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1、第3章 计算机辅助设计与制造技术,3.1 计算机辅助设计（CAD）技术 3.2 计算机辅助工艺过程设计（CAPP） 3.3 计算机辅助制造（CAM）技术 3.4 CAD/CAM集成技术,3.1 计算机辅助设计（CAD）技术,3.1.1 CAD系统的基本功能 计算机辅助设计（Computer Aided Design,CAD）是指工程技术人员以计算机为工具，用各自的专业知识，对产品进行设计、绘图、分析和编写技术文档等设计活动的总称，CAD支持设计过程的方案设计、总体设计和详细设计等各个阶段，把整个设计过程，作为一个信息处理系统、计算机作为这个系统的中心环节，对设计信息进行有效的存储、传递、分析和
2、控制，对设计对象完成计算机内部和外部的描述。 完整的CAD系统具有图形处理、几何建模、工程分析，仿真模拟及工程数据库的管理与共享等功能，见表3-1。,下一页,返回,3.1 计算机辅助设计（CAD）技术,目前，以计算机系统为支持的技术活动正向更大范围的集成化方向发展。将CAD、CAPP、CAM组织在一起，称之为CAD/CAM集成系统，见图3-1。在整个制造系统范围内，将设计、制造、管理、销售等环节信息通过计算机集成统一处理，称之为计算机集成制造系统（CIMS）。在CAD/CAM、CIMS中，CAD都是其中的核心部分，它通过公共数据库与其它部分相联接。 3.1.2 CAD系统的类型 1CAD系统的
3、软件类型,上一页,下一页,返回,3.1 计算机辅助设计（CAD）技术,CAD系统的软件分为三个层次：系统软件，支撑软件和应用软件，其关系见图3-2。系统软件与硬件的操作系统环境相关，支撑软件主要指各种工具软件；应用软件指以支撑软件为基础的各种面向工程应用的软件。 CAD系统的各种软件的功能见表3-2。 2CAD系统的配置类型 CAD系统常以其硬件组成特征分类，按主机功能等级，CAD系统可分为大中型机系统、小型机系统、工程工作站和微型机系统。 通常，把用户可以进行CAD工作的独立硬件环境称作工作站，根据主机和工作站之间的配置情况、CAD系统可分为独立配置系统，集中式系统和分布式系统，见表3-3。
4、,上一页,下一页,返回,3.1 计算机辅助设计（CAD）技术,3.1.3 几何建模技术 1.几何建模过程 在传统的机械设计与加工中，技术人员通过二维工程图纸交换信息。应用计算机辅助设计后，所有工程信息，如几何形状、尺寸、技术要求等都是以数字形式进行存取和交换的。正是由于将工程信息数字化、才使得计算机辅助设计的各个环节，如结构设计、分析计算，工艺规划、数控加工、生产管理使用同一个产品数据模型，从而实现CAD/CAE/CAPP/CAM系统的集成。由此可知，设计对象的计算机内部表示是CAD/CAM系统的核心部分；所谓计算机内部表示就是要决定采用什么样的模型来描述、表达和,上一页,下一页,返回,3.1
5、 计算机辅助设计（CAD）技术,存储现实世界中的物体。模型一般由数据、结构和算法三部分组成。 对于现实世界中的物体。从人们的想象出发，到完成它的计算机内部表示的这一过程称之为建模。建模步骤如图3-3所示，即首先研究物体的描述方法，得到一种想象模型（亦称外部模型)，它表示了用户所理解的事物及事物之间的关系，然后将这种想象模型转换成用符号或算法表示的形式，最后形成计算机内部模型，这是一种数据模型。因此建模过程是个产生、存储、处理，表达现实世界的过程。,上一页,下一页,返回,3.1 计算机辅助设计（CAD）技术,建模技术是CAD/CAM系统的核心技术，是实现计算机辅助制造的基本手段。就机械产品CAD
