計算機輔助設計與制造第一章課件

計算機輔助設計與制造計算機輔助設計與制造1計算機輔助設計與制造01緒論第1章計算機輔助設計與制造01緒論第1章2第1章緒論1.1產品的實現(xiàn)過程第1章緒論1.1產品的實現(xiàn)過程31.1產品的實現(xiàn)過程

制造的目的是獲得有用的產品。如何獲得產品?從制造的角度來說,必須經歷從產品概念的產生,直到產品實體的完成等一系列活動,即產品的實現(xiàn)過程。因此,產品的實現(xiàn)過程也被稱為制造過程。這是一個廣義的制造過程的概念,也被稱為“大制造”。在過去,產品的更新?lián)Q代比較緩慢,在很多時候并不需要對產品的設計進行變化,往往只需要在原來產品設計的基礎上不斷重復,因此,獲得產品的過程可直接通過改變毛坯(或原材料)的形狀、位置和關系完成。也稱這部分過程為“制造過程”,即“小制造”。1.1產品的實現(xiàn)過程制造的目的是獲得有用的產品。如何41.1產品的實現(xiàn)過程

一個典型的產品實現(xiàn)過程包括:1)通過市場需求調查以及用戶對產品性能的要求,進行設計定義描述以及需求分析,收集相關的設計信息,進行產品的可行性分析。2)進行產品性能分析、參數分解,完成產品方案設計。1.1產品的實現(xiàn)過程一個典型的產品實現(xiàn)過程包括:51.1產品的實現(xiàn)過程3)進行產品的工程分析,主要包括結構分析、設計檢查效驗、性能仿真優(yōu)化等,完成產品結構及工程設計。4)制訂制造計劃,包括確定組成產品的零部件和毛坯的獲得途徑、資源的使用要求、生產能力的平衡等。5)對于加工零件,準備相應的加工工藝規(guī)程。6)根據制造計劃和市場供應要求,編制并實施生產作業(yè)計劃,包括制造資源添置、物料采購等;根據生成的作業(yè)計劃組織相應的產品加工任務,在實際生產過程階段對生產過程進行控制,并對產品質量進行實時監(jiān)控,完成產品的生產、運輸及銷售。1.1產品的實現(xiàn)過程3)進行產品的工程分析,主要包括結61.1產品的實現(xiàn)過程在用戶市場驅動的制造過程中,各種活動都不是孤立和隔絕的。在不同的時期,不同的地域,針對不同的產品對象,其組成、關系和劃分都有差別。就像在工業(yè)革命之前,產品的整個制造過程是在一個小作坊里進行,生產活動基本上都是由師傅帶徒弟完成的。而到了工業(yè)化的后期,制造過程的詳細分工,使一件產品由更多人員協(xié)作完成。隨著后工業(yè)化時代的到來,產品實現(xiàn)過程越來越強調系統(tǒng)化和協(xié)調發(fā)展,“集成”“一體化”“協(xié)同”成為組織產品實現(xiàn)過程的典型特征。1.1產品的實現(xiàn)過程在用戶市場驅動的制造過程中,各種活71.1產品的實現(xiàn)過程在產品實現(xiàn)過程中,除了要解決所需要的硬件設備環(huán)境和人外,還要解決的關鍵問題是信息在過程中的傳遞,即:

產品信息表達方式;分工及組織管理方式;信息傳遞和保障機制。1.1產品的實現(xiàn)過程在產品實現(xiàn)過程中,除了要解決所需要81.1產品的實現(xiàn)過程一個一般的產品實現(xiàn)過程中,設計與制造各環(huán)節(jié)之間的關系如圖1-1所示。生產是由用戶市場驅動的,根據市場需求產生設計構思。工程設計完成每一個細節(jié)的設計,并以工程圖表達。接著進行產品零件和部件的制造和裝配工藝過程設計、工藝裝備設計與制造,并制訂生產調度計劃。一切生產準備就緒后,就開始加工制造,并由質量控制部門負責質量保證。圖1-1一個一般的產品實現(xiàn)過程流程圖1.1產品的實現(xiàn)過程一個一般的產品實現(xiàn)過程中,設計與制91.1產品的實現(xiàn)過程

采用計算機后的生產過程流程圖如圖1-2所示。計算機輔助技術應用到生產的各個環(huán)節(jié),可以使生產過程進行得更快、更好,從而獲得更高的效益。圖1-2采用計算機后的生產過程流程圖1.1產品的實現(xiàn)過程采用計算機后的生產過程流程圖如圖10第1章緒論1.2制造系統(tǒng)第1章緒論1.2制造系統(tǒng)111.2制造系統(tǒng)

1.2.1制造系統(tǒng)的概念制造系統(tǒng)的功能結構如圖1-3所示。從圖1-3中可以看出制造系統(tǒng)的組成部分以及信息流和物質流在制造系統(tǒng)中的傳遞。1.2制造系統(tǒng)1.2.1制造系統(tǒng)的概念制造系統(tǒng)的功能結121.2制造系統(tǒng)

圖1-3制造系統(tǒng)的功能結構1.2制造系統(tǒng)圖1-3制造系統(tǒng)的功能結構131.2制造系統(tǒng)從系統(tǒng)論的角度來看,制造系統(tǒng)是在制造過程中,由制造對象、制造資源和工作者所組成的有機聯(lián)系體。可以看出,工作者在制造資源(各種軟硬件工具和技術)的支持下,對制造對象進行一系列的作用,使其最終變?yōu)楫a品。制造系統(tǒng)的目標是獲得產品,其中涉及硬件、軟件和人員。制造系統(tǒng)可視為若干硬件的集合體。為了使硬件充分發(fā)揮效能,必須有軟件的支持。1.2制造系統(tǒng)從系統(tǒng)論的角度來看,制造系統(tǒng)是在制造過程中,141.2制造系統(tǒng)

從過程的角度來看,制造系統(tǒng)是一個由物質流、信息流和能量流組成的系統(tǒng),也就是人們常說的“三流”系統(tǒng)。其表現(xiàn)為:在制造系統(tǒng)中的信息的控制下,通過能量的作用,把物質形態(tài)的輸入原料變成成品(產品或半成品)的過程。在市場經濟社會,也有人認為制造系統(tǒng)是一個“四流”系統(tǒng),即物質流、信息流、能量流和資金流。一個系統(tǒng)要想運行,必須有一系列確定的資金在規(guī)定的時間投入,這就是資金流。圖1-4所示為制造系統(tǒng)的物質流示意圖。圖1-4制造系統(tǒng)的物質流示意圖1.2制造系統(tǒng)從過程的角度來看,制造系統(tǒng)是一個由物質流、151.2制造系統(tǒng)

簡單地說,制造系統(tǒng)就是產品實現(xiàn)過程的、包括制造對象在內的軟硬件平臺。圖1-5所示為制造系統(tǒng)涉及產品生命周期(包括市場分析、產品設計、工藝規(guī)劃、加工過程、裝配、運輸、產品銷售、售后服務等)的全過程或部分環(huán)節(jié)。其中,硬件包括廠房、生產設備、工具裝備、計算機及網絡以及操作人員等;軟件包括設計開發(fā)、工藝編制、工程分析、質量控制及其有關的軟件系統(tǒng)等;制造對象主要指制造目的所針對的物質,包括原材料、坯件、在制品等。1.2制造系統(tǒng)簡單地說,制造系統(tǒng)就是產品實現(xiàn)過程的、包括161.2制造系統(tǒng)

圖1-5制造系統(tǒng)示意圖1.2制造系統(tǒng)圖1-5制造系統(tǒng)示意圖171.2制造系統(tǒng)

1.2.2計算機輔助設計與制造及其系統(tǒng)計算機輔助系統(tǒng)是泛指在不同的工作過程中,利用計算機來協(xié)助操作人員完成部分工作的系統(tǒng)。針對不同的活動,不同的系統(tǒng)內容,可以得到不同的計算機輔助系統(tǒng)。除了過程中的計算機輔助外,計算機還可以作為操作人員的工具協(xié)助完成部分工作,這樣的工具也可以稱為計算機輔助系統(tǒng)。1.2制造系統(tǒng)1.2.2計算機輔助設計與制造及其系統(tǒng)計181.2制造系統(tǒng)

計算機輔助設計與制造系統(tǒng)所指的是在產品設計與制造的大制造過程中,輔助操作人員完成各種工作、為不同工作提供幫助的各種計算機系統(tǒng)和工具的統(tǒng)稱,簡稱CAD/CAM系統(tǒng)。而計算機輔助設計與制造所指的是建立這些系統(tǒng)和工具的理論、技術和方法,也稱為計算機輔助設計與制造技術,簡稱CAD/CAM技術。1.2制造系統(tǒng)計算機輔助設計與制造系統(tǒng)所指的是在產品設計191.2制造系統(tǒng)

