机械CAD/CAM
机械工程与自动化学院机械自动化系张保成第一章 CAD/CAM技术概述
1.1 CAD/CAM技术基本概念
1.2 CAD/CAM系统的功能和作业过程
1.3 CAD/CAM技术的硬件和软件
1.4 CAD/CAM技术的发展和应用本章内容
1、了解CAD/CAM 的基本概念、功能；
2、掌握CAD/CAM 系统的软、硬件组成；
3、了解 CAD/CAM的发展概况和发展趋势。
教学目的
《机械 CAD/CAM》课程教案
1.1 CAD/CAM技术基本概念
1.1.1 CAD技术
CAD含义：
以计算机为工具，通过人机交互，处理产品设计过程中的图形和数据信息，辅助完成整个产品设计过程的一门综合技术。
1.1 CAD/CAM技术基本概念
1.1.1 CAD技术
CAD基本功能几何造型工程分析仿真模拟图形处理
1.1.1 CAD技术
CAD 系统组成
CAD系统设计数据库 应用程序库 交互图形库硬件 软件
1.1.2 CAPP技术
CAPP含义：
CAPP—Computer Aided Process Planning
是根据产品设计结果,进行产品的加工工艺过程的设计，是一项重要的生产准备工作。
1.1.2 CAPP技术
CAPP功能毛坯设计工艺路线工序设计工时定额工装设计余量分配切削用量工时定额机床刀具选用工序图绘制
1.1.2 CAPP技术
CAPP组成人机交互模块零件信息描述获取工艺工序决策工艺文件生成与管理零件对象零件信息库数据库知识库工艺文件库
1.1.3 CAM技术
CAM含义：
CAM-- Computer Aided Manufacturing
广义CAM,利用计算机完成从毛坯到产品制造过程中的直接和间接的各种生产活动，包括工艺准备、生产作业计划、物流控制、加工过程仿真、数控加工、质量检验、产品装配、调试等。
狭义CAM,数控加工程序编制。
1.1.4 CAD/CAM集成技术
CAD/CAM集成技术：
利用数据库技术、网络技术、数据交换和接口技术，实现3C各模块之间信息自动传递、转换和共享的相关技术。
1.1.4 CAD/CAM集成技术
CAD CAPP CAM
工程图样工艺文档
NC代码非集成3C系统输入输出信息流
1.1.4 CAD/CAM集成技术
CAD/CAPP/CAM集成信息流
CAD CAPP CAM
概念设计几何造型工程分析图形处理 毛坯设计工艺准备工序设计工时定额 工艺准备作业计划物流控制质量保证
1.1.4 CAD/CAM集成技术
CAD/CAM系统总体结构用户界面应用系统
CAD CAPP CAM ……
数据库、网络系统、数据交换接口操作系统计算机硬件
通过专用数据接口实现集成
利用标准格式接口文件实现集成
基于同一产品模型和数据库的集成
基于产品数据管理（ PDM）的系统集成
基于特征方法的系统集成
面向并行工程的系统集成
1.1.5 CAD/CAM集成方法
1.3 CAD/CAM系统硬件和软件
1.3.1 CAD/CAM系统组成软件核心人关键硬件基础
CAD/CAM系统组成人,有着不可替代 主导 作用硬件,是 基础,包括主机、计算机外部设备以及网络通讯设备等软件,是 核心,决定系统性能的优劣，包括操作系统、支撑软件、
应用软件等。
1.3.2 CAD/CAM系统硬件
CAD/CAM系统硬件组成
1.3.2 CAD/CAM系统硬件存贮器计算机主机输入装置生产装备输出装置计算机网络
CAD/CAM系统硬件组成
1.3.2 CAD/CAM系统硬件计算机主机：
中小型计算机：由于大型复杂设计计算和分析；
工程工作站：具有强大的图形处理、高速计算和网络通信能力；
微型计算机：性能价格比高，软件丰富，操作容易，是CAD/CAM 主流机型。
1) 计算机主机计算机主机——从理论上讲，计算机主要由逻辑运算单元、存储单元、输入 /输出单元、控制单元和电源等 5部分组成，一般由总线连接。
主要评价指标（表征计算机处理信息的量和速度）：
（1）内存容量（MB）
（2）字长——指CPU（控制单元和逻辑运算单元，主要分Intel和非Intel产品）同时处理的二进制位数，有8/16/32/64位机等
（3）运算速度（MHz/GHz）
