计算机辅助设计与制造CADCAMWord下载.docx

计算机辅助设计与制造CADCAMWord下载.docx

《计算机辅助设计与制造CADCAMWord下载.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《计算机辅助设计与制造CADCAMWord下载.docx（58页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

CAE

5、工程信息传输与交换

信息交换有CAD/CAM系统与其他系统的信息交换和同一CAD/CAM系统中不同功能模块的信息交换。

6、模拟与仿真

为了检察产品的性能，往往需要对产品进行各种试验与测试，需要专门的设备与生产出样品，并具有破坏性，时间长，成本大。

通过建立产品或系统的数字化模式，采用计算机模拟技术可以解决这一问题。

如加工轨迹仿真，机构运动仿真，工件、刀具和机床碰撞与干涉检验等。

7、人机交互

数据输入、路线与方案的选择等，都需要人与计算机进行对话。

人机对话交互的方式有软件界面与设备（键盘、鼠标等）

8、信息的输入与输出

信息的输入与输出有人机交互式输入输出与自动输入输出。

CAD/CAM的具体功能见图1.3P4

1.1.3CAD/CAM系统的组成与工作过程

如图1.4P5

1.2CAD/CAM技术的发展回顾

1.2.1CAD技术的发展

1．形成期1950MITCRT（阴极射线管）→计算机能够处理图形→计算机图形学。

2.发展期50年代光笔→交互式会图60年代屏幕菜单点击、功能键盘、光笔定位、图形动态修改。

1962美国IvanSutherland第一个交互式图形系统（SketchPad）2D系统

3、成熟期

1973实体造型技术实体造型软件3D系统

4.集成期

信息分散、不能共享，不能发挥合力效益，开发专用接口，成本大，自动化程度不高等等集成CAD/CAM.

1.2.2CAM技术的发展

1952年数控机床→1955自动编程工具（APT）1958自动换刀系统→加工中心（MC）1962工业机器人→物料搬运自动化，利用一台计算机控制多台数控设备→（直接数控系统）DNC→FMS.

