CAD/CAM是一項知識密集、多學科交叉、綜合性強、應用范圍廣泛的高新技術,是制造業(yè)信息化工程的核心內容之一。本書結合數字化設計制造技術的最新發(fā)展和應用需要,論述了CAD/CAM技術概況、CAD/CAM系統(tǒng)軟硬件組成、圖形處理、數字化實體建模、3D裝配建模技術、CAE/CAPP/CAM技術以及CAD/CAM集成等方面的理論、技術與方法,分析論述了CAD/CAM應用軟件二次開發(fā)技術以及CAD/CAM系統(tǒng)規(guī)劃與實施方法等內容。本書注重技術原理、應用方法和常用CAD/CAM軟件系統(tǒng)(SolidWorks、Nastran、開目CAPP和MasterCAM)的結合,突出教學內容的實用性。本書不同章節(jié)的組合可滿足機械工程學科專業(yè)本科教學不同學時的需要,亦可供從事CAD/CAM系統(tǒng)研究、開發(fā)與應用的工程技術人員參考。
計算機輔助設計與制造(computer aided design and manufacturing, CAD/CAM)是一種以計算機為核心的數字信息處理系統(tǒng)與工程技術人員協(xié)同作業(yè)進行產品設計和制造的先進技術,具有知識密集、學科交叉、綜合性強、應用范圍廣等特點。CAD/CAM技術的發(fā)展和應用使傳統(tǒng)的產品設計方法與生產模式發(fā)生了深刻的變化,對制造業(yè)的生產模式和人才知識結構產生重大的影響,并由此奠定了制造業(yè)信息化工程的基礎。經過幾十年的應用發(fā)展,不僅CAD/CAM系統(tǒng)本身已形成規(guī)模龐大的產業(yè)集群,而且顯著促進了制造業(yè)產品設計制造邁向了數字化、網絡化、智能化和全球化的新時代,也為制造業(yè)帶來了巨大的經濟社會效益。目前CAD/CAM技術廣泛應用于機械、電子、汽車、模具、航空航天、交通運輸、工程建筑、軍工等各個領域,它的研究與應用水平已成為衡量一個國家技術發(fā)展和工業(yè)現(xiàn)代化水平的重要標志之一。
毫無疑問,CAD/CAM技術已經成為產品設計制造工作中不可缺少的工具,是機械工程學科領域的一門重要的專業(yè)必修課程。對于21世紀的工程技術人員來說,學習并掌握CAD/CAM技術原理及其相應軟件系統(tǒng)的應用方法是十分重要的。因此,及時系統(tǒng)地反映CAD/CAM技術原理與典型軟件系統(tǒng)的應用方法,滿足當前CAD/CAM技術研究、教學和推廣應用的需要,是編寫本書的基本出發(fā)點。
我們認為,CAD/CAM課程教學的主要任務有三個方面:一是使學生學習CAD/CAM技術的基本原理和主要技術方法;二是學習和掌握CAD/CAM的各單元技術、集成技術等關鍵技術;三是通過典型CAD/CAM軟件系統(tǒng)的學習和初步應用,培養(yǎng)學生的CAD/CAM系統(tǒng)工程化應用意識。為此,本書編寫的指導思想是:以CAD/CAM技術的共性理論為基礎,以機械工程應用為背景,注意突出內容的新穎性和實用性,在論述CAD/CAM的基本原理、關鍵技術和應用方法的基礎上,結合常用CAD/CAM軟件系統(tǒng)的應用介紹,方便學生學習從圖像處理、三維建模、裝配建模、性能分析仿真到數控加工編程所涉及的CAD/CAM技術和軟件系統(tǒng),并通過應用CAD/CAM軟件系統(tǒng)來理解和掌握CAD/CAM技術。
本書體系結構與內容安排是:
第1章概述CAD/CAM的基本概念與作用、CAD/CAM技術的產生與發(fā)展、用CAD/CAM軟件系統(tǒng)實現(xiàn)特定產品的設計和制造的過程。
