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1、一、CAD / CAM 技术的概念,计算机辅助设计及制造(CAD/ CAM)技术是将计算机迅速、准确地处理信息的特点与人类创造思维及推理判断能力巧妙结合起来,用计算机硬件、软件的新成就,特别是计算机绘图、数据库、智能模拟技术,为现代设计提供理想的手段。,1973 年国际信息处理联合会(International Federation of Information Processing,简称IFIP)对CAD 系统的定义:CAD 是将人和计算机混编在解题专业组中的一种技术,从而将人和计算机的最优特性结合起来。,计算机辅助设计(Computer Aided Design,简称CAD)是利用计算机强
2、大的计算功能和高效率的图形处理能力,辅助工程技术人员进行产品设计和工程分析,以达到理想的目的或取得创新成果的一门技术。它是综合了计算机科学与工程设计方法的最新发展而形成的一门新兴学科。在人和计算机组成的系统中,工程技术人员以计算机为辅助工具,完成产品的描述、设计、分析、绘图等工作,并达到提高产品设计质量、缩短产品开发周期、降低产品成本的目的。一般认为CAD 系统的功能包括:草图设计、实体零件设计、自由曲面设计、钣金设计、装配设计、工程图绘制、工程分析、图像渲染、数据交换接口等。,计算机辅助制造(Computer Aided Manufacturing,简称CAM),广义CAM 一般是指利用计算
3、机辅助完成从生产准备到产品制造整个过程的活动,包括工艺过程设计、工装设计、NC 自动编程、生产作业计划、生产控制、质量控制等。狭义CAM 通常是指NC 程序编程,包括刀具路径规划、刀位文件生成、刀具轨迹仿真及NC 代码生成等。,计算机辅助工艺过程设计(Computer Aided Process Planning,简称CAPP)是指在人和计算机组成的系统中,根据产品设计阶段给出的信息,人机交互或自动地确定产品加工方法和工艺过程。一般包括毛坯设计、加工方法选择、工艺路线制定、工序设计、刀夹具设计等。计算机辅助工艺过程设计已逐渐形成为一门独立的技术分支。,CAD/ CAM 技术可以大大缩短产品的制
4、造周期,显著提高产品的质量,从而产生巨大的经济效益。CAD/ CAM 技术在制造业广泛应用,其中以汽车、船舶、机床和航空航天等制造业应用最为广泛和深入。,二、CAD / CAM 技术的发展历程,自1946 年世界上第一台计算机在美国问世以来,人们就不断地将计算机新技术引入机械设计、制造领域。,1. 准备和诞生时期(20 世纪50 年代至60 年代),2. 蓬勃发展和进入应用时期(20 世纪60 年代),3. 广泛应用的时期(20 世纪70 年代),4. 突飞猛进的时期(20 世纪80 年代),5. 日趋成熟的时期(20 世纪90 年代以来),计算机辅助几何设计(Computer Aided G
5、eometric Design,简称CAGD)这一术语是1974 年由巴恩希尔(Barnhill)与里森费尔德(Riesenfeld)在美国犹他大学的一次国际会议上提出,用以描述计算机辅助设计的数学方面内容。,计算机辅助几何设计主要研究的是工程中的几何造型问题,是对各种几何外形信息的计算机表示、分析和综合。,20 世纪60 年代,CAGD 主要研究用线框图形和多边形构成三维形体。,20 世纪70 年代末至80 年代初,能够精确表达零部件全部属性的实体造型技术出现了,它以美国SDRC 公司的I-deas 软件为代表,实体造型技术的普及应用标志着CAD 发展史上的第二次技术创新。,进入20 世纪8
