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模具CAD/CAM

第1章模具CAD/CAM基礎

學習要點

※熟悉模具CAD/CAE/CAM的基本概念。

※了解模具CAD/CAE/CAM系統(tǒng)的組成及國內外主流的CAD/CAM軟件。

※了解模具CAD/CAE/CAM技術的發(fā)展歷程和在模具行業(yè)中的應用。

※了解模具CAD/CAE/CAM技術在模具設計與制造中的發(fā)展趨勢。

技能目標

※能夠闡述模具CAD/CAE/CAM的基本概念。

※能夠闡述模具CAD/CAE/CAM系統(tǒng)的組成及國內外主流的CAD/CAM軟件。

※能夠闡述模具CAD/CAE/CAM技術的發(fā)展歷程和在模具行業(yè)中的應用及發(fā)

展趨勢。

第1章模具CAD/CAM基礎

1.1模具CAD/CAM基本概念

1.2模具CAD/CAM系統(tǒng)的組成

1.3CAD/CAE/CAM技術的發(fā)展和應用

1.4CAD/CAE/CAM技術在模具設計制造中的發(fā)展趨勢

1.1模具CAD/CAM基本概念

模具CAD/CAM現階段應該指廣義的計算機技術在模具設計與制造的應用，一般包括：計算機輔助設計(ComputerAidedDesign，CAD)計算機輔助工程分析(ComputerAidedEngineering，CAE)

是以現代計算力學為基礎，以計算機仿真為手段的工程分析技術，對未來模具的工作狀態(tài)和運行行為進行模擬，從而及早發(fā)現設計缺陷，是實現模具優(yōu)化的主要支持模塊。計算機輔助制造(ComputerAidedManufacturing，CAM)計算機輔助工藝過程設計CAPP(ComputerAidedProcessPlanning，CAPP)

是指根據產品設計階段給出的信息，人機交互地或自動地完成產品加工方法的選擇和工藝過程的設計計算機輔助工藝設計、產品。數據管理系統(tǒng)

(ProductDataManagement，PDM)

是以軟件、計算機網絡、數據庫、分布式計算等技術為基礎，以產品為核心，實現對產品相關的數據、過程、資源一體化集成管理的技術數據管理系統(tǒng)。

41.2模具CAD/CAM系統(tǒng)的組成1.2.1概述5CAD/CAM系統(tǒng)組成1.2模具CAD/CAM系統(tǒng)的組成61.2.2模具CAD/CAM系統(tǒng)的硬件1．計算機主機2．外存儲器3．輸入設備4．輸出設備5．網絡互聯設備6．測量設備CAD/CAM系統(tǒng)的硬件組成1.2模具CAD/CAM系統(tǒng)的組成1.2.3模具CAD/CAM系統(tǒng)的軟件1．系統(tǒng)軟件2．支撐軟件3．應用軟件

