先進(jìn)制造技術(shù)概論CAD

第一章CAD技術(shù)概論本章目的：了解CAD基本概念了解CAD發(fā)展歷史和作用了解傳統(tǒng)設(shè)計過程與CAD設(shè)計過程的特點了解CAD發(fā)展趨勢§1.1傳統(tǒng)的機械設(shè)計過程§1.2機械CAD過程§1.3CAD的基本概念§1.4CAD技術(shù)的發(fā)展歷程§1.5CAD系統(tǒng)的功能與任務(wù)§1.6CAD技術(shù)的應(yīng)用§1.7CAD技術(shù)的發(fā)展趨勢第一章概論1.1傳統(tǒng)的機械設(shè)計過程

機械設(shè)計就是根據(jù)使用要求確定產(chǎn)品應(yīng)該具備的功能，構(gòu)想出產(chǎn)品的工作原理、結(jié)構(gòu)形狀、運動方式、力和能量的傳遞、以及所用材料等事項，并轉(zhuǎn)化為具體的描述，例如圖紙和設(shè)計文件等，以此作為制造的依據(jù)。

機械設(shè)計是產(chǎn)品從需求分析、設(shè)計、制造、銷售、使用和回收整個產(chǎn)品全生命周期中的一個重要環(huán)節(jié)，對產(chǎn)品成本的影響占80％。

1.1傳統(tǒng)的機械設(shè)計過程市場需求調(diào)查提出開發(fā)計劃設(shè)計任務(wù)書功能分析尋求解決方案擬訂總體布局機械運動方案設(shè)計原理方案圖主要尺寸及參數(shù)設(shè)計總體結(jié)構(gòu)設(shè)計裝配圖零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計零件圖技術(shù)文檔產(chǎn)品規(guī)劃階段(需求分析)方案設(shè)計階段（概念設(shè)計）技術(shù)設(shè)計階段（詳細(xì)設(shè)計）調(diào)查研究、分析用戶需求、收集資料，在此基礎(chǔ)上確定產(chǎn)品功能，提出需求報告構(gòu)思方案，分析和論證，獲得的原理性方案，確定設(shè)計大的框架，主要設(shè)計參數(shù)分析計算與優(yōu)化確定對象的細(xì)部結(jié)構(gòu)，完成裝配圖和零件圖的繪制，編寫技術(shù)文件傳統(tǒng)設(shè)計工具：繪圖板，計算器（尺）產(chǎn)生設(shè)計藍(lán)圖1.1傳統(tǒng)的機械設(shè)計過程傳統(tǒng)機械設(shè)計過程的特點：每一環(huán)節(jié)靠手工完成；設(shè)計方案靠經(jīng)驗，方案少，不優(yōu)化；不能進(jìn)行復(fù)雜的力學(xué)分析，難以按動態(tài)的、精確的的方法計算，容易出錯；大部分時間在零件圖、裝配圖上，可重用性差；設(shè)計周期長、效率低。1.1傳統(tǒng)的機械設(shè)計過程計算機輔助設(shè)計(CAD)的產(chǎn)生詳細(xì)設(shè)計的終結(jié)并不意味著最終獲得了一個好的設(shè)計機械產(chǎn)品在經(jīng)歷了制造加工、樣機測試、批量生產(chǎn)、以及銷售使用后，會返回大量信息，需要對產(chǎn)品進(jìn)行不斷修改機械設(shè)計是一個“設(shè)計——評價——再設(shè)計”的反復(fù)迭代、不斷優(yōu)化的過程在人工設(shè)計情況下，存在許多的缺點，因此實現(xiàn)某種程度的設(shè)計自動化，縮短設(shè)計周期，降低設(shè)計成本，提高設(shè)計質(zhì)量，就成為機械設(shè)計發(fā)展的迫切要求，正是在這樣的背景下產(chǎn)生了計算機輔助設(shè)計(ComputerAidedDesign)1.1傳統(tǒng)的機械設(shè)計過程1.2機械CAD工作過程輔助工具、組件應(yīng)用數(shù)據(jù)庫CAD設(shè)計工具各種CAx軟件工具：

