1、计算机辅计算机辅助设计与助设计与制造制造计算机辅助设计与制造01绪论第1章第1章 绪论1.1 产品的实现过程1.1 产品的实现过程制造的目的是获得有用的产品。如何获得产品?从制造的角度来说,必须经历从产品概念的产生,直到产品实体的完成等一系列活动,即产品的实现过程。因此,产品的实现过程也被称为制造过程。这是一个广义的制造过程的概念,也被称为“大制造”。在过去,产品的更新换代比较缓慢,在很多时候并不需要对产品的设计进行变化,往往只需要在原来产品设计的基础上不断重复,因此,获得产品的过程可直接通过改变毛坯(或原材料)的形状、位置和关系完成。也称这部分过程为“制造过程”,即“小制造”。1.1 产品的
2、实现过程一个典型的产品实现过程包括:1)通过市场需求调查以及用户对产品性能的要求,进行设计定义描述以及需求分析,收集相关的设计信息,进行产品的可行性分析。2)进行产品性能分析、参数分解,完成产品方案设计。1.1 产品的实现过程3)进行产品的工程分析,主要包括结构分析、设计检查效验、性能仿真优化等,完成产品结构及工程设计。4)制订制造计划,包括确定组成产品的零部件和毛坯的获得途径、资源的使用要求、生产能力的平衡等。5)对于加工零件,准备相应的加工工艺规程。6)根据制造计划和市场供应要求,编制并实施生产作业计划,包括制造资源添置、物料采购等;根据生成的作业计划组织相应的产品加工任务,在实际生产过程
3、阶段对生产过程进行控制,并对产品质量进行实时监控,完成产品的生产、运输及销售。1.1 产品的实现过程在用户市场驱动的制造过程中,各种活动都不是孤立和隔绝的。在不同的时期,不同的地域,针对不同的产品对象,其组成、关系和划分都有差别。就像在工业革命之前,产品的整个制造过程是在一个小作坊里进行,生产活动基本上都是由师傅带徒弟完成的。而到了工业化的后期,制造过程的详细分工,使一件产品由更多人员协作完成。随着后工业化时代的到来,产品实现过程越来越强调系统化和协调发展,“集成”“一体化”“协同”成为组织产品实现过程的典型特征。1.1 产品的实现过程在产品实现过程中,除了要解决所需要的硬件设备环境和人外,还
4、要解决的关键问题是信息在过程中的传递,即:产品信息表达方式;分工及组织管理方式;信息传递和保障机制。1.1 产品的实现过程一个一般的产品实现过程中,设计与制造各环节之间的关系如图1-1所示。生产是由用户市场驱动的,根据市场需求产生设计构思。工程设计完成每一个细节的设计,并以工程图表达。接着进行产品零件和部件的制造和装配工艺过程设计、工艺装备设计与制造,并制订生产调度计划。一切生产准备就绪后,就开始加工制造,并由质量控制部门负责质量保证。图1-1一个一般的产品实现过程流程图1.1 产品的实现过程采用计算机后的生产过程流程图如图1-2所示。计算机辅助技术应用到生产的各个环节,可以使生产过程进行得更
5、快、更好,从而获得更高的效益。图1-2采用计算机后的生产过程流程图第1章 绪论1.2 制造系统1.2制造系统1.2.1制造系统的概念制造系统的功能结构如图1-3所示。从图1-3中可以看出制造系统的组成部分以及信息流和物质流在制造系统中的传递。1.2制造系统图1-3制造系统的功能结构1.2制造系统从系统论的角度来看,制造系统是在制造过程中,由制造对象、制造资源和工作者所组成的有机联系体。可以看出,工作者在制造资源(各种软硬件工具和技术)的支持下,对制造对象进行一系列的作用,使其最终变为产品。制造系统的目标是获得产品,其中涉及硬件、软件和人员。制造系统可视为若干硬件的集合体。为了使硬件充分发挥效能
6、,必须有软件的支持。1.2制造系统从过程的角度来看,制造系统是一个由物质流、信息流和能量流组成的系统,也就是人们常说的“三流”系统。其表现为:在制造系统中的信息的控制下,通过能量的作用,把物质形态的输入原料变成成品(产品或半成品)的过程。在市场经济社会,也有人认为制造系统是一个“四流”系统,即物质流、信息流、能量流和资金流。一个系统要想运行,必须有一系列确定的资金在规定的时间投入,这就是资金流。图1-4所示为制造系统的物质流示意图。图1-4制造系统的物质流示意图1.2制造系统简单地说,制造系统就是产品实现过程的、包括制造对象在内的软硬件平台。图1-5所示为制造系统涉及产品生命周期(包括市场分析