7CAD/CAM系統(tǒng)的軟件層次關系1.2模具CAD/CAM系統(tǒng)的組成81.系統(tǒng)軟件主要包括三大部分：操作系統(tǒng)、編程語言系統(tǒng)和網絡通信及其管理軟件。操作系統(tǒng)是系統(tǒng)軟件的核心，是CAD/CAM系統(tǒng)的靈魂，它控制和指揮計算機的軟件資源和硬件資源。其主要功能是硬件資源管理、任務隊列管理、硬件驅動程序、定時分時系統(tǒng)、基本數學計算、日常事務管理、錯誤診斷與糾正、用戶界面管理和作業(yè)管理等。操作系統(tǒng)依賴于計算機系統(tǒng)的硬件，用戶通過操作系統(tǒng)使用計算機，任何程序需經過操作系統(tǒng)分配必要的資源后才能執(zhí)行。目前流行的操作系統(tǒng)有Windows、UNIX、Linux等。編程語言系統(tǒng)主要完成源程序編輯、庫函數及管理、語法檢查、代碼編譯、程序連接與執(zhí)行。按照程序設計方法的不同，可分為結構化編程語言和面向對象的編程語言；按照編程時對計算機硬件依賴程度的不同，可分為低級語言和高級語言。目前廣泛使用面向對象的編程語言，如VisualC++、VisualBasic、Java等。網絡通信及其管理軟件主要包括網絡協議、網絡資源管理、網絡任務管理、網絡安全管理、通信瀏覽工具等內容。國際標準的網絡協議方案為“開放系統(tǒng)互連參考模型”（OSI），它分為七層：應用層、表示層、會話層、傳輸層、網絡層、數據鏈路層和物理層。目前CAD/CAM系統(tǒng)中流行的主要網絡協議包括TCP/IP協議、MAP協議、TOP協議等。1.2模具CAD/CAM系統(tǒng)的組成92．支撐軟件1）功能單一型支撐軟件(1)交互式繪圖軟件:這類軟件主要以交互方法完成二維工程圖樣的生成和繪制，具有圖形的編輯、變換、存儲、顯示控制、尺寸標注等功能；具有尺寸驅動參數化繪圖功能；有較完備的機械標準件參數化圖庫等。這類軟件繪圖功能很強、操作方便、價格便宜。在微機上采用的典型產品是AutoCAD以及國內自主開發(fā)的CAXA電子圖板、PICAD、高華CAD等。(2)三維幾何建模軟件:這類軟件主要解決零部件的結構設計問題，為用戶提供完整準確地描述和顯示三維幾何形狀的方法和工具，具有消隱、著色、濃淡處理、實體參數計算、質量特性計算、參數化特征造型及裝配和干涉檢驗等功能，具有簡單曲面造型功能，價格適中，易于學習掌握。這類軟件目前在國內的應彌饕MDT、SolidWorks和SolidEdge為主。1.2模具CAD/CAM系統(tǒng)的組成102．支撐軟件1）功能單一型支撐軟件(3)工程計算與分析軟件:這類軟件的功能主要包括基本物理量計算、基本力學參數計算、產品裝配、公差分析、有限元分析、優(yōu)化算法、機構運動學分析、動力學分析及仿真與模擬等，有限元分析是核心工具，包括前置處理、計算分析和后置處理3部分。前置處理的功能是：幾何建模，模型分割，自動生成有限元網格，網格的連接、修改、變換、加密，有關機械特性、載荷、約束等的處理以及輸入功能。計算分析程序的功能是：形成剛度矩陣和載荷矩陣，求解方程組，計算應力、應變。后置處理的功能是：將計算分析結果轉變?yōu)樽儺Y肌⒂αΦ雀呦咄肌⒂ατΡ洳噬ǖ家約壩ατΡ淝叩取目前比較著名的數值計算與模擬分析軟件有ANSYS、Dynaform、Deform、Moldflow、SAP、ADINA、Autoform、Indeed、Pam-stamp、Optris、Isopunch、MARC、NASTRAN、ADAMS等。(4)數控編程軟件:這類軟件一般具有刀具定義、工藝參數的設定、刀具軌跡的自動生成、后置處理及切削加工模擬等功能。應用較多的有Cimatron、MasterCAM、SmartCAM、SurfCAM及CAXA制造工程師等。(5)數據庫管理系統(tǒng):工程數據庫是CAD/CAM集成系統(tǒng)的重要組成部分，工程數據庫管理系統(tǒng)能夠有效地存儲、管理和使用工程數據，支持各子系統(tǒng)間的數據傳遞與共享。工程數據庫管理系統(tǒng)的開發(fā)可在通用數據庫管理系統(tǒng)基礎上，根據工程特點進行修改或補充。目前比較流行的數據庫管理系統(tǒng)有ORACLE、SYBASE、FOXPRO、FOXBASE等。1.2模具CAD/CAM系統(tǒng)的組成112．支撐軟件2）功能集成型支撐軟件(1)Pro/Engineer:美國PTC（ParametricTechnologyCorporation）公司的著名產品。PTC公司提出的單一數據庫、參數化、基于特征、全相關的概念，改變了機械設計自動化的傳統(tǒng)觀念，Pro/E包括70多個專用功能模塊，如實體模型、特征建模、裝配建模、曲面建模、工程圖制作、模具設計、NC數控加工、逆向工程、有限元分析、產品數據管理等，具有較完整的數據交換轉換器。被稱為新一代CAD／CAM/CAE系統(tǒng)。(2)Unigraphics:美國UGS（UnigraphicsSolutions）公司的旗艦產品。采用將參數化和變量化技術與實體、線框和表面功能融為一體的復合建模技術，其主要優(yōu)勢是三維曲面、實體建模和數控編程功能，具有較強的數據庫管理和有限元分析前后處理功能以及界面良好的用戶開發(fā)工具。UG匯集了美國航空航天業(yè)及汽車業(yè)的專業(yè)經驗，現已成為世界一流的集成化機械CAD/CAM/CAE軟件，并被多家著名公司選作企業(yè)計算機輔助設計、制造和分析的標準。1.2模具CAD/CAM系統(tǒng)的組成122．支撐軟件2）功能集成型支撐軟件(3)I-DEAS:美國SDRC（StructureDynamicsResearchCorporation）公司（現已歸屬UGS公司）的主打產品。SDRC公司創(chuàng)建了變量化技術，并將其應用于三維實體建模中，進而創(chuàng)建了業(yè)界最具革命性的VGX超變量化技術。I-DEAS是高度集成化的CAD/CAE/CAM軟件，其動態(tài)引導器幫助用戶以極高的效率，在單一數字模型中完成從產品設計、仿真分析、測試直至數控加工的產品研發(fā)全過程。I-DEAS在CAD/CAE一體化技術方面一直雄居世界榜首，軟件內含很強的工程分析和工程測試功能。(4)CATIA:由法國DassaultSystem公司與IBM合作研發(fā)，是較早面市的著名的三維CAD/CAM/CAE軟件產品，目前主要應用于機械制造、工程設計和電子行業(yè)。CATIA率先采用自由曲面建模方法，在三維復雜曲面建模及其加工編程方面極具優(yōu)勢。1.2模具CAD/CAM系統(tǒng)的組成133．應用軟件