計算機輔助用于制造過程,其作用在于對信息流的傳遞、映射和控制。因此,計算機可以從制造過程的源頭就參與輔助操作人員工作,直至產品產出時,即制造過程的結束。在這中間,圍繞產品數據的產生與存儲、制造信息的生成與傳遞、過程管理信息的計劃與組織,可利用計算機及相關軟硬件技術提供“輔助”,起“助手”或“參謀”的作用。1.2制造系統(tǒng)計算機輔助用于制造過程,其作用在于對信息流201.2制造系統(tǒng)1)計算機輔助設計——利用計算機進行產品幾何信息模型的建立、工程圖繪制、工程分析等。2)計算機輔助工藝過程設計——利用計算機進行產品零件制造工藝過程或產品裝配工藝過程的設計、工藝(裝配)過程的仿真分析。3)計算機數控編程——利用計算機并根據產品數據模型和工藝模型進行數控程序編制。4)計算機輔助生產管理——利用計算機編排生產計劃,進行生產調度。1.2制造系統(tǒng)1)計算機輔助設計——利用計算機進行產品幾何211.2制造系統(tǒng)

在實際應用中,計算機也可以實時參與加工過程的數據監(jiān)測與控制,實現(xiàn)部分或全部生產過程的自動化,稱為制造過程的計算機監(jiān)控。計算機監(jiān)控分為監(jiān)測與控制兩類。計算機監(jiān)測就是在計算機與制造過程間有直接接口,對制造過程及設備工況進行監(jiān)測并采集數據,但計算機不直接參與控制,控制過程仍由操作者根據計算機處理后的信息來完成。1.2制造系統(tǒng)在實際應用中,計算機也可以實時參與加工過程221.2制造系統(tǒng)

計算機監(jiān)測與計算機控制的區(qū)別如圖1-6所示。在計算機監(jiān)測中,制造過程與計算機之間的信息為單向流動,流動方向為從制造過程送往計算機。而在計算機控制中,制造過程與計算機之間的信息為雙向流動。信息從制造過程送往計算機,計算機進行綜合分析,并根據預定的控制算法,向制造過程發(fā)出控制信息。因此,計算機監(jiān)控不僅需要硬件的支持,作為替代人,根據監(jiān)測到的數據發(fā)出適當的控制指令的信息決策才是最關鍵,也是最難的。圖1-6計算機監(jiān)測與計算機控制的區(qū)別1.2制造系統(tǒng)計算機監(jiān)測與計算機控制的區(qū)別如圖1-6所示231.2制造系統(tǒng)綜上所述,計算機輔助設計與制造系統(tǒng)是圍繞制造過程的、使用計算機進行輔助的、制造信息的處理系統(tǒng)。它是制造系統(tǒng)的一部分,但并不直接作用于加工對象。計算機輔助設計與制造所涉及的技術主要是信息處理技術。1.2制造系統(tǒng)綜上所述,計算機輔助設計與制造系統(tǒng)是圍繞制造24第1章緒論1.3計算機輔助設計與制造系統(tǒng)第1章緒論1.3計算機輔助設計與制造系統(tǒng)251.3計算機輔助設計與制造系統(tǒng)

1.3.1系統(tǒng)的功能計算機輔助設計與制造是隨著計算機技術的發(fā)展而發(fā)展的,并隨著現(xiàn)代制造和管理技術的發(fā)展而不斷壯大和完善。計算機輔助設計與制造系統(tǒng)主要是輔助制造過程中的信息處理工作,包括輔助人們完成產品結構描述、實現(xiàn)工程信息的表達與傳輸、產品結構的分析與優(yōu)化、產品信息的存儲與管理、人與計算機的交流互動和產品制造過程的模擬與仿真等。1.3計算機輔助設計與制造系統(tǒng)1.3.1系統(tǒng)的功能計算261.3計算機輔助設計與制造系統(tǒng)

因此,計算機輔助設計與制造系統(tǒng)一般具備以下功能。1.人機交互功能人機交互是保證用戶與計算機交流的通道,實際上是一個輸入和輸出的過程,這也是計算機輔助設計與制造系統(tǒng)體現(xiàn)“輔助”的最基本功能。操作人員通過人機界面向計算機輸入指令,計算機經過處理后把輸出結果呈現(xiàn)給用戶。目前,計算機輔助設計與制造系統(tǒng)一般采用圖形用戶界面來實現(xiàn)數據交互和圖形交互。在計算機輔助設計與制造系統(tǒng)中,友好的用戶界面是保證用戶直接有效地完成復雜設計任務的必要條件。此外,除了軟件界面設計外,現(xiàn)代計算機輔助系統(tǒng)發(fā)展了更加多元化和靈活的交互設備,如頭盔顯示、數字手套等。操作人員可以通過更加直觀的形式完成與系統(tǒng)間的信息傳遞。隨著虛擬現(xiàn)實技術的不斷發(fā)展,人機交互的功能將變得越來越完善、方便。1.3計算機輔助設計與制造系統(tǒng)因此,計算機輔助設計與制造271.3計算機輔助設計與制造系統(tǒng)

產品建模是計算機輔助設計與制造系統(tǒng)的主要功能形式之一,也是最早應用于制造領域的計算機輔助過程。作為制造的源頭,產品信息一開始就貫穿在制造過程之中,也是整個制造過程的依據。因此,利用計算機輔助進行產品建模是制造過程最迫切的需要。隨著計算機輔助技術的發(fā)展,計算機輔助建模已從最基本的計算機輔助工程圖繪制,發(fā)展為以表達幾何和非幾何信息在內的產品建模,包括幾何造型和特征建模。除此之外,針對整個生產過程的產品信息演變,還提出了全生命周期建模等。產生的信息模型和數據模型包括幾何模型、特征模型、集成產品模型以及最新的智能模型等。產品建模過程實質就是一個描述、處理、存儲、表達現(xiàn)實世界中的產品,并將工程信息數字化的過程。幾何造型用于產品信息及其相關過程信息的描述,可以說是產品設計與制造信息的源頭。幾何模型應用于產品制造的整個過程,是完成計算機輔助設計與制造的基礎。在設計階段,建立幾何模型來表達產品的形狀結構以及裝配關系等;在制造過程中,如數控編程時,應用幾何模型來完成刀具軌跡定義和加工參數輸入等。2.產品建模功能1.3計算機輔助設計與制造系統(tǒng)產品建模是計算機輔助設計與281.3計算機輔助設計與制造系統(tǒng)

3.圖形處理功能計算機輔助設計與制造技術首先是從機械產品制造過程中發(fā)展起來的。機械產品的產品信息以幾何信息為主,利用計算機進行輔助設計與制造最基本的就是要解決幾何圖形的輸入輸出和交互修改處理問題。同時,用幾何圖形表達也是一種能提供最多信息、也最容易被人所感知的方式。圖形處理主要是對圖形進行各種變換以改善視覺效果,如對圖形進行坐標變換、裁剪、渲染、消隱處理、光照處理等,是將圖形轉換成所需要的圖形效果的過程。在產品設計中要運用到大量的圖形處理,這項功能是計算機輔助設計與制造系統(tǒng)所必備的。1.3計算機輔助設計與制造系統(tǒng)3.圖形處理功能計算機輔助291.3計算機輔助設計與制造系統(tǒng)

4.數控編程功能在現(xiàn)代加工中,數控機床的使用越來越普遍,針對被加工零件的數控加工控制代碼(簡稱數控程序)的需求也越來越多。因此,利用計算機輔助進行數控代碼的編制,不僅可以提高編程效率(如曲線輪廓、三維曲面等復雜型面的零件加工程序的編程),而且可以減少編程錯誤及調試工作?，F(xiàn)代計算機輔助數控編程還能進行數控代碼優(yōu)化,提高加工質量和加工效率。數控編程主要包括分析零件圖樣、工藝處理、數學處理、編寫程序、輸入數控程序和程序檢驗。1.3計算機輔助設計與制造系統(tǒng)4.數控編程功能在現(xiàn)代加工301.3計算機輔助設計與制造系統(tǒng)

5.模擬與仿真功能現(xiàn)代產品和生產系統(tǒng)越來越復雜,因此影響因素也越來越多。通過計算機輔助的方法,建立一個模擬實際產品和生產線的數字模型,進行包括機構運動學模擬、機器人仿真、加工軌跡仿真、干涉檢查、模擬真實生產過程的運行等工作,來預測產品的性能、產品的制造過程和產品的可制造性,有助于提高產品和系統(tǒng)設計質量。在軟件中實現(xiàn)仿真,可有效地避免現(xiàn)場調試造成的人力、物力的投入以及減少加工設備損壞的風險,能大量節(jié)省時間和費用,從而提高產品生產的效率和效益。1.3計算機輔助設計與制造系統(tǒng)5.模擬與仿真功能現(xiàn)代產品311.3計算機輔助設計與制造系統(tǒng)

6.工程分析與優(yōu)化功能在產品設計制造過程中,需完成大量的分析計算任務。這些任務包括根據產品幾何形狀計算產品的體積、表面積、質量、重心位置、轉動慣量等參數;在結構分析中進行應力、溫度、位移等的計算;得到復雜結構形狀零件的靜態(tài)、動態(tài)特性,如強度、振動、熱變形、磁場、應力分布狀態(tài)等。這些計算不僅工作量十分巨大,而且所需要的基礎數據繁雜。而這正是計算機相比人類具有巨大優(yōu)勢的地方。因此,使用計算機輔助進行這些工程數據計算與分析必然成為計算機輔助的一個重要方面,也是計算機輔助設計與制造系統(tǒng)的一個重要功能。在工程參數計算的基礎上,還可以利用各種優(yōu)化算法的計算機軟件進行包括總體方案的優(yōu)化、產品零件結構的優(yōu)化、工藝參數的優(yōu)化、制造系統(tǒng)布局優(yōu)化、制造流程優(yōu)化、制造參數優(yōu)化等多方面的優(yōu)化工作。1.3計算機輔助設計與制造系統(tǒng)6.工程分析與優(yōu)化功能在產321.3計算機輔助設計與制造系統(tǒng)

