机械cadcam技术第一讲cadcam技术概述(课件)

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,机械,CAD/CAM,技术,中南林业科技大学机械设计制造及自动化教研室,易春峰,CAD/CAM,技术的重要性,随着计算机技术的飞速发展，传统的手工设计正逐渐被计算机辅助设计所代替；而传统的制造领域也被计算机技术所深刻地改造。,企业要想在激烈的市场竞争获得优势就必须不断实现技术创新和产品创新，发展和应用现代设计制造技术是实现产品创新的关键，因此机械,CAD/CAM,技术已成为工科类学生和工程技术人员必须掌握的一门重要技术。,CAD/CAM,技术概况,计算机技术在设计制造中的应用已经从往日的计算、绘图、,NC,加工发展到当今的三维建模型、优化设计、计算机辅助工程分析和虚拟设计，计算机辅助工艺设计,CAPP、CAD/CAM,一体化自动数控编程、柔性制造系统,FMS、,计算机集成制造系统,CIMS、,计算辅助生产管理与控制、智能制造与虚拟制造等技术。,本课程的特点与着重要介绍的内容,本课程的特点是兼顾成熟性与先进性、理论性与实践性。着重介绍,CAD/CAM,应用技术的理论基础知识，另一方面也对当前先进的,CAD/CAM,应用技术进行了介绍。并通过实践教学环节（实验）初步了解典型的常用实际应用系统。,如何学习本课程,在掌握基本理论的基础上加强实践（做好实验）。,分清重点、主次。,乐于收集相关资料，乐于尝试，主动拓宽专业知识面。,第一讲 CAD/CAM技术概述,本章主要介绍,CAD/CAM,的基本概念,CAD/CAM,的基本功能,CAD/CAM,的发展历史,CAD/CAM,的应用状况及发展方向,第一节 CAD/CAM的基本概念,一、,CAD/CAM,的基本概念,CADComputer Aided Design System,以计算机为辅助手段完成整个产品的设计过程。,广义的,CAD,包括设计与分析两个方面。,其基本功能包括几何建模、工程分析、模拟仿真、自动绘图四大类。,一、,CAD/CAM,的基本概念,CAMComputer Aided Manufacturing System,通过计算机与生产设备直接或间接的联系，进行规划、设计、管理和控制产品的生产制造过程。,狭义,CAM：,数控编程与数控加工,广义,CAM：,指除数控外还包括,CAPP、,制造过程仿真（,MPS）、,自动化装配（,FA）、,车间生产计划、制造过程检测、故障检测、产品装配等。,一、,CAD/CAM,的基本概念,CAD/CAM,集成,将,CAD、CAM、CAE、CAPP、PPC（,生产计划与控制）等各种功能不同的软件有机结合起来，用统一的执行机制来组织各种信息的提取、交换、共享和处理，以保证系统内的信息畅通。（各模块间进行信息的自动传递和转换）,目的是为了全面提高效率。,CAD/CAM,集成的方法,CAD/CAM,系统集成包括三个方面：,硬件集成：,CAD,系统网络与,CAM,系统网络互连,信息集成：,CAD/CAM,系统双向数据共享与集成,功能集成：,PDMS,产品数据管理系统,CAD/CAM,集成的方法,CAD/CAM,系统集成方案,通过专用数据接口实现集成,利用标准格式接口文件实现集成,基于统一的产品模型和数据库的集成,基于产品数据管理（,PDM）,的系统集成,产品数据管理,PDM,PDM,定义,：,PDM,是管理所有与产品相关的,信息,和,过程,的技术。,与产品相关的信息,：,CAD/CAM,文件、材料清单、产品配置、,电子表格、供应商及用户清单等。,与产品相关的过程,：设计过程、,加工工序、工作流程、,审批发放过程、产品变更过程,等。,关系数据库管理系统,面 向 对 象 管 理 系 统,系统 工作 文档 工作流 产品配 零件分 项目,管理 环境 管理 程管理 置管理 类管理 管理,用户界面开发工具,工作站,微机,网络计算机,用户层,功能层,对象层,支持层,PDM,系统的体系结构,l,电子资料室管理和检索,PDM,最基本的功能，,PDM,核心。,l,产品配置管理,以电子资料室为底层支持，以物料清单,BOM,为组织核心，把产品所有工程数据和文档联系起来，对产品相互关系管理。,l,工作流程管理,实现产品设计与修改过程的跟踪与控制，包括工程数据资料的提交、修改控制、监视审批、文档的分布控制、自动通知控制等。,l,项目管理功能,实现项目实施过程中的计划、人员以及相关数据的管理与配置，进行项目运行状态监控，完成计划反馈。,PDM,功能,基于,PDM,的集成平台,PDM,集成平台,在,PDM,上可以集成或封装,CAD,、,CAE,、,CAPP,、,CAM,等多种开发环境和工具，使,CAD,、,CAPP,、,CAM,可从,PDM,中提取各自所需要的信息，处理结果再放回,PDM,中去，从而可实现,CAD/CAPP/CAM,之间的信息集成。