應用軟件是在系統(tǒng)軟件和支撐軟件的基礎上，針對專門應用領域的需要而研制的軟件。如機械零件設計軟件、機床夾具CAD軟件、冷沖壓模具CAD/CAM軟件等。這類軟件通常由用戶結合當前設計工作需要自行開發(fā)或委托軟件開發(fā)商進行開發(fā)。能否充分發(fā)揮CAD/CAM系統(tǒng)的效益，應用軟件的技術開發(fā)是關鍵，也是CAD/CAM工作者的主要任務。應用軟件開發(fā)可以基于支撐軟件平臺進行二次開發(fā)，也可以采用常用的程序設計工具進行開發(fā)。目前常見的支撐軟件均提供了二次開發(fā)工具，如AutoCAD的Autolisp、Pro/E的Protoolkit、UG的GRIP等。為保證應用技術的先進性和開發(fā)的高效性，應充分利用已有CAD/CAM支撐軟件的技術和二次開發(fā)工具。需要說明的是，應用軟件和支撐軟件之間并沒有本質的區(qū)別，當某一行業(yè)的應用軟件逐步商品化形成通用軟件產品時，也可以稱之為一種支撐軟件。141.3.1發(fā)展歷程1．CAD技術的發(fā)展過程(1) 20世紀50年代后期至70年代初期，此階段為初級階段——線框造型技術。(2) 20世紀70年代初期至80年代初期，此階段是第一次CAD技術革命——曲面(表面)造

型技術。(3) 20世紀80年代初期至80年代中期，此階段是第二次CAD技術革命——實體造型階段。(4) 20世紀80年代中期至90年代初期，此階段是第三次CAD技術革命——參數化技術。(5) 20世紀90年代初期至今，此階段是第四次CAD技術革命——變量化技術。1.3CAD/CAE/CAM技術的發(fā)展和應用2．CAE技術的發(fā)展過程(1) 20世紀60—70年代處于探索階段，有限元技術主要針對結構分析問題進行發(fā)展，以解決航空航天技術發(fā)展過程中遇到的結構強度、剛度以及模擬實驗和分析。(2) 20世紀70—80年代是CAE技術蓬勃發(fā)展時期，分析軟件的開發(fā)主要集中在計算精度、硬件及速度平臺的匹配、計算機內存的有效利用以及磁盤空間利用上，而且有限元分析技術在結構和場分析領域獲得了很大的成功。(3) 20世紀90年代CAE技術逐漸成熟壯大，軟件的發(fā)展向各CAD軟件的專用接口和增強軟件的前后置處理能力方向發(fā)展。153．CAM技術的發(fā)展過程(1)1952年美國麻省理工學院（MIT）首次試制成功了數控銑床，通過數控程序對零件進行加工，隨后MIT研制開發(fā)了自動編程語言（APT），通過描述走刀軌跡的方法來實現計算機輔助編程，標志著CAM技術的開端。(2)在制造領域中，1962年研制成功了世界上第一臺機器人，實現物料搬運自動化，1965年產生了計算機數控機床CNC系統(tǒng)，1966年以后出現了采用通用計算機直接控制多臺數控機床DNC系統(tǒng)以及英國莫林公司研制的由計算機集中控制的自動化制造系統(tǒng)。(3)20世紀70年代，美國辛辛那提公司研制出了一條柔性制造系統(tǒng)（FMS），將CAD/CAM技術推向了新的階段。(4)20世紀80年代，CAD與CAM相結合，形成了CAD/CAM集成技術，導致了新理論、新算法的大量涌現。20世紀80年代后期，人們認識到計算機集成制造（CIM）的重要性，開始強調信息集成，出現了計算機集成制造系統(tǒng)CIMS（ComputerIntegratedManufacturingSystem），此外，并行工程CE（ConcurrentEngineering）、敏捷制造AM（AgileManufacturing）、虛擬制造VM(VirtualManufacturing)等先進的制造模式包容了更為廣泛的信息集成，將CAD/CAM這個重要的基礎核心技術推向了更高的層次。1.3CAD/CAE/CAM技術的發(fā)展和應用161.3.2在模具行業(yè)中的應用1．CAD/CAE技術和模具結構設計

