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1、计算机辅助设计与制造技术,1.1 CAD/CAM技术基本概念 1.1.1 CAD技术,CAD含义：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。结构设计、草图绘制、零件与装配设计、工程分析等。,1.1 CAD/CAM技术基本概念 1.1.1 CAD技术,CAD基本功能,几何 造型,工程 分析,仿真 模拟,图形 处理,1.1.1 CAD技术,CAD 系统组成,CAD系统,设计数据库,应用程序库,交互图形库,硬件,软件,1.1.2 CAPP技术,CAPP含义：Computer Aided Process Planning是根据产品设计结果
2、,借助于计算机，根据产品制造的工艺要求，进行产品的加工工艺过程的设计，即确定产品加工方法和方案。加工方法、工艺路线、工序设计等。,1.1.2 CAPP技术,CAPP功能,毛坯 设计,工艺 路线,工序 设计,工时 定额,工装 设计,余量 分配,切削 用量,工时 定额,机床刀 具选用,工序图 绘制,1.1.2 CAPP技术,CAPP组成,人机交互模块,零件信息 描述获取,工艺工序 决策,工艺文件 生成与管理,零件 对象,零件 信息库,数据库 知识库,工艺 文件库,1.1.3 CAM技术,CAM含义：Computer Aided Manufacturing 广义CAM：利用计算机完成从毛坯到产品制造
3、过程中的直接和间接的各种生产活动，包括工艺准备、生产作业计划、物流控制、质量保证等。 狭义CAM：数控加工程序编制。（刀具路径规划、刀具文件生成、刀具轨迹仿真、NC代码生成等。） CAE: Computer Aided Engineering有限元分析、可靠性分析、动态分析、优化设计等。,1.1.4 CAD/CAM集成技术,CAD/CAM集成技术：利用数据库技术、网络技术、数据交换和接口技术，实现3C各模块之间信息自动传递、转换和共享的相关技术。,1.1.4 CAD/CAM集成技术, 从产品的诞生过程理解CAD/CAM的概念,1.1.4 CAD/CAM集成技术, 从制造的概念理解CAD/CAM
4、的概念,1.1.4 CAD/CAM集成技术,CAD,CAPP,CAM,工程 图样,工艺 文档,NC代码,非集成3C系统输入输出信息流,1.1.4 CAD/CAM集成技术,CAD/CAPP/CAM集成信息流,CAD,CAPP,CAM,概念设计 几何造型 工程分析 图形处理,毛坯设计 工艺准备 工序设计 工时定额,工艺准备 作业计划 物流控制 质量保证,1.1.4 CAD/CAM集成技术,CAD/CAM系统总体结构,1.2 CAD/CAM系统的功能和作业过程,CAD/CAM系统的功能,CAD/CAM 系统的功能,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，这是后续工作的基础；
5、 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：动决策生成产品加工所采用的加工方法、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 作业过程,借助三维可视的交互环境，对产品从设计、制造到装配的全过程进行全面仿真,需求分析，并进行功能设计,需采用分层堆积原理、以非切削方法，快速廉价产品模型，供分析和评价,现
6、代产品设计与制造过程特征,设计对象的数字化 设计的产品以数据形式保存，产品开发活动是对产品数据进行操作、处理和转换的过程。 设计环境的网络化 通过网络将各设计人员、各设计部门、不同设计地点联系起来，做到及时沟通和响应，避免信息延误和错误传递，避免扯皮和责任推诿现象。 设计过程的并行化 建立上下游产品开发活动的关联和反馈，上游开发活动可对下游活动预先分析，确保整体性；在下游若发现上游缺陷，可及时修改，使产品设计不断完善和优化。 新型开发工具和手段 应用如快速原型技术、虚拟制造技术、动静态分析等多种技术，保证产品开发质量，缩短产品开发周期，提高产品开发一次成功率。,1.3 CAD/CAM系统组成
