1、TEL: E-Mail: CIMS與網(wǎng)絡(luò)化制造1第二部分設(shè)計要素和生產(chǎn)工程使用并行工程的設(shè)計模型，以開發(fā)面向全球市場的產(chǎn)品設(shè)計過程應(yīng)該使用現(xiàn)代的設(shè)計、分析工具和技術(shù)基于圖形的設(shè)計是主要的設(shè)計工具生產(chǎn)工程師應(yīng)該使用現(xiàn)代工藝規(guī)劃和制造工程工具2CAD和PDM的概念CAD技術(shù)發(fā)展過程及現(xiàn)狀用CAD軟件來表示零件的四種方式CAD軟件的主流供銷商PDM的功能及主流軟件供應(yīng)商第四章 設(shè)計自動化：CAD和PDM3 4.1 CAD簡介CAD（Computer-Aided Design）是CIM企業(yè)集成產(chǎn)品開發(fā)過程的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。定義：CAD是借助計算機(jī)和圖形軟件來幫助或促進(jìn)包括從概念化到建立文檔的產(chǎn)品設(shè)計。計

2、算機(jī)輔助設(shè)計與計算機(jī)輔助繪圖的區(qū)別。4設(shè)計模型中的CAD圖4-1顯示了CAD與設(shè)計過程和生產(chǎn)工程、制造工程的過程關(guān)系。分成六個組。整個過程始于產(chǎn)品概念化。PDM存儲的是圖形文件和設(shè)計數(shù)據(jù)，是CAD與其它部門之間的接口。5 4.2 基于圖紙設(shè)計的成本基于圖紙的設(shè)計存在隱性成本，處理、存儲及維護(hù)困難，且費(fèi)時間，因此成本較高。為了避免這些隱性成本，尅將紙質(zhì)圖紙轉(zhuǎn)換為電子格式，具體方法如下：在CAD系統(tǒng)中手工重新繪制。使用CAD系統(tǒng)附帶的手持游標(biāo)器的數(shù)位板，追蹤原始設(shè)計。通過掃描將紙質(zhì)文檔轉(zhuǎn)化為一種與當(dāng)前CAD環(huán)境兼容的電子格式。6 4.3 CAD軟件7 4.3 CAD軟件根據(jù)完成的幾何圖形中可視維數(shù)

3、的數(shù)目，可以將CAD軟件分為兩大類2D和3D。2D軟件以二維表示圖形。3D軟件用三維投影來顯示零件。3D軟件將零件圖形分為線框模型、曲面模型和實(shí)體模型。8線框模型是指用直線和弧線來表示物體各個面的交線的一種CAD圖形，只能看到物體的二維視圖。2DCAD軟件具有兩個顯著特征：CAD：2D線框系統(tǒng)軟件僅僅是對基本的手工繪圖的電子化效仿和擴(kuò)展。存儲的幾何實(shí)體只限于點(diǎn)、線、圓弧。圖形文件占用空間比較小。93D線框模型是2D的擴(kuò)展，主要區(qū)別是需要定義第三維尺寸。3D模型的特征包括：CAD：3D線框系統(tǒng)圖形數(shù)據(jù)并不比2D圖形大很多。帶有與2D模型應(yīng)用類似的包含基本元素和構(gòu)造技術(shù)的命令集。帶有用于創(chuàng)建曲面模

4、型的數(shù)據(jù)集。帶有用于生成自動切屑機(jī)床的工藝程序數(shù)據(jù)。10隱藏線去除前后對比113D線框CAD軟件的最佳應(yīng)用范圍包括：CAD：3D線框系統(tǒng)繪制僅有平坦曲面的物體。如果零件的幾何和曲面特征能夠很容易區(qū)別零件實(shí)體，則可使用3D線框CAD軟件。用于初期的概念設(shè)計。用于繪制大的模型。12曲面模型系統(tǒng)建立的物體將曲面與3D線框圖中的點(diǎn)、直線和圓弧結(jié)合起來。曲面在數(shù)學(xué)上有三種定義方式：直紋曲面、旋轉(zhuǎn)曲面、雕塑曲面。曲面模型系統(tǒng)主要應(yīng)用于設(shè)計和繪制由不規(guī)則曲面構(gòu)成的物體，如汽車車身設(shè)計、電視柜、液體肥皂瓶等。CAD：曲面模型軟件系統(tǒng)13直紋曲面和旋轉(zhuǎn)曲面直紋曲面指通過用直線連接兩條直線或者弧線所形成的曲面。旋

