模 具 C A D
主要内容
? 模具 CAD的基本概念
? 冲模 CAD应用系统介绍
? 模具 CAD的基础理论
? 冲模 CAD/CAM系统的开发方法
第一章 模具 CAD的基本概念
? 计算机技术在金属塑性加工中的应用
? CAD的特点和优越性
? 模具 CAD系统的基本功能
? 模具 CAD技术的发展趋势
? 模具 CAD系统的组成
一,计算机技术在金属塑性加工中的应用
? 金属塑性加工与模具
? 计算机辅助设计（ CAD）
? 计算机辅助制造（ CAM）
? 计算机辅助工艺过程设计（ CAPP）
? 计算机辅助工程（ CAE）
1 金属塑性加工与模具
采用模具对简单几何形状的毛坯进行压力加工, 坯料在模腔中
合理流动, 获得所需的零件 。
塑性加工的原理建立在材料塑性变形的基础上, 塑性变形过程
是在高压, 甚至高温, 高速下进行, 成为制品 。
塑性加工的优点：制件组织性能好, 有良好的使用性能；
生产效率高；材料利用率高 。
模具是塑性加工的工艺装备，模具设计和制造能力直接影响着
产品的开发和更新换代，关系着产品质量和经济效益的提高，是
国民经济的重要基础之一。模具基本为单件生产，技术密集，更
新快，标准化较好，采用 CAD技术有明显优势，是模具生产发展的
必然趋势，
金属塑性加工分类：
1） 体积成形 (锻造, 轧制, 挤压, 拉拔等 )
对金属的块料、棒料进行成形加工，坯料形状和断面变形大，变
形后回弹可忽略不计。
2） 板料成形 （ 冲压加工 ）
对板料进行成形加工, 工件形状变化大, 断面变形小 。 工件变形
卸载后, 回弹大, 不能忽略 。
冲压加工可分为：
① 分离工序：冲裁（落料、冲孔、切边等）
简单模：落料或冲孔的单工序模具
级进模：压力机一次冲程中，同时完成多道冲压工序。
冲压工序依此分布在条料送进的方向上。
复合模：压力机一次冲程中，在模具的同一位置完成几个工序
② 成形工序：弯曲、拉深、成形等
采用弯曲模，拉深模、成形模具。
计算机技术
模具 CAD
模具技术
CAD 以计算机为主要技术手段，处理各种数字信息
与图形信息，辅助完成设计。
硬件技术
软件技术
塑性成形理论
模具设计准则、方法和标准
2,计算机辅助设计（ CAD）
CAD 是计算机科学与工程科学相结合的产物，是一
门综合性的计算机应用技术。
CAD系统的分类
1）按功能范围可分为通用系统和专用系统
通用 CAD系统在设计领域中应用广泛，适应性强，如 Pro/E、
UGⅡ, AUTOCAD 等商品化的 CAD系统。这类系统的几何造型、
图形处理、结构装配、真实感显示等功能都很强，多数系统
还配备有限元分析、模拟和 NC加工模块，数据交换和传输模
块，可进行软件的二次开发。
专用 CAD系统是为特定的应用而开发的，通常是为某些专
业产品设计而开发的软件，如模具 CAD，更具体的有冲裁模
CAD、拉深模 CAD等。专用 CAD系统的产品结构形式、设计理
论、方法和流程都比较固定，可实现全过程、高效率的设计。
2）按运行方式可分为交互式系统和自动化系统
自动化设计是追求的目标，研究以人工智能方法为基
础的 CAD系统是一个途径，但目前的技术水平尚难以实现。
绝大多数 CAD系统都属于交互式系统。
交互设计：计算机检索数据，分析计算，以图形或数据
的形式把运算的结果显示在屏幕上，由人来评价设计结
果，输入参数，选择方案，控制系统运行的进程。
3）按计算机是否联网，可分为集中式系统和分布式系统。
分布式系统可以利用局域网技术，可以将多个独立的
模具 CAD工作站组织在局域网中，共享软件和硬件资源。
4）按软件的开放性，可分为交钥匙系统和可编程系统 。
3,计算机辅助制造（ CAM）
利用计算机对零件的制造过程进行设计、管理和控制。
工艺设计：确定零件加工方案、加工顺序和所用设备。
近年来已形成一门独立的技术分支 (CAPP)。
数控编程：计算机辅助编制 NC程序。
4.计算机辅助工艺过程设计（ CAPP）
借助计算机和相应的软件系统，对零件的加工方案
作出计划，完成工艺过程设计。
输入设计信息（零件形状、材料与技术要求）；选
择工艺路线、决定加工方法、加工工序与工艺参数；估
算工时与成本；输出工艺文件（如工艺卡）。
CAD/CAM一体化：
CAD与 CAM开始是两个独立发展的分支，由于相互关系密切，
逐渐联系为一个整体，即 CAD/CAM一体化。
CAD生成零件的几何定义信息，可以图纸格式输出。这些结
果通过数据转换，即可产生 NC指令。 CAM利用 CAD的结果，不需
重新输入零件信息，提高效率。
CAPP是联系设计与加工的桥梁，是实现 CAD与 CAM有效集成的
条件。 CAD/CAM集成实际上是设计与制造过程中三个主要环节的
集成，即 CAD/CAPP/CAM集成。
CAD/CAM集成可实现系统各模块间的信息提取、交换和处理
。由公共数据库提供完备、统一、符合某种标准的产品信息模
型，使系统的各个环节能从该模型中获取所需信息。
产品数据管理系统 （ PDM）,利用先进的计算机网络技术, 数据
库技术, 管理产品设计信息 。
5.计算机辅助工程（ CAE）
用于对塑性成形过程的分析和模拟。是塑性成形理论与工艺实
际结合的一条途径，为成形工艺和模具设计提供科学依据。
1）分析成形过程的目的：
① 建立坯料 – 工件之间的运动学关系（形状、速度、应变率、应
变），预测成形工序中的金属流动，预测温度和热传导。
② 确定成形极限，要求在成形工序后，工件不产生内部和表面缺陷
（裂缝、折叠）
③ 预测应力、完成成形所需的力和能，选择合适的工具和设备。
2）计算机模拟软件（为工程设计人员提供的工具）
Deform,用于体积成形
Dynaform,用于板料成形
通过模拟，可以预见成形中可能出现的问题，在设计阶段分析、
比较不同方案的工艺性，确定成形某一工件的工艺过程和工艺参数，
可以验证并优化模具设计，缩短模具生产周期，降低成本。
二 CAD的特点和优越性
1,CAD的特点
是人与计算机相结合共同进行设计的一种方法 。
根据设计目标将设计方法进行综合分析建立数学模型，
编制成可在计算机上运行的程序。在程序运行过程中，计
算机发挥高速准确的计算与大容量存储的特长，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。人与计算机
取长补短，获得最优设计结果。
人, 机能力的比较,
信息存储能力：人 - 容量小, 随时间变化；
机 - 容量大, 不随时间变化 。
（ 设计资料, 信息的存储, 检索等管理 ）
分析计算能力：人 - 直觉分析能力强，数值计算能力差
机 - 无直觉分析能力，数值计算能力很强
（人利用经验、知识，综合分析判断，评价和修
改设计结果,控制设计过程；
计算机进行数值计算，可采用优化算法）
工作适应能力：人 - 易疲劳、出错
机 - 适应重复工作，长期保持高效率（绘图）
信息组织能力：人 - 灵活、直觉
机 - 格式化、详细（软件系统组织与数据结构）
2 模具 CAD的优越性
1）提高设计效率
计算机高速运算和自动化绘图，可大大缩短设计时间。
计算机有可靠和大容量的存储能力，可将大量设计资料、
设计标准存放在数据库中，设计过程自动检索，提高效率。
模具设计从人工经验设计方式转化为依靠计算机辅助设计
的方式。应用 CAD/CAE/CAM技术，使模具设计、计算机分析、
生产准备、数控加工、检验、试模等工作一体化，设计数据
直接经过网络和数据库管理系统传递到各个生产部门，大大
缩短模具生产周期。此外，成形过程计算机模拟、并行工程、
人工智能、快速原型制造等先进技术的应用，以及模具标准
化、专业化生产等也缩短了模具的供货周期。
2）提高模具设计质量
计算机高效准确的数值分析计算，使 CAD能够采取一些科学的计算
方法（如有限元方法,模拟分析和优化设计 ），可以不考虑计算的
复杂程度，对过去只是定性判断的内容，实现精确的定量分析计算
，有助于模具工艺参数和结构参数的优化。
通过对模具设计方法、经验的整理、优化，建立知识库，作为设
计的基础，使设计合理化，而且可避免人为失误，提高设计质量。
由于计算机代替人完成了繁琐的计算、数表检索、模具图纸的绘
制等，人可集中精力进行创造性的工作。
3) 改善了设计信息的传递
CAD可提供高质量的标准化的工程图纸和完善的设计文档，也能为
CAM提供初始数据。
数据库和计算机网络技术的应用使设计师可以在更大范围内共享
设计资料、信息、资源和展开合作，提高模具设计的总体水平。
3,模具 CAD技术的研究与应用
计算机技术的发展促进了 CAD的发展
硬件的发展：计算机, 外设 。
软件的发展：
系统软件,DOS—Windows；
编程工具：机器语言 —高级语言；
CAD的支撑软件：几何造型与图形处理软件,
有限元分析数值模拟 （ CAE） 软件
数据库管理软件
国外于 60年代末开始模具 CAD的研究, 工业发达国家
已广泛应用 。 我国于 80年代初开始模具 CAD技术的研究,
开发和应用于企业的软件系统有：
冲模 CAD；在各类模具 CAD中, 冲模 CAD发展较早, 应
用范围广, 原因是冲模标准化基础较好 （ 国标, 部标,
厂标 ）, 产品和模具零件便于用二维图形方式处理 。
锻模 CAD：针对各类锻件及锻造方法开发的专用系统
注塑模 CAD：三维造型, 流动分析, 模具结构设计
西安交大是国内最早开始进行模具 CAD技术研究的单位之
一,83年开始持续进行冲模 CAD系统的研制和应用推广，与 20
多家企业进行了合作，开发和应用的冲模 CAD软件系统有：
冲裁模 CAD/CAM系统,以冷冲模国家标准为基础
大型镶拼结构冲裁模 CAD/CAM系统,
冲裁工件尺寸不受限制，可实现模具的非标结构设计。
弯曲模 CAD系统,
弯曲件三维造型与坯料展开计算，模具设计
拉深模 CAD系统,针对筒形、盒形、锥形、阶梯形、球底形等
拉深零件，实现毛坯计算，拉深工艺计算和模具设计。
多工位级进模 CAD系统,用于电子产品冲压零件的级进模设计
电机铁芯级进模 CAD系统, 用于电机铁芯零件的级进模设计。
三,模具 CAD系统的基本功能
? 工艺分析、计算和模具设计
? 几何造型与图形处理
? 工程数据的管理
? 计算机辅助绘图
1,工艺分析、计算和模具设计
1）常规设计准则：公式、数表、线图的程序化
这些准则来源于工艺手册，是模具设计的基本依据。分别采取
相应的方法处理，取得设计对象的工艺参数。
2）模具设计方法的程序化
模具设计中许多内容，如冲压件工艺性分析、冲压工艺方案、
毛坯排样、级进模工步设计、模面设计等。涉及到对多种设计因
素的处理，要建立各种设计对象的设计模型，编制程序。
3）采取人机交互的方法，解决难以程序化的设计问题。
模具设计中有些问题，如选择设计方案，评价设计结果等。靠
人的经验和综合判断能力很容易解决，而建立设计模型，编制程
序难度大,CAD需要灵活的人机交互功能。
4）采用人工智能的方法（知识工程、专家系统），对模具设计经
验和方法系统化处理，提高设计的自动化程度。
5） CAE：塑性成型过程的数值模拟，提高模具设计可靠性。
6）实现模具结构和零件的标准化，建立模具 CAD系统的结构库和标
准零件库，提高模具结构设计的自动化程度。
7）建立程序库（方法库）,CAD系统基本功能的算法程序，如几何
计算（边界求交、几何变换），力能计算，设计界面的设置等。
2,几何造型与图形处理
CAD的开端是以图形处理为标志的，计算机从单纯的
数值计算发展到对图形信息的处理，才真正进入工程设
计领域。
图形的输入、生成、显示、修改和输出是 CAD最主要
的功能,CAD系统具备描述物体几何形状的能力和交互式
图形操作，可以使设计人员以熟悉的图形方式表达设计
思想（模具设计内容和结果都以图形显示）
人与计算机处理图形的方式不同，人有形象思维能力，
能够直接处理图纸，而计算机处理图形时，要首先建立
几何形体的数字模型，即完成几何造型。
模具 CAD系统实现几何造型与图形处理的途径
1）以商品化的通用图形软件为支撑软件
如利用 AUTOCAD 完成二维图形的编辑、修改、输出。
利用 Pro/E,UG,MDT,IDEAS等三维造形系统，实现
三维零件实体造型和处理。
模具 CAD与通用图形软件结合有两种方法：
① 模具 CAD为独立的设计系统，图形软件只是几何造型
与图形处理的工具，在模具 CAD系统与图形软件之间，
以标准数据格式（如 DXF,IGES等）进行信息交换。
② 以通用图形软件为开发环境，进行二次开发，纳入模
具设计的内容和功能。
2）根据模具零件的特点，建立专用几何造型系统。
如冲裁模 CAD系统中自行开发的 2.5D图形系统，能够
实现冲模装配图和零件图快速灵活处理，提高几何造型
与图形处理的效率。
3,工程数据的管理
模具 CAD是一个信息分析处理的过程（信息输入、产
生、转换、存储和输出），模具 CAD系统既要涉及到程序
的结构和算法，也涉及数据结构与管理方法。数据管理
要保证程序执行过程中有效利用标准数据，实现系统各
模块间的数据交换。
4.当前模具 CAD的模式和存在问题
1）通用型 CAD系统
① 设计效率低
商品化软件由于市场需要，只能提供一些通用工具，如
几何造型、绘图、强度计算等，要由设计人员交互调用。不
能根据设计对象自动组合和自动调用，自动化程度低。
② 通用图形软件不支持全过程的模具 CAD
全程 CAD：从产品信息输入、工艺设计、模具结构设计
到设计结果的输出的全过程设计。
通用图形软件不包含, 任务描述, 和, 分析设计, 的内
容。
③ 通用图形软件不支持, 自顶向下, 的设计