(1)草圖重建技術。(2)曲面特征設計。(3)變量裝配設計技術。(4)真實感技術。1.3CAD/CAE/CAM技術的發(fā)展和應用2．CAD/CAE技術和模具結構分析(1)強度和剛度分析。(2)抗沖擊試驗模擬。(3)跌落試驗模擬。(4)散熱能力分析。(5)疲勞和蠕變分析。3．CAD/CAE技術和模具成型仿真(1)冷沖壓成型。(2)熱作成型。1.3CAD/CAE/CAM技術的發(fā)展和應用1.3.3模具制造成型車間1.三坐標抄數機2.車床3.銑床4.磨床5.電火花機床6.線切割機床7.模具成型注塑機171.3CAD/CAE/CAM技術的發(fā)展和應用18

三坐標抄數機數控車床普通銑床與數控銑床

磨床電火花機床及工作原理線切割機床及工作原理注塑機

191.4.1CAD/CAM技術的發(fā)展趨勢

集成化、網絡化、智能化和標準化1.4.2我國模具工業(yè)的發(fā)展趨勢模具日趨大型化。模具的精度將愈來愈高。10年前精密模具的精度一般為5μm，現已達到2～3μm，1μm精度的模具也將上市。多功能復合模具將進一步發(fā)展。新型多功能復合模具除了沖壓成型零件外，還擔負疊壓、攻絲、鉚接和鎖緊等組裝任務，對鋼材的性能要求越來越高。熱流道模具在塑料模具中的比重將逐漸提高。隨著塑料成型工藝的不斷改進與發(fā)展，氣輔模具及適應高壓注塑成型等工藝的模具也將隨之發(fā)展。標準件的應用將日益廣泛。模具標準化及模具標準件的應用將極大地影響模具制造周期，提高模具的質量和降低模具制造成本。快速經濟模具的前景十分廣闊。隨著車輛和電機等產品向輕量化發(fā)展，壓鑄模的比例將不斷提高。同時對壓鑄模的壽命和復雜程度也將提出越來越高的要求。以塑代鋼、以塑代木的進程進一步加快，塑料模具的比例將不斷增大。由于機械零件的復雜程度和精度不斷提高，對塑料模具的要求也越來越高。模具技術含量將不斷提高。1.4CAD/CAE/CAM技術在模具設計制造中

的發(fā)展趨勢201.4.3今后需大力發(fā)展的模具產品汽車覆蓋件模具(轎車所需)。精密沖壓模具(多工位級進模、精沖模)。大型塑料模具(用于汽車和家電)。精密塑料模具(塑封模，多層、多腔、多材質、多色、薄壁精密塑料模)。大型薄壁精密復雜壓鑄模和鎂合金壓鑄模具。子午線橡膠輪胎模具(活絡模)。新型快速經濟模具。多功能復合模具。模具標準件(模架、導向件、推管推桿、彈性元件、熱流道元件)。1.4CAD/CAE/CAM技術在模具設計制造中

的發(fā)展趨勢211.4.4今后需提高的關鍵技術用計算機、網絡通信、軟件技術等信息技術帶動和提升模具制造技術。模具設計技術(CAD/CAE/CAM一體化技術)。模具加工技術(CAM)、高速銑削技術(HSM)。快速原型制造技術、激光加工技術、直接金屬成型技術。信息化工程、逆向工程、并行工程、敏捷制造等技術，先進的精密測量技術。高性能、高品質的新型模具材料及制造新工藝。模具熱流道技術、新型模具標準件。先進的模具修復和拋光技術。模具制造的現代化管理技術。1.4CAD/CAE/CAM技術在模具設計制造中

的發(fā)展趨勢221.4.5CAD