6、而言，最终产品信息的描述包括形状信息物理信息、功能信息及工艺信息等。其中形状信息是最重要、最基础的信息，对产品形状信息的处理表达称为几何建模(Geometric Modeling)。所谓几何建模方法，即物体的描述和表达是建立在几何信息和拓扑信息处理基础上的，几何信息般是指物体在欧氏空间中的形状、位置和大小，而拓扑信息则是物体各分量的数目及其相互间的联接关系。,上一页,下一页,返回,3.1 计算机辅助设计（CAD）技术,2.几何建模方法 计算机内部的模型可以是二维模型，维模型和三维模型，这主要取决于应用场合和目的。如果任务仅局限于计算机辅助绘制三视图或是对回转体零件进行数控编程，则可采用二维几何
7、建模系统。维模型能表示一个等截面的产品形体，即一个平面轮廓在深度方向延伸或绕一轴旋转形成三维的表示方法。三维模型可在空间任一角度，准确地、全面地描述产品形体，并且可进行任意组合和分析。根据描述的方法及存储的几何信息和拓扑信息的不同，可将三维几何建模分为如图3-4所示的三种类型。,上一页,下一页,返回,3.1 计算机辅助设计（CAD）技术,（1）线框（又称线素）几何模型 线框模型是CAD/CAM技术发展过程中最早应用的三维模型，这种模型表示的是物体的棱边，由物体上的点、直线和曲线组成，在计算机内部以边表和点表表达和存储，实际物体是边表和点表的三维映象，计算机可以自动实现视图变换和空间尺寸协调。线
8、框模型具有数据结构简单、对硬件要求不高和易于掌握等特点，但也存在着严重缺陷，比如所表示的图形有时含义不清楚，如图3-5中左方所示透视图就可以有两种理解，如图中右方两图所示。线框模型不能进行物体几何特性（体积、面积、重量、惯性矩等）计算，不便于消除隐藏线。不能满足表面特性的组合和存储及多坐标数控加工刀具轨迹的生成等方面的要求。,上一页,下一页,返回,3.1 计算机辅助设计（CAD）技术,（2）表面(又称面素)几何模型 表面模型除了贮存有线框几何模型的线框信息外，还贮存了各个外表面的几何描述信息。利用表面模型，就可以对物体作剖面、消隐，获得NC加工所需的表面信息等。表面几何模型仍然没有对物体构建起
9、完整的三维模型，仍然缺乏三维智能，例如不能自动进行体积、质量、质心的计算等。 表面造型又叫曲面造型，是CAD和计算机图形学中最活跃、最关键的学科分支之一 ，这是因为三维形体的几何表示处处都要用到它，从飞机、汽车、船舶、叶轮的流体动力学,上一页,下一页,返回,3.1 计算机辅助设计（CAD）技术,分析，家用电器、轻工产品的工业造型设计，山脉、水浪等自然景物模拟，地形、地貌、矿产资源的地理分布描述、科学 计算中的应力、应变、温度场、速度场的直观显示等，无不需要强有力的曲面造型工具。STEP产品数据表达和交换国际标准选用了非均匀有理B样条NURBS作为曲面描述的主要方法。 （3）实体几何模型 实体几
10、何模型储存的是物体的完整三维几何信息，它可区别物体的内部和外部，可以提取各部几何位置和相互关系的信息。实体几何模型典型应用为：支持绘制真实感强的自动消去隐藏线透视图和浓淡图。可以生成指定位置、方向和剖面剖视图；自动计算体积、重量、重心；,上一页,下一页,返回,3.1 计算机辅助设计（CAD）技术,可以将有关的零部件组装在一起，动态显示其运动状态并检查是否发生干涉；支持三维有限元网格自动划分和计算分析等。 实体造型以立方体、圆柱体、球体、锥体、环状体等多种基本体素为单位元素，通过集合运算，生成所需要的几何形体。这些形体具有完整的几何信息，是真实而唯一的三维物体。目前常用的实体造型的表示方法主要有
11、：边界表示法、构造实体几何法和扫描法等，见表3-4。,上一页,下一页,返回,3.1 计算机辅助设计（CAD）技术,3.1.4 三维实体造型方法 三维实体造型方法的主要内容是特征建模(Feature Modeling)。为了满足CIMS技术发展的需要，更完整地描述几何体的实体造型，人们提出了特征造型的概念。 特征是指产品描述的信息的集合，将特征的概念引入几何造型系统的目的是为了增加实体几何的工程意义。常用的特征信息主要包括：（1）形状特征：与公称几何相关的概念；（2）精度特征：可接受公称形状和大小的偏移量；（3）技术特征：性能参数；（4）材料特征：材料、热处理和条件等；（5）装配特征：零件相关方
