1、封志明,TEL: 13880617865 E-Mail: ,CIMS与网络化制造,第二部分,设计要素和生产工程,使用并行工程的设计模型，以开发面向全球市场的产品 设计过程应该使用现代的设计、分析工具和技术 基于图形的设计是主要的设计工具 生产工程师应该使用现代工艺规划和制造工程工具,CAD和PDM的概念,CAD技术发展过程及现状,用CAD软件来表示零件的四种方式,CAD软件的主流供销商,PDM的功能及主流软件供应商,第四章 设计自动化：CAD和PDM,4.1 CAD简介,CAD（Computer-Aided Design）是CIM企业集成产品开发过程的一项关键技术。 定义：CAD是借助计算机和
2、图形软件来帮助或促进包括从概念化到建立文档的产品设计。 计算机辅助设计与计算机辅助绘图的区别。,设计模型中的CAD,图4-1显示了CAD与设计过程和生产工程、制造工程的过程关系。 分成六个组。 整个过程始于产品概念化。 PDM存储的是图形文件和设计数据，是CAD与其它部门之间的接口。,4.2 基于图纸设计的成本,基于图纸的设计存在隐性成本，处理、存储及维护困难，且费时间，因此成本较高。 为了避免这些隐性成本，尅将纸质图纸转换为电子格式，具体方法如下：,在CAD系统中手工重新绘制。 使用CAD系统附带的手持游标器的数位板，追踪原始设计。 通过扫描将纸质文档转化为一种与当前CAD环境兼容的电子格式
3、。,4.3 CAD软件,4.3 CAD软件,根据完成的几何图形中可视维数的数目，可以将CAD软件分为两大类2D和3D。 2D软件以二维表示图形。 3D软件用三维投影来显示零件。 3D软件将零件图形分为线框模型、曲面模型和实体模型。,线框模型是指用直线和弧线来表示物体各个面的交线的一种CAD图形，只能看到物体的二维视图。 2DCAD软件具有两个显著特征：,CAD：2D线框系统,软件仅仅是对基本的手工绘图的电子化效仿和扩展。 存储的几何实体只限于点、线、圆弧。图形文件占用空间比较小。,3D线框模型是2D的扩展，主要区别是需要定义第三维尺寸。 3D模型的特征包括：,CAD：3D线框系统,图形数据并不
4、比2D图形大很多。 带有与2D模型应用类似的包含基本元素和构造技术的命令集。 带有用于创建曲面模型的数据集。 带有用于生成自动切屑机床的工艺程序数据。,隐藏线去除前后对比,3D线框CAD软件的最佳应用范围包括：,CAD：3D线框系统,绘制仅有平坦曲面的物体。 如果零件的几何和曲面特征能够很容易区别零件实体，则可使用3D线框CAD软件。 用于初期的概念设计。 用于绘制大的模型。,曲面模型系统建立的物体将曲面与3D线框图中的点、直线和圆弧结合起来。 曲面在数学上有三种定义方式：直纹曲面、旋转曲面、雕塑曲面。 曲面模型系统主要应用于设计和绘制由不规则曲面构成的物体，如汽车车身设计、电视柜、液体肥皂瓶
5、等。,CAD：曲面模型软件系统,直纹曲面和旋转曲面,直纹曲面指通过用直线连接两条直线或者弧线所形成的曲面。 旋转曲面指通过将物体剖面2D图形绕着X、Y或Z轴旋转而形成的曲面,雕塑曲面,雕塑曲面也称为自由曲面，是通过使用小块的曲面补丁来模拟复杂的曲面形状而形成的。 用来生产曲面补丁的最常用的技术是基于贝塞尔（Bezier）曲线和B-样条曲线（B-Spline）的数学方法。非均匀有理B-样条曲线是生成复杂的曲面补丁时最常使用的。,贝塞尔曲线,贝塞尔曲线就是这样的一条曲线，它是依据四个位置任意的点坐标绘制出的一条光滑曲线。1962年，法国数学家Pierre Bzier第一个研究了这种矢量绘制曲线的方
6、法，并给出了详细的计算公式，因此按照这样的公式绘制出来的曲线就用他的姓氏来命名。,实体模型（Solid model）是零件的几何图形的完全的无歧义的数学表示法。 物体的实体模型具有实际零件的所有性质，通过测试实体零件模型得到的数据，可以作为真实零件的参考。,CAD：实体模型软件系统,常用的实体建模技术有以下三种：,CAD：实体模型软件系统,构建式实体几何法（Constructive Solid Geometry，CSG）。 边界表示法（Boundary Representation， B-rep） 扫掠表示法（Sweeping）,构建式实体几何法(CSG),Constructive Solid
