CAD和CAM教案.docx
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CAD和CAM教案
《计算机辅助设计与制造》教案
目录
第一章概述1
第一节CAD/CAM的基本概念2
第二节CAD/CAM的发展历史3
第三节CAD/CAM的发展趋势4
第四节我国CAD/CAM的发展状况6
思考题7
第二章CAD/CAM系统8
第一节CAD/CAM系统的基本组成与分类9
第二节CAD/CAM系统的典型硬件11
第二节CAD/CAM系统的软件系统12
思考题13
第三章计算机辅助图形处理14
第一节图形的几何变换15
第二节图形的消隐技术17
第三节图形的裁剪技术19
第四节图形的生成方法21
思考题23
第四章CAD/CAM建模技术24
第一节建模的基本概念与要求24
第二节线框建模25
第三节曲面建模28
第四节实体建模30
第五节特征建模31
思考题34
第五章计算机辅助工程分析35
第一节概述36
第二节有限元法37
第三节优化设计38
第四节仿真技术39
思考题41
第六章计算机辅助工艺设计42
第一节CAPP概述43
第二节CAPP中零件信息的描述和输入46
第三节CAPP的类型47
思考题49
第七章数控编程和仿真50
第一节概述51
第二节ATP语言编程技术54
第三节图形交互式自动编程技术57
第四节MasterCAM数控加工编程59
第五节数控加工仿真61
思考题63
第八章计算机辅助质量系统技术64
第一节概述65
第二节计算机辅助质量系统66
第九章计算机辅助生产管理与运行控制67
第一节概述68
第二节物料需求计划管理70
第三节企业资源计划简介73
第十章CAD/CAM技术的新发展74
第一节CAD/CAM集成系统75
第二节计算机集成制造系统（CIMS）简介77
第三节并行工程、智能化与虚拟现实技术78
第一章概述
学习目标：
概括了解CAD/CAM技术的产生发展；通过对传统的设计制造过程的分析，理解CAD/CAM系统的基本功能和工作过程；掌握CAD/CAM的基本概念；了解CAD/CAM技术应用领域和发展前景。
学习内容：
学习重点：
CAD/CAM的概念
学习建议:
∙复习现代设计方法学课程中有关设计制造分析内容；
∙广泛查阅有关CAD/CAM技术的文献资料；
∙调研一个企业应用CAD/CAM技术的基本情况。
第一节CAD/CAM的基本概念
计算机的出现和发展，实现了将人类从脑力劳动解放出来的愿望。
早在三四十年前，计算机就已作为重要的工具，辅助人类承担一些单调、重复的劳动，如辅助数控编程、工程图样绘制等。
在此基础上逐渐出现了计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助工艺过程设计（CAPP）及计算机辅助制造（CAM）等概念。
计算机辅助设计（ComputerAidedDesign，CAD）
指工程技术人员以计算机为辅助工具来完成产品设计过程中的各项工作，如草图绘制、零件设计、装配设计、工程分析等，并达到提高产品设计质量、缩短产品开发周期、降低产品成本的目的。
计算机辅助工艺过程设计（ComputerAidedProcessPlanning,CAPP）
指在工艺人员借助于计算机，根据产品设计阶段给出的信息和产品制造工艺要求，交互地或自动地确定产品加工方法和方案，如加工方法选择、工艺路线确定、工序设计等。
计算机辅助制造（ComputerAidedManufacturing，CAM）
计算机辅助制造有广义和狭义两种定义。
广义CAM是指借助计算机来完成从生产准备到产品制造出来的过程中的各项活动，包括工艺过程设计（CAPP）、工装设计、计算机辅助数控加工编程、生产作业计划、制造过程控制、质量检测与分析等。