7.工程信息存儲與管理功能隨著計算機輔助設計與制造技術的發(fā)展,現(xiàn)代的制造業(yè)企業(yè)中已經廣泛使用了各種計算機輔助系統(tǒng)(CAX)、產品數據管理(PDM)及制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES)等。然而,由于這些信息系統(tǒng)所涉及的是制造信息的不同子集,相互之間存在數據表達各異、內容冗余混亂等諸多問題,導致制造信息在各信息系統(tǒng)間進行自動傳遞和交換成為了必須要解決的問題。因此,計算機輔助設計與制造系統(tǒng)必須使制造信息在不同的信息系統(tǒng)之間順利地傳遞與共享,減少數據冗余,保證制造過程中信息的一致性、完整性與準確性,提高信息使用的效率,從而使產品制造過程的運行更加有效。同時,產品開發(fā)與生產過程的各個階段都會產生大量的數字化產品定義數據,如:描述產品形狀與結構關系的二維/三維模型文件、裝配明細(產品配置)表;描述產品工程分析計算的有限元模型、計算結果文件;描述產品制造工藝過程的工藝規(guī)程文件、NC程序、加工仿真數據;描述產品質量的質量檢驗數據;描述產品開發(fā)管理的任務計劃、工作總結、項目合同等。這些數據不僅數量龐大、種類繁多,而且結構關系復雜,數據之間存在如裝配結構關系、參考引用關系、繼承關系等復雜聯(lián)系,用手工的方式進行存儲和管理有很大的難度,應用產品數據管理系統(tǒng)是進行產品數據存儲管理的必行途徑。PDM系統(tǒng)的基本功能包括文檔管理、產品結構管理、版本管理、權限管理、流程管理、用戶管理等。1.3計算機輔助設計與制造系統(tǒng)7.工程信息存儲與管理功能331.3計算機輔助設計與制造系統(tǒng)

1.3.2系統(tǒng)的分類制造過程由多個階段構成,每個階段又包含若干個步驟,并且它們都具有相對的獨立性。正因為這個規(guī)律的存在,為計算機輔助技術的引入,實現(xiàn)計算機輔助設計與制造提供了可能。同時,由于整個過程的復雜性,需要計算機的快速計算性能;產品設計制造的各個環(huán)節(jié)是一個需要互相交叉、交互的過程,需要一種多方面信息處理和反饋的工具;產品設計制造過程會有大量信息產生和傳遞,需要對這些信息進行存儲、映射和轉換。以上的幾點都促進了計算機輔助設計與制造技術的出現(xiàn)和發(fā)展。1.3計算機輔助設計與制造系統(tǒng)1.3.2系統(tǒng)的分類制造341.3計算機輔助設計與制造系統(tǒng)1)交互式計算機輔助系統(tǒng)。2)自動設計/控制系統(tǒng)。3)智能設計/控制系統(tǒng)。根據系統(tǒng)的自動化程度不同、系統(tǒng)功能的不同、系統(tǒng)作用于制造過程階段的不同、系統(tǒng)所屬技術領域的不同以及系統(tǒng)作用對象的不同,計算機輔助設計與制造系統(tǒng)可進行以下分類:1.按系統(tǒng)的自動化程度分類1.3計算機輔助設計與制造系統(tǒng)1)交互式計算機輔助系統(tǒng)。根351.3計算機輔助設計與制造系統(tǒng)

2.按不同的制造過程階段分類1)計算機輔助設計系統(tǒng)。2)計算機輔助工藝設計系統(tǒng)。3)計算機輔助數控編程與加工控制系統(tǒng)。1.3計算機輔助設計與制造系統(tǒng)2.按不同的制造過程階段分361.3計算機輔助設計與制造系統(tǒng)1)計算機輔助產品建模。2)計算機輔助設計支持。3)計算機輔助數據及設計流程管理。4)計算機仿真。3.按系統(tǒng)功能分類1.3計算機輔助設計與制造系統(tǒng)1)計算機輔助產品建模。3.371.3計算機輔助設計與制造系統(tǒng)

4.按系統(tǒng)所屬技術領域分類1)計算機輔助幾何造型。2)計算機輔助質量分配保證。3)計算機輔助過程及數據管理。4)計算機輔助工程計算分析。1.3計算機輔助設計與制造系統(tǒng)4.按系統(tǒng)所屬技術領域分類381.3計算機輔助設計與制造系統(tǒng)

5.按系統(tǒng)作用對象分類1)計算機輔助產品設計。2)計算機輔助毛坯設計。3)計算機輔助工裝設計。4)計算機輔助工藝設計。5)計算機輔助數控程序設計。6)計算機輔助作業(yè)計劃設計與調度。7)計算機輔助加工過程監(jiān)控。8)計算機輔助流程管理。1.3計算機輔助設計與制造系統(tǒng)5.按系統(tǒng)作用對象分類1)391.3計算機輔助設計與制造系統(tǒng)

隨著計算機技術在制造領域的深入應用,現(xiàn)代計算機輔助設計與制造系統(tǒng)已從單個的、對局部過程或工作起支持作用的獨立系統(tǒng),發(fā)展成為綜合的、貫穿于整個制造過程的計算機輔助集成制造系統(tǒng),也稱為計算機輔助設計/制造系統(tǒng)、3C集成系統(tǒng)或CAD/CAPP/CAM系統(tǒng)等。3C集成系統(tǒng)的系統(tǒng)組成如圖1-7所示。它基本包括了從產品設計到加工制造的全過程。在集成系統(tǒng)中,產品設計和產品實體加工之間有作為橋梁的工藝設計過程。工藝設計過程不僅為加工提供必需的過程安排和組織數據,同時也是組織生產、安排計劃和保證質量的基礎。1.3計算機輔助設計與制造系統(tǒng)隨著計算機技術在制造領域的401.3計算機輔助設計與制造系統(tǒng)

圖1-7

3C集成系統(tǒng)的系統(tǒng)組成1.3計算機輔助設計與制造系統(tǒng)圖1-73C集成系統(tǒng)的411.3計算機輔助設計與制造系統(tǒng)

3C集成解決了制造過程中產品設計制造信息的一體化設計問題,為并行工程的實施提供了良好基礎。從大制造的角度來看,制造信息流在整個制造過程總是在不斷地擴張、變化和傳遞的。它不僅包含了產品信息本身,還包括在整個產品生命周期內的多方面信息,如用戶信息、與設計相關的過程信息(如制造過程、使用過程、更改過程等)、資源信息(如設備、人員等)和環(huán)境信息等,為此提出了產品全生命周期管理(ProductLifecycleManagement,PLM)的概念。計算機輔助設計與制造系統(tǒng)按照PLM的概念進行功能組織和關聯(lián)成了新的發(fā)展方向。1.3計算機輔助設計與制造系統(tǒng)3C集成解決了制造過程中產421.3計算機輔助設計與制造系統(tǒng)

1.3.3系統(tǒng)的特點1.縮短生產周期利用計算機輔助軟件幫助人員進行產品設計和后續(xù)過程設計與控制,可以減少重復勞動,同時方便設計與制造數據的管理,加工時間也比傳統(tǒng)加工方式大大縮短,可以有效地提高產品的生產效率。1.3計算機輔助設計與制造系統(tǒng)1.3.3系統(tǒng)的特點1.431.3計算機輔助設計與制造系統(tǒng)

2.提高產品的市場競爭力計算機輔助設計與制造技術能夠幫助開發(fā)人員快速參考之前的設計方案,因而能大大縮短設計時間,同時采用仿真技術也能減少產品研制時間以及減少產品試制造成的人力、物力的浪費,使得產品的成本降低,上市周期縮短,能夠有效提高產品的市場競爭力。1.3計算機輔助設計與制造系統(tǒng)2.提高產品的市場競爭力計441.3計算機輔助設計與制造系統(tǒng)

3.有利于產品的標準化使用計算機輔助設計與制造系統(tǒng)進行產品的設計制造,促使企業(yè)制定標準并對產品數據進行整理和規(guī)范,這有利于實現(xiàn)產品的標準化、通用化和系列化。1.3計算機輔助設計與制造系統(tǒng)3.有利于產品的標準化使用451.3計算機輔助設計與制造系統(tǒng)

4.提高產品的質量以3C技術為代表的計算機輔助軟件能夠使企業(yè)提高產品設計的一致性,避免人為因素帶來的偏差。通過工程分析與仿真,能夠在多個產品設計方案中選擇出最佳方案進行實施,有利于實現(xiàn)設計方案的優(yōu)化。同時,數控加工的應用,能夠有效地減少產品的次品率,提高加工質量。1.3計算機輔助設計與制造系統(tǒng)4.提高產品的質量以3C技461.3計算機輔助設計與制造系統(tǒng)

