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1、11.1. 课题概述课题概述1.11.1 CADCAD 三维建模技术的发展随着现代先进机械设计方法的快速发展，受CIMS 计算机集成制造系统、并行工程 (ConcurrentEngineering,CE)、敏捷制造(Agile Manufacturing,AE)的影响，对CAD 三维建模方法提出了新的要求，文章着重介绍了三维设计的优点及其发展历程。1.1.11.1.1 CADCAD 技术的概念技术的概念CAD(Computer Aided Design)是利用计算机强大的图形处理能力和数值计算能力，辅助工程技术人员完成工程或产品的设计和分析的一种技术。自1950 年诞生以来已广泛应用于机械、电
2、子、建筑、化工、航空航天以及能源交通等相关领域。随着产品设计效率的飞速提高，现已将计算机辅助制造技术(Computer AidedManufacturing ， CAM) 和产品数据管理技术(Product Data Management，PDM)、计算机集成制造系统(Computer Itegrated manufacturing system，CIMS) 及计算机辅测试(Computer AidedTesting，CAT)融于一体。产品设计是决定产品命运的探究，也是最为重要的环节，产品的设计工作决定了产品成本的70%以上，采用先进制造技术的企业必然将产品设计这个环节视作其生命线，先进设计技
3、术必然成为先进制造技术的核心之一。先进制造技术经历了信息集成过程集成企业集成的发展历程，现代CAD 技术也在沿着信息集成过程集成企业集成的道路发展。故而现代CAD 技术是指在复杂的大系统环境下,支持产品自动化设计的设计理论和方法、设计环境、设计工具各相关技术的总称，它们能使设计工作实现标准化、开放化、集成化、网络化和智能化，达到提高产品设计质量、降低产品成本和缩短设计周期的目的。1.1.21.1.2 CADCAD三维建模方法的发展三维建模方法的发展自上世纪70 年由MIT 林肯实验室的E.Sutherland 发表的人机通信的图形系统博士论文为开始，CAD 三维建模技术至今已经历了线框模型、表
4、面模型、实体模型方法，以及正在发展中的特征建模、行为建模方法。1.线框模型(wire-frame model)2线框模型是指用多边形线框来描述三维形体的轮廓得到的模型；采用数据结构：顶点表边表；其优点在于简单，仅需要端点信息；缺点：信息不完整，有二义性，不能用于NC 加工等。2.表面模型(surface model)表面模型是指用有序连接的棱边围成的有限区域来定义立体的表面，再由表面的集合来定义立体所得到的三维模型。表面造型是在线框造型的基础上发展起来的,它的产生应归因于航空业与汽车业的迅猛发展。由于飞机及汽车制造中遇到的大量自由曲面问题,在当时只用多截面视图和特征纬线的方法来表达,在制造上依
5、赖于用油泥模型来近似模拟曲面,因而人们开始研究新的更先进的描述手段 光滑曲面,由于表面造型比线框造型增加了有关面边(环边)信息以及表面特征、棱边的连接方向等内容,从而可以满足曲面求交、线面消隐明暗色彩图、数控加工等应用,使在CAD 阶段建立的模型数据在CAM 阶段可用。表面造型在工程中得到广泛的应用，但曲面模型只能表达形体的表面信息,对有限元及零件的物性计算等方面无从开展,满足不了工程优化设计的需求。表面造型所采用的数据结构：顶点表边表面表；优点：信息更完整，可准确定义形体，可用于NC 加工等；缺点：不能描述内部及特征，很多分析不能进行。3.实体模型(solid model)实体模型：随着技术
