模具CAD讲稿.doc

模具CAD1 概述1.1 CAD/CAE/CAM的概念随着计算机软、硬件技术的快速发展，给人类生产、生活及传统的产品设计和生产组织模式都带来了深刻的变革，随着计算机应用领域的日益扩大，涌现了许多以计算机技术为基础的新兴学科，模具CAD/CAE/CAM便是其中之一。模具CAD/CAE/CAM是一门基于计算机技术而发展起来的、与机械设计和制造技术相互渗透、相互结合、多学科综合性的技术，随着计算机技术的迅速发展、数控机床的广泛应用及相关软件的日益完善，CAD/CAE/CAM技术在电子、机械、航空、航天、轻工等领域得到了广泛的应用。CAD Computer Aided Design计算机辅助设计CAE Computer Aided Engineering 计算机辅助工程CAM Computer Aided Manufacturing 计算机辅助制造注塑模CAD的主要功能是辅助完成模具零件设计、模具结构设计。软件系统以几何造型为主，能进行图形绘制、储存大量模具标准图及标准组合资料，使计算机针对模具结构需要能自动选择标准件与标准图组合、根据塑件形状及一定的参数自动、半自动地生成型腔和部分模具结构。应用较多的软件如AutoCAD、Pro/Engineer、Solidworks、Unigraphics等。 注塑模CAE是利用高分子流变学、传热学、数值计算方法和计算机图形学等基本理论，在模具制造之前，对给定的模具结构、工艺参数进行注塑成型过程数值模拟，以预测制品的成型质量，检查模具结构、工艺参数是否合理，其主要特点是能在设计阶段实现对设计方案的模拟和修改，避免直接对模具实物进行修整。目前注塑模CAE技术的研究工作主要集中在充填、流动模拟、冷却分析、压实和翘曲变形等方面。应用较多的软件如C-Mold、Moldflow、ZMold等。 注塑模CAM是在模具加工制造时尽可能减少对操作工人技能的依赖性，用正确的程序实施长时间的自动化加工。其功能包括生产监测、物料管理和加工工艺的制定。注塑模CAM系统能在模具加工前对加工过程进行检查，观察加工工艺是否合理，以保证数控设备编程的正确性，在模具加工制造时，须与数控设备（数控机床、电火花、线切割等）、加工中心等配合使用。应用较多的软件如MasterCAM、Pro/Engineer、Simtron、Ug。 CAD/CAE/CAM技术从根本上改变了过去手工绘图，凭图组织整个生产的技术管理方式，转变为在图形工作站上交互设计，用数据文件发展产品定义，在统一的数字化产品模型下进行产品的设计打样、分析计算、工艺设计、工艺装备、数控加工、质量控制、编印产品维护手册、组织备件订货供应等。1.2 传统注塑模具设计与注塑模CAD/CAE/CAM比较1.2.1 传统注塑模具设计过程图1-1 塑料注塑模传统设计流程传统注塑模设计和制造一般分为以下几个阶段：(1) 产品设计和产品模型的重建用户提供给模具设计人员的一般有以下三种形式的资料：样件、图纸、既有样件又有图纸但需要修改样件模型。也就是说设计者必须得到详细的产品图才能进行模具设计。接下来设计人员需要重新构筑产品形状，计算加工材料的收缩率，产品图中的所有尺寸均需乘上材料收缩因子，对于复杂模具设计，这是项较繁锁的工作，当产品图纸已作修改并反映了收缩率后，即可正式开始模具设计。(2) 模具设计基本的设计流程如下： 确定注射机型号 确定型腔数量和型腔排列形式、确定分型面 确定侧向分型与抽芯机构 设计浇注系统、排气系统、冷却和顶出系统 设计导向机构 确定模架和选用其它标准件 选择模具钢型号 绘制模具装配图和主要零件图 设计图的核对和会签上述模具设计程序，其中有些内容可以合并考虑，有些内容需要反复考虑，因为有些因素常常互相矛盾，需要在设计时不断论证、相互协调才能得到较好的处理。(3) 制造、抛光、装配一般在模具零件图和总装图设计完成后，型腔、型芯和其它模具零件材料也已准备完毕，且样模等辅助工具也已制成。图纸、辅助工具和零件毛坯送到车间，经过切削、手工抛光和反复修配，然后组装为一个完整的模具。(4) 试模、修模模具装配完成后就放到注塑机上试模，如果试模成功，就对试件进行尺寸检查，看是否符合图纸要求，如果不符合，模具就需被送回模具车间返修，这个过程一直持续到打出合格时间为止。有时候制品达不到设计预期要求，就要修改设计方案，这其中牵扯到模具设计的改变，重新修模和试模，另外，反复修模会使模具因修正(如焊接)而出现内应力，从而使模具的整体性能恶化，最后还需要考核注塑产品是否符合产品的成本要求，如果答案是否定的，整副模具可能报废，必须重新开始一个新的设计过程。从上述人工设计方法的分解可以看出其许多不足之处，虽然这些问题不太可能同时出现在某一个产品的设计上，不过即便是最简单的塑件，出现两个甚至是更多的问题也是屡见不鲜的。