第二章第三節(jié)：材料加工工藝CAD

2.3材料加工工藝CAD及其應(yīng)用2.3.1概述2.3.1.1CAD概論及發(fā)展過程CAD是計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(英文ComputerAidedDesign)的簡(jiǎn)稱。它是指利用計(jì)算機(jī)技術(shù)完成設(shè)計(jì)過程中的信息檢索、方案構(gòu)思、分析、計(jì)算、工程繪圖和文件編制等工作。CAD中的“設(shè)計(jì)”包含內(nèi)容廣泛，幾乎涉及所有學(xué)科。其中分析、計(jì)算及工程繪圖是設(shè)計(jì)過程中的典型環(huán)節(jié)，CAD的典型含義就是計(jì)算機(jī)輔助完成包含以上典型設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的活動(dòng)。CAD的概念及相關(guān)術(shù)語是1963年由美國(guó)麻省理工學(xué)院(MIT)24歲的研究生薩瑟蘭德(I．E．Satherland)在他發(fā)表的博士論文“Sketchpad：一個(gè)人機(jī)通信的圖形系統(tǒng)”中首次提出的。該系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)者用光筆和鍵盤在圖形顯示器上實(shí)現(xiàn)選擇、定位等交互功能及繪制直線、圓等圖形，并可對(duì)圖形進(jìn)行變換和編輯。它為CAD技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用打下了理論基礎(chǔ)。交互式圖形生成技術(shù)的出現(xiàn)，促使了CAD／CAM技術(shù)的迅速發(fā)展。60年代中后期，美國(guó)的一些大公司開始重視這一技術(shù)，并投入相當(dāng)資金對(duì)CAD實(shí)用系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)。如美國(guó)通用汽車公司為汽車外形設(shè)計(jì)開發(fā)了DAC—I系統(tǒng)(DesignAugmentedbyComputer—1)，用以分析和綜合車身的三維曲線設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)是在大型計(jì)算機(jī)上運(yùn)行的，成為該公司設(shè)計(jì)小車和卡車必不可少的工具；美國(guó)洛克希德航空公司開發(fā)飛機(jī)設(shè)計(jì)的CGADAM系統(tǒng)(ComputerGraphicsAugmentedDesignandManufacturing)，具有強(qiáng)度分析、繪圖和數(shù)控編程等功能；貝樂實(shí)驗(yàn)室開發(fā)了Craphicl，用于電路方案設(shè)計(jì)和印制板的電路元件布局布線設(shè)計(jì)。這一時(shí)期的CAD系統(tǒng)的特點(diǎn)是規(guī)模龐大，價(jià)格昂貴，只有經(jīng)濟(jì)實(shí)力雄厚和技術(shù)力量較強(qiáng)的大型企業(yè)和研究單位才能研究和應(yīng)用CAD技術(shù)。在70年代，隨著大規(guī)模集成電路(IC)問世，CAD系統(tǒng)采用以超小型機(jī)為基礎(chǔ)的集中分時(shí)方式，CAD系統(tǒng)開始商品化，但價(jià)格仍然很貴。在此期間出現(xiàn)了廉價(jià)的固體電路隨機(jī)存儲(chǔ)器，產(chǎn)生逼真圖形的光柵掃描顯示器、光筆和圖形輸入板等多種形式的圖形輸入設(shè)備，使計(jì)算機(jī)圖形學(xué)算法研究進(jìn)入新階段，并出現(xiàn)了一批專營(yíng)CAD／CAM系統(tǒng)硬件和軟件的公司(如ComputerVistion、Intergraph、Calma、Applicm等)。這些CAD／CAM系統(tǒng)的特點(diǎn)是硬軟件配套齊全。因此人們稱它為“交鑰匙”系統(tǒng)(TurnkeySystem)。這一時(shí)期內(nèi)，CAD／CAM系統(tǒng)的應(yīng)用主要集中在航空、電子和機(jī)械工業(yè)部門。同時(shí)他們對(duì)三維幾何造型技術(shù)也開始進(jìn)行研究。70年代末以后，32位工作站和微型計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)對(duì)CAD／CAM技術(shù)的發(fā)展起了極大的推動(dòng)作用。32位工作站之間可相互聯(lián)網(wǎng)，以達(dá)共享系統(tǒng)內(nèi)的資源和發(fā)揮各臺(tái)計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)。