CAD&CAM-第一章机械CAD&CAM技术概述

机械CAD/CAM技术第一章机械CAD/CAM技术概述机械工程学院目录CAD/CAM技术基本概念CAD技术CAPP技术CAM技术CAD/CAM集成技术其它相关基本概念CAD/CAM系统功能和作业过程主要功能作业过程CAD/CAM系统硬件和软件系统构成硬件软件CAD/CAM技术发展和应用第一节CAD/CAM技术基本概念20世纪50年代问世，历经半个多世纪发展，已经成为当今先进制造技术的重要组成部分。当代最杰出贡献的十项工程技术。CAD/CAM技术CAD技术CAPP技术CAM技术CAD/CAM集成技术一、CAD——计算机辅助设计（ComputerAidedDesign）指工程人员在计算机辅助下进行的一切设计活动的总称。设计——一种计划、规划、设想通过视觉的形式传达出来的活动过程1、包括活动：（1）方案构思第一节CAD/CAM技术基本概念（2）总体设计第一节CAD/CAM技术基本概念（2）工程分析第一节CAD/CAM技术基本概念（3）模拟仿真第一节CAD/CAM技术基本概念（4）图形编辑和技术文档整理第一节CAD/CAM技术基本概念2）主要功能：几何建模、工程分析、模拟仿真、工程绘图。3）CAD系统包含：（1）产品设计数据库（原有产品数据、标准、法规、设计原理、经验曲线、公差带等）（2）应用程序库（分析计算程序，根据设计原理、计算公式编写的各种实用程序、软件）（3）多功能交互图形库（工程图库、标准件图库、三维数据库）最终CAD系统输出准确合格的2D、3D数据。第一节CAD/CAM技术基本概念2、CAPP——计算机辅助工艺设计（ComputerAidedProcessPlanning）指根据产品设计数据，进行产品的加工方法和制造过程的设计计划。1）评估——生产组织、产品质量、生产率、产品成本、生产周期等。第一节CAD/CAM技术基本概念3、CAM——计算机辅助制造（ComputerAidedManufacturing）指计算机在制造领域有关应用。1）广义——毛坯产品的各种活动（工艺准备、生产作业计划、物流过程控制、质量控制）。2）狭义——数控程序的编制。第一节CAD/CAM技术基本概念4、CAD/CAM集成技术——指在CAD、CAPP、CAM各应用系统之间进行信息的自动传递和转换的技术。第一节CAD/CAM技术基本概念5、其它相关概念：1）PDM——产品数据管理（ProductDataManagement）指用来管理所有与产品相关信息和过程（文档）的技术。2）ERP——企业资源计划（EnterpriseResourcePlanning）将企业的财务、采购、生产、销售、库存和其他功能整合到一个信息管理平台，从而实现信息数据标准化，系统运行集成化、业务流程合理化、绩效监控动态化、管理改善持续化。3）CAE——计算机辅助工程（ComputerAidedEngineering，又称工程分析）指计算机辅助分析复杂工程、产品各种性能。4）CFD——计算流体力学（ComputationalFluidDynamics）流体力学、数值数学、计算机结合。4）SCM——供应链管理（SupplyChainManagement）指把供应商、制造商、仓库、配送中心等有效地组织在一起来进行的产品制造、转运、分销及销售的管理方法。5）CRM——客户关系管理（CustomerRelationshipManagement）指计算机自动化分析销售、市场营销、客户服务以及应用支持等流程的软件系统。6）MRO——Maintenance维护、Repair维修、Operation运行。7）PLM——产品生命周期管理（ProductLifecycleManagement）支持产品全生命周期的信息创建、管理、分发和应用。