,自顶向下, 设计：先装配后零件，由粗略到详细，反复细化。
,自底向上, 设计：先定义、描述、构造和细化零件的几何形状，
然后以零件模型为基础，组成装配结构，并描述零件间的装配关系。
通用图形软件设计模具，基本都是采用, 自底向上, 的设计方法。
缺点是不符合设计者的正常思维和设计过程；在没有装配图的条件
下进行零件设计，难以协调零件间装配关系,设计效率低。
实际设计中，装配和零件同时进行，先勾画出粗略的装配结构，
再逐步细化。, 自顶向下,,渐进式地完成零件和装配设计。
模具是各种功能零件的组合体（工作零件、定位零件、导向零件、
固定零件等），模具设计要保证功能的整体性和装配关系的整体性。
2）专用型 CAD系统
由于专业的设计理论和方法可以编制在软件内部，专用系
统一般都支持全过程设计，设计效率远高于通用系统。
冲模 CAD属专业系统，模具 CAD设计对象明确，有比较固定
（规范）的设计理论、算法、流程和规律，标准化程度较高，
可进行全过程设计：接受任务 —分析计算 —模具结构设计 —
结果输出，设计的自动化程度高。
由于设计标准, 规范不同, 冲模 CAD系统难以从国外引进,
因此在国内应用的冲模 CAD系统基本都是国内开发的 。
专用型 CAD系统的专业适用面窄，市场小。
四,模具 CAD技术的发展趋势
1,继续发展几何造型系统，研究特征造型与参数化
设计技术的应用，以满足复杂形状零件与模具设
计要求；
2,开展塑性成形模拟技术的研究，提高工艺分析和
模具 CAD技术的理论水平与实用性；
3,开展工程数据库的研究，建立以工程数据库为核
心的冲压模具 CAD/CAE/CAM一体化系统。
4,发展专家系统，建立面向对象的基于知识的智能
化冲模 CAD系统，以便提高塑性成型工艺设计的
可靠性与模具 CAD系统的效率。
现有模具 CAD技术在数值计算和图形绘制方面扩展了人的
能力, 但很难胜任推理性工作 。 引入知识工程, 计算机图形
技术, 金属塑性加工过程数值模拟, 以增强模具 CAD系统的
功能 。
人工智能技术在模具 CAD中的应用：基于知识的工程系
统 （ KBE）, 包括领域知识的表示, 知识获取, 知识库的建
立与维护方法, 知识推理方法 （ 基于规则推理 RBR,基于事
例推理 CBR,基于模型的推理 MBR） 等 。
计算机图形技术：特征造型技术, 特征识别技术, 金属板
成形过程有限元仿真技术 。 在成形工艺设计和模具结构设计
过程中, 采用统一的特征模型 。
把人工智能技术引入到 CAD系统中, 形成智能化的冲模 CAD系
统 。 CAD技术不再是对传统设计与计算方法的模仿, 而是在先
进设计理论指导下, 充分运用本领域专家的知识和经验 。 结果
具有合理性, 先进性 。
模具设计的经验和方法往往表现为非数值问题, 即不是以数
学公式为核心, 而是依靠思考, 推理, 判断 。 专家系统具有逻
辑推理和决策判断能力, 将许多事实和专业经验, 准则结合在
一起, 应用事实和启发规则, 使设计目标不断缩小, 使问题得
到解决 。 规范化的设计方法和经验是专家系统推理的依据 。
五,模具 CAD系统的组成
模具 CAD系统由硬件和软件二部分组成 。
1,硬件, 包括主机和外设（输入 /输出设备）
主机,CPU：中央处理器 （ 运算控制器 ） + 内部存储器
在模具 CAD中执行运算和逻辑分析任务, 并控制
和指挥系统的所有活动 。
外设：
外部存储器：文件 I/O设备 。 硬盘, 软盘, U盘 。
输入设备：键盘、鼠标、扫描输入设备
输出设备：显示器、打印机、绘图机、纸带穿孔机。
2,软件
一般讲, 软件, 是概括所有在计算机上运行以完成各种作
业的程序, 是计算机进行工作的信息的逻辑组织 。 软件是 CAD系统
的核心, 其水平决定了 CAD系统的功能和效率, 硬件按软件需要配
置 。
1）系统软件
① 操作系统：是用户和计算机之间的接口，全面管理计算机
资
源，合理组织计算机的工作流程。操作系统的管理包括
CPU
管理、存储管理、文件管理,I/O管理和作业管理。
② 程序设计语言，用于程序的编辑、编译、连接和调试。
2）支撑软件：为完成某一类任务而设计的基础软件包。
① 图形系统：几何造型与图形处理软件。
② 通用工程分析软件：有限元分析，数值模拟，优化设计，
成熟的计算方法等软件包。
③ 数据库管理系统。
3）应用软件：针对特定任务设计的软件，如冲模 CAD系统。
? 普通冲裁模 CAD/CAM系统
? 大型镶拼结构模具 CAD/CAM系统
? 弯曲模 CAD系统
? 拉深模 CAD系统
? 电子枪零件多工位级进模 CAD系统
? 电机铁芯级进模 CAD系统
第二章,冲模 CAD应用系统介绍
1 冲裁模 CAD/CAM系统
适用于复合模、级进模、单工序模设计。
系统以冷冲模国家标准为基础，可纳入企业标准内容 。
2 大型镶拼结构模具 CAD/CAM系统
适用于大型复合模、落料模、切边模设计和线切割编程。
模面尺寸不受限制，便于处理非标结构。
3 弯曲模 CAD系统
能完成弯曲件图形输入，弯曲展开和弯曲模具设计。
模具结构库便于扩充，以适应非标结构模具设计。
4 拉深模 CAD系统
适用于圆筒形、盒形、阶梯形、锥形、半球形等各类拉深模具设计，
能输入拉深件图形，自动计算毛坯尺寸，完成工艺计算和模具设计。
模具结构库便于扩充，以适应非标结构的模具设计。
5 多工位级进模 CAD系统
用于电子枪零件多工位复杂级进模的冲压工艺设计与模具设计。
半自动实现工步排样；模具采用总装、子模和零件三层结构，设计有较高
的灵活性和自动化程度。
6.电机铁芯级进模 CAD系统
实现电机铁芯零件的图形输入、凹模
镶件设计、工步排样、模具总装和零件
设计，有较高的灵活性和自动化程度。
第三章, 模具 CAD的基础理论
? 数据的处理方法
? 图形变换
? 几何造型
? 模具设计准则的处理
? 模具 CAD系统的数据管理
一, 数据的处理方法
1,模具设计准则的程序化
把模具设计准则、规范、方法转化成计算机可以处理的数学
模型，编制计算机上运行的程序，解决工艺分析计算和模具设
计问题。
模具设计准则的有三种形式：公式、数表和线图。
1) 公式的程序化,公式是现成的数学模型，可以直接编程。
例：冲裁力及压力中心计算
Dim L(N),x(N),y(N)
a = 0, b = 0, PL = 0
For i = 1 to N
a = a + L(i)*x(i)
b = b + L(i)*y(i)
PL = PL + L(i)
NEXT i
X0 = a/PL
Y0 = b/PL
P = 1.3*PL*t*Tao
注,N - 线数,x( ),y( ) - 各边形心坐标
L( ) – 各边长度,PL – 周长
t - 材料厚度,Tao(?) - 材料抗剪强度
2) 数表的程序化
数表是一种列表函数，反映了数表结点上变量的函数
关系。
数表程序化的目的是参数的检索和调用。
数表程序化有二种方法：
① 以数组形式存放数表，直接写入程序，用于数据少
的数表。
② 用文件形式存储数表。将数据与程序分开，程序运
行时打开文件，读取数据。
例：冲裁金属材料的搭边值
材料厚度 t a a1
～ 1 1.5 1.5
>1 ～ 2 2 1.5
>2 ～ 3 2.5 2
>3 ～ 4 3 2.5
>4 ～ 5 4 3
>5 ～ 6 5 4
>6 ～ 8 6 5
8以上 7 6
数 据 文 件
文件名 / Fdb.dat
0,1,1.5,1.5
1,2,2.0,1.5
2,3,2.5,2.0
3,4,3.0,2.5
4,5,4.0,3.0
5,6,5.0,4.0
6,8,6.0,5.0
Sub Dabe(t,a,a1)
Dim tt(7,2),aa(7,2)
If t > 8 Then
a = 7,a1 = 6,Exit Sub
End if
Open ―fdb.dat‖ for input As #1
For i = 1 to 7
input #1,tt(i,1),tt(i,2),aa(i,1),aa(i,2)
Next i
Close 1
For i = 1 to 7
If tt(i,1)<t And t<=tt(i,2) Then
a = aa(i,1),a1 = aa(i,2)
Exit For
End if
Next i
End sub
3) 函数插值
数表表示的列表函数只能给出离散结点上的函数关系，
不连续。要求不在结点上的函数值，可用插值的方法。插值
的基本思想：
设法构造一个函数 y=p(x) 作为列表函数的近似表达式，
计算 p(x)得到函数值。最常用的近似表达式为代数多项式。
数学意义 见教材 P24
几何意义 见教材 P25
② 抛物线插值,
用三个数据点求作一个二次多项式 y=p2(x)
几何意义：通过三点（不在一条直线上）作
一条抛物线来近似函数曲线。
① 线性插值：
用两点插值,求作一次多项式 y = p1(x)
几何意义：通过二点 (x1,y1),(x2,y2)的直线,
拉格朗日插值公式
将线性插值和二次插值方法推而广之，求得 n个结点的 n-1
次插值多项式
该式在逻辑结构上为二重循环，内循环计算累乘，再用
外循环求代数和
Sub Intp1(x(),y(),N,x0,y0)
y0 = 0
For k = 1 to N
p = 1
For j = 1 to N
If j < > k Then
p = p*(x0 - x(j))/(x(k)-x(j))
End if
Next j
y0 = y0 + p*y(k)
Next k
End sub
注,x(),y() 为数组变量，表示数表结点值
x0,y0 为插值结点,x0 - 自变量,y0 – 函数
N 为结点数
4) 线图的程序化
在设计手册中，有些参数之间的函数关系是用线图
表示的，线图鲜明直观，变化趋势显而易见，但线图
本身不能直接存储在计算机中。
处理线图时，可先将其离散成数表，再按数表程序
化的方法处理,
例：见教材 P27
2,模具 CAD系统的数据管理
模具 CAD是一个信息分析、处理和传递的过程。设计对
象都是用数据来表示的。
根据数据状态,数据可分为静态数据和动态数据：
静态数据：设计标准（工艺数表、模具结构和零件标准）
动态数据：描述设计结果，用于模块间的信息交换。
根据描述对象，数据也可分为图形数据和非图形数据：
图形数据：表示形体的几何模型和二维工程图信息。
非图形数据：标准数据和管理信息
1) 用文件系统管理数据
直接利用操作系统的文件管理功能，实现目录管理、
文件管理和文件传输。程序语言提供文件操作语句，
用于编程。
特点：
简单易行；逻辑关系灵活。
数据文件根据应用程序的需要而建立，数据的逻辑
结构适应于应用程序，数据缺乏对程序的独立性。
2) 数据库及其应用
数据库系统包括数据库和数据库管理系统
数据库：是所存储的关联数据的集合。
数据库中的信息按一定的数据模型存储
根据数据模型的不同，数据库可分为关系型数据库、
层次型数据库和网络型数据库。
关系模型：若干, 关系框架, 组成的集合，一个关系是由
行和列组成的矩形表，行称为记录，列称为字段。
见 P36/图 3-10所示圆凸模的数据结构 。
层次模型：以记录类型为结点的树状结构。
网络模型：以记录类型为结点的网络结构。
见 P31/图 3-7长方体的数据结构 。
数据库的特点：
① 数据共享、减少了数据的冗余。
② 数据独立于应用程序，程序改变不影响数据结构，
数据结构改变也不会影响程序。
③ 可实现对数据的统一管理、控制。
数据库管理系统（ DBMS）
是管理数据库的软件，提供了对数据的定义、建立、
查询和修改等功能。是应用程序和数据库之间的接口。
用户可通过数据库管理系统对数据库中的数据进行处理，
不必了解数据库的物理结构。
3) 工程数据库管理系统 （ EDBMS）
商用数据库管理系统已比较成熟，应用比较广泛，
但并不完全适合工程数据管理的需要。商用数据量大，
数据类型简单，数据关系简单，基本上是静态数据模式；
工程数据类型复杂，数据量不大，数据关系复杂，属于
动态模式。
模具 CAD系统要求工程数据库能够管理多种类型的数
据，包括图形数据和非图形数据，静态数据和动态数据。
工程数据库尚不成熟。
CAD系统对工程数据的管理方法：
① 将商用数据库管理系统和文件系统相结合
由商用数据库管理系统管理非图形数据，利用文件
系统管理图形数据。集成为工程数据库管理系统。
② 扩展已有的数据库管理系统
③ 自行开发新的 EDBMS，用统一的方式管理各类数据，
开发的工作量很大。
冲模 CAD系统采用方法①，工程数据库包含以下内容：
对静态数据的管理
工艺数据库：工艺设计资料
模具结构库：模具结构标准和装配组合
模具零件库：标准零件的参数库和图形库
对动态数据的管理
CAD系统各功能模块的设计结果和模块之间的信
息传递，针对设计对象的特点，建立合理的数据结构
和数据模型，以数据文件的形式存储和调用。
二, 图形变换
主要指图形的平移、比例、旋转变换，是模具 CAD
中几何造型、图形显示处理的基础。
图形变换是对图形几何信息（点坐标）的处理。
1 变换原理
① 平移变换
x’ = x + Tx
y’ = y + Ty
② 比例变换
x’ = x Sx
y’ = y Sy
Sx = Sy,缩放
Sx ≠ S y,沿平行于坐标轴的方向 拉伸或压缩
Sx = - 1 或 Sy = - 1,对 y轴或 x轴的对称镜向
Sx = Sy = -1,以坐标原点的对称镜向
③ 旋转变换
x’ = x cos ? + ysin ?
y’ = -x sin ? +y cos ?
