第1章模具CADCAM基础

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模具CAD/CAM

第1章模具CAD/CAM基础

学习要点

※熟悉模具CAD/CAE/CAM的基本概念。

※了解模具CAD/CAE/CAM系统的组成及国内外主流的CAD/CAM软件。

※了解模具CAD/CAE/CAM技术的发展历程和在模具行业中的应用。

※了解模具CAD/CAE/CAM技术在模具设计与制造中的发展趋势。

技能目标

※能够阐述模具CAD/CAE/CAM的基本概念。

※能够阐述模具CAD/CAE/CAM系统的组成及国内外主流的CAD/CAM软件。

※能够阐述模具CAD/CAE/CAM技术的发展历程和在模具行业中的应用及发

展趋势。

第1章模具CAD/CAM基础

1.1模具CAD/CAM基本概念

1.2模具CAD/CAM系统的组成

1.3CAD/CAE/CAM技术的发展和应用

1.4CAD/CAE/CAM技术在模具设计制造中的发展趋势

1.1模具CAD/CAM基本概念

模具CAD/CAM现阶段应该指广义的计算机技术在模具设计与制造的应用，一般包括：计算机辅助设计(ComputerAidedDesign，CAD)计算机辅助工程分析(ComputerAidedEngineering，CAE)

是以现代计算力学为基础，以计算机仿真为手段的工程分析技术，对未来模具的工作状态和运行行为进行模拟，从而及早发现设计缺陷，是实现模具优化的主要支持模块。计算机辅助制造(ComputerAidedManufacturing，CAM)计算机辅助工艺过程设计CAPP(ComputerAidedProcessPlanning，CAPP)

是指根据产品设计阶段给出的信息，人机交互地或自动地完成产品加工方法的选择和工艺过程的设计计算机辅助工艺设计、产品。数据管理系统

(ProductDataManagement，PDM)

是以软件、计算机网络、数据库、分布式计算等技术为基础，以产品为核心，实现对产品相关的数据、过程、资源一体化集成管理的技术数据管理系统。

41.2模具CAD/CAM系统的组成1.2.1概述5CAD/CAM系统组成1.2模具CAD/CAM系统的组成61.2.2模具CAD/CAM系统的硬件1．计算机主机2．外存储器3．输入设备4．输出设备5．网络互联设备6．测量设备CAD/CAM系统的硬件组成1.2模具CAD/CAM系统的组成1.2.3模具CAD/CAM系统的软件1．系统软件2．支撑软件3．应用软件

