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1、合肥工業(yè)大學 機械與 SCHOOL OF MECHANICAL AND AUTOMOTIVE ENGINEERING 機械CAD教程 Mechanical Computer Aided Design 授課人：夏  鏈 Lecturer: Xia Lian 機械CAD Schedule for this course: Total hours: 40 (Lecture:24, Practice: 16) Credits: 2.5 Duration: from the 9th week (April 22,2008) to the 14th week (May 31 2

2、008) Lectures: Time: Tuesday (5,6 14:30-16:30) Thursday (5,6 14:30-16:30)  Location: East 201 West 2 204 Practice: Time: Wednesday (14:30-18:30 0315-0389) Saturday (18:00-21:30 0390-0448 and 2002 related) Location:機汽學院計算機房(機械二樓406室) 合肥工業(yè)大學精品課程  機械CAD 機械CAD 1、本課程包含哪些內容（What）？ ◆ CA

3、D基本理論和基礎知識 ◆ CAD軟件應用 — Solidworks 2、為什么要學習本課程（Why）？ ◆ CAD是機械與汽車工程學院面向各專業(yè)的一門重 要的技術基礎課程，為后續(xù)的專業(yè)課程學習、課程設計和 畢業(yè)設計打下良好的技術基礎。 ◆ Solidworks是目前非常流行的CAD三維實體造型軟件， 易學上手快，為其他高端CAD軟件的學習奠定基礎。 3、如何學好本課程（How）？ ◆重視基本理論和基礎知識的學習，充分理解CAD在 產品開發(fā)周期中的核心作用； ◆重視實踐環(huán)節(jié)，熟練掌握CAD軟件三維建模的方法。 ◆做好課后資料的查閱，把握先進制造技術的發(fā)展前沿。 合肥工業(yè)

4、大學精品課程  機械CAD 機械CAD CAD學科  CAM學科  自動化 幾何建模  CAD 設計 計算機 圖形學  設計 CAD  CAM 制造 CAD 自動化  幾何建模 CAD/CAM 計算機 圖形學 制造 CAD與CAM學科 合肥工業(yè)大學精品課程  機械CAD 機械CAD 參考書(Bibliography) : 1《Computer Integrated Manufacturing》 James A. Rehg, Herry W. Kraebber 2《CADCAM》Chri

5、s McMahon, Jimmie Bronne 3《機械CAD與Solidworks三維計算機輔助設計》黃康等,中國科 技大學出版社 4《 Solidworks 2001 Plus基礎及應用教程》何煜琛等,電子工業(yè) 出版社 合肥工業(yè)大學精品課程  機械CAD 機械CAD CAD/CAE/CAM網絡資源 合肥工業(yè)大學精品課程  機械CAD 機械  CAD Mechanical  Computer Aided 合肥工業(yè)大學精品課程 機械CAD  Design 第1部分 CAD技術概述 1.1制造企業(yè)、設計模型和產品

6、開發(fā)過程 1.2 CAD、CAD/CAE/CAM以及產品的PDM 1.3 CAD系統 1.4 CAD技術在機械工業(yè)中的應用 1.5 CAD技術發(fā)展趨勢 合肥工業(yè)大學精品課程  機械CAD 第1部分 CAD技術概述 1.1制造企業(yè)、設計模型和產品開發(fā)過程 合肥工業(yè)大學精品課程  機械CAD 合肥工業(yè)大學精品課程  機械CAD （6） 制造基礎結構 （5） 料  產 資源 品生命（4）營定義 周期轉（3）  系  信 統  計 共享的知識 （2） （1） 用戶 組織 系統 裝配 社

7、區(qū)  和測  試  制造 零部件制造 職責  規(guī)劃 作業(yè) 規(guī)章 管理  SME新型制造企業(yè)輪 概念化 概念化 綜合過濾 綜合 分析  設計的豐富 面向裝配的設計 面向制造的設計 評價 分析 文檔編制 評價 設計模型 文檔編制 新設計模型