狭义CAM通常是指NC程序编制，包括刀具路径规划、刀位文件生成、刀具轨迹仿真及NC代码生成等。
第二节CAD/CAM的发展历史
CAD/CAM技术从产生到现在，经历了形成、发展、提高和集成等阶段。
CAD的发展
准备和酝酿时期（20世纪50—60年代初）
蓬勃发展和进入应用时期（20世纪60—70年代）
突飞猛进的时期（20世纪80年代）
开放式、标准化、集成化和智能化的发展时期（21世纪初）
CAM技术的发展
20世纪70年代后期，几何造型技术、图形显示技术和数控编程后置处理技术的发展和应用，出现了交互式图形编程系统，为CAD/CAM集成奠定了基础。
CAPP技术的发展
目前，CAPP系统主要应用于零件的机械加工方面，但已逐渐向其它工艺领域扩展，如热处理、锻造、冲压和装配等，应用前景是广阔的。
第三节CAD/CAM的发展趋势
一、设计制造过程分析
深入研究各个阶段的主要任务，可将设计划分为：
∙功能设计：
确定产品功能和结构之间的对应关系。
∙布局设计：
完成技术实体部分（零部件）的排列组合。
∙参数设计：
定义零部件的几何形状及尺寸参数。
∙公差设计：
制定形状、位置及尺寸精度。
二、CAD/CAM系统的工作过程
三、CAD/CAM系统的基本功能
∙图形显示功能
∙输入输出功能
∙存储功能
∙交互功能（即人机接口）
四、CAD/CAM系统的主要任务
∙几何造型
∙计算分析
∙工程绘图
∙结构分析
∙优化设计
∙计算机辅助工艺规程设计（CAPP）
∙NC自动编程
∙模拟仿真
∙工程数据管理与信息传输与交换
第四节我国CAD/CAM的发展状况
随时间的推移和科技的迅猛发展。
这里主要讲解有关CAD/CAM技术应用的可能性、必要性和迫切性。
据统计，机械制造领域的设计工作有56%属于适应性设计，20%属于参数化设计，只有24%属于创新设计。
某些标准化程度高的领域，参数化设计达到50%左右。
上述数据说明，工程技术人员的大部分时间和精力是消耗在重复性工作或局部小修小改之中了，不可能有充沛精力去从事创造性劳动，也不会有足够的时间去学习掌握新知识和新技能，久而久之，人的创造性思维能力也会随着日复一日、年复一年的重复、繁琐的劳动而萎缩。
尤其在市场竞争剧烈的条件下，很难适应发展的需要。
因此，使设计方法及设计手段科学化、系统化、现代化，实现CAD是非常必要的。
编制工艺规程是设计、制造过程中生产技术准备工作的重要环节，过去一直是工艺人员手工完成，不仅效率低，而且依附于人的技能和经验，很难获得最佳方案。
同时，与产品设计一样，也存在着繁琐而重复的密集型劳动束缚工艺人员、难以从事创造性开拓工作的问题。
因此，迫切需要CAPP技术。
再考察制造阶段的生产状况。
从机械制造行业来看，50件以下的小批量生产约占75%。
据统计，一个零件在车间的平均停留时间中，只有5%的时间是在机床上，而在这个5%的时间中，又只有30%的时间用于切削加工。
由此可见，零件在机床上的切削时间只占零件在车间停留时间的1.5%。
要提高零件的加工效率、改善经济性，就要减少零件在车间的流通时间和在机床上装卸、调整、测量、等待切削的时间。
而做到这一点必须综合考虑生产的管理、调度、零件的传送和装卸方法等多方面因素。
这需要通过计算机辅助人们作全面安排，控制加工过程。
上述设计、制造过程分析说明了CAD/CAM技术应用的可能性、必要性和迫切性。
思考题
1.简述CAD/CAM的基本概念。
2.简述CAD/CAM发展经历的阶段。
3.简述CAD/CAM系统的基本功能。
4.简述CAD/CAM系统的工作过程。
