第1章模具CAD概述

. . 第1章 模具CAD概述由于模具的设计与加工水平,直接关系到产品的质量与更新换代。故随着工业的发展,人们愈来愈关注如何缩短模具设计与加工的生产周期以及怎样提高模具加工质量,传统的模具设计与制造方法已不能适应产品及时更新换代和提高质量的要求。一些先进工业国家率先将计算机技术应用于模具工业,即应用计算机进行产品构型、工艺设计与成形工艺模拟,以及模具结构设计并输出模具图与编制模具加工代码应用NC和CNC机床加工模具,从而实现了模具CAD/CAE/CAM计算机辅助设计、辅助工程和辅助制造一体化系统,达到了提高模具设计效率与加工质量、缩短模具生产周期的目的。特别是近一年来,模具CAD/CAE/CAM技术发展很快,应用围日益扩大,并取得了可观的经济效益。1.1 CAD/CAE/CAM的基本概念CADComputer Aided Design是利用计算机硬、软件系统辅助人们对产品或工程进行设计、绘图、工程分析与技术文档编制等设计活动的总称。CAD是人和机械相结合共同进行设计的一种新设计方法,从而使人和机器的最好特性联系起来。人的特性是具有思维、逻辑推理、学习以及直观判断的能力。而计算机具有运算速度快、精确度高、信息存储量大、不易忘与不易出错等特点。结合的方式是首先由人根据设计目标将设计过程与方法进行综合分析建立模型包括数学模型、数据模型、几何模型,并编制成可运行的解析这种模型的程序。在程序运行过程中计算机将发挥其特长完成数值分析、计算、图形处理以及信息管理等任务。而人将运用自己的经验与判断能力来控制整个设计过程,这种控制是通过人机对话或图形显示的方式进行,让人和计算机之间进行信息交流,相互取长补短,从而获得最优设计结果。由此可见,不能将CAD与计算机绘图等同起来,计算机绘图只是使用图形软件和硬件进行绘图及有关标注的一种以摆脱繁重的手工绘图为其目标的方法和技术。但它是CAD的基础技术之一。CAEComputer Aided Engineering即计算机辅助工程技术。目前关于CAE还没有一个确切的定义,但一般认为它应是一个包含广泛容的术语,是指用科学的方法包括优化、数值模拟、仿真等以计算机软件的形式,为工程界提供一种有效的辅助工具,帮助工程技术人员对产品的设计质量、性能以及加工工艺与制造过程等进行评价分析并反复修改和优化至获得最佳结果。也就是CAE技术将贯穿于产品研制过程的每一个环节中。但是对于模具CAE来讲目前仅局限于数值模拟方法,如注塑模CAE仅仅是用作注射成型过程计算机模拟和缺陷预测的软件,如注塑流动过程模拟、保压过程模拟、冷却过程模拟、气体辅助成型过程模拟,应力分析和翘曲分析等。冲模CAE主要是汽车覆盖件成形过程模拟,即应用数值模拟方法包括有限差分法、有限元法和边界元法分析金属成型过程中应力、应变和温度分布及预测成形缺陷包括起皱、破裂等。而压铸工艺CAE软件的核心是铸件充型、凝固过程的数值模拟。所以当前在模具CAE方面仅局限在用数值模拟方法模拟制品的成型过程及预测缺陷,由此分析出工艺方案及相应参数、模具结构对制品质量的影响,达到优化制品和模具结构、优选成形工艺参数的目的。CAM计算机辅助制造,Computer Aided Manufacturing,一般是指利用计算机对产品制造过程进行设计、管理和控制。即利用计算机辅助从毛坯到产品制造过程中的直接和间接的活动。包括工艺准备计算机辅助工艺设计CAPP、计算机辅助工装设计与制造、NC自动编程、工时定额和材料定额编制等、生产作业计划、物料作业计划的运行控制加工、装配、检测、输送、存贮等、生产控制、质量控制等。但目前狭义CAM通常仅指数控程序的编制,可包括刀具路径的规划、刀位文件的生成、刀具轨迹仿真以及NC代码的生成等。CAD与CAM技术,自50年代末开始,分别独立地发展,至70年代末,在国际上,已出现许多性能优良的、商品化的CAD或CAM系统。CAE自60年代开始发展以来,至今,国、外均已推出了一些独立的、商品化的CAE系统。这些独立的系统,分别在产品设计自动化、工艺过程模拟化和数控编程自动化方面起到了重要的作用。但是,采用这些各自独立的系统,不能实现系统之间信息的自动传递和交换。用CAD系统进行产品设计的结果,只能输出图纸和有关的技术文档,这些信息,不能直接为CAPP或CAE系统所接受。进行工艺过程设计与模拟分析时,还需由人工将这些图样、文档等纸面上的文件转换成CAPP或CAE系统所需的输入数据,并通过人机交互的方式输入给CAPP或CAE系统进行处理。利用独立的CAM系统进行计算机辅助数控编程时,同样需要由人工将CAD、CAPP系统输出的文件转换成CAM系统所需的输入文件和数据、然后再输入CAM系统。由于各独立系统所产生的信息,需经人工转换,这不但影响工程设计效率的进一步提高,而且,在人工转换过程中,难免发生错误,这将给生产带来极大的危害。为此需要解决CAD与CAPP、CAE、CAM之间的数据与信息交换的问题。而且由于在建立一些专用系统如模具CAD/CAM、机械CAD/CAM系统时也遇到采用不同的支撑软件则产生不同的产品数据结构,因此要使这些专用系统软件能接受不同支撑软件产生的产品数据信息也必需研究各系统间产品信息的交换问题,所以自70年代起人们开始研究产品信息的传递与交换,世界各国先后提出了许多数据交换标准。其中最有影响的是由美国国家标准协会ANSI公布的美国标准IGESInitial Graphics Exchange Specification,它是CAD/CAM系统之间图形信息交换的一种规。STEPStandard for the Exchange of Product Model Data是由国际标准化组织ISO组织制订的一个关于产品信息表达与交换的国际标准。