机械CADCAM的讲义

《CAD/CAM》讲义机电汽车学院2019年12月1日机电学院郭忠2第一章计算机辅助设计概论目录第二章计算机辅助设计系统第三章工程手册的数据处理第四章机械CAD中常用的数据结构第八章机械图设计技术第七章图形技术基础第六章图形的几何变换第五章信息存储与管理2019年12月1日机电学院郭忠3第一章计算机辅助设计概论§1.1机械设计概述§1.2机械CAD方法概述§1.3CAD技术的发展简史§1.4CAD技术在机械工业中的应用§1.5机械CAD技术在软件上的发展趋势2019年12月1日机电学院郭忠4§1.1机械设计概述1、定义：所谓机械设计是设计人员根据市场、社会和人们的需求所进行的构思、计算、实验、选择方案、确定尺寸、绘制图样及编制技术文件等一系列创造性活动的总称。机械设计是产品从设计、制造、装配、销售和使用整个生命周期中的第一个环节，也是最重要环节。2019年12月1日机电学院郭忠52、意义：机械产品设计的优劣直接影响其质量、成本、研制周期及市场竞争能力。设计对产品性能的影响通常占80%。（机械设计工作是机械产品实现的必要前提，是产品开发过程中至关重要的环节。2019年12月1日机电学院郭忠63、传统机械设计过程(图1-1）传统机械设计过程一般经历以下几个阶段：概念设计：通过调查研究、收集资料，仔细分析用户需求，在此基础上确定产品功能，方案设计，最后获得一组可行的原理性方案。初步设计：优化方案、绘制总布置草图、确定各部件基本结构形状，建立相应数学模型，进行主要设计参数的分析计算与优化。详细设计：细部结构设计，最终完成总布置图和零、部件图，并编写技术文件。2019年12月1日机电学院郭忠7本节小结：机械设计是一个“设计——评价——再设计”的反复迭代、不断优化的过程。缺点：人工设计周期长、劳动量大。要求：实现某种程度的设计自动化，缩短设计周期，降低设计成本，提高设计质量，即采用CAD。2019年12月1日机电学院郭忠8图1-1传统机械设计过程接受接受需求分析提出明确的功能要求原理性方案设计及分析初步设计及分析再设计详细设计加工制造样机测试、鉴定批量生产、销售、使用评价评价不接受不接受返回2019年12月1日机电学院郭忠9§1.2机械ＣＡＤ方法概述１.ＣＡＤ发展的背景：机械产品生产从“少品种、大批量”向“多品种、小批量”发展，要求改型频繁，更新速度加快，市场竞争上升。为适应形势发展需要，人们逐渐把产品中繁琐、重复的计算、校核、分析、绘图等工作交由计算机去完成，使设计人员致力于新产品的开发等创造性工作，成本下降15%－30%，周期下降30%－60%，设备利用率上升2－3倍。2019年12月1日机电学院郭忠10２．ＣＡＤ定义：1973年国际信息处理联合会对CAD下了一个广义定义：CAD是将人和机器混编在解题专业中的一种技术,从而使人和机器的最好特性结合起来发挥最佳能力。如：计算机在信息处理（存储与检索）、分析和计算、图形作图与文字处理以及代替人做大量重复枯燥的工作等方面有优势；但在设计策略、逻辑控制、信息组织及发挥经验和创造性方面，人将起主导作用。∴二者有机结合，以人机对话方式进行设计,从而形成一门新兴科学。小结：ＣＡＤ不是完全设计自动化，人机信息交流及交互工作方式是CAD系统最显著的特点。）2019年12月1日机电学院郭忠11图形处理技术：如二维交互图形技术，三维几何造型及其它图形输入输出技术；工程分析技术：如有限元分析，优化、物理特性计算（面积、体积、惯性矩等），模拟仿真以及各行各业中的工程分析等；数据管理与数据交换技术：如数据库管理、不同CAD系统间的数据交换与数据接口技术等；文档处理技术：如文档制作、编辑及文字处理等；软件设计技术：如窗口界面、软件工程规范及其工具系统使用等。３．CAＤ所涉及的基础技术：2019年12月1日机电学院郭忠124、ＣＡＤ过程（见图1-2）Y输入设计要求设计模型描述计算机系统（计算及优化设计）输出结果、图纸及有关技术文件资源库设计结果满意否？