1.3.2 CAD/CAM系统硬件
2）外围设备（外设）
）外围设备（外设） ——通常指打印机、
绘图仪、扫描仪、外置硬盘、软驱、光驱、调制解调器等等，有时也将显示器、键盘等称为外设，这是相对于逻辑运算器这样的核心部件而言的。
（ 1）输入设备——键盘、鼠标、光笔、叉丝、数字化仪、扫描仪及数字摄象机等。
1.3.2 CAD/CAM系统硬件
1.3.2 CAD/CAM系统硬件输入设备：
键盘鼠标：最典型常用的输入设备；
数字化仪：通过电磁感应原理进行图形坐标点输入；
图形扫描仪：能快速完成图形信息的输入，生成位图信息，经矢量化处理将位图转换为矢量化图形；
数码相机：将光学真实图象转换为数字图象；
其他输入装置：如触摸屏、声响交互输入等。
输入设备
扫描仪——采用点阵式（光栅）输入
（矢量输入信息量大，对存贮器的容量要求高）。具有工作量小、速度快、成像准确等优点，自动完成，识别不了的可以进行人工干预。输入后将点阵图矢量化，从而实现编辑、修改等操作。
1.3.2 CAD/CAM系统硬件输出设备：
图形显示器：最基本的输出装置，由图形卡支持；
打印机：有针式、喷墨、激光打印机之分；
自动绘图仪：有笔式绘图仪、喷墨绘图仪，
有滚筒绘图仪、平板绘图仪之分。
硬件系统
（图形显示器——CAD系统必不可少的核心设备，主要用CRT（Cathode Ray
Tube)，也有液晶、等离子等。
输出设备
以CRT显示器为例，主要由CRT（核心部分）、处理图象和命令的微处理机、
本身所带内存等三部分组成。采用光栅式扫描，推荐刷新频率为72Hz以上。点距多为0.28mm和0.25mm（越小图象质量越好）。分为球面、平面直角和柱面三种。
输出设备
绘图仪——产生高质量工程图纸的最重要、最常用设备。分为笔式（滚筒式、
平板式）、静电式、彩色喷墨、激光等几种形式。喷墨、激光绘图仪因速度快、精度较高、价格相对低廉而成为主流产品。
打印机——最廉价的生成工程图纸的硬拷贝设备，常用喷墨、激光等技术。
1.3.2 CAD/CAM系统硬件存储器：
内存储器：存储当前所需的数据和程序，半导体材 料，
访问速度快，成本高，存储量有限，存储信息掉电丢失；
外存储器：存储CPU 暂时不用的数据和程序，存储量大，能长期保存。有软盘、硬盘、光盘、USB 之分。
1.3.3 CAD/CAM系统的软件应件用软支件撑软系统软件
CAD/CAM系统的软件组成
1.3.3 CAD/CAM系统的软件系统软件,
操作系统,计算机软件核心，有CPU管理、内存管理、I/O管理、文件管理等功能，常用操作系统有DOS、Windows、Unix、OS/2等。
语言编译系统,如 Basic、C/C++、LISP等编译系统，
是将高级语言转换为计算机机器语言。
图形接口标准,如 GKS、PHIGS、GL/OpenGL等图形接口标准，独立于硬件设备和各种不同的计算机语言。
1.3.3 CAD/CAM系统的软件图形接口标准：
? GKS—Graphics Kernel System
1977年前联邦德国提出，1985年推广为国际标准。
? PHIGS—Programmer’s Hierarchical Interactive
Graphics System。
ANSI（American National Standards Institute ）
提出，1986年经ISO批准为国际标准。
? GL/OpenGL—Open Graphics Library
SGI提出，目前应有最为广泛的图形标准。
1.3.3 CAD/CAM系统的软件支撑软件,
交互绘图软件,主要完成二维工程图样的绘制，
如AutoCAD、PICAD、高华CAD、开目CAD等。
三维造型软件,如 MDT、Solidworks、Solidedge
等。
数控编程软件,如 MasterCAM、SurfCAM等。
工程分析软件,如 SAP、ADINA、NASTRAN、ANSYS
等。
综合集成支撑软件,如 I-DEAS、UGII、PRO/E、
CATIA等,具有CAD、CAE、CAM等综合功能。
1.3.3 CAD/CAM系统的软件应用软件,
