现代制造技术山颖第二章

现代制造技术第一章现代制造技术概述第二章CAD、CAE、CAPP与CAM 第三章数控技术第四章柔性制造第五章虚拟制造第六章快速原型制造第七章敏捷制造第八章CIMS：现代集成制造系统第九章智能制造与网络制造第十章激光技术第十一章绿色制造第二章CAD、CAE、CAPP与CAM第一节CAD技术的发展历程及展望第二节CAE仿真的并行实现第三节特征造型与CAE有限元分析的集成化研究第四节CAPP系统概述第五节CAD/CAM集成技术第六节新一代CAM即将兴起教学目标应知：1.了解CAD、CAPP、CAM研究开发热点；

2.了解CAE的仿真的并行方法及未来的发展方向。应会：通过网络查询了解CAD、CAE、CAPP、CAM的发展情况。重点：了解CAD、CAE、CAPP、CAM发展历程及发展趋势。难点：了解CAD、CAE、CAPP、CAM研究开发热点。第二章CAD、CAE、CAPP与CAM第一节CAD技术的发展历程及展望第二节CAE仿真的并行实现第三节特征造型与CAE有限元分析的集成化研究第四节CAPP系统概述第五节CAD/CAM集成技术第六节新一代CAM即将兴起学习任务随机抽签分四个大组；选出组长。组号组长组员第一组第二组第三组第四组步骤1：分组学习任务步骤2：分任务抽签选取各组学习任务。组号组长组员内容第一组第二组第三组第四组CAD\CAE\CAPP\CAM步骤3：资讯学习任务组号阅读内容寻找关键词第一组P~P第二组P~P第三组P~P第四组P~P阅读时间20分钟步骤4：每个人绘制思维导图每人分别以CAD\CAE\CAPP\CAM为主题绘制一张思维导图。制作时间20分钟。什么是思维导图呢？顺时针交流签名。步骤5：每组绘制思维导图学习任务每组在组长的带领下分别以CAD\CAE\CAPP\CAM为主题合作绘制一张思维导图。制作时间20分钟。步骤6：展示成果每组选出代表进行3分钟成果展示汇报。步骤7：教师简述内容举例服装经营对策思维导图2131234512341423561234？什么是思维导图呢？第一节CAD技术的发展历程及展望一、CAD发展历程二、CAD技术的发展趋势三、CAD技术研究开发热点一、CAD发展历程80年代末—90年代深入发展阶段70年代中期—80年代末期普及应用阶段50年代初期—70年代中期起步阶段1946年50余年发展诞生计算机专业化的高档图形工作站系统平台；普及化的微机系统平台在工业化国家，机械制造业中的CAD技术覆盖率已超过60%。从1985年的35亿美元，1990年达到114亿美元，1995年更猛增到280亿美元平均年增长达到20%。第一节CAD技术的发展历程及展望CAD技术的发展趋势主要围绕在标准化、开放式、集成化、智能化四方面发展。1．标准化从80年代中期起，ISO国际标准化组织着手酝酿制订这类标准，称作ISO10303《产品数据表达与交换标准》，简称STEP目前标准有两大类：一是公用标准，主要来自国家或国际标准制定单位；二是市场标准，或行业标准，属私有性质。二、CAD技术的发展趋势第一节CAD技术的发展历程及展望2．开放性广泛建立在开放式操作系统窗口95／98／NT和UNIX平台上；此外CAD系统都为最终用户提供二次开发环境，甚至这类环境可开发其内核源码，使用户可定制自已的CAD系统。第一节CAD技术的发展历程及展望3．集成化CAD技术的集成化体现在三个层次上：一是目前创新设计能力（CAD）与现代企业管理能力（ERP、PDM）的集成，已成为企业信息化的重点；其二，是将CAD技术能采用的算法，甚至功能模块或系统，做成专用芯片，以提高CAD系统的效率；其三是CAD基于网络计算环境实现异地、异构系统在企业间的集成。应运而生的虚拟设计、虚拟制造、虚拟企业就是该集成层次上的应用。第一节CAD技术的发展历程及展望4．智能化现有的人工智能技术对模拟人类的思维活动（包括形象思维、抽象思维和创造性思维等多种形式）往往是束手无策的。因此，智能CAD不仅仅是简单地将现有的智能技术与CAD技术相结合，更要深入研究人类设计的思维模型，并用信息技术来表达和模拟它。第一节CAD技术的发展历程及展望AutoCAD2004第一节CAD技术的发展历程及展望二、CAD