N图形库程序库图形终端与人机交互去CAPP或CAM人机交互2019年12月1日机电学院郭忠13几个概念：CAD(ComputerAidedDesign)依市场需求确定产品性能需求，然后用专家系统进行产品方案设计，由此在进行几何建模、工程分析、直到产生祥细工程图。CAPP(ComputerAidedProcessplanning)其功能是进行零件加工工艺路线及工序的编制，为生产调度及控制提供信息，也为NC自动编程提供所需信息。2019年12月1日机电学院郭忠14几个概念：NC(NumericalControl)自动编程部分生成刀具加工轨迹并在屏幕上进行加工仿真，检查无误后，经后置处理生成加工代码，控制机床进行加工。CNC：ComputerNumericalControlDNC：DirectNumericalControl2019年12月1日机电学院郭忠15本节小结：因为设计的目的是要获得满足设计要求的产品，而这个产品是通过制造、加工得到的，所以在机械CAD中，目前用于单纯的设计计算及绘图的CAD系统已经很少应用了，而是组成CAD/CAM系统进行使用。2019年12月1日机电学院郭忠16§1.3CAD技术的发展简史1、50年代（开始交互式计算图形学的研究）美麻省理工学院于1950年在研制出的“旋风1号”计算机上采用了由阴极射线管（CRT）做成的图形终端，能被动地显示图形。50年代后期又出现了绘图仪和光笔。图形输入输出设备的出现，标志着CAD发展的开始。2019年12月1日机电学院郭忠172、60年代（计算机图形学发展的重要时期）美麻省理工学院的I.E.Sutherland发表了博士论文《SKETCHPAD——人机对话系统》，首次提出了计算机图形学、交互技术、分层存储符号的数据结构等新思想，从而为CAD技术的发展打下了理论基础。有关计算机图形学和计算机辅助设计方面的科学组织和著作于1966年得到了承认。1964年，美通用汽车公司研制出DAC-1系统，1965年，洛克希德飞机公司推出了CADAM系统，贝尔电话公司的GRAPHIC-1系统。2019年12月1日机电学院郭忠18此时各种论文、文献、教程及学术会议大量涌现,整个70年代是计算机图形学及计算机绘图获得广泛应用的时代。但它们大多数还是16位机上的三维线框系统及二维绘图系统，还只能解决一些简单的产品设计问题。出现了以小型机为主的CAD工作站。4、80年代（CAD突飞猛进时期）：新理论、新算法大量涌现。AutoCAD于1982年出现，并出现了许多实体造型系统，如GMsolid（通用汽车公司）、Solidesign（Computervision公司）等等。随着硬件发展，80年代中期以后出现了工作站和网络环境下的高性能的CAD/CAM系统。3、70年代：2019年12月1日机电学院郭忠19§1.4CAD技术在机械工业中应用美国国家工程科学院对人类1964-1989年的25年来工程成就进行评选，结果表明，CAD/CAM技术的开发应用是十大成就之一。机械CAD约占CAD/CAM市场的35-40%1、CAD技术在机械工业中的应用：1）二维绘图：用来代替传统的手工绘图2）图形及符号库：将复杂图形分解成许多简单图形及符号，做成图库以便调用。2019年12月1日机电学院郭忠20CAD技术在机械工业中的应用3）参数化设计（用于标准化或系列化零部件）4）三维实体造型：采用三维实体造型设计零部件结构，经消隐、着色处理后显示物体的真实形状，可作装配及运动仿真，以便观察有无干涉。5）工程分析：如有限元分析、优化设计、运动学及动力学等分析等。6）设计文档或生成报表2019年12月1日机电学院郭忠211）减少手工绘图时间，提高绘图效率。2）提高分析计算速度、解决复杂计算问题。3）便于修改设计。4）促进设计工作的规范化、系列化和标准化。总之：采用CAD技术后，设计质量↑，设备利用率↑2-3倍，周期↓（30%-60%），成本↓（15%-30%），竞争能力↑。