,二、,CAD/CAM,系统的组成,（一）硬件组成,计算机及配件设备（数字化仪、光笔、打印机、绘图机、数控机床、机器人等）,计算机系统：主机系统、成套系统、工作站、微机,系统组织方式：单机系统、联机系统,CADCAM,系统的硬件组成示意图,二、CAD/CAM系统的组成,（二）软件组成,系统软件：,UNIX、Windows(NT、2000、XP ),计算机的公共性底层管理软件,支撑软件实现,CAD/CAM,各种功能的通用的应用基础软件，不针对具体设计对象，只提供工作或开发环境，是各类应用软件的基础。,应用软件用户为了解决某个实际问题在支撑软件的基础上经过二次开发出来的软件，工厂根据本厂的特点设计的专用软件就属于此类。,二、CAD/CAM系统的组成,CAD/CAM,支撑软件,一般包括以下5种类型：,1）、,绘图软件：,AutoCAD、,凯图、开目,CAD、PCCAD,2）、几何建模软件：,Pro/Engineer、UG、CATIA、I-deas、Solid Workers、Solid Edge、Inventor、MDT,二、CAD/CAM系统的组成,CAD/CAM,支撑软件一般包括以下,5,种类型：,3）、,计算机辅助工程软件：,ANSYS、ABAQS、COSMOS、MSC NASTRAN、ADAMS（,包括有限元分析与运动学/动力学仿真）,4）、,优化方法软件：,OPB,5）、数据库系统软件：,ORACLE、SQL Server,三、 CAD/CAM系统的功能,（一）,CAD/CAM,系统的主要功能,几何建模,模型的工程分,析处理：运动学动力学分析，有限元分析，优化设计等,工程绘图,计算机辅助工艺设计（,CAPP）,NC,自动编程,加工过程模拟仿真,工程数据管理,三、 CAD/CAM系统的功能,（二）,CAD/CAM,系统的作业过程,创意构思,-,计算机辅助设计,快速原型制造,计算机辅助工艺规程,计算机辅助,NC,编程,虚拟制造（制造）,第二节,CAD/CAM,系统的支撑技术,CAD/CAM,是一项计算机应用技术，所涉及的内容极其广泛。需要多种技术的支持，如数据管理技术、网络技术、成组技术、工程分析技术、仿真技术等。随着,CADCAM,技术应用范围的深入和扩大，数据管理技术和网络技术将占据越来越重要的地位。,一、数据管理技术,机械,CADCAM,涉及的数据包括产品的物理特征，材料性能、数学模型，零件规格、几何形体描述、测试数据、各种设计标准和规范等，内容极为广泛。数据表现形式除了数值、文字信息之外，还有大量的几何图形信息，,具有数据量大、种类多，结构复杂的特点。,如何管理这些数据信息，直接影响,CADCAM,系统的应用水平和工作效率。其数据管理已从文件管理模式发展为,工程数据库管理模式,。,文件管理系统,数据的冗余度大、缺乏数据的独立、没有集中管理，数据的完整性和安全性差。,数据库管理系统,数据的物理存储独立于应用程序、由于同一数据可组织在不同的文件中，因此每个数据在理论上只需要存储一次，因而减少了数据的冗余。通过,DBMS,实现对数据的统一控制，保证了数据的正确性和保密性。,工程数据库管理系统,工程数据库,是指能满足人们在工程活动中对数据处理要求的数据库，它与一般商用数据库的主要差别表现在,对复杂数据类型的支持，对工程数据动态的定义和管理。,机械,CADCAM,系统面临整个设计和制造过程的数据，,包括文字的和图形的。静态的和动态的，非常复杂,。,机械CADCAM系统数据类型,1 、,管理型数据,主要包括产品设计与制造过程中所用到的各种数据资料，如国家标准和规范。产品目录。技术资料等。,这类数据其数据结构不变，数据之间关系分明，数据相对稳定,。,2、,设计型数据,是指生产设计过程所产生的数据，如产品功能描述数据，设计分析参数，各种资源描述数据等。,这类数据最大的特点是动态性。包括数值、数据类型和数据结构，它们是随设计过程的展开在不断的变化,。,机械CADCAM系统数据类型,3、,加工制造型数据,这类数据包括加工工艺数据、数控加工指令、检测监控数据等，是为加工制造服务的数据,，,要求实时性较高,。,4、,图形数据,包括产品各种图表、二维或三维的零件图和装配图。这类数据也是呈动态性的，它,往往在设计过程中急剧增加,，例如对一个三维图形剖切一刀后，立即产生剖面图上所有交点、线和面的数据。,工程数据库系统的主要特点,1、,具有复杂工程数据的存储和管理的能力,：处理工程数据的非结构化的变长数据和特殊类型数据，支持多媒体信息的集成管理。,2、,具有动态建模的能力,：不仅能对结构化数据进行建模，而且能够动态地进行模型的建立，修改和扩充，支持反复改进的工程设计过程。,工程数据库系统的主要特点,3、,支持多库操作和多版本管理,由于工程设计用到的信息多种多样，需要在各设计模块间传递数据，需要多库操作。由于工程事务的复杂性和反复试验的实践性，要求工程数据库系统具有良好的多版本管理和存储功能，以正确地反映工程设计过程和最终状态。,4、,支持工程数据的长记录存取和文件兼容处理,，如工程图本身。