80年代中期，分布式聯(lián)網(wǎng)的工作站已成為CAD的典型硬件環(huán)境，其性能價(jià)格比年復(fù)一年地迅速提高，光柵掃描顯示器及其算法統(tǒng)治圖形學(xué)硬、軟件，CAD方法從繪圖進(jìn)入造型，實(shí)體模型系統(tǒng)成熟，計(jì)算機(jī)動(dòng)畫開始興起，集成CAD系統(tǒng)開始商品化，CAD應(yīng)用迅速發(fā)展，市場(chǎng)十分繁榮。到了90年代，CAD的硬件支撐已從工作站擴(kuò)展到個(gè)人計(jì)算機(jī)(PC)，彩色圖形顯示系統(tǒng)的圖形加速卡已成為或正在成為工作站和PC的通用設(shè)備，各種新的計(jì)算機(jī)圖形輸入輸出設(shè)備的不斷涌現(xiàn)，如三維彩色數(shù)字化儀，使得CAD造型的數(shù)據(jù)庫(kù)建立越來越容易。CAD技術(shù)中的圖形接口、圖形功能日趨標(biāo)準(zhǔn)化，CAD技術(shù)逐漸多媒體化，使CAD技術(shù)進(jìn)一步普及，質(zhì)量更加提高。另外，人工智能(ArtificialIntelligence，簡(jiǎn)稱A1)和專家系統(tǒng)技術(shù)在CAD中的應(yīng)用大大提高了自動(dòng)化設(shè)計(jì)的程度，出現(xiàn)了智能CAD(AICAD)，把工程數(shù)據(jù)庫(kù)及其管理系統(tǒng)，知識(shí)庫(kù)及專家系統(tǒng)，用戶接口管理系統(tǒng)集于一體，形成一門新學(xué)科。以CAD為基礎(chǔ)，目前已產(chǎn)生了一系列相關(guān)概念，如計(jì)算機(jī)輔助制造(CAM)，計(jì)算機(jī)輔助工程(CAE)，柔性制造系統(tǒng)(FMS)，快速成形技術(shù)(RP)、計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)(C1MS)、并行工程(CE)、敏捷制造(AM)及虛擬制造等等。我國(guó)在CAD技術(shù)方面的研究始于70年代中期。當(dāng)時(shí)主要是研究開發(fā)二維繪圖軟件，主要研究單位是學(xué)校、研究院所。航空和造船業(yè)是CAD技術(shù)應(yīng)用較早的部門。80年代初，有些大型企業(yè)和設(shè)計(jì)院成套地引進(jìn)CAD／CAM系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開發(fā)后實(shí)際應(yīng)用，取得一定成果。隨著改革開放和發(fā)展商品經(jīng)濟(jì)的需要，在80年代中后期，我國(guó)的CAD／CAM技術(shù)有了較大的發(fā)展，目前該技術(shù)越來越受到人們的注意。進(jìn)入90年代后，各工業(yè)部門都提出了開發(fā)應(yīng)用CAD技術(shù)的計(jì)劃，以達(dá)到提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，取得經(jīng)濟(jì)效益的目的；高等院校和研究院所對(duì)CAD技術(shù)的理論和軟件開發(fā)進(jìn)行了大量的研究，并取得了明顯成果(如清華大學(xué)、浙江大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、華中理工大學(xué)、中科院計(jì)算所等)，國(guó)家科委、各工業(yè)部門都十分重視CAD技術(shù)的發(fā)展，并有計(jì)劃、有步驟地在全國(guó)各地建立培訓(xùn)基地，以提高工程工作人員的素質(zhì)。隨著我國(guó)自主版權(quán)CAD軟件的發(fā)展，CAD技術(shù)將在企業(yè)達(dá)到普及，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展先進(jìn)制造技術(shù)。2.3.1.2CAD系統(tǒng)的硬件CAD系統(tǒng)的硬件基本是由主機(jī)、常用外圍設(shè)備和圖形輸入設(shè)備所組成（1）主機(jī)主機(jī)包括中央處理器（CPU）和內(nèi)存儲(chǔ)器，它是系統(tǒng)的中心，控制整個(gè)系統(tǒng)的工作、執(zhí)行運(yùn)算和邏輯分析。（2）外存儲(chǔ)器外存儲(chǔ)器有軟盤、硬盤、磁帶及光盤等。（3）圖形輸入設(shè)備包括鼠標(biāo)器、數(shù)字化儀和光筆等。（4）3D物體輸入設(shè)備計(jì)算機(jī)圖形設(shè)備發(fā)展的重要方向是輸入設(shè)備的功能從2D發(fā)展為3D，3D輸入設(shè)備包括三大類。