STEP的目标是实现在产品生命周期对产品数据进行完整一致的描述与数据交换以便无需人工解释就能使各应用系统直接接受并共享这些信息。目前很多CAD软件公司已开发出基于STEP的新一代CAD/CAPP/CAM集成系统。1.2 模具CAD系统的硬件与软件组成模具CAD系统虽有其特点,但对硬、软件的基本功能要求与通用CAD系统是相同的,如要求具有：1图形显示功能因为模具CAD系统是一个人机交互设计的过程,在进行产品构型、模具结构设计以及模拟仿真时系统应保证用户能随时观察、修改其设计结果,使用户的操作都能从显示器上及时得到反馈,以便达到最佳设计结果。2存贮功能由于模具CAD系统运行时不仅需要有大量存贮在数据库中的静态数据,而且还有大量的中间运行产生的数据,如图形处理的数据、有限元网格划分的数据等,为了保证系统能够正常的运行,故必须配置容量较大的存贮设备,支持数据在各模块运行时的正确流通,同时工程数据库系统的运行也必须有足够的存贮空间。3输入输出功能在CAD系统运行过程中,用户需通过人机交互设计界面不断地将有关设计的要求与数据等输入计算机,通过计算机的处理后能够输出系统处理的结果,且输入输出的信息既可以是数值的,也可以是图形数据与字符等。模具CAD系统为满足上述功能要求应配置相应的硬件与软件。1.2.1 硬件模具CAD系统的硬件由主机、外部存储器、图形终端、输入输出设备等组成。图1-1所示为模具CAD系统的硬件组成。显示设备图形显示器输入设备键盘、鼠标数字化仪挡描仪输出设备打印机绘图机硬拷贝机外存贮器磁盘、硬盘光盘、磁带通讯接口网卡Modem主 机图1.1 CAD系统的硬件组成1主机是计算机的核心。由中央处理机包括控制器、运算器、存储器又称存以及I/O接口构成。主机是控制及指挥整个系统并执行运算,逻辑分析的装置。计算机虽有大型、中型、小型以及微机之分,过去CAD系统以中、小型计算机为主,后随着32位超级微机的出现,一台单机的功能几乎可覆盖小型机与中型机,因此出现了由超级微机组成的CAD工作站,工作站上软件环境较一般微机好,特别是具有很强的图形处理能力,速度也快。近年来又出现了高档微机,主要是以Pentium微处理器作为CPU的计算机。而且一些大型通用CAD系统也有了微机上的版本,所以从目前情况看模具CAD系统完全可以采用高档微机。2外存贮器是作为扩大存贮量,减低计算机成本而设置的一种辅助存贮装置,用来存放大量暂时不用而等待调用的程序或数据。当需使用外存储器中的信息时,CPU根据指令,通过控制器将这些信息调入到存才能使用,如果要将计算结果送至外存中存储起来,也必须经主存储器才能写入外存储器中。目前用作外存储器的主要有磁带、硬磁盘和软磁盘、光盘等。3图形终端包括图形显示器与键盘,是交互式CAD系统的关键设备之一。图形显示器按工作原理可分向量刷新式、存储管式和光栅扫描三种。在CAD系统中广泛使用的是光栅扫描式显示器,光栅扫描显示器采用光栅扫描方法产生图形。这些图形是由一连串的点组成的。在光栅扫描显示器上显示图形时,必须先将线条及字符信息转换为适合光栅显示的形式,这一过程叫做扫描转换。因为光栅扫描显示图形需存储每个像素的信息,所以需要较大的存储量。光栅扫描显示器不仅可以显示线图,也可以显示灰度、亮度、色调不同的图,使图形具有真实感,也可以产生动态的图形,并且具有选择性删除功能。图形显示器是利用现代电子技术和计算机软件技术在显示屏上显示字符和图形,并能对字符、图形作实时的加工和处理的一种电子设备,图形显示器既能作为图形或字符的输入装置,又能作为输出设备。在CAD系统中也可同时配置字符显示器与图形显示器,字符显示器用于人机对话,图形显示器用于显示图形,设计者使用时更为方便。键盘是直接输入装置,其上设有字符键、功能键、控制键等多种按键,可输入程序、命令及数据,功能键还可以操作光标。图形显示器必须配有图形显示卡,图形显示卡也叫显示适配卡,简称显示卡,它通过总线与CPU和显示器相连,是CPU与显示器之间的接口,即视频控制电路。显示卡将显示缓冲存储器送出的信息转换成视频控制信号,用于控制显示器的显示。显示卡必须与显示器匹配,其性能好坏直接影响图形显示的速度及效果。显示卡大都制作成独立的卡插在主机扩展槽里,也有集成到主板上的。自20世纪80年代初以来,为增强图形显示功能,出现了带有图形处理功能的显示卡。这种卡既有高分辨率的显示控制功能,又有高性能2D/3D图形处理功能,减轻了对主机CPU处理图形的要求,使显示器图形显示功能大为增强。区分显示卡的重要标志是图形分辨率、色彩及速度。彩色显示卡的缓存容量决定了图形的分辨率和它的色彩数,若要求分辨率高,色彩多,则显示卡的存储器容量也要大。当显示卡的存储器容量一定时,若要求的色彩越多,则存储每个像素色彩描述数据所需要的位数就越多,而显示像素的总数就要相应减少,从而分辨率也就降低。这也是同一块显示卡用于多彩色显示时图形分辨率低,用于少彩色显示时图形分辨率高的原因。所谓分辨率是指屏幕上可识别的最大光点数。对相同尺寸的屏幕,光点数越多,每个光点就越精细,显示的图形就越精确。通常用水平方向的光点数与垂直方向的光点数表示显示器的分辨率,例如1024768。事实上,将屏幕按光点直径的大小分成纵横相当的格子,将每个格子的坐标记入计算机,当电子束向各坐标点移动时,电子束的轨迹就形成了所需的图形。因此,显示器上的每一条线都是由有限个点组成,这些点并不是几何上的点,而是象素点,很显然,屏幕上可分辨的象素点越多,分辨率越高,曲线的精度就越高。常见的微机显示器分辨率有多种模式,可达10241024以上。分辨率取决于CRT荧光屏所用的荧光物质的类型、聚焦机构、偏转机构及确定象素位置的计算机字长、存贮象素信息的介质、数模转换的精度和速度等等。