模具CAD与CAM第一章 概述

授课教师：尹元德Tel:13155553022E-mail:[e-mail]/CAM概述1.1CAD/CAM的基本概念1.1.1CAD/CAM的基本概念1.1.2设计制造过程分析1.1.3CAD/CAM系统的基本功能1.1.4CAD/CAM系统的组成与工作过程1.2模具CAD/CAM的发展过程和发展趋势1.2.1CAD/CAM技术的发展过程1.2.2模具CAD/CAM技术的发展趋势1.3模具CAD/CAM技术的应用1.1CAD/CAM的基本概念计算机技术CAD/CAM技术机械制造技术以人为主体，借助计算机硬、软件工具，来辅助完成产品设计与制造先后提出了CAD、CAPP、CAM等概念。1.1.1CAD/CAM的基本概念◆计算机辅助设计（ComputerAidedDesign，CAD）指工程技术人员以计算机为辅助工具，来完成产品设计过程中的各项工作，如草图绘制、零件设计、装配设计、工程分析、自动绘图等。CAD是人和计算机相结合、各尽所长的新型设计方法。包括分析和综合两方面内容。1.1.1CAD/CAM的基本概念计算机特点：强有力的计算功能(速度快、精度高)高效率的图形、文字处理能力，能存储、处理大量的各类数据。人的特点：逻辑思维能力强、具有自我学习完善的智力和创造力。采用CAD优点：提高产品设计质量、缩短产品开发周期、降低产品的成本目的。1.1.1CAD/CAM的基本概念◆计算机辅助工艺设计（ComputerAidedProcessPlanning，CAPP）指工艺人员借助于计算机，根据产品设计阶段给出的产品信息和产品制造工艺要求，交互地或自动地确定产品加工方法和方案，如加工方法选择、工艺路线确定、工序设计等。1.1.1CAD/CAM的基本概念◆计算机辅助制造（ComputerAidedManufacturing，CAM）狭义CAM——通常是指NC程序编制，包括刀具路径规划、刀位文件生成、刀具轨迹仿真及NC代码生成等。广义CAM——指利用计算机、数控机床或加工中心来完成从生产准备到产品制造过程中的各项活动，包括工艺规程设计（CAPP）、计算机辅助数控加工编程、生产作业计划、制造过程控制、质量检测与分析等。1.1.1CAD/CAM的基本概念◆模具CAD/CAM(CADandCAMTechnologyofDieandMould)指利用计算机辅助某种类型的模具设计、计算分析、工程绘图、数控编程、数控加工等的各项活动，并将它们有机的集成在一起。1.1.2设计制造过程分析设计过程——设计阶段——设计步骤设计方法：抽象——具体定性——定量全局——局部设计过程：市场需求分析产品设计阶段工艺设计阶段生产阶段产品如图1-1所示。现代制造的概念如图1-2所示。图1-1产品设计制造过程与CAD/CAPP/CAM的关系图1-2现代制造的概念1.1.2设计制造过程分析1.设计与制造过程——产品信息的产生、处理、交换和管理的过程。2.CAD/CAM技术——计算机科学与工程领域技术人员的智慧和经验以现代的科学方法为指导的结合。3.CAD/CAM系统——信息处理系统功能需软件、硬件两方面的保障。4.CAD/CAM技术多学科性——计算机科学、计算机图形学、数据结构、数据库、NC数控技术、软件工程、人工智能、工程分析、优化设计技术、模具工艺，以及具有应用领域等多学科的知识。1.1.3CAD/CAM系统的基本功能一个CAD/CAM系统是由计算机、输入输出设备、网络设备及生产设备等硬件和控制这些硬件运行的指令、程序及文档即软件组成，如图1-4系统图所示。1.1.3CAD/CAM系统的基本功能CAD/CAM系统应当具备以下九个基本功能：图形图象处理功能产品与过程建模功能信息存储与管理功能工程计算分析与优化功能工程信息传输与交换功能NC自动编程模拟仿真功能人机交互功能信息输入与输出功能1.1.3CAD/CAM系统的基本功能◆图形图象处理功能坐标变换、裁剪、渲染、消隐、光照处理。