①3D物體直接轉(zhuǎn)變?yōu)?D圖像3D掃描儀能直接掃描物體，典型的產(chǎn)品如美國(guó)KanImage公司生產(chǎn)的掃描儀，稱為Kanscan。另一種更為簡(jiǎn)單的設(shè)備是數(shù)字照相機(jī)，該相機(jī)拍攝的圖像可存儲(chǔ)在外接硬盤上，也可直接輸入到PC機(jī)進(jìn)行處理。②將3D物體轉(zhuǎn)化為3D模型這類設(shè)備是通過手動(dòng)的方法將3D物體的表面結(jié)構(gòu)(線框)輸入到計(jì)算機(jī)，形成計(jì)算機(jī)的3D線框圖模型，直接用于真實(shí)感表示。3D數(shù)字化儀生成的文件可轉(zhuǎn)化至DXF，IGES，WarefrontOBT等標(biāo)準(zhǔn)或常用的格式，以便和3DStudio等3D造型軟件接口。③將3D物體自動(dòng)轉(zhuǎn)化為3D模型3D自動(dòng)化數(shù)字化儀可自動(dòng)地將3D物體的表面形狀以及色彩的信息輸入到計(jì)算機(jī)中，它利用激光和視頻技術(shù)，能以極高的分辨率快速掃描3D物體，而不直接接觸物體，因而無損于實(shí)際物體。經(jīng)3D數(shù)字化儀掃描的物體，可將其數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)控加工中心或快速成型設(shè)備上，從而可迅速地復(fù)制物體。（5）圖形顯示設(shè)備圖形終端是交互式CAD系統(tǒng)的重要設(shè)備之一。在交互式CAD作業(yè)過程中圖形處理通常由圖形顯示器、鍵盤和鼠標(biāo)器配合使用。圖形顯示器的核心部件是陰極射線管(CRT)、還有處理圖像和指令的微處理機(jī)(DPV)及圖形顯示器本身所帶的內(nèi)存儲(chǔ)器。圖形顯示終端具有圖形輸入輸出兩個(gè)功能，它與一般的字符終端不完全相同，它需要隨機(jī)地顯示圖形，而且要求實(shí)時(shí)快速地更換和修改圖形。（6）圖形輸出設(shè)備圖形輸出設(shè)備是以紙、膠片、塑料薄膜等物質(zhì)為介質(zhì)，輸出人眼可視并能長(zhǎng)期保存的圖形的計(jì)算機(jī)外部設(shè)備。圖形輸出設(shè)備也可分為矢量型和光柵掃描型兩大類。矢量型設(shè)備的作畫機(jī)構(gòu)隨著圖形的輸出形狀而移動(dòng)并成像。繪圖機(jī)屬于矢量型設(shè)備。光柵掃描型設(shè)備的作畫機(jī)構(gòu)按光柵矩陣掃描整張圖面，并按輸出內(nèi)容對(duì)圖面成像。光柵掃描型圖形輸出設(shè)備包括點(diǎn)陣式打印機(jī)、熱敏印刷機(jī)、靜電印刷機(jī)、噴墨印刷機(jī)以及激光打印機(jī)等等。2.3.1.3當(dāng)前CAD系統(tǒng)中常用的軟件（1）AutoCAD軟件AutoCAD是主要用于二維設(shè)計(jì)和繪圖的軟件。從10.0C版增加了三維造型功能，并為用戶提供良好的二次開發(fā)環(huán)境。它是國(guó)內(nèi)外應(yīng)用較廣的微機(jī)CAD軟件，目前已推出2000版。（2）I—Deas軟件I—Deas（IntegratedEngineeringAnalysisSoftware）是美國(guó)SDRC公司開發(fā)的。SDRC公司于1970年推出的第一個(gè)產(chǎn)品是模態(tài)分析，目前它的軟件產(chǎn)品仍側(cè)重于工程分析和產(chǎn)品建模。1993年3月發(fā)布的新版MasterSeries轉(zhuǎn)向全面的CAD／CAE／CAM集成系統(tǒng)，主要包含9個(gè)模塊：①二維圖形設(shè)計(jì)和繪圖模塊。②三維幾何造型模塊。③有限元分析模塊。④優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊。⑤系統(tǒng)動(dòng)力仿真模塊。⑥桁架結(jié)構(gòu)分析模塊。⑦數(shù)據(jù)處理模塊。⑧塑料模具設(shè)計(jì)分析模塊。⑨數(shù)控加工模塊。該軟件可在工作站或微機(jī)上運(yùn)行。（3）CADAM軟件CADAM(Computer-GraphicsAugmentedDesignandManufacturing)是美國(guó)洛克希德飛機(jī)制造公司研究開發(fā)的大型CAD／CAM軟件。主要功能有：①交互設(shè)計(jì)控制模塊。②三維幾何造型模塊。③三維管路設(shè)計(jì)模塊。④有限元分析模塊。⑤數(shù)控加工模塊。該軟件可在工作站和微機(jī)上運(yùn)行。在工作站上運(yùn)行的CADAM稱為“大CADAM"，在微機(jī)上運(yùn)行的稱為“小CADAM"。（4）UG-Ⅱ軟件UG—Ⅱ(UNIGRAPHIS—Ⅱ)軟件是美國(guó)麥道航空公司研究開發(fā)的，于80年代推出商品化軟件，其主要功能有：①實(shí)體和曲面造型及繪圖模塊。