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简介
这是cad/cam技术ppt，包括了概述，计算机辅助设计(CAD)，计算机辅助工艺规程设计(CAPP)，计算机辅助数控加工编程(CAM/CANCP)，工程数据处理与工程分析 (CAE)，数据库技术(DBMS)，计算机辅助生产管理(CAPMS)等内容，欢迎点击下载。
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计算机辅助设计与制造 主要内容 1.概述 2.计算机辅助设计(CAD) 3.计算机辅助工艺规程设计(CAPP) 4.计算机辅助数控加工编程(CAM/CANCP) 5.工程数据处理与工程分析 (CAE) 6. 数据库技术(DBMS) 7.计算机辅助生产管理(CAPMS) 1.概述 1.1 基本概念 (1)计算机辅助设计(CAD ） (2)计算机辅助工程分析(CAE) (3)计算机辅助制造(CAM) (4)计算机辅助工艺规程设计(CAPP) (5)计算机辅助生产管理(CAPM) 1.1.1 计算机辅助设计(CAD) 计算机辅助设计（ Computer Aided Design，简称CAD)是设计人员在计算机系统的辅助下，完成产品从设计规划、方案设计、结构造型与工程分析、到详细设计（工作图样绘制和设计文件编制）的全过程。 其中计算机辅助工程分析又称CAE，（即 Computer Aided Engineering，简称CAE）是指计算机辅助下的各种工程分析计算，优化设计和计算机仿真等，多数情况下被视为CAD中的子系统． 所谓CAD技术，实际是CAD环境技术、设计方法学和具体产品的专业设计理论与技术的综合。 1.1.2 计算机辅助制造(CAM) 计算机辅助制造（ Computer Aided Manufacturing，简称CAM ）是指在计算机辅助下完成从生产准备到产品销售整个过程的各项活动。有广义CAM和狭义CAM之分。 （1）狭义CAM 主要内容为： A.计算机辅助工艺规程设计（CAPP） 计算机辅助工艺规程设计（ Computer Aided Process Planning，简称CAPP ）是在产品生产过程中，那些与将原材料变为成品直接有关的过程称为工艺过程。把工艺过程的有关内容用表格或文件的形式固定下来，成为机械加工工艺规程。 工艺规程的文件类型很多，主要是 机械加工工艺过程卡（用于单件小批生产） 机械加工工艺卡（用于成批生产） 机械加工工序卡（用于大批、大量生产） B.计算机辅助数控编程（CANCP） 计算机辅助数控编程（Computer Aided Numerical Control Programming，简称(CANCP）主要指数控机床加工程序的编制，也包括自动测量机和工业机器人作业程序的编制。 C.工装CAD 主要是计算机辅助下的专用夹具、模具、刀具、量检具的设计 （２）广义ＣＡＭ 主要内容： A.狭义CAM的各项任务； B.计算机辅助生产管理（CAPM） 计算机辅助生产管理（Computer Aided Production Management，简称CAPM），就是针对生产管理的任务和目标的要求，及时、准确地采集、存储、更新和有效地管理又生产有关的产品信息、制造资源信息、生产活动信息等，并进行及时的信息分析、统计处理和反馈，为生产系统的管理决策提供快捷、准确的信息资料、数据和参考方案。 内容包括工厂生产计划、车间作业计划和物料供应计划的制定与管理、以及库存管理、销售管理、财务管理、人事管理和技术管理等。 1.1.3 计算机信息集成 所谓计算机信息集成，是指不同计算机及其功能模块之间的信息自动交换与共享，其目的是最大限度地减少数据的反复人工输入与输出，减少失误，提高工作效率，保证信息的正确性和一致性。 