模具CAD 1

模具CAD/CAM第一章绪论CAD即计算机辅助设计(ComputerAidedDesign)CAM即计算机辅助制造(ComputerAidedManufacturing)CAE即计算机辅助工程（ComputerAidedEngineering）1.1CAD基本概念1.1.1常规设计与CAD任何产品及其制造工艺过程都必需先进行设计，设计工作是新产品研制的第一步工作，设计工作的水平直接关系到产品质量、性能、研制周期和技术经济效益。设计流程图产品设计过程明确设计要求方案确定技术设计工艺设计制造加工及试验从流程图可以看到设计过程是一个设计-试验-修改-再设计的一个多次反复过程，最终达到一个最优的设计效果。CAD的工作过程在CAD中，计算机的主要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，根据设计任务和要求进行分析、计算和优化，将初步设计结果显示出来，以人机交互方式反复加以修改。最后确认以后，可在绘图机及打印机上输出设计结果，或者直接驱动数控加工设备进行加工。1.1.2CAD的主要工作内容CAD有以下三方面的基础工作：(1)建立产品设计数据库产品设计数据库是用来存储设计某类产品时所需的各种信息资料，如有关标准、线图、表格、计算公式等。数据库可供CAD作业时检索或调用，它有利于数据的管理及数据资源的共享。(2)建立多功能交互式图形程序库利用图形程序库来进行二维及三维图形的信息处理。能在此基础上绘制工程设计图样，建立标准件、零部件图形库等图形处理工作。(3)建立应用程序库这方面的工作就是汇集解决某一类工程设计问题的通用及专用设计程序。如通用数学方法计算程序、常规机械、模具设计程序、优化设计程序、有限元方法计算程序等。有了以上三方面的基础工作，就形成了CAD的基本框架和系统结构，设计人员就可开展以下的计算机辅助设计工作：1)向CAD系统输入具体的设计要求，并根据设计要求建立产品模型。包括几何模型和制造精度、性能要求、热处理规范等非几何模型，并存于数据库中。2)利用应用程序库中已编制的各种应用程序，进行设计、计算及优化设计，确定设计方案及产品零部件的形状尺寸和技术要求等主要参数。3)运用交互式图形程序库，以人机交互作业方式对初步设计的图形进行实时修改，最后由设计人员确认设计结果。4)利用图形处理和功画技术，对产品模型和加工过程进行图形仿真，为评估设计方案提供逼真和直接的依据。5)输出设计结果，其中包括设计计算数据、图样及文档等。或直接将CAD的数据、程序传送给数控加工设备、生产产品，实现CAD／CAM一体化。充分发挥计算机辅助技术的优越性。1.1.3CAD的发展过程1.准备和酝酿阶段1950年在美国麻省理工学院诞生的“旋风一号”图形显示器，是这一阶段开始的标志。它虽只能显示极为粗糙的图形，与示波器没有太大的差别，但它是计算机向CAD发展的开始。1958年，Calcomp公司研制出了滚筒式绘图机；Gerber公司研制出了平板绘图仪，这时期的硬件开始具有一定的图形输出能力。从整体上说计算机硬件还是处于电子管阶段的较低水平。2.成长发展阶段在20世纪60年代，晶体管取代了真空电子管。20世纪60年代后期，出现了直接存取存储器，研制成功了阴极射线管显示器。这时，许多商品化的CAD设备逐渐出现，如1964年美国IBM公司推出的计算机绘图设备；美国通用汽车公司的用于汽车设计的多路分时图形控制台。这些硬件的出现和发展为CAD的发展提供了坚实的物质基础。MIT林肯实验室的I.E.Sutherland于1962年发表了著名的博士论文：“Sketchpad：一个人机通信的图形系统”。在该篇论文中，首次提出了计算机图形学、交互技术、分层储存符号的数据结构等新思想。从而为CAD技术的发展和应用打下了理论基础。3.