7、、产品设计、工艺规划、加工过程、装配、运输、产品销售、售后服务等)的全过程或部分环节。其中,硬件包括厂房、生产设备、工具装备、计算机及网络以及操作人员等;软件包括设计开发、工艺编制、工程分析、质量控制及其有关的软件系统等;制造对象主要指制造目的所针对的物质,包括原材料、坯件、在制品等。1.2制造系统图1-5制造系统示意图1.2制造系统1.2.2计算机辅助设计与制造及其系统计算机辅助系统是泛指在不同的工作过程中,利用计算机来协助操作人员完成部分工作的系统。针对不同的活动,不同的系统内容,可以得到不同的计算机辅助系统。除了过程中的计算机辅助外,计算机还可以作为操作人员的工具协助完成部分工作,这样的
8、工具也可以称为计算机辅助系统。1.2制造系统计算机辅助设计与制造系统所指的是在产品设计与制造的大制造过程中,辅助操作人员完成各种工作、为不同工作提供帮助的各种计算机系统和工具的统称,简称CAD/CAM系统。而计算机辅助设计与制造所指的是建立这些系统和工具的理论、技术和方法,也称为计算机辅助设计与制造技术,简称CAD/CAM技术。1.2制造系统计算机辅助用于制造过程,其作用在于对信息流的传递、映射和控制。因此,计算机可以从制造过程的源头就参与辅助操作人员工作,直至产品产出时,即制造过程的结束。在这中间,围绕产品数据的产生与存储、制造信息的生成与传递、过程管理信息的计划与组织,可利用计算机及相关软
9、硬件技术提供“辅助”,起“助手”或“参谋”的作用。1.2制造系统1)计算机辅助设计利用计算机进行产品几何信息模型的建立、工程图绘制、工程分析等。2)计算机辅助工艺过程设计利用计算机进行产品零件制造工艺过程或产品装配工艺过程的设计、工艺(装配)过程的仿真分析。3)计算机数控编程利用计算机并根据产品数据模型和工艺模型进行数控程序编制。4)计算机辅助生产管理利用计算机编排生产计划,进行生产调度。1.2制造系统在实际应用中,计算机也可以实时参与加工过程的数据监测与控制,实现部分或全部生产过程的自动化,称为制造过程的计算机监控。计算机监控分为监测与控制两类。计算机监测就是在计算机与制造过程间有直接接口,
10、对制造过程及设备工况进行监测并采集数据,但计算机不直接参与控制,控制过程仍由操作者根据计算机处理后的信息来完成。1.2制造系统计算机监测与计算机控制的区别如图1-6所示。在计算机监测中,制造过程与计算机之间的信息为单向流动,流动方向为从制造过程送往计算机。而在计算机控制中,制造过程与计算机之间的信息为双向流动。信息从制造过程送往计算机,计算机进行综合分析,并根据预定的控制算法,向制造过程发出控制信息。因此,计算机监控不仅需要硬件的支持,作为替代人,根据监测到的数据发出适当的控制指令的信息决策才是最关键,也是最难的。图1-6计算机监测与计算机控制的区别1.2制造系统综上所述,计算机辅助设计与制造
11、系统是围绕制造过程的、使用计算机进行辅助的、制造信息的处理系统。它是制造系统的一部分,但并不直接作用于加工对象。计算机辅助设计与制造所涉及的技术主要是信息处理技术。第1章 绪论1.3 计算机辅助设计与制造系统1.3计算机辅助设计与制造系统1.3.1系统的功能计算机辅助设计与制造是随着计算机技术的发展而发展的,并随着现代制造和管理技术的发展而不断壮大和完善。计算机辅助设计与制造系统主要是辅助制造过程中的信息处理工作,包括辅助人们完成产品结构描述、实现工程信息的表达与传输、产品结构的分析与优化、产品信息的存储与管理、人与计算机的交流互动和产品制造过程的模拟与仿真等。1.3计算机辅助设计与制造系统因
12、此,计算机辅助设计与制造系统一般具备以下功能。1.人机交互功能人机交互是保证用户与计算机交流的通道,实际上是一个输入和输出的过程,这也是计算机辅助设计与制造系统体现“辅助”的最基本功能。操作人员通过人机界面向计算机输入指令,计算机经过处理后把输出结果呈现给用户。目前,计算机辅助设计与制造系统一般采用图形用户界面来实现数据交互和图形交互。在计算机辅助设计与制造系统中,友好的用户界面是保证用户直接有效地完成复杂设计任务的必要条件。此外,除了软件界面设计外,现代计算机辅助系统发展了更加多元化和灵活的交互设备,如头盔显示、数字手套等。操作人员可以通过更加直观的形式完成与系统间的信息传递。随着虚拟现实技
13、术的不断发展,人机交互的功能将变得越来越完善、方便。1.3计算机辅助设计与制造系统产品建模是计算机辅助设计与制造系统的主要功能形式之一,也是最早应用于制造领域的计算机辅助过程。作为制造的源头,产品信息一开始就贯穿在制造过程之中,也是整个制造过程的依据。因此,利用计算机辅助进行产品建模是制造过程最迫切的需要。随着计算机辅助技术的发展,计算机辅助建模已从最基本的计算机辅助工程图绘制,发展为以表达几何和非几何信息在内的产品建模,包括几何造型和特征建模。除此之外,针对整个生产过程的产品信息演变,还提出了全生命周期建模等。产生的信息模型和数据模型包括几何模型、特征模型、集成产品模型以及最新的智能模型等。
