李志刚模具CADCAM-讲义

1、 模具CAD/CAM 机械CAD/CAM技术输入设计要求设计模型定义工程分析计算满意？文档编辑、图形输出图形交互设备数据库图形库程序库从上世纪60年代开始，在国内外研究开发了一批性能优良的相互独立的商品化CAD、CAPP、CAM系统这些独立的系统分别在产品设计自动化、工艺规程设计自动化和数控编程自动化方面起到了重要作用。但是，这些各自独立的系统，不能实现彼此之间信息的自动传递和交换，必须由设计者对数据信息进行必要的转换。结果：降低了设计效率，并可能产生错误。计算机集成制造Computer Integrated Manufacturing， 即“CIM”。年由美国哈林顿博士提出。将企业内所有分散

2、的信息系统进行集成，不仅包括生产信息，还包括生产管理过程所需的全部信息，从而构成一个计算机集成制造系统（CIMS）。CAD/CAM集成技术是计算机集成制造系统的一项核心技术。 概要设计：确定软件系统的总体结构和模块间的关系，定义各模块间的接口，设计全局数据结构，确定系统钰其他软件及用户之间界面的纤细内容。CAD/CAM系统硬件的核心。主要由中央处理器（CPU）、内存储器、输入输出（I / O）接口组成。内存储器：CPU可以直接访问的存储单元，用于存储常驻的控制程序、用户指令、准备接受处理的数据。CPU：计算机的心脏，由控制器和运算器组成。控制器的作用：使系统内各模块相互协调地工作，能够进行人机

3、之间、计算机之间、计算机与外部设备之间的信息传输和资源的调度，指挥系统中各功能模块执行各自的功能。运算器的作用：执行程序指令所要求的计算和逻辑操作，输出数值计算和逻辑操作的结果。计算机的分类：计算机的分类：1、大中型计算机采用一个主机连接多个终端，支持多用户同时工作，有较强的计算能力和运算速度，可以从事复杂的设计计算和分析。、小型机性价比优于大中型计算机，世纪年代末年代初的CAD/CAM系统多采用这种机型。到了世纪年代中期，小型机逐渐被性能价格比更好的工程工作站所代替。、工程工作站世纪年代初出现的介于小型机与个人微机之间的新型计算机，它采用多CPU并行处理技术、大的虚拟存储空间，具有强大图形显

4、示和处理功能，具有高速网络通信能力。、微型型计算机近年来，高档微机的功能已经接近低档工作站水平。当CPU需要使用外存储器中的信息时，需要将这些信息调入内存储器接受CPU处理。而内存储器中暂时不用的程序和数据则调回到外存储器，以便腾出内存装入待运行的程序和数据。磁带、磁盘、光盘、U盘、移动硬盘等。外存储器不能直接被CPU访问，通常用于存储CPU暂时不用的程序和数据。常见的外存储器：光标控制设备、数字化仪、键盘、图形扫描等。图形显示器、绘图仪、打印机等。（）主要有美国的A 交互式绘图软件主要以人机交互方法完成二维工程图样的生成和绘制，具有图形的增删、缩放、复制、镜像等编辑功能，具有尺寸标注、图形拼

5、装等图形处理功能，具有尺寸驱动参数化绘图功能，具有较完备的机械标准件参数化图库。优点：绘图功能强、操作方便、价格便宜B 三维设计CAD系统基于微机平台，具有参数化特征造型功能，具有装配和干涉检查功能，以及简单曲面造型功能，价格适中，易于学习掌握。国内有MDT、Solidworks、Solidedge等。C 数控编程系统具有刀具的定义、工艺参数的设定、刀具轨迹的自动生成、后置处理、切削加工模拟等功能。典型的软件系统有 等。D 工程分析软件国内外流行的单一功能工程分析软件有SAP、ADINA、ASTRAN、ANSYS等。由有限元分析模块、机构运动仿真分析模块、优化设计模块组成。用户开发工具部分为用

6、户二次开发提供了用户编程语言（UPL）或与高级语言的开发接口，如通过二次开发，可以提高软件系统的用户化程度，充分发挥软件系统的性能，提高使用效率。机械CAD/CAM涉及的数据的特点：数据量大、种类多、结构复杂。数据包含的内容：产品的物理特征、材料性能、数学模型、零件规格、几何形体描述、测试数据、设计标准和规范等。数据的表现形式：数值、文字信息、几何图形信息。数据文件是一组具有相同性质和结构的记录的集合，而记录则是由一系列相关的数据项组成，它能完整地表示一个处理对象。在文件管理系统中，数据文件的建立、查询和存取是通过应用程序实现的，没有数据的集中管理，缺乏数据的独立性。 一个数据库系统除了必要的

7、硬件和系统软件之外，其核心部分是数据库管理系统（DBMS）。在CAD/CAM系统中，人们希望能够利用数据库技术有效地管理工程应用中所涉及的图形、图像、声音等更加自然的信息形式，这是现行商用数据库系统难以适应的。因而人们提出了工程数据库的概念。机械CAD/CAM系统面临着整个设计和制造过程的数据，包括文字的和图形的、静态的和动态的，非常复杂。其数据类型可归纳为以下几种：A 管理型数据B 设计型数据C 数据D 图形数据（2）工程数据库系统的主要特点A 具有复杂工程数据的存储和管理的能力； B 具有动态建模的能力； C 支持多库操作和多版本管理； D 支持工程数据的长记录存取和文件兼容处理； E 支