7CAD/CAM系统的软件层次关系1.2模具CAD/CAM系统的组成81.系统软件主要包括三大部分：操作系统、编程语言系统和网络通信及其管理软件。操作系统是系统软件的核心，是CAD/CAM系统的灵魂，它控制和指挥计算机的软件资源和硬件资源。其主要功能是硬件资源管理、任务队列管理、硬件驱动程序、定时分时系统、基本数学计算、日常事务管理、错误诊断与纠正、用户界面管理和作业管理等。操作系统依赖于计算机系统的硬件，用户通过操作系统使用计算机，任何程序需经过操作系统分配必要的资源后才能执行。目前流行的操作系统有Windows、UNIX、Linux等。编程语言系统主要完成源程序编辑、库函数及管理、语法检查、代码编译、程序连接与执行。按照程序设计方法的不同，可分为结构化编程语言和面向对象的编程语言；按照编程时对计算机硬件依赖程度的不同，可分为低级语言和高级语言。目前广泛使用面向对象的编程语言，如VisualC++、VisualBasic、Java等。网络通信及其管理软件主要包括网络协议、网络资源管理、网络任务管理、网络安全管理、通信浏览工具等内容。国际标准的网络协议方案为“开放系统互连参考模型”（OSI），它分为七层：应用层、表示层、会话层、传输层、网络层、数据链路层和物理层。目前CAD/CAM系统中流行的主要网络协议包括TCP/IP协议、MAP协议、TOP协议等。1.2模具CAD/CAM系统的组成92．支撑软件1）功能单一型支撑软件(1)交互式绘图软件:这类软件主要以交互方法完成二维工程图样的生成和绘制，具有图形的编辑、变换、存储、显示控制、尺寸标注等功能；具有尺寸驱动参数化绘图功能；有较完备的机械标准件参数化图库等。这类软件绘图功能很强、操作方便、价格便宜。在微机上采用的典型产品是AutoCAD以及国内自主开发的CAXA电子图板、PICAD、高华CAD等。(2)三维几何建模软件:这类软件主要解决零部件的结构设计问题，为用户提供完整准确地描述和显示三维几何形状的方法和工具，具有消隐、着色、浓淡处理、实体参数计算、质量特性计算、参数化特征造型及装配和干涉检验等功能，具有简单曲面造型功能，价格适中，易于学习掌握。这类软件目前在国内的应弥饕MDT、SolidWorks和SolidEdge为主。1.2模具CAD/CAM系统的组成102．支撑软件1）功能单一型支撑软件(3)工程计算与分析软件:这类软件的功能主要包括基本物理量计算、基本力学参数计算、产品装配、公差分析、有限元分析、优化算法、机构运动学分析、动力学分析及仿真与模拟等，有限元分析是核心工具，包括前置处理、计算分析和后置处理3部分。前置处理的功能是：几何建模，模型分割，自动生成有限元网格，网格的连接、修改、变换、加密，有关机械特性、载荷、约束等的处理以及输入功能。计算分析程序的功能是：形成刚度矩阵和载荷矩阵，求解方程组，计算应力、应变。后置处理的功能是：将计算分析结果转变为变瓮肌⒂αΦ雀呦咄肌⒂ατΡ洳噬ǖ家约坝ατΡ淝叩取目前比较著名的数值计算与模拟分析软件有ANSYS、Dynaform、Deform、Moldflow、SAP、ADINA、Autoform、Indeed、Pam-stamp、Optris、Isopunch、MARC、NASTRAN、ADAMS等。(4)数控编程软件:这类软件一般具有刀具定义、工艺参数的设定、刀具轨迹的自动生成、后置处理及切削加工模拟等功能。应用较多的有Cimatron、MasterCAM、SmartCAM、SurfCAM及CAXA制造工程师等。(5)数据库管理系统:工程数据库是CAD/CAM集成系统的重要组成部分，工程数据库管理系统能够有效地存储、管理和使用工程数据，支持各子系统间的数据传递与共享。工程数据库管理系统的开发可在通用数据库管理系统基础上，根据工程特点进行修改或补充。目前比较流行的数据库管理系统有ORACLE、SYBASE、FOXPRO、FOXBASE等。1.2模具CAD/CAM系统的组成112．支撑软件2）功能集成型支撑软件(1)Pro/Engineer:美国PTC（ParametricTechnologyCorporation）公司的著名产品。PTC公司提出的单一数据库、参数化、基于特征、全相关的概念，改变了机械设计自动化的传统观念，Pro/E包括70多个专用功能模块，如实体模型、特征建模、装配建模、曲面建模、工程图制作、模具设计、NC数控加工、逆向工程、有限元分析、产品数据管理等，具有较完整的数据交换转换器。被称为新一代CAD／CAM/CAE系统。(2)Unigraphics:美国UGS（UnigraphicsSolutions）公司的旗舰产品。采用将参数化和变量化技术与实体、线框和表面功能融为一体的复合建模技术，其主要优势是三维曲面、实体建模和数控编程功能，具有较强的数据库管理和有限元分析前后处理功能以及界面良好的用户开发工具。UG汇集了美国航空航天业及汽车业的专业经验，现已成为世界一流的集成化机械CAD/CAM/CAE软件，并被多家著名公司选作企业计算机辅助设计、制造和分析的标准。1.2模具CAD/CAM系统的组成122．支撑软件2）功能集成型支撑软件(3)I-DEAS:美国SDRC（StructureDynamicsResearchCorporation）公司（现已归属UGS公司）的主打产品。SDRC公司创建了变量化技术，并将其应用于三维实体建模中，进而创建了业界最具革命性的VGX超变量化技术。I-DEAS是高度集成化的CAD/CAE/CAM软件，其动态引导器帮助用户以极高的效率，在单一数字模型中完成从产品设计、仿真分析、测试直至数控加工的产品研发全过程。I-DEAS在CAD/CAE一体化技术方面一直雄居世界榜首，软件内含很强的工程分析和工程测试功能。(4)CATIA:由法国DassaultSystem公司与IBM合作研发，是较早面市的著名的三维CAD/CAM/CAE软件产品，目前主要应用于机械制造、工程设计和电子行业。CATIA率先采用自由曲面建模方法，在三维复杂曲面建模及其加工编程方面极具优势。1.2模具CAD/CAM系统的组成133．应用软件