,工程数据库系统的主要特点,5、支持智能型的规则描述和查询处理具有一定的语义识别、推理和查询规则能力，,能够自动检测和维护设计规则,。,6、具有良好的数据库系统环境和支持工具，,适应大容量，快速和分布式设计环境的要求。,二、计算机网络技术,计算机网络具有单个计算机所不具备的功能和特点,：能够在计算机之间快速地实现数据的传递,；,共享网内计算机软、硬件资源,；网内各计算机站点可互为后备，提高计算机系统的可靠性；,若干台计算机可以共同完成一项,CADCAM,任务，进行协同作业。,三、可视化技术,1,、可视化技术概念,1,定义：,20,世纪,80,年代后期发展起来的一个新研究领域，它运用计算机图形学和图像处理技术，将计算机计算处理结果转换为图形或图像形式在屏幕上显示出来的理论和方法。,可视化技术概念,2,特点：,1,）可使研究者一目了然获得研究对象的变化规律和分布情况，加快数据处理速度，使庞大数据得到有效利用；,2,）可使人们发现和理解科学计算过程中所出现的不同现象；,3,）可使人们对计算过程进行引导和控制，通过交互手段改变计算所依据的条件并观察其影响。,2,、可视化技术的应用,医学,如,B,超、,CT,等,地质勘探,以勘探数据或测井数据的等值面、等值线图显示其范围及走向，并用不同颜色显示出多种参数及其相互关系，可对钻井作业做出指导，减少无效井位。,气象学,可将气象数据转换为等压面、等温面、位涡、云层的位置及运动、暴雨区的位置及其强度、风力的大小及方向等。,计算流体力学,可将计算结果数据动态地显示出流体中每一点的流速和流向，表示出涡流、冲击波、剪切层、尾流及湍流等流体的运动状态。,有限元分析,实现形体的网络剖分以及对有限元分析结果进行各种不同的图形图像显示，即所谓有限元分析的前后置处理。,砂带磨头的有限元分析,3,、可视化技术算法,可视化处理层次：,事后可视化处理,在计算结束后在脱机状态下，对计算结果进行可视化处理，不要求对数据进行实时显示处理，其处理能力需求较低。,跟踪可视化处理,要求跟踪计算过程，实时显示计算结果，并根据计算结果判断计算过程正确性。,驾驭可视化处理,不仅要求实时处理，如有必要还要能够通过交互方式修改原始数据、边界条件或其它参数，对计算过程加以实时地控制，要求有很强的计算能力以及很强的交互控制功能。,目前，可视化技术水平大量还处于事后处理阶段。,三维数据场可视化处理算法,1,几何图元构造法,首先由三维数据场构造一个个如曲线、平面、曲面的等中间几何图元，然后再用计算机图形学对这些图元进行绘制，如等值线、等值面等。,体绘制法,不需要构造中间几何图元，而是由三维数据场直接产生屏幕上二维图像的方法,。,三维数据场可视化处理算法,2,基本思想：,将三维体空间按所需精度分割为一个个小正方体元，每个体元可看成能够接受或发光的粒子，根据数据点梯度值对每个粒子的光强和透明度进行计算，沿着视线观察方向将这些粒子投影到二维平面图像上，从而得到一幅透明的投影图像。,体绘制特点：,可得到三维数据场的全局图像，可将不同层次、材料、特性等在一幅图像中整体表现出来。,4,、可视化流程,1,数据生成,数据精炼与处理,可视化映射,生成绘制,变换显示,4,、可视化流程,2,数据生成,由计算机数值模拟或测量仪器产生数据。,数据的精炼与处理,通过精炼和处理以减少数据量。,可视化映射,将经过处理的原始数据转换为可供绘制的几何图素和属性。,图形或图像的生成绘制,将所产生的几何图素和属性转换并绘制可供显示的图形或图像。,图形变换和显示,包括图像的几何变换、图像压缩、颜色量化、图像格式转换以及图像的动态输出等。,火箭头部温度场和压力场可视化,a),原始数据,b),经处理的数据,c),抽象可视化模型,d),控制及图像显示,四、人工智能技术,人工智能的定义：,里奇,等从,人工智能目标,出发，认为“人工智能是研究如何让计算机做现阶段人类才能做得更好的事情”。,布克南,等从实现,人工智能方法,角度，认为“人工智能是计算机科学的分支，它用符号的、非算法的方法进行问题的求解”。,尼尔森,从,人工智能处理对象,出发，认为“人工智能是关于知识的科学，即怎样获取知识和怎样使用知识的科学”。,清华大学,石纯一,教授认为,“,人工智能是计算机科学的一个分支，是研究用计算机表现出人类某些智能行为的科学，包括实现智能的原理、制造类似人脑的计算机，使计算机更聪明地实现高层次的应用。,”,专家系统,专家系统,:,一种智能软件，是运用知识和推理来解决只有人类专家才能解决的复杂问题。,专家系统特点,:,具有专家水平的专门知识,;,具有推理机构，可根据已知事实和知识进行有效的推理；,强调应用没有严谨理论依据的专家经验这种启发性知识。,知识和推理策略完全分离，便于知识库维护和扩充；,能向用户解释推理过程，使用户理解系统是如何解决问题的。,专家系统的结构组成与工作原理,专家系统结构组成,工作原理：,根据已知事实和知识，由给定的前提推导出未知的结论，并将之放入数据库作为新事实继续进行推理，使问题由未知状态转换为已知状态。在系统运行过程中，不断通过人机接口与用户交互，向用户提问，并做出推理解释。