模具CADCAM基础

第二章CAD/CAM基本知识第一节模具CAD基础第二节模具CAM基础第三节产品数据交换技术CAD人和计算机相结合,各尽所长的新型设计方法.CAD是指以计算机为辅助工具，通过计算机和CAD软件对设计产品进行分析、计算、仿真、优化与绘图，在这一过程中，把设计人员的创造思维、综合判断能力与计算机强大的记忆、数值计算、信息检索等能力相结合，各尽所长，完成产品的设计、分析、绘图等工作，最终达到提高产品设计质量、缩短产品开发周期、降低产品生产成本的目的。第一节模具CAD基础CAD(ComputerAidedDesign)技术构成：图形处理模块几何造型模块CAD(ComputerAidedDesign)技术构成：装配模块计算机辅助工程模块CAD(ComputerAidedDesign)技术构成：机构动态仿真模块数据库模块一、几何造型几何建模：以计算机表示、控制、分析和输出几何实体的一种技术。几何建模系统：能够定义、描述、生成几何实体，并能交互编辑的系统。以计算机能够理解的方式，对实体进行确切的定义，赋予一定的数学描述，再以一定的数据结构形式对所定义的几何实体加以描述，从而在计算机内部构造一个实体的模型。实质（一）几何建模系统的功能生成工程上应用的零件图及装配图提供结构分析的特征点，通过有限元分析的前置程序，生成有限元分析网格，产生有限元分析所需的各种数据，做好数据准备工作提供与加工特征有关的几何元素的特征信息，以满足在工艺设计时所需的工艺信息和检测信息能提供标准图形转换接口有良好的人机界面，给设计人员提供实时输入、输出的图形编辑功能，对零件图、装配图方便地进行修改能模拟机器的装配过程，特别是某些运动部件的运动，检查是否有干涉及碰撞现象存在实体的描述和表达几何信息拓扑信息1线框建模2表面建模3实体建模建模方法物体在空间的形状、尺寸、位置的描述构成物体的各个分量的数目及相互之间的连接关系（二）几何建模的方法4特征建模特征信息物体精度、材料与加工有关的信息几何建模的方法1、线框建模物体线框图（1）原理数据结构线框建模原理数据结构线框建模原理（2）线框建模特点数据运算简单，操作方便能产生任意视图易产生多义性，难以准确确定实体真实形状无面的信息，描述不完整，面内与面外不能区分线框建模的多义性是通过对实体的各个表面或曲面进行描述而构造实体模型的一种建模方法2、表面建模直纹面平面（1）表面建模原理基本面素（曲面图素）柱状面回转面表面建模原理基本面素（曲面图素）B样条曲面Bezier曲面表面建模原理基本面素（曲面图素）圆角面Coons曲面表面建模原理基本面素（曲面图素）等距面表面建模原理基本面素（曲面图素）Bezier曲面B样条曲面NURBS曲面高级自由曲面数据结构表面建模原理能较完整地定义三维立体的表面，处理复杂型面，如汽车车身、飞机机翼等能为CAD/CAM的其它场合提供数据，如有限元分析中的网格划分无法表示零件的立体特性，体内、外不能识别对操作人员要求高（2）表面建模特点实体建模系统一方面可提供实体完整的信息，另一方面可以实现对可见边的判断，具有消隐的功能3、实体建模实体建模常用的方法•边界表示方法•构造实体几何表示方法•扫描法•半空间表示方法•八叉树法实体生成的方法CSG法通过基本体素的集合运算构造几何实体的建模方法（1）构造实体几何表示方法根据设计需求，对基本几何形体的尺寸参数进行赋值得到对应的几何形体体素法内容基本体素的定义和描述体素之间的集合运算交Intersect并Unite差Subtract实体建模原理常用基本体素体素集合运算用三维物体的封闭边界表面描述一个三维实体（2）边界表示方法顶点棱边表面扫描法平面轮廓扫描整体扫描被移动的基体移动的路径扫描变换（3）扫描表示方法定义：是由一个二维图形或者三维形体在空间沿某一方向或者绕某一轴线旋转来定义实体的方法（3）实体建模中的计算机内部表示表示方法边界表示法B-Rep法(Boundaryrepresentation)构造立体几何法——CSG法(ConstructiveSolidGeometry)混合模式(HybridModel)空间单元表示法——分割法边界表示法B-Rep法数据结构构造立体几何法CSG法数据结构混合模式数据结构空间单元表示法分割法数据结构几何建模系统：4、特征建模详细描述了物体的几何信息和相互间的拓扑关系加工对象要求：几何形状、尺寸和工艺信息（材料、加工精度、表面质量、形位公差）特征建模系统：几何信息+工艺信息，面向整个产品设计过程和生产制造过程（1）特征建模系统分类特征形状特征（核心和基础，几何信息和拓扑信息)精度特征（表达零件的精度信息、尺寸公差、形位公差、表面粗糙度）材料特征（材料种类、性能、热处理要求)特征分类（2）特征建模框架结构（3）特征建模的特点特征建模使产品的设计工作不停留在底层的几何信息基础上，而是依据产品的功能要素，起点在比较高的功能模型上。特征的引用不仅直接体现设计意图，也直接对应着加工方法。特征建模以计算机能够理解的和能够处理的统一产品模型代替传统的产品设计、工艺设计、夹具设计等各个环节的连接，实现真正的CAD/CAPP/CAM的集成，且支持并行工程。有利于实现产品设计、制造方法的标准化、系列化、规范化，使得产品在设计时就考虑加工、制造要求，保证产品有较好的工艺性、可制造性，有利于降低产品的成本。CAM的定义：是指以计算机为主要技术手段，处理与制造有关的信息，从而控制制造的全过程。生产准备——产品制造NC程序编制第二节模具CAM基础(ComputerAidedManufacturing)狭义广义CAM系统的概念计算机辅助加工编程：是指利用CAM系统产生的数学模型，选择确定加工工艺参数，生成、编辑、仿真刀具的运动轨迹，以实现产品的虚拟加工，并产生实际数控机床加工零件的数控程序。一、模具制造的基本要求和特点1.模具制造的基本要求制造精度高使用寿命长制造周期短模具成本低•2.模具制造的基本特点•模具制造难度较大，与一般机械加工相比，具有许多特殊性。•制造质量高模具制造不仅要求加工精度高，而且还要求加工表面质量好。•形状复杂•材料硬度高，热处理工艺复杂•单件生产二、模具制造的主要加工方法1.机械加工2.特种加工（电加工）3.塑性加工（主要指冷挤压制模法）4.铸造加工5.焊接加工6.数控加工7.数控加工数控机床及加工数控机床：利用数控技术，准确地按照已确定的工艺流程，实现规定加工动作的机床。数控机床及加工数控加工：在数控机床上执行根据零件图及工艺要求编制的数控加工指令（程序），从而控制数控机床中的刀具与工件的相对运动，以完成零件的加工。三、数控加工的特点及应用1.数控加工的特点①加工精度高、加工质量稳定②加工生产效率高③对零件加工适应性强④有利于生产管理⑤利用五轴联动，可以加工斜面，复杂曲面2.数控加工的适用范围形状复杂，加工精度要求高，用通用机床无法加工或虽然能加工但很难保证产品质量的零件；复杂曲线轮廓或复杂曲面的零件；难测量、难控制进给、难控制尺寸的具有内腔的壳体或盒形零件；必须在一次装卡中合并完成铣、镗、锪、铰或攻丝等多道工序的零件；在通用机床上必须有复杂专用工装的零件。3.数控加工在模具制造中的应用对于旋转类模具，一般采用数控车加工，如车外圆、车孔、车平面、车锥面等。酒瓶、酒杯、保龄球、方向盘等模具，都可以采用数控车削加工。对于复杂的外形轮廓或带曲面模具，电火花成形加工用电极，一般采用数控铣加工，如注射模、压铸模等，都可以采用数控铣加工。对于微细复杂形状、特殊材料模具、塑料镶拼型腔及嵌件、带异型槽的模具，都可以采用数控线切割加工。模具的型腔、型孔，可以采用数控电火花成形加工，包括各种塑料模、橡胶模、锻模、压铸模、压延拉伸模等。对精度要求较高的解析几何曲面，可以采用数控磨削加工。四、数控加工编程技术的发展概况（一）数控加工编程技术的发展APT语言图形化一体化集成化、智能化（二）数控加工NC（NumericalControl）刀具轨迹生成方法研究发展的现状•1.