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1、专题二：CIMS组成与体系之CAx(上),朱海平 机械学院制造装备数字化国家工程中心/工业工程系,现代集成制造系统,2,2020/8/2,主要内容,CAD CAE CAM CAD/CAM集成,3,2020/8/2,为什么需要CAD?,传统的设计方式 重复的工作 容易出错 不易更改 不易保存 复制困难 效率不高 ,4,2020/8/2,设计在整个生产周期中所占的比重,设计开发,制造,时间 百分比（%),5,2020/8/2,数字BOEING,技术趋势 虚拟设计制造 全生命周期设计制造PLM 并行工程CE 全球化的协作平台EXSTAR,开发设计工作的重要性,6,2020/8/2,什么是CAD?,C
2、AD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、分析和编写技术文档等设计活动的总称。 即，设计者向计算机输入根据设计要求建立的数学模型、设计参数等，通过计算机检索相关计算、优化，以图形方式显示设计结果，设计人员可对结果进行放大、缩小、旋转、平移、变换等处理，直到获得满意结果，最后将结果以图形或数据形式输出的过程。,7,2020/8/2,计算机辅助设计包括的内容： 概念设计 优化设计 有限元分析 计算机仿真 计算机辅助绘图 etc 完整的CAD系统包括： 处理算法 图形系统 工程数据库,什么是CAD?,8,2020/8/2,9,2020/8/2,CAD子系统,CAD技
3、术简史 CAD的组成 CAD的功能,10,2020/8/2,CAD技术简史,50年代中期：US Air Forces SAGE MIT Lincoln Laboratory 最早使用光笔,11,2020/8/2,CAD技术简史,1959，DAC-1（Design Automated by Computer ）, 第一个commercial CAD 系统，由IBM为General Motors开发,Dr. Patrick J. Hanratty 于1957 开发了第一个commercial numerical-control programming system 被称为：“the Father
4、of CADD/CAM ”,12,2020/8/2,CAD技术简史,60年代初期，Ivan Sutherland，SKETCHPAD 光笔实现人机交互，定位图形元素 工程图轮廓、尺寸等的分层表示 交互式图形学与计算机辅助设计的基础,13,2020/8/2,CAD技术简史,1962年，S. A. Coons发表：An outline of the requirements for the computer Aided Design 计算机辅助设计需求纲要 设计者使用 CRT显示器与光笔操作 从概念设计、生产设计以及制造均采用计算机辅助 仅仅是设想了计算机辅助设计的形式,14,2020/8/2,C
5、AD技术简史,In 1960 McDonnell Douglas Automation Company (McAuto) 的CADD 是最早的 CAD程序 可以显示2D与3D的线条 1967 Dr. Jason R Lemon 创建了 SDRC David Evans and Ivan Sutherland founded in 1968 Evans and Sutherland In 1969 Computervision成立，第一个商用 CAD system 卖给了 Xerox 公司 （施乐） 1969年，Xerox PARC 成立 ，GUI诞生,15,2020/8/2,CAD技术简史,1
6、963年，Stanford Research Institute的Doug Englebart 发明鼠标,16,2020/8/2,CAD技术简史,1969年，ARPANET 诞生 1970年，法国Renault 公司的Pierre Bezier提出一种全新的数学方法，用于构造汽车自由曲面。由他领导研制的Unisurf曲面造型和UniAPT曲面加工系统，从1972年起应用于汽车外形打样和模具加工，为计算机辅助几何设计CAGD研究方向奠定了基础和发展方向。 美国的洛克希德公司从1974年起向市场推出了CADAM系统，成为70年代中至80年代末国际上最流行的第一代IBM主机版交互绘图系统 麦道公司从
7、1976年起开发Unigraphics系统，简称UG，目前属于EDS公司（1975年建立） 法国 Dassault 公司1975年花一百万美元买下了CADAM源程序，学习CADAM的技术诀窍，同时又发展Bezier曲面造型方法，自主开发了CATIA飞机外形设计和数控加工系统。 现代CAD 诞生。,17,2020/8/2,CAD技术发展趋势,三维化 网络化 参数化 集成化 标准化 智能化,18,2020/8/2,CAD技术发展趋势,硬件 大型主机智能终端小型机（TurnKey System）工作站微机网络化 软件 线框系统曲线曲面造型实体造型技术参数化特征造型变量化创新协同设计 模块化，专业分工
8、 PLM：产品生命周期管理,19,2020/8/2,CAD技术简史 CAD建模的发展历程,线框造型: Wire-Frame Modeling 曲面造型: Surface Modeling 实体造型: Solid Modeling 特征造型: Feature Modeling 变量化造型：Variable Modeling,20,2020/8/2,线框造型（60年代）,线框建模是最简单的建模系统，物体只通过棱边（直线、圆弧、园）来描述。 优点：数据结构简单，易于实现，所需信息量少，所占存贮空间也最少。 缺点： 没有面的信息，有些情况下信息不完整，存在多义性。 表面只有几何表示，没有定义，由于缺乏