,第三节 CAD/CAM的发展历史,1946年，第一台计算机诞生,1952年，帕森斯公司与麻省理工学院伺服机构研究所试制成功世界上第一台数控机床：三坐标铣床（电子管元件、直线插补）,1955年，研制出APT自动数控编程系统用于加工复杂零件曲面,这一阶段出现了由计算机控制的平板绘图机。,第三节 CAD/CAM的发展历史,1962年，提出了计算机图形学，人机交互技术和图形符号的分层数据结构存储思想，为,CAD,技术提供了理论基础。,随后出现了许多商品化的,CAD,系统：通用汽车公司的,DAC-1,系统；洛克希德飞机公司的,CADAM,等，软硬件价格均贵,1966年，挪威开始研究工艺设计自动化系统，并于1969年正式发表,AUTOPROS,系统-利用成组技术原理开发得最早的,CAPP,系统。,第三节 CAD/CAM的发展历史,1960年代末，出现,DNC,系统（,Direct Numerical Control）,用一台或几台计算机直接控制若干台数控机床的系统控制方法-群控。解决纸带输入数控程序故障多的问题。,1970年代中期，小型计算机应用到数控机床出现计算机数控系统（,CNC）-,用通用计算机软件实现数控的大部分功能（译码、插补、刀补、速度处理、位置控制）。,第三节 CAD/CAM的发展历史,1970年代末，美国辛辛那提公司研制出世界上第一条FMS柔性制造系统。,1970年代以后，DNC发展成为分布式数字控制系统，具有信息收集、系统状态监控等功能。,1980年代初，CAD开始全面打入市场，包括高端的三维CAD/CAM一体化系统，如CADDS、UG、IDEAS、CATIA等；和低端的二维系统AutoCAD,第三节 CAD/CAM的发展历史,1980年代以后，,CAD/CAM,技术不断完善，在,CAD,技术领域，出现了很多革命性技术，如：实体建模技术、参数化技术、特征造型技术、变量化技术等使,CAD,技术进入了一个全新时代。,CAM,领域发展出了计算机集成制造技术,CIMS,1990,年代后，数控领域进入了以,PC,机为平台的开放式机构数控系统时代。制造方面将,ERP（,企业资源计划）概念引入,CAM,领域，将辅助制造领域进一步扩大。同时将并行设计思想引入,CAD/CAM,系统，进一步提高了企业的产品开发效率。,第三节 CAD/CAM的发展历史,90,年代，,CADCAM,技术正从传统的面向零件的,CADCAM,集成阶段向面向产品并行设计，制造协同工作环境方向发展。,并行工程要求产品开发人员在设计阶段就考虑产品整个生命周期的所有因素，包括制造，装配，检测和销售等，要求产品设计一次成功,。在这一阶段，面向产品全生命周期的建模技术，基于工程数据库的企业级产品数据管理（,PDM），,由工程工作站或高档微机组成的客户机/服务器的网络系统，支持群体小组的协同工作模式，是整个20世纪90年代,CADCAM,技术研究的热点问题。,第三节 CAD/CAM的发展历史,下面简要介绍一下,CAD,技术的4次技术革命，,同学们也可以从中初步了解一下常见,CAD,系统中的主要技术,。,一、第一次,CAD,技术革命：曲面造型系统,20世纪60年代出现的三维,CAD,系统只是极为简单的,线框式,系统。这种初期的线框造型系统只能表达基本的几何信息，不能有效表达几何数据间的拓扑关系。由于缺乏形体的表面信息，,CAE,及,CAM,均无法实现。,第一次,CAD,技术革命：曲面造型系统,进入20世纪70年代，飞机和汽车工业中遇到了大量的自由曲面问题，随着法国人提出了,贝赛尔算法,，使人们用计算机处理曲线及曲面问题变得可行，同时也使得法国达索飞机制造公司的开发者们，能在二维绘图系统,CADAM,的基础上，开发出以,表面模型为特点的自由曲面建模方法,，推出了三维曲面造型系统,CATIA,。,第一次,CAD,技术革命：曲面造型系统,CATIA,的出现，标志着计算机辅助设计技术从,单纯模仿工程图样的三视图模式,中解放出来，,首次实现,以计算机完整描述产品零件的主要信息,，同时也使得,CAD,技术的开发有了现实的基础。曲面造型系统,CATIA,为人类带来了第一次,CAD,技术革命，改变了以往只能借助油泥模型来近似表达曲面的落后的工作方式。,第一次,CAD,技术革命：曲面造型系统,此时的,CAD,技术价格极其昂贵,（,当时在国内租用一套,CATIA,的年租金1520万美元,）,，而且软件商品化程度低，开发者本身就是,CAD,用户，彼此之间技术保密。只有少数几家受到国家财政支持的军火商，才有条件独立开发或依托某厂商发展,CAD,技术。,第一次,CAD,技术革命：曲面造型系统,当时昂贵的曲面造型系统：,CADAM,由美国洛克希德(,Lochheed),公司开发；,CALMA,由美国通用电气公司(,GE),开发；,CV,由美国波音(,Boeing),公司开发；,IDEAS,由美国国家航空及宇航局(,NASA),开发；,UG,由美国麦道(,MD),公司开发；,CATIA,由法国达索(,Dassault),公司开发。,这时的,CAD,技术主要应用在军用工业。,二、第二次,CAD,技术革命：实体造型技术,背景：,20世纪80年代初，,CAD,系统价格依然令一般企业望而却步，这使得,CAD,技术无法拥有更广阔的市场。为使自己的产品更具特色，在有限的市场中获得更大的市场份额，以,CV、SDRC、UG,为代表的系统开始朝各自的发展方向前进。,二、第二次,CAD,技术革命：实体造型技术,SDRC,公司在当时星球大战计划的背景下，由美国宇航局支持及合作，开发出许多专用分析模块，用以降低巨大的太空实验费用，同时在,CAD,技术方面也进行了许多开拓；,UG,则着重在曲面技术的基础上发展,CAM,技术，用以满足麦道飞机零部件的加工需求；,CV,和,CALMA,则将主要精力都放在,CAD,市场份额的争夺上。,二、第二次,CAD,技术革命：实体造型技术,有了表面模型，,CAM,的问题可以基本解决,。但由于表面模型技术只能表达形体的表面信息，难以准确表达零件的其他特性，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。基于对于,CADCAE,一体化技术发展的探索，,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,CADCAE,软件,IDEAS,。,二、第二次,CAD,技术革命：实体造型技术,由于,实体造型技术能够精确表达零件的全部属性，在理论上有助于统一,CAD、CAE、CAM,的模型表达,，给设计带来了惊人的方便。它代表着未来,CAD,技术的发展方向，实体造型技术的普及应用标志着,CAD,发展史上的第二次技术革命 。,二、第二次,CAD,技术革命：实体造型技术,在这段技术跌宕起伏的时期，,CV,公司最先在曲面算法上取得突破，计算速度提高很大。由于,CV,提出,集成各种软件，为企业提供全方位的解决思路,，并采取了将软件的运行平台向价格较低的小型机转移等有利措施，一举成为,CAD,领域的领导者,，市场份额上升到第一位，,兼并了,CALMA,公司,，实力迅速膨胀，其产品为（当时震耳欲聋的）,CADDS,。,三、第三次,CAD,技术革命：参数化技术,正当实体造型技术逐渐普及之时，,CAD,技术的研究又有了重大进展。如果说在此之前的造型技术都属于,无约束自由造型,的话，进入20世纪80年代中期，,CV,公司提出了一种比无约束自由造型更新颖、更好的算法,参数化实体造型,方法，该算法主要具有以下特点：,基于特征、全尺寸约束、全数据相关、尺寸驱动设计修改,。,三、第三次,CAD,技术革命：参数化技术,当时的参数化技术方案还处于一种发展的初级阶段，很多技术难点有待于攻克。由于参数化技术核心算法与以往的系统有本质差别。,若采用参数化技术，必须将全部软件重新改写,，投资及开发工作量必然很大，当时,CAD,技术主要应用在航空和汽车工业，这些工业中自由曲面的需求量非常大，参数化技术还不能提供解决自由曲面的有效工具（如实体曲面问题等），更何况当时,CV,的软件在市场上几乎呈供不应求之势，,于是,CV,公司内部否决了参数化技术方案,。,三、第三次,CAD,技术革命：参数化技术,策划参数技术的这些人在新思想无法实现时集体离开了,CV,公司，另成立了一个参数技术公司（,PTC）,，,开始研制命名为,ProENGINEER,的参数化软件。,20世纪80年代未，计算机技术迅猛发展，很多中小型企业也开始有能力使用,CAD,技术。由于他们设计的工作量并不大，零件形状也不复杂，更重要的是他们无钱投资大型高档软件，因此他们很自然地把目光投向了,当时中低档的,ProENGINEER,软件,。,三、第三次,CAD,技术革命：参数化技术,PTC,在起家之初瞄准中档市场，获得了巨大的成功。进入20世纪90年代，参数化技术变得比较成熟起来。踌躇满志的,PTC,先行挤占低端的,AutoCAD,市场；继而又试图进入高端,CAD,市场，与,CATIA、SDRC、UG,等群雄在汽车及飞机制造业市场逐鹿。目前，,PTC,在,CAD,市场份额排名上已名列前茅,。可以认为，参数化技术的应用主导了,CAD,发展史上的第三次技术革命。,第三次,CAD,技术革命：参数化技术,一点花絮,Pro/E,的早期开发人员实际上就是,CV,公司的，,那是,一个,IT,异常活跃时期，,任何一个人只要有了新思想，就可以创业立万,！于是从,CV,公司中出来了几个恐怖的精英分子，开创了一个崭新的时代,参数化,设计时代！,Pro/E,由于独特的,参数化,特征建模方式而在市场上一炮走红，让一个原本不知名的小公司在短短的几年内，成为举世知名的,IT,企业（呵呵！,CAD/CAM,界），演绎了又一个,IT,神话。它迅速超过市场上除,CATIA,外的其它同类，更神奇的是它竟然在很短的时间内将他的诞生体,CV,公司完整地吃了！,可怜的,CADDS,系列发展到5便终结了。