6、0 年代,以基于特征的设计、全尺寸约束、全数据相关、存储驱动设计修改为特征的参数化设计成为第三次CAD 技术创新的标志。尤以美国PTC 公司的Pro/ ENGINEER软件为代表。,20 世纪90 年代,一种更加先进的实体造型技术变量化技术成为新的发展方向,同时,变量化技术也驱动了CAD 发展的第四次技术创新。,汽车等产品的几何外形设计,就是要建立产品几何外形的数字模型,并通过计算机对其进行描述、控制和编辑。就数学方法而言,早年的解析几何、微分几何所表达的规则曲线曲面已经不能满足要求。在20 世纪70 年代出现的计算几何,是由函数逼近论、微分几何、代数几何、计算数学、数控技术、计算机图形学等组
7、成的边缘学科。计算几何提供了自由曲线曲面造型的数学方法,是CAGD 的主要数学理论。,CAGD 的应用日趋广泛,除了围绕汽车、航空、船舶等大工业部门的几何外形设计以外,经过30 年的发展,理论研究不断深化,方法日益丰富,应用愈加广泛。除了应用于机械零部件的设计领域外,CAGD 在越来越多的技术领域都有了广泛的应用。,一、车身CAD 的发展历史,最早的汽车车身CAD 的例子是通用汽车公司于20 世纪60 年代用DAC-1 系统来设计汽车前风窗玻璃的形线。20 世纪70 年代,通用汽车公司的CADANCE、FBX 等系统先后研制完成并进入应用阶段。这一时期的特点是软件在企业内部开发,应用范围也局限
8、于汽车外形的处理。20 世纪80 年代车身CAD 技术应用范围则由外形处理发展到结构分析、设计计算、内部构件、发动机设计等方面。,美国福特汽车公司从1967 年开始开发应用CAD 软件。到20 世纪80 年代,福特公司的汽车CAD 技术遍及各种类型的零部件,在汽车底盘的设计分析中使用有限元方法(Finite ElementMethod,简称FEM),公司已经可以实现100%的计算机辅助设计来绘制车身外表面钣金件,其CAD 软件还可以进行结构分析和振动仿真等。,法国雷诺汽车公司的工程师贝齐尔运用他的理论实现了车身曲面的定义,并研制UNISURF系统。,20 世纪80 年代初,日本各大汽车公司的C
9、AD 系统已经基本完善。,进入20 世纪90 年代,汽车车身CAD 技术已经广泛应用于世界各大汽车公司。,我国的CAD 技术应用于汽车行业开始于20 世纪70 年代,在解决汽车设计中的刚度强度计算、试验数据处理等方面取得了很多成果。由于计算机硬件、软件的发展和对外交流,20 世纪80 年代我国开始逐步引进了国外先进的计算机绘图设备和软件,从此我国的CAD 技术有了较快的发展。尤其20 世纪90 年代以来,我国的汽车工业迅速发展,与国外的联系越来越紧密,带动了我国的汽车车身CAD 技术的快速发展。目前,国内各大汽车公司已经普及应用大型三维CAD 软件,CAD 技术的应用水平已经能够满足汽车设计的
10、要求。,二、现代车身设计流程,图1-1 是汽车车身的设计流程框图。,汽车车身设计通常分为概念设计(Concept Design)和工程设计(Engineering Design)两个阶段来进行。,1. 概念设计,概念设计属于产品设计的前期工作,是指从产品构思到确定产品设计性能指标,以及布置定型和造型的确定,并下达产品设计任务书这一阶段的设计工作。 概念设计在轿车车身设计中占有极其重要的地位,它是对未投产新车型的总体概念的概括描述,是确定汽车性能、外形与内饰等主要方面的初步设计。 在现代设计方法中,概念设计阶段要广泛吸收造型师、结构工程师、工艺工程师、财务分析管理人员、部件采购人员、市场分析专家
11、和销售人员同时参与设计工作。而计算机辅助概念设计是其主要的技术手段。 概念设计的主要内容有:产品开发目的、必要性和可行性分析;产品的性能目标和先进性分析;产品的造型设计、布置和尺寸要求;产品的使用调查;产品的目标成本分析;产品设计任务书的确定;产品开发的组织管理等。,在概念设计阶段,造型设计人员进行车身外形的构思,并绘制外形设计概念图,以提供外形设计方案,同时确定出汽车造型的基本思想和进行车身CAD 几何建模。造型设计人员要构思多种外形方案,供选择、比较,并与布置工程师、结构工程师和工艺工程师等一起确定最终的几何模型。概念设计阶段的油泥模型可用于美学和空气动力学的评价。油泥模型比平面效果图更能
