模具CADCAM讲稿

第一章 概 论

CAD/CAM（Computer Aided Design/Computer Aided Manufacturing），即计算机辅助设计与计算机辅助制造，是一门基于计算机技术而发展起来的、与机械设计和制造技术相互渗透相互结合的、多学科综合性的技术。 第一节 CAD/CAM发展历程及基本概念 一、CAD/CAM发展历程 1. CAD、CAM技术的发展历程

CAD技术从出现至今大致经历了五个阶段： （1）孕育形成阶段（20世纪50年代）。 （2）快速发展阶段（20世纪60年代）。 （3）成熟推广阶段（20世纪70年代。 （4）广泛应用阶段（20世纪80年代）。

（5）标准化、智能化、集成化阶段（20世纪80年代后期） 2. CAE技术的发展历程

CAE技术的发展大致经历了三个阶段： （1）技术探索阶段（20世纪60~70年代）。 （2）蓬勃发展时期（20世纪70~80年代）。 （3）成熟推广时期（20世纪90年代）。 二、CAD/CAM基本概念

一般认为，CAD是指工程技术人员在人和计算机组成的系统中，以计算机为辅助工具，通过计算机和CAD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、缩短产品开发周期、降低产品生产成本的目的。 CAD的功能可以大致归纳为四类，即几何建模、工程分析、动态模拟和自动绘图。

为了实现这些功能，一个完整的CAD系统应由科学计算、图形系统和工程数据库等组成。 科学计算包括有限元分析、可靠性分析、动态分析、产品的常规设计和优化设计等； 图形系统则包括几何造型、自动绘图、动态仿真等；

工程数据库对设计过程中需要使用和产生的数据、图形、文档等进行存储和管理。 CAM是指应用电子计算机来进行产品制造的统称，有狭义CAM和广义CAM。

狭义CAM指数控加工，它的输入信息是零件的工艺路线和工序内容，输出信息是加工时的刀位文件和数控程序。

广义CAM是利用计算机进行零件的工艺规划、数控程序编制、加工过程仿真等。 把计算机辅助设计和计算机辅助制造集成在一起，称为CAD/CAM系统、

把计算机辅助设计、计算机辅助制造和计算机辅助工程集成在一起，称为CAD/CAE/CAM系统。 CAD/CAM技术是一种在不断发展着的技术，随着相关技术及应用领域的发展和扩大，CAD/CAM技术的内涵也在不断扩展。 三、CAD/CAM系统组成

CAD/CAM系统由硬件系统和软件系统组成。硬件系统包括计算机和外部设备，软件系统则由系统软件、应用软件和专业软件组成。 第二节 CAD/CAM技术在模具行业中的应用

模具工业是国民经济的重要基础工业之一，模具是工业生产中的基础工艺装备，是一种高附加值的高技术密集型产品，也是高新技术产业化的重要领域，其技术水平的高低已成为衡量一个国家制造业水平的重要标志。 一、模具成形的特点

按照成形的特点，模具分为冲压模具、塑料模具、压铸模具、锻造模具、铸造模具、粉末冶金模具、玻璃模具、橡胶模具、陶瓷模具和简易模具等十大类。 模具成形技术具有如下特点： （１）生产率高 （２）制件质量好 （３）材料利用率高 （４）成本低

二、CAD/CAM技术在现代模具技术中的应用 1. CAD/CAM技术在冷冲模中的应用

上世纪50年代末期，国外一些科研院所便开始研究开发冷冲模CAD/CAM系统。

1971年，美国DieComp公司成功地开发了级进模计算机辅助设计系统PDDC。应用该系统可以完成冷冲模设计的全部过程，其中包括输入产品图形和技术条件；确定操作顺序、步距、空位、总工位数；绘制排样图；输出模具装配图、零件图和压力机床参数；生成数控线切割程序等。

1977年捷克金属加工工业研究院研制成功AKT系统，它可以用于简单、复合和连续冲裁模的设计和制造；

20世纪70年代末期，日本机械工程实验室和日本旭光学工业公司分别开发的连续模设计系统MEL和冲孔弯曲模系统PENTAX；

1982年日立公司研制了冲裁模CAD系统。使用这些系统进行模具设计制造，大大缩短了模具开发周期，降低了生产成本，提高了生产效率。

CAD/CAM在冷冲模具设计与制造中的应用，主要可归纳为以下几个方面： 1) 利用几何造型技术完成复杂模具几何设计。 2) 完成工艺分析计算，辅助成形工艺的设计。

3) 建立标准模具零件和结构的图形库，提高模具结构和模具零件设计效率。 4) 辅助完成绘图工作，输出模具零件图和装配图。 5) 利用计算机完成有限元分析和优化设计等数值计算工作。 6) 辅助完成模具加工工艺设计和NC编程。 2. CAD/CAM技术在塑料模中的应用

注射模CAD/CAM技术主要从两个方面对技术人员提供强有力的帮助：

一是应用CAE技术对模具进行有限元结构力学分析、流动分析模拟和冷却分析模拟等； 二是完成注射模结构CAD，包括塑料产品的建模、模具总体结构方案设计和零部件设计，数控仿真和数控程序生成，模具模拟装配、零件图和装配图的生成与绘制等。

20世纪60年代中期，英国、美国、加拿大等国学者完成注射过程一维流动与冷却分析； 70年代完成二维分析程序；

80年代开始对三维流动与冷却分析进行研究；

进入90年代，对流动、保压、冷却、应力分析注射成型全过程进行集成化研究，这些研究为开发实用的注射模CAE软件奠定了坚实的基础。 （１）塑料模具CAD/CAM系统的特点

１）模具成型部分的几何造型需要功能强大的三维图形系统支持。 ２）模具自由曲面一般采用数控加工。 ３）计算分析比较复杂。 ４）模拟分析软件。

（2）注射模CAD/CAE/CAM主要工作内容 1) 塑料制品的几何造型。

2) 模腔表面形状的生成。 3) 模具结构方案设计 4) 标准模架的选择。 5) 部装图和总装图的生成。 6) 模具零件图的生成。

7) 注射工艺条件及注射模材料的优选。 8) 注射流动及保压过程模拟。 9) 冷却过程分析。 10) 力学分析。 11) 数控加工。

三、模具CAD/CAM技术的优越性

CAD/CAM技术的优越性都是传统的模具设计制造方法所无法比拟的。 1) CAD/CAM可以提高模具设计和制造水平，从而提高模具质量。 2) CAD/CAM可以节省时间，提高效率。 3) CAD/CAM可以较大幅度降低成本。

4) CAD/CAM技术将技术人员从繁杂的计算、绘图和NC编程中解放出来，使其可以从事更多的创造性劳动。

5) 随着材料成形过程计算机模拟技术的发展、完善和模具CAD/CAE/CAM技术的应用，可大大提高模具的可靠性，缩短甚至不需要试模修模过程，提高模具设计制造的一次性成功率。 第三节 CAD/CAM技术发展趋势 一、集成化

CAD/CAM系统集成主要包含三层意思：

软件集成，扩充和完善一个CAD系统的功能，使一个产品设计过程的各阶段都能在单一的CAD系统中完成；

②CAD功能和CAM功能的集成；

③建立企业的CIMS系统，实现企业的物理集成、信息集成和功能集成。

CAD/CAM系统集成主要有以下几方面的工作： ①产品造型技术：实现参数化特征造型和变量化特征造型，以便建立包含几何、工艺、制造、管理等完整信息的产品数据模型； ②数据交换技术：积极向国际标准靠拢，实现异构环境下的信息集成； ③计算机图形处理技术； ④数据库管理技术等。 二、智能化

将人工智能技术、知识工程和专家系统技术引入到CAD/CAM领域中，形成智能的CAD/CAM系统。 三、标准化

随着CAD/CAM技术的快速发展和广泛应用，技术标准化问题愈显重要。CAD/CAM标准体系是开发应用CAD/CAM软件的基础，也是促进CAD/CAM技术普及应用的约束手段。 四、网络化 四、最优化

第二章 模具CAD／CAM系统的构成

第一节 模具CAD/CAM 系统的硬件 一、模具CAD/CAM 系统的硬件构成 （一）计算机主机 （二）外部存储器

常用的外部存储器有磁盘、磁带、光盘。 （三）输入、输出设备 1. 输入设备

模具CAD/CAM系统使用的输入设备主要包括：键盘、鼠标（图形板）、激光扫描机等。 2. 输出设备

模具CAD/CAM系统使用的输出设备主要包括：图形显示器、绘图设备、快速成形机。 二、CAD/CAM硬件系统的配置 个人计算机（Personal Computer） 第二节 模具CAD/CAM系统的软件

模具CAD/CAM系统除必要的硬件设备外，还必须配备相应的软件。模具CAD/CAM的软件可分为系统软件、支撑软件和应用软件三个层面。 一、系统软件

系统软件（System Software）指的是在计算机运行状态下，保证用户正确而方便的工作的那一部分软件，包括操作系统、汇编系统、编译系统和诊断系统等。 操作系统是用户和计算机之间的接口，使用户能够有效的使用计算机。操作系统全面管理计算机资源，合理的组织计算机的工作流程。操作系统是每一计算机系统都具有的系统软件，如DOS、UNIX、LINUX、WINDOWS等。 二、支撑软件

模具CAD/CAM系统的支撑软件主要包括图形处理软件、几何造型软件、有限元分析软件、数据库管理软件、优化设计软件、计算机仿真分析应用软件、数控加工软件、检测与质量控制软件等。

（一）图形处理软件

图形处理包括对图形的定义、图形的生成、表示、变换、修改等一系列操作。图形处理软件是进行图形处理的专用软件，它是计算机与图形输出装置的中间连接者，其功能是实现图形与数据之间的 转换。图形处理软件就是常说的图形支撑软件它是一种通用的基础软件，在此基础上，可进行第二次开发，研制适合用于各专业的应用软件。图形处理软件是模具CAD/CAM系统中的重要支撑软件。 1. 图形处理软件的类型

图形处理软件可分为绘图子程序库、绘图语言和专用语言系统三种类型。这些软件都应具有人机交互处理图形的功能。

（1）绘图子程序库 绘图子程序库又称图形软件包。它是一系列与图形有关的子程序的集合。利用这种图形软件包，可大大提高编程的效率。在编写复杂图形的绘图软件时，只要编写一个主程序来调用软件包中的程序就行了。

图形软件包，一般包括基本子程序和功能子程序，也有的包括应用子程序。

基本子程序包括绘图所必须的最基本的功能。如绘图初始化、启动图形输出设备、几何计算、几何变化、画直线、圆、注写字符等应用子程序。

功能子程序包括画各种图线、各种轴线、各种基本的直线图形、曲线图形等子程序。 应用子程序是在上述两种子程序的基础上开发的专用程序，如画轴测图、透视图、机械图、等值线图、标高投影、电路图、管道图等子程序。

（2）绘图语言 绘图语言是在一种高级语言的基础上，经过修改、添加图形功能而成。这种绘图语言不需要独立的编译系统，但由于要改动、扩充高级语言的编译系统，因此要求研制人员对该高级语言的编译系统要比较熟悉，故研制这种图形处理软件比研究制图子程序库要复杂些，而且不可移植，其优点是执行速度较快。 （3）专用的图形设计语言 这种专用的语言系统，独立于其他高级语言，有自己单独的编译系统。因此研制相当困难。工作量大。且难以移植到其他机器上。其优点是直观易懂、使用灵活、功能强、执行速度快、效率高。

2. 对图形处理软件的要求 （1）实用性 （2）功能强

（3）执行速度快、效率高 （4）容错性

3. 图形处理软件的标准化

标准化了的图形包又称为图形标准，它必须作到：

①设备无关性。即与系统内所配置的图形设备的种类、数量、性能、参数等无关； ②与应用软件无关，即通用性，可用于开发各种应用软件，各种图形应用软件可用同一方式调用图形标准；

③与语言无关，即可被各种程序设计语言调用；

④具有较完整的图形处理功能，如图形的生成、表示、变换、分段、输入等。

1977年，美国计算机协会（ACM）的图示学专业组（SIG-GRAPH）“图示学标准起草委员会”（GSPC）提出了图形标准GSPC77（即CORE系统），1979年进行了修订扩充。

1979年提出了一个二维图形GKS（Graphical Kernel System）,与繁杂庞大的CORE不同，GKS使用了工作站的概念，清晰简洁，小巧玲珑，经过多次修改。

1983年，修改后的GKS7.2版被国际标准化组织（ISO）定为国际图形标准。

GKS标准图形软件包，为图形应用软件和图形输入输出设备提供了一个功能接口，它包括各种交互的或者非交互的基本功能，适用于各种设备。 （二）数据库系统

在模具CAD/CAM系统中，几乎所有应用软件都离不开数据库。提高模具CAD/CAM系统的集成化程度主要取决于数据库的水平。

数据库主要是收集有关产品外形结构定义（如造型、绘图、加工、有限元分析等）和相应的有关信息。

传统的数据库管理系统运用于CAD/CAM系统有许多缺陷：

1)基于文件系统的数据库系统。它的特点是根据设计需要编制数据库管理程序，不具备理论化的设计模型和数据库语言，缺乏通用性。

2）不能完全满足工程环境中信息表达的要求，如表达复杂实体中各元素的联系非常困难、缺乏动态模式修改能力等。

3）不能支持整个工程应用过程，对不同阶段要求不同方面信息这一特点缺乏支持，对过程性信息的支持较弱。 4）存取的效率很低。

随着CAD/CAM/CAE/CAPP集成化软件系统的发展，为了解决传统数据库的缺陷继而出现了工程数据库，它具有以下主要功能：

1）支持复杂对象及其语义关系的描述与处理。复杂对象和存在于复杂对象之间语义关系的复杂性是工程的特点之一。 2）支持文字、图形、图像、动画等多媒体数据的管理。 3）是动态数据库，不仅能对静态数据建模，而且能对动态数据建模，允许动态地对数据库进行修改或扩充。

4）支持快速查询，有良好的查询接口。

5）支持不同设计版本的存储与管理，支持多方案设计和回溯的功能，具有良好的多级版本管理功能。

第三节 模具CAD/CAM系统的网络配置

利用通信系统将计算机与计算机以及相关的外部设备相连即可构成网络。

局域网（Local Area Network,简称LAN）能够以最高效率、最低成本在本地区范围内将计算机、终端、工作站以及常用的计算机外部设备连接成一个网络系统。

通过国际互联网（Internet）非常方便地实现全球资源共享，可以通过网络电子商务完成从采购至销售的一系列环节。

一、模具CAD/CAM系统常用的局域网络系统形式： （一）集中式CAD/CAM系统 （二）分布式CAD/CAM系统

局域网特点是传输速度高、组网灵活，成本低。连网以后，可以实现数据、信息、软件、硬件资源的共享。更为有效的利用现有资源和提高工作效率。 广域网的典型代表是Internet网。

组织局域网的方式很多，但采用最多的是总线形、环形和星形网络结构。 1. 总线形网络结构

2. 环形网络结构 3. 星形网络结构

二、CAD/CAM网络系统硬件设备

网卡插在计算机或服务器扩展槽中，通过网络线（如双绞线、同轴电缆或光纤）与网络交换数据、共享资源。

集线器(HUB)是局域网的星型连接点，每个工作站是用双绞线连接到集线器上，由集线器对工作站进行集中管理。

网络传输介质是网络中传输数据、连接各网络站点的实体，如双绞线、同轴电缆、光纤，网络信息还可以利用无线电系统、微波无线系统和红外技术传输。 常用局域网互连设备还有中继器、网桥、路由器以及网关等。 三、网络协议 （一）NETBEUI协议