因此，集成化地使用计算机，实现信息共享，也是当代计算机应用的基本理念。 CAD/CAM集成，是指在CAD、CAPP、CAM各模块之间有关信息的自动传递和交换，实现信息共享。 集成化的CAD/CAM系统能够借助于公共的工程数据库（如产品数据库PDM）、网络通信技术、以及标准格式的中性文件接口，把分散于机型各异的计算机中的CAD/CAM模块高效地集中起来，实现软、硬件资源共享，保证系统内信息的流动畅通无阻。 1.1.3 计算机信息集成 利用数据传递和转换技术实现CAD与CAPP、CAM集成的基本工作步骤如下： ① CAD设计产品结构、绘制产品图样，为CAPP、CAM过程准备数据； ② 经数据转换接口，将产品数据转换成中性文件(如IGES、STEP文件)； ③ CAPP系统读入中性文件，并将其转换为系统所需格式后生成零件工艺过程； ④ CAD、CAPP系统生成数控编程所需数据，并按一定标准转换成相应的中性文件； ⑤ CAM系统读入中性文件，并将其转换为本系统所需格式后生成数控程序以及各种生产管理文件等。这样所形成的集成系统表达为CAD/CAPP/CAM，也可简写为CAD/CAM。 随着信息技术的不断发展，为使企业产生更大效益，又有人提出集成化地使用企业内各部门的计算机，要把企业内所有的分散系统集成起来，实现信息共享。这一设想不仅包括生产信息，也包括生产管理过程所需全部信息，从而构成一个计算机集成的制造系统(CIMS—Computer Integrated Manufacturing System)。CAD／CAM技术是计算机集成制造系统的核心。 1.2 CAD/CAM的技术特点 1.2.1 优越性 (1) 提高产品设计与制造的水平、质量和效率，缩短产品交货期，降低成本，提高市场竞争力; (2) 把工程技术人员从烦琐的事务性工作中解放出来，从事创造性劳动. 1.2.2 注意事项 初始投资大，对各类人员素质要求高，要求人机协调，各类专业的技术人员紧密配合，协调工作等. 目前我国开展CAD/CAM的成功因素是“三分技术，七分人才，十二分数据” 1.3 硬件环境 主要是网络化微机系统，也可以用工作站（超型微机）作为服务器.其它类型如主卫系统，工作站系统已被取代。 具体构成包括：主机及普通外设，图形输入、输出设备，生产设备，网络设备等。 1.3.1 主机及普通外设 （1） 主机：CPU（PENTIUM Ⅳ）性能决定字长 ，主频高低和内存大小. （2）显示器：光栅式 （Cathode Ray Tube，CRT）或液晶式（Liquid Crystal Display，LCD）； （3）外存：硬盘（海量），软盘（可能被淘汰），光盘，U盘，移动硬盘； （4） 键盘：字符键，功能键 （5）鼠标器（定标设备）开始专为CAD 配置，现在已成为计算机的通用外设。 （6）打印机：针式、激光式、喷墨式打印机，可打印文本、图形及图象。 （7）语音输入设备 （8）图象扫描仪 1.3.2 图形输入设备 主要是大型图象扫描仪。其他如光笔，数字化仪等普及率很低，数据手套在研制中。小型图象扫描仪已成为普通外设。 由于图象扫描仪输入的图象是点阵图，必须经矢量处理后，才能被CAD系统采用。 1.3.3 图形输出设备 主要是喷墨式绘图机：有平台式，滚筒式，其工作原理与数控机床相同。笔式已淘汰。 1.3.4 生产设备 主要是CNC机床，工业机器人，自动测量机和自动物流设备等。 1.3.5 网络设备 CAD/CAM系统网络是建立在一些互相连接的设备基础之上，包括硬件和软件系统。其硬件系统的构成如下： （1）服务器和工作站：连接到网络上的计算机一般称为工作站，其中运行网络操作系统及提供文件、通讯和打印等服务的大负荷计算机称为服务器，其工作量是接受网络服务的普通工作站的几倍甚至几十倍。 （2）电缆：有细同轴电缆、粗同轴电缆、双绞线和光纤等多种类型。 （3）网卡：通讯适配器，决定网络性能。 （4）集线器（HUB）：又称集中器，为了克服总线机构网络布线困难和易出故障而引入。 （5）中继器：是一种附加设备，工作在物理层，用以放大电缆上的信号以便增加传输距离。 （6） 网桥：能够连接相同或不同网段以平均各网段的负荷。 （7）路由器：作为连接广域网WAN的端口设备，可连接多个独立的网络和子网，实现互联网间的最佳寻径。 （8）网关：用于连接两个协议差别很大的计算机网络。 1.3.5 CAD/CAM系统硬件布局的形式 依据CAD/CAM系统总体配置及组织方式的不同，其布局形式宏观上可以归纳为两种基本类型. (1)主机系统（大、中型计算机+终端） 这类系统以一个主机为中心，可支持多个终端运行，共享一个CPU，这种系统的优点是用户共享主机系统的资源。系统可装备中心数据库，通过数据库管理系统集中管理和维护全部数据；可配置较大的内存和外存以及高精度、高速度、大幅面的图形输入输出设备；可运行规模较大的支撑软件和应用软件，将设计、计算、绘图、分析等工作结合起来，进行复杂的作业。但价格昂贵，已很少采用，仅用于大型工程与管理系统。 (2)工程工作站系统 工作站是介于个人机与小型机之间的一种计算机，又称超级微机，通常具有较高的性能。工作站的性能包括：具有良好的人机界面，CPU的运算速度在2 Mips以上，具有32位以上的微处理器，支持高分辨串彩色图形显示器，同时可支持高技术指标的外围设备及网络环境。曾经是CAD／CAM的主要硬件环境，当前已被PC机所代替，主要用于分布式微机系统的服务器。 (3)个人计算机系统 个人计算机即通常所说的PC机。与前述几类系统相比，PC机成本低廉，运算速度和处理能力相对较低，但随着微机硬件技术的提高以及软件开发水平的提高，PC机上的CAD／CAM系统也逐步显示出其独特的优势，成为当前CAD/CAM系统的主流。PC机的优势表现在：硬件配置与工程工作站的差距越来越小；PC上的CAD系统已从单纯的简单计算、二维图形处理系统发展为具有三维交互设计、实体建模、有限元分析、优化设计等功能的综合设计系统。 (3)个人计算机系统 特别是利用计算机技术与通讯技术将分布于各处的微机以网络形式连接起来的分布式系统，通过网络软件提供的通讯功能，结点之间可进行信息通讯和交互，实现CAD/CAM任务所需的软硬件资源共享。如大型自动绘图仪、激光打印机等硬件设备，也能共享某些公共的应用软件及数据文件。这类系统的配置和开发投资可逐步进行，易于扩展，有利于逐步提高CAD/CAM系统的技术性能，有利于各专业同时进行复杂的、需要处理大量信息的工程工作。 1.4 软件系统 计算机软件是指控制CAD／CAM系统运行，并能使计算机发挥最大功效的计算机程序、数据及相关文档资料等的总和。由前述CAD／CAM系统的组成可知，它利用软件来实现有效地管理和使用硬件以及人们所希望的各种功能要求。软件包含了应用和管理计算机的全部技术，软件水平是决定CAD／CAM系统的功能、工作效率及使用方便程度的关键因素。 程序是指挥硬件工作的指令的集合，是软件的主要内容，相关的文档(如系统设计说明书、使用说明书等)也是软件的重要内容，只有具备了合格、完整的文档资料，软件才能具有真正的价值，才能实现商品化。 CAD/CAM的软件系统可分为三个层次：系统软件、支撑软件和应用软件。 1.4.1 系统软件 系统软件是支撑软件和应用软件的基础，具有通用性和基础性，主要包括操作系统、编程语言、网络通讯和管理软件系统三大类型。 （1）操作系统 是最基础的计算机软件，直接依赖计算机的硬件系统，其它任何程序 都操作系统分配必要的计算机资源后才能执行。主要有微机的Windows、UNIX，工作站的UNIX、VMS等。 （2）编程语言系统 计算机编程语言是用户将要完成的任务转化为计算机所能识别并执行的作业的基本工具，一般分为低级语言和高级语言. 低级语言主要指汇编语言，是一种与计算机硬件相关的指令符号，不便记忆，但执行速度快，用于开发最低层的功能.如Intel8088的汇编指令. 高级语言是一种与自然语言比较接近的编程语言，与具体计算机无关，但需经编译和与有关函数库连接后才能执行.种类很多且不断发展，如FORTRAN， BASIC，现在流行的是C，VC++，VB等. 1.4.2 机械CAD/CAM的支撑软件 所谓支撑软件 不是针对具体的应用对象，而是为某一应用领域的用户提供的通用工具和开发环境，一般可以从市场上购买。 类型很多：图形系统，工程分析系统，数据库管理系统，数控编程系统，工艺规程设计系统，生产管理系统等。 1.4.2.1图形系统 图形系统是CAD系统的核心，其功能是正确、高效 地对产品及其零部件进行描述，满足对产品及其零部件进行分析和加工制造的要求，并能提供相关数字化信息，满足信息集成的要求。主要功能为： (1) 二维绘图：点、直线、圆、弧、解析曲线、样条曲线等图形元素的生成、编辑修改、显示、查询、标注及自动绘制。如CAXA二维电子图板。 (2)机械零件的 三维建模，包括线框模型、表面模型、实体模型以及参数模型和特征模型等的生成、修改、投影和渲染处理等。 (3)装配模型：产品或组件的生成与修改等。（比较薄弱） (4)应用接口 ：用于信息集成的各种数据接口，如:DXF（图形数据交换文件接口），IGES、step（原始图形数据交换标准），DWG等。 1.4.2.2 计算机辅助数控编程(CANCP) （1）数控语言型 用高级语言对零件的几何形状和走刀路线进行宏观定义，由计算机进行复杂的计算和判断，生成刀位轨迹文件后，经后置处理生成适合具体CNC系统的G 代码程序。其代表系统为APT系统。APT系统在我国没有普及，以为人机交互图象编程技术所代替。 （2）数字化编程 通过对零件模型或图形进行测量或扫描后，由计算机生成程序。该方法费用昂贵，因此应用较少。 （3）人机交互图象编程 又称CAD/CAM 一体化编程，是当前计算机辅助数控编程的基本方法。 其工作原理是首先采用CAD图形功能，构造出零件的几何形状，然后启动数控加工编程功能，依次通过菜单和对话框，选择加工方法、输入刀具参数和切削用量，用光标在零件图上拾取加工路线、进刀点和退刀点，由系统自动生成刀位轨迹文件，最后利用后置处理功能，生成指定数控系统的加工程序，并可对刀位轨迹和加工程序进行图形仿真检验和编辑修改。这种编程方法是在图形状态下人机交互完成，形象、直观、高效，实现CAD与CAM的信息集成。 支持系统很多：如：MasterCAM，UG，PRO/E（creo）、solidworks、CATIA 等。 1.4.2.3工程数据处理系统 （1）数据库管理系统（DBMS） 建立数据库，将各种数据进行结构化组织，由DBMS统一管理，保证信息的独立性、完整性、安全性和共享性。如ACCESS，SQL –SERVER， Oracle等 （2）数据表格化处理与分析计算系统 在 CAD/CAM作业过程中，随时都有大量数据表格化处理和分析计算工作，电子表格处理软件EXCEL除了制表功能外，还具有函数和公式功能，可在无须编写程序的情况下完成工程中常用的分析与计算。 1.4.2.4计算机辅助工程分析系统 （1）有限元分析系统（FEA） 利用专业的有限元分析系统，对产品或零、部件进行强度、刚度、振动和热变形等机械分析或其它工程分析。其数据的输入和输出都应通过图形化的前置处理和后置处理自动、高效地完成。 （2）优化设计软件 选择优化方法，建立优化数学模型，通过计算机进行分析求解，获得最佳设计方案。 （3）计算机仿真系统 将实际系统抽象描述为计算机求解的仿真模型，进行仿真实验并显示结果，用于解决一般方法难以解决的大型系统问题，替代难以或无法实施的试验，如产品的运动学仿真、动力学仿真、加工过程仿真和生产过程仿真等。 1.4.2.5 计算机辅助工艺规程设计系统 (CAPP) CAPP的任务是根据零件的几何特征和工艺特征，生成零件的工艺路线和工序卡。作为支撑软件，应提供检索式、派生式或创成式等不同工艺设计方法的支撑环境。由于工艺规程设计是复杂的计算机问题，而且不同企业的设备和生产情况差别很大，使得具有通用性的CAPP的支撑软件的开发有较大难度。 目前，我国的开目CAPP和CAXA/CAPP已具有一定通用性，可作为工具软件供企业开发CAPP使用。 1.4.2.6 计算机辅助生产管理系统(CAPM) 近年来，计算机技术在生产管理与控制中的应用日益广泛。在技术上大致经历了以下三个阶段： （1）基于物料需求计划（MRP，Material Requirement Planning）的生产管理系统，是基于物料库存计划管理的生产管理系统。 （2）基于制造资源计划（MRP-II，Manufacturing Resources Planning）的生产管理系统，在MRP的基础上，增加了生产能力计划、生产活动控制、采购及财务管理等功能。 （3）基于企业资源计划（ERP，Enterprise Resources Planning）的生产管理系统，整合了离散型生产和流程型生产的特点，包含了供应链上所有的主导和支持功能，协调企业各个管理、生产部门围绕市场导向，更加灵活或柔性地开展业务活动。 针对上述三种类型，特别是第二种类型，我国已引进和开发了一些生产管理系统软件，可作为企业的应用开发平台。 1.4.3 机械CAD/CAM的应用软件 1.4.3.1 基本任务 针对具体要求，对支撑软件进行二次开发（即应用开发），方便使用，提高效率。内容包括： （1）专业图表和数据的电子信息化处理。进一步建立数据库，包括各类产品设计、工艺设计、加工制造、生产管理的数据资源。 （2）建立图形库，包括人机交互图形和参数化图形库； （3）建立程序库：各种分析计算程序； （4）自行建立用户界面，开发各种旨在提高工作效率的专用命令和菜单等。 1.4.3.2 注意事项 （1）大项目要统一规划，分步实施； （2）小项目要坚持不懈，日集月累； （3）注意成果共享，减少低水平重复； （4）注意遵守软件工程规范。软件工程规范内容很多，主要是模块化设计和建立软件的说明文挡（设计说明书和使用说明书）两项。 2.图形系统 是CAD/CAM，特别是CAD的基础，是众多CAD系统的核心功能。早期是二维功能，现在的三维功能已相当完备。一般把前者称为绘图，后者称为建模。 2.1 CAD 的建模技术 建模技术是将现实世界中的物体及其属性转化为计算机内部可数字化表示，可分析、控制和输出的几何形体的方法。 在CAD/CAM中，建模技术是产品信息化的源头，是定义产品在计算机内部表示的数字模型、数字信息及图形信息的工具，它为产品设计分析、工程图生成、数控编程、数字化加工与装配中的碰撞干涉检查、加工仿真、生产过程管理等提供有关产品的信息描述与表达方法，是实现计算机辅助设计与制造的前提条件，也是实现CAD/CAM一体化的核心内容。 CAD的模型类型包括：线框模型，表面模型，实体模型， 参数和变量模型，特征模型等 2.1.1 线框建模（WIREFRAME MODELING） 2.1.1.1概述 （1）基本定义 仅用形体的顶点和棱边对形体进行描述的造型方法，如一个六面体用8个顶点和12条棱边表示，一个四面体用4个顶点和6条棱边表示，是最简单的三维形体。零件的二维投影图可视为线框模型（的特例）。 （2）特点 数据结构简单，只有相应的点表和线表，数据量小，计算简单，计算机响应速度快。