成熟推广阶段20世纪70年代，计算机进入大规模集成电路时代，能产生逼真图形的光栅扫描显示器、光笔、数字化仪等图形输入输出设备不断涌现，使CAD的应用达到了一个较高的水平。作为这个阶段开始的标志，Applicon公司于197O年第一个推出了完整的CAD系统。在计算机软件方面，计算机图形学逐渐走向成熟，人机交互图形生成技术日趋完善，各种现代设计计算和分析方法(如有限元、边界元、数值积分、偏微分方程数值解等)，以及各种现代设计方法(如优化设计、可靠性设计、系统工程等)也得到极大的发展和完善。4.广泛应用阶段从20世纪80年代开始，计算机硬、软件发展极为迅速。据统计，硬件的发展基本符合摩尔定理，每18个月性能提高一倍。各种计算机外围设备也不断涌现，性能得到极大的提高。20世纪80年代末和20世纪90年代初是科学计算和图形功能均很强的工作站的天下。更令人鼓舞的是，随着微型计算机的迅速发展，各种性能的迅速提高，CAD系统已开始从小型计算机向微型计算机转化，从而为CAD的普及推广创造了良好的条件。与发达国家的差距1)缺乏商品化CAD软件。我国的CAD软件基本处于研究开发阶段，具有独立自主版权的少，可靠性差，集成化程度低，维护工作差，难以在市场上立足。2)CAD技术推广普及不够。在许多地方，许多人不了解CAD，在制造业领域，利用CAD进行产品设计的覆盖率不到5％，这主要是出于宣传不够、资金不足所造成的。3)重引进不重吸收。由于许多人对CAD了解不够，以为引进CAD系统像引进设备一样只需简单培训就可使用，没有积极钻研，致使CAD系统没有发挥应有的作用，造成了极大的浪费。1.1.4CAD／CAM的发展趋势标准化、集成化、微型化、智能化、可视化和网络化(1)标准化CAD／CAM系统发展很快，如果不受规范制约，则必将发展成为一个个自动化孤岛，给各应用企业带来很大的问题。为了资源共享，各国科学家共同合作，推出了许多标准和规范，例如：GK5(GraphicsKernelSystem，计算机图形核心系统)，建立应用程序和图形输入、输出设备的功能接口。IGES(InitialGraphicsExchangeSpecification，基本图形转换规范)，用于CAD系统之间交换数据。PDES(ProductDataExchangeSpecification，产品数据交换规范)，是美国制定的产品数据交换标准。STEP(StandardfortheExchangeofProductModelData，产品模型数据交换标准)，是正在研制和推行的国际标准。主要研究完整的产品模型数据的交换技术，最终实现在产品生命周期内对产品数据进行完整一致的描述与数据交换。(2)集成化集成化就是向企业提供—体化的解决方案。并行工程是一种集成，企业的产品数据管理(PDM)也是一种集成。通过集成能最大限度地实现企业信息共享，建立新的企业运行方式，提高生产效率。1)向CAD／CAPP／CAM发展：2)CAD／CAM计算中有关软件和算法固化：3)采用多处理机和并行处理方式，提高工作速度：(3)微型化CAD／CAM正转向采用超级微型计算机。32位超级微型计算机在单机功能上将达到小型机和中型机的水平，多CPU并行处理时的功能将达到大型机的水平。以超级微机为基础的CAD／CAM系统不断增多，功能也在不断扩大。(4)智能化传统的CAD系统虽然在产品设计、分析、计算与绘图等方面发挥了重要的作用，但并不适合产品设计整个生命周期，特别在产品的概念设计阶段，由于从抽象到具体的实现极为困难，需要根据专家丰富的经验与知识做出合理的判断与决策。专家系统是智能CAD(ICAD)的研究内容。ICAD把工程数据库及其管理系统、知识库及其专家系统、用户接口管理系统集于一体，形成了智能CAD系统。(5)可视化(包括虚拟设计)随着计算机软硬件水平的提高，可以逐步为设计者提供更加逼真的设计环境，更利于将概念设计转换到几何模型。