12、向、相互作用面和配合关系。,上一页,下一页,返回,3.1 计算机辅助设计（CAD）技术,其中形状特征按几何形状的构造特点可分为；通道、凹陷、凸起、过渡、面域、变形；按特征在设计中所起的作用又可把形状特征分为五类：（1）基本类：零件的主要形状；（2）附加类：形状局部修正特征；（3）交特征类：基本特征和附加特征相交的性质；(4)总体形状类：整个零件的属性；(5)宏类：基本类的复合。 与传统的几何造型方法相比，特征造型具有如下特点： （1）特征造型着眼于更好地表达产品完整的技术和生产管理信息，为建立产品的集成信息服务。其目的是用计算机可以理解和处理的统一产品模型支持工程项目或机电产品的并行设计。,上
13、一页,下一页,返回,3.1 计算机辅助设计（CAD）技术,（2）它使产品设计工作在更高的层次上进行，设计人员的操作对象不再是原始的线条和体素，而是产品的功能要素，如螺纹孔、定位孔、键槽等。特征的引用体现了设计意图，建立的产品模型容易为别人所理解和应用。设计人员可以将更多的精力用在创造性构思上。 （3）它有助于加强产品设计、分析，工艺规划，加工、检验各个部门间的联系，更好地将产品的设计意图惯彻到各个后续环节并且及时得到后者的意见反馈。为实现新一代基于统一产品信息模型的CAD/CAPP/CAM集成系统奠定了基础。,上一页,返回,3.2 计算机辅助工艺过程设计（CAPP）,3.2.1 CAPP系统的
14、功能及结构组成 1CAPP系统的功能CAPP（Computer Aided Process Planning）是应用计算机快速处理信息功能和具有各种决策功能的软件来自动生成工艺文件的过程。CAPP能迅速编制出完整而详尽的工艺文件，大大提高了工艺人员的工作效率，可以获得符合企业实际条件的优化工艺方案，给出合理的工时定额和材料消耗，并有助于对工艺人员的宝贵经验进行总结和继承。CAPP不仅能实现工艺设计自动化，还能把生产实践中行之有效的若干工艺设计原则及方法转换成工艺决策模型，并,下一页,返回,3.2 计算机辅助工艺过程设计（CAPP）,建立科学的决策逻辑，从而编制出最优的制造方案。CAPP是连接C
15、AD和CAM的桥梁，是实现CAD/CAM以至CIMS集成的一项重要技术。CAPP系统一般具有以下功能：输入设计信息；选择工艺路线；决定工序、机床、刀具；决定切削用量；估算工时与成本；输出工艺文件以及向CAM提供零件加工所需的设备、工装、切削参数、装夹参数以及反映零件切削过程的刀具轨迹文件等。2CAPP系统的结构组成 CAPP系统的种类很多，但其基本结构主要可分为如下五大组成模块：零件信息的获取、工艺决策、工艺数据库/知识库、人机界面和工艺文件管理/输出，如图3-6所示。,上一页,下一页,返回,3.2 计算机辅助工艺过程设计（CAPP）,（1）零件信息的获取零件信息是CAPP系统进行工艺过程设计
16、的对象和依据，零件信息常用的输入方法主要有人机交互输入和从CAD造型系统所提供的产品数据模型中直接获取两种方法。（2）工艺决策工艺决策模块是以零件信息为依据，按预先规定的决策逻辑，调用相关的知识和数据，进行必要的比较、推理和决策，生成所需要的零件加工工艺规程。 （3）工艺数据库/知识库工艺数据库/知识库是CAPP的支撑工具，它包含了工艺设计所要求的工艺数据（如加工方法、切削用量、机床、,上一页,下一页,返回,3.2 计算机辅助工艺过程设计（CAPP）,刀具、夹具、工时、成本核算等多方面信息)和规则(包括工艺决策逻辑、决策习惯、加工方法选择规则、工序工步归并与排序规则等)。（4）人机交互界面人机交互界面是用户的操作平台，包括系统菜单、工艺设计界面、工艺数据/知识输入界面、工艺文件的显示、编辑与管理界面等。（5）工艺文件管理与输出 如何管理、维护和输出工艺文件是CAPP系统所要完成的重要内容。工艺文件的输出包括工艺文件的格式化显示、存盘和打印等内容。,上一页,下一页,返回,3.2 计算机辅助工艺过程设计（CAPP）,