应用软件是在系统软件和支撑软件的基础上，针对专门应用领域的需要而研制的软件。如机械零件设计软件、机床夹具CAD软件、冷冲压模具CAD/CAM软件等。这类软件通常由用户结合当前设计工作需要自行开发或委托软件开发商进行开发。能否充分发挥CAD/CAM系统的效益，应用软件的技术开发是关键，也是CAD/CAM工作者的主要任务。应用软件开发可以基于支撑软件平台进行二次开发，也可以采用常用的程序设计工具进行开发。目前常见的支撑软件均提供了二次开发工具，如AutoCAD的Autolisp、Pro/E的Protoolkit、UG的GRIP等。为保证应用技术的先进性和开发的高效性，应充分利用已有CAD/CAM支撑软件的技术和二次开发工具。需要说明的是，应用软件和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，也可以称之为一种支撑软件。141.3.1发展历程1．CAD技术的发展过程(1) 20世纪50年代后期至70年代初期，此阶段为初级阶段——线框造型技术。(2) 20世纪70年代初期至80年代初期，此阶段是第一次CAD技术革命——曲面(表面)造

型技术。(3) 20世纪80年代初期至80年代中期，此阶段是第二次CAD技术革命——实体造型阶段。(4) 20世纪80年代中期至90年代初期，此阶段是第三次CAD技术革命——参数化技术。(5) 20世纪90年代初期至今，此阶段是第四次CAD技术革命——变量化技术。1.3CAD/CAE/CAM技术的发展和应用2．CAE技术的发展过程(1) 20世纪60—70年代处于探索阶段，有限元技术主要针对结构分析问题进行发展，以解决航空航天技术发展过程中遇到的结构强度、刚度以及模拟实验和分析。(2) 20世纪70—80年代是CAE技术蓬勃发展时期，分析软件的开发主要集中在计算精度、硬件及速度平台的匹配、计算机内存的有效利用以及磁盘空间利用上，而且有限元分析技术在结构和场分析领域获得了很大的成功。(3) 20世纪90年代CAE技术逐渐成熟壮大，软件的发展向各CAD软件的专用接口和增强软件的前后置处理能力方向发展。153．CAM技术的发展过程(1)1952年美国麻省理工学院（MIT）首次试制成功了数控铣床，通过数控程序对零件进行加工，随后MIT研制开发了自动编程语言（APT），通过描述走刀轨迹的方法来实现计算机辅助编程，标志着CAM技术的开端。(2)在制造领域中，1962年研制成功了世界上第一台机器人，实现物料搬运自动化，1965年产生了计算机数控机床CNC系统，1966年以后出现了采用通用计算机直接控制多台数控机床DNC系统以及英国莫林公司研制的由计算机集中控制的自动化制造系统。(3)20世纪70年代，美国辛辛那提公司研制出了一条柔性制造系统（FMS），将CAD/CAM技术推向了新的阶段。(4)20世纪80年代，CAD与CAM相结合，形成了CAD/CAM集成技术，导致了新理论、新算法的大量涌现。20世纪80年代后期，人们认识到计算机集成制造（CIM）的重要性，开始强调信息集成，出现了计算机集成制造系统CIMS（ComputerIntegratedManufacturingSystem），此外，并行工程CE（ConcurrentEngineering）、敏捷制造AM（AgileManufacturing）、虚拟制造VM(VirtualManufacturing)等先进的制造模式包容了更为广泛的信息集成，将CAD/CAM这个重要的基础核心技术推向了更高的层次。1.3CAD/CAE/CAM技术的发展和应用161.3.2在模具行业中的应用1．CAD/CAE技术和模具结构设计