5、轉(zhuǎn)曲面指通過將物體剖面2D圖形繞著X、Y或Z軸旋轉(zhuǎn)而形成的曲面14雕塑曲面雕塑曲面也稱為自由曲面，是通過使用小塊的曲面補(bǔ)丁來模擬復(fù)雜的曲面形狀而形成的。用來生產(chǎn)曲面補(bǔ)丁的最常用的技術(shù)是基于貝塞爾（Bezier）曲線和B-樣條曲線（B-Spline）的數(shù)學(xué)方法。非均勻有理B-樣條曲線是生成復(fù)雜的曲面補(bǔ)丁時最常使用的。15貝塞爾曲線貝塞爾曲線就是這樣的一條曲線，它是依據(jù)四個位置任意的點(diǎn)坐標(biāo)繪制出的一條光滑曲線。1962年，法國數(shù)學(xué)家Pierre Bzier第一個研究了這種矢量繪制曲線的方法，并給出了詳細(xì)的計算公式，因此按照這樣的公式繪制出來的曲線就用他的姓氏來命名。16實(shí)體模型（Solid mod

6、el）是零件的幾何圖形的完全的無歧義的數(shù)學(xué)表示法。物體的實(shí)體模型具有實(shí)際零件的所有性質(zhì)，通過測試實(shí)體零件模型得到的數(shù)據(jù)，可以作為真實(shí)零件的參考。CAD：實(shí)體模型軟件系統(tǒng)17常用的實(shí)體建模技術(shù)有以下三種：CAD：實(shí)體模型軟件系統(tǒng)構(gòu)建式實(shí)體幾何法（Constructive Solid Geometry，CSG）。邊界表示法（Boundary Representation， B-rep）掃掠表示法（Sweeping）18構(gòu)建式實(shí)體幾何法(CSG) Constructive Solid Geometry用簡單的幾何形體構(gòu)造復(fù)雜實(shí)體的造型方法。即用系統(tǒng)定義的體系如立方體、圓柱體、球體、錐體、環(huán)狀體等，通

7、過并、交、差等集合運(yùn)算進(jìn)行實(shí)體造型，生成所需要的幾何形體。布爾運(yùn)算（Boolean）：并、交、差CSG結(jié)構(gòu)樹和緊湊碼生成了實(shí)體的有效數(shù)據(jù)庫。19構(gòu)建式實(shí)體幾何法(CSG) Constructive Solid GeometryCSG實(shí)現(xiàn)方法將產(chǎn)品形體按簡單體素進(jìn)行分解，形成CSG結(jié)構(gòu)樹（二叉樹）；輸入CSG樹最底層的基本體素；依次將左子樹和右子樹按其根節(jié)點(diǎn)的集合運(yùn)算符完成相應(yīng)的運(yùn)算，結(jié)果存入該根節(jié)點(diǎn)；進(jìn)入上一層，繼續(xù)上述運(yùn)算，直到CSG樹的根節(jié)點(diǎn)。20CSG實(shí)體建模CSG結(jié)構(gòu)樹構(gòu)建式實(shí)體幾何法(CSG) 21構(gòu)建式實(shí)體幾何法(CSG) Constructive Solid GeometryCS

8、G特點(diǎn)體素拼合是一個集合運(yùn)算過程；只表示物體過程模型或隱式模型，不反應(yīng)物體的面、邊、頂點(diǎn)等有關(guān)邊界信息，也不顯式表示三維點(diǎn)集與所表示的物體的對應(yīng)關(guān)系；參與運(yùn)算的體素必須是正規(guī)集，運(yùn)算必須封閉；表示一個復(fù)雜形體非常簡單，用戶輸入信息少，存儲緊湊，占用空間少；除真實(shí)感顯示外，一般產(chǎn)品圖形顯示與繪圖輸出時，都要轉(zhuǎn)換成邊界表示法。22邊界表示法 （B-rep）Boundary Representation是通過描述各邊界面，并且定義了各面上的邊、弧線、點(diǎn)，來表示物體的一種方法。面或曲面通常是用Bezier、B-Spline或NURBS等曲面模型來定義的。該方法可以用來表示任意復(fù)雜表面輪廓的物體。23邊