NETBEUI是为IBM开发的非路由协议，用于携带NETBIOS通信。NETBEUI缺乏路由和网络层寻址功能，既是其最大的优点，也是其最大的缺点。因为它不需要附加的网络地址和网络层头尾，所以很快且很有效，适用于只有单个网络的小工作组环境。。 （二）IPX/SPX协议

IPX是NOVELL用于NETWARE客户端/服务器的协议群组，避免了NETBEUI的弱点。但是，带来了新的不同弱点。 （三）TCP/IP协议

每种网络协议都有自己的优点，但是只有TCP/IP允许与Internet完全的连接。TCP/IP同时具备了可扩展性和可靠性的需求，不幸的是牺牲了速度和效率，TCP/IP的开发荣幸地受到了政府的资助，因此得到了迅速的推广。

Internet公用化以后，人们开始发现全球网的强大功能。Internet的普遍性是TCP/IP至今仍然使用的原因。常常在没有意识到的情况下，用户就在自己的PC上安装了TCP/IP栈，从而使该网络协议在全球应用最广。

由于TCP/IP的32位寻址功能方案不足以支持即将加入Internet的主机和网络数，因而新的IPv6标准可能代替当前实现的标准。

第三章 模具CAD/CAM常用软件

第一节 各种流行的CAD／CAM软件

AutoCAD是应用最广泛的CAD软件，它优良的二次开发工具使其能够活跃在各类CAD专业领域。

CAXA是国产CAD/CAM软件，其初级产品CAXA电子图板具有较广泛的应用，可帮助设计人员进行零件图、装配图、工艺图表、平面包装的设计。

Solidedge是三维CAD系统，它向用户提供了从三维零件建模，装配设计到最终的二维图制作的一整套完善的CAD工具。

SolidWorks是基于Windows的机械设计软件，是以Windows为平台，以SolidWorks为核心的各种应用的集成，包括结构分析、运动分析、工程数据管理和数控加工等。

Pro/Engineer简称Pro/E，是一个面向机械工程的CAD系统。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CAD/CAE/CAM的传统观念。

UG-Ⅱ是一个集CAD、CAE和CAM于一体的机械工程辅助系统，UG-Ⅱ为用户提供了一个全面的产品建模系统。

PowerMill是基于Windows的能够自动生成零件刀具轨迹，以及进行零件加工的NC代码，具有强大的通用后置处理模块的辅助制造软件。

Mastercam为PC级CAM软件。 Mastercam包括了铣削加工(milling)，车削加工(turning)，线切割加工(wire EDM)等主要模块，适用于机械设计与制造的各个领域。 Cimatron系统是以色列的CAD/CAM/PDM产品，该系统提供了比较灵活的用户界面，优良的三维造型、工程绘图，全面的数控加工，各种通用、专用数据接口以及集成化的产品数据管理。

CATIA系统是在起源于航空工业的CADAM系统基础上扩充开发的CAD/CAM/CAE/PDM应用系统。

第二节 新生代CAD/CAM软件——Pro/Engineer

Pro/Engineer是美国参数技术公司推出的基于Windows的设计软件，是基于Windows平台的全参数化特征造型软件，它可以十分方便地实现复杂的三维零件实体造型、复杂装配和生成工程图。图形界面友好，用户易学易用。是国内最受欢迎的3D CAD/CAM系统 一、Pro/Engineer的三维设计功能介绍 其主要功能特点如下： （1）操作界面友好 （2）协同工作 3D Content Central 是一个崭新的在线资源库，集成在Pro/Engineer内。用户可以通过此插件在互联网找到世界著名的零部件供货商，并下载库中的几百万个零部件。用户只需查询供应商的产品在线目录，直接下载三维实体模型，而不需要二次建模。 （3）装配设计 （4）工程图

SolidWorks 提供了生成完整的、车间认可的详细工程图的工具。工程图是全相关的，当你修改工程图时，三维实体模型、各个视图、装配体都会自动更新。 从三维实体模型中自动产生工程图，包括视图、尺寸和标注。 （5） 零件建模

Pro/Engineer 提供了基于特征的实体建模功能。通过拉伸、旋转、抽壳、扫描、放样、阵列、镜像以及打孔、倒圆角、倒角等操作来实现产品的设计。通过对特征和草图的动态修改，用拖拽的方式实现实时的设计修改。三维草图功能为扫描、放样生成三维草图路径，或为管道、电缆等管线生成延伸路径。 （6）曲面建模

通过Pro/Engineer带控制线的扫描、放样、填充以及拖动可控制的相关操作产生复杂的曲面。可以直观地对曲面进行修剪、延伸、倒角和缝合等曲面的操作。 二、Pro/Engineer的零件建模

Pro/Engineer是基于特征的工程造型软件，所谓特征是一种用参数驱动的模型。特征之间可以相互堆砌，也可以相互剪切。特征造型就是应用各种特征来组合生成所需要零件的方法。Pro/Engineer提供了一系列特征造型工具供用户进行零件建模。表3-8中列出了Pro/Engineer提供的特征造型工具。 表3-8 Pro/Engineer特征造型工具

Pro/Engineer的基本特征建立在二维草图的基础上，而二维草图又建立在基准平面之上。 建立一个零件的实体建模文件时，具有三个初始的相互正交的基准平面——前视面、俯视面和右视面。可以从基准平面派生出其他基准平面。派生的基准平面可以和原先的基准平面平行并相隔一定距离，也可以与原先的基准平面构成一定的旋转角度。从已经生成的三维实体中的平面或特征点也可以派生出基准平面。

草图有二维草图和三维草图之分，二维草图应用广泛，是建立基本特征的基础，三维草图仅用于产生扫描路径等不多的场合。二维草图创建于基准平面，由直线、圆弧、圆、椭圆、样

条曲线、中心线和文字等图形构成。在二维草图的图形中可以建立起尺寸约束和几何约束。所谓尺寸约束是指通过改变尺寸来改变图形，即尺寸驱动图形。几何约束包括水平、垂直、平行、正交、相切、相等、同圆心、对称等。在绘图时会自动生成一些几何约束，也可以在修改图形时增加和删除几何约束。二维草图的绘制类同于AutoCAD，并兼容AutoCAD命令，但由于具有尺寸驱动图形的功能，二维草图的图形绘制比AutoCAD更胜一筹。Pro/Engineer的零件实体建模通过以下特征造型工具完成。

（1） 拉伸（Extrude）特征 以一个二维草图为基础，将二维草图沿一个垂直方向或同时沿另一相反方向拉伸成三维实体。拉伸时可以设置拔模斜度。在三维实体上去除材料的拉伸特征称为拉伸切除。

（2） 旋转(Revolve)特征 通过环绕中心线旋转二维草图轮廓线来生成三维实体。在三维实体上去除材料的旋转特征称为旋转切除。

（3） 扫描(Sweep)特征 通过沿着一条二维草图或三维草图指定的路径移动二维草图生成三维实体，可以通过引导线来控制三维实体的中间形状。 上述3个特征均建立在草图基础之上，可以利用来生成零件三维实体的基体，所以又称为基本特征。表3-8中列出的其他特征则用来对三维实体进行操作，不一定需要草图。 （4） 倒圆角（Fillet）特征 用来对三维实体进行倒圆角操作。 （5） 倒角（Chamfer）特征 用来对三维实体进行倒角操作。 （6） 拔模（Draft）特征 用来生成拔模斜度。

（7） 钻孔（Hole）特征 分成简单直孔和异形孔。简单直孔特征可以在三维实体上制作一个直圆孔。异形孔特征用于生成螺孔等，它包含两个草图，其中一个草图包含表示孔数量和位置的点，另一个草图包含表示孔形状的图形。修改上述第一个草图可以改变孔的数量和位置，修改上述第二个草图可以改变孔的形状。

（8） 抽壳（Shell）特征 去除零件内部的材料，生成空心零件，空心零件可以有若干个面敞开，对应于各个面的壁厚也可不同。

（9） 加厚（Thicken）特征 用来处理曲面，把曲面生成一定的厚度，使之变为实体模型。

（10） 筋（Rib）特征 用来产生筋板，对塑料件设计很有用。筋特征建立在草图基础之上。

（11） 圆顶(Dome)特征 将平面拉伸成一定高度的球面或椭球面。

（12） 特型(Shape)特征 在三维实体上生成具有可控曲面的实体，可以用点（草图点、端点、顶点等）、草图、边线和曲线对曲面形状进行控制。

（13） 阵列（Pattern)特征 对选定特征进行阵列复制，共有线性阵列、圆周阵列、曲线阵列、草图阵列和表格阵列5种形式。线性阵列对选定特征沿一个方向或两个方向作线性分布阵列复制。圆周阵列对选定特征作圆周分布阵列复制。曲线阵列对选定特征沿曲线分布进行阵列复制。草图阵列对选定特征根据草图上点的位置进行阵列复制。表格阵列则根据表格数据定义的位置对选定特征进行阵列复制。

（14） 镜像（Mirror）特征 对已有特征或三维实体作镜像复制，产生对称于所选平面的镜像实体。

（15） 型腔（Cavity）特征 用一个零件减去另一个零件，常用来产生模具型腔和型芯。 （16） 连接（Join）特征 把两个零件连接成一个零件。 （17） 分割（Split）特征 把一个零件分割开。 三、Pro/Engineer的曲面和曲线特征

除了上述零件建模特征外，SolidWorks还具有丰富的曲面和曲线特征，用于辅助零件建模。 1. 曲面特征

曲面是没有厚度的一种几何图元。 生成曲面的方法有

① 用闭环草图或基准面上的闭环边线生成平面；

② 从草图拉伸、旋转、扫描和放样生成曲面，方法与零件建模相同； ③ 从已有的曲面或零件面生成等距曲面； ④ 从零件实体产生中面； ⑤ 生成圆角曲面；

⑥ 生成填充曲面； ⑦ 复制曲面；

⑧ 从输入文件得到曲面，如从IGES格式文件得到曲面。 修改曲面的方法有 ① 延伸曲面； ② 裁剪曲面； ③ 延展曲面； ④ 移动曲面； ⑤ 删除曲面； ⑥ 替换曲面； ⑦ 缝合曲面。

曲面用于零件建模的场合有

① 选取曲面的边线和顶点作为扫描的引导线和路径； ② 加厚曲面来生成实体或切除实体； ③ 缝合曲面并加厚使包围区域成为实体； ④ 隐藏或显示实体和曲面；

⑤ 曲面作为拉伸实体的终止条件； ⑥ 用曲面作为实体的替换面。 2. 曲线特征

曲线是无宽度和厚度的一种几何图元。

除了二维草图中的平面曲线外，我们还有下列几种三维曲线： ① 从草图投影到模型面或曲面上的投影曲线；

② 由曲线、草图线和模型边线组合生成的组合曲线； ③ 用曲线工具生成的螺旋线或涡状线；

④ 从草图曲线投影到模型面上生成的分割线； ⑤ 通过模型点或自由点的样条曲线。

曲线可以用于零件实体建模，如将曲线用作扫描时的路径和引导线、放样时的引导线、拔模时的分割线，等等。

四、Pro/Engineer的装配体

Pro/Engineer支持自下而上和自上而下两种设计装配体的方法，也可以结合两种方法设计一个装配体。

自下而上的设计方法属于归纳设计方法，它先生成组成装配体的所有零部件，然后将它们插入装配体中，根据各个零部件间的配合关系将它们组装起来。这种方法的优点是零部件的独立设计，相互关系及重建行为比较简单。用户可以专注于单个零件的设计工作。 自上而下的设计方法属于演绎设计方法，它从装配体中开始设计，用户可以从一个零件的几何体来定义另一个零件。自上而下的设计次序一般以布局草图为设计的开端，然后定义固定的零件位置、基准面等，参考这些定义来设计零件。自上而下的设计方法更符合经典的设计思想，突出零件之间的相互联系。

SolidWorks的装配体操作有插入零部件、移动和旋转零部件、装配零部件、检测装配效果及产生爆炸效果图。

插入零部件可以把已经生成的Pro/Engineer零件或装配体插入到装配体中。插入后的零部件可用鼠标拖动及旋转以便装配。零件的装配关系分为平面配合与圆柱面配合两种方式。平面配合有共面、平行、垂直和角度四种关系。圆柱面配合有轴线共线、平行、垂直和角度四种关系。Pro/Engineer可以对装配体进行干涉检测，检查装配面的间隙和干涉情况。Pro/Engineer还可以完成装配体的爆炸效果图来充分展现零件之间的装配过程。 五、Pro/Engineers的工程图

对于已经生成的零件实体和装配体，Pro/Engineer具有工程图的功能。工程图可以编辑图样格式，生成标准三视图，生成轴测视图、模型视图等命名视图以及派生视图。Pro/Engineer提供了多种类型的派生视图。对于视图的某一部分，如果因为图形太小而不能清楚表达，用户可以生成一个局部视图来放大这一部分。借助于剖切线，可以生成常用的全剖视图、半剖视图、阶梯剖视图、旋转剖视图、断开的剖视图和局部剖视图。在所选视图的左边、右边、

上边或下边可以生成投影视图。对于现有视图的直边，能够产生向该边垂直方向投影的辅助视图。对于现有视图中的平面，能够产生向该平面垂直方向投影的相对视图。

SolidWorks可以把构筑零件特征时的尺寸带入到工程图中，尺寸标注的类型有常用尺寸、基准尺寸、尺寸链、参考尺寸、倒角尺寸等。形位公差、表面粗糙度和技术要求等被作为注解加入到工程图中。工程图、装配体和零件实体之间的尺寸是互相关联的，修改其中任一尺寸，其他两个文件中的尺寸及其几何形状都会发生同样的改动，这样就保证了设计数据的一致性。

装配体的工程图可以自动生成零件明细表，插入零件序号。零件明细表会跟随装配体添加、删除或替换零部件自动更新变化。 六、Pro/Engineer的模具设计插件

利用Pro/Engineer很快就可以完成标准模架的三维设计。模具设计师只需要选择供应商、模架类型、尺寸规格、模板厚度以及其他参数就可以生成模架的三维模型实体。设计师的精力可以集中在模具设计的关键处，如型腔和型芯的设计、流道和浇口的安排、冷却管道的布置等。

Pro/Engineer能够提供国际一流模架生产厂商的标准模架，如DME、Superior、PCS、HASCO、Progressive等。

除了完整的装配模架以外，MoldBase还提供大量的模具标准件，例如：螺栓、顶杆、顶管、定位环、A型模板、B型模板、返回杆、圆柱销、圆锥销、直导套、带肩导套、注口套、支承柱、轴衬等。

