CAD与三维设计概论.ppt

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1、CAD与三维设计,教学目的：初识CAD/CAM技术掌握CAD软件Solidworks的基本操作 授课教师 王晚霞,初识CAD/CAM技术,一、绪论二、CAD技术的基础和发展过程三、CAD/CAM系统的硬件及软件环境四、CAD/CAM应用软件简介五、CAD/CAM技术应用六、SolidWorks软件的技术特点,一、绪论,CAD及相关的工程专业英文缩写的解释CAD的主要设计对象CAD/CAM技术在产品设计制造过程中的地位 CAD应用的意义,CAD及相关的工程专业英文缩写的解释,CAD(Computer Aided Design)计算机辅助设计CAM(Computer Aided Manufactu

2、re)计算机辅助制造CAE(Computer Aided Engineering)计算机辅助工程分析CAPP(Computer Aided Process Planning)计算机辅助工艺过程设计PDM（Product Data Management）产品数据管理PLM(Product Lifecycle Management)产品生命周期管理CIMS(Computer Integrated Manufacturing System)计算机集成制 造系统,CAD 计算机辅助设计,概念：利用计算机进行高质量、高效率的产品（如：机械、电子、电气、轻工产品等）和工程设计（如建筑物、工厂厂房、石 化设

3、施等），CAD包括产品的构思、功 能设计、结构分析等。优势：CAD技术是CAM先进制造技术及 CAE计算机辅助分析的基础。,CAM计算机辅助制造,概念:在CAD的基础上，利用电子计算机通过各种数值控 制机床和设备，自动完成产品的加工、装配、检测 和包装等制造的全过程。优势:采用计算机辅助来制造零件、部件，可改善对产品 设计和品种多变的适应能力，提高加工速度和生产 自动化水平，缩短加工准备时间，降低生产成本，提高产品质量和批量生产的劳动生产率。,CAE计算机辅助工程分析,计算机辅助工程分析主要指用计算机对产品和工程的功能、性能与安全可靠性进行计算、优化设计，对未来的工作状态和运行行为进行模拟仿真

4、，及早发现设计缺陨，改进和优化设计方案，证实未来工程和产品的可用性与可靠性。常见的工程分析包括：对质量、体积、惯性力矩、强度等的计算分析；对产品的运动精度，动、静态特征等的性能分析；对产品的应力、变形等的结构分析。,CAD的主要设计对象,CAD的设计对象可分为三大类：产品（Production）：机械、电子、电气、轻工产品等。工程（AEC：Architecture、Engineering、Construction）：建筑物、工厂的厂房、石油化工设施等。艺术：电影特技、动画、广告等。,CAD的主要设计对象,CAD在产品设计制造过程中的地位,1989年美国把CAD/CAM技术评为当代（1964-1

5、989）最杰出的工程技术成就之一；CAD技术从根本上改变了传统上依靠手工绘图，凭借图纸组织整个生产过程的技术管理模式；CAD技术是衡量一个国家科技现代化和工业现代化水平的重要标志之一。,CAD在产品设计制造过程中的地位,市场需求分析,Y,产品设计制造过程,CAD,CAPP,CAM,CAT,CAE,CAD应用的意义,CAD技术几乎推动了一切工程领域的设计革命，对产品研发与制造的意义在于精确高效的产品设计，曲面、实体、特征造型；缩短产品设计周期，加快产品开发过程；产品的可装配性检查，包括产品的虚拟装配和干涉检查；,CAD应用的意义,产品的性能分析与仿真，包括有限元分析与动力学仿真；加工仿真检查产品

6、的可加工性；支持复杂型面的数控加工。,转向机构支架的结构强度分析,马耳他十字机芯运动仿真,二、CAD技术的基础和发展过程,CAD技术的硬件基础CAD技术的理论基础CAD技术的发展过程,CAD技术的硬件基础,1、1946年美国宾西法尼亚大学莫尔学院为美国陆军军械部研制出了世界上第一台电子计算机，这标志着电脑时代的开始！,CAD技术的硬件基础,2、1950年MIT研制出类似于示波器的可以 显示简单的几何图形的图形设备。3、1952年MIT研制出第一台三坐标数控铣 床。4、1958年美国Calcomp公司研制出滚筒式 绘图仪。5、随后美国Gerber公司试制出平板式绘图仪。,CAD技术的理论基础,1

