制造業(yè)信息化第4章1

第4章制造業(yè)信息化的技術(shù)集成14.1CAD技術(shù)2

一、CAD技術(shù)概要計算機輔助設(shè)計(CAD，ComputerAidedDesign)是指工程技術(shù)人員以計算機、外圍設(shè)備及其系統(tǒng)軟件為基礎(chǔ)，運用各自的專業(yè)知識，進行產(chǎn)品設(shè)計、建模、分析及編寫技術(shù)文檔等設(shè)計活動的總稱。

CAD系統(tǒng)的功能可以分為四大類：數(shù)字建模、工程分析、動態(tài)模擬和自動繪圖。完整的CAD系統(tǒng)，應(yīng)由人機交互接口、科學計算、圖形系統(tǒng)和工程數(shù)據(jù)庫等組成。4.1CAD技術(shù)3

人機交互接口是設(shè)計、開發(fā)、應(yīng)用和維護CAD系統(tǒng)的界面，已經(jīng)經(jīng)歷了從字符用戶接口、圖形用戶接口、多媒體用戶接口到網(wǎng)絡(luò)用戶接口的發(fā)展過程；科學計算包括有限元分析、可靠性分析、動態(tài)分析、產(chǎn)品的常規(guī)設(shè)計和優(yōu)化設(shè)計；圖形系統(tǒng)包括幾何(特征)造型、二維繪圖設(shè)計、三維幾何造型設(shè)計、動態(tài)仿真；工程數(shù)據(jù)庫對設(shè)計過程中需要使用和產(chǎn)生的數(shù)據(jù)、文檔等進行管理。隨著Internet/Intranet網(wǎng)絡(luò)和并行、高性能計算及事務(wù)處理的普及應(yīng)用，異地、協(xié)同、虛擬設(shè)計及實時仿真也得到廣泛應(yīng)用。4.1CAD技術(shù)4

二、CAD技術(shù)的發(fā)展歷史

50年代，CAD技術(shù)處于被動式的圖形處理階段。50年代后半期出現(xiàn)了光筆，開始了交互式計算圖形學的研究。

60年代，提出了計算機圖形學、交互技術(shù)、分層存儲符號的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等新思想，為CAD技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用打下了理論基礎(chǔ)。這一代系統(tǒng)主要用于二維繪圖，其技術(shù)特征是利用解析幾何的方法定義有關(guān)點、線、圓等圖素。

4.1CAD技術(shù)5

70年代，這時期的交互圖形技術(shù)日漸成熟，并在工業(yè)界中日益得到應(yīng)用，主要是二維交互繪圖系統(tǒng)及三維幾何造型系統(tǒng)。形成了眾多商品化程度高的實用系統(tǒng)。推出第一個完整的CAD系統(tǒng)。

70年代以后，CAD技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了四次大的飛躍。

（1）第一次CAD技術(shù)革命：“貴族化”的曲面造型系統(tǒng)

（2）第二次CAD技術(shù)革命：生不逢時的實體造型技術(shù)

（3）第三次CAD技術(shù)革命：一鳴驚人的參數(shù)化技術(shù)

（4）第四次CAD技術(shù)革命：更上一層樓的變量化技術(shù)4.1CAD技術(shù)6

發(fā)展趨勢：標準化、可視化（包括虛擬設(shè)計）、開放化、智能化、集成化和網(wǎng)絡(luò)化虛擬現(xiàn)實技術(shù)用于設(shè)計，使CAD技術(shù)主要在兩個方面得到提高：一是更逼真地看到正在設(shè)計的產(chǎn)品及其開發(fā)過程；另一方面是提高交互能力，使設(shè)計人員或群體可以直接和所設(shè)計產(chǎn)品交互操作。在CAD系統(tǒng)中，綜合應(yīng)用正文、圖形、圖像、語音等多媒體技術(shù)和人工智能、專家系統(tǒng)等技術(shù)大大提高了自動化設(shè)計的程度，出現(xiàn)了智能CAD新學科。它把工程數(shù)據(jù)庫及其管理系統(tǒng)、知識庫及其專家系統(tǒng)、擬人化用戶接口管理系統(tǒng)集于一體。4.1CAD技術(shù)7

