《CADCAM原理與應(yīng)用》第1章

計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造

ComputerAidedDesignandManufacturing南昌大學(xué)劉建勝聯(lián)系方式：郵箱：本課程說明由于CAD/CAM是一門新興技術(shù)，其開展較快，因此在教學(xué)的內(nèi)容上將在教材根底上對(duì)一些問題擴(kuò)展。根本概念是學(xué)習(xí)的重點(diǎn)。本課程教學(xué)的目的是為今后的學(xué)習(xí)和工作建立根底，因此根本概念的掌握最重要。上機(jī)練習(xí)有助于理解教學(xué)內(nèi)容。更重要的是CAD/CAM技術(shù)本身就是一門可以直接在生產(chǎn)實(shí)際中產(chǎn)生效益的新興技術(shù)。在每章之后，有關(guān)于本章內(nèi)容的思考題。建議在學(xué)習(xí)完每章后，完成思考題。本課程的考核形式與內(nèi)容接近思考題的方式和內(nèi)容。第一講CAD/CAM技術(shù)根底CAD/CAM技術(shù)根底本章內(nèi)容：主要介紹CAD/CAM的根本概念，CAD/CAM技術(shù)的狀況及其技術(shù)的開展1.1CADCAM的根本概念CAD/CAM技術(shù)是一門多學(xué)科綜合性應(yīng)用技術(shù)，是20世紀(jì)制造領(lǐng)域最杰出的技術(shù)之一。CAD/CAM是計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和計(jì)算機(jī)輔助制造的縮寫。70年代初期產(chǎn)生的術(shù)語(yǔ)，其中斜杠表示設(shè)計(jì)和制造的自動(dòng)化以及信息的集成化。也有將CAD、CAM、CAE〔分析〕、CAQ等統(tǒng)一寫成CAX。

CAD/CAM技術(shù)在近半個(gè)世紀(jì)的應(yīng)用實(shí)踐中，它的重大奉獻(xiàn)已被國(guó)際科技界和工業(yè)界所公認(rèn)。美國(guó)工程科學(xué)院評(píng)為自1964年以來當(dāng)代最杰出奉獻(xiàn)的十項(xiàng)工程技術(shù)成就之一。

CAD(ComputerAidedDesign):是指工程技術(shù)人員以計(jì)算機(jī)為工具完成產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中的各項(xiàng)任務(wù)，如草圖繪制、零件設(shè)計(jì)、裝配設(shè)計(jì)、工裝設(shè)計(jì)、工程分析等計(jì)算速度高、可編程因而可修改、存儲(chǔ)量大、記憶能力強(qiáng)、重復(fù)工作不會(huì)“疲勞”，但無(wú)創(chuàng)造能力。有知識(shí)、思想、經(jīng)驗(yàn)、創(chuàng)造性，但記憶能力有限、存儲(chǔ)有限，易疲勞、易失誤、計(jì)算速度慢計(jì)算機(jī)：工程技術(shù)人員：計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)

ComputerAidedDesign將人與計(jì)算機(jī)結(jié)合，取各自所長(zhǎng)。在交互方式下組成一個(gè)高效的工作組〔設(shè)計(jì)工作組designteam〕。人CAD計(jì)算機(jī)主觀能動(dòng)力應(yīng)用交互支持環(huán)境對(duì)CAD的誤解自動(dòng)設(shè)計(jì)，從而完全替代人的作用。

辯析：目前一些系統(tǒng)將人的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)嵌入軟件，使得計(jì)算機(jī)有一定的“智能”，但只有有限的能力。CAD只是將原先的圖紙搬到計(jì)算機(jī)上進(jìn)行設(shè)計(jì)。