4输入设备有键盘、光标控制设备、数字化仪、扫描输入设备、语音输入等。1键盘键盘是一种最基本的输入设备,其主要功能是输入命令或数据。键盘上设有功能键和数字字符键。功能键通常由16至32个按键组成。这些按键可事先加以定义,使其对应于一定的功能,由于程序中已把这些键一个个地定义成某种功能,依据功能键进行操作时,按下某个键即意味着调用相应的子程序。数字字符键用以输入数字和字符。键盘和其他输入设备配合使用,可以实现人机对话,或修改、编辑字符和图形。2光标控制装置模具CAD系统中常利用光标来进行图形交互设计,光标是屏幕上的一个亮点,字符或图形就在亮点处产生,计算机能读出光标的位置。因此用户可通过控制光标位置把需给定的数据输入到计算机中,如确定一直线的起点、终点、圆心坐标。另外也可利用光标拾起图形元素或菜单。控制光标设备有鼠标器、图形板、操纵杆、轨迹球、光笔等。a. 鼠标是模具CAD中最常用的光标控制设备,用来控制屏幕上光标的位置,一般用于在显示屏幕上指示图形输入位置和点菜单。鼠标有机械式和光电式两种。机械式鼠标在底部装有一个滚子,当它在平面上移动时,滚子也依靠摩擦力而随之移动,与滚子相啮合的机械装置就探测出移动后的x、y方向和距离,将该信息输入计算机后,就可控制屏幕上光标的位置。机械式鼠标必须在平滑的表面上移动,传送效率较低,准确性和精度较差,其优点是比较便宜。光电式鼠标在底座上有两只光电管,当光电式鼠标在一块特制的栅格形铅板上滑动时,光电管接受的亮度发生变化,决定了它相对移动的距离和方向,以此控制光标的移动。光电式鼠标传送速度快,精度高,但由于需配备专用平板,因而价格较贵。鼠标结构简单,价格便宜,是模具CAD中最常用的输入设备。b. 图形输入板是一种用触笔或游标给定坐标数据的数字化输入设备,是一个二维的X、Y坐标平面,其下面有用印制线路方法制成的导线网格,触笔带有金属触针和传感器元件。当图形输入板与图形终端连接后,操作者将触笔游标压向板上某点,由于电磁感应原理,板上该点的坐标X、Y值就被检测到,并被计算机接受,在屏幕上显示出相应的光标,这就是图形板的定位功能。此外还有作图、选择功能。若在板上某个面区建立功能菜单,在菜单区中划分许多小方块,则利用触笔点中某一方块,计算机就会执行相应的程序,实现这一方块所指明的功能。利用菜单和触笔可以非常方便地进行图形的交互式设计。触摸屏也是一种输入设备,所谓触摸屏,是在普通的显示屏幕基础上,附加了坐标定位装置,一般是设置红外光源和对应的红外检测器。人眼看不见的红外线在屏幕上形成交叉,用来表示点的位置,当手指触屏幕时,通过相应的电路就可以检测到该点的位置。如将应用软件的菜单提示于屏幕上,利用触摸技术,用手指点菜单,既直观、又方便,不易出错。目前在某些大饭店的客房管理、邮局查询的计算机系统均采用了触摸屏,极方便了顾客。除了鼠标图形输入板触摸屏外,光标输入设备还有手动轮、操纵杆与轨迹球和光笔等。由于鼠标键数的增加和功能的扩展,加之价格较便宜,在模具CAD中基本上是采用鼠标,而很少采用其他光标控制设备。c. 数字化仪是一种坐标输入装置,其工作原理和图形板相同,只是尺寸较大,精度较高,可用来将图形转换成数字X,Y坐标存放到计算机中去。使用时首先将图纸放在数字化台板上,再利用游标跟踪图纸移动,就能完成读取图纸的坐标数据工作,即完成图形输入。但此种设备不适于模具CAD系统,因用该方法输入的图形不是很精确的图形,且无后续工艺设计所需信息。d. 自动扫描输入机是利用光学扫描原则,对已有图纸自动地进行高精度扫描,高速地完成图纸输入任务,并能把扫描输入的数据转换成计算机文件记录下来。目前扫描仪已由2D二维扫描发展到了3D扫描,一种是将3D物体直接转变为2D图像,典型产品是美国的Kan Image公司生产的扫描仪,称为Kans Can,其过程为：在被扫描的物体周围设置灯光照射,扫描头沿导轨作二维运动,从而将物体变为一个彩色图像,输入计算机进行处理。另一种是将3D物体自动转化为3D模型,3D自动化数字化仪可自动地将3D物体的表面形状以及色彩的信息输入到计算机中,它利用激光和视频技术,能以极高的分辨率快速扫描3D物体,而不直接接触物体,因而无损于物体,经3D数字化仪扫描的物体,可将其数据传输到数控加工中心或快速成型设备上,从而可迅速地复制物体。其他输入设备还有语音输入设备,它允许人通过自然语言输入图形特征参数和属性参数产生用户要求的图形。5输出设备有打印机、绘图机、硬拷贝机、缩微输出装置以及图形显示器等。绘图机有笔式与喷墨式。笔式绘图机有卷筒式与平板式。卷筒式绘图机是在卷筒上卷有图纸,依靠滚筒转动和笔架沿臂架移动来完成X、Y向作图运作。这种绘图机结构简单、紧凑、价格低廉,但绘图速度与精度较低。平板式绘图机是把图纸吸附在平台上,依靠笔在X、Y轴两个方面的独立移动而画出图形。这种绘图机的台面可平放或斜置,所以也叫平台式自动绘图机。这种绘图机精度高,速度快,而且在绘制图纸时能看到整个画图过程,视野清楚,便于监视。喷墨绘图机是利用特制的换能器将带电的墨水泵出,由聚焦系统将墨水滴微粒聚成一条射线,再由偏转系统控制喷嘴在打印纸上扫描,并附着在图纸上形成浓淡不一的各种单色或彩色图形、图像及文字符号。它具有清晰度高、工作可靠、噪声小、价格低及容易实现不同浓淡的彩色图形与图像等优点。小型喷墨机绘图机常用于输出小图形和文稿,又称喷墨打印机。大型喷墨绘图机可用于输出设计图样,一般有平板式与滚筒式两种,其机械控制原理与笔式绘图机相似。喷墨绘图机也有单色型与彩色型。喷墨绘图机绘图速度比笔式绘图机快,但其耗材成本较高。系统软件支撑软件应用软件图1.2 模具CAD/CAM系统软件层次图硬拷贝机是一种图形复制设备,这种设备可以将显示在屏幕上的图形复制下来,作为设计过程的中间步骤的记录。图纸的尺寸一般限制在215280mm。