第一节CAD/CAM技术基本概念第二节CAD/CAM系统的功能和作业过程一、CAD/CAM系统的主要功能1、产品几何建模第二节CAD/CAM系统的功能和作业过程2、产品模型的工程分析处理（1）运动学、动力学分析第二节CAD/CAM系统的功能和作业过程（2）有限元分析第二节CAD/CAM系统的功能和作业过程（3）优化设计第二节CAD/CAM系统的功能和作业过程3、工程图绘制第二节CAD/CAM系统的功能和作业过程4、辅助制定工艺规程根据产品数据、制造工艺要求加工方法、工艺路线、工艺参数、加工设备5、NC自动编程几何模型、工艺规程刀具、工艺参数走刀方式、刀具轨迹机床加工指令第二节CAD/CAM系统的功能和作业过程6、加工过程仿真模拟7、工程数据管理科学管理，避免传输、查询错误，防止数据遗失、外传，同时要保证数据在特定权限范围内高效流通。第二节CAD/CAM系统的功能和作业过程二、CAD/CAM系统的作业过程1、CAD/CAM系统作业原理人机一体化CAD/CAM系统计算机高效精确计算图形、文字智能处理大量数据存储、传递设计人员掌握设计相关知识、原理丰富的设计经验积累拥有创造性思维第二节CAD/CAM系统的功能和作业过程2、CAD/CAM系统作业过程创意构思计算机辅助设计快速原型制造计算机辅助工艺规划计算机辅助NC编程虚拟制造实际制造设计数据、文档产品原型（样品）工艺图纸、文档数控代码产品特征：（1）产品开发设计数字化（2）设计环境的网络化（3）设计过程的并行化（4）新工具和手段的不断应用第三节CAD/CAM系统的硬件和软件一、CAD/CAM系统的组成硬件、软件、设计人员人机一体化系统二、CAD/CAM系统的硬件硬件要求：（1）强大的图形处理功能应具备大内存、高分辨率、快速图形处理（显卡）（2）大存储空间——大硬盘容量（3）友好的人机交互功能及快速响应速度（4）良好的通信联网功能（便捷、安全）第三节CAD/CAM系统的硬件和软件1、计算机主机（主频、字节长度、图形处理速度）（1）服务器（高速度的运算能力、长时间的可靠运行、强大的外部数据吞吐能力）（2）工作站（64位、32位）2、外存储器（硬盘、U盘、移动硬盘）3、输入设备（1）键盘、鼠标、数位板（2）图形扫描仪（3）三坐标测量设备第三节CAD/CAM系统的硬件和软件4、输出设备（1）显示器（摆放位置）（2）打印机（3）3D打印机第三节CAD/CAM系统的硬件和软件三、CAD/CAM系统的软件1、系统软件（windows）2、支撑软件（1）交互式二维绘图软件——AutoCAD（配备较完备的机械标准件参数化图库）。（2）3D造型软件（参数化特征造型、工程图绘制、产品装配）。PROE——Pro/Engineer操作软件是美国参数技术公司（PTC)旗下的CAD/CAM/CAE一体化的三维软件。Pro/Engineer软件以参数化著称，是参数化技术的最早应用者，在目前的三维造型软件领域中占有着重要地位，Pro/Engineer作为当今世界机械CAD/CAE/CAM领域的新标准而得到业界的认可和推广。是现今主流的CAD/CAM/CAE软件之一，特别是在国内产品设计领域占据重要位置。第三节CAD/CAM系统的硬件和软件参数化设计——包括参数化图元和参数化修改引擎。其设计过程中图元以构件形式出现，参数保存了图元作为数字化构件的所有信息，通过参数的调整反映出不同的构件几何尺寸。参数化修改引擎使构件设计、文档部分的任何改动都自动的在其它相关联部分反映出来，采用智能构件、视图和注释符号，使每个构件都通过一个变更传播引擎相互关联。构件的移动、删除和尺寸改动所引起的相关构件参数发生关联变化，任一视图下发生的变更都能参数化的、双向传播到所有视图，可以保证所有图纸的一致性。产品开发初期，零件形状和尺寸有一定模糊性，要在装配验证、性能分析和数控编程之后才能确定。这就希望零件模型具有易于修改的柔性。参数化设计方法就是将模型中的定量信息变量化，使之成为任意调整的参数。对于变量化参数赋予不同数值，就可得到不同大小和形状的零件模型。第三节CAD/CAM系统的硬件和软件在CAD中要实现参数化设计，参数化模型的建立是关键。参数化模型表示了零件图形的几何约束和工程约束。