,四、第四次,CAD,技术革命：变量化技术,参数化技术的成功应用，使它在20世纪90年代前后几乎成为,CAD,业界的标准，,但是技术理论上的认可并非意味着实践上的可行性,。由于,CATIA、CV、UG、,都在原来的非参数化模型基础上开发或集成了许多其他应用软件，在,CAD,方面也做了许多应用模块开发；,重新开发一套完全参数化的造型系统困难很大，因为这样做意味着必须将软件全部重新改写,。因此他们采用的参数化系统基本上都是在原有模型技术的基础上进行局部、小块的修补，在推出自己的参数化技术后，均宣传自己是采用,复合建模技术。,四、第四次,CAD,技术革命：变量化技术,由于参数化技术和非参数化技术内核本质不同，,用参数化技术造型后进入非参数化系统还要进行内部转换，极易导致数据丢失或其他不利条件,。这样的系统由于其在参数化技术的和非参数化技术上不具备优势，系统整体竞争力自然不高，只能依靠某些实用性模块上的特殊能力来增强竞争力！,四、第四次,CAD,技术革命：变量化技术,1990年以前,SDRC,公司已经摸索了几年参数化技术，当时也面临同样的抉择：要么它同样采用逐步修补方式，继续将其,IDEAS,软件“参数化”下去，这样做风险小但必然导致产品的综合竞争力不高；要么就是,全部改写！,四、第四次,CAD,技术革命：变量化技术,SDRC,的开发人员发现了参数化技术尚有许多不足之处。首先，,“全尺寸约束”这一硬性规定就干扰和制约着设计者创造力及想象力的发挥。,全尺寸约束，即设计者在设计初期及全过程中，必须将形状和尺寸联合起来考虑，并且通过尺寸约束来控制形状，通过尺寸的改变来驱动形状的改变，一切以尺寸（即所谓的“参数”）为出发点。,一旦所设计的零件形状过于复杂，面对满屏幕的尺寸，如何改变这些尺寸以达到所需要的形状就很不直观；,四、第四次,CAD,技术革命：变量化技术,另外，,如在设计中关键形体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,。,事实上，全约束是对设计者的一种硬性规定。“一定要全约束吗”“一定要以尺寸为设计的先决条件吗？”“欠约束能否将设计正确进行下去？”沿着这个思路，一个更新颖大胆的设想产生了。,他们以参数化技术为蓝本，提出了一种比参数化技术更为先进的实体造型技术,变量化技术,。,四、第四次,CAD,技术革命：变量化技术,SDRC,的决策者们权衡利弊，同意了这个方案，决定在公司效益正好之时，抓住机遇，从根本上解决问题，免留后患，于是，,从1990到1993年，历经三年时间，投资一亿多美元，将软件全部重新改写,，于1993年推出全新体系结构的,IDEAS Master Series,软件，在早期出现的大型,CAD,软件中，这是唯一一家在20世纪90年代将软件彻底重写的厂家！,四、第四次,CAD,技术革命：变量化技术,变量化技术既保持了参数化技术的原有优点，同时又克服了它的不足之处,。它的成功应用为,CAD,技术的发展提供了更大的空间和机遇。无疑，变量化技术成就了,SDRC，,也驱动了,CAD,发展的第四次技术革命。,变量化技术的进一步说明,VGX,的全称为,Variational Geometry Extended，,即超变量化几何,，它是由,SDRC,公司独家推出的一种,CAD,软件的核心技术。,VGX,技术扩展了变量化产品结构，,允许用户对一个完整的三维数字产品从几何造型、设计过程、特征，到设计约束，都可以进行实时直接操作,。对于设计人员而言，采用,VGX，,就象拿捏一个真实的零部件面团一样，可以随意塑造其形状，而且，随着设计的深化，,VGX,可以保留每一个中间设计过程的产品信息,总结约40年的,CAD,技术的发展历史,20世纪60年代二维、三维线框造型；,20世纪70年代自由曲面造型；,20世纪80年代中期至今基于约束的实体造型。,目前流行的,CAD,技术基础理论主要是以,RroE,为代表的参数化造型理论和以,SDRCIDEAS,为代表的变量化造型理论两大流派,，,它们都属于基于约束的实体造型技术,，,只有这两种理论在近十年产生并且赢得了广泛的认同,。,第四节 CAD/CAM的发展趋势,向,CAD/CAM,系统的集成化方向发展,将,CAD/CAE/CAPP/CAM,集成起来，包括人员集成、信息集成、功能集成、技术集成。,向,CAD/CAM,智能化方向发展,将专家系统应用机械设计领域，解决推理、判断等决策性和创造性问题，使之更符合机械设计的实际情况，全面提高设计效率和质量。,第四节 CAD/CAM的发展趋势,向,CAD/CAM,网络化方向发展,以适应大项目、多部门多企业间的协同设计，实现资源共享，将分散在不同地区的现有智力资源和生产设备资源高效率组合起来。,向并行工程方向发展,要求产品开发设计人员在设计阶段就考虑产品整个生命周期的所有要求，包括质量、性能、成本、进度、用户要求、加工、装配、销售等。,其关键是以并行设计方法代替串行设计方法。