7、 Geometry,用简单的几何形体构造复杂实体的造型方法。即用系统定义的体系如立方体、圆柱体、球体、锥体、环状体等，通过并、交、差等集合运算进行实体造型，生成所需要的几何形体。 布尔运算（Boolean）：并、交、差 CSG结构树和紧凑码生成了实体的有效数据库。,构建式实体几何法(CSG),Constructive Solid Geometry,CSG实现方法,将产品形体按简单体素进行分解，形成CSG结构树（二叉树）； 输入CSG树最底层的基本体素； 依次将左子树和右子树按其根节点的集合运算符完成相应的运算，结果存入该根节点； 进入上一层，继续上述运算，直到CSG树的根节点。,CSG实体建模
8、,CSG结构树,构建式实体几何法(CSG),构建式实体几何法(CSG),Constructive Solid Geometry,CSG特点,体素拼合是一个集合运算过程； 只表示物体过程模型或隐式模型，不反应物体的面、边、顶点等有关边界信息，也不显式表示三维点集与所表示的物体的对应关系； 参与运算的体素必须是正规集，运算必须封闭； 表示一个复杂形体非常简单，用户输入信息少，存储紧凑，占用空间少； 除真实感显示外，一般产品图形显示与绘图输出时，都要转换成边界表示法。,边界表示法 （B-rep）,Boundary Representation,是通过描述各边界面，并且定义了各面上的边、弧线、点，来表
9、示物体的一种方法。 面或曲面通常是用Bezier、B-Spline或NURBS等曲面模型来定义的。 该方法可以用来表示任意复杂表面轮廓的物体。,边界表示法 （B-rep）,Boundary Representation,B-rep实现方法,将形体按树形结构分解，构成含有体、面、边、顶点为节点的有向图。 输入已知顶点，由点生成边、由边形成环和面；再输入新点生成新边构成新环和新面。由生成的一组面并集而成产品的边界表面。,B-rep实体模型,边界表示法 （B-rep）,边界表示法 （B-rep）,Boundary Representation,B-rep法特点,体、面、环、边、点均有数学定义，层次分
10、明。面边顶点相互邻接关系表示了拓扑信息，几何信息和拓扑信息记录详细； 可精确表示产品的曲面实体模型，可在模型中混合使用线框、曲面和实体元素； 数据量大、关系复杂，管理困难；对物体几何的整体描述能力弱，不能表示物体的构造过程和特点，也无法记录构成物体的原始数据和特征； 表示非唯一，面和边可能交错，有效性较差。,扫掠表示法,Sweeping,一个在空间移动的几何图形扫描出一个实体。 实体表示为“运动的物体”加上“运动的轨迹”。 扫掠动作有两种：平移和选择。 最大的特点是实体模型的数据结构简单。,4.4 CAD软件的过去、现在与将来,CAD技术演变过程： CADrawing = CADesign =
11、 CAD in CAx = DFX (Design for x: Manufacturing, Assembling, Cost, Quality,.) = Co-Design in Network = CE (Concurrent Engineering) =VD (Virtual Design),下面七个趋势将影响CAD在未来10年的发展方向：,CAD未来技术的发展,计算机将具有多个处理器，并行技术将增强台式计算机的能力，提高运行速度。 微处理器晶体管的数目和速度将持续增加，并出现多处理器芯片。 互联网将继续对通用商务，特别是使用CAD、PDM进行的产品设计产生影响。,下面七个趋势将影响C
12、AD在未来10年的发展方向：,CAD未来技术的发展,Linux操作系统将会在许多市场领域成为微软的竞争对手。 CAD软件将支持“虚拟模型”，允许在虚拟平台上将大量的产品零件组装起来，用于产品的设计分析。 不同CAD软件之间的数据共享成为可能。 在工业界将不断发生合并现象。,4.5 制造系统中CAD的应用,CAD主要应用于两个领域：概念及重复设计和制图。,概念和重复设计CAD软件承担了制造业中大部分的设计工作，包括产品的设计以及与生产工艺相关的所有设计。,制图生成成品制造过程所需要的所有工作图。,4.6 企业选择CAD软件,选择CAD软件的准则,零件几何形状和制图的类型及复杂性。 概念设计和重复