在系统软件和支撑软件基础上，针对某一具体应用开发的软件，如机床设计、夹具设计、汽车车身设计等
CAD或CAE软件系统。
1.4 CAD/CAM技术的发展和应用
CAD/CAM技术的发展
50年代－萌芽期,图形显示器(50),NC机床(52),绘图仪(58)
60年代－成长期,CAD(63),FMS(67),CADAM,GRAPHI等大型
CAD/CAM系统问世
70年代－发展期,CAD/CAM软硬件系统商品化
80年代－普及期,PC微机和工作站系统广泛使用，从大型企业向中小企业扩展，从发达国家向发展中国家扩展
90年代－集成期,CAD/CAM集成，CIMS集成
CAD/CAM技术的发展
单元技术的发展和应用阶段 60~70年代如图形软件、数控编程,CADAM、CATIA,UNITGAPHICS、IDEAS 等
CAD/CAM系统； ADINA,ANSYS,NASTRAN工程分析系统。
阶段特征：各功能模块基本形成，数据结构尚不统一，不具备集成性 。
CAD/CAM的集成阶段 20世纪80年代实体造型成熟，特征建模、工程数据库发展；超级微机、工作站占领市场。
阶段特征,CAD/CAE/CAM集成性好，应用向三维、集成化发展 。
面向并行设计制造环境的CAD/CAM 阶段 自20世纪90年代由面向零件集成向面向产品并行设计发展，要求产品设计一次成功。
阶段特征：面向产品全生命周期建模、企业 PDM、计算机网络、
协同工作模式 。
CAD/CAM目前研究热点
计算机辅助概念设计 需解决建模和推理两大技术难题 。
计算机支持的协同设计 须解决,
①群体成员间实时、可靠、廉价的信息交换；
②保证异地、异构环境下协同设计系统可靠运行；
③群体成员冲突协调解决机制。
海量信息的存储、管理和检索技术
智能CAD/CAM 技术
CAD/CAM与虚拟现实技术的集成
计算机安全
CAD/CAM技术未来的发展趋势
向着系统的集成化方向发展
向着技术的智能化方向发展
向着更广域的网络化方向发展
向着更深度的并行化方向发展
面向着先进制造技术的CAD 技术发展
面向着多学科交叉融合的虚拟设计（VR ）技术发展
机械工程与自动化学院机械自动化系张保成第一章 CAD/CAM技术概述
1.1 CAD/CAM技术基本概念
1.2 CAD/CAM系统的功能和作业过程
1.3 CAD/CAM技术的硬件和软件
1.4 CAD/CAM技术的发展和应用本章内容
1、了解CAD/CAM 的基本概念、功能；
2、掌握CAD/CAM 系统的软、硬件组成；
3、了解 CAD/CAM的发展概况和发展趋势。
教学目的
《机械 CAD/CAM》课程教案
1.1 CAD/CAM技术基本概念
1.1.1 CAD技术
CAD含义：
以计算机为工具，通过人机交互，处理产品设计过程中的图形和数据信息，辅助完成整个产品设计过程的一门综合技术。
1.1 CAD/CAM技术基本概念
1.1.1 CAD技术
CAD基本功能几何造型工程分析仿真模拟图形处理
1.1.1 CAD技术
CAD 系统组成
CAD系统设计数据库 应用程序库 交互图形库硬件 软件
1.1.2 CAPP技术
CAPP含义：
CAPP—Computer Aided Process Planning
是根据产品设计结果,进行产品的加工工艺过程的设计，是一项重要的生产准备工作。
1.1.2 CAPP技术
CAPP功能毛坯设计工艺路线工序设计工时定额工装设计余量分配切削用量工时定额机床刀具选用工序图绘制
1.1.2 CAPP技术
CAPP组成人机交互模块零件信息描述获取工艺工序决策工艺文件生成与管理零件对象零件信息库数据库知识库工艺文件库
1.1.3 CAM技术
CAM含义：
CAM-- Computer Aided Manufacturing
广义CAM,利用计算机完成从毛坯到产品制造过程中的直接和间接的各种生产活动，包括工艺准备、生产作业计划、物流控制、加工过程仿真、数控加工、质量检验、产品装配、调试等。
狭义CAM,数控加工程序编制。
1.1.4 CAD/CAM集成技术
CAD/CAM集成技术：
利用数据库技术、网络技术、数据交换和接口技术，实现3C各模块之间信息自动传递、转换和共享的相关技术。
