（材料加工工程专业论文）精冲模cad及三维动态演示系统的研究.pdf

精冲模c a d 及三维动态演示系统的研究 摘要 随着计算机技术的发展，模具c a d 的应用日益的扩大。精冲技术是冲压 技术发展的个新领域，可以取代板类零件的部分或全部的机械加工，由于它 具有优质、高效率及低消耗的特点，所以在钟表、仪器仪表、精密机械、摩托 车和汽车等现代工业中得到了臼益广泛地应用。因此研究和开发实用化的精冲 模c a d 系统，对于提高模具设计效率和质量、推进模具c a d 的普及和发展具 有重要的意义。 本文首先介绍了计算机技术在冲压模具设计中的应用以及国内外精冲模 c a d c a m 的发展概况；其次简要介绍了精冲模具设计的基础知识和精冲模的 整体系统设计：并在此基础上介绍了精冲模c a d 系统的软件开发环境，详细 叙述了精冲模c a d 系统以及在s o l i d w o r k s 平台上进行的精冲模c a d 系统的研 究和开发，包括精冲工艺c a d 的实现原理、方法和设计准则以及精冲模具结 构c a d 的模型建立过程、零件图的绘制、凸凹模刃口尺寸计算、装配图和工 程图的生成等等，并以一实例说明利用本系统完成精冲模的设计过程：最后， 本文介绍了在s o l i d w o r k sa n i m a t o r 乎台上实现模具装配过程动态模拟的方法 和技巧。 关键词：精冲模 c a d动态演示s o l i d w o r k s a s t u d y o fc a d s y s t e ma n d a n i m a t i o no f p r e c i s i o n - s t a m p i n gm o l d a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to f c o m p u t e r st e c h n i q u e t h ed i e sc a d h a sb e e nu s e d m o r ea n dm o r ew i d e l y t h et e c h n i q u eo fp r e c i s i o n - s t a m p i n gi s an e wf i e l do f s t a m p i n g ，i tc a nr e p l a c em a c h i n i n go fp l a n k i n g - p a r tp a r t l yo re n t i r e l y b e c a u s ei t h a sh i g hq u a l i t y 、h i g he f f i c i e n c ya n dl o w c o n s u m i n g ，s oi t i su s e dw i d e l yi nt h e f i e l d so f h o r o l o g e 、i n s t r u m e n t 、p r e c i s i o n - m a c h i n e 、a u t o c y c l ea n da u t o m o b i l ee t c i ti sv e r yi m p o r t a n tt os t u d ya n d d e v e l o pp r a c t i c e o r i e n t e dp r e c i s i o n s t a m p i n gm o l d c a d s y s t e m t h i sc a ni m p r o v et h ee f f i c i e n c ya n dq u a l i t yo fd i e sc a d ，a n dc a n p r o p e lt h ep o p u l a “z a t i o na n dd e v e l o p m e n t o fd i e sc a d i nt h i sp a p e r ，f i r s t l y ，t h ea p p l i c a t i o no fc o m p u t e ri nt h ef i e l d so f s t a m p i n ga n d d e v e l o p i n gs i t u a t i o no fp r e c i s i o n - s t a m p i n gm o u l dc a d c a mt e c h n i q u e sa th o m e a n da b r o a da r ei n t r o d u c e d b r i e f l y ；s e c o n d l y ，t h e b a s a l k n o w l e d g e o f p r e c i s i o n s t a m p i n gd e s i g n i n ga n df u l l s y s t e md e s i g n i n go fp r e c i s i o n s t a m p i n ga r e p r e s e n t e ds u m m a r i l y ；o n t h