2 变换的矩阵表示
① 齐次坐标
点向量 [x y] 引入第三个分量，成为 [x y 1]，即平面上的一个
点（二维向量）用三个坐标（三维向量）来表示。这种用 n+1维向量表
示 n维向量的方法称为齐次坐标表示法。
在齐次坐标表示法中, n维向量的变换是在 n+1维空间内实现的 。
n+1维空间中的一个向量可看做是 n维空间中的向量多了一个比例因子 H。
通常平面坐标系中二维点 [x,y]的齐次表达式是 [Hx Hy H],其中 H≠ 0。
齐次坐标不存在位置向量的唯一表示, 如 [15 9 3],[30 18 6]和 [5 3
1]都表示坐标点 （ 5,3） 。
在二维变换中, 令 H=1,二维点 (x,y)的齐次坐标表示为 [x y 1]，
其中 x,y坐标不变, 相当于把二维空间变换限制在 H=1的平面内 。
② 变换矩阵
平移变换矩阵
比例变换矩阵
旋转变换矩阵
平移变换 [x’ y’ 1] = [x y 1]T
比例变换 [x’ y’ 1] = [x y 1]S
旋转变换 [x’ y’ 1] = [x y 1]R
3 变换的级联
图形进行复杂的变换时，可以通过几个简单变换来实现。一系列
简单变换（变换序列）通过级联组合成一个变换。
变换序列级联时的顺序问题。
右图三角形旋转 90° 平移 Tx=-80
Ty=0。顺序不同，得到图形不同。
级联的目的：
将一个变换序列表示成一个变换。设一个点 P经过 n 次变换
T1,T2,T3 … Tn，则总的变换结果为：
P’ = P T1 T2 … Tn-1 Tn = PT
总的变换矩阵：
T = T1 T2 … Tn-1 Tn
例, 平面图形绕任意点 C 旋转的组合变换：
① 平移 C到坐标原点
② 图形绕 C逆时针旋转 ?
③ 平移图形恢复原坐标系
通过以上三种变换的有序级联，总的变换矩阵为
编写程序：
总变换矩阵
每个点的变换：
[x y 1] T = [x’ y’ 1]
x’ = xT11 + yT21 + T31
y’ = xT12 + yT22 + T32
Sub revol(xc,yc,af)
cs=cos(af):sn = sin(af)
T11=cs:T12=sn:T21=-sn:T22=cs
T31=-xc*cs+yc*sn+xc
T32=-xc*sn-yc*cs+yc
For i = 1 To np
x=p(i,1):y=p(i,2)
p(i,1)=x*T11+y*T21+T31
p(i,2)=x*T12+y*T22+T32
Next i
End sub
三,几何造型
1,几何造型中的基本概念
1）形体的信息结构
体：封闭表面围成的有效空间，其边界是有限个面的并集。
面：形体表面的一部分，由一个外环和若干内环界定其有效范围
环：由若干条有向边组成的面的封闭边界,环中各条边顺序相连
不能自交。
边：形体两个相邻面的交界。
顶点：边的端点。
几何信息：几何元素的几何性质和度量关系
拓扑信息：几何元素间的连接关系
体素：有限个尺寸参数定义的基本形体，如长方体、圆柱体等。
2) 布尔运算：一种正则化的集合运算，它保证两个基本体素经
过运算后所得的结果是有意义的。
3) 欧拉公式：检验几何造型中所产生形体的合法性。
多面体的欧拉公式,F＋ V－ E = 2＋ R－ 2H
2,几何造型在模具 CAD系统中的作用
1) 输入形体（用一组数据表示形体）
2) 形体的编辑、修改、显示和输出
3) 几何模型的数据管理
工艺设计要以工件几何形状和工艺特征为依据；
模具结构特别是工作零件设计, 有赖于产品零件的形状
支持模具装配和零件图的生成与绘制 。
3.几何造型方法
几何造型技术经历了线框造型, 表面造型, 实体造型, 特
征造型四个发展阶段 （ 见 P48/图 5-1） 信息描述逐渐完备 。
1) 线框造型
利用形体的棱边和顶点表示产品的几何形状。
线框模型见 P49/图 5-2，由顶点表和棱线表组成。
优点：模型简单、存储量小、显示速度快、易修改。
局限性：难以进行形体表面的求交运算、物性计算和消隐处
理。主要用于二维绘图或其它造型方法的辅助工具。
2）表面造型
在线框造型的基础上，增加了形体表面信息。通过有
向棱边构成形体表面，用面的集合来表达相应的形体。
表面模型见 P50/图 5-4，在线框模型的基础上增加了面
表。几何信息是完整的，可以进行隐藏线、面的处理。
局限性：没有明确定义实体的存在侧，没有给出表面间
相互关系等拓扑信息，难以直接进行物性计算。
难以保证形体描述的有效性和一致性。
3）实体造型
在表面模型的基础上，增加了形体各部分之间的联系信
息以及表面的哪一侧存在实体的信息。
形体用一个具有边界子集和内部子集的封闭点集来表示 。
P50/图 5-5为立方体的实体模型。
优点：可以完整全面地描述形体，具有完备的信息。
可进行物性计算、检测干涉、消除隐藏线（面）
和形体剖切等。
4）特征造型
引入特征概念，增加几何实体的工程意义。线框、
表面、实体造型都是从几何角度定义物体形状，不能描
述物体的非几何信息（材料、尺寸公差、热处理等）。
从工程角度, 对形体的各个组成部分及其特征进行
定义, 特征造型是形状和功能的组合 。
特征是反映产品特点的，可按一定原则加以分类的
产品描述信息。
按产品定义数据的性质，可将产品的特征分为形状
特征、精度特征、工艺特征、材料特征和装配特征。其
中形状特征是其它特征的载体，非几何信息一般作为属
性和约束附加在形状特征上。
形状特征：具有一定工程意义的形状
精度特征：尺寸公差, 表面精度等
工艺特征：加工方法, 工艺要求等
材料特征：材料类型, 材料性能
特征造型方法：
① 人工辅助特征标识：先建立几何模型，然后交互
检取几何要素，将特征信息作为属性添加到特征模型中。
② 自动特征识别：建立几何模型，启动专门的程序，
自动处理几何数据库，搜索并提取特征信息，产生特征
模型。
③ 基于特征的设计：将标准特征和用户自定义特征
存储在特征库中，以特征库中的特征为基本造型单元，
建立特征模型。
4,常用的形体表示模式
实体造型中，为描述形体的几何信息和拓扑信息。
用抽象的几何实体来代表实际的形体。
1） 体素调用表示
2） 空间点列表示
3） 单元分解表示
4） 扫描变换表示
5） 构造体素表示（ CSG）
6） 边界表示 (B-Reps)
1）体素调用表示
采用规范化的几何形体及其形状参数描述形体。规范
化的几何形体作变比变换和定义不同的参数值，可产生不
同的形体（ P54/图 5-8）
特点：
由于初始形状的限
制，不能产生复杂的
形体。在模具 CAD中
用来描述标准零件。
2）空间点列表示
将形体所在空间分割成具有固定形状（如立方体），彼
此相连的一系列单元，每个单元用其形心坐标（ x,y,z）表
示。表示模式是坐标参数的有序集合，即空间点列（ P54/
图 5-9）
特点：
存储量大，形体
各部分之间关系不明
确。近似表示物体的
思想，可计算物性，
搜索物体的边界。
3）单元分解表示
先将形体分解为一系列容易描述的形状单元，然后
表示这些单元及其相互间的关系（ P55/图 5-10）。
特点：理论上可以描述任何物体，实际上存在困难，而
且表示不唯一。主要用于有限元的单元划分。
4）扫描变换表示
一个二维图形沿某一路径扫描，产生新的形体。
表示模式：扫描的图形（基体）和基体运动轨迹。
常用方式：（见 P55/图 5-11）
平移扫描：
运动轨迹为一直线，
描述 2.5D形体
旋转扫描：
运动轨迹为一圆或
圆弧，描述轴对称
形体。
5）构造体素表示（ CSG）
利用一些简单形状的体素，经变换和布尔运算构成复杂的
形体。用二叉树结构来描述体素构成复杂形体的关系（图 5-12）
树根表示定义的形体
叶表示体素或变换量 (平移量,旋转量 )
结点表示变换方式或布尔运算的算子
特点：
隐式存储，模型紧凑，
但显示图形时要计算边界。
6）边界表示 (B-Reps)
以形体表面的细节，即以顶点、边、面等几何元素及其相互
间的连接关系来表示形体（图 5-14,15）
特点：显式存储，详细记录了形体边界的所有几何元素的几
何信息和拓扑信息，容易实现图形显示、有限元网格划分、表
面积计算和数控加工等功能。 存储量大，模型不够紧凑。
5,平面多面体的数据结构
1）几何信息与拓朴信息
完整表示形体的几何形
状需要二方面信息：几何信
息和拓扑信息。
几何信息：
平面多面体包含三类几何
元素：顶点、边和面。每类
几何元素都能给出足够的几
何信息。三类几何信息之间
可以互相转化（图 5-16）。
拓朴信息：
三类几何元素之间存在
9 种拓朴关系（图 5-17）
几何模型中，存储何种
几何信息和拓朴信息，取
决于应用需要，也是时间
和空间之间的折衷考虑。
2）图形数据的逻辑结构与存储结构
逻辑结构：数据元素之间的逻辑关系。
存储结构：数据在计算机中的存储位置。
基本要求：能描述形体几何信息与拓朴信息；
便于对形体进行增删和修改操作；
快速运算, 处理, 占用较少的内存空间 。
⑴ 逻辑结构
数据结构是数据结点和关系的结合 。
数据结构图：
结点表示数据元素, 二结点之间关系用连线表示 。
① 线性表结构：
数据结点顺序排列, 每个结点只与前一个和后一个结点相联
系, 结点之间只存在线性 （ 一维 ） 位置关系 。
② 层次结构（树结构）：描述结构之间的层次关系，分支关系
特点：最上层只有一个结点（树根），末端为叶结点，其余
为分支结点；下一层结点只能有一条连线与上一层一
个结点 相连，上一层结点可与下一层几个结点相连；
子树互不相交。
③ 图结构：下一层结点可以与上一层几个结点相连 。
⑵ 存储结构
存储单元：
数据域：存放结点的值
指针域：存放与该结点有联系的结点的存储单元地址
① 顺序存储：存储单元在存储器中连续分配，依此存
放，无指针域。节省空间，但插入或删除数据元素时繁
琐，需要移动元素。
② 链式存储：用指针表示数据元素的顺序关系, 占空间大
,但便于修改, 插入或删除元素
3） 平面多面体的常用的数据结构
单链三表结构
双链翼边结构
双链三表结构
单链三表结构 （图 5-18）
面、棱边和顶点三个表。
用单链来指示它们之间的连
接关系。
点、线表为顺序结构。
数据结构关系清楚，节
省存储空间，但修改形体麻
烦，需要同时修改几何信息
与拓朴信息。
双链翼边结构
以边作为检索形体拓扑信息的中心
环节。每条边都有指针，指向左右两
个邻面和构成邻面的四条邻边。
可以分别处理形体的几何信息和拓
扑信息，提高数据结构的灵活性。便
于形体的修改。
翼边结构的存储形式（图 5-20）
形体信息分为五层：形体表、面表、环表、边表和顶点
表，其中面表、边表和顶点表采用了双链表结构。
6,二维平面图形的数据结构
2D图形由一个外环和若干内环组成，环内各边顺序相连。
外环：逆时针走向，内环：顺时针走向
序
号 0 ／ R
始点／
圆心点
终点／角
表指针
1 0 1 2
2 0 2 3
3 0 3 4
4 -5 5 1
5 0 6 7
6 10 8 2
7 -4 9 3
8 0 10 11
9 0 11 12
10 0 12 13
11 0 13 11
序号 始线号 终线号
1 1 6
2 7 7
3 8 11
序号 始角 终角
1 ? 2?