5.有利于提高技術人員的創(chuàng)新能力大量的計算機輔助設計與制造系統(tǒng)的應用,能有效地將工程技術人員從繁瑣的重復勞動中解放出來,同時便于查看之前的設計,有利于發(fā)揮設計人員的創(chuàng)造性。1.3計算機輔助設計與制造系統(tǒng)5.有利于提高技術人員的創(chuàng)471.3計算機輔助設計與制造系統(tǒng)

6.成為全生命周期管理的重要基礎計算機輔助設計與制造系統(tǒng)中儲存的數據是整個制造過程的核心數據,在此基礎上,使產品的設計、制造過程成為一個有機的整體。通過與其他應用系統(tǒng)的集成,使得整個企業(yè)的全生命周期成為一個整體,給企業(yè)在經濟上、技術上帶來巨大的綜合效益。1.3計算機輔助設計與制造系統(tǒng)6.成為全生命周期管理的重48第1章緒論1.4計算機輔助設計與制造技術及系統(tǒng)的發(fā)展第1章緒論1.4計算機輔助設計與制造技術及系統(tǒng)的發(fā)491.4計算機輔助設計與制造技術及系統(tǒng)的發(fā)展1.4.1計算機輔助設計與制造技術的發(fā)展歷程自從計算機出現(xiàn)以后,利用計算機輔助設計與制造過程的問題就已經被提出。此后,隨著計算機技術的每一次進步,計算機輔助設計與制造技術也相應得到了很大的發(fā)展。在計算機輔助設計與制造發(fā)展的初期,計算機輔助主要表現(xiàn)在兩個方面,一方面是輔助產品設計,用計算機替代手工進行產品圖樣的生成和顯示,另一方面是加工設備的計算機化,出現(xiàn)了數控加工機床以及由計算機完全控制的加工中心和為數控機床進行信息準備的數控編程技術。1.4計算機輔助設計與制造技術及系統(tǒng)的發(fā)展1.4.1計算501.4計算機輔助設計與制造技術及系統(tǒng)的發(fā)展一般來說,可以把計算機輔助設計與制造技術的發(fā)展分為四個階段。1.第一階段——技術準備期2.第二階段——基礎形成期3.第三階段——全面發(fā)展期4.第四階段——集成應用期1.4計算機輔助設計與制造技術及系統(tǒng)的發(fā)展一般來說,可以把511.4計算機輔助設計與制造技術及系統(tǒng)的發(fā)展1.4.2產品數字化定義技術的發(fā)展歷程產品數字化定義技術是基于CAD技術實現(xiàn)的,是CAD的基礎和核心。因此,CAD技術的發(fā)展和進步也推進了產品數字化定義技術的發(fā)展?，F(xiàn)在的產品數字化定義已不再僅僅只涉及CAD系統(tǒng),而是面向從設計、分析、制造、裝配到維護、銷售、服務等產品全生命周期的各個環(huán)節(jié)。產品數字化定義用于描述和定義產品全生命周期的數字化過程中所應包含的信息以及這些信息之間的相互關聯(lián)關系,并使其成為計算機中可實現(xiàn)、可管理和可使用的信息。隨著產品數字化定義技術的深入研究,圍繞數字化產品定義數據及過程的管理與應用技術也隨之出現(xiàn),引起了整個制造業(yè)生產管理技術的徹底變革。1.4計算機輔助設計與制造技術及系統(tǒng)的發(fā)展1.4.2產品521.4計算機輔助設計與制造技術及系統(tǒng)的發(fā)展CAD技術起源于美國,它經歷了一個由二維設計技術向三維設計技術發(fā)展的過程。相應的,產品數字化定義技術也經歷了從二維到三維模型發(fā)展的四個階段,如圖1-8所示。1.二維工程圖階段2.“二維工程圖+三維CAD模型”的定義階段3.“簡易二維圖+三維CAD模型”的定義階段4.全三維產品數字化定義階段1.4計算機輔助設計與制造技術及系統(tǒng)的發(fā)展CAD技術起源于531.4計算機輔助設計與制造技術及系統(tǒng)的發(fā)展圖1-8產品數字化定義技術的發(fā)展歷程1.4計算機輔助設計與制造技術及系統(tǒng)的發(fā)展圖1-8產品數541.4計算機輔助設計與制造技術及系統(tǒng)的發(fā)展1.4.3計算機輔助設計與制造技術的應用目前,市場上流行的計算機輔助設計與制造系統(tǒng)中包括的國內外軟件有以下幾種。1.4計算機輔助設計與制造技術及系統(tǒng)的發(fā)展1.4.3計算551.4計算機輔助設計與制造技術及系統(tǒng)的發(fā)展(1)Unigraphics(UG)

UG是西門子公司的一個集CAD/CAM/CAE于一體的機械工程輔助系統(tǒng),適用于航空、航天、汽車、通用機械以及模具等的設計、分析及制造工程。UG將參數化和變量化技術與傳統(tǒng)的實體、線框和表面功能結合在一起,還提供二次開發(fā)工具GRIP、UFUNG、ITK等,允許用戶擴展UG的功能。(2)Pro/Engineer

Pro/Engineer是美國PTC公司的產品,簡稱Pro/E,于1988年問世。Pro/E具有先進的參數化設計、基于特征設計的實體造型和便于移植設計思想的特點,符合工程技術人員的機械設計思想。Pro/E整個系統(tǒng)建立在統(tǒng)一完備的數據庫以及完整而多樣的模型上。它有多個模塊供用戶選擇,能將整個設計和生產過程集成在一起。1.4計算機輔助設計與制造技術及系統(tǒng)的發(fā)展(1)Unigr561.4計算機輔助設計與制造技術及系統(tǒng)的發(fā)展(3)CATIA

CATIA是法國達索公司的CAD/CAM/CAE一體化集成軟件,是一個集智能設計、制造仿真及工程分析為一體的軟件,在機械制造、工程設計以及電子等行業(yè),尤其是航空制造業(yè)中得到廣泛應用。該系統(tǒng)提供支持各類產品/零件幾何建模、數控加工編程及工程分析等的必要功能,還可以與產品全生命周期數據管理系統(tǒng)集成,提供無紙化三維數字化工作環(huán)境。(4)AutoCAD

AutoCAD是美國Autodesk公司開發(fā)的一個交互式繪圖軟件,有二維繪圖、編輯、剖面線和圖案繪制、尺寸標注以及二次開發(fā)等功能,同時也有部分三維功能。AutoCAD軟件是目前世界上應用最廣的CAD軟件之一,占整個CAD/CAE/CAM軟件市場的37%左右。1.4計算機輔助設計與制造技術及系統(tǒng)的發(fā)展(3)CATIA571.4計算機輔助設計與制造技術及系統(tǒng)的發(fā)展(5)SolidWorks

SolidWorks是由美國SolidWorks公司于1995年11月研制開發(fā)的基于Windows平臺的全參數化特征造型軟件。SolidWorks可以實現(xiàn)復雜的三維零件實體造型、復雜裝配和生成工程圖。SolidWorks軟件從1996年8月正式引入中國以來,在機械行業(yè)獲得普遍應用。(6)CAXA