eb a s eo ft h i s ，t h e d e v e l o p m e n t e n v i r o n m e n to f p r e c i s i o n s t a m p i n g m o l dc a d s y s t e m ，a n ds t u d y i n g a n d d e v e l o p i n g o f p r e c i s i o n s t a m p i n gm o l du n d e rs o l i d w o r k sa r ei n t r o d u c e di nd e t a i l ，i tc o n s i s t so f t h e i m p l e m e n tp r i n c i p l e s 、m e t h o d s a n dd e s i g nc r i t e r i o n so fp r e c i s i o n s t a m p i n g p r o c e s sc a d a n dt h ee s t a b l i s h m e n to fm o u l ds t r u c t u r ec a dm o d e l 、d r a w i n go f p a r t 、t h e d i m e n s i o nc a l c u l a t i o nf o rt h ep u n c he d g ea n dt h e c u t t i n ge d g e a n d b u i l d i n go f a s s e m b l ea n de n g i n e e r i n gd r a w i n g ，f u r t h e r m o r ea ne x a m p l ei sg i v e nt o s h o wt h ed e s i g n p r o c e d u r eo fp r e c i s i o n - s t a m p i n g ；a tt h e e n do ft h e p a p e r ，t h e a n i m a t i o n s y s t e m o f p r o c e s s a b o u tm o u l d a s s e m b l i n g o nt h e p l a t f o r m o f s o l i d w o r k sa n i m a t o ri si n t r o d u c e d k e y w o r d s ：p r e c i s i o n s t a m p i n gm o u l d c a da n i m a t i o ns o l i d w o r k s 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据 我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包含为获得金目b 王些太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签字：漆砂刍警嗍雕纽占日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金目b 王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权金 照王! 哒堂可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名：事拧小刍矢 导师签名： 签字日期：瑚昨够月8 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 苏 签字日期夕加午年牛月男日 电话 邮编 致谢 值此论文完成之际，请允许我向三年来关心和爱护我的人致以诚挚的谢意： 首先要感谢三年来给予我悉心指导和关心的导师董定福副教授，导师严谨 的治学态度和宽以待人的生活作风是学生终生学习和工作的楷模。三年来导师 为我创造了良好的学习和研究环境，并在生活中给予我无微不至的关怀，使我 能够顺利地完成各个阶段的学习和研究任务，在此谨向敬爱的导师致以崇高的 敬意和衷心的感谢! 特别向论文选题、课题研究和评阅中给予我帮助的刘全坤教授、洪深泽教 授、王雷刚教授表示感谢，同时对材料学院所有关心我的各位老师表示感谢! 在研究生学习期间，我得到了本专业陈从升、魏士金、杨颖、李冬生、金 云光、王成勇、王荣辉等同学的热心帮助，在此表示衷心的感谢! 最后深深的感谢我的父母家人和朋友对我的关爱与支持! 作者：谢玉敏 2 0 0 4 4 1 1 概述 第一章绪论 随着计算机技术和电子信息技术的飞速发展，冲模技术面临着根本性的挑 战和巨大的发展机会。各种高新冲压模具技术与制造技术层出不穷，尤其是电 子信息及计算机技术等众多学科相互交叉、紧密结合后，冲压模具设计与加工 领域的集成应用使得冲压技术突破了许多传统的设计与制造技术的限制，应用 范围不断扩大，应用前景更加广阔。冲压技术与计算机技术的日益紧密，代表 着该领域未来的发展方向。 