8、持智能型的规则描述和查询处理； F 具有良好的数据库系统环境和支持工具。 （3）采用工程数据库管理系统建立数据库的方法。将成为开发下一代CAD/CAM集成系统、CIMS系统的数据管理的主流。（1）基于文件记录的专用数据管理方法。目前常用的方法，应用程序与数据文件一一对应。（2）在商用数据库管理系统（DBMS）上建立一套软件接口方法。目前所研制的CAD/CAM系统大多采用这种方法。 PDM管理所有与产品相关的信息和过程的技术。与产品相关的信息CAD/CAM文件、材料清单、产品配置、事物文件、电子表格、供应商清单等产品信息。 与产品相关的过程加工工序、加工指南、工作流程等对过程的定义和管理。 PD

9、M系统在关系型数据库基础上、采用面向对象技术开发的对企业产品数据管理的一种软件平台。为企业提供了一种宏观管理和控制所有与产品相关信息的机制，覆盖了产品生命周期内的全部信息。PDM系统应具有的功能电子资料及文档管理、产品配置管理、工作流程管理、分类及检索功能、项目管理功能。 目前，PDM系统已包括了文档管理、产品配置管理及工作流程管理等最基本的功能，可以对产品的整个生命周期进行完整的描述和控制。PDM在企业中的作用已经普遍被人们所认可。计算机网络用通信线路和通信设备将分散在不同地点并具有独立功能的计算机相互连接的计算机群。2、局域网系统的组成、局域网系统的组成（1）网卡局域网络的通信接口，是实现

10、计算机与电缆系统的物理连接，进行计算机的数据信号与传输电缆中的传输信号之间的转换，决定网络的传输率和传输可靠性等网络性能。 （3）服务器一台高档微机、工程工作站或小型机。其作用为：运行网络操作系统；存储、管理网络中共享的软、硬件资源；对网络中各工作站的活动进行监视和控制。 由网卡与媒体、服务器、工作站、网间连接器、网络系统软件等组成。CAD/CAM系统所采用的网络均属于局域网。（2）传输媒体双绞线、同轴电缆或光缆等。（4）工作站PC机或工程工作站，是用户访问网络的操作平台。 服务器通过网络操作系统控制和协调各工作站之间的工作，最大限度地对各网络用户提出的要求作出迅速的响应，它能区分、处理、响应

11、各工作站同时发来的对网络进行操作的不同要求。3、网络的拓扑结构、网络的拓扑结构（6）网络系统软件主要是网络操作系统。（5）网间连接器是将几种不同型式的网络连接在一起的互连设备。有中继器、网桥、路由器、网关等几种不同形式类型。 网络中各个工作站节点相互连接的方法和形式。局域网的基本拓扑结构形式：总线形、星形、环形、网状形。实验室采用HUB的形式为星形拓扑结构形式。 网络协议在网络中，通信双方共同遵守的规则和约定的集合。国际标准化组织（ISO）1980年制定了开放系统互连模型（OSI），现已作为广泛承认的一种计算机网络标准。 OSI网络标准采用7层功能结构来描述两用户之间的通信：即物理层、数据链路

12、层、网络层、传输层、会话层、表示层、应用层。 在OSI互连模型中，两个相互通信的系统都有共同的层次结构，而每个层次均有自身的通信协议，包括语法、语义、时序三方面的约定。只有物理层（最底层）才在通信媒体上进行实实在在的信息流传输，而在上面各层中两系统之间并无实际的传输。三、成组技术三、成组技术成组技术合理组织产品生产过程的一种将工程技术和管理技术集于一体的生产组织管理方法。 成组技术利用产品零件之间的相似性，将零件分类成组，然后根据每组零件所拥有的相似特征，为其同组零件找出相对统一的最佳方案，从而节约时间和精力，以取得所期望的经济效益。 第四节第四节 CAD/CAM技术的发展和应用技术的发展和应

13、用一、一、CAD/CAM技术的发展展1、单元技术的发展和应用阶段 20世纪6070年代。主要特征：CAD/CAE/CAM各功能模块已基本形成，但数据结构尚不统一，集成性差，企业尚处于单元技术的应用阶段。 20世纪80年代，CAD/CAM技术迅速发展。 主要特征：CAD/CAE/CAM以及计算机辅助计划管理各大模块之间信息流实现一体化（CIMS），系统集成性好，企业应用已从二维计算机绘图向着三维CAD建模、CAD/CAE/CAM集成化应用方向发展。 20世纪90年代，CAD/CAM技术正从传统的面向零件的CAD/CAM集成阶段向面向产品并行设计、制造协同工作环境方向发展。热点问题面向产品全生命周

14、期的建模技术；基于工程数据库的企业级产品数据管理；由工程工作站或高档微机组成的客户机/服务器（C/S）的网络系统；支持群体小组的协同工作模式。（）CAD/CAM的集成阶段（）面向产品并行设计制造的CAD/CAM阶段二、二、CAD/CAM技术在我国的应用技术在我国的应用起步于20世纪70年代，当时主要是利用计算机进行产品设计中的分析计算。 20世纪80年代，国家在机械CAD/CAM技术开发应用方面进行了重点投资，支持对国民经济有影响的重点机械产品CAD进行开发和研制，并取得了一系列在国内来说具有开创性的成果。 20世纪90年代，我国CAD技术开发与应用进入了较为系统的推广阶段，各类CAD系统的研

15、制开发出现了商品化、产业化的势头。 1986年3月，王大珩、王淦昌、杨嘉墀、陈芳允四位老科学家联合向中共中央写了一封信，题为关于跟踪世界战略性高科技发展的建议，信中恳切地指出，面对着世界新技术革命的挑战，中国应该不甘落后，要从现在就抓起，用力所能及的资金和人力跟踪新技术的发展进程，而不能等到十年、十五年经济实力相当好时再说，否则就会贻误时机，以后永远翻不了身。这封信得到了邓小平同志的高度重视，小平同志亲自批示：“这个建议十分重要”，“找些专家和有关负责同志讨论，提出意见，以凭决策，此事宜速作决断，不可拖延。”在随后的半年中，经过广泛、全面和极为严格的科学和技术论证后，中共中央、国务院批准了高技