辯析：忽略了計(jì)算機(jī)在計(jì)算速度、修改、存儲(chǔ)方面的優(yōu)勢(shì)。從CAD的定義引深兩個(gè)含義：在CAD中，人與計(jì)算機(jī)的角色是互相不可取代的；CAD的工作組中，應(yīng)盡可能發(fā)揮人和計(jì)算機(jī)各自的特長(zhǎng)。制造的定義廣義制造指產(chǎn)品的整個(gè)生命周期過程。制造是一個(gè)涉及制造工業(yè)中產(chǎn)品設(shè)計(jì)、物料選擇、生產(chǎn)方案、生產(chǎn)過程、質(zhì)量保證、經(jīng)營(yíng)管理、市場(chǎng)銷售和效勞的一系列相關(guān)活動(dòng)和工作的總稱。(國(guó)際生產(chǎn)工程學(xué)會(huì)1990年)

狹義制造指產(chǎn)品的制作過程。即，產(chǎn)品的機(jī)械工藝過程或機(jī)械加工過程。定義：制造是使原材料〔采掘業(yè)的產(chǎn)品和農(nóng)產(chǎn)品〕在物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)上發(fā)生變化而轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品的過程。CAM(ComputerAidedManufacturing):制造人員借助于計(jì)算機(jī)完成從生產(chǎn)準(zhǔn)備到產(chǎn)品制造出來的過程中各個(gè)環(huán)節(jié)與活動(dòng)，如數(shù)控加工編程、制造過程控制、質(zhì)量檢測(cè)等。CAPP(ComputerAidedProcessPlanning):是指工藝人員利用計(jì)算機(jī)，根據(jù)產(chǎn)品制造工藝要求，交互或自動(dòng)地確定產(chǎn)品加工方法和方案，如加工方法的選擇、工藝路線和工序的設(shè)計(jì)等。從產(chǎn)品制造的過程理解CAD/CAM

產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段工藝設(shè)計(jì)階段產(chǎn)品生產(chǎn)階段任務(wù)規(guī)程概念設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析詳細(xì)設(shè)計(jì)工程設(shè)計(jì)毛坯設(shè)計(jì)工藝路線設(shè)計(jì)工序設(shè)計(jì)工裝設(shè)計(jì)NC編程加工仿真NC加工質(zhì)量控制裝配性能測(cè)試市場(chǎng)需求產(chǎn)品CADCAPPCAM將三者集成CAD/CAM傳統(tǒng)制造概念與過程

從產(chǎn)品制造的過程理解CAD/CAM

現(xiàn)代制造概念與過程

市場(chǎng)需求分析產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)生產(chǎn)準(zhǔn)備生產(chǎn)制造質(zhì)量控制銷售服務(wù)管理與協(xié)調(diào)利用計(jì)算機(jī)完成各個(gè)環(huán)節(jié)的工作成為CAD/CAM從產(chǎn)品制造的過程理解CAD/CAM

幾點(diǎn)說明：1、計(jì)算機(jī)技術(shù)只能解決信息的查詢與統(tǒng)計(jì)，信息的管理、重復(fù)而繁瑣的工作等，而并不能代替人的工作，特別是創(chuàng)造性的工作。2、現(xiàn)代制造概念很大，本書CAD/CAM的概念只涉及到產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)、加工、車間控制與質(zhì)量控制等內(nèi)容。3、上述制造環(huán)中有三個(gè)流：物流、資金流與信息流。4、企業(yè)制造資源有人、財(cái)、物、技術(shù)與信息。CAD/CAM的根本功能在CAD/CAM系統(tǒng)中，人們利用計(jì)算機(jī)完成產(chǎn)品結(jié)構(gòu)描述、工程信息表達(dá)、工程信息的傳輸與轉(zhuǎn)化、信息管理等工作。因此，CAD/CAM系統(tǒng)應(yīng)具備以下根本功能：1、產(chǎn)品與過程的建模如何用計(jì)算機(jī)能夠識(shí)別的數(shù)據(jù)〔信息〕來表達(dá)描述產(chǎn)品。如產(chǎn)品形狀結(jié)構(gòu)的描述、產(chǎn)品加工特性的描述、如何將有限元分析所需要的網(wǎng)格及邊界條件描述出來等等。CAD/CAM的根本功能2、圖形與圖像處理在CAD/CAM系統(tǒng)中，圖形圖像仍然是產(chǎn)品形狀與結(jié)構(gòu)的主要表達(dá)形式，因此，如何在計(jì)算機(jī)中表達(dá)圖形、對(duì)圖形進(jìn)行各種變換、編輯、消隱、光照等處理是CAD/CAM的根本功能。CAD/CAM的根本功能3、信息存儲(chǔ)與管理設(shè)計(jì)與制造過程會(huì)產(chǎn)生大量、種類繁多的數(shù)據(jù)，如設(shè)計(jì)分析數(shù)據(jù)、工藝數(shù)據(jù)、制造數(shù)據(jù)、管理數(shù)據(jù)等。數(shù)據(jù)類型有圖形圖像、文字?jǐn)?shù)字、聲音、視頻等；有結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)；有動(dòng)態(tài)和靜態(tài)數(shù)據(jù)等。怎樣將CAD/CAM系統(tǒng)產(chǎn)生這些大量的電子信息存儲(chǔ)與管理好，是CAD/CAM的必備功能。采用工程數(shù)據(jù)庫(kù)。

