而能够通过调整参数来修改设计模型，并能方便地创建一族在形状或功能上相似的设计方案。参数化设计以其能够使得工程设计人员不需考虑细节而能尽快草拟零件图，并可以通过变动某些约束参数，而不必运行产品设计的全过程来更新设计，成为进行初始设计、产品模型的编辑修改及多种方案设计比较的有效手段。4.1CAD技术18一个确定的几何形体包括拓扑约束和尺寸约束。前者是指那些不可被修改的拓扑或其他约束，例如平行、相切、垂直、对称、角度关系等；后者包含了几何形体的度量信息，用来控制图元的坐标、长度以及图元之间的相对位置与方向等。尺寸驱动技术，就是根据尺寸约束，通过计算自动将尺寸的变化转换成几何形体的相应变化，并且保证变化前后的结构约束保持不变。可见尺寸驱动一般不能改变图形的拓扑结构，因此想对一个初始设计作方案上的重大改变是做不到的，但对系列化标准化零件设计以及对原有设计作继承性修改则十分方便。目前所谓的参数化设计系统实际上是尺寸驱动系统。尺寸驱动的几何模型由几何元素、尺寸元素和拓扑元素三部分组成。4.1CAD技术19

6、变量化设计这类系统考虑了所有的约束和设计要素，如尺寸、拓扑结构、约束条件、工程计算条件等，并把这些要素视为设计变量，同时允许用户定义这些变量之间的关系式以及程序逻辑，从而使设计的自动化程度大大提高。变量化设计进一步扩展了尺寸驱动这一技术，给设计对象的修改增加了更大的自由度。因而可表示更广泛的工程设计情况，这种系统更适合于设计人员考虑更高一级的设计特征，做出不同设计方案对这些高级特征影响的分析，更适合作方案设计，因此变量设计是一种约束驱动的系统。它使用代数方法将几何模型定义成一系列特征点,并以特征点坐标为变量形成一个非线性约束方程组。4.1CAD技术20

一、概述

CAD是根据设计方案规划和产品设计要求对产品进行整体概念设计和零部件的详细设计，生成可以供CAPP使用的产品或零部件的特征的描述。CAPP是对零件的特征描述进行分析、提取、选择或自动生成产品加工的工艺过程和工艺参数。CAM系统是按照CAPP所描述的零件的加工工艺过程，生成零件加工所需要的NC代码的过程，生产设备则按照NC代码将一个零件毛坯加工成为合格的零件并装配成部件以至产品。CAPP是连接CAD和CAM的纽带。4.2CAPP21

工艺设计的主要内容包括：

√选择合理的加工方法

√安排合理的加工顺序

√确定采用的机床、刀具、夹具和其他工装设备等

√设计工序图，选择定位基准与夹紧表面

√确定毛坯类型和加工余量，计算工序尺寸与公差

√选用合理的切削用量，计算工时定额

√编制包含上述内容的工艺文件4.2CAPP22目前我国的企业的工艺规程设计，大都停留在手工编制产品工艺规程和工艺文件的阶段，使工艺设计存在一些无法克服的缺点：

1.效率低

2.工艺规程缺乏统一性

3.很难实现优化和起到引导作用为了解决上述问题和适应企业不断开发新产品而期望缩短工艺准备周期的需求，采用CAPP是必然的，它的应用能够使企业：方便的编制工艺卡片

1.取消工艺工作的重复劳动

2.支持工艺工作业务流程重组，大幅度提高设计效率

3.实现典型工艺的积累，为新工艺设计提供指南

4.为工艺标准化提供手段，支持标准化认证

5.工时、材料的汇总计算

6.与企业ERP、PDM、CAD充分集成4.2CAPP23

CAPP是利用计算机技术辅助工艺人员设计零件从毛坯到成品的加工方法和制造过程的设计。一般认为，CAPP系统的功能包括毛坯设计、加工方法选择、工序设计、工艺路线制定和工时定额计算等。其中，工序设计又包含装夹设备选择或设计、加工余量分配、切削用量选择以及机床、刀具和夹具的选择、必要的工序图生成等。4.2CAPP244.2CAPP25

二、CAPP技术的发展现状和分类世界上最早研究CAPP的国家是挪威，始于1966年，并于1969年正式推出世界上第一个CAPP系统AutoPros，后于1973年正式推出商品化AutoPros系统。美国是60年代末开始研究CAPP的，并于1976年由CAM-I公司推出颇具影响力的CAM-I’sAutomatedProcessPlanning系统。经过三十多年的历程，国内外对CAPP技术已进行了大量的探讨与研究，在工艺文件的生成原理、决策方法、系统结构和实用系统开发方面都取得了较大的发展。但从总体上看，尽管国内外已开发出为数众多的CAPP系统，但大多是原型系统，实际生产应用的还比较少，成熟的商品化系统更少。与CAD、CAM等技术相比，CAPP仍是薄弱环节。4.2CAPP26从CAPP应用的角度，其发展经历了：