因为图形终端分辨率的限制,显示的图形质量远不如绘图机上绘制的图形。所以,用它的复制品作为最终的图样是不适合的。常见的硬拷贝机的工作原理是电子摄影技术,所用的拷贝纸不但价格贵,而且在正常光线的长时间作用下会变暗。1.2.2 软件在建立一个模具CAD系统时除选择合适的硬件外,还应配制相应的软件。软件是使用计算机的技术和方法,是程序和指令的集合。软件的水平是决定该系统性能的优劣、功能的强弱以及使用是否方便等的关键因素。组成模具CAD系统的软件可分为三类,即系统软件、支撑软件与应用软件,三类软件的层次关系见图1.2。也有人将系统软件与支撑软件统称为支撑软件,这类软件可随硬件一起配置。1系统软件系统软件包括操作系统、语言加工系统、诊断修复系统和日常事物管理系统以及数据库管理系统。操作系统是对计算机进行自动管理的机构和控制中心,若从其功能去定义,可以说是一个计算机资源管理系统。目前CAD系统中比较流行的操作系统为：工作站是Unix,Vms与X-Window。微机上常用操作系统有DOS、Windows等。语言加工系统是指语言及其编译程序、解释程序以及汇编程序。2支撑软件支撑软件是应用软件的基础,为用户提供开发环境与工具,是模具CAD系统中的重要组成部分,包括图形处理软件含几何构型与绘图软件、数据库管理系统DBMS、网络服务软件等。1图形处理软件即目前通用的CAD系统,可用于二维和三维图形的产品构型及设计图纸的绘制。如早期的主要致力于实现交互式绘图的CADAM、AutoCAD、MEDUSA等。80年代随着实体造型、线框造型、表面造型技术的日趋完善,不少CAD系统采用实体造型技术定义产品零件的几何模型并进行分析、数控加工、输出工程图等,也有软件可以利用上述三种造型方法产生三种模型,即实体模型、线框模型、表面模型。并可使之相互转换。目前较为流行的通用CAD/CAM集成系统有：Pro/Engineer,UG-、I-DEAS、CADDS-5、CATIA、Siemens-Design等。2数据库管理系统DBMS,用于管理庞大的数据信息,提供数据的增、删、查询、共享、安全维护等操作,是用户与数据之间的接口。数据库管理系统使用3种数据模型,即层次模型、网状模型、关系模型。目前流行的系统有Foxbase+、Oracle、Ingres等,它们都属于关系型数据库管理系统,常用于商业、事务管理。这种传统的数据库管理系统对于CAD/CAE/CAPP/CAM集成系统来讲不太适用,因为在CAD/CAE/CAM集成系统中数据属于工程数据,这种数据的特点是：a、数据结构复杂,系统中除结构化数据外还有图形、文字、表格等非结构化数据。b、数据除有静态数据外如标准、设计经验数据表等,还有动态数据,即系统运行过程中产生的设计数据。c、数据联系复杂,在数据元素之间存在复杂的联系。d、数据的使用与管理复杂,数据库既要处理设计过程中的图形数据和非图形数据,还要便于查找、调用、存储和组织这二类数据。而一般商用数据库管理系统是不能处理CAD/CAM系统中这种数据处理量大、形式多样、结构繁琐、关系复杂、活动规律性差,又具有动态性能的工程数据的,因此只有采用工程数据库管理系统。3网络服务软件,采用微机和工作站局域网形式的CAD系统已成为90年代CAD软硬件配置的首选方案。网络服务软件为这些系统在网络上传输和共享文件提供了条件。最常用的是Novell公司的NETWARE,它包括服务器操作系统、文件服务器软件、通讯软件等。Microsoft和Windows环境下可直接支持绝大多数的网络互连服务。通过TCP/IP协议及Internet,我们可以发送、查询世界各地各领域的信息。随着网络的普及,网络服务即通过计算机网络进行信息咨询服务的市场正迅速扩大,SAP公司在短短几年的成功就是一个例子。3应用软件应用软件是在系统软件、支撑软件的基础上,针对某一专门应用领域的需要而研制的软件。这类软件通常由用户结合当前设计工作需要自行开发,也称二次开发。如模具CAD/CAM软件中的冲裁模设计软件、级进模设计软件、注塑模设计软件等就属应用软件。能否充分发挥已有CAD硬件的效益,应用软件的技术开发工作是关键,也是CAD工作者的主要任务。开发应用软件应充分利用已有CAD支撑,也是CAD工作者的主要任务。开发应用软件应充分利用已有CAD支撑软件的技术及其二次开发功能,而不是从头开始,这样才能保证应用技术的先进性和开发的高效性。需要说明的是,应用软件与支撑软件之间并没有本质的区别,当某一行业的应用软件逐步商品化形成通用软件产品时,它也可以称为一种支撑软件。专家系统也是一种应用软件。在设计过程中有相当一部分工作不是计算及绘图,而是依赖领域专家丰富的实践经验和专门知识,经过专家们进行思考、推理和判断才获得解决。使计算机模拟专家解决问题的工作过程而编制的智能型计算机程序称为专家系统。在人工智能技术发展的基础上,近几年专家系统技术有了迅速的发展。1.3 模具CAD系统的特点与关键技术1模具CAD系统的特点1模具CAD系统必须具有产品构型亦称产品建模的功能。这是因为模具设计与一般产品设计过程不同,一般产品设计是来源于市场的需求,而这种需求只是功能的要求,设计人员根据这种要求,确定产品性能、建立产品总体设计方案,然后进行具体结构的设计。这种市场需求只有功能要求或一些主要技术参数要求,至于结构形状则由设计人员自己构思。而模具设计时是根据产品零件图的几何形状、材料特性、精度要求等进行工艺设计与模具设计。因此利用计算机辅助设计模具时,首先必须输入产品零件的几何图形及相关信息如材料性能、尺寸精度、表面粗糙度等,而计算机图形的生成必须先建立图形的数学模型和存贮数据结构,再通过有关运算,才能把图形贮存在计算机中或显示在计算机屏幕上,这就是产品建模构型。