12、直观地反映设计人员的意图,并可进行风洞试验,以初步认识车身外形的空气动力学性能,对车身外形的确定有很大作用。,现代汽车造型设计阶段广泛应用的是计算机辅助造型(Computer Aided Styling,简称CAS)技术,无论是二维的汽车造型效果图,还是车身三维造型都大量应用计算机辅助造型软件,如Photoshop、Rhino、Alias 等。,图1-2 是车身二维造型效果图,图1-3 是车身三维造型效果图。但手绘构思草图(Sketch)也仍然是造型设计人员的重要基本功。,2. 工程设计工程设计的主要内容是,在车身(总)布置(Layout)的配合下,进行1 1内部模型和外部模型的设计,以及样车
13、试制与试验等,主要包括结构设计(Structural Design)、工程分析(Engineering)、试验(Testing)和试制等。,车身布置是车身具体结构设计的基础。车身布置的主要内容包括:确定车身内部、外部尺寸;确定乘坐与操作空间;校核各项性能及法规要求的尺寸数据,如风窗的刮扫面积、视野性、座椅的调整量、仪表板的防炫目等;确定车身的悬置形式及位置;确定发动机、传动系占用的空间,并对有关总成提出反要求;备胎、燃料箱、蓄电池、行李舱以及各种液罐的布置;确定由于车身附件及其他装置的特殊要求引起的车身布置及结构的变动等。,车身的内部模型设计包括:确定室内各部件的位置关系,进行室内色彩、材质设
14、计,并表现各部件的外观形状特征等。车身内部实车模型的制作要在CAD 内部数字模型基础上来进行,通常采用木质框架,用发泡塑料和油泥制作内饰部件及车内零件,或安装真实的零件,有时也要采用快速原型技术制作零件,并进行内饰装饰设计以加强模型的真实感。同时要利用三维H 点人体模型实际检验车身的内部布置设计。,车身结构设计包括:建立车身结构件CAD 模型;绘制零部件图纸;进行零件装配和结构分析;进行车身内饰件和外饰件的设计等。,样车试制是为了进一步明确样车的车身外形尺寸、结构设计合理性、装配关系、材料使用情况、制造工艺性等,同时配合样车的试验。样车试验包括对样车进行结构性能试验、道路试验和碰撞安全试验等。
15、,虽然应用车身CAD 建立了车身数字模型,并可以将其作为车身主模型,但制作车身实物主模型也是有必要的,它可以作为生产检测的实物基准。经过总布置确认之后的主模型可以作为进一步设计的基础。,车身模具设计和制造以及工装设计是汽车批量生产的准备。经过调试工装设备、检验设计和生产的合理性、批量试制、试生产,最终实现批量生产。,现代车身布置和结构设计等都是应用大型三维CAD/ CAM/ CAE 一体化的软件完成的,如CATIA、NX 等。车身的结构分析、模态分析、NVH(Noise、Vibration、Harshness)分析、碰撞安全性分析等都可以在CAD 模型的基础上进行。 图1-4 是车身外形数字模
16、型,图1-5 是车身结构FEM 分析模型,图1-6 是车身碰撞安全性分析模型。,由于车身CAD 技术的广泛应用,使得车身设计的平台化战略和汽车系列化变得比较容易实现。目前,车身CAD 技术已经是车身开发过程中的基础性应用技术。,三、车身CAD 的特点,1. CAD 的特点人-计算机结合,CAD 技术是在设计活动中,利用计算机作为工具,帮助工程技术人员进行设计的一切实用技术的总和。CAD 方法是人和计算机相结合、各尽所长的新型设计方法。,在设计过程中,人可以进行创造性的思维活动,完成设计方案构思、工作原理拟定等,并将设计思想、设计方法经过综合、分析,转换成计算机可以处理的数字模型和解析这些模型的
17、程序。在程序运行过程中,人可以评价设计结果,控制设计过程。,计算机则可以发挥其分析计算和存储信息的能力,完成信息管理、绘图、模拟、优化和其他数值分析任务。一个好的CAD 系统既能充分发挥人的创造性作用,又能充分利用计算机的高速分析计算能力,找到人和计算机的最佳结合点。,人和计算机结合,在设计过程中两者发挥各自的优势,有利于获得最优设计结果,缩短设计周期。,在CAD 过程中,计算机的任务实质上是进行大量的信息加工、管理和交换。也就是在设计人员的初步构思、判断、决策的基础上,由计算机对数据库中大量设计资料进行检索,根据设计要求进行计算、分析及优化,将初步设计结果显示在图形显示器上。,2. 完整的C
