1、CAD/CAM教師(jiosh)：孫晶機械工程學院自動化技術研究所辦公室：機械工程學院東樓40384708421 / QQ：151603125共六十八頁CAD/CAM Computer Aided Design 計算機輔助設計(shj) Computer Aided Manufacturing 計算機輔助制造 Computer Aided Management 計算機輔助管理 共六十八頁第一章 CAD/CAM概論(giln) 1.1 什么是機械設計1.2 CAD/CAM的發展(fzhn)回顧1.3 CAD/CAM的發展趨勢1.4 CAD/CAM的基本概念 1.5 本門課程的主要任務共六十八頁1

2、.1 什么(shn me)是機械設計所謂機械設計就是根據使用要求確定產品應該具有的功能(gngnng)，構想出產品的工作原理、運動方式、力和能量的傳遞、結構形狀以及所用材料等事項，并轉化為具體的描述，例如圖紙和設計文件等，以此作為制造的依據。機械設計是機械工程的重要組成部分，是機械生產的第一步，是決定機械性能的最主要因素。 機械設計的過程包括：概念設計 concept design詳細設計 detail design制造設計 manufacturing design反饋過程 feedback processing共六十八頁概念設計階段(jidun)具有以下三方面的特點:該階段所設計的機械都是以

3、其特性及與其它機械之間的關系等外部特征出現：利用設計概念并以其為主線貫穿全部設計過程；設計要求通常都是定性的而不是定量的：由粗到精、由模糊到清晰、由抽象到具體的不斷進化的過程；概念設計的過程并沒有一定的程式，而是隨著設計問題和約束的特殊性、設計者的考慮等因素(yn s)而變化的，是螺旋形的設計過程。共六十八頁經過長達4年的研究，MIT媒體實驗室智能城市研究組的領導者的Bill Mitchell教授領導的建筑師和工程師小組開發(kif)了一種新型MIT汽車。 MIT智能(zh nn)汽車Smart City, Smart Car City CarBill Mitchell：希望他的團隊跳出傳統的

4、思維，從不同的角度來進行設計，而不是受到傳統汽車設計師所面臨的不同外部因素的限制。 Franco Vairani：希望以城市設計的觀點來設計汽車如果汽車來適應現有的城市會怎樣呢（替代城市適應汽車的觀點）？ 共六十八頁設計概念：超市購物車沒有傳統意義上的引擎：電動機器人車輪（可充電，太陽能和風能 ），三百六十度旋轉的車輪節省空間： 8 2與5 0 4自定義：安全手指、車身顏色(yns)、可變儀表盤、材料共六十八頁左上：日產Pivo 2 （車門(chmn)開啟、人車相處）右下：豐田iQ （降低車身輻射、車長不到3米、可以坐3+1個人）2008北京(bi jn)車展概念車共六十八頁長城歐拉兩人座電機

5、驅動（48V直流電機）一次充電可行駛140公里(n l)，時速65公里/小時零污染（零排放）超低運行成本共六十八頁2013版長城歐拉蛋殼式造型車身(ch shn)羽翅式車門開啟家用電源充電共六十八頁摩托車車龍頭替換方向盤，沒有油門和離合(l h)，都由龍頭控制 兩扇車門向后開啟，方便后排乘客出入 前擋和車頂為整塊玻璃，帶有太陽能電池板 后視鏡被兩個攝像頭和座艙內的兩個液晶顯示屏替代 標致BB1概念車 摩托車和微型(wixng)轎車的結合體共六十八頁2009法蘭克福(f ln k f)車展概念車豐田普銳斯插電式混合(hnh)動力概念車2010年提供150輛普銳斯插電式混合動力車用于車隊使用 共六

6、十八頁大眾汽車首發(shu f)世界上最省油的汽車TDI柴油直噴發動機和電動機混合動力驅動碳纖維強化材料的車身僅重124KG，風阻系數為0.195 時速160公里小時(xiosh)，油耗1.38升百公里二氧化碳排放量36g/km，創世界紀錄 共六十八頁2010 日內瓦車展 Tesla 電動(din dn)概念車 2010 巴黎(b l)車展 起亞Pop概念車 2010 底特律北美車展 大眾捷達概念跑車 2010 紐約車展 斯巴魯翼豹概念車共六十八頁2011 日內瓦車展 雷諾Captur概念車 2011 日內瓦車展 鈴木G70概念車 2011 底特律北美車展 起亞概念車 2011 紐約(ni y