16、术研究发展计划（863计划）纲要。从此，中国的高技术研究发展进入了一个新阶段。15年来，在党中央和国务院的正确领导下，在有关部门的大力支持下，经过广大科技人员的奋力攻关，863计划取得了重大进展，为我国高技术发展、经济建设和国家安全做出了重要贡献。 由于计划的提出与邓小平同志的批示都是在1986年3月进行的，因此此计划被称为“863计划”。863计划（国家高技术研究发展计划）：计划（国家高技术研究发展计划）：第三章数据的处理方法第三章数据的处理方法 在CAD作业中，将设计所需的表格数据和曲线图表预先存入计算机中，供设计时灵活、方便的调用，这个过程中涉及到各种工程手册的数据处理技术。 工程手册的

17、数据处理包括数表和线图的处理，处理技术有数表的程序化、数表的文件化、数表的公式化等。 数表的类型: 1 常数数表数据之间没有明显的函数关系；2 列表函数用以表达工程中某些复杂问题参数之间的关系。 对于常数数表，可用赋值的方法进行程序化处理。如果数据量较大，且需共享的数据，可将这些常数数表存入数据文件或数据库中。从而实现数据与程序的分离，增强数据管理的安全性，同时提高工程数据的可维护性。 对于列表函数，可按常数数表处理方法进行处理，也可对数表进行公式化处理，即将数表中数据拟合成公式，由计算机直接求取所需的数据。一、数表的程序化一、数表的程序化 1、以数组的形式存放数表 利用一维数组、二维数组或三

18、维数组表示数表中的数据；用高级语言编写检索参数（系数）的程序。 2、以数据文件形式存放数表 将数表文件化处理，使程序简练；使数表与应用程序分离，实现一个数表文件供多个应用程序使用；增强数据管理的安全性，提高数据系统的可维护性。二、 数表的公式化如果列表函数的数据之间存在有某些联系或函数关系，应尽量进行公式化处理。公式化处理方法： 原因：1、数表的存储和使用占用较多的计算机资源和存储空间，增加检索时间；2、数据的离散性和离散数据的有限性，使相邻两数值点之间的函数值只能选取相近的数据，给计算带来误差。 1、函数插值； 2、曲线拟合。一、函数插值 函数插值的基本思想：在插值点附近选取若干合适的连续结

19、点，通过这些结点构造一个简单函数g(x)以代替原有的未知的函数f(x)，插值点的g(x)值就作为原函数值的近似值。根据所选取的结点的个数，可将函数插值分为线性插值、抛物线插值、拉格朗日插值三种。 根据插值点x值，选取两个相邻的自变量x1和x2，并满足x1 xx2的条件。过（x1，y1）（x2，y2）两结点连线的直线代替原来的函数 f (x) ，可得插值点函数为：21211212)(yxxxxyxxxxxg1、线性插值（一次插值、二点插值） 通过不在一条直线上的三点，构建一条抛物线近似曲线g(x)以代替原有函数，其表达式为：323132123212311312132)()()()()()()(y

20、xxxxxxxxyxxxxxxxxyxxxxxxxxxg2、抛物线插值（二次插值、三点插值） 为n个结点的n-1 次插值多项式，其表达式为累加和的形式：knkjjkjyxxxxxgkj 11)()(3、拉格朗日插值公式（多点插值）二、函数拟合工程上常采用数据的函数拟合方法（或 “曲线拟合” ）对列表函数进行公式化处理。 采用函数拟合方法所拟合的曲线不要求严格通过所有的结点，而是尽量反映数据的变化规律， 最小二乘法的实质：如何选取结点系数，使各结点到所拟合曲线偏差的平方和最小。1、在坐标纸上标示出列表函数各结点数据，并根据其趋势绘出大致的曲线；2、根据曲线确定近似的拟合函数类型，拟合函数可为代数

21、多项式、对数函数、指数函数等；3、用最小二乘法原理确定函数中的待定系数。 采用最小二乘法进行函数拟合的处理步骤：线图由直线、折线、各种曲线构成，能直观地表示出参数间 的函数关系。线图的计算机处理方法（3个）：（）找到线图原有的公式，将公式编到程序中；三、线图的程序化三、线图的程序化（）将线图离散为数表，并进行程序化处理；（）复杂的线图各别进行处理。计算机图形处理技术利用计算机的高速运算能力和实时显示功能，处理各类图形信息的技术。包括图形的输入、图形的生成显示、图形的变换、编辑、识别、图形的输出绘制等方面。 图形变换的实质对组成图形的个顶点进行坐标变换。1、平移变换x-y平面上的点P(x,y)，

22、在坐标方向上增加平移量Tx和Ty，新位置的坐标为（x,y）。平移变换的关系式为：yxTyyTxx,3、旋转变换点P(x,y)绕坐标原点o顺时针方向旋转角后，到达新位置P（x,y），该旋转变换的关系式为：cossin,sincosyxyyxx2、比例变换比例变换的关系式为：yxySyxSx,思考： 如图像关于坐标轴、原点、通过原点与坐标轴成45角直线作镜像变换，系数Sx、Sy分别是多少？二、变换的矩阵表示齐次坐标将一个n维向量用n+1维向量表示。如二维向量的点的坐标（x,y），其齐次坐标为（x,y,1），在几何意义上，相当于把发生在三维空间的变换限制在某一坐标为1的平面内。变换矩阵T用来对原图形