Pro/Engineer还为模具设计提供了常用的造型特征：平底沉孔、埋头螺孔、螺纹、穿过若干模板的系列孔、管接头、管螺纹孔等。

Pro/Engineer提供给模具设计师新的工具来消除耗时的工作。新的凹模和凸模命令使得两个主要模具零件设计实现了自动化。用户只需制定好模具钢材的尺寸，Pro/Engineer就会自动完成剩下的工作。过切分析在生产模具前能够自动检测潜在的问题，节省了模具制造工厂的时间和金钱。新的表面合模命令能够自动定位和封闭凹模和凸模。厚度分析工具能够检测模型的各个部分，避免流体经过模具受限制的部位或避免成品的缺陷。新的工具可以自动创建分模线，分模表面和有效的排气孔。 七、Pro/Engineer的其他功能

Pro/Engineer提供的钣金设计能力，可以直接使用各种类型的法兰、薄片等钣金特征。正交切除、角处理以及边线切口等处理手法，使钣金操作变得非常容易。同样对于冷冲压模具设计，弯曲件的展开也变得非常简便易行。

Pro/Engineer首创将结构分析的功能嵌在CAD环境中。Pro/Engineer软件可进行设计的工程师可以直接对设计的零件进行有限元分析，对产品的性能进行评估，而不必花费大量的时间和金钱去制造昂贵的样机。

Pro/Engineer能够直接模拟机械机构运动干涉的情况，减少了建造样机所需的时间和费用。驱动机械运动的模型有：电动机、弹簧、重力等，同时还具有记录和播放的功能。 Pro/Engineers的零件和装配体渲染成美观的具有真实效果的图片。

Pro/E是美国参数化公司于1986年开发而成的。由于问世较晚，有条件采用近几年CAD方面的一些先进理论和技术，因此起点较高。如Pro/E采用了先进的基于特征的参数化设计技术，使设计工作十分灵活和简便。在产品信息模型方面，Pro/E把所有功能模块建立在统一的数据结构上，提供了所有工程项目之间的全关联，真正实现了CAD/CAE/CAM的有机集成。用户可以同时对同一产品进行并行的设计工作，从而可以提高设计质量，缩短开发周期。 PRO/ENGINEER仅生成实体模型来描述工程师所设计的产品模型，不再应用线框和表面模型转换成实体模型的手段，思路清晰。由于它有完整而统一的模型，在整个设计的相关环节上反映出来。

PRO/ENGINEER采用基于参数化，特征设计的三维实体造型系统，这样便于在新产品的开发中实现概念设计，也可方便的依照工业标准的零件族概念建库。

PTC公司的I系列建立在新一代实体CAD/CAE/CAM解决方案之上，它是那些把产品设计信息的价值延伸到桌面用户及整个企业的应用程序的后续产品，它能让用户访问到产品开发生命周期中每个阶段的产品信息。I系列提供了一些集成工具使开发流成自动化，并能管理设计更改，它具有以下特点：创新、互操能力、以为中心、直观以及个性化。

Pro/ENGINEER软件开发环境在支持并行工程方面是独一无二的。通过一系列完全相关

的模块——它们能表达产品的外型，装配及其功能——Pro/ENGINEER能够把多个部门同时致力于同一产品模型中。这包括在工业设计和机械设计方面的多项功能，包括对大型装配的管理，制造，产品数据管理等等。Pro/ENGINEER还提供了目前所能达到的最全面，集成最紧密的产品开发环境。

硬件独立：Pro/ENGINEER可以在所主要的UNIX、WindowsNT及WindowsXP平台上运行，并且在每个平台上保持同样的外观，使用起来的感觉也一样；用户根据需要选择最经济的硬件配置，也可以选择异型结构的多种平台。由于Pro/ENGINEER独特的数据结构模式，产品信息可以毫无困难的在不同平台间互流。

Pro/ENGINEER用户界面简洁，概念清晰，符合工程技术人员的设计与习惯。

Pro/E是一个 大型软件包，由多个功能模块组成，每一个模块都有自己独立的功能这类似软件公司的Office办公套软件。用户可以根据需要调用其中一个模块进行设计，各个模块创建的文件有不同的文件扩展名。此外，高级用户还可以调用系统的附加模块或者使用软件进行二次开发工作。下面介绍其中最常用的5个模块的用途。 1．草绘模块

草绘模块用于绘制和编制二维平面草图。二维草绘制在三维建摸中具有非常重要的作用，是使用零件模块进行三维建摸是的重要步骤。在使用零件模块建立三维特征是 ，如需要进行二维草绘制，系统会自动切换至草绘模块。同时，在零件模块中绘制二维平面草图时，也可以直接读取在草绘模块下 绘制并存储的文件。 2．零件模块

零件模块用于创建三维模型。由于创建三维模型是使用Pro/E进行产品设计和开发的主要目的，因此零件模块也是 参数化实体造型最基本和最核心的模块。

Pro/E建模方法模仿真实的机械加工过程：首先创建基础特征，这就相当于在机械加工之前生产毛坯；然后在基础特征上创建放置特征，如创建圆、倒角、筋特征等，每添加一个就相当于一道机械加工工序。 3．零件装配模块

装配就是将多个零件按实际的生产流程组装成一个部件或完整的产品的过程。在组装过程，用户可以添加新零件或是对己有的零件进行编辑修改。

使用Pro/E的零件装配块模块可以轻松完成所有零件的装配工作。在装配过程中，按照装配要求，还可以临时修改零件的尺寸参数，并且系统使用爆炸图的方式来显示所有零件相互之间的位置关系，非常直观。 4．曲面模块

曲面模块用于创建各种类型的曲面特征。使用曲面模块创建曲面特征的基本方法和步骤与使用零件模块创建三维实体特征非常类似。这里需要特别指出的是，曲面特征不具有厚度、质量、密度以及体积等物理属性。但是，通过对曲面特征进行适当的操作可以使用曲面来围成实体特征的表面，还可以把自由曲面围成的模型转化为实体模型。 5．工程图模块

使用零件模块和曲面模块创建三维模型后，接下来的工作就是在生产第一线将三维模型变为产品。这时，设计者必须将零件二维工程图送到加工现场，用于指导生产加工过程。

第四章 冲压模具CAD

各种模具中以塑料注射模具及金属冷冲压模具居多，这两类模具大约占到模具总量的90%，所以模具CAD系统的研发和推广大都围绕塑料注射模具和金属冷冲压模具展开。

第一节 冲压模具基础知识

对应于各种冷冲压加工工艺，存在着各种类型的冷冲压模具，如冲孔模、落料模、切边模、剖切模、弯曲模、拉深模、等等。 按照模具的导向方法分类，冷冲压模具又可以分成为无导向模、导柱模、导板模和导筒模等。 按照模具的卸料方法分类，有刚性卸料模和弹性卸料模。 对模具CAD有重要影响的分类特征是冲压零件的空间特征，依此可分成二维类冲压模具、三维类冲压模具以及介于其中的二维半冲压模具。二维类冲压模具包括了弯曲模具和大部分冲裁模具；三维类冲压模具包括各种除轴对称外的空间成形及冲裁模具；二维半冲压模具包括各种轴对称空间成形模具，如大部分拉深模、挤压模、翻边模等。 根据冷冲压零件图样设计冷冲压模具时，首先要分析该零件的冲压工艺性。只有适合用冷冲压工艺生产的零件才需要进行冷冲压模具设计，否则需改用其他工艺生产，或者修改零件设计，使其适合用冷冲压方法加工。

如果一个零件适合用冲压方法加工，那么就需要确定一种合理的冲压加工方案。 设计冷冲压模具过程中还需要进行各种工艺计算。 为了选择冲压设备和设计模具往往需要计算冲压力。 计算压力中心就是要求出冲压力合力的作用点，该合力作用点应该尽量安排在压力机滑块中心处。

为了提高材料利用率，节省宝贵的金属板料资源，应该对冲压件作出合理的排样。 为了提高模具抗磨损性以及提高冲压件的制造精度，需要合理计算模具工作部分的尺寸和制造公差。

模具间隙是一个重要的工艺参数，合理的模具间隙对于模具寿命和冲压件的质量都是至关重要的。

在绘制模具图样之前，还需要先确定好模具的结构型式：如送料方向是采用直向送料还是横向送料，是否采用导柱导向，采用何种型式的模架，是否采用弹性卸料装置，采用简单模、复合模还是连续模，等等。

确定好模具的结构型式之后就可以绘制冷冲压模具装配图样，当然在绘图过程中，对模具的某些结构还可能作变动，变动时还需要进行必要的计算工作。完成了装配图样，再分拆绘制各个零件图样。整套图样绘制完成之后，为了保证能够加工出合用的模具，对全套图样还必须进行认真地校核。

第二节 冲裁模CAD系统的特点

根据冷冲压模具的分类，弯曲模及大部分冲裁模可以归属到二维CAD范畴；轴对称类型的拉深模、挤压模、翻边模等可归属到二维半CAD范畴；其他模具均可归入三维CAD范畴。二维半指其加工零件的变形是空间三维形式，但该变形可以用径向和轴向两个参数进行数学描述，二维半可以简化成二维CAD进行处理。二维CAD和三维CAD存在较大的差异。

DCAD冲裁模系统是一个可用于教学的冷冲压模具计算机辅助设计和辅助制造系统，目前主要用在冲裁模具的设计和制造。DCAD冲裁模系统以通用计算机辅助设计软件AutoCAD为基础软件，采用AutoCAD内嵌语言AutoLISP进行开发。

由于DCAD系统采用了通用计算机辅助设计软件AutoCAD作为基础软件，因此在计算机硬件平台方面的选择余地相当大。可以运行DCAD冲裁模系统的计算机包括了大多数个人电脑和CAD工作站。美国苹果电脑公司的个人电脑以及一些专用的CAD图形工作站也是通用计算机辅助设计软件AutoCAD的运行平台，因此在这些计算机硬件平台上也可以运行DCAD冲裁模系统。同样，DCAD冲裁模系统可以采用的计算机外部设备的种类和品种也非常丰富，如各种型号的鼠标器、数字化仪、打印机硬件绘图仪等。硬件设备的灵活配置为DCAD冲裁模系统的灵活配置带来了极大的便利，工厂企业可以根据资金情况进行恰当的硬件配置，也可以分阶段添置硬件设备，或者对计算机实行升级，提高系统的综合性能。

DCAD冲裁模系统是一个能够不断开发和完善，提高系统性能的冷冲压模具设计系统。目前DCAD冲裁模系统已经建成的部分能够完成冲裁件简单模、复合模以及连续模的大部分设计，另有少量设计可以通过人机交互方式在计算机上完成或进行修改。在系统的发展过程中，也可以派生出一些专门系统，如大规模集成电路引线框架精密级进模CAD系统、数控冲床CAM系统等。

在工艺设计方面，冲裁模系统能够完成：计算模具刃口尺寸、计算冲压力和压力中心、计算模具间隙、选择模具典型组合、确定模具标准零件的规格和数量、进行冲裁件排样、等等。 在冲压模具的制造和加工方面，冲裁模系统能够完成二轴数控机床加工指令的自动编制，如生成数控线切割机床的3B或４Ｂ加工指令，坐标磨床或数控铣床的ISO标准数控加工指令。 冲裁模系统能够直接绘制出工程图样的模具标准件有：导柱、导套、卸料螺钉、橡皮、固定挡料销、承料板、导料板、模柄等。另外一些模具零件可以经过少量的人机对话方式绘制出工程图样，这样的模具零件有上模座、下模座、凸模、凹模、凸模固定板、卸料板、（复合模）下垫板、（复合模）空心垫板、（复合模）凸凹模等。对于冲裁模系统没有涉及到的，形状非常特殊的零件，则完全可以用AutoCAD图形软件直接绘制出工程图样。

在冲裁模系统中，将冲裁件零件图样输入计算机并不是一项复杂的工作，其输入方法简便，容易学习和掌握，在输入过程中可以随时纠正输入操作错误。

冲裁模系统以AutoCAD通用图形软件作为基础软件，以AutoCAD图形软件的内嵌式语言AutoLISP作为主要的程序编制语言。除了基础软件以外，整个冲裁模系统的软件部分由程序库、数据库、图形库和副资源库构成（图4-1）。程序库是整套系统的核心部分，程序库中的程序从数据库内调用需要的数据进行计算，根据计算结果从图库中调用图形，绘制图样。 冲裁模系统中的数据库中包含了国家标准中有关冲压模具设计的标准以及《冲压设计资料》中的一些相关数据。在系统程序运行过程中，数据库提供一切必要的数据。更换数据库中的数据可以使冲裁模系统满足具体使用单位的工厂标准或其他标准，无需改变冲裁模系统的结构框架和运行程序。

冲压模具设计标准及设计资料中包含的数据主要以表格的形式出现，在人工设计模具时，需要大量地查找表格来获得必要的数据。在模具计算机辅助设计时，这个过程将由计算机自动完成。模具设计所使用的表格数据输入计算机后，利用LISP语言可以编写出简单实用的数据查询程序。

第三节 冲裁零件的输入和计算机处理

冲裁件图样是进行冲压模具设计的原始依据。在计算机上进行CAD/CAM工作的第一个步骤是解决如何将冲裁件图样包含的技术信息输入计算机。在冲裁件图样中实际上包含了两部分信息：符号信息和图形信息。符号信息包括零件尺寸、尺寸公差、板料厚度、零件材料以及零件名称、图号、设计日期等包括文字和数字在内的信息。AutoLISP中的输入函数和输入对话框可以被用来方便地输入文字或数字。图形信息包括了零件几何形状方面的信息，可以用DCAD冲裁模系统的基础图形软件AutoCAD直接输入图形的信息。

利用基础图形软件AutoCAD输入的冲裁件图形是以后CAD/CAM技术开展的基础，我们希望冲裁模系统后面的各个功能模块都能够使用这个已经建立好的图形。传统的手工绘图方式不可能绘制出精确的图形，在机械制图中是以精确的尺寸标注和制造公差来明确零件的实际尺寸，在图形方面略有差异是被允许的。而在数控机床加工时，机床的加工是严格按照加工指令进行的，数控机床的加工指令在冲裁模系统中是直接根据计算机产生的图形生成的。因此我们应该按照冲裁模系统中CAM模块的要求绘制出准确的模具刃口形状。为了绘制准确的模具刃口形状，在绘制模具刃口之前必须计算出模具的刃口尺寸和模具间隙。 模具刃口尺寸计算中要解决的问题是确定基准模具和冲裁件尺寸类型。

根据冲压加工工艺知识，冲裁件中落料件的尺寸取决于凹模，而冲孔件的尺寸取决于凸模。我们把落料时的凹模和冲孔时的凸模都称之为基准模，把与基准模相配的模具（即落料凸模和冲孔凹模）称之为配合模。绘制图形时只需要绘制出基准模刃口图形，然后调用AutoCAD图形软件的实用命令，建立偏距等于模具最小单边间隙（Zmin/2）的等距曲线，即得到了配合模的刃口图形。基准模和配合模的刃口图形都可以直接应用于模具的计算机辅助制造。 关于冲裁件零件尺寸类型，冲裁模系统中把冲裁件的尺寸分成为三大类。第一类是轴类尺寸，定为A类尺寸，这类尺寸的特点是：冲裁件尺寸将随冲裁模具的磨损而增大。第二类尺寸是孔类尺寸，定为B类尺寸，这类尺寸的特点是：冲裁件尺寸将随冲裁模具的磨损而减小。第三类尺寸是长度类尺寸，定为C类尺寸，这种长度类尺寸的特点是：冲裁件尺寸大小基本上不受冲裁模具的磨损而发生变化。