2 ?/2 3?/2
3 0 2?
序
号 x y
1 0 -10
2 60 -10
3 60 10
4 30 10
5 25 10
6 20 10
7 0 10
8 0 0
9 0 0
10 47 -3
11 47 3
12 53 3
13 53 -3
环 表
线 表
点 表
角 表
圆弧按逆时针方向（由始角 -终角）
沿环走向，当逆时针走过圆弧 R>0；
当顺时针走过圆弧 R<0
?1
?2
建立 CAD系统的过程和方法
冲裁模 CAD/CAM系统的结构和功能
工件信息输入
冲压工艺设计
模具结构设计
模具图的生成与绘制
NC线切割编程
第四章, 冲模 CAD/CAM系统的开发
一,建立 CAD系统的过程和方法 （教材 P6）
根据软件工程学方法,CAD系统生命期可分为系统分析、系统设计、
程序设计、系统测试、系统维护五个阶段。
1 系统分析
对现行工作流程进行调查，收集分析有关资料，了解用户需求，
在此基础上，确定系统的总目标、功能、性能和接口，建立系统的
总体逻辑模型。
数据流程图（图 1-1）：表达现行工作和 CAD系统的数据流程和
逻辑处理功能。
外 部 项：系统以外的事物或人，系统数据的外部来源和去处。
数 据 流：数据流动方向
处理逻辑：对数据的逻辑处理功能（变换数据结构或产生新数据）
数据存储：数据保存的地方，数据存储的逻辑描述。
2 系统设计
采用结构化的系统设计方法：, 自顶向下, 的分解, 即将系
统逐级分解成模块和子模块 。
结构化系统设计的两个阶段：概要设计和详细设计
概要设计,确定软件系统的总体结构, 用结构图 （ 图 1-2）
表示系统的功能模块组成及模块间的调用关系 。
定义各模块间的接口；
设计全局数据结构 。
详细设计,设计功能模块的内部细节, 包括算法和数据结构 。
模块名称, 输入数据, 输出数据和转换过程等 。
3 程序设计
根据系统设计说明书，实现系统设计方案。
程序员根据模块说明进行程序设计，用某种语言编写程序实现功
能模块。
结构化程序设计的 基本控制结构,顺序结构、判断结构和循环结构
（图 1-3）。一个系统可分为若干个功能模块，用作业控制语句或
程序内部的过程调用语句将这些模块连接起来。
自顶向下的程序设计,表达模块中各个功能的关系。
先把一个程序抽象为一个功能结构，为完成这个功能，进一步分
解为较低一层功能，逐步扩展，直到最低一层的每个功能很容易用
程序语句实现为止。
逐步取精,表达模块的内部逻辑，即程序的执行步骤。
把模块功能分解成一组子功能，这一组子功能可以通过执行若干
个程序步来完成。
4 系统测试
对系统分析、系统设计和程序设计的最终审查，保证软件质量。
测试方法,
黑盒法：测试系统的外部特性，检查程序是否符合它的功能要
求，不考虑系统的内部逻辑结构。
白盒法：要了解程序的内部结构，对程序的所有逻辑进行测试。
测试过程,
单元测试：对模快逐个测试（模块接口、数据结构，执行路径）
整体测试：将模块逐个装配在一起进行测试，考察是否能组装
成一个符合要求的系统。
有效性测试：软件的功能与用户要求是否一致。采用黑盒法。
5 系统维护
改正性维护：改正系统使用其间出现的错误
适应性维护：为适应计算机硬件和操作系统的升
级，所进行的修改
完善性维护：扩充和改进软件系统，增加新功能，
修改已有功能。
―IDEF0‖方法,
功能分析方法的一种，建立模具 CAD/CAM系统的功能模型。
,IDEF0‖的基本思想是结构化分析方法，能表达系统的活动、数据
流及其联系，能描述系统的功能和需求，以及功能的实现。
结构分析方法,,自顶向下, 逐层分解，整个系统模型由一系列图
形组成，主要功能在顶层说明，然后逐层分解成多个功能细节。
图形由简单的盒子及箭头组成
盒子：代表系统的功能（活动）
箭头：代表数据（信息或对象）
输入：完成活动所需的信息
控制：执行活动的条件和约束
输出：活动产生的信息
机制：执行活动的人或设备
建立, IDEF0‖模型的步骤：
① 建立 CAD系统内外关系图 A-0 图,确定系统的范围、目标。
② 建立系统的 A0图：
A0图是模型真正的顶层图，
表示系统的功能模块组成，
以及各功能模块间的关系
③ 对 A0 图中各功能模块进一
步分解，得到 A1,A2,A3
… 图。
逐层分解，直到不能分
解为止。
冲模 CAD系统开发的资料准备：
冲压加工的工艺方法：
材料工艺性能数据库
设备选用资料库
工艺计算模型资料库
工艺方案制定的规范
冲压模具的设计规范：
成形工艺及模具结构设计规范
成形过程数值模拟（ CAE）技术与模具设计之间的集成
基于标准化的模具零件与装配结构
建立基于标准化、参数驱动的全开放柔性零件库；
建立模具结构库，具有对实例进行检索、归纳、匹配推理、解
释修改、知识引导和特征重组等功能。
二, 冲裁模 CAD/CAM系统的结构和功能
工件信息输入,输入工件的基本工艺信息和几何信息 。
冲压工艺设计,工艺性判断, 刃口计算, 毛坯排样,
选择模具类型
模具结构设计,模面设计, 凸模固定, 装配与零件设计
装配图, 零件图生成,自动完成模具零件的几何造型；
选择视图, 生成装配和零件工程图纸 。
辅助绘图,利用 AUTOCAD,最终编辑, 绘制工程图纸
线切割编程,编制零件线切割加工的 NC指令 。
三, 工件信息输入
在计算机中建立冲裁件模型, 是模具设计的基础 。 工件
信息包括冲裁件的工程信息和几何信息, 其中工程信息包括
冲裁件的材料牌号, 料厚, 技术要求等, 这些数据采用交互
方式输入 。
1,工件图形输入方法
冲裁件为二维形状, 其图形输入有多种方法, 采用面素
拼合和线素输入相结合的图形输入方法, 可以将复杂图形快
速度输入计算机 。
面素拼合法,
利用一些称为面素的基本几何图形的并、交、差运算，
完成冲裁件图形输入的一种方法。这种方法的输入效率高，
但输入的功能要取决于面素的类型多少。因此单一的面素拼
合法只适合输入形状较规则的工件。
线素输入法,
线素输入采用交互方式，灵活地输入复杂形状图形。
面素拼合的能力取决于面素，对于不规则图形，先采用
线素输入方法，构造出需要的面素，参与拼合或内廓装配。
面素拼合的实现方法,
① 轮廓方向化 （ 逆时针 ）
② 求交点
③ 从交点出发重新排序
链 接：
右支
左支
A – B = A （ B轮廓反向）*
*
*
?
?
?
*?
冲压零件属于壳体件，其形状特征与冲压工艺之间存在对应
关系。冲压件形状是由相应的冲压工艺加工而成，反映了它的
变形特点。
根据冲压件的变形特点对其形状特征进行分类，既可保证形
状特征与冲压工艺之间的对应关系，又不失形状分类的一般性
2,冲压零件的特征造型
1) 冲压零件的特点
平板毛坯 冲压零件（冲裁、成形、弯曲） 冲压成形工艺
2) 冲压零件的特征造型方法
对 象：由冲裁, 弯曲, 拉深和局部成形等方式加工的冲
压件 。
方 法：根据冲压件形状及其成形特点, 定义四种体素作
为冲压件形状特征的基本造型单元, 由这些体素拼合
逐步构造出冲压件的形状 。
这种方法既便于完整有效地描述冲压零件, 又便于
后继的工艺设计模块对冲压件形状的识别和处理 。
体素的定义：
平面体素
平面轮廓 C 确定边界
空间平行线 P1,P2 确定厚度
弯曲面体素
二同心圆弧 A1,A2
A1,A2 在同一平面上
A1,A2对应端点连线通过圆心
成形面体素
B - 扫描边界； AX - 旋转轴； T - 扫描轨迹
旋转扫描 - 轴对称形状（ AX与 B在同一平面,AX与 B不相交）
轨迹扫描 – 非轴对称形状（ T在同一平面上、封闭，与 B垂直）
冲切面体素
由孔、缺口等局部形状在冲切方向上的投影轮廓 C 描述,C 封闭。
体素拼合
体素间的连接关系图
弯曲连接（ BR）,
平面体素与弯曲体素连接
弯曲体素的一侧面与平面
体素的某一侧面重合
过渡连接（ TR）,
平面体素与成形体素连接
成形体素端部侧面的两组
边界分别在平面体素的两个
相应形面上。
四, 冲压工艺设计
? 冲裁件工艺性判断
? 毛坯排样的优化设计
? 级进模工位设计
冲裁工艺设计包括冲裁件工艺性判断, 毛坯排样, 工
艺方案选择, 级进模工步设计, 压力与压力中心计算,
压力机选择等 。
1,冲裁件工艺性判断,
冲裁件工艺性是检查冲裁件对冲压工艺的适应性。
工艺性判断的内容：
检查冲裁件的 形状,结构尺寸 及偏差,如外形的小凸
起、悬臂、圆角半径； 外轮廓与孔（槽）、孔（槽）与孔
（槽）之间的距离,槽宽、环宽等尺寸是否在冲裁所允许
的极限内。
手工设计时由人工对照表格数据进行检查判断。在 CAD
系统中则可以采用自动搜索和判断的方式分析冲裁件的工
艺性。如工件不适合冲裁工艺，则会给出提示信息，要求
修改工件图。
2,毛坯排样的 优化设计
优化设计方法
设计变量,工艺分析计算中要确定许多参数，最终确定的各项独
立参数称作设计变量。这些变量确定后，设计对象也被确定。
优化设计,设计中要选取的参数之间会发生矛盾，如顶杆要保证
强度和刚度，截面积 ≥ 极限值，而受模具装配空间的限制，截
面尺寸又不能太大。优化设计是在分析、综合各方面因素的基
础上，求出一个合理的方案，取得最佳效果。
目标函数,在对一个设计对象进行设计前，要有一个预期目标，
如使用指标、经济指标、重量指标等，这些预期目标用数学形
式表示出来就称为, 目标函数, 。它是设计变量（ x1,x2,x3… )
的函数：
f(x)=f(x1,x2,… xn)
优化问题可归结为：在满足一定的约束条件下，采取适当的
设计变量，使目标函数达到最优。
冲裁毛坯优化排样,
在冲裁件的成本中材料费占 60%以上, 提高材料利用率是
降低冲压成本的重要措施, 而材料利用率的高低又主要取决
于冲裁时的排样情况 。
排样的优化设计就是要寻求材料利用率最高的排样方案 。
由于冲裁件形状及排列方式是千变万化的, 要比较这些方案
的材料利用率高低是手工设计不能胜任的, 而计算机就显示
出了优越性 。 冲裁模 CAD采用优化排样方法, 可以从冲裁件
在材料上排列的所有方案中找出最优方案 。
如图为带料的单排冲裁, 图中 Φ为排样角 。
材料利用率用下式计算：
%10 0?? BHS?
式中,S - 零件面积
B - 条料宽度
H - 进给步距
B（ Φ）, H（ Φ） 为 Φ的函数, 排样实际上是由参数 Φ决定 。
Φ的变化范围为 G﹛ 0≦ φ ≦ π ﹜
在域 G内达到最大值 。
CAD系统提供了九类排样, 由单, 双, 多排与直, 斜, 对
排组合而成 。 设计以交互方式选择排样类型, 由程序自动计算
产生排样方案, 并在屏幕上显示这些方案的排样图形 。 最后,
由设计人员综合考虑冲压工艺, 模具结构, 制造等因素, 确定
最合理的排样方案, 并修改排样参数 。
排样问题的目标函数为材料利用率 。 排样的优化问题就在于寻
找 Φ的最佳值, 使目标函数
)()()( ???? HB S?
程序实现方法：
Φ角由 0 – 180 按一定的寻优角递增, 计算出各种
倾角下的材料利用率 ?值, 从而求出 材料利用率最高的排
样方案 。
设计步骤：
1） 工件外廓等距放大半个搭边
（ 等距放大图 ）
2） Φ由 0–180按一定的寻优角 （ 如 0.5°, 1° ） 递增,
计算出各种倾角下的 B（ Φ）, H（ Φ）
然后计算出材料利用率 ?（ Φ） 值 。
3） 求出 ?（ Φ） 最大时的 Φ值, 得到 B,H值 。
B（ Φ） 求法：
计算等距图的 B = ya - ym
H（ Φ） 求法：
① 逐步移动判别：
从重合开始, 将等距图拉开一定距离；
第二图形按一定步距回移, 与第一图形相交后缩小步距
移出, 反复进行, 直到二个等距图刚接触为止 （ 相切 ）,
总移动量 Step = H
② 平行线分割法：
图形沿任一方向的步距等于该方向的一系列平
行线与等距图的截交线的最大长度 。
用求交方法, 求极值方法计算 H
3,级进模工位设计
综合分析，确定
工艺方案所遵循的
原则，建立设计模
型。
工步设计遵循的原则,
① 为保证模具强度，将间距小于允许值的轮廓安排在不同工步
② 将有相对位置精度要求的轮廓尽量安排在同一工步
③ 为保证凹模、卸料板强度和凸模安装位置，可以增加空工步
④ 落料安排在最后工步
……
根据前二条原则，建立设计模型：
位置精度关系模型
干涉关系模型
冲裁件图形为多个轮廓的集合，可表示为
A = { K1,K2,…,Ki,…,Kn }
位置精度关系模型,
有定位精度要求的轮廓组成集合 A上的一个关系 ρ 1，若两轮廓
Ki和 kj间有精度要求，则序偶（ Ki,kj） ∈ ρ 1.由 ρ 1形成位置精
度关系矩阵：
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
nnnn
n
aaa
aaa
M
?