9、界表示法 （B-rep）Boundary RepresentationB-rep實(shí)現(xiàn)方法將形體按樹形結(jié)構(gòu)分解，構(gòu)成含有體、面、邊、頂點(diǎn)為節(jié)點(diǎn)的有向圖。輸入已知頂點(diǎn)，由點(diǎn)生成邊、由邊形成環(huán)和面；再輸入新點(diǎn)生成新邊構(gòu)成新環(huán)和新面。由生成的一組面并集而成產(chǎn)品的邊界表面。24B-rep實(shí)體模型邊界表示法 （B-rep）25邊界表示法 （B-rep）Boundary RepresentationB-rep法特點(diǎn)體、面、環(huán)、邊、點(diǎn)均有數(shù)學(xué)定義，層次分明。面邊頂點(diǎn)相互鄰接關(guān)系表示了拓?fù)湫畔?，幾何信息和拓?fù)湫畔⒂涗浽敿?xì)；可精確表示產(chǎn)品的曲面實(shí)體模型，可在模型中混合使用線框、曲面和實(shí)體元素；數(shù)據(jù)量大、關(guān)系復(fù)雜，

10、管理困難；對物體幾何的整體描述能力弱，不能表示物體的構(gòu)造過程和特點(diǎn)，也無法記錄構(gòu)成物體的原始數(shù)據(jù)和特征；表示非唯一，面和邊可能交錯，有效性較差。26掃掠表示法Sweeping一個在空間移動的幾何圖形掃描出一個實(shí)體。實(shí)體表示為“運(yùn)動的物體”加上“運(yùn)動的軌跡”。掃掠動作有兩種：平移和選擇。最大的特點(diǎn)是實(shí)體模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡單。27 4.4 CAD軟件的過去、現(xiàn)在與將來CAD技術(shù)演變過程：CADrawing = CADesign = CAD in CAx = DFX (Design for x: Manufacturing, Assembling, Cost, Quality,.) = Co-Desi

11、gn in Network = CE (Concurrent Engineering) =VD (Virtual Design)28下面七個趨勢將影響CAD在未來10年的發(fā)展方向：CAD未來技術(shù)的發(fā)展計算機(jī)將具有多個處理器，并行技術(shù)將增強(qiáng)臺式計算機(jī)的能力，提高運(yùn)行速度。微處理器晶體管的數(shù)目和速度將持續(xù)增加，并出現(xiàn)多處理器芯片?；ヂ?lián)網(wǎng)將繼續(xù)對通用商務(wù)，特別是使用CAD、PDM進(jìn)行的產(chǎn)品設(shè)計產(chǎn)生影響。29下面七個趨勢將影響CAD在未來10年的發(fā)展方向：CAD未來技術(shù)的發(fā)展Linux操作系統(tǒng)將會在許多市場領(lǐng)域成為微軟的競爭對手。CAD軟件將支持“虛擬模型”，允許在虛擬平臺上將大量的產(chǎn)品零件組裝起來，

12、用于產(chǎn)品的設(shè)計分析。不同CAD軟件之間的數(shù)據(jù)共享成為可能。在工業(yè)界將不斷發(fā)生合并現(xiàn)象。30 4.5 制造系統(tǒng)中CAD的應(yīng)用CAD主要應(yīng)用于兩個領(lǐng)域：概念及重復(fù)設(shè)計和制圖。概念和重復(fù)設(shè)計 CAD軟件承擔(dān)了制造業(yè)中大部分的設(shè)計工作，包括產(chǎn)品的設(shè)計以及與生產(chǎn)工藝相關(guān)的所有設(shè)計。制圖 生成成品制造過程所需要的所有工作圖。31 4.6 企業(yè)選擇CAD軟件選擇CAD軟件的準(zhǔn)則零件幾何形狀和制圖的類型及復(fù)雜性。概念設(shè)計和重復(fù)設(shè)計。產(chǎn)品的尺寸和復(fù)雜性。企業(yè)數(shù)據(jù)接口。外部數(shù)據(jù)接口。32 4.7 CAD軟件供應(yīng)商常用的CAD軟件包括：AutoCAD。SolidworksCATIAPro/ENGINEERUG（Un

13、igraphics ）33AutoCADAutoCAD(Auto Computer Aided Design)是美國Autodesk公司首次于1982年生產(chǎn)的自動計算機(jī)輔助設(shè)計軟件，用于二維繪圖、詳細(xì)繪制、設(shè)計文檔和基本三維設(shè)計?，F(xiàn)已經(jīng)成為國際上廣為流行的繪圖工具。34Solidworks SolidWorks公司成立于1993年，SolidWorks軟件是世界上第一個基于Windows開發(fā)的三維CAD系統(tǒng)，由于技術(shù)創(chuàng)新符合CAD技術(shù)的發(fā)展潮流和趨勢，SolidWorks公司于兩年間成為CAD/CAM產(chǎn)業(yè)中獲利最高的公司。1997年由法國達(dá)索公司全資并購 。35CATIA Computer A