6、的进步,计算机辅助工程分析(CAE)的需求日益高涨,CAE 要求能获得形体的完整信息,而线框和曲面模型对形体的表述都不完整。在此背景下，实体造型技术产生在6060年代末,商用化始于1979 年,SDRC 推出了世界上第一个完全基于实体造型技术的CAD/CAE/CAM一体化的软件I-DEAS。实体造型技术与线框造型相比,实体造型增加了实体存在侧的明确定义,给出了表面间的相互关系等拓扑信息，因而能够精确表达零件的全部属性,有助于统一CAD、CAM、CAE 的模型表达,在设计和加工上可以减少数据的损失,保持数据的完整性。实体造型常用的表示形式有：构造的实体几何(CSG)表示、边界表示(B-Rep)和
7、扫描表示。其中最关键的运算有形体的求交运算、集合运算和欧拉操作。实体模型技术的优点：(1)确定了表面的方向性；3(2)可定义材料的物理性能等简单参数；(3)是几何和拓扑意义上信息最为完备的模型；(4)一般实体模型均定义为有效的正则实体。实体模型技术存在的不足：(1)产品定义不完整：模型仅仅能定义产品的几何形状和拓扑关系，许多其它重要信息如公差与精度、材料性质、工艺与装配要求等不包括在模型中；(2)数据的抽象层次低：实体(如体素)主要是几何概念，设计制造中的工程语义，如键槽、中心孔、装配关系等均不能表达；(3)支持产品设计、制造的程度较差：如设计模型修改的效率低，设计信息的跟随性差等。4.特征建
8、模技术80 年代后期,CIMS 技术得到了长足发展,这就要求传统的造型系统除了满足自身信息的完备性之外,还必须为其他系统,如CAPP、PDM、ERP、CAM 等提供反映设计人员意图的非几何信息,如公差、材料等。前面的三种造型方法都是从几何的角度出发,而对于非几何信息,如尺寸、材料、公差、工艺、成本等则没有反映,因而实体的信息是不完整的。在这种需求的推动下,出现了特征建模技术。特征(feature): 客观事物特点的表征,是具有特定语义的信息单元；特征技术: 适合于为集成化、智能化、网络化现代设计方法和先进制造技术提供共享信息的模型理论和技术；特征建模: 基于特征理论和技术的CAD 模型建造技术
9、；特征模型: 以特征为信息单元定义的CAD模型；特征反映了产品零件特点的、可按一定原则加以分类的产品描述信息，将特征引入几何造型系统的目的是增加几何实体的工程意义，为各种工程应用提供更丰富的信息，基于特征的造型把特征作为零件定义的基本单元，将零件描述为特征的集合。特征建模的优点:(1)(1)着重描述产品的完整信息；(2)(2)用高层次的工程语义信息单元：如中心孔、键槽等；(3)(3)将产品设计意图贯彻到后续环节。45. 参数化技术随着以三维CAD 系统为基础的数字化设计相关技术的快速发展，CAD 群组用户越来越希望为本地或同域的终端用户提供大量的CAD 数据资源，也就是常说的CAD 零部件库，
10、它一般可以包括常用的标准件、外购件和自制件模型。而用户在建立这样的零部件数据库时，在数据层面大多采用参数化建模与驱动技术来实现，这样不仅可以提高数据的一致性和可靠性，也为模型数据的后续管理、优化和升级提供了不小的便利。CAD终端在使用这些数据时进行检索的数据量也大为减少，一般只需用标准号、物料名称(描述)、类别即可快速查并打开相应的模型，而无须关注产品的规格或型号，此举同时也大量缩减了模型数据的数(“个数”)。使用参数化建模技术建立起的零部件数据资源库中的文件数量相比较于应用一般建模技术，其仅在文件数量上即可缩减90%左右，数据库的容量亦相应下降为30%以下，大大节约了建库成本和空间占有量，由
11、此带来的使用和管理优势尚难量化统计。因而采用参数化设计将大大降低成本,满足企业参与激烈竞争的要求。1.1.31.1.3三维建模技术的运用三维建模技术的运用随着三维建模理论的不断革新，国内外先后开发出众多建模软件。本文介绍目前较为广泛采用的部分建模软件.CATIA 是英文 Computer Aided Tri-Dimensionalnterface Application 的缩写。采用变量和参数化混合建模并以其特有的DMU 电子样机模块功能推动着企业竞争力和生产力的提高。是世界上一种主流的CAD/CAE/CAM 一体化软件。该软件是法国Dassault System公司的CAD/CAE/CAM一