23、施行坐标变换的工具。二维图形变换矩阵T为3X3阶矩阵，三维图形变换矩阵T为4X4阶矩阵。 1、齐次坐标2、变换矩阵（1）平移变换矩阵：1010001yxTTT（2）比例变换矩阵：1000000yxSSS（3）旋转变换矩阵：10cossin0sincosyxTTR 若对点x y 1进行平移变换，则有：1110100011yxTyTxTTyxyxyx 级联变换由一系列的简单变换（变换序列）通过级联组合而实现的变换，也称为组合变换、复合变换。相应的变换矩阵为级联变换矩阵。 级联变换矩阵级联变换中各个基本变换的有序乘积。例如，将图形绕任意点P（Xp，Yp）转角的旋转变换，可通过如下的基本变换实现： 三

24、、变换的级联（1）将旋转中心P点平移到坐标原点；（2）将图形绕坐标原点旋转角；（3）将旋转中心平移回到原来位置。nnTTTTTT132110100011000cossin0sincos1010001ppppyxyxT 三维图形的几何变换可在二维图形几何变换的基础上进行简单的扩展。 三、三维图形变换 运用齐次坐标的方法，可将三维空间点的几何变换表示为：其中，T是4X4阶的变换矩阵。Tzyxzyx11 交互式绘图在交互式绘图系统的支持下，用户使用键盘、鼠标等输入设备，通过人机对话的方式进行绘图的方法。 目前，国内比较流行的交互式绘图CAD软件有具有自主版权的CAXA电子图板、开目CAD（华中科技大

25、学）、高华CAD（清华大学）和PICAD（北京凯思软件公司）等，以及AutoCAD、Microstation等国外的软件系统。一、交互式绘图二、程序参数化绘图 机械工程图中，由于很多零部件的形状相似，例如键、销、螺钉、螺母、滚动轴承等，一般采用程序参数化绘图来绘制这些零件。利用程序参数化绘图，用户只须向程序提供所要求的一些参数。如钣金件只须提供起始点坐标和各边边长；齿轮零件只须提供模数、齿数、变位系数等参数。对于标准件，可用其规格尺寸作为参数 。 形状特征拼合法一种绘图方法。将形状特征（如倒角、键槽、退刀槽、中心孔等）赋予参数，编制成绘图程序，通过调用这些特征绘图程序，可以拼合成各种不同的零件

26、图形，这种绘图方法即为形状特征拼合法。三、尺寸驱动式参数化绘图 基本思想以草图方式快速绘制图形，然后进行必要的尺寸标注，最后通过驱动程序，产生由尺寸标注所控制的准确图形。 参数化图形中，除了包含各图元的几何信息外，还包含了各种约束条件，即结构约束和尺寸约束。 1、尺寸驱动参数化绘图原理 由尺寸驱动参数化软件模块，在非参数化图形基础上引入了约束机制实现的。（1）结构约束各图元之间的平行、垂直、相切、对齐、相等、对称等拓扑关系。（2）尺寸约束表示图形中各组成图元的长度、角度、半径及相对位置等。各尺寸标注的尺寸值作为参数进行处理。2、尺寸驱动参数化绘图软件的主要功能 只要图元间近似的相对位置关系在系

27、统精度的设定范围内，系统的草图整理功能就能将不精确的草图整理为具有准确相对位置关系的图形，为进一步作参数化尺寸驱动做好准备。在尺寸驱动前，应对图形进行参数化处理，也就是在图形间添加适当的结构约束，并使尺寸值成为参数。每一个尺寸只须标注一次，其余视图的尺寸跟随联动，即三视图尺寸随动处理。 尺寸之间若存在一定的函数关系，可将某些尺寸设置成变量，其它尺寸用变量的表达式来表示。（1）草图绘制与整理（2）参数化尺寸驱动（3）建立尺寸间的函数关系四、参数化图库的使用与建立 如在AutoCAD中可使用形（Shape）或图块（Block）的功能实现建库。 对于一些标准件和通用件，编制相应的图形参数式绘图程序，

28、然后组成一个个图形程序库。 如PCCAD（清华天河软件公司）二维绘图软件提供的参数化图库管理系统，用户只需画出图形，进行参数化处理并编写尺寸变量参数表，就可方便的建立自己的参数化图库。 1、用图块或符号的方式建立图库 2、建立图形程序库。 3、利用参数化图库管理工具建立图库五、工程图的自动生成 完成产品几何造型设计后，通过设定图幅、视图类型、投影方向等参数，系统将自动生成所需的工程图。 由于工程图中各个视图是根据产品实体模型自动生成的，因而很好地解决了传统二维绘图中始终存在的投影线、截交线难求的问题。 通过参数关联技术的应用，使得无论在三维实体模型环境还是在二维工程图环境下，任一方的修改都能在

29、另一环境中得到反映，彻底解决了由于设计修改引起的图档更新问题。第一节第一节 几何造型的一般概念几何造型的一般概念一、机械CAD/CAM几何建模的概念1、几何建模的概念 CAD/CAM系统中的几何模型把三维实体的几何形状及其属性用合适的数据结构进行描述和存储，供计算机进行信息转换与处理的数据模型。 几何模型包含了三维形体的几何信息、拓扑信息以及其它的属性数据。 几何建模用计算机图形系统来表示和构造形体的几何形状，建立计算机内部模型的过程。 几何建模技术是CAD/CAM系统的核心，是实现CAD/CAM/CAE集成的基础。 采用三维实体造型技术来构造设计对象模型，不仅使设计过程直观、方便，同时也为后

30、续的应用，如物性计算、工程分析、数控加工编程及模拟、三维装配、运动仿真、动力学和运动学分析、渲染处理等提供了一个较好的产品数据化模型，对实现CAD/CAM技术的集成、保证产品数据的一致性和完整性提供了技术支持。（1）20世纪60年代，开始产生线框模型 ；（2）20世纪70年代，三维形体出现表面模型；（3）20世纪70年代末，出现实体模型 。2、几何建模技术的发展 实体造型通过简单体素的几何变换和并、交、差集合运算，生成各种复杂形体的建模技术。 几何模型为线框模型、表面模型、实体模型的统称，即形体的描述和表达是建立在几何信息和拓扑信息的处理基础上。二、CAD/CAM几何建模技术的基本知识 1、几