7、、1959年，法国数学家(德卡斯特里奥)发明了de Casteljau 的算法,并以此算法为基础在法国开始为雪铁龙开发曲线曲面设计系统。2、1962年，MIT林肯实验室的博士（萨瑟兰）Ivan E.Sutherland 发表了题为“人机交互图形系统”的博士论文，他在论文中首次使用了计算机图形学“Computer Graphics”这个术语，证明了交互计算机图形学是一个可行的、有用的研究领域，从而确定了计算机图形学作为一个崭新的科学分支的独立地位。为CAD技术的发展和应用打下了理论基础。,CAD技术的理论基础,3、60年代初，J Ferguson（弗格森）在波音公司实现了基于三次样条的曲面 设计

8、系统。4、1967年MIT的S Coons(孔斯)提出了超限插 值算法，构造了一种曲面生成算法，为曲面 造型开辟了新的方向。,CAD技术的理论基础,5、1973年英国剑桥大学的I C Braid（布里德）以博士论文的形式提出了基于体素拼合和边界表示的实体造型系统，随后又吸收了Stanford大学B G Baumgart（鲍姆盖特）的多面体造型技术，经过不断发展于1989年推出了面向对象的几何平台ACIS 1.0。,CAD技术的理论基础,6、1974年法国雷诺汽车公司的工程师Pierre Bezier（贝齐尔）提出基于控制多边形的Bezier曲线、曲面表示，发展了一套被后人称为Bezier曲线、

9、曲面的理论，并主持了Unisurf曲面造型和SurfAPT曲面加工系统的开发，成功地开发了用于汽车外形设计的UNISURF系统。,CAD技术的理论基础,7、1974年美国通用汽车公司的Gordon（戈登）和R Riesenfield（里森费尔德）将B样条理论引入曲面设计系统，目前B样条曲面已经成为自由曲面的主要表示方法。,CAD技术的发展过程,产生于二十世纪五十年代后期，与发达国家的航空和军事工业密不可分。随着计算机硬件技术和计算机图形技术的发展而迅速 成长。目前CAD/CAM技术已经由航空和军事工业向民用工业扩展和普及，并得到了广泛的应用。,CAD技术的发展过程,CAD技术的发展经历了以下四

10、个发展阶段：20世纪60年代期间的CAD技术以线框造型为主，代表性的软件：CADAM20世纪70年代期间的CAD技术以曲面造型为主，代表性软件：CATIA 20世纪80年代期间的CAD技术以实体造型为主，代表性的软件：IDEAS、UGII、CADDS520世纪90年代期间的CAD技术以参数化特征造型为主，代表性的软件：Pro/E,CAD技术的发展过程线框造型,20世纪60年代出现的三维CAD系统只是简单的线框式系统，它只能表达基本的几何信息，不能有效地表达几何数据间的拓扑关系。由于缺乏形体的表面信息，CAE计算机辅助分析及CAM计算机辅助制造均无法实现。,CAD技术的发展过程曲面造型技术,法国

11、达索飞机制造公司，在二维绘图系统CADAM的基础上，开发出以表面模型为特点的三维造型系统 CATIA，标志着计算机辅助设计技术从简单模仿工程图纸的三视图模式解放出来，首次实现了以计算机完整描述产品零件的主要信息，同时，也使得CAM技术的开发有了实现的基础。虽然表面模型基本解决CAM的问题，但由于表面模型只能表达形体的表面信息，难以准确表达零件的其它特性，如质量、重心、惯性矩等，对CAE十分不利。,CAD技术的发展过程实体造型技术,基于对CAD/CAE一体化技术发展的探索，SDRC公司于1979年发布了世界上第一个完全基于实体造型技术的大型CAD/CAE软件 I-DEAS。由于实体造型技术能够精