????
?
21
11211
1
?
?
?
?
?
? 1),(0
1),(1
?
?
ji
ji
ij kk
kk
a ?
?
干涉关系模型,
相互干涉的轮廓组成集合 A上的一个关系 ρ 2，若两轮廓
Ki和 kj间相互干涉，则序偶（ Ki,kj） ∈ ρ 2，由 ρ 2 形
成干涉关系矩阵：
程序自动完成工步设计时, 以矩阵 M1和 M2为参考矩阵,
将间距小于允许值的轮廓放在不同工步, 将有相对位置精
度要求的轮廓尽量安排在同一工步 。
?
?
?
?
?
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bbb
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M
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21
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2
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2),(1
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ji
ij kk
kkb
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五, 模具结构设计
零件设计, 建立零件的描述模型
装配设计, 建立模具的总体结构信息、模具零件之间
的装配关系和每个零件的安装位置。
1 模具零件设计
1）零件信息
标识属性：标准类别、名称、代号与规格
形状属性：标准件：参量化几何描述和系列尺寸数据
非准件：零件的几何模型
非几何属性：材料、热处理、精度等
2）零件分类及设计方法
非标件：主要是工作零件，依据工艺设计信息和装配关
系建立此类零件的描述模型。
标准件：占模具零件的大多数，建立标准零件库是提高
CAD效率的有力措施。
3）标准零件库采用的技术
参数化处理技术：描述零件的几何形状
数 据 库 技 术：存储管理标准件的系列化尺寸数据
参数化处理技术 （参数驱动技术）：
采用几何约束来描述零件，通过改变约束及约束求解，
来获得所需的形状。
数据库技术,
模具中有大量标准件，标准件采用系列化的尺寸数据
来描述。依靠数据库技术来有效地管理这些数据。
4）建立标准零件库
生成原型图（图形库）：绘制草图、加尺寸约束、分析，保证原
型图约束完备并能正确求解。最后把原标注的尺寸, 参量化,,即用
字符变量（如 M,H,L等）或表达式（如（ L+B） /SIN（ A）等）取代
具体尺寸值。
生成数据信息（数据库）：根据零件原型图上的字符变量，填写
各规格尺寸系列的记录。指定零件的关键参数和其他信息。
A
B
D
C
45
71
60
44
标准零件库管理系统主控模块
图形信息管理
原型图绘制、修改显示
约束增加、删改、查看
对视图的分析、求解
数据库信息管理
管理信息登录、修改、增加
零件规格增加、删改、查看
辅助信息增加、删改、查看
零件图形库 零件数据库
5）标准零件库的信息表示
零件库是零件图形与系列尺寸数据表的集合，由零件图形库与
系列尺寸数据库组成。图形库存储了每一个零件的图形，这些图
形是由尺寸驱动的。将所有尺寸写成系列尺寸数据库，把零件的
规格作为关键值。只要指定关键值，即可在数据库中检索出全部
尺寸，获得所需的图形。
在装配模型中，某一标准件的属性与形状信息就是它的名称、
代号与规格，以此来调用标准零件库即可完成标准件设计。
标准零件库采用层次结构。首先通过功能分类表检索到所需零
件的基本信息、图文件名、尺寸数据库文件名和关键值，然后根
据标准件的图文件和系列尺寸值生成实例化的零件。
分类
码名
标准
代号
系列尺寸数
据库文件名
图文
件名 描述符
关键
字 材料 其它
D1 D2 ……
功能分类表,
标准系列尺寸描述表 零件图形库
2,模具装配设计
建立装配模型，描述模具零件之间的装配关系。
建立模具结构库，提高设计的自动化程度。
1) 模具装配信息
① 总体结构信息
模具类型与尺寸规格, 模具所含全部零件的设计信息 。
② 零件装配关系
根据模具特点, 将零件间装配关系分为贴合关系和贯穿关系 。
模具零件按其装配特征可划分为, 板类件, 和, 柱类件,,
,柱类件,,以贯穿其它零件为主要方式的零件
,板类件,,以被贯穿为主要方式的零件
③ 零件空间定位
建立模具的总体坐标系和每个零件的自身坐标系 。 以零件在模
具总装中的基点坐标 （ X,Y,Z） 和方位 （ α,β,γ ） 来表示零件
的空间定位 。
2) 模具装配模型
模具结构是模具零件按某种关系组成的集合。
装配模型是描述这些零件装配关系和定位关系的数据结构。
模具零件之间的装配关系是多对多的关系，装配关系的数据结构为
网状结构。网状结构复杂，不便于存储与操作，简化为下图的树结构，
主要反映零件间的定位关系。
B1
B2
B3
B4
B5
B6
B7
B8
B9
L3
L4
L1
L2
L9
L10
L5
L11
L7
L8
L6
L12
下模部分 上模部分
装配定位树结构
装配定位树,
由所有板类件的定位关系组成装配体主干。柱类件贯
穿几个板类件，确定其中一个为父结点，将所有柱类件
都分布在从板类件出发的分支上。
结点表示零件的设计信息，结点间连线表示零件间的
定位关系，以相对父结点的位移表达式来描述。
冲模一般以下模座为根结点。每个结点到根结点之间
都存在一条定位链，从根结点出发逐层变换即可求得零
件的空间定位（ X,Y,Z,α,β,γ ）。
3) 模具结构库
标准化是建立结构库的基础。如冷冲模国家标准包括
了 14种模具典型组合,12种模架组合和模具标准零件。
模具结构库组成,
一种模具类型对应一个典型组合，所有典型组合的结
构信息文件组成结构库，通过选择模具类型来调用结构
库。
模具典型组合按其尺寸规格实现系列化，冲模典型组
合以凹模尺寸划分，设计中只要指定规格参数即可调出
一套模具的完整结构，模具中所有零件的规格系列也随
之确定。
结构库信息描述
结构规格编号 规格参数 零件 1
结构分类表
结构类型编号 结构类型名 结构库文件名
零件编号 零件名称 类型 零件库文件名 规格参数 定位指针
零件规格信息
数量 阵列指针
结构规格信息
… 零件 n
1 100× 80 下模座 … 螺钉
…
1 复合模 1 Fjg-001
零 件 库 装配定位树 模 型 零件阵列形式及 阵列尺寸表
…
六, 模具图的生成与绘制
模具装配图、零件图生成的效率和稳定性是冲模 CAD的关键。
结构设计和模具图生成是关联紧密的两个模块。结构设计模块建
立模具装配模型和零件形状信息；模具图生成模块完成零件几何造型
与图形处理。
开发扩展 2.5D实体造型系统作为模具图生成的基础，实现了模具
图生成的高度自动化。标准件图形自动生成，其它零件造型和总装模
型的生成也全部自动完成。在装配图、零件图处理中，可任意剖切、
投影、自动消隐，快速生成所需要的视图。总装明细表的填写和件号
标注也自动完成。
系统采用 AUTOCAD作为图形修改、编辑与绘制的支撑软件。所生成
的模具装配图与零件图都有进入 AUTOCAD的接口文件，以菜单形式列
出图形名，交互调入编辑绘制。
七, NC线切割编程
冲裁模 CAD/CAM系统, CAM主要是工作零件的线切割编程 。 工
作零件包括凸模, 凹模, 固定板和卸料板等 。
系统中, CAD建立的零件几何模型可直接由 CAM调用, 转换成
NC加工指令 。 线切割编程时, 交互输入钼丝半径和放电间隙,
设置穿丝孔, 指定起割点后, 计算机就可以自动处理 。 计算机
根据刃口图形等距缩放, 求出钼丝中心的轨迹, 自动编制出 NC
加工指令 。 指令可选择不同的格式和输出方法 。
主要内容
? 模具 CAD的基本概念
? 冲模 CAD应用系统介绍
? 模具 CAD的基础理论
? 冲模 CAD/CAM系统的开发方法
第一章 模具 CAD的基本概念
? 计算机技术在金属塑性加工中的应用
? CAD的特点和优越性
? 模具 CAD系统的基本功能
? 模具 CAD技术的发展趋势
? 模具 CAD系统的组成
一,计算机技术在金属塑性加工中的应用
? 金属塑性加工与模具
? 计算机辅助设计（ CAD）
? 计算机辅助制造（ CAM）
? 计算机辅助工艺过程设计（ CAPP）
? 计算机辅助工程（ CAE）
1 金属塑性加工与模具
采用模具对简单几何形状的毛坯进行压力加工, 坯料在模腔中
合理流动, 获得所需的零件 。
塑性加工的原理建立在材料塑性变形的基础上, 塑性变形过程
是在高压, 甚至高温, 高速下进行, 成为制品 。
塑性加工的优点：制件组织性能好, 有良好的使用性能；
生产效率高；材料利用率高 。
模具是塑性加工的工艺装备，模具设计和制造能力直接影响着
产品的开发和更新换代，关系着产品质量和经济效益的提高，是
国民经济的重要基础之一。模具基本为单件生产，技术密集，更
新快，标准化较好，采用 CAD技术有明显优势，是模具生产发展的
必然趋势，
金属塑性加工分类：
1） 体积成形 (锻造, 轧制, 挤压, 拉拔等 )
对金属的块料、棒料进行成形加工，坯料形状和断面变形大，变
形后回弹可忽略不计。
2） 板料成形 （ 冲压加工 ）
对板料进行成形加工, 工件形状变化大, 断面变形小 。 工件变形
卸载后, 回弹大, 不能忽略 。
冲压加工可分为：
① 分离工序：冲裁（落料、冲孔、切边等）
简单模：落料或冲孔的单工序模具
级进模：压力机一次冲程中，同时完成多道冲压工序。
冲压工序依此分布在条料送进的方向上。
复合模：压力机一次冲程中，在模具的同一位置完成几个工序
② 成形工序：弯曲、拉深、成形等
采用弯曲模，拉深模、成形模具。
计算机技术
模具 CAD
模具技术
CAD 以计算机为主要技术手段，处理各种数字信息
与图形信息，辅助完成设计。
硬件技术
软件技术
塑性成形理论
模具设计准则、方法和标准
2,计算机辅助设计（ CAD）
CAD 是计算机科学与工程科学相结合的产物，是一
门综合性的计算机应用技术。
CAD系统的分类
1）按功能范围可分为通用系统和专用系统
通用 CAD系统在设计领域中应用广泛，适应性强，如 Pro/E、
UGⅡ, AUTOCAD 等商品化的 CAD系统。这类系统的几何造型、
图形处理、结构装配、真实感显示等功能都很强，多数系统
还配备有限元分析、模拟和 NC加工模块，数据交换和传输模
块，可进行软件的二次开发。
专用 CAD系统是为特定的应用而开发的，通常是为某些专
业产品设计而开发的软件，如模具 CAD，更具体的有冲裁模
CAD、拉深模 CAD等。专用 CAD系统的产品结构形式、设计理
论、方法和流程都比较固定，可实现全过程、高效率的设计。
2）按运行方式可分为交互式系统和自动化系统
自动化设计是追求的目标，研究以人工智能方法为基
础的 CAD系统是一个途径，但目前的技术水平尚难以实现。
绝大多数 CAD系统都属于交互式系统。
交互设计：计算机检索数据，分析计算，以图形或数据
的形式把运算的结果显示在屏幕上，由人来评价设计结
果，输入参数，选择方案，控制系统运行的进程。
3）按计算机是否联网，可分为集中式系统和分布式系统。
分布式系统可以利用局域网技术，可以将多个独立的
模具 CAD工作站组织在局域网中，共享软件和硬件资源。
4）按软件的开放性，可分为交钥匙系统和可编程系统 。
3,计算机辅助制造（ CAM）
利用计算机对零件的制造过程进行设计、管理和控制。
工艺设计：确定零件加工方案、加工顺序和所用设备。
近年来已形成一门独立的技术分支 (CAPP)。
数控编程：计算机辅助编制 NC程序。
4.计算机辅助工艺过程设计（ CAPP）
借助计算机和相应的软件系统，对零件的加工方案
作出计划，完成工艺过程设计。
输入设计信息（零件形状、材料与技术要求）；选
择工艺路线、决定加工方法、加工工序与工艺参数；估
算工时与成本；输出工艺文件（如工艺卡）。
CAD/CAM一体化：
CAD与 CAM开始是两个独立发展的分支，由于相互关系密切，
逐渐联系为一个整体，即 CAD/CAM一体化。
