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972.3材料加工工艺CAD及其应用2.3.1概述2.3.1.1CAD概论及发展过程CAD是计算机辅助设计(英文ComputerAidedDesign)的简称。它是指利用计算机技术完成设计过程中的信息检索、方案构思、分析、计算、工程绘图和文件编制等工作。CAD中的“设计”包含内容广泛，几乎涉及所有学科。其中分析、计算及工程绘图是设计过程中的典型环节，CAD的典型含义就是计算机辅助完成包含以上典型设计环节的活动。CAD的概念及相关术语是1963年由美国麻省理工学院(MIT)24岁的研究生萨瑟兰德(I．E．Satherland)在他发表的博士论文“Sketchpad：一个人机通信的图形系统”中首次提出的。该系统中，设计者用光笔和键盘在图形显示器上实现选择、定位等交互功能及绘制直线、圆等图形，并可对图形进行变换和编辑。它为CAD技术的发展和应用打下了理论基础。交互式图形生成技术的出现，促使了CAD／CAM技术的迅速发展。60年代中后期，美国的一些大公司开始重视这一技术，并投入相当资金对CAD实用系统进行开发。如美国通用汽车公司为汽车外形设计开发了DAC—I系统(DesignAugmentedbyComputer—1)，用以分析和综合车身的三维曲线设计。该系统是在大型计算机上运行的，成为该公司设计小车和卡车必不可少的工具；美国洛克希德航空公司开发飞机设计的CGADAM系统(ComputerGraphicsAugmentedDesignandManufacturing)，具有强度分析、绘图和数控编程等功能；贝乐实验室开发了Craphicl，用于电路方案设计和印制板的电路元件布局布线设计。这一时期的CAD系统的特点是规模庞大，价格昂贵，只有经济实力雄厚和技术力量较强的大型企业和研究单位才能研究和应用CAD技术。在70年代，随着大规模集成电路(IC)问世，CAD系统采用以超小型机为基础的集中分时方式，CAD系统开始商品化，但价格仍然很贵。在此期间出现了廉价的固体电路随机存储器，产生逼真图形的光栅扫描显示器、光笔和图形输入板等多种形式的图形输入设备，使计算机图形学算法研究进入新阶段，并出现了一批专营CAD／CAM系统硬件和软件的公司(如ComputerVistion、Intergraph、Calma、Applicm等)。这些CAD／CAM系统的特点是硬软件配套齐全。因此人们称它为“交钥匙”系统(TurnkeySystem)。这一时期内，CAD／CAM系统的应用主要集中在航空、电子和机械工业部门。同时他们对三维几何造型技术也开始进行研究。70年代末以后，32位工作站和微型计算机的出现对CAD／CAM技术的发展起了极大的推动作用。32位工作站之间可相互联网，以达共享系统内的资源和发挥各台计算机的特点。80年代中期，分布式联网的工作站已成为CAD的典型硬件环境，其性能价格比年复一年地迅速提高，光栅扫描显示器及其算法统治图形学硬、软件，CAD方法从绘图进入造型，实体模型系统成熟，计算机动画开始兴起，集成CAD系统开始商品化，CAD应用迅速发展，市场十分繁荣。到了90年代，CAD的硬件支撑已从工作站扩展到个人计算机(PC)，彩色图形显示系统的图形加速卡已成为或正在成为工作站和PC的通用设备，各种新的计算机图形输入输出设备的不断涌现，如三维彩色数字化仪，使得CAD造型的数据库建立越来越容易。CAD98技术中的图形接口、图形功能日趋标准化，CAD技术逐渐多媒体化，使CAD技术进一步普及，质量更加提高。另外，人工智能(ArtificialIntelligence，简称A1)和专家系统技术在CAD中的应用大大提高了自动化设计的程度，出现了智能CAD(AICAD)，把工程数据库及其管理系统，知识库及专家系统，用户接口管理系统集于一体，形成一门新学科。