计算机技术在冲模技术中的应用是指借助于计算机技术进行冲模设计及 冲模的加工，主要包括冲模c a d 、冲模c a m 、冲模c a e 和冲模数据的管理系 统p d m 。冲模c a d 是应用计算机系统协助人们进行冲模的全过程设计，包括 图样的输入、冲压零件的合理描述、冲压工艺设计、模具设计、设计的全面分 析以及最后冲压设计结果的输出等叱 12 冲模c a d 的优越性 由于人和计算机的有机结合，使冲压模具c a d 具有以下特点： j 、 提高冲压产品的质量。由于在计算机系统内存储了有关冲模技术的完整的 专业知识及全部的相关设计数据，为冲压模具的设计和制造提供了强有力的技 术基础，加上工作过程中可能的人机交互，充分发挥了人的敏锐判断力、创新 能力和不断增加的实际工作经验，使冲压模具的设计及制造尽可能的最优化。 另外，由于计算机系统从设计的开始就采用同一基本数据库为模具的制造带 来了一致性，从而大大方便了模具的制造。计算机对设计数据处理的高精度， 带来了模具制造的高精度及精确性，因此，大幅度地提高了冲压零件的产品质 量。 2 、 缩短产品的设计制造周期。由于计算机系统的高速处理设计的能力，使冲 压模具设计制造时间大大缩短；再者，由于模具设计的优化及制造的精确性， 尤其是计算机数值模拟技术在冲压成形中的实用化，使得复杂的成形冲压模具 的设计、制造和装配，尤其是占用时问极多的复杂模具的调试和修改时间大为 缩短，从而大大缩短了冲压产品的设计制造周期，提高了生产率，加强了企业 的市场竞争力。 3 、计算机系统强大的图形处理、数据搜索及高速运算功能，把人从繁冗的重 复计算、制图、查标准资料等简单的劳动中解放出来，更好的从事创造性的工 作。 4 、通过计算机网络可以进行冲模设计、制造与冲压产品生产之间的必要数据 交流，从而可以快捷地进行协调和优化冲压的整个过程，以达到最优，大大降 低冲压企业的生产成本，增加其产品更新速度，增强其市场竞争力。 5 、 人类冲模工程师，可能由于生理、心理等的限制，出现设计的不稳定性， 在设计强度太大时还容易导致设计的失误。而计算机却可以一天2 4 h 稳定高速 的工作，不会出现遗漏、失误等，尤其适应现今科学技术日新月异的发展。 6 、 计算机技术可以大大扩展冲模技术的应用范围，尤其是现代计算机技术强 大的图形和图像处理功能，使得原来难以表述的复杂形状、曲面等，都可以在 计算机上轻易展示，而且可以全面而细致的反映出各种细节，并可方便的进行 修改，使得原来不可能或很难实现的冲模设计，在计算机上得以实现。而计算 机技术在制造业中的应用可以使得原来极难或根本无法实现的冲模加工，得以 成为现实，大大地扩展了冲模技术的应用范围。 1 3 精冲模c a d c a m 的发展概况 精密冲裁简称精冲，它是在普通冲裁的基础上发展起来的一种精密冲压加 工，用以取代整修和冲裁供坯后进行各种切削加工的繁杂工艺，从而改变冲压 生产技术的毛坯生产性质，使其能直接提供符合产品装配要求的板料冲压件， 达到降低成本、提高质量的目的。在工业化国家，精冲技术己广泛应用于交通 运输工具制造、航空器制造、通用机械等各工业部门。据统计，一辆轿车中一 般至少有7 0 多个零件需要采用精冲方法加工，如汽车制动系统中的刹车蹄片、 发动机盖板、传动系统中的离合器以及座椅调角器等。目前精冲模c a d c a m 已成为精冲技术研究的主要方面1 2 | 。 1 3 1 国外精冲模c a d c a m 技术的发展概况 1 9 2 3 年德国人f s c h i e s s 通过试验研究获得精冲技术专利，1 9 5 6 年瑞士 h s c h m i d 公司制造了第一台液压精冲机，1 9 6 2 年a g u i d i 第一次发表了有关精冲 理论的论文，他领导的f e i n t o o l 公司生产了机械式精冲机并投入市场，日本从 6 0 年代开始研究和开发精冲技术。到7 0 年代以后瑞士、德、美、日等国己将 精冲技术广泛用于汽车和家用电器工业，如齿轮、凸轮、链轮、齿板、制动器 上的棘轮、棘爪、调节齿板和离合器上的主、从动片等等，厚度达3 0 m m ，已 形成了一套完备的技术系统。8 0 年代，日本山本制造公司开发了精冲模 c a d c a m 系统，其大致流程为设计模具草图，选择模具类型、设计工作零件、 选择标准件、输出模具图等1 3 1 。 1 3 2 国内精冲模c a d c a m 技术的发展概况 1 9 7 6 年中国与f e i n t o o l 公司开始精冲技术交流，f e i n t o o l 公司第一次向我 国提供了精冲技术培训资料，我国第一次引进了精冲机，从最初的手表、照相 机工业逐步扩大到机械工业，1 9 8 0 年我国开始把精冲技术引入汽车工业。华中 理工大学于1 9 8 1 年开始开发精冲模c a d c a m 系统，近年来华南理工大学对 有色金属材料的精冲工艺参数进行了研究，讨论了压边圈形状和尺寸、压边力 和反顶力等对精冲质量的影响，对精冲机理等进行了新的认识，并提出了划分 精冲变形区的新见解。