,第四节 CAD/CAM的发展趋势,向面向先进制造技术的,CAD,技术方向发展,随着市场竞争的日益激烈，出现了一些先进的制造技术系统：并行工程、精益生产、智能制造、敏捷制造、分形企业、计算机集成制造等，他们强调生产技术组织结构优化及产品结构优化，因此对,CAD,技术提出了新的要求：产品信息要在整个生命期的不同环节间进行转换；在用,CAD,系统进行新产品开发时，只需要重新设计和制造其中很小一部分零件，大部分零件的设计都可以继承以往产品的信息，及要求,CAD,系统要具有变形设计能力，能快速重构，得到一种全新产品。,第四节 CAD/CAM的发展趋势,向虚拟设计技术方向发展,以虚拟现实技术为基础，以机械产品为对象，使设计人员能与多维的信息环境进行交互。在虚拟现实的环境下直接进行设计，提高设计效率510倍。还可大大减少实物模型和样件制作,。,第五节 我国,CAD/CAM,的发展状况,我国,CAD/CAM,技术发展较晚，1980年代后才开始进行研究，我国的,CAD,支撑软件主要由各大高校开发。而大企业主要是进行了一些专用,CAD,系统和应用软件的开发。,第五节 我国,CAD/CAM,的发展状况,在二维交互绘图系统方面，不少自主版权的软件，如,GH-MDS,和,GH-InteCAD、PICAD、,开目,CAD、,凯图,cad-tool,等都已经在国内行业中推广使用，其中由清华大学和广东科龙(容声)集团联合共同研制的,GH-MDS,可以和,AutoCAD,基本兼容，而,InteCAD、,开目,CAD,和凯图均出自华中理工大学机械工程学院。,第五节 我国,CAD/CAM,的发展状况,在三维造型和几何设计方面，北京航空航天大学的,PAN-DA（CAXA）、,金银花系统，清华大学和华中理工大学共同研制的,CADMIS,等都实现了参数化特征造型、曲面造型、数控加工和有限元分析的集成，但商品化程度较低。,在有限元分析方面，大连理工大学研制成分析软件,IFEAS。,补充: 如何正确理解,CAD,技术,（陈伯雄）,很多人,一提起,CAD，,就首,先想到,代替手工绘图,，而不是有效的全面辅助设计。,而对于一个机械工程师来说，绘制二维工程图是他的看家本领，要不要用计算机辅助真是无所谓。从这个意义上讲，用图板还是用计算机，没有本质区别。,补充: 如何正确理解CAD技术,CAD,技术的目标究竟是什么？这是一个有很长历史,的问题,、涉及到了一些领导者和权威们的争论：“究竟什么是,CAD,的,D，,是,Drawing,还是,Design”？,设计中肯定要生成二维工程图，但这是设计全过程的一小部分，是工程师最熟悉，也是困难最少的部分，并不是最需要有人帮一把的部分。,所以,CAD,的,D,应当是,Design。,补充: 如何正确理解CAD技术,二维绘图中的设计难题,1复杂的投影线生成问题,2漏标尺寸，漏画图线的问题,3机构的几何关系和运动关系的分析讨论问题,4设计的更新与修改问题,5设计工程管理问题,补充: 如何正确理解CAD技术,二维图形参数化,问题,1、 二维参数化的局限性：通用二维参数化技术中，多视图之间的关联是必须作到的；同时系统必须能识别在此基础上的用户错误，比如用户要求将内孔直径改成大于外圆的时候时。,这对二维系统来说是困难的。,2、,二维参数化的可用性如果把问题降低为：,生成和管理专业设计中使用的、参数化的二维标准件图形库,，,二维参数化设计就大有可为,。适合这样做的题目有很多，例如：组合机床设计、夹具设计、量具设计等等。,但这方面的工作目前做得还很不够。,补充: 如何正确理解CAD技术,从三维开始设计是必然趋势,人在设计零件时的原始冲动是三维的，是有颜色、材料、硬度、形状、尺寸、位置、相关零件、制造工艺等等关联概念的三维实体，甚至是带有相当复杂的运动关系的三维实体。,只是由于以前的手段有限，人们不得不共同约定了在第一象限（美国是第三象限）平行正投影的二维视图表达规则，用有限个相关联的二维投影图表达自己的三维设想。这种表达信息是极不完整的。,而且绘图、读图要经过专门训练,的,人进行。,如果能直接以三维概念开始设计，在现有的软件支持下，这个模型至少有可能表达出设计构思的全部几何参数，整个设计过程可以完全在三维模型上讨论，对设计的辅助就很容易迅速扩大的全过程，设计的全部流程都能使用统一的数据，并以此为基础，进一步进行应力应变分析、制件质量属性分析、空间运动分析、装配干涉分析、,NC,控制可加工性分析、高正确率的二维工程图生成、外观色彩和造型效果评价、商业广告造型与动画生成等一系列的需求都能充分满足，这才是对设计全过程的有效的辅助，这才是有明确技术效益和经济效益的,CAD。,补充: 如何正确理解CAD技术,只有三维设计才是真正意义上、创成设计的,CAD,许多二维参数化软件商,宣称,，有了二维参数化，你可以随心所欲地修改零件的形状和尺寸，完成设计更新。,听起来很美,，可我从来不敢相信这样的观点。修改零件的尺寸是很容易的，问题是我怎么敢改。要敢改，起码必须进行力学分析，否则这个连杆断了怎么办？