计算机辅助设计第一章

第一章 绪论,Click to edit Master text style,Alternate bulleted first line,First level bullet,Second level bullet,Third level bullet,36,第一章 绪论,1.1 计算机辅助制造工程基本概念,1.1.1 制造业、制造工程与制造系统,制造业的重要性,20,世纪是以,大规模生产为特征,的制造业。一个国家的实力及其繁荣，最终将取决于其制造业所提供的,产品,和,服务,的竞争力。,工业化国家的经济总产值大约,50%,（日本）到,68%,（德国）是由,制造工业,创造的 。,制造工业对,国民经济,的发展有决定性的影响，已成为国民经济的重要基础，其先进与否是一个国家经济发展的重要标志。,制造业涉及,机械产品制造、电气电子产品制造、仪器仪表业、轻工纺织与服装业、化工产品制造、医药行业,等诸多行业。,机械制造业,机械制造业,是制造业的基础，它承担着为国民经济各部门提供各种,装备,的任务。,【,行业：航空、航天、船舶、汽车、装备、通用机械,】,第一章 绪论,掌握：,制造业,机械制造业,装备制造业,了解：,大规模生产,大规模定制,1.1 计算机辅助制造工程基本概念,制造过程,通过,生产对象,在,几何形状和材料性能,上的变化来为社会提供所需的产品与服务。,【,冷工艺、热工艺,】,制造技术,为工业界生产一系列,创新的成本上有竞争能力和高质量的产品与服务,投入市场打下基础，是支撑制造工业的关键。,现代的制造技术,是融合集成机械与结构技术、设计与工艺技术、计算机控制与辅助技术、自动化技术、信息技术、微电子技术、材料技术、财会金融与工商管理为一体，综合应用于市场开拓、产品供销、设计、加工、检测、生产管理与售后服务全过程。,按,制造过程,划分，制造技术包括设计技术、制造工程技术、经营管理技术、加工与制造过程控制技术等。,按,技术领域,划分，制造技术包括设计技术、精密成形与加工技术、快速成型（,RP,，,Rapid Prototyping,）技术、制造自动化与计算机辅助制造技术、系统管理技术等。,第一章 绪论,掌握：,制造过程,制造技术及分类,1.1 计算机辅助制造工程基本概念,制造工程技术,是将工程科学与分析方法应用于,产品设计与制造、制造过程与系统的控制,等所形成的专业化知识、技术与技能。,制造工程,是从,产品设计到制造过程,实现的中间环节和支撑体系，是制造技术的重要组成部分。其基本活动包括：产品设计与规范的可制造性审查；制造工艺过程的选择与设计；产品制造、装配与测试的方法和顺序的确定；生产设备的选择与设计；工装与测试设备的选择与设计；工厂建筑、机器、设备、材料与储存设施的布置；工时定额的确定；制造成本估计、分析与转换研究；生产管理、协调与控制等。,制造系统,以,系统论、信息论和控制论,等所形成的系统科学和方法论为工具，从系统各组成部分之间的相互联系、相互作用、相互制约的关系来分析和研究制造过程，制造系统是由,物质流、能量流、信息流,三个基本要素组成的，而,信息流,的引入是形成制造系统最关键的因素。,第一章 绪论,掌握：,制造工程技术,制造工程,制造系统,1.1 计算机辅助制造工程基本概念,离散型制造,产品要通过有限次数的,生产或装配,操作，制造过程的各个环节之间可以彼此关联或不关联。机电产品和机械制造过程是一种典型的离散生产过程。,本书主要讨论离散型制造，特别是机械加工零件的加工制造。,连续处理型（流程型）制造,是连续性产品的生产，其整个处理过程是通过,阀门、泵、加热器等,进行控制的，例如，化工行业中的一种化学反应将原材料转变成最终产品，这类生产也称为流程型生产 。