机械CAD-CAM技术第一讲-CAD-CAM技术概述

机械CAD/CAM技术中南林业科技大学机械设计制造及自动化教研室易春峰CAD/CAM技术的重要性随着计算机技术的飞速发展，传统的手工设计正逐渐被计算机辅助设计所代替；而传统的制造领域也被计算机技术所深刻地改造。企业要想在激烈的市场竞争获得优势就必须不断实现技术创新和产品创新，发展和应用现代设计制造技术是实现产品创新的关键，因此机械CAD/CAM技术已成为工科类学生和工程技术人员必须掌握的一门重要技术。CAD/CAM技术概况计算机技术在设计制造中的应用已经从往日的计算、绘图、NC加工发展到当今的三维建模型、优化设计、计算机辅助工程分析和虚拟设计，计算机辅助工艺设计CAPP、CAD/CAM一体化自动数控编程、柔性制造系统FMS、计算机集成制造系统CIMS、计算辅助生产管理与控制、智能制造与虚拟制造等技术。本课程的特点与着重要介绍的内容本课程的特点是兼顾成熟性与先进性、理论性与实践性。着重介绍CAD/CAM应用技术的理论基础知识，另一方面也对当前先进的CAD/CAM应用技术进行了介绍。并通过实践教学环节（实验）初步了解典型的常用实际应用系统。如何学习本课程在掌握基本理论的基础上加强实践（做好实验）。分清重点、主次。乐于收集相关资料，乐于尝试，主动拓宽专业知识面。第一讲CAD/CAM技术概述本章主要介绍CAD/CAM的基本概念CAD/CAM的基本功能CAD/CAM的发展历史CAD/CAM的应用状况及发展方向第一节CAD/CAM的基本概念一、CAD/CAM的基本概念CAD——ComputerAidedDesignSystem以计算机为辅助手段完成整个产品的设计过程。广义的CAD包括设计与分析两个方面。其基本功能包括几何建模、工程分析、模拟仿真、自动绘图四大类。一、CAD/CAM的基本概念CAM——ComputerAidedManufacturingSystem通过计算机与生产设备直接或间接的联系，进行规划、设计、管理和控制产品的生产制造过程。狭义CAM：数控编程与数控加工广义CAM：指除数控外还包括CAPP、制造过程仿真（MPS）、自动化装配（FA）、车间生产计划、制造过程检测、故障检测、产品装配等。一、CAD/CAM的基本概念CAD/CAM集成将CAD、CAM、CAE、CAPP、PPC（生产计划与控制）等各种功能不同的软件有机结合起来，用统一的执行机制来组织各种信息的提取、交换、共享和处理，以保证系统内的信息畅通。（各模块间进行信息的自动传递和转换）目的是为了全面提高效率。CAD/CAM集成的方法CAD/CAM系统集成包括三个方面：硬件集成：CAD系统网络与CAM系统网络互连信息集成：CAD/CAM系统双向数据共享与集成功能集成：PDMS产品数据管理系统CAD/CAM集成的方法CAD/CAM系统集成方案通过专用数据接口实现集成利用标准格式接口文件实现集成基于统一的产品模型和数据库的集成基于产品数据管理（PDM）的系统集成产品数据管理PDMPDM定义：PDM是管理所有与产品相关的信息和过程的技术。与产品相关的信息：CAD/CAM文件、材料清单、产品配置、电子表格、供应商及用户清单等。与产品相关的过程：设计过程、加工工序、工作流程、审批发放过程、产品变更过程等。关系数据库管理系统面向对象管理系统系统工作文档工作流产品配零件分项目管理环境管理程管理置管理类管理管理用户界面开发工具工作站微机网络计算机－用户层－功能层－对象层－支持层PDM系统的体系结构l电子资料室管理和检索PDM最基本的功能，PDM核心。l产品配置管理以电子资料室为底层支持，以物料清单BOM为组织核心，把产品所有工程数据和文档联系起来，对产品相互关系管理。l工作流程管理实现产品设计与修改过程的跟踪与控制，包括工程数据资料的提交、修改控制、监视审批、文档的分布控制、自动通知控制等。l项目管理功能实现项目实施过程中的计划、人员以及相关数据的管理与配置，进行项目运行状态监控，完成计划反馈。