01 第一章 CADCAM基本概念.pptx

第1页：CAD/CAM技术基础封面

CAD/CAM技术基础

第2页：数字预装配

数字预装配：在产品设计阶段即于计算机中完成零部件的装配模拟与干涉检查。

第3页：

第4页：

第5页：参考教材

参考教材

姚英学，蔡颖 主编．计算机辅助设计与制造．高等教育出版社。

第6页：课程基本内容

CAD/CAM技术基础基本内容

1. CAD/CAM概论
2. CAD/CAM系统
3. CAD/CAM软件开发基础（数据处理）
4. CAD/CAM中的图形处理技术（几何变换）
5. 产品建模技术基础（实体建模、特征建模）
6. 计算机辅助数控编程技术
7. 计算机辅助质量系统技术
8. 计算机辅助生产管理与运行控制
9. 参数曲线曲面
10. CAD/CAM系统集成

第7页：第1章CAD/CAM概论

第1章 CAD/CAM概论

• CAD/CAM的基本概念
• CAD/CAM技术发展
• CAD/CAM技术的应用
• CAD/CAM技术的新发展

第8页：CAD/CAM的基本概念

CAD（Computer-Aided Design）

工程技术人员以计算机为辅助工具来完成产品设计过程的各项工作。

CAPP（Computer-Aided Process Planning）

工艺人员借助计算机，根据产品制造的工艺要求，确定产品加工方法和方案。

CAM（Computer-Aided Manufacturing）

借助计算机来完成从生产准备到产品制造出来的过程中的各项活动。

CAD/CAM

使CAD、CAPP、CAM等聚集成一个协同工作的有机整体，实现功能交互、信息共享和数据通讯。

第9页：从产品诞生过程理解CAD/CAM

1.1 从产品的诞生过程理解CAD/CAM的概念

市场需求分析 → 产品设计（概念设计、基本设计、详细设计）→ 工艺设计（工艺规划、工装设计、作业计划）→ 生产（零件加工、装配、性能检验）。

• 产品设计环节对应 CAD
• 工艺设计环节对应 CAPP
• 生产环节对应 CAM
• 三者贯通即构成 CAD/CAM 一体化

第10页：从制造的概念理解CAD/CAM

传统的制造概念

物料加工与转换过程。

现代制造的概念

人、技术、组织机构、装备的集成。

• 市场需求分析 → 产品概念设计 → 产品设计 → 生产准备 → 产品生产 → 销售 → 售后服务
• 质量控制贯穿产品生产全过程

第11页：生产技术和管理模式的演变

生产技术和管理模式的演变：下表按时期对照相应的技术、管理特点与制造业竞争的焦点。

第12页：CAD/CAM的基本功能

1.3 CAD/CAM的基本功能（以工程数据库为支撑）

• CAD：几何造型、工程绘图、工程分析与优化、模拟与仿真
• CAPP：工艺知识检索、工艺路线生成、工序设计
• CAM：数控编程、加工仿真、车间管理、计划调度、质量控制

第13页：CAD/CAM系统的工作流程

1.4 CAD/CAM系统的工作流程

• 市场需求 → 产品设计：方案设计、产品几何建模、工程分析与优化、详细设计
• CAPP：工艺规划
• NC编程：自动编程、加工仿真
• 作业计划 → 生产运行控制 → 产品
• 全过程以工程数据库为数据枢纽

第14页：CAD技术的发展阶段

2.1 CAD技术的发展：四个阶段

• 形成期：1950s，MIT 研制 CRT 并催生计算机图形学 CG
• 发展期：1960s，交互绘图技术出现、显示器成本降低
• 成熟期：1970s，实体造型技术（Solid Modeling）
• 集成期：1980s，CAD、CAM 走向 CAD/CAM

第15页：CAM的发展

2.2 CAM的发展

• 1952 年：MIT 研制第一台数控铣床
• 1955 年：APT 语言
• 1958 年：镗铣加工中心
• 1962 年：第一台机器人、DNC 直接数控
• 1967 年：柔性制造系统
• 1980s：CAD/CAM