对于冲裁件不同类型的尺寸，基准模具刃口尺寸的计算公式也不相同。

轴类（A类）尺寸随模具的磨损而增大，因此在模具制造时希望能够将冲裁件尺寸控制在接近尺寸的下限，基准模具刃口尺寸计算公式为 Ｄj ＝〔D+Tl +(1－X)(Tu –Tl)〕 式中 Dj ——基准模刃口尺寸； D ──冲裁件基本尺寸； Tu ──冲裁件上偏差； Tl ──冲裁件下偏差； X ──冲模磨损系数。

制造上偏差为?，下偏差为0。?的计算公式为?＝(1/3～1/4)(Tu－Tl)。

孔类（B类）尺寸随模具磨损而减小，因此希望在模具制造时希望能够将冲裁件尺寸控制在接近尺寸上限，基准模具刃口尺寸计算公式为

Ｄj ＝〔D+Tu +(1－X)(Tl –Tu)〕

式中符号含义同前。制造上偏差为0，下偏差为－?。

长度类（C类）尺寸的大小基本上不随模具磨损发生变化，因此将模具的制造尺寸控制在上下限尺寸的中间，基准模刃口尺寸计算公式为 Ｄj ＝〔D+0.5 (Tl+ Tu)〕

式中符号含义同前，制造上下偏差为±0.5?。 模具间隙是根据冲裁件材料和板料厚度确定的，《冲压设计资料》中列出了汽车行业和电子行业中所使用的模具间隙值，可以根据需要选定某一种标准来确定模具间隙。

图4-3所示冲裁件中，属于A类尺寸的有20、50、30、10，属于B类尺寸的有12、φ3，属于C类尺寸的有11、40。

随后是经过程序处理的冲裁件尺寸，经过程序计算得到的冲裁基准模刃口尺寸和采用数控机床加工基准模具刃口的CAM尺寸。

冲裁件尺寸数据包括序号、类型、尺寸、上差、下差和精度。序号列数据表示冲裁件尺寸输入顺序，类型列数据表示输入的冲裁件尺寸类型，尺寸表示输入零件的基本尺寸，上差表示输入零件制造公差中的上偏差，下差则表示下偏差，精度表示冲裁件的制造精度。自由公差的冲裁件尺寸按照IT14级精度处理，输入时无需考虑尺寸的上偏差和下偏差，输出时程序按照其精度自动找出公差值。冲裁件尺寸输入时给出公差值的，系统程序则找出对应的尺寸精度值。冲裁件的尺寸精度能够反映出它的冲裁工艺性。 冲裁基准模刃口尺寸包括刃口基本尺寸、刃口制造公差的上偏差和下偏差。这些数据用来检验制造的模具刃口是否合格。

CAM尺寸被用来产生模具刃口的数控加工指令。如前所述，数控加工指令产生于AutoCAD图形，因此CAM尺寸又被用于产生冲裁零件图形。CAM尺寸取在刃口尺寸公差带中间。图4-5是根据CAM尺寸绘制的冲裁模刃口图形，该图形用AutoCAD直接绘制。冲裁模刃口图形和前面输入的数据奠定了冲裁模系统后续模块的工作基础，以后的模具设计和制造工作将在此基础上逐步开展。

第四节 冲裁零件的工艺性判别

冲裁件的工艺性是指冲裁件对冲压工艺的适应性。主要包括冲裁件在形状和尺寸方面以及在精度和表面质量方面的一些指标。 在形状和尺寸方面，冲裁件的外形或者内孔应该避免尖锐的清角，在各条直线或曲线的连接处宜有适当的圆角半径。冲裁件的凸出悬臂和凹槽宽度不宜过小。冲孔时孔的直径也不宜过小。最小冲孔直径与孔的形状、材料的机械性能、材料的厚度等因素有关。冲孔件在孔与孔之间、孔与冲裁件边缘之间的距离不应过小。

在精度和表面质量方面，冲裁件内外形的经济精度不高于GB1800－79 IT11级。冲裁件的断面粗糙度一般在25微米以上。本章前节叙述如何处理零件输入尺寸时，我们看到输出的处理结果已经给出了冲裁件的尺寸精度，从而可以直接做出这方面的工艺性判断。 冲裁件工艺性判别需要考虑到许多方面，但是往往只对少数形状特殊的冲裁件才需要作出这种判别。例如一个冲裁件不具有小孔时就不需要进行最小冲孔直径的判别。在程序设计方面，只在需要进行某方面冲裁件工艺性判别时才调用功能模块中的判别程序。判别冲裁件工艺性的过程采用人机交互方式，大大简化了程序结构。 图4-6是冲裁零件工艺性判别菜单界面。

第五节 冲裁零件的排样

排样是指冲裁件在条料、带料或板料上布置的方法。排样包括确定搭边数据和排样方案。 搭边能够保证冲裁件准确的冲切及条料的刚性。搭边可以进一步被分成为相邻冲裁件之间的搭边，以及冲裁件与条料边缘之间的延边，搭边和延边的数值是根据冲裁件的形状、大小、

材料、送料方式、板料厚度确定，延边值的大小还与是否采用侧刀有关。在冲压设计资料中可以找到有关的搭边数据和计算公式。

冲裁件的合理布置（即材料的经济利用）与零件的形状密切相连。按零件的不同几何形状，常见的排样方式有单排排样、多排排样（包括双排排样）、调头排样、混合排样（指几种不同的零件混在一起的排样方式）等。 为了简化分析排样问题，只考虑同一种冲裁件在“无限长”条料上的排样，所以材料利用率 η＝n3A／(S3W)3100% 式中 S——进给步距； W——料宽；

n——一个步距内的冲裁件毛坯数； A——单个冲裁件的面积。

在选用排样算法时，应充分考虑以下工程约束条件： (1) 具有较高的材料利用率；

(2) 考虑材料的各向异性，要求弯曲线与条料纤维方向交角在一定的角度范围内； (3) 对于窄长型冲压件，应使其方位角在一定范围内以保证条料的平整度； (4) 考虑料宽约束(给定最大／最小料宽)以满足用户特定的材料宽度要求； (5) 模具结构设计的合理性；

(6) 步距与料宽计算应该准确（在误差范围内）。

因此，优化排样以提高材料利用率作为优化的目标函数，但不能只考虑利用率因素，应同时结合各约束条件，选择确定最佳方案。 在确定材料利用率最高的排样方案时，还要考虑到某些限制因素。如多排排样方案往往比单排排样方案的材料利用率高，但是采纳多排排样方案需要使用更大规格和更昂贵的模具及冲压设备。调头排样方案对具有明显大小头形状的零件很有效果，但是会给冲压工人增添操作方面的麻烦。对于大小头形状特征不是很明显的冲裁件，就要仔细斟酌是否要采用调头排样。 以送料方向为横轴方向，取冲裁件外轮廓曲线在纵轴方向上最高和最低的两个极限位置Ymax和Ymin，若沿边值为a1，则条料宽度W＝Ymax－Ymin＋2a1 。不同排样方案中的送料方向不同，其冲裁件轮廓曲线在纵轴方向上的极限位置值也不相同，因此得到的条料宽度是不一样的。 为了求得冲裁件在送料方向上的送进步距，可以设想利用AutoCAD的等距曲线功能，将冲裁零件的轮廓向外扩放半个搭边距离。逐渐移动向外扩放了半个搭边距离的冲裁零件轮廓图形，使之与原来位置的图形相切，那么两个图形之间的距离就是送进步距。采用这种方法需要逐步移动一个比较复杂的图形，每一次移动图形后都需要判别移动后图形与原图形的关系：相交、相离或相切。当两图形相交时需要加大移动距离，反之则需要减小移动距离，只有在达到相切点时才可以确定出送进步距。另外一种求步距的方法称为平行线分割一步平移法。平行线分割一步平移法的原理为，在冲裁件轮廓扩放半个搭边距离后的曲线中划出一系列平行线，平行线方向与送料方向一致，然后计算每一根平行线的长度，其中最长一根平行线的长度就是送进步距。与移动图形方法相比，一步法大大压缩了计算量，因此在冲裁件排样中得到了实际应用。

设材料利用率为?，单排排样方向为?。随着排样方向?取值的改变，条料宽度和排样步距都发生了变化，材料利用率?也随之而变。用数学式 ?＝f (?)可以表示这种关系，其中分析参数?的取值范围为[0，?）。得到最高的材料利用率?max的过程称为优化。过程优化是一个专门的研究领域，现在已经研究出各种各样的优化方法，如黄金分割法就是其中的一种。黄金分割法的原理是将?的可能取值范围定为搜索区间，每搜索一次就将搜索区间减小为原来区间长度的0.618，因此黄金分割法又被称为0.618法。通过逐步减小搜索区间的方法，直至搜索区间缩小到一个预定的许可范围，从而得到最优值。

多排排样时，用二个参数（?）和（?）来确定排样方案。材料利用率?和这二个参数的关系是

?＝f (?, ?)

这种类型的优化问题被称为二维优化。二维优化耗费的计算时间远远超过了一维优化计算。 多排自动排样的计算工作量是非常大的，往往需要耗费大量的计算时间。对于调头排样和混合排样，如果采取自动方式则需要采用相当复杂的算法，耗费更多的计算时间，得到的结果并不一定理想。在实际生产中调头排样和混合排样方式都是针对冲裁零件图形特征非常明显

的冲裁件，如具有明显大小头特征的零件适合调头排样，而混合排样则往往是在一个零件的空档中插入另一个零件。可以对这两类排样方式采用人机交互和自动排样相结合的方式，即先用人机交互方式调整好调头排样或混合排样的位置，构成一个表示调头排样或混合排样的复合图形，然后再对此复合图形进行上述的冲裁件单排或多排的自动排样。

对于图4-7所示零件，排样模块计算出搭边值为1.2，延边值为1.5；图4-8是该零件顺排排样的结果，图4-9是调头排样的结果。

第六节 冲裁模系统中的计算机辅助制造

冲裁模制造中经常用到线切割加工，其中尤以国产数控线切割电火花加工机床的使用为多。冲裁模系统中很好地融入了国产数控线切割机床的CAM处理部分。 在模具零件的加工和检验过程中，有些时候还会用到其他一些数控加工机床和检验设备，如进口慢走丝高精度线切割机床、数控铣床、数控车床、数控钻床、数控镗床、连续轨迹坐标磨床、三坐标测量机、等等。这些数控机床基本上都采用符合ISO国际标准的数控加工G指令系统。与3B指令的情况相类似，如果已知直线线段的两个端点的坐标数据，或者已知圆弧线段的圆心及两个端点的坐标数据，很容易根据G指令系统的指令编写规则编制出加工指令。但是，如同3B加工指令编写，在求解端点和圆心坐标数据的过程中，往往涉及到非常庞大的计算工作量，给予人工编写数控加工指令极大的困难。很容易通过修改或者增添CAM模块的功能，使其能够输出相应的数控加工指令。

第七节 冲裁工艺参数计算和冲模结构设计

在CAM模块的后面是模具设计模块。在DCAD冲裁模系统的程序结构框图（图4-2）中，模具设计模块（v）的位置处于输入模块（i）和绘图模块（vi）之间。在一些特殊的情况下，如果冲裁件不具有需要进行工艺性判别的特征，那么就不需要运行工艺性判别模块（ii）。与此类似，在一些工厂中排样工作和CAM工作是在模具设计部门以外的其他部门完成，如果这些工作在其他部门已经由人工或者别的计算机系统完成，那么在设计部门中就不必再运行排样模块（iii）和CAM模块（iv)。在由计算机产生模具特征之前，先要运行模具设计模块。模具设计模块为正式绘制模具图样完成必要的准备工作：计算冲压力，计算压力中心，选择模具典型结构，确定模具标准件规格等。

冲压力是冲裁力、推件力、卸料力等的总和，其中冲裁力是冲压力的主要组成部分。 如果设计的冲裁模模块中心和压力中心不重合，冲模工作时就会存在一个偏心力矩，这个偏心力矩被认为是有害的，它会影响到冲模工作的平稳性，对冲裁件的精度、冲模和冲床的寿命都是不利的。然而一味追求消除偏心力矩，有时会造成模块体积的增大，增加模具的制造成本。偏心力矩是压力中心至模块中心的距离与冲压力的乘积。当冲裁薄板时，冲压力较小，偏心力矩也较小，往往可以忽略偏心力矩的影响。图4-10表示冲模刃口在模块上的布置，图中F点为压力中心。图4-10a表示模块中心和压力中心重合，采用较大的模块；图4-10b中的模块中心和压力中心不重合，存在着偏心力矩，但在保证模具刃口与模块边缘间距离的条件下，可以采用较小的模块。

图4-11表示模具设计模块的工作界面，从中可以看到模块中心和压力中心的重合是可以选择的。

在选择模具的典型组合时要确定材料的送料方向、卸料方式、模具类型等。送料方式有纵向送料和横向送料之分。卸料方式分为弹性卸料和刚性卸料二种。模具类型可以选择复合模或者简单模和连续模。选择模具的典型组合采用人机交互方式，设计师可以充分参与电脑的设计过程。

选择模具标准件包括选择模架和确定模具标准件的种类、数量和规格。模架的种类较多，有对角导柱模架、中间导柱模架、后侧导柱模架以及四导柱模架等。选择模架也采用人机交互方式，设计师可以根据习惯和冲裁件特点等因素选择所需要的模架类型。模架类型确定以后，

所有模具标准件的种类、数量和规格均由计算机自动确定，绘图模块将利用确定的信息绘制出有关的模具图样。

第八节 冲模图样绘制

绘图模块的任务是绘制模具标准件零件图和模具装配图。在模具设计模块中已经确定了模具的典型组合以及模具标准件的数量即规格，与此有关的信息都已经储存在计算机的磁盘文件中。利用储存在计算机中磁盘文件内的信息，点取菜单（图4-12）中有关项目即可绘制出相应的模具图样。

第九节 其他专用冲模CAD技术

冲压模具CAD将走向更加专业化的道路。一些通用的软件由于其功能繁多，专业性较差，已不能满足专业模具厂在CAD／CAM方面的需要。专业模具厂越来越倾向于使用专用性很强的模具CAD软件，汽车覆盖件冲压成形模具和集成电路引线框架精密级进冷冲压模具是这方面两个非常典型的实例。

一、汽车覆盖件模具CAD技术

早在60年代初期，国外一些汽车制造公司就开始了模具CAD的研究。这一研究始于汽车车身的设计，在此基础上复杂曲面的设计方法得到了发展，各大汽车公司都先后建立了自己的CAD/CAM系统，并将其应用于模具设计与制造。计算机软、硬件技术的迅猛发展，为模具CAD/CAM的开发应用向更高层次的拓展创造了条件。

在几何造型方面，基于线框模型的CAD系统率先由飞机和汽车制造商开发并应用。例如：美国Lockhead飞机公司、McDonnell Douglas飞机公司、General Motor汽车公司的CAD系统、CADD系统、AD2000系统等，均推动了模具CAD技术的发展。