CAD（2D、3D）

CAE、CAPP、CAM等1.2機械CAD工作過程CAD作業(yè)過程的特點設(shè)計工具軟件化（CAx）強有力的計算、圖形、數(shù)據(jù)處理能力設(shè)計、分析綜合，性能選優(yōu)提高了設(shè)計精度和可靠性信息共享、資源共享、設(shè)計過程共享設(shè)計效率高、周期短1.3CAD的基本概念20世紀(jì)60年代的觀點科學(xué)計算和分析或計算機控制繪圖機繪制出工程圖1967年，美國學(xué)者D.T.ROSS的定義把設(shè)計者與計算機結(jié)合為一個問題求解組，使之較各自單獨工作時能更有效地達(dá)到設(shè)計問題的目標(biāo)1972年，國際信息處理聯(lián)合會的定義CAD是一種技術(shù)，其中人與機（計算機）結(jié)合為一個問題求解組，緊密配合，發(fā)揮各自所長，從而使其工作優(yōu)于每一方，并為應(yīng)用多學(xué)科的方法的綜合性協(xié)作提供了可能1.3CAD的基本概念CAD是用計算機硬、軟件系統(tǒng)輔助人們對產(chǎn)品或工程進(jìn)行設(shè)計、修改、分析和優(yōu)化的一種設(shè)計方法。在CAD系統(tǒng)中人與計算機密切合作，在不同的方面人與計算機充分發(fā)揮各自的特長，因此CAD系統(tǒng)是一個人機結(jié)合的系統(tǒng)。CAD技術(shù)是一門多學(xué)科的綜合性應(yīng)用新技術(shù)，它涉及到以下基礎(chǔ)技術(shù)：圖形處理技術(shù)工程分析技術(shù)數(shù)據(jù)管理與數(shù)據(jù)交換技術(shù)

文檔處理技術(shù)

軟件設(shè)計技術(shù)

1.3CAD的基本概念CAD含義的衍生：CAD技術(shù)不斷發(fā)展，不同領(lǐng)域?qū)AD技術(shù)的應(yīng)用程度不同，對CAD技術(shù)的含義的理解也略有差異。ComputerAidedDrafting(畫圖)ComputerAidedDesign(設(shè)計)ComputerAidedDevelopment(集成)狹義定義與廣義定義CAD:Computer-AidedDesignCAM:Computer-AidedManufacturingCAPP:Computer-AidedProcessPlanningCAD/CAM：設(shè)計制造一體化1.3CAD的基本概念從產(chǎn)品的誕生過程理解CAD的概念1.3CAD的基本概念從制造的概念理解CAD的概念1.3CAD的基本概念1.4CAD技術(shù)的發(fā)展歷程提出：1959年美國麻省理工學(xué)院（MIT）召開的CAD規(guī)劃會議。實施：1963年MIT小組在美國計算機聯(lián)合會年會上發(fā)表了CAD方面的五篇論文給工程技術(shù)界以很大的震動,也由此CAD技術(shù)得以出現(xiàn),并進(jìn)入了實施階段。1.4CAD技術(shù)的發(fā)展歷程1、孕育形成階段（20世紀(jì)40年代—50年代末）特點：真空管計算機；機器語言；編制程序設(shè)計變壓器、電動機、發(fā)電機等；美國、歐洲、日本；2、成長發(fā)展階段（20世紀(jì)50年代末—60年代）特點:晶體管式計算機取代真空管式計算機高級語言(FORTRAN,ALGOL,COBOL）文件系統(tǒng)(數(shù)據(jù)管理)（60年代初）磁帶、磁鼓、磁盤（數(shù)據(jù)存儲)CRT+光筆的圖形顯示系統(tǒng)交互式圖形生成技術(shù)(人機交互，1953）I.E.Sutherland“人機圖形通信系統(tǒng)”SKETCHPAD發(fā)展很快，但規(guī)模大，價格昂貴存儲管式顯示器。3、開發(fā)拓展階段（20世紀(jì)70年代—80年代）特點：計算機已進(jìn)入大規(guī)模集成電路時代；數(shù)據(jù)處理技術(shù)已從文件系統(tǒng)發(fā)展到數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，系統(tǒng)具有統(tǒng)一的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和內(nèi)部數(shù)據(jù)庫；

幾何造型技術(shù)已經(jīng)成熟；有較好的集成，實現(xiàn)了CAD/CAE/CAM的集成；出現(xiàn)特征建模及二、三維參數(shù)化設(shè)計系統(tǒng)。

4、應(yīng)用普及階段（20世紀(jì)90年代以后）特點：廣泛采用了特征造型和基于約束的參數(shù)化和變量化造型方法，并向集線框、表面、實體造型統(tǒng)一表示的非流形形體造型發(fā)展；由單機或局部分布式聯(lián)網(wǎng)工作方式向基于網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計發(fā)展。1.4CAD技術(shù)的發(fā)展歷程1952MIT的第一臺數(shù)控銑床1955APT語言1958鏜銑加工中心1962第一臺機器人、DNC直接數(shù)控1967柔性制造系統(tǒng)1969基于零件分類的AUTOPROS

