CAD与三维设计概论151018

CAD与三维设计2015.10.18教学目的：初识CAD/CAM技术掌握CAD软件Solidworks的基本操作授课教师王晚霞[e-mail]初识CAD/CAM技术一、绪论二、CAD技术的基础和发展过程三、CAD/CAM系统的硬件及软件环境四、CAD/CAM应用软件简介五、CAD/CAM技术应用六、SolidWorks软件的技术特点一、绪论CAD及相关的工程专业英文缩写的解释CAD的主要设计对象CAD/CAM技术在产品设计制造过程中的地位CAD应用的意义CAD及相关的工程专业英文缩写的解释CAD(ComputerAidedDesign)——计算机辅助设计CAM(ComputerAidedManufacture)——计算机辅助制造CAE(ComputerAidedEngineering)——计算机辅助工程分析CAPP(ComputerAidedProcessPlanning)——计算机辅助工艺过程设计PDM（ProductDataManagement）——产品数据管理PLM(ProductLifecycleManagement)——产品生命周期管理CIMS(ComputerIntegratedManufacturingSystem)——计算机集成制造系统CAD——计算机辅助设计概念：利用计算机进行高质量、高效率的产品（如：机械、电子、电气、轻工产品等）和工程设计（如建筑物、工厂厂房、石化设施等），CAD包括产品的构思、功能设计、结构分析等。优势：CAD技术是CAM——先进制造技术及CAE——计算机辅助分析的基础。CAM——计算机辅助制造概念:在CAD的基础上，利用电子计算机通过各种数值控制机床和设备，自动完成产品的加工、装配、检测和包装等制造的全过程。优势:采用计算机辅助来制造零件、部件，可改善对产品设计和品种多变的适应能力，提高加工速度和生产自动化水平，缩短加工准备时间，降低生产成本，提高产品质量和批量生产的劳动生产率。CAE——计算机辅助工程分析计算机辅助工程分析主要指用计算机对产品和工程的功能、性能与安全可靠性进行计算、优化设计，对未来的工作状态和运行行为进行模拟仿真，及早发现设计缺陨，改进和优化设计方案，证实未来工程和产品的可用性与可靠性。常见的工程分析包括：对质量、体积、惯性力矩、强度等的计算分析；对产品的运动精度，动、静态特征等的性能分析；对产品的应力、变形等的结构分析。CAD的主要设计对象CAD的设计对象可分为三大类：产品（Production）：机械、电子、电气、轻工产品等。工程（AEC：Architecture、Engineering、Construction）：建筑物、工厂的厂房、石油化工设施等。艺术：电影特技、动画、广告等。CAD的主要设计对象CAD在产品设计制造过程中的地位1989年美国把CAD/CAM技术评为当代（1964-1989）最杰出的工程技术成就之一；CAD技术从根本上改变了传统上依靠手工绘图，凭借图纸组织整个生产过程的技术管理模式；CAD技术是衡量一个国家科技现代化和工业现代化水平的重要标志之一。CAD在产品设计制造过程中的地位市场需求分析NY产品详细设计有限元分析产品优化设计评估决策工艺过程分析制造加工产品检验产品设计制造过程CADCAPPCAMCAT总体方案设计产品功能分析CAECAD应用的意义CAD技术几乎推动了一切工程领域的设计革命，对产品研发与制造的意义在于精确高效的产品设计，曲面、实体、特征造型；缩短产品设计周期，加快产品开发过程；产品的可装配性检查，包括产品的虚拟装配和干涉检查；CAD应用的意义产品的性能分析与仿真，包括有限元分析与动力学仿真；加工仿真检查产品的可加工性；支持复杂型面的数控加工。转向机构支架的结构强度分析马耳他十字机芯运动仿真二、CAD技术的基础和发展过程CAD技术的硬件基础CAD技术的理论基础CAD技术的发展过程CAD技术的硬件基础1、1946年美国宾西法尼亚大学莫尔学院为美国陆军军械部研制出了世界上第一台电子计算机，这标志着电脑时代的开始！