1.1.4 CAD/CAM集成技术
CAD CAPP CAM
工程图样工艺文档
NC代码非集成3C系统输入输出信息流
1.1.4 CAD/CAM集成技术
CAD/CAPP/CAM集成信息流
CAD CAPP CAM
概念设计几何造型工程分析图形处理 毛坯设计工艺准备工序设计工时定额 工艺准备作业计划物流控制质量保证
1.1.4 CAD/CAM集成技术
CAD/CAM系统总体结构用户界面应用系统
CAD CAPP CAM ……
数据库、网络系统、数据交换接口操作系统计算机硬件
通过专用数据接口实现集成
利用标准格式接口文件实现集成
基于同一产品模型和数据库的集成
基于产品数据管理（ PDM）的系统集成
基于特征方法的系统集成
面向并行工程的系统集成
1.1.5 CAD/CAM集成方法
1.3 CAD/CAM系统硬件和软件
1.3.1 CAD/CAM系统组成软件核心人关键硬件基础
CAD/CAM系统组成人,有着不可替代 主导 作用硬件,是 基础,包括主机、计算机外部设备以及网络通讯设备等软件,是 核心,决定系统性能的优劣，包括操作系统、支撑软件、
应用软件等。
1.3.2 CAD/CAM系统硬件
CAD/CAM系统硬件组成
1.3.2 CAD/CAM系统硬件存贮器计算机主机输入装置生产装备输出装置计算机网络
CAD/CAM系统硬件组成
1.3.2 CAD/CAM系统硬件计算机主机：
中小型计算机：由于大型复杂设计计算和分析；
工程工作站：具有强大的图形处理、高速计算和网络通信能力；
微型计算机：性能价格比高，软件丰富，操作容易，是CAD/CAM 主流机型。
1) 计算机主机计算机主机——从理论上讲，计算机主要由逻辑运算单元、存储单元、输入 /输出单元、控制单元和电源等 5部分组成，一般由总线连接。
主要评价指标（表征计算机处理信息的量和速度）：
（1）内存容量（MB）
（2）字长——指CPU（控制单元和逻辑运算单元，主要分Intel和非Intel产品）同时处理的二进制位数，有8/16/32/64位机等
（3）运算速度（MHz/GHz）
1.3.2 CAD/CAM系统硬件
2）外围设备（外设）
）外围设备（外设） ——通常指打印机、
绘图仪、扫描仪、外置硬盘、软驱、光驱、调制解调器等等，有时也将显示器、键盘等称为外设，这是相对于逻辑运算器这样的核心部件而言的。
（ 1）输入设备——键盘、鼠标、光笔、叉丝、数字化仪、扫描仪及数字摄象机等。
1.3.2 CAD/CAM系统硬件
1.3.2 CAD/CAM系统硬件输入设备：
键盘鼠标：最典型常用的输入设备；
数字化仪：通过电磁感应原理进行图形坐标点输入；
图形扫描仪：能快速完成图形信息的输入，生成位图信息，经矢量化处理将位图转换为矢量化图形；
数码相机：将光学真实图象转换为数字图象；
其他输入装置：如触摸屏、声响交互输入等。
输入设备
扫描仪——采用点阵式（光栅）输入
（矢量输入信息量大，对存贮器的容量要求高）。具有工作量小、速度快、成像准确等优点，自动完成，识别不了的可以进行人工干预。输入后将点阵图矢量化，从而实现编辑、修改等操作。
1.3.2 CAD/CAM系统硬件输出设备：
图形显示器：最基本的输出装置，由图形卡支持；
打印机：有针式、喷墨、激光打印机之分；
自动绘图仪：有笔式绘图仪、喷墨绘图仪，
有滚筒绘图仪、平板绘图仪之分。
硬件系统
（图形显示器——CAD系统必不可少的核心设备，主要用CRT（Cathode Ray
Tube)，也有液晶、等离子等。
输出设备
以CRT显示器为例，主要由CRT（核心部分）、处理图象和命令的微处理机、
本身所带内存等三部分组成。采用光栅式扫描，推荐刷新频率为72Hz以上。点距多为0.28mm和0.25mm（越小图象质量越好）。分为球面、平面直角和柱面三种。
输出设备
绘图仪——产生高质量工程图纸的最重要、最常用设备。分为笔式（滚筒式、
平板式）、静电式、彩色喷墨、激光等几种形式。喷墨、激光绘图仪因速度快、精度较高、价格相对低廉而成为主流产品。
打印机——最廉价的生成工程图纸的硬拷贝设备，常用喷墨、激光等技术。
1.3.2 CAD/CAM系统硬件存储器：
内存储器：存储当前所需的数据和程序，半导体材 料，