第2章論述CAD/CAM系統(tǒng)組成與軟硬件環(huán)境等方面的內容,使學生從整體上了解CAD/CAM的系統(tǒng)組成、CAD/CAM軟件環(huán)境、硬件配置等。
第3章介紹計算機圖形處理技術及其應用,重點是計算機圖形學的基本概念、圖形標準、圖形變換的原理以及常用自由曲線的生成方法。
第4章論述產品數字化造型技術,主要內容是幾何模型的基本概念、三維幾何造型的理論基礎、幾何造型方法、三維實體的計算機內部表示、參數化特征造型等技術,介紹運用SolidWorks軟件系統(tǒng)進行三維實體造型、產品裝配設計、工程圖制作的方法。
第5章介紹CAD/CAM系統(tǒng)中裝配建模的基本原理、裝配建模中的約束技術以及裝配建模方法,使學生初步掌握SolidWorks的裝配建模技術。
第6章介紹計算機輔助分析技術與應用,重點是有限元分析的基本原理和分析步驟,結合實例介紹了MSC.Patran與MSC.Nastran兩種CAE軟件平臺的使用方法。
第7章論述計算機輔助工藝設計技術,包括CAPP系統(tǒng)組成、工藝決策與工序設計、工藝數據庫技術等內容,并以開目CAPP為例介紹CAPP的各功能模塊與應用。
第8章介紹數控編程的原理與方法、加工過程仿真以及CAM軟件應用技術,以實例討論了MasterCAM數控編程軟件系統(tǒng)的實驗方法。
第9章論述CAD/CAM集成技術,介紹CAD/CAM集成系統(tǒng)的邏輯結構、產品數據交換標準、產品信息的描述與集成數據模型等內容,重點討論基于PDM的CAD/CAM集成系統(tǒng)與實例。
第10章討論CAD/CAM應用軟件開發(fā)技術,著重介紹基于通用平臺的CAD專業(yè)軟件的開發(fā)方法,并以SolidWorks三維軟件平臺為例討論專業(yè)軟件的二次開發(fā)技術。
第11章從CAD/CAM系統(tǒng)的需求分析、系統(tǒng)規(guī)劃、實施步驟、管理體制、應用培訓等方面介紹CAD/CAM系統(tǒng)規(guī)劃與實施方法以及CAD/CAM系統(tǒng)建立案例。
本書由四川大學殷國富教授、廣東工業(yè)大學袁清珂教授和四川大學徐雷副教授擔任主編。其中第1、9章由袁清珂教授編寫,第2、3、10章由徐雷副教授編寫,第4、5章由井岡山大學胡茶根老師編寫,第6章由五邑大學楊鐵牛教授編寫,第7章由廣東工業(yè)大學習小英副教授編寫,第8章由殷國富教授編寫,第11章由四川大學方輝老師編寫,全書由殷國富、袁清珂、徐雷統(tǒng)稿。在編寫過程中我們參考了許多學者專家的論著和文獻資料,謹此致謝。
本書內容新穎,體系合理,注重技術原理、應用方法和常用CAD/CAM軟件系統(tǒng)(SolidWorks、Nastran、開目CAPP和MasterCAM)的結合,方便學生通過軟件系統(tǒng)的應用來理解和掌握CAD/CAM技術,突出了教材的教學適用性。本書不同章節(jié)的組合可滿足相關學科本科教學不同學時的需要,亦可供從事計算機輔助設計制造技術研究、開發(fā)與應用的工程技術人員參考。由于CAD/CAM技術內容十分豐富,技術發(fā)展日新月異,因此書中內容難以全面反映這一領域的全部技術成果,不妥之處在所難免,誠請批評指正。
第1章 CAD/CAM技術概論1
1.1 CAD/CAM的基本概念與作用1
1.2 CAD/CAM技術的產生與發(fā)展2
1.3 CAD/CAM集成系統(tǒng)的應用過程與實例5
習題7
第2章 CAD/CAM系統(tǒng)硬件和軟件8
2.1 CAD/CAM系統(tǒng)組成8
2.2 CAD/CAM工作站的硬件設備9
2.3 CAD/CAM系統(tǒng)的軟件體系結構11
2.4 常用CAD/CAM軟件系統(tǒng)14