,只有三维设计才是真正意义上、创成设计的,CAD,我们这些学工的人，都完整地学了理力和材力，经过了三、五年的设计工作后，你的这些知识还剩多少？不经常使用的知识就会忘记，不经常使用的原因不是不需要，而是太麻烦：作一根轴的弯扭组合校核还算凑合，你把发动机缸盖分析一下试试。,只有三维设计才是真正意义上、创成设计的,CAD,设计质量提不高，许多问题出在这个分析上。看到,国外的设计小巧轻薄,，而,我们的同类设计傻大黑粗,，刚度反而不好，原因谁都会说：材料没有用到关键的地方。哪里是最需要材料的关键部位？找不到这个部位，设计仍然是傻大黑粗。,可见，应力应变分析在,CAD,中是极其重要的内容。只有三维设计，才有可能组建进行有限元分析的原始数据，进而进行零件几何形状的优化设计。,只有三维设计才是真正意义上、创成设计的,CAD,常有这样的情况，按国外造型的一次性打火机，我们再制造一个，注塑完成后，一眼就看出来不一样。为什么？,你的注塑模具没有放出足够的局部收缩量。在这个问题上，传统的二维设计毫无办法,。,在装配状态下讨论零件设计，是每个工程师都有的梦想。二维设计只能在局部上勉强做到，而三维设计必然能实现这个梦想。,补充: 如何正确理解CAD技术,只有能用参数驱动的设计模型，才有意义,不能进行参数驱动的三维模型，在设计中没有多少用途。仅是做到“看”起来象的建模方法，是没有使用价值的。 这里所说的参数驱动，包括对于新设计的零件、引用的标准件，也包括对各个零件之间的装配关系、位置关系甚至运动关系。,补充: 如何正确理解CAD技术,正确的辅助设计建模概念,1、人是,CAD,系统中的主要成员,无论设计软件的能力有多强，人,的操作才是决定这个软件使用之效果的决定性因素,。十分清楚，同一个,CAD,软件，在不同的人手中，会有相当不同的使用效果。例如：,AutoCAD,在一些人手中仅仅是电子图板，而在另一些人手中却成为很好的二维设计平台。,用好,CAD,系统的条件,要用好,CAD,系统可能取决于下列条件：1对自己要做的设计的理解到底有多深？2在建模之前的设计数据准备是否足够充分？3对自己的专业设计经验和知识面到底有多宽？4对自己使用的软件功能到底掌握了多少？ 可见，在追求软件应用效果的时候，首先应当检查的是自己的准备是否充足。,“以我为主”使用,CAD,软件,在专业设计问题上，最高权威不是软件，而是设计者。因此在,CAD,技术的应用过程中，必须“以我为主”。就是按照应用者的设计思路去使用软件的功能。软件永远是辅助者。学习软件功能和操作方法的过程，就像学外语的过程，,结果不是改变自己要表达的内容，而是改变表达的方法,。,补充: 如何正确理解CAD技术,正确的辅助设计建模概念,2、参数化建模的主体思路,建立一个正确的参数化模型，必须有许多相关知识协助才能完成。可以这样描述：,你怎么设计，我怎么测量；你怎么测量，我怎么加工；你怎么加工，我怎么建模。,1你怎么设计，我怎么测量,设计意图的描述，应当包括几何数据和其他数据。几何数据是工件的形状和尺寸。其他数据包括：加工方法要求、热处理要求、工件材质等。,在加工中，反馈控制几何数据正确性的手段是测量，因此有“你怎么设计，我怎么测量”，,就是说，按照设计的原始要求，测量实际工件，才能最准确地控制加工结果。,2你怎么测量，我怎么加工,工艺设计的原始构想常常来自测量的要求。例如：尽可能用测量的基准充当定位基准。,符合测量要求的加工方法，一定能保证加工质量。,例如，针对内径表测量孔径，双刃铰削是合适的加工方法。因此有“你怎么测量，我怎么加工”。,常常有这样的事情，工艺设计人员总是与测量系统设计人员讨论，完善自己的工艺设计。,3你怎么加工，我怎么建模,对于参数化三维模型建立来说，怎样做才正确呢？基本的概念是：,三维建模就是在计算机中模拟制造我们将要设计的机器。,三维建模的全过程，应当是这个零件未来制造和使用过程的概要表达。,因此有“你怎么加工，我怎么建模”。可见，,对工艺不熟悉，就不可能正确建立参数化三维模型,。,补充: 如何正确理解CAD技术,正确的辅助设计建模概念,3、尺寸标注与模型参数化,看一个工程师的设计绘图能力，首先看他的尺寸标注能力。,正确的尺寸标注，包含着丰富的设计意图和工艺意图的表达。,在二维工程图生成中的尺寸标注原则和技术要点，应当完全移植到三维参数化建模中使用。,尺寸约束可以有多种组合，但其中只有一种是正确的，因为这种方案真正表达了设计师的意图，真正做到了“你怎么设计我怎么造型”。,补充: 如何正确理解CAD技术,正确的辅助设计建模概念,4、零件造型怎样才是正确的结果,创建三维参数化零件模型，不仅仅是为了造型，,正确的模型应当为以后的许多使用，如设计的修改和调整、参加装配、力学分析、运动分析、数控加工等，准备好充分的数据和参数驱动的可能。,可以说，造型的近期目标是为了修改,。这就要求所创建出的零件造型结构完整，尺寸和几何约束齐全、正确，以便在零件设计过程中，可以对不合理的结构随时作相应的调整。,思考题,P19：1、3、4、7,对CAD软件的理解存在哪些误区？,END,