第1章-概述--机械CAD、CAM技术(第4版)

机械CAD/CAM技术目录第1章机械CAD/CAM技术概述第2章工程数据计算机管理与处理技术第3章计算机图形处理技术第4章机械CAD/CAM建模技术第5章计算机辅助工程分析第6章计算机辅助工艺规程设计第7章计算机辅助数控加工编程第8章CAD/CAM集成技术第1章机械CAD/CAM技术概述1.1CAD/CAM技术内涵1.2CAD/CAM系统的作业过程和主要功能1.3CAD/CAM系统的结构组成1.4CAD/CAM技术的发展1、CAD技术以计算机为工具，通过人机交互，完成产品建模，输出产品工程图样及设计文档的过程。CAD系统功能模型1.1CAD/CAM技术内涵2、CAE技术应用计算机及相关软件系统对产品的性能与安全可靠性进行分析，对其未来的工作状态和运行行为进行模拟仿真，证实所设计产品的功能可用性和性能可靠性，获取优化设计模型。CAE系统功能模型CAE常用设计领域1）结构分析：应用有限元等分析工具对产品结构静/动态特性、热变形、磁场强度等产品性能进行分析。2）优化设计：通过改变设计参数，使产品结构、体积、质量、强度、动态特性、热稳定性达到最优，以获取最佳设计方案。3）仿真模拟：根据产品实际工况，对产品动、静态特性和控制策略等进行仿真实验，以预测产品性能，提前发现设计缺陷。3、CAPP技术根据产品设计结果,人机交互完成产品加工方法选择和加工工艺规程的设计，属于生产准备工作。CAPP系统功能模型CAPP功能毛坯设计工艺路线工序设计工艺文件工装设计余量分配切削用量工时定额机床刀具选用工序图绘制3、CAM技术广义CAM：利用计算机完成产品制造过程中所有生产活动，包括工艺准备、数控编程、生产作业计划、物流控制、质量保证等。狭义CAM：仅为数控编程，包括刀轨计算、刀位生成、加工仿真、后置处理成等编程作业。CAM系统功能模型4、CAD/CAM集成技术借助于数据库技术、网络技术、产品数据交换接口技术等，把各个CAX单元系统信息进行集成，实现资源的共享。CADCAPPCAM工程图样工艺文档NC代码未集成的CAD/CAPP/CAM系统信息流CAD/CAPP/CAM集成系统信息流CADCAPPCAM概念设计几何造型工程分析图形处理毛坯设计工艺流程工序设计工时定额数控编程作业计划物流控制质量保证NC代码1.2CAD/CAM系统的作业过程和主要功能1、CAD/CAM系统专业过程CAD/CAM系统作业过程：•需求分析及概念设计该过程目前主要仍由设计人员人工来完成。•计算机辅助设计(CAD)建立产品数据建模，输出产品工程图样及设计文档。•计算机辅助工程分析(CAE)分析产品性能，模拟工作状态。•计算机辅助工艺规划(CAPP)提取CAD模型中几何信息及工艺信息，进行工艺规程设计，输出工艺文档。•计算机辅助编程(CAM)依据CAD和CAPP生成的产品模型及加工工艺文档，进行数控编程，生成特定机床NC指令。•虚拟制造借助三维可视交互环境，对产品的制造过程进行仿真模拟，以保证产品设计和制造过程一次成功。CAD/CAM系统作业特征：•产品设计开发过程数字化各设计环节的衔接通过产品电子信息流媒介的正向传递和逆向反馈，替代了传统产品图纸的纸质媒介。•设计环境网络化通过计算机网络将各设计环节进行及时沟通和响应，避免信息延误和错误传递。•设计过程并行化通过计算机网络建立上下游设计活动的关联和反馈机制，并行进行设计和分析。•新型工具手段的应用可应用有限元分析、可靠性分析、优化设计、模拟仿真、虚拟制造等先进设计制造技术。CAD/CAM系统主要功能：•几何建模按一定数据结构对产品进行描述，构建计算机内部产品三维实体数据模型。•工程分析对产品数据模型进行有限元分析、优化设计、多体动力学分析等工程分析作业。•工艺规程设计根据产品数据模型和制造工艺要求，生成产品加工工艺路线和工艺文件，确定加工设备。•数控编程根据CAD和CAPP设计结果，确定走刀方式，生成刀具轨迹，经后置处理后生成满足加工机床要求的NC指令。•加工模拟产品投入实际加工之前，应用仿真软件进行加工仿真模拟，检查工艺合理性以及NC指令正确性。•工程数据管理提供工程数据管理系统，支持文字、文档、图形、表格等各类工程数据的管理。•设计文档输出包括工程图样、物料清单、工艺文档等。1.3CAD/CAM系统的结构组成1、CAD/CAM系统的主要组成软件核心人关键硬件基础CAD/CAM系统组成人：有着不可替代主导作用硬件：是基础，包括主机、计算机外部设备以及网络通讯设备等软件：是核心，决定系统性能的优劣，包括操作系统、支撑软件、应用软件等。2、CAD/CAM系统硬件CAD/CAM系统硬件组成对硬件系统的要求：•图形处理功能强要求内存容量大、图形分辨率高、图形处理速度快。•外存储容量大满足不同支撑软件、应用软件、图形库和数据库、各类产品图形和技术文档的存贮。•人机交互环境好提供友好的人机交互环境，快速的交互响应速度。