②機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)模塊。③零件設(shè)計(jì)與裝配模塊。④注塑模流動(dòng)分析模塊。⑤有限元分析模塊。⑥數(shù)控加工模塊。UG的長(zhǎng)處是復(fù)雜型面的設(shè)計(jì)與加工。（5）CATLA軟件CATLA(Computer-GraphicsAidedThree-DimensionalInteractiveApplications)是法國(guó)達(dá)索(DassaultSystems)公司研究開發(fā)的，其曲面造型功能更為突出。主要功能有：①三維線框幾何造型模塊。②曲面設(shè)計(jì)與數(shù)控加工模塊。③實(shí)體幾何造型模塊。④運(yùn)動(dòng)學(xué)模擬模塊。該軟件為工作站版本。（6）EUCLID軟件該軟件是法國(guó)MatraDatavision公司研究開發(fā)的，主要功能模塊有：①幾何造型模塊。②自動(dòng)繪圖模塊。③分析計(jì)算模塊。④數(shù)據(jù)管理模塊。該軟件為工作站版。以上幾種軟件都是由國(guó)外開發(fā)的，近年來，國(guó)內(nèi)自主版權(quán)的CAD軟件開發(fā)的不少，但規(guī)模不算太大。比較著名的有清華大學(xué)開發(fā)的CEMS軟件，包括三維形體的定義輸入模塊、三維形體集合運(yùn)行模塊及變換輸出等三個(gè)主要模塊；華中理工大學(xué)軟件公司開發(fā)的HustCAD，該軟件是比較實(shí)用的CAD系統(tǒng)，面向于企業(yè)。目前推廣應(yīng)用前景樂觀。2.3.2沖裁工藝CAD隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，CAD已逐步滲入材料加工的各個(gè)領(lǐng)域，并可有效的提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，下面簡(jiǎn)要介紹沖裁工藝設(shè)計(jì)過程中CAD技術(shù)的應(yīng)用。2.3.2.1概述沖壓加工是建立在金屬塑性變形基礎(chǔ)上，利用模具和沖壓設(shè)備對(duì)金屬板料進(jìn)行加工，以獲得所需要的形狀和尺寸。沖壓模設(shè)計(jì)包括沖裁工藝分析計(jì)算、模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與模具圖樣繪制兩大部分，其中沖壓工藝設(shè)計(jì)是沖模設(shè)計(jì)中關(guān)鍵的一個(gè)環(huán)節(jié)，工藝設(shè)計(jì)結(jié)果直接影響模具的結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)的沖壓產(chǎn)品質(zhì)量。沖壓工藝設(shè)計(jì)包括工藝性判斷、毛坯展開、毛坯排樣、工序設(shè)計(jì)與工藝方案確定。沖壓工藝設(shè)計(jì)具有如下特點(diǎn)：（1）沖壓工藝設(shè)計(jì)是一項(xiàng)經(jīng)驗(yàn)性很強(qiáng)的工作，設(shè)計(jì)中所用到的一些經(jīng)驗(yàn)性知識(shí)是靠設(shè)計(jì)人員在生產(chǎn)實(shí)踐中不斷摸索獲得的。有些經(jīng)驗(yàn)知識(shí)可以通過圖表、公式等形式總結(jié)出來，供設(shè)計(jì)人員參考，但很大一部分經(jīng)驗(yàn)知識(shí)則是無法用數(shù)學(xué)模型來表示的。（2）工藝設(shè)計(jì)過程是數(shù)值計(jì)算、數(shù)據(jù)檢索、圖形處理、符號(hào)處理及優(yōu)化設(shè)計(jì)等的集合。在工藝設(shè)計(jì)中，尺寸的換算、間隙補(bǔ)償量、展開尺寸計(jì)算、回彈量計(jì)算、拉深次數(shù)計(jì)算和沖壓力計(jì)算等都是通過數(shù)值計(jì)算完成的。同時(shí)在設(shè)計(jì)中要通過查表檢索大量設(shè)計(jì)參數(shù)。工藝設(shè)計(jì)的信息主要是以圖形方式表達(dá)的。工藝設(shè)計(jì)往往有多種方案可供選擇，在設(shè)計(jì)中不僅要考慮到設(shè)計(jì)的技術(shù)可行性，而且必須符合經(jīng)濟(jì)性原則，以最小的代價(jià)生產(chǎn)出滿足需求的產(chǎn)品。因此存在著多種方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)問題。（3）工藝設(shè)計(jì)是一個(gè)創(chuàng)造性勞動(dòng)過程。因?yàn)闆_壓產(chǎn)品是多種多樣的，形狀各異，變化復(fù)雜。