18、AD 系统具备的条件,在CAD 作业过程中,逻辑判断、科学计算和创造性思维是反复交叉进行的。一个完整的CAD 系统,应在设计过程中的各个阶段都能发挥作用,而要实现这一点,就必须具备以下三个条件:,(2)建立完备的应用程序库。,(1)建立完备的产品设计数据库。,(3)建立多功能交互图形程序库。,3. 车身CAD 的优势,现在的国内外汽车公司都充分认识到车身CAD、CAM 及CAE 的一体化应用的优点,这是早期的常规车身开发所无法比拟的,主要表现在:,(1)提高设计质量和精度。,(2)节省时间,提高生产效率,缩短了设计和制造周期。,(3)大幅度地降低成本。,(4)车身CAD 技术将车身设计人员从烦
19、琐的手工计算和绘图工作中解放出来,使其可以从事更多的创造性劳动,减轻了设计者的劳动强度,改善了他们的工作环境和条件。,(5)可以很方便的将车身设计的模型用于强度、刚度、安全、NVH 等工程分析,也可以比较方便的对模型进行空气动力学模拟分析。这样也使得设计的可信度大为提高。有这样的基础,也将大为缩短样车试制与产品定型的时间。,1. 参数化设计和变量化设计,在车身CAD 技术应用过程中,产品设计建模的速度十分重要。,参数化设计方法就是将模型中的定量信息参量化,使之成为可以任意调整的参数。,参数化模型表示了零件图形的几何约束和工程约束,几何约束包括结构约束和尺寸约束。,在参数化设计系统中,设计人员根
20、据工程关系和几何关系来制定设计要求。,参数化设计中的参数化建模方法主要有变量几何法和基于结构生成算法的方法,前者主要用于平面模型的建立,而后者更适合于三维实体和曲面模型。,参数化技术更适合于设计过程比较明确的工作,变量化设计则为设计对象的修改提供了更大的自由度,可以通过求解一组约束方程组来确定产品的尺寸和形状。,参数化设计和变量化设计,使得车身结构设计可以随着尺寸的修改和使用环境的变化而自动修改。现在的主流CAD 软件几乎都是基于变量化设计的。,2. 智能CAD,智能CAD 是指通过运用专家系统、人工神经网络等人工智能技术使在作业过程中具有某种程度人工智能的CAD 系统。,专家系统的基本思想是
21、使计算机的工作过程能尽量模拟领域专家解决实际问题的过程。,人工神经网络具有下列特征:它包含大量的人工神经元,提供了大量可供调节的变量;信息是分步式存储的,从而提供了联想与全息记忆的能力;具有高度的自适应能力;高度的容错能力;很强的计算能力以及自组织能力。,目前,神经网络和专家系统有联合起来的趋势。,3. 基于特征的设计,特征设计是用易于识别的、包含加工信息的几何单元,如孔、槽、倒角、加强筋等,来取代以往设计中所用的纯几何描述,如直线段、圆弧等。特征是构造零件的最基本的单元要素。特征使设计人员和工艺人员对同一特征具有相同的理解,并且特征定义包含了所有几何和非几何信息。基于特征的设计更适合于CAD
22、/ CAM 的集成和CIMS(Computer Integrate ManufactureSystem)中的建模需要。,4. 相关性设计相关性设计为设计工作提供了极大的方便。5. NURBS 几何构型技术 NURBS(Non-Uniform Rational B-Spline)即非均匀有理B 样条,它在CAD 中用来定义复杂的几何曲线曲面,在车身CAD 领域,更是应用广泛。,6. 装配设计和管理 装配设计是指系统能够同时完成产品或装配部件的设计,而不是个别零件的设计。由于车身结构涉及很多零件的装配关系,装配设计需要考虑的因素复杂,具有装配设计功能的系统需要采用的技术和手段也较多。,7. 车身CAD 系统的集成化 CAD 系统的集成化是当前CAD 技术发展的一个重要方面。,8. 面向对象的设计方法 面向对象的设计方法是分析问题和解决问题的新方法。,9. 车身CAD 系统的网络化 计算机辅助设计作为计算机应用的一个重要方面,离不开网络技术。,