5.与传统设计制造方法相比，说明CAD/CAM的工作特点。
6.试分析采用CAD/CAM技术的优越性。
7.简述制造环境变化的新特点。
第二章CAD/CAM系统
学习目标:
在了解了CAD/CAM系统工作过程之后，学习系统的基本组成；了解硬件的类型、配置形式和软件种类、功能；掌握CAD/CAM系统的选用原则。
通过本知识点的学习，能够为一个具体部门（企业或公司），根据工作性质配置一个相对完整的CAD/CAM系统。
学习内容：
学习重点：
CAD/CAM系统的组成与分类；CAD/CAM系统选用原则。
学习建议:
∙参阅流行的电脑类报纸或杂志，了解市面软、硬件行情和相关技术发展动态；
∙积极参观各种计算机应用方面的展览，开阔眼界。
第一节CAD/CAM系统的基本组成与分类
CAD/CAM系统的基本组成
基本组成
所谓系统,是指为完成特定任务而由相关部件或要素组成的有机的整体。
一个完整的CAD/CAM系统必须具备硬件系统,软件系统。
一个CAD/CAM系统是由计算机、外围设备及附加生产设备等硬件和控制这些硬件运行的指令、程序及文档即软件组成,通常包含若干功能模块。
功能
∙存储大量程序、信息及快速检索的能力；
∙人机交互通信的操作功能；
∙输入、输出图形及信息的能力。
CAD/CAM系统的分类
独立式CAD/CAM系统
按照所用计算机的不同又可划分为以下四种类型：
网络分布式
第二节CAD/CAM系统的典型硬件
硬 件
定义
硬件是一切可以触摸到的物理设备。
硬件系统是实现系统各项功能的物质基础，它由计算机，存储设备，显示设备，人机交互设备和输出设备等组成。
1、主机
2、输入设备
3、输出设备
4、网络设备
服务器、工作站、电缆、网卡、网关、集线器、中继器、网桥、路由器等。
第二节CAD/CAM系统的软件系统
定义
支撑软件是在系统软件基础上开发出来的满足CAD用户一些需要的通用软件或工具软件，是CAD/CAM系统的核心。
主要内容
∙几何建模软件:
提供一个完整，准确地描述和显示三维几何造型的方法和工具。
具有消隐、着色、浓淡处理、实体参数计算、质量特性计算等功能。
举例：
Pro-E,UG等。
∙计算机辅助工程软件:
集几何建模，三维绘图，有限元分析，产品装配，公差分析，机构运动学，NC自动编程等功能分析系统为一体的集成软件系统。
由数据库进行统一的数据管理，使各分系统全关联，支持并行工程并提供产品数据管理功能，信息描述完整，协助用户完成大部分工作。
绘图软件:
具有基本图形元素（点、线、图）绘制等，图形变换（缩放、平移、旋转等），编辑（增、删、改等），存贮，显示控制以及人机交互，输入/输出设计驱动等功能。
举例:
AUTOCAD软件。
∙数据库系统软件:
能够支持各子系统中的数据传递与共享,其中工程数据库是CAD/CAM系统和CIMS系统中的重要组成部分。
举例:
INGRES,PB,ORACLE,SYBASE, FOXPRO等关系型数据库管理系统。
∙有限元分析软件：
可以进行静态、动态、热特性分析，通常包括前置处理、计算分析及后置处理三部分。
举例:
SAP,ANSYS等有限元分析软件。
∙优化方法软件：
将优化技术用于工程设计，综合多种优化计算方法，为选择最优方案、取得最优解、求解数学模型提供强有力的数学工具软件。
∙系统运动学/动力学模拟仿真软件：
在产品设计时，实时、并行地模拟产品生产或各部分进行的全过程，以预测产品的性能、产品的制造过程和产品的可制造性。
举例：
ADAMS机械系统动力学自动分析软件。
思考题
1.简要说明CAD/CAM系统的基本组成。
2.计算机在CAD/CAM系统中的作用是什么？
选择计算机主要考虑哪些性能指标？
3.CAD/CAM系统中常用的存储设备有哪些？