•网络通讯速度快要求快速传递不同地点、不同部门的各类设计信息。存贮器计算机主机输入装置生产装备输出装置计算机网络CAD/CAM系统核心硬件计算机主机：中小型计算机：用于大型复杂设计项目的计算和分析；工程工作站：具有强大的图形处理、高速计算和网络通信能力；微型计算机：性能价格比高，软件丰富，操作容易，是CAD/CAM系统的主流机型。存储器：内存储器：存储当前所需的数据和程序，为半导体材料，访问速度快，成本高，存储量有限，存储信息掉电丢失。外存储器：存储CPU暂时不用的数据和程序，存储量大，能长期保存，软盘、硬盘、光盘、USB不同类型。输入装置：键盘鼠标：最典型常用的输入装置；数字化仪：通过电磁感应原理进行图形坐标点输入；图形扫描仪：能快速完成图形信息的输入，生成位图信息，经矢量化处理后将位图信息转换为矢量化图形信息；三坐标测量设备:包括三坐标测量仪、激光三维扫描仪等数码相机：将光学真实图象转换为数字图象；其他输入装置：如触摸屏、声响交互输入设备、数据手套等。三坐标测量仪激光三维扫描仪数据手套数字化仪键盘鼠标输出装置：图形显示器：最基本的输出装置，由图形卡支持；打印机：有针式、喷墨、激光打印机等各种类型；自动绘图仪：有笔式绘图仪、喷墨绘图仪、滚筒绘图仪、平板绘图仪等类型。立体显示器：头盔显示器、立体眼镜、3D立体投影仪三维打印机：采用材料叠加成型原理，由CAD数据直接控制打印机x、y、z三轴运动。升降工作台成形头光敏树脂支撑材料紫外光头盔显示器光敏材料三维打印原理图3、CAD/CAM系统软件CAD/CAM系统的软件组成系统软件：操作系统：计算机软件核心，有CPU管理、内存管理、I/O管理、文件管理等功能，常用操作系统有DOS、Windows、Unix、Linux等。硬件驱动系统：是驱动外部设备的特殊软件，是连接主机与硬件设备的“桥梁”。语言编译系统：如Basic、C/C++、LISP等编译系统，是将高级语言转换为计算机机器语言的工具。支撑软件：•图形接口软件提供直线、圆弧等图形函数以供应用程序调用，如标准化图形接口系统GKS、PHIGS、GL等。•工程绘图软件主要完成二维工程图绘制，如AutoCAD、CAXA电子图板、开目CAD、天河CAD等。•几何建模软件其任务是构建产品三维几何模型，如I-DEAS、UG、CATIA，PRO/E、SolidWorks等。•工程分析软件包括：有限元分析软件：ANSYS、SAP、NATRAN、ADINA等。优化设计软件：通常以功能模块嵌入其它支撑软件系统。仿真模拟软件：Simulink、SimuWork、LabView、Adam等。•工艺规程设计软件开目CAPP系统等。•数控编程软件MasterCAM、DelCAM、CAXA制造工程师等；以及如UG、PRO/E、Cimatron等综合CAD/CAM系统。•产品数据管理软件(PDM)：SDRC公司Metaphase、EDS公司IMAN、PTC公司Winchill、IBM公司ProductManager、华中IntePDM等。应用软件：是在系统软件和支撑软件基础上，针对专门应用领域的需要而研制的CAD/CAM软件系统。如机械零件设计CAD、模具设计CAD、组合机床设计CAD、汽车车身设计CAD等。应用软件与支撑软件没有本质界限，当应用软件成熟并普及使用后，也可称为支撑软件。1.4CAD/CAM技术的发展CAD/CAM技术的发展•萌芽期(50年代)：图形显示器(50),NC机床(52),绘图仪(58)•成长期(60年代):CAD(63),FMS(67),CADAM,GRAPHI等大型CAD/CAM系统问世•发展期(70年代)：CAD/CAM软硬件系统商品化•成熟普及期(80年代)：PC微机和工作站系统广泛使用，从大型企业向中小企业扩展，从发达国家向发展中国家扩展•集成期(90年代)：CAD/CAM集成•综合集成期（进入21世纪）：并行设计、协同设计、集成制造。CAD/CAM技术当前研究热点•计算机辅助产品概念设计需要解决建模和推理两大技术难题。•计算机支持的协同设计须解决：①群体成员间实时、可靠、廉价的信息交换；②保证异地、异构环境下协同设计系统可靠运行；③群体成员冲突协调解决机制。•智能CAD/CAM技术要求将人工智能技术与CAD技术融为一体的智能系统，而人类思维模型的建立和表达还有待继续予以研究和完善。•基于工程图纸的三维形体重建从二维工程图纸中提取形体几何信息，重建三维形体模型。•基于图像的建模技术是一种不依赖三维几何造型的建模技术，它利用照相机采集的离散图像为基础，建立具有真实感自然环境的模型。•CAD/CAM与虚拟现实技术集成可快速显示设计内容以及设计对象与周围环境关系，可与虚拟设计系统进行自然交互，以提高设计效果。虚拟现实环境输入接口位置跟踪数据手套空间球操纵杆话筒头盔双筒镜立体眼镜显示器耳机输出接口虚拟现实数据库CAD、音频、视频测量建模渲染控制虚拟现实计算机