第1章 模具CAD概述

第1章模具CAD概述由于模具的设计与加工水平，直接关系到产品的质量与更新换代。故随着工业的发展，人们愈来愈关注如何缩短模具设计与加工的生产周期以及怎样提高模具加工质量，传统的模具设计与制造方法已不能适应产品及时更新换代和提高质量的要求。一些先进工业国家率先将计算机技术应用于模具工业，即应用计算机进行产品构型、工艺设计与成形工艺模拟，以及模具结构设计并输出模具图与编制模具加工代码应用NC和CNC机床加工模具，从而实现了模具CAD/CAE/CAM（计算机辅助设计、辅助工程和辅助制造）一体化系统，达到了提高模具设计效率与加工质量、缩短模具生产周期的目的。特别是近一年来，模具CAD/CAE/CAM技术发展很快，应用范围日益扩大，并取得了可观的经济效益。1.1CAD/CAE/CAM的基本概念CAD（ComputerAidedDesign）是利用计算机硬、软件系统辅助人们对产品或工程进行设计、绘图、工程分析与技术文档编制等设计活动的总称。CAD是人和机械相结合共同进行设计的一种新设计方法，从而使人和机器的最好特性联系起来。人的特性是具有思维、逻辑推理、学习以及直观判断的能力。而计算机具有运算速度快、精确度高、信息存储量大、不易忘与不易出错等特点。结合的方式是首先由人根据设计目标将设计过程与方法进行综合分析建立模型（包括数学模型、数据模型、几何模型），并编制成可运行的解析这种模型的程序。在程序运行过程中计算机将发挥其特长完成数值分析、计算、图形处理以及信息管理等任务。而人将运用自己的经验与判断能力来控制整个设计过程，这种控制是通过人—机对话或图形显示的方式进行，让人和计算机之间进行信息交流，相互取长补短，从而获得最优设计结果。由此可见，不能将CAD与计算机绘图等同起来，计算机绘图只是使用图形软件和硬件进行绘图及有关标注的一种以摆脱繁重的手工绘图为其目标的方法和技术。但它是CAD的基础技术之一。CAE（ComputerAidedEngineering）即计算机辅助工程技术。目前关于CAE还没有一个确切的定义，但一般认为它应是一个包含广泛内容的术语，是指用科学的方法（包括优化、数值模拟、仿真等）以计算机软件的形式，为工程界提供一种有效的辅助工具，帮助工程技术人员对产品的设计质量、性能以及加工工艺与制造过程等进行评价分析并反复修改和优化至获得最佳结果。也就是CAE技术将贯穿于产品研制过程的每一个环节中。但是对于模具CAE来讲目前仅局限于数值模拟方法，如注塑模CAE仅仅是用作注射成型过程计算机模拟和缺陷预测的软件，如注塑流动过程模拟、保压过程模拟、冷却过程模拟、气体辅助成型过程模拟，应力分析和翘曲分析等。冲模CAE主要是汽车覆盖件成形过程模拟，即应用数值模拟方法（包括有限差分法、有限元法和边界元法）分析金属成型过程中应力、应变和温度分布及预测成形缺陷（包括起皱、破裂等）。而压铸工艺CAE软件的核心是铸件充型、凝固过程的数值模拟。所以当前在模具CAE方面仅局限在用数值模拟方法模拟制品的成型过程及预测缺陷，由此分析出工艺方案及相应参数、模具结构对制品质量的影响，达到优化制品和模具结构、优选成形工艺参数的目的。CAM（计算机辅助制造，ComputerAidedManufacturing），一般是指利用计算机对产品制造过程进行设计、管理和控制。即利用计算机辅助从毛坯到产品制造过程中的直接和间接的活动。包括工艺准备（计算机辅助工艺设计（CAPP）、计算机辅助工装设计与制造、NC自动编程、工时定额和材料定额编制等）、生产作业计划、物料作业计划的运行控制（加工、装配、检测、输送、存贮等）、生产控制、质量控制等。但目前狭义CAM通常仅指数控程序的编制，可包括刀具路径的规划、刀位文件的生成、刀具轨迹仿真以及NC代码的生成等。CAD与CAM技术，自50年代末开始，分别独立地发展，至70年代末，在国际上，已出现许多性能优良的、商品化的CAD或CAM系统。CAE自60年代开始发展以来，至今，国内、外均已推出了一些独立的、商品化的CAE系统。