模具CAD技术基础

模具CAD技术基础主讲：2026/3/28Page2主要内容第一节CAD系统的组成与分类第二节计算机辅助绘图第三节CAD系统的建模技术第四节CAD系统的其他技术2026/3/28Page3第一节CAD系统的组成与分类一、CAD系统的组成一个CAD系统由硬件和软件两部分组成，要想充分发挥CAD的作用，必须要有高性能的硬件和功能强大的软件。硬件软件2026/3/28Page4第一节CAD系统的组成与分类硬件先进的CAD系统的硬件由计算机及其外围设备和网络组成。计算机分为大型机，中、小型机，工作站和微机四大类。目前应用较多的是CAD工作站，国内主要是微机和工作站。外围设备包括鼠标、键盘、扫描仪等输入设备和显示器、打印机、绘图仪、拷贝机等输出设备。网络系统包括中继器（增加网线长度）、网桥（同种网相连）、路由器（选择加工路线）、网关（不同协议相连）、Modem方式连接到网络上，以实现资源共享。网络的连接方式即网络的拓扑结构可分为星形、总线形、环形、树形以及星形和环形的组合等形式。先进的CAD系统都是以网络的形式出现的，特别是在并行工程环境中，为了进行产品的并行设计，网络更是必不可少的。那种单机CAD的工作方式在大中型企业中将逐渐淘汰，因为它远远不能满足现代企业设计的要求。2026/3/28Page5第一节CAD系统的组成与分类图形显示终端键盘/鼠标/图形输入板计算机绘图仪/打印机硬盘/磁带机CD-R/W网络与通信接口2026/3/28Page6第一节CAD系统的组成与分类硬件的基本要求：性能要求高的图形输入输出设备较高的运行速度足够的外部存储空间较好的网络性能2026/3/28Page7第一节CAD系统的组成与分类CAD软件的组成为了充分发挥计算机硬件的作用，CAD系统还必须配备各种功能齐全的软件。CAD系统的软件构成如图所示。2026/3/28Page8第一节CAD系统的组成与分类软件分为两大类：支撑软件和应用软件。支撑软件包括操作系统（实现对硬件的控制和资源的管理），程序设计语言（Fortran、Basic、C、二次开发语言和汇编语言）及其编辑系统，数据库管理系统（对数据的输入、输出、分类、存储、检索进行管理）和图形支撑软件等。2026/3/28Page9第一节CAD系统的组成与分类图形支撑软件功能要求计算机图形处理三维产品建模有限元建模与分析机构运动分析信息数据交换工程数据管理二次开发功能（PARASOLIDACIS等）2026/3/28Page10第一节CAD系统的组成与分类应用软件是根据本领域工程特点，利用支撑软件系统开发的解决本工程领域特定问题的应用软件系统。应用软件系统包括：设计计算方法库（常用数学方法库、统计数学方法库、常规设计计算方法库、优化设计方法库、可靠性设计软件、动态设计软件等）和各种专业程序库（常用机械零件设计计算方法库、常用产品设计软件包等）。应用软件的性能对CAD的效率有极大的影响，所以应特别重视它的开发和应用。2026/3/28Page11第一节CAD系统的组成与分类应用软件：通用和专用通用应用软件：UG/PROE/CATIA等；专用应用软件：MOLDWIZARD等。2026/3/28Page12第一节CAD系统的组成与分类二、CAD系统分类信息检索型CAD系统人机交互型CAD系统智能型CAD系统2026/3/28Page13第一节CAD系统的组成与分类信息检索型CAD系统主要用于设计已定型的、标准化和系列化程度很高的产品。