模具CADCAM基础

1、第二章第二章 CAD/CAM基本知识基本知识 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 CADCAD 人和计算机相结合人和计算机相结合, ,各尽所长的新各尽所长的新 型设计方法型设计方法. . CAD是指以计算机为辅助工具，通过计算机是指以计算机为辅助工具，通过计算机 和和CAD软件对设计产品进行分析、计算、仿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，各尽忆、数值计算、信息

2、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，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。期、降低产品生产成本的目的。 第一节 模具CAD基础 技术构成： 图形处理模块图形处理模块 几何造型模块几何造型模块 技术构成： 装配模块装配模块 计算机辅助工程模块计算机辅助工程模块 技术构成： 机构动态仿真模块机构动态仿真模块 数据库模块数据库模块 几何建模：以计算机表示、控制、分析和输几何建模：以计算机表示、控制、分析和输 出几何实体的一种技术。出几何实体的一种技术。 几何建

3、模系统：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。 实质实质 （一）几何建模系统的功能（一）几何建模系统的功能 v生成工程上应用的零件图及装配图 v 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 v 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 v能提供标准图形转换接口 v有良好的人机界面，给设计

4、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 v 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 实体的描实体的描 述和表达述和表达 几何信息几何信息 拓扑信息拓扑信息 1线框建模线框建模 2表面建模表面建模 3实体建模实体建模 建模方法建模方法 物体在空间的形状、尺寸、位置的物体在空间的形状、尺寸、位置的 描述描述 构成物体的各个分量的数目及相互构成物体的各个分量的数目及相互 之间的连接关系之间的连接关系 （二）几何建模的方法（二）几何建模的方法 4 特征建模特征建模 特征信息特征信息 物体精度、材料与加工有关的信息物体精度、材料与加

5、工有关的信息 几何建模的方法几何建模的方法 物体线框图 数据结构 数据结构 v数据运算简单，操作方便 v能产生任意视图 v易产生多义性，难以准确确定实体真实形 状 v无面的信息，描述不完整，面内与面外不 能区分 是通过对实体的各个表面或曲面进行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描述而构造实体模型的一种建模方法 直纹面直纹面 平面平面 基本面素 （曲面图素） 柱状面柱状面 回转面回转面 基本面素 （曲面图素） B样条曲面样条曲面 BezierBezier曲面曲面 基本面素 （曲面图素） 圆角面圆角面 CoonsCoons曲面曲面 基本面素 （曲面图素） 等距面等距

6、面 基本面素 （曲面图素） BezierBezier曲面曲面 B B样条曲面样条曲面 NURBSNURBS曲面曲面 数据结构 v 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 v 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 v 无法表示零件的立体特性，体内、外不 能识别 v对操作人员要求高 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 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 实实 体体 生生 成成 的的 方方 法法 CSG法法 通过基本体素的集合运算构造几何 实体的建模方法

7、 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 体体 素素 法法 内内 容容 基本体素的定义和描述基本体素的定义和描述 体素之间的集合运算体素之间的集合运算 交交 IntersectIntersect 并并 UniteUnite 差差 SubtractSubtract 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 顶点顶点 棱边棱边 表面表面 扫描法扫描法 平面轮廓扫描平面轮廓扫描 整体扫描整体扫描 被移动的基体被移动的基体 移动的路径移动的路径 扫描变换扫描变换 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

8、的方法 表表 示示 方方 法法 边界表示法边界表示法 B-RepB-Rep法法 (Boundary representation) 构造立体几何法构造立体几何法 CSG CSG法法 (Constructive Solid Geometry) 混合模式混合模式 (Hybrid Model)(Hybrid Model) 空间单元表示法空间单元表示法 分割法分割法 数据结构 数据结构 数据结构 数据结构 几何建模系统：几何建模系统： 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：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：特征建模系统

9、： 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 特特 征征 形状特征形状特征（核心和基础，几何信息和拓扑信息（核心和基础，几何信息和拓扑信息) ) 精度特征精度特征（表达零件的精度信息、尺寸公差、（表达零件的精度信息、尺寸公差、 形位公差、表面粗糙度）形位公差、表面粗糙度） 材料特征材料特征（材料种类、性能、热处理要求（材料种类、性能、热处理要求) ) 特征分类 v 特征建模使产品的设计工作不停留在底层的几何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