机械电子工业部北京机电研究所在将近二十年的时问里 投入了大量技术力量，在精冲基础理论，精冲工艺、模具设计和制造，精冲模 具强韧化，材料软化处理，精冲工艺润滑剂和精冲压力等方面进行了全面系统 的研究，并取得了一系列研究成果，8 0 年代末北京机电研究所和内江锻压机床 厂合作研制的用于精冲压力机的台阶式静压导轨结构具有独创性，已获得专利， 新型导轨的导向刚度等性能优于国外的同类产品，9 0 年代精冲技术开始广泛应 用于汽车行业1 4 。 1 4 精冲模c a d 发展趋势 精冲模c a d 技术的发展方向今后仍然是集成化、智能化、柔性化、网络 化l 衍。行改计、提高系统的实用性和使用方便性以及降低价格等等。 1 、c a d 与c a m 系统集成 设计、制造或施工及相应的生产与工程管理等方面存在紧密的联系。为了 提高工作效率，人们首先将c a d c a m 一体化，c a d c a m 的集成化主要是集 成度与信息流的集成，一般包含以下几层意义：第一是将c a d 与c a m 集成， 使计算机辅助设计与制造实现一体化；第二是将c a d 、c a m 、c a e 集成化； 第三是将c a d 、c a m 、c a p p 、g t 、f m s 、机器人等技术集成化，通过网络通 信、标准化与统一的工程数据库将其连接起来，构成计算机集成制造系统 ( c i m s ) 。c i m s 系统基于计算机技术和信息技术，将设计、制造和生产管理、 经营决策等方面有机的结合成一个整体，形成物流和信息流的综合，对产品设 计、零件加工、整机装配和检测检验的全过程实施计算机控制，从而达到进一 步提高效率、提高柔性、提高质量和降低成本的目的t 5 】1 6 1 。 2 、建立和应用c a d 网络环境 将多台微型机c a d 工作站联网或将多台微型机c a d 工作站和工程工作站 联网，构成分布式c a d 系统已成为一种趋势。这种网络系统结构灵活、功能强 大、价格低，每个工作站可单独使用，也可相互配合，实现资源和信息共享， 也可实现并行设计和协同工作。所以，今天的冲压模具c a d 软件的开发重点 也将随之从改善个人设计手段和设计工具为中心，转变成以加强设计信息在整 个冲压企业价值链中的交流和协作性能为中心，使冲压企业最终能够通过冲压 设计信息来沟通产品生命周期的全过程，从而能以前所未有的水平和效益显著 提高和扩展企业的竞争力。c a d 网络的建立以及设计管理和协同设计功能的实 现，无疑将大大促进企业的经济效益。 3 、人工智能与专家系统技术的应用 设计过程需要大量的设计知识和专家经验，一般的c a d 系统是一种人机蚕 统，即系统包含了使用系统的人，使用c a d 系统的设计者在系统行为中起着主 导和决策的作用。人工智能( a i ) 、专家系统( e s ) 和基于知识的系统 ( k n o w l e d g e b a s e ds y s t e m ，k b s ) 技术的发展及其在设计领域的应用，为c a d 技术的发展开辟了新的途径。将人工智能技术和专家系统引入c a d 系统，使 其拥有机械领域专家的经验与知识，具有学习、推理、联想和判断的能力，以 及智能化的视觉、听觉、语言能力，将使c a d 系统在产品设计中发挥更有意 义的“专家顾问”、“自动化设计”的作用l ”。 。 15 本论文的章节安排 本课题是来源于生产实践中的一个课题，课题的内容主要涉及到精冲模 c a d 系统的设计以及精冲模三维动态演示系统的设计，具有一定的实用价值。 本文结构安排如下：第一章绪论本章主要介绍了计算机技术在冲模技 术中的应用、冲模c a d 的优越性、精冲模c a d c a m 技术的发展概况以及精 冲模c a d 的发展趋势：第二章精冲模简介和系统发计本章主要介绍了精 冲模的基础理论知识、精冲模系统的配置以及精冲模系统的工作流程和主要内 容；第三章基于s o l i d w o r k s 的精冲模c a d 系统本章主要叙述了精冲模c a d 系统的开发环境，并在此基础上提出并建立了基于s o l i d w o r k s 的精冲模c a d 系统，包括精冲工艺设计c a d 系统和精冲模具结构c a d 系统；第四章精冲 模c a d 实例本章以一精冲零件为例介绍基于s o l i d w o r k s 的精冲模c a d 系统 的应用：第五章精冲模三维动态演示系统本章首先叙述了在s o l i d w o r k s a n i m a t o r 平台上制作多媒体动画的基础理论知识，同时给出了基于s o l i d w o r k s a n i m a t o r 的精冲模三维动态演示系统，并利用此系统制作精冲模多媒体动画用 于本专业的教学：第六章结论与展望对研究工作进行了总结，指出了存在 的问题并展望本课题的研究前景。 4 2 1 精冲模概述 第二章精冲模简介和系统设计 2 1 1 基本概念 精冲属于无削加工技术，是在普通冲压技术基础上发展起来的一种精密冲 裁方法，能在一次冲压行程中获得比普通冲裁零件尺寸精度高、冲裁面光洁、 翘曲小且互换性好的优质精冲零件，并以较低的成本达到产品质量的改善。 2 1 2 工作原理 精冲是塑性一剪切过程。精冲是在专用( 三动) 压力机上，借助于特殊结 构的精冲模，并伴之适宜的精冲材料和润滑剂而进行的。在冲裁过程中( 见图 2 1 ) ，凸模1 接触材料8 之前，通过压边力p r 使v 形齿圈压板6 将材料压紧在 凹模上，从而在v 形齿的内面产生横向侧压力，以阻止材料在剪切区内撕裂和 金属的横向流动。