,第一章 绪论,掌握：,离散型制造,连续处理型（流程型）制造,1.1 计算机辅助制造工程基本概念,1.1.1 制造业、制造工程与制造系统,第一章 绪论,制造系统,制造工程,生产管理,工艺设计,数控编程,设备设计,工装设计,制造过程,存储运输,零件加工,产品装配,经营管理,财务会计,市场策划,营销管理,产品设计,概念设计,结构设计,详细设计,工程分析,图,1.1,制造系统构成,第一章 绪论,产品开发,工艺规划,加工,库存,装配,包装,发货,运输,售后服务,回收利用,经营管理功能,产品设计与制造功能,信息交换与反馈,图,1.,2,制造系统的两大功能主线,订单控制（销售）,主生产计划,物料需求计划,能力需求计划,生产指令发送,生产控制,生产数据采集,生产计划调整,质量管理,财务管理,成本核算,销售管理,后勤管理,客户满意度,更短的开发周期,高质量,低成本,创新速度,全球化的市场,产品的生命周期越来越短,设计,样机,产品发布,工程变更,维护/服务,概念,生产制造,信息,信息,信息,信息,信息,信息,信息优势已逐渐成为企业竞争的优先级竞争优势。,信息,加速了制造技术创新速度和新产品开发节奏，提高了制造业自身素质与水平。,制造企业,第一章 绪论,计算机技术在制造中应用的意义,第一章 绪论,1.1.2 计算机技术在制造工程中的应用及发展历史沿革,随着,计算机技术,的迅速发展，企业的,制造工程环境,发生了一系列的革命性变化，计算机技术在,产品设计、工艺过程设计、工装设计与制造、数控编程与仿真、生产管理,等方面得到了广泛的应用。,计算机辅助制造工程（,CAME,）,它,是指,计算机技术在制造工程中,的应用技术的总称。,1,计算机技术在制造工程中的应用,辅助作用：主要体现在,数值计算、数据存储与管理、图形处理、逻辑决策等,方面。,计算的优越性：复杂运算精确度和准确性、人工错误避免、设计分析方法的实现，例如优化方法、有限元分析等（,CAE,），离开计算机便难以实现 。,存储管理的优越性,:,可靠的记忆能力，数据存储与管理方面发挥重要作用,数据资料检索方面。,计算机辅助绘图：设计工作量的,60%,以上 ，重复使用，可以进行修改与编辑。,智能特性：,CAD/CAM,、 人工智能技术，提高之咱系统智能水平。,掌握：,计算机辅助制造工程,计算机技术在制造工程中的应用,第一章 绪论,1.1.2 计算机技术在制造工程中的应用,及发展历史沿革,2,计算机辅助制造工程的发展历史沿革,CAME,技术的发展是以各种,计算机辅助单元技术,在制造工程某些环节上的应用为起点，它以相关的基础技术的发展为基础。,计算机辅助设计（,CAD,）、计算机辅助工艺设计（,CAPP,）、计算机辅助数控加工与测量、计算机辅助工装设计、计算机辅助企业生产管理等,一系列计算机辅助单元技术的发展，而这些计算机辅助单元技术随着计算机技术及相关基础技术的发展而不断完善，并向,CIMS,等先进制造系统模式发展。,计算机辅助技术支持环境,：,1,、,2,、,3,、,4,代计算机。,计算机辅助技术支持系统,：,FEA,、,APT,、,GT,、,CAD,、,MRP,、,CAPP,、,CAD/CAM,、,MRPII,、,CIMS,。,掌握：,计算机辅助单元技术,计算机辅助设计,计算机辅助工艺设计,计算机辅助数控加工与测量,计算机辅助工装设计,计算机辅助企业生产管理,CAME,技术支持环境,CAME,技术支持系统,第一章 绪论,图,1.2,计算机辅助制造工程技术的发展,第一章 绪论,20,世纪,40,年代中期第一台计算机的问世及其发展,1952,年，美国麻省理工学院（,MIT,）研制了世界上第一台数控机床,第一台平板绘图仪 ，第一台滚筒式绘图仪,成组技术,(Group Technology, GT),的概念和方法,零件分类编码系统,交互式图形生成与显示的基本理论和技术,计算机辅助工艺过程设计,(Computer Aided Process Planning, CAPP),技术,计算机数字控制（,Computer Numerical Control,）、直接数控（,DNC,Direct Numerical Control,）和自适应控制等技术,物料需求计划（,MRP, Material,Requriements,lanning,）技术,制造资源计划（,Manufacturing Resources Planning,）,ERP,（,nterprise,Resource Planning,）,计算机集成制造系统（,CIMS,，,Computer Integrated Manufacturing