31、何信息 几何信息构成三维形体的各几何元素的形状、位置和大小。 几何信息可以用具体的数学表达式来进行定量描述，在实际应用中可以通过某些不等式对其边界加以限制。 2、拓扑信息 拓扑信息反映三维形体中几何元素的数量及其相互间连接关系。 几何元素间的连接关系是指：一个形体（Object）由哪些面（Face）组成，每个面上有几个环（Loop），每个环由哪些边（Edge）组成，每条边又由哪些点（Vertex）定义。 形体由点、边、环、面、体等各种不同的几何元素构成，其中点（V）、边（E）、面（F）为最基本的几何元素。形体在计算机内采用六层拓扑结构进行定义。 （1）体由封闭表面围成的有效空间。 正则形体具有

32、良好边界的形体。正则形体没有悬边、悬面，任意边没有两个以上的邻面。 （2）壳构成一个完整实体的封闭边界，是形成封闭的单一连通空间的一组面的结合。 一个连通的物体由一个外壳和若干个内壳构成。 （3）面由一个外环和若干个内环界定的不连通表面。 面有方向性，用外法失方向作为该面的正方向。4、形体的表示3、非几何信息 产品除描述实体几何信息、拓扑信息以外的信息。包括零件的物理属性和工艺属性等，如零件质量、性能参数、公差、加工粗糙度、技术要求等。 外环确定面的最大边界的环。外环的边按逆时钟走向。 内环确定面内孔或凸台周界的环。内环的边按顺时钟走向。（5）边实体两个邻面的交界。 顶点不能孤立存在于实体内、

33、实体外或面和边的内部。（4）环面的封闭边界，由有序、有向边的组合。 环不能自交，且有内外之分。 一条边有两个顶点，分别称为该边的起点和终点，边不能自交。（6）顶点边的端点，为两条或两条以上边的交点。形体使用如右图所示的拓扑结构（形体使用如右图所示的拓扑结构（topology）顶点顶点（Vertex）边边（Edge） 环环（Loop）面面（ Face ）壳壳（Shell） 体体（Object） 模型模型（Model）点点（Point）曲线曲线（Curve）表面表面（Surface）5、正则集和正则集合运算正则集的数学定义： S = k i S式中，k表示闭包，i表示内部，S表示集合。 该公式的含

34、义为：如果一集合S的内部闭包与原来的集合相等，则称此集合为正则集。 通常的交、并、差运算有可能产生非正则集。为此，定义一套正则化的集合算子并（*）、交（*）、差（*），以区别于常规的集合算子、与 ，保证在运算后仍产生正则集，及保证形体的有效性。 实体造型中，通过布尔运算将一些基本体素合成复杂的形体。布尔运算是一种正则化的集合运算，它保证两个基本体素经过运算后所得结果是有意义的，并可进一步参与布尔运算。6、欧拉公式 运用欧拉公式可以检验形体的合法性和一致性。（1）对于正则形体，其点（V）、边（E）、面（F）的个数满足欧拉公式： V E + F = 2（2）将三维封闭的空间分割成B个独立的多面体，

35、则点、边、面、体的个数满足欧拉公式： V E + F B = 1（3）对于有G个孔洞的形体，相应的欧拉公式为： V E + F L = 2（B G）一、线框建模（Wire Frame Modeling ） 1、线框建模三维实体仅通过顶点和棱边来描述形体的几何形状。 2、线框模型中的数据结构由一个顶点表和一个棱边表组成。棱边表用来表示棱边和顶点的拓扑关系，顶点表用来记录各顶点的坐标值。 3、优点数据结构简单，信息量少，占用的内存空间小，对操作的响应速度快。 4、缺点由于线框模型只有棱边和顶点的信息，缺少面与边、面与体等拓扑信息，导致形体信息的描述不完整，容易产生多义性，不能正确表达曲面形体的轮廓

36、线；不能进行消隐；不能产生剖视图；不能进行物性计算和求交计算；无法检验实体的碰撞和干涉；无法生成数控加工的刀具轨迹和有限元网格的自动划分等。二、表面建模（Surface Modeling ） 1、表面建模通过对物体各个表面或曲面进行描述的一种三维建模方法。 2、表面模型中的数据结构在线框模型的基础上，增加了面的有关信息和连接指针，除了顶点表和棱边表之外，增加了面表结构。 线框建模作为建模的基础与表面模型和实体模型密切配合，成为CAD建模系统中不可缺少的组成部分。 3、优点相对于线框模型而言，表面模型增加了面、边的拓扑关系，因而可以进行消隐处理、剖面图的生成、渲染、求交计算、数控刀具轨迹的生成、

37、有限元网格划分等作业。 4、缺点表面模型缺少体的信息以及体、面间的拓扑关系，无法区分面的哪一侧是体内或体外；不能进行物性计算和分析。 5、常见的曲面构造方法：平面、线性拉伸面、直纹面、回转面、扫成面、圆角面、等距面。三、实体建模（Solid Molding ） 实体建模不仅描述了实体的全部几何信息，而且定义了所有点、线、面、体的拓扑信息。（一）实体建模的概念 （）能够方便地确定三维空间中在面的哪一侧存在实体，确定给定点的位置是处在实体的边界面上，还是在实体的内部或外部； （）利用实体建模系统可对实体信息进行全面完整的描述，能够实现消隐、剖切、有限元分析、数控加工，对实体着色、光照及纹理处理，能