在冲裁凸模压入材料的同时，利用顶件板4 的反压力p g ，将 材料压紧，并在压紧状态中，在冲裁力p s 作用下进行冲裁。剪切区内的金属处 于三向压应力状态，从而提高了材料的塑性。此时，材料就沿着凹模的刃口边 形状呈纯剪切的形式冲裁零件。 图2 - 1精冲过程 1 一凸模；2 一凹模；3 一内形凸模；4 一顶件板；5 一顶杆；6 一齿圈压板 7 一压杆；8 一精冲材料；9 一精冲件；1 0 一内形废料。 2 ，1 ，3 工艺特点 精冲与普通冲裁的区别在于：精冲间隙只有普通冲裁的1 0 ，甚至更小。 在精冲剪切开始之前，首先对原材料变形区内外、上下施加单位压力接近材料 屈服极限os 的强大压力，且在整个剪切过程中保持不变，而后凸模将条料切 入刃口具有小圆角的直壁凹模洞口，由于推件板的作用，在精冲凹模回程后， 把精冲件顶出凹模，故精冲总是模上推件。 精冲模的小间隙、圆刃口及强力压料和推件板的反向施压，保证了冲件具 有垂直、光洁的剪切面和较高的尺寸精度：精冲过程中，通过对条料上下施加 较大的压力，使条料变形区处于三向立体压应力状态下进行塑性剪变形，使材 料分离；同时，还保证了冲件具有较高的形位精度。表3 1 所列为普通冲裁与 精冲主要工艺特点的对比。 技术特征普通冲裁精冲 1 材料分离彩式破坏变形 2 尺寸精度 i s 0 1 1 13i s 0 - 6 9 3 冲裁面质量：表面粗糙度r a一般大于6 3 i 6 04 垂直度低高( 8 9 。3 0 ) 4 模具：间隙 5 s05 s 刃口锋利例角 5 冲压材料无要求望性好 6 毛剌：方向双向单向 大小大小 7 塌角( 2 0 一3 5 ) s( 10 2 5 ) s 8 压力机普通( 单向力)特殊( 三向力) 9 润滑一般特殊 1 0 成本低 2 1 4 工作过程 表2 - 1 普通冲裁与精冲的 i 艺特点 图2 2 所示为精冲的一个工作循环过程。 ( a ) 6 霞鋈彩 心 缢 筝 心 鬯 p 9 。* ( c ) 、1 泓澎心 愿 阮 ( e ) r 日 一，蕊鞫1 随 i 一、“v w ? ? ， ，7 二二：愁u 睦进么么 - _ - _ - 一：! 二二二1 - ( d ) 达酸 瀛形雕 喵 ( f ) 勰：隧 _ ! _ i - - i 形 形, 4 科举- 觋w , , - ( g ) ( h ) 图2 - 2 精冲工作过程循环图 ( a ) 模具初始位置：( b ) 齿圈压入：( c ) 冲裁：( d ) 冲裁过程结束；( e ) 模具开启 ( f ) 卸出冲孔废料；( g ) 顶出零件及卸出带料；( h ) 排出零件和废料，向前送料。 p r 一压边力；p g 一反压力；i 一齿圈压板；2 一凹模( 落料) ：3 一凸凹模：4 一项板 5 一材料：6 一零件；7 一冲孔废料。 2 2 精冲模具结构 2 2 1 特点 精冲模具是一种特殊结构的冲模，它和普通型式的复合模具相比较，精冲 模具具有以下特点： 有v 形环压边圈，材料在压边圈和凹模、反压板和凸模的夹持下实现冲裁， 工艺要求压边力和反压力大于卸料力和顶件力，以满足在变形区建立三向不均 匀压应力状态的要求，因此精冲模具受力比普通冲模大，刚性要求要高。 凸模和凹模之间的间隙小，大约是料厚的l ，而普通冲模的间隙约为料 厚的5 1 0 。 冲裁完毕模具开启时，反压板将工件从凹模内顶出，压边圈将废料从凸模 上卸下，不另外需要顶杆和卸料装置。 由于上出料，凸凹模孔的深度不需要通过凸凹模整个的高度，这样可使凸 凹模和模座更坚固。 2 2 2 分类 1 、根据精冲模的功能和结构可分为： 简单模只冲外形不冲内孔，如精冲卡尺尺身、尺框的模具，或者是只冲 内孔不冲外形的模具。 复合模同时冲出外形和内形，大多数精冲模都是复合模。 连续模分若干个工步，用于精冲复合工艺，如压扁精冲，精冲压沉头， 精冲弯曲等：或者是采用复合模结构时，凸凹模的强度太弱，此时可用连续模 分别冲出工件的内、外形廓。 2 、根据匹配的压机可分为： 用于精冲压力机和用于普通压力机的精冲模，后者需要附加压边和反压系 统，以弥补普通压力机功能之不足。 3 、 根据凸模和模座的相对关系可分为： 活动凸模式凸模相对模座是活动的。 固定凸模式凸模固定在模座上。 2 2 3 典型结构 1 、 活动凸模式精冲模 这种模具结构的特点是：凸模靠模座和压边圈的内孔导向，凹模和压边圈 分别固定在上、下模座上，凸模通过压边圈和凹模保持相对的位置，因此要求 凸模和压边圈之间的间隙比凸模和凹模之间的间隙更小。只有使凸模有较长的 导向和正确定位才能保证对中，如果凸模轮廓的最大尺寸超过了凸模的高度， 准确对中就不易保证，因此活动凸模式模具主要适于中、小尺寸的零件，其典 型结构如图2 3 所示。 2 、固定凸模式精冲模 这种模具结构的特点是：凸模固定在模座上压边圈通过传动杆和模座、 凸模保持相对运动。固定凸模式精冲模适于： 大型或窄长的零件： 不对称的复杂零件； 内孔较多的零件； 冲压力较大的厚零件； 需要连续模精冲的零件等，其典型结构如图2 4 所示。 不同的模具结构形式，要求压机具有相应的工作台结构匹配，活动凸模式 模具要求压机的工作台，中一心部位固定四周由环形油缸、柱塞构成的浮动液压 工作台；固定凸模式模具要求压机的工作台中部有柱塞油缸。 