1、计算机辅助设计与制造计算机辅助设计与制造 Computer Aided Design and Manufacturing 南昌大学南昌大学 刘建胜刘建胜 本课程学习方法建议 由于CAD/CAM是一门新兴技术，其开展较快，因此在教学的内容上将在教材根底上对一些知识点进行扩展。根本概念是学习的重点。本课程教学的目的是为今后的学习和工作建立根底，因此根本概念的掌握最重要。上机练习有助于理解教学内容。更重要的是CAD/CAM技术本身就是一门可以直接在生产实际中产生效益的新兴技术。第一讲 CAD/CAM技术根底 主讲：刘建胜 1.CAD/CAM技术根底 本章内容：主要介绍本章内容：主要介绍CAD/CAM
2、 的根本概念，的根本概念，CAD/CAM技术的状况及其技术的开展技术的状况及其技术的开展 CAD CAPP CAM 1.1 CADCAM的根本概念的根本概念 CAD/CAM技术是一门多学科综合性应用技术，是20世纪制造领域最杰出的技术之一。CAD/CAM是计算机辅助设计和计算机辅助制造的縮写。70年代初期产生的术语，其中斜杠表示设计和制造的自动化以及信息的集成化。也有将CAD、CAM、CAE分析、CAQ等统一写成CAX。CAD/CAM技术在近半个世纪的应用实践中，它的重大奉献已被国际科技界和工业界所公认。美国工程科学院评为自1964年以来当代最杰出奉献的十项工程技术成就之一。CAD(Compu
3、ter Aided Design):是指工程技术人员以计算机为工具完成产品设计过程中的各项任务，如草图绘制、零件设计、装配设计、工装设计、工程分析等 计算速度高、可编程因而可修改、存储量大、记忆能力强、重复工作不会“疲劳，但无创造能力。有知识、思想、经验、创造性，但记忆能力有限、存储有限，易疲劳、易失误、计算速度慢 计算机：工程技术人员：计算机辅助设计计算机辅助设计 Computer Aided Design 将人与计算机结合，取各自所长。在交互方式下组成一个高效的工作组设计工作组 design team。人人 CAD 计算机计算机 主观能动力 应用交互 支持环境 对对CAD的误解的误解 自动
4、设计，从而完全替代人的作用。辩析：目前一些系统将人的经验知识嵌入软件，使得计算机有一定的“智能，但只有有限的能力。CAD只是将原先的图纸搬到计算机上进行设计。辩析：忽略了计算机在计算速度、修改、存储方面的优势。从CAD的定义引深两个含义：在CAD中，人与计算机的角色是互相不可取代的；CAD的工作组中，应尽可能发挥人和计算机各自的特长。CAM定义 Computer Aided Manufacturing 广义CAM 狭义CAM 广义CAM包含了整个生产自动化过程、计算机辅助设计制造编程、物料处理与控制、作业方案和生产监控等。而狭义CAM仅指应用CAM技术进行数控程序的生成、数控代码经通讯接口传输
5、到数控机床，进行数控加工。CAM(Computer Aided Manufacturing):制造人员借助于计算机完成从生产准备到产品制造出来的过程中各个环节与活动，如数控加工编程、制造过程控制、质量检测等。CAPP(Computer Aided Process Planning):是指工艺人员利用计算机，根据产品制造工艺要求，交互或自动地确定产品加工方法和方案，如加工方法的选择、工艺路线和工序的设计等。从产品制造的过程理解从产品制造的过程理解CAD/CAM 产品设计阶段 工艺设计阶段 产品生产阶段 任务规程 概念设计 结构设计与分析 详细设计 工程设计 毛坯设计 工艺路线设计 工序设计 工装
6、设计 NC编程 加工仿真 NC加工 质量控制 装配 性能测试 市场 需求 产品 CAD CAPP CAM 将三者集成 CAD/CAM 传统制造概念与过程 从产品制造的过程理解从产品制造的过程理解CAD/CAM 现代制造概念与过程 市场需求分析 产品概念设计 产品设计 生产准备 生产制造 质量控制 销售 服务 管理与协调 利用计算机完成各个环节的工作成为CAD/CAM 从产品制造的过程理解从产品制造的过程理解CAD/CAM 几点说明：1、计算机技术只能解决信息的查询与统计，信息的管理、重复而繁琐的工作等，而并不能代替人的工作，特别是创造性的工作。2、现代制造概念很大，本书CAD/CAM的概念只涉
