计算机辅助设计与制造(CADCAM)

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1、CAD/CAM 概论本章主要是讲解 CAD/CAM 的基本概念、基本功能和工作原理等。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。 1. 1 CAD/CAM的基本概念CAD(Computer 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；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；CAM(Comput

2、er 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。1.1.1 从产品制造的过程理解 CAD/CAM传统制造概念与过程 如图 1。 1利用计算机完成各个环节的工作成为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

3、、物、技术与信息。112 CAD/CAM的基本功能在 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系统应具备以下基本功能：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。2、图形与图象处理在 CAD/CAM 系统中，图形图象仍然是产品形状与结构的主要表达形式，因 此，如何在计算机中表达图形、对图形进行各种变换、编辑、消隐、光照等处理是 CAD/CAM 的基本功能。3、信息存储与管理设计与制造过

4、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。数据类型有图形图象、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。采用工程数据库。4、工程分析与优化计算体积、重心、转动惯量等，机构运动计算、动力学计算、数值计算，优化 设计等。 CAE5、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。6、模拟与仿真为了检察产品的性能，往往需要对产品进行各种试验与测试，需要专门的设备 与生产出样品

5、，并具有破坏性，时间长，成本大。通过建立产品或系统的数字化模式， 采用计算机模拟技术可以解决这一问题。如加工轨迹仿真，机构运动仿真，工件、刀具 和机床碰撞与干涉检验等。7、人机交互 数据输入、路线与方案的选择等，都需要人与计算机进行对话。人机对话交互的方 式有软件界面与设备（键盘、鼠标等）8、信息的输入与输出 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。 CAD/CAM 的具体功能见图 1.3 P4113 CAD/CAM系统的组成与工作过程如图 1.4 P51.2 CAD/CAM技术的发展回顾1.2.1CAD技术的发展1.形成期 1950 MIT CRT（阴极射线管）一计算机能够处理图

6、形一计算机图 形学。2. 发展期 50年代 光笔一交互式会图 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，成本大，自动 化程度不高 等等 集成 CAD/CAM.1.2.2 CAM技术的发展1952年数控机床一1955自动编程工具（APT） 1958自动换刀系统一加 工中心（MC）1962工业机器人一物料搬运自动化，利用一台计算机控制多台数控设备一（直接数

7、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。1.2.3 CAPP技术的发展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，成本低， 周期短；但与企业的特性相关度高，一般不适合于其他企业。采用规则，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 成本高，目前仍然在研究阶段。80年代中期，CAPP专家系统。1.2.4 CAD/CAM的集成技术CAD、 CAPP、 CAM 技

8、术长时间独立发展，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CAD、CAPP、CAM技术的效益与发展。80年代，人们致力于CAD、CAPP、CAM技术集成研究。相继推出了 CADAM、 CATIA、 UG、 Pro/E 等。1.3CAD/CAM技术的应用1.3.1CAD/CAM的应用现状机械是主要应用领域2D 应用最广我国在2D CAD系统和CAPP系统中自主产品，市场占有率较高。3D刚起步。1.3.2 CAD/CAM的应用效益生产精度与产品质量提高产品开发周期缩短 GM 汽车5年一3年新产品可靠性提高20%6

9、0%生产成本下降 波音 777 未生产样机详细效益请见 P111.4 CAD/CAM技术的新发展1.4.1 制造企业面临的市场形式 产品形式多样化、个性化，生产方式由大批量、少品种一少批量、多品种； 市场响应速度快。大吃小一快吃慢产品的范畴：产品一产品P+质量Q+时间T+服务S(T,Q,C,S)竞争范围：区域一全球核心竞争力一创新技术与人才 各种新技术的出现与应用，特别是计算机与信息技术， Internet 上述原因，企业未来呈现的特点：1、产品开发生产周期短，上市快；2、制造柔性化；3、整个产品生命周期内的质量保证4、企业组织形式，出现虚拟企业与企业联盟5、生产过程更为精良6、人才素质高7、

10、智能化与自动化程度高8、绿色制造9、分布、并行、集成并存企业未来力呈现的特点对CAD/CAM系统的要求1、集成化，2、智能话，3、网络化，4、分布并行处理，5、综合技术的 产品开发，6、虚拟现实技术，7、人机工程。1.4.2CAD/CAM 新方向1、支持 TOP-Down, 2、支持DFx, 3、智能CAD/CAM, 4、CE、5、 虚拟制造， 6、集成制造， 7、异地设计制造。二、CAD/CAM 系统CAD/CAM 系统的基本组成、结构与分类，软件、硬件及网络的基本概念，软件、 硬件的分类，网络设备的功能等。重点是应用软件的基本概念及其分类和网络与网络设 备的基本功能。2.1 CAD/CAM

