第二章 CIMS组成与体系(4.CADCAE)

CAD技术简史 技术简史 —— CAD建模的发展历程 CAD建模的发展历程
线框造型: 线框造型 Wire-Frame Modeling 曲面造型: Surface Modeling 曲面造型 实体造型: 实体造型 Solid Modeling 特征造型: 特征造型 Feature Modeling 变量化造型： 变量化造型：Variable Modeling
没有面的信息，有些情况下信息不完整， 没有面的信息，有些情况下信息不完整，存在 多义性。 多义性。 表面只有几何表示，没有定义，由于缺乏形体 表面只有几何表示，没有定义， 的表面信息，不能用于加工， 的表面信息，不能用于加工，CAE及CAM均无 及 均无 法实现。 法实现。
曲面造型（ 年代 年代） 曲面造型（70年代）
特征造型的特点
设计员操作的是产品的功能要素， 设计员操作的是产品的功能要素，如定 位孔，键槽等，而不再是线条和体素。 位孔，键槽等，而不再是线条和体素。 特征的引入体现了设计人员的设计意图， 特征的引入体现了设计人员的设计意图， 使模型更易理解和组织生产， 使模型更易理解和组织生产，设计图易 修改。 修改。 将公差、 将公差、粗糙度等工艺信息建立在特征 模型中， 模型中，使CAPP和CAM可直接提取所 和 可直接提取所 需信息， 需信息，为开发基于统一产品信息模型 的CAD/CAPP/CAM集成系统创造了条件 集成系统创造了条件
实体造型
实体造型技术带来了算法改进和未来发 展的希望的同时， 展的希望的同时，也带来了数据计算量 的极度膨胀。 的极度膨胀。 由于以实体模型为基础的CAE本身就属 由于以实体模型为基础的 本身就属 于高层次技术，普及面窄。 于高层次技术，普及面窄。 算法和系统效率的矛盾使实体造型技术 因此没能在整个行业迅速推广。 因此没能在整个行业迅速推广。 CV公司最先在曲面算法上取得突破 公司最先在曲面算法上取得突破， CV公司最先在曲面算法上取得突破，计 算速度提高很大。 算速度提高很大。
特征造型
参数化技术公司（ 参数化技术公司（Parametric Technology Corp. PTC）—— ） Pro/ENGINEER的参数化软件 的参数化软件 进入90年代， 进入 年代，以参数化技术为特点的特 年代 征造型变得比较成熟起来， 征造型变得比较成熟起来，充分体现出 其在许多通用件、零部件设计上存在的、 其在许多通用件、零部件设计上存在的、 简便易行的优势。 简便易行的优势。
CAD子系统 CAD子系统
CAD定义 定义 CAD技术简史 技术简史 CAD的组成 的组成 CAD的功能 的功能
CAD定义 定义
CAD指工程技术人员以计算机为工具， 指工程技术人员以计算机为工具， 指工程技术人员以计算机为工具 用各自的专业知识对产品进行总体设计、 用各自的专业知识对产品进行总体设计、 绘图、 绘图、分析和编写技术文档等设计活动 的总称。 的总称。 即，设计者向计算机输入根据设计要求 建立的数学模型、设计参数等， 建立的数学模型、设计参数等，通过计 算机检索相关计算、优化， 算机检索相关计算、优化，以图形方式 显示设计结果， 显示设计结果，设计人员可对结果进行 放大、缩小、旋转、平移、变换等处理， 放大、缩小、旋转、平移、变换等处理， 直到获得满意结果， 直到获得满意结果，最后将结果以图形 或数据形式输出的过程。 或数据形式输出的过程。
CAD子系统的组成 子系统的组成
特征造型的问题
SDRC的开发人员发现参数化技术（特征造 的开发人员发现参数化技术（ 的开发人员发现参数化技术 有许多不足。 型）有许多不足。 全尺寸约束的硬性规定干扰和制约着设 计者创造力和想象力的发挥。 计者创造力和想象力的发挥。 如在设计中关键的拓扑关系发生改变， 如在设计中关键的拓扑关系发生改变， 失去了某些约束特征也会造成系统数据 混乱。 混乱。
实体造型
三维实体建模是目前应用最多的一种技 三维实体建模是目前应用最多的一种技 它在运动学分析、物理特性计算、 术，它在运动学分析、物理特性计算、 装配干涉检验、 装配干涉检验、有限元分析方面都已成 为不可缺少的工具。 为不可缺少的工具。
常用的方法: 常用的方法
边界表示法
Boundary Representation—B-rep
CAD定义 定义
计算机辅助设计包括的内容： 计算机辅助设计包括的内容： 概念设计、优化设计、有限元分析、 概念设计、优化设计、有限元分析、计 算机仿真、计算机辅助绘图、 算机仿真、计算机辅助绘图、计算机辅 助设计过程管理等。 助设计过程管理等。 完整的CAD系统包括： 系统包括： 完整的 系统包括 科学计算、图形系统和工程数据库。 科学计算、图形系统和工程数据库。
曲面造型
开发出来的软件商品化程度较军方支持 的系统要低， 的系统要低，功能覆盖面和软件水平亦 相差较大。 相差较大。 价格昂贵
实体造型（ 年代初期 年代初期） 实体造型（80年代初期）
三维实体建模是目前应用最多的一种 技术，它在运动学分析、 技术，它在运动学分析、物理特性计 装配干涉检验、 算、装配干涉检验、有限元分析方面 都已成为不可缺少的工具。 都已成为不可缺少的工具。 SDRC公司于 公司于1979年发布了世界上第 年发布了世界上第 公司于 一个完全基于实体造型技术的大型 CAD/CAE软件 软件——I-DEAS。 软件 。