1.2.2 注塑模CAD/CAE/CAM设计过程图1-2 注塑模具CAD/CAE/CAM流程图利用CAD/CAE/CAM技术辅助进行注塑模设计、制造，不仅能提高一次试模成功率，同时还能使模具的设计在质量、性能和成本上达到最佳。用CAD/CAE/CAM技术进行注塑模设计、制造一般可分为以下几个阶段：(1) 产品设计和模型建立计算机辅助设计、工程分析和制造所用的产品模型不同于人工设计，以计算机为基础的模型通常是一种完备的三维描述，而不是仅用几张图纸表示的二维描述。用三座标测量仪可以精确地采集塑件的三维坐标，对测得的数据进行处理，生成产品的曲面或实体模型。通过交互方式修改产品模型，并用软件模块显示产品的真实感图形，对产品不满意部分进行完善修改。接着利用软件的自动投影功能，可将产品的各个视图自动求得，存入相应的数据库。如果软件具有特征造型功能，可输入塑件的形状特征、精度特征和材料特征并存入系统的工程数据库中。(2) 模具结构设计和工程分析与传统模具设计一样，在模具设计时也许进行确定注射机型号等多项工作，不同之处是，传统设计完全由人的经验来确定诸如型腔数目、浇注系统和冷却系统中的一系列设计方案，采用CAD/CAE技术，则完全在计算机上完成各项校核和设计任务。首先分析估计塑件壁厚和流动长度是否可行，该塑件是否能在现有的注塑机上生产，以及生产成本如何，如果存在问题，可以及时修改方案。在传统设计中，浇口设计一般在模具设计、制造快完成时才考虑，这样往往会酿成大错，若将浇口设计与产品性能同样作为一个出示考虑因素就可避免这样的失误。利用模流分析软件的流动分析模块可以确定浇口的位置和大小且可使： 局部成型应力最小； 实现所要求的充填方式； 熔接痕处于对产品影响最小的区域； 气穴位置能分布在较合理的地方。浇口的位置和大小确定以后，就要确定型腔数目和注塑机的尺寸大小，我们可用经济性分析程序辅助决定，当然还要考虑诸如模具制造成本、塑件生产数量、型腔多造成废料多等各种因素的影响。型腔数目和浇口位置优化后就可用计算机软件辅助确定模具草图所要求的最小模架，输入要求的型腔镶块尺寸和推荐使用的浇道布置(平衡或非平衡)等资料，一般确定模架总体尺寸的依据是推件板必须完全罩住制品型腔区或者说把型腔最大投影区包含在推件板周界以内。选定模架尺寸后就可以从模架库中调用模架的产品模型，而不是去画模架。接下来将塑件产品模型和模具模型合并起来，塑件的几何形状一般先贮存在数据库中，可以从数据库中复制出这些几何形状并通过单个命令将其在一个选定的位置自动装入模具模型。假如材料的收缩率是均匀而稳定的，只要用一个简单的标度命令即可对模型进行修正(考虑收缩的影响)，即将模型的所有尺寸乘上一个收缩因子，然后再显示出经修正的图形。将塑件的几何形状并入模架中，并根据预期的收缩加以修正以后就可确定型腔块，这些型腔块必须包含有辅助性的分割面，以满足滑动、顶出或其它机械动作，在加大分割面时要充分注意到叠层的作用，接下来提取描述这些模具零件的实体就很容易，从而可简化生成这些零件图的步骤。在这种情况下，设计人员可以集中精力去确定浇注系统设计。流动分析程序在这里可用于设计人工平衡浇道系统，这样设计出的浇道系统将使塑件有最宽的“加工范围”。浇道设计完要进行冷却系统设计，此时会出现与顶出机构争夺位置的问题，过去缺乏计算机技术，很少去研究水道形状、水温和水道位置之间的关系，更谈不上优化。原来设计时往往对顶出要求了解的较多，所以先满足顶出设计要求，然后在位置允许的条件下再加入水道，结果是塑件的顶出没有问题了，但造成冷却时间过长、生产效率低，增大了塑件的生产成本。利用冷却分析程序，提供一个冷却系统的设计方案。设计者首先得到水道的尺寸及其距离模具表面深度的设计推荐值，然后就可在模具空间范围内对推荐值进行斟酌，再确定一个方案。接着将此方案输入计算机进行分析，这样在试模前就能了解方案的性能特点和经济性，根据水道几何形状和位置的描述，计算机可将这些水道组成一个回路，使冷却液压力降与温升的配合最佳。然后计算机推荐适当的水温、流速及冷却时间，将冷却时间与理论最小冷却时间评估，可以判断为了提高生产率是否还需要改变冷却系统设计。冷却系统设计完毕后，就可以在模具设计方案中添入其它零件如顶杆、导柱、分型面锁紧装置等，通过模具零件库既可按特殊尺寸生成零件，又可以从数据库中复制零件，由于标准的结构可以与标准的设计相结合，从而促进了模具设计质量的提高和成本的下降。基本设计方案完成之后，可检查任何活动零件的性能，包括滑动机构、顶出机构、回程驱动机构等。有些软件还能进行真实的动态分析，这些软件能帮助设计者检查设计的的机械动作是否达到要求的轨迹，是否与其它零件干扰。(3) 数控加工编成和加工仿真模具设计分析完成后，根据工艺规程要求，对模具零件例如型腔、型芯、电极等分别进行数控线切割加工编程、数控电火花加工编程、数控铣加工编程等，主要是对设计阶段生成的型腔、型芯和电极的三维形状离散化，生成刀位数据文件，并根据其特征信息和机床信息自动生成加工指令代码。