38、够进行实体的外形计算等。优点：（二）几何形体的表示方法常用三维实体在计算机内的表示方法：基本体素表示法、扫描表示法、边界表示法、构造实体几何表示法、空间单元表示法。 基本体素表示法用一组参数来定义一族形状相似但大小不同的形体，如锥、柱、球、立方体等。 扫描表示法由一个二维图形或三维形体，在空间沿某一方向或脊椎线平移或绕某一轴线旋转来定义实体的方法。1、基本体素表示法 对基本体素的引用或比例变换只影响形体的几何形状，而不改变其拓扑信息。 基本体素表示法和其它构造方法相结合，可以构造出较复杂的形体。2、扫描表示法3、边界表示法（Boundary Representation） 边界表示法即B-Re

39、p法。通过构成实体的面、环、边、顶点的几何数据和拓扑关系数据在计算机中表示实体。采用B-Rep表示实体的优点： 缺乏实体生成的过程信息，即该实体是由哪些基本体素定义的、是通过何种运算拼合而成的；存储数据量大，必须具有方便的用户界面才能建立起实体的所有边界信息。 采用B-Rep表示实体的缺点： 详细记录了构成形体的所有几何元素的几何信息和拓扑信息，有利于以面和边为基础的多种几何运算和操作，以及交、并、差集合运算，便于构造和表达具有复杂外形的三维实体。 构造实体几何表示法即CSG表示法。用一棵有序的二叉树记录一个实体的所有组合基本体素以及正则集合运算和几何变换的过程。 CSG表示法的特点无二义性4

40、、构造实体几何表示法（Constructive Solid Geometry） CSG的几何造型系统中，通常有两套数据结构：一套是由基本体素以及集合运算和几何变换所生成实体的二叉树的数据结构；另一套是描述这些体素的位置及其体、面、边、点的信息。 对于同一实体，其CSG二叉树的构造并不唯一，同一复杂结构可由不同的构造方法如protrusion、cut、copy等得来。 优点造型简单，易于实现，可以方便地转换成其它的数据结构表示。 缺点不能存储最终实体的更详细的几何信息，必须经过运算转化为B-Rep表示后，才能对实体的点、边、面等信息进行查询和编辑。CSG表示法与B-Rep表示法的综合运用采用CS

41、G树作为用户的输入接口，同时在计算机内部采用B-Rep描述方法来记录三维形体的完整的几何信息和拓扑信息。 空间单元表示法用一系列规则的空间单元（或称“体元” ）来表示实体的一种方法。通常用体元重心处的坐标来表示一个空间单元，单元的大小决定了单元分解的精度。优点算法简单；容易实现并、交、差集合运算；易于检查实体间的碰撞干涉、便于消隐和输出显示；具有物性计算和有限元计算的基础。空间单元表示法用于二维图形（四叉树数据结构）和空间三维实体（八叉树数据结构） 5、空间单元表示法 缺点需要大量的存储空间；不能表达各部分之间的拓扑关系；没有点、线、面等形体单元的概念；难以转化为B-Rep表示和CSG表示。第

42、三节第三节 特征建模技术特征建模技术一、特征建模的概念特征从工程对象中高度概括和抽象后得到的具有工程语义的功能要素。它不仅包含了确定的几何形状信息，而且还含有如材料、尺寸公差和形位公差、粗糙度、装配要求以及工艺、管理等各种属性。特征建模通过特征及其集合进行定义、描述零件模型的过程。特征本身是参数化的，在特征建模时，各个形状特征的位置和尺寸可以通过尺寸驱动方便地进行修改，其附属的属性也随之修改。参数化（Parametric）造型技术的主要特点：1、 基于特征； 2、全尺寸约束； 3、尺寸驱动设计修改； 4、全数据相关。二、特征的分类与特征间的关系 从模具CAD/CAM的作业过程和要求来考虑，特征

43、可分为形状特征 、精度特征 、材料特征 、技术特征 、装配特征 和管理特征 。在Pro/E软件中，有：拉伸特征、旋转特征、扫描特征、混成特征、孔特征、倒角特征、圆角特征、阵列特征、切割特征、肋特征、抽壳特征以及基准面、基准轴、基准点等辅助特征。1、特征的分类（1）形状特征具有一定工程语义的几何形体，包含了这些形体的几何信息和拓扑信息。（2）精度特征用于描述零件上公称的几何形状允许的变化量，包括尺寸公差、形位公差、表面粗糙度等信息。（3）材料特征用于描述与零件材料及热处理要求相关的信息，如零件的材料型号、性能、热处理要求和方式、表面处理方式和条件、硬度、检验方式等。（4）技术特征用于描述零件的有

44、关性能和技术要求。（5）装配特征用于描述零件在装配过程中要使用的信息和装配时的技术要求，如零件的配合关系、装配顺序和方式、装配要求等。（6）管理特征用于描述零件的管理信息，如零件名、图号、批量、设计者、日期、未注粗糙度等。其中，精度特征、材料特征、技术特征、装配特征等四个与生产加工工艺相关的特征，统称为“工艺特征”。 一般有以下3种：（1）相邻关系在空间位置之间的相互关系。（2）从属关系在某一主特征上产生辅助特征（有时仅作为尺寸标注参考、几何图元平移等），辅助特征从属于主特征。（3）分布关系表示某类特征在空间按照某种方式所排列的关系。2、特征之间的关系三、常见特征建模的方式基于特征的设计由设计

45、人员调用特征造型系统中的特征，通过增加、删除和修改等操作建立零件特征模型的建模方式。 特征识别根据已有的几何模型，通过一系列的算法对待识别的几何模型进行解释，识别出相应的形状特征，并加以定义，达到特征建模的目的。 特征识别方式：采用特征识别建立零件的特征模型过程比较复杂，且容易出错，对于复杂的零件甚至难以实现。 、基于特征的设计、特征识别 （1）交互式特征识别 （2）系统自动进行特征识别3、特征映射根据工程应用环境的不同，有以下5种特征域： 特征的映射为使后续的应用能直接利用CAD系统的产品信息，就必须将设计特征映射为各种后续应用领域所需要的特征，这一过程称之为特征的映射。 特征的多视域造成了