System,）,柔性制造系统（,FMS,，,Flexible Manufacturing System,）,第一章 绪论,1.1.2 计算机技术在制造工程中的应用,及发展历史沿革,计算机辅助制造系统的新模式,并行工程,（,CE,，,Concurrent Engineering,）,敏捷制造,（,AM,，,Agile Manufacturing,）,虚拟制造,（,VM,，,Virtual Manufacturing,）,智能制造,（,IMT,，,Intelligent Manufacturing Technology,）,掌握：,CE,AM,VM,IMT,第一章 绪论,1.2 计算机辅助制造工程技术体系与内容,1.,计算机辅助制造工程技术体系,第,1,个层次,是以计算机辅助制造,工程应用软件,及其它相关的,计算机辅助软件,有机结合与集成所构成的基于,CIMS,等先进制造系统模式的,计算机辅助制造系统,。,第,2,个层次,由计算机辅助产品设计、计算机辅助制造工程、计算机辅助企业经营管理等,专业化技术与软件,以及相应的,基础技术,与,集成技术,所构成。,第,3,个层次,由数控机床、存储运输装置等制造硬件环境和计算机硬件、支撑软件环境、计算机网络等,计算机环境,构成。,掌握：,计算机辅助制造工程技术体系,计算机辅助制造系统,CAME,基础技术与集成技术,计算机环境,第一章 绪论,1.2 计算机辅助制造工程技术体系与内容,1.,计算机辅助制造工程技术体系,基于,CIMS,等先进制造系统与模式的计算机辅助制造系统,计算机辅助制造工程技术与软件,计算机辅助产品设计,计算机辅助工艺设计,计算机辅助工装设计与管理,计算机辅助制造,计算机辅助生产管理等,计算机,辅助,企业,经营管理,技术与软件,计算机,辅助,数控加工,与,生产过程控制,技术与软件,基础技术与集成技术,GT,、数据管理与数据库技术、人工智能技术、人机一体化技术、集成技术等,制造硬件环境,数控机床、存储运输装置等,计算机环境,计算机硬件与系统软件、计算机网络与,Internet/Intranet,等,图,1.3,计算机辅助制造工程技术体系,第一章 绪论,1.2 计算机辅助制造工程技术体系与内容,2.,计算机辅助制造工程基础技术,（,1,）,成组技术,（,GT,）,成组技术,（,GT,，,Group Technology,）是提高多品种、中小批量机械制造业生产效率和水平，增加生产效益的一种基础技术。,（,2,）,数据管理与数据库技术,产品的开发制造过程实质上是一个,数据采集、传递和加工处理的过程,，其制造形成的产品可以看作是数据的物质表现。因此如何实现产品数据的收集、存储、处理和共享是,计算机辅助制造工程的共性技术和基础技术,，,数据库技术,与数据交换技术的发展为计算机辅助制造工程的发展提供了良好的基础。,概念：,成组技术,数据管理,数据库技术,第一章 绪论,1.2 计算机辅助制造工程技术体系与内容,2.,计算机辅助制造工程基础技术,（,3,）,人工智能与专家系统技术,在,制造智能化,发展中，人们将人工智能融进产品设计、工艺过程设计、生产计划调度、工艺过程控制等制造系统环节，使,计算机能够帮助人们完成一定的逻辑决策功能,，从而提高制造系统各个环节的智能水平。其中以,专家系统,为代表的,符号化人工智能技术,在计算机辅助制造工程中得到广泛应用，成为实现计算机辅助制造工程智能化的重要基础技术。,(4,）,人机一体化技术,在计算机辅助制造工程技术的应用开发中，注意,人和计算机有机结合,，恰当地发挥二者的作用十分重要。,概念：,人工智能,专家系统,人机一体化,第一章 绪论,人机的特点,经验与判断 ，设计过程必须由人控制 ，算机完成一些工作量大的选择性逻辑决策任务，而不必片面追求决策的自动化 。,人可以从过去的设计中学习，总结经验，而计算机的学习能力差，学习的任务应由人来完成 。,数值分析工作，计算机可高速精确地完成 。,计算机具有永久存储信息的能力，对重复性工作有极强的耐力。,计算机具有系统检错的能力，人则可用直觉方式检错 。,改正错误、修放设计的任务应通过人的控制来完成 。