各有什么特点？
4.CAD/CAM系统中常用的输入设备有哪些？
各有什么特点？
5.CAD/CAM系统中常用的输出设备有哪些？
简要说明其工作原理和特点。
第三章计算机辅助图形处理
学习目标：
图形处理是CAD/CAM中的关键技术，要求学习者全面掌握图形处理技术的基础知识，包括图形生成、编辑和图形变换；学会使用典型的矢量绘图软件；学会编写简单的绘图程序。
学习内容：
学习重点：
图形的几何变换。
学习难点：
消隐算法。
学习建议：
∙在学习过程中，结合绘图软件，如：
AutoCAD2004的使用，加深对本知识点的理解；
∙注意利用课件中的功能，通过学习时的交互操作（例如图形生成）理解知识内容。
第一节图形的几何变换
一、二维图形变换
在二维空间中，图形变换矩阵可表示为：
其中a、b、c、d是对图形进行缩放、对称、旋转、错切等变换；c、f是对图形进行平移变换；p、q对图形进行透视变换；s是对图形进行整体伸缩变换。
当s<1时，图形被放大；当s>1时，图形缩小；当s=1时，图形大小不变。
即变换后的
坐标均为原坐标x，y的1/s倍。
二维图形的基本变换包括以下几种：
平移变换、比例变换、对称变换、错切变换。
实际上，图形变换中常常是相对于任意点或线变换。
解决这个问题的思路是这样的：
先将任意点移向坐标原点（任意线则移向与X或Y轴重合的位置），再用前述变换矩阵加以变换，最后反向移回任意点（任意线移回原位）。
可见，这是经过平移、某种变换、再平移的多次变换构成，而不仅仅是一种独立的变换，故而称为组合变换。
组合变换中，多个变换矩阵之积称为组合变换矩阵。
二、三维图形变换
和二维图形一样，用适当的变换矩阵也可以对三维图形进行各种几何变换。
对三维空间的点如（x，y，z），可用齐次坐标表示为（x，y，z，1），或（X，Y，Z，H），因此，三维空间里的点的变换可写为
其中[M]是4X4阶变换矩阵，即：
此方阵可分为四部分，其中左上角部分产生比例、对称、错切和旋转变换；左下角部分产生平移变换；右上角部分产生透视变换；右下角部分产生全比例变换。
三维图形的基本变换有：
三维比例变换、三维对称变换、三维错切变换、三维评议变换、三维旋转变换。
第二节图形的消隐技术
一、消隐的概念与作用
在使用显示设备描绘物体的图形时，必须把三维信息经过某种投影变换，在二维的显示表面上绘制出来。
例如，轴测图和透视图，就是通过轴测变换或透视变换，求出所有顶点的投影点，再把各点连结起来。
下图中第一个图形代表的是后边哪一个呢?
由于投影变换失去了深度信息，往往导致图形的二义性。
要消除二义性，就必须在绘制时消除实际不可见的线和面，习惯上称作消除隐藏线和隐藏面，或简称为消隐。
二、消隐算法的测试方法
针对不同的显示对象和显示要求，会有不同消隐算法与之相适应。
重叠测试
许多物体的投影是由若干个多边形构成的，将这些多边形两两判别，看它们是否有重叠部分，如果不重叠，说明它们肯定不互相遮挡。
这种方法就叫重叠测试。
包含性测试
测试点与多边形的包含关系有两种方法:
1.射线交点数算法 2.夹角求和算法
深度测试
深度测试是用来测试一个物体遮挡另一个物体的基本方法。
常用的有优先级测试和物体空间测试。
可见性测试
可见性测试主要用来判别物体自身各部分哪些部分没有被其自身其它部分遮挡即可见的，那些部分被其自身其它部分遮挡即不可见的。
三、常用消隐算法
根据消隐对象不同，消隐算法可分为两类：
若消除的是物体上不可见的线段，称为线消隐；若消除的是物体上不可见的面，称为面消隐。
根据消隐空间的不同，消隐算法又可分为两类：
∙物体空间的消隐算法 这类算法是将物体表面上的k个多边形中的每一面与其余的k-1个面进行比较，精确地求出物体上每条棱边或每个面的遮挡关系。