7、u)車展 雷克薩斯LF-Gh概念車 共六十八頁星際大戰三部曲：西斯大帝(d d)的復仇 華裔概念(ginin)設計師：朱峰之機械篇 共六十八頁共六十八頁阿凡達的概念設計 共六十八頁BanShee從草圖(cot)到3D模型效果 共六十八頁鳥巢(nio cho)概念設計方案：用來孕育與呵護生命的“鳥巢(nio cho)”，寄托著人類對未來的希望 鳥巢(nio cho)概念設計方案之修改：去掉頂蓋，但是保持原有的設計概念不變共六十八頁反饋原本是一種(y zhn)控制系統的方法，該方法將系統的輸出作用于系統的輸入共六十八頁反饋設計(shj)之一：MIT的100美元筆記本共六十八頁反饋：最終的實機對轉軸

8、部分進行了修改(xigi)，把鍵盤獨立出來。共六十八頁北京第一機床廠：XHAD24系列定梁龍門加工中心，根據用戶反饋意見可以去掉刀庫，生產(shngchn)XKAD系列數控定梁龍門鏜銑床 附件銑頭：根據用戶工藝分析，制造各種附件銑頭，以適應工件特殊部位或者(huzh)復雜型面的加工，比如窄直角附件銑頭 、斜角附件銑頭等 反饋設計之二：機床設計共六十八頁1.2 CAD/CAM的發展(fzhn)回顧 *形成期 *發展期 *成熟期 *集成(j chn)期共六十八頁形成期（1950s）1946年和1952年，世界上第一臺電子計算機和世界上第一臺數控銑床相繼誕生數字(shz)計算機：使不可能變為可能數

9、控 銑 床 ：直接推動了CAD在人們頭腦中的構想共六十八頁1946年，美國賓夕法尼亞大學研制(ynzh)成世界上第一臺電子計算機 ENIAC(Electronic Numerical Integrator And Calculator)電子管計算機。 占地面積170m2，重30噸，由18800只電子管、1500個繼電器、70000只電阻以及(yj)其它元件組成，耗電量140kw/h，5000次/s的加減運算，等于手工計算的20萬倍。共六十八頁生于1946主要用途名揚四海(mng yng s hi)五十年后共六十八頁左上：兩位發明人Mauchiy和Eckert 右上：ENIAC的電子管左下：EN

10、IAC的內部(nib)電線 共六十八頁我國從57年開始研制通用數字電子計算機，58年8月1日該機可以表演短程序運行，標志著我國第一臺電子計算機誕生。為紀念這個日子，該機定名(dng mng)為八一型數字電子計算機，后改名為1 0 3型計算機，共生產38臺。 103機 共六十八頁共六十八頁1952年，美國麻省理工學院研制(ynzh)出第一臺數控機床(三坐標數控銑床)。不描述(mio sh)走刀軌跡，而通過直接描述(mio sh)零件本身來實現數控編程共六十八頁發展期（1960s）1963年，MIT的Ivan Sutherland開發(kif)出第一個人機交互式圖形系統:Sketchpad 標志C

11、AD誕生！共六十八頁計算機圖形學之父：Ivan Sutherland(1938-) 光輝的學生時代； TX-2計算機上的夢想實現； 頂尖會議上小博士的一語驚濤：偉大的CAD時代的開創； DARPA和哈佛的工作成就：頭盔式顯示器和虛擬現實技術(jsh)； 創立了Evans & Sutherland公司； Sun Microsystems公司研究員、高級顧問、副總裁。Ivan Sutherland在TX-2的控制臺前演示(ynsh)Sketchpad計劃,MIT,1963年共六十八頁共六十八頁成熟期（1970s 1980s ）1970s：實體造型(zoxng)技術的發展和廣泛應用1980s：CAD

12、/CAM技術在不同領域以及不同國家的推廣基于(jy)UG的錨鏈實體造型 基于ProE的圓柱齒輪實體造型 集成期（1980s至今 ）CAD、CAM各自對設計和生產所產生的巨大推動作用已被認同，加之設計和制造自動化的需求，出現了集成化的CAD/CAM系統共六十八頁1.3 CAD/CAM的發展趨勢 集成化：計算機集成制造系統（Computer Integrated Manufacturing System） 智能化 ：專家系統CAD（Intelligent CAD） 標準化 ：工業標準化問題 開放性 ：適應(shyng)各種復雜的工作平臺共六十八頁計算機集成制造系統 （Computer Integr