因此模具CAD系统应具有产品构型建模功能,产品构型有四种方法,即线框模型、表面模型、实体模型、特征建模等。但由于前三种方法属于几何形状建模,这些几何模型仅能描述零件的几何形状数据,难以在模型中表达特征及公差、精度,表面粗糙度和材料特征等信息,也不能表达设计意图。而模具设计中的成形工艺与模具结构设计不仅需要产品零件的几何形状数据还需要其它信息,所以前三种构型方法均不太适合用于模具CAD/CAM系统中,只有采用特征建模方法才适合建立模具CAD/CAM集成系统。2模具CAD系统中的工艺与模具结构设计必须具有修改及再设计的功能,因为目前的成形工艺及模具结构设计主要凭人的经验,对于复杂形状零件往往需要经过反复试模才能生产出合格产品,所以试验后需要对工艺与模具结构进行修改,而且往往只修改局部模具零件形状,故不希望重新开始设计。再者有些工厂是生产系列产品,产品更新时产品形状基本相同只是尺寸或局部形状不同,对于模具来讲也可利用原有模具而修改局部形状及相关尺寸,所以在模具CAD系统中只有采用参数化设计及变量装配设计方法才能达到上述要求。3模具CAD系统必须具有能存放大量模具标准图形及数据以及设计准则与经验数据图表的功能。由于模具结构的复杂性,特别是多工位级进模、汽车覆盖件模具,以及复杂形状的注塑模等,导致模具的设计与制造周期很长,为缩短其设计与制造周期,国外均制订了不少模具标准包括模具标准结构、标准组件及标准零件。同时由于工艺设计与模具设计主要靠人的经验,因此多年来由人们总结出了不少设计准则与经验数据,而且均以图表形式存在。为此在建立CAD/CAM系统时均需将这些标准与经验数据存入计算机中,以便进行工艺与模具结构设计时调用,但目前一般商用数据库系统如ORACLE、SYBASE、INFOMIX等又不适合存放这些图形与图表数据,为此需要利用工程数据库系统。2模具CAD系统的关键技术基于上述模具CAD系统的特点,在开发模具CAD/CAM系统必须应用下述关键技术：1特征建模构型有关特征的概念至今仍没有统一的、完整的定义,但一般可认为特征是具有属性及工程语义的几何实体或信息的集合,也可以将特征理解为形状与功能的组合。常用特征信息主要包括：形状特征、精度特征、技术特征、材料特征、装配特征等。特征建模方法可大至归纳为交互式特征定义、特征识别和基于特征的设计三个方面。特征模型一方面包括了实体模型的全部信息,另一方面又能识别和处理所设计零件的特征。从用户操作和图形显示上,往往感觉不到特征模型与实体模型的不同,但在部数据表示上是不同的。特征模型能够完整、全面地描述产品的信息,使得后续的成形工艺设计与模具结构设计可直接从产品模型中抽取所需信息。有关特征建模方法详见第2章。2参数化设计与变量化设计a. 参数化设计。传统的CAD绘图技术都用固定的尺寸值定义几何元素,输入的每一几何元素都有确定的位置,要想修改图形只有删除原有元素后重画。而模具设计中不可避免地要多次反复修改,进行模具零件形状和尺寸的综合协调,甚至是安装位置的改变。若采用上述方法每次修改必导致图形的重画,这样设计效率很低,也达不到实用化的要求,因此在模具CAD/CAM系统中一定要采用参数化设计方法。参数化设计是用几何约束、工程方程与关系来定义产品模型的形状特征,也就是对零件上各种特征施加各种约束形式,从而达到设计一簇在形状或功能上具有相似性的设计方案。目前能处理的几何约束类型基本上是组成产品形体的几何实体公称尺寸关系和尺寸之间的工程关系,故参数化技术又叫尺寸驱动几何技术。有关参数化技术详见本篇第2章。b. 变量化设计由于参数化设计是一种全尺寸约束,即设计者在设计初期及全过程中,必须将形状和尺寸联系起来考虑,并且通过尺寸约束来控制形状,通过尺寸的改变来驱动形状的改变,一切以尺寸即参数为出发点,一旦所设计的零件形状过于复杂,就会容易造成系统数据混乱。为此出现了一种比参数化技术更为先进的实体造型技术,即变量化技术。变量化设计Variational design是通过求解一组约束方程组来确定产品的尺寸和形状。约束方程驱动可以是几何关系,也可以是工程计算条件。约束结果的修改受到约束方程驱动。变量化技术既保持了参数化技术的原有优点,又克服了它的不足之处,它的成功应用为CAD技术的发展提供了更大的空间与机遇。目前应用变量化技术具有代表性的软件是SDRC/I-DEAS。3变量装配设计技术装配设计建模的方法主要有自底向上,概念设计、自顶向下等三种方法。自底向上的方法是先设计出详细零件,再拼装成产品。而自顶向下是先有产品的整个外形和功能设想,在这个整个外形里一级一级划分出产品的部件、子部件、一直到最底层粗糙的零件。在模具中由于有些模具结构很复杂如多工位级进模、汽车覆盖件模具等,零件数有时达数百个,若一个个零件设计再装配,不仅设计速度很慢,而且很多零件相互间在形状上与位置上都有约束关系,如级进模中的凸模与凹模型腔间、凹模或卸料板上的让位孔槽与凸模及条料间。这些约束关系是无法脱离装配图来进行设计的,因此在进行模具设计时只有采取自顶向下的设计方法,而变量装配设计便支持自顶向下的设计。变量装配设计是实现动态装配设计的关键技术,所谓动态装配设计是指在设计变量、设计变量约束、装配约束驱动下的一种可变的装配设计。其中设计变量是定义产品功能要求和设计者意图的产品整体或其零部件的最基本的功能参数和形状参数。设计变量约束即设计约束或变量约束,设计变量和设计变量约束控制装配体中的零部件的形状。装配约束是通过三维几何约束自动确定装配体各个零部件的配合关系,它确定了零部件的位置。这些设计变量、设计变量约束、几何约束都是可变化和控制的,是动态的。修改装配设计产生的某些设计变量和约束,原装配设计将在所有约束的驱动下自动更新和维护,从而得到一个原设计没有概念变化的新的装配的设计。