技术研究开发热点1．计算机辅助概念设计一方面，产品工本费的70％是在产品设计阶段决定的。但另一方面，在概念设计期间，是不精确的、近似的或未知的，也就是说复杂性很高，这给CAD技术带来很大的难度。概念设计的过程主要是评价和决策的过程，它涉及到产品功能、动作和结构等因素，它对产品的价格性能、可靠性、安全性等等起决定性的影响作用。第一节CAD技术的发展历程及展望（1）自动生成方案目前主要采用人工智能技术。即建模问题和推理问题：A．前者是对产品的功能、动作和结构诸因素之间相互影响的复杂关系进行建模或表达。B．而推理问题实际上就是生成和选择合适的方案。建模问题主要是形式描述方法，它能保证计算机有效地进行推理，称为面向机器的表示法。而图象表示法是一种高可视化的表示法（即可视化思维模型），它侧重于提供一种有助于辅助设计人员创新工作的建模环境，称它为面向人的表示法。第一节CAD技术的发展历程及展望（2）交互技术生成方案由于概念设计的复杂性，自动生成合适的方案是很困难的。在自动生成和选比方案尚未成熟之前，交互技术是重要手段。第一节CAD技术的发展历程及展望2．计算机支持的协同设计群体的工作由两个部分组成：一是个体工作，群体成员应完成的各自分工的任务；另一是协同工作，因为群体工作不可能分解为互相独立的个体工作，群体成员之间存在相互关联的问题，一般称为接口问题，接口难免会出现矛盾和冲突，如不及时发现和协调解决，就会造成返工和损失。第一节CAD技术的发展历程及展望（1）群体成员间多媒体信息传输首要的是传输媒体的选择问题，即基于公用网（如WWW）还是基于专用网（2）异构平台实用的协同设计系统必须能在异构环境中运行，包括数据传输、工具集成，还有跨平台的交互界面，这主要依靠标准化工作来解决异构环境问题。（3）人—人交互应该说支持设计群体人员间的人－－人交互是协同设计的核心问题之一，特别是目前自动发现矛盾和冲突，并进行自动协同和解决的技术还不成熟，因此人－－人交互的手段尤为重要。第一节CAD技术的发展历程及展望3．海量信息存储、管理和检索4．设计方法研究及其相关问题针对CAD的设计法却是最近才有的，称为正规设计流程法，是开发新一代CAD系统的关键。5．支持设计创新创新是产品设计的灵魂，如何利用计算机来支持创新，这是个新的课题。6．新技术在CAD中的应用（1）虚拟现实与CAD集成一是可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。（2）计算机安全第一节CAD技术的发展历程及展望280柴油机三维建模计算机辅助设计（CAD）举例出口澳大利亚粮食漏斗车三维电子样机锻造三维建模冲压三维建模

计算机辅助设计（CAD）举例第二章CAD、CAE、CAPP与CAM第一节CAD技术的发展历程及展望第二节CAE仿真的并行实现第三节特征造型与CAE有限元分析的集成化研究第四节CAPP系统概述第五节CAD/CAM集成技术第六节新一代CAM即将兴起CAE（计算机辅助工程）技术的突破性进展，导致在分布式共享存储器环境下CAE仿真的并行度达到新的高度。第二节CAE仿真的并行实现从硬件和软件的算法观点看，可以概略地把CAE仿真“行为”分为三类来考虑：隐式、用于结构力学的显式有限元分析（FEA）和用于流体力学的CFD。如底特律三大汽车OEM采用了总数达740个处理器的SGI2800服务器，包括两个分别配置128个处理器的系统，使现有计算能力达到375Gflop。一个单一系统映像的SGI2800系统可扩展到512个处理器，并且内存可以扩展到1Tb。一、CAE仿真的并行方法二、未来的发展方向运算法则的进步和新的硬件体系结构的出现导致了CAE方法论的提高，伴随这些进步，已改善的CAE可伸缩能力将进入到一个崭新的十年。将刺激CFD建模在瞬间流动状态的应用、建筑机械学不确定性的广泛实施应用，以及多规程液流与结构相结合的生产应用等许多方面，在其它建模工具应用中也会有提高。结构FEA仿真目前正经历一个从确定性到不确定性的历史性转变。用于瞬时状态的CFD仿真已进入工业化应用阶段。使用显式FEA动力学进行高度短暂的非线性造型，诸如汽车等交通工具的碰撞、气囊与驾驶员的交互作用以及飞机与飞鸟的碰撞，都呈现出实际参数的分散性。