1）基于自动化思想的CAPP系统

2）基于计算机辅助思想的实用化CAPP系统

a.基于图形系统的工艺卡片填写系统

b.基于结构化数据的CAPP系统

3）面向产品的CAPP应用与制造工艺信息系统面向产品，以各专业工艺的计算机辅助设计为基础，实现基础工艺信息管理、面向制造的产品结构管理、材料定额编制、工艺分工与工艺设计流程管理、产品工艺数据综合管理等工艺管理功能以及与CAD/PDM、ERP的集成和资源共享。

4）基于知识的CAPP综合智能化从工艺决策方式的角度，CAPP可分为如下几类：4.2CAPP27CAPP系统交互式系统派生式系统基于成组技术的CAPP系统基于特征的CAPP系统创成式系统基于知识的CAPP专家系统CAPP工具系统或骨架系统基于过程性程序结构与决策的CAPP系统基于神经元网络的CAPP系统综合式系统基于实例与知识的混合式CAPP系统其它混合式系统派生式与创成式相结合的CAPP系统CAPP系统分类4.2CAPP28

1.派生式CAPP系统工作原理：派生式CAPP系统是利用零件的相似性来检索现有工艺规程的一种软件系统，该系统是建立在成组技术的基础上，按照零件几何形状或工艺的相似性归类成族，建立该零件族零件的典型工艺规程，即该零件族中零件加工所需的加工方法、加工设备、工具、夹具、量具及加工顺序等。一个零件的工艺设计，就是按照该零件的成组编码，确定其所属零件族，检索该零件族零件的标准工艺规程，然后进行编辑而得到该零件的工艺流程。4.2CAPP29

确定零件编码搜索零件族检索标准工艺修改标准工艺满意？输出工艺文件YN零件族数据标准工艺库工程数据库派生式CAPP系统的工作原理4.2CAPP30

典型实例：

4.2CAPP31

派生式CAPP系统软件应包含以下的功能模块：

1.零件族形成模块，对零件进行编码、分类并划分成零件族

2.零件族数据库管理、维护模块

3.零件族搜索模块

4.标准工艺规程检索模块，根据零件族编码检索对应的标准工艺规程

5.标准工艺规程编辑模块，对标准工艺规程进行修订以及加工参数选择

6.辅助功能模块，如输入、输出模块，系统维护模块等4.2CAPP32

派生式CAPP系统的特点：该系统的优点：

1.相似零件的工艺过程可达到一定程度上的一致性

2.技术上较易实现

3.可减轻工艺文件编制工作该系统的缺点：

1.操作人员仍需是有经验的工艺人员

2.标准工艺过程未考虑生产批量的因素

3.生产技术和手段发展后，系统不易修改4.2CAPP33

2.创成式CAPP系统工作原理：创成式CAPP系统是一个能综合零件加工信息，自动地为一个新零件创造工艺规程的系统。它能够根据工艺数据库的信息和零件模型，在没有人干预的条件下，依靠程序系统中的决策逻辑和制造工程数据信息自动自动产生零件所需要的各个工序和加工顺序，自动提取制造知识，自动完成机床、刀具的选择和加工过程的优化。通过应用决策逻辑，模拟工艺设计人员的决策过程，自动创成新的零件加工工艺规程。4.2CAPP34

生成工艺过程卡零件信息输入及预处理工序决策及编辑工艺路线决策及编辑零件分组原则零件信息库GT码库生成工序图生成工序图工艺数据开始结束工艺路线决策逻辑库工序决策逻辑库工序图工艺数据库机床设备库、刀具、量具库、加工余量库、平均经济精度库图形数据库图形元素库总体结构流程图输入子系统输出子系统工艺决策子系统4.2CAPP35

典型实例：

4.2CAPP36

创成式CAPP系统的特点该系统的优点：

1.能保证相似零件工艺过程的高度相似性和相同零件工艺过程的高度一致性

2.能实现工艺过程的合理化和优化

3.不依赖于操作人员的知识、经验，不需人的干预该系统的缺点：

1.系统开发技术难度大

2.系统规模庞大

3.一切从“零”开始，对一些显而易见的工艺