70年代，交互式图形编程系统，CAM成熟

智能化，集成化，自动化。

1.2.3CAPP技术的发展

1969年，挪威，成组技术，零件分类归族，典型样件与典型工艺AutoPros

1980年，英国AutoCAP.派生式CAPP系统。

简单，实用，成本低，周期短；

但与企业的特性相关度高，一般不适合于其他企业。

采用规则，推理，根据工艺的特性，自动生成工艺路线，成为创成式CAPP，自动化程度高，适合于多种企业。

但由于工艺过程涉及的因素多，开发周期及成本高，目前仍然在研究阶段。

80年代中期，CAPP专家系统。

1.2.4CAD/CAM的集成技术

CAD、CAPP、CAM技术长时间独立发展，使数据结构、软件结构、平台等方面有很大差异。

系统之间不能进行自动的数据交换，需要大量的人工参与以完成数据传输工作，严重阻碍CAD、CAPP、CAM技术的效益与发展。

80年代，人们致力于CAD、CAPP、CAM技术集成研究。

相继推出了CADAM、CATIA、UG、Pro/E等。

1.3CAD/CAM技术的应用

1.3.1CAD/CAM的应用现状

机械是主要应用领域

2D应用最广

我国在2DCAD系统和CAPP系统中自主产品，市场占有率较高。

3D刚起步。

1.3.2CAD/CAM的应用效益

生产精度与产品质量提高

产品开发周期缩短GM汽车5年→3年

新产品可靠性提高20%→60%

生产成本下降波音777未生产样机

详细效益请见P11

1.4CAD/CAM技术的新发展

1.4.1制造企业面临的市场形式

产品形式多样化、个性化，生产方式由大批量、少品种→少批量、多品种；

市场响应速度快。

大吃小→快吃慢

产品的范畴：

产品→产品P+质量Q+时间T+服务S（T,Q,C,S）

竞争范围：

区域→全球

核心竞争力→创新技术与人才

各种新技术的出现与应用，特别是计算机与信息技术，Internet

上述原因，企业未来呈现的特点：

1、产品开发生产周期短，上市快；

2、制造柔性化；

3、整个产品生命周期内的质量保证

4、企业组织形式，出现虚拟企业与企业联盟

5、生产过程更为精良

6、人才素质高

7、智能化与自动化程度高

8、绿色制造

9、分布、并行、集成并存

企业未来力呈现的特点对CAD/CAM系统的要求

1、集成化，2、智能话，3、网络化，4、分布并行处理，5、综合技术的产品开发，6、虚拟现实技术，7、人机工程。

1.4.2CAD/CAM新方向

1、支持TOP-Down，2、支持DFx，3、智能CAD/CAM，4、CE、5、虚拟制造，6、集成制造，7、异地设计制造。

二、CAD/CAM系统

CAD/CAM系统的基本组成、结构与分类，软件、硬件及网络的基本概念，软件、硬件的分类，网络设备的功能等。

重点是应用软件的基本概念及其分类和网络与网络设备的基本功能。

2.1CAD/CAM系统组成与分类

2.1.1CAD/CAM系统组成

CAD/CAM系统由硬件和软件系统组成。

硬件系统是指可触摸到的物理设备，如主机设备、终端设备、网络及通信设备、输入输出设备，数控加工及控制设备等。

软件系统通常是指程序及其相关文档的总和，软件系统一般分为系统软件、支撑软件和应用软件。

具体见图2.1P21.

2.1.1CAD/CAM系统的分类

从不同的角度，CAD/CAM系统可分为不同的类型。

从硬件角度，分为两大类。

1、以大型机或小型计算机为主机的、多用户分时系统。

其基本结构如2.2a图，P22.

主机系统的特点：

1）外围设备和用户工作站与主机相连，用户工作站中至少有一台图型工作站和一套图形处理设备（如图形终端，图形输入输出设备等），图形工作站基本结构如2.2b图，P22.