第二节CAE仿真的并行实现分层保压现象保压流动的准确描述第二节CAE仿真的并行实现第二章CAD、CAE、CAPP与CAM第一节CAD技术的发展历程及展望第二节CAE仿真的并行实现第三节特征造型与CAE有限元分析的集成化研究第四节CAPP系统概述第五节CAD/CAM集成技术第六节新一代CAM即将兴起第三节特征造型与CAE有限元分析的集成化研究广泛应用的有限元分析方法与CAD技术相集成，共同实现“设计—评价—再设计”任务的自动化，以提高设计的精确程度和效率。主要困难是：一是如何实现从几何模型到有限元分析模型的自动转换；二是如何从有限元分析的结果出发评价和修改设计。实现CAD特征建模与有限元数值计算技术的集成，既是技术上的需要，也是集成发展的方向。为了有效地实现CAD/CAE系统的集成，用特征技术和人工智能相结合的方法去集成CAD特征建模与有限元分析技术系统框架，包括5个部分。(1)特征造型。(2)有限元分析建模。(3)有限元分析。(4)分析结果解释和评价。(5)指导再设计。从总体构架来看，特征造型与有限元分析集成系统有两方面工作要做：一个是基于特征的有限元前处理；另一个是基于特征的有限元后处理。设计人员与专家共同完成“设计—分析—再设计”任务。二、设计特征向有限元分析特征的转换（有限元建模）从CAD造型中生成的几何模型不能直接用于有限元分析，必须经过几何模型抽象化，删除某些细节，降维表示某些几何形状，实体对称性简化、网格划分、载荷和边界条件的处理等步骤，最后才能生成抽象的分析模型。1．细节特征的删除（将圆角变成直角等）。2．降维问题：降维就是用具有高维实体属性的低维实体表示高维的实体。（立体变成平面）3．对称性的简化4．载荷与边界条件的自动处理(建立FEA模型时，通过查询特征实体的特征信息，自动产生所期望的载荷和边界条件。5．有限元网格的自动划分技术一些典型的网格自动生成方法如下：(i)映射法；(ii)填充法（结点连接法）；(iii)三角划分法；(iv)结构分解法，也称拓扑切割分解法；(v)空间分解法；(vi)前沿位移法；(vii)旋转平移法；(viii)混合法。第三节特征造型与CAE有限元分析的集成化研究三、基于特征的有限元后处理1．结果解释和分析(1)从大量的输出数据中过滤出重要的特征信息；(2)转换特征信息，使之可用于推理；(3)在数据表达的基础上，对目标的状态作出推论。2．评价和修改设计概括起来，特征的修改措施有：(1)删除几何特征；(2)增添几何特征；(3)修改几何特征的参数（包括定形和定位参数）；(4)改变材料特征；(5)修改技术特征；(6)修改外力载荷和边界条件（包括数值和作用范围）。第三节特征造型与CAE有限元分析的集成化研究机车连杆变形模拟分析冲压过程模拟系统铸钢件浇铸过程模拟计算机辅助工程（CAE）举例机车车体有限元分析货车动力学仿真分析流体动力模型计算机辅助工程（CAE）举例计算机辅助工程（CAE）在精密铸造中的应用计算机辅助工程（CAE）在精密铸造中的应用计算机辅助工程（CAE）的应用计算机辅助工程（CAE）的应用计算机辅助工程（CAE）的应用计算机辅助工程（CAE）的应用计算机辅助工程（CAE）的应用计算机辅助工程（CAE）的应用计算机辅助工程（CAE）的应用计算机辅助工程（CAE）的应用结构过渡段的应力分布云图CAE铸造系统模拟过程车架举升工况的拉压应力云图计算机辅助工程（CAE）的应用整机分析的Y向局部变形与应力分析云图吊臂在工况3失稳前的变形与应力云图弹簧的受力分析计算机辅助工程（CAE）的应用机构分析计算机辅助工程（CAE）的应用优化前最小安全系数计算机辅助工程（CAE）的应用塑料填充形式温度分布型腔冷却温度分布计算机辅助