工作原理是将已定型产品的标准化图纸，变成图形信息存入计算机，设计时根据订货要求输入必要信息，在计算机进行必要的计算之后，自动检索出最佳的标准图形。2026/3/28Page14第一节CAD系统的组成与分类人机交互型CAD系统工作原理如下：由设计者描述出设计模型，再由计算机对有关产品的大量资料进行检索，并对有关数据和公式进行高速运算；通过草图和标准图的显示，设计者运用长期工作中积累的经验对其进行分析，用光笔或键盘等输入装置，人机对话式地直接对图形中不满意之处进行实时修改；计算机根据修改指令作出响应，重新组织显示，反复循环，使之完善。2026/3/28Page15第一节CAD系统的组成与分类智能型CAD系统在现阶段人工智能的应用主要是以专家系统的方式来体现的，即把专家系统和原有CAD系统有机结合起来。专家系统是一种使计算机能够在专家级水平上工作的计算机程序，这种系统能运用人类专家的专门知识和推理能力，来解决一般人难以妥善解决的问题。在智能型CAD中，专家系统承担需要依靠知识和经验作出推理和判断的工作，主要有设计过程决策(解决设计路线问题)、设计技术决策(解决设计中遇到的具体技术问题的决策)和各种结果评价等。而一些可以用数学模型来描述的工作则由通常的CAD系统来承担。2026/3/28Page16第二节计算机辅助绘图计算机辅助绘图是CAD中计算机应用最成熟的领域。计算机辅助绘制二维图形常用的方法有四种：第一种是直接利用图形支撑软件提供的各种功能，利用人机交互方式将图形一笔一笔地画出来。比较老式的CAD系统都是采用这种方式，主要缺点是速度慢，绘图工作量大。第二种是利用图形支撑软件提供的尺寸驱动方式进行绘图（又称参数化绘图），比较先进的图形支撑软件都提供这种功能。尺寸驱动一般是建立在变量几何原理上的，设计者可以采用“HandFree”方式随手勾画出零件的拓扑结构，然后再给拓扑结构添加几何和尺寸约束，系统会自动将拓扑结构按照给定的约束转换成零件的几何形状和几何大小。这种方式大大提高了绘图效率，它也支持快速的概念设计。2026/3/28Page17第二节计算机辅助绘图第三种是利用图形支撑软件提供的二次开发工具，将一些常用的图素参数化，并将这些图素存在图库中。绘图时，根据需要从图库中按菜单调用有关图素，并将之拼装成有关的零件图形。由于图素已经参数化，可以方便地修改尺寸。这种利用参数化图素拼装成零件的绘图方法可以极大地提高绘图效率。第四种方法是采用三维造型系统完成零件的三维立体模型，然后采用投影和剖切方式由三维模型生成二维图形，最后再对二维图形进行必要的修改和补充并标注尺寸、公差和其它技术要求。目前比较先进的CAD系统都具有这种功能。这是最为理想的绘图方法。这种绘图方式一般均可提供相关修改功能。在计算机辅助绘图系统中，要特别重视尺寸、公差和其它技术要求的标注问题，标注不仅繁琐、工作量大，而且容易出错（漏标、错标、重复标）。据统计，绘图工作量的40～60%是各种标注。所以计算机辅助绘图的研究和应用重点应放在标注上。2026/3/28Page18第三节CAD系统的建模技术对于现实世界中的物体，从人们的想象出发，利用交互的方式将物体的想象模型输入计算机，而计算机以一定的方式将模型存储起来，这种过程称为几何建模。建模技术是CAD系统的核心技术，是分析计算的基础，也是实现计算机辅助制造的基本手段。几何建模主要处理零件的几何信息和拓扑信息。几何信息一般是指物体在欧氏空间中的形状、位置和大小，拓扑信息则是指物体各分量的数目及其相互间的联接关系(同样的系列结构其几何信息不同，但拓扑信息相同，目前参数化设计主要就是解决这种问题）。