,人和计算机在计算机辅助制造工程中起着不同的作用，,人,的主要作用是控制整个设计过程，利用自身的经验、直觉思维和想象力进行创造性的工作；,计算机,的作用则是扩展人脑的记忆功能，加强设计者的分析能力，将设计者从繁琐的重复性的工作中解放出来，在计算机辅助技术中人与计算机相结合，共同进行设计。,第一章 绪论,1.2 计算机辅助制造工程技术体系与内容,3.,计算机辅助制造工程单元技术,（,1,）,计算机辅助设计,(CAD),，,Computer Aided Design,技术具有两层含义：一层含义是指,产品零件与工程,的计算机辅助设计，另一层含义是指,计算机图形学、几何造型、图形数据存储与管理、标准件库,等基础技术。,（,2,）,计算机辅助工艺过程设计,（,CAPP,）,工艺设计确定制造过程及制造所需的制造资源、制造时间等，是完成产品设计信息向制造信息转换的关键性环节。,CAPP,技术应用对于缩短产品制造周期，提高产品质量，降低产品成本具有重要意义。,（,3,）,计算机辅助工装设计,工艺装备,设计的过程中，要把大量的人力、时间花费在繁琐的资料检索、分析计算、绘图、编制文件等工作上，采用计算机辅助设计技术，可显著地提高设计效率和质量，从而缩短产品开发周期。,概念：,CAD,CAPP,计算机辅助工装设计,第一章 绪论,1.2 计算机辅助制造工程技术体系与内容,3.,计算机辅助制造工程单元技术,（,4,）,计算机辅助制造,（,CAM,）,从,广义角度,，是指利用计算机来完成从原材料到产品的全部制造过程，其中包括制造过程监控与控制等直接或“在线”（,On Line,）制造过程和、编程、生产管理等间接制造过程或“离线”（,ff Line,）支援辅助功能。在此意义上，包含了本书所论述的计算机辅助制造工程概念；从,狭义角度,，通常是指一些主要的离线支援功能，甚至被看作编程的同义词。在本书中，主要是指编程等离线支援辅助功能。,（,5,）,计算机辅助生产管理,计算机辅助生产管理,系统或生产管理信息系统是企业管理信息系统的重要组成部分。它根据市场预测、客户订单、指令性计划等，制定产品交付、零部件配套的主生产计划，并编制包括生产作业计划和采购供应计划的物料需求计划。在制造过程中，以车间为单元，以能力需求和平衡为依据，对车间内部进行动态调度和控制。,概念：,CAM,计算机辅助生产管理,第一章 绪论,1.2 计算机辅助制造工程技术体系与内容,4.,计算机辅助制造工程集成技术,（,1,）面向装配的设计（,DFA,）与面向制造的设计（,DFM,）技术,在制造企业中，,产品设计与工艺设计,相对独立，甚至分属于不同部门，造成了工艺从属与设计、工艺与设计相脱离等现象，严重影响了制造技术的发展。,面向装配的设计（,DFA,，,Design for Assembly,）与面向制造的设计（,DFM,Design,for Manufacture,）。,实现,DFA/DFM,的关键是,CAPP,及工装,CAD,等系统，能与产品设计动态集成，随时向产品设计系统提供产品可制造性的评价信息。,概念：,集成技术,DFA,DFM,第一章 绪论,1.2 计算机辅助制造工程技术体系与内容,（,2,）特征基,CAD/CAPP/CAM,集成技术,以特征技术为基础的,CAD/CAPP/CAM,集成技术，可实现,NC,编程的高度自动化，大大提高数控编程的效率和数控加工程序的质量。,（,3,）,CAPP,与生产计划调度的过程集成技术,CAPP,与生产计划调度的过程集成要求,CAPP,在制订零件工艺规程时应充分考虑机床、刀具等制造资源对工艺过程的动态约束，实现工艺过程的动态优化，保证制造资源的平衡，使整个生产过程处于整体最优，并且能够在机床过载、机床故障、刀具损坏等动态偶发事件发生时，及时消除生产阻塞，保证生产过程的畅通。,概念：,特征基,CAD/CAPP/CAM,集成技术,CAPP,与生产计划调度过程集成技术,第一章 绪论,1.2 计算机辅助制造工程技术体系与内容,（,4,）,CIMS,等先进制造系统,/,模式下的系统集成技术,CIMS,等先进制造系统,/,模式下的系统集成，不是制造系统各个环节计算机辅助系统的简单叠加，而是在计算机网络和分布式数据库支持下的有机集成，它包括,信息集成、功能集成、过程集成,等多方面的集成。