8、 構思、市場調查 1.市場調研 2.管理審核 3.設計工程 4.生產工程  否  設計成本和 生產目標 工程設計 制造審核 滿足成本目標？ 是  產品設計過程: 概念化 綜合 分析 評價 文檔編制 確定主要組件 5.制造 生產工程設計 6.客戶使用 產品開發(fā)周期  制造 客戶文檔 傳統的產品開發(fā)過程 市場調查 產品構

9、思 并行工程組 生產工程 設備供應商  確定成本和生產目標 設計工程 生產控制 CNC程序員 夾具設計人員 質量控制 零件供應商 工具設計人員  全企業(yè)范圍內的并行設計過程 產品設計過程： 概念化 綜合 分析 評價 文檔編制 采購 市場 滿足目標成本？ 否 需要重新設計 是  滿足目標 制造系統開發(fā)和安裝 制造系統作業(yè) 改進的產品開發(fā)過程 設計過程 綜合 設計要求 設計說明， 規(guī)范及要求 分析 收集相關設計信息以 及可行性研究 計算機輔助設計過程 設計

10、信息 與存檔  設計 評估  最優(yōu)化 設計  設計分析  設計建模 與仿真  概念化設計 制造過程 計算機輔助制造過程 生產規(guī)劃 設計和獲取 新的工具 工藝 規(guī)劃  材料訂單 生產 質量控制 包裝 運輸 數控編程 市場銷售 典型生產周期 第1部分 CAD技術概述 1.2 CAD、CAD/CAE/CAM以及產品的PDM 合肥工業(yè)大學精品課程  機械CAD 第1部分 CAD技術概述 從原始人類制造第一件石器的 那個時刻起，就產生了設計這 一活動。 社會化大工業(yè)生產的形成過程 中，

11、設計逐漸分離成為相對獨 立的生產部門，繼而成為專門 的科學學科。 由于自然和科學發(fā)展的客觀規(guī) 律，由于人類追求完美的本能 ，設計過程從來就是一個“設 計→評價→再設計→再評價” 的反復迭代、不斷優(yōu)化的過程 。 合肥工業(yè)大學精品課程  機械CAD  科學的發(fā)展、特別是計算機 技術的發(fā)展和應用，使機械 設計技術本身迅速發(fā)展起來 ： 從經驗設計到科學設計； 從可用（adequate）設計 到優(yōu)化（optimal）設計 ； 從靜態(tài)設計到動態(tài)設計； 從手工設計到計算機輔助 設計。 第1部分 CAD技術概述 提高產品質量 縮短生產 準備時間

12、  降低制造成本  提升企業(yè)市場競爭力 環(huán)境友好 提高售后服務 合肥工業(yè)大學精品課程  機械CAD 第1部分 CAD技術概述 100 75 50 25  Overhead Labor Material Design 0 Final manufacturing cost Influence on final manufacturing cost Design influence on manufacturing cost 合肥工業(yè)大學精品課程  機械CAD 第1部分 CAD技術概述 知識、 經驗、 創(chuàng)造

13、力  存儲能力 計算能力 圖形處理能力 可編程序 人的最佳 特性  計算機和 計算機軟件的 最佳特性  最終的CAD系統 最終的CAD系統 硬件 +軟件 CAD的特點 合肥工業(yè)大學精品課程  機械CAD 第1部分 CAD技術概述 CAD is a software system that uses computer graphics to assist in the creation, modification, and analysis of a design. 合肥工業(yè)大學精品課程  CAD定義 A Definit

14、ion of CAD： CAD is the application of computers and graphics software to aid and enhance the product design from conceptualization to documentation. 機械CAD 第1部分 CAD技術概述 國際信息處理聯合會(IFIP)給出的完整定義為： “CAD是一種技術，其中人與計算機結合為一個問題求解組，緊密配 合，發(fā)揮各自所長，從而使其工作優(yōu)于每一方，并為應用多學科方法的綜 合性協作提供了可能。CAD是工程技術人員以計算機為工