2026/3/28Page19第三节CAD系统的建模技术基本概念目前常用的建模系统是三维几何建模系统，一般常用三种建模方式：线框建模表面建模实体建模2026/3/28Page20第三节CAD系统的建模技术一般意义的线框建模、表面建模和实体建模其区别也主要在于表达拓扑信息和基本元素的维数的方式。2026/3/28Page21第三节CAD系统的建模技术2026/3/28Page22第三节CAD系统的建模技术2026/3/28Page23第三节CAD系统的建模技术线框建模线框建模是最简单的建模系统，物体只通过棱边（直线、圆弧、圆）来描述，体－边－点的拓扑关系，所需信息量少，所占存贮空间也最少。但没有面的信息，有些情况下信息不完整，存在多义性。

2026/3/28Page24第三节CAD系统的建模技术表面建模表面建模是通过对物体各种表面或曲面进行描述的建模方法。表面建模常用于其表面不能用简单的数学模型进行描述的物体，如汽车、飞机、船舶的一些外表面。这种系统的重点在于由给出的离散数据构造曲面，使该曲面通过或逼近这些点，一般都采用插值、逼近和拟合算法。常用的算法有Bezier曲线、B样条曲线、Coons曲面、Bezier曲面和最近几年发展起来的NUBERS曲面。表面建模还可以用于有限元网格划分、多坐标数控编程、计算刀具的运动轨迹等。表面建模的缺点是不存在各个表面之间相互关系的信息，如果要同时考虑各个表面时，就不能采用表面建模方法。

2026/3/28Page25第三节CAD系统的建模技术2026/3/28Page26第三节CAD系统的建模技术实体建模三维实体建模是目前应用最多的一种技术，它在运动学分析、物理特性计算、装配干涉检验、有限元分析方面都已成为不可缺少的工具。实体建模生成物体的方法有体素法、轮廓扫描法（二维平面封闭轮廓在空间平移或旋转形成实体）和实体扫描法（刚体在空间运动以产生新的物体）。

2026/3/28Page27第三节CAD系统的建模技术实体建模在计算机内部的表达方式三维实体建模在计算机内部的表达方式（数据的逻辑结构）有多种，常用的边界表示法Brep，构造实体几何法CSG，混合模式Brep＋CSG和空间单元表示法。2026/3/28Page28第三节CAD系统的建模技术2026/3/28Page29第三节CAD系统的建模技术边界表示法BrepBrep法采用“坐标值－点－边－面－物体”的方式表示物体，能提供较全面的关于点、边、面的信息。2026/3/28Page30第三节CAD系统的建模技术CSG法CSG法又称布尔模型，它是通过基本体素及它们之间的布尔运算（相加、相减、相交）来表示的。计算机内部存贮的主要是物体的生成过程。因此，其数据结构成树状，称为CSG树。CSG法的缺点是信息表示不完整，但是对零件的修改却容易得多。（同一结构可以有多种运算来实现）2026/3/28Page31第三节CAD系统的建模技术混合格式混合格式一般采用Brep法和CSG法的组合，可以取各自的长处。通常情况下用CSG法作为外部模型，用B-rep作为内部模型。2026/3/28Page32第三节CAD系统的建模技术特征造型特征feature名词的出现，最早见到的是1978年的文献。但在上个世纪60年代由Opitz等人发展的EXAPT系统(ExtendedSubsetOfAPT)往往被看作是特征引入的先驱，Grayer定义特征为一个可用机床操作加工的几何区域，这个概念被看作是今天特征概念的起源。此后特征概念在1980年被PDES公布，1988年末公布的STEP标准草案将形状和公差特征等列为产品定义的基本要素，使它从此获得了国际标准的法定地位。由于特征源于设计、分析和制造等生产过程的不同阶段，因此对特征的认识也不尽相同，至今尚无统一的特征定义。不拘泥于点线边面，用组合特征来简化，也符合设计思想。注重工艺、材料等属性。2026/3/28Page33第三节CAD系统的建模技术特征的定义虽然特征的定义准则一直不是很明确，但特征表示零件上几何的工程语义是毋隐置疑的。从集成的观点，特征的定义为：特征＝形状特征ν语义即特征被定义为形状特征和（或）语义。因此一个特征或者可以是一个语义事态、一个形状特征，或者二者皆是。从这个意义上这种定义区别于那些把语义信息看作是对形状特征的扩充的定义，定义的组成部分可以详尽解释如下：2026/3/28Page34第三节CAD系统的建模技术语义语义的特征是面向几何的对象，它们基于三类属性：作为静态信息的数据属性、用于确定特征行为的规则和方法以及用于确定语义特征之间关联的关系。在产品生命周期中，每一个应用领域会出现各种不同的语义，例如有：面向设计、加工、装配或质量的语义。在产品设计过程中为后续集成需要，尽可能考虑制造、装配和质量的设计，也就是目前所说的DFM、DFA和DFQ等。2026/3/28Page35第三节CAD系统的建模技术面向设计的特征语义根据其内容划分为三类：一是面向几何的语义，例如它包括几何元素和它们的关系的分类；二是面向功能的语义，它包括一个或不同零件的特征之间的功能上的关联；三是面向工艺的语义，它包括与设计和加工有重大关系的信息，这些信息是以所从属的几何元素描绘的。语义作为特征信息的组成部分通过下面三种类型来表达：静态的功能属性如表面粗糙度等、描述特定的特征的参数值以及功能的和工艺的边界条件，以完整表达特征。2026/3/28Page36第三节CAD系统的建模技术形状特征形状特征被定义为不含语义内容的几何元素的按结构的分类组别，它们含有描述特征几何造型的内容。形状特征的例子可以是几何基本体(圆柱体或立方体)、面之间的过渡(倒角或圆角)以及造型变化的操作(弯曲或伸展)或者是这三种情况的组合。Pratt和Wilson为CAM-I设计的方案适应于产品数据交换规范(PDES)的形状特征数学模型，这里对形状特征作了如下的划分，这种分类目前也被很多特征建模系统所应用：通道类：负值，即应当被减去的体积，它们在两端裁剪初始造形。凹陷类：负值，即应当被减去的体积，它们在一端裁剪初始造形。凸出类：正值，即应当被加上的体积，它们在一端截交初始造形。过渡类：一个区域，它们对于光滑的截交区是必需的。面积特征：二维的元素，它们被定义为初始造形的面。形变类：造形改变的程序(如弯曲和伸展)。2026/3/28Page37第三节CAD系统的建模技术特征的抽象和分类原则(1)