2.5 CAD/CAM系統(tǒng)的硬件選型17
2.6 CAD/CAM系統(tǒng)設計原則20
2.7 網絡化CAD/CAM系統(tǒng)22
習題22
第3章 計算機圖形處理技術及其應用23
3.1 計算機繪圖概述23
3.2 圖形的概念24
3.3 圖形系統(tǒng)與圖形標準25
3.4 圖形變換與處理27
3.5 曲線描述的基本原理和方法31
3.6 曲線設計33
3.6.1 Bezier曲線33
3.6.2 B樣條曲線36
3.7 曲面設計38
習題42
第4章 產品數字化造型技術43
4.1 幾何模型的基本概念43
4.1.1 幾何模型的信息組成43
4.1.2 幾何造型方法45
4.2 三維幾何造型的理論基礎48
4.3 三維幾何實體造型方法50
4.4 參數化與變量化設計技術55
4.5 特征造型技術58
4.6 基于SolidWorks的參數化特征造型技術60
4.6.1 SolidWorks工作界面及特征管理樹61
4.6.2 SolidWorks實體造型62
4.6.3 SolidWorks曲面造型67
4.6.4 特征修改及編輯69
4.6.5 參數化特征造型的應用69
習題71
第5章 CAD/CAM裝配建模技術72
5.1 裝配建模概述72
5.2 裝配模型73
5.2.1 裝配模型的特點與結構73
5.2.2 裝配模型的信息組成75
5.2.3 裝配樹76
5.2.4 裝配模型的管理77
5.2.5 裝配模型的分析78
5.3 裝配約束技術79
5.3.1 裝配約束分析79
5.3.2 裝配約束規(guī)劃81
5.4 裝配設計的兩種方法82
5.4.1 自底向上的裝配設計83
5.4.2 自頂向下的裝配設計83
5.5 裝配建模技術的應用84
5.5.1 SolidWorks裝配功能簡介85
5.5.2 基于SolidWorks的自底向上的裝配設計86
5.5.3 基于SolidWorks的自頂向下的裝配設計88
習題91
第6章 計算機輔助分析技術與應用93
6.1 CAE技術構成、現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢93
6.2 有限元分析原理96
6.3 CAE的應用97
6.3.1 CAE的主要應用領域97
6.3.2 CAE求解的兩類問題98
6.3.3 CAE中的有限元方法98
6.3.4 有限元法的解題流程99
6.3.5 有限元分析的前處理 100
6.3.6 有限元分析的后處理 101
6.3.7 有限元分析軟件101
6.3.8 CAE的應用實例102
習題113
第7章 計算機輔助工藝設計技術114
7.1 計算機輔助工藝設計技術概況114
7.1.1 工藝設計的任務與內容114
7.1.2 CAPP概念及發(fā)展概況116
7.1.3 CAPP系統(tǒng)組成118
7.2 CAPP系統(tǒng)中的工藝決策與工序設計119
7.2.1 工藝決策內容119
7.2.2 工藝決策技術122
7.2.3 派生式CAPP系統(tǒng)124
7.2.4 創(chuàng)成式CAPP系統(tǒng)128
7.2.5 CAPP專家系統(tǒng)129
7.3 CAPP的工藝數據庫技術132
7.3.1 工藝數據庫在CAPP中的作用132
7.3.2 工藝數據類型及特點132
7.3.3 工藝數據庫設計134
7.4 CAPP系統(tǒng)開發(fā)與應用136
7.4.1 CAPP系統(tǒng)開發(fā)目標136
7.4.2 CAPP系統(tǒng)開發(fā)原則136
7.4.3 開發(fā)環(huán)境及工具的選擇137
7.4.4 CAPP系統(tǒng)開發(fā)過程137