13、ated Manufacturing System）提出：1973年，美國科學家J.Harrington ；核心思想：企業的生產組織(zzh)和管理中的兩個觀點系統和信息；定義：將信息技術、現代管理技術和制造技術相結合，并應用于企業產品全生命周期（從市場需求分析到最終報廢處理）的各個階段。通過信息集成、過程優化及資源優化，實現物流、信息流、價值流的集成和優化運行，達到人（組織、管理）、經營和技術三要素的集成，以加強企業新產品開發的T（時間）、Q（質量）、C（成本）、S（服務）、E（環境），從而提高企業的市場應變能力和競爭能力。共六十八頁CIMS的組成：四個功能(gngnng)分系統和兩個支撐分

14、系統管理信息分系統設計自動化分系統 制造自動化分系統 質量保證分系統 計算機網絡分系統 數據庫分系統CIMS技術的發展趨勢：集成化、智能化、全球化、虛擬化、標準化和綠色化。共六十八頁清華大學(qn hu d xu)機械工程系小型CIMS教學實驗系統 1臺CNC車削(ch xu)中心, 1臺CNC立式銑中心, 3臺機器人, 1條物料輸送系統, 1個自動儲藏和提取系統, 1臺自動定位物料輸送小車, 1臺微型三坐標測量儀, 計算機控制以及管理系統 共六十八頁專家系統是一個具有智能特點的計算機程序，能夠在特定的領域內模仿人類專家思維(swi)來求解復雜問題。專家系統必須包含領域專家的大量知識，擁有類似

15、人類專家思維的推理能力，并能用這些知識來解決實際問題。動物(dngw)識別專家系統的決策樹共六十八頁為了(wi le)將 ISO 最新齒輪強度和精度標準及國內外一些著名的齒輪專家的設計思想、方法和經驗都融合到一個軟件中，從1996年起，Beijing Industry Automation Technology Co. Ltd與一些研究院合作，開發出 XTGDES-齒輪設計專家系統。 共六十八頁2004年10月25日，中法兩國研究人員在武漢聯合宣布，“鄖縣人”頭骨三維復原研究取得成功。圖示為使用現代計算機技術結合頭骨復原專家系統(zhun ji x tn)對頭骨化石進行的三維重建。CAD技術人

16、骨復原考古技術=鄖縣人頭骨三維重建復原專家系統復原成功的頭骨模型(mxng)(左)與復原前的頭骨化石(右)。 共六十八頁基于灰度值的非對稱等離子體(dnglzt)弧形貌的三維重建 共六十八頁1.4 CAD/CAM的基本概念市場需求分析(fnx) 產 品產品設計階段(jidun)工藝設計階段生 產 階 段CAD/CAECAPP狹義CAMingCAMent廣義CAMing工程設計詳細設計結構設計與分析概念設計任務規劃工裝設計工序設計工藝路線規劃毛坯設計性能測試分析質量控制NC加工加工仿真NC編程共六十八頁CAD技術(jsh)計算機輔助設計泛指設計者以計算機為主要工具對產品進行(jnxng)設計、繪

17、圖、工程分析與編撰技術文檔等設計工作的總稱，是一項綜合性技術。Computer Aided Drawing/Drafting Computer Aided Design共六十八頁CAMing技術(jsh)計算機輔助制造(Computer Aided Manufacturing)，分為廣義和狹義廣義CAM：利用(lyng)計算機輔助完成從毛坯到產品制造過程中直接和間接的各種活動，是CAD/CAE/CAM/CAPP的高度集成；狹義CAM：僅指數控程序的編制。共六十八頁OrthoScan掃描(somio)腳型：將腳放入連接著電腦USB接口的3D腳型激光掃描儀中 OrthoLast 矯形鞋楦設計：參照

18、腳型從數據庫中選擇一個(y )已有的楦型，設計出一個(y )與腳型吻合的新鞋楦。保存為用戶定制設計的新鞋楦并輸出到OrthoDesign進行3D鞋面設計，或輸入到OrthoStyle進行3D鞋款設計。Delcam CRISPIN Orthopaedic 矯形鞋和定制鞋 CAD/CAM 系統共六十八頁藝術雕刻和造型(zoxng)完整CAD/CAM解決方案Delcam ArtCAM Pro 通過矢量或位圖數據設計三維產品具有先進的造型功能 可以編輯和修剪讀入的藝術圖形 提供完整的浮雕文件(wnjin)素材庫，可在設計中任意調用提供加工策略，包括多個2D和3D刀具路徑策略 共六十八頁直觀簡潔：掃描完