几何约束包括结构约束和尺寸约束。结构约束是指几何元素之间的拓扑约束关系，如平行、垂直、相切、对称等；尺寸约束则是通过尺寸标注表示的约束，如距离尺寸、角度尺寸、半径尺寸等。工程约束是指尺寸之间的约束关系，通过定义尺寸变量及它们之间在数值上和逻辑上的关系来表示。在参数化设计系统中，设计人员根据工程关系和几何关系来指定设计要求。要满足这些设计要求，不仅需要考虑尺寸或工程参数的初值，而且要在每次改变这些设计参数时来维护这些基本关系，即将参数分为两类：其一为各种尺寸值，称为可变参数；其二为几何元素间的各种连续几何信息，称为不变参数。参数化设计的本质是在可变参数的作用下，系统能够自动维护所有的不变参数。因此，参数化模型中建立的各种约束关系，正是体现了设计人员的设计意图。第三节CAD/CAM系统的硬件和软件目前常用的参数化设计CAD软件中，主流的应用软件有Pro/Engineer、UGNX、CATIA和Solidworks四大软件，四大软件各有特点并在不同的领域分别占据一定的市场份额。Pro/Engineer是参数化设计的鼻祖，参数化设计的实现最先就是由Pro/Engineer实现，而Pro/Engineer也因为参数化的特点在横空出世后迅速抢占了传统CAD软件巨头UG和CATIA的部分市场份额，目前主要应用于消费电子、小家电和日用品、发动机设计等行业；UG和CATIA两个传统的软件巨头也不甘落后，紧随Pro/Engineer之后加入了参数化设计的功能，目前在传统的制造行业比如汽车、航空航天等行业上两个软件占据绝对的市场份额。汽车业中，一般用CATIA完成车身、底盘、内外饰、电器等部分设计；Pro/Engineer完成发动机、变速器设计。也根据不同企业惯用软件的不同，通用一般用UG。总体上认为CATIA在曲面造型上更有优势，Pro/Engineer在参数化设计上更好。几个软件设计出的数据格式不同，可以另存为不同格式相互转化，但转化过程中有数据部分变更或丢失。第三节CAD/CAM系统的硬件和软件（3）CAE软件Hypermesh软件是美国Altair公司的产品，是世界领先的、功能强大的CAE应用软件包，也是一个创新、开放的企业级CAE平台，它集成了设计与分析所需的各种工具，具有无与伦比的性能以及高度的开放性、灵活性和友好的用户界面。在CAE工程技术领域,Hypermesh最著名的特点是它所具有的强大的有限元网格划分前处理功能和后处理功能。一般来说，CAE分析工程师80%的时间都花费在了有限元模型的建立，修改和网格划分上，而真正的分析求解时间是消耗在计算机工组站上，所以采用一个功能强大，使用方便灵活，并能够与众多CAD系统和有限元求解器进行方便的数据交换的有限元前后处理工具，对于提高有限元分析工作的质量和效率具有十分重要的意义。。第三节CAD/CAM系统的硬件和软件ABAQUS是一套功能强大的工程模拟的有限元软件，其解决问题的范围从相对简单的线性分析到许多复杂的非线性问题。ABAQUS被广泛地认为是功能最强的有限元软件，可以分析复杂的固体力学结构力学系统，特别是能够驾驭非常庞大复杂的问题和模拟高度非线性问题。ABAQUS不但可以做单一零件的力学和多物理场的分析，同时还可以做系统级的分析和研究。静态应力/位移分析：包括线性，材料和几何非线性，以及结构断裂分析等。疲劳分析：根据结构和材料的受载情况统计进行生存力分析和疲劳寿命预估拥有各种类型的材料模型库，可以模拟典型工程材料的性能，其中包括金属、橡胶、高分子材料、复合材料、钢筋混凝土、可压缩超弹性泡沫材料以及土壤和岩石等地质材料。第三节CAD/CAM系统的硬件和软件3、应用软件在支撑软件基础上，针对专门应用领域需要而研制的软件系统（二次开发）。第四节CAD/CAM技术的发展和应用一、CAD/CAM技术的产生和发展二、CAD/CAM技术在制造工程中的应用三、CAD/CAM技术的发展趋势1、集成化2、网络化3、智能化（尺寸公差自动标注、