自动编程的关监视系统要有描述性强、型芯、电极详细的特征造型信息。利用计算机强大的图形功能，可将被加工零件的加工过程(切削、切割、电火花加工等)在计算机屏幕上动态模拟，检查加工效果（切削量、干涉、切削速度等），从而克服加工盲目性，避免加工零件报废，并缩短加工时间。1.3 注塑模CAD/CAE/CAM的优点(1) 能提高模具质量利用在计算机系统内存储的各相关专业的综合性技术知识，可以为模具设计和工艺制定提供科学的依据；计算机与设计人员的交互作用，有利于发挥人机各自的特长，使模具设计和制造工艺更加合理化，有助于某些工艺参数和模具结构的优化。(2) 节省时间、提高效率 设计计算和图样绘制的自动化大大缩短了设计时间，CAD/CAE/CAM的一体化可显著缩短从设计到制造的周期。由于模具质量的提高，可靠性增加，装配时间明显减少，模具的交货时间大大缩短。(3) 大幅度降低成本计算机的高速运算和自动化绘图大大节省了劳动力，优化后的设计方案带来了原材料的节省，CAE的运用在很大程度上避免了反复试模、修模所产生的费用，采用CAM可加工传统方法难以加工的复杂模具型面，减少模具的加工和调试工时，节约制造成本，同时生产准备时间缩短，产品更新换代加快，大大增强了产品的市场竞争能力。(4) CAD/CAE/CAM将技术人员从繁冗的计算、绘图和NC编程工作中解放出来，可以从事更多创造性的劳动。(5) 利于技术资料的储备，价值提高。当然模具CAD/CAE/CAM的优越性还可以列举不少，所有这些将使CAD/CAE/CAM技术逐步取代传统的模具设计制造方法，最终将在模具设计制造中全面推广并占绝对优势。1.4 注塑模CAD、CAE、CAM各自的主要内容应用CAD技术可进行塑件的造型设计，标准模架的选择，型腔几何形状、顶出系统的设计；应用CAE技术进行塑件结构设计中的应力分析，模具结构设计中浇注系统、冷却系统设计；注塑成型中以减少塑件缺陷、改善塑件质量与性能为目的的工艺条件确定、工艺参数优化等内容；应用CAM技术实现模具制造中的型腔曲面加工、抛光及装配等内容。1.4.1 注塑模具CAD(1) 常用的CAD软件系统的主要功能模块 二维图形设计和绘制模块用户可以在友好的人机交互图形界面下完成单个零件或部件转配图的绘制、文档编制，也可以根据三维造型的产品CAD模型，自动生成二维零部件图形和输出二维图形。 三维几何造型模块基本的三维几何造型模块包括线框模型、曲面模型和实体模型，20世纪80年代后期发展了参数化造型、特征造型和混合造型等先进建模技术以及各种模型间相互转换技术，还能计算出几何体的物性如重心、惯性矩、表面积和体积等。 真实感显示模块能实现三维消隐处理、真实感色彩渲染、光源效应和光线跟踪等技术，使三维图形更具真实感效果。 装配模块装配模块可完成从零件到部件或产品总成的三维装配，即由下到上的装配设计，也可以根据产品结构、规划总装、部件到零件设计的自上到下的装配设计。通过装配设计，生成产品的装配树，建立产品结构的完整信息模型和产品明细表(BOM)，同时还可以通过装配进行干涉检查。图1-3 模具CAD的工作过程(2) 模具CAD的几种工作层次 采用通用的CAD软件进行产品设计，绘制二维产品图和简单的模具零件图及总状图，替代传统的手工设计，实现了甩图板的目标。 在通用的CAD软件基础上，采用二次开发工具，建立常用的标准模架库，模具标准零件库、模具结构图库及常用模具设计参数计算子程序库等，如可利用AutoCAD的二次开发工具Visual LISP、VBA、ObjectARX进行上述二次开发工作。设计人员在设计模具时，直接从数据库中查阅各类手册，减少重复劳动，提高绘图效率，此方法是目前国内模具行业普遍采用的方法。 基于三维模型的塑料模具设计，随着计算机软硬件的飞速发展，基于三维模型的塑料模设计、制造将会成为可能。 基于特征造型的塑料模具设计，要使模具设计软件真正帮助设计人员从繁重的脑力劳动中解放出来和实现CAD/CAE/CAM系统真正的集成和一体化，基于特征造型的塑料模具设计将是行之有效的办法。(3) 产品模型设计与制造的一般过程 从实物模型到CAD模型产品模型是模具CAD的基础，有时用户会给出用粘土或泡沫塑料造型的实物模型，如何从实物模型获得CAD模型呢？传统的做法是由人工测出实物上的特征点坐标，画在坐标纸上或用计算机拟合特征点成光顺曲线和曲面，这种方法的缺点是费工费时，对操作者技术要求高，测量点数有限且人工测绘误差较大，难以保证精度。在硬件方面，陆续出现了种类繁多的自动大面积的数字化点测仪、三坐标测量仪等，解决了逆向工程中的实物采点问题；软件方面一般的CAD/CAM软件都具备了将坐标点拟合成曲线和曲面的功能，使得CAD模型塑造效率和质量有了较大幅度的提高。 