11、系统组成与分类2.1.1 CAD/CAM系统组成CAD/CAM 系统由硬件和软件系统组成。硬件系统是指可触摸到的物理设备,如主机设备、终端设备、网络及通信设备、输入输出设 备,数控加工及控制设备等。软件系统通常是指程序及其相关文档的总和,软件系统一般分为系统软件、支撑软件和应用 软件。具体见图 2.1P21.2.1.1 CAD/CAM系统的分类从不同的角度，CAD/CAM系统可分为不同的类型。从硬件角度,分为两大类。1、以大型机或小型计算机为主机的、多用户分时系统。其基本结构如2.2a图，P22. 主机系统的特点：1）外围设备和用户工作站与主机相连，用户工作站中至少有一台图型工作站和一套图 形

12、处理设备（如图形终端，图形输入输出设备等），图形工作站基本结构如2.2b图，P22.2）优点：主机功能强，可处理大量信息，如分析计算，模拟。使用性能取决于软件水平。3）缺点：系统专用性强，比较封闭，终端过多，系统速度变慢，价格较高。另外，系 统的可靠性取决于主机（主机发生故障，整个系统都将瘫痪）。2、工程工作站或微机系统的单用户系统。（）此系统特点：1）每一个工程工作站或微机系统都能独立完成CAD/CAM系统所要求的各项任务。2）价格较低，在中小型企业得到应用3）可靠性高已成为主流按功能划分，CAD/CAM系统可分为CAD、CAM、CAD/CAM。1、CAD 系统：专门为设计而建立的系统，可完

13、成各项设计任务，如造型、会图、工程分析仿真与模拟，文档管理等。不具备数控编程、加工仿真、生产控制及管理等。2、CAM 系统：具备数控编程、加工仿真、生产控制及管理等功能，几乎不具备造型、 会图、工程分析仿真与模拟等功能。3、CAD/CAM系统：具备CAD与CAM的所有功能，并可进行信息的自动交换。已成为主流。根据是否使用计算机网络，CAD/CAM系统又可分为单机系统和网络系统。计算机网络：通过通信线路连接起来的自治的计算机集合。包括三个含义（1、必须有两台或两台以上的具有独立功能的计算机系统相互连接在一起，达到资源共享的目的；2、连接在一起的计算机必须有一条信息交换的通道；3、在同一网络中的计

14、算机系统之间进行信息交换，必须遵循共同的约定与规则，即协议）1、单机 CAD/CAM 系统：具备所有 CAD/CAM 的软件与硬件功能。但不能与其他CAD/CAM 进行信息交换。信息不能共享。2、网络CAD/CAM系统:将具备CAD/CAM的软件与硬件功能的各个节点用网络设备 和通信线路进行连接就形成了一个网络化的CAD/CAM系统。可实现资源与信息共 享。已成为主流。网络结构有星型、环型、总线型和网络等形式。由于总线型具有兼容性强，开放性和可扩展性良好等特性，因此，总线已成为主流。2.2CAD/CAM系统中的典型硬件2.2.1计算机基本系统计算机基本系统由主机（包括CPU、主板和内存）、外存

15、（磁盘、光盘）、显示器、键 盘和鼠标等组成。主机：包括CPU、主板和内存主机的性能主要取决于CPU性能，CPU由控制器、运算器及各种寄存器组成，其性能 由主频和寄存器的位数决定。内存：内存直接与 CPU 相连，并直接进行数据读取。内存分为只读存储器 ROM 与随 机存取存储器RAM。8位二进制为一个字节。外存：磁盘、光盘2.2.2 输入设备键盘、鼠标、操纵杆；数字化仪（如图2.7 P27），数字化一般用于将纸张图转化成计算 机图。图形板、光笔、触摸屏、扫描仪、数字化手套、传感器等。2.2.3 输出设备显示器、 打印机、绘图仪、生产设备。2.2.4 网络设备服务器（用于提供公共服务的高性能计算机，运行网络操作系统）、工作站。电缆：同轴电缆（500m）、光缆（1000m）、双绞线（100m）。网卡中继器：用于信号放大，使信息传输更远，不改变信号。 网桥：对网络进行分割，平衡网络负载。路由器： LAN 与 WAN 的连接设备，将多个独立网进行连接。实现互联网之间的最佳 寻径与数据传输。网关：连接不同体系网络，如不同协议。Novell与Ethernet。2.3