基于点、线、面和体的NC刀具轨迹生成方法•CAD技术从二维绘图起步，经历了三维线框、曲面和实体造型发展阶段，一直到现在的参数化特征造型。•在二维绘图与三维线框阶段，数控加工主要以点、线为驱动对象，如孔加工，轮廓加工，平面区域加工等。在曲面和实体造型发展阶段，出现了基于实体的加工。•实体加工一般有实体轮廓加工和实体区域加工两种。•2.基于特征的NC刀具轨迹生成方法•特征加工使数控编程人员不再对那些低层次的几何信息（如：点、线、面、实体）进行操作，而转变为直接对符合工程技术人员习惯的特征进行数控编程，大大提高了编程效率。•特征加工有利于实现从CAD、CAPP及CNC系统的全面集成，实现信息的双向流动，为CIMS乃至并行工程（CE）奠定良好的基础；而实体加工对这些是无能为力的。1、数控机床坐标系统标准坐标系：右手直角笛卡儿坐标系。X、Y、Z关系及正向：右手定则。A、B、C正向：右手螺旋定则。五、数控编程基本概念图2-1XK5040A型数控铣床布局图Z方向：Z轴平行于主轴轴线。其正方向为增大工件与刀具之间距离的方向。X方向：X轴水平，当从刀具主轴向立柱看时，X运动的正方向指向右。Y方向：Y轴根据右手直角笛卡儿坐标系判断。数控机床坐标系统第二坐标系：除X、Y、Z主要直线运动之外，还有平行与X、Y、Z的直线运动，可将其命令为U、V、W坐标轴。数控机床坐标系统参考坐标系（RCS）：以工件上某一固定点为原点建立的坐标系。1、为编程方便，无论实际是工件移动还是刀具移动，一律按工件不动，刀具相对移动的原则确定坐标，进行编程。注意2、应用RCS时，须给CAM系统输入机床坐标原点与参考坐标系原点之间的距离（工件原点偏置）。数控机床坐标系统2、数控编程方法手工编程计算机辅助编程（自动编程）利用一般的计算工具，通过各种数学方法，人工进行刀具轨迹的计算，并进行指令的编辑。适用于中等复杂程度程序、计算量不大的零件编程，对机床操作人员来讲必须掌握。对于几何形状复杂的零件需借助计算机使用规定的数控语言编写零件源程序，经过处理后生成加工程序，称为自动编程。比如UG软件：提供可靠、精确的刀具路径；完整的刀具库；加工参数库管理功能；ProE软件：具有零件设计、产品装配、模具开发、数控加工、造型设计等多种功能。手工编程的内容和步骤根据零件图样对零件进行工艺分析，在分析的基础上确定加工路线和工艺参数根据零件的几何形状和尺寸计算数控机床运动所需数据根据计算结果及确定的加工路线，按规定的格式和代码编写零件加工程序单按程序单在穿孔机或卡片机上穿孔，制成控制介质手工编程的内容和步骤手工编程的内容和步骤手工编程的内容和步骤自动编程自动编程语言(APT)3、CAM系统中的基本术语坐标数：指数控机床的进给运动采用了数字控制的数目。坐标联动数：指数控机床在加工零件过程中可以同时进给的坐标轴数目。CAM系统中的基本术语岛轮廓区域由一个闭轮廓所界定.指定待加工区域(内部不需加工)是一系列首尾相连的曲线的集合。指定待加工曲线（封闭或开放）由一个闭轮廓和若干个岛围成的内部空间。指定待加工区域CAM系统中的基本术语切削加工时，主轴转动的角速度(r/min)主轴转速切削速度接近速度退刀速度快速进给速度行间连接速度正常切削时，刀具行进的进给速度(mm/min)刀具从慢速下刀高度到工件起切点的运动速度刀具离开工件回到安全高度的运动速度指在安全高度以上刀具行进的进给速度，一般取机床的G00两行刀具轨迹间刀具的移动速度起止高度：进退刀时刀具的初始高度，应大于安全高度。安全高度：在此高度上，刀具可以快速移动而不发生任何干涉。应大于工件的最大高度。慢速下刀高度：当刀具快速下刀距起切点某一高度时，以接近速度下刀。此高度即称为慢速下刀高度。CAM系统中的基本术语球刀：R=r，应用于复杂曲面加工。圆角刀：rR，应用于粗、精加工。端刀（平刀）：r=0，应用于平面加工。CAM系统中的基本术语数控铣床刀具参数