13、设计。 产品的尺寸和复杂性。 企业数据接口。 外部数据接口。,4.7 CAD软件供应商,常用的CAD软件包括：,AutoCAD。 Solidworks CATIA Pro/ENGINEER UG（Unigraphics ）,AutoCAD,AutoCAD(Auto Computer Aided Design)是美国Autodesk公司首次于1982年生产的自动计算机辅助设计软件，用于二维绘图、详细绘制、设计文档和基本三维设计。现已经成为国际上广为流行的绘图工具。,Solidworks,SolidWorks公司成立于1993年，SolidWorks软件是世界上第一个基于Windows开发的三维C
14、AD系统，由于技术创新符合CAD技术的发展潮流和趋势，SolidWorks公司于两年间成为CAD/CAM产业中获利最高的公司。1997年由法国达索公司全资并购 。,CATIA,Computer Aided Tri-Dimensional Interface Application,世界上一种主流的CAD/CAE/CAM 一体化软件。在70年代Dassault Aviation 成为了第一个用户，CATIA 也应运而生。 法国 Dassault Aviation 是世界著名的航空航天企业。其产品以幻影2000和阵风战斗机最为著名。CATIA的产品开发商Dassault System 成立于198
15、1年。使用CATIA设计的产品耳熟能详，波音737、777，空客A380，法国阵风战斗机，Bombardier公司的Global Express 公务机，Lockheed Martin公司的Darkstar，当然还有中国的飞豹、枭龙、歼10和ARJ21支线客机。,Pro/ENGINEER,1985年，PTC公司成立于美国波士顿，开始参数化建模软件的研究。1988年，V1.0的Pro/ENGINEER诞生了。经过10余年的发展，Pro/ENGINEER已经成为三维建模软件的领头羊。目前已经发布了proewildfire5.0 。,UG（Unigraphics ）,UG从CAM发展而来。20世纪7
16、0年代，美国麦道飞机公司成立了解决自动编程系统的数控小组，后来发展成为CAD/CAM一体化的UG1软件。 90年代被EDS公司收并，为通用汽车公司服务。 2007年5月正式被西门子收购； 因此，UG有着美国航空和汽车两大产业的背景。 自UG 19版以后，此产品更名为NX。 目前的最新版本是NX7。,4.8 国产CAD软件,九十年代初，国产CAD软件曾经百花齐放，市场上活跃着许多的国产CAD产品，如高华CAD，华正电子图板，大恒CAD，德赛CAD，金银花CAD等。 造成国产CAD软件这种困境的原因在于AutoCAD确立了CAD软件的标准。无论是来料加工，图纸验收，设计方案评比，AutoCAD的D
17、WG文件成了默认的格式。而国产软件由于自主开发，兼容性一直是最大的困扰。,4.8 国产CAD软件,使用习惯是另一个困扰国产软件的因素。 软件兼容性，用户操作习惯的改变的问题成了国产CAD的硬伤。 国产CAD软件的希望在于应用。 国产CAD软件阵营中，CAXA电子图版、清华天河、开目软件、中望CAD等几家抓住了机遇，走在了最前面。,CAXA,CAXA电子图板定位于快速崛起的中国制造业企业，除了基本的辅助绘图功能，软件还根据中国机械行业的特点提供了丰富的标准件图库。 虽然刚开始CAXA并不直接兼容AutoCAD，但鉴于AutoCAD的广泛应用，CAXA电子图板也提供了与AutoCAD的兼容接口。
18、为了让用户接受国产软件，CAXA做起了国产CAD软件的普及工作，与中国工程图形学会等机构合作，在教育行业以非常低的价格提供给学校供学生使用。,CAXA,中望CAD,中望CAD选择了和AutoCAD完全兼容的方式来抢占市场，不但界面、命令方式、操作习惯与AutoCAD非常相似，内部文件格式也采用了和AutoCAD一致的DWG文件。使得原先习惯了AutoCAD的用户或者是有大量AutoCAD图纸的用户能够轻易的转到中望CAD上来。短短两三年，中望CAD装机量突破万套，是国产CAD软件里的一匹黑马。,中望CAD,开目CAD,开目CAD是国内唯一一款完全基于画法几何设计理念的工程设计绘图软件，1994年正式推向市场以来，凭借绘图快、学习快、见效快等显著特点，迅速在机械、机床、纺机、汽车、航天、装备、机车等行业得到了广泛的普及和应用，是中国最早的商品化CAD软件。,天河CAD,清华天河cad 是在AutoCad上二次开发的国标化的绘图和设计数据统计报表软件，可以方便地设置图框，编辑明细表，标准件库调用，排图打印、三表汇总生成等。,