从CAD模型到实物模型在新产品的开发过程中，原型非常重要，通过原型(模型)，设计者可以很快地评估一次设计的可行性，并充分表达其构想。激光成型(激光立体制模)可以很方便地生产和更改原型，使设计评估及更改在较短时间内完成。从而很方便地进行产品外型设计、检查设计质量和功能、评测产品的手感和装配及精度保证。1.4.2 注塑模具CAE模流分析软件采用的基本思想也是工程领域最常用的有限元法，即利用假想的线(或面)将连续介质内部和边界分割成有限大小、有限数目、离散的单元来研究，从而得到真实结构的近似模型。有限元法的基本过程是先将连续系统(包括杆系、连续体和连续介质)假想地分割成数目有限的单元，单元之间旨在数目有限的节点处相互连接，构成一个单元几何体代替原理的连续系统，在节点上引进等效载荷或边界条件，代替世纪作用于系统上的载荷及边界条件；接下来用分块近似的思想，对每个单元按一定的规则(由力学关系或选择一个简单的函数)来建立求解未知量与节点相互作用之间的关系(力-位移、热量-温度、电压-电流等)；最后把所有单元的这种特性关系按一定的条件(变形协调条件、连续条件或变分原理及能量原理)集合起来，引入边界条件，构成一组以节点变量(位移、速度、温度等)为未知量的代数方程组，求解后就得到有限个节点处的待求变量。所以有限元法实质上是把具有无限个自由度的连续系统理想化为只有有限个自由度的单元集合体，使问题转化为适合于数值求解的结构型问题。常用CAE软件主要由以下模块组成：(1) 数据库在数据库中存贮有注塑材料的流变数据、物理数据、注塑机参数、模具材料参数、冷却介质参数、工艺条件参数以及计算控制参数等。同时数据库还具有扩充、修改功能，即用户可以自行加入数据库中尚未存储的各类参数。(2) 几何造型和网格划分模块几何造型软件用于定义型腔、浇注系统和冷却系统的形状，利用网格划分模块进行自动剖分，生成用于分析计算的数据文件。用于CAE分析的造型不同于模具设计加工中的造型，对模型可以适当进行简化，原因如下： 在模具中的熔体流动行为属于整体性行为，局部的几何形状如圆角、方角等并不会影响整个流动波前形式及压力分布，但模型的简化却可以大量节省网格数量和计算量。 数值上的解法是使用一种网格(控制体积)作单位，以阐释移动熔体的流动前沿，因而熔体前沿和结合线预测的误差，与一个元素的长度相当，所以在几何图形中，任何一个小于单元长度的形状图都不需要建立。 由于受限于电脑存储容量和为了避免过长的CPU时间，须避免使用规模大的模型(以免元素太多)，流动模拟所耗用的CPU时间，原则上是和节点数的平方成正比。(3) 初始设计模块可供用户选择注塑材料、冷却介质、模具材料和注塑机，生成材料性能、工艺条件、计算控制参数供分析计算模块调用。(4) 分析计算模块包括流动分析、保压分析、冷却分析和翘曲分析模块等，使注塑模CAE软件的核心。(5) 后处理和结果显示该模块可使CAE分析结果可视化，对分析结果进行显示(通过动画、云图、等值线等形式表达计算结果)、给出分析报告，帮助设计人员根据计算的结果(图表和数据)对前期的设计进行优化及修正。1.4.3 注塑模具CAM(1) 数控加工的前处理模块完成从产品的几何模型到产品工艺模型的转换，如浇铸模的加工余量、脱模斜度、注塑模凹凸模形状的确定、电极数和形状的确定等。(2) 数控加工编程模块通常包括车削、钻削、铣削、电火花和等离子加工等方法的数控编程。该模块主要完成各种加工方法的刀具轨迹(CL)生成，刀具确定和工艺参数设定，切削时间计算等。(3) 数控加工后处理模块根据CL文件生成用户所指定的数控机床的数控程序。(4) 切削加工的检验模块利用仿真技术测试数控刀具轨迹、检测欠切和过切现象以及刀具与加工零件表面干涉现象等。(5) DNC模块DNC模块的基本功能是上述CAM模块和车间NC设备的通信模块，其扩充功能可实现NC程序的管理、编辑和NC加工的作业协调与监控，在自动化生产中的作用越来越显著。1.5 注塑模计算机辅助设计实例分析该案例所设计的产品为电动机护罩，成型时型腔较深，制品顶部带凸台处局部最大壁厚为5 mm，最小处为1 mm，高度147 mm，投影面积142.95 cm2，体积123 cm3，单个制品重量124 g。制件上部近似为方形，上面有若干长方形散热孔，下部为近圆柱状。制件内表面比较圆滑，整体结构无尖角，内侧面无柱体，外侧面无孔，该产品三维图如图1-4（采用Pro/E软件造型）和三视图如图1-5（采用AutoCAD软件绘制）如下所示。产品对绝缘性能要求较高，成型加工时所选材料为ABS，该材料广泛应用于汽车、飞机零件、机电外壳、空调机、电冰箱内衬、打字机、电视机壳、安全帽等产品的生产上。(1) 产品造型(三维/二维) 图1-4 产品三维图图1-5 产品二维图(2) 最佳进浇区域的选择和浇注系统确定首先将Pro/E软件造型好的三维模型另存为.stl格式，导入Moldflow中并处理为表面模型(Fusion)，修改网格模型直至满足分析要求，修改后的网格匹配率达到91.3%。 