这些独立的系统，分别在产品设计自动化、工艺过程模拟化和数控编程自动化方面起到了重要的作用。但是，采用这些各自独立的系统，不能实现系统之间信息的自动传递和交换。用CAD系统进行产品设计的结果，只能输出图纸和有关的技术文档，这些信息，不能直接为CAPP或CAE系统所接受。进行工艺过程设计与模拟分析时，还需由人工将这些图样、文档等纸面上的文件转换成CAPP或CAE系统所需的输入数据，并通过人机交互的方式输入给CAPP或CAE系统进行处理。利用独立的CAM系统进行计算机辅助数控编程时，同样需要由人工将CAD、CAPP系统输出的文件转换成CAM系统所需的输入文件和数据、然后再输入CAM系统。由于各独立系统所产生的信息，需经人工转换，这不但影响工程设计效率的进一步提高，而且，在人工转换过程中，难免发生错误，这将给生产带来极大的危害。为此需要解决CAD与CAPP、CAE、CAM之间的数据与信息交换的问题。而且由于在建立一些专用系统如模具CAD/CAM、机械CAD/CAM系统时也遇到采用不同的支撑软件则产生不同的产品数据结构，因此要使这些专用系统软件能接受不同支撑软件产生的产品数据信息也必需研究各系统间产品信息的交换问题，所以自70年代起人们开始研究产品信息的传递与交换，世界各国先后提出了许多数据交换标准。其中最有影响的是由美国国家标准协会（ANSI）公布的美国标准IGES（InitialGraphicsExchangeSpecification），它是CAD/CAM系统之间图形信息交换的一种规范。STEP（StandardfortheExchangeofProductModelData）是由国际标准化组织（ISO）组织制订的一个关于产品信息表达与交换的国际标准。STEP的目标是实现在产品生命周期内对产品数据进行完整一致的描述与数据交换以便无需人工解释就能使各应用系统直接接受并共享这些信息。目前很多CAD软件公司已开发出基于STEP的新一代CAD/CAPP/CAM集成系统。1.2模具CAD系统的硬件与软件组成模具CAD系统虽有其特点，但对硬、软件的基本功能要求与通用CAD系统是相同的，如要求具有：（1）图形显示功能因为模具CAD系统是一个人机交互设计的过程，在进行产品构型、模具结构设计以及模拟仿真时系统应保证用户能随时观察、修改其设计结果，使用户的操作都能从显示器上及时得到反馈，以便达到最佳设计结果。（2）存贮功能由于模具CAD系统运行时不仅需要有大量存贮在数据库中的静态数据，而且还有大量的中间运行产生的数据，如图形处理的数据、有限元网格划分的数据等，为了保证系统能够正常的运行，故必须配置容量较大的存贮设备，支持数据在各模块运行时的正确流通，同时工程数据库系统的运行也必须有足够的存贮空间。（3）输入输出功能在CAD系统运行过程中，用户需通过人机交互设计界面不断地将有关设计的要求与数据等输入计算机内，通过计算机的处理后能够输出系统处理的结果，且输入输出的信息既可以是数值的，也可以是图形数据与字符等。模具CAD系统为满足上述功能要求应配置相应的硬件与软件。1.2.1硬件模具CAD系统的硬件由主机、外部存储器、图形终端、输入输出设备等组成。图1-1所示为模具CAD系统的硬件组成。图1.1CAD系统的硬件组成1）主机是计算机的核心。由中央处理机（包括控制器、运算器）、存储器（又称内存）以及I/O接口构成。主机是控制及指挥整个系统并执行运算，逻辑分析的装置。计算机虽有大型、中型、小型以及微机之分，过去CAD系统以中、小型计算机为主，后随着32位超级微机的出现，一台单机的功能几乎可覆盖小型机与中型机，因此出现了由超级微机组成的CAD工作站，工作站上软件环境较一般微机好，特别是具有很强的图形处理能力，速度也快。近年来又出现了高档微机，主要是以Pentium微处理器作为CPU的计算机。而且一些大型通用CAD系统也有了微机上的版本，所以从目前情况看模具CAD系统完全可以采用高档微机。