1、第第4 4章章 计算机辅助设计与制造技术计算机辅助设计与制造技术 4.1 CAD/CAM4.1 CAD/CAM概述概述4.2 4.2 计算机辅助设计（计算机辅助设计（CADCAD）技术）技术 4.3 4.3 计算机辅助工艺过程设计计算机辅助工艺过程设计4.4 4.4 计算机辅助制造（计算机辅助制造（CAMCAM）技术）技术4.5 CAD/CAM4.5 CAD/CAM集成技术集成技术v4.1 CAD/CAM4.1 CAD/CAM概述概述v4.11 CAD/CAM4.11 CAD/CAM的基本概念的基本概念v 计算机辅助设计（计算机辅助设计（Computer Aided Design，简称，简称C
2、AD）是指工程技术人员以计算机为辅助工具，完成产品设是指工程技术人员以计算机为辅助工具，完成产品设计构思和论证，产品总体设计，技术设计，零部件设计计构思和论证，产品总体设计，技术设计，零部件设计 计算机辅助工艺设计（Computer Aided Process Planning）是根据产品设计结果进行产品的加工方法和制造过程的设计 v计算机辅助制造（Computer Aided Manufacturing，简称CAM）是指计算机在制造领域有关应用的统称 4.1.24.1.2 CAD/CAMCAD/CAM系统的工作过程系统的工作过程 4.1.3 CAD/CAM 4.1.3 CAD/CAM系统的组
3、成系统的组成 CAD/CAM系统是由硬件和软件和人组成。硬件由计算机及外围设备组成，如计算机、绘图仪、打印机、网络通信设备等，它是CAD/CAM系统的物资基础。软件是指计算机程序及相关文档，它是信息处理的载体，是CAD/CAM系统的核心。v4.1.4 CAD/CAM4.1.4 CAD/CAM系统的硬件系统的硬件vCAD/CAM系统的硬件主要包括计算机主机、外存储器、输入设备、输出设备、网络通讯设备及生产设备等 v4.1.5 CAD/CAM4.1.5 CAD/CAM系统的软件系统的软件 v计算机软件是指控制计算机运行，并使计算机发挥最大功效的有关程序和数据的总称。v1系统软件v系统软件主要用于计
4、算机的管理、维护、控制及运行，以及计算机程序的翻译、装入及运行。v2.支撑软件支撑软件v 支撑软件是CAD/CAM系统的核心，是为满足CAD/CAM工作中一些用户共同需要而开发的通用软件。v其中通用的可分为下列几类：v（1）工程分析软件 v（2）图形支撑软件系统 v（3）数据库管理系统 v（4）计算机网络工作软件v3应用软件应用软件v应用软件是在系统软件、支撑软件基础上，针对某一个专门应用领域应用软件是在系统软件、支撑软件基础上，针对某一个专门应用领域而研制的软件。而研制的软件。4.2 计算机辅助设计（计算机辅助设计（CADCAD）技术）技术 4.2.1 CAD4.2.1 CAD系统的基本功能
5、系统的基本功能 CAD系统一般应具有以下基本功能：绘图、计算、模拟、制定面向设计用部件构成表、制定各种设计文件、生成与CAPP、NC等的接口信息、设计验证、设计更改控制、设计复审及图样修改等。4.2.2 CAD4.2.2 CAD系统的类型系统的类型1参数化CAD系统2派生型CAD系统3交互型CAD系统4智能型CAD系统v4.2.3 4.2.3 几何建模技术几何建模技术v1 几何建模的概念几何建模的概念vCAD/CAM系统中的几何模型就是把三维实体的系统中的几何模型就是把三维实体的几何形状及其属性用合适的数据结构进行描述的几何形状及其属性用合适的数据结构进行描述的存储，供计算机进行信息转换与处理
6、的数据模型。存储，供计算机进行信息转换与处理的数据模型。v2三维几何建模技术三维几何建模技术 线框建模线框建模 表面建模表面建模 实体建模实体建模v如何将现实的三维实体在计算机内构造并表示出来，是CAD作业时的一项首要任务。三维实体造型的方法有许多，常用的有体素法和扫描法。v扫描法 有些物体的表面形状较为复杂，难于通过定义基本体素加以描述，可以定义基体，利用基本的变形操作实现物体的造型。v3特征建模技术（1）特征建模的概念及特点v所谓特征是指从工程对象中高度概括和抽象后得到的具有工程语义的功能要素。（2）特征的分类：形状特征、精度特征、技术特征、材料特征、装配特征、管理特征（3）特征关系：相邻
7、关系、引用关系、附属关系、分布关系。（4）特征建模方法：交互式特征、特征自动识别、基于特征的设计。4.2.4 UG6.04.2.4 UG6.0三维实体造型方法三维实体造型方法及造型实例及造型实例（参照视频教程）（参照视频教程）4.2.5 CAD4.2.5 CAD应用软件的开发原则及开发实例应用软件的开发原则及开发实例v1CAD应用软件开发应遵循的原则v2CAD应用软件开发实例就加工中心总体设计CAD系统作一简单的介绍v加工中心总体设计智能CAD系统根据分级模块化原理，将加工中心机床逐级划分为产品级、部件级、组件级和元件级，利用专家知识和CAD技术再将它们组合成各种功能模块 v系统总体结构图4.