14、产品建模过程实质就是一个描述、处理、存储、表达现实世界中的产品,并将工程信息数字化的过程。几何造型用于产品信息及其相关过程信息的描述,可以说是产品设计与制造信息的源头。几何模型应用于产品制造的整个过程,是完成计算机辅助设计与制造的基础。在设计阶段,建立几何模型来表达产品的形状结构以及装配关系等;在制造过程中,如数控编程时,应用几何模型来完成刀具轨迹定义和加工参数输入等。2.产品建模功能1.3计算机辅助设计与制造系统3.图形处理功能计算机辅助设计与制造技术首先是从机械产品制造过程中发展起来的。机械产品的产品信息以几何信息为主,利用计算机进行辅助设计与制造最基本的就是要解决几何图形的输入输出和交互
15、修改处理问题。同时,用几何图形表达也是一种能提供最多信息、也最容易被人所感知的方式。图形处理主要是对图形进行各种变换以改善视觉效果,如对图形进行坐标变换、裁剪、渲染、消隐处理、光照处理等,是将图形转换成所需要的图形效果的过程。在产品设计中要运用到大量的图形处理,这项功能是计算机辅助设计与制造系统所必备的。1.3计算机辅助设计与制造系统4.数控编程功能在现代加工中,数控机床的使用越来越普遍,针对被加工零件的数控加工控制代码(简称数控程序)的需求也越来越多。因此,利用计算机辅助进行数控代码的编制,不仅可以提高编程效率(如曲线轮廓、三维曲面等复杂型面的零件加工程序的编程),而且可以减少编程错误及调试
16、工作。现代计算机辅助数控编程还能进行数控代码优化,提高加工质量和加工效率。数控编程主要包括分析零件图样、工艺处理、数学处理、编写程序、输入数控程序和程序检验。1.3计算机辅助设计与制造系统5.模拟与仿真功能现代产品和生产系统越来越复杂,因此影响因素也越来越多。通过计算机辅助的方法,建立一个模拟实际产品和生产线的数字模型,进行包括机构运动学模拟、机器人仿真、加工轨迹仿真、干涉检查、模拟真实生产过程的运行等工作,来预测产品的性能、产品的制造过程和产品的可制造性,有助于提高产品和系统设计质量。在软件中实现仿真,可有效地避免现场调试造成的人力、物力的投入以及减少加工设备损坏的风险,能大量节省时间和费用
17、,从而提高产品生产的效率和效益。1.3计算机辅助设计与制造系统6.工程分析与优化功能在产品设计制造过程中,需完成大量的分析计算任务。这些任务包括根据产品几何形状计算产品的体积、表面积、质量、重心位置、转动惯量等参数;在结构分析中进行应力、温度、位移等的计算;得到复杂结构形状零件的静态、动态特性,如强度、振动、热变形、磁场、应力分布状态等。这些计算不仅工作量十分巨大,而且所需要的基础数据繁杂。而这正是计算机相比人类具有巨大优势的地方。因此,使用计算机辅助进行这些工程数据计算与分析必然成为计算机辅助的一个重要方面,也是计算机辅助设计与制造系统的一个重要功能。在工程参数计算的基础上,还可以利用各种优
18、化算法的计算机软件进行包括总体方案的优化、产品零件结构的优化、工艺参数的优化、制造系统布局优化、制造流程优化、制造参数优化等多方面的优化工作。1.3计算机辅助设计与制造系统7.工程信息存储与管理功能随着计算机辅助设计与制造技术的发展,现代的制造业企业中已经广泛使用了各种计算机辅助系统(CAX)、产品数据管理(PDM)及制造执行系统(MES)等。然而,由于这些信息系统所涉及的是制造信息的不同子集,相互之间存在数据表达各异、内容冗余混乱等诸多问题,导致制造信息在各信息系统间进行自动传递和交换成为了必须要解决的问题。因此,计算机辅助设计与制造系统必须使制造信息在不同的信息系统之间顺利地传递与共享,减
19、少数据冗余,保证制造过程中信息的一致性、完整性与准确性,提高信息使用的效率,从而使产品制造过程的运行更加有效。同时,产品开发与生产过程的各个阶段都会产生大量的数字化产品定义数据,如:描述产品形状与结构关系的二维/三维模型文件、装配明细(产品配置)表;描述产品工程分析计算的有限元模型、计算结果文件;描述产品制造工艺过程的工艺规程文件、NC程序、加工仿真数据;描述产品质量的质量检验数据;描述产品开发管理的任务计划、工作总结、项目合同等。这些数据不仅数量庞大、种类繁多,而且结构关系复杂,数据之间存在如装配结构关系、参考引用关系、继承关系等复杂联系,用手工的方式进行存储和管理有很大的难度,应用产品数据