特征要满足设计和制造需求在产品设计时，通常每一种特征往往都同产品的某一功能相关联，各特征之间关联组合形成满足产品需求的功能和结构。在加工制造时，将设计的产品按照功能结构进行特征分解，设计合理的加工工艺路线，最后加工出需要的零件来。因此满足设计和（或）制造需求的科学的特征分类是必不可少的。(2)特征要具有典型性和普遍性具有典型性和普遍性的特征才能使它具有代表性，包含更多的零件信息，应用于各种不同的零件设计当中。(3)注重特征间相互联系在设计制造中，特征之间相对独立又相互关联。因此，在特征分类和提取时也要尽量去建立这样的关联关系。通过层次关系，将大量的特征用清晰的结构表达出来，而有效避免特征重复和冗余的发生。(4)特征要便于描述和表达特征要尽量便于描述和表达方便在实际中应用。2026/3/28Page38第三节CAD系统的建模技术特征模型生成方法特征造型是CAD建模方法一个里程碑，它是在CAD/CAM技术的发展和应用达到一定水平、要求进一步提高生产组织的集成化和自动化程度的历史进程中孕育成长起来的。特征造型作为新一代CAD系统的核心越来越显示出强大的生命力，其模型基本上能满足产品信息的需要。目前基于特征的模型生成方法可归纳为交互式特征定义、特征识别和基于特征设计三个方面。2026/3/28Page39第三节CAD系统的建模技术交互式特征定义是利用现有的造型系统建立产品的几何模型，由用户直接通过图形交互式拾取，定义特征几何所需要的几何要素，并将特征参数或精度、技术要求、材料热处理等信息作为属性添加到特征模型中。这种建模方法自动化程度低，产品数据的共享也难易实现，信息处理过程中容易产生人为的错误。