图1-6 最佳进浇区域分析 图1-7 四种浇注系统设计方案主要成型工艺参数如下：材料： ABS (LustranHH1891, Bayer USA) 熔体温度：240模具材料：Tool steel P-20 模温：55填充控制、速度/压力转换设为自动，其它参数选择默认值。选取分析类型为Gate Location（浇口位置），分析结果如图1-6所示，图1-6中制件顶部和两侧对称部位椭圆形标识处为最佳进浇区域，在此设置浇口可满足熔体的平衡充填。采用填充(Fill)分析模块对不同进浇口位置的设计分别进行计算，查看制件的充填行为是否合理，获得合理的浇注系统设计，图1-7(a)(d)为在不同位置进浇情况，图中浇注系统径向尺寸均相同，即主流道小端直径4mm，大端6mm；分流道直径5mm，浇口小端直径1.5mm，大端3.5mm，其中方案4为制品两侧面对称进浇。表1 四种浇口位置设计方案分析结果主要分析结果方案1方案2方案3方案4注射时间 (s)3.122.372.302.45总重量，制品+浇注系统（g）255.81251.89253.28258.71最大注射压力 (MPa)115.59115.44108.30111.28最大锁模力 (tonne)270.31316.52274.86289.18从上述分析结果可以看出，最大注射压力、注射时间为方案3最优，方案2虽然浇道凝料最少，但由于注塑时进浇点远远偏离型芯中心，使得锁模力大大提高，依据浇口最佳位置分布区域图和上述四种方案分析后综合比较，设计时采用方案3。下图1-8(a)(b)为方案3的部分分析结果，从图1-8(a)可见最后充填部位分别在制品左、右侧末端分型面处，利于型腔气体的排出；图1-8(b)为注塑过程由速度控制向压力控制转换时模腔内熔体的压力，即在型腔即将被充满的时候，注塑机进行V/P转换，剩余的填料在V/P转换点的填充压力或者是保压压力作用下充入型腔，此时的最高压力在主流道入口处。(a) 方案3的注射时间 (b) 方案3在V/P转换时的压力图1-8 浇口位置方案3的部分分析结果(3) 冷却系统设计冷却管道直径设计为12mm，为加强冷却效果，进水口均设在距离浇口较近一侧，每个制品两侧均设有四根冷却水道，每根水道间距35mm且距离型腔15mm，制品型芯内部设置U型水道加强冷却，距侧边和底边均15mm，冷却水道布局如下图1-9所示。制品顶出温度选择推荐值98，其它工艺参数不变，选择分析模块为冷却(Cool)进行分析计算。图1-9 冷却水道布局示意图 冷却分析也设计了几种水道布置，上图是优选后的布局形式。冷却分析结果显示，冷却水进出口温差范围为25.0125.47，回路中的冷却介质升温要求小于23，本案例分析结果小于该值，显然满足要求。其它主要分析结果见下图1-10(a)(c)，从中可以看出，制品完全冷却需要51.41s，冷却后制品表面温度为31.6954.98，制品平均温度93.07，符合制品顺利顶出的条件，该结果也是几种水道布局中的优选方案。 (a) 制品上表面温度 (b) 制品平均温度(c) 制品冻结时间图1-10 冷却水道布局部分分析结果(4) 成型零件设计考虑到模具的装配精度及顺利开、合模，本设计采用异型分型面，故型腔、型芯配合面是由不同的平面组合而成。成型时型腔较深，排气会比较困难，将型腔设计成三块型腔板的组合，气体可从其贴合面处排出，见下图1-11(a)(d)。(a)(b) (c)(d)图1-11 型腔块本设计的型芯采用组合式，即由主型芯和型芯杆组合而成见下图1-12，主型芯与动模板的连接方式为轴肩与底板连接。 (a) 主型芯三维图 (b) 型芯杆三维图 (c) 主型芯二维示意图图1-12 组合型芯(5) 模具装配图和工作原理综合上述Moldflow模流分析结果，结合现有生产设备，从经济和可模塑等因素综合考虑，本设计采用了一模两腔形式布置，下图1-13为三维装配图，图1-14位二维模具装配开合模示意图。图1-13 模具三维装配图 图1-14 开合模装配示意图1.定位圈 2.浇口套 3.定模底板 4.型腔板 5.滑块 6.型芯 7.型芯板 8.型芯固定板 9.顶杆 10.挡鞘11.动模底板 12.推板固定板 13.推板 14.复位杆 15.导柱 16.导套 17.限位杆 18.弹簧 19.脱料板 20.拉料杆 21.限位杆 22.斜导柱 23.冷却水道 24.垫块模具工作原理：模具闭合充填，经过保压冷却后，进入开模阶段，在弹簧18的作用下，模具首先从分型面I处打开，定模板3与型腔板4分离，流道凝料在拉料杆20的作用下，随动模部分运动。模具运动一定距离后，脱料板19因限位杆21的作用，停止运动，而附在脱料板上凝料也停止运动，凝料在重力的作用下自动脱落。