图2 - 3 活动凸模式模具典型结构图2 4 固定凸模式模具典型结构 2 3c a d 系统的分类与发展c a d 系统的关键技术 l 、c a d 系统的分类i i o l 根据开发c a d 系统的公司提供的产品的情况c a d 系统的配置有四种类 型： ( 1 ) 配套系统：带有c a d 支撑软件和应用软件的计算机系统。 ( 2 ) 非配套系统：仅有c a d 支撑与应用软件及图形终端。 ( 3 ) 软件系统：仅提供c a d 系统的支撑与应用软件。 ( 4 ) 硬件系统：只提供计算机硬件与系统软件。 配套系统为c a d 早期产品的特点，而非配套系统是现行c a d 系统普遍采 用的形式。该形式的用户可以使用第三方的软件来扩展系统的功能。随着用户 的需求。系统可以升级。 根据c a d 系统的硬件配置与连接形式，c a d 系统又可分为两大类： ( 1 ) 独立系统包括主机的c a d 系统，工程工作站系统和个人计算机的 c a d 系统，这种c a d 系统自成体系，不与其它计算机系统相连。 ( 2 ) 网络系统这些以小型计算机或超级微机为基础的c a d 系统和大型 主机相连，在小型机或超级微机上完成输入、输出和计算不大的设计计算，而 计算量很大的运算则在大型机上完成，并可以共享大型机上的软件资源。 根据软件情况，c a d 系统又可分为两大类： ( i ) 黑箱系统黑箱系统又称为交钥匙系统，该系统通常只能在规定的硬 件上运行，用户只能使用系统提供的一系列功能，但不作进一步的丌发。这种 系统和其它系统的结合能力有限，只能通过一定数据格式同别的系统相连。 ( 2 ) 可编程系统 是一种可以移植到不同计算机上的开放式系统，用户可 以在此基础上作进一步的二次开发，是一种受到用户欢迎的系统。 2 、 发展c a d 系统的关键技术 c a d 涉及到的知识范围很广，包括计算机图形处理技术、三维产品的几何 造型技术、数据交换技术、工程数据管理技术等。 ( 1 ) 计算机图形处理 在c a d 的过程中，人与计算机之间的信息交流是十分重要的，而交流的 主要手段之一是计算机图形系统。计算机图形处理技术是借助于计算机，通过 程序和算法在图形显示和绘图设备上生成图形，并按给定的指令来改变其内容 的数据处理方式。当前计算机生成图形有两种方法，其一是交互式的图形处理 方法：其二是参数化方法。 ( 2 ) 三维产品造型 机械产品和工程设计项目都是三维空间的形体。c a d 技术中的三维立体造 型就是在计算机内建立完整的三维几何模型，准确地记录一个三维形体是由哪 些封闭表面所包围，面与面之间又是如何连接的。 三维造型是产品造型的基础，它涉及的问题比较广泛。如形体的定义、布 尔运算、欧拉检验公式、建模的各种模型、隐藏面的消除、明暗的阴影效果、 数据结构与数据库处理等。通常的造型与建模方式有：线框建模、曲面造型、 实体造型及最新发展的特征造型，只有实体模型才能够满足c a d 的要求。采 用三维造型技术，可以自动计算物体的体积、重量、重心位置、转动惯量等几 何参数，对于模型可以自动产生有限元的单元结点数据；对于装配、安装工作 可以自动检查相邻的零部件之间有无干涉； ( 3 ) 数据交换技术 为了使c a d 系统之间、不同模块之间的数据交换顺利进行，充分发挥用 户应用软件的效益、提高c a d 系统的生产效率。就必须建立各c a d 系统软件 都应遵守的数据交换规范。目前世界各国普遍使用的规范标准有；i g e s ， v d a f s s e t ，p d e s ，s t e p 等。 ( 4 ) 工程数据库管理技术 就是利用数据库管理系统( d b m s ) 来管理各种信息，目前另一种数据库 o o e d b m s ( 面向对象的工程数据库管理系统) 正在兴起。 2 4 精冲模c a d 系统配置 l 、硬件系统 ( 1 ) 计算机系统。这是硬件系统的核心部分，6 0 年代以大型机系统为主，是 以大型机为主机，配之以图形终端、字符终端、绘图机等构成的主从式系统； 1 0 7 0 年代发展为以小型机为主机；8 0 年代以来则以工程工作站加网络构成的分 布式系统为主流。目前，随着中央处理器性能的飞速提高，个人计算机有逐渐 挤占工作站市场份额的趋势。 ( 2 ) 数字化输入设备。如：扫描仪、数字化仪等。 ( 3 ) 输出设备。如：绘图仪、打印机等。 ( 4 ) 测量设备。如：万能量具、样板、三坐标测量仪等。 图2 - 5c a d 系统组成 2 、c a d 的系统工作平台 ( 1 ) 计算机系统软件，如：o s 2 ，w i n d o w s ，u n i x 等。 ( 2 ) 通用的几何造型平台，如：p a r a s o l i d 、a c i s 等。 ( 3 ) 通用的二维、三维设计造型软件，如：美国a u t o d e s k 公司的a u t o c a d 、 m d t ，法国达索公司的c a t i a ，美国麦道公司的u g i i ，s d r c 公司的i d e a s ， a p p l i c o n 公司的b r a v o ，c d c 公司的i c e m ，p r i m e 公司的c a d d s 5 ，法国的 e u c l i d ，美国的i n t e r g r a p h ，美国p t c 公司的p r o e 以及s o l i d w o r k s 公司的 s o l i d w o r k s 等，在冲模设计方面还有许多专门的c a d 软件。 ( 4 ) 通用的数值计算模拟分析软件，如：a u t of o r m 、i n d e e d 、p a r e s t a m p 、 o p t r i s 、i s o p u n c h 、m a r c 、a n s y s 及d y n a f o r m 等。 ( 5 ) 通用的软件开发工具，如：f o r t r a n 、v i s u a l c + + 、v i s u a l b a s i c 、d e l p h i 、 l i s p 等。 ( 6 ) 数据库管理系统，如：f o x b a s e 、f o x p r o 、s q l 、o r a c l e 等。 f 7 1 辅助处理软件，如在用有限元仿真软件时常需要用网格生成器，如： m e d i n a 、d e u am e s h 、t r a n s k 、a m o r a h u 及y p e rm e s h 等【8 | 。 3 、 c a d 的应用软件该应用软件包含以下功能模块： ( 1 ) 设计总体控制模块。 ( 2 ) 用于冲模零件图形输入荠处理的模块。 ( 3 ) 用于冲压零件设计的实体及曲面造型的模块。 ( 4 ) 冲压设计专用的数据、知识库。 ( 5 ) 数据、知识库的维护模块。 ( 6 ) 用于冲压工艺设计的模块。 ( 7 ) 用于冲压模具设计的模块。 ( 8 ) 对冲模设计结果进行分析、评估的模块。 ( 9 ) 人机对话，修改模具设计的模块。 ( 1o ) 将设计结果按要求进行输出的模块。 2 5 精冲模c a d 系统工作流程与内容 1 、精冲模c a d 系统的工作流程 如图2 - 6 所示就是精冲模c a d 系统的工作流程图。 c a d 设计总体控制系统 精冲设计任务 精冲工艺标准库l 1 一 篓萋嚣豢 币赢丽工艺设计如识库广1 1 精冲工艺设计 落息卜啐 工艺设计信息卜一精神梗具设计 用户荽求l 厂一 输出最后设计结果 零件的材料性能 力的计算 零部件设计准则 结构参数计算 刃口尺寸计算 精冲机床特点 图2 - 6 精冲模c a d 系统工作流程简图 2 、典型的精冲模c a d 系统内容 精冲模c a d 系统的工作内容大致包括以下三个方面 9 1 ： ( 1 ) 建立模具信息数据库数据库中包括有标准模架组合图库、标准模具 零件及尺寸库、各种材料性能数据、模具材料数据及冲模设计中所用到的基本 设计公式、设计规则、计算公式等各种数据，这些都是模具c a d 系统必不可 少的数据资源。 ( 2 ) 精冲模工艺设计c a d 包括冲裁件的工艺性判断、冲裁工艺方案的确 定、工序设计、冲裁力的计算、压力机的选择等等，良好的工艺性和合理的工 艺方案，可以使用较少的材料，最少的工序数量和工时，并使模具结构简单且 模具寿命高，能稳定地获得合格的工件，因而可以减少工作量和降低生产成本。 2 ( 3 ) 精冲模模具结构设计c a d 包括精冲模模具种类及结构形式选择，工 作零件设计( 凸、凹模设计) 、模具其它零件设计、模具零件图绘制、装配图生 成与工程图生成等等。模具结构设计是实现工艺要求的重要手段，是工件质量 的保证。采用标准化设计，能简化模具设计，提高模具质量，节约大量的人力 和物力，降低模具成本，对模具设计有着重要的意义。 第三章基于s o l i d w o r k s 的精冲模c a d 系统 3 1 精冲模c a d 系统的开发环境 3 1 1s o l i d w o r k s 简介 用于二维图形处理的软件主要有：a u t o c a d ，k e y c a d 及最近国内开发的 c a x a ，p i c a d 等：另外还有利用各种图形软件所附带的二次开发工具，如许 多公司在通用图形软件的基础上开发出许多方便实用的应用软件，最著名的是 美国a u t o d e s k 的a u t o c a d 软件，它公布了多种适于第三方开发的工具，如： a u t o l i s p ( v i s u a ll i s p ) 、a d s ( 用v i s u a lc + + ) 、a r x ( 用v i s u a lc + + ) 及 v b a ( 用v i s u a lb a s i c ) 等，使得用户可以利用这些工具进行软件的二次开发， 使之成为绘图工具。国内许多c a d 公司据此开发了很多适于中国国情的、更 为方便的软件，并且已经得到了广泛的发展。 虽然二维图形软件给冲模设计工程师带来了诸多方便，尤其是二维平面范 畴的模具设计具有很大的辅助作用，但对于较复杂的模具，如：汽车、船舶、 飞机覆盖件以及其它复杂的拉深成形件的冲压模具设计所起的作用就微乎其微 了，而且在设计过程中由于模具结构及许多冲压模具成形表面的复杂性和二维 图样表述的相对抽象性，一些冲模工程师，尤其是设计经验少的工程师，在冲 模设计的过程中时而会出现一些问题( 如静动干涉、尺寸偏差、强度不足、模 具表面的完整描述等) ，而三维设计软件的“所见即所得”的特点，却可以解决 这些问题。