CAD/CAM的根本功能4、工程計(jì)算分析與優(yōu)化工程分析和幾何計(jì)算：計(jì)算體積、重心、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等幾何特性和物理特性；結(jié)構(gòu)分析：應(yīng)力、溫度、位移計(jì)算；圖形處理中的矩陣計(jì)算；工藝規(guī)程設(shè)計(jì)中的工藝參數(shù)計(jì)算；5、工程信息傳輸與交換信息交換有CAD/CAM系統(tǒng)與其他系統(tǒng)的信息交換和同一CAD/CAM系統(tǒng)中不同功能模塊的信息交換。CAD/CAM的根本功能6、模擬與仿真為了檢查產(chǎn)品的性能，往往需要對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行各種試驗(yàn)與測(cè)試，需要專門的設(shè)備與生產(chǎn)出樣品，并具有破壞性，時(shí)間長(zhǎng)，本錢大。通過建立產(chǎn)品或系統(tǒng)的數(shù)字化模式，采用計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)可以解決這一問題。如加工軌跡仿真，機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真，工件、刀具和機(jī)床碰撞與干預(yù)檢驗(yàn)等。CAD/CAM的根本功能7、人機(jī)交互 數(shù)據(jù)輸入、路線與方案的選擇等，都需要人與計(jì)算機(jī)進(jìn)行對(duì)話。人機(jī)對(duì)話交互的方式有軟件界面與設(shè)備〔鍵盤、鼠標(biāo)等〕8、信息的輸入與輸出 信息的輸入與輸出有人機(jī)交互式輸入輸出與自動(dòng)輸入輸出。CAD/CAM的根本功能CAD幾何造型工程繪圖工程分析和優(yōu)化模擬與仿真CAPP工藝知識(shí)檢索工藝路線生成工藝設(shè)計(jì)CAM數(shù)控加工編程加工仿真車間管理計(jì)劃調(diào)度質(zhì)量控制工程數(shù)據(jù)庫(kù)EDBMS從CAD/CAM系統(tǒng)工作過程看CAD/CAM的根本功能CAD/CAM技術(shù)的開展回憶CAD技術(shù)的開展：1．形成期1950MITCRT(陰極射線管)→計(jì)算機(jī)能夠處理圖形→計(jì)算機(jī)圖形學(xué)。2.開展期50年代光筆→交互式會(huì)圖60年代屏幕菜單點(diǎn)擊、功能鍵盤、光筆定位、圖形動(dòng)態(tài)修改。1962美國(guó)IvanSutherland第一個(gè)交互式圖形系統(tǒng)〔SketchPad〕2D系統(tǒng)3、成熟期1973實(shí)體造型技術(shù)實(shí)體造型軟件3D系統(tǒng)4.集成期 信息分散、不能共享，不能發(fā)揮合力效益，開發(fā)專用接口，本錢大，自動(dòng)化程度不高等等集成CAD/CAM.CAD/CAM技術(shù)的開展回憶CAM技術(shù)的開展1952年數(shù)控機(jī)床→1955自動(dòng)編程工具〔APT〕1958自動(dòng)換刀系統(tǒng)→加工中心〔MC〕1962工業(yè)機(jī)器人→物料搬運(yùn)自動(dòng)化，利用一臺(tái)計(jì)算機(jī)控制多臺(tái)數(shù)控設(shè)備→(直接數(shù)控系統(tǒng))DNC→FMS.70年代，交互式圖形編程系統(tǒng)，CAM成熟智能化，集成化，自動(dòng)化。CAD/CAM技術(shù)的開展回憶CAPP技術(shù)的開展 1969年，挪威，成組技術(shù)，零件分類歸族，典型樣件與典型工藝AutoPros 1980年，英國(guó)AutoCAP.派生式CAPP系統(tǒng)。簡(jiǎn)單，實(shí)用，本錢低，周期短；但與企業(yè)的特性相關(guān)度高，一般不適合于其他企業(yè)。采用規(guī)那么，推理，根據(jù)工藝的特性，自動(dòng)生成工藝路線，成為創(chuàng)成式CAPP，自動(dòng)化程度高，適合于多種企業(yè)。但由于工藝過程涉及的因素多，開發(fā)周期及本錢高，目前仍然在研究階段。 80年代中期，CAPP專家系統(tǒng)。CAD/CAM的集成技術(shù)：CAD、CAPP、CAM技術(shù)長(zhǎng)時(shí)間獨(dú)立開展，使數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、軟件結(jié)構(gòu)、平臺(tái)等方面有很大差異。系統(tǒng)之間不能進(jìn)行自動(dòng)的數(shù)據(jù)交換，需要大量的人工參與以完成數(shù)據(jù)傳輸工作，嚴(yán)重阻礙CAD、CAPP、CAM技術(shù)的效益與開展。80年代，人們致力于CAD、CAPP、CAM技術(shù)集成研究。相繼推出了CADAM、CATIA、UG、Pro/E等。CAD/CAM技術(shù)的開展回憶CAD/CAM的應(yīng)用現(xiàn)狀機(jī)械是主要應(yīng)用領(lǐng)域2D應(yīng)用最廣我國(guó)在2DCAD系統(tǒng)和CAPP系統(tǒng)中自主產(chǎn)品，市場(chǎng)占有率較高。3D剛起步。CAD/CAM的應(yīng)用效益生產(chǎn)精度與產(chǎn)品質(zhì)量提高產(chǎn)品開發(fā)周期縮短GM汽車5年→3年新產(chǎn)品可靠性提高20%→60%生產(chǎn)本錢下降波音777未生產(chǎn)樣機(jī)詳細(xì)效益請(qǐng)見P11CAD/CAM技術(shù)的應(yīng)用