15、具，對產品和工 程進行設計、繪圖、分析和編寫技術文檔等設計活動的總稱?！? CAD在早期是英文Computer Aided Drafting (計算機輔助繪圖)的縮 寫，隨著計算機軟、硬件技術的發(fā)展，人們逐步的認識到單純使用計算機繪 圖還不能稱之為計算機輔助設計；真正的設計是整個產品的設計，它包括產 品的構思、功能設計、結構分析、加工制造等。二維工程圖設計只是產品設 計中的一小部分；于是CAD的縮寫也由Computer Aided Drafting改 為 Computer Aided Design，CAD也不再僅僅是輔助繪圖，而是整個產 品的輔助設計。利用計算機強大而快速的數據處

16、理能力和準確而靈活的圖文 處理能力，幫助設計人員完成繁雜的設計任務，提高設計工作效率和質量。 CAD（計算機輔助設計）定義 合肥工業(yè)大學精品課程  機械CAD 第1部分 CAD技術概述 CAD已成為一門綜合性應用新技術，它涉及到以下基礎技術。 （1）圖形處理技術。如二維交互圖形技術、三維幾何造型及其它圖形輸 入輸出技術。 （2）工程分析技術。如有限元分析、優(yōu)化設計方法、物理特性計算（如 面積、體積、慣性矩等）、模擬仿真以及各行各業(yè)中的工程分析等。 （3）數據管理與數據交換技術。如數據庫管理、不同CAD系統間的數 據交換和接口等。 （4）文檔處理技術。如文檔

17、制作、編輯及文字處理等。 （5）軟件設計技術。如窗口界面、軟件工程規(guī)范及其工具系統的使用等。 合肥工業(yè)大學精品課程  機械CAD 第1部分 CAD技術概述 CAD——計算機輔助設計系統，內容涵蓋產 品設計的各個方面 狹義CAD系統 廣義CAD系統 CAD/CAM系統 CAD/CAM/CAE系統 合肥工業(yè)大學精品課程  機械CAD 手工設計 計算機輔助設計 基 本 操 作 計算 有限元分析、優(yōu)化設計、計算機仿真 繪圖 三維建模、二維圖紙 查手冊、資料 數據庫技術、網絡技術 手工制圖 二維CAD 三維CAD

18、 設計意圖的表達 采用草圖進行表示 采用二維圖表示 采用3D模型表示，直觀形象 設計意圖的記錄 頭腦或者文字描述 頭腦或者文字描述 方程式、尺寸與幾何關系等、并 可根據需要隨時調整 產品模型的修改 困難，容易引起沖突 針對單一零件較為方便， 但關聯性差，容易引起沖 突 零件之間通過參數化技術保持數 據一致性，更改方便 平面圖繪制 速度慢 支持捕捉、提供豐富的作 圖功能、等夠生成較為復 雜的圖紙、速度快 支持捕捉、提供參數化技術、速 度較快 平面圖修改 困難 圖素位置、形狀改動方 便，但是無法同時更新尺 寸 幾何圖素形狀與尺寸雙向驅動、

19、修改十分方便 曲面曲線 一般采用近似作圖方法 提供為數不多的方法 造型方法多樣，較好地適應工程 需要 產品展示 手工繪制軸測圖、渲染 圖、效率十分低下 線條清晰的設計圖紙，但 缺乏立體感和光照效果 三維模型、動畫演示產品動作過 程，生動直觀 其他因素 借助模板繪圖 提供公差標注等工程支持 廣泛地支持工程應用、支持數控 加工、仿真分析等 提供標準件與標準特征、支持設 計序列化和設計重用、提供對 PDM、并行工程等產品開發(fā)模式 的支持 車間小型 計算機 制造 機器人 直接數  適應性 控制 可編程邏輯 控制器 主計算機\

20、 大型計算機  數控NC 計算機 數控CNC 字控制  計算機 輔助制造 微處理器 柔性制造 系統 車間、工廠 CAM CAD/CAM 柔性制 造單元  精簡指令集計算機 基于PC的CAD和CAM 手工制圖 二維計算機 輔助設計CAD IBM個人 計算機 全面集成的 系統軟件 成組技術  零件 編碼  設計與制圖 計算機輔助 工藝規(guī)劃  物料需求規(guī)劃  計算機輔助 工程CAE  三維線 實體模型 制造資源規(guī)劃  計算機集成制造 計劃與圖標 1950  1960