在設(shè)計(jì)中，不僅需要設(shè)計(jì)人員掌握豐富的設(shè)計(jì)知識(shí)，而且要求設(shè)計(jì)人員能充分發(fā)揮自己的創(chuàng)造力，設(shè)計(jì)出各種沖壓件的加工工藝。由上述特點(diǎn)可見，傳統(tǒng)的手工設(shè)計(jì)沒有固定的系統(tǒng)的準(zhǔn)則可循，設(shè)計(jì)結(jié)果受設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)、偏好等因素影響。因此，建立沖壓工藝CAD系統(tǒng)，不僅可以建立一套完整的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，同時(shí)也可減輕設(shè)計(jì)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。沖壓工藝CAD與傳統(tǒng)的手工設(shè)計(jì)方法完全不同，它是把設(shè)計(jì)者長(zhǎng)期積累起來的經(jīng)驗(yàn)——模具設(shè)計(jì)資料包括計(jì)算公式、經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)等預(yù)先匯編成一套程序系統(tǒng)，并以一定的方式輸入到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中。在設(shè)計(jì)模具時(shí)，只要根據(jù)沖壓件的幾何形狀、尺寸和材料等參數(shù)，編制若干個(gè)簡(jiǎn)單的主程序，然后調(diào)用先前已編好的程序系統(tǒng)中的一些子程序，通過運(yùn)算就可獲得所需的模具設(shè)計(jì)參數(shù)，包括沖壓件的工藝性(好或差)、沖裁件的最佳排樣位置、模具刃口尺寸及其公差、凹模的外形尺寸、壓力中心、沖壓力和脫模力等。一般的講，沖裁工藝CAD系統(tǒng)的流程框圖如圖7-2所示。由于沖裁零件為平面零件，圖形輸入和處理比較容易實(shí)現(xiàn)，所以CAD技術(shù)在沖裁模中該系統(tǒng)主要包括產(chǎn)品模型建立、工藝性分析、毛坯排樣、工藝方案選擇、工序設(shè)計(jì)、沖裁力與壓力中心計(jì)算及壓力機(jī)選擇等。產(chǎn)品模型建立即沖裁件圖形輸入，是將沖裁件圖樣的幾何信息和非幾何信息輸入到計(jì)算機(jī)中。圖形處理程序?qū)⑵滢D(zhuǎn)換為機(jī)內(nèi)模型，為N工藝形判斷？圖形處理產(chǎn)品圖形輸入后續(xù)設(shè)計(jì)模塊提供信息。N工藝形判斷？圖形處理產(chǎn)品圖形輸入工藝性判斷程序以自動(dòng)搜索和判斷的方式分Y析沖裁的工藝性。如零件不合適沖裁，則給出提Y復(fù)合模毛坯排樣示信息，要求修改零件圖。復(fù)合模毛坯排樣單沖模級(jí)進(jìn)模工藝方案選擇毛坯排樣程序以材料利用率為目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行單沖模級(jí)進(jìn)模工藝方案選擇壓力中心合力計(jì)算壓力中心合力計(jì)算排樣的優(yōu)化設(shè)計(jì)。程序可完成單排、雙排和調(diào)頭壓力中心合力計(jì)算壓力中心合力計(jì)算雙排等不同方式的排樣，從近萬種排樣方案中選出材料利用率最高的方案。模具設(shè)計(jì)工藝方案的選擇，即決定采用簡(jiǎn)單模、復(fù)合模具設(shè)計(jì)?；蜻B續(xù)模，通過交互方式實(shí)現(xiàn)。程序可以按照內(nèi)部結(jié)合的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則自動(dòng)確定工藝方案，用戶也圖2－110沖裁工藝CAD系統(tǒng)程序流程圖開始編輯沖裁減圖形開始編輯沖裁減圖形生成DXF文件從圖形交換文件中提取圖形數(shù)據(jù)沖裁件輪廓排序生成沖裁件圖形和等距放大圖數(shù)據(jù)文件提取圖形數(shù)據(jù)檢驗(yàn)數(shù)據(jù)正確嗎？輸出沖裁件和等距放大圖形數(shù)據(jù)結(jié)束便可適應(yīng)各種不同的情況。2.3.2.2沖裁件圖形輸入沖裁件圖形是一種2D圖形，可以用平面內(nèi)的封閉輪廓線表示。輪廓有內(nèi)、外輪廓之分，而內(nèi)、外輪廓又由若干線段組成，如直線段、圓弧線、圓及非圓曲線段(這些線段又稱為線素)等，線段與線段之間的交點(diǎn)或切點(diǎn)稱為節(jié)點(diǎn)。沖裁件圖形輸入的任務(wù)是在計(jì)算機(jī)內(nèi)建立描述零件圖的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，形成其幾何模型，以便計(jì)算機(jī)“理解”和“記憶”。幾何模型包括零件的幾何信息和拓?fù)潢P(guān)系，最終歸結(jié)為對(duì)點(diǎn)、線、圓及相互N關(guān)系的定義。