檢索式CAPP派生式CAPP1977創(chuàng)成式CAPP1980S基于專家系統(tǒng)的CAPP1970S提出集成的需求與概念1980S研究與發(fā)展出現(xiàn)集成化、商品化軟件系統(tǒng)CAD技術(shù)的發(fā)展

2D繪圖3D設(shè)計工程分析數(shù)字樣機集成平臺目前國際知名CAD軟件公司CATIA（整體方案）UG（整體方案）Pro/E（整體方案）AutoCAD(二、三維設(shè)計)高檔：CATIA、UG中檔：Pro/E低檔：Solidworks、Solidedges、Inventor二維：AutoCADCAD在我國清華、華科大、浙大、北航等華中科技大學(xué)：天喻InteCAD、InteSolid，KMCAD等

清華：TiOpenCAD，TiGEMS等北航海爾：CAXA，金銀花等浙大大天：ZDDS新洲軟件：Solid2000技術(shù)、市場份額與國外差距很大1.5CAD系統(tǒng)功能與任務(wù)1.圖形顯示功能2.輸入輸出功能3.存儲功能4.交互功能基本功能：1.5CAD系統(tǒng)功能與任務(wù)1.幾何造型2.計算分析3.工程繪圖4.結(jié)構(gòu)分析5.優(yōu)化設(shè)計主要任務(wù)：6.計算機輔助工藝設(shè)計7.NC自動編程8.模擬仿真9.工程數(shù)據(jù)庫管理CAD/CAM的基本功能1.5CAD系統(tǒng)功能與任務(wù)1.6CAD技術(shù)的應(yīng)用1.縮短產(chǎn)品開發(fā)周期2.提高產(chǎn)品設(shè)計質(zhì)量3.降低生產(chǎn)成本4.提高管理水平優(yōu)越性：1.6CAD技術(shù)的應(yīng)用可重用性好，效率高（對拷貝進(jìn)行簡單修改）信息、知識及資源共享（通過網(wǎng)絡(luò)）支持協(xié)同產(chǎn)品開發(fā)（通過網(wǎng)絡(luò)），多學(xué)科專家協(xié)作3D設(shè)計更直觀，能直接進(jìn)行產(chǎn)品性能分析與優(yōu)化，有利提高產(chǎn)品質(zhì)量提供復(fù)雜計算，計算精度高，減輕設(shè)計強度有利于產(chǎn)品全生命周期的信息集成特點：1.6CAD技術(shù)的應(yīng)用過去生產(chǎn)一個大規(guī)模集成電路芯片，要花兩年時間，用CAD只要兩周即可完成；美國道格拉斯公司生產(chǎn)F15戰(zhàn)斗機，用CAD技術(shù)試制第一架飛機便解決了發(fā)動機氣道和機艙密封等關(guān)鍵問題；英國的三叉戟飛機比美國的波音747飛機早開工，卻晚一年完成，其原因就是美國的747采用了CAD技術(shù)；美國GM公司汽車設(shè)計中應(yīng)用CAD技術(shù)，使新型汽車的設(shè)計周期由5年縮短為3年，新產(chǎn)品的可信度由20％提高到60％；以前波音公司的飛機維修手冊最在一起有3米多厚，而現(xiàn)在一張光盤上可儲存l000多張圖樣信息。CAD技術(shù)帶來的經(jīng)濟效益明顯,CAD技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用水平已成為衡量一個國家的科學(xué)技術(shù)現(xiàn)代化和工業(yè)現(xiàn)代化的重要標(biāo)志之一1.7CAD技術(shù)的發(fā)展趨勢CAD/CAPP/CAM/CAE/PLM/ERP/MES/SCM集成PDM（ProductDataManagement，產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理）PLM（productlifecyclemanagement產(chǎn)品生命周期管理）ERP（EnterpriseResourcePlanning，企業(yè)資源計劃）SCM（Supplychainmanagement，供應(yīng)鏈管理）MES(ManufacturingExecutionSystem,工廠制造執(zhí)行系統(tǒng))CRM(CustomerRelationshipManagement，即客戶關(guān)系管理)計算機集成制造系統(tǒng)CIMS(ComputerIntegratedManufacturingSystem)集成化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化、標(biāo)準(zhǔn)化集成化1.7CAD技術(shù)的發(fā)展趨勢提高集成水平是CAD/CAM系統(tǒng)發(fā)展的一個重要方向,必須在以下幾方面提高水平：