特征识别主要是为了设计下游的应用要求附加特征的工程语义信息，构造适合不同应用的特征模型。目前识别的主要是加工特征。曾经有不少学者对特征识别的算法进行了深入研究，如特征匹配法、CSG树识别法、体积积分法、实体生成法等，但结果并未令人满意。2026/3/28Page40第三节CAD系统的建模技术基于特征设计是用户直接用特征来定义零件几何体，即将特征库中预定义的特征实例化后，以实例特征为基本单元建立特征模型，从而完成产品的定义或设计。特征模型是在设计阶段形成的，模型中包括的是设计者的设计意图，描述设计人员在工作时所采用的元素，这些元素可以理解为功能工艺的元素，但它不是几何基本形体或者由这些元素组成的物体，而是在设计人员意义上的物体。除去几何信息之外它们还含有有关的其他一些信息，它们的任务是适应设计者的观点。通过其中所含有的动态信息，它们可以在改变其设计环境方面起作用，并且独立地遵守由它们所满足的功能，因此它们可以被理解为人工智能的设计对象。WilsonP.R等提出直接采用特征建立产品模型，而不是事后去识别特征的观点，这正好反映了基于特征设计基本思想。基于特征的设计也被很多特征建模系统所应用。其中UGS软件就是一个好的特征建模系统。2026/3/28Page41第三节CAD系统的建模技术2026/3/28Page42第三节CAD系统的建模技术2026/3/28Page43第三节CAD系统的建模技术2026/3/28Page44第三节CAD系统的建模技术参数化设计通过调整参数来修改和控制几何形状。主要是便于提高系统的修改性能。参数化模型包括几何参数模型、力学参数模型。几何参数化模型：几何参数变更。力学参数化模型：受力、热等变化，参数能跟着变化。2026/3/28Page45第三节CAD系统的建模技术几何参数化模型功能草图（草绘）－准确的几何模型（概念设计）局部修改－全局修改（大致相同模型或零件）几何参数化模型方法变动几何方法（VariationalGeometry)几何推理方法(GeometricReasoning)2026/3/28Page46第三节CAD系统的建模技术变动几何方法（VariationalGeometry)变动几何方法是一种基于约束的代数方法将几何模型定义为一系列特征点，并以特征点为变量形成一个非线性约束方程组，当约束发生变化，利用迭代方法求解方程组，就可以得到一系列新的特征点，从而输出新的几何模型。2026/3/28Page47第三节CAD系统的建模技术在三维空间中，一个几何形体可以用一组特征点定义，每个特征点有3个自由度，即（x,y,z)坐标值。

N个特征点3N个自由度--3N个独立方程表示为

F(X，D)=0其中X为特征点坐标，D为尺寸的约束，F为一系列函数关系只有当尺寸约束合理，无重复标注也无漏注时，方程才有唯一解。传统的方法，几何元素之间、尺寸与几何元素之间，只是一种显示关系，与模型无关，所以称为甩图板。参数化的几何元素之间、尺寸与几何元素之间应该是一个整体。参数化设计的本质是在可变参数的作用下，系统能够自动维护所有的不变参数。2026/3/28Page48三个尺寸约束y2-y1-d1=0x2-x1-d2=0(x3-x2)2+(y3-y2)2-d32=0一个旋转约束y3-y1=0两个平动约束x1=0y1=0第三节CAD系统的建模技术2026/3/28Page49第三节CAD系统的建模技术约束约束的理解：若干个对象之间所希望的关系。约束的分解：尺寸约束、结构约束（几何约束）。尺寸约束是通过尺寸标注表示的约束，如距离尺寸、角度尺寸、半径尺寸等。结构约束指几何元素之间的拓扑约束关系，如平行、垂直、相切、对称等。