三、CAD系統(tǒng)硬件計算機系統(tǒng)：目前CAD使用的計算機系統(tǒng)主要有工作站和高檔微機2種。圖形輸入設(shè)備：用來交互的輸入和修改產(chǎn)品設(shè)計方案的圖形，并對圖形作多種變換操作，除鍵盤外，還有光筆、鼠標、掃描儀。圖形顯示設(shè)備：顯示器圖形繪制設(shè)備：打印機、繪圖儀4.1CAD技術(shù)8

四、CAD系統(tǒng)軟件

CAD系統(tǒng)軟件包括系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件。系統(tǒng)軟件：主要用于計算機管理、維護、控制及運行。它包括操作系統(tǒng)和支持軟件。支持軟件為用戶開發(fā)軟件提供各種方便，包括變成軟件、調(diào)試測試程序、編輯服務(wù)程序以及圖形基礎(chǔ)軟件等。應(yīng)用軟件：針對某一特定任務(wù)而設(shè)計的程序包。4.1CAD技術(shù)9

五、CAD的建模技術(shù)

CAD設(shè)計中的工程信息，如圖形、尺寸、符號等，都是以數(shù)字形式存取和交換的。計算機圖形的生成必須首先建立圖形的數(shù)學模型和存儲數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，再通過有關(guān)運算，把圖形存儲在計算機中或顯示在屏幕上。

1.線框模型最早用來表示形體的模型。用頂點和鄰邊表示形體。

2.曲線曲面造型

基本理論的形成于20世紀60年代。NURBS作為定義工業(yè)產(chǎn)品幾何形狀的唯一數(shù)學方法。4.1CAD技術(shù)10

3.實體造型技術(shù)實體造型是以立方體、圓柱體等多種基本體素為單位體素，通過集合運算，生成所需要的幾何形體。實體造型包括體素定義和描述，以及體素之間的布爾運算。常用的方法主要有：邊界表示法、構(gòu)造實體幾何法和掃描法。4.1CAD技術(shù)11

4、特征造型技術(shù)為實現(xiàn)CAD/CAM技術(shù)的集成化，滿足自動化生產(chǎn)要求的實體造型技術(shù)必須考慮諸如倒角、圓孤、圓角、孔，以及加工用到各種過渡面等形狀信息和工程信息。特征造型正是為滿足這一要求而提出來的。它與傳統(tǒng)的CAD建模方式有根本不同，并不以點、線、圓、面、體為設(shè)計流程，而以產(chǎn)品的加工方式為基本參考依據(jù)，溶入相當內(nèi)容的產(chǎn)品共性，建立相應(yīng)的家族概念。在結(jié)構(gòu)設(shè)計，允許設(shè)計人員直接面對三維實體進行加工處理,以期創(chuàng)造出更新更好的構(gòu)思、對產(chǎn)品零件直接進行布爾運算，組合成新的部件。4.1CAD技術(shù)12

特征是指產(chǎn)品描述的信息的集合，并可按一定的規(guī)則分類。純幾何的實體與曲面是相對抽象的，將特征的概念引入幾何造型系統(tǒng)的目的是為了增加實體幾何的工程意義。需要在最終產(chǎn)生的形體上保留各個元素的原始定義和相互依存關(guān)系。在機加工零件設(shè)計中特征模型應(yīng)用十分有效。由于特征本身具備參數(shù)化性質(zhì)，其造型形狀大小的改變也就可以非常方便地依托參數(shù)的變化加之自由調(diào)整，只要其數(shù)據(jù)關(guān)系不超出數(shù)據(jù)間的約束方程。特征造型中對三維實體的生成立足于三維曲面造型和三維實體造型已取得的成果。加之尺寸智能化處理，功能模型的標準化應(yīng)用，構(gòu)成了特征造型的方法。4.1CAD技術(shù)13