46、在CAD/CAPP/CAM系统间的特征及其信息需求不同，阻碍了各系统之间信息的真正集成。 （1）设计特征域； （2）分析特征域； （3）工艺特征域； （4）制造特征域； （5）装配特征域。 本节内容作为课外上机内容。要求以某一产品或该产品的某个部件为原型，设计其三维模型，并输出二维图纸。具体要求如下： 1、完成各零、部件的几何造型（零件总数不少于两个）； 2、完成各零件的二维图； 3、完成产品或部件的装配图，并输出二维图. 第四节 几种CAD软件三维造型功能简介 班 级：模具_班 姓 名： 任课老师： 完成时间： 自己制作封面，将打印的二维装配图、零件图及封面装订在一起。封面形式如下：第六章

47、CAD/CAM集成技术一、产生 产生于20世纪80年代初。我国在20世纪80年代末开始兴起计算机集成制造技术，20世纪90年代已经在不少企业得到实际应用。CAD/CAPP/CAM集成分系统是CIMS的一个重要组成部分。二、CAD/CAM集成内容 并非是各系统模块叠加式组合，而是通过不同数据结构的映射和数据交换，利用各种接口将CAD/CAPP/CAM的各个应用程序和数据库连接成一个集体化的整体。 CAD/CAM的集成涉及到网络集成、功能集成和信息集成等诸多方面。 网络集成：解决异构和分布环境下网内和网间的设备互连、传输介质互用、网络软件互操作和数据互通信等问题。 功能集成：保证各种应用互通互换、

48、应用程序互操作以及系统界面一致性等。 信息集成：是CAD/CAPP/CAM集成的核心，要解决异构数据源和分布环境下的数据互操作和数据共享等问题。 信息集成的三种实现方式： 1）通过专用格式文件的集成方式； 2）通过标准格式数据文件的集成方式； 3）利用公用工程数据库进行系统集成。三、CAD/CAM集成的关键技术 20世纪90年代初，国际标准化组织开发了产品模型数据的交换标准（STEP，Standard for the Exchange of Product Model Data）。 1）产品建模技术。 2）集成的数据管理技术。 3）产品数据交换接口技术。四、产品数据交换标准 20世纪70年代，

49、美国国家标准和技术局开始研究初始化图形交换标准IGES （Initial Graphics Exchange Specification），解决了图形几何信息的交换问题。 1、IGES标准 2、 STEP标准 数控系统数字控制系统简称，Numerical Control System。早期是由硬件电路构成的称为硬件数控（Hard NC），1970年代以后，硬件电路元件逐步由专用的计算机代替称为计算机数控系统。 第七章第七章 数控加工数控加工 CNC系统根据计算机存储器中存储的控制程序，执行部分或全部数值控制功能，并配有接口电路和伺服驱动装置的专用计算机系统。 计算机数控（Computerize

50、d numerical control,简称CNC）系统用计算机控制加工功能，实现数值控制的系统。 CNC系统组成由数控程序、输入装置、输出装置、计算机数控装置（CNC装置）、可编程逻辑控制器（PLC）、主轴驱动装置和进给（伺服）驱动装置（包括检测装置）等组成，核心是CNC装置。 与传统专用型数控系统相比，结构上具备一些开放性，功能十分强大，如FANUC16i/18i, Simens840D,NumIO60等。 根据系统硬件和软件组成及其结构形式分为以下4种类型: 1、传统专用型数控系统 硬件由数控系统生产厂家自行开发，具有很强的专用性，经过了长时间的使用，质量和性能稳定可靠，目前还占领着制造

51、业的大部分市场。 缺点: a.用户的应用、维修以及操作人员培训完全依赖于数控系统生产厂家，系 统维护费用较高; b.系统功能的扩充以及更新完全依赖于公司的技术水平，周期比较长; c.大量市售廉价通用软硬件在专用数控系统上无法使用，功能比较单一。 2、 PC嵌入NC结构的开放式数控系统 缺点：但系统软硬件结构十分复杂，系统价格也十分昂贵，一般的中小型数控机床生产厂家没有经济能力去购买。 与前几种数控系统相比，全软件型开放式数控系统具有最高的性价比，因而最有生命力。其典型产品有美国MDSI公司的Open CNC、德国Power Automation公司的PA8000NT，以及NUM公司的NUM10

52、20系统等。 3、 NC嵌入PC结构的开放式数控系统 硬件部分由开放式体系结构的运动控制卡与PC机构成。运动控制卡通常选用高速DSP作为CPU，具有很强的运动控制和PLC控制能力。如日本MAZAK公司用三菱电机的MELDASMAGIC 64构造的MAZATROL 640 CNC。 这种数控系统的开放性能比较好，并且对功能进行改进也比较方便，系统的控制功能主要由运动控制卡来实现，机床硬件发生改变时，只需要修改相应部分的控制软件，并且系统性价比也比较高，能够满足大多数的数控机床生产厂家的需要。4、全软件型的开放式数控系统 一种最新型的开放式体系结构的数控系统，所有的数控功能(包括插补、位置控制等)

53、全部都是由计算机软件来实现的。三、数控加工编程发展历程：手工编程数控语言自动编程图形交互编程CAD/CAM集成系统编程其中后面三种均为计算机辅助编程。 手工编程方法是编制加工程序的基础，也是机床现场加工调试的主要方法，对机床操作人员来讲是必须掌握的基本功，其重要性是不容忽视的。 1、手工编程： 从零件图纸分析、工艺处理、数值计算、编写程序单、程序校核等各步骤的数控编程工作均由人工完成的全过程。 手工编程比较简单，容易掌握，适应性较强。适合于编写进行点位加工或几何形状不太复杂的零件的加工程序，以及程序坐标计算较为简单、程序段不多、程序编制易于实现的场合。 2、自动编程： 是指在计算机及相应的软件