從傳統(tǒng)的實體造型到參數(shù)化特征造型的轉(zhuǎn)變必須有自己統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫及其管理系統(tǒng)解決好不同CAD系統(tǒng)間產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換問題集成系統(tǒng)內(nèi)部應(yīng)該包括種類更多、功能更為完善的設(shè)計與制造應(yīng)用軟件解決好網(wǎng)絡(luò)通信問題，使不同節(jié)點及不同地區(qū)的用戶能夠協(xié)同工作CAXPLMPKM產(chǎn)品集成設(shè)計開發(fā)過程應(yīng)用CAD/CAM系統(tǒng)進(jìn)行產(chǎn)品開發(fā)的過程通過數(shù)據(jù)庫集成CAD、CAM和CAE1.7CAD技術(shù)的發(fā)展趨勢網(wǎng)絡(luò)化提供多學(xué)科領(lǐng)域開發(fā)團(tuán)隊的協(xié)同產(chǎn)品開發(fā)支持跨部門、跨行業(yè)、跨地域的企業(yè)協(xié)作提供數(shù)據(jù)共享、知識共享、資源共享2發(fā)展方向BuxtehudeLaupheimHamburgBremenNordheimVarelMeaulteSt.NazaireNantesBrougltonFiltonToulouseGetateIllescasPuertoRealStadeHamburg德國法國英國西班牙空客A380在4國進(jìn)行協(xié)同研制CADCAECAMCADCAECAM研制

ERPSCMSCMERP數(shù)據(jù)/BOM表

項目

需求CPC平臺機艙內(nèi)裝飾前后機身駕駛艙和中段機翼發(fā)動機機架垂直尾翼水平尾翼BuxtehudeLaupheimHamburgBremenNordheimVarelMeaulteSt.NazaireNantesBrougltonFiltonToulouseGetateIllescasPuertoRealStadeHamburg德國法國英國西班牙機艙內(nèi)裝飾前后機身駕駛艙和中段機翼發(fā)動機機架垂直尾翼水平尾翼

空中客車在4國進(jìn)行異地專業(yè)化聯(lián)合設(shè)計，之后分別在這4個國家的多家生產(chǎn)基地進(jìn)行異地專業(yè)化制造，最后在法國的圖盧茲和德國的漢堡進(jìn)行最后的總裝配?？罩锌蛙嚬镜牟少従W(wǎng)絡(luò)遍布全球30個國家，有1500家以上的供應(yīng)商加盟，為了保證整個供應(yīng)鏈采購信息的及時溝通，空客建立了采購門戶網(wǎng)站，使空客實現(xiàn)了采購過程的和諧化、自動化和簡化，并加強了與供應(yīng)商之間的合作。

空中客車公司由歐洲航空防務(wù)及航天公司和英宇航系統(tǒng)公司共同擁有，擁有最先進(jìn)的產(chǎn)品和最齊全的生產(chǎn)線?？偛课挥诜▏鴪D盧茲的空中客車公司，設(shè)計機構(gòu)和工廠屬于四個全資子公司：空中客車法國公司、德國公司、西班牙公司、英國公司。1.7CAD技術(shù)的發(fā)展趨勢智能化現(xiàn)有的CAD技術(shù)在機械設(shè)計中只能處理數(shù)值型的工作，包括計算、分析與繪圖在設(shè)計活動中存在另一類符號推理型工作將人工智能技術(shù)，特別是專家系統(tǒng)的技術(shù)，與傳統(tǒng)CAD技術(shù)結(jié)合起來，形成智能化CAD系統(tǒng)是機械CAD發(fā)展的必然趨勢。需求方案設(shè)計建模分析改進(jìn)1.7CAD/CAM技術(shù)的發(fā)展趨勢標(biāo)準(zhǔn)化

七十年代末八十年代初，為避免不同應(yīng)用系統(tǒng)之間點對點的網(wǎng)型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換對多種數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口開發(fā)的要求,國際上許多國家和組織機構(gòu)對數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了大量的研究、制定工作，誕生了許多區(qū)域性的標(biāo)準(zhǔn)。

面向圖形設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)CGI面向用戶的圖形標(biāo)準(zhǔn)GKS,OPENGL面向不同CAD系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)IGES和STEP