动态设计过程是正向设计与反向设计相互结合的过程,正向设计是从概念设计到详细设计的自顶向下的设计过程,而反向设计是指对产品设计方案中的一些不满意的地方提出要求或限制条件,通过约束求解对原方案进行设计修改的过程。变量装配设计把概念设计产生的设计变量和设计变量约束进行记录、表达、传播和解决冲突,以满足设计要求,使各阶段设计主要是零件设计在产品功能和设计意图的基础上进行,所有的工作都是在产品功能约束下进行和完成的。4工程数据库工程数据库是指能满足人们在工程活动中对数据处理要求的数据库。工程数据库是随着CAD/CAM/CAE/CAPP集成化软件的发展而发展的,这种集成化系统的所有功能模块的信息都是在一个统一的工程数据库下进行管理。工程数据库系统与传统的数据库系统有很大差别,主要表现在支持复杂数据类型、复杂数据结构,具有丰富的语义关联、数据模式动态定义与修改、版本管理能力及完善的用户接口等。它不但要能够处理常规的表格数据、曲线数据等,还必须能够处理图形数据。工程数据库管理系统一般要满足如下要求： 动态处理模式变化的功能。由于设计过程和工艺规划过程中产生的数据是不断变化的,要求工程数据库管理系统能支持动态描述数据库中数据的能力,使用户既能修改数据库中的值,又能修改数据结构的模式。 能描述和处理复杂的数据类型。由于工程数据结构复杂,语义关系十分丰富,因此工程数据管理系统不仅要支持用户定义复杂的类型,而且还要支持多对多关系、递归关系等复杂数据结构的描述。 支持工程事务处理和恢复。工程事务大都具有长期性,工程数据中有一批数据要使用很长时间。由于一个工程事务不可能成为处理和恢复的最小单位,必须分层次、分类别、分期保存中间结构,以进行较短事务处理。因此,从使用安全性考虑,要具备适合工程应用背景的数据库恢复功能,以实现对长事务的回退处理。 支持多库操作和多版本管理。由于工程设计用到的信息多种多样,需要在各设计模块间传递数据,所以需要提供多库操作和通信能力。由于工程事务的复杂性和反复试验的实践性,要求工程数据库系统具有良好的多版本管理和存储功能,以正确地反映工程设计过程和最终状态,不仅为工程的实施服务,而且为今后的管理和维护服务,同时也为研究和设计类似工程提供可借鉴的数据。 支持工程数据的长记录存取和文件兼容处理。工程数据中,有些数据不适合在数据库中直接存储,以文件系统为基础来设计其存储方式,会更为方便和提高存取效率,如工程图本身。 支持分布环境。CAD/CAM系统中,数据管理往往分布于工程活动的全过程,应用系统的地理位置也可能是分散的,且各地的数据库有的是面向全局的,有的是面向局部的。在这种分散环境下,分布数据处理自然是工程数据库管理系统的一个重要功能。 权限控制。工程设计是一个众多设计都共同参与的设计环境,同时每一个设计子任务,由于专业方面的原因,在某种程度上,具有相对独立性。由于不同人员都可使用数据库,为了安全起见,对设计对象、数据库资源以及各类设计人员给予一定的权限围,可以控制一些非法用户访问或修改数据库。 用户管理。数据库管理系统对于数据操作语言DML应提供与工程设计常用算法语言的接口,并提供适用工程环境要求的用户界面。有关工程数据库的开发方法见第3章。1.4 模具CAD系统的组成结构一般模具CAD系统都要支持从工件即产品零件工艺设计开始到模具零件设计的全过程,包括工艺设计和模具结构设计两大部分。概括起来,模具CAD/CAM系统应具有以下功能：交互式图形输入功能,能方便地输入工件。进行工件的工艺性判断、工艺方案选择、工艺分析计算,输出各种工艺图。自动或半自动地选择模结构形式。具有模具零件设计及主要零件的强度校核功能,并绘制全套模具图。正确选择压力机的型号及规格。具有模具结构的运动学仿真功能,以检查各运动部件之间的干涉情况。完成模具零件的数控加工编程,并可进行刀具轨迹仿真及后置处理。具有完整的模具设计数据库和图形库,应具备较强的独立性和可维护性。能有效地管理模具图纸资料和输出相关的技术文档。图1.3所示为典型的模具CAD/CAM系统的组成结构框图。图中简要说明了系统的结构组成以及各模块的相互联系,并标明了模块对各种数据的调用关系。各功能模块在系统总控模块的集中管理下工作。功能模块可以是一个单一的程序,也可能由多个完成某项子功能的子模块构成。图1.3 模具CAD/CAM系统组成结构系统总控模块主要完成模具CAD系统的运行管理和随时调用各功能模块,或访问操作系统和调用其他应用程序,以建立相应的作业和过程。系统总控模块可建立在数据库管理系统或交互式图形系统的基础上。 工件图形输入模块主要完成工件图形的输入,以建立工件的几何模型,并完成几何构形信息的存储,供工艺设计分析模块和模具结构设计模块调用。此外,还提供图形修改编辑和尺寸标注等功能。 工艺设计分析模块以工件的几何构形信息为基础,并调用设计参数数据,为模具结构设计模块提供原始数据。该模块由以下子模块组成：工艺可行性分析、工艺方案选择、排样优化设计、压力中心及各种工艺力计算、压力机选择、毛坯图和各种工艺图输出、工艺设计分析技术文档生成等。 模具结构设计模块根据工艺设计分析模块提供的结果以及工件几何构形信息,并根据相关的设计参考数据、冲模典型结构文件、标准件规格文件等模具信息,完成模具结构设计。该模块由以下子模块组成；模具结构选取、模具标准件和半标准件的形式及规格选取、模具零件详细设计、强度校核、装配、运动学仿真、模具图绘制等。数控加工模块主要出NC前处理和后置处理两部分组成。该模块数控加工的仿真等工作。 图纸资料管理模块主要完成图纸资料的存放、检索工作。同时,还生成供信息管理使用的报表。该模块主要由图纸资料发放样序,报表程序以及供图纸资料检索的专用菜单模块组成。1.5 模具CAD/CAM系统发展概况本书主介绍冲模与注塑模CAD/CAM发展概况。