12、确表达零件的全部属性，在理论上有助于统一CAD、CAE、CAM的模型表达，给设计带来了惊人的方便性。它代表着未来CAD技术的发展方向。,CAD技术的发展过程参数化特征造型,进入80年代中期，PTC公司成立，研制出名为Pro/Engineer的参数化CAD软件。算法的主要特点是：基于特征、尺寸驱动、几何约束、全数据相关的技术；参数化设计便于模型的编辑、修改。参数化特征造型技术是CAD建模方法的一个新的里程碑。,三、CAD/CAM系统的运行环境,CAD/CAM系统运行的硬件环境 计算机 外部设备 计算机网络 CAD/CAM系统运行的软件环境,CAD/CAM系统的硬件环境,CAD系统的硬件环境：包括

13、：计算机、计算机网络、图形输入输出、加工和制造等外围设备组成。,CAD/CAM系统的硬件环境计算机,1、60年代至70年代，运行分时操作系统的小型机、大型机是CAD计算机系统的主角。2、80年代至90年代，图形工作站以其卓越的图形性能和高速计算能力，成为CAD系统的主流配置。3、1993年Intel推出Pentium微处理器，标志着PC时代的到来，以SolidWorks、Solid EDGS和MDT为代表的基于Windows平台的微机CAD系统逐渐发展成为主流。,CAD/CAM系统的硬件环境显示器,1、显像管显示器（CRT）显像管的断面球面：屏幕四角出现失真弯曲 平面直角显示器：减小四角的失真

14、和反光 柱面显象管：垂直方向实现了完全的笔直 完全平面显示器：屏幕失真、反光都被减小 到了最低限度，画质清晰，色彩鲜艳。,CAD/CAM系统的硬件环境显示器,2、液晶显示器（LCD）：工作电压低、功耗小；无辐射；完全平面，无闪烁；既轻又薄；抗干扰性能强。3、等离子体显示器（PDP）、场致显示器（FED）、发光聚合体显示器（LEP）等等,CAD/CAM系统的硬件环境-数控机床,数控机床是数字控制机床的简称，是一种装有程序控制系统的自动化机床。该控制系统能够逻辑地处理具有控制编码或其他符号指令规定的程序，并将其译码，从而使机床动作并加工零件。作为当今制造业主流设备的数控机床，已经成为衡量一个国家制

15、造业综合实力的重要标志。,CAD/CAM系统的硬件环境-数控机床,CAD/CAM系统的硬件环境-测量机,测量机是逆向工程的关键设备之一。逆向工程定义：将实物转变为CAD模型相关的数字化技术，几何模型重建技术和产品制造技术的总称。测量工作原理：将被测物体置于三坐标测量空间，可获得被测物体上各测点的坐标位置，根据这些点的空间坐标值，经计算求出被测物体的几何尺寸，形状和位置。,CAD/CAM系统的硬件环境-测量机,CAD/CAM系统的硬件环境-快速原形机（Rapid Prototyping，简称RP）,快速成型技术是在现代CAD/CAM技术、激光技术、计算机数控技术、精密伺服驱动技术以及新材料技术的

16、基础上发展起来的。RP技术的基本原理是：“分层制造，逐层叠加”，类似于数学上的积分过程。形象地讲，快速成形系统就像是一台“立体打印机”，又称3D打印机。,CAD/CAM系统的硬件环境-快速原形机（Rapid Prototyping，简称RP）,快速成形技术的优越性：在无需准备任何模具、刀具和工装卡具的情况下，直接接受产品设计（CAD）数据，快速制造出新产品的样件、模具或模型。因此，RP技术的推广应用可以大大缩短新产品开发周期、降低开发成本、提高开发质量。由传统的去除法到今天的增长法，由有模制造到无模制造，这就是RP技术对制造业产生的革命性意义。,快速原形机制作的样品,CAD/CAM系统的软件环