21、  1970  1980  1990-2010 自動化時間線 框圖 概念化 產品設計組 評價  評價組  CAD系統綜合  分析組 分析CAE ·快速原型 ·運動模型 ·成本模型 生產工程CAPP ·計算機輔助工藝規(guī)劃 ·制造物料清單 生產工程組 PDM系統 ·設計物料清單 ·加工圖 ·2D模型 ·3D模型 ·實體模型 ·其他文件 文檔建立 ·產品圖 ·產品文檔 ·用戶信息 ·質量屬性分析 ·有限元分析 ·裝配干涉 制造工程CAM ·工具設計 ·機器編程

22、 制造工程組 ·網絡信息 文檔開發(fā)組 企業(yè)中設計與制造要素的CAD集成 第1部分 CAD技術概述 CAD integrates the design process and processes used in production and manufacturing engineering. Six Teams: product design, analysis, evaluation, documentation development, production engineering, manufacturing engineering 合肥工業(yè)大學精品課程

23、  機械CAD 第1部分 CAD技術概述 CAD/CAE  CAM 人  參考·檢索 幾何建模 分析·模擬  圖面、規(guī)格、 零件樣品、各 種模型 數據庫  工藝設計 NC編程 機器人編程  自動化工廠 自動繪圖 CAD/CAE/CAM集成 合肥工業(yè)大學精品課程  機械CAD 第1部分 CAD技術概述 初  幾  分  詳  幾  分  生  工  N  機  生  產 步 何 析 細 何 析 制 產 藝 C

24、 器 產 加 裝 檢 設 建 模 設 建 模 圖 準 設 編 人 制 工 配 查 品 計 模 擬 計 模 擬 備 計 程 編 造 程 CAD CAE  CAD CAE CAD CAD/CAE/CAM 廣義CAD  CAM  廣義CAM CAD/CAE/CAM的范圍 合肥工業(yè)大學精品課程  機械CAD 第1部分 CAD技術概述 1.3 CAD系統  用戶 應 用 圖 形 軟 件  支 撐 CAD

25、軟 件  操作系統 計算機硬件 及外圍設備 言  程 序 設 計 語  其 他 應 用 軟 件 CAD系統的組成 合肥工業(yè)大學精品課程  機械CAD 第1部分 CAD技術概述 字母數字鍵盤  計算機  顯示器 （顯示屏） 功能鍵盤 中央處理器 圖形輸入板 繪圖儀 設計 或制 圖人 員  手持 游標器 繪圖儀  菜單  磁盤驅動器  打印機 光標控制 ·操縱桿  存儲媒體 ·光筆 ·鼠標 ·跟蹤球 CAD硬件系統結構圖 合肥工業(yè)大學精品課程  機

26、械CAD 第1部分 CAD技術概述 搬運機械 操縱桿 光筆  NC機床  機器人  自動測試裝置 繪圖儀 圖形終端 計算機 數字化儀 鼠標 （主機）  打印機 鍵盤  字符終端 CAD/CAM系統硬件組成 合肥工業(yè)大學精品課程 機械CAD  硬盤機、磁帶機 第1部分 CAD技術概述 CAD系統的三層結構 合肥工業(yè)大學精品課程  機械CAD 第1部分 CAD技術概述 合肥工業(yè)大學精品課程  機械CAD 公司名稱 高端CAD 中端CAD 低端CAD (二維) Dassaul

27、t System CATIA SolidWorks EDS UG、IDEAS SolidEdge PTC Pro/Engineer Pro/Desktop Autodesk Inventor、MDT AutoCAD 第1部分 CAD技術概述 Pro/ENGINEER 40% 其他 17% Solid Edge 4%  Euclid 6%  CATIA 11%  Unigraphics 8% Solid Works 9% 各品牌的尺寸驅動實體模型系統的銷售情況 （共430 000個系統） 合肥工業(yè)大學精