7、及到产品的设计、工艺设计、加工、车间控制与质量控制等内容。3、上述制造环中有三个流：物流、资金流与信息流。4、企业制造资源有人、财、物、技术与信息。CAD/CAM的根本功能的根本功能 在CAD/CAM系统中，人们利用计算机完成产品结构描述、工程信息表达、工程信息的传输与转化、信息管理等工作。因此，CAD/CAM系统应具备以下根本功能：1、产品与过程的建模 如何用计算机能够识别的数据信息来表达描述产品。如产品形状结构的描述、产品加工特性的描述、如何将有限元分析所需要的网格及边界条件描述出来等等。CAD/CAM的根本功能的根本功能 2、图形与图像处理图形与图像处理 在在CAD/CAM系统中系统中，
8、图形图像仍然是产品形状与图形图像仍然是产品形状与结构的主要表达形式结构的主要表达形式，因此因此，如何在计算机中表达如何在计算机中表达图形图形、对图形进行各种变换对图形进行各种变换、编辑编辑、消隐消隐、光照等光照等处理是处理是CAD/CAM的根本功能的根本功能。CAD/CAM的根本功能的根本功能 3、信息存储与管理信息存储与管理 设计与制造过程会产生大量、种类繁多的数据，如设计分析数据、工艺数据、制造数据、管理数据等。数据类型有图形图像、文字数字、声音、视频等；有结构化和非结构化的数据；有动态和静态数据等。怎样将CAD/CAM系统产生这些大量的电子信息存储与管理好，是CAD/CAM的必备功能。采
9、用工程数据库。CAD/CAM的根本功能的根本功能 4、工程计算分析与优化工程计算分析与优化 工程分析和几何计算：计算体积、重心、转动惯量等几何特性和物理特性；结构分析：应力、温度、位移计算；图形处理中的矩阵计算；工艺规程设计中的工艺参数计算；5、工程信息传输与交换工程信息传输与交换 信息交换有CAD/CAM系统与其他系统的信息交换和同一CAD/CAM系统中不同功能模块的信息交换。CAD/CAM的根本功能的根本功能 6、模拟与仿真模拟与仿真 为了检查产品的性能为了检查产品的性能，往往需要对产品进行各种试往往需要对产品进行各种试验与测试验与测试，需要专门的设备与生产出样品需要专门的设备与生产出样品
10、，并具有并具有破坏性破坏性，时间长时间长，本钱大本钱大。通过建立产品或系统的通过建立产品或系统的数字化模式数字化模式，采用计算机模拟技术可以解决这一问采用计算机模拟技术可以解决这一问题题。如加工轨迹仿真如加工轨迹仿真，机构运动仿真机构运动仿真，工件工件、刀具刀具和机床碰撞与干预检验等和机床碰撞与干预检验等。CAD/CAM的根本功能的根本功能 7、人机交互人机交互 数据输入数据输入、路线与方案的选择等路线与方案的选择等，都需要人都需要人与计算机进行对话与计算机进行对话。人机对话交互的方式有软件界人机对话交互的方式有软件界面与设备面与设备键盘键盘、鼠标等鼠标等 8、信息的输入与输出信息的输入与输出
11、 信息的输入与输出有人机交互式输入输出与信息的输入与输出有人机交互式输入输出与自动输入输出自动输入输出。CAD/CAM的根本功能的根本功能 CAD 几何造型几何造型 工程绘图工程绘图 工程分析和优化工程分析和优化 模拟与仿真模拟与仿真 CAPP 工艺知识检索工艺知识检索 工艺路线生成工艺路线生成 工艺设计工艺设计 CAM 数控加工编程数控加工编程 加工仿真加工仿真 车间管理车间管理 计划调度计划调度 质量控制质量控制 工程数据库 EDBMS 从从CAD/CAM系统工作过程看系统工作过程看CAD/CAM的根本功能的根本功能 CAD/CAM技术的开展回忆技术的开展回忆 CAD技术的开展：1形成期