17、境系统软件,在CAD系统的软件环境中可以分为三类：系统软件，应用平台和应用软件系统软件：主要包括操作系统、编译系统、用户界面管理、数据库系统、网络通信协议等底层软件。如，Unix，Windows，Linux，OS2，Oracle，DB2，SQL Server，Visual C+，Object C，TCP/IP，XML等。,CAD/CAM系统的软件环境-应用平台,OpenGL图形平台：是为三维图形显示硬件开发的应用程序编程接口，具有跨平台和网络透明性。主要功能有：几何图素绘制、3D坐标变换、支持光源模型、设置纹理材质。ACIS几何平台：是第三代实体造型系统，特点是采用面向对象思想构造数据模型，允

18、许线框、曲面和实体混合使用，鼓励CAD软件公司在ACIS上开发符合STEP标准的应用系统，ACIS构成这些系统的几何总线。3)Parasoild几何平台:是世界上领先的三维几何建模组 件软件。利用该软件提供的核心功能，能够快速、稳定 地对行业最复杂的产品建模。,CAD/CAM系统的软件环境应用软件,1）工程制图 具有标准件库，可绘制任意复杂形状的零件的二维绘图。AutoCAD CAXA2000 V2电子图版2）工程设计 三维设计，特征建模、曲面造型、零件装配、工程图自 动输出。CATIA、EUCLID、Pro/Engineering、UG、Solidworks、MDT、CAXA实体设计3）工程

19、制造 数控加工，能处理三维实体和曲面，确定NC刀具轨迹，生 成机床加工程序。MasterCAM、SmartCAM、CAMWorks、CAXA制造工程师v24）虚拟样机 利用计算机技术建立机械系统的数学模型，进行仿真分析并 从图形方式显示该系统在真实工程条件下的各种特性，从而 修改并得到最优设计方案的技术；COSMOS、Working Model、ADAMS.,四、CAD/CAM应用软件简介,（一）国外CAD/CAM商业软件美国EDS公司的UG软件和I-DEAS软件集成了美国航空航天、汽车工业的经验，成为机械集成化CAD/CAE/CAM的主流软件之一。主要应用于航空航天、汽车、通用机械、模具、家

20、电等领域。曲面造型、数控加工是强项。分析功能较为薄弱，但是提供了相关的分析软件接口。2001年并购了SDRC公司（IDEAS）。,CAD/CAM应用软件简介,美国PTC公司的Pro/Engineer软件Pro/Engineer是一个全参数化、基于特征和全信息相关的崭新系统。所有的功能模块构建在同一数据库结构之上。提供了所有工程项目之间的全关联。自带特征库。但在分析、制造方面相对较弱。曲面处理适合于通用的机械设计中较常见的曲面造型。采用全参数化造型技术，比较适合于零件相对简单，构成的部件比较复杂的产品设计。,CAD/CAM应用软件简介,法国达索的CATIA软件CATIA起源于航空工业，其最大的标

21、志客户即美国波音公司，波音公司通过 CATIA 建立起了一整套无纸飞机生产系统，取得了重大的成功。CATIA是一个全面的CAD/CAM/CAE/PDM应用系统，有独特的装配草图生成工具。具有很强的曲面造型功能，可进行有限元分析。一般的三维造型软件都是在三维空间内观察零件，但是CATIA能够进行四维空间的观察，也就是说该软件能够模拟观察者的视野进入到零件的内部去观察零件，并且它还能够模拟真人进行装配。,CAD/CAM应用软件简介,SolidWorks软件 90年代初，微机性能大幅提高，而价格却一路下滑，微机卓越的性能足以运行三维 CAD 软件。为了开发业界尚属空白的基于 电脑平台的三维 CAD

22、系统，1993 年 SolidWorks 公司成立，并于 1995 年成功推出了 SolidWorks 软件，引起世界相关领域的一片赞叹。在 SolidWorks 软件的促动下，1998 年开始，国内、外也陆续推出了相关软件；原来运行在 UNIX 操作系统的工作站 CAD 软件，也从 1999 年开始，将其程序移植到 Windows 操作系统中。,CAD/CAM应用软件简介,第一个基于 Windows 平台的三维机械 CAD 软件 第一个创造了 Feature Manager 特征管理器的设计思想 第一个在 Windows 平台下实现的自顶向下的设计方法 第一个实现动态装配干涉检查的 CAD