7、1.3.1 CAD/CAM系统组成,1.3.1 CAD/CAM系统分类,按计算机规模分 主机（大型机）系统 小型机系统 微型机系统 工作站系统,按网络分 单机系统 网络系统,网络系统结构,1.3.2 CAD/CAM系统硬件,存贮器,计算机 主机,输入装置,生产装备,输出装置,计算机网络,CAD/CAM系统硬件组成,1.3.2 CAD/CAM系统硬件,光笔,图形扫描仪器,数字手套,1.3.2 CAD/CAM系统硬件,彩色静电绘图机的工作原理,1.3.3 CAD/CAM系统的软件,应 件用 软,支 件撑 软,系统 软件,CAD/CAM系统的软件组成,1.3.3 CAD/CAM系统的软件,系统软件：
8、操作系统：计算机软件核心，有CPU管理、内存管理、I/O管理、文件管理等功能，常用操作系统有DOS、Windows、Unix、OS/2等。语言编译系统：如 Basic、C/C+、LISP等编译系统，是将高级语言转换为计算机机器语言。网络通信与管理软件数据库及其管理软件图形接口标准：如GKS、PHIGS、GL/OpenGL 等图形接口标准，独立于 硬件设备和各种不同的计 算机语言。,1.3.3 CAD/CAM系统的软件,支撑软件：交互绘图软件：主要完成二维工程图样的绘制， 如AutoCAD、PICAD 高华CAD 开目CAD等。三维造型软件：如 MDT、Solidworks、Solidedge等
9、。数控编程软件：如 MasterCAM、SurfCAM等。工程分析软件：如 SAP、ADINA、NASTRAN、ANSYS等。综合集成支撑软件：如 I-DEAS、UGII、PRO/E、CATIA等,具有CAD、CAE、CAM等综合功能。,1.3.3 CAD/CAM系统的软件,应用软件：用户开发的专用软件。在系统软件和支撑软件基础上，针对某一具体应用开发的软件，如机床设计、夹具设计、汽车车身设计等CAD或CAE软件系统。,1.4 CAD/CAM技术的发展和应用,物质基础,理论基础,初期使用,广泛实用,1.4 CAD/CAM技术的发展和应用,CAD/CAM技术的发展（二十世纪） 50年代萌芽期：图
10、形显示器(50),NC机床(52),绘图仪(58) 60年代成长期: CAD(63),FMS(67),CADAM,GRAPHI等大型CAD/CAM系统问世 70年代发展期：CAD/CAM软硬件系统商品化 80年代普及期：PC微机和工作站系统广泛使用，从大型企业向中小企业扩展，从发达国家向发展中国家扩展 90年代集成期：CAD/CAM集成，CIMS集成,CAD/CAM技术的发展,单元技术的发展和应用阶段 6070年代如图形软件、数控编程、CADAM、CATIA、UNITGAPHICS、IDEAS等CAD/CAM系统；ADAN、ANSYS、NASTRAN工程分析系统。阶段特征：各功能模块基本形成，
11、数据结构尚不统一，不具备集成性。 CAD/CAM的集成阶段 20世纪80年代实体造型成熟，特征建模、工程数据库发展；超级微机、工作站占领市场。阶段特征: CAD/CAE/CAM集成性好，应用向三维、集成化发展。 面向并行设计制造环境的CAD/CAM阶段 自20世纪90年代由面向零件集成向面向产品并行设计发展，要求产品设计一次成功。阶段特征：面向产品全生命周期建模、企业PDM、计算机网络、协同工作模式。,1.5、CAD/CAM的新技术,制造业的新特点,新特点对CAD/CAM新要求,支持TOP-DOWN的CAD/CAM技术,支持DFx的CAD/CAM技术,智能 CAD/CAM技术,（1）计算机集成