20、管理系统是进行产品数据存储管理的必行途径。PDM系统的基本功能包括文档管理、产品结构管理、版本管理、权限管理、流程管理、用户管理等。1.3计算机辅助设计与制造系统1.3.2系统的分类制造过程由多个阶段构成,每个阶段又包含若干个步骤,并且它们都具有相对的独立性。正因为这个规律的存在,为计算机辅助技术的引入,实现计算机辅助设计与制造提供了可能。同时,由于整个过程的复杂性,需要计算机的快速计算性能;产品设计制造的各个环节是一个需要互相交叉、交互的过程,需要一种多方面信息处理和反馈的工具;产品设计制造过程会有大量信息产生和传递,需要对这些信息进行存储、映射和转换。以上的几点都促进了计算机辅助设计与制造
21、技术的出现和发展。1.3计算机辅助设计与制造系统1)交互式计算机辅助系统。2)自动设计/控制系统。3)智能设计/控制系统。根据系统的自动化程度不同、系统功能的不同、系统作用于制造过程阶段的不同、系统所属技术领域的不同以及系统作用对象的不同,计算机辅助设计与制造系统可进行以下分类:1.按系统的自动化程度分类1.3计算机辅助设计与制造系统2.按不同的制造过程阶段分类1)计算机辅助设计系统。2)计算机辅助工艺设计系统。3)计算机辅助数控编程与加工控制系统。1.3计算机辅助设计与制造系统1)计算机辅助产品建模。2)计算机辅助设计支持。3)计算机辅助数据及设计流程管理。4)计算机仿真。3.按系统功能分类
22、1.3计算机辅助设计与制造系统4.按系统所属技术领域分类1)计算机辅助几何造型。2)计算机辅助质量分配保证。3)计算机辅助过程及数据管理。4)计算机辅助工程计算分析。1.3计算机辅助设计与制造系统5.按系统作用对象分类1)计算机辅助产品设计。2)计算机辅助毛坯设计。3)计算机辅助工装设计。4)计算机辅助工艺设计。5)计算机辅助数控程序设计。6)计算机辅助作业计划设计与调度。7)计算机辅助加工过程监控。8)计算机辅助流程管理。1.3计算机辅助设计与制造系统随着计算机技术在制造领域的深入应用,现代计算机辅助设计与制造系统已从单个的、对局部过程或工作起支持作用的独立系统,发展成为综合的、贯穿于整个制
23、造过程的计算机辅助集成制造系统,也称为计算机辅助设计/制造系统、3C集成系统或CAD/CAPP/CAM系统等。3C集成系统的系统组成如图1-7所示。它基本包括了从产品设计到加工制造的全过程。在集成系统中,产品设计和产品实体加工之间有作为桥梁的工艺设计过程。工艺设计过程不仅为加工提供必需的过程安排和组织数据,同时也是组织生产、安排计划和保证质量的基础。1.3计算机辅助设计与制造系统图1-73C集成系统的系统组成1.3计算机辅助设计与制造系统3C集成解决了制造过程中产品设计制造信息的一体化设计问题,为并行工程的实施提供了良好基础。从大制造的角度来看,制造信息流在整个制造过程总是在不断地扩张、变化和
24、传递的。它不仅包含了产品信息本身,还包括在整个产品生命周期内的多方面信息,如用户信息、与设计相关的过程信息(如制造过程、使用过程、更改过程等)、资源信息(如设备、人员等)和环境信息等,为此提出了产品全生命周期管理(Product Lifecycle Management,PLM)的概念。计算机辅助设计与制造系统按照PLM的概念进行功能组织和关联成了新的发展方向。1.3计算机辅助设计与制造系统1.3.3系统的特点1.缩短生产周期利用计算机辅助软件帮助人员进行产品设计和后续过程设计与控制,可以减少重复劳动,同时方便设计与制造数据的管理,加工时间也比传统加工方式大大缩短,可以有效地提高产品的生产效率
25、。1.3计算机辅助设计与制造系统2.提高产品的市场竞争力计算机辅助设计与制造技术能够帮助开发人员快速参考之前的设计方案,因而能大大缩短设计时间,同时采用仿真技术也能减少产品研制时间以及减少产品试制造成的人力、物力的浪费,使得产品的成本降低,上市周期缩短,能够有效提高产品的市场竞争力。1.3计算机辅助设计与制造系统3.有利于产品的标准化使用计算机辅助设计与制造系统进行产品的设计制造,促使企业制定标准并对产品数据进行整理和规范,这有利于实现产品的标准化、通用化和系列化。1.3计算机辅助设计与制造系统4.提高产品的质量以3C技术为代表的计算机辅助软件能够使企业提高产品设计的一致性,避免人为因素带来的