幾何信息是描述圖形幾何特性的參N數(shù)，如直線段的斜率與其上點(diǎn)的坐標(biāo)和圓弧段的圓心坐標(biāo)、半徑、起始角和終止角等。沖裁件拓Y撲關(guān)系的描述比較簡(jiǎn)單，只需將各線素按一定的Y方向首尾相連即可。如規(guī)定外輪廓為逆時(shí)針方向，內(nèi)輪廓為順時(shí)針方向，則所有線素前進(jìn)方向的左側(cè)是實(shí)體，右側(cè)為空白，這樣就能唯一描述圖形，滿足后續(xù)設(shè)計(jì)要求。沖裁件圖形輸入方法有多種，大致可歸結(jié)為圖2－111沖裁件圖形交互輸入過程專用繪圖語言輸入法、參數(shù)編碼法、面素拼合法和交互輸入法等，本節(jié)闡述常用的交互輸入法。交互式輸入法是通過在屏幕上交互作圖，并由程序自動(dòng)處理完成沖裁件圖形輸入的一種圖形輸入方法。這種方法通常以某一繪圖軟件為支撐，可對(duì)圖形進(jìn)行交互編輯、修改、插入和刪除等操作。下面論述以AutoCAD繪圖軟件為基礎(chǔ)的沖裁件圖形的交互輸入法。（1）沖裁件圖形的交互輸入過程沖裁件圖形的交互輸入過程如圖2-111所示。首先利用AutoCAD繪圖軟件包，以交互方式在屏幕上完成沖裁件圖形編輯，然后生成沖裁件圖形的DXF交換文件，并利用接口程序從圖形交換文件中提取各線素的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，再利用后置處理程序?qū)⑻崛〉膱D形信息按沖裁模CAD／CAM系統(tǒng)的要求，建立起沖裁件圖形的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與幾何模型，供系統(tǒng)后續(xù)模塊調(diào)用。（2）圖形信息的輸出AutoCAD主要以DXF文件方式輸出圖形。DXF文件是具有特殊格式的ASCII文件，它包括了繪圖過程中的完整信息，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，圖形輔助信息較多，難于辨別所需的圖形信息。因此，DXF文件需經(jīng)轉(zhuǎn)化和提煉才能適應(yīng)圖形輸入的要求。沖裁件圖形輸入信息主要是內(nèi)、外輪廓信息，即AutoCAD中的“實(shí)體”，內(nèi)、外輪廓信息都包含在ENTITIES段，因此，只需對(duì)DXF文件的ENTITIES段進(jìn)行討論。在沖裁件圖形編輯中，一般都用基本實(shí)體繪圖命令LINE、CIRCLET和ARC燈會(huì)圖，而且編輯命令（如TRIM、BREAK、CHAMFER、FILLET等）在生成的DXF文件中也是以LINE、CIRCLET和ARC等實(shí)體表達(dá)的，這就為圖形的編輯和提取實(shí)體數(shù)據(jù)提供了極大的方便。（3）圖形信息的提取數(shù)據(jù)提取的方法與過程根據(jù)DXF文件的組織結(jié)構(gòu)，在編寫提取圖表信息程序時(shí)，可用一個(gè)字符變量C對(duì)DXF文件進(jìn)行搜索，搜索到ENTITIES字符串后，再開始對(duì)實(shí)體繪圖命令進(jìn)行搜索，遇到繪圖命令就轉(zhuǎn)到相應(yīng)的子程序進(jìn)行處理。提取的圖形數(shù)據(jù)庫(kù)按表2－8所示的結(jié)構(gòu)存放，并通過有關(guān)程序轉(zhuǎn)換成表2－9所示的結(jié)構(gòu)。表2－8提取的圖形數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)NLTXSYSXeYeR表中N為實(shí)體所在層號(hào)，規(guī)定非輪廓線元素方在第0層，外輪廓線方在第1層，各內(nèi)輪廓分別方在第2、3……層上，尺寸標(biāo)準(zhǔn)方在第99層上。LT為線形；Xs、Ys為起點(diǎn)坐標(biāo)；Xe、Ye為終點(diǎn)坐標(biāo)；R為圓弧半徑。表2－9沖裁件圖形的數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)NXYXCYCN為線形，規(guī)定外輪廓按逆時(shí)針方向循進(jìn)，內(nèi)輪廓一瞬市鎮(zhèn)方向計(jì)算，±1表示水平線，其中±代表與橫軸正向相同。±2表豎直線；±3表示斜線，其中+3表示線段起點(diǎn)的x坐標(biāo)小于終點(diǎn)的x坐標(biāo)?！?表示逆順時(shí)針圓?。弧?代表外、內(nèi)輪廓元，88帶輪廓分界，99為結(jié)束符。X、Y為線（?。┒蔚钠鹗键c(diǎn)坐標(biāo)。Xc、Yc委圓心坐標(biāo)。