计算机辅助设计CAD技术基础.ppt

第二章 CAD技术基础,2.1 CAD系统的组成与分类,（1）基本组成,CAD/CAM系统,硬件系统,软件系统,计算机,外围设备,联网设备,系统软件,支撑软件,数据库,应用软件,（2）硬件要求,性能要求较高的图形输入、输出设备；较高的运行速度CAD软件中大量的复杂的数值计算；足够的外部存储空间-计算过程中大量的图形、图像、技术文件、优化分析结果、图形库、数据库和配套的应用软件；较好的网络性能设计网络系统的速度、稳定性、安全性等。,（3）软件组成,操作系统 具有下述功能：管理CPU；管理存储器；管理外部设备；管理文件；网络通信功能；其它为用户开发应用软件服务的特定功能。支撑软件 主要功能：图形处理；三维产品建模；有限元建模 与分析；机构运动分析；数据信息交换；工程数据管理；二次开发工具。,数据库 把手册和资料中的数表、线图数据事先存放在数据库中，要求具有图形和非图形数据处理的能力。应用软件 面向用户（如某一企业、某一类产品或某一个工程），如开目CAD、大恒CAD、华正CAD、圆方CAD、大方CAD。,2.2 几何造型技术,利用计算机系统描述物体的几何形状，建立产品几何模型的技术。通过这种方法定义、描述的几何实体必须是完整的、唯一的，而且能够从计算机内部的模型上提取该实体生成过程中的全部信息，或者能够通过系统的计算分析自动生成某些信息。,（1）几何造型的定义,几何信息：物体在空间的形状、尺寸及位置的描述；拓扑信息：构成物体的各个分量的数目及相互之间的连接关系,问题：由于客观事物大多是三维的、连续的，而在计算机内部的数据均为一线的、离散的、有限的，因此，在表达与描述三维实体时，怎样对几何实体进行定义，保证其准确、完整和唯一性？,将对实体的描述和表达建立在几何信息和拓扑信息处理的基础上。,（2）几何造型的主要作用为图形的显示和输出提供信息；为各种应用程序.（如，结构设计、受力分析、成型模拟、图形变换、数控加工等）提供信息。,按照对这两方面信息的描述及存贮方法不同，三维几何造型系统可划分线框建模、表面建模和实体建模三种主要类型。,（3）几何造型的分类,线框造型,利用基本线素来定义设计目标的棱线部分而构成的立体构架图。在计算机内部，存贮的是该物体的顶点及棱线信息，将实体的几何信息和拓扑信息层次清楚地记录在顶点表及边表中。,优点：节省存储空间，处理数据快（因数据量少，且结构简单），修改和编辑非常方便。缺点：缺乏表面信息，处理时容易产生二义性；不能自动产生两曲面相交的交线；无法对模型取剖面；计算体积困难。,表面造型,基本曲面：能够用初等数学解析式描述的曲面。例如：,轨迹曲面 由二维曲线在三维空间运动的轨迹所构成的曲面。,旋转表面 Revolved Surface,拉伸表面 Extruded Surface（路径是直线）,扫动曲面 Swept Surface 截面曲线沿由任意空间曲线代表的路径移动而构成的曲面。,路径可以有多条（如6,7），截面曲线也可以有多条（如15）。,蒙皮曲面 覆盖在一组线条上的曲面称为蒙皮 Skin。规则表面 Ruled Surface 由两条互不相交的空间曲线扩展而成的规则表面。,平坦表面 Planar Surface 由封闭的二维线框构成的表面。,其它曲面 如：孔斯（Coons）曲面、Bezier曲面、B样条曲面、非均匀有理样条(NURBS)曲面等。,优点：可以描述各种各样的面（如，平面、二次曲面和自由曲面等）；便于曲面求交线和进行几何体的消隐处理，能够为CAM提供加工信息。缺点：对面存在于物体的哪一侧定义不明确；无法判断建立的物体是实心体还是壳体，难以对表面模型进行物性分析。