CAD生成零件的几何定义信息，可以图纸格式输出。这些结
果通过数据转换，即可产生 NC指令。 CAM利用 CAD的结果，不需
重新输入零件信息，提高效率。
CAPP是联系设计与加工的桥梁，是实现 CAD与 CAM有效集成的
条件。 CAD/CAM集成实际上是设计与制造过程中三个主要环节的
集成，即 CAD/CAPP/CAM集成。
CAD/CAM集成可实现系统各模块间的信息提取、交换和处理
。由公共数据库提供完备、统一、符合某种标准的产品信息模
型，使系统的各个环节能从该模型中获取所需信息。
产品数据管理系统 （ PDM）,利用先进的计算机网络技术, 数据
库技术, 管理产品设计信息 。
5.计算机辅助工程（ CAE）
用于对塑性成形过程的分析和模拟。是塑性成形理论与工艺实
际结合的一条途径，为成形工艺和模具设计提供科学依据。
1）分析成形过程的目的：
① 建立坯料 – 工件之间的运动学关系（形状、速度、应变率、应
变），预测成形工序中的金属流动，预测温度和热传导。
② 确定成形极限，要求在成形工序后，工件不产生内部和表面缺陷
（裂缝、折叠）
③ 预测应力、完成成形所需的力和能，选择合适的工具和设备。
2）计算机模拟软件（为工程设计人员提供的工具）
Deform,用于体积成形
Dynaform,用于板料成形
通过模拟，可以预见成形中可能出现的问题，在设计阶段分析、
比较不同方案的工艺性，确定成形某一工件的工艺过程和工艺参数，
可以验证并优化模具设计，缩短模具生产周期，降低成本。
二 CAD的特点和优越性
1,CAD的特点
是人与计算机相结合共同进行设计的一种方法 。
根据设计目标将设计方法进行综合分析建立数学模型，
编制成可在计算机上运行的程序。在程序运行过程中，计
算机发挥高速准确的计算与大容量存储的特长，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。人与计算机
取长补短，获得最优设计结果。
人, 机能力的比较,
信息存储能力：人 - 容量小, 随时间变化；
机 - 容量大, 不随时间变化 。
（ 设计资料, 信息的存储, 检索等管理 ）
分析计算能力：人 - 直觉分析能力强，数值计算能力差
机 - 无直觉分析能力，数值计算能力很强
（人利用经验、知识，综合分析判断，评价和修
改设计结果,控制设计过程；
计算机进行数值计算，可采用优化算法）
工作适应能力：人 - 易疲劳、出错
机 - 适应重复工作，长期保持高效率（绘图）
信息组织能力：人 - 灵活、直觉
机 - 格式化、详细（软件系统组织与数据结构）
2 模具 CAD的优越性
1）提高设计效率
计算机高速运算和自动化绘图，可大大缩短设计时间。
计算机有可靠和大容量的存储能力，可将大量设计资料、
设计标准存放在数据库中，设计过程自动检索，提高效率。
模具设计从人工经验设计方式转化为依靠计算机辅助设计
的方式。应用 CAD/CAE/CAM技术，使模具设计、计算机分析、
生产准备、数控加工、检验、试模等工作一体化，设计数据
直接经过网络和数据库管理系统传递到各个生产部门，大大
缩短模具生产周期。此外，成形过程计算机模拟、并行工程、
人工智能、快速原型制造等先进技术的应用，以及模具标准
化、专业化生产等也缩短了模具的供货周期。
2）提高模具设计质量
计算机高效准确的数值分析计算，使 CAD能够采取一些科学的计算
方法（如有限元方法,模拟分析和优化设计 ），可以不考虑计算的
复杂程度，对过去只是定性判断的内容，实现精确的定量分析计算
，有助于模具工艺参数和结构参数的优化。
通过对模具设计方法、经验的整理、优化，建立知识库，作为设
计的基础，使设计合理化，而且可避免人为失误，提高设计质量。
由于计算机代替人完成了繁琐的计算、数表检索、模具图纸的绘
制等，人可集中精力进行创造性的工作。
3) 改善了设计信息的传递
CAD可提供高质量的标准化的工程图纸和完善的设计文档，也能为
CAM提供初始数据。
数据库和计算机网络技术的应用使设计师可以在更大范围内共享
设计资料、信息、资源和展开合作，提高模具设计的总体水平。
3,模具 CAD技术的研究与应用
计算机技术的发展促进了 CAD的发展
硬件的发展：计算机, 外设 。
软件的发展：
系统软件,DOS—Windows；
编程工具：机器语言 —高级语言；
CAD的支撑软件：几何造型与图形处理软件,
有限元分析数值模拟 （ CAE） 软件
数据库管理软件
国外于 60年代末开始模具 CAD的研究, 工业发达国家
已广泛应用 。 我国于 80年代初开始模具 CAD技术的研究,
开发和应用于企业的软件系统有：
冲模 CAD；在各类模具 CAD中, 冲模 CAD发展较早, 应
用范围广, 原因是冲模标准化基础较好 （ 国标, 部标,
厂标 ）, 产品和模具零件便于用二维图形方式处理 。
锻模 CAD：针对各类锻件及锻造方法开发的专用系统
注塑模 CAD：三维造型, 流动分析, 模具结构设计
西安交大是国内最早开始进行模具 CAD技术研究的单位之
一,83年开始持续进行冲模 CAD系统的研制和应用推广，与 20
多家企业进行了合作，开发和应用的冲模 CAD软件系统有：
冲裁模 CAD/CAM系统,以冷冲模国家标准为基础
大型镶拼结构冲裁模 CAD/CAM系统,
冲裁工件尺寸不受限制，可实现模具的非标结构设计。
弯曲模 CAD系统,
弯曲件三维造型与坯料展开计算，模具设计
拉深模 CAD系统,针对筒形、盒形、锥形、阶梯形、球底形等
拉深零件，实现毛坯计算，拉深工艺计算和模具设计。
多工位级进模 CAD系统,用于电子产品冲压零件的级进模设计
电机铁芯级进模 CAD系统, 用于电机铁芯零件的级进模设计。
三,模具 CAD系统的基本功能
? 工艺分析、计算和模具设计
? 几何造型与图形处理
? 工程数据的管理
? 计算机辅助绘图
1,工艺分析、计算和模具设计
1）常规设计准则：公式、数表、线图的程序化
这些准则来源于工艺手册，是模具设计的基本依据。分别采取
相应的方法处理，取得设计对象的工艺参数。
2）模具设计方法的程序化
模具设计中许多内容，如冲压件工艺性分析、冲压工艺方案、
毛坯排样、级进模工步设计、模面设计等。涉及到对多种设计因
素的处理，要建立各种设计对象的设计模型，编制程序。
3）采取人机交互的方法，解决难以程序化的设计问题。
模具设计中有些问题，如选择设计方案，评价设计结果等。靠
人的经验和综合判断能力很容易解决，而建立设计模型，编制程
序难度大,CAD需要灵活的人机交互功能。
4）采用人工智能的方法（知识工程、专家系统），对模具设计经
验和方法系统化处理，提高设计的自动化程度。
5） CAE：塑性成型过程的数值模拟，提高模具设计可靠性。
6）实现模具结构和零件的标准化，建立模具 CAD系统的结构库和标
准零件库，提高模具结构设计的自动化程度。
7）建立程序库（方法库）,CAD系统基本功能的算法程序，如几何
计算（边界求交、几何变换），力能计算，设计界面的设置等。
2,几何造型与图形处理
CAD的开端是以图形处理为标志的，计算机从单纯的
数值计算发展到对图形信息的处理，才真正进入工程设
计领域。
图形的输入、生成、显示、修改和输出是 CAD最主要
的功能,CAD系统具备描述物体几何形状的能力和交互式
图形操作，可以使设计人员以熟悉的图形方式表达设计
思想（模具设计内容和结果都以图形显示）
人与计算机处理图形的方式不同，人有形象思维能力，
能够直接处理图纸，而计算机处理图形时，要首先建立
几何形体的数字模型，即完成几何造型。
模具 CAD系统实现几何造型与图形处理的途径
1）以商品化的通用图形软件为支撑软件
如利用 AUTOCAD 完成二维图形的编辑、修改、输出。
利用 Pro/E,UG,MDT,IDEAS等三维造形系统，实现
三维零件实体造型和处理。
模具 CAD与通用图形软件结合有两种方法：
① 模具 CAD为独立的设计系统，图形软件只是几何造型
与图形处理的工具，在模具 CAD系统与图形软件之间，
以标准数据格式（如 DXF,IGES等）进行信息交换。
② 以通用图形软件为开发环境，进行二次开发，纳入模
具设计的内容和功能。
2）根据模具零件的特点，建立专用几何造型系统。
如冲裁模 CAD系统中自行开发的 2.5D图形系统，能够
实现冲模装配图和零件图快速灵活处理，提高几何造型
与图形处理的效率。
3,工程数据的管理
模具 CAD是一个信息分析处理的过程（信息输入、产
生、转换、存储和输出），模具 CAD系统既要涉及到程序
的结构和算法，也涉及数据结构与管理方法。数据管理
要保证程序执行过程中有效利用标准数据，实现系统各
模块间的数据交换。
4.当前模具 CAD的模式和存在问题
1）通用型 CAD系统
① 设计效率低
商品化软件由于市场需要，只能提供一些通用工具，如
几何造型、绘图、强度计算等，要由设计人员交互调用。不
能根据设计对象自动组合和自动调用，自动化程度低。
② 通用图形软件不支持全过程的模具 CAD
全程 CAD：从产品信息输入、工艺设计、模具结构设计
到设计结果的输出的全过程设计。
通用图形软件不包含, 任务描述, 和, 分析设计, 的内
容。
③ 通用图形软件不支持, 自顶向下, 的设计
,自顶向下, 设计：先装配后零件，由粗略到详细，反复细化。
,自底向上, 设计：先定义、描述、构造和细化零件的几何形状，
然后以零件模型为基础，组成装配结构，并描述零件间的装配关系。
通用图形软件设计模具，基本都是采用, 自底向上, 的设计方法。
缺点是不符合设计者的正常思维和设计过程；在没有装配图的条件
下进行零件设计，难以协调零件间装配关系,设计效率低。
实际设计中，装配和零件同时进行，先勾画出粗略的装配结构，
再逐步细化。, 自顶向下,,渐进式地完成零件和装配设计。
模具是各种功能零件的组合体（工作零件、定位零件、导向零件、
固定零件等），模具设计要保证功能的整体性和装配关系的整体性。
2）专用型 CAD系统
由于专业的设计理论和方法可以编制在软件内部，专用系
统一般都支持全过程设计，设计效率远高于通用系统。
冲模 CAD属专业系统，模具 CAD设计对象明确，有比较固定
（规范）的设计理论、算法、流程和规律，标准化程度较高，
可进行全过程设计：接受任务 —分析计算 —模具结构设计 —
结果输出，设计的自动化程度高。
由于设计标准, 规范不同, 冲模 CAD系统难以从国外引进,
因此在国内应用的冲模 CAD系统基本都是国内开发的 。
专用型 CAD系统的专业适用面窄，市场小。
四,模具 CAD技术的发展趋势
1,继续发展几何造型系统，研究特征造型与参数化
设计技术的应用，以满足复杂形状零件与模具设
计要求；
2,开展塑性成形模拟技术的研究，提高工艺分析和
模具 CAD技术的理论水平与实用性；
3,开展工程数据库的研究，建立以工程数据库为核
心的冲压模具 CAD/CAE/CAM一体化系统。
4,发展专家系统，建立面向对象的基于知识的智能
化冲模 CAD系统，以便提高塑性成型工艺设计的
可靠性与模具 CAD系统的效率。
现有模具 CAD技术在数值计算和图形绘制方面扩展了人的
能力, 但很难胜任推理性工作 。 引入知识工程, 计算机图形
技术, 金属塑性加工过程数值模拟, 以增强模具 CAD系统的
功能 。
人工智能技术在模具 CAD中的应用：基于知识的工程系
统 （ KBE）, 包括领域知识的表示, 知识获取, 知识库的建
立与维护方法, 知识推理方法 （ 基于规则推理 RBR,基于事
例推理 CBR,基于模型的推理 MBR） 等 。
计算机图形技术：特征造型技术, 特征识别技术, 金属板
成形过程有限元仿真技术 。 在成形工艺设计和模具结构设计
过程中, 采用统一的特征模型 。
把人工智能技术引入到 CAD系统中, 形成智能化的冲模 CAD系
统 。 CAD技术不再是对传统设计与计算方法的模仿, 而是在先
进设计理论指导下, 充分运用本领域专家的知识和经验 。 结果
具有合理性, 先进性 。
模具设计的经验和方法往往表现为非数值问题, 即不是以数
学公式为核心, 而是依靠思考, 推理, 判断 。 专家系统具有逻
辑推理和决策判断能力, 将许多事实和专业经验, 准则结合在
一起, 应用事实和启发规则, 使设计目标不断缩小, 使问题得
到解决 。 规范化的设计方法和经验是专家系统推理的依据 。