8、3 计算机辅助工艺过程设计v4.3.1 CAPP4.3.1 CAPP系统的功能及结构组成系统的功能及结构组成v1CAPP系统的功能：系统的功能：CAPP是应用计算机是应用计算机快速处理信息功能和具有各种决策功能的软快速处理信息功能和具有各种决策功能的软件来自动生成工艺文件的过程。件来自动生成工艺文件的过程。v2CAPP系统的结构组成：CAPP系统的种类很多，但其基本结构主要可分为如下五大组成模块：零件信息的获取、工艺决策、工艺数据库/知识库、人机界面和工艺文件管理/输出 v4.3.2 CAPP4.3.2 CAPP系统的类型及其工作原理系统的类型及其工作原理v1.派生式CAPP系统：派生式CAP
9、P系统是在成组技术的基础上，按零件结构和工艺的相似性，用分类编码系统将零件分为若干零件加工族，并给每一族的零件制定优化加工方案和编制典型工艺规程，以文件形式存储在计算机中。v2.创成式CAPP系统：创成式CAPP系统能够根据工艺数据库的信息和零件模型，在没有人干预的条件下，系统自动产生零件所需要的各个工序和加工顺序，自动提取制造知识，自动完成机床、刀具的选择和加工过程的优化，通过应用决策逻辑，模拟工艺设计人员的决策过程，自动创成新的零件加工工艺规程。v3.综合式CAPP系统：采用派生与自动决策相结合的方法生成工艺规程。v4.3.3 CAPP4.3.3 CAPP系统的基础技术系统的基础技术v1成
10、组技术成组技术v2零件信息的描述与输入零件信息的描述与输入v3工艺设计决策机制工艺设计决策机制v4工艺知识的获取及表示工艺知识的获取及表示v5工艺数据库的建立工艺数据库的建立v4.3.4 4.3.4 开目开目CAPPCAPP软件功能简介软件功能简介v1 1开目开目CAPPCAPP的特点及功能的特点及功能 v（1）提出并实现CAPP工具化思想 v（2）融数据库、图形、图象、表格、文字编辑于一体v（3）提供材料定额计算和工时定额计算公式库 v（4）实现CAD/CAPP集成 v（5）基于网络、数据库环境，支持ACCESS、SQL_SERVER、ORACEL等 v（6）独有的参数化CAPP系统 v（7
11、）基于产品结构树的工艺设计和工艺管理，可以和其它的管理系统紧密集成；v（8）能直接读取DWG、IGES、DXF图形文件 v2各功能模块概述 v（1）表格定义模块：用于企业规划定义自己的各种工艺表格。v（2）工艺规程类型管理模块：用于为多种工艺规程配置过程卡片及工序卡。v（3）开目CAPP模块：主要用于生成工艺过程卡和工序卡，绘制工序简图以及通用技术文档v（4）开目CAPP浏览器模块：专门用于浏览开目CAPP编制的工艺文件和通用技术文件。v（5）开目打印中心：用于CAD、CAPP文件的拼图输出。v3开目CAPP系统建立及工艺编制流程v（1）建立工艺数据库v（2）建立工艺表格v（3）规划定义表格v
12、（4）运行工艺规程管理模块v（5）执行开目CAPP 编制工艺路线、编写（修改）工艺过程卡和工序卡v (6)打印或拼图输出工艺文件。变速器输出轴零件图变速器输出轴零件图 v输出轴机械加工工艺过程卡输出轴机械加工工艺过程卡v4.3.5 ICAPP4.3.5 ICAPP简介简介v1ICAPP的体系结构的体系结构v4.4 计算机辅助制造（CAM）技术v4.4.14.4.1计算机辅助数控加工基础计算机辅助数控加工基础v1 1数控机床的概念及组成数控机床的概念及组成v数控机床是一种采用计算机、利用数字进行控制的数控机床是一种采用计算机、利用数字进行控制的高效、能自动化加工的机床。它能够按照国际或国高效、能
