cad原理2011年-第一章

CAD原理及软件应用陈渭教授课程概述性质：本课程是机械制造及自动化、机械设计及理论和机械电子工程专业研究生专业基础课。目的：通过本课程的学习，使学生初步掌握CAD的基本知识，了解处理CAD问题的基本方法，提高学生应用CAD解决实际问题的能力。任务：系统的讲授CAD的基本知识，包括CAD发展及应用、CAD软件构成及技术核心，计算机输入及输出，坐标变换、3D实体模型生成、软件Pro/E功能及应用，着重于学生提高应用CAD方法解决实际问题的能力。课程概述课程包括12章(80学时，授课30时，作业8时，答疑2时，课外40机时)1.CAD技术及发展简介(4)2.计算机软件与硬件(2)3.计算机图形处理技术(4)a)2D、3D几何变换b)2D、3D几何变换c)平行投影5.Pro/ENGINEER设计建模系统介绍(4)a)Pro/ENGINEER基础及基于特征的实体建模CAD系统b)Pro/E用户界面及零件、装配模型的生成课程概述6.2D截面绘制(2)1）了解驱动尺寸与参数化截面的概念；2）掌握2D几何图素绘制与编辑操作；3）掌握尺寸标注与修改操作；4）掌握几何约束条件与设定操作；7.3D造型基础(2)1）了解特征与特征造型的概念；2）掌握3D造型的基本方法3）掌握工程特征生成方法4）掌握特征的阵列与复制操作；课程概述8.高级造型设计(2)掌握高级造型方法掌握特征操作与设计变更操作；掌握各种曲线曲面设计方法；9.工程图、文件及文件变换(2)10.设计优化简介(2)11.CAD数据组织(2)a)数据结构及数据库b)图形标准和CAD/CAM数据转换12.复杂零件建模、复杂装配(4)课程要求作业（禁止直接下载，如有雷同，0分）练习/项目(小组3-5人，课堂报告形式)课堂（签到，发言，纪律）考试（闭卷）评分标准作业25%项目30%出勤5％考试40%项目评分：任务工作量，难度，完成情况，及个人任务完成情况作业上交规则作业:•每次限定交作业时间.•迟交不记分.•项目作业以课堂报告形式.切记:•不要只给方程–请解释你的推导.•别跳过你的计算过程–写出全部的过程.交作业作业:电子版邮箱地址:第一章CAD技术及发展简介1.1CAD的内涵1.2CAD基本功能1.3CAD系统组成1.4CAD的主要目标1.5CAD/CAM的发展概况1.6CAD/CAM的基本概念1.6CAD/CAM的基本概念1.7CAD/CAM系统的工作过程1.8CAD/CAM系统的主要任务1.9CAD/CAM技术的应用1.10主要的CAD/CAE/CAM软件1.1CAD的内涵CAD：ComputerAidedDesign什么是设计什么是CADQ1：设计的定义设计是一种有目地的创作行为。设计是在我们要达到什么和我们如何达到它之间的互动。设计是把一种计划、规划、设想通过视觉的形式传达出来的活动过程机械设计是根据使用要求对机械的工作原理、结构、运动方式、力和能量的传递方式、各个零件的材料和形状尺寸、润滑方法等进行构思、分析和计算并将其转化为具体的描述以作为制造依据的工作过程。Q2：CAD的定义定义一CAD是一种用机算机硬、软件系统辅助，人们对产品或工程进行设计的方法与技术，包括设计、绘图、工程分析与文档执著的设计活动。定义二以计算机为工具，通过人机交互，处理产品设计过程中的图形和数据信息，辅助完成整个产品设计过程的一门综合技术。1.2CAD（CAE/CAM）基本功能•几何建模用基本几何实体及其相互关系构造零件或产品三维几何模型；•工程分析进行运动学、动力学、有限元分析，优化设计等；•工艺编程自动决策生成加工方法、工艺路线、工艺参数和加工设备；•数控编程选择所需要刀具和工艺参数，确定走刀方式，生成刀具轨迹，后置处理，生成NC程序。•模拟仿真预测产品工作性能，检查NC代码正确性，检查制造过程几何干涉和物理碰撞，分析产品可制造性；•数据管理提供有效的工程数据管理手段，支持产品设计与制造全过程数据信息流动和处理。