五,模具 CAD系统的组成
模具 CAD系统由硬件和软件二部分组成 。
1,硬件, 包括主机和外设（输入 /输出设备）
主机,CPU：中央处理器 （ 运算控制器 ） + 内部存储器
在模具 CAD中执行运算和逻辑分析任务, 并控制
和指挥系统的所有活动 。
外设：
外部存储器：文件 I/O设备 。 硬盘, 软盘, U盘 。
输入设备：键盘、鼠标、扫描输入设备
输出设备：显示器、打印机、绘图机、纸带穿孔机。
2,软件
一般讲, 软件, 是概括所有在计算机上运行以完成各种作
业的程序, 是计算机进行工作的信息的逻辑组织 。 软件是 CAD系统
的核心, 其水平决定了 CAD系统的功能和效率, 硬件按软件需要配
置 。
1）系统软件
① 操作系统：是用户和计算机之间的接口，全面管理计算机
资
源，合理组织计算机的工作流程。操作系统的管理包括
CPU
管理、存储管理、文件管理,I/O管理和作业管理。
② 程序设计语言，用于程序的编辑、编译、连接和调试。
2）支撑软件：为完成某一类任务而设计的基础软件包。
① 图形系统：几何造型与图形处理软件。
② 通用工程分析软件：有限元分析，数值模拟，优化设计，
成熟的计算方法等软件包。
③ 数据库管理系统。
3）应用软件：针对特定任务设计的软件，如冲模 CAD系统。
? 普通冲裁模 CAD/CAM系统
? 大型镶拼结构模具 CAD/CAM系统
? 弯曲模 CAD系统
? 拉深模 CAD系统
? 电子枪零件多工位级进模 CAD系统
? 电机铁芯级进模 CAD系统
第二章,冲模 CAD应用系统介绍
1 冲裁模 CAD/CAM系统
适用于复合模、级进模、单工序模设计。
系统以冷冲模国家标准为基础，可纳入企业标准内容 。
2 大型镶拼结构模具 CAD/CAM系统
适用于大型复合模、落料模、切边模设计和线切割编程。
模面尺寸不受限制，便于处理非标结构。
3 弯曲模 CAD系统
能完成弯曲件图形输入，弯曲展开和弯曲模具设计。
模具结构库便于扩充，以适应非标结构模具设计。
4 拉深模 CAD系统
适用于圆筒形、盒形、阶梯形、锥形、半球形等各类拉深模具设计，
能输入拉深件图形，自动计算毛坯尺寸，完成工艺计算和模具设计。
模具结构库便于扩充，以适应非标结构的模具设计。
5 多工位级进模 CAD系统
用于电子枪零件多工位复杂级进模的冲压工艺设计与模具设计。
半自动实现工步排样；模具采用总装、子模和零件三层结构，设计有较高
的灵活性和自动化程度。
6.电机铁芯级进模 CAD系统
实现电机铁芯零件的图形输入、凹模
镶件设计、工步排样、模具总装和零件
设计，有较高的灵活性和自动化程度。
第三章, 模具 CAD的基础理论
? 数据的处理方法
? 图形变换
? 几何造型
? 模具设计准则的处理
? 模具 CAD系统的数据管理
一, 数据的处理方法
1,模具设计准则的程序化
把模具设计准则、规范、方法转化成计算机可以处理的数学
模型，编制计算机上运行的程序，解决工艺分析计算和模具设
计问题。
模具设计准则的有三种形式：公式、数表和线图。
1) 公式的程序化,公式是现成的数学模型，可以直接编程。
例：冲裁力及压力中心计算
Dim L(N),x(N),y(N)
a = 0, b = 0, PL = 0
For i = 1 to N
a = a + L(i)*x(i)
b = b + L(i)*y(i)
PL = PL + L(i)
NEXT i
X0 = a/PL
Y0 = b/PL
P = 1.3*PL*t*Tao
注,N - 线数,x( ),y( ) - 各边形心坐标
L( ) – 各边长度,PL – 周长
t - 材料厚度,Tao(?) - 材料抗剪强度
2) 数表的程序化
数表是一种列表函数，反映了数表结点上变量的函数
关系。
数表程序化的目的是参数的检索和调用。
数表程序化有二种方法：
① 以数组形式存放数表，直接写入程序，用于数据少
的数表。
② 用文件形式存储数表。将数据与程序分开，程序运
行时打开文件，读取数据。
例：冲裁金属材料的搭边值
材料厚度 t a a1
～ 1 1.5 1.5
>1 ～ 2 2 1.5
>2 ～ 3 2.5 2
>3 ～ 4 3 2.5
>4 ～ 5 4 3
>5 ～ 6 5 4
>6 ～ 8 6 5
8以上 7 6
数 据 文 件
文件名 / Fdb.dat
0,1,1.5,1.5
1,2,2.0,1.5
2,3,2.5,2.0
3,4,3.0,2.5
4,5,4.0,3.0
5,6,5.0,4.0
6,8,6.0,5.0
Sub Dabe(t,a,a1)
Dim tt(7,2),aa(7,2)
If t > 8 Then
a = 7,a1 = 6,Exit Sub
End if
Open ―fdb.dat‖ for input As #1
For i = 1 to 7
input #1,tt(i,1),tt(i,2),aa(i,1),aa(i,2)
Next i
Close 1
For i = 1 to 7
If tt(i,1)<t And t<=tt(i,2) Then
a = aa(i,1),a1 = aa(i,2)
Exit For
End if
Next i
End sub
3) 函数插值
数表表示的列表函数只能给出离散结点上的函数关系，
不连续。要求不在结点上的函数值，可用插值的方法。插值
的基本思想：
设法构造一个函数 y=p(x) 作为列表函数的近似表达式，
计算 p(x)得到函数值。最常用的近似表达式为代数多项式。
数学意义 见教材 P24
几何意义 见教材 P25
② 抛物线插值,
用三个数据点求作一个二次多项式 y=p2(x)
几何意义：通过三点（不在一条直线上）作
一条抛物线来近似函数曲线。
① 线性插值：
用两点插值,求作一次多项式 y = p1(x)
几何意义：通过二点 (x1,y1),(x2,y2)的直线,
拉格朗日插值公式
将线性插值和二次插值方法推而广之，求得 n个结点的 n-1
次插值多项式
该式在逻辑结构上为二重循环，内循环计算累乘，再用
外循环求代数和
Sub Intp1(x(),y(),N,x0,y0)
y0 = 0
For k = 1 to N
p = 1
For j = 1 to N
If j < > k Then
p = p*(x0 - x(j))/(x(k)-x(j))
End if
Next j
y0 = y0 + p*y(k)
Next k
End sub
注,x(),y() 为数组变量，表示数表结点值
x0,y0 为插值结点,x0 - 自变量,y0 – 函数
N 为结点数
4) 线图的程序化
在设计手册中，有些参数之间的函数关系是用线图
表示的，线图鲜明直观，变化趋势显而易见，但线图
本身不能直接存储在计算机中。
处理线图时，可先将其离散成数表，再按数表程序
化的方法处理,
例：见教材 P27
2,模具 CAD系统的数据管理
模具 CAD是一个信息分析、处理和传递的过程。设计对
象都是用数据来表示的。
根据数据状态,数据可分为静态数据和动态数据：
静态数据：设计标准（工艺数表、模具结构和零件标准）
动态数据：描述设计结果，用于模块间的信息交换。
根据描述对象，数据也可分为图形数据和非图形数据：
图形数据：表示形体的几何模型和二维工程图信息。
非图形数据：标准数据和管理信息
1) 用文件系统管理数据
直接利用操作系统的文件管理功能，实现目录管理、
文件管理和文件传输。程序语言提供文件操作语句，
用于编程。
特点：
简单易行；逻辑关系灵活。
数据文件根据应用程序的需要而建立，数据的逻辑
结构适应于应用程序，数据缺乏对程序的独立性。
2) 数据库及其应用
数据库系统包括数据库和数据库管理系统
数据库：是所存储的关联数据的集合。
数据库中的信息按一定的数据模型存储
根据数据模型的不同，数据库可分为关系型数据库、
层次型数据库和网络型数据库。
关系模型：若干, 关系框架, 组成的集合，一个关系是由
行和列组成的矩形表，行称为记录，列称为字段。
见 P36/图 3-10所示圆凸模的数据结构 。
层次模型：以记录类型为结点的树状结构。
网络模型：以记录类型为结点的网络结构。
见 P31/图 3-7长方体的数据结构 。
数据库的特点：
① 数据共享、减少了数据的冗余。
② 数据独立于应用程序，程序改变不影响数据结构，
数据结构改变也不会影响程序。
③ 可实现对数据的统一管理、控制。
数据库管理系统（ DBMS）
是管理数据库的软件，提供了对数据的定义、建立、
查询和修改等功能。是应用程序和数据库之间的接口。
用户可通过数据库管理系统对数据库中的数据进行处理，
不必了解数据库的物理结构。
3) 工程数据库管理系统 （ EDBMS）
商用数据库管理系统已比较成熟，应用比较广泛，
但并不完全适合工程数据管理的需要。商用数据量大，
数据类型简单，数据关系简单，基本上是静态数据模式；
工程数据类型复杂，数据量不大，数据关系复杂，属于
动态模式。
模具 CAD系统要求工程数据库能够管理多种类型的数
据，包括图形数据和非图形数据，静态数据和动态数据。
工程数据库尚不成熟。
CAD系统对工程数据的管理方法：
① 将商用数据库管理系统和文件系统相结合
由商用数据库管理系统管理非图形数据，利用文件
系统管理图形数据。集成为工程数据库管理系统。
② 扩展已有的数据库管理系统
③ 自行开发新的 EDBMS，用统一的方式管理各类数据，
开发的工作量很大。
冲模 CAD系统采用方法①，工程数据库包含以下内容：
对静态数据的管理
工艺数据库：工艺设计资料
模具结构库：模具结构标准和装配组合
模具零件库：标准零件的参数库和图形库
对动态数据的管理
CAD系统各功能模块的设计结果和模块之间的信
息传递，针对设计对象的特点，建立合理的数据结构
和数据模型，以数据文件的形式存储和调用。
二, 图形变换
主要指图形的平移、比例、旋转变换，是模具 CAD
中几何造型、图形显示处理的基础。
图形变换是对图形几何信息（点坐标）的处理。
1 变换原理
① 平移变换
x’ = x + Tx
y’ = y + Ty
② 比例变换
x’ = x Sx
y’ = y Sy
Sx = Sy,缩放
Sx ≠ S y,沿平行于坐标轴的方向 拉伸或压缩
Sx = - 1 或 Sy = - 1,对 y轴或 x轴的对称镜向
Sx = Sy = -1,以坐标原点的对称镜向
③ 旋转变换
x’ = x cos ? + ysin ?
y’ = -x sin ? +y cos ?
2 变换的矩阵表示
① 齐次坐标
点向量 [x y] 引入第三个分量，成为 [x y 1]，即平面上的一个
点（二维向量）用三个坐标（三维向量）来表示。这种用 n+1维向量表
示 n维向量的方法称为齐次坐标表示法。
在齐次坐标表示法中, n维向量的变换是在 n+1维空间内实现的 。
n+1维空间中的一个向量可看做是 n维空间中的向量多了一个比例因子 H。
通常平面坐标系中二维点 [x,y]的齐次表达式是 [Hx Hy H],其中 H≠ 0。
齐次坐标不存在位置向量的唯一表示, 如 [15 9 3],[30 18 6]和 [5 3
1]都表示坐标点 （ 5,3） 。
在二维变换中, 令 H=1,二维点 (x,y)的齐次坐标表示为 [x y 1]，
其中 x,y坐标不变, 相当于把二维空间变换限制在 H=1的平面内 。
② 变换矩阵
平移变换矩阵
比例变换矩阵
旋转变换矩阵
平移变换 [x’ y’ 1] = [x y 1]T
比例变换 [x’ y’ 1] = [x y 1]S
旋转变换 [x’ y’ 1] = [x y 1]R
3 变换的级联
图形进行复杂的变换时，可以通过几个简单变换来实现。一系列
简单变换（变换序列）通过级联组合成一个变换。
变换序列级联时的顺序问题。
右图三角形旋转 90° 平移 Tx=-80
Ty=0。顺序不同，得到图形不同。
级联的目的：
将一个变换序列表示成一个变换。设一个点 P经过 n 次变换
T1,T2,T3 … Tn，则总的变换结果为：
P’ = P T1 T2 … Tn-1 Tn = PT
总的变换矩阵：
T = T1 T2 … Tn-1 Tn
例, 平面图形绕任意点 C 旋转的组合变换：
① 平移 C到坐标原点
② 图形绕 C逆时针旋转 ?