顯然，現(xiàn)在對于特征本身還缺少明確的形式化定義，但從不同角度，給出了特征定義的眾多條件與表達。從加工角度來看，特征被定義為加工操作和工具有關(guān)的零部件形式以及技術(shù)特征(如切割、打孔、組合等)。從形體建模角度，特征是一組具有特定關(guān)系的幾何或拓撲元素。從設(shè)計人員角度，特征是用于設(shè)計、分析、設(shè)計評估到基本元素。特征可視為一組具有特定屬性的實體，它反映了一個實際工程零件或部件的特定幾何形狀和特定加工的要求，即可為設(shè)計人員提供更高層次的設(shè)計概念與手段。因此，基于特征的造型系統(tǒng)大大提高了設(shè)計人員的設(shè)計效率和質(zhì)量。4.1CAD技術(shù)14對于不同的應(yīng)用觀點，形成了不同的特征定義描述，由此也產(chǎn)生了不同的特征分類方式：從產(chǎn)品發(fā)展過程來看，特征可分為設(shè)計特征、加工特征、分析特征、公差及檢測特征、裝配組合特征。從功能上看，特征可分為形狀特征、精度特征、技術(shù)特征、材料特征。從設(shè)計方法上看，特征可分為通道特征、擠壓特征、提拉特征、過渡特征、表面特征、形變特征。從復雜程度看，有基本特征、組合特征和復合特征。4.1CAD技術(shù)15特征造型具有如下特點:1）特征造型著眼于更好地表達產(chǎn)品的完整的技術(shù)和生產(chǎn)管理信息，為建立產(chǎn)品的集成信息模型服務(wù)。它的目的是用計算機可以理解和處理的統(tǒng)一的產(chǎn)品模型替代傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計和施工成套圖紙以及技術(shù)文檔，使得一個工程項目或機電產(chǎn)品的設(shè)計和生產(chǎn)準備的各個環(huán)節(jié)可以并行展開。

2）使產(chǎn)品設(shè)計工作在更高的層次上進行，設(shè)計人員的操作對象不再是原始的線條和體素，而是產(chǎn)品的功能要素，像螺紋孔、定位孔、鍵槽等。特征的引用體現(xiàn)了設(shè)計意圖

3）有助于加強產(chǎn)品設(shè)計、分析、工藝準備、加工、檢驗各個部門間的聯(lián)系，為開發(fā)新一代基于統(tǒng)一產(chǎn)品信息模型的CAD/CAPP/CAM集成系統(tǒng)創(chuàng)造前提。4.1CAD技術(shù)16對于特征造型的基本操作，大致有以下幾個環(huán)節(jié)，特征的創(chuàng)建、修改、刪除、復制，進行參數(shù)化表達。在不同場合(如設(shè)計、加工)引用同一特征，查詢特征內(nèi)容，組合基本特征，用戶自定義特征。以特征為基礎(chǔ)的造型方法是CAD建模方法的一個新里程碑，它可以充分提供制造所需的幾何數(shù)據(jù)，從而可用于制造可行性方案的評價、功能分析、過程選擇、工藝過程設(shè)計等。把設(shè)計和生產(chǎn)過程緊密結(jié)合，有良好的發(fā)展前景。4.1CAD技術(shù)17