CAD（CAM）几何建模实例CAECAMCAD1.3CAD系统组成CAD/CAM系统硬件系统软件系统计算机生产设备外围设备系统软件支撑软件应用软件1.4CAD的主要目标请思考-----传统机械产品设计的基本流程减少人的工作量/错误缩短设计时间降低开发成本给不同的团队、平台之间提供交流工具总之：解放了人，提高了效率，降低了成本CAD/CAM技术经历了形成、发展、提高和集成阶段。形成期（20世纪50年代~60年代）（1）技术准备20世纪50年代，数控机床研制成功；麻省理工学院用计算机制作数控纸带，实现了NC编程的自动化；CAD最初概念：设想计算机辅助的过程是通过自动运行的各个程序实现的，是解决不同复杂程度的生产计划问题的各个过程，从设计、分析到计算都是在人与计算机之间交互进行的。1.5CAD/CAM发展概况20世纪60年代初，MIT研究生I.E.Sutherland发表了《人机对话图形通信系统》论文，研制了SKETCHPAD系统，首次提出计算机图形学、交互技术及基于分层数据结构的图形符号存储技术等思想。20世纪60年代初，出现了许多商品化的CAD设备及系统。IBM公司推出用于大型机设计与制造的CAD/CAM系统，该系统具有绘图、数控编程及强度分析等功能；通用汽车（GM）公司研制了用于汽车设计的DAC-1系统；洛克希德飞机公司开发了CADAM系统。1962年，第一台工业机器人研制成功，实现了物料搬运的自动化。1966年，出现了用大型通用计算机直接控制多台数控机床的DNC系统。1.5CAD/CAM发展概况（2）单元技术的出现计算机辅助设计(CAD)20世纪60年代初期，主要是交互式绘图和三维线框建模。线框模型无法表达几何数据间的拓扑信息和表面信息，无法实现(CAE)和(CAM)。计算机辅助制造(CAM)20世纪50年代初期，主要侧重于数控加工自动编程。计算机辅助工艺规划(CAPP)20世纪50年代中期，其主要功能是产品加工工艺规划制定。计算机辅助工程分析(CAE)20世纪80年代，其主要功能是指产品几何形状的模型化和工程分析与仿真。发展期(20世纪60年代中期~70年代中期)以小型机、超小型机为主机的CAD系统；针对某个特定问题的CAD成套系统；面向中小企业的CAD/CAM商品化系统；1967年，英国莫林公司——CNC自动化制造系统；20世纪70年代初，美国辛辛那提公司——柔性制造系统(FlexibleManufacturingSystem，FMS)。提高期（20世纪80年代~90年代）CAD/CAM技术在中小企业得到推广；应用领域：由产品设计发展到工程设计；计算机辅助工艺规程设计(CAPP)；计算机辅助工装设计；计算机辅助质量控制(CAQ)；研制高效益、高柔性的智能化制造系统。集成期（20世纪90年代后）CAD/CAM技术向着集成化、智能化、网络化、可视化、并行化、标准化的方向发展。以I-DEAS、UGⅡ、Pro/Engineer等为代表的CAD/CAM软件(硬件平台以工程工作站为主)推出了微机版本。推出一批优秀的基于微机平台的CAD/CAM软件，如SolidWorks、Inventor、MDT、MasterCAM、CATIA等国内公司开发了一批具有自主知识产权的CAD/CAM系统，如金银花CAD系统、CAXA系列软件、开目CAD系列软件等。发展趋势（20世纪90年代后）•计算机辅助概念设计需解决建模和推理两大技术难题。•计算机支持的协同设计须解决：①群体成员间实时、可靠、廉价的信息交换；②保证异地、异构环境下协同设计系统可靠运行；③群体成员冲突协调解决机制。•海量信息的存储、管理和检索技术•智能CAD/CAM技术•CAD/CAM与虚拟现实技术的集成•计算机安全1.6CAD/CAM的基本概念机械产品的生产过程分析CADCAM一、产品设计的分类根据产品设计过程的特点，可将设计划分为：(1)功能设计确定产品功能和结构之间的对应关系。