◆产品与过程建模功能几何造型——表达产品结构形状、大小、装配关系。几何建模技术是CAD/CAM系统的核心，它为产品的设计、制造提供基本数据和原始信息。◆信息存储与管理功能采用工程数据库：保存设计结果、中间结果。由于CAD/CAM系统运行时数据量很大，必须配置容量较大的存储设备。1.1.3CAD/CAM系统的基本功能◆工程计算分析与优化计算：有限元法：一种数值近似解方法结构计算范围：静态、动态特性；强度、振动、热变形、磁场、温度场强度、应力分布状态等计算分析。优化：优化求解——在某些条件的限制下，使产品或工程设计中的预定指标达到最优。优化方法——总体方案的优化、产品零件结构的优化、工艺参数的优化等。优化设计是现代设计方法学中的一个重要的组成部分1.1.3CAD/CAM系统的基本功能◆工程信息的传输与交换功能CAD/CAM系统之间CAD/CAM系统中各功能模块之间。目前采用一门新的PDM技术来解决工程数据管理与信息传输与交换问题。◆人机交互功能人机接口是用户与系统连接的桥梁。软件中界面设计；交互设备：键盘、鼠标等来实现人与计算机之间的不断通信。1.1.3CAD/CAM系统的基本功能◆NC自动编程采用专门的数控加工语言，(例如APT语言)基本步骤通常包括：a:编程：手工或计算机辅助编程，生成源程序。b:前处理：编译源程序，求出刀位文件。c:后处理：将刀位文件转换成零件的数控加工程序并输出数控加工纸带。1.1.3CAD/CAM系统的基本功能◆模拟仿真功能模拟：根据设计要求，建立一个工程设计的实际系统模型，例：机构、机械手、机器人等，模拟真实系统的运行，来预测产品的性能、产品的制造过程、可制造性。仿真：通过对系统模型的试验运行，研究系统运动学仿真：计算、显示运动轨迹、预示性能；加工仿真：模拟产品的制造过程，避免损坏设备。1.1.3CAD/CAM系统的基本功能◆信息输入与输出功能在CAD/CAM系统运行中，用户需不断地将有关设计的要求、各步骤的具体数据等输入计算机内，通过计算机的处理，能够输出系统处理的结果，且输入输出的信息既可以是数值的，也可以是非数值的（例如图形数据、文本、字符等）。CAD/CAM系统的具体功能见图1-3所示。1.1.3CAD/CAM系统的基本功能图1-3CAD/CAM系统的具体功能1.1.4CAD/CAM系统的组成与工作过程1.CAD/CAM系统的组成硬件——计算机、外围设备及附加生产设备等软件——运行的指令、程序及文档、各种软件模块。CAD/CAM系统的组成如图1-4所示。1.1.4CAD/CAM系统的组成与工作过程图1-4CAD/CAM系统CAD/CAM系统硬件系统软件系统计算机输入设备输出设备网络设备生产设备系统软件管理软件支撑软件应用软件•用户需求•CAD系统建模•方案评估与优化•结构设计•CAPP•NC编程•加工模拟•产品制造2.CAD/CAM系统的工作过程——人机结合的交互式设计过程，如图1-5所示。1.2模具CAD/CAM的发展过程和发展趋势1.2.1CAD/CAM技术的发展过程CAD/CAM技术的发展从产生到现在，经历了形成、发展、提高和集成等阶段。它是随着计算机及其图形等外围设备、以及软件技术的发展而发展的。1.CAD技术的发展2.CAM技术的发展3.CAPP技术的发展4.CAD/CAM集成技术1.2.1CAD/CAM技术的发展过程1.CAD技术的发展过程◆准备和诞生时期（20世纪50—60年代初）◆蓬勃发展和进入应用时期（20世纪60—70年代）◆突飞猛进的时期（20世纪80年代）◆日趋成熟和广泛普及时期（20世纪90年代）1.2.1CAD/CAM技术的发展过程◆准备和诞生时期（20世纪50—60年代初）1952年美国MITCRT显示器1958年美国CALCOMP公司滚筒式绘图仪GERBER公司平板式绘图仪50年代采用电子管计算机用机器语言编程——科学计算CAD技术处于被动式的图形处理阶段1.2.1CAD/CAM技术的发展过程◆蓬勃发展和进入应用时期（20