访问速度快，成本高，存储量有限，存储信息掉电丢失；
外存储器：存储CPU 暂时不用的数据和程序，存储量大，能长期保存。有软盘、硬盘、光盘、USB 之分。
1.3.3 CAD/CAM系统的软件应件用软支件撑软系统软件
CAD/CAM系统的软件组成
1.3.3 CAD/CAM系统的软件系统软件,
操作系统,计算机软件核心，有CPU管理、内存管理、I/O管理、文件管理等功能，常用操作系统有DOS、Windows、Unix、OS/2等。
语言编译系统,如 Basic、C/C++、LISP等编译系统，
是将高级语言转换为计算机机器语言。
图形接口标准,如 GKS、PHIGS、GL/OpenGL等图形接口标准，独立于硬件设备和各种不同的计算机语言。
1.3.3 CAD/CAM系统的软件图形接口标准：
? GKS—Graphics Kernel System
1977年前联邦德国提出，1985年推广为国际标准。
? PHIGS—Programmer’s Hierarchical Interactive
Graphics System。
ANSI（American National Standards Institute ）
提出，1986年经ISO批准为国际标准。
? GL/OpenGL—Open Graphics Library
SGI提出，目前应有最为广泛的图形标准。
1.3.3 CAD/CAM系统的软件支撑软件,
交互绘图软件,主要完成二维工程图样的绘制，
如AutoCAD、PICAD、高华CAD、开目CAD等。
三维造型软件,如 MDT、Solidworks、Solidedge
等。
数控编程软件,如 MasterCAM、SurfCAM等。
工程分析软件,如 SAP、ADINA、NASTRAN、ANSYS
等。
综合集成支撑软件,如 I-DEAS、UGII、PRO/E、
CATIA等,具有CAD、CAE、CAM等综合功能。
1.3.3 CAD/CAM系统的软件应用软件,
在系统软件和支撑软件基础上，针对某一具体应用开发的软件，如机床设计、夹具设计、汽车车身设计等
CAD或CAE软件系统。
1.4 CAD/CAM技术的发展和应用
CAD/CAM技术的发展
50年代－萌芽期,图形显示器(50),NC机床(52),绘图仪(58)
60年代－成长期,CAD(63),FMS(67),CADAM,GRAPHI等大型
CAD/CAM系统问世
70年代－发展期,CAD/CAM软硬件系统商品化
80年代－普及期,PC微机和工作站系统广泛使用，从大型企业向中小企业扩展，从发达国家向发展中国家扩展
90年代－集成期,CAD/CAM集成，CIMS集成
CAD/CAM技术的发展
单元技术的发展和应用阶段 60~70年代如图形软件、数控编程,CADAM、CATIA,UNITGAPHICS、IDEAS 等
CAD/CAM系统； ADINA,ANSYS,NASTRAN工程分析系统。
阶段特征：各功能模块基本形成，数据结构尚不统一，不具备集成性 。
CAD/CAM的集成阶段 20世纪80年代实体造型成熟，特征建模、工程数据库发展；超级微机、工作站占领市场。
阶段特征,CAD/CAE/CAM集成性好，应用向三维、集成化发展 。
面向并行设计制造环境的CAD/CAM 阶段 自20世纪90年代由面向零件集成向面向产品并行设计发展，要求产品设计一次成功。
阶段特征：面向产品全生命周期建模、企业 PDM、计算机网络、
协同工作模式 。
CAD/CAM目前研究热点
计算机辅助概念设计 需解决建模和推理两大技术难题 。
计算机支持的协同设计 须解决,
①群体成员间实时、可靠、廉价的信息交换；
②保证异地、异构环境下协同设计系统可靠运行；
③群体成员冲突协调解决机制。
海量信息的存储、管理和检索技术
智能CAD/CAM 技术
CAD/CAM与虚拟现实技术的集成
计算机安全
CAD/CAM技术未来的发展趋势
向着系统的集成化方向发展
向着技术的智能化方向发展
向着更广域的网络化方向发展
向着更深度的并行化方向发展
面向着先进制造技术的CAD 技术发展
面向着多学科交叉融合的虚拟设计（VR ）技术发展