以CAD为基础，目前已产生了一系列相关概念，如计算机辅助制造(CAM)，计算机辅助工程(CAE)，柔性制造系统(FMS)，快速成形技术(RP)、计算机集成制造系统(C1MS)、并行工程(CE)、敏捷制造(AM)及虚拟制造等等。我国在CAD技术方面的研究始于70年代中期。当时主要是研究开发二维绘图软件，主要研究单位是学校、研究院所。航空和造船业是CAD技术应用较早的部门。80年代初，有些大型企业和设计院成套地引进CAD／CAM系统，在此基础上进行二次开发后实际应用，取得一定成果。随着改革开放和发展商品经济的需要，在80年代中后期，我国的CAD／CAM技术有了较大的发展，目前该技术越来越受到人们的注意。进入90年代后，各工业部门都提出了开发应用CAD技术的计划，以达到提高设计质量，取得经济效益的目的；高等院校和研究院所对CAD技术的理论和软件开发进行了大量的研究，并取得了明显成果(如清华大学、浙江大学、西北工业大学、北京航空航天大学、华中理工大学、中科院计算所等)，国家科委、各工业部门都十分重视CAD技术的发展，并有计划、有步骤地在全国各地建立培训基地，以提高工程工作人员的素质。随着我国自主版权CAD软件的发展，CAD技术将在企业达到普及，并在此基础上进一步发展先进制造技术。2.3.1.2CAD系统的硬件CAD系统的硬件基本是由主机、常用外围设备和图形输入设备所组成（1）主机主机包括中央处理器（CPU）和内存储器，它是系统的中心，控制整个系统的工作、执行运算和逻辑分析。（2）外存储器外存储器有软盘、硬盘、磁带及光盘等。（3）图形输入设备包括鼠标器、数字化仪和光笔等。（4）3D物体输入设备计算机图形设备发展的重要方向是输入设备的功能从2D发展为3D，3D输入设备包括三大类。①3D物体直接转变为2D图像3D扫描仪能直接扫描物体，典型的产品如美国KanImage公司生产的扫描仪，称为Kanscan。另一种更为简单的设备是数字照相机，该相机拍摄的图像可存储在外接硬盘上，也可直接输入到PC机进行处理。②将3D物体转化为3D模型这类设备是通过手动的方法将3D物体的表面结构(线框)输入到计算机，形成计算机的3D线框图模型，直接用于真实感表示。3D数字化仪生成的文件可转化至DXF，IGES，WarefrontOBT等标准或常用的格式，以便和3DStudio等3D造型软件接口。③将3D物体自动转化为3D模型3D自动化数字化仪可自动地将3D物体的表面形状以及色彩的信息输入到计算机中，它利用激光和视频技术，能以极高的分辨率快速扫描3D物体，而不直接接触物体，因而无损于实际物体。经3D数字化仪扫描的物体，可将其数据传输到数控加工中心或快速成型设备上，从而可迅速地复制物体。（5）图形显示设备图形终端是交互式CAD系统的重要设备之一。在交互式CAD作99业过程中图形处理通常由图形显示器、键盘和鼠标器配合使用。图形显示器的核心部件是阴极射线管(CRT)、还有处理图像和指令的微处理机(DPV)及图形显示器本身所带的内存储器。图形显示终端具有图形输入输出两个功能，它与一般的字符终端不完全相同，它需要随机地显示图形，而且要求实时快速地更换和修改图形。（6）图形输出设备图形输出设备是以纸、胶片、塑料薄膜等物质为介质，输出人眼可视并能长期保存的图形的计算机外部设备。图形输出设备也可分为矢量型和光栅扫描型两大类。矢量型设备的作画机构随着图形的输出形状而移动并成像。绘图机属于矢量型设备。光栅扫描型设备的作画机构按光栅矩阵扫描整张图面，并按输出内容对图面成像。光栅扫描型图形输出设备包括点阵式打印机、热敏印刷机、静电印刷机、喷墨印刷机以及激光打印机等等。2.3.1.3当前CAD系统中常用的软件（1）AutoCAD软件AutoCAD是主要用于二维设计和绘图的软件。从10.0C版增加了三维造型功能，并为用户提供良好的二次开发环境。它是国内外应用较广的微机CAD软件，目前已推出2000版。（2）I—Deas软件I—Deas（IntegratedEngineeringAnalysisSoftware）是美国SDRC公司开发的。