(2)布局设计完成技术实体部分(零部件)的排列组合。(3)参数设计定义零部件的几何形状及尺寸参数。(4)公差设计制定形状、位置及尺寸精度。根据各设计任务所占的比重不同，又可将设计划为：(1)新设计是一种从无到有的开放性设计。通常从概念设计、功能设计开始，或者重新排列现有的、新的零部件以达到设计目的。新设计通常需要创造性思维。(2)适应性设计保持总体布局不变，通过修改个别零部件的功能或形状以适应质和量方面的附加要求。(3)参数化设计功能、布局、零件的几何拓扑关系均保持不变，仅改变零件的尺寸参数，以产生系列化的设计结果。二、为什么需要CAD/CAE产品设计现状：据统计，机械制造领域的设计工作有56%属于适应性设计，20%属于参数化设计，只有24%属于新设计。某些标准化程度高的领域，参数化设计达到50%左右。（CAD）工艺规程设计编制工艺规程是设计、制造过程中生产技术准备工作的重要环节，过去一直是工艺人员手工完成，不仅效率低，而且依附于人的技能和经验，很难获得最佳方案。同时，与产品设计一样，也存在重复工作的问题。（CAPP）。加工制造过程在机械制造行业，50件以下的小批量生产约占75%。据统计，一个零件在车间的平均停留时间中，只有5%的时间在机床上，而这5%的时间中，又只有30%的时间用于切削加工。绝大部分时间都消耗在工件的装卸、调整、测量及等待切削上。要改进这一状况，必须借助计算机对产品的加工制造过程进行控制。（CAM）CAD/CAM技术：不是传统设计、制造流程和方法的简单映像，也不是局限于在个别步骤或环节中部分地使用计算机作为工具，而是将计算机科学与工程领域的专业技术以及人的智慧和经验以现代的科学方法为指导结合起来，在设计、制造的全过程中各尽所长，尽可能地利用计算机系统来完成那些重复性高、劳动量大、计算复杂以及单纯靠人工难以完成的工作，辅助而非代替工程技术人员完成整个过程，以获得最佳效果。CAD/CAM系统以计算机硬件、软件为支持环境，通过各个功能模块实现对产品的描述、计算、分析、优化、绘图、工艺规程设计、仿真以及NC加工。而广义的CAD/CAM集成系统还应包括生产规划、管理、质量控制等方面。三、CAD/CAM的基本概念★计算机辅助设计(ComputerAidedDesign)简称CAD，是指工程技术人员以计算机为工具，用各自的专业知识对产品进行总体设计、绘图、仿真、分析及编写技术文档等设计活动的总称。★计算机辅助制造(ComputerAidedManufacturing)简称CAM，是指使用计算机系统进行生产规划、管理和控制产品制造的全过程，它既包括与加工过程直接联系的计算机监测与控制，也包括使用计算机来管理生产经营，提供计划进度表等。狭义的CAM是指计算机辅助机械加工，更确切地说，是指数控程序的编制。广义的CAM是指利用计算机辅助完成从毛坯到产品全部制造过程中的各种直接和间接的活动，包括工艺准备、NC编程、生产作业计划、生产控制、质量控制等。三、CAD/CAM的基本概念输入设计要求建立设计模型方案设计结构设计评价输出图样，文件CAPPNC自动编程加工模拟评价加工制造YYNN数据库图形库图形库数据库图形库图形库(1)需求分析，几何建模。(2)详细设计及优化，图形输出。(3)人机交互，模型修正。(4)工艺规程设计，结果输出。(5)工艺规程修改。结果存储。(6)生成NC加工指令，加工制造。(7)工艺仿真，干涉、碰撞检验。(8)加工制造。1.7CAD/CAM系统的工作过程1.8CAD/CAM系统的主要任务CAD/CAM系统需要对产品设计、制造全过程的信息进行处理，包括设计、制造中的数值计算、设计分析、绘图、工程数据库的管理、工艺设计、加工仿真等各个方面。(1)几何造型几何造型是指在计算机中建立零件的三维实体模型。先进的CAD都提供参数化的基于特征的实体造型方法。几何造型技术是CAD/CAM系统的核心，它为产品的设计、制造提供基本数据