第三章(冷冲模CADCAM)

第三章冷冲模CAD/CAM本章主要内容第一节冲模CAD/CAM结构与功能第二节冲裁件图形输入第三节冲裁模CAD/CAM第四节冲模CAD/CAM软件简介第一节冲模CAD/CAM结构与功能第一节冲模CAD/CAM结构与功能一、冷冲模CAD/CAM概述计算机辅助设计与制造在冲压生产中应用较早。国外从二十世纪60年代末期开始了对冲模CAD系统研究。70年代初陆续推出一批模具CAD/CAM系统。美国的DIE-Comp公司1971年推出的PDDC级进模CAD/CAM系统。该系统要求输入数字化的零件图、材料厚度和材料种类的代码，设计人员可以选择模具结构形式、方便地设计凸模、模芯、模架等。系统自动完成计算、绘图、输出加工控制带等工作。该公司利用此系统提高了设计质量，缩短生产周期，使手工设计需要8周完成的工作，2周便可完成。整个生产准备时间由18周缩短至6周，从而增强了公司的竞争能力。第一节冲模CAD/CAM结构与功能PDDC级进模CAD/CAM系统特点：1977年捷克金属加工工业研究所研究成功的ATK系统，用于简单、复合、连续冲裁模的CAD/CAM。该系统使模具的生产周期由原来的一个月缩短为8天，成本降低一半左右。1978年日本机械工程实验室建立的MEL连续模设计系统和1979年由日本旭光学工业公司研制成功的PENTAX冲孔与弯曲模CAD/CAM系统，使模具设计效率提高4~10倍。第一节冲模CAD/CAM结构与功能同时英国、原苏联、意大利、捷克等国也都进行了冷冲模CAD/CAM技术开发和应用，取得了良好效果。它们一般都能为所在企业提高设计工效几倍至几十倍，缩短模具制造周期60%以上，降低模具制造成本30%~50%。进入70年代以来我国许多大学、研究机构和一些大型企业在冲模CAD/CAM的研究与应用方面进行广泛的研究与探索，并取得重大成果。近年来，各种冲模CAD/CAM系统不断涌现，功能大同小异，但每个具体软件覆盖面不宽，甚至为某个工厂、行业所专用。第一节冲模CAD/CAM结构与功能第一节冲模CAD/CAM结构与功能存在问题：其主要原因一方面模具种类繁多，要求各异；另一方面模具设计标准化、结构标准化程度不高，对模具设计、制造中很多宝贵经验尚未能上升为理论或不能取得共识，对于CAD/CAM系统的软、硬件来说，数据交换、数据存储和系统接口等方面不统一。但无论如何，冲模CAD/CAM系统的开发，积极促进了模具标准化、典型化进程。反过来，模具设计制造技术的每一个进步促进模具CAD/CAM技术的日渐成熟。CAD/CAM系统在冲模设计与制造中的应用，主要可以归纳为以下几方面：（1）利用几何造型技术完成复杂模具几何设计。（2）完成工艺分析计算，辅助成形工艺的设计。（3）建立标准模具零件和结构的图形库，提高模具结构和模具零件设计效率。（4）辅助完成绘图工作，输出模具零件图与总装图。（5）利用计算机完成有限元分析和优化设计等数值计算工作。（6）辅助完成模具加工工艺设计和NC编程。第一节冲模CAD/CAM结构与功能将产品零件图输入计算机系统后，系统可完成工艺分析计算和模具结构设计，绘制模具零件图和总装图，完成数控线切割编程，并以多种方式输出程序。第一节冲模CAD/CAM结构与功能二、冲裁模CAD/CAM系统结构及功能计算机图形板外存储器图形终端绘图仪打印机打孔机图3-1冲裁模CAD/CAM系统的硬件配置数据库采了DBASE关系型数据库管理系统，用于存放工艺设计参数、模具结构参数、标准零件尺寸、公差和材料性能等方面的大量数据。图形软件包括图形基本软件和应用软件。图形软件可根据设计结果自动绘制模具图。应用程序包括简单模、复合模、连续模的工艺设计计算、模具结构设计和线切割自动编程。