13、自动化加工的机床。它能够按照国际或国家，甚至生产厂家所制造的数字和文字编码方式，家，甚至生产厂家所制造的数字和文字编码方式，把各种机械位移量、工艺参数（如主轴转速、切削把各种机械位移量、工艺参数（如主轴转速、切削速度）、辅助功能（如刀具变换、切削液自动供停）速度）、辅助功能（如刀具变换、切削液自动供停）等，用数字、文字符号表示出来，经过程序控制系等，用数字、文字符号表示出来，经过程序控制系统，即数控系统的逻辑处理与计算，发出各种控制统，即数控系统的逻辑处理与计算，发出各种控制指令，实现要求的机械动作，自动完成加工任务。指令，实现要求的机械动作，自动完成加工任务。v（1）加工程序及信息载体 信息
14、载体又称控制介质。加工程序是数控机床自动加工零件的工作指令，其上存储着加工零件所需的全部操作信息和刀具相对工件的位移信息等。v（2）计算机数控装置：它完成加工程序的输入、编辑及修改，实现信息存储、数据交换、代码转换、插补运算以及各种控制功能。v（3）伺服驱动系统：驱动主轴运动的控制单元及主轴电机、驱动进给运动的控制单元及进给电机v（4）机床本体 v（5）辅助控制装置 v2数控机床的分类 v（1）按控制系统分类 可分为点位控制数控机床、点位直线控制数控机床和轮廓控制数控机床。v（2）按伺服系统的特点分类 可分为开环控制数控机床、闭环控制数控机床和半闭环控制数控机床。v（3）按加工方式分类 可分为
15、金属切削数控机床、金属形成类数控机床、特种加工数控机床及其他类型机床。v（4）按功能水平分类 可分为低档经济数控、中档数控系统和高档数控系统三类。v3数控机床的坐标系统v数控机床直线运动的坐标轴X、Y、Z（也称为线性轴），规定为右手笛卡儿坐标系。Z轴定义为平行于主轴的坐标轴，如果机床有一系列主轴，则选尽可能垂直于工件装夹面的主要轴为Z轴，其正方向定义为刀具远离工作台的运动方向；X轴是水平的，并平行于工件的装夹平面，它平行于主要的切削方向，且以此方向为正方向；Y轴的运动方向则可按右手笛卡儿坐标系来确定。v4.4.2 4.4.2 计算机辅助数控加工的实现流程 v1手工编程 v（1）手工编程的内容和
16、步骤v1）工艺处理v2）数值计算v3）编制零件加工程序v4）输入数控程序 v5）试切和修改v2.数控语言自动编程v数控语言自动编程原理v运用专用的数控语言编写出一个简短的零件加工源程序，并将其输入到计算机中，经过编译系统进行编译，将之翻译成系统能够识别的目标程序，然后系统根据目标程序进行刀具运动轨迹计算，并生成刀位文件，系统根据具体数控机床所要求的指令和格式进行后置处理，生成相应机床的零件数控加工程序，从而完成最终的自动编程工作。v3.CAD/CAM系统自动编程（1）CAD/CAM系统自动编程原理及特点 随着CAD/CAM技术的成熟和计算机图形处理能力的提高，直接利用CAD模块生成的几何图形，
17、采用人机对话方式，在计算机屏幕上指定被加工部位，输入相应的加工参数，计算机便可自动进行必要的数学处理并编制出数控加工程序，同时在计算机屏幕上动态地显示出刀具的加工轨迹。（2）CAD/CAM系统自动编程的基本步骤 1）几何造型 模具三维造型模具三维造型 v2）工工艺分析 包括分析零件的加工部位，确定工件的装夹位置，指定工件坐标系、选定刀具类型及其几何参数，输入切削加工工艺参数等。v3）刀具轨迹生成 v4）刀位验证及刀具轨迹的编辑 对所生成的刀位文件进行加工过程仿真，检查验证走刀路线是否正确合理，有否碰撞或干涉现象，可对生成的刀具轨迹进行编辑修改、优化处理，以得到正确的走刀轨迹 对模具的加工过程进
18、行仿真对模具的加工过程进行仿真 刀具轨迹的操作管理器刀具轨迹的操作管理器 v5）后置处理v6）数控程序的输出v4.4.34.4.3虚拟数控加工仿真技术虚拟数控加工仿真技术v1.虚拟数控加工仿真技术概念虚拟数控加工仿真技术概念v在虚拟制造中，通过对数控机床及系统的建在虚拟制造中，通过对数控机床及系统的建模进而虚拟地对数控加工过程进行仿真模进而虚拟地对数控加工过程进行仿真。v2.虚拟数控仿真系统的构建虚拟数控仿真系统的构建v以以UG软件为系统平台，以软件为系统平台，以UG/ISV模块为基模块为基础，通过础，通过UG二次开发技术，扩充软件功能，二次开发技术，扩充软件功能，通过遗传算法优化得出优化的切