28、品課程  機械CAD 第1部分 CAD技術概述 其他 16% Solid Edge 3% Pro/ENGINEER 22% Euclid/Strim 5% Solid Works 5% CADDS 7% Autodesk Mechanical Desktop Unigraphics 8% 各品牌的3D機械設計軟件的銷售情況 （共750 000個系統） 合肥工業(yè)大學精品課程  CATIA 15% 機械CAD 19% 第1部分 CAD技術概述 1.4 CAD技術在機械工業(yè)中的應用 合肥工業(yè)大學精品課程  機

29、械CAD 第1部分 CAD技術概述 其它 14.60% 機械 36.40% 航空 19.10% 電力 2.80% 電子 27.10% 美國CAD/CAM的市場情況 合肥工業(yè)大學精品課程  機械CAD 第1部分 CAD技術概述 CAD技術在機械工業(yè)中的主要應用有以下幾方面： （1）二維繪圖 （2）圖形及符號庫 （3）參數化設計 （4）三維造型 （5）工程分析：常見的有有限元分析、優(yōu)化設計、 運動學及動力學分析等。 （6）設計文檔或生成報表。 合肥工業(yè)大學精品課程  機械CAD 第1部分 CAD技術概述 采用CAD

30、技術會帶來以下好處： （1）減少手工繪圖時間，提高繪圖效率。 （2）提高分析計算速度，解決復雜計算問題。 （3）便于修改設計。 （4）促進設計工作的規(guī)范化、系列化和標準化。 總之，采用CAD技術確實能夠提高設計質量、縮短設計周期、 降低設計成本，從而加快了產品更新換代的速度，使企業(yè)保持良好 的競爭能力。 合肥工業(yè)大學精品課程  機械CAD 第1部分 CAD技術概述 Reduce the lead time for new product introduction Products can be tested more quickly Costly mist

31、akes in design or production can be avoided Documentation can be printed in time and the time to manufacture can be reduced various forms for multiple users The quality of designs and the products manufactured from them is improved 合肥工業(yè)大學精品課程  機械CAD 第1部分 CAD技術概述 非圓齒輪的數控加工 合肥工業(yè)大學精品課程

32、  機械CAD 第1部分 CAD技術概述 五軸聯動數控加工中心 合肥工業(yè)大學精品課程  機械CAD 螺旋轉子的CAD/CAM和數控加工 第1部分 CAD技術概述 逆向工程應用與曲面造型 3維激光掃描儀 生成的曲面 掃描獲取的 點云數據 實物 生成的曲面實體 合肥工業(yè)大學精品課程  機械CAD 第1部分 CAD技術概述 測量 葉輪成品  毛坯與夾具  五軸聯動數 控加工中心 加工實況 合肥工業(yè)大學精品課程  機械CAD 第1部分 CAD技術概述 螺旋葉輪的CAD模型 葉輪刀具軌跡

33、規(guī)劃  葉輪加工所用的夾具設計 螺旋葉輪的CAD/CAM與加工仿真 合肥工業(yè)大學精品課程  機械CAD 第1部分 CAD技術概述 數控彎管機整機運動仿真 合肥工業(yè)大學精品課程  機械CAD 第1部分 CAD技術概述 CAD技術應用 合肥工業(yè)大學精品課程  機械CAD 第1部分 CAD技術概述 1.5  CAD技術發(fā)展趨勢 1．CAD系統應用面向產品的整個生命周期 2．CAD系統應充分考慮產品信息的繼承性 3．CAD系統應滿足并行設計的要求 4．CAD系統與產品信息標準化相結合 合肥工業(yè)大學精品課程  機械CAD 第1部分 CAD技術概述 1.5  CAD技術發(fā)展趨勢 5．產品模型的可轉換性特別是二維和三維產品模型間的 互相轉換可滿足不同的需要 6．面向全球的產品信息編碼系統 7．軟件系統要具有很好的可移植性和自組織性 8．智能化 9．虛擬現實技術 合肥工業(yè)大學精品課程  機械CAD 第1部分 CAD技術概述 合肥工業(yè)大學精品課程  機械CAD