先进制造技术概论CAD

第一章CAD技术概论本章目的：了解CAD基本概念了解CAD发展历史和作用了解传统设计过程与CAD设计过程的特点了解CAD发展趋势§1.1传统的机械设计过程§1.2机械CAD过程§1.3CAD的基本概念§1.4CAD技术的发展历程§1.5CAD系统的功能与任务§1.6CAD技术的应用§1.7CAD技术的发展趋势第一章概论1.1传统的机械设计过程

机械设计就是根据使用要求确定产品应该具备的功能，构想出产品的工作原理、结构形状、运动方式、力和能量的传递、以及所用材料等事项，并转化为具体的描述，例如图纸和设计文件等，以此作为制造的依据。

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的一个重要环节，对产品成本的影响占80％。

1.1传统的机械设计过程市场需求调查提出开发计划设计任务书功能分析寻求解决方案拟订总体布局机械运动方案设计原理方案图主要尺寸及参数设计总体结构设计装配图零部件结构设计零件图技术文档产品规划阶段(需求分析)方案设计阶段（概念设计）技术设计阶段（详细设计）调查研究、分析用户需求、收集资料，在此基础上确定产品功能，提出需求报告构思方案，分析和论证，获得的原理性方案，确定设计大的框架，主要设计参数分析计算与优化确定对象的细部结构，完成装配图和零件图的绘制，编写技术文件传统设计工具：绘图板，计算器（尺）产生设计蓝图1.1传统的机械设计过程传统机械设计过程的特点：每一环节靠手工完成；设计方案靠经验，方案少，不优化；不能进行复杂的力学分析，难以按动态的、精确的的方法计算，容易出错；大部分时间在零件图、装配图上，可重用性差；设计周期长、效率低。1.1传统的机械设计过程计算机辅助设计(CAD)的产生详细设计的终结并不意味着最终获得了一个好的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，需要对产品进行不断修改机械设计是一个“设计——评价——再设计”的反复迭代、不断优化的过程在人工设计情况下，存在许多的缺点，因此实现某种程度的设计自动化，缩短设计周期，降低设计成本，提高设计质量，就成为机械设计发展的迫切要求，正是在这样的背景下产生了计算机辅助设计(ComputerAidedDesign)1.1传统的机械设计过程1.2机械CAD工作过程辅助工具、组件应用数据库CAD设计工具各种CAx软件工具：

CAD（2D、3D）

CAE、CAPP、CAM等1.2机械CAD工作过程CAD作业过程的特点设计工具软件化（CAx）强有力的计算、图形、数据处理能力设计、分析综合，性能选优提高了设计精度和可靠性信息共享、资源共享、设计过程共享设计效率高、周期短1.3CAD的基本概念20世纪60年代的观点科学计算和分析或计算机控制绘图机绘制出工程图1967年，美国学者D.T.ROSS的定义把设计者与计算机结合为一个问题求解组，使之较各自单独工作时能更有效地达到设计问题的目标1972年，国际信息处理联合会的定义CAD是一种技术，其中人与机（计算机）结合为一个问题求解组，紧密配合，发挥各自所长，从而使其工作优于每一方，并为应用多学科的方法的综合性协作提供了可能1.3CAD的基本概念CAD是用计算机硬、软件系统辅助人们对产品或工程进行设计、修改、分析和优化的一种设计方法。在CAD系统中人与计算机密切合作，在不同的方面人与计算机充分发挥各自的特长，因此CAD系统是一个人机结合的系统。CAD技术是一门多学科的综合性应用新技术，它涉及到以下基础技术：图形处理技术工程分析技术数据管理与数据交换技术

文档处理技术

软件设计技术

1.3CAD的基本概念CAD含义的衍生：CAD技术不断发展，不同领域对CAD技术的应用程度不同，对CAD技术的含义的理解也略有差异。ComputerAidedDrafting(画图)ComputerAidedDesign(设计)ComputerAidedDevelopment(集成)狭义定义与广义定义CAD:Computer-AidedDesignCAM:Computer-AidedManufacturingCAPP:Computer-AidedProcessPlanningCAD/CAM：设计制造一体化1.3CAD的基本概念从产品的诞生过程理解CAD的概念1.3CAD的基本概念从制造的概念理解CAD的概念1.3CAD的基本概念1.4CAD技术的发展历程提出：1959年美国麻省理工学院（MIT）召开的CAD规划会议。实施：1963年MIT小组在美国计算机联合会年会上发表了CAD方面的五篇论文给工程技术界以很大的震动,也由此CAD技术得以出现,并进入了实施阶段。1.4CAD技术的发展历程1、孕育形成阶段（20世纪40年代—50年代末）特点：真空管计算机；机器语言；编制程序设计变压器、电动机、发电机等；美国、欧洲、日本；2、成长发展阶段（20世纪50年代末—60年代）特点:晶体管式计算机取代真空管式计算机高级语言(FORTRAN,ALGOL,COBOL）文件系统(数据管理)（60年代初）磁带、磁鼓、磁盘（数据存储)CRT+光笔的图形显示系统交互式图形生成技术(人机交互，1953）I.E.Sutherland“人机图形通信系统”SKETCHPAD发展很快，但规模大，价格昂贵存储管式显示器。3、开发拓展阶段（20世纪70年代—80年代）特点：计算机已进入大规模集成电路时代；数据处理技术已从文件系统发展到数据库系统，系统具有统一的数据结构和内部数据库；

几何造型技术已经成熟；有较好的集成，实现了CAD/CAE/CAM的集成；出现特征建模及二、三维参数化设计系统。

4、应用普及阶段（20世纪90年代以后）特点：广泛采用了特征造型和基于约束的参数化和变量化造型方法，并向集线框、表面、实体造型统一表示的非流形形体造型发展；由单机或局部分布式联网工作方式向基于网络的设计发展。1.4CAD技术的发展历程1952MIT的第一台数控铣床1955APT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1969基于零件分类的AUTOPROS