,实体造型,线框建模和表面建模在完整、准确地表达实体形状方面各有其局限性，要想唯一地构造实体的模型，还需采用实体建模的方法。,实体建模的原理 实体建模的标志，是在计算机内部以实体描述客观事物。利用这样的系统，一方面可以提供实体完整的信息，另一方面，可以实现对可见边的判断，具有消隐的功能。实体建模是通过定义基本体素，利用体素的集合运算或基本变形操作实现的，其特点在于覆盖三维立体的表面与其实体同时生成，由于实体建模能够定义三维物体的内部结构形状。因此，能完整地描述物体的所有几何信息，是当前普遍采用的建模方法。,特征造型技术,传统造型的不足：只含物体的几何信息和拓扑信息。特征造型：优点：除几何信息和拓扑信息外，还包含能反映物体特点（属性）的非几何信息等，如：尺寸公差、工艺（表面）处理、制造信息。,特征造型系统的功能要求（1）参数化设计功能（2）基于特征设计思想（3）采用通用数据交换标准,右图零件的特征描述：,特征造型的主要优点：使造型对象更具工程意义（如，模板、型腔、通孔等）；将尺寸、公差、表面粗糙度和热处理等属性信息附着在零件的几何特征上，为零件加工提供统一的数学模型。,2.3 产品数据交换技术,产品数据交换标准:是为实现不同的CAD系统之间以及CADCAM内部信息集成，与硬件设备无关的通用标准化软件接口，目的是实现信息资源共享。,产品数据:是指定义某一零部件或构件所需要的几何、拓扑、公差、关系、性能和属性等数据。,产品数据不仅包括产品模型的几何图形数据，还包括制造特征、尺寸公差、材料特性、表面处理等非几何数据。产品几何描述，如线框表示、几何表示、实体表示以及拓扑、成形及展开等：产品特性，长、宽等体特征；孔槽等面特征；旋转体等车削件特征等；公差、尺寸公差与形位公差；表面处理，如喷涂等；材料，如类型、品种、强度、硬度等；说明，如总图说明等其他如加工、工艺装配等。,产品数据的内容：,2.3.1 产品数据交换途径 借助专用或标准（中性）文件进行交换,借助统一的产品数据模型和工程数据库管理系统进行交换,2.3.2 常用产品数据交换标准简介（1）图形数据交换规范 IGES Initial Graphics Exchange Specification 由美国国家标准局（NBS）主持成立的由波音公司和通用电气公司参加的技术委员会于1980年编制出的初始图形信息交换技术规范。它开创了国际性的CADCAM技术的数据交换文件格式标准化工作。我国于 1993年9月将IGES 3.0作为国家推荐标准。,IGES模型指用于定义某产品的实体的集合。定义IGES模型就是通过实体，对产品的形状、尺寸以及某些说明产品特性的信息进行描述。实体是基本的信息单位。它可能是单个的几何元素，也可能是若于个实体的集合。实体可分为几何实体和非几何实体。,几何实体 定义与物体形状有关的信息，包括点、各种类型的曲线、曲面、体以及结构相似的实体所组成的集合。IGES 4.0中包括几何定义、有限元模型和 CSG模型。非几何实体 提供将有关实体组合成平面视图的手段，并用注释和尺寸标注来丰富此模型。此外。它还可向单个实体或一个实体组合提供特有的属性或特征、组合实体的定义和实例。非几何实体又分为两类；注释提供信息的字符串或符号，但并不是几何模型的一部分；结构提供有关将实体组合成一个组合实体的手段,IGES 在交换产品数据中存在的问题 IGES定义的实体主要是几何图形方面的信息，其他信息交换不充分。交换复杂图形时容易丢失某些信息（部分语法结构不统一造成）；交换文件占用的存储空间较大，数据处理时间较长。