科学计算可视化是指运用计算机图形学和图像处理技术，将科学计算过程中产生的数据及计算结果转换为图形或图像在屏幕上显示出来，并进行交互处理的理论、方法和技术，它使往日冗繁、枯燥的数据变成生动、直观的图形或图像，容易发挥人们的创造力。(6)网络化计算机技术和通信技术相互渗透、密切结合产生了计算机网络。计算机网络可以通过通信线路将各自独立的、分布于各处的多台计算机相互连接起来，这些计算机彼此可以通信，从而能有效地共享资源并协同工作。网络技术的发展，大大地增强了CAD／CAM系统的能力，而没有网络的计算机简直是不可想象的，更不用谈集成化。1.2模具CAD／CAM技术的应用1.2.1CAD／CAM技术在模具行业的应用早在20世纪60年代初期，国外一些飞机和汽车制造公司就开始了CAD／CAM的研究工作，投入了大量人力和物力。各大公司都先后建立了自己的CAD／CAM系统，并将其应用于模具的设计与制造。采用模具CAD／CAM技术的主要理由1)利用几何造型技术获得的几何模型，可供后续的设计分析和数控编程等方面使用。2)可以缩短新产品的试制周期，例如在汽车工业中，可缩短模具的设计制造周期。3)提高产品质量的需要，如汽车车身表面等形状，需要利用计算机准备数据和完成随后的制造工作。4)模具制造厂和用户对CAD／CAM的需要增加。例如，利用磁盘进行数据传送，用户要求模具制造单位能够交换信息和处理这些数据。5)模具加工设备的效率不断提高，需要计算机辅助处理数据，以提高设备利用率。模具CAM在国外应用较广，计算机控制的数控机床加工模具约占20％～30％。此外，加工中心(MC)、柔性制造系统(FMS)已开始用于模具制造。一般说来，CAM比CAD的应用更为广泛。在欧洲，用传统的机加工方法生产的模具和用NC加工方法生产的模具之比为70：30。在日本，这一比值为40：60。我国模具CAD／CAM的开发开始于20世纪70年代末，发展也很迅速。到目前为止，先后通过国家有关部门鉴定的有精冲模、普通冲裁模、辊锻模、锤锻模和注塑模等CAD／CAM系统。但是，直到现在这些系统大多数仍处于试用阶段，尚未在生产中推广应用。为迅速改变我国模具生产的落后面貌，今后应继续加速模具CAD／CAM的研究开发和推广应用工作。1.2.2模具CAD／CAM的优越性1)CAD／CAM可以提高模具的质量。2)CAD／CAM可以节省时间，提高生产率。3)CAD／CAM可以较大幅度地降低成本。4)CAD／CAM技术将技术人员从繁冗的计算、绘图和NC编程工作中解放出来，使其可以从事更多的创造性劳动。5)随着塑性成形过程计算机模拟技术的提高，模具CAD／CAM／CAE一体化技术可以大大增加模具的可靠性，减少直至不需要试模修模过程，提高模具设计、制造的一次成功率。1.2.3模具CAD／CAM的特点(1)模具CAD／CAM系统必须具备描述物体几何形状的能力(2)标准化是实现模具CAD的必要条件(3)设计准则的处理是模具CAD中的一个重要问题(4)模具CAD／CAM系统应具有充分的柔性所谓柔性，指可以根据不同产品的特点和生产条件，灵活地做出抉择，方便地修改设计，因此，在开发模具CAD／CAM系统时，不仅要考虑全面的功能、较高的效率，还应提供充分的柔性。这是实用化的模具CAD／CAM系统所应具备的基本条件之一。参考书目李志刚.模具CAD/CAM，机械工业出版社，1994李志刚.模具计算机辅助设计，华中理工大学出版社，1990肖祥芷.冲压工艺与模具计算机辅助设计，国防工业出版社，1996肖祥芷.CAD在模具设计中的应用,科学出版社，1993余世浩.冲裁模CAD/CAM系统，机械工业出版社，1996余世浩.黄尚宇.模具CAD基础,武汉理工大学出版社,2009史翔.模具CAD/CAM技术及应用，机械工业出版社，1998洪慎章.CAD、CAE、CAM在锻压生产中的应用，上海交通大学出版社，1991吴崇峰.模具CAD/CAE/CAM教程，中国轻工业出版社，2001周天瑞.模具CAD/CAM，机械工业出版社，