2）优点：

主机功能强，可处理大量信息，如分析计算，模拟。

使用性能取决于软件水平。

3）缺点：

系统专用性强，比较封闭，终端过多，系统速度变慢，价格较高。

另外，系统的可靠性取决于主机（主机发生故障，整个系统都将瘫痪）。

2、工程工作站或微机系统的单用户系统。

（）

此系统特点：

1）每一个工程工作站或微机系统都能独立完成CAD/CAM系统所要求的各项任务。

2）价格较低，在中小型企业得到应用

3）可靠性高

已成为主流

按功能划分，CAD/CAM系统可分为CAD、CAM、CAD/CAM。

1、CAD系统：

专门为设计而建立的系统，可完成各项设计任务，如造型、会图、工程分析仿真与模拟，文档管理等。

不具备数控编程、加工仿真、生产控制及管理等。

2、CAM系统：

具备数控编程、加工仿真、生产控制及管理等功能，几乎不具备造型、会图、工程分析仿真与模拟等功能。

3、CAD/CAM系统：

具备CAD与CAM的所有功能，并可进行信息的自动交换。

已成为主流。

根据是否使用计算机网络，CAD/CAM系统又可分为单机系统和网络系统。

计算机网络：

通过通信线路连接起来的自治的计算机集合。

包括三个含义（1、必须有两台或两台以上的具有独立功能的计算机系统相互连接在一起，达到资源共享的目的；

2、连接在一起的计算机必须有一条信息交换的通道；

3、在同一网络中的计算机系统之间进行信息交换，必须遵循共同的约定与规则，即协议）

1、单机CAD/CAM系统：

具备所有CAD/CAM的软件与硬件功能。

但不能与其他CAD/CAM进行信息交换。

信息不能共享。

2、网络CAD/CAM系统：

将具备CAD/CAM的软件与硬件功能的各个节点用网络设备和通信线路进行连接就形成了一个网络化的CAD/CAM系统。

可实现资源与信息共享。

网络结构有星型、环型、总线型和网络等形式。

由于总线型具有兼容性强，开放性和可扩展性良好等特性，因此，总线已成为主流。

2.2CAD/CAM系统中的典型硬件

2.2.1计算机基本系统

计算机基本系统由主机（包括CPU、主板和内存）、外存（磁盘、光盘）、显示器、键盘和鼠标等组成。

主机：

包括CPU、主板和内存

主机的性能主要取决于CPU性能，CPU由控制器、运算器及各种寄存器组成，其性能由主频和寄存器的位数决定。

内存：

内存直接与CPU相连，并直接进行数据读取。

内存分为只读存储器ROM与随机存取存储器RAM。

8位二进制为一个字节。

外存：

磁盘、光盘

2.2.2输入设备

键盘、鼠标、操纵杆；

数字化仪（如图2.7P27），数字化一般用于将纸张图转化成计算机图。

图形板、光笔、触摸屏、扫描仪、数字化手套、传感器等。

2.2.3输出设备

显示器、打印机、绘图仪、生产设备。

2.2.4网络设备

服务器（用于提供公共服务的高性能计算机，运行网络操作系统）、工作站。

电缆：

同轴电缆（500m）、光缆（1000m）、双绞线（100m）。

网卡

中继器：

用于信号放大，使信息传输更远，不改变信号。

网桥：

对网络进行分割，平衡网络负载。

路由器：

LAN与WAN的连接设备，将多个独立网进行连接。

实现互联网之间的最佳寻径与数据传输。

网关：

连接不同体系网络，如不同协议。

Novell与Ethernet。

2.3CAD/CAM软件系统

软件是一种逻辑实体，是程序、数据及相关技术文档的总和。

根据层次划分，CAD/CAM软件系统分为系统软件、支撑软件和应用软件。

其层次关系如图2.13P35

系统软件：

面向计算机及网络系统的，实现对计算机及网络的管理，提供用户操作及管理计算机与网络的界面。

是其他软件系统的基础。

系统软件主要包括操作系统、编程语言、网络通信及其管理三大部分。

1、操作系统

操作系统的主要功能是：

处理器管理、设备管理、存储管理、文件管理与用户接口（界面）。

按功能及其工作方式分，操作系统可分为单用户、批处理、实时、分时、网络和分布式六类。

DOS是一个单用户、单任务系统，而Unix与Windows是多用户分时系统。

可由人工干预，实现交互式操作。

实时系统不需要人工干预，处理速度快，可靠性高，能够对信息处理的过程进行监控。

在CAD/CAM系统中，常用的操作系统有，工作站：

Unix、VMS；

微机：

Windows、XENIX。

2、计算机编程语言

计算机语言有机器、汇编（低级语言）及高级语言。

机器语言是计算机唯一能够识别的语言。

用汇编和高级语言编写的程序必须经过转换成机器语言后才能运行。

低级语言依赖计算机硬件程度高，而高级语言几乎不依赖以计算机硬件。

低级语言编写的程序比高级语言编写的程序要快。

高级语言编写的程序必须经过编译和连接后才能执行。

常用的高级语言有VisualC++、VisualBasic、Java（面向对象编程方法）。

Lisp,ProLog用于人工智能与专家系统。

3、网络通信及其管理软件

网络通信及其管理软件主要包括网络协议、网络资源管理、网络任务管理、网络安全管理与网络通信浏览工具等功能。

在计算机网络中，不同的计算机系统之间进行信息交换时，必须遵循某种共同的约定与规则，这种约定与规则即为协议。