26、偏差。通过工程分析与仿真,能够在多个产品设计方案中选择出最佳方案进行实施,有利于实现设计方案的优化。同时,数控加工的应用,能够有效地减少产品的次品率,提高加工质量。1.3计算机辅助设计与制造系统5.有利于提高技术人员的创新能力大量的计算机辅助设计与制造系统的应用,能有效地将工程技术人员从繁琐的重复劳动中解放出来,同时便于查看之前的设计,有利于发挥设计人员的创造性。1.3计算机辅助设计与制造系统6.成为全生命周期管理的重要基础计算机辅助设计与制造系统中储存的数据是整个制造过程的核心数据,在此基础上,使产品的设计、制造过程成为一个有机的整体。通过与其他应用系统的集成,使得整个企业的全生命周期成为一
27、个整体,给企业在经济上、技术上带来巨大的综合效益。第1章 绪论1.4 计算机辅助设计与制造技术及系统的发展1.4计算机辅助设计与制造技术及系统的发展1.4.1计算机辅助设计与制造技术的发展历程自从计算机出现以后,利用计算机辅助设计与制造过程的问题就已经被提出。此后,随着计算机技术的每一次进步,计算机辅助设计与制造技术也相应得到了很大的发展。在计算机辅助设计与制造发展的初期,计算机辅助主要表现在两个方面,一方面是辅助产品设计,用计算机替代手工进行产品图样的生成和显示,另一方面是加工设备的计算机化,出现了数控加工机床以及由计算机完全控制的加工中心和为数控机床进行信息准备的数控编程技术。1.4计算机
28、辅助设计与制造技术及系统的发展一般来说,可以把计算机辅助设计与制造技术的发展分为四个阶段。1.第一阶段技术准备期2.第二阶段基础形成期3.第三阶段全面发展期4.第四阶段集成应用期1.4计算机辅助设计与制造技术及系统的发展1.4.2产品数字化定义技术的发展历程产品数字化定义技术是基于CAD技术实现的,是CAD的基础和核心。因此,CAD技术的发展和进步也推进了产品数字化定义技术的发展。现在的产品数字化定义已不再仅仅只涉及CAD系统,而是面向从设计、分析、制造、装配到维护、销售、服务等产品全生命周期的各个环节。产品数字化定义用于描述和定义产品全生命周期的数字化过程中所应包含的信息以及这些信息之间的相
29、互关联关系,并使其成为计算机中可实现、可管理和可使用的信息。随着产品数字化定义技术的深入研究,围绕数字化产品定义数据及过程的管理与应用技术也随之出现,引起了整个制造业生产管理技术的彻底变革。1.4计算机辅助设计与制造技术及系统的发展CAD技术起源于美国,它经历了一个由二维设计技术向三维设计技术发展的过程。相应的,产品数字化定义技术也经历了从二维到三维模型发展的四个阶段,如图1-8所示。1.二维工程图阶段2.“二维工程图+三维CAD模型”的定义阶段3.“简易二维图+三维CAD模型”的定义阶段4.全三维产品数字化定义阶段1.4计算机辅助设计与制造技术及系统的发展图1-8产品数字化定义技术的发展历程
30、1.4计算机辅助设计与制造技术及系统的发展1.4.3计算机辅助设计与制造技术的应用目前,市场上流行的计算机辅助设计与制造系统中包括的国内外软件有以下几种。1.4计算机辅助设计与制造技术及系统的发展(1)Unigraphics(UG)UG是西门子公司的一个集CAD/CAM/CAE于一体的机械工程辅助系统,适用于航空、航天、汽车、通用机械以及模具等的设计、分析及制造工程。UG将参数化和变量化技术与传统的实体、线框和表面功能结合在一起,还提供二次开发工具GRIP、UFUNG、ITK等,允许用户扩展UG的功能。(2)Pro/EngineerPro/Engineer是美国PTC公司的产品,简称Pro/E
31、,于1988年问世。Pro/E具有先进的参数化设计、基于特征设计的实体造型和便于移植设计思想的特点,符合工程技术人员的机械设计思想。Pro/E整个系统建立在统一完备的数据库以及完整而多样的模型上。它有多个模块供用户选择,能将整个设计和生产过程集成在一起。1.4计算机辅助设计与制造技术及系统的发展(3)CATIACATIA是法国达索公司的CAD/CAM/CAE一体化集成软件,是一个集智能设计、制造仿真及工程分析为一体的软件,在机械制造、工程设计以及电子等行业,尤其是航空制造业中得到广泛应用。该系统提供支持各类产品/零件几何建模、数控加工编程及工程分析等的必要功能,还可以与产品全生命周期数据管理系