CAXA電子圖板是一套高效、方便、智能化的通用中文設計繪圖軟件,可幫助設計人員進行零件圖、裝配圖、工藝圖表、平面包裝的設計,適合所有需要二維繪圖的場合,使設計人員可以把精力集中在設計構思上,甩掉圖板,滿足相關行業(yè)的設計要求。CAXA-ME是一套數控編程和三維加工軟件,可快速建立各種復雜的三維模型。它為數控加工行業(yè)提供了從造型、設計到加工代碼生成、加工仿真、代碼校驗等一體化的解決方案。1.4計算機輔助設計與制造技術及系統(tǒng)的發(fā)展(5)Solid581.4計算機輔助設計與制造技術及系統(tǒng)的發(fā)展1.4.4計算機輔助設計與制造技術及系統(tǒng)的發(fā)展趨勢產品開發(fā)周期進一步縮短,更新?lián)Q代越來越快;企業(yè)的組織形式將向全世界范圍內的虛擬公司或者聯(lián)盟發(fā)展;制造系統(tǒng)更加柔性化;綠色制造、智能化水平要求更高等。與此同時,計算機輔助設計與制造技術的發(fā)展也向智能化、集成化、虛擬化、網絡化、綠色化和三維化等方面發(fā)展。1.4計算機輔助設計與制造技術及系統(tǒng)的發(fā)展1.4.4計算591.4計算機輔助設計與制造技術及系統(tǒng)的發(fā)展1.智能化設計是一個含有高度智能的人類的創(chuàng)造性活動,擁有人工智能的計算機輔助設計與制造系統(tǒng)是計算機輔助設計與制造技術發(fā)展的必然方向。從人類認識和思維的模式來看,現(xiàn)有的人工智能技術對模擬人類的思維活動(包括形象思維、抽象思維和創(chuàng)造性思維等多種形式)往往是束手無策的。智能計算機輔助設計與制造系統(tǒng)不僅僅是簡單地將現(xiàn)有的智能技術與計算機輔助設計與制造技術相結合,更重要的是深入研究人類設計的思維模型,并用信息技術來表達和模仿它,這樣才會產生高效的智能計算機輔助設計與制造系統(tǒng)。現(xiàn)有的計算機輔助設計系統(tǒng)智能化程度越來越高,原來繁瑣的操作將逐漸由計算機進行智能化處理。人工智能在計算機輔助設計與制造系統(tǒng)中的引入,使其具有專家的經驗和知識,具有學習、推理、聯(lián)想和判斷的能力,用戶只需要進行少量的交互操作就能完成原本繁瑣的設計。未來的計算機輔助設計與制造系統(tǒng)不僅可繼承并智能化判斷工藝特征,并且具有模型對比、殘余模型分析與判斷功能,使刀具路徑更優(yōu)化、效率更高;同時也具有對工件(包括夾具)的防過切、防碰撞等功能,這樣可提高操作的安全性,更符合高速加工的工藝要求;開發(fā)與工藝相關聯(lián)的工藝庫、知識庫、材料庫和刀具庫,使工藝知識積累、學習和運用成為可能。1.4計算機輔助設計與制造技術及系統(tǒng)的發(fā)展1.智能化設計是601.4計算機輔助設計與制造技術及系統(tǒng)的發(fā)展2.集成化集成化是計算機輔助設計與制造技術發(fā)展到現(xiàn)在最為顯著的一個趨勢。它的目標是實現(xiàn)在產品全生命周期下整個計算機輔助設計與制造系統(tǒng)與其他各系統(tǒng)之間的集成,從而實現(xiàn)全生命周期一體化。集成的出發(fā)點是:企業(yè)中各個環(huán)節(jié)是不可分割的,必須統(tǒng)一考慮;企業(yè)的整個生產過程實質上是信息的采集、傳遞和加工處理的過程。現(xiàn)在的產品數據管理(ProductDataManagement,PDM)技術和系統(tǒng)提供了很好的集成平臺,而要實現(xiàn)計算機集成制造還需要從企業(yè)的經營戰(zhàn)略目標出發(fā),綜合考慮企業(yè)中人、技術、資源和管理的作用,綜合應用多種先進技術,實現(xiàn)企業(yè)生產經營全過程中的信息流和物質流的集成,在控制系統(tǒng)的協(xié)調管理下,使整個企業(yè)實現(xiàn)多渠道集成,即信息集成、智能集成、串并行工作機制集成及人員集成,為企業(yè)帶來更大的經濟效益。在產品開發(fā)集成化的同時,將并行工程思想與方法貫穿其中,其關鍵就是用并行設計方法代替串行設計方法,即并行的、集成的設計及開發(fā)產品,以縮短產品研制周期。它要求產品開發(fā)人員在設計階段就考慮產品整個生命周期的所有要求,包括質量、成本、進度、用戶要求等,以最大限度的提高產品開發(fā)效率及成功率。1.4計算機輔助設計與制造技術及系統(tǒng)的發(fā)展2.集成化集成化611.4計算機輔助設計與制造技術及系統(tǒng)的發(fā)展3.虛擬化虛擬現(xiàn)實(VirtualReality,VR)技術可以使人們置身于計算機創(chuàng)造的虛擬環(huán)境中,并以接近真實的交互方式與虛擬環(huán)境交換信息。它具有四個重要的特征,即多感知性、沉浸感、交互性和自主性。虛擬現(xiàn)實技術為計算機輔助設計與制造提供了真實感更強的虛擬工作環(huán)境。在建立三維實體模型后,根據需要可以由該模型方便地生成虛擬現(xiàn)實環(huán)境模型。在虛擬現(xiàn)實環(huán)境中,利用三維的交互設備,如數據頭盔(HeadMountedDisplay)、數據手套(DataGlove)、數據衣(DataSuit)、三維鼠標(3DMouse)等,對虛擬的模型進行操作,實現(xiàn)從不同視點的觀察。虛擬制造技術是計算機輔助設計與制造技術與VR技術的結合產物。它提供了一個可視化的、交互式的、從生產線到企業(yè)級的進行生產過程、生產規(guī)劃、作業(yè)計劃、裝配計劃、后勤保證以及加工過程和裝配過程的計算機模型和仿真工具。它不生產物理意義上的產品,卻能提供有關產品設計制造過程、過程控制與管理、產品性能數據等所有信息。運用虛擬現(xiàn)實技術能夠快速顯示設計內容、設計對象的性能特性以及設計對象與周圍環(huán)境的關系,設計者可與虛擬設計系統(tǒng)進行自然的交互,靈活方便,可大大提高設計效果和質量。1.4計算機輔助設計與制造技術及系統(tǒng)的發(fā)展3.虛擬化虛擬現(xiàn)621.4計算機輔助設計與制造技術及系統(tǒng)的發(fā)展4.網絡化計算機網絡技術的出現(xiàn)改變了人類傳統(tǒng)的生產、生活模式。網絡技術能夠使分散在不同地點的多臺計算機聯(lián)系起來,實現(xiàn)資源共享。通過網絡技術,能使分布在不同地域和不同單位的設計資源、人力資源和制造資源實現(xiàn)協(xié)同工作,這樣能夠提高產品設計水平,提高企業(yè)快速響應速度,降低資源投入。隨著計算機網絡技術和計算機輔助設計與制造系統(tǒng)的進一步發(fā)展,今后的企業(yè)將建立動態(tài)聯(lián)盟制造體系,協(xié)調在不同地區(qū)的企業(yè)生產,以適應全球化制造的發(fā)展趨勢。1.4計算機輔助設計與制造技術及系統(tǒng)的發(fā)展4.網絡化計算機631.4計算機輔助設計與制造技術及系統(tǒng)的發(fā)展5.綠色化環(huán)境、資源、人口是當今人類社會面臨的主要問題,而如何在制造業(yè)中最有效地利用資源和最低限度地產生廢棄物,是關系到人類社會長遠生存和發(fā)展所必須解決的重大問題。綠色化是一種綜合考慮了環(huán)境影響和資源利用率的現(xiàn)代制造模式,是從根本上解決制造業(yè)與人類及自然和諧發(fā)展的途徑。綠色制造可定義為:在滿足產品功能、質量和成本等要求的前提下,系統(tǒng)地考慮產品開發(fā)制造及其活動對環(huán)境的影響,使產品在整個生命周期中對環(huán)境的負面影響最小、資源利用率最高,這種先進制造模式稱為綠色制造。1.4計算機輔助設計與制造技術及系統(tǒng)的發(fā)展5.綠色化環(huán)境、641.4計算機輔助設計與制造技術及系統(tǒng)的發(fā)展6.三維化CAD技術的發(fā)展也促進了產品的數字化發(fā)展,在最大程度上達到三維模型數據的集成,取代以二維圖樣為主要加工及數據信息交流的傳統(tǒng)模式。目前,產品研制仍然主要采用以二維圖樣為中心,三維模型為輔助的設計生產管理模式,但是伴隨著ASMEY14.41等系列標準的制定,MBD技術的發(fā)展也達到一個全新階段,波音787結構設計及產品數據管理全面獨立執(zhí)行了三維模型的應用模式,其核心思想是一種全三維基于特征的表述方法。它用一個集成的三維實體模型完整地表達產品定義信息,即將制造信息和設計信息(三維尺寸標注及各種制造信息和產品結構信息)共同定義到產品的三維數字化模型中,從而取消二維工程圖,保證設計數據的唯一性。MBD并非簡單的三維標注加三維模型。它不僅描述設計幾何信息,而且定義了三維產品制造信息和非幾何的管理信息,包括產品結構、產品制造信息(ProductManufacturingInformation,PMI)、物料清單(BillofMaterial,BOM)等。使用人員僅需一個模型即可獲取全部技術信息,減少了對其他信息系統(tǒng)的依賴,使設計、制造之間的信息交換可不完全依賴信息系統(tǒng)的集成而保持有效連接。MBD是產品定義方式的一次革命。它以更為強大的表現(xiàn)力和易于理解的定義方式,極大地提高了產品的設計質量和資源利用率,使設計、制造融為一體,是未來設計技術的發(fā)展方向,必將對機械制造業(yè),特別是航空航天產品制造產生深遠的影響。1.4計算機輔助設計與制造技術及系統(tǒng)的發(fā)展6.三維化CAD65第1章緒論謝謝第1章緒論謝謝66計算機輔助設計與制造計算機輔助設計與制造67計算機輔助設計與制造01緒論第1章計算機輔助設計與制造01緒論第1章68第1章緒論1.1產品的實現(xiàn)過程第1章緒論1.1產品的實現(xiàn)過程691.1產品的實現(xiàn)過程

制造的目的是獲得有用的產品。如何獲得產品?從制造的角度來說,必須經歷從產品概念的產生,直到產品實體的完成等一系列活動,即產品的實現(xiàn)過程。因此,產品的實現(xiàn)過程也被稱為制造過程。這是一個廣義的制造過程的概念,也被稱為“大制造”。在過去,產品的更新?lián)Q代比較緩慢,在很多時候并不需要對產品的設計進行變化,往往只需要在原來產品設計的基礎上不斷重復,因此,獲得產品的過程可直接通過改變毛坯(或原材料)的形狀、位置和關系完成。也稱這部分過程為“制造過程”,即“小制造”。1.1產品的實現(xiàn)過程制造的目的是獲得有用的產品。如何701.1產品的實現(xiàn)過程