5、參數(shù)化設(shè)計參數(shù)化設(shè)計的主要思想是用約束來表達產(chǎn)品幾何模型的形狀特征，定義一組參數(shù)以控制設(shè)計結(jié)果，從而能夠通過調(diào)整參數(shù)來修改設(shè)計模型，并能方便地創(chuàng)建一族在形狀或功能上相似的設(shè)計方案。參數(shù)化設(shè)計以其能夠使得工程設(shè)計人員不需考慮細節(jié)而能盡快草擬零件圖，并可以通過變動某些約束參數(shù)，而不必運行產(chǎn)品設(shè)計的全過程來更新設(shè)計，成為進行初始設(shè)計、產(chǎn)品模型的編輯修改及多種方案設(shè)計比較的有效手段。4.1CAD技術(shù)18一個確定的幾何形體包括拓撲約束和尺寸約束。前者是指那些不可被修改的拓撲或其他約束，例如平行、相切、垂直、對稱、角度關(guān)系等；后者包含了幾何形體的度量信息，用來控制圖元的坐標、長度以及圖元之間的相對位置與方向等。尺寸驅(qū)動技術(shù)，就是根據(jù)尺寸約束，通過計算自動將尺寸的變化轉(zhuǎn)換成幾何形體的相應(yīng)變化，并且保證變化前后的結(jié)構(gòu)約束保持不變?？梢姵叽珧?qū)動一般不能改變圖形的拓撲結(jié)構(gòu)，因此想對一個初始設(shè)計作方案上的重大改變是做不到的，但對系列化標準化零件設(shè)計以及對原有設(shè)計作繼承性修改則十分方便。目前所謂的參數(shù)化設(shè)計系統(tǒng)實際上是尺寸驅(qū)動系統(tǒng)。尺寸驅(qū)動的幾何模型由幾何元素、尺寸元素和拓撲元素三部分組成。4.1CAD技術(shù)19

6、變量化設(shè)計這類系統(tǒng)考慮了所有的約束和設(shè)計要素，如尺寸、拓撲結(jié)構(gòu)、約束條件、工程計算條件等，并把這些要素視為設(shè)計變量，同時允許用戶定義這些變量之間的關(guān)系式以及程序邏輯，從而使設(shè)計的自動化程度大大提高。變量化設(shè)計進一步擴展了尺寸驅(qū)動這一技術(shù)，給設(shè)計對象的修改增加了更大的自由度。因而可表示更廣泛的工程設(shè)計情況，這種系統(tǒng)更適合于設(shè)計人員考慮更高一級的設(shè)計特征，做出不同設(shè)計方案對這些高級特征影響的分析，更適合作方案設(shè)計，因此變量設(shè)計是一種約束驅(qū)動的系統(tǒng)。它使用代數(shù)方法將幾何模型定義成一系列特征點,并以特征點坐標為變量形成一個非線性約束方程組。4.1CAD技術(shù)20

一、概述

CAD是根據(jù)設(shè)計方案規(guī)劃和產(chǎn)品設(shè)計要求對產(chǎn)品進行整體概念設(shè)計和零部件的詳細設(shè)計，生成可以供CAPP使用的產(chǎn)品或零部件的特征的描述。CAPP是對零件的特征描述進行分析、提取、選擇或自動生成產(chǎn)品加工的工藝過程和工藝參數(shù)。CAM系統(tǒng)是按照CAPP所描述的零件的加工工藝過程，生成零件加工所需要的NC代碼的過程，生產(chǎn)設(shè)備則按照NC代碼將一個零件毛坯加工成為合格的零件并裝配成部件以至產(chǎn)品。CAPP是連接CAD和CAM的紐帶。4.2CAPP21

工藝設(shè)計的主要內(nèi)容包括：

√選擇合理的加工方法

√安排合理的加工順序

√確定采用的機床、刀具、夾具和其他工裝設(shè)備等

√設(shè)計工序圖，選擇定位基準與夾緊表面

√確定毛坯類型和加工余量，計算工序尺寸與公差

√選用合理的切削用量，計算工時定額

√編制包含上述內(nèi)容的工藝文件4.2CAPP22目前我國的企業(yè)的工藝規(guī)程設(shè)計，大都停留在手工編制產(chǎn)品工藝規(guī)程和工藝文件的階段，使工藝設(shè)計存在一些無法克服的缺點：

1.效率低

2.工藝規(guī)程缺乏統(tǒng)一性

3.很難實現(xiàn)優(yōu)化和起到引導作用為了解決上述問題和適應(yīng)企業(yè)不斷開發(fā)新產(chǎn)品而期望縮短工藝準備周期的需求，采用CAPP是必然的，它的應(yīng)用能夠使企業(yè)：方便的編制工藝卡片