近年来，在系统集成实施中有两个很重要的变化：,由强调技术支撑变为强调技术、人和经营组织的集成，通过管理把技术、组织（包括人）和经营（包括策略）集成起来；,由“技术推动”变为“需求牵引”，强调用户的需求是成功实施的关键，用户是核心。,概念：,CIMS,先进制造系统,信息集成,功能集成,过程集成,第一章 绪论,1.,3,计算机辅助制造工程系统的计算机环境,1.3.1,计算机硬件与系统软件,1.,计算机硬件,硬件环境,主要包括主机、外存储器、显示设备、输入设备、输出设备等。,(,1),主机,(2),显示器,(3),输入设备,(4),输出设备,2.,系统软件,计算机系统软件,包括操作系统、汇编系统、编译系统和诊断系统等。,概念：,计算机硬件,系统软件,第一章 绪论,1.,3,计算机辅助制造工程系统的计算机环境,1.3.2,计算机网络,计算机网络,是用通信线路将分散在不同地点、并具有独立功能的多台计算机系统互相连接，并按照,网络协议,进行数据通信，实现,共享资源,（如网络中的硬件、软件、数据等）的计算机以及线路与设备的集合。,通讯网络与各种功能的网络软件相结合，实现不同条件下的通信以支持系统集成。,计算机辅助制造工程的功能需求是多方面的，任何一种计算机或工作站都难以适应各种不同的需求；同时，所使用的软件、数据库以及外部设备也常常是多种多样的。,概念：,计算机网络,网络协议,第一章 绪论,1.,3,计算机辅助制造工程系统的计算机环境,1.3.2,计算机网络,计算机网络按连网计算机分布的,地理范围及通信,要求的不同，有,广域网（,WAM,）、市域网（,MAN,）和局域网,（,LAN,）三种类型，。,局域网,(Local Area Network),指的是较小的地理区域内,(0.125km,范围，通常是,12km,距离以内,),高数据传输率的通信网络。局域网以各节点相互连接的拓扑结构分，有星型、总线型、环型、树型等不同结构，以及集星型、环型两种型式优点于一身的星型环拓扑结构。,概念：,广域网,城域网,局域网,第一章 绪论,1.,3,计算机辅助制造工程系统的计算机环境,1.3.2,计算机网络,概念：,广域网,城域网,局域网,第一章 绪论,1.,3,计算机辅助制造工程系统的计算机环境,1.3.2,计算机网络,网络通信是在网络协议的支持下进行的，,协议,是信息交流规则的集合。,国际标准化组织,ISO,的专门委员会曾制订了一个,开放系统互连模型,OSI(Open,System Interconnection),。它为通信协议的标准化，以及分布式处理的开放系统的互连通信提供了基础。,OSI,由,物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层、应用层,等,7,个层次构成。其中，下面四层为,底层协议,，主要解决各种情况下数据传输的可靠性和完整性问题，上面三层为,高层协议,，主要为应用所需的专门服务。,概念：,协议,开放系统互连模型,第一章 绪论,1.,3,计算机辅助制造工程系统的计算机环境,1.3.2,计算机网络,目前，较著名的通信协议标准有,TCP/IP,和,MAP/TCP/,IP,(Transmission,Control Protocol/Internet Protocol),即传输控制协议,/,网络互连协议，是由美国国防部定义的网络协议，相当于,ISO-OSI7,层模型中的传输层和网络层。,MAP,(Manufacturing,Automation Protocol),是美国通用汽车公司,(General Motor),提出的专门用于生产自动化的局域网协议，主要涉及生产部门和自动装配线。,TOP,(Technical,and Of-,fice,protocol),是由美国波音公司,(Boeing Company),开发的一种用于办公室自动化的局域网协议。,概念：,TCP/IP,MAP,TOP,第一章 绪论,1.,3,计算机辅助制造工程系统的计算机环境,总线网,是,CAD/CAM,集成系统中常用的网络形式。