2.3.2.3沖裁件工藝性判斷沖裁件的工藝形是指沖裁件對(duì)沖裁工藝的適應(yīng)性，主要包括沖裁件結(jié)構(gòu)尺寸的工藝形和沖裁件的精度與粗糙度兩大方面，其中沖裁件結(jié)構(gòu)工藝性的具體內(nèi)容如下：（1）沖裁件的形狀尺寸盡可能設(shè)計(jì)成簡(jiǎn)單、對(duì)稱，排樣廢料少；（2）沖裁間各直線或曲線連接處，應(yīng)有適當(dāng)?shù)膱A角過渡；（3）沖裁件凸出或凹入的部分不宜太小，避免懸臂與狹槽；（4）沖孔孔徑不宜太??；（5）孔與孔之間、孔與邊之間、邊與變之間的距離不宜太??；（6）彎曲與拉深沖孔時(shí)，孔壁與直壁之間應(yīng)保持一定距離。工藝分析包括技術(shù)和經(jīng)濟(jì)兩方面內(nèi)容。在技術(shù)方面，根據(jù)產(chǎn)品圖樣，主要分析蓋沖裁件的形狀特點(diǎn)、尺寸大小、精度要求和材料性能等因素是否符合沖裁工藝的要求；在經(jīng)濟(jì)方面，主要根據(jù)沖裁件的生產(chǎn)批量，分析產(chǎn)品成本，闡述采用沖裁生產(chǎn)可以取得的經(jīng)濟(jì)效益。沖裁件的工藝分析，主要討論在不影響零件使用的前提下，能否以最簡(jiǎn)單最經(jīng)濟(jì)的方法加工出來，能夠做到的，表示該沖裁件的工藝性好，反之，工藝性差。影響沖裁件工藝性能的因素很多，從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)方面考慮，主要包括沖裁件的形狀和尺寸、沖裁件精度、尺寸標(biāo)注、生產(chǎn)批量等。給出零件編號(hào)、板料厚度及裁寥牌號(hào)代碼材料性能文件繪出圖形數(shù)據(jù)信息給出零件編號(hào)、板料厚度及裁寥牌號(hào)代碼材料性能文件繪出圖形數(shù)據(jù)信息圖形處理模塊產(chǎn)生的文件初步選擇判別對(duì)象元素確定挑選的正確性選定判別對(duì)象元素及工藝類型的識(shí)別計(jì)算需要判別的量值調(diào)用極限情況下的工藝參數(shù)判別出零件各個(gè)部位工藝性好壞打印結(jié)果，給出修改產(chǎn)品圖樣的信息工藝參數(shù)文件用戶是否希望繼續(xù)模具設(shè)計(jì)工作？進(jìn)入后續(xù)模塊回到初始狀態(tài)YN圖2－112工藝形判斷流程圖工藝性判別的主要步驟。（1）選擇判別對(duì)象元素是采用對(duì)整個(gè)圖形進(jìn)行搜索的方法。對(duì)于直線，以某一端點(diǎn)為圓心，某一常數(shù)為半徑，作一輔助圓，進(jìn)而判斷輔助圓和除線段本身以外的所有圖形元素是否有交點(diǎn)或圖形元素在輔助圓內(nèi)，若有交點(diǎn)或在輔助圓內(nèi)，則是判斷對(duì)象元素。對(duì)于圓元素則是將半徑放大或縮小作輔助圓，求圖形所有元素(本身與鄰元素除外)是否和輔助圓有交點(diǎn)或在其內(nèi)，這樣即可找到判斷對(duì)象元素。但要注意到在有關(guān)系的元素間可能有多余元素存在，要將它除去。（2）找到判斷對(duì)象元素后，利用事先確定的一套幾何關(guān)系進(jìn)而確定判斷對(duì)象的性質(zhì)。當(dāng)零件圖中直線與直線間關(guān)系是虛型，則判斷其類型為窄槽；若是實(shí)型的開放型，則判斷類型為槽間距或槽邊距；若是實(shí)型的封閉型，則判別為細(xì)頸或懸臂。利用同樣原理可確定出圓一圓或圓—線的關(guān)系，即判斷出孔間距、孔邊距等。（3）計(jì)算需要判別的量值，并與極限值進(jìn)行比較。用解析幾何的方法求出點(diǎn)與線間，線與線間、線與圓弧間以及圓與圓間的最小距離，并與允許的極限值進(jìn)行比較。2.3.2.4毛坯排樣優(yōu)化設(shè)計(jì)在沖裁零件的成本中材料費(fèi)用占60％以上。在大量生產(chǎn)中，即使將材料利用率提高1％，其經(jīng)濟(jì)效益也相當(dāng)可觀。因此，材料的經(jīng)濟(jì)利用是沖壓生產(chǎn)中的一個(gè)重要問題。毛坯排樣的目的在于尋求材料利用率最高的毛坯排列方案。人工排樣一般難以獲得最佳排樣方案，這是因?yàn)楣ぜ牟贾梅桨付喾N多樣，要比較這些方案材料利用率的高低是手工計(jì)算所不能勝任的。另外，工件形狀千差萬別，單憑經(jīng)驗(yàn)和直覺作出正確判斷往往是困難的。計(jì)算機(jī)排樣較之手工排樣具有明顯的優(yōu)越性，可顯著提高材料利用率。使用情況表明，計(jì)算機(jī)優(yōu)化毛坯排樣可使材料利用宰提高3％-7％。在沖裁模CAD中，凹模、卸料板和凸模固定板等零件的設(shè)計(jì)均需利用排樣結(jié)果所提供的信息，因此在系統(tǒng)流程圖中毛坯排樣處于較前的位置。圖2-113為實(shí)際生產(chǎn)中常用的排樣方式，其中a)、b)為單排排樣，c)、d)為雙排排樣，b)、d)為旋轉(zhuǎn)180°的排樣。a)b)c)d)圖2－113常用的排樣方案一般來說，排樣可有圖2－114中所式的兩個(gè)參數(shù)φ和λ決定。