∙图形空间的消隐算法 在消隐算法中，图像空间就是上述的屏幕坐标空间。
这类算法对屏幕的每一像素进行判断，以决定物体上哪个多边形在该像素点上是可见的。
若屏幕上有m*n个像素点，物体表面上有k个多边形，则该类消隐算法的计算量将正比于m*n*k。
消隐的基本思想很简单，但要真正实现却要耗费很长的判别和运算时间。
消隐算法的处理效率将是决定能否被有效采用的关键。
第三节图形的裁剪技术
◆窗口
在计算机绘图中，常常遇到这样的情况：
不同时刻、针对不同目的、只关心整幅图形的不同部位，而对其它部分暂时不感兴趣，此时，希望关心的这部分图形能够尽量清晰地显示出来。
于是，大多数的图形软件都提供了这样一个功能：
即用户可以在输入的图形上选定一个观察区域。
这个观察区域被称为窗口。
下面图中的左侧方框就是窗口的一个例子。
在二维平面，通常定义窗口为一矩形区域，它的大小和位置在用户坐标上表示，用四个变量代表窗口左下角和右上角点的坐标，即：
◆视区
在显示窗口内图形时，可能占用整个屏幕，也可能设想屏上有一个方框，要显示的图形只出现在这个方框内。
那么，在图形输出设备上用来复制窗口内容的矩形区域被称为视区。
上面的动画右边的显示器是一个占整屏的视区的例子，它把左边窗口里的选择的图案按1:
1的比例复制到了视区里。
视区是一个与设备密切联系的概念，显示终端的平面和绘图仪的幅面都是用来表现图形的二维平面，而且是个有限的平面。
通常也用四个变量指示视区两个角点的坐标，即：
视区也可以嵌套，还可以在同一物理设备上定义多个视区，分别作不同的应用或分别显示不同角度、不同对象的图形。
◆窗口、视区变换
只有当定义的视区大小与窗口大小相同，而且设备坐标的度量单位与用户坐标的度量单位也相同时，二者之间才是1：
1的对应关系，而在绝大多数情况下，窗口与视区无论是大小还是单位都不相同。
为了把选定的窗口内容在希望的视区上表现出来，必须进行坐标变换。
视区与窗口的关系如下：
（a）视区不变，窗口缩小或放大时，显示的图形会相应放大或缩小。
（b）窗口不变，视区缩小或放大时，显示的图形会相应缩小或放大。
（c）视区纵横比不等于窗口纵横比时，显示的图形会有伸缩变化。
（d）窗口与视区大小相同、坐标原点也相同时，显示的图形不变。
窗口和视区的适当选用，可以较方便地观察用户的整图或局部图形，便于对图形进行局部修改和图形质量评价，还可以对图形进行放大或缩小，显示用户感兴趣的部分图形。
第四节图形的生成方法
一、图形的生成简介
一幅图最简单的几何成份是点和直线，此外还有曲线、多边形以及字符串等等。
为在输出设备上输出一个点，就要把应用程序中的坐标信息转换成所用输出设备的响应指令。
在图形设备上输出一条直线，是通过在应用程序中对这条直线端点坐标的描述，在输出设备上将一对端点间的路径加以描述来实现的。
二、图形的生成方法
1、轮廓线法
任何一个二维图形都是由线条组成，所谓轮廓线法，就是将这些线条逐一绘出，它只取决于线条的端点坐标，不分先后，没有约束，因而，比较简单,适应面也广，但绘图工作量大、效率低，容易出错，生成的图形无法通过尺寸参数加以修改。
右侧为一用轮廓线法生成图形的示意小程序。
按住鼠标在画板上拖动，就可以画出直线，它强调的仅仅是端点的坐标，直线之间没有约束关系。
（程序见电子课件）
2、参数化法
在实际应用中，人们常常面临系列化的设计，即基本几何拓扑关系不变，只变动形状尺寸，于是，人们创造了参数化法。
这种方法首先建立图形与尺寸参数的约束关系，每个可变的尺寸参数用待标变量表示，并赋予一个缺省值。
绘图时，修改不同的尺寸参数即可得到不同规格的图形。