一個典型的產品實現(xiàn)過程包括:1)通過市場需求調查以及用戶對產品性能的要求,進行設計定義描述以及需求分析,收集相關的設計信息,進行產品的可行性分析。2)進行產品性能分析、參數分解,完成產品方案設計。1.1產品的實現(xiàn)過程一個典型的產品實現(xiàn)過程包括:711.1產品的實現(xiàn)過程3)進行產品的工程分析,主要包括結構分析、設計檢查效驗、性能仿真優(yōu)化等,完成產品結構及工程設計。4)制訂制造計劃,包括確定組成產品的零部件和毛坯的獲得途徑、資源的使用要求、生產能力的平衡等。5)對于加工零件,準備相應的加工工藝規(guī)程。6)根據制造計劃和市場供應要求,編制并實施生產作業(yè)計劃,包括制造資源添置、物料采購等;根據生成的作業(yè)計劃組織相應的產品加工任務,在實際生產過程階段對生產過程進行控制,并對產品質量進行實時監(jiān)控,完成產品的生產、運輸及銷售。1.1產品的實現(xiàn)過程3)進行產品的工程分析,主要包括結721.1產品的實現(xiàn)過程在用戶市場驅動的制造過程中,各種活動都不是孤立和隔絕的。在不同的時期,不同的地域,針對不同的產品對象,其組成、關系和劃分都有差別。就像在工業(yè)革命之前,產品的整個制造過程是在一個小作坊里進行,生產活動基本上都是由師傅帶徒弟完成的。而到了工業(yè)化的后期,制造過程的詳細分工,使一件產品由更多人員協(xié)作完成。隨著后工業(yè)化時代的到來,產品實現(xiàn)過程越來越強調系統(tǒng)化和協(xié)調發(fā)展,“集成”“一體化”“協(xié)同”成為組織產品實現(xiàn)過程的典型特征。1.1產品的實現(xiàn)過程在用戶市場驅動的制造過程中,各種活731.1產品的實現(xiàn)過程在產品實現(xiàn)過程中,除了要解決所需要的硬件設備環(huán)境和人外,還要解決的關鍵問題是信息在過程中的傳遞,即:

產品信息表達方式;分工及組織管理方式;信息傳遞和保障機制。1.1產品的實現(xiàn)過程在產品實現(xiàn)過程中,除了要解決所需要741.1產品的實現(xiàn)過程一個一般的產品實現(xiàn)過程中,設計與制造各環(huán)節(jié)之間的關系如圖1-1所示。生產是由用戶市場驅動的,根據市場需求產生設計構思。工程設計完成每一個細節(jié)的設計,并以工程圖表達。接著進行產品零件和部件的制造和裝配工藝過程設計、工藝裝備設計與制造,并制訂生產調度計劃。一切生產準備就緒后,就開始加工制造,并由質量控制部門負責質量保證。圖1-1一個一般的產品實現(xiàn)過程流程圖1.1產品的實現(xiàn)過程一個一般的產品實現(xiàn)過程中,設計與制751.1產品的實現(xiàn)過程

采用計算機后的生產過程流程圖如圖1-2所示。計算機輔助技術應用到生產的各個環(huán)節(jié),可以使生產過程進行得更快、更好,從而獲得更高的效益。圖1-2采用計算機后的生產過程流程圖1.1產品的實現(xiàn)過程采用計算機后的生產過程流程圖如圖76第1章緒論1.2制造系統(tǒng)第1章緒論1.2制造系統(tǒng)771.2制造系統(tǒng)

1.2.1制造系統(tǒng)的概念制造系統(tǒng)的功能結構如圖1-3所示。從圖1-3中可以看出制造系統(tǒng)的組成部分以及信息流和物質流在制造系統(tǒng)中的傳遞。1.2制造系統(tǒng)1.2.1制造系統(tǒng)的概念制造系統(tǒng)的功能結781.2制造系統(tǒng)

圖1-3制造系統(tǒng)的功能結構1.2制造系統(tǒng)圖1-3制造系統(tǒng)的功能結構791.2制造系統(tǒng)從系統(tǒng)論的角度來看,制造系統(tǒng)是在制造過程中,由制造對象、制造資源和工作者所組成的有機聯(lián)系體?？梢钥闯?工作者在制造資源(各種軟硬件工具和技術)的支持下,對制造對象進行一系列的作用,使其最終變?yōu)楫a品。制造系統(tǒng)的目標是獲得產品,其中涉及硬件、軟件和人員。制造系統(tǒng)可視為若干硬件的集合體。為了使硬件充分發(fā)揮效能,必須有軟件的支持。1.2制造系統(tǒng)從系統(tǒng)論的角度來看,制造系統(tǒng)是在制造過程中,801.2制造系統(tǒng)

從過程的角度來看,制造系統(tǒng)是一個由物質流、信息流和能量流組成的系統(tǒng),也就是人們常說的“三流”系統(tǒng)。其表現(xiàn)為:在制造系統(tǒng)中的信息的控制下,通過能量的作用,把物質形態(tài)的輸入原料變成成品(產品或半成品)的過程。在市場經濟社會,也有人認為制造系統(tǒng)是一個“四流”系統(tǒng),即物質流、信息流、能量流和資金流。一個系統(tǒng)要想運行,必須有一系列確定的資金在規(guī)定的時間投入,這就是資金流。圖1-4所示為制造系統(tǒng)的物質流示意圖。圖1-4制造系統(tǒng)的物質流示意圖1.2制造系統(tǒng)從過程的角度來看,制造系統(tǒng)是一個由物質流、811.2制造系統(tǒng)

簡單地說,制造系統(tǒng)就是產品實現(xiàn)過程的、包括制造對象在內的軟硬件平臺。圖1-5所示為制造系統(tǒng)涉及產品生命周期(包括市場分析、產品設計、工藝規(guī)劃、加工過程、裝配、運輸、產品銷售、售后服務等)的全過程或部分環(huán)節(jié)。其中,硬件包括廠房、生產設備、工具裝備、計算機及網絡以及操作人員等;軟件包括設計開發(fā)、工藝編制、工程分析、質量控制及其有關的軟件系統(tǒng)等;制造對象主要指制造目的所針對的物質,包括原材料、坯件、在制品等。1.2制造系統(tǒng)簡單地說,制造系統(tǒng)就是產品實現(xiàn)過程的、包括821.2制造系統(tǒng)

圖1-5制造系統(tǒng)示意圖1.2制造系統(tǒng)圖1-5制造系統(tǒng)示意圖831.2制造系統(tǒng)

1.2.2計算機輔助設計與制造及其系統(tǒng)計算機輔助系統(tǒng)是泛指在不同的工作過程中,利用計算機來協(xié)助操作人員完成部分工作的系統(tǒng)。針對不同的活動,不同的系統(tǒng)內容,可以得到不同的計算機輔助系統(tǒng)。除了過程中的計算機輔助外,計算機還可以作為操作人員的工具協(xié)助完成部分工作,這樣的工具也可以稱為計算機輔助系統(tǒng)。1.2制造系統(tǒng)1.2.2計算機輔助設計與制造及其系統(tǒng)計841.2制造系統(tǒng)

計算機輔助設計與制造系統(tǒng)所指的是在產品設計與制造的大制造過程中,輔助操作人員完成各種工作、為不同工作提供幫助的各種計算機系統(tǒng)和工具的統(tǒng)稱,簡稱CAD/CAM系統(tǒng)。而計算機輔助設計與制造所指的是建立這些系統(tǒng)和工具的理論、技術和方法,也稱為計算機輔助設計與制造技術,簡稱CAD/CAM技術。1.2制造系統(tǒng)計算機輔助設計與制造系統(tǒng)所指的是在產品設計851.2制造系統(tǒng)

計算機輔助用于制造過程,其作用在于對信息流的傳遞、映射和控制。因此,計算機可以從制造過程的源頭就參與輔助操作人員工作,直至產品產出時,即制造過程的結束。在這中間,圍繞產品數據的產生與存儲、制造信息的生成與傳遞、過程管理信息的計劃與組織,可利用計算機及相關軟硬件技術提供“輔助”,起“助手”或“參謀”的作用。1.2制造系統(tǒng)計算機輔助用于制造過程,其作用在于對信息流861.2制造系統(tǒng)1)計算機輔助設計——利用計算機進行產品幾何信息模型的建立、工程圖繪制、工程分析等。2)計算機輔助工藝過程設計——利用計算機進行產品零件制造工藝過程或產品裝配工藝過程的設計、工藝(裝配)過程的仿真分析。3)計算機數控編程——利用計算機并根據產品數據模型和工藝模型進行數控程序編制。4)計算機輔助生產管理——利用計算機編排生產計劃,進行生產調度。1.2制造系統(tǒng)1)計算機輔助設計——利用計算機進行產品幾何871.2制造系統(tǒng)

在實際應用中,計算機也可以實時參與加工過程的數據監(jiān)測與控制,實現(xiàn)部分或全部生產過程的自動化,稱為制造過程的計算機監(jiān)控。計算機監(jiān)控分為監(jiān)測與控制兩類。計算機監(jiān)測就是在計算機與制造過程間有直接接口,對制造過程及設備工況進行監(jiān)測并采集數據,但計算機不直接參與控制,控制過程仍由操作者根據計算機處理后的信息來完成。1.2制造系統(tǒng)在實際應用中,計算機也可以實時參與加工過程881.2制造系統(tǒng)