參數(shù)φ和λ的變化范圍為yG｛0≤φ≤π,-β(φ)≤λ≤η(φ)｝y示中的β(φ)為φ的單值函數(shù)，它反映了圖形在Oy軸方向上的寬度與φ角的關(guān)系。βλ在一般情況下，排樣的優(yōu)化問題在于尋找φ和λ的最佳值，使目標(biāo)函數(shù)βλxx在域G內(nèi)達(dá)到最大值。式中A1、B1為板料的長(zhǎng)度和寬度。圖2－114決定排樣的參數(shù)由于產(chǎn)品零件的復(fù)雜性，難以用一個(gè)統(tǒng)一的解析式表達(dá)排樣問題的目標(biāo)函數(shù)。所以，計(jì)算機(jī)輔助排樣的方法雖有多種，但基本思想?yún)s是相同的，即從排列零件的所有可能的方案中選出最優(yōu)者，也就是采用優(yōu)化設(shè)計(jì)中的網(wǎng)格法解決毛坯排樣問題。計(jì)算機(jī)排樣方法可分為半自動(dòng)化和自動(dòng)化兩大類。屬于前者的方法需要較多的人機(jī)交互作用，利用圖形交互設(shè)備和圖形軟件提供的圖形功能在屏幕上完成圖形布置，利用計(jì)算機(jī)比較材料利用率的大小，從中選擇理想的方案。自動(dòng)化排樣方法則由程序自動(dòng)完成排樣方案的產(chǎn)生、材料利用率的比較和最優(yōu)方案的選擇。常用的程序排列方法有多種，這里主要介紹多邊形法。圖2－115零件圖形的多邊形化多邊形法這種方法的特點(diǎn)是將平面圖形以多邊形近似，通過旋轉(zhuǎn)、平移得到不同方案，從中選擇最佳者。其主要步驟如下。圖2－115零件圖形的多邊形化開始（1）多邊形化以直線段代替圓弧段，用多邊形代替原來的零件圖形，圖2-115為多邊形化的示意圖。開始圖形的多邊化處理按試樣要求進(jìn)行圖形狀換輸入零件圖形（2）等距放大排樣零件之間的最小距離為搭邊，在計(jì)算機(jī)排樣時(shí)處理的為包括了搭邊值的等距放大圖，即將多邊形化的圖形向外等距放大△／2。當(dāng)兩等距圖相切時(shí)，自然保證了搭邊值△。圖形的多邊化處理按試樣要求進(jìn)行圖形狀換輸入零件圖形以△/2放大多邊形，形成等距離圖（3）圖形的旋轉(zhuǎn)、平移通過旋轉(zhuǎn)、平移使等距圖相切，這樣就產(chǎn)生了一種排樣方案。以△/2放大多邊形，形成等距離圖φ=I*πI=1,90（4）與已儲(chǔ)存方案比較，保留材料利用率高的方案。如全部搜索完畢，轉(zhuǎn)至(5)，否則轉(zhuǎn)到(3)。φ=I*πI=1,90N圖2－116多邊形法的流程圖結(jié)束輸出最優(yōu)排樣方案存儲(chǔ)新方案新方案由于已存最佳方案？計(jì)算材料利用率平移第三個(gè)圖形與第二個(gè)圖形相切平移第二個(gè)圖形與第一個(gè)圖形相切求第二個(gè)圖形相對(duì)于第一個(gè)圖形的反射像將第一個(gè)圖形旋轉(zhuǎn)φ角（5）輸出排樣結(jié)果圖2-116為采用多邊形法實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)180°單排排樣的流程圖。這種排樣方法的優(yōu)點(diǎn)是概念清晰，可適用于各種情況，其缺點(diǎn)是運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)。N圖2－116多邊形法的流程圖結(jié)束輸出最優(yōu)排樣方案存儲(chǔ)新方案新方案由于已存最佳方案？計(jì)算材料利用率平移第三個(gè)圖形與第二個(gè)圖形相切平移第二個(gè)圖形與第一個(gè)圖形相切求第二個(gè)圖形相對(duì)于第一個(gè)圖形的反射像將第一個(gè)圖形旋轉(zhuǎn)φ角2.3.2.5沖裁工藝方案的選擇沖裁工藝方案的選擇是確定采用單沖、復(fù)合或級(jí)進(jìn)(連續(xù))模。工藝方案選擇的正確與否直接影響到產(chǎn)品的質(zhì)量、生產(chǎn)率以及模具壽命。（1）工藝方案選擇的判據(jù)由計(jì)算機(jī)來判斷選擇沖裁工藝方案，首先必須建立設(shè)計(jì)模型，也就是必須根據(jù)生產(chǎn)中的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)出工藝方案選擇的判據(jù)。①?zèng)_裁件的尺寸精度當(dāng)沖裁件內(nèi)孔與外形及內(nèi)孔間定位尺寸精度要求較高時(shí)，應(yīng)盡可能采用復(fù)合模，這是因?yàn)閺?fù)合模沖裁出的零件精度高。②沖裁件的尺寸當(dāng)沖壓件的料厚大于3mm，外形尺寸大于250mm時(shí)，不僅其沖壓力大，有模具結(jié)構(gòu)尺寸大，故不適于采用連續(xù)模。③沖裁件的孔、槽間距及懸臂尺寸當(dāng)沖裁件的孔或槽間(邊)距太小及懸臂既窄又長(zhǎng)時(shí)，因不能保證復(fù)合模的凸凹模的強(qiáng)度，只能采用單沖或連續(xù)模