SDRC公司于1970年推出的第一个产品是模态分析，目前它的软件产品仍侧重于工程分析和产品建模。1993年3月发布的新版MasterSeries转向全面的CAD／CAE／CAM集成系统，主要包含9个模块：①二维图形设计和绘图模块。②三维几何造型模块。③有限元分析模块。④优化设计模块。⑤系统动力仿真模块。⑥桁架结构分析模块。⑦数据处理模块。⑧塑料模具设计分析模块。⑨数控加工模块。该软件可在工作站或微机上运行。（3）CADAM软件CADAM(Computer-GraphicsAugmentedDesignandManufacturing)是美国洛克希德飞机制造公司研究开发的大型CAD／CAM软件。主要功能有：①交互设计控制模块。②三维几何造型模块。③三维管路设计模块。④有限元分析模块。⑤数控加工模块。该软件可在工作站和微机上运行。在工作站上运行的CADAM称为“大CADAM，在微机上运行的称为“小CADAM。（4）UG-Ⅱ软件UG—Ⅱ(UNIGRAPHIS—Ⅱ)软件是美国麦道航空公司研究开发的，于80年代推出商品化软件，其主要功能有：①实体和曲面造型及绘图模块。②机构设计模块。③零件设计与装配模块。④注塑模流动分析模块。⑤有限元分析模块。⑥数控加工模块。UG的长处是复杂型面的设计与加工。（5）CATLA软件CATLA(Computer-GraphicsAidedThree-DimensionalInteractiveApplications)是法国达索(DassaultSystems)公司研究开发的，其曲面造型功能更为突出。主要功能有：①三维线框几何造型模块。②曲面设计与数控加工模块。③实体几何造型模块。④运动学模拟模块。该软件为工作站版本。（6）EUCLID软件该软件是法国MatraDatavision公司研究开发的，主要功能模块有：①几何造型模块。②自动绘图模块。③分析计算模块。④数据管理模块。该软件为工作站版。以上几种软件都是由国外开发的，近年来，国内自主版权的CAD软件开发的不少，100但规模不算太大。比较著名的有清华大学开发的CEMS软件，包括三维形体的定义输入模块、三维形体集合运行模块及变换输出等三个主要模块；华中理工大学软件公司开发的HustCAD，该软件是比较实用的CAD系统，面向于企业。目前推广应用前景乐观。2.3.2冲裁工艺CAD随着计算机技术的不断发展，CAD已逐步渗入材料加工的各个领域，并可有效的提高生产效率和产品质量，下面简要介绍冲裁工艺设计过程中CAD技术的应用。2.3.2.1概述冲压加工是建立在金属塑性变形基础上，利用模具和冲压设备对金属板料进行加工，以获得所需要的形状和尺寸。冲压模设计包括冲裁工艺分析计算、模具结构设计与模具图样绘制两大部分，其中冲压工艺设计是冲模设计中关键的一个环节，工艺设计结果直接影响模具的结构和生产的冲压产品质量。冲压工艺设计包括工艺性判断、毛坯展开、毛坯排样、工序设计与工艺方案确定。冲压工艺设计具有如下特点：（1）冲压工艺设计是一项经验性很强的工作，设计中所用到的一些经验性知识是靠设计人员在生产实践中不断摸索获得的。有些经验知识可以通过图表、公式等形式总结出来，供设计人员参考，但很大一部分经验知识则是无法用数学模型来表示的。（2）工艺设计过程是数值计算、数据检索、图形处理、符号处理及优化设计等的集合。在工艺设计中，尺寸的换算、间隙补偿量、展开尺寸计算、回弹量计算、拉深次数计算和冲压力计算等都是通过数值计算完成的。同时在设计中要通过查表检索大量设计参数。工艺设计的信息主要是以图形方式表达的。工艺设计往往有多种方案可供选择，在设计中不仅要考虑到设计的技术可行性，而且必须符合经济性原则，以最小的代价生产出满足需求的产品。因此存在着多种方案的优化设计问题。（3）工艺设计是一个创造性劳动过程。因为冲压产品是多种多样的，形状各异，变化复杂。在设计中，不仅需要设计人员掌握丰富的设计知识，而且要求设计人员能充分发挥自己的创造力，设计出各种冲压件的加工工艺。由上述特点可见，传统的手工设计没有固定的系统的