,STEP采用统一的产品数据模型以及统一的数据管理软件来管理产品数据，各系统间可直接进行信息交换，它是新一代面向产品数据定义的数据交换和表达标准。,（2）产品模型数据交换标准 STEP Standard for the Exchange of Product Model Data,STEP技术提供一种不依赖于具体系统的中性机制，它规定了产品设计、开发、制造，以至于产品全部生命周期中所包含的诸如产品形状、解析模型、材料、加工方法、组装分解顺序、检验测试等必要的信息定义和数据交换的外部描述、因而STEP是基于集成的产品信息模型。的应用范围非常广泛。,STL类型文件是CADCAM中广泛使用的一类三维空间造型存储文件，它最初来源于快速成型技术及反求工程，目前几乎所有的三维造型软件都具有输出此类文件的功能。,（3）STL文件交换格式,优势：尽管IGES，STEP类型文件也具有很好的描述空间造型的能力，但在不断变化的空间表面描述上(金属塑性成形过程)，目前只能采用三角形或四边形描述，也就是说只能采用将任意空间表面离散成网格，以三角形网格形式输出、存储。,利用STL数据格式表示立体图形的方式较为简单，对于任何一个独立的空间实体，都可借助其表面信息进行描述，而表面信息则是由许许多多空间小三角面片的逼近体现出来，通过记录各小三角面片的顶点和法向矢量信息来间接描述原来的立体图形。,2.4 计算机辅助工艺规程设计（CAPP）,2.4.1 工艺规程设计的任务 工艺规程设计是工厂工艺部门的一项经常性技术工作是生产技术准备工作的第一步，也是连接产品设计和产品制造的桥梁。以文件形式确定下来的工艺规程是进行工艺装备制造和零件加工的主要依据，它对组织生产、保证产品质量、提高生产率、降低成本、缩短生产周期、改善劳动条件都有着直接的影响,是生产中的关键性工作。,工艺规程设计的主要任务是为被加工零件选择合理的加工方法、加工顺序、工、夹、量具，以及切削条件的计算等，使能按设计要求生产出合格的成品零件。,2.4.2 工艺规程设计主要内容选择加工方法和采用的机床、刀具、夹具及其它工装设备安排合理的加工顺序选择基准，确定加工余量和毛坯，计算工序尺寸和公差。选用合理的切削用量。计算时间定额和加工成本。编制包含上述所有资料的工艺文件。其核心内容是选择加工方法和安排合理的加工顺序。,2.4.3 传统的工艺规程设计方法 工艺规程设计处于产品设计和制造的接口处，需要分析和处理大量信息。既要考虑产品设计图样上有关零件结构形状、尺寸公差、材料、批量等方面的信息，又要了解制造中有关加工方法、加工设备、生产条件、加工成本、工时定额，甚至传统习惯等方面的信息、各种信息之间的关系又极为错综复杂，设计工艺规程时必须全面而周密地对这些信息加以分析和处理。,传统的工艺规程设计缺点：,耗时 长期以来，传统的工艺规程设计方法一直是由工艺人员根据他们多年从事工厂生产活动而积累起来的经验，以手工方式进行的。这包括查阅资料和手册，进行工艺计算，绘制工序图，填写工艺卡片和表格文件等工作、其中，花费在书写工艺文件上的时间占30，工艺规程的设计质量完全取决于工艺人员的技术水平和经验。,质量不易保证,经验是一种宝贵的知识，但经验需要较长时期的积累，而且，由于每个工艺人员的经验有限，习惯不同，技术水平也不一样，因而用手工编制的工艺规程缺乏一致性，很难得到最佳的制造方案。对同样的零件由不同的工艺人员设计，会得出多种不同的工艺方案。因此，依靠个人经验。用手工方式设计的工艺规程一致性差，质量不稳定，难以达到优化的目标。