1.取消工藝工作的重復勞動

2.支持工藝工作業(yè)務(wù)流程重組，大幅度提高設(shè)計效率

3.實現(xiàn)典型工藝的積累，為新工藝設(shè)計提供指南

4.為工藝標準化提供手段，支持標準化認證

5.工時、材料的匯總計算

6.與企業(yè)ERP、PDM、CAD充分集成4.2CAPP23

CAPP是利用計算機技術(shù)輔助工藝人員設(shè)計零件從毛坯到成品的加工方法和制造過程的設(shè)計。一般認為，CAPP系統(tǒng)的功能包括毛坯設(shè)計、加工方法選擇、工序設(shè)計、工藝路線制定和工時定額計算等。其中，工序設(shè)計又包含裝夾設(shè)備選擇或設(shè)計、加工余量分配、切削用量選擇以及機床、刀具和夾具的選擇、必要的工序圖生成等。4.2CAPP244.2CAPP25

二、CAPP技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和分類世界上最早研究CAPP的國家是挪威，始于1966年，并于1969年正式推出世界上第一個CAPP系統(tǒng)AutoPros，后于1973年正式推出商品化AutoPros系統(tǒng)。美國是60年代末開始研究CAPP的，并于1976年由CAM-I公司推出頗具影響力的CAM-I’sAutomatedProcessPlanning系統(tǒng)。經(jīng)過三十多年的歷程，國內(nèi)外對CAPP技術(shù)已進行了大量的探討與研究，在工藝文件的生成原理、決策方法、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和實用系統(tǒng)開發(fā)方面都取得了較大的發(fā)展。但從總體上看，盡管國內(nèi)外已開發(fā)出為數(shù)眾多的CAPP系統(tǒng)，但大多是原型系統(tǒng)，實際生產(chǎn)應(yīng)用的還比較少，成熟的商品化系統(tǒng)更少。與CAD、CAM等技術(shù)相比，CAPP仍是薄弱環(huán)節(jié)。4.2CAPP26從CAPP應(yīng)用的角度，其發(fā)展經(jīng)歷了：

1）基于自動化思想的CAPP系統(tǒng)

2）基于計算機輔助思想的實用化CAPP系統(tǒng)

a.基于圖形系統(tǒng)的工藝卡片填寫系統(tǒng)

b.基于結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的CAPP系統(tǒng)

3）面向產(chǎn)品的CAPP應(yīng)用與制造工藝信息系統(tǒng)面向產(chǎn)品，以各專業(yè)工藝的計算機輔助設(shè)計為基礎(chǔ)，實現(xiàn)基礎(chǔ)工藝信息管理、面向制造的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)管理、材料定額編制、工藝分工與工藝設(shè)計流程管理、產(chǎn)品工藝數(shù)據(jù)綜合管理等工藝管理功能以及與CAD/PDM、ERP的集成和資源共享。

4）基于知識的CAPP綜合智能化從工藝決策方式的角度，CAPP可分為如下幾類：4.2CAPP27CAPP系統(tǒng)交互式系統(tǒng)派生式系統(tǒng)基于成組技術(shù)的CAPP系統(tǒng)基于特征的CAPP系統(tǒng)創(chuàng)成式系統(tǒng)基于知識的CAPP專家系統(tǒng)CAPP工具系統(tǒng)或骨架系統(tǒng)基于過程性程序結(jié)構(gòu)與決策的CAPP系統(tǒng)基于神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的CAPP系統(tǒng)綜合式系統(tǒng)基于實例與知識的混合式CAPP系統(tǒng)其它混合式系統(tǒng)派生式與創(chuàng)成式相結(jié)合的CAPP系統(tǒng)CAPP系統(tǒng)分類4.2CAPP28