网络协议是按层次划分的。

按”开放系统网络标准模式”OSI，网络协议分为七层，即应用层、表示层、会话层、传输层、网络层、链路层和物理层。

CAD/CAM流行的主要网络协议有：

1）MAP（ManufacturingAutomationProtocol）用于工厂自动化

2）TOP（TechnicalityandOfficeProtocol）用于技术与办公环境

3）TCP/IP（TransmissionControlProtocol/InternetProtocol）按报文为传输单位。

2.3.2机械CAD/CAM支撑软件

支撑软件不为某一具体应用而设计开发的，只为用户提供应用工具和开发环境。

从功能上划分，支撑软件可分为，基本图形资源与自动绘图，几何造型、工程分析与计算、仿真与模拟、专用设备控制程序生成器、集成与管理等6大部分。

1、基本图形资源管理与自动绘图软件

基本图形资源软件是根据图形标准或规范实现的软件包，为用户提供的是基本图形及图形操作的程序和函数库。

是其他图形软件的基础。

常用的有CGI（计算机图形界面），GKS（图形软件包）及PHIGS（程序员等级交互图形系统）等。

自动绘图软件提供了各种基本图元与图形基本操作等功能，用户可采用交互式方式完成绘图工作，常用有AutoCAD，CADKey等。

2、几何建模软件。

提供完整的三维几何形状的描述与显示。

还具有各种图形渲染及物性计算等功能，常用有Pro/E、UGII。

3、工程分析与计算

利用工程计算及分析软件可完成运动学、动力学、有限元分析等任务，常用的有Ansys、nastran等。

4、仿真与模拟软件

5、工艺过程设计

6、管理与集成

对各种CAD/CAM软件所产生的数据进行管理，采用数据库。

常用的数据库有Oracle、Sybase、MSSQLServer、DB2、Informix。

2.3.3应用软件

基于系统软件、支撑软件基础之上，专为某种特殊应用开发而成应用软件。

如机械标准件图库，公差标注工具，电子元器件。

2.4CAD/CAM系统的设计原则

2.4.1系统设计的总原则

在满足需求的前提下，既要实现目标，又要适应技术的发展，还要考虑具有的人才与资金的条件。

1、实用性；

2、适度的先进性；

3、系统性（完整性、功能与性能的配套，集成）；

4、整体设计与分步实施。

2.4.2系统硬件选用原则

1、系统功能

速度、精度、存储能力及兼容性

2、开发性与可移植性

3、升级与扩展性

4、性价比

5、可靠性及维护性与服务

2.4.3软件选用原则

1、功能；

2、性价比；

3、与硬件配套；

4、二次开发能力、二次工具与开发环境；

5、开放性；

6、可靠性与服务。

三、CAD/CAM软件开发基础

重点：

不同数据的数字化方法，特别是插值法，数据结构（线性表和二叉树），数据库的基本概念，工程数据的特点与工程数据库的功能。

在CAD/CAM系统应用过程中，不仅要向系统输入大量的数据，同时系统也会产生大量的数据，怎样存储、使用、管理好这些数据是使用好CAD/CAM系统的重要任务，也是开发CAD/CAM软件的基础。

3.1工程数据的程序化

在进行机械设计与制造中，会遇见很多格式数据，要实现CAD/CAM系统，首先要对这些数据进行计算机化或程序化。

3.1.1数值程序化

1、数组形式

对于一组单一、精确、而数据之间又无规律的数列，可定义数组进行存放处理。

如齿轮标准模数，见P43表3.1

可定义一个一维数组加以存放与处理。

2、公式化

对于一组单一、精确、而数据之间又规律的数列可采用公式表达。

如60、70、80、90、100、110、120这一标准的直径序列，可采用下列公式（表达式进行处理）

D=int（Dc/10.02）*10+10其中Dc是根据强度计算所得到的直径。

3.1.2数表程序化

1、屏幕直观交互式输入法

如果数表中的数据量不大，可在有限的屏幕中放置，且数据为有限个离散值，在使用时是根据综合考虑选用中间值，此时可这些数据用屏幕输出语句输到屏幕上供使用者直观交互式地选用。

如齿轮传动强度计算中的系数Kv，此系数是根据原动机工作特性和工作载荷特性等进行综合，在表3.2中进行选值（可选中间值）。

表中数据量少，可在有限的屏幕中放置。

2、数组化

数据量较大，精确且无规律的数表可采用数组进行存储与处理。

如平键和键槽与轴径的尺寸关系数表3.3P45。

注：

只能选用数表中数据，不能取中间值。

3、公式化

如果数表中只有两个参数，设Pi、fi，且这两个参数存在一一对应关系，即已知一个在数表中找得到的Pi值、数表中有一个fi值与其对应，且若已知一个在数表中找不到的Pi值，有一个近似非数表中的fi值与之对应，Pi与fi存在函数关系，则此数表可进行公式化。

如表3.4（P47）中蜗轮当量齿数与齿形系数的关系表。

工程上常采用插值法和拟合法对这种数表可进行公式化。

插值法原理：

设有离散点序列（x1,y1）、（x2,y2）、……、（xi,yi）、…、（xn,yn），若有一函数y=f（x），且yi=f（xi），则称y=f（x）为（x1,y1）、（x2,y2）、……、（xi,yi）、…、（xn,yn）序列插值函数。