它的主要优点是：传输速率高，用户节点的重新配置较容易实现，网络可靠性高，通信距离较大等。如果用户较分散，而且信息流量不是太大时，采用总线网结构可以获得较为理想的信息吞吐量。这种网络结构常采用“,以太网,(Ethernet)”,为物理连接介质，已列入国际标准,ISO8802/3,。两个节点的总长度最大可达,2.5km,。当前世界上的局域网大约,50%,都采用“以太网”。,1.3.3,Internet/Intranet,Internet,是一种基于,TCP/IP,协议发展起来的国际互联网络。,Intranet,，企业开始关注如何利用,Internet,技术建立企业信息公路，即,Intranet,，并将企业计算机环境中的资源与,Internet,集成在一起。,概念：,总线网,以太网,Internet,Intranet,第一章 绪论,1.,3,计算机辅助制造工程系统的计算机环境,Web,（,WWW,）应用迅速成为最广泛支持的应用模式。,Web,模式以,浏览器,作为客户端软件，以,HTML,页面作为用户交互界面的描述，统一、直观的操作界面和操作风格方便了用户的使用，减少了系统培训和服务的工作量，同时,Web,模式的易用、开放和支持动态变化等特性决定了它将成为未来网络信息系统发展的主导方向。以,Internet/Web,技术和现实环境的支撑,通过,Internet/Intranet,网,实现,异地协同设计与制造及企业制造信息管理,，为计算机辅助制造工程技术提出了新的应用与发展需求。,概念：,WWW,Web,HTML,异地协同,第一章 绪论,1.,4,计算机辅助制造工程的应用与发展,计算机辅助制造工程技术的,价值,在于应用，通过应用形成新的生产力，转化为实际的经济效益。,系统,：包括各种计算机应用系统，这些系统和相应的知识库由企业各级组织中的人员在协调、共享的环境中使用，在企业的产品设计、工艺设计、产品制造和用户服务等,15,个生产经营主要环节中创造出新的价值。,用户,：强调企业的一切生产经营活动都必须以满足用户不断增长的需求，即,TQCS,为中心而运行。,T,代表产品上市快,(Time to Market),；,Q,代表高质量好,(Quality),；,C,代表成本低,(Cost),；,S,代表服务好,(Service),。,概念：,T,Q,C,S,第一章 绪论,1.,4,计算机辅助制造工程的应用与发展,图,1.5,新的制造企业轮图,第一章 绪论,1.,4,计算机辅助制造工程的应用与发展,在西方发达国家中，新型飞机或发动机研制费的,5%10%,是用于购买计算机的软硬件，据估算，全世界航空航天工业每年购买,CAD/CAM,和,CASE,（计算机辅助软件工程软硬件的费用超过,40,亿,美元，并将继续以每年,10%,的速度增长。因此，能否充分利用这种战略资源，将高技术转化为高效益，越来越成为企业谋求生存发展的重大战略问题。,概念：,CAD/CAM,航空,宇航,第一章 绪论,1.,4,计算机辅助制造工程的应用与发展,信息时代,，制造业正面临着新的挑战。,CAME,技术的有机集成以及先进制造系统与模式已经成为现代企业科技进步和实现现代化的重要标志。,目前，,先进制造技术,(Advanced Manufacturing Technology,，,AMT),的发展引起国内外的极大关注，未来的制造是基于集成和智能的敏捷制造和“全球化制造”，未来的产品是基于信息和知识的产品，集成化、智能化、系统化、实用化、工程化成为计算机辅助制造工程技术的发展方向。,根据国民经济与社会发展“十一五”计划和,2010,年远景目标纲要及市场需求，我国正在大力推广电子信息技术在传统产业技术改造中的应用，以及制造业信息化工程的发展，促进,CAD,、,CAM,、,CAPP,、,MIS,、,CIMS,技术的应用，并向综合化、集成化方向发展。,概念：,信息时代,先进制造技术（,AMT,）,第一章 绪论,思考题与习题,1.,论述制造业对国民经济发展的重要性。,2.,制造工程所涉及的基本活动有哪些？,3.,制造系统的类型有哪些？通常有哪些部分组成？,4.,阐述计算机辅助制造工程技术的发展 。,