CAD技术的硬件基础2、1950年MIT研制出类似于示波器的可以显示简单的几何图形的图形设备。3、1952年MIT研制出第一台三坐标数控铣床。4、1958年美国Calcomp公司研制出滚筒式绘图仪。5、随后美国Gerber公司试制出平板式绘图仪。CAD技术的理论基础1、1959年，法国数学家(德·卡斯特里奥)发明了deCasteljau的算法,并以此算法为基础在法国开始为雪铁龙开发曲线曲面设计系统。2、1962年，MIT林肯实验室的博士（萨瑟兰）IvanE.Sutherland发表了题为“人机交互图形系统”的博士论文，他在论文中首次使用了计算机图形学“ComputerGraphics”这个术语，证明了交互计算机图形学是一个可行的、有用的研究领域，从而确定了计算机图形学作为一个崭新的科学分支的独立地位。为CAD技术的发展和应用打下了理论基础。CAD技术的理论基础3、60年代初，J·Ferguson（弗格森）在波音公司实现了基于三次样条的曲面设计系统。4、1967年MIT的S·Coons(孔斯)提出了超限插值算法，构造了一种曲面生成算法，为曲面造型开辟了新的方向。CAD技术的理论基础5、1973年英国剑桥大学的I·C·Braid（布里德）以博士论文的形式提出了基于体素拼合和边界表示的实体造型系统，随后又吸收了Stanford大学B·G·Baumgart（鲍姆盖特）的多面体造型技术，经过不断发展于1989年推出了面向对象的几何平台ACIS1.0。CAD技术的理论基础6、1974年法国雷诺汽车公司的工程师PierreBezier（贝齐尔）提出基于控制多边形的Bezier曲线、曲面表示，发展了一套被后人称为Bezier曲线、曲面的理论，并主持了Unisurf曲面造型和SurfAPT曲面加工系统的开发，成功地开发了用于汽车外形设计的UNISURF系统。CAD技术的理论基础7、1974年美国通用汽车公司的Gordon（戈登）和R·Riesenfield（里森费尔德）将B样条理论引入曲面设计系统，目前B样条曲面已经成为自由曲面的主要表示方法。CAD技术的发展过程•产生于二十世纪五十年代后期，与发达国家的航空和军事工业密不可分。•随着计算机硬件技术和计算机图形技术的发展而迅速成长。•目前CAD/CAM技术已经由航空和军事工业向民用工业扩展和普及，并得到了广泛的应用。CAD技术的发展过程CAD技术的发展经历了以下四个发展阶段：20世纪60年代期间的CAD技术以线框造型为主，代表性的软件：CADAM20世纪70年代期间的CAD技术以曲面造型为主，代表性软件：CATIA20世纪80年代期间的CAD技术以实体造型为主，代表性的软件：I—DEAS、UG—II、CADDS520世纪90年代期间的CAD技术以参数化特征造型为主，代表性的软件：Pro/ECAD技术的发展过程——线框造型20世纪60年代出现的三维CAD系统只是简单的线框式系统，它只能表达基本的几何信息，不能有效地表达几何数据间的拓扑关系。由于缺乏形体的表面信息，CAE——计算机辅助分析及CAM——计算机辅助制造均无法实现。CAD技术的发展过程——曲面造型技术法国达索飞机制造公司，在二维绘图系统CADAM的基础上，开发出以表面模型为特点的三维造型系统CATIA，标志着计算机辅助设计技术从简单模仿工程图纸的三视图模式解放出来，首次实现了以计算机完整描述产品零件的主要信息，同时，也使得CAM技术的开发有了实现的基础。虽然表面模型基本解决CAM的问题，但由于表面模型只能表达形体的表面信息，难以准确表达零件的其它特性，如质量、重心、惯性矩等，对CAE十分不利。CAD技术的发展过程—实体造型技术基于对CAD/CAE一体化技术发展的探索，SDRC公司于1979年发布了世界上第一个完全基于实体造型技术的大型CAD/CAE软件——I-DEAS。