1.5.1 冲模CAD系统发展概况冲模CAD系统的发展过程随着CAD技术、以及现代设计理论与方法的发展而不断发展。也是从最初的以二维图形技术为基础的系统发展到目前的以三维图形技术及特征构型为主要特点的阶段。国外冲模CAD/CAM发展概况：国外于60年代末开始模具CAD/CAM研究,70年代初已投入生产中使用。如美国Diecomp公司于1973年研制成功计算机辅助设计级进模的PDDC系统。该系统包括产品图形与材料特性的输入,在输入的基础上再进行模具结构类型选择,凹模排样、凸模和其他嵌件设计,最后绘制模具总装图和零件图及NC编程。1977年捷克斯洛伐克金属加工工业研究院研制成AKT冲模CAD系统。该系统适用于冲裁件的简单模、复合模和级进模设计。1978年日本机械工程实验室研制成冲裁级进模CAD系统MEL系统,该系统由产品图输入、模具类型选择、毛坯排样、条料排样、凹模布置、工艺计算、绘图等10个模块组成。此外还有英国Salford大学、日本旭光学工业公司、前联科学院综合技术研究所等都于70年代开展了冲模CAD系统的研究,并取得了一定效果。进入80年代,随着计算机技术的发展,使用模具CAD/CAM技术的厂家大大增加,弯曲成型级进模和汽车覆盖件模具CAD/CAM系统研制成功,而且在汽车覆盖件模具CAD系统中应用了塑性成型模拟技术。日本日立公司于1982年研制成弯曲级进模CAD/CAM系统,该系统采用人工与计算机设计相结合的批处理方式。即由人工完成产品图展开及工序设计与条料排样、凹模布置,然后用类似后置处理程序完成毛坯排样与材料利用率计算、压力计算、模具结构设计及输出模具装配图、零件图、线切割纸带等。1982年日本富士通公司也研制成功级进模CAD系统,该系统用于弯曲零件级进模设计。整个系统包括产品图输入、凸模和凹模形状设计、条料排样凹模布置、模板设计、辅助装置设计、绘制模具图纸并输出线切割纸带。系统中采用自动设计与交互设计相结合的方法,其中毛坯展开、弯曲回弹计算、凹模布置的工步排序等均为自动处理。1981年,德国STEPPER公司针对本公司级进模的设计特点,自行开发了KIWI系统,该系统是在美国HP公司的ME10CAD图形软件基础上开发的。进行模具设计时,首先由主设计师使用ME10软件交互绘制出板金件产品图,利用KIWI系统提供的工具进行展开,排样则可参照一个由STEPPER公司积累下来的排样库进行,然后进行模块分割,分割下来的模块交由几位设计师使用KIWI软件进行具体设计。由于该系统针对性强,故效率高,但也存在无法适应其他公司级进模设计的问题。Auto-trol技术公司采用三维几何造型技术,于八十年代末期开发一个以交互式为主的模具设计系统Die-Design,该系统以交互设计为主,采用三维几何构型技术描述板金零件,然后将三维产品图形展开为二维毛坯形状,然后由用户交互进行排样,同时将三维图形技术用于模具设计,从而增强了系统模具结构的表达能力。此外,还有日本NISSIN精密机器公司和日本微型模具中心均开发了冲模CAD/CAM系统。90年代,许多商品化的CAD/CAM系统,如美国的Pro/E、UG、CADDS5、Solid Works、MDT等在模具行业逐步得到应用,但由于这些CAD/CAM系统在开发之初都是作为通用机械设计与制造的工具来构思的。为了能够提高模具设计的效率和正确率,必须要进行二次开发。为此,美国PTC公司在Pro/E系统的基础上开发了板金零件造型模块Pro/Sheet Metal, UG Solutions公司在UG系统上也开发了类似的模块UG/Sheet Metal等。在Pro/Sheet Metal和UG/Sheet Metal等板金零件设计系统中,虽然采用了基于特征的造型方法,但仍缺乏面向冲模成形工艺及模具设计的专用模块。目前,许多开发通用CAD/CAM软件的公司正在开发并陆续推出能够用于级进模设计与制造的专用软件。如美国Autodesk公司用于二维设计的Autoc CAD软件与用于三维设计的MDT3.0相配套开发的级进模CAD软件Strker System是现今为止成功的商业级进模CAD/CAM系统。该系统由板金零件造型SS_STRIP DESIGN、毛坯展开SSUNFOLD、毛坯排样SSNEST、条料排样SSSTRIP DESIGN、模具设计SSDIE DESIGN和数控加工SSPUNGH、SSWIRE和SSPROFILE等模块组成,支持板金零件特征造型,毛坯自动展开,交互式条料排样和模具结构设计,以及自动的线切割编程。但该系统主要特点还是交互操作,而且只适用于弯曲冲裁级进模的设计。美国UG公司于20XX开始与中科技大学在UG软件平台开发了基于三维图形的级进模CAD/CAM软件PDW,该软件包括工艺处理、条料排样、模具结构设计等模块,目前已投入市场试用。此外,新加坡国立大学以及马来西亚、印度均有学者或有关公司在开发级进模CAD/CAM系统,而且均在工厂试用。汽车覆盖件模具CAD/CAM的研究在世界各大汽车公司均取得成效,其中日本丰田汽车公司于1965年将数控用于模具加工,1980年开始采用模具CAD/CAM系统,该系统包括NTDFE和CADETT二个设计软件及加工凸、凹模的TINCA软件。可完成车身外形设计、车身结构设计、冲模CAD、主模型与冲模加工、夹具加工等。冲模CAD主要应用三维几何构型与图形变换的功能,其中有关工艺成型性能的评价应用有限元分析方法和几何模拟方法。该系统投入使用后,可使覆盖件成形模的设计与加工时间减少50%。美国通用汽车公司、福特汽车公司,英国PSF公司均已建立了覆盖件拉延成形模CAD/CAM系统,特别是福特汽车公司在覆盖件塑性成形模拟方面取得了很大成就,应用大应变弹塑性有限元方法模拟覆盖件的成形过程,预测其中的压力、应变分布,失稳破裂以及回弹的计算等。