第一节冲模CAD/CAM结构与功能DBASE数据库图形软件二维图形软件标准图形库汉字库应用程序工艺计算模具结构设计NC自动编程自动绘图纸带穿孔图3-2CAD/CAM系统软件组成第一节冲模CAD/CAM结构与功能图3-3冲裁模CAD/CAM系统工作流程图第一节冲模CAD/CAM结构与功能三、拉深模CAD拉深模CAD系统与冲裁模CAD系统基本类似，但因拉深工艺属于变形工序，所以拉深模CAD系统还有其特殊之处，主要表现在以下几个方面：（1）拉深件为三维立体，而非平板件，零件图形输入复杂；（2）工艺性检验还有底部圆角检验，对盒形件还有转角参数；（3）增加毛坯展开过程，对非旋转体毛坯展开比较复杂；（4）拉深间隙比冲裁间隙对成形影响更大，经验性更强，甚至要通过试模才能确定；（5）模具类型以单工序模为主。第二节冲裁件图形输入冲裁零件的图形输入是冲裁模CAD/CAM系统中第一步要做的工作，是工艺分析计算、模具结构设计、模具图绘制及数控自动编程的基础。冲裁零件的图形输入，也就是将产品的图形信息输入计算机，在计算机内建立一定的数据结构，形成其几何模型，以便取得后继程序运行所需信息。随着CAD/CAM技术的发展，三维实体建模输入将是主流方式。但早期的CAD/CAM系统常用的冲裁零件的图形输入方法有以下几种。第二节冲裁件图形输入一、交互输入法图3-4冲裁件图形交互输入过程首先利用AutoCAD绘图软件包，以交互式方式在屏幕上完成冲裁件图形编辑，然后生成冲裁件图形的DXF交换文件，并利用接口程序从图形交换文件中提取各线素的结点数据，再利用的后续处理程序将提取的图形信息按冲裁模CAD/CAM系统要求，建立起冲裁件图形的数据结构与几何模型，供系统后续模块调用。第二节冲裁件图形输入二、结点输入法输入线段的图形元素的信息，如直线和圆弧的方程、结点的坐标以及各线段之间的连接关系（拓扑关系），即可在计算机内建立一定的数据结构，形成几何模型，达到输入冲裁零件图形的目的。冲裁零件图形的拓扑关系比较简单，只要将各线段按一定的顺序和一定方向首尾相连即可。所以结点输入法就是先用人工将各线段的参数和结点坐标计算出来，然后按一定的顺序和格式将数据输入计算机即可。这种方法简单可行，易学易懂，但计算各结点数据费时太多，而且容易出错。第二节冲裁件图形输入三、用数控语言(或类似数控语言)输入图形数控语言是指数控机床用的自动编程语言，其中APT语言是流传最广、影响最深、最具代表性的一种。APT语言接近英语自然语言，程序书写方法也类似英语习惯，编程容易人员掌握。冲裁件图形是平面轮廓线，其描述仅用到APT语言中很小一部分功能，所以有些CAD/CAM系统采用的是经过简化的类APT数控语言，即利用数控语言几何定义语句和运动语句描述零件形状。这种方法操作直观方便，易发现错误，适用于熟悉APT语言或英语有一定基础的人员。四、面素拼合法第二节冲裁件图形输入面素拼合法是通过对大量冲裁件图形的分析，选定了若干种构成冲裁件图形的简单形状，作为基本面素，如圆、平行四边形、三角形、扇形等。这些基本面素本身只要输入少量参数即可表达。如果把一个平面面素看成是一个被轮廓线包围着的平面点集，两个点集通过并、交、差运算可以得到另一个点集；同理，两个面素通过并、交、差运算也可以拼合成另一个面素，这就是面素拼合法的基本原理。面素拼合法对简单、规则的图形输入速度较快，但要求人工预先对图形进行分解、排列和组合，并需少量人工计算。另外，其输入的图形缺少公差信息，会对后继程序带来不便。五、用数字化仪或图形扫描仪输入第二节冲裁件图形输入这两种方法的基本原理相同，都是依靠硬件设备进行图—数转换。使用这两种方法输入图形的前提条件是必须有尺寸精确的冲裁件零件图。用数字化仪输入是依靠带有放大装置的十字标来直接输入图纸上点的坐标。这种方法很难精确的输入结点坐标，因此，这种方法不太适合于冲裁模CAD/CAM系统。用图形扫描仪输入是把冲裁件零件图放在图形输入板上，经过光电扫描转换装置的作用，把图形及其它符号输入计算机，再经过计算机处理成为冲裁模CAD/CAM系统所需要的几何模型。这种输入方法简单、快速。六、编码输入法第二节冲裁件图形输入这种方法是人工将图上形状参数与尺寸编程表格（称为编码）输入计算机，然后运行计算机内的图形输入程序，便能得到图形内外轮廓的结点坐标及详细的图形信息和完整的尺寸信息。