19、成后，使用 Delcam 把掃描數據輸入到DentCAD系統。易學易用：使用者通過渲染、剖切截面等可視化功能檢查3D模型的準確性。操作靈活：關聯造型技術允許在設計過程中的任何階段修改設計參數。交互操作：虛擬蠟刀工具可在模型上堆積或去除材料，編輯工具可抓取并交互 變形模型?？焖俑咝В菏褂脩糨斎胙揽茠呙钄祿笤趲追昼娭畠染屯瓿烧麄€設計。精確產品：在最終制作前，使用分析工具檢查修復模型質量，確保(qubo)模型牙冠和 牙橋與掃描數據精確匹配，給患者提供完美產品。Delcam DentCAD3D牙科專業CAD設計(shj)系統 共六十八頁Delcam DentMILL35 軸牙科專業(zhuny)CA

20、M加工系統加 工 方 案：4軸和5軸加工模塊適于加工復雜形體。全自動刀路生成：使用戶根據提示自動完成加工編程，DentMILL自動根據模 型和加工條件選取最有效的加工策略。完整的毛坯材料庫：內置標準毛坯材料庫，設定毛坯材料收縮率。自動排版和加工單：多牙科組件優化排版功能，自動產生加工工藝單信息。專門頸緣線加工策略：將頸緣線作為模型最關鍵區域，對此區域專門設計了獨 特加工工藝策略，確保(qubo)這個部位的精準加工，從而最小 化手工精修工序。共六十八頁Delcam設計(shj)圖像展共六十八頁共六十八頁CAPP技術(jsh)計算機輔助工藝設計(Computer Aided Process Pla

21、nning),是根據產品設計結果進行產品的加工方法和制造過程的設計；是通過向計算機輸入被加工零件(ln jin)的幾何信息（形狀、尺寸等）和工藝信息（材料、熱處理、批量等），由計算機自動輸出零件的工藝路線和工序內容等工藝文件的過程。共六十八頁計算機輔助工程(gngchng)分析(Computer Aided Engineering)側重于產品的優化與分析CAE技術(jsh)COSMOS有限元分析軟件T-Systems Medina 有限元分析軟件共六十八頁天津市CIMS工程中心(zhngxn)：CAE協同設計案例 共六十八頁計算機輔助優化(Computer Aided Optimize)系統工

22、程iSIGHT是Engineous公司開發的系統軟件，有“軟件機器人”之稱。能夠實現CAD/CAE/CAM等各種操作系統的自動化和集成化，并為產品設計及開發提供最優化設計及穩健設計功能，已經成為航空、航天、汽車、兵器、船舶、電子、動力、機械(jxi)、教育等領域首選的過程集成、設計優化、可靠性和穩健性設計軟件。 共六十八頁CAMent技術(jsh)計算機輔助管理(Computer Aided Management )利用計算機高速、準確、大量地處理數據的能力幫助管理人員處理各項業務工作，是現代管理的重要手段。 能對車間或全廠的生產情況迅速進行處理，結合訂貨和生產負荷編制生產作業計劃，有助于挖掘

23、企業生產能力。許多現代大企業還利用衛星通信(wixng tngxn)系統組成全球性的計算機管理網絡，承接訂貨并組織跨國合作生產，調劑全球性庫存，充分發揮計算機輔助管理的作用。 共六十八頁1.5 本門課程(kchng)的主要任務第一章 計算機輔助設計(shj)概論第二章 CAD系統的硬件和軟件第三章 工程數據的處理第四章 圖形的幾何變換第五章 圖形技術基礎第六章 CAD/CAMing建模技術第七章 CAD/CAMent技術集成第八章 與制造業相關的新技術(CAMent)共六十八頁第二章 CAD系統的硬件(yn jin)和軟件 2.1 CAD系統的硬件(yn jin) 2.2 CAD系統的軟件 2.3 CAD系統的設計與選擇共六十八頁第三章 工程數據(shj)的處理 3.1 數表的程序化 3.2 一元函數的插值 3.3 二元函數(hnsh)的插值 3.4 線圖的程序化 3.5 建立經驗公式的方法 共六十八頁第四章 圖形(txng)的幾何變換 4.1 圖形變換(binhun)的方法4.2 二維變換 共六十八頁5.1 坐標系與坐標變換 5.1.1 坐標系 5.1.2 窗口與視區