7.4.5 CAPP系統(tǒng)功能模塊139
7.4.6 開目CAPP簡介與應用139
7.5 CAPP的發(fā)展趨勢145
習題145
第8章 計算機輔助制造技術與應用147
8.1 CAM技術概述147
8.2 CAM系統(tǒng)功能與體系結構150
8.3 數控機床及其編程技術151
8.4 數控語言及數控加工程序的編制155
8.4.1 數控加工程序的結構與格式156
8.4.2 數控加工程序的指令代碼157
8.5 數控加工過程仿真技術163
8.6 常用CAM軟件系統(tǒng)的功能簡介165
8.7 MasterCAM數控編程實例167
8.7.1 MasterCAM的基本功能167
8.7.2 MasterCAM的工作界面167
8.7.3 MasterCAM數控編程的一般工作流程168
8.7.4 MasterCAM數控編程實例168
習題174
第9章 CAD/CAM集成技術176
9.1 CAD/CAM集成技術與方法176
9.1.1 CAD/CAM集成系統(tǒng)的邏輯結構176
9.1.2 CAD/CAM集成系統(tǒng)的總體結構177
9.1.3 CAD/CAM集成的關鍵技術178
9.1.4 CAD/CAM系統(tǒng)集成的方法179
9.2 產品數據交換標準183
9.2.1 產品數據交換標準的產生與發(fā)展183
9.2.2 IGES標準184
9.2.3 STEP標準187
9.3 產品信息的描述與集成數據模型190
9.3.1 集成產品數據模型191
9.3.2 零件信息模型192
9.3.3 產品信息模型195
9.4 基于PDM的CAD/CAM集成系統(tǒng)與實例199
9.4.1 PDM的體系結構與功能199
9.4.2 基于PDM集成CAD/CAM系統(tǒng)202
9.4.3 基于PDM集成CAD/CAM系統(tǒng)的開發(fā)實例205
習題208
第10章 CAD/CAM應用軟件開發(fā)技術209
10.1 應用軟件開發(fā)技術概述209
10.1.1 二次開發(fā)的概念、目的和一般原則209
10.1.2 機械CAD軟件的二次開發(fā)210
10.2 CAD軟件開發(fā)流程與文檔資料要求211
10.3 CAD/CAM應用軟件編程基礎213
10.3.1 OpenGL標準214
10.3.2 微機平臺OpenGL的開發(fā)環(huán)境215
10.3.3 OpenGL中基本圖形的生成216
10.3.4 VC 6.0中OpenGL開發(fā)環(huán)境配置220
10.4 專業(yè)CAD軟件開發(fā)方法221
10.5 基于通用平臺的CAD專業(yè)軟件開發(fā)方法221
10.5.1 CAD 軟件二次開發(fā)平臺的體系結構221
10.5.2 CAD 軟件二次開發(fā)技術222
10.6 基于SolidWorks的三維CAD軟件開發(fā)方法224
10.6.1 SolidWorks的對象層次結構224
10.6.2 SolidWorks二次開發(fā)的工具225
10.6.3 SolidWorks二次開發(fā)的一般過程227
習題233
第11章 CAD/CAM系統(tǒng)規(guī)劃與實施方法234
11.1 CAD/CAM系統(tǒng)的規(guī)劃和實施步驟234
11.2 需求分析236
11.3 系統(tǒng)規(guī)劃和實施步驟239
11.4 CAD/CAM系統(tǒng)的管理體制239
11.5 CAD/CAM系統(tǒng)和應用培訓241
11.6 CAD/CAM系統(tǒng)建立案例243
習題248
主要參考文獻249