23、软件 第一个实现智能化装配的 CAD 公司 第一个开发特征自动识别 Feature Works 的软件公司 第一个开发基于 Internet 的电子图板发布工具(eDrawing)的 CAD 公司 1997 年由法国达索公司以三亿一千万的高额市值将 SolidWorks 全资并购。功能强大、易学易用和技术创新是 SolidWorks 的三大特点，使得 SolidWorks 成为领先的、主流的三维 CAD 解决方案。,SolidWorks累计获得十七项国际大奖,CAD/CAM应用软件简介,SolidWorks软件主要功能模块,CAD/CAM应用软件简介,美国AutoDesk公司的AutoCAD软

24、件AutoCAD是基于微机环境的交互式绘图软件，基本上是一个二维工程绘图软件，具有较强的绘图、编辑、剖面线和图案绘制、尺寸标注以及方便用户的二次开发功能。并具有部分三维作图造型能力。软件的数据文件格式DXF已经成为世界上不同版本二维CAD系统之间交换数据的事实上的标准。MDT是该公司在机械行业推出的基于参数化特征、实体造型和曲面造型的微机CAD/CAM软件。近年来又推出了与MDT功能类似的软件INVENTOR。,CAD/CAM应用软件简介,美国Bentley公司的MicroStation软件Bentley公司是一家全球范围的软件协同解决方案提供商。工程设计平台MicroStation是Bent

25、ley公司在建筑设计、土木工程、交通、加工工厂、离散制造业、公用设施和通信网络等各领域解决方案的核心。,CAD/CAM应用软件简介,英国的DELCAM公司的CAD软件DELCAM是世界领先的专业化CAD/CAM集成系统开发商。当今全世界唯一拥有大型数控加工车间的CAD/CAM软件公司，提供从设计、制造、测试到管理的全套产品。软件产品适用于具有复杂型体的产品、零件及模具的设计制造。广泛应用于航空航天、汽车、船舶、内燃机、家用电器、轻工产品等行业。在塑料模、压铸模、橡胶模、锻模、大型覆盖件冲压模、玻璃模具等的设计与制造方面具有明显优势。,CAD/CAM应用软件简介,以色列Cimatron 公司的C

26、imatron软件Cimatron是基于CAD/CAM/PDM的产品，软件针对性较强，被更多地应用于模具开发设计。软件提供一套全面的标准模架库，便于使用者进行模具设计的分型、抽芯等工作。提供在操作过程中能进行动态检查功能。,CAD/CAM应用软件简介,(二)国内的CAD软件（具有独立知识产权）二维CAD软件唐龙 北京航空航天大学 PICAD 中科院凯思软件集团高华CAD 清华和顺得容奇镇经济发展总公司 清华XTMCAD 清华和北京艾克斯特CIMS技术公司CAXA电子图版 北京航空航天大学 开目CAD 华中理工大学,CAD/CAM应用软件简介,三维CAD软件GEMS5.0 清华同方金银花3D C

27、AD 北京航空航天大学 CAXA制造工程师 北京航空航天大学 Inte Solid 华中理工大学GS-MCAD 浙江大学,五、CAD/CAM技术的应用,CAD是一个包括范围很广的概念 产品设计（机械产品、电气、电子 产品、轻工、纺织产品）工程设计（建筑、道路桥梁、工程）艺术（电影、动画、广告）机械制造CAD是应用最早、最为广泛的，重点介绍机械CAD。,CAD设计对象,CAD在飞机设计上的应用,CAD在汽车运输行业的应用,CAD在机械行业中的应用,CAD在电力/土木工程/农业中的应用,CAD在消费产品中的应用,为电子行业设计更好的产品,为家具与器具行业设计更好的产品,CAD在国外航空应用范例,美