2）外存贮器是作为扩大存贮量，减低计算机成本而设置的一种辅助存贮装置，用来存放大量暂时不用而等待调用的程序或数据。当需使用外存储器中的信息时，CPU根据指令，通过控制器将这些信息调入到内存才能使用，如果要将计算结果送至外存中存储起来，也必须经主存储器才能写入外存储器中。目前用作外存储器的主要有磁带、硬磁盘和软磁盘、光盘等。3）图形终端包括图形显示器与键盘，是交互式CAD系统的关键设备之一。图形显示器按工作原理可分向量刷新式、存储管式和光栅扫描三种。在CAD系统中广泛使用的是光栅扫描式显示器，光栅扫描显示器采用光栅扫描方法产生图形。这些图形是由一连串的点组成的。在光栅扫描显示器上显示图形时，必须先将线条及字符信息转换为适合光栅显示的形式，这一过程叫做扫描转换。因为光栅扫描显示图形需存储每个像素的信息，所以需要较大的存储量。光栅扫描显示器不仅可以显显示设备图形显示器输入设备键盘、鼠标数字化仪挡描仪输出设备打印机绘图机硬拷贝机外存贮器磁盘、硬盘光盘、磁带通讯接口网卡Modem主机示线图，也可以显示灰度、亮度、色调不同的图，使图形具有真实感，也可以产生动态的图形，并且具有选择性删除功能。图形显示器是利用现代电子技术和计算机软件技术在显示屏上显示字符和图形，并能对字符、图形作实时的加工和处理的一种电子设备，图形显示器既能作为图形（或字符）的输入装置，又能作为输出设备。在CAD系统中也可同时配置字符显示器与图形显示器，字符显示器用于人机对话，图形显示器用于显示图形，设计者使用时更为方便。键盘是直接输入装置，其上设有字符键、功能键、控制键等多种按键，可输入程序、命令及数据，功能键还可以操作光标。图形显示器必须配有图形显示卡，图形显示卡也叫显示适配卡，简称显示卡，它通过总线与CPU和显示器相连，是CPU与显示器之间的接口，即视频控制电路。显示卡将显示缓冲存储器送出的信息转换成视频控制信号，用于控制显示器的显示。显示卡必须与显示器匹配，其性能好坏直接影响图形显示的速度及效果。显示卡大都制作成独立的卡插在主机扩展槽里，也有集成到主板上的。自20世纪80年代初以来，为增强图形显示功能，出现了带有图形处理功能的显示卡。这种卡既有高分辨率的显示控制功能，又有高性能2D/3D图形处理功能，减轻了对主机CPU处理图形的要求，使显示器图形显示功能大为增强。区分显示卡的重要标志是图形分辨率、色彩及速度。彩色显示卡的缓存容量决定了图形的分辨率和它的色彩数，若要求分辨率高，色彩多，则显示卡的存储器容量也要大。当显示卡的存储器容量一定时，若要求的色彩越多，则存储每个像素色彩描述数据所需要的位数就越多，而显示像素的总数就要相应减少，从而分辨率也就降低。这也是同一块显示卡用于多彩色显示时图形分辨率低，用于少彩色显示时图形分辨率高的原因。所谓分辨率是指屏幕上可识别的最大光点数。对相同尺寸的屏幕，光点数越多，每个光点就越精细，显示的图形就越精确。通常用水平方向的光点数与垂直方向的光点数表示显示器的分辨率，例如1024×768。事实上，将屏幕按光点直径的大小分成纵横相当的格子，将每个格子的坐标记入计算机内，当电子束向各坐标点移动时，电子束的轨迹就形成了所需的图形。因此，显示器上的每一条线都是由有限个点组成，这些点并不是几何上的点，而是象素点，很显然，屏幕上可分辨的象素点越多，分辨率越高，曲线的精度就越高。常见的微机显示器分辨率有多种模式，可达1024×1024以上。分辨率取决于CRT荧光屏所用的荧光物质的类型、聚焦机构、偏转机构及确定象素位置的计算机字长、存贮象素信息的介质、数模转换的精度和速度等等。4）输入设备有键盘、光标控制设备、数字化仪、扫描输入设备、语音输入等。（1）键盘键盘是一种最基本的输入设备，其主要功能是输入命令或数据。键盘上设有功能键和数字字符键。功能键通常由16至32个按键组成。这些按键可事先加以定义，使其对应于一定的功能，由于程序中已把这些键一个个地定义成某种功能，依据功能键进行操作时，按下某个键即意味