12、体化软件，居世界CAD/CAE/CAM 领域的领导地位，广泛应用于航空航天、汽车制造、造船、机械制造、电子电器、消费品行业，它的集成解决方案覆盖所有的产品设计与制造领域。CATIA 的优点：(1)CATIA 具有在整个产品周期内的方便的修改能力，尤其是后期修改性；(2)CATIA 所有模块具有全相关性，CATIA的各个模块基于统一的数据平台，因此CATIA 的各个模块存在着真正的全相关性，三维模型的修改，能完全体现在二维，以及有限元分析，模具和数控加工的程序中；(3)并行工程的设计环境使得设计周期大大缩短；5(4)CATIA 覆盖了产品开发的整个过程，CATIA 将机械设计，工程分析及仿真，数
13、控加工和CATweb 网络应用解决方案有机的结合在一起，为用户提供严密的无纸工作环境。SolidWorks 是生信国际有限公司推出的基于Windows 的机械设计软件。SolidWorks 是参数化特征造型软件的新秀，以SolidWorks 为核心的各种应用的集成，包括结构分析、运动分析、工程数据管理和数控加工等，为制造企业提供了梦寐以求的解决方案.UG是UnigraphicsSolutions 公司的拳头产品。该公司首次突破传统CAD/CAM 模式，为用户提供一个全面的产品建模系统。在UG 中，优越的参数化和变量化技术与传统的实体、线框和表面功能结合在一起，这一结合被实践证明是强有力的，并被
14、大多数CAD/CAM 软件厂商所采用。1.2 机械加工工艺规程设计机械加工工艺规程设计机械加工工艺规程设计是规定产品或零部件机械加工工艺过程和操作方法等的工艺文件，是一切有关生产人员都应严格执行、认真贯彻的纪律性文件。1.2.1 机械加工工艺规程设计概述机械加工工艺规程设计概述（1）工艺规程是指导生产的主要技术条件。（2）工艺规程是生产组织和生产管理工作的依据。（3）工艺规程是新建或扩建工厂及车间的基本资料。1.2.2 制定工艺规程所需的原始资料制定工艺规程所需的原始资料产品的全套装配图和零件工作图产品验收的质量标准产品的生产纲领毛坯资料现场生产条件应尽可能多了解新工艺、新方法1.2.3 工艺
15、路线的制订工艺路线的制订制订工艺路线考虑的主要问题？（1）怎样选择定位基准？（2）怎样确定加工方法？（3）怎样安排加工顺序、热处理工序、检验等其他工序？6一、定位基准的选择?粗基准加工的起始工序中，只能用毛坯上未经加工的表面作定位基准，则该表面称为粗基准。精基准利用已加工过的表面做为定位基准。1、粗基准的选择A保证相互位置要求的原则：为保证不加工表面与加工表面之间的相互位置关系，应首先选择不加工表面作粗基准，若零件上有多个不加工表面，则应选择其中与加工表面相对位置要求较高的不加工表面为粗基准。B合理分配加工余量的原则：对于具有较多加工平面的工件，粗基准选择时，应考虑合理地分配各表面的加工余量。
16、a.应保证各加工表面有足够的余量 应选择毛坯余量最小的表面作为粗基准b.对于某些重要表面，为了尽可能使其加工余量均匀，应选择该主要毛坯面作粗基准。C.便于装夹工件的原则：为了使定位稳定、可靠，夹具结构简单，操作方便，作为粗基准的表面应不是分型面，应尽可能平整光洁，且有足够大的尺寸。D不得重复使用的原则：同一方向上的粗基准原则上只允许使用一次，因为粗基准本身都是未经加工的表面，精底低，表面粗糙度数值大，在不同工序中重复使用同一尺寸方向上的粗基准，则不能保证被加工面之间的相互位置精度2、精基准的选择A基准重合原则：设计基准作为定位基准。B基准统一原则：尽可能在多数工序中采用此基准作为定位基准，称为“基准统一”可以各个工序中采用的夹具统一，可减少设计和制造夹具的时间和费用，提高生产率。C便于装夹原则：保证工件定位稳定，准确，夹紧可靠，夹具结构简单操作方便D互为基准原则：为了获得均匀的加工余量及较高的相互位置精度，可采用互为基准，反复加工的原则E自为基准原则：当精加工或光整加工工序要求余量小而均匀时，可选7择加工面本身