常用的插值方法有线性插值和拉格朗日插值法。

1）线性插值（两点插值）

已知两点，（x1,y1）、（x2,y2），并近似地认为其它数据在这两点区间成线性关系，则可采用线性插值。

插值函数为

=

→y=y1+

（x-x1）

如果有多点，相邻两点用直线段连接，则每段线性插值的一般形式为：

y=yi+

（x-xi-1）例如：

如表3.4（P47）中蜗轮当量齿数与齿形系数的关系表，当zv=25.6（即x=25.6）（xi-1=24,yi-1=1.88）；

（xi=26,yi=1.85），求YF

2）拉格朗日插值

当线性插值误差较大，可采用高次插值（二次和二次以上）

通过整理线性插值表达式得：

f（x）=y=y1·

+y2·

二次插值

f（x）=y=y1·

+y3·

对于n个节点的n-1次拉格朗日插值的一般式子有：

f（x）=y=

yi·

Ai其中Ai=

4、交互式分级描述法

将复杂的多元函数表按一定的原则分解成多个子表，用程序描述各子表之间的关系，通过人机交互式的方式逐步选值。

如表3-5齿轮常用材料及力学性能,P48。

3.1.3线图程序化

在工程中有许多线图，这些线图有的是通过计算公式所计算数据而来，有的是通过实验数据而来。

对实验数据，由于实际情况的复杂性，很难用公式精确描述，一般采用某种近似曲线公式来加以描述，这种曲线公式就称为经验公式，建立经验公式的过程称为曲线拟合。

拟合与插值的区别是，插值是必须过插值节点，而拟合是不一定需要过节点的。

1、拟合原理

曲线拟合的方法很多，常用的是最小二乘法。

1）线性方程拟合有n组实验数据（xi，yi），设线性方程的形式：

y=a+bx

最小二乘法：

为了达到最好的拟合，应使各节点的偏差平方最小，即使。

S（a，b）=

最小。

S（a，b）有两个参数a与b。

采用偏导求出最大值。

2）对数方程拟合有n组实验数据（xi，yi），设对数方程的形式：

y=a+blnx

设X=lnx，则对数方程的形式为y=a+bX。

注意：

在利用3.9和3.10式求a，b时，应将lnxi代入。

3）指数方程拟合有n组实验数据（xi，yi），设指数方程的形式：

y=axb

对两边取对数。

得lny=lna+blnx。

设Y=lny，X=lnx，A=lna，则有Y=A+bX

与线性方程拟合一样求解。

4）对数指数方程拟合（略）

5）二次方程及多次方程拟合（略）

3.2CAD/CAM中的数据结构

在CAD/CAM中存在大量的数据，如性能参数，工艺数据、管理数据等。

这些数据不是孤立的，他们之间存在作关系。

怎样将这些数据进行有效的管理与存储，表达和定义好他们的结构是基础。

这就是数据结构问题。

3.2.1基本概念与术语

数据：

是现实世界客观存在的实体或事物的属性值，即人们感知到的景象。

数据可以是数值、字符、文字，也可以是声音、图形图象等。

信息：

是含有一定意义的数据称为信息

信息与数据的关系是：

1）信息是有一定含义的数据

2）信息是经过加工处理后的数据

3）信息是对决策有价值的数据

现实世界（数据）、信息与计算机之间的关系如图3.8P56

实体：

客观存在并可相互区别的事物。

属性：

实体特性

属性值：

每一个实体属性所能测量或记录的值。

数据（属性）域：

属性取值范围

数据按组成的内容可分成若干层次

1）字符是组成数据的最小单位。

包括数字、字母、特殊符号等

2）数据项是数据中最基本的、不可分的、并有命名的数据单位，由字符组成，代表某一数据量。

如轴承性能表3.9P57中的轴承代号、尺寸、载荷等。

3）组合项由一个或多个数据项组成。

如尺寸由四个数据项组成。

4）记录：

相关数据项或组合项构成的集合称为一条记录，他描述了一个实体。

如代号为6202轴承对应一行中的各数据项共同描述的某一型号的轴承。

记录又称为数据元素。

5）文件相同性质的记录的集合就是文件。

表3.9中记录全体构成了一个文件

6）数据库非单纯性（即有一定的特点与要求）、具有结构文件的集合。

3.2.2数据结构

数据元素（记录）不是孤立的，而是相互有关联的。

多个数据元素之间的关系构成一个数据结构，而数据结构又可能是另一个数据结构中的数据元素。

即数据结构是可嵌套的。

如图3.9中的车床结构图。

数据结构有逻辑结构和物理结构之分。

1、逻辑结构

逻辑结构描述的是数据之间的逻辑关系，它是从客观的角度去组织和表达数据。

根据关系特点，逻辑结构分为线性结构和非线性结构