由于实体造型技术能够精确表达零件的全部属性，在理论上有助于统一CAD、CAE、CAM的模型表达，给设计带来了惊人的方便性。它代表着未来CAD技术的发展方向。CAD技术的发展过程——参数化特征造型进入80年代中期，PTC公司成立，研制出名为Pro/Engineer的参数化CAD软件。算法的主要特点是：基于特征、尺寸驱动、几何约束、全数据相关的技术；参数化设计便于模型的编辑、修改。参数化特征造型技术是CAD建模方法的一个新的里程碑。三、CAD/CAM系统的运行环境CAD/CAM系统运行的硬件环境计算机外部设备计算机网络CAD/CAM系统运行的软件环境CAD/CAM系统的硬件环境CAD系统的硬件环境：包括：计算机、计算机网络、图形输入输出、加工和制造等外围设备组成。CAD/CAM系统的硬件环境—计算机1、60年代至70年代，运行分时操作系统的小型机、大型机是CAD计算机系统的主角。2、80年代至90年代，图形工作站以其卓越的图形性能和高速计算能力，成为CAD系统的主流配置。3、1993年Intel推出Pentium微处理器，标志着PC时代的到来，以SolidWorks、SolidEDGS和MDT为代表的基于Windows平台的微机CAD系统逐渐发展成为主流。CAD/CAM系统的硬件环境—显示器1、显像管显示器（CRT）显像管的断面球面：屏幕四角出现失真弯曲平面直角显示器：减小四角的失真和反光柱面显象管：垂直方向实现了完全的笔直完全平面显示器：屏幕失真、反光都被减小到了最低限度，画质清晰，色彩鲜艳。CAD/CAM系统的硬件环境—显示器2、液晶显示器（LCD）：工作电压低、功耗小；无辐射；完全平面，无闪烁；既轻又薄；抗干扰性能强。3、等离子体显示器（PDP）、场致显示器（FED）、发光聚合体显示器（LEP）等等CAD/CAM系统的硬件环境--数控机床数控机床是数字控制机床的简称，是一种装有程序控制系统的自动化机床。该控制系统能够逻辑地处理具有控制编码或其他符号指令规定的程序，并将其译码，从而使机床动作并加工零件。作为当今制造业主流设备的数控机床，已经成为衡量一个国家制造业综合实力的重要标志。CAD/CAM系统的硬件环境-数控机床CAD/CAM系统的硬件环境--测量机测量机是逆向工程的关键设备之一。逆向工程定义：将实物转变为CAD模型相关的数字化技术，几何模型重建技术和产品制造技术的总称。测量工作原理：将被测物体置于三坐标测量空间，可获得被测物体上各测点的坐标位置，根据这些点的空间坐标值，经计算求出被测物体的几何尺寸，形状和位置。CAD/CAM系统的硬件环境--测量机CAD/CAM系统的硬件环境--快速原形机（RapidPrototyping，简称RP）快速成型技术是在现代CAD/CAM技术、激光技术、计算机数控技术、精密伺服驱动技术以及新材料技术的基础上发展起来的。RP技术的基本原理是：“分层制造，逐层叠加”，类似于数学上的积分过程。形象地讲，快速成形系统就像是一台“立体打印机”，又称3D打印机。CAD/CAM系统的硬件环境--快速原形机（RapidPrototyping，简称RP）快速成形技术的优越性：在无需准备任何模具、刀具和工装卡具的情况下，直接接受产品设计（CAD）数据，快速制造出新产品的样件、模具或模型。因此，RP技术的推广应用可以大大缩短新产品开发周期、降低开发成本、提高开发质量。由传统的去除法到今天的增长法，由有模制造到无模制造，这就是RP技术对制造业产生的革命性意义。快速原形机制作的样品CAD/CAM系统的软件环境—系统软件在CAD系统的软件环境中可以分为三类：系统软件，应用平台和应用软件系统软件：主要包括操作系统、编译系统、用户界面管理、数据库系统、网络通信协议等底层软件。如，Unix，Windows，Linux，OS2，Oracle，DB2，SQLServer，VisualC++，ObjectC，TCP/IP，XML等。CAD/CAM系统的软件环境---应用平台1)Ope