70年代以来，曲面造型与实体造型技术发展迅速，新一代的CAD软件均是实体造型与曲面造型兼备的系统，能适用于复杂模具的设计和制造，在模具界得到了广泛的应用。象美国Ford汽车公司的CAD/CAM系统中所包括的模具CAD/CAM部分，取代了人工设计与制造，设计方面采用人机交互进行三维图形处理、工艺分析与设计计算等工作，完成二维绘图，生成生产零件图、材料表以及工序、定额、成本等文件。系统还包括一些专业软件，如工艺补充面的设计、弹塑性变形的分析、回弹控制与曲面零件外形的展开等等，部分已用于生产，部分还在研究、完善当中。日本TOYOTA汽车公司从1980年开始研制汽车覆盖件模具CAD/CAM系统，此系统包括处理覆盖件模面的Die-Face软件和加工凸、凹模的TINCA软件等。由三坐标测量机将实物模型测量后所获得的数据送入计算机，经处理后再把这些数据用于汽车覆盖件设计、模具设计和制造。该系统的三维图形功能较强，能在屏幕上反复修改曲面形状，使工件在冲压成形时不至于产生各种工艺缺陷，从而保证工件质量；DIECOMP公司研制成功的模具CAD系统，使整个生产准备周期由18周缩短为6周。 与此同时，欧洲的一些国家在冲模CAD/CAM研究和应用方面也取得了很大进展，例如法国雷诺汽车公司应用Euclid软件系统作为CAD/CAM的主导软件，目前已有95%的设计工作量用该软件完成，而且雷诺汽车公司在Euclid主导软件的基础上还开发出了许多适合汽车工业需求的模块，如用于干涉检查的Megavision和用于板金成形分析的OPTRIS等。 一般汽车覆盖件成形都要依次经过拉延、切边、整形、翻边和冲孔等几道工序。第一道工序，即拉延工序中最重要的是工艺补充面的设计。工艺补充面设计得好坏直接影响到所设计的模具能否拉出合格的零件，能否减少调试模具的时间，缩短整个模具的生产周期。

另外，大型汽车覆盖件模具结构一般都比较复杂，一副大型覆盖件模具有上百个零件，模具的外形尺寸也比较大。

车身覆盖件在汽车整车中占据着重要的位置，而覆盖件模具是生产覆盖件的主要工艺装备，对车身质量的好坏起着决定性的作用。目前国外汽车覆盖件模具CAD/CAM技术的发展已进入实质性的应用阶段，不仅全面提高了模具设计的质量，而且大大缩短了模具的生产周期。近些年来，我国在汽车覆盖件模具CAD技术的应用方面也取得了显著的进步，但目前依然存在着一些问题：诸如设计效率低，标准化程度低，现有CAD软件专用性差等。

未来的汽车覆盖件模具CAD将走向更加专业化的道路，较好的方法是软件公司与专业模具厂密切合作，开发专用性很强的模具CAD软件，如美国PTC软件公司与日本TOYOTA汽车公司在PRO/E软件基础上开发的模具型面设计模块PRO/DIEFACE等。 二、集成电路引线框架多工位精密级进模CAD技术

集成电路是信息技术产业群的核心和基础。建立在集成电路技术进步基础上的全球信息化、网络化和知识经济浪潮，使集成电路产业的战略地位越来越重要，对国民经济、国防建设和人民生活的影响也越来越大。 近年来，世界信息产业得到高速发展。据统计，1998年世界电子产品市场销售额突破了10000亿美元大关，超过了汽车、钢铁、石化等产业。作为信息产品核心的集成电路，受电子产品市场发展的拉动，也将保持稳定的增长。多年来，世界集成电路产业一直以3~4倍于国民经济增长速度迅猛发展，新技术、新产品不断涌现。

我国集成电路产业经过30多年的发展，初步形成了由芯片生产骨干企业、封装厂、设计公司（中心），以及关键专用材料和设备制造厂构成的产业群体。2000年，我国集成电路年需求量240亿块，国内总产量为58.8亿块，销售额近200亿元。

模具在集成电路制造过程中起了重要的作用，图4-14反映了在集成电路生产过程中存在四种类型的模具，包括封装模具两种（引线框架多工位精密级进模和塑封模），后封装模具两种（切筋模具和打弯模具）。其中精密级进模、切筋模具和打弯模具均属冲压模具范围。尤其是集成电路引线框架多工位精密级进模，以其技术含量高，设计和制造难度大，成为业界普遍关注的对象，并且从中发展出一类专用的模具CAD技术。 集成电路引线框架多工位精密级进模具有以下特点：

1) 冲切精度高。现代大规模集成电路的集成程度越来越高，其内部结构越来越复杂，由此产生了更多的引线脚，引线脚之间的间隔距离则越来越小，对冲压精度的要求也就更高了。 2) 冲压工位多。普通的集成电路引线框架模具工位数多在二十以上，复杂的引线框架模具工位数甚至可以超过六十。

3) 模具设计和加工精度高。由于前两项特点，使得对集成电路引线框架模具的精度要求特别高，一般均达到微米级加工。

4) 大批量生产。由于对集成电路的需求极大，集成电路引线框架的生产批量常常达到几千万，甚至几亿、几十亿，这就对模具的寿命提出了很高的要求。

5) 高速生产。集成电路引线框架的生产一般都安排在高速自动冲床上进行，每分钟冲压次数可以超过一千次。

由于集成电路引线框架生产模具的上述特点，使其在模具材料、结构、加工等方面均与普通冲压模具有很大的差别。如为了保证模具寿命，集成电路引线框架多工位精密级进模具必须采用硬质合金制造凸模和凹模。

集成电路引线框架多工位精密级进模CAD技术的关键在于工位的安排。工位安排的顺序一般为先冲制内引线脚，后冲制外引线脚，最后对内引线脚进行压印工序，使内引线脚焊接区域平整度达到0.1毫米之内。

为了达到高速作业状态下的平稳工作，延长模具使用寿命并提高冲制件的精度，力的平衡非常重要。不仅冲压力合力点要和模块中心重合，压板的弹簧力合力与卸料力合力也要处于同一位置。这对集成电路引线框架多工位精密级进模CAD技术提出了新的要求。 与普通冲压模具相比较，集成电路引线框架多工位精密级进模具有很多不同之处，普通冲模CAD技术并不能直接应用于集成电路引线框架多工位精密级进模，在该领域必须使用集成电路引线框架多工位精密级进模专用CAD技术。

第五章 注射模CAD

第一节 注射模基础知识

一、注射模工作原理和结构组成

任何注射模都可以分为定模和动模两大部分。 注射模可由八大部分功能结构组成。

（1）成型零部件 这些零部件主要决定制品的几何形状和尺寸。 （2）合模导向机构。

（3）浇注系统。 （4）顶出脱模机构。

（5）侧向分型与侧向抽芯机构。 （6）排气结构。 （7）温度调节系统。 （8）支承零部件。

二、注射模设计一般步骤 1． 设计前的准备。

2． 选择模具的结构类型。

3． 分析研究注射机性能。 4． 注射模设计审核。 三、注射模零部件的标准化 四、注射模CAD简介

在注射模设计中，模具结构设计涉及的内容既深又广。在传统设计中，模具设计人员首先根据产品图，进行模腔尺寸换算得到模腔图形，然后，通过型腔布置、标准模架选择、流道设计、动模和定模部装图设计、顶出机构设计、斜抽芯机构设计、冷却系统设计、总装图设计等步骤，完成注射模总装图、部装图、零件图等的绘制。由于大多数注射零件形状复杂，传统的手工设计周期长，模具图的绘制也非常繁杂，所以利用计算机辅助手段(CAD)来进行注射模的结构设计就很有必要。 （一）注射模CAD系统的工作流程 （1） 建立几何模型。 （2） 工艺性考核。 （3） 确定浇口形式。

（4） 模具型腔数目和模具尺寸设计。 （5） 标准模架选择。

（6） 将制品几何模型转换为型腔几何模型（生成制品的外表面）和型芯几何模型（生成制品的内表面），并把它们与模架几何模型合并以构成模具的装配图。 （7） 浇注系统结构设计。 （8） 冷却系统的设计。 （9） 加入模具零件。 （10） 装配图和零件图。 （二）注射模CAD的特点

（1） 注射模CAD系统具备描述物体几何形状的能力。 （2） 标准化是实现注射模CAD系统的有效手段。

（3） 设计数据的处理是注射模CAD中的一个重要问题。 （4） 注射模CAD系统具有广泛适应性。

（三）SolidWorks在注射模CAD设计中的应用

SolidWorks是一种功能强大、易学易用和功能创新的三维CAD软件，具有三维参数化设计功能，对注塑件进行三维实体造型，并可用于注射模零件图、装配图的绘制，利用其零件图形之间的相关性，修改十分方便。其Mold Base模块，可用于注射模标准模架和一些标准零件的设计与选用。

第二节 注塑件浇注系统CAD 一、浇注系统CAD基础 1．浇注系统组成

浇注系统由主流道、分流道、浇口及冷料穴组成。从注塑机喷嘴至模具型腔的熔融树脂流路称之为流道，其浇口套内树脂流路称之为主流道，其余部分称之为分流道。分流道末端通向型腔的节流孔称之为浇口，在不通向型腔的分流道的末端设置冷料穴。 2．浇注系统流道设计 3．浇口的设计

4．分流道布置与浇注系统平衡 二、注射模浇注系统CAD 1． 浇注系统CAD的内容

浇注系统的CAD，需要人机交互设计的部位有二部分，即分流道设计和浇口设计。浇注系统不仅是熔体的进料通道，也是料流的控制机构，交互式修正平衡，可以实现一模多腔的均衡填充，或控制多浇口单腔模的熔接痕位置。 通常流道设计分二步，即初始流道设计和根据流动模拟结果修正填充热效应。在初始流道尺寸设计时，不考虑熔体流动时的粘性热效应（即不产生粘性发热）将熔体设为非弹性、等温的幂律流体。初始流道设计完成后，再通过注射流动模拟，修正初始流道尺寸。修正时遵循下列三项原则：

1） 浇注系统的总体积尽可能小，以节省塑料。

2） 采用小浇口，有益于流动产生的粘性热维持熔体在浇注系统中的温度。 3） 实现多腔模的同时充满与合理的熔接痕位置。 2． 均等压降原理及流道设计 （1）均等压降原理。 （2）分流道设计。 （3）浇口设计

第三节 注射模镶块CAD 一、注射模镶块CAD基础

1．注射模镶块结构的特点和应用

注射模具的型腔、型芯采用镶拼结构的目的有以下3种。 1）在制品有侧向成型部位。

2）根据本单位的加工能力或为了便于加工而采用部分镶拼结构。 3）增加模具的强度及耐磨性，并提高制造精度而采用镶拼结构。 2．注射模镶块结构的设计要点 镶拼结构模具的型腔、型芯分割方法直接影响模具的质量与加工的难易。考虑采用镶拼结构时，首先应考虑制品的形状、尺寸及功能，然后考虑型腔、型芯的刚性，同时也必须考虑加工方法和装配措施。例如：镶拼的接合部，将在制品的表面留下痕迹，所以应在不影响制品外观之处分割镶拼部位；镶拼部位应避开对表面有特殊功能要求的制品表面；要尽可能设法分割成型状基本相同或相似的零件；尽量使镶拼件的形状左右对称。 第四节 注射模模架选择 一、注射模标准模架 目前，国内外有许多标准注射模架产品在市场出售，我国注射模标准模架共有两个国家标准，一是适用于模板尺寸B3L≤560mm3900mm的中小型模架（GB/T12556.1-1990）；二是适用于模板尺寸B3L为630mm3630mm～1250mm 2000mm的大型模架（GB/T12555.1-1990）。 美国DME公司的标准模架共有七种系列，它们是A、AR、B、X5、X6、AX、T系列。在这七种系列中，A、AR、B系列属于两板结构（单分型面），X5、X6、AX属于三板结构（双分型面），T系列属于四板结构（三分型面）。

在两板结构中，A系列和B系列结构相同，只是A系列设置了上、下垫板，AR系列与A系列相似，只是导柱与导套倒装。

在三板结构中，X5、X6系列在A系列上增加了推件板，X6与X5系列的区别在于X6系列设置有动模板。AX系列与A系列的不同点在于AX系列具有一块中间活动板，可以形成两个分型面，分别脱出流道凝料和塑件制品。

在T系列中有两块活动板，可以形成三个分型面，用于一些特殊场合。

标准模架的选择是注射模CAD系统的一个重要步骤。标准模架系列应在设计工作开始之前，就已经存放在数据库中。 二、标准模架CAD

标准模架CAD设计过程描述如下：系统根据选择模板决策进行推理（顶出板宽度大于型腔总宽度、导柱中心距大于型腔总长度），一旦顶出板宽度确定，模板宽度随之确定。当模板长度和宽度确定后，系统可搜索到所有与模板尺寸对应的模具零件信息。用户的交互式选择结束后，模架零件被自动计算和建立，并以各自的位置和姿态组装。在模架选定，型腔周边尺寸确定后，可以利用模具CAD系统选用合适的模具标准件的尺寸。注射模标准件包括：导柱导套、浇口套、顶杆、回程杆、水嘴等。最后利用CAD系统的集合能力，将型腔、型芯、浇注系统、顶出杆、冷却水孔等与模架组合起来生成模具图。

（1） 标准模架系列选择流程图

使用下列流程图，用戶可以方便地选择所需要的标准模架系列，以DME公司标准模架为例，其选择流程图如图5-7所示。 （2） 标准模架模具零件尺寸选择 标准模架系列确定后，接下来需要选择改该系列中合适的模具零件尺寸。各种标准模架系列中全部模具零件尺寸，均存储在数据库中。

1） 模板类零件选择原则：①顶出板宽度尺寸应大于型腔的总宽度；⑵在长度尺寸上，导柱的中心距应大于型腔的总长度。

2）杆类零件 模板尺寸确定后，各种杆类零件的长度可按注射模结构设计预定的原则选定，例如回程杆选择：回程杆长≤顶杆固定板厚度+垫板厚度+动模板厚度+顶杆最大行程。 杆的直径、数量、位置等可以人机交互确定。 一、型芯与型腔CAD流程图

不同的注射模CAD系统生成型芯和型腔的方法不同。型芯与型腔CAD流程图如图5-9所示，从图中可以看出，为了生成型芯与型腔的形状，首先需要得到制品的实体形状，在输入制品的实体形状后，应考虑塑料的收缩率，然后从输入的图形中分解得到型芯与型腔。一些复杂的型芯与型腔长常采用镶块结构，即从型芯与型腔中取出其中的一部分，形成镶块结构。镶块的形成和型芯与型腔的分解类似。 二、型芯与型腔的CAD应用

应用PRO/E进行型芯和型腔设计过程如下：

1） 按比例放大制品尺寸。型芯和型腔将直接从制品形状和尺寸创建，在制作型芯和型腔之前，需要将制品按制品的收缩率稍微放大。

2） 在制品的分型面上创建分割线，分割线将制品的表面分割成上模部分和下模部分。 3） 在装配体中创建型芯和型腔。 第六节 注射模CAD设计过程示例 1． 零件的几何模型：

2． 零件的工艺性分析：对材料性能、侧孔与侧凹、塑件壁厚、加强筋、孔、脱模斜度、成型工艺参数进行分析。确定该塑件可用满足注射成型一般条件。 3． 根据零件的形状选择合适的分型面：如图5-11所示。