PDM功能基于PDM的集成平台PDM集成平台在PDM上可以集成或封装CAD、CAE、CAPP、CAM等多种开发环境和工具，使CAD、CAPP、CAM可从PDM中提取各自所需要的信息，处理结果再放回PDM中去，从而可实现CAD/CAPP/CAM之间的信息集成。二、CAD/CAM系统的组成（一）硬件组成计算机及配件设备（数字化仪、光笔、打印机、绘图机、数控机床、机器人等）计算机系统：主机系统、成套系统、工作站、微机系统组织方式：单机系统、联机系统CADCAM系统的硬件组成示意图二、CAD/CAM系统的组成（二）软件组成系统软件：UNIX、Windows(NT、2000、XP)——计算机的公共性底层管理软件支撑软件——实现CAD/CAM各种功能的通用的应用基础软件，不针对具体设计对象，只提供工作或开发环境，是各类应用软件的基础。应用软件——用户为了解决某个实际问题在支撑软件的基础上经过二次开发出来的软件，工厂根据本厂的特点设计的专用软件就属于此类。二、CAD/CAM系统的组成CAD/CAM支撑软件一般包括以下5种类型：1）、绘图软件：AutoCAD、凯图、开目CAD、PCCAD2）、几何建模软件：Pro/Engineer、UG、CATIA、I-deas、SolidWorkers、SolidEdge、Inventor、MDT二、CAD/CAM系统的组成CAD/CAM支撑软件一般包括以下5种类型：3）、计算机辅助工程软件：ANSYS、ABAQS、COSMOS、MSCNASTRAN、ADAMS（包括有限元分析与运动学/动力学仿真）4）、优化方法软件：OPB5）、数据库系统软件：ORACLE、SQLServer三、CAD/CAM系统的功能（一）CAD/CAM系统的主要功能几何建模模型的工程分析处理：运动学动力学分析，有限元分析，优化设计等工程绘图计算机辅助工艺设计（CAPP）NC自动编程加工过程模拟仿真工程数据管理三、CAD/CAM系统的功能（二）CAD/CAM系统的作业过程创意构思--〉计算机辅助设计——〉快速原型制造——〉计算机辅助工艺规程——〉计算机辅助NC编程——〉虚拟制造（制造）第二节CAD/CAM系统的支撑技术CAD/CAM是一项计算机应用技术，所涉及的内容极其广泛。需要多种技术的支持，如数据管理技术、网络技术、成组技术、工程分析技术、仿真技术等。随着CAD／CAM技术应用范围的深入和扩大，数据管理技术和网络技术将占据越来越重要的地位。一、数据管理技术机械CAD／CAM涉及的数据包括产品的物理特征，材料性能、数学模型，零件规格、几何形体描述、测试数据、各种设计标准和规范等，内容极为广泛。数据表现形式除了数值、文字信息之外，还有大量的几何图形信息，具有数据量大、种类多，结构复杂的特点。如何管理这些数据信息，直接影响CAD／CAM系统的应用水平和工作效率。其数据管理已从文件管理模式发展为工程数据库管理模式。文件管理系统数据的冗余度大、缺乏数据的独立、没有集中管理，数据的完整性和安全性差。数据库管理系统数据的物理存储独立于应用程序、由于同一数据可组织在不同的文件中，因此每个数据在理论上只需要存储一次，因而减少了数据的冗余。通过DBMS实现对数据的统一控制，保证了数据的正确性和保密性。工程数据库管理系统工程数据库是指能满足人们在工程活动中对数据处理要求的数据库，它与一般商用数据库的主要差别表现在对复杂数据类型的支持，对工程数据动态的定义和管理。机械CAD／CAM系统面临整个设计和制造过程的数据，包括文字的和图形的。静态的和动态的，非常复杂。机械CAD／CAM系统数据类型1、管理型数据主要包括产品设计与制造过程中所用到的各种数据资料，如国家标准和规范。产品目录。技术资料等。这类数据其数据结构不变，数据之间关系分明，数据相对稳定。2、设计型数据是指生产设计过程所产生的数据，如产品功能描述数据，设计分析参数，各种资源描述数据等。这类数据最大的特点是动态性。