計算機監(jiān)測與計算機控制的區(qū)別如圖1-6所示。在計算機監(jiān)測中,制造過程與計算機之間的信息為單向流動,流動方向為從制造過程送往計算機。而在計算機控制中,制造過程與計算機之間的信息為雙向流動。信息從制造過程送往計算機,計算機進行綜合分析,并根據預定的控制算法,向制造過程發(fā)出控制信息。因此,計算機監(jiān)控不僅需要硬件的支持,作為替代人,根據監(jiān)測到的數據發(fā)出適當的控制指令的信息決策才是最關鍵,也是最難的。圖1-6計算機監(jiān)測與計算機控制的區(qū)別1.2制造系統(tǒng)計算機監(jiān)測與計算機控制的區(qū)別如圖1-6所示891.2制造系統(tǒng)綜上所述,計算機輔助設計與制造系統(tǒng)是圍繞制造過程的、使用計算機進行輔助的、制造信息的處理系統(tǒng)。它是制造系統(tǒng)的一部分,但并不直接作用于加工對象。計算機輔助設計與制造所涉及的技術主要是信息處理技術。1.2制造系統(tǒng)綜上所述,計算機輔助設計與制造系統(tǒng)是圍繞制造90第1章緒論1.3計算機輔助設計與制造系統(tǒng)第1章緒論1.3計算機輔助設計與制造系統(tǒng)911.3計算機輔助設計與制造系統(tǒng)

1.3.1系統(tǒng)的功能計算機輔助設計與制造是隨著計算機技術的發(fā)展而發(fā)展的,并隨著現(xiàn)代制造和管理技術的發(fā)展而不斷壯大和完善。計算機輔助設計與制造系統(tǒng)主要是輔助制造過程中的信息處理工作,包括輔助人們完成產品結構描述、實現(xiàn)工程信息的表達與傳輸、產品結構的分析與優(yōu)化、產品信息的存儲與管理、人與計算機的交流互動和產品制造過程的模擬與仿真等。1.3計算機輔助設計與制造系統(tǒng)1.3.1系統(tǒng)的功能計算921.3計算機輔助設計與制造系統(tǒng)

因此,計算機輔助設計與制造系統(tǒng)一般具備以下功能。1.人機交互功能人機交互是保證用戶與計算機交流的通道,實際上是一個輸入和輸出的過程,這也是計算機輔助設計與制造系統(tǒng)體現(xiàn)“輔助”的最基本功能。操作人員通過人機界面向計算機輸入指令,計算機經過處理后把輸出結果呈現(xiàn)給用戶。目前,計算機輔助設計與制造系統(tǒng)一般采用圖形用戶界面來實現(xiàn)數據交互和圖形交互。在計算機輔助設計與制造系統(tǒng)中,友好的用戶界面是保證用戶直接有效地完成復雜設計任務的必要條件。此外,除了軟件界面設計外,現(xiàn)代計算機輔助系統(tǒng)發(fā)展了更加多元化和靈活的交互設備,如頭盔顯示、數字手套等。操作人員可以通過更加直觀的形式完成與系統(tǒng)間的信息傳遞。隨著虛擬現(xiàn)實技術的不斷發(fā)展,人機交互的功能將變得越來越完善、方便。1.3計算機輔助設計與制造系統(tǒng)因此,計算機輔助設計與制造931.3計算機輔助設計與制造系統(tǒng)

產品建模是計算機輔助設計與制造系統(tǒng)的主要功能形式之一,也是最早應用于制造領域的計算機輔助過程。作為制造的源頭,產品信息一開始就貫穿在制造過程之中,也是整個制造過程的依據。因此,利用計算機輔助進行產品建模是制造過程最迫切的需要。隨著計算機輔助技術的發(fā)展,計算機輔助建模已從最基本的計算機輔助工程圖繪制,發(fā)展為以表達幾何和非幾何信息在內的產品建模,包括幾何造型和特征建模。除此之外,針對整個生產過程的產品信息演變,還提出了全生命周期建模等。產生的信息模型和數據模型包括幾何模型、特征模型、集成產品模型以及最新的智能模型等。產品建模過程實質就是一個描述、處理、存儲、表達現(xiàn)實世界中的產品,并將工程信息數字化的過程。幾何造型用于產品信息及其相關過程信息的描述,可以說是產品設計與制造信息的源頭。幾何模型應用于產品制造的整個過程,是完成計算機輔助設計與制造的基礎。在設計階段,建立幾何模型來表達產品的形狀結構以及裝配關系等;在制造過程中,如數控編程時,應用幾何模型來完成刀具軌跡定義和加工參數輸入等。2.產品建模功能1.3計算機輔助設計與制造系統(tǒng)產品建模是計算機輔助設計與941.3計算機輔助設計與制造系統(tǒng)

3.圖形處理功能計算機輔助設計與制造技術首先是從機械產品制造過程中發(fā)展起來的。機械產品的產品信息以幾何信息為主,利用計算機進行輔助設計與制造最基本的就是要解決幾何圖形的輸入輸出和交互修改處理問題。同時,用幾何圖形表達也是一種能提供最多信息、也最容易被人所感知的方式。圖形處理主要是對圖形進行各種變換以改善視覺效果,如對圖形進行坐標變換、裁剪、渲染、消隱處理、光照處理等,是將圖形轉換成所需要的圖形效果的過程。在產品設計中要運用到大量的圖形處理,這項功能是計算機輔助設計與制造系統(tǒng)所必備的。1.3計算機輔助設計與制造系統(tǒng)3.圖形處理功能計算機輔助951.3計算機輔助設計與制造系統(tǒng)

4.數控編程功能在現(xiàn)代加工中,數控機床的使用越來越普遍,針對被加工零件的數控加工控制代碼(簡稱數控程序)的需求也越來越多。因此,利用計算機輔助進行數控代碼的編制,不僅可以提高編程效率(如曲線輪廓、三維曲面等復雜型面的零件加工程序的編程),而且可以減少編程錯誤及調試工作。現(xiàn)代計算機輔助數控編程還能進行數控代碼優(yōu)化,提高加工質量和加工效率。數控編程主要包括分析零件圖樣、工藝處理、數學處理、編寫程序、輸入數控程序和程序檢驗。1.3計算機輔助設計與制造系統(tǒng)4.數控編程功能在現(xiàn)代加工961.3計算機輔助設計與制造系統(tǒng)

5.模擬與仿真功能現(xiàn)代產品和生產系統(tǒng)越來越復雜,因此影響因素也越來越多。通過計算機輔助的方法,建立一個模擬實際產品和生產線的數字模型,進行包括機構運動學模擬、機器人仿真、加工軌跡仿真、干涉檢查、模擬真實生產過程的運行等工作,來預測產品的性能、產品的制造過程和產品的可制造性,有助于提高產品和系統(tǒng)設計質量。在軟件中實現(xiàn)仿真,可有效地避免現(xiàn)場調試造成的人力、物力的投入以及減少加工設備損壞的風險,能大量節(jié)省時間和費用,從而提高產品生產的效率和效益。1.3計算機輔助設計與制造系統(tǒng)5.模擬與仿真功能現(xiàn)代產品971.3計算機輔助設計與制造系統(tǒng)

6.工程分析與優(yōu)化功能在產品設計制造過程中,需完成大量的分析計算任務。這些任務包括根據產品幾何形狀計算產品的體積、表面積、質量、重心位置、轉動慣量等參數;在結構分析中進行應力、溫度、位移等的計算;得到復雜結構形狀零件的靜態(tài)、動態(tài)特性,如強度、振動、熱變形、磁場、應力分布狀態(tài)等。這些計算不僅工作量十分巨大,而且所需要的基礎數據繁雜。而這正是計算機相比人類具有巨大優(yōu)勢的地方。因此,使用計算機輔助進行這些工程數據計算與分析必然成為計算機輔助的一個重要方面,也是計算機輔助設計與制造系統(tǒng)的一個重要功能。在工程參數計算的基礎上,還可以利用各種優(yōu)化算法的計算機軟件進行包括總體方案的優(yōu)化、產品零件結構的優(yōu)化、工藝參數的優(yōu)化、制造系統(tǒng)布局優(yōu)化、制造流程優(yōu)化、制造參數優(yōu)化等多方面的優(yōu)化工作。1.3計算機輔助設計與制造系統(tǒng)6.工程分析與優(yōu)化功能在產981.3計算機輔助設計與制造系統(tǒng)