第16页：CAPP的发展与CAD/CAM集成

2.3 CAPP的发展

1969 派生式CAPP

挪威工业公司 AUTOPROS：成组技术 → 零件族 → 典型工艺过程 → 工艺规程；针对性强，但可移植性差、适应能力差、局限性大。

1977 创成式CAPP

美国普渡大学 APPAS：逻辑算法 → 处理几何要素、确定加工要素 → 工艺规程。

1980s 基于专家系统的CAPP

模拟工艺专家的逻辑思维方式，利用专家知识对非确定性的工艺过程设计做出逻辑决策。

2.4 CAD/CAM的集成：1970s 提出集成的需求与概念；1980s 研究与发展，出现集成化、商品化软件系统。

第17页：应用CAD/CAM技术的效益

3. CAD/CAM技术的应用

1. CAD/CAM的应用状况
2. 应用CAD/CAM技术的效益（C 成本、T 时间、Q 质量、S 服务）：
   • 降低产品开发成本
   • 缩短产品开发周期
   • 提高产品质量
   • 降低劳动强度
   • 提高服务质量

第18页：CAD/CAM技术增效项目对照表

第19页：我国CAD/CAM技术的发展与应用

3.3 我国CAD/CAM技术的发展与应用

• A) 研究及产品开发
• B) 应用

第20页：制造技术的发展趋势

4.1 进一步发展CAD/CAM的必要性：A) 制造技术的发展趋势

• 全球化
• 敏捷化
• 虚拟化
• 智能化
• 网络化
• 标准化
• 绿色化

第21页：制造业的新特点

B) 制造业的新特点

• 产品生命周期缩短
• 用户需求多样化
• 制造系统柔性化
• 全生命周期的质量保证
• 经济全球化与制造全球化
• 交货期成为竞争的第一要素
• 信息化、智能化
• 人的知识、素质和需求的变化
• 环境保护意识的增强与可持续发展

第22页：制造依据数字化

1) 制造依据数字化：用计算机技术表示、处理和传输制造业生产经营的一切信息。

• 过去：工程图样是唯一的生产依据
• 现在：图样与产品定义数据两种生产依据并存
• 未来：产品定义数据成为唯一的生产依据

第23页：制造过程数控化

2) 制造过程数控化：加工、成形、装配、测量过程由数字指令控制，实现“无纸”制造。

• 典型实例：Boeing 777 的数字化设计与制造

第24页：新特点对CAD/CAM的新要求

C) 制造业的新特点对CAD/CAM的新要求

• 集成化
• 智能化
• 网络化
• 分布式并行处理
• 虚拟制造
• 人—机—环境的改善

第25页：支持TOP-DOWN的CAD/CAM技术

2. CAD/CAM发展新方向：1. 支持TOP-DOWN的CAD/CAM技术

TOP-DOWN（自顶向下）

概念设计 → 初步设计 → 详细设计

BOTTOM-UP（自底向上）

由零件到产品的逆向组织方式

第26页：产品的Bottom-Up设计

产品的Bottom-Up设计

• 产品定义
• 形成概念模型
• 设计产品中零件的CAD模型
• 将零件装配成产品
• 产品分析 → 修改零件 → 修改概念模型

第27页：产品的Top-Down设计

产品的Top-Down设计

• 产品定义 → 形成产品概念模型
• 概念模型分析 → 形成产品详细几何模型
• 产品分析 → 模型修改 → 调整概念模型
• 形成产品参数化结构模型 → 修改零件模型

第28页：Top-Down设计的优点

Top-Down设计的优点

• a) 符合产品设计过程和设计人员的思维过程：功能 → 几何结构，抽象 → 具体
• b) 便于实现多个子系统的协同，实现并行设计：概念设计阶段确定主要功能、关键约束与配合关系，再分配任务到子系统
• c) 为DFx提供了条件：可对约束进行可行性评价

第29页：Top-Down设计的支撑体系

Top-Down设计环境与支撑系统

• 设计过程管理：概念设计、系统结构设计
• 资源库：标准零件库、典型零件库
• 装配性分析仿真：运动仿真、干涉检查、装配工艺分析、NC检查
• 产品信息模型：数据交换接口总线、产品数据管理 PDM
• 知识库：设计知识、工艺加工知识库、装配知识库
• 两条主线：Top-Down 与 Bottom-Up

第30页：Top-Down关键技术（一）

Top-Down设计的关键技术

• A) 装配模型：缺少支持概念设计、基本设计、详细设计的装配模型
• B) 从概念设计阶段的功能模型到初步设计阶段的结构模型的转化：缺少实现产品功能到结构的映射推理方法

第31页：Top-Down关键技术（二）

Top-Down设计的关键技术（续）

• C) 结构模型转化成详细装配模型：目前缺少在调整零件尺寸、位置时保持工程约束和尺寸约束的有效方法
• D) 高效、快速的装配顺序规划方法
• E) 缺乏一个将CAD、CAPP、CAM有效地集成起来进行并行设计的系统框架