,重复性劳动多,当工厂生产一个产品时，每个零件都要设计一个工艺规程，当产品更换时，原有的工艺规程便不再使用，必须重新设计一套新产品的工艺规程，当产品更换时，原有的工艺规程便不再使用，必须重新设计一套新产品的工艺规程，即使新产品中的某些零件与过去生产的零件相似或相同 也必须重新设计。其主要原因是工艺部门的管理问题 工艺人员不能充分利用过去设计的工艺规程。根据成组技术原理，各种机械产品中的许多零件都在一定程度上具有相似性，所以它们的工艺规程也具有一定的相似性，而不是每一个零件都必须设计一个工艺规程。,实 例,某机床厂原来用377个工艺规程制造425种齿轮零件 应用成组技术对齿轮和工艺规程进行仔细分析后，发现可以只用71种标准工艺规程就可以生产出425种齿轮。某工厂，要在10个星期内投产制造2100种零件，是否需要设计2100个工艺规程呢？后经统计发现，虽然投入生产的零件品种数不断增加，但很多零件有相似性，真正不同的工艺规程的增长率在下降、实际上最后可归纳为1200个工艺规程。,从上述两个例子可以看到，生产的零件品种数和工艺规程数并不存一一对应的关系。目前工艺规程设计中存在的重复性和多样性，不仅本身是一种浪费，而巨还影响到工装设备的制造和使用，并直接影响产品的投产速度、交货日期、成本核算和企业的竞争能力。,综上所述，传统的工艺规程设计方法已不适应当前产品品种多样化、更新换代日益频繁的生产形势、现今在机械制造领域中，由于新工艺新技术的飞速发展，社会需求趋向于多样化，产品更新周期日益缩短，多品种小批量生产的企业大量增加。设计部门（CAD）和制造部门(CAM)都普遍采用了高度自动化的技术，只有工艺设计工作仍然处于手工操作。凭经验办事，效率低下的状态，再加上熟练的工艺人员正日益短缺,工艺设计已成为机械制造系统中的瓶颈，不能适应当今生产发展和经济改革的需要。为此必须寻找新的工艺规程设计方法，代替原来的手工劳动，以提高工艺设计的工作效率，缩短生产准备周期，降低工艺设计费用。,2.4.4 CAPP（Computer Aided Process Planning）工艺规程设计主要是在分析和处理大量信息的基础上进行选择（加工方法、机床、刀具、加工顺序等）、计算（加工余量、工序尺寸、公差、切削参数、工时定额等）、绘图（工序图）以及编制文件等工作，而计算机能有效地管理大量的数据，进行快速、准确的计算和各种形式的比较、选择，能自动绘图和编制表格文件。这些功能恰恰适应工艺规程设计的需要，于是出现了计算机辅助工艺规程设计，简称CAPP。,CAPP不仅能实现工艺设计自动化，还能把生产实践中行之有效的若干工艺设计原则与方法，转换成工艺设计决策模型，建立科学的决策逻辑。把长期从事工艺设计工作的人的经验传授给初参加工作的人，编制出最优的制造方案。,派生法（Variant）根据成组技术的原理将零件划分为相似零件组，按零件组编制出标准工艺规程，并以文件的形式贮存在计算机中。当要为新零件设计工艺规程时，输入该零件的成组技术代码，由计算机判别零件属于哪一个零件组，检索出该零件组的标准工艺规程，再根据零件的结构形状特点、尺寸公差，进行编辑修改，获得适合于该零件的工艺规程。通常调用标准工艺文件，确定加工顺序，计算切削参数、加工时间或加工费用都是由计算机自动进行的。,CAPP系统产生方法,创成法（Generative）不以原有的工艺规程为基础，在计算机软件系统中收集了大量的工艺数据和加工知识，并在此基础上建立了一系列的决策逻辑，形成了工艺数据库和加工知识库。当输入新零件的有关信息后，系统可以模仿工艺人员，应用各种工艺决策逻辑规则，在没有人工干预的条件下，自动地生成零件的工艺规程。,