32、统集成,提供无纸化三维数字化工作环境。(4)AutoCADAutoCAD是美国Autodesk公司开发的一个交互式绘图软件,有二维绘图、编辑、剖面线和图案绘制、尺寸标注以及二次开发等功能,同时也有部分三维功能。AutoCAD软件是目前世界上应用最广的CAD软件之一,占整个CAD/CAE/CAM软件市场的37%左右。1.4计算机辅助设计与制造技术及系统的发展(5)SolidWorksSolidWorks是由美国SolidWorks公司于1995年11月研制开发的基于Windows平台的全参数化特征造型软件。SolidWorks可以实现复杂的三维零件实体造型、复杂装配和生成工程图。SolidWor
33、ks软件从1996年8月正式引入中国以来,在机械行业获得普遍应用。(6)CAXACAXA电子图板是一套高效、方便、智能化的通用中文设计绘图软件,可帮助设计人员进行零件图、装配图、工艺图表、平面包装的设计,适合所有需要二维绘图的场合,使设计人员可以把精力集中在设计构思上,甩掉图板,满足相关行业的设计要求。CAXA-ME是一套数控编程和三维加工软件,可快速建立各种复杂的三维模型。它为数控加工行业提供了从造型、设计到加工代码生成、加工仿真、代码校验等一体化的解决方案。1.4计算机辅助设计与制造技术及系统的发展1.4.4计算机辅助设计与制造技术及系统的发展趋势产品开发周期进一步缩短,更新换代越来越快;
34、企业的组织形式将向全世界范围内的虚拟公司或者联盟发展;制造系统更加柔性化;绿色制造、智能化水平要求更高等。与此同时,计算机辅助设计与制造技术的发展也向智能化、集成化、虚拟化、网络化、绿色化和三维化等方面发展。1.4计算机辅助设计与制造技术及系统的发展1.智能化设计是一个含有高度智能的人类的创造性活动,拥有人工智能的计算机辅助设计与制造系统是计算机辅助设计与制造技术发展的必然方向。从人类认识和思维的模式来看,现有的人工智能技术对模拟人类的思维活动(包括形象思维、抽象思维和创造性思维等多种形式)往往是束手无策的。智能计算机辅助设计与制造系统不仅仅是简单地将现有的智能技术与计算机辅助设计与制造技术相
35、结合,更重要的是深入研究人类设计的思维模型,并用信息技术来表达和模仿它,这样才会产生高效的智能计算机辅助设计与制造系统。现有的计算机辅助设计系统智能化程度越来越高,原来繁琐的操作将逐渐由计算机进行智能化处理。人工智能在计算机辅助设计与制造系统中的引入,使其具有专家的经验和知识,具有学习、推理、联想和判断的能力,用户只需要进行少量的交互操作就能完成原本繁琐的设计。未来的计算机辅助设计与制造系统不仅可继承并智能化判断工艺特征,并且具有模型对比、残余模型分析与判断功能,使刀具路径更优化、效率更高;同时也具有对工件(包括夹具)的防过切、防碰撞等功能,这样可提高操作的安全性,更符合高速加工的工艺要求;开
36、发与工艺相关联的工艺库、知识库、材料库和刀具库,使工艺知识积累、学习和运用成为可能。1.4计算机辅助设计与制造技术及系统的发展2.集成化集成化是计算机辅助设计与制造技术发展到现在最为显著的一个趋势。它的目标是实现在产品全生命周期下整个计算机辅助设计与制造系统与其他各系统之间的集成,从而实现全生命周期一体化。集成的出发点是:企业中各个环节是不可分割的,必须统一考虑;企业的整个生产过程实质上是信息的采集、传递和加工处理的过程。现在的产品数据管理(Product Data Management,PDM)技术和系统提供了很好的集成平台,而要实现计算机集成制造还需要从企业的经营战略目标出发,综合考虑企业
37、中人、技术、资源和管理的作用,综合应用多种先进技术,实现企业生产经营全过程中的信息流和物质流的集成,在控制系统的协调管理下,使整个企业实现多渠道集成,即信息集成、智能集成、串并行工作机制集成及人员集成,为企业带来更大的经济效益。在产品开发集成化的同时,将并行工程思想与方法贯穿其中,其关键就是用并行设计方法代替串行设计方法,即并行的、集成的设计及开发产品,以缩短产品研制周期。它要求产品开发人员在设计阶段就考虑产品整个生命周期的所有要求,包括质量、成本、进度、用户要求等,以最大限度的提高产品开发效率及成功率。1.4计算机辅助设计与制造技术及系统的发展3.虚拟化虚拟现实(Virtual Realit
38、y,VR)技术可以使人们置身于计算机创造的虚拟环境中,并以接近真实的交互方式与虚拟环境交换信息。它具有四个重要的特征,即多感知性、沉浸感、交互性和自主性。虚拟现实技术为计算机辅助设计与制造提供了真实感更强的虚拟工作环境。在建立三维实体模型后,根据需要可以由该模型方便地生成虚拟现实环境模型。在虚拟现实环境中,利用三维的交互设备,如数据头盔(Head Mounted Display)、数据手套(Data Glove)、数据衣(Data Suit)、三维鼠标(3D Mouse)等,对虚拟的模型进行操作,实现从不同视点的观察。虚拟制造技术是计算机辅助设计与制造技术与VR技术的结合产物。它提供了一个可视