28、国波音777是CAD/CAM技术的应用典范：1990年10月正式启动，首次实现了全数字化设计的“无纸飞机”周期缩短40；成本 降低25；返工率降 低75。研制总周期缩短 到四年半,CAD在国外航空业应用范例,CAD在国外航空业应用范例,空中客车A380：试制周期从4年 缩短为2.5年。,CAD在我国航空业应用范例,飞豹我国第一代超音速歼击轰炸机1998年，第二届珠海国际航空展首次亮相；1999年，建国50周年阅兵式上，参加阅兵；1999年，改型，采用全机无纸数字化设计；,CAD在教学上的应用自主大作业,CAD在教学上的应用机械设计,机械设计课程设计：减速箱,CAD在教学上的应用专业课程设计,专

29、业课程设计：模具设计落料拉深复合模的装配和工作动画,CAD在教学上的应用专业课程设计,CAD在教学上的应用专业课程综合实验,CAD在教学上的应用毕业设计,机械手，用以在实验台上移动盛放液体的试剂盒,SolidWorks软件特点,SolidWorks机械设计自动化软件是一个基于特征的、参数化实体建模三维设计工具。主要功能模块：零件设计、装配体、工程图，实现了三个设计阶段的全相关技术。安装在Windows NT、Windows7、WindowsXP微机平台上，具有全中文Windows图形用户界面,易学易用。,SolidWorks软件基于特征,特征：SolidWorks中的零件或三维模型是由许多单独

30、的几何体组成，这些几何体就叫特征。,特征,特征,特征,零件,SolidWorks软件的参数化,参数化：基于尺寸驱动的设计方法一般称为 参数化设计；尺寸驱动：草图随尺寸 的变化而变化，易于修改。,原草图,标注原草图尺寸,标注实际尺寸后的草图,SolidWorks软件的全相关,全相关:任何阶段(零件设计,装配体,工程图)对设计的修改都会影响到其它阶段,设计过程 变得非常灵活,大大提高了设计效率。,零件设计,工程图,装配体,特征的创建,计算机辅助三维设计的关键就是如何来创建特 征，按特征分类创建特征特征的分类 草图特征：在某一基准面上绘制基本几何体的轮 廓或横截面的草图，然后通过执行拉 伸、旋转等特

31、征命令而生成特征。处理特征：直接创建在几何实体模型上的特征。只需选择几何实体模型的边和面建立 的特征，例如：圆角、倒角、抽壳等。,特征的创建1：草图特征,绘制基本几何体的轮廓或横截面的草图，然后通过执行拉伸、旋转等特征命令而生成特征。,拉伸特征,旋转特征,特征的创建2：处理特征,处理特征：直接创建在几何实体模型上的特征。只需选择几何实体模型的边和面建 立的特征，例如：圆角、倒角、抽 壳等。,圆角特征,倒角特征,抽壳特征,基本概念（术语）的总结,特征：基本几何体就叫特征特征的分类：草图特征：绘制草图创建特征 处理特征：对已有特征进行修饰参数化：特征中包含了的尺寸驱动，可 以随时进行修改。全相关技

32、术：零件设计、装配体、工程图三个 阶段自动传递信息,国外CAD软件公司网址大全,Pro/ENGINEER PTC(美)，http:/CADDS-5 Computervision(美)，http:/CATIA Dassault(法)，http:/EMS Intergraph(美)，http:/,MASTER SERIES SDRC(美)，http:/UNIGRAPHICS EDS(美)，http:/SolidWorks SokidWorks(美)，http:/MicroStation Bentley(美)，http:/Cimatron Cimatron(以色列)，http:/,国外CAD软件公司网址大全,Cimatron Cimatron(以色列)，http:/MasterCAM CNC software(美)，http:/SurfCAM SurfCAM(美)，http:/VisCAD/VisCAM Vero(意大利)，,国外CAD软件公司网址大全,SolidEdge Intergraph(美)，DUCT Delcam(英)，http:/EdgeCAM Pathrace(英)，http:/HyperMILL-HyperCAM OPEN MIND(德)，http:/www.openmind.de PEPSCUT Camtek(英)，,国外CAD软件公司网址大全,