机械CAD及其应用 第一章 CAD技术概论

机械CAD及其应用创新，协同，集成三维CAD与网络化设计制造技术的应用与发展第一章CAD技术概论第一节综述我们生活在三维的空间中，我们的眼睛和身体感知到的这个世界都是三维立体的，并且具有丰富的色彩、光泽、表面、材质等等外观质感，以及巧妙而错综复杂的内部结构和时空动态的运动关系；我们对这世界的任何发现和创造的原始冲动都是三维的。回到3D世界但是在人类漫长的历史中，为了在沙土、羊皮、纸张的平面上表达和传递对这个世界的认识和创造，人们发明了投影方法，并基于纸张平面形成了丰富而完整的抽象二维视图体系；二维视图在近现代人类改造世界的科学与生产实践中发挥了巨大的无可替代的作用。回到3D世界进入新的世纪以来，随着计算机网络信息技术的迅猛发展，现代计算机3D技术终于使人们对现实世界的描述重新回到了原始的直观三维境界，并且已经随着计算机应用的普及在迅速成为今天的现实。在当今世界，无论在虚拟的网络上还是在现实的生活中，从大到飞机、轮船、汽车、电站、大厦、楼宇，小到生活中的每一个小小的工业产品，到处都能见到电脑制作的三维模型，通过计算机3D技术实现对现实世界的模拟和仿真。回到3D世界从三维到二维，是从具体到抽象的“形而上”而成“道”的过程；从二维到三维，是从抽象到具体的“形而下”而成“器”的过程。对于经过严格二维投影视图理论与画法几何训练而被成功“洗脑”的我们来说，三维却已被“遗忘”而变得那样陌生和遥远。回到三维就是回归真实、回归直观、回归形象、回归简洁。回到3D世界艺术效果：是现代计算机3D技术应用的重要方向，象3DMAX、MAYA等三维系统，在影视三维动画制作、建筑效果设计、工业产品外观设计等方面已被广泛应用。三维CAD：是3D技术在现代工业的应用。象CATIA、UG、PTC、SolidWorks、CAXA等三维CAD软件系统，基于生产制造应用目的，强调三维模型的精确描述，包括其精确的尺寸、坐标、公差、技术要求以及零件间精确的结构装配关系和结构功能属性等等的精确表达。虚拟现实：是3D技术大规模系统应用的方向，强调对三维场景的宏观描述和系统动态关系，在三维模型细节的精确和逼真方面则采取尽可能简化处理。回到3D世界二维工程图是工程师的语言，是随着近代工业的发展历经上百年形成的一套完善、标准化的工程语言和工具.没有“工程图”，就没有飞机、没有汽车、没有楼房、没有桥梁，没有现代工业。二维工程图还能走多远？“工程图”所面临的“危机”，并不仅仅是简单的从“木质图板”到“电子图板”的形式上的变化，而是计算机三维仿真对工程图三视投影理念与方法的彻底革命！是数字化、网络化零距离沟通与团队协同工作对个人独立工作方式的根本改变。但是，在工业界日趋加速的三维数字化、网络协同化的发展方向上，“工程图”今后的路究竟还能走多远？在今后一个比较长的时间里，“工程图”必将依然发挥其重要的不可替代的作用；但是其应用方式必将适应三维技术和应用的发展，发生重大的变化。三维数字化创新设计CAD工具非常需要一个能够与它有机配合、协同工作的“绘图”伴侣，二维工程图必将在三维CAD的应用中得到新的发展并成为重要的补充。二维工程图还能走多远？三维CAD能做什么？三维CAD能做什么？三维CAD能做什么？三维CAD能做什么？三维CAD能做什么？三维CAD能做什么？三维CAD能做什么？三维CAD能做什么？三维CAD能做什么？三维CAD能做什么？