编码输入法的基本思想，是基于任何平面图形均有一个外轮廓和若干个内轮廓构成，而每个轮廓又由点、线、圆（非圆曲线可用圆来拟合）等图形元素构成，每一个元素总可以由一个或两个其它元素唯一地确定。用以确定待定元素的元素称为基准元素，而基准元素必须是已经描述过的元素。第三节冲裁模CAD/CAM冲裁件图形输入，在计算机内产生出几何模型。系统下一步工作的依据，就是适合计算机处理几何模型的系统设计准则。模具设计同机械产品设计一样，在开始选择结构时就必须依照一定的设计准则才能做出初步的估价和判断。再做出进一步的计算、分析和评价时，则需要从“约束方面”来使用设计准则。若单独由人来完成这一过程，则很多情况下是凭经验和直觉来做出结论的。而引入计算机以后，一方面需要用人的经验和直觉建立数学模型，创立人工智能系统，另一方面却需要用更加科学、更加严密的理论去建立数学模型的设计准则。一、冲裁工艺方案设计第三节冲裁模CAD/CAM1．工艺性检验冲裁件的工艺性是指冲裁件对冲压工艺的适应性，主要包括冲裁件结构尺寸的工艺性和冲裁件的精度与粗糙度两大方面，具体内容如下：冲裁件的形状尺寸尽可能设计成简单、对称，排样废料少冲裁件各直线或曲线连接处，应有适当的圆角过渡冲裁件结构工艺性冲裁件凸出或凹入部分宽度不宜太小，避免悬臂与狭槽冲裁件孔径不宜过小冲裁件工艺性孔与孔之间、孔与边之间、边与边之间的距离不宜太小弯曲或拉深件冲孔时，孔壁与直壁之间应保持一定距离冲裁件的精度和粗糙度第三节冲裁模CAD/CAM冲裁件内外形的经济精度不高于GB1800-79IT11级，一般要求落料件精度最好低于IT10级，冲孔件最好低于IT9级。冲裁件表面（剪断面）粗糙度Ra值一般在1.25μm以上。冲裁件的精度和粗糙度判断比较简单，本节主要阐述冲裁件结构尺寸工艺性的计算机检验模型与方法。检验的实质是将冲裁件零件图中的圆角半径、冲孔直径、孔边距、孔间距、槽边距、槽间距、槽宽和悬臂等几何特征量与相应的工艺参数极限值进行比较，以确定零件是否适合于冲裁加工。工艺性判别的内容，是检查被冲零件的结构尺寸（如外形的小凸起，悬臂，圆角半径以及孔、槽边距或间距、槽宽及环宽等尺寸）是否在普通冲裁（或精冲）所允许的极限之内。手工设计时，往往由人工逐个对照表格数值进行检查判断。在冲裁模CAD/CAM系统中，可以采用自动判别方法和交互式设计方法。自动判别方法必须解决三个问题，即：（1）要找出判别对象元素；（2）需确定判断对象的性质（即属于孔间距、孔边距、槽宽等中的那一类）；（3）求出其值，并于允许的极限值进行比较。为达此目的，可以采用多种方法。第三节冲裁模CAD/CAM选择判别对象元素判断对象的性质线—线型圆--圆型计算需要判别的量值第三节冲裁模CAD/CAM图3-5工艺性判断流程图工艺性判断流程:2、排样及优化设计第三节冲裁模CAD/CAM工件在条料上的排列形式有四类：普通单排、对头单排、普通双排、对头双排。如图3-7所示，每一类中，工件在条料上的倾斜角度可以任意变化，即排样角度变化范围可以从0°～180°。其中，普通单、双排的两相邻图形位相相同，对头单、双排的两相邻图形相差180°。单排在一个步距中只出现一个工件，而双排则有两个工件。图3-7冲裁件排样形式a）普通单排b）双头单排c）普通双排d）对头双排工件在条料上的排样方案是多种多样的，要逐一比较其材料利用率是手工计算所不能胜任的。只有利用计算机设计才能实现现代优化排样。计算机优化排样主要有以下几种：（1）加密点逐步移动判定法（2）平行线分割一步平移法（3）函数优化法（4）人机交互动画寻优法第三节冲裁模CAD/CAM在不考虑整张板料上的裁料方式及条料长度的前提下，为了寻找E的最大值，一般有两条途径；一个是采用常规的优化理论，寻找（步距×料宽）的最小值；二是采用穷举法，逐一计算各种排样方案下的材料利用率，求出最大值。当E最大时，初步确定该排样方案最优