39、化的、交互式的、从生产线到企业级的进行生产过程、生产规划、作业计划、装配计划、后勤保证以及加工过程和装配过程的计算机模型和仿真工具。它不生产物理意义上的产品,却能提供有关产品设计制造过程、过程控制与管理、产品性能数据等所有信息。运用虚拟现实技术能够快速显示设计内容、设计对象的性能特性以及设计对象与周围环境的关系,设计者可与虚拟设计系统进行自然的交互,灵活方便,可大大提高设计效果和质量。1.4计算机辅助设计与制造技术及系统的发展4.网络化计算机网络技术的出现改变了人类传统的生产、生活模式。网络技术能够使分散在不同地点的多台计算机联系起来,实现资源共享。通过网络技术,能使分布在不同地域和不同单位的
40、设计资源、人力资源和制造资源实现协同工作,这样能够提高产品设计水平,提高企业快速响应速度,降低资源投入。随着计算机网络技术和计算机辅助设计与制造系统的进一步发展,今后的企业将建立动态联盟制造体系,协调在不同地区的企业生产,以适应全球化制造的发展趋势。1.4计算机辅助设计与制造技术及系统的发展5.绿色化环境、资源、人口是当今人类社会面临的主要问题,而如何在制造业中最有效地利用资源和最低限度地产生废弃物,是关系到人类社会长远生存和发展所必须解决的重大问题。绿色化是一种综合考虑了环境影响和资源利用率的现代制造模式,是从根本上解决制造业与人类及自然和谐发展的途径。绿色制造可定义为:在满足产品功能、质量
41、和成本等要求的前提下,系统地考虑产品开发制造及其活动对环境的影响,使产品在整个生命周期中对环境的负面影响最小、资源利用率最高,这种先进制造模式称为绿色制造。1.4计算机辅助设计与制造技术及系统的发展6.三维化CAD技术的发展也促进了产品的数字化发展,在最大程度上达到三维模型数据的集成,取代以二维图样为主要加工及数据信息交流的传统模式。目前,产品研制仍然主要采用以二维图样为中心,三维模型为辅助的设计生产管理模式,但是伴随着ASMEY14.41等系列标准的制定,MBD技术的发展也达到一个全新阶段,波音787结构设计及产品数据管理全面独立执行了三维模型的应用模式,其核心思想是一种全三维基于特征的表述
42、方法。它用一个集成的三维实体模型完整地表达产品定义信息,即将制造信息和设计信息(三维尺寸标注及各种制造信息和产品结构信息)共同定义到产品的三维数字化模型中,从而取消二维工程图,保证设计数据的唯一性。MBD 并非简单的三维标注加三维模型。它不仅描述设计几何信息,而且定义了三维产品制造信息和非几何的管理信息,包括产品结构、产品制造信息(Product Manufacturing Information,PMI)、物料清单(Bill of Material,BOM)等。使用人员仅需一个模型即可获取全部技术信息,减少了对其他信息系统的依赖,使设计、制造之间的信息交换可不完全依赖信息系统的集成而保持有效
43、连接。MBD是产品定义方式的一次革命。它以更为强大的表现力和易于理解的定义方式,极大地提高了产品的设计质量和资源利用率,使设计、制造融为一体,是未来设计技术的发展方向,必将对机械制造业,特别是航空航天产品制造产生深远的影响。第1章 绪论谢谢计算机辅助设计与制造02计算机辅助设计与制 造基础第2章第2章 计算机辅助设计与制造基础2.1 计算机辅助设计与制造软、硬件支撑环境2.1 计算机辅助设计与制造软、硬件支撑环境CAD/CAM系统是以计算机硬件为基础,以系统软件和支撑软件为主体,以应用软件为核心组成的一个特定的面向工程设计与制造问题的信息处理系统。它的基本思想是指产品工程设计与制造技术人员在计
44、算机软、硬件系统的支持下,根据产品设计和制造流程进行设计和制造。用途不同,CAD/CAM系统中的硬件和软件的配置与组织方式也不同。CAD/CAM技术本身是一项综合性的、技术复杂的系统工程,涉及许多学科领域,如计算机科学与工程、计算数学、计算机图形学、计算机仿真、数控、机器人、人工智能、产品设计与制造、生产管理、过程控制、质量控制与保证等。由于CAD/CAM技术还在不断发展,不同领域对CAD/CAM技术的应用程度不同,CAD/CAM系统的软硬件配置也有差异。随着计算机技术的发展,CAD/CAM技术在产品全生命周期中的应用将不断深入,其软硬件也会有新的发展。2.1 计算机辅助设计与制造软、硬件支撑