19、削参数并优通过遗传算法优化得出优化的切削参数并优化化NC程序，从而缩短准备时间，降低操作难程序，从而缩短准备时间，降低操作难度，优化铣削结果，构建具有实用意义的铣度，优化铣削结果，构建具有实用意义的铣削仿真系统。削仿真系统。虚拟数控铣削真系统的组成虚拟数控铣削真系统的组成 v（1 1）虚拟机床几何模型的建立 要建立虚拟机床几何装配模型，首先要根据机床结构和运动特性准确地划分各运动子模块，找出目标机床的两条运动链：“工件机架”运动链和“刀具机架”运动链。v（2）工件及夹具装配模型的建立）工件及夹具装配模型的建立v建立毛坯、工件和夹具模型的目的有两个：一是为了利用毛坯、工件信建立毛坯、工件和夹具模
20、型的目的有两个：一是为了利用毛坯、工件信息根据工艺要求生成加工刀位文件；二是为了对刀位文件做刀轨检查时息根据工艺要求生成加工刀位文件；二是为了对刀位文件做刀轨检查时能检验出刀具、主轴和毛坯、压板、螺钉、夹具等的碰撞干涉问题。能检验出刀具、主轴和毛坯、压板、螺钉、夹具等的碰撞干涉问题。v 孔系夹具标准件的组成图孔系夹具标准件的组成图 基础件基础件v利用UG软件的装配功能，按照实际机床的装配方位进行装配即可完成毛坯及夹具的装配模型 工件和夹具装配模型工件和夹具装配模型 v（3）ISV仿真校验模块v建立工件、工具、机床的实体模型，刀具沿着由工艺确定的轨迹切削，用以发现一些不适当的轨迹，并能监控机床、
21、刀具、工件、夹具之间的碰撞干涉情况，且仿真画面逼真；另外还能评估铣削工艺中的工艺参数是否合适。v4.5 CAD/CAM4.5 CAD/CAM集成技术集成技术v4.5.1 CAD/CAM4.5.1 CAD/CAM集成技术的产生和发展集成技术的产生和发展 CAD、CAM以及零件加工等有关信息实现自动以及零件加工等有关信息实现自动传递和转换。传递和转换。CAD/CAM集成技术是解决多品种、集成技术是解决多品种、小批量、高效率生产的最有效途径小批量、高效率生产的最有效途径。v4.5.2 CAD/CAM4.5.2 CAD/CAM系统集成方式系统集成方式v（1）通过专用格式文件的集成方式）通过专用格式文件
22、的集成方式 v（2）通过标准格式数据文件的集成方式 v（3）利用公共工程数据库进行系统集成 v4.5.3 CAD/CAM4.5.3 CAD/CAM系统集成的关键技术系统集成的关键技术1产品建模技术产品建模技术 为了实现信息的高度集成，产品建模是非常重要的。一个为了实现信息的高度集成，产品建模是非常重要的。一个完善的产品设计模型是完善的产品设计模型是CAD/CAM系统进行信息集成的基础系统进行信息集成的基础 2集成的数据管理技术 CAD/CAM系统的集成应努力建立能处理复杂数据的工程数据处理环境，使CAD/CAM各子系统能够有效地进行数据交换 3产品数据交换接口技术 数据交换的任务是在不同的计算
23、机之间、不同操作系统之间、不同数据库之间和不同应用软件之间进行数据通信4集成的执行控制程序v4.5.4 4.5.4 基于产品数据管理（基于产品数据管理（PDMPDM）技术的集）技术的集成方案成方案v产品数据管理（产品数据管理（PDM，Product Data Management）是）是80年代兴起的年代兴起的一项管理企业产品生命周期内与产品相关数据的技术，一项管理企业产品生命周期内与产品相关数据的技术，PDM继承和发展继承和发展了设计资源管理、设计过程管理、信息管理等各类系统的优点，应用了了设计资源管理、设计过程管理、信息管理等各类系统的优点，应用了并行工程方法学、网络技术、成组技术、客户化技术和数据库等技术，并行工程方法学、网络技术、成组技术、客户化技术和数据库等技术，以一个共享数据库为中心，能够实现多平台的信息集成。以一个共享数据库为中心，能够实现多平台的信息集成。