国冲模CAD发展概况：由于我国计算机技术发展较晚,于80年代初才开始模具CAD/CAM的研究。到目前为止,先后通过国家有关部门鉴定的有1984年华中科技大学原华中理工大学建成的精冲模CAD/CAM系统,1985年机电研究院建成的冲裁模CAD/CAM系统,1986年华中科技大学、交通大学建成的冲裁模CAD/CAM系统,相继又有交通大学、华中科技大学、交通大学等单位开展了拉深模、弯曲级进模CAD/CAM以及精冲级进模CAD/CAM的研究。从90年代中期开始,华中科技大学模具技术国家重点实验室在深入分析级进模设计特点的基础上,将基于特征的设计方法应用于级进模CAD/CAM系统的开发上,在20XX建成了基于特征的级进模CAD/CAM集成系统。系统共分板金零件的特征造型、基于特征的冲压工艺设计条料排样、模具结构及零件设计、级进模标准件和典型结构建库工具以及线切割自动编程等五大模块。其中,板金零件特征造型模块主要用于将板金零件的产品信息输入到计算机,建立板金零件的特征模型,为后续的工艺及模具结构设计提供信息。基于特征的冲压工艺设计模块可实现板金零件自动展开、毛坯排样以及冲压工序设计、工位布置、工艺参数计算等,由于在冲压工艺设计时需考虑众多因素,所以该模块能提供进行交互设计的各种操作命令,以便用户快速确定设计结果。模具结构及零件设计模块则为用户提供设计模具总装结构及模具零件的相关功能,使用户可方便地设计出级进模,输出符合用户要求的模具总装图与模具零件图。模具标准件及典型结构建库工具用于建立用户的标准件库和典型结构库,它面向用户开放,可按需要进行添加、删除和修改。目前正在继续开发基于UG软件的级进模CAD系统。1.5.2 注塑模CAD系统发展概况4注射模CAD技术是随着机械CAD技术的发展而发展的。最初的研究主要集中于塑料在型腔中的流动、保压和冷却的分析模拟,即通常所说的计算机辅助工程CAE：Computer Aided Engineering,同时注射模CAD的各个单项功能的研究成果也十分突出,研究的围从注射机选择、塑料品种选择、模具各个部件设计到模具价格评估无所不包,为以后的注射模CAD设计软件的商品化打下了坚实的基础。随着实体造型技术,特别是近十年来特征造型技术的日趋成熟,各种通用的三维造型商品化图形软件包的推出,注射模CAD软件不断被推向市场,下面就国外注射模CAD软件作一简单介绍。1国外发展状况国外一些著名的商品化三维造型软件都有独立的注射模设计模块,如Pro/Engineer,Unigraphics；也有在通用CAD软件包上独立开发注射模设计系统的,如以色列的Cimatron公司在AutoCAD软件包上开发了注射模设计系统。这些软件的主要功能有：1强大的造型功能,尤其是曲面造型功能,可以方便地设计出具有复杂自由曲面的塑料制品。2方便的模具分型面定义工具,成型零件自动生成。3标准模架库品种齐全,调用简单。4典型结构、标准零件库添加方便。5非标准零件造型和装配简单实用。2国发展状况国对注射模CAD技术的研究与应用相对国外来说起步较晚,经过近年的努力,已取得了很大的发展,主要的研究成果有：华中科技大学1988年实现了注射模CAD/CAE/CAM集成系统HSC1.0版,1990年升级为HCS1.1版,1997年推出了HSC2.0版。该系统以AutoCAD软件包为图形支撑平台,包括模具结构设计子系统,结构及工艺参数计算校核子系统,塑料流动、冷却与保压模拟子系统,数控线切割编程子系统,建库工具和设计进程管理模块,已实现商品化,其中的模具结构设计系统是二维的。近年来,在华中科技大学华中软件公司的三维参数化造型系统InteSolid上开发了三维注射模结构设计系统。工业大学开发了注射模二维系统IPMCAD和三维系统IPMCADV3.0。随后以AutoCADR13.0和MDT为环境,进一步采用参数化特征模型、特征建模技术和装配模型技术,研制出注射模CAD三维参数化系统IPMCADV4.0。此外,还有交通大学开发的集成化注射模智能CAD系统、大学开发的精密注射模CAD/CAM系统、工业大学的Z-MOLD等系统。1.6 模具CAD发展趋势1继续发展特征构型技术,以满足复杂形状产品零件和模具的要求,产品零件的特征模型将为后续应用程序提供信息。为了对工艺设计和模具设计制造的全过程提供全面的信息,要求产品定义模型必须反映产品的几何信息和工艺信息。目前应用特征模型虽可完整地表达产 品定义,但对于复杂形状板金零件的特征构型还需继续开展研究,以便为复杂板金零件的工艺规划和模具设计与制造提供充分的信息。2专家系统技术的应用。模具设计是一种以经验设计为主的设计过程,要提高模具CAD系统的自动化程度,采用专家系统技术是一种有效的途径。但将专家系统技术应用到模具CAD系统中,需要解决模具设计知识的整理与表达特别是图形知识的处理包括表达与推理方法。3工程数据库的应用。模具设计是非常复杂的设计活动,设计中所涉及的信息包括图形信息、设计信息、反馈信息以及各模块之间的信息继承等。有效地管理好这些信息,只有应用工程数据库。4在原有CAD的基础上,建立CAD/CAE/CAM集成制造系统。只有这样才能优化工艺设计和模具结构设计,提高设计的可靠性。因为应用有限元等数值计算方法对金属成形过程如弯曲,拉深,局部成形进行分析可以计算成形过程中的应力应变分布及其变化情况,以确定最佳工艺参数。5研究模具的运动仿真技术,即冲模的冲压过程与注塑模的运动仿真,因为复杂冲模与注塑模的机构复杂,在冲压与注塑过程中难免出现一些模具零件的运动产生干涉现象,特别是级进模还可能存在条料运动与模具运动的干涉,而在设计中这些现象难以发现,故只有采用仿真技术在计算