(1)草图重建技术。(2)曲面特征设计。(3)变量装配设计技术。(4)真实感技术。1.3CAD/CAE/CAM技术的发展和应用2．CAD/CAE技术和模具结构分析(1)强度和刚度分析。(2)抗冲击试验模拟。(3)跌落试验模拟。(4)散热能力分析。(5)疲劳和蠕变分析。3．CAD/CAE技术和模具成型仿真(1)冷冲压成型。(2)热作成型。1.3CAD/CAE/CAM技术的发展和应用1.3.3模具制造成型车间1.三坐标抄数机2.车床3.铣床4.磨床5.电火花机床6.线切割机床7.模具成型注塑机171.3CAD/CAE/CAM技术的发展和应用18

三坐标抄数机数控车床普通铣床与数控铣床

磨床电火花机床及工作原理线切割机床及工作原理注塑机

191.4.1CAD/CAM技术的发展趋势

集成化、网络化、智能化和标准化1.4.2我国模具工业的发展趋势模具日趋大型化。模具的精度将愈来愈高。10年前精密模具的精度一般为5µm，现已达到2～3µm，1µm精度的模具也将上市。多功能复合模具将进一步发展。新型多功能复合模具除了冲压成型零件外，还担负叠压、攻丝、铆接和锁紧等组装任务，对钢材的性能要求越来越高。热流道模具在塑料模具中的比重将逐渐提高。随着塑料成型工艺的不断改进与发展，气辅模具及适应高压注塑成型等工艺的模具也将随之发展。标准件的应用将日益广泛。模具标准化及模具标准件的应用将极大地影响模具制造周期，提高模具的质量和降低模具制造成本。快速经济模具的前景十分广阔。随着车辆和电机等产品向轻量化发展，压铸模的比例将不断提高。同时对压铸模的寿命和复杂程度也将提出越来越高的要求。以塑代钢、以塑代木的进程进一步加快，塑料模具的比例将不断增大。由于机械零件的复杂程度和精度不断提高，对塑料模具的要求也越来越高。模具技术含量将不断提高。1.4CAD/CAE/CAM技术在模具设计制造中

的发展趋势201.4.3今后需大力发展的模具产品汽车覆盖件模具(轿车所需)。精密冲压模具(多工位级进模、精冲模)。大型塑料模具(用于汽车和家电)。精密塑料模具(塑封模，多层、多腔、多材质、多色、薄壁精密塑料模)。大型薄壁精密复杂压铸模和镁合金压铸模具。子午线橡胶轮胎模具(活络模)。新型快速经济模具。多功能复合模具。模具标准件(模架、导向件、推管推杆、弹性元件、热流道元件)。1.4CAD/CAE/CAM技术在模具设计制造中

的发展趋势211.4.4今后需提高的关键技术用计算机、网络通信、软件技术等信息技术带动和提升模具制造技术。模具设计技术(CAD/CAE/CAM一体化技术)。模具加工技术(CAM)、高速铣削技术(HSM)。快速原型制造技术、激光加工技术、直接金属成型技术。信息化工程、逆向工程、并行工程、敏捷制造等技术，先进的精密测量技术。高性能、高品质的新型模具材料及制造新工艺。模具热流道技术、新型模具标准件。先进的模具修复和抛光技术。模具制造的现代化管理技术。1.4CAD/CAE/CAM技术在模具设计制造中

的发展趋势221.4.5CAD