14、ided Tri-Dimensional Interface Application 世界上一種主流的CAD/CAE/CAM 一體化軟件。在70年代Dassault Aviation 成為了第一個用戶，CATIA 也應(yīng)運(yùn)而生。法國 Dassault Aviation 是世界著名的航空航天企業(yè)。其產(chǎn)品以幻影2000和陣風(fēng)戰(zhàn)斗機(jī)最為著名。CATIA的產(chǎn)品開發(fā)商Dassault System 成立于1981年。使用CATIA設(shè)計的產(chǎn)品耳熟能詳，波音737、777，空客A380，法國陣風(fēng)戰(zhàn)斗機(jī)，Bombardier公司的Global Express 公務(wù)機(jī)，Lockheed Martin公司的Dark

15、star，當(dāng)然還有中國的飛豹、梟龍、殲10和ARJ21支線客機(jī)。 36Pro/ENGINEER 1985年，PTC公司成立于美國波士頓，開始參數(shù)化建模軟件的研究。1988年，V1.0的Pro/ENGINEER誕生了。經(jīng)過10余年的發(fā)展，Pro/ENGINEER已經(jīng)成為三維建模軟件的領(lǐng)頭羊。目前已經(jīng)發(fā)布了proewildfire5.0 。37UG（Unigraphics ）UG從CAM發(fā)展而來。20世紀(jì)70年代，美國麥道飛機(jī)公司成立了解決自動編程系統(tǒng)的數(shù)控小組，后來發(fā)展成為CAD/CAM一體化的UG1軟件。90年代被EDS公司收并，為通用汽車公司服務(wù)。2007年5月正式被西門子收購；因此，UG有

16、著美國航空和汽車兩大產(chǎn)業(yè)的背景。自UG 19版以后，此產(chǎn)品更名為NX。目前的最新版本是NX7。38 4.8 國產(chǎn)CAD軟件九十年代初，國產(chǎn)CAD軟件曾經(jīng)百花齊放，市場上活躍著許多的國產(chǎn)CAD產(chǎn)品，如高華CAD，華正電子圖板，大恒CAD，德賽CAD，金銀花CAD等。造成國產(chǎn)CAD軟件這種困境的原因在于AutoCAD確立了CAD軟件的標(biāo)準(zhǔn)。無論是來料加工，圖紙驗(yàn)收，設(shè)計方案評比，AutoCAD的DWG文件成了默認(rèn)的格式。而國產(chǎn)軟件由于自主開發(fā)，兼容性一直是最大的困擾。39 4.8 國產(chǎn)CAD軟件使用習(xí)慣是另一個困擾國產(chǎn)軟件的因素。軟件兼容性，用戶操作習(xí)慣的改變的問題成了國產(chǎn)CAD的硬傷。國產(chǎn)CAD

17、軟件的希望在于應(yīng)用。國產(chǎn)CAD軟件陣營中，CAXA電子圖版、清華天河、開目軟件、中望CAD等幾家抓住了機(jī)遇，走在了最前面。40CAXACAXA電子圖板定位于快速崛起的中國制造業(yè)企業(yè)，除了基本的輔助繪圖功能，軟件還根據(jù)中國機(jī)械行業(yè)的特點(diǎn)提供了豐富的標(biāo)準(zhǔn)件圖庫。雖然剛開始CAXA并不直接兼容AutoCAD，但鑒于AutoCAD的廣泛應(yīng)用，CAXA電子圖板也提供了與AutoCAD的兼容接口。為了讓用戶接受國產(chǎn)軟件，CAXA做起了國產(chǎn)CAD軟件的普及工作，與中國工程圖形學(xué)會等機(jī)構(gòu)合作，在教育行業(yè)以非常低的價格提供給學(xué)校供學(xué)生使用。41CAXA42中望CAD中望CAD選擇了和AutoCAD完全兼容的方式來搶占市場，不但界面、命令方式、操作習(xí)慣與AutoCAD非常相似，內(nèi)部文件格式也采用了和AutoCAD一致的DWG文件。使得原先習(xí)慣了AutoCAD的用戶或者是有大量AutoCAD圖紙的用