现代集成制造系统（ ） 现代集成制造系统（5）
第二章：CIMS组成与体系 第二章：CIMS组成与体系 工程设计与制造分系统 CAD/CAE
黄刚 huanggang@ 机械学院工业工程系 2004年9月
主要内容
1. CAD， CAE ，CAPP，CAAP ， ， 2. CAM 3. CAD/CAPP/CAM集成 集成 4. PDM 5. CAD/CAPP/CAM/PDM - iCAPP
构造实体几何法
Constructive lid Geometry-CSG
空间单元表示法
边界模型
B-rep：用边界表面表示一个几何形体， ：用边界表面表示一个几何形体， 边界表面再分为边和点等底层几何元素 比线框建模方便的图形交互功能 难于建立复杂的几何体模型
CSG法 CSG法
CSG法又称布尔模型，它是通过基本体素 法又称布尔模型， 法又称布尔模型 及它们之间的布尔运算（相加、相减、相 交）来表示的。 CSG法将任何几何形体都看成是由简单的 法将任何几何形体都看成是由简单的 体素” 如长方体、圆柱体、球体、 “体素”（如长方体、圆柱体、球体、圆 锥体、环状体）组成， 锥体、环状体）组成，通过布尔运算系统 将这些体素组成所需的几何体。 将这些体素组成所需的几何体。
变量化造型
SDRC的开发人员大胆地提出了一种更为先 的开发人员大胆地提出了一种更为先 进的实体造型技术——变量化技术。 变量化技术。 进的实体造型技术 变量化技术 1990年到1993年 SDRC公司投资一亿美 年到1993 从1990年到1993年，SDRC公司投资一亿美 1993年推出了全新体系结构的 年推出了全新体系结构的I 元，于1993年推出了全新体系结构的ISeries软件 软件。 DEAS Master Series软件。在早期的大型 CAD软件中 这是唯一一家在90 软件中， 90年代将软件 CAD软件中，这是唯一一家在90年代将软件 彻底重写的厂家。 彻底重写的厂家。
特征造型的问题
复合建模技术，并非完全基于实体， 复合建模技术，并非完全基于实体，难以全 面应用参数化技术。 面应用参数化技术。
CV、CATIA、UG 、 、
SDRC公司在 公司在1990前摸索了几年参数化技 公司在 前摸索了几年参数化技 术后，也面临着同样的抉择： 术后，也面临着同样的抉择：
采用逐步修补的方式，继续将其 采用逐步修补的方式，继续将其I-DEAS软件参 软件参 数化下去？ 数化下去？ 全部改写？ 全部改写？
曲面造型
CADAM——美国洛克希德 美国洛克希德(Lochheed)公司 美国洛克希德 公司 CALMA——美国通用电气 美国通用电气(GE)公司 美国通用电气 公司 CV——美国波音 美国波音(Boeing)公司 美国波音 公司 IDEAS——美国国家航空及宇航局 美国国家航空及宇航局(NASA)/SDRC 美国国家航空及宇航局 UG——美国麦道 美国麦道(MD)公司 美国麦道 公司 CATIA——法国达索 法国达索(Dassault)公司 法国达索 公司 SURP——大众汽车公司 大众汽车公司 PDGS——福特汽车公司 福特汽车公司 EUCLID——雷诺汽车公司 雷诺汽车公司
曲面造型
优点：避免了二义性， 优点：避免了二义性，有完整的表面和边 适合自动生成NC加工指令 加工指令。 界，适合自动生成 加工指令。CAM的 的 问题可以基本解决。 问题可以基本解决。 缺点： 缺点： 由于表面模型只能表达形体的表面信息， 由于表面模型只能表达形体的表面信息， 难以准确表达零件的其它特性，如质量、 难以准确表达零件的其它特性，如质量、 重心、惯性矩等， 十分不利， 重心、惯性矩等，对CAE十分不利，最大 十分不利 的问题在于分析的前处理特别困难。 的问题在于分析的前处理特别困难。 不能优效处理不规则区域的曲面、 不能优效处理不规则区域的曲面、无法定 义曲面厚度。 义曲面厚度。 不存在各个表面之间相互关系的信息
表面建模是通过对物体各种表面或曲面 表面建模是通过对物体各种表面或曲面 进行描述的建模方法。 进行描述的建模方法。表面建模常用于 其表面不能用简单的数学模型进行描述 的物体。 的物体。 。常用的方法: 常用的方法 贝塞尔(Bezier)曲面 贝塞尔 曲面 B样条 spline) 样条(B 样条 Coons曲面 曲面 NUBERS曲面 曲面
空间单元表示法
空间单元表示法是通过具有一定大小的立方体 空间单元表示法是通过具有一定大小的立方体 称为单元）组合起来表示物体的一种方法。 （称为单元）组合起来表示物体的一种方法。 通过定义各个单元的位置是否被占用来表达物 因而是一种近似表示法。并且， 体，因而是一种近似表示法。并且，单元的大 小直接影响到模型的分辨率。 小直接影响到模型的分辨率。 单元表示法要求的存贮空间大 要求的存贮空间大， 单元表示法要求的存贮空间大，且不能表示物 体各部分之间的关系，也没有点、 体各部分之间的关系，也没有点、线、面的概 优点是算法简单， 念。优点是算法简单，便于物理性计算和有限 元分析。 元分析。