4． 确定型腔数及其布置形式，本例采用一模四腔，布置形式如图5-12所示

5． 成型零件工作尺寸计算：材料的收缩率为1.8%，所以要将零件实体放大0.018倍；型腔采用镶嵌式，此零件可采用圆形型腔和型芯，根据分型面设计的型腔如图5-13所示，型芯如图5-14所示。

6． 模架选择：根据所选型腔的形状和尺寸，且要求使用的SE30S注塑机，选用2003250的标准模架。模架判断准则：选用的模架中的推出板必须完全包容各个型腔，且又是所有可选模架中尺寸最小者。在SolidWorks中选择Hasco Metric mold Base，根据型腔尺寸，选择“type 2 (218 296) 矩形模具基体装配体”。

7． 浇注系统设计：如图5-12所示，主流道采用衬套结构，用定位环定位，选用φ60x100的标准定位环K100型，如图5-16所示，然后在SolidWorks装配图中定位；分流道采用U形截面形状，高度为2mm；浇口采用点浇口。主流道、分流道和浇口如图5-12所示。 8． 排气系统设计：采用流道和型腔排气。流道排气时排气槽设置在流道末端（如图5-17所示），型腔的排气槽在型腔上修改（如图5-13所示）。

9． 顶出机构设置：在模架中适当的位置加入复位杆和顶杆，然后加入到装配体中。 10． 加入其他一些必要的零部件，最后通过修改得到图5-18所示的总装图。 从装配体和零件实体产生模具图样。

第六章 模具CAM

第一节 模具制造与数控加工 一、模具制造的基本要求和特点 1. 模具制造的基本要求

为了保证产品的质量，除了设计合理的模具结构外，还必须采用先进的模具制造技术制造模具。在制造模具时，应满足以下几个基本要求：

（1）制造精度高 为了能生产出合格的产品和发挥模具的效能，所设计、制造的模具必须具有较高的精度。模具的精度主要是由制品精度和模具结构要求决定的，为了保证制品精度，模具的工作部分精度通常要比制品精度高2 ~ 4 级，因此模具的零部件必须有足够高的制造精度。否则，将不可能生产出合格的制品。

（2）使用寿命长 模具是比较昂贵的工艺装备，目前模具的制造费用约占产品成本的10% ~ 30% ，其使用寿命长短将直接影响产品的成本高低。因此，除了小批量生产和新产品试制等外，一般都要求模具具有较长的使用寿命，在大批量生产中，模具的使用寿命更加重要。 （3）制造周期短 模具制造周期的长短主要决定于制模技术和生产管理水平的高低。为了满足生产的需要，提高产品的竞争能力，必须在保证质量的前提下，尽量缩短模具制造周期。 （4）模具成本低 模具成本与模具结构、模具材料、制造精度要求和加工方法等有关。模具技术人员必须根据制品的要求合理设计和制订其加工工艺。在设计和制造模具时，应根据实际情况作全面考虑，在保证制品质量的前提下，选择合适模具结构和制造方法，使模具的成本降到最低。

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。

（1） 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。一般来说，模具工作部分的制造公差都应控制在±0.01mm以内；模具加工后的表面不仅不允许有任何缺陷，而且工作部分的表面粗糙度Ra都要求小于0.8?m。

（2） 形状复杂 模具的工作部分一般都是二维或三维复杂曲面，而一般机械加工的是简单几何体。

（3） 材料硬度高 模具的硬度较高，采用了淬火工具钢或硬质合金等材料。 （4） 单件生产 模具制造一般都是单件生产，设计和制造周期都比较长。 二、模具制造的主要加工方法 1. 机械加工

机械加工（即传统的切削与磨削加工）是模具制造不可缺少的一种重要的加工方法。机械加工的特点是加工精度高、生产效率高。但加工复杂的形状时，加工速度慢，硬材料也难加工，材料利用率不高。 2. 特种加工

特种加工也被称为电加工，从广义上说，特种加工是指直接利用电能、化学能、声能、光能等来去除工件上多余的材料，以达到一定形状、尺寸和表面粗糙度的加工方法，其中包括电火花成形加工、线切割加工、电解加工、电化学抛光、电铸、化学刻蚀、超声波加工、激光加工等。特种加工与工件的硬度无关，可以实现以柔克刚，并可加工各种复杂形状的零件。特种加工在模具制造中得到了越来越广泛的应用。 3. 塑性加工

塑性加工主要指冷挤压制模法，即将淬火过的成形模强力压入未进行硬化处理的模坯中，使成形模的形状复印在被压的模坯上，制成所需要的模具。 这种成形方法不需要型面精加工，制模速度快，可以制成各种复杂型面的模具。 4. 铸造加工

对于一些精度和使用寿命要求不高的模具，可以采用简单方便的铸造法快速成形。例如：锌基合金模具，用低熔点材料锌基合金铸造模具，也称快速制模法，其制模速度快，容易制成形状复杂的模具。但模具材质较软，耐热性差，所以模具寿命短，多用于试制和小批量生产的场合。 5. 焊接加工

焊接法制模是将加工好的模块焊接在一起，形成所需的模具。这种方法与整体加工相比，加工简单、尺寸大小不受限制，但精度难于保证，易残留热应变及内部应力，主要用于精度要求不高的大型模具的制造。 6. 数控加工

数控加工是利用数控机床和数控技术完成模具零件的加工，根据零件图样及工艺要求等原始条件编制数控加工程序，输入数控系统，然后控制数控机床中刀具与工件的相对运动，以完

成零件的加工。数控机床范围很广，在机械加工中有数控车加工、数控铣加工、数控钻加工、数控磨加工、加工中心加工；在塑性加工中有数控冲床加工、弯管机加工等；在特种成形中则有数控电火花加工、数控线切割加工、数控激光加工等。 三、数控加工的特点及应用 1. 数控加工的特点

（1） 加工精度高、加工质量稳定 数控机床的机械传动系统和结构都有较高的精度、刚度和热稳定性，零件的加工精度和质量由机床保证，完全消除了操作者的人为误差，所以数控机床的加工精度高，加工误差一般能控制在0.005 ~ 0.1mm以内，而且同一批零件加工尺寸的一致性好，加工质量稳定。

（2） 加工生产效率高 数控机床结构刚性好、功率大、能自动进行切削加工，所以能选择较大的、合理的切削质量，并能自动完成整个切削加工过程，大大缩短机动加工时间。数控机床定位精度高，可省去加工过程中的中间检测，提高生产效率。

（3） 对零件加工适应性强 因数控机床能实现几个坐标联动，加工程序可对加工零件的要求而变换，所以它的适应性和灵活性很强，可以加工普通机床无法加工的形状复杂的零件。 （4） 有利于生产管理 数控机床加工，能准确地计算出零件的加工工时，并有效地简化刀具、夹具、量具和半成品的管理工作。加工程序是用数字信息的标准代码输入，有利于与计算机连接，由计算机来控制和管理生产。 2. 数控加工的适用范围

数控加工的零件一致性好，质量稳定，加工精度高。但是，数控加工设备昂贵，加工准备周期长。因此，数控加工有其适用范围：

（1） 最适合零件 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；复杂曲线轮廓或复杂曲面的零件；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；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。

（2） 较合适类零件 在通用机床上加工时极易受人为因素干扰、材料又昂贵的零件；在通用机床上必须有复杂专用工装的零件；需要多次更改设计后才能定型的零件。

（3） 不适合类零件 装卡困难或完全靠找正定位来保证加工精度的零件；加工余量很不稳定的零件。

3. 数控加工在模具制造中的应用

数控加工方式为模具提供了丰富的生产手段，每一类模具都有其最合适的加工方式。

一般而言，对于旋转类模具，一般采用数控车加工，如车外圆、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。

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。

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，都可以采用数控电火花线切割加工。

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。

对精度要求较高的解析几何曲面，可以采用数控磨削加工。

总之，各种数控加工方法，为模具加工提供了各种可供选择的手段。随着数控加工技术的发展，越来越多的数控加工方法应用到模具制造中，各种先进制造技术的采用，使模具制造的前景更加广阔。

四、数控加工编程技术的发展概况 （一）数控加工编程技术的发展

为了解决数控加工中的程序编制问题，20世纪50年代，MIT设计了一种专门用于机械零件数控加工程序编制的语言，称为APT（Automatically Programmed Tool）。其后，APT几经发展，形成了诸如APTII、APTIII（立体切削用）、APTAC（Advanced contouring）(增加切削数据库管理系统)和APT/SS（Sculptured SURFace）(增加雕塑曲面加工编程功能)等增强版本。

采用APT语言编制数控程序具有程序简炼，走刀控制灵活等优点，使数控加工编程从面向机床指令的\汇编语言\级，上升到面向几何元素。APT仍有许多不便之处，例如采用语言定义

零件几何形状，难以描述复杂的几何形状，缺乏几何直观性；缺少对零件形状、刀具运动轨迹的直观图形显示和刀具轨迹的验证手段；难以和CAD数据库和CAPP系统有效连接；不容易作到高度的自动化、集成化。

针对APT语言的缺点，1978年，法国达索飞机公司开始开发集三维设计、分析、NC加工一体化的系统，称为CATIA。随后很快出现了象EUCLID，UGII，INTERGRAPH，Pro/Engineering，MasterCAM及NPU/GNCP等系统，这些系统都有效的解决了几何造型、零件几何形状的显示、交互设计、修改及刀具轨迹生成、走刀过程的仿真显示、验证等问题，推动了CAD和CAM向一体化方向发展。到了80年代，在CAD/CAM一体化概念的基础上，逐步形成了计算机集成制造系统（CIMS）及并行工程（CE）的概念。目前，为了适应CIMS及CE发展的需要，数控编程系统正向集成化和智能化方向发展。

在集成化方面，以开发符合STEP（Standard for the Exchange of Product Model Data）标准的参数化特征造型系统为主，目前已进行了大量卓有成效的工作，是国内外开发的热点；在智能化方面，工作刚刚开始，还有待我们去努力。

（二）数控加工NC（Numerical Control）刀具轨迹生成方法研究发展的现状 数控编程的核心工作是生成刀具轨迹，然后将其离散成刀位点，经后置处理产生数控加工程序。下面就刀具轨迹产生方法作一些介绍。 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。这种加工要求操作人员的水平较高，人机交互较复杂。在曲面和实体造型发展阶段，出现了基于实体的加工。实体加工的加工对象是一个实体，它由一些基本体素经集合运算（并、交、差运算）而得。实体加工不仅可用于零件的粗加工和半精加工，大面积切削掉余量，提高加工效率，而且可用于基于特征的数控编程系统的研究与开发，是特征加工的基础。

实体加工一般有实体轮廓加工和实体区域加工两种。实体加工的实现方法为层切法（SLICE），即用一组水平面去切被加工实体，然后对得到的交线产生等距线作为走刀轨迹。 2. 基于特征的NC刀具轨迹生成方法

参数化特征造型已有了一定的发展时期，但基于特征的刀具轨迹生成方法的研究才刚刚开始。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。 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。 第二节 数控编程技术基础 一、数控编程一般步骤

1) 分析零件图样和工艺处理包括以下内容： A) 确定加工方案 B) 工夹具的选择

C) 选择编程原点和编程坐标系 D) 选择合理的走刀路线 E) 合理选择刀具

F) 确定合理的切削用量

2) 数学处理：根据零件的几何尺寸和加工路线，计算刀具中心运动轨迹，以获得刀位数据。 3) 编写零件加工程序单

4) 制备控制介质，把编制好的程序单上内容记录在控制介质上作为数控装置的输入信息输入到数控系统。控制介质的种类如下：①穿孔纸带：目前常用8单位和5单位穿孔纸带；②数据磁带；③软磁盘。

也有数控机床与计算机通过RS-232标准串行接口或网络接口连接起来，则不再采用控制介质传递信息。有的时候，利用数控机床操作面板上的键盘采用手动数据输入，将编好的程序直接输入到数控系统中。 5) 程序检验与首件试切。 二、数控编程常用方法

数控编程常用方法有两种方法：手工编程和自动编程。

手工编程：编制零件数控加工程序的各个步骤均由人工完成。

自动编程：利用计算机来完成数控加工程序的编制。按照操作方式的不同，自动编程方法分为APT语言编程和图像编程。

1） APT语言编程：编程人员利用该语言书写零件程序，将其输入计算机，经计算机APT编程系统编译，产生数控加工程序（.nc）。

2） 图像编程：以图形要素为输入方式，不需要数控语言。零件几何形状的输入、刀具相对于工件的运动方式的定义、加工过程的动态仿真显示、刀位验证、数控加工程序的生成等均在图形交互方式下进行。目前在我国应用较多的集成化图像数控编程系统有：CADAM、CATIA、EUKLID、UGII、Mastercam、Pro/Engineering、SurfCAM 及NPU/GNCP（西北工业大学开发研制）等。 图像数控编程系统实质上是一个集成化的CAD\\CAM系统，一般由几何造型、刀具轨迹生成、刀具轨迹编辑、刀位验证、后置处理、计算机图形显示、数据库管理、运行控制及用户界面等部分组成。例如SurfCAM是由美国SOFTWARE公司所研制的专门在微机上运行的一个图像数控编程系统，其编程能力包括：多坐标点位加工编程；表面区域加工编程；轮廓加工编程；型槽加工编程。整个系统不同模块之间采用文件传输数据，具有IGES标准接口。特别适用于具有复杂外形及各种空间曲面的模具类零件的自动编程。 三、数控编程加工基本原理 1． 插补运算

在数控机床上加工直线或圆弧，实质上是数控装置根据有关的信息指令进行\数据密化\的工作。例如要加工一段圆弧，已知条件仅是该圆弧的起点、终点和圆心的坐标及半径值，要想把圆弧段光滑地描述出来，就必须把圆弧段起点到终点之间各点坐标值计算出来，并将它们填补到起点和终点之间。通常把这种填补空白的\数据密化\工作称为插补，把计算插点的运算称为插补运算，把实现插补运算的装置叫做插补器。 由于数控装置具有插补运算的功能，所以控制介质上只要记录有限的信息指令，如加工直线只需记录直线的起点和终点的坐标信息；加工圆弧只需记录圆弧的半径、起点、终点坐标，顺转、逆转等信息，数控装置就能利用这些有限的信息指令进行插补运算，将直线和圆弧的各点数值算出并发送相应的脉冲信号，通过伺服机构控制机床加工出直线和圆弧形状。 插补方法有许多，例如逐点比较法、数字积分法、比较积分法、时差法、矢量判别法、最小偏差法、直接函数运算法等等。 2．平面轮廓的加工

一个零件的轮廓往往由许多不同的几何元素所组成，如直线、圆弧、二次曲线、螺旋线等。各几何元素之间的连接点称为基点。 目前一般的数控机床均具有直线和圆弧插补功能。因此，可以将组成零件轮廓的曲线，按数控系统插补功能，在满足允许的编程误差的条件下进行分割，即用若干直线段或圆弧段来逼近给定的曲线，逼近线段的交点称为节点。 3．曲面轮廓的加工