模具继续向动模方向运动，又经过一定距离后，由于限位杆17的作用，分型面II处打开，型腔板4与滑块5分离，滑块5在斜导柱22的导向定位作用下开始与开模方向成一定角度运动。此时制品包附在型芯上，离开型腔，向动模方向移动，最后由顶杆顶出，实现制品自动脱出。 小结：上述模具设计过程中综合运用了AutoCAD、Moldflow、Pro/Engineer，实现了产品造型、模流分析、装配图和关键零件图的三维、二维图形绘制等工作。本课程主要任务及时间安排：(1) 了解CAD/CAE/CAM技术在模具设计中的作用； 2(2) 了解CAD/CAE/CAM计算机辅助技术的基本工作原理和过程； 2(3) 掌握图形学的基本知识和几何造型的几种常用表达形式； 6(4) 熟练应用AutoCAD进行二维图形的绘制； 12(5) 初步学习用Pro/Engineer进行产品三维造型。 6(6) 复习、笔试 4上机安排：(1) 熟悉AutoCAD界面 2(2) 常用绘图命令 2(3) 常用编辑命令 2(4) 基本图形绘制 4(5) 标注及图案填充等 6(6) 装配图绘制 8(7) ProE三维造型 4(8) 上机测试 42 计算机图形处理技术基础在模具设计与制造过程中，大量涉及图形的生成和绘制工作，对注塑模而言，塑件的立体造型、零件和产品结构图、模具总装图等都与图形处理技术有关。在用计算机进行模具设计和编程时，设计者必须能使用图形软件系统，图形变换是图形软件的基本功能，也是进行计算机辅助模具设计所应掌握的基础知识，本章重点介绍计算机图形学的基本概念、图形变换的基本原理和曲线、曲面的造型原理等知识。2.1 图形学基本知识(1) 图形学研究的主要内容计算机图形学(Computer Graphics)是研究通过计算机将数据转换为图形，并在专门的显示设备上显示的原理、方法和技术的学科。计算机图形学是建立在传统的图学理论、应用数学及计算机科学基础上的一门边缘学科。其主要内容有图形对象的表示、生成、处理、视觉真实性实现的基本原理和基本技术，它包括的方面非常广泛，如图形硬件、图形标准、图形交互技术、光栅图形生成算法、曲线面造型、实体造型、真实感图形计算与显示算法、科学计算可视化、计算机动画、自然景物仿真、虚拟现实等。大致可分为以下几类： 图形的生成和表示技术包括与图形有关的各种算法如图形基元中的线段、表面、圆弧、多边形等的生成；区域填充模式和算法；规则和不规则曲线、曲面的生成算法；基本几何体的表示、截交、拟合、展开的算法；物体的投影、隐藏线(面)的消除、浓淡处理；图形显示的灰度与色彩等的表示与处理技术。 图形操作与处理方法包括图形的几何变换如平移、放大、缩小、旋转等操作；图形的创建、删除、移动、复制等操纵技术；图形的开窗口、剪裁、取景、分割、压缩等操作方法；图形的拓扑布局及各种方法的软、硬件实现技术。 图形输出设备与输出技术包括对各种图形显示器体系结构的研究；对图形硬拷贝技术的研究；对图形或图像终端、智能和中文图形终端的研究；对等离子板显示、液晶、发光二极管、激光以及三维立体显示等图形显示技术的应用和研究；对图形打印机、激光打印机、绘图仪等输出设备的研究。 图形输入设备与输入技术重点是对硬件输入设备、交互技术以及用户接口技术的研究，包括各种可能的输入方式及输入设备、图形定位设备、选择设备、各类图形构成技术、命令技术、选择方式、以及对输入功能、请求模式、用户模型、命令语言、反馈方法等用户接口技术的研究。 图形系统与支持部件包括软、硬件两方面的研究，研究快速处理图形的硬件及其支持辅助部件，如图形显示控制器(GDC)、位片器(Bitslicer)、矩阵运算器、数字信号处理器(DSP)、动画处理器、视频处理器，以及能进行矢量处理、实时处理的硬件处理器和处理部件，对图形系统则研究诸如图形加速板、图形缓冲板、浮点加速板、高分辨率图形转换板等图形支持部件从而使图形系统更加完善，功能更加强大。 图形信息的描述和表达 重点研究图形信息的数据结构、存储方法、检索技术，包括图形信息的几种机内表示方法，图形信息的编码、压缩、传输、交换及组织形式，存取技术等。 几何模型的构造技术重点是研究各种不同类型几何模型的构造方法和性能分析，同时根据应用要求研究专用或通用的模型构造系统。 动画技术这是一个十分引人入胜的领域，包括对实现高速动画的各种软硬件方法处理技术、动画图形的开发工具、动画语言及动态图形仿真技术的研究。 图形实时性和真实感表达包括计算机图形的实时生成、变换、分析、综合和显示。图形的真实感即所生成图形真实反映客观世界的程度，真实感愈强，人们由计算机图形获得的信息愈丰富和完整，这样对自然景色的模拟也就成为计算机图形学研究的热门课题。 图形标准与图形软件包为满足图形应用软件开发的需要，使图形应用软件摆脱对硬设备的依赖，允许图形应用软件在不同系统之间方便地移植，需要研究和制定一种或几种国际图形标准，来解决图形程序或CAD程序的可移植性和数据的共享等问题。