第32页：支持DFx的CAD/CAM技术

4.2.2 支持DFx的CAD/CAM技术

DFA

面向装配的设计

DFM

面向制造的设计

DFE

面向环境的设计

DFQ

面向质量的设计

第33页：DFx的含义与设计质量

DFx: Design for X

侠义

x → A、M、Q……

广义

x → eXcellence，面向全面优化的设计

制造业的设计质量包括：

1. 可制造性（Manufacturability）
2. 安全性（Safety）
3. 环保性（Environmental friendliness）
4. 用户友好性或人机工学性（User friendliness, ergonomics）
5. 短的上市时间（Short time to market）
6. 可升级性（Upgradability）

第34页：DFx的目标与内容

DFx是一种基于知识的产品设计方法

目标：

• 简化产品
• 降低制造和装配的成本
• 提高产品质量
• 缩短上市时间

内容：

1. DFA：Design for Assembly 面向装配的设计
2. DFM：Design for Manufacture 面向制造的设计
3. DFE：Design for Environment 面向环保的设计
4. DFLC：Design for Life-cycle 面向全生命周期的设计

第35页：DFA面向装配的设计

1) DFA（Design for Assembly，面向装配的设计）

• 主要目标：通过产品装配合理化获得 Q、C、T 俱佳的产品
• 装配合理化最根本的影响因素 → 产品的设计，概念设计阶段影响达 70%
• 基本准则：尽可能减少零部件数目，可减少后期制造和维修的全部费用；但不应使合并后的单个零件制造成本过高

第36页：DFA易装配结构准则

1.3.2 使产品结构和零部件结构尽可能易于装配

• 应采用标准化的、模块化的、积木块式的产品结构
• 尽量减少联接件
• 减少装配表面和装配方向
• 使零部件有一定柔性，强化零部件的对称性等

第37页：DFM面向制造的设计

2) DFM（Design for Manufacture，面向制造的设计）

目标

降低成本，提高制造的容易性

DFA

考虑产品整体配置的概念设计

DFM

面向单个零件加工过程的设计

广义DFM

包括任何能够产生易于制造或降低制造成本的设计步骤、方法、系统

DFA → DFM → DFMA；DFM 包括产品DFM和零件DFM。

产品DFM：对整个产品设计方案的优化分析技术，处理产品结构对整个加工成本的影响。

第38页：产品DFM与零件DFM技术

产品DFM的两个技术

• a) DFA技术：从装配的角度对产品结构进行优化设计
• b) 成本早期预估（Early Cost Evaluating，ECE）技术：从成本角度比较各方案的制造费用以确定最优方案

2.2.2 零件DFM：对零件设计的优化分析技术，包括材料成本最小化和加工工艺的优选等，应尽量避免不必要的、花费高的零件特征。

• a) 原材料和加工工艺的选择
• b) 采用模块化设计
• c) 采用标准零部件
• d) 设计多用途零部件
• e) 避免分立连接件
• f) 最小化装配方向

第39页：DFM应用举例零件清单

第40页：装配效率改进与成本预估

DFA：装配效率 7% →（最少零件数准则）→ 93%

ECE：成本早期预估，用于比较不同方案制造费用。

第41页：DFE面向环境的设计

3) DFE（Design for Environment，面向环境的设计）

概念：DFE 是产品设计的一种新理念，要求所设计的产品从原材料获取、生产、运输、使用到产品报废/回收等的整个产品生存周期内不对环境或少对环境造成危害。

ISO14000 系列标准指出：产品生命周期内的环境问题归结为人体健康、生态健康、资源耗费三个方面。

第42页：DFE目标与循环经济

DFE目标

1. 减少产品和服务的物料使用量
2. 减少产品和服务的能量使用量
3. 减少有毒物质的排放
4. 加强物质的循环使用能力
5. 最大限度可持续地利用再生资源
6. 提高产品的耐用性

3.2 循环经济：全球人口剧增、资源短缺、环境污染背景下，美国经济学家 K. 波尔丁于 1960s 提出，在人、自然资源和科学技术的大系统内，把传统依赖资源消耗的线性增长经济，转变为依靠生态型资源循环来发展的经济。