立体曲面可以根据编程允差，将曲面分割成不同的加工截面。各加工截面一般采用二轴半、三轴、四轴、五轴等插补联动加工。 四、数控系统简介

数控系统是数控机床和数控编程的核心部分。用户在编写数控加工程序之前，必须清楚地了解机床数控系统的功能，只有这样才能编写出正确的加工程序来。常见的数控系统类型有许多种，比如FUNUC、SIEMENS等。 1． FUNUC-6M、6T数控系统 FUNUC公司创建于1956年。FUNUC-6M数控系统于1979年研制成功，适用于数控铣床和加工中心，FUNUC-6T数控系统适用于数控车床。 FUNUC-6M数控系统的主要功能：

1） 控制轴：X、Y、Z三轴和A、B、C三个辅助轴中的一个，可控制4轴，实现三轴联动。 2） 加工功能（G代码）参见表6-1。 3） 辅助功能（M代码）参见表6-2。

4） 最小设定单位：公制为0.001mm,英制为0.0001in,角度为0.001°。

5） 外部设备：8单位纸带阅读机，采用RS-232C接口功能后可以实现打印输出。

具有刀具长度补偿和刀具半径补偿功能，可以实现直线、圆弧插补和一些固定加工功能。

2． SIEMENS数控系统

SIEMENS数控系统是SIEMENS公司研制开发的数控系统，70年代推出SINUMERIK-6T、6M、7T、7M数控系统；80年代推出SINUMERIK-8T、8M、8MC、850T、850M数控系统。例如

SINUMERIK-8M数控系统适用于车、铣、镗和其他各种工艺，最多可扩展到12轴，可实现多坐标轴联动。

五、数控编程基本概念

1．机床坐标系、坐标轴方向

机床坐标系（标准坐标系）：机床的动作是由数控系统发出的指令来控制的。为了确定机床的运动方向、移动距离，就要在机床上建立一个坐标系，这个坐标系叫做机床坐标系（标准坐标系）。数控机床上的坐标系采用的是右手直角笛卡儿坐标系。机床坐标系方向的确定： 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。 2．工件坐标系 工件坐标系：工件坐标系是用来确定工件几何形体上各要素的位置而设置的坐标系，工件坐标系的原点即为工件零点。工件零点的位置是任意的，它由编程人员根据零件的特点而定。在机床上可以任意设置若干个工件坐标系。

当工件坐标系设定后，如果在程序中写成：G90G54X30.0Y40.0时，机床就会向预先设定的G54工件坐标系中的A 点（30.0，40.0）处移动。同样，如果在程序中写成：G90G59X30.0Y40.0时，机床就会向预先设定的G59工件坐标系中的B 点（30.0，40.0）处移动。 3．编程方式

编程有两种方式：

1） 绝对编程方式：终点的位置是由所设定的坐标系的坐标值所给定的，指令代码为G90。 2） 相对编程方式：终点的位置是相对前一位置的增量值及移动方向所给定的，指令代码为G91。

4．数控程序的构成

数控程序是为使机床运转而给数控装置的一系列指令的集合所构成的。程序由程序段构成，每个程序段由字和\构成。而字由地址符（由英文字母A~Z构成）和数值构成。 例：

O0001 程序号,由O字母加4位数值表示

N01 G92 X-25.0 Y10.0 Z40.0; 以下为程序段 N02 G90 G00 Z16.0 S300 M03; ┇

N12 G00 G40 X-25.0 Y10.0 Z40.0 M09; N13 M30;

5. 刀具轨迹与刀位点

刀具轨迹：是系统按给定工艺要求生成的、对给定加工图形进行切削时刀具行进的路线，系统以图形方式显示。刀具轨迹由一系列有序的刀位点和连接这些刀位点的直线（直线插补）或圆弧（圆弧插补）组成。

刀位点：指车刀、镗刀的刀尖；钻头的钻尖；立铣刀、端铣刀刀头底面的中心；球头铣刀的球头中心。

6. 刀具长度补偿与半径补偿

在目前CNC系统中，一般都具有刀具长度补偿与半径补偿功能。

刀具长度补偿：在数控系统中，刀具长度一般都无须考虑。程序运动假设机床主轴轴端相对于工件运动。在加工前，采用对刀仪测量刀尖（或刀心）到刀柄与主轴轴端基础基准的长度（即刀具长度），并将刀具长度值输入CNC系统的刀具寄存器中，当该刀具被采用时，CNC系统自动进行刀具长度补偿，使刀尖（或刀心）沿程序要求的轨迹移动。

刀具半径补偿：在轮廓加工过程中，由于刀具总有一定的半径，刀具中心的运动轨迹并不等于所需加工零件的实际轮廓。在进行内轮廓加工时，刀具中心偏移零件的内轮廓表面一个刀具半径值。在进行外轮廓加工时，刀具中心偏移零件的外轮廓表面一个刀具半径值。这种偏移习惯上称为刀具半径补偿。

刀具半径补偿通常不是程序编制人员完成的，程序编制人员只是按零件的加工轮廓编制程序，同时使用G41、G42、G40告诉CNC系统刀具是沿零件内轮廓运动还是沿零件外轮廓运动。实际的刀具半径补偿是在CNC系统内部由计算机自动完成的。刀具半径值是通过刀具号H来指定的。刀具半径补偿不仅能自动完成刀具中心轨迹的偏置，而且能自动完成直线与直线的转接、圆弧与圆弧转接和直线与圆弧转接等尖角过度功能。

右刀具补偿：当刀具中心轨迹在程序轨迹前进方向右边时称为右刀具补偿，用G42表示。 左刀具补偿：当刀具中心轨迹在程序轨迹前进方向左边时称为左刀具补偿，用G41表示。 对于多坐标数控加工，一般的CNC系统还没有刀具半径补偿功能，需要编程人员编程时考虑刀具半径。

7. 对刀点、换刀点

对刀点：在数控机床加工零件时，刀具相对于工件运动的起点运动。由于程序段从该点开始执行，所以对刀点又称为\程序起点\或\起刀点\。 对刀点既是程序的起点，也是程序的终点。

换刀点：加工过程需要换刀时，应规定换刀点。换刀点是刀架转位换刀时的位置。 8. 两轴加工、两轴半加工与三轴加工

两轴加工：机床坐标系的X和Y轴两轴联动，而Z轴固定，机床在同一高度下对工件进行切削。两轴加工适宜于铣削平面图形。

两轴半加工: 两轴半加工在两轴的基础上增加了Z轴的移动，当机床的X、Y轴固定时，Z轴可以上下移动。利用两轴半可以实现分层加工，每层在同一高度上进行两轴加工，层间有Z向移动。

三轴加工：机床坐标系的X、Y、Z三轴联动。三轴加工适合于进行各种非平面图形，即一般曲面的加工。

9. 机床原点与编程零点

机床原点：指机床上一个固定不变的极限点。即机床坐标系的原点。由生产厂家确定。 编程零点：一般情况下，编程零点即编程人员在计算坐标值时的起点，编程人员在编制程序时不考虑工件在机床上的安装位置，只是根据零件的特点及尺寸来编程，因此，对于一般零件，工件零点就是编程零点。 10. 数控加工与数控编程 数控加工：首先必须根据零件图样及工艺要求等原始条件编制数控加工程序，输入数控系统。控制数控机床中刀具与工件的相对运动，以完成零件的加工。

数控编程：从零件图样到获得数控加工程序的全过程，称为数控编程。 六、数控编程举例--盖板手工编程与自动编程实例 1. 零件图和坐标计算图

如图6-2所示盖板零件图和坐标计算简图，采用FUNUC-BESK 6ME数控系统编程。 加工要求：

该零件的毛坯是一块180390312的长方体材料，要求铣削成图中粗实线所示的外形。图中各孔已加工完毕，各边留有5mm的铣削余量。铣削时以其底面和2-Φ10H8的孔定位，从Φ60mm孔对工件进行压紧。

编程时，工件坐标系原点定在工件左下角A点，现以Φ10mm立铣刀进行轮廓加工，对刀点在工件坐标系中的位置为（-25，10，40），刀具切入点为B点，刀具走刀路线为： 对刀点1--->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)

依据以上数据和FUNUC-BESK 6ME数控系统进行编程，生成的加工程序（.NC）如下： O0001 ⑨

N01 G92 X-25.0 Y10.0 Z40.0; ① N02 G90 G00 Z16.0 S300 M03; ②

N03 G41 G01 X0 Y40.0 F100 D01 M08;③ N04 X14.96 Y70.0; ④

N05 X43.54;

N06 G02 X102.0 Y64.0 I26.46 J-30.0; ⑤ N07 G03 X150.0 Y40.0 I48.0 J36.0; ⑥ N08 G01 X170.0; N09 Y0; N10 X0; N11 Y40.0;

N12 G00 G40 X-25.0 Y10.0 Z40.0 M09; ⑦ N13 M30; ⑧ 加工程序指令分析

G功能代码和M功能代码参见表6-1和6-2。 1) G92，设定工件坐标系，即确定刀具起始点在坐标系中的坐标值。工件坐标系用下面的指令设定：G92 X_ Y_ Z_ ，其中X_ Y_ Z_为刀位点在工件坐标系中的初始位置。执行G92指令时，机床不动作，即X、Y、Z轴不移动。但CRT上的坐标值发生了变化。在加工工件前，用手动或自动方式，令机床回机床零点。此时，刀具中心对准机床零点。CRT显示的各轴坐标均为0。当机床执行G92 X-25.0 Y10.0后，就建立起了工件坐标系X1O1Y1。即刀具中心（或机床零点）应在工件坐标系X-25.0 Y10.0处。O1为工件坐标系原点，CRT显示的坐标值为X-25.0 Y10.0，但刀具相对于机床的位置没有改变。在运行后面的程序时，凡是绝对尺寸中的坐标值均为点在X1O1Y1这个坐标系中的坐标。 2) G90，绝对尺寸指令。它表示程序段中的尺寸字为绝对坐标值。即从编程零点开始的坐标值。G00，快速点定位指令。命令刀具以点位控制方式，从刀具所在点以最快的速度，移动到目标点。其移动的速度不需要指定，而是由生产厂家确定，可在数控机床说明书中查到。快速移动的轨迹依控制系统不同而异。S，主轴功能，定义主轴转速。单位r/min，M03表示主轴正转（顺时针，按照右螺纹旋入工件）。 3) G41，刀具半径补偿指令，指令刀具左补偿。编程人员直接根据工件的轮廓进行编程，而刀具沿偏移后的轮廓移动，完成加工。D01，刀具半径（即偏置量）预先寄存在D01指令的寄存器中。G01，直线插补。其作用是指令以联动的方式，按指定的进给速度F，插补出任意斜率的平面或空间直线。F，刀具进给速度。单位:mm/min. 4) 续G41，G01，G90指令，继续直线插补。

5) G02，G03，圆弧插补。G02表示顺圆插补，G03表示逆圆插补。G17、G18、G19为圆弧插补平面选择指令，以此来确定被加工表面所在平面。G17表示XY平面；G18表示XZ平面；G19表示YZ平面。G17可以省略。I、J、K为圆弧起点到圆弧圆心的矢量在X、Y、Z轴上的投影。

6) G40，取消刀补。G40必须和G41或G42成对使用。 7) 程序结束，以M30作为标志。 8) 程序段开始，程序号为O0001

3． SurfCAM自动编程加工程序与分析

A）控制系统采用刀具补偿程序如下（PART.NCC）： %；程序开始 O0000；程序号

(PROGRAM NAME - PART ) ；格式文本

(DATE=DD-MM-YY - 04-11-00 TIME=HH:MM - 22:36)；记录日期 N100G21 ；G21设定公制单位

N102G0G17G40G49G80G90；G0-快速定位 G1-直线插补 G17-设定刀具面为XY平面 ；G40-取消刀具半径补偿 G49-取消刀具长度补偿

；G80-取消固定循环 G90-采用绝对值编程

(ENDMILL-FLAT-D10 TOOL - 1 DIA. OFF. - 1 LEN. - 1 DIA. - 10.) ；记录刀具数据 N104T1M6 ；T1--采用刀具1 M6-换刀

N106G0G90G54X-25.Y10.A0.S50M5 ；G54--① M5-主轴停转

N108G43H1Z40.M8 ；G43-采用刀具长度补偿 H1-取1号偏置量储存器数据 ；M8-开1号切削液 ；刀具运动到1点

N112X0.Y40. ；1→B上方安全高度 N114Z10. ； →B上方下刀平面 N116G1Z-16.F0.；开始加工工件

N118G41D1X14.957Y70.F100. ；B→C G41-开启刀具补偿功能 ；D1-刀具补偿量取补偿号为D1的储存变量的值 N120X38.542 ；C→D

N122G2X65.Y80.R40.；D→ G2--顺时针圆弧插补，终点（65，80），半径40 N124X97.Y64.R40. ； →E 继续G2指令

N126G3X144.994Y40.R60.；E→F G3-逆时针圆弧插补，终点（144.994，40），R60 N128G1X170. ；F→G G1-直线插补 N130Y0. ；G→H N132X0. ；H→A

N134G40Y40. ；A→B 并取消刀具半径补偿 N136G0Z24.；回参考高度 N138Z40. ；回安全高度

N140X-25.Y10. ；刀具回安全平面固定点（-25，10，40） N142M5；M5--主轴停转

N144G91G28Z0.M9 ；G91-采用增量值编程 M9-关切削液 ；G28-自动返回机床参考点②

N146G28X0.Y0.A0. ；继续经中间点返回机床原点 N148M30 ；M30-程序结束 %

程序解释：

①G54--预设的第一工件坐标系，它是安装了工件之后，测量此时的工件坐标系原点相对于机床坐标系原点的偏移量，将这些值存入存储器，从而建立起来的一个工件坐标系。程序执行G0G90G54X-25.Y10.之后，刀具移动到G54所建立的工件坐标系中X-25.Y10.处。 ② G28----刀具以点位方式经中间点快速自动返回参考点。上两句刀具经中间点（-25，10，0），返回参考点（-25，10，40）。 B）控制系统不采用刀具补偿程序如下：

下面的程序（TRY1.NCC）为若数控系统不具有半径补偿功能时，采用SurfCAM图像自动编程所生成的数控加工程序，可与TRY.NCC进行比较，以说明SurfCAM的多种编程能力。 此时，刀位轨迹为偏移后的路径。 % O0000

(PROGRAM NAME - TRY1)

(DATE=DD-MM-YY - 08-11-00 TIME=HH:MM - 08:40) N100G21

N102G0G17G40G49G80G90

(ENDMILL-FLAT-D10 TOOL - 1 DIA. OFF. - 1 LEN. - 1 DIA. - 10.) N104T1M6

N106G0G90G54X-25.Y10.A0.S50M5

N108G43H1Z40.M8 ；刀具运动到安全高度点1（-25，10，40） N110X-5.Y41.177 ；1→b（-5，41.177,40） N112Z10.；刀具下降到下刀平面 N114G1Z-16.F0. ；切削到底

N116X10.483Y72.231F200. ；b→c（10.483，72.231,-16） N118G2X14.957Y75.R5.；c→c'（14.957，75,-16） N120G1X36.716 ；c'→d（36.716，75,-16） N122G2X65.Y85.R45. ；d→

N124X101.Y67.R45. ； →e（101，67,-16）

N126G3X144.994Y45.R55. ；e→f（144.994，45,-16） N128G1X170. ；f→g（170，45,-16）

N130G2X175.Y40.R5. ；g→g'（175，40,-16） N132G1Y0. ；g'→h（175，0,-16） N134G2X170.Y-5.R5. ；h→h' N136G1X0. ；h'→a