总之，计算机图形学的研究内容十分丰富，而且随着计算机技术的发展和图形显示技术应用领域的不断扩大和深入，各相关学科交叉促进，将不断给计算机图形学提出新的课题，推动图形学的进一步发展。下图2-1是计算机图形学及其相关学科的研究对象。图2-1 计算机图形学及相关学科 由图2-1可见，计算机图形学研究的是模型及数据的建立和由模型生成图像的过程及方法。与计算机图形学相关的学科有图像处理、计算几何、模式识别及计算机视觉等。2.2 基本概念(1) 坐标系在实现图形功能中，为描述物体的几何尺寸和图形大小及位置，往往要引用坐标系，图形系统中使用的坐标系是人们所熟悉的直角坐标系，也称笛卡尔坐标系。 世界坐标系为了在空间确定一个点的位置，首先必须在空间定义好一个参考坐标系，这样，该空间点的确切位置就可以用处于该空间参考坐标系中相应的三维坐标值来表示，一般情况下，该空间参考坐标系即是我们熟悉的符合右手规则的笛卡尔坐标系。可以用这个坐标系来定义三维空间，定义三维立体在空间的位置和大小等，在图形学中，该坐标系被称为世界坐标系WC(World Coordinate System) 或“用户坐标系”，下图2-2(a)是定义二维图形的坐标系，图2-2(b)是定义三维图形的坐标系。(a) 二维坐标系 (b) 三维坐标系图2-2 世界坐标系世界坐标系用来定义用户在二维或三维世界中的物体，理论上该坐标系是无限大且连续的，即其定义域为实数域。 设备坐标系与设备(如显示器、绘图仪)相关联的，用以定义图形几何尺寸及位置的坐标系，称为设备坐标系DC(Device Coordinate System)或物理坐标系。设备坐标系是一个二维平面坐标系，它的度量单位是步长(绘图机)或像素(显示器)，因此其定义域是整数域且有界。例如对于分辨率为1024x1280的显示器而言，其分辨率就是设备坐标的界限范围，屏幕上坐标值最大的一点就是在屏幕右上角，坐标度量值为(1023,1279)。即以水平向右方向为x轴方向，以垂直向下或向上方向为y轴方向。(2) 窗口通常表示在用户坐标系中定义的确定显示内容的一个矩形区域，只有在这个区域内的图形才能在设备坐标系下输出，而窗口外的部分则被裁掉，相当于透过窗口观察这部分图形，称为“窗口”(Window)。图2-3 AutoCAD软件中的两个平铺窗口窗口是用户图形的一部分，窗口可以嵌套，即在第一层窗口中可以再定义第二层窗口，在第i层窗口中定义第i+1层窗口等，嵌套的层次由图形设计软件所决定，而每层窗口的坐标或取用户坐标系中的绝对坐标值，或取相对于前一层窗口原点的相对坐标值，一般由程序决定。在多层窗口的情况下，窗口内的坐标点映射到设备坐标系中去的关系式并不变化，只是应用程序尚需要当心每层窗口的原点在何处，窗口的适当选用可以使我们比较方便地观察用户的整图和局部图形，较准确地对图形进行修改或评价输出图形的质量。总之，应用窗口技术的最大特点是能明显地反映用户感兴趣部分的图形。(3) 视图区屏幕域是设备输出图形的最大区域，是有限的整数域，任何小于或等于屏幕域的区域都被称为视图区，视图区可以由用户在屏幕中用设备坐标系来定义，在用户坐标系下定义的视图区往往也由程序转换成设备坐标系下的坐标值。视图区一般定义成矩形，由左下角点坐标和右上角点坐标来定义，或用左下角点坐标及视图区的x、y方向边框长度定义，视图区可以嵌套。在交互式图形设计中，我们常把一个屏幕分为几个视图区，如图2-4所示，视图区1是用户图形区，视图2是命令区，视图3是菜单区，各自实现不同的功能。图2-3 视图区示意图2.3 图形变换技术图形变换是CAD的基础内容之一，一般是指对图形的几何信息经过几何变换后产生新的图形。图形变换既可以看作是坐标系不动而图形变动，变动后的图形在坐标系中的坐标值发生变化；也可以看作图形不动而坐标系变动，变动后，该图形在新的坐标系中有新的坐标值，两种情况的本质是一样的。通过图形变换，可以由简单图形生成复杂图形，可用二维图形来表示三维图形，甚至可对静态图形通过快速变换而获得动态图形的效果。2.3.1 二维图形变换(1) 矩阵及其运算矩阵是线性代数最重要的概念之一，也是一种非常重要的数学工具。设由mn个数aij(i=1,2,m; j=1,2n)排成一个m行n列的数表如下，称为m行n列矩阵，其中的mn个数称为矩阵的元素，其中的aij(i=1,2,m; j=1,2n)称为矩阵的第i行第j列元素。 矩阵的加法运算 设有两个mn矩阵A和B，规定为A与B的和，只有两个同型的矩阵(行数和列数都相同)才可以进行加法运算。矩阵的加法满足以下运算规律(设A，B，C均为mn矩阵)A+B=B+A(交换律)；(A+B)+C=A+(B+C) (结合律)；A+0=0+A=A；A+(-A)=0 数乘矩阵设 k是一个数，A是一个mn矩阵则规定 矩阵的乘法运算设A=(aij)是ms矩阵，B=(bij)是sn矩阵，即，用矩阵A的第i行元素与矩阵B的第j列对应元素的乘积之和作为第i行第j列元素构成的矩阵 称为矩阵A与矩阵B的乘积，记作C=AB。