12、1950 MIT CRT(阴极射线管)计算机能够处理图形 计算机图形学。2.开展期 50年代 光笔交互式会图 60年代 屏幕菜单点击、功能键盘、光笔定位、图形动态修改。1962 美国 Ivan Sutherland 第一个交互式图形系统SketchPad 2D系统 3、成熟期 1973 实体造型技术 实体造型软件 3D系统 4.集成期 信息分散、不能共享，不能发挥合力效益，开发专用接口，本钱大，自动化程度不高 等等 集成CAD/CAM.CAD/CAM技术的开展回忆技术的开展回忆 CAM技术的开展 1952年数控机床1955自动编程工具APT 1958自动换刀系统加工中心MC 1962工业机器人
13、物料搬运自动化，利用一台计算机控制多台数控设备(直接数控系统)DNC FMS.70年代，交互式图形编程系统，CAM成熟 智能化，集成化，自动化。CAD/CAM技术的开展回忆技术的开展回忆 CAPP技术的开展 1969年，挪威，成组技术，零件分类归族，典型样件与典型工艺 AutoPros 1980年，英国AutoCAP.派生式CAPP系统。简单，实用，本钱低，周期短；但与企业的特性相关度高，一般不适合于其他企业。采用规那么，推理，根据工艺的特性，自动生成工艺路线，成为创成式CAPP，自动化程度高，适合于多种企业。但由于工艺过程涉及的因素多，开发周期及本钱高，目前仍然在研究阶段。80年代中期，CA
14、PP专家系统。CAD/CAM的集成技术的集成技术：CAD、CAPP、CAM技术长时间独立开展，使数据结构、技术长时间独立开展，使数据结构、软件结构、平台等方面有很大差异。系统之间不能进行自软件结构、平台等方面有很大差异。系统之间不能进行自动的数据交换，需要大量的人工参与以完成数据传输工作，动的数据交换，需要大量的人工参与以完成数据传输工作，严重阻碍严重阻碍CAD、CAPP、CAM技术的效益与开展。技术的效益与开展。80年代，年代，人们致力于人们致力于CAD、CAPP、CAM技术集成研究。相继推出技术集成研究。相继推出了了CADAM、CATIA、UG、Pro/E等。等。CAD/CAM技术的开展回
15、忆技术的开展回忆 CAD/CAM的应用现状的应用现状 机械是主要应用领域机械是主要应用领域 2D应用最广应用最广 我国在我国在2D CAD系统和系统和CAPP系统中自主产品系统中自主产品，市场占有市场占有率较高率较高。3D刚起步刚起步。CAD/CAM的应用效益的应用效益 生产精度与产品质量提高生产精度与产品质量提高 产品开发周期缩短产品开发周期缩短 GM 汽车汽车 5年年3年年 新产品可靠性提高新产品可靠性提高 20%60%生产本钱下降生产本钱下降 波音波音777未生产样机未生产样机 详细效益请见详细效益请见P11 CAD/CAM技术的应用技术的应用 制造企业面临的市场形式制造企业面临的市场形
16、式 产品形式多样化产品形式多样化、个性化个性化，生产方式由大批量生产方式由大批量、少品种少品种少批量少批量、多品种；多品种；市场响应速度快市场响应速度快。大吃小大吃小快吃慢快吃慢 产 品 的 范 畴：产 品产 品 的 范 畴：产 品 产 品产 品 P+质 量质 量 Q+时 间时 间 T+效 劳效 劳 S (T,Q,C,S)竞争范围：区域竞争范围：区域全球全球 核心竞争力核心竞争力创新技术与人才创新技术与人才 各种新技术的出现与应用各种新技术的出现与应用，特别是计算机与信息技术特别是计算机与信息技术，Internet 上述原因上述原因，企业未来呈现的特点：企业未来呈现的特点：CAD/CAM技术的新开展技术的新开展 上述原因，企业未来呈现的特点：产品开发生产周期短，上市快；制造柔性化；整个产品生命周期内的质量保证 企业组织形式，出现虚拟企业与企业联盟 生产过程更为精良 人才素质高 智能化与自动化程度高 绿色制造 分布、并行、集成并存 CAD/CAM技术的新开展技术的新开展 企业未来力呈现的特点对CAD/CAM系统的要求 1、集成化，2、智能化，3、网络化，4、分布并行处理，5、综合技术的产