各种约束关系，体现了设计人员的设计意图。

2026/3/28Page502026/3/28Page51第三节CAD系统的建模技术2026/3/28Page52第三节CAD系统的建模技术整体求解方法：用于简单的平面模型。几何推理法：人工智能运用到几何建模中。预先指定了设计的规则和专家知识库。局部求解方法。根据知识和推理逐步获得全解。2026/3/28Page53第三节CAD系统的建模技术产品模型零件部件产品2026/3/28Page54第三节CAD系统的建模技术2026/3/28Page55第四节CAD系统的其他技术数据处理技术图形处理技术人机交互技术产品数据交换技术2026/3/28Page56第四节CAD系统的其他技术数据处理技术在模具设计中，用公式表达的设计准则和规范很少，大量的是数表和线图。2026/3/28Page57第四节CAD系统的其他技术数表的处理数表有一维数表、二维数表和多维数表数表的处理：数表的程序化和公式化数表的程序化：是一种计算机数据检索，用于数据之间没有明显关系的数表。数表的公式化：插值和数据拟合（用于相邻数据之间的数据计算）2026/3/28Page58第四节CAD系统的其他技术数表的公式化：函数插值设法构造一个函数作为列表函数的近似表达式。多采用代数多项式。准确通过各个节点，相邻节点之间采用插值计算线形（一次）插值：折线二次插值：连续性好一些拉格朗日插值：分段插值2026/3/28Page59第四节CAD系统的其他技术数据拟合不强调准确通过各个节点N次多项式。最小二乘法2026/3/28Page60第四节CAD系统的其他技术线图的处理首先转换为数表（一维数表、二维数表和多维数表）然后进行数表的程序化和公式化2026/3/28Page61第四节CAD系统的其他技术图形处理技术图形变换技术图形变换技术是计算机图形学的重要基础，无论几何造型或自动绘图，均需要图形变换。人机交互技术大部分CAD/CAM系统，都是设计人员与计算机软硬件系统的不断输入计算，修改，再输入计算的过程，因此CAD/CAM系统需要一个良好的人机界面和交互手段。2026/3/28Page62第四节CAD系统的其他技术窗口-视区变换窗口与视区设备坐标系中的一个概念（屏幕坐标）图形窗口可以分为几个视区。单布局和多布局的关系。图形变换二维图形变换如AUTOCAD中的平移、比例和旋转，实际上就是前后坐标的矩阵变换。三维图形变换如AUTOCAD中的平移、比例和旋转。2026/3/28Page63第四节CAD系统的其他技术用户界面的类型所见即所得型：二维CAD系统和绘图结果一致。直接操作型：操作动作与操作目的一致，如Window中的删除文件时，直接拖到垃圾箱中去。图标型菜单型对话型命令输入型2026/3/28Page64第四节CAD系统的其他技术用户界面的设计屏幕划分：一般划分为图形区、菜单区和提示区。字型选用颜色选择：颜色搭配。菜单的设计：主菜单与子菜单（但层次不要多于4级别）；固定菜单和动态菜单；拉出、弹出和翻页式菜单。图标设计：识别、区别、记忆。2026/3/28Page65第四节CAD系统的其他技术常见交互技术定位技术：移动光标到确定位置，指定一个坐标。坐标系、坐标平面、坐标点的方法。点子菜单、网格捕捉、关键点捕捉。定量技术：输入数值、定位计算（如标尺寸）。定向技术：确定矢量方向。选择技术：命令的选择，包括鼠标、输入命令、热键等。拾取技术：针对图形对象，主要拾取区域的靶区范围判断、拾取对象的快速响应如预选和拾取后颜色的变化。文本技术：字符的输入方式。拖动技术草图技术2026/3/28Page66第四节CAD系统的其他技术产品数据交换技术由于CAD/CAM技术的发展，各种各样的CAD/CAM系统层出不穷。如果每个CAD/CAM的开发商都要为各种各样的CAD/CAM系统设计一套专门接口，那么其工作量将是十分巨大的。国际上一些先进的商品化CAD/CAM集成软件，由于整套系统都建立在一个统一的产品数据结构基础上，所以其本身的CAD/CAM/CAE等功能模块都是有机地结合在一起的。但不同供应商的CAD/CAM软件之间的信息