12、制造系统（CIMS）技术,CIM是CAD（计算机辅助设计）、CAPP（计算机辅助工艺规划）、CAM（计算机辅助制造）、MRP（制造资源规划）等自动化技术发展的延续和更高水平的集成。 计算机集成制造系统CIMS（Computer Integrated Manufacturing System）是1973年由美国哈林顿(Harrington)博士首先提出概念，在20世纪80年代得到发展与成熟的一种制造业先进管理模式。,（1）计算机集成制造系统（CIMS）技术,哈林顿博士认为： 企业的各个生产环节是不可分割的，需要同时考虑；整个生产过程实际上是对信息的采集、传递和加工处理过程。 CIM要求把过程控制
13、数据同其他业务信息结合于一个集成信息体系之中，从而构成一体化的计算机控制、管理、决策系统。 它将企业的全部活动，从产品设计、生产、制造到经营决策和管理，通过计算机有机集成起来，形成一个整体 达到相互协调、总体优化，促进企业的技术进步，提高企业管理水平，缩短产品开发和制造周期，提高产品质量和劳动生产率，增强企业的应变能力和竞争力。,（1）计算机集成制造（CIMS）技术,是在CIM思想指导下建立的制造系统，是在信息技术、自动化技术和制造技术的基础上，通过计算机及其软件把制造过程中各种分散的自动化系统有机地集成起来，以形成适用于多品种、中小批量生产并能产生总体高效益的智能制造系统。,计算机集成制造系
14、统CIMS,（1）计算机集成制造（CIMS）技术,CIMS的体系结构及组成：管理信息系统；产品工程设计系统；制造工程控制系统；质量保证系统；物资存储运输与保障系统；数据库系统；网络系统,美国制造业协会1993版CIMS轮图,（1）计算机集成制造（CIMS）技术,我国在20世纪80年代提出了在企业实施管控一体化，1987年国家正式立项将CIMS列入863高技术发展计划， 由清华大学带头组建“国家CIMS实验工程”，开展863/CIMS研究，取得了一系列丰硕的成果，先后有清华大学和华中理工大学获美国制造工程协会的“大学领先奖”。 西北工业大学也进行了大量的研究工作，其中杨海成教授曾一度为863/C
15、IMS 专家组组长。 863/CIMS工程所取得的成果和经验已在国内的多家工厂中得到推广，取得显著的经济效益，得到国内外的肯定和赞许，目前正在全国进行应用推广。,（1）计算机集成制造系统（CIMS）技术,经过了10多年的研究、实践和企业应用，我国863计划CIMS主题专家组对中国发展CIMS的目标、内容、步骤和方法也有了更深入的认识，并进行理论和实践创新，将计算机集成制造系统发展为以信息集成和系统优化为特征的现代集成制造系统(Contemporary Integrated Manufacturing Systems)。两者的英文缩写均为CIMS。,（1）计算机集成制造系统（CIMS）技术,我国
16、863计划CIMS主题专家组在1998年提出现代集成制造系统(CIMS)的新意义：“将信息技术、现代管理技术和制造技术相结合，并应用于企业产品全生命周期(从市场需求分析到最终报废处理)的各个阶段。通过信息集成、过程优化及资源优化，实现物流、信息流、价值流的集成和优化运行，达到人(组织、管理)、经营和技术三要素的集成，以加强企业新产品开发的T(时间)、Q(质量)、C(成本)、S(服务)、E(环境)，从而提高企业的市场应变能力和竞争能力。”,（2）PDM技术：产品数据管理,我国企业存在的问题 信息共享程度低。 信息反馈慢。 产品开发方式陈旧。 设计重用度差。,（2）PDM技术：产品数据管理,PDM历史,源于CAD系统 1980s-1990s： EDM（工程数据管理）、DM（文档管理）、TDM（技术数据管理）、EDMS（电子文档管理系统） 1990s-2000s： PDM（产品数据管理）、PDM II（产品开发管理 II） 2000s-： CPC（Collabrative Product Commerce） CPDm（Collaborative Product Definition management）,