由定义知，A与B之积C的第i行第j列元素等于被称矩阵A的第i行元素与矩阵B的第j列对应元素乘积之和。同时注意只有当A的列数与B的行数相等时二者才能相乘，而且C的行数等于A的行数，列数等于B的列数，A、B、C三者的行列关系如下图所示：图2-4 矩阵乘法运算例如设 则 零矩阵所有元素都为零的矩阵称为零矩阵，记作0，即 单位矩阵当对角矩阵的主对角元素均为1时，称其为单位矩阵 逆矩阵对于n阶方阵A，若存在n阶方阵B，使得AB=BA=E，则称B为A的逆矩阵记作A-1即有AA-1=A-1A=E若矩阵A的行列式称A为非奇异矩阵或非退化矩阵，则此时A有逆阵，称为A的伴随矩阵(可通过代数余子式求得，详见线性代数课程)；或者用以下初等变换求A-1 转置矩阵设mn矩阵，把A的行变成同号数的列而不改变其顺序，可以得到nm矩阵称为A的转置矩阵，记作A或AT 例如转置矩阵的几点基本性质：(AT)T=A;(A+B)T=AT+BT;(aA)T=aAT;(AB)T=BTAT;当A是一个n阶矩阵并且有A=AT时，则说A是一个对称矩阵。 矩阵的秩 矩阵A中不为零的子式的最高阶数称为矩阵A的秩，记为r(A)。如求矩阵的秩，由于，而二阶子式，故A的秩是2。 矩阵的初等变换规定对矩阵施行下列三种变换成为矩阵的初等变换： 以一个不为零的数k乘矩阵的任一行(列)； 互换矩阵的任意两行(列)； 将矩阵的任一行(列)的各元素乘以一个不为零的数k后，加到另一行(列)的对应元素上去。对矩阵的行(列)施行的初等变换又叫行(列)变换，矩阵A经初等变换后变为矩阵B，记作AB。(2) 齐次坐标所谓齐次坐标表示法就是由n+1维向量表是一个n维向量，n维空间中点的位置向量用非齐次坐标表示时，具有n个坐标分量(P1,P2,Pn)且是唯一的。若用齐次坐标表示，此向量有n+1个坐标分量(hP1,hP2,hPn, h)且不唯一。普通的或“物理的”坐标与齐次坐标的关系是一对多，若二维点(x, y)的齐次坐标表示为(hx, hy, h)，则(h1x, h1y, h1)，(h2x, h2y, h2)(hnx, hny, hn)都表示二维空间中同一个点(x, y)的齐次坐标。如(12, 8, 4)、(6, 4, 2)、(3, 2, 1)均表示(3, 2)这一点的齐次坐标，类似的，对于三维空间中坐标点的齐次表示为(hx, hy, hz, h)。用齐次坐标表示的优越性体现在以下两方面： 提供了用矩阵运算把二维、三维甚至更高维空间中的一个点集从一个坐标系变换到另一个坐标系的有效方法，例如：二维齐次坐标变换矩阵的形式是：三维齐次坐标变换矩阵的形式是： 可以表示无穷远点。例如n+1维中，h=0的齐次坐标实际上表示了一个n维的无穷远点，对二维的齐次坐标(a, b, h),当h0时，表示了ax+by=0的直线，即在y= -(a/b)x上的连续点(x,y)逐渐趋近于无穷远，但其斜率不变，在三维情况下，利用齐次坐标表示视点在原点时的投影变换，其几何意义会更加清晰。(3) 几何变换与表达式对平面内点向量x y和xy引入第三分量，使它们成为x y 1和x y 1，其中位置向量的第三个元素可以看作附加坐标，即三维空间中z=1平面的一个点，一般有序三元组x y h与二维笛卡尔坐标系的关系为x y hx/h y/h h/h=x y 1基本的变换表示公式为 矩阵表示成为或 T称作“变换矩阵”，这个方法是构成计算机图形学的数学基础若平面上有n个点，则变换公式可以表示为： 将上述二维几何变换矩阵用下式表示：，从变换功能上把T2D分为四个子矩阵，其中是对图形进行缩放、旋转、对称和错切等变换；是对图形进行平移变换；是对图形做投影变换，P的作用是在x轴的1/p处产生一个灭点，q的作用是在y轴的1/q处产生一个灭点，s是对整体图形作伸缩变换，T2D为单位矩阵即定义二维空间中的直角坐标系，此时T2D可看作是三个行向量，其中1 0 0表示x轴上的无穷远点，0 1 0表示y轴上的无穷远点，0 0 1表示坐标原点。 (4) 几种基本变换的变换矩阵 平移变换x-y平面上任一点(x,y)在其x,y坐标方向上增加平移量，可变换至新的位置，见图2-5，其变换公式为 写成齐次坐标式为 写成矩阵形式为 (2-1)图2-5 点的平移变换 绕原点O的旋转变换图形绕坐标原点旋转某一角度生成变换后的图形，这种变换称为旋转变换，一般规定逆时针旋转为正。如下图2-6中点A(x,y)绕O点逆时针转角至点则 写成齐次矩阵形式为 (2-2)图2-6点的旋转变换例2: 图2-7为三角形绕坐标原点O顺时针旋转45的变换情况，写出其齐次矩阵形式。(a) 旋转前 (b)旋转后图2-7 三角形旋转变换解：将= -45带入式2-2得 将A，B，C三点坐标分别代进上式计算得