N138G2X-5.Y0.R5.；a→a' N140G1Y41.177 ；a'→b'

N142G0Z24. ；回参考高度（-5，41.177，24） N144Z40.；回安全高度（-5，41.177，40）

N146X-25.Y10. ；回安全高度点（-25，10，40） N148M5

N150G91G28Z0.M9

N152G28X0.Y0.A0.；经中间点自动返回机床零点 N154M30 %

第六章Pro/E软件的应用 第一节Pro/E软件基本功能

用户界面中的视窗标题、下拉住菜单、瀑布式菜单、图形按钮工具条、对话框、信息栏和提示信息区等的基本知识。

1．下拉菜单介绍

1.1[文件]菜单

单击主菜单的[文件]，这些菜单提供了Pro/E的各种文件管理功能。 下面是一些常用菜单的功能。

[新建]：选取该菜单选项后，系统弹出[新增]对话框来新建各类工程文件。 [新增]：对话框的[类型]分组框中有很多单选按钮。选取不同的单选按钮即可用不同的系统模块进行工程设计。

[打开]：选取该菜单系统将会弹出[文件打开]对话框，在对话框中选取要打开的Pro/E文件，单击[打开]按钮既可打开相应的文件。

[设置工作目录]：所谓工作目录，就的系统默认的文件操作目录。当选取这个菜单选项后，系统将弹出[选取工作目录]对话框，在这个菜单选项后，系统将弹出[选取工作目录]对话框，在这个对话框中可以设置功能目录。 [关闭窗口]：关闭窗口，但不会推出Pro/E系统。 [保存]：该菜单选项用于保存文件。

[保存副本]：选取该菜单选项后，系统会弹出[保存副本]对话框，在[新名]编辑框中输入新的文件名，单击“确定”按钮就可以把当前文件另存为新的文件。

[备份]：该菜单选项的功能是将当前文件保存到另外一个目录，选取这个菜单选项后，系统回弹出[备份]

对话框，在这个对话框中可以选择相应的存档目录。使设计成果的保存安全可靠。 [重命名]：选取这个菜单选项后，系统会弹出[重命名]对话框对当前文件进行重命名。 [打印]：该菜单选项的功能是退出Pro/E系统。

1.2[视图]菜单

在主菜单栏选取[视图]下拉菜单，系统将弹出菜单选项。在使用Pro/E绘图的过程中，[视图]菜单的主要功能是管理绘图区的显示属性设置模型的显示状态并控制模型的显示视角，为设计者提供最佳的 环境。下面具体介绍各个菜单选选项的 用途。

[重画]：这个菜单选项一般是在绘图区有某种改变之后使用，可以 用来重绘图形并消除是一步骤留下的残影，相当于对绘图区进行刷新操作。 [阴影]：在模型是添加阴影，进行效果渲染。

[缺省方向]：是实体模型旋转到系统定义的缺省视角方向的设置方法将在 后面的内容中讲述。

[前一个]：返回到对象先前的视角方向。

[重新调整]：重新调整对象，是对象完整的显示在绘图区中。

[重定向]：选取这个菜单选项之后，系统将弹出[定位]对话框，在这个 对话框中可

以为 对象重新定义视角方向。

[保存视图]：这个菜单选项用于保存单前视图的视角方向。 [隐藏]：隐藏所选的特征和元件。 [取消隐藏]：不再隐藏所选的特征和元件。 [全部取消隐藏]：不再隐藏任何特征和元件。 [层]：在很多CAD软件中都会涉及到层的概念。

选取这个菜单选项后，系统 将 弹出[层]的对话框。在这个对话框中可以对层进行增加 、删除以及屏蔽等各种操作。

[模型树]：切换模型树的 显示状态，既打开/关闭模型树窗口。

[显示设置]：选取该菜单选项后系统将弹出下层菜单。选取这些菜单选项后，系统将弹出相应的对话框，在弹出的对话框中，可以设置响应的参数。

[模型设置]：使用这些菜单选项可以社顶模型的颜色和外观、光照、网格大小等参数。

[ 模型树设置]：设置模型树窗口的各个属性，具体设置方法将在后面重点介绍。 1.3[分析]菜单

在菜单栏选取[分析]下拉菜单后，系统弹出菜单选项。该菜单主要用于地绘图区的几何分析，包括曲线长度的测量、面积的计算、角度的测量、曲线曲面的分析以及对二个零件从特征上、几何上进行比较等。

[测量]：该菜单用于测量几何图元的长度、角度、面积、直径等数值以及进行二个坐标之间坐标值的转换操作。

[模型分析]：分析模型的密度、质量、体积、直径面积以及在指定坐标下的重心坐标等。

[曲线分析]：分析曲线的曲率等属性。

[曲面分析]：分析曲面的高斯曲率、截面曲率等各种曲率分布，并使用彩色的方式显示分析结果。

[Excel]：使用微软公司Office软件中Excel软件对模型进行分析。 [用户定义分析]：执行一个由用户定义的分析。 [敏感度分析]：执行一个可行性研究方案分析。 [可行性/优化性]：执行一个可行性/优化性分析方案。

[多目标设计研究]：进行多目标设计的研究。

[比较零件]：对当前零件和磁盘上的另外一个零件从特征和几何上进行比较，比较结果将在信息窗口中显示。 1.4[信息]菜单

在主菜单栏选取[信息]下拉菜单，系统将弹出菜单选项。该菜单的主要功能是为设计者提供关于模型、特征、参照等多方面的信息。

[几何检测]：设计中出现几何错误时，系统给出错误信息。

[特征]：选取这个菜单选项后 ，就可以在绘图区或模型树窗口中选取特征或元件。 [模型]：在信息窗口显示整个模型的相关信息。 [全局参照查看器]：查看全局的参照视图。

[父顶/子顶]：显示特征之间的关系信息。选取特征后，系统将弹出对话框显示所选的特征的所有父子特征的列表。

[关系和参数]：查看当前模型添加的关系式和参数的相关信息。 [切换尺寸]：在使用代号表示的尺寸和使用数值表示的尺寸之间切换。 [保存模型树]：将显示的模型树以文本格式文件进行保存。 [特征列表]：显示模型的特征列表信息。

[模型大小]：显示模型的最大边框，即显示能将模型完全围住的最小的长方体。 [审核轨迹]：显示指定模型的审核轨迹信息，会包括模型的修改时间、用户等信息。 [进程信息]：选取该菜单选项后，将弹出三个菜单。 （1）[对象列表]：显示当前窗口对象的饿列表。

（2）[消息日志]：查看所有在信息栏里出现过的系统信息。 （3）[日期和时间]：查看系统的日期和时间。 1.5[应用程序] 菜单

选取住菜单的[应用程序]下拉菜单后，系统将弹出菜单。 1.6[功能]菜单

选取主菜单里的[功能]菜单，系统将会弹出菜单，下面具体讲述各个菜单选项的功能。 [模型播放器]：选取这个菜单选项后，使用模型播放器可以再现当前模型的造型过程。模型的造型过程实际上也可以从模型窗口中看出，但是在模型树窗口中查看不直观。使用模型播放器查看造型的过程。若选中[再生特征]复选框，播放器不仅仅是显示造型过程，还可

以再生特征。模型播放器还有[显示尺寸]、[特征信息]、[几何形状检测]、[修复模型]等功能按钮。

[参照控制]：设置外部参照的控制环境。

[播放轨迹/培训文件]：设计者在设计过程中往往可能由于意外情况而中断了正在进行的设计工作，但是还来不及把文件存档。这时，可以使用这个菜单选项来恢复被意外中断的设计。

[分布式计算]：当设计量很大的时候，可以采用分布式计算的方法加快计算速度。这时可以选取这个菜单选项进行计算。

[Pro/Web.Link]:连接互连网，使用互连网桑的资源。 [映射键]：设置加速键，这个功能比较强大。 [浮动模块]：启用浮动模块功能。 [辅助应用程序]：管理辅助应用程序。

[环境]：设置各种环境参数。选取这个菜单选项之后，系统将弹[环境]对话框。在这个对话框中，可以设置绘图区显示属性、缺省操作、缺省的旋转方向等设计参数。其中[显示]选项卡的各项可以设置在绘图区是否显示基准、尺寸公差、坐标系和选转中心等。在[缺省操作]选项卡中可以设置一些系统默认的属性。

[定制屏幕]：该选项用于调整用户界面中工具栏的内容，增加或删除工具条中的图形按钮。

[选项]：编辑并载入一个配置文件。

[调试]：该选项包括信息调试、模型调试和绘图调试等基本内容。

2设置映射键

Pro/E具有强大的映射键功能。映射键就是加速键，通过定义映射键可以录制一段

操作过程，当设计者再次按下映射键，系统会按照先前录制的步骤来自动操作。 定制映射键

1．打开[映射键]对话框。

在主菜单栏依次选取[功能]/[映射键]菜单选项，系统弹出[映射键]对话框。

1． 增加一个映射键。

单击“新增”按钮，系统会弹出[记录映射键]对话框。在[关键序列]编辑框中

输入映射键的名称，即输入键盘按键的名称。为了便于识别，在[名字]编辑框中给该映射键定义一个名字，还可以在[说明]编辑框中输入该映射键的说明文字，其他选取默认设置即可。 ２．录制映射键

（1） 单击“记录”按钮，开始录制映射键。依次选取[视图]/[模型树]菜单选项完

成或打开模型树的操作，然后单击“停止”按钮结束录制，最后单击“确定”按钮，返回到[映射键对话框。

（2） 单击“所有”按钮保存映射键，然后单击“关闭”按钮结束映射键的操作。

小结：

介绍了图形用户界面的基本组成，内容包括视窗标题、下拉主菜单及瀑布式菜单、图形按钮工具条、信息栏、设计工作区、提示信息区等特点和用途。然后，列举了各下拉主菜单的功能，及各主菜单的下层菜单的组成及功能。最后，讲述了映射键的录制方法、用户界面的定制方法以及三维实体造型中功能非常强大的模型树窗的基本使用方法。

第二节 PROE三维实体造型

三维实体造型是该软件最富有特色同时也是最强大的功能。相对于二维草绘来说，三维键摸涉及的知识面更加广泛，其理论知识更加丰富。 特征及其分类：

特征是pro/E的基本操作单位，使用拉伸方法创建一个六面体就是生成一个来伸一个曲面特征。一个三维实体模型的创建过程就是从无到有依次生成各种类型特征的过程，只不过有的特征的生成过程是在实体添加材料，有的确是在实体上切除材料。在pro/E中通常把特征分为3种基本类型，实体类型、曲面类型、基本类型。

实体特征：试题特征是生活中最常见的一类特征，这类特征具有质量、体积等实体属性。同时实体特征具有确定的形状和大小，具有厚度。对实体特征的几何描述比较简单，只需要有限的尺寸参数就可以准确确定其形状。由于实体特征的类型众多，特点各异，还可以进一步作如下分类：基础实体特征、放置实体特征

曲面特征：与实体特征相比，曲面特征是一类相对抽象的特征。曲面特征没有质量、体积和厚度等实体属性，对其准确的几何描述相对复杂。曲面特征可以用作生成实体特征的材料。对特定曲面进行合理的设计和裁剪后，将其作为实体特征的表面，这是曲面特征的一个重要用途。

基准特征：从零开始创建实体特征时，应该首先创建基础实体特征。但是实际上，在创建基础实体特征时并不是真正的的从零开始，而且在基准特征之上开始创建各类基础实体特征。所谓基准特征，就是基准点、基准轴、基准曲线、基准曲面以及坐标系统的统称。这种特征虽然也不是实体特征，没有质量、体积和厚度，但是在特征创建过程中却有着重要的用途。

一、三维实体造型的基础知识

Pro/E最重要的特点就是其强大的三维造型设计功能。与二维平面设计相比，三维键模要复杂得多。这是应为三维实体在空间上更加富于变化，三维实体的特征更加丰富。

三维造型设计的一般原理：无论是创建实体特征还是曲面，都不是脱离二维平面草绘。三维实体键模与二维平面草绘息息相关，二维草绘是大多数三维实体造型中的关键步骤。三维键模时一般都需要绘制剖面，然后由草绘剖面生成三维实体特征。

草绘平面的设置：在二维草绘时，需要一个草绘平面。在简单二维草绘的过程中，对草绘平面没有严格的要求，只需在系统提供的区域之内进行草图绘制即可。但是在创建三维实体特征时，由于特征之间存在错综复杂的位置关系，选取和设定草绘平面已经成为设计中

的重要步骤，正确选取和设定草绘平面是设计成功的重要条件。在使用三维造型设计时，有3种草绘平面选取方式：1.选取系统提供的标准基准平面作为草绘平面，2.使用基础实体特征上的表面作为草绘平面，3.新键基准平面作为草绘平面。

参考平面的设置：选定了草绘平面就相当于在绘画时找到了绘图板。

三维造型设计中的方向参数：在三维造型设计中，特征在产生和操作时最多可以具有6个方向的自由度。在设计过程中，如果有多个设计方向可供选择，系统会根据实际情况给出方向选择的相关提示，设计者再根据设计需要选取最符合意图的方向。设计中，系统使用的方向箭头来指示特征的产生方向，使用[方向]菜单可以调整实体生成方向。如果在[方向]菜单中选取[反向]选项，就可以调整特征生成箭头所示方向。

基准特征概述：在三维造型设计中，基准特征是一种很重要而且很有用的特征。与pro/E的早期版本比，对基本特征的设置方式作了较大的调整，每当用户打开一个新的设计界面后，只要打开基准设置开关，都可以看到基准特征。系统提供的3个相互正交的标准基准平面，并分别命名为TOP. FRONTHE 和RIGHT.除此还提供一个坐标系和一个特征的旋转中心。

设置基准特征的显示状态：基准特征是三维实体造型设计的重要辅助工具。在复杂的实体造型设计中，常常需要添加大量的基准特征，但是太多的基准特征会使图面杂乱从而影响设计的正常进行，这时就很有必要调整基准特征的显示状态。

修改基准特征的名称：当实体的基准特征很多的时候，根据设计者的个人习惯，有时需要更改基准特征的名称。在pro/E中可以使用以下方法更改基准特征的名称。1，在[菜单管理器]的[零件]菜单中选取[设置]选项，在随后弹出的[零件设置]菜单中选取[名称]选项，然后在系统的提示下选取需要换名的基准特征并输入新名称即可。2，在[菜单管理器]的[零件]菜单中选取[修改]选项，然后在[修改]菜单中选取[基准/轴]选项可以给基准特征换名。同时，选取[移动基准]选项还可以移动基准名称的标准位置。

新增基准特征的基本方法：在pro/E中，单击菜单栏中的[插入]下拉菜单，然后选取其中的[基准]选项，可以在设计中根据需要加入各种基准特征。 基准平面

基准平面是所有基准特征中使用最频繁，同时也是最重要的基准特征。当我们打开一个新的设计界面时首先就会看到系统提供的3个标准基准平面，基准平面并非实体特征，它具有几何元素的基本特点：没有厚度，并且在空间上无限延伸。

插入基准平面：要新增基准平面，可以单击菜单栏中的[插入]下拉菜单，选取其中的[基准]选项，在其下层单击选取[平面]，然后系统将弹出[基准平面]菜单。由该菜单的内容可知，

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