世纪60—70年代）计算机图形学交互技术数据结构、数据库IBM——计算机绘图设备通用汽车公司——多路分时图形控制台DNC——DirectNumericalControlCNC——ComputerNumericalControl理论基础CAD设备商品化CAM1.2.1CAD/CAM技术的发展过程◆蓬勃发展和进入应用时期（20世纪60—70年代）美国APPLICON第一个完整的CAD系统：二维绘图和三维线框图形系统硬件软件应用CAD/CAM商品化系统（小型机）——实体造型试验系统（78年）固体电路随机存储器；光栅扫描显示器、光笔美国CAD工作站—12000台，使用者超过25000人1970年CAMFMS：FlexibleManufacturingSystem(US)计算机集中制造自动化系统(UK)1.2.1CAD/CAM技术的发展过程◆突飞猛进的时期（20世纪80年代）硬件技术软件技术CAD/CAM技术应用高级编程语言、数据库技术、有限元分析、优化设计、曲面建模、三维实体建模大规模集成电路、外设产品系列化企业：大——小国家：发达——发展中设计：产品——工程彩色高分辨率图形显示器、大型数字化仪、自动绘图机1.2.1CAD/CAM技术的发展过程◆日趋成熟和广泛普及时期（20世纪90年代）20世纪90年代CAD技术向着标准化、集成化、智能化等的方向发展。为了实现系统的集成，实现资源共享和产品生产的高度自动化，提高产品的竞争能力，就需在的CAD/CAM系统之间或各个子系统之间进行统一的数据交换，出现了集成化的CAD/CAM系统。1.2.1CAD/CAM技术的发展过程2.CAM技术的发展1952年数控（NC）机床首次研究成功奠定了CAM的硬件基础。1955年研制成功在通用计算机上运行的自动编程工具（APT）语言，实现了NC编程自动化。1958年研制成功自动换刀镗铣加工中心（MC），一次装夹集中加工，提高加工效率和质量。1.2.1CAD/CAM技术的发展过程2.CAM技术的发展1962年工业机器人诞生，实现了物流搬运自动化；第一台通用计算机集中控制多台数控机床的实现，降低了数控装置成本，提高可靠性。1968年柔性制造系统（FMS）出现20世纪70年代后期出现了交互式图形编程系统，为CAD/CAM集成奠定了基础。1.2.1CAD/CAM技术的发展过程3.CAPP技术的发展1969年第一个CAPP系统——AUTOPROS系统，称为派生式CAPP，适用于中小企业。20世纪70年代后期创成式CAPP，采用一定的逻辑算法，自动生成工艺规程。20世纪80年代中期CAPP专家系统，利用专家知识进行逻辑决策。目前，CAPP系统主要应用于零件的机械加工方面，向其它工艺领域扩展，如热处理、锻造、冲压和装配等，应用前景是广阔的。1.2.1CAD/CAM技术的发展过程4.CAD/CAM集成技术（20世纪90年代--现在）a.集成技术出现的起因:·CAD、CAM技术同时诞生，独立发展。·CAD、CAPP、CAM在数据结构、软件结构上的差异，很难自动完成数据交换。b.商品化软件：CADAM、CATIA、UG-II、I-DEAS、Pro/Engineer、Solidworks、Solidedge。c.集成制造系统——CIMS1.2.2模具CAD/CAM技术的发展趋势先进制造技术ATM——（AdvancedManufacturingTechnology）计算机集成制造、并行工程、智能制造、精益生产、敏捷制造、虚拟制造、产品信息管理等。现代CAD/CAM技术发展趋势——标准化、智能化、集成化、并行化、网络化、虚拟化。1.2.2模具CAD/CAM技术的发展趋势当前，我国模具工业生产的特点是产品品种多、更新快和市场竞争激烈。在这种情况下，用户对模具制造的要求是制造精度高、使用寿命长、制造周期短、模具成本低等。模具CAD/CAM技术的发展除了模具行业本身的制造加工工艺、加工设备特点外，也具有一般CAD/CAM技术的标准化、智能化、