9、形体的表面信息，不能用于加工，CAE及CAM均无法实现。,21,2020/8/2,曲面造型（70年代）,曲面建模是通过对物体各种表面或曲面进行描述的建模方法。曲面建模常用于其表面不能用简单的数学模型进行描述的物体。 常用的方法: 贝塞尔(Bezier)曲面 B样条(B spline) Coons曲面 NUBERS曲面,22,2020/8/2,CADAM美国洛克希德(Lochheed)公司 CALMA美国通用电气(GE)公司 CV美国波音(Boeing)公司 IDEAS美国国家航空及宇航局(NASA)/SDRC UG美国麦道(MD)公司 CATIA法国达索(Dassault)公司 SURP大众汽
10、车公司 PDGS福特汽车公司 EUCLID雷诺汽车公司 ,曲面造型（70年代）,23,2020/8/2,优点：避免了二义性，有完整的表面和边界，适合自动生成NC加工指令。CAM的问题可以基本解决。 缺点： 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，最大的问题在于分析的前处理特别困难。 不能优效处理不规则区域的曲面、无法定义曲面厚度。 不存在各个表面之间相互关系的信息,曲面造型（70年代）,24,2020/8/2,开发出来的软件商品化程度较军方支持的系统要低，功能覆盖面和软件水平亦相差较大。 价格昂贵,曲面造型（70年代）,25,2
11、020/8/2,三维实体建模是目前应用最多的一种技术，它在运动学分析、物理特性计算、装配干涉检验、有限元分析方面都已成为不可缺少的工具。 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。,实体造型（80年代初）,26,2020/8/2,三维实体建模是目前应用最多的一种技术，它在运动学分析、物理特性计算、装配干涉检验、有限元分析方面都已成为不可缺少的工具。 常用的方法: 边界表示法 Boundary RepresentationB-rep 布尔模型（构造实体几何法） Constructive Solid Geometry-CSG 空间单元表示法
12、,实体造型,27,2020/8/2,B-rep：用边界表面表示一个几何形体，边界表面再分为边和点等底层几何元素 比线框建模方便的图形交互功能 难于建立复杂的几何体模型,实体造型 边界模型,28,2020/8/2,布尔模型是通过基本体素及它们之间的布尔运算（相加、相减、相交）来表示的。 布尔模型将任何几何形体都看成是由简单的“体素”（如长方体、圆柱体、球体、圆锥体、环状体）组成，通过布尔运算系统将这些体素组成所需的几何体。,实体造型 布尔模型,29,2020/8/2,用简单实体(称为体素)通过集合运算交、并、差构造复杂实体。,实体造型 布尔模型,30,2020/8/2,空间单元表示法是通过具有一
13、定大小的立方体（称为单元）组合起来表示物体的一种方法。 通过定义各个单元的位置是否被占用来表达物体，因而是一种近似表示法。并且，单元的大小直接影响到模型的分辨率。 单元表示法要求的存贮空间大，且不能表示物体各部分之间的关系，也没有点、线、面的概念。优点是算法简单，便于物理性计算和有限元分析。,实体造型 空间单元表示法,31,2020/8/2,实体造型技术带来了算法改进和未来发展的希望的同时，也带来了数据计算量的极度膨胀。 由于以实体模型为基础的CAE本身就属于高层次技术，普及面窄。 算法和系统效率的矛盾使实体造型技术因此没能在整个行业迅速推广。 CV公司最先在曲面算法上取得突破，计算速度提高很
14、大。,实体造型,32,2020/8/2,特征造型：使实体造型中的几何体被赋予较高层次（相对于几何、拓扑等较低层次信息而言）的工程信息（如定位基准、公差、粗糙度或其他设计制造信息），提供参数化尺寸驱动的特征造型功能。 特点：基于特征、全尺寸约束、全数据相关、尺寸驱动设计修改。,特征造型 80年代中期,33,2020/8/2,参数化技术公司（Parametric Technology Corp. PTC）Pro/ENGINEER的参数化软件 进入90年代，以参数化技术为特点的特征造型变得比较成熟起来，充分体现出其在许多通用件、零部件设计上存在的、简便易行的优势。,特征造型 80年代中期,34,20
15、20/8/2,设计员操作的是产品的功能要素，如定位孔，键槽等，而不再是线条和体素。特征的引入体现了设计人员的设计意图，使模型更易理解和组织生产，设计图易修改。 将公差、粗糙度等工艺信息建立在特征模型中，使CAPP和CAM可直接提取所需信息，为开发基于统一产品信息模型的CAD/CAPP/CAM集成系统创造了条件,特征造型的特点,35,2020/8/2,复合建模技术，并非完全基于实体，难以全面应用参数化技术。 CV、CATIA、UG SDRC公司在1990前摸索了几年参数化技术后，也面临着同样的抉择： 采用逐步修补的方式，继续将其I-DEAS软件参数化下去？ 全部改写？ SDRC的开发人员发现参数
16、化技术（特征造型）有许多不足。 全尺寸约束的硬性规定干扰和制约着设计者创造力和想象力的发挥。 如在设计中关键的拓扑关系发生改变，失去了某些约束特征也会造成系统数据混乱。,特征造型的问题,36,2020/8/2,SDRC的开发人员大胆地提出了一种更为先进的实体造型技术变量化技术。 从1990年到1993年，SDRC公司投资一亿美元，于1993年推出了全新体系结构的I-DEAS Master Series软件。在早期的大型CAD软件中，这是唯一一家在90年代将软件彻底重写的厂家。 变量化技术既保持了参数化技术的原有优点，同时又克服了它的许多不足之处。 截止到2002，SDRC的市场排名已由I-DEAS MS1发布时的第九名，上升至第三位。,变量化造型,37,2020/8/2,一个CAD系统由两部分组成： 高性能的硬件 功能强大的软件,CAD子系统的组成,38,2020/8/2,CAD硬件的组成 计算机分为大型机，中、小型机，工作站和微机四大类。 外围设备包括鼠标、键盘、扫描仪等输入设备和显示器、打印机、绘图仪、拷贝机等输出设备。 网络系统包括中继器、网桥、路由器、网关、Modem方式连接