制造企業(yè)面臨的市場(chǎng)形式產(chǎn)品形式多樣化、個(gè)性化，生產(chǎn)方式由大批量、少品種→少批量、多品種；市場(chǎng)響應(yīng)速度快。大吃小→快吃慢產(chǎn)品的范疇：產(chǎn)品→產(chǎn)品P+質(zhì)量Q+時(shí)間T+效勞S(T,Q,C,S)競(jìng)爭(zhēng)范圍：區(qū)域→全球核心競(jìng)爭(zhēng)力→創(chuàng)新技術(shù)與人才各種新技術(shù)的出現(xiàn)與應(yīng)用，特別是計(jì)算機(jī)與信息技術(shù)，Internet上述原因，企業(yè)未來呈現(xiàn)的特點(diǎn)：CAD/CAM技術(shù)的新開展上述原因，企業(yè)未來呈現(xiàn)的特點(diǎn)：

產(chǎn)品開發(fā)生產(chǎn)周期短，上市快；制造柔性化；

整個(gè)產(chǎn)品生命周期內(nèi)的質(zhì)量保證

企業(yè)組織形式，出現(xiàn)虛擬企業(yè)與企業(yè)聯(lián)盟

生產(chǎn)過程更為精良

人才素質(zhì)高

智能化與自動(dòng)化程度高

綠色制造

分