第43页：智能CAD/CAM技术概述

4.2.3 智能CAD/CAM技术（Intelligent CAD/CAM）

利用人工智能的思想、方法和技术，分析归纳设计/工艺知识，模拟人脑推理分析，提出设计/工艺方案，从而提高设计/工艺水平，缩短周期，降低成本。

A) 工作步骤：

• a) 初步方案的形成
• b) 最优方案的选择
• c) 设计的修改
• d) 图形形成
• e) 信息反馈

第44页：智能CAD/CAM系统结构

B) 智能CAD/CAM系统结构

• 知识库、动态数据库（上下文）共同支撑推理机
• 推理机连接解释模块与图形处理系统
• 知识获取机制实现学习功能
• 人机接口实现计算机与专家或用户的相互通信

第45页：智能CAD/CAM系统组成

智能CAD/CAM系统的组成

1) 知识库

本领域专家知识、经验和书本知识、常识的存储器

2) 数据库

存储领域内初始数据和推理过程中得到的各种中间信息，含设计、制造数据、动态数据、上下文类型的特征与正在建立的上下文树特征

3) 推理机

控制、协调整个系统，根据当前输入的数据利用知识库中的知识，按一定的推理策略解决当前问题

4) 解释模块

回答用户的询问，对系统自身行为和导出的结论进行说明

5) 知识获取机制

人工传授和机器自学习，实现专家系统的学习功能

6) 图形处理系统

显示或绘出总图和零件图

7) 人机接口

实现计算机与专家或用户的相互通信

第46页：专家系统语言：LISP与C

C) 专家系统开发语言

1) LISP语言

专用于符号计算，着重强调表的使用和处理，基本函数结构为树状，功能强、效率高；语法简单明快，容易掌握。通用版本有 COMMON LISP、GCLISP、宏LISP 等，普遍认为是建立专家系统的优秀语言。

2) C语言

为便于使用现有图形标准和图形软件，开发CAD/CAM专家系统时也采用C语言。图形模块在现有图形软件基础上开发比较容易，无须再学智能语言，但知识表示和决策推理时有一定难度。

第47页：专家系统语言：PROLOG

3) PROLOG语言

• 一种会话式符号语言，能够用逻辑来规定任务，把数据和知识都作为关系处理
• 能成倍减少开发时间，最强的属性是模式匹配能力和内部相关数据库
• 常用来解决对象的符号表示以及对象之间关系问题，是一种基于规则的语言，作为方便的逻辑程序设计工具开发
• TURBO PROLOG 语言功能最强、使用方便

第48页：智能CAD/CAM的关键技术

D) 智能CAD/CAM的关键技术

1. 多方案的并行设计
2. 多专家系统的协同合作及信息处理
3. 智能化的人机接口
4. 设计信息集成
5. 多种推理机制的综合应用

在知识库支撑下形成智能CAD、智能CAPP与智能CAM。

第49页：智能CAD/CAM的应用系统

E) 智能CAD/CAM的应用系统

1) 智能CAM系统 PowerMill

英国 Delcam 公司开发的基于 Windows 平台、面向工艺特征、符合工程化概念的智能型CAM软件，广泛应用于汽车、航空、航天、电子、工模具制造等领域。

2) 塑料异型材料挤出模智能化CAD/CAM系统

武汉交通科技大学港机系陈定方教授 + 中国船舶工业总公司716研究所扬安昌，1996。

3) 级进模智能CAD/CAM原型系统 CAMSLS

上海交通大学模具CAD国家工程研究中心。

第50页：并行工程的提出

4.2.4 并行工程

串行方式的问题：

• 无法消除不合理的产品设计和工艺设计
• 工作周期长、产品上市慢

串行流程：概念设计 → 详细设计 → 产品原型 → 加工生产……

第51页：并行工程的组织形式

并行工程：打破部门界限、面向产品的、多学科交叉的协同工作小组。

第52页：虚拟制造的概念

4.2.5 虚拟制造技术：A) 虚拟制造概念

虚拟制造系统是制造系统在虚拟现实下的映射，通过对制造知识进行系统化的组织与分析，对整个制造过程建模，在计算机上进行设计评估和制造活动，是仿真、建模与分析技术及工具的综合应用，以增强各层制造设计和生产决策与控制，并进行优化。

虚拟制造是由多学科先进知识组成的综合系统技术，其核心与关键技术是计算机仿真、建模和优化技术。

第53页：虚拟制造的特征

B) 虚拟制造特征

1. 运用软件技术对制造系统中的五大要素（人、组织管理、物流、信息流、能量流）进行仿真，使之高度集成
2. 无须制造实物样机就可以预测产品性能
3. 在产品开发过程中可及早发现问题，保证产品设计、工艺设计和制造一次成功
4. 敏捷灵活，缩短新产品开发时间，提高质量，降低成本
5. 分布合作，可异地在同一个产品模型上同时工作、相互交流、信息共享