10、现设计意图，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。也直接对应着加工方法。 v 特征建模以计算机能够理解的和能够处理的统一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，实现真正的等各个环节的连接，实现真正的CAD/CAPP/CAM的集的集 成，且支持并行工程。成，且支持并行工程。 v 有利于实现产品设计、制造方法的标准化、系列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、制造要化、规范化，使得产品在设计时就考虑加工、

11、制造要 求，保证产品有较好的工艺性、可制造性，有利于降求，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。低产品的成本。 CAM的定义：的定义：是指以计算机为主要技术是指以计算机为主要技术 手段，处理与制造有关的信息，从而控手段，处理与制造有关的信息，从而控 制制造的全过程。制制造的全过程。 生产准备产品制造 NC程序编制 第二节第二节 模具模具CAMCAM 基础基础 (Computer Aided Manufacturing) 狭义 广义 计算机辅助加工编程：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

12、品的虚拟加工，并产生 实际数控机床加工零件的数控程序。 1. 模具制造的基本要求 l制造精度高 l使用寿命长 l制造周期短 l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 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：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。 数控加工：数控加工

13、： 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。 加工精度高、加工质量稳定 加工生产效率高 对零件加工适应性强 有利于生产管理 利用五轴联动，可以加工斜面，复 杂曲面 l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； l复杂曲线轮廓或复杂曲面的零件； l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； l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； l在通用机床上必须有复杂专用工装的零件。 l 对于旋转类模具，一般采用数控车加工，如

14、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。 l 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。 l 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。 l 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。 l 对精度要求较高的解析几何曲面，可以采用数控磨削加 工。 （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（Numerica

15、l Control） 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

16、。 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。 标准坐标系：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。 图2-1 XK5040A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。 第二坐标系：第二坐标系： 除X、Y、Z主要直线运动 之外，还有平行与X、Y、

17、Z的直线运动， 可将其命令为U、V、W坐标轴。 参考坐标系（参考坐标系（RCSRCS）：）： 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）。 q手工编程 q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

18、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。 v 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 v根据零件的几何形状和尺寸计算数控机床运动所需 数据 v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 v按程序单在穿孔机或卡片机上穿孔，制成控制介质 坐标数：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：坐标联动数： 指数控机床在加工零件过程中可以同

19、 时进给的坐标轴数目。 岛岛 轮廓轮廓 区域区域 由一个闭轮廓所界定由一个闭轮廓所界定.指定待指定待 加工区域加工区域(内部不需加工内部不需加工) 是一系列首尾相连的曲线是一系列首尾相连的曲线 的集合。指定待加工曲线的集合。指定待加工曲线 （封闭或开放）（封闭或开放） 由一个闭轮廓和若干由一个闭轮廓和若干 个岛围成的内部空间。个岛围成的内部空间。 指定待加工区域指定待加工区域 切削加工时，主轴转动的角切削加工时，主轴转动的角 速度速度(r/min)(r/min) 主轴转速主轴转速 切削速度切削速度 接近速度接近速度 退刀速度退刀速度 快速进给速度快速进给速度 行间连接速度行间连接速度 正常切削

20、时，刀具行进的进给正常切削时，刀具行进的进给 速度速度(mm/min)(mm/min) 刀具从慢速下刀高度到工件起刀具从慢速下刀高度到工件起 切点的运动速度切点的运动速度 刀具离开工件回到安全高度的刀具离开工件回到安全高度的 运动速度运动速度 指在安全高度以上刀具行进的指在安全高度以上刀具行进的 进给速度，一般取机床的进给速度，一般取机床的G00G00 两行刀具轨迹间刀具的移两行刀具轨迹间刀具的移 动速度动速度 起止高度：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：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：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。 球刀：球刀：R=rR=r，应用于复杂曲面加工，应用于复杂曲面加工。 圆角刀：圆角刀：rRr下刀点2-b-c-c -. - 下刀点2-对刀点1 2. 手工编程加工程序与分析 现按轮廓编程，各基点和圆心坐标如下： A(0,0) B(0,40) C(14.96,70) D(43.54,70) E(102,64) F(150,40) G(170,40) H(170,0) O1(70,40) O2(150,100) 依据以