包括数值、数据类型和数据结构，它们是随设计过程的展开在不断的变化。机械CAD／CAM系统数据类型3、加工制造型数据这类数据包括加工工艺数据、数控加工指令、检测监控数据等，是为加工制造服务的数据，要求实时性较高。4、图形数据包括产品各种图表、二维或三维的零件图和装配图。这类数据也是呈动态性的，它往往在设计过程中急剧增加，例如对一个三维图形剖切一刀后，立即产生剖面图上所有交点、线和面的数据。工程数据库系统的主要特点1、具有复杂工程数据的存储和管理的能力：处理工程数据的非结构化的变长数据和特殊类型数据，支持多媒体信息的集成管理。2、具有动态建模的能力：不仅能对结构化数据进行建模，而且能够动态地进行模型的建立，修改和扩充，支持反复改进的工程设计过程。工程数据库系统的主要特点3、支持多库操作和多版本管理由于工程设计用到的信息多种多样，需要在各设计模块间传递数据，需要多库操作。由于工程事务的复杂性和反复试验的实践性，要求工程数据库系统具有良好的多版本管理和存储功能，以正确地反映工程设计过程和最终状态。4、支持工程数据的长记录存取和文件兼容处理，如工程图本身。工程数据库系统的主要特点5、支持智能型的规则描述和查询处理具有一定的语义识别、推理和查询规则能力，能够自动检测和维护设计规则。6、具有良好的数据库系统环境和支持工具，适应大容量，快速和分布式设计环境的要求。二、计算机网络技术计算机网络具有单个计算机所不具备的功能和特点：①能够在计算机之间快速地实现数据的传递；②共享网内计算机软、硬件资源；③网内各计算机站点可互为后备，提高计算机系统的可靠性；④若干台计算机可以共同完成一项CAD／CAM任务，进行协同作业。三、可视化技术1、可视化技术概念1定义：20世纪80年代后期发展起来的一个新研究领域，它运用计算机图形学和图像处理技术，将计算机计算处理结果转换为图形或图像形式在屏幕上显示出来的理论和方法。可视化技术概念2特点：1）可使研究者一目了然获得研究对象的变化规律和分布情况，加快数据处理速度，使庞大数据得到有效利用；2）可使人们发现和理解科学计算过程中所出现的不同现象；3）可使人们对计算过程进行引导和控制，通过交互手段改变计算所依据的条件并观察其影响。2、可视化技术的应用医学如B超、CT等地质勘探以勘探数据或测井数据的等值面、等值线图显示其范围及走向，并用不同颜色显示出多种参数及其相互关系，可对钻井作业做出指导，减少无效井位。气象学可将气象数据转换为等压面、等温面、位涡、云层的位置及运动、暴雨区的位置及其强度、风力的大小及方向等。计算流体力学可将计算结果数据动态地显示出流体中每一点的流速和流向，表示出涡流、冲击波、剪切层、尾流及湍流等流体的运动状态。有限元分析实现形体的网络剖分以及对有限元分析结果进行各种不同的图形图像显示，即所谓有限元分析的前后置处理。砂带磨头的有限元分析3、可视化技术算法可视化处理层次：事后可视化处理在计算结束后在脱机状态下，对计算结果进行可视化处理，不要求对数据进行实时显示处理，其处理能力需求较低。跟踪可视化处理要求跟踪计算过程，实时显示计算结果，并根据计算结果判断计算过程正确性。驾驭可视化处理不仅要求实时处理，如有必要还要能够通过交互方式修改原始数据、边界条件或其它参数，对计算过程加以实时地控制，要求有很强的计算能力以及很强的交互控制功能。目前，可视化技术水平大量还处于事后处理阶段。三维数据场可视化处理算法1几何图元构造法首先由三维数据场构造一个个如曲线、平面、曲面的等中间几何图元，然后再用计算机图形学对这些图元进行绘制，如等值线、等值面等。体绘制法不需要构造中间几何图元，而是由三维数据场直接产生屏幕上二维图像的方法。三维数据场可视化处理算法2基本思想：将三维体空间按所需精度分割为一个个小正方体元，每个体元可看成能够接受或发光的粒子，根据数据点梯度值对每个粒子的光强和透明度进行计算，沿着视线观察方向将这些粒子投影到二维平面图像上，从而得到一幅透明的投影图