7.工程信息存儲與管理功能隨著計算機輔助設計與制造技術的發(fā)展,現(xiàn)代的制造業(yè)企業(yè)中已經廣泛使用了各種計算機輔助系統(tǒng)(CAX)、產品數據管理(PDM)及制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES)等。然而,由于這些信息系統(tǒng)所涉及的是制造信息的不同子集,相互之間存在數據表達各異、內容冗余混亂等諸多問題,導致制造信息在各信息系統(tǒng)間進行自動傳遞和交換成為了必須要解決的問題。因此,計算機輔助設計與制造系統(tǒng)必須使制造信息在不同的信息系統(tǒng)之間順利地傳遞與共享,減少數據冗余,保證制造過程中信息的一致性、完整性與準確性,提高信息使用的效率,從而使產品制造過程的運行更加有效。同時,產品開發(fā)與生產過程的各個階段都會產生大量的數字化產品定義數據,如:描述產品形狀與結構關系的二維/三維模型文件、裝配明細(產品配置)表;描述產品工程分析計算的有限元模型、計算結果文件;描述產品制造工藝過程的工藝規(guī)程文件、NC程序、加工仿真數據;描述產品質量的質量檢驗數據;描述產品開發(fā)管理的任務計劃、工作總結、項目合同等。這些數據不僅數量龐大、種類繁多,而且結構關系復雜,數據之間存在如裝配結構關系、參考引用關系、繼承關系等復雜聯(lián)系,用手工的方式進行存儲和管理有很大的難度,應用產品數據管理系統(tǒng)是進行產品數據存儲管理的必行途徑。PDM系統(tǒng)的基本功能包括文檔管理、產品結構管理、版本管理、權限管理、流程管理、用戶管理等。1.3計算機輔助設計與制造系統(tǒng)7.工程信息存儲與管理功能991.3計算機輔助設計與制造系統(tǒng)

1.3.2系統(tǒng)的分類制造過程由多個階段構成,每個階段又包含若干個步驟,并且它們都具有相對的獨立性。正因為這個規(guī)律的存在,為計算機輔助技術的引入,實現(xiàn)計算機輔助設計與制造提供了可能。同時,由于整個過程的復雜性,需要計算機的快速計算性能;產品設計制造的各個環(huán)節(jié)是一個需要互相交叉、交互的過程,需要一種多方面信息處理和反饋的工具;產品設計制造過程會有大量信息產生和傳遞,需要對這些信息進行存儲、映射和轉換。以上的幾點都促進了計算機輔助設計與制造技術的出現(xiàn)和發(fā)展。1.3計算機輔助設計與制造系統(tǒng)1.3.2系統(tǒng)的分類制造1001.3計算機輔助設計與制造系統(tǒng)1)交互式計算機輔助系統(tǒng)。2)自動設計/控制系統(tǒng)。3)智能設計/控制系統(tǒng)。根據系統(tǒng)的自動化程度不同、系統(tǒng)功能的不同、系統(tǒng)作用于制造過程階段的不同、系統(tǒng)所屬技術領域的不同以及系統(tǒng)作用對象的不同,計算機輔助設計與制造系統(tǒng)可進行以下分類:1.按系統(tǒng)的自動化程度分類1.3計算機輔助設計與制造系統(tǒng)1)交互式計算機輔助系統(tǒng)。根1011.3計算機輔助設計與制造系統(tǒng)

2.按不同的制造過程階段分類1)計算機輔助設計系統(tǒng)。2)計算機輔助工藝設計系統(tǒng)。3)計算機輔助數控編程與加工控制系統(tǒng)。1.3計算機輔助設計與制造系統(tǒng)2.按不同的制造過程階段分1021.3計算機輔助設計與制造系統(tǒng)1)計算機輔助產品建模。2)計算機輔助設計支持。3)計算機輔助數據及設計流程管理。4)計算機仿真。3.按系統(tǒng)功能分類1.3計算機輔助設計與制造系統(tǒng)1)計算機輔助產品建模。3.1031.3計算機輔助設計與制造系統(tǒng)

4.按系統(tǒng)所屬技術領域分類1)計算機輔助幾何造型。2)計算機輔助質量分配保證。3)計算機輔助過程及數據管理。4)計算機輔助工程計算分析。1.3計算機輔助設計與制造系統(tǒng)4.按系統(tǒng)所屬技術領域分類1041.3計算機輔助設計與制造系統(tǒng)

5.按系統(tǒng)作用對象分類1)計算機輔助產品設計。2)計算機輔助毛坯設計。3)計算機輔助工裝設計。4)計算機輔助工藝設計。5)計算機輔助數控程序設計。6)計算機輔助作業(yè)計劃設計與調度。7)計算機輔助加工過程監(jiān)控。8)計算機輔助流程管理。1.3計算機輔助設計與制造系統(tǒng)5.按系統(tǒng)作用對象分類1)1051.3計算機輔助設計與制造系統(tǒng)

隨著計算機技術在制造領域的深入應用,現(xiàn)代計算機輔助設計與制造系統(tǒng)已從單個的、對局部過程或工作起支持作用的獨立系統(tǒng),發(fā)展成為綜合的、貫穿于整個制造過程的計算機輔助集成制造系統(tǒng),也稱為計算機輔助設計/制造系統(tǒng)、3C集成系統(tǒng)或CAD/CAPP/CAM系統(tǒng)等。3C集成系統(tǒng)的系統(tǒng)組成如圖1-7所示。它基本包括了從產品設計到加工制造的全過程。在集成系統(tǒng)中,產品設計和產品實體加工之間有作為橋梁的工藝設計過程。工藝設計過程不僅為加工提供必需的過程安排和組織數據,同時也是組織生產、安排計劃和保證質量的基礎。1.3計算機輔助設計與制造系統(tǒng)隨著計算機技術在制造領域的1061.3計算機輔助設計與制造系統(tǒng)

圖1-7

3C集成系統(tǒng)的系統(tǒng)組成1.3計算機輔助設計與制造系統(tǒng)圖1-73C集成系統(tǒng)的1071.3計算機輔助設計與制造系統(tǒng)

3C集成解決了制造過程中產品設計制造信息的一體化設計問題,為并行工程的實施提供了良好基礎。從大制造的角度來看,制造信息流在整個制造過程總是在不斷地擴張、變化和傳遞的。它不僅包含了產品信息本身,還包括在整個產品生命周期內的多方面信息,如用戶信息、與設計相關的過程信息(如制造過程、使用過程、更改過程等)、資源信息(如設備、人員等)和環(huán)境信息等,為此提出了產品全生命周期管理(ProductLifecycleManagement,PLM)的概念。計算機輔助設計與制造系統(tǒng)按照PLM的概念進行功能組織和關聯(lián)成了新的發(fā)展方向。1.3計算機輔助設計與制造系統(tǒng)3C集成解決了制造過程中產1081.3計算機輔助設計與制造系統(tǒng)

1.3.3系統(tǒng)的特點1.縮短生產周期利用計算機輔助軟件幫助人員進行產品設計和后續(xù)過程設計與控制,可以減少重復勞動,同時方便設計與制造數據的管理,加工時間也比傳統(tǒng)加工方式大大縮短,可以有效地提高產品的生產效率。1.3計算機輔助設計與制造系統(tǒng)1.3.3系統(tǒng)的特點1.1091.3計算機輔助設計與制造系統(tǒng)

2.提高產品的市場競爭力計算機輔助設計與制造技術能夠幫助開發(fā)人員快速參考之前的設計方案,因而能大大縮短設計時間,同時采用仿真技術也能減少產品研制時間以及減少產品試制造成的人力、物力的浪費,使得產品的成本降低,上市周期縮短,能夠有效提高產品的市場競爭力。1.3計算機輔助設計與制造系統(tǒng)2.提高產品的市場競爭力計1101.3計算機輔助設計與制造系統(tǒng)

3.有利于產品的標準化使用計算機輔助設計與制造系統(tǒng)進行產品的設計制造,促使企業(yè)制定標準并對產品數據進行整理和規(guī)范,這有利于實現(xiàn)產品的標準化、通用化和系列化。1.3計算機輔助設計與制造系統(tǒng)3.有利于產品的標準化使用1111.3計算機輔助設計與制造系統(tǒng)

4.提高產品的質量以3C技術為代表的計算機輔助軟件能夠使企業(yè)提高產品設計的一致性,避免人為因素帶來的偏差。通過工程分析與仿真,能夠在多個產品設計方案中選擇出最佳方案進行實施,有利于實現(xiàn)設計方案的優(yōu)化。同時,數控加工的應用,能夠有效地減少產品的次品率,提高加工質量。1.3計算機輔助設計與制造系統(tǒng)4.提高產品的質量以3C技1121.3計算機輔助設計與制造系統(tǒng)

5.有利于提高技術人員的創(chuàng)新能力大量的計算機輔助設計與制造系統(tǒng)的應用,能有效地將工程技術人員從繁瑣的重復勞動中解放出來,同時便于查看之前的設計,有利于發(fā)揮設計人員的創(chuàng)造性。1.3計算機輔助設計與制造系統(tǒng)5.有利于提高技術人員的創(chuàng)1131.3計算機輔助設計與制造系統(tǒng)

6.成為全生命周期管理的重要基礎計算機輔助設計與制造系統(tǒng)中儲存的數據是整個制造過程的核心數據,在此基礎上,使產品的設計、制造過程成為一個有機的整體。通過與其他應用系統(tǒng)的集成,使得整個企業(yè)的全生命周期成為一個整體,給企業(yè)在經濟上、技術上帶來巨大的綜合效益。1.3計算機輔助設計與制造系統(tǒng)6.成為全生命周期管理的重114第1章緒論1.4計算機輔助設計與制造技術及系統(tǒng)的發(fā)展第1章緒論1.4計算機輔助設計與制造技術及系統(tǒng)的發(fā)1151.4計算機輔助設計與制造技術及系統(tǒng)的發(fā)展1.4.1計算機輔助設計與制造技術的發(fā)展歷程自從計算機出現(xiàn)以后,利用計算機輔助設計與制造