1.派生式CAPP系統(tǒng)工作原理：派生式CAPP系統(tǒng)是利用零件的相似性來檢索現(xiàn)有工藝規(guī)程的一種軟件系統(tǒng)，該系統(tǒng)是建立在成組技術(shù)的基礎(chǔ)上，按照零件幾何形狀或工藝的相似性歸類成族，建立該零件族零件的典型工藝規(guī)程，即該零件族中零件加工所需的加工方法、加工設(shè)備、工具、夾具、量具及加工順序等。一個零件的工藝設(shè)計，就是按照該零件的成組編碼，確定其所屬零件族，檢索該零件族零件的標準工藝規(guī)程，然后進行編輯而得到該零件的工藝流程。4.2CAPP29

確定零件編碼搜索零件族檢索標準工藝修改標準工藝滿意？輸出工藝文件YN零件族數(shù)據(jù)標準工藝庫工程數(shù)據(jù)庫派生式CAPP系統(tǒng)的工作原理4.2CAPP30

典型實例：

4.2CAPP31

派生式CAPP系統(tǒng)軟件應(yīng)包含以下的功能模塊：

1.零件族形成模塊，對零件進行編碼、分類并劃分成零件族

2.零件族數(shù)據(jù)庫管理、維護模塊

3.零件族搜索模塊

4.標準工藝規(guī)程檢索模塊，根據(jù)零件族編碼檢索對應(yīng)的標準工藝規(guī)程

5.標準工藝規(guī)程編輯模塊，對標準工藝規(guī)程進行修訂以及加工參數(shù)選擇

6.輔助功能模塊，如輸入、輸出模塊，系統(tǒng)維護模塊等4.2CAPP32

派生式CAPP系統(tǒng)的特點：該系統(tǒng)的優(yōu)點：

1.相似零件的工藝過程可達到一定程度上的一致性

2.技術(shù)上較易實現(xiàn)

3.可減輕工藝文件編制工作該系統(tǒng)的缺點：

1.操作人員仍需是有經(jīng)驗的工藝人員

2.標準工藝過程未考慮生產(chǎn)批量的因素

3.生產(chǎn)技術(shù)和手段發(fā)展后，系統(tǒng)不易修改4.2CAPP33

2.創(chuàng)成式CAPP系統(tǒng)工作原理：創(chuàng)成式CAPP系統(tǒng)是一個能綜合零件加工信息，自動地為一個新零件創(chuàng)造工藝規(guī)程的系統(tǒng)。它能夠根據(jù)工藝數(shù)據(jù)庫的信息和零件模型，在沒有人干預的條件下，依靠程序系統(tǒng)中的決策邏輯和制造工程數(shù)據(jù)信息自動自動產(chǎn)生零件所需要的各個工序和加工順序，自動提取制造知識，自動完成機床、刀具的選擇和加工過程的優(yōu)化。通過應(yīng)用決策邏輯，模擬工藝設(shè)計人員的決策過程，自動創(chuàng)成新的零件加工工藝規(guī)程。4.2CAPP34

生成工藝過程卡零件信息輸入及預處理工序決策及編輯工藝路線決策及編輯零件分組原則零件信息庫GT碼庫生成工序圖生成工序圖工藝數(shù)據(jù)開始結(jié)束工藝路線決策邏輯庫工序決策邏輯庫工序圖工藝數(shù)據(jù)庫機床設(shè)備庫、刀具、量具庫、加工余量庫、平均經(jīng)濟精度庫圖形數(shù)據(jù)庫圖形元素庫總體結(jié)構(gòu)流程圖輸入子系統(tǒng)輸出子系統(tǒng)工藝決策子系統(tǒng)4.2CAPP35

典型實例：

4.2CAPP36

創(chuàng)成式CAPP系統(tǒng)的特點該系統(tǒng)的優(yōu)點：

1.能保證相似零件工藝過程的高度相似性和相同零件工藝過程的高度一致性

2.能實現(xiàn)工藝過程的合理化和優(yōu)化

3.不依賴于操作人員的知識、經(jīng)驗，不需人的干預該系統(tǒng)的缺點：

1.系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)難度大

2.系統(tǒng)規(guī)模龐大

3.一切從“零”開始，對一些顯而易見的工藝