45、环境2.1.1CAD/CAM系统的结构CAD/CAM系统作为一个复杂的信息处理系统,其层次结构如图2-1所示。它总体上由硬件和软件两部分组成,其中硬件是CAD/CAM系统运行的物质基础,提供了CAD/CAM系统最基本的计算、存储和输入/输出等能力。CAD/CAM系统底层的计算机硬件平台主要有网络服务器、工作站和PC。软件是CAD/CAM系统的核心,是指用于求解某一个问题并充分发挥计算机硬件性能的程序和技术文档的总称。它利用计算机本身的运算和逻辑功能,合理地组织整个求解流程,简化或者代替各个环节中人所承担的工作,从而达到充分发挥计算机的效能,便于用户进行产品设计的目的。因此软件是整个CAD/CA
46、M系统的“灵魂”。CAD/CAM系统中的软件可分为系统软件、支撑软件和应用软件。2.1 计算机辅助设计与制造软、硬件支撑环境图2-1CAD/CAM系统的层次结构2.1 计算机辅助设计与制造软、硬件支撑环境2.1.2CAD/CAM系统的硬件计算机硬件是指组成CAD/CAM系统的物理设备。它主要由主机、输入/输出设备、执行装置、现场数据采集装置及网络通信设备等组成。CAD/CAM系统的结构形式、应用范围、软件规模和系统功能各不相同,因此其典型的硬件配置也不相同。其中,主机、输入/输出设备是基本组成部分。2.1 计算机辅助设计与制造软、硬件支撑环境1.主机主机是控制与指挥整个计算机系统并执行实际计算
47、和逻辑运算的装置。它是计算机硬件的核心,是整个CAD/CAM系统的指挥和控制中心,其类型和性能(如运算速度和内存容量等)在很大程度上决定了CAD/CAM系统的性能。计算机的内部存储器从第一台计算机的电子管电路,到后来的磁鼓存储器、磁心存储器和集成电路存储芯片。外部存储经历了从穿孔纸带、穿孔卡片、磁带、软盘、光盘、硬盘多个阶段的发展。2.1 计算机辅助设计与制造软、硬件支撑环境ENIAC的运算速度只有每秒5000次,内存只有几十个字节,到现在发展为一个CPU的处理速度就达到每秒近百亿次,CPU内部的直接存储容量就达到几百万字节,而与之配合的内部存储高达上百亿字节,而用于CAD/CAM系统的高性能
48、服务器可以由多个CPU组成。随着计算机的运行速度越来越快,存储容量越来越大,使得CAD/CAM系统的功能也越来越强大。在CAD/CAM系统中常用的主机类型有微型机、工作站和服务器等。微型机CAD/CAM系统性价比高,有丰富的应用软件;工作站CAD/CAM系统通常采用RISC芯片,处理速度快,具有很强的图形处理能力;服务器CAD/CAM系统在运算能力、存储能力和网络通信能力方面具有很强的优势,是协同工作的基础。2.1 计算机辅助设计与制造软、硬件支撑环境2.输入设备输入设备是指通过人机交互作用将各种外部数据转换成计算机能够识别的电子信号的装置,主要用于向CAD/CAM系统输入数据、程序以及各种字
49、符信息。CAD/CAM系统中常用的输入设备除键盘、鼠标外,还有光笔、数字化仪、图形扫描仪、数码相机和数码摄像头等。除了上述介绍的各种输入设备外,还有一些很有发展前景的输入设备,比如声音交互输入设备、触摸屏幕、数据手套(传感手套)等。2.1 计算机辅助设计与制造软、硬件支撑环境3.输出设备输出设备是指把CAD/CAM系统工作的中间结果或最终结果表示出来的装置。CAD/CAM系统中常用的输出设备包括打印机、图形显示器、绘图仪和微缩胶片等,其中绘图仪是CAD/CAM系统中用于生成高精度工程图样及复制图形信息的主要设备。上述输入/输出设备作为CAD/CAM系统中重要的人机交互装置,是交互式CAD/CA
50、M系统中必不可少的部分,用于实现图形生成、编辑、修改、坐标标定、尺寸更改、图形变换和打印输出。2.1 计算机辅助设计与制造软、硬件支撑环境2.1.3CAD/CAM系统的软件CAD/CAM系统的软件是指控制CAD/CAM系统运行,并使系统发挥最大功效的计算机程序、数据及相关文档资料的总和。CAD/CAM系统的软件水平高低是决定系统功能、运行效率和使用方便程度的关键因素。CAD/CAM系统的软件应为产品设计和制造提供从产品的概念设计、结构设计、详细设计、分析优化、制造加工到工程管理的全生命周期的解决方案和辅助手段。2.1 计算机辅助设计与制造软、硬件支撑环境因此,从实际应用的角度来看,CAD/CA