随着计算机的飞速发展，计算机的功能越来越强大，c a d 技术也得 到飞速发展，c a d 技术所依赖的几何模型也由二维向三维发展。 s o l i d w o r k s 是新一代的机械设计自动化( m e c h a n i c a ld e s i g na u t o m a t i o n ) 软件，是业界主流的设计软件，可以在w i n d o w s 环境下为机械设计进行高质量 的三维实体建模。s o l i d w o r k s 是基于特征的参数化实体建模的三维设计软件， 其功能强大，使用简单，为工程师提供了一个能够充分发挥他们的创造力、创 新能力和工程技能的设计平台，使他们从设计软件中解放出来，把主要精力放 在产品设计而不是软件上。s o l i d w o r k s 易用、软硬件要求低而运行速度快、具 有很好的建模能力和集成能力，在软件的易用性和建模能力这两个互相矛盾的 特性上做到了很好的平衡。 s o l i d w o r k s 2 0 0 3 是最新版本，在复杂形体、曲面和钣金方面作了重大改进， 具有很多创新特性，这使得s o l i d w o r k s 2 0 0 3 成为领先的、主流的三维设计解决 方案。s o l i d w o r k s 2 0 0 3 能够提供不同的设计方案、减少设计过程中的错误以及 提高产品质量，整个产品设计是百分之百可编辑的，零件设计、装配设计和工 程图之间是全相关的。s o l i d w o r k s 2 0 0 3 可以动态地查看装配体的所有运动，并 且可以对运动的零部件进行动态的干涉检查和间隙检测。s o l i d w o r k s 2 0 0 3 提供 了生成完整的、详细的工程图工具，工程图是全相关的，修改图纸时，提供了 顶尖的、全相关的钣金设计能力。s o l i d w o r k s 2 0 0 3 对操作界面作了重大改动， 提供了一整套完整的“全动感的”用户界面，使界面变得极为简洁有效。 s o l i d w o r k s2 0 0 3 通过o l e ( o b j e c t l i n k i n ga n de m b e d d i n g ) 技术为用户提供 了强大的二次开发接口a p i ( a p p l i c a t i o np r o g r a m m i n gi n t e r f a c e ) ，可以被v b 、 c c + + 等编程语言调用，从而可以很方便地对s 0 1 i d w o r k s2 0 0 3 进行二次开发。 s o l i d w o r k s a p i 是一个基于o l e a u t o m a t i o n 的编程接口，其中包含了数以百计 的功能函数，所有的这些函数都是有关对象的方法和属性。s o l i d w o r k s 提供了 大量的a p i 对象用于二次开发，如图3 1 所示，这些对象涵盖了全部的 s o l i d w o r k s 的数据模型，通过对这些对象属性的设置和方法的调用，就可以在 用户自己开发的系统中实现与s o l i d w o r k s 相同的功能【i “。 图3 - 1s o l i d w o r k sa p i 对象表 3 1 2v i s u a lb a s i c 语言 v i s u a ib a s i c 最早是由m i c r o s o f t 公司在1 9 9 1 年推出的，v i s u a l 意为“可视 化的”，指得是一种开发图形用户界面( g u i ) 的方法，所以v i s u a lb a s i c 是基 于b a s i c 的可视化的程序设计语言。在v i s u a lb a s i c 中，既继承了其先辈b a s i c 所具有的程序设计语言易用的特点，其编程系统又采用了面向对象、事件驱动 的编程机制，用种巧妙的方法把w i n d o w s 的编程复杂性封装起来，提供了一 种所见即所得的可视界面设计方法。 v b 主要功能特点： 1 、 具有面向对象的可视化设计工具 在v b 中，应用面向对象的程序设计方法( o o p ) ，把程序和数据封装起来 视为一个对象，每个对象都是可视的。程序员在设计时只需用现有工具根据界 面设计的要求，直接在屏幕上“画”出窗口、菜单、按钮、滚动条等不同类型 的对象，并为每个对象设置属性。程序员的编程工作仅编写针对对象要完成哪 些功能的程序，因而程序设计的效率可提高很多。 2 、 事件驱动的编程机制 事件驱动是非常适合图形用户界面的编程方式。传统的编程方式是一种面 向过程，按程序事先设计的流程运行。但在图形用户界面的应用程序中，用户 的动作即事件掌握着程序的运行流向，每个事件都能驱动一段程序的运行。程 序员只要编写响应用户动作的代码，各个动作之间不一定有联系。这样的应用 程序代码较短，使得程序既易于编写又易于维护。 3 、提供了易学易用的应用程序集成开发环境 在v b 集成开发环境中，用户可设计界面、编写代码、调试程序。直至把 应用程序编译成可执行文件，在w i n d o w s 中运行，使用户