1986200019461966早期研究阶段初步推广阶段全面应用阶段三维CAD的应用发展•应用领域：航空航天等极少数高精尖科研领域•应用对象：极少数复杂关键零部件•应用内容：基于二维工程图的3D造型•应用方式：ComputerAided3Ddrawing，研究•硬件环境：大型机、小型机、工作站•软件形态：程序系统（非标准）•应用者：极少数研究开发人员(开发人员同时也是应用人员)三维CAD的应用发展——早期研究阶段•应用领域：从科研向汽车/船舶/轻工模具等工业领域推广•应用对象：面向制造/CAM与分析/CAE的复杂零件/模具•应用内容：基于二维工程图的零件3D造型•应用方式：CAD及CAD/CAM/CAE应用集成，局部应用•硬件环境：工作站、PC•软件形态：初步成为产品•应用者：更广泛的CAD应用人员(应用人员不再是开发人员)三维CAD的应用发展——初步推广阶段•应用领域：向几乎所有设计制造领域极剧推广•应用对象：所有产品全部零部件的全数字化样机•应用内容：从三维开始的真正三维CAD/计算机辅助设计•应用方式：CAD/CAE/CAPP/CAM/PDM/PLM解决方案，全面应用•硬件环境：工作站、PC、网络环境•软件形态：成为产品与标准构件•应用者：所有参与产品活动的人员，CAD成为大众工具(应用人员不再是CAD应用工程师)三维CAD的应用发展——全面应用阶段零部件三维建模装配过程的操作性，装配后期修改的灵活性验证零部件装配及标准件库的调用机构的干涉检查及运动模拟三维图向工程图的转化，技术图纸的打印输出零部件报表的生成，及图纸管理零部件的渲染、工作过程动画演示，在产品说明书编制上的运用工艺设计与汇总虚拟装配工艺演示CAECAM现代三维CAD的应用设计构思零件设计装配爆炸动画协同设计工艺三视图加工总装三视图渲染效果图符合国标的工程图绘制工程设计：装配、二三维联动、工程图面向分析/制造的设计和造型概念设计、工业设计现代三维CAD的应用面向装备、工程机械、家电等行业的设计现代三维CAD的应用•创新：产品创新•协同：协同管理•集成：集成应用现代三维CAD的应用CAD/CAM数据源CAD/CAM数据源现代三维CAD的应用全球化推动经济结构与产业格局加速调整与转移•全球资源配置•全球比较优势•垂直化国际分工•产业的转移•布局与结构调整全球化、信息化与工业化信息化加速了全球采购与全球生产模式的形成•信息沟通与共享•信息化生产组织与管理•虚拟产品开发•网络远程制造•动态虚拟企业•随需应变的电子商务全球化、信息化与工业化全球化推动产业价值链发生深刻变迁全球化、信息化与工业化全球化、信息化与工业化市场全球化和跨国公司推动全球经济一体化科技进步财富积累需求创新资源变迁自由贸易开放金融全球范围资源市场与消费市场的优化配置•市场全球化：•信息化带动工业化：制造企业是国民经济的支柱：1990年55%，2000年60%今天制造业面临的挑战◇市场竞争的压力要求企业不断进行产品创新◇产品从设计到交付用户的周期越来越短◇产品生命周期越来越短◇形成全球化的分工，网络化的企业型式◇企业设计团队、供应商、用户之间需要更好的沟通与协作企业信息化概念企业先进管理思想计算机网络技术应用软件技术数据库技术设计工艺制造经营管理CADCAPPCAECAMPDMMRPIIERP制造业信息化工程全球化、信息化与工业化管理数字化设计数字化生产过程数字化制造装备数字化企业数字化产品数字化客户Custom供应Supply资源ResourceSCMCRMPLMERP产品Product办公OfficeOA全球化、信息化与工业化以信息化带动工业化，走新型工业化道路客户开发制造维护随需应变创新、协同、集成市场竞争更加突现用户中心•需求细分•产品创新•应用个性化•为用户创造价值•……•企业外部环境和应用模式的变化单元应用信息孤岛‖网络应用协同制胜‖工艺业务的主要内容及信息流向产品设计CAD/PDM任务状态监控工艺设计机加工艺铸造工艺锻造工艺冲压工艺铆焊工艺热表工艺装配工艺电装工艺工艺审查工艺分工材料定额工艺路线工艺BOM维护工作流程管理任务分解/分配工程变更管理数据版本管理工艺会签工时定额综合工艺工艺数据统计、汇总工艺业务管理ERP生产管理PBOM工艺路线产品结构工程图工艺业务自身效率和质量的提高，企业工艺数据源开发/设计工艺/工装审核/质保采购/库存制造/更改检验/维护用户服务产品审核、生产发布修改/更改、质量保证标准件、外购件采购，供应商管理、库存控制、审核制造执行与更改、产品组装，成本控制零部件数控加工代码，CAX集成产品