54、系统的支持下，自动生成数控加工程序的过程的过程。它充分发挥了计算机快速运算和存储的功能。 特点： 采用简单、习惯的语言对加工对象的几何形状、加工工艺、切削参数及辅助信息等内容按规则进行描述，再由计算机自动地进行数值计算、刀具中心运动轨迹计算、后置处理，产生出零件加工程序单，并且对加工过程进行模拟。 对于形状复杂，具有非圆曲线轮廓、三维曲面等零件编写加工程序，采用自动编程方法效率高，可靠性好。 在编程过程中，程序编制人可及时检查程序是否正确，需要时可及时修改。 当前，应用CAD/CAM系统进行数控编程已成为数控机床加工编程的主流。 论文“基于Pro/E NC模块的图形交互式自动编程” 文章摘要：

55、随着计算机技术的发展,图形交互式自动编程的应用越来越广泛,它可以直接将零件的几何图形信息转化为数控加工程序,极大地提高了数控编程的效率.文章介绍了利用Pro/engjneer NC模块进行图像交互式自动编程的工作流程,并以铣削实例对编程过程中的有关参数设置进行了分析说明. 3、图形交互式自动编程：4、CAD/CAM集成系统编程 由CAD系统所生成的产品数据模型将在CAM系统中直接转换为产品的加工模型，CAM系统可帮助产品制造工程师完成被加工零件的形面定义、刀具的选择、加工参数的设定、刀具轨迹的计算、数控加工程序的自动生成、加工模拟等数控编程的整个过程。 取件位置 应避免工件材料内部组织及内应力

56、对加工精度的影响； 切割路线的走向应选择注意材料变形的影响； 将起（终）点选在切割表面的拐角处，或选在精度要求不高的表面上，或选择容易修整的表面上。一、数控线切割编程中的工艺处理 1、偏移量f的确定 放电间隙）丝(21Zdf 采用快走丝机构，在V空=6080V时，一般Z=0.010.02mm。 2、取件位置、切割路线走向及起点的选择 （1）适当的定位可以简化编程工作； （2）适当的夹具可以简化编程工作或扩大线切割机的使用范围。 3、钼丝切割轨迹的确定 Zdf丝21 （1)直接加工零件时，钼丝切割轨迹通过公差带中心； (2)加工冷冲模的凸凹模时，切割轨迹偏离公差带中心，以延长模具的使用寿命； (

57、3)当线切割分粗精两次完成，或有后续加工时，应留出加工余量: 4、零件定位方式的确定与夹具选择 5、辅助程序的规划 辅助程序：引入程序、切出程序、超切程序和回退程序 CAD、CAM的发展； CAE的发展。 K.K.Wang，美国康奈尔大学（Cornell）大学教授，C-MoldMoldflow。二、技术特点 重点：注塑产品的造型、模具设计、绘图、数控加工数据的生成。 传统的方法需要采用木模进行仿行加工，CAD/CAE/CAM的集成化从根本上改变了模具生产方式。 CAE预测成型工艺参数、模具结构（流道系统；浇口位置、个数；冷却等）。 CAM：模具型腔的几何数据刀具的曲面运动轨迹数控加工指令，省去

58、了木模制作，提高精度贺效率。 三、工作内容 1.制品的几何造型 2.模腔表面的生成 如何由制品形状准确地生成型腔（型芯）表面形状，仍然是当前的研究课题。 3.模具结构设计 4.标准模架选择 5.部装图、总装图的生成 以“搭积木”的方式装配模具图。 6.模具零件图的生成 7.注塑工艺条件及注塑材料的选择 熔体温度、模具温度、注射压力、注塑速率、保压压力、充填时间、熔体材料等；预测成型故障、制品缺陷。 8.注塑流动及保压过程模拟 熔体在流动过程中的动态图；不同时刻熔体（制品）在型腔内各处的温度、压力、剪切速率、切应力、最大锁模力等。 9.冷却过程分析 采用边界元法分析模具的冷却过程；用有限差分法分

59、析制品沿模壁垂直方向的一维热传导；用经验公式描述冷却水在管道中的导热。目的：缩短模具冷却时间；改善制品在冷却过程中的温度分布不均匀性。 10.力学分析 采用有限元法计算模具在注塑成型过程中最大的变形和应力，以检验模具的刚度和强度；对制品进行翘曲分析等。 11.数控加工 自动编程，生成机床数控线切割指令、曲面的三轴、五轴数控铣削刀具轨迹以及相应的NC代码，刀具实时加工路径模拟 。 第二节第二节 注塑模具结构注塑模具结构 一、注塑模结构CAD的工作流程 分析：图10-2 “小型精密多腔注塑模结构软件工作流程”，这也是典型的模具设计工作流程。二、标准模架的选择 分析：图10-3 “标准模架的组成”、

60、图10-5 “标准模架选择程序流程图”。三、型腔与型芯形状的生成 分析：图10-7 “型腔与型芯形状生成流程见图”。四、型腔模与型芯模的生成 采用ProE软件进行模具设计，可实现自动生成型腔、型芯；采用EMX外挂，可以进行模架（斜导柱等）的设计与装配。第九章第九章 冲裁模冲裁模CAD/CAM 20世纪60年代，CAD应用于飞机机身和汽车车身的研究； 1973年，美国的DIECOMP公司研制成功PDDC连续模CAD系统； 1977年，美国OBERG公司开始采用CAD/CAM系统，设计制造复杂精密的冲压模具。 此外，日本、德国和意大利等国的一些研究单位和公司都在冲模CAD/CAM的研究和应用中做了