检索式CAPP派生式CAPP1977创成式CAPP1980S基于专家系统的CAPP1970S提出集成的需求与概念1980S研究与发展出现集成化、商品化软件系统CAD技术的发展

2D绘图3D设计工程分析数字样机集成平台目前国际知名CAD软件公司CATIA（整体方案）UG（整体方案）Pro/E（整体方案）AutoCAD(二、三维设计)高档：CATIA、UG中档：Pro/E低档：Solidworks、Solidedges、Inventor二维：AutoCADCAD在我国清华、华科大、浙大、北航等华中科技大学：天喻InteCAD、InteSolid，KMCAD等

清华：TiOpenCAD，TiGEMS等北航海尔：CAXA，金银花等浙大大天：ZDDS新洲软件：Solid2000技术、市场份额与国外差距很大1.5CAD系统功能与任务1.图形显示功能2.输入输出功能3.存储功能4.交互功能基本功能：1.5CAD系统功能与任务1.几何造型2.计算分析3.工程绘图4.结构分析5.优化设计主要任务：6.计算机辅助工艺设计7.NC自动编程8.模拟仿真9.工程数据库管理CAD/CAM的基本功能1.5CAD系统功能与任务1.6CAD技术的应用1.缩短产品开发周期2.提高产品设计质量3.降低生产成本4.提高管理水平优越性：1.6CAD技术的应用可重用性好，效率高（对拷贝进行简单修改）信息、知识及资源共享（通过网络）支持协同产品开发（通过网络），多学科专家协作3D设计更直观，能直接进行产品性能分析与优化，有利提高产品质量提供复杂计算，计算精度高，减轻设计强度有利于产品全生命周期的信息集成特点：1.6CAD技术的应用过去生产一个大规模集成电路芯片，要花两年时间，用CAD只要两周即可完成；美国道格拉斯公司生产F15战斗机，用CAD技术试制第一架飞机便解决了发动机气道和机舱密封等关键问题；英国的三叉戟飞机比美国的波音747飞机早开工，却晚一年完成，其原因就是美国的747采用了CAD技术；美国GM公司汽车设计中应用CAD技术，使新型汽车的设计周期由5年缩短为3年，新产品的可信度由20％提高到60％；以前波音公司的飞机维修手册最在一起有3米多厚，而现在一张光盘上可储存l000多张图样信息。CAD技术带来的经济效益明显,CAD技术的发展与应用水平已成为衡量一个国家的科学技术现代化和工业现代化的重要标志之一1.7CAD技术的发展趋势CAD/CAPP/CAM/CAE/PLM/ERP/MES/SCM集成PDM（ProductDataManagement，产品数据管理）PLM（productlifecyclemanagement产品生命周期管理）ERP（EnterpriseResourcePlanning，企业资源计划）SCM（Supplychainmanagement，供应链管理）MES(ManufacturingExecutionSystem,工厂制造执行系统)CRM(CustomerRelationshipManagement，即客户关系管理)计算机集成制造系统CIMS(ComputerIntegratedManufacturingSystem)集成化、智能化、网络化、标准化集成化1.7CAD技术的发展趋势提高集成水平是CAD/CAM系统发展的一个重要方向,必须在以下几方面提高水平：

从传统的实体造型到参数化特征造型的转变必须有自己统一的数据库及其管理系统解决好不同CAD系统间产品模型数据的转换问题集成系统内部应该包括种类更多、功能更为完善的设计与制造应用软件解决好网络通信问题，使不同节点及不同地区的用户能够协同工作CAXPLMPKM产品集成设计开发过程应用CAD/CAM系统进行产品开发的过程通过数据库集成CAD、CAM和CAE1.7CAD技术的发展趋势网络化提供多学科领域开发团队的协同产品开发支持跨部门、跨行业、跨地域的企业协作提供数据共享、知识共享、资源共享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BuxtehudeLaupheimHamburgBremenNordheimVarelMeaulteSt.NazaireNantesBrougltonFiltonToulouseGetateIllescasPuertoRealStadeHamburg德国法国英国西班牙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

空中客车在4国进行异地专业化联合设计，之后分别在这4个国家的多家生产基地进行异地专业化制造，最后在法国的图卢兹和德国的汉堡进行最后的总装配。空中客车公司的采购网络遍布全球30个国家，有1500家以上的供应商加盟，为了保证整个供应链采购信息的及时沟通，空客建立了采购门户网站，使空客实现了采购过程的和谐化、自动化和简化，并加强了与供应商之间的合作。

空中客车公司由欧洲航空防务及航天公司和英宇航系统公司共同拥有，拥有最先进的产品和最齐全的生产线。总部位于法国图卢兹的空中客车公司，设计机构和工厂属于四个全资子公司：空中客车法国公司、德国公司、西班牙公司、英国公司。1.7CAD技术的发展趋势智能化现有的CAD技术在机械设计中只能处理数值型的工作，包括计算、分析与绘图在设计活动中存在另一类符号推理型工作将人工智能技术，特别是专家系统的技术，与传统CAD技术结合起来，形成智能化CAD系统是机械CAD发展的必然趋势。需求方案设计建模分析改进1.7CAD/CAM技术的发展趋势标准化

七十年代末八十年代初，为避免不同应用系统之间点对点的网型数据转换对多种数据转换接口开发的要求,国际上许多国家和组织机构对数据交换标准进行了大量的研究、制定工作，诞生了许多区域性的标准。

面向图形设备的标准CGI面向用户的图形标准GKS,OPENGL面向不同CAD系统的数据交换标准IGES和STEP