检验，技术与经验纪录维护，设备、工装维护安装使用说明备件更换、更改纪录制造业企业信息化系统——产品创新/协同管理技术沟通，产品规格定义商务洽谈，确认订单，客户管理产品/订单产品生产工艺流程设计，工模具设计，制造资源管理知识重用、标准化，CAX集成、PDM集成产品计划，项目管理，产品开发与设计知识重用、标准化，CAX集成、PDM集成创新、协同、集成创新、协同、集成现代产品开发生产准备产品设计产品规划产品试验PDM产品规划产品设计产品试验生产准备项目管理生产准备产品设计产品规划产品试验PDM虚拟产品模型过程流过程序列过程链Internet/Intranet/Extranet关于“制造业信息化”的几个问题一、信息化不是目标是手段，根本目的是提高企业生产力与核心竞争力2.信息化是企业提高生产力、实现跨越式发展的必由之路3.信息化是企业提高核心竞争力的必然选择4.投入/产出效率是企业评价信息化的客观标准1.信息全球化和全球信息化改变了现代产业模式和市场环境二、信息化的核心是人的信息化、工具的信息化与组织流程的信息化1.没有人的信息化，信息化无从谈起2.工具的信息化是信息化的基础3.组织流程的信息化是信息化价值的最终体现关于“制造业信息化”的几个问题三、信息化只有与企业的应用实际相结合才能真正产生价值1.人与工具不匹配2.工具与工具不匹配3.人、工具与组织不匹配4.信息化有了一定基础5.信息化全面进入了崭新的历史阶段关于“制造业信息化”的几个问题四、企业是信息化的主体，服务商与企业的良性互动是信息化成败的关键1.深刻了解和理解企业的应用需求与应用实际是信息化的基础2.为企业量身定制适用的技术、工具与解决方案是信息化的重心3.持续发展和本地化应用服务是信息化的关键关于“制造业信息化”的几个问题五、服务商只有联盟合作、开放协同才能为企业提供真正的“解决方案”1.国际服务商与国内服务商联盟合作，能够有效利用亲和力、适用性与本地化优势2.国内服务商必须“国际化”，才能服务面向国际化市场的中国制造企业3.国内供应商只有联盟合作，才有发展的空间和提供“解决方案”的能力4.服务商只有联盟合作、开放协同才能开拓并培育更大的制造业信息化应用市场关于“制造业信息化”的几个问题现代产品开发的基本任务任务工作内容概念设计根据市场需求，机械设计工程师与美学工程师一道勾画出未来产品的大致外形，规划产品的功能——空间布局。这个阶段需要造型快速、模型修改方便的设计工具。结构设计确定详细的产品结构并设定精确的尺寸。在结构设计需要按照产品零件之间的装配关系设定各个零件的结构尺寸，保证其符合产品整体的装配约束要求，从而消除零件之间的设计冲突。分析验证通过计算机仿真，模拟产品的运动过程，考察产品的运动合理性；分析产品零件的受力状况及热力学性能等；分析验证中发生的问题将反馈到上游设计部门，指导其调整产品设计参数，从而获得优化的设计结果。工艺设计绘制工程图纸，标准各种工艺符号，设定产品零件的尺寸和几何公差要求，添加零件加工和部件装配的技术说明，按照企业制造资源状况规划产品加工——装配的作业流程。设计展示提供产品渲染图片及产品演示动画，通过产品发布会或公众媒体展示，从而吸收销售商和最终用户，推动产品的销售推广工作。现代产品开发的基本任务（续表）任务工作内容加工针对加工需求设计产品模具和工装夹具。产品设计模型直接导入NC处理软件，从而驱动数控加工机床加工出复杂产品的曲面。系列化根据用户细分的情况，剪裁产品的结构构成。按照企业产品情况，设定零件规格化规范，从而将企业的产品设计和加工导入系统化轨道。更新与重用按照用户要求和市场趋势，迅速更新现有设计，从而形成新一代的改型产品。网络协作现代设计已经不仅仅是上述纵向流程的累加。从横向看，产品开发与制造逐渐呈现出社会化趋势，针对转瞬即逝的市场机遇，许多企业集团采用跨甚至跨国的合作方式进行产品的开发和生产，因此在产品开发过程中的协同技术十分重要。在设计开发工具中引入网络技术是实现设计协同的重要手段，包括网络