工程（CAE）的应用温度变化对零件的影响工艺夹头受力分析计算机辅助工程（CAE）的应用计算机辅助工程（CAE）的应用第二章CAD、CAE、CAPP与CAM第一节CAD技术的发展历程及展望第二节CAE仿真的并行实现第三节特征造型与CAE有限元分析的集成化研究第四节CAPP系统概述第五节CAD/CAM集成技术第六节新一代CAM即将兴起第四节CAPP系统概述一、CAPP的概念及系统结构组成二、CAPP的发展历程及作用三、CAPP系统的类型及应用四、CAPP系统未来的发展方向CAPP即计算机辅助工程设计——是利用计算机来进行零件加工工艺的制订，把毛坯加工成工程图样上所要求的零件的现代设计技术。它是人们向计算机输入被加工零件的形状、尺寸等几何信息和材料、热处理、批量等工艺信息后，由计算机自动输出零件的工艺路线和工序内容等工艺文件的过程。1）零件信息的输入。2）工艺决策。3）工艺数据/知识库。4）人机交互界面。5）工艺文件管理。一、CAPP的概念及系统结构组成第四节CAPP系统概述二、CAPP的发展历程及作用第四节CAPP系统概述120世纪60年代末，人们开始在工艺过程设计领域应用计算机技术，进行CAPP的开发和研究工作。21969年挪威推出了世界上第一个CAPP系统AUTOPROS，1973年正式推出商品化的AUTOPROS系统，挪威也成为世界上最早研究CAPP的国家。在过去的40多年里，期间经历了交互式、派生式、创成式、综合式、专家系统等不同的发展阶段，并涌现了一大批CAPP原型系统和商品化的CAPP系统。3CAPP是将产品设计信息转换为加工制造信息的关键环节，是企业信息化建设中联系设计与生产的纽带，同时也可以为企业的管理部门提供相关的数据，是企业信息交换的中间环节。1CAPP在实现生产自动化中占有重要地位。借助于CAPP系统，可以有效地解决手工工艺设计效率低、一致性差、质量不稳定、不容易优化等问题。1.交互式CAPP系统——采用人机对话的方式，基于标准工步和典型工序进行工艺设计，将一些经验性强、模糊难定的问题留给设计人员去完成，这就简化了系统的开发难度，同时使系统更灵活、方便。这种系统能充分体现人的主观能动性，可变性和可扩展性好，但系统的自动化程度不高，运行效率低，工艺规程的设计质量与人的关联性很大。三、CAPP系统的类型及应用第四节CAPP系统概述2.派生式CAPP系统——也称变异式CAPP系统，它是以成组技术为基础，利用零件的相似性，通过对产品零件的分类归组（族），可以把工艺相似的零件汇集在零件组（族），然后编制每个零件的标准工艺，并将其存入CAPP系统的数据库中。派生式CAPP系统继承和应用了企业较成熟的传统工艺，应用范围比较广泛，有较好的实用性，但系统的柔性较差，对于复杂零件和相似性较差的零件，不适宜采用。3.创成式CAPP系统——是一个能综合零件加工信息，自动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，系统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。创成式CAPP系统便于实现计算机辅助设计和计算机辅助制造系统的集成，具有较高的柔性适应范围广，但由于系统自动化要求高，应用范围广，系统实现较为困难，目前系统的应用还处于探索发展阶段。4.综合式CAPP系统——也称半创成式CAPP系统，它综合派生式CAPP系统与创成式CAPP系统的方法和原理，采用派生与自动决策相结合的方法生成工艺规程，如需对一个新零件进行工艺设计时，先通过计算机检索它所属零件族的标准工艺，然后根据零件的具体情况，对标准工艺进行自动修改，工序设计则采用自动决策产生。综合式CAPP系统兼顾了派生式CAPP系统和创成式CAPP系统两者的优点，克服各自的不足，既具有系统的简洁性，又具有系统的快捷和灵活性，有很强的实际应用性。三、CAPP系统的类型及应用第四节CAPP系统概述5.CAPP专家系统——CAPP专家系统是一种基于人工智能技术的CAPP系统，也称智能型