如右侧示意小程序，输入不同尺寸参数，按回车键即可。
（程序见电子课件）
3、图形元素拼合法
图形元素拼合法类似于一种搭积木的方法。
将各种常用的、带有某种特定专业含义的图形元素存储建库，设计绘图时，根据需要调用合适的图形元素加以拼合。
图形元素拼合法要以参数化法为基础，每个图形元素实际上就是一个小参数化图形。
固定尺寸参数的图形元素在应用中没有使用价值。
4、尺寸驱动法
这是一种交互式的变量设计方法。
按设计者的意图，先将草图快速勾画于屏幕之上，然后根据产品结构需要，为草图建立尺寸和形位约束，草图就戏法般地受到这种约束的驱动而变得横平竖直起来，尺寸大小也一一对应。
5、三维实体投影法
工程师在进行零件结构设计时，首先在思维中建立起来的是一种三维物体模型，苦于没有一个形象描述、记录的工具和手段，因而只能将其画成二维图形；而在读图时，又要在头脑中还原图纸表示的三维物体。
如果开始设计时就在计算机三维环境下，则不仅能更直观、全面地反映设计对象，还能减轻设计时的负担，提高设计质量和效率。
这时，若要将三维设计结果以二维图纸形式输出，则只需利用三维几何建模软件系统提供的二维图投影功能就可方便地实现了。
思考题
1.简述计算机图形处理技术的种类。
2.简述二维图形变换的基本原理、方法、种类。
3.什么是窗口？
什么是视区？
在CAD/CAM中为什么要进行窗口视区变换？
4.为什么要进行图形裁剪？
第四章CAD/CAM建模技术
第一节建模的基本概念与要求
基本概念
建模就是以计算机能够理解的方式，对实体进行确切的定义，赋予一定的数学描述，再以一定的数据结构形式对所定义的几何实体加以描述，从而在计算机内部构造一个实体的模型。
在CAD/CAM中，产品或零部件的设计思想和工程信息是以具有一定结构的数字化模型方式存储在计算机内部的，并经过适当转换提供给生产过程各个环节，从而构成统一的产品数据模型。
模型一般由数据、数据结构、算法三部分组成。
基本要求
建模技术是系统的核心，建模的过程依赖于计算机的软硬件环境、面向产品的创造性过程。
建模技术应满足以下要求：
1.建模系统应具备信息描述的完整性
2.建模技术应贯穿产品生命周期的整个过程
3.建模技术应为企业信息集成创造条件
第二节线框建模
一、线框建模的基本原理
定义
线框建模是利用基本线素来定义设计目标的棱线部分而构成的立体框架图。
线框建模生成的实体模型是由一系列的直线、圆弧、点及自由曲线组成，描述的是产品的轮廓外形。
在计算机内部生成三维映像，还可实现视图变换及空间尺寸的协调。
数据结构
线框建模的数据结构是表结构，在计算机内部存贮的是物体的顶点和棱线信息。
下图为一立方体的线框模型。
表分别为立方体的顶点表和边表，构成该物体的线框模型的全部信息。
二、二维和三维线框模型
二维建模实质上是二维线框模型，它以二维平面的基本图形元素（如点、直线、圆弧等）为基础表达二维图形。
二维几何建模系统主要研究平面轮廓处理问题，它可以分为边式和面式两类系统。
所谓边式系统意味着只描述轮廓边，然后通过不同类型轮廓边的相互顺序实现绘图目的；所谓面式系统，是将封闭轮廓边包围的范围定义成一个平面，并作为一个整体来处理。
二维几何建模系统比较简单实用，同时大部分提供了方便的人机交互功能，所以如果任务仅局限于计算机辅助绘图或对回转体零件进行数控编程，则可采用二维建模系统。
但在二维系统中，由于各视图及剖面图是独立产生的，因此不可能将描述同一个零件的不同信息构成一个整体模型。
所以当一个视图改变时，其他视图不可能自动改变，这是它的一个很大弱点。
三维线框模型是二维线框模型的直接拓展
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