但对形体的表达有二义性（如圆柱的棱边，凸台与空腔等，表达的不清楚）。 （3）棱边类型 简单的棱边是直线段、圆和圆弧；其他复杂曲线，在CAD中它们一般都表示成样条曲线。 2.1.1.2 样条曲线 （1）基本概念 解析曲线：可以用简单的运算式、表示成显函数、隐函数或参数方程式，如各种二次曲线。 样条曲线：可根据任意离散点进行构造，但只能用参数方程表示的曲线。又称为自由曲线。其构造方法是由两点间的曲线段联结而成，因此又称为合成曲线。对样条曲线和样条曲面进行定义和处理已是多数CAD/CAM系统的基本功能。除圆弧之外的其他二次曲线，一般也按样条曲线处理。 常用样条曲线有：三次参数样条，又称弗格森（Ferguson）曲线或三次厄米特（Hermite）曲线、贝塞尔曲线(Bezier)、B样条曲线和非均匀有理B样条曲线（NURBS）等。 2.1.2 表面模型（SURFACE MODELING） 2.1.2.1 概述 （1）基本定义 在线框模型的基础上增加表面的定义（即面表），如一个六面体的表面模型除用8个顶点和12条棱边表示外，还要增加六个平面的定义。 （2）特点 数据结构比较简单，基本消除了二义性，并可方便地进行剖视处理。 （3）曲面类型 平面，线形拉伸面，直纹面，旋转面，放样面，导动面和样条曲面（网格面）等，样条曲面有COONS（孔斯）曲面、BEZIER（贝塞尔）曲面，B样条曲面，NURBS曲面等。 2.1.2.2 样条曲面 与样条曲线相对应，有COONS曲面、BEZIER曲面，B样条曲面，NURBS曲面。 2.1.3实体模型（SOLID MODELING） 2.1.3 .1基本定义和特点 不仅具有物体顶点、棱边和表面的定义，而且定义了表面的哪一面存在实体，可以毫无二义性的完整的表达物体，特别是可以生成真实感图象、进行运动分析、干涉检查、有限元分析、机器人和数控加工编程等。 2.1.3.2 造型的基本方法 主要有：扫掠法（Sweeping） 边界表示法（B-Rep）， 构造立体几何法（CSG）和空间单元表示法等。 （1） 扫掠法（Sweeping） 用平面图形或简单物体，沿一条轨迹曲线运动所扫出的空间来描述一个物体形状的方法。有平移扫描和旋转扫描两大类，使用比较方便。 （2）边界表示法（B-Rep，即Boundary Representation） 是用实体的边界即若干封闭的平面或曲面表示形体的方法。这种方法包含点、线和面的信息，便于表示形状复杂的物体，易于同二维绘图系统和曲面建模软件相关联。 ２.１.４参数化和变量化模型 （１）参数化模型 对形状相似但尺寸不同的图形或形体定义尺寸参数，改变参数的赋值便可生成不同的形体，以便提高设计速度。多数ＣＡＤ／ＣＡＭ系统都具有该功能，又称为尺寸驱动功能。 实践中，修改参数占设计工作的60~80%，特别是系列化产品和标准件设计。 （２）变量化模型 定义零件设计的约束变量，如最小壁厚、最小强度等变量，通过求解约束方程组来确定零件尺寸。该方法较参数化方法复杂，应用较少。 ２.１.５特征化模型 （１）基本思想 所谓特征是指从工程对象中高度概括和抽象后得到的具有工程语义的功能要素。特征建模即是通过特征及其集合来定义、描述零件模型的过程。 三维实体模型完整、准确地定义了三维实体的几何和拓扑信息，但缺少产品开发过程中所需要的诸如材料种类与性能、尺寸和形位公差、表面粗糙度、热处理等加工信息，因而对于一个零件而言，其定义是不完整的。此外，三维实体模型虽然提供了点、线、面和体素拼合这样等几何构形手段，而设计和加工所面对的往往是有着明确工程语义的功能要素或称特征，如孔、槽、凸台等，它不仅包含了确定的几何信息，还包含有材料、形位公差、粗糙度、装配要求以及工艺等各种属性。
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