第54页：虚拟制造研究内容（一）

C) 虚拟制造研究内容

1) 以设计为中心的虚拟制造

把制造信息引入到设计全过程，强调以统一制造信息模型为基础，对数字化产品模型进行仿真与分析、优化，提出产品设计的修改意见。

2) 以生产为中心的虚拟制造

在生产过程模型中融入仿真技术，在企业资源（设备、人力、原材料等）约束条件下，建立虚拟设备、虚拟单元、虚拟生产线、虚拟车间和虚拟工厂，通过仿真实现制造方案的快速评价以及加工过程和生产过程的优化。

第55页：虚拟制造研究内容（二）

3) 以控制为中心的虚拟技术

为了实现制造系统的组织、调度与控制策略的优化，以及虚拟制造过程中的人机智能交互与协同，需要对全系统的控制模型及现实加工过程进行仿真。

第56页：虚拟现实系统的硬件组成

C) 硬件：虚拟现实系统

• 图形工作站
• 显示头盔或立体投影装置
• 数据手套或操纵杆
• 立体声音响系统
• 定位跟踪装置
• 力反馈系统

第57页：虚拟现实系统

虚拟现实系统：由图形工作站、显示与交互装置构成，供操作者在虚拟环境中进行产品设计与制造活动。

第58页：显示头盔或立体投影装置

显示头盔或立体投影装置：虚拟现实系统中的视觉输出设备，用于呈现三维立体影像。

第59页：数据手套

数据手套：虚拟现实系统中的交互输入设备，用于采集手势动作，实现虚拟场景中的抓取与装配操作。

第60页：三维鼠标

三维鼠标：虚拟现实系统中的交互设备，用于在虚拟空间中控制视角与零件的位姿。

第61页：定位跟踪装置

定位跟踪装置：实时捕捉操作者头部、手部等的空间位置，为虚拟现实系统提供位姿信息。

第62页：虚拟现实系统的软件

D) 软件

• 基于三维设计的CAD/CAM系统
• VRML 语言
• 虚拟现实开发工具箱 WTK
• 虚拟现实浏览器
• 虚拟装配软件 Deneb

第63页：虚拟制造的应用

E) 虚拟制造的应用：本页源文件仅保留小节标题，具体应用实例的图片内容建议对照原课件图片补充。

第64页：虚拟制造技术（配图待补）

4.2.5 虚拟制造技术：本页源文件仅有小节标题，图片内容建议对照原课件图片补充。

第65页：虚拟产品原型制造方法

F) 虚拟产品设计制造原型的方法

传统的加工方法

铣削、车削、磨削……

快速原型工艺方法

立体印刷、选择性激光烧结、熔化沉积制造、分层实体制造……

受迫成型工艺方法

真空铸造方法、金属压铸方法、沙型铸造方法……

共同目标：实现原型的快速提供。

第66页：BMW虚拟过程周展示中心

BMW公司的 Virtual Process Week 展示中心

• 在虚拟环境下协同设计
• 网络系统
• 虚拟现实系统
• VR 浏览器

第67页：样机

样机：本页源文件仅标注“样机”，所示样机的具体形态与内容建议对照原课件图片补充。

第68页：样机检验

样机检验：本页源文件仅标注“样机检验”，检验的具体项目与结果建议对照原课件图片补充。

第69页：样机检验（续一）

样机检验（续一）：本页源文件仅标注“样机检验”，检验的具体项目与结果建议对照原课件图片补充。

第70页：样机检验（续二）

样机检验（续二）：本页源文件仅标注“样机检验”，检验的具体项目与结果建议对照原课件图片补充。

第71页：计算机集成制造系统构成

4.2.6 计算机集成制造

• 管理信息系统（MIS）
• 工程设计系统（CAD/CAPP/CAM/CAE）
• 制造自动化系统（FMS/FA）
• 数据库
• 质量保证系统（CAQ）
• 通讯网络

第72页：基于网络的制造

4.2.7 基于网络的制造

通过计算机网络将各个子系统互连在一起，才能实现数据的交换、共享和集成，减少中间数据的重复输入输出过程，从而大大提高整个系统从订单备料、设计、工艺到生产和供货全过程的效率，加速新产品开发，提高质量，降低成本，缩短交货周期和压缩库存，提高企业在市场的竞争力。

第73页：基于网络的制造体系结构

基于网络的制造体系结构

• 客户1 …… 客户n 通过 Internet 与制造企业相连
• 企业制造系统：市场与计划、研究与开发、生产、销售与服务、管理，由 LAN/Intranet 互联
• 制造车间：规划与调度，下设制造单元1 …… 制造单元n，由 LAN/Intranet 互联

第74页：第1章思考题

思考题

1. CAD/CAM的基本概念
2. CAD/CAM系统的基本功能
3. CAD/CAM系统的工作过程
4. 制造环境变化的新特点
5. CAD/CAM技术的新发展