2、采用CAD技术的好处：2019年12月1日机电学院郭忠223、风险：投资较大。（包括购买软、硬件，支付培训及开发费用等）需要一支掌握CAD技术、有良好素质的工程技术队伍。2019年12月1日机电学院郭忠23§1.5机械CAD技术的发展趋势◆集成化◆智能化◆标准化2019年12月1日机电学院郭忠24一、集成化为了适应设计与制造自动化的要求，特别是近几年来出现的计算机集成制造系统（CIMS）的需求，进一步提高集成水平是CAD/CAM系统发展的一个重要方向。因此，必须做好以下几个方面：1)在几何造型方面必须从传统的实体造型到参数化特征造型转变，以便建立包括几何信息在内的完整的产品信息模型（包括几何、工艺、加工、管理等信息），创造CAD、CAPP、数控编程集成的必要条件。2019年12月1日机电学院郭忠252)CAD/CAM系统必须有自己统一的数据库及其管理系统；数据库结构以产品信息模型为基础。3）解决好不同CAD系统间产品模型数据的转换问题；（初始图形交换规范IGES应逐步向国际标准STEP靠拢）数据交换与共享，是CAD/CAM系统集成的关键。4）集成系统内部应包括种类更多、功能更为完善的设计与制造应用软件。如：CAPP软件、文字处理软件、面向对象的各种应用软件等。5）解决好网络通信问题，使不同节点及不同地区的用户能够协同工作。集成化2019年12月1日机电学院郭忠26集成化体现在以下几个方面：1）系统由单一功能转向结合功能，出现CIMS系统（CAD/CAPP/CAM集成）；2）CAD技术中有关软件和算法不断固化，即用集成电路及其功能块来实现有关软件和算法的功能；3）多处理机、并行处理技术的采用，使工作速度大大上升；4）网络技术在CAD中普遍应用，使近程和远程资源共享。2019年12月1日机电学院郭忠27二、智能化1、数值型工作：计算、分析、绘图2、符号推理型工作：方案构思和拟定、最佳方案选择、结构设计、评价、决策及参数选择等）因此，将人工智能技术，特别是专家系统的技术，与传统CAD技术结合起来，形成智能化CAD系统是机械CAD发展的必然趋势。2019年12月1日机电学院郭忠28智能化应注意以下几个问题：1）发展新的设计理论与方法，特别是并行工程的设计理论以及概念设计的理论的研究，2）继续深入研究机械设计型专家系统中的一些基本理论及技术问题。（如知识的表达与获取、推理机制、工具系统的研制等）2019年12月1日机电学院郭忠29三、标准化随着CAD技术的发展，工业标准化问题越来越显出它的重要性。迄今已制定了不少标准：◆计算机图形接口CGI◆计算机图形核心系统GKS◆面向程序员层次的交互图形系统PHIGS◆初始图形交换规范IGES◆产品模型数据交换标准STEPSTEP（StandardforTheExchangeofProductModelData）既是标准，又是方法学，由此构成了STEP技术，它深刻地影响着产品建模，数据管理及外部接口等。2019年12月1日机电学院郭忠30本章作业1、CAD的定义？在CAD中人与计算机的作用是什么？2、怎样理解CAD/CAM集成？如何提高集成水平？3、CAD技术的发展趋势是什么？2019年12月1日机电学院郭忠31第二章计算机辅助设计系统§２.０系统的基本功能§２.１CAD系统的构成与分类§２.２CAD系统的硬件§２.３CAD系统的软件§２.４CAD系统的设计与选择2019年12月1日机电学院郭忠32§２.０系统的基本功能CAD系统的功能，是由硬件和软件的合理组织及功能的匹配来体现的。一、ＣＡＤ系统中硬件应具有的功能1)计算功能：要求CAD系统中计算机有较强的计算能力,来实现要求的高速数值计算和图形处理能力。2019年12月1日机电学院郭忠33ＣＡＤ系统中硬件应具有的功能(续)2)存储功能：CAD系统要有较大存储量,以满足图形信息存储和有限元分析信息的存储空间要求。3)输入输出功能：要强。4)交互功