③ 平移图形恢复原坐标系
通过以上三种变换的有序级联，总的变换矩阵为
编写程序：
总变换矩阵
每个点的变换：
[x y 1] T = [x’ y’ 1]
x’ = xT11 + yT21 + T31
y’ = xT12 + yT22 + T32
Sub revol(xc,yc,af)
cs=cos(af):sn = sin(af)
T11=cs:T12=sn:T21=-sn:T22=cs
T31=-xc*cs+yc*sn+xc
T32=-xc*sn-yc*cs+yc
For i = 1 To np
x=p(i,1):y=p(i,2)
p(i,1)=x*T11+y*T21+T31
p(i,2)=x*T12+y*T22+T32
Next i
End sub
三,几何造型
1,几何造型中的基本概念
1）形体的信息结构
体：封闭表面围成的有效空间，其边界是有限个面的并集。
面：形体表面的一部分，由一个外环和若干内环界定其有效范围
环：由若干条有向边组成的面的封闭边界,环中各条边顺序相连
不能自交。
边：形体两个相邻面的交界。
顶点：边的端点。
几何信息：几何元素的几何性质和度量关系
拓扑信息：几何元素间的连接关系
体素：有限个尺寸参数定义的基本形体，如长方体、圆柱体等。
2) 布尔运算：一种正则化的集合运算，它保证两个基本体素经
过运算后所得的结果是有意义的。
3) 欧拉公式：检验几何造型中所产生形体的合法性。
多面体的欧拉公式,F＋ V－ E = 2＋ R－ 2H
2,几何造型在模具 CAD系统中的作用
1) 输入形体（用一组数据表示形体）
2) 形体的编辑、修改、显示和输出
3) 几何模型的数据管理
工艺设计要以工件几何形状和工艺特征为依据；
模具结构特别是工作零件设计, 有赖于产品零件的形状
支持模具装配和零件图的生成与绘制 。
3.几何造型方法
几何造型技术经历了线框造型, 表面造型, 实体造型, 特
征造型四个发展阶段 （ 见 P48/图 5-1） 信息描述逐渐完备 。
1) 线框造型
利用形体的棱边和顶点表示产品的几何形状。
线框模型见 P49/图 5-2，由顶点表和棱线表组成。
优点：模型简单、存储量小、显示速度快、易修改。
局限性：难以进行形体表面的求交运算、物性计算和消隐处
理。主要用于二维绘图或其它造型方法的辅助工具。
2）表面造型
在线框造型的基础上，增加了形体表面信息。通过有
向棱边构成形体表面，用面的集合来表达相应的形体。
表面模型见 P50/图 5-4，在线框模型的基础上增加了面
表。几何信息是完整的，可以进行隐藏线、面的处理。
局限性：没有明确定义实体的存在侧，没有给出表面间
相互关系等拓扑信息，难以直接进行物性计算。
难以保证形体描述的有效性和一致性。
3）实体造型
在表面模型的基础上，增加了形体各部分之间的联系信
息以及表面的哪一侧存在实体的信息。
形体用一个具有边界子集和内部子集的封闭点集来表示 。
P50/图 5-5为立方体的实体模型。
优点：可以完整全面地描述形体，具有完备的信息。
可进行物性计算、检测干涉、消除隐藏线（面）
和形体剖切等。
4）特征造型
引入特征概念，增加几何实体的工程意义。线框、
表面、实体造型都是从几何角度定义物体形状，不能描
述物体的非几何信息（材料、尺寸公差、热处理等）。
从工程角度, 对形体的各个组成部分及其特征进行
定义, 特征造型是形状和功能的组合 。
特征是反映产品特点的，可按一定原则加以分类的
产品描述信息。
按产品定义数据的性质，可将产品的特征分为形状
特征、精度特征、工艺特征、材料特征和装配特征。其
中形状特征是其它特征的载体，非几何信息一般作为属
性和约束附加在形状特征上。
形状特征：具有一定工程意义的形状
精度特征：尺寸公差, 表面精度等
工艺特征：加工方法, 工艺要求等
材料特征：材料类型, 材料性能
特征造型方法：
① 人工辅助特征标识：先建立几何模型，然后交互
检取几何要素，将特征信息作为属性添加到特征模型中。
② 自动特征识别：建立几何模型，启动专门的程序，
自动处理几何数据库，搜索并提取特征信息，产生特征
模型。
③ 基于特征的设计：将标准特征和用户自定义特征
存储在特征库中，以特征库中的特征为基本造型单元，
建立特征模型。
4,常用的形体表示模式
实体造型中，为描述形体的几何信息和拓扑信息。
用抽象的几何实体来代表实际的形体。
1） 体素调用表示
2） 空间点列表示
3） 单元分解表示
4） 扫描变换表示
5） 构造体素表示（ CSG）
6） 边界表示 (B-Reps)
1）体素调用表示
采用规范化的几何形体及其形状参数描述形体。规范
化的几何形体作变比变换和定义不同的参数值，可产生不
同的形体（ P54/图 5-8）
特点：
由于初始形状的限
制，不能产生复杂的
形体。在模具 CAD中
用来描述标准零件。
2）空间点列表示
将形体所在空间分割成具有固定形状（如立方体），彼
此相连的一系列单元，每个单元用其形心坐标（ x,y,z）表
示。表示模式是坐标参数的有序集合，即空间点列（ P54/
图 5-9）
特点：
存储量大，形体
各部分之间关系不明
确。近似表示物体的
思想，可计算物性，
搜索物体的边界。
3）单元分解表示
先将形体分解为一系列容易描述的形状单元，然后
表示这些单元及其相互间的关系（ P55/图 5-10）。
特点：理论上可以描述任何物体，实际上存在困难，而
且表示不唯一。主要用于有限元的单元划分。
4）扫描变换表示
一个二维图形沿某一路径扫描，产生新的形体。
表示模式：扫描的图形（基体）和基体运动轨迹。
常用方式：（见 P55/图 5-11）
平移扫描：
运动轨迹为一直线，
描述 2.5D形体
旋转扫描：
运动轨迹为一圆或
圆弧，描述轴对称
形体。
5）构造体素表示（ CSG）
利用一些简单形状的体素，经变换和布尔运算构成复杂的
形体。用二叉树结构来描述体素构成复杂形体的关系（图 5-12）
树根表示定义的形体
叶表示体素或变换量 (平移量,旋转量 )
结点表示变换方式或布尔运算的算子
特点：
隐式存储，模型紧凑，
但显示图形时要计算边界。
6）边界表示 (B-Reps)
以形体表面的细节，即以顶点、边、面等几何元素及其相互
间的连接关系来表示形体（图 5-14,15）
特点：显式存储，详细记录了形体边界的所有几何元素的几
何信息和拓扑信息，容易实现图形显示、有限元网格划分、表
面积计算和数控加工等功能。 存储量大，模型不够紧凑。
5,平面多面体的数据结构
1）几何信息与拓朴信息
完整表示形体的几何形
状需要二方面信息：几何信
息和拓扑信息。
几何信息：
平面多面体包含三类几何
元素：顶点、边和面。每类
几何元素都能给出足够的几
何信息。三类几何信息之间
可以互相转化（图 5-16）。
拓朴信息：
三类几何元素之间存在
9 种拓朴关系（图 5-17）
几何模型中，存储何种
几何信息和拓朴信息，取
决于应用需要，也是时间
和空间之间的折衷考虑。
2）图形数据的逻辑结构与存储结构
逻辑结构：数据元素之间的逻辑关系。
存储结构：数据在计算机中的存储位置。
基本要求：能描述形体几何信息与拓朴信息；
便于对形体进行增删和修改操作；
快速运算, 处理, 占用较少的内存空间 。
⑴ 逻辑结构
数据结构是数据结点和关系的结合 。
数据结构图：
结点表示数据元素, 二结点之间关系用连线表示 。
① 线性表结构：
数据结点顺序排列, 每个结点只与前一个和后一个结点相联
系, 结点之间只存在线性 （ 一维 ） 位置关系 。
② 层次结构（树结构）：描述结构之间的层次关系，分支关系
特点：最上层只有一个结点（树根），末端为叶结点，其余
为分支结点；下一层结点只能有一条连线与上一层一
个结点 相连，上一层结点可与下一层几个结点相连；
子树互不相交。
③ 图结构：下一层结点可以与上一层几个结点相连 。
⑵ 存储结构
存储单元：
数据域：存放结点的值
指针域：存放与该结点有联系的结点的存储单元地址
① 顺序存储：存储单元在存储器中连续分配，依此存
放，无指针域。节省空间，但插入或删除数据元素时繁
琐，需要移动元素。
② 链式存储：用指针表示数据元素的顺序关系, 占空间大
,但便于修改, 插入或删除元素
3） 平面多面体的常用的数据结构
单链三表结构
双链翼边结构
双链三表结构
单链三表结构 （图 5-18）
面、棱边和顶点三个表。
用单链来指示它们之间的连
接关系。
点、线表为顺序结构。
数据结构关系清楚，节
省存储空间，但修改形体麻
烦，需要同时修改几何信息
与拓朴信息。
双链翼边结构
以边作为检索形体拓扑信息的中心
环节。每条边都有指针，指向左右两
个邻面和构成邻面的四条邻边。
可以分别处理形体的几何信息和拓
扑信息，提高数据结构的灵活性。便
于形体的修改。
翼边结构的存储形式（图 5-20）
形体信息分为五层：形体表、面表、环表、边表和顶点
表，其中面表、边表和顶点表采用了双链表结构。
6,二维平面图形的数据结构
2D图形由一个外环和若干内环组成，环内各边顺序相连。
外环：逆时针走向，内环：顺时针走向
序
号 0 ／ R
始点／
圆心点
终点／角
表指针
1 0 1 2
2 0 2 3
3 0 3 4
4 -5 5 1
5 0 6 7
6 10 8 2
7 -4 9 3
8 0 10 11
9 0 11 12
10 0 12 13
11 0 13 11
序号 始线号 终线号
1 1 6
2 7 7
3 8 11
序号 始角 终角
1 ? 2?
2 ?/2 3?/2
3 0 2?
序
号 x y
1 0 -10
2 60 -10
3 60 10
4 30 10
5 25 10
6 20 10
7 0 10
8 0 0
9 0 0
10 47 -3
11 47 3
12 53 3
13 53 -3
环 表
线 表
点 表
角 表
圆弧按逆时针方向（由始角 -终角）
沿环走向，当逆时针走过圆弧 R>0；
当顺时针走过圆弧 R<0
?1
?2
建立 CAD系统的过程和方法
冲裁模 CAD/CAM系统的结构和功能
工件信息输入
冲压工艺设计
模具结构设计
模具图的生成与绘制
NC线切割编程
第四章, 冲模 CAD/CAM系统的开发
一,建立 CAD系统的过程和方法 （教材 P6）
根据软件工程学方法,CAD系统生命期可分为系统分析、系统设计、
程序设计、系统测试、系统维护五个阶段。
1 系统分析
对现行工作流程进行调查，收集分析有关资料，了解用户需求，
在此基础上，确定系统的总目标、功能、性能和接口，建立系统的
总体逻辑模型。
数据流程图（图 1-1）：表达现行工作和 CAD系统的数据流程和
逻辑处理功能。
外 部 项：系统以外的事物或人，系统数据的外部来源和去处。
数 据 流：数据流动方向
处理逻辑：对数据的逻辑处理功能（变换数据结构或产生新数据）
数据存储：数据保存的地方，数据存储的逻辑描述。
2 系统设计
采用结构化的系统设计方法：, 自顶向下, 的分解, 即将系
统逐级分解成模块和子模块 。
结构化系统设计的两个阶段：概要设计和详细设计
概要设计,确定软件系统的总体结构, 用结构图 （ 图 1-2）
表示系统的功能模块组成及模块间的调用关系 。
定义各模块间的接口；
设计全局数据结构 。
详细设计,设计功能模块的内部细节, 包括算法和数据结构 。
模块名称, 输入数据, 输出数据和转换过程等 。
3 程序设计
根据系统设计说明书，实现系统设计方案。
程序员根据模块说明进行程序设计，用某种语言编写程序实现功
能模块。
结构化程序设计的 基本控制结构,顺序结构、判断结构和循环结构
（图 1-3）。一个系统可分为若干个功能模块，用作业控制语句或
程序内部的过程调用语句将这些模块连接起来。
自顶向下的程序设计,表达模块中各个功能的关系。
先把一个程序抽象为一个功能结构，为完成这个功能，进一步分
解为较低一层功能，逐步扩展，直到最低一层的每个功能很容易用
程序语句实现为止。
逐步取精,表达模块的内部逻辑，即程序的执行步骤。
把模块功能分解成一组子功能，这一组子功能可以通过执行若干
个程序步来完成。
4 系统测试
对系统分析、系统设计和程序设计的最终审查，保证软件质量。
测试方法,
黑盒法：测试系统的外部特性，检查程序是否符合它的功能要
求，不考虑系统的内部逻辑结构。
白盒法：要了解程序的内部结构，对程序的所有逻辑进行测试。
测试过程,
单元测试：对模快逐个测试（模块接口、数据结构，执行路径）
整体测试：将模块逐个装配在一起进行测试，考察是否能组装
成一个符合要求的系统。
有效性测试：软件的功能与用户要求是否一致。采用黑盒法。
5 系统维护
改正性维护：改正系统使用其间出现的错误
适应性维护：为适应计算机硬件和操作系统的升
级，所进行的修改
完善性维护：扩充和改进软件系统，增加新功能，
修改已有功能。
―IDEF0‖方法,
功能分析方法的一种，建立模具 CAD/CAM系统的功能模型。
,IDEF0‖的基本思想是结构化分析方法，能表达系统的活动、数据
流及其联系，能描述系统的功能和需求，以及功能的实现。
结构分析方法,,自顶向下, 逐层分解，整个系统模型由一系列图
形组成，主要功能在顶层说明，然后逐层分解成多个功能细节。
图形由简单的盒子及箭头组成
盒子：代表系统的功能（活动）
箭头：代表数据（信息或对象）
输入：完成活动所需的信息
控制：执行活动的条件和约束
输出：活动产生的信息
机制：执行活动的人或设备
建立, IDEF0‖模型的步骤：
① 建立 CAD系统内外关系图 A-0 图,确定系统的范围、目标。
② 建立系统的 A0图：
A0图是模型真正的顶层图，
表示系统的功能模块组成，
以及各功能模块间的关系
③ 对 A0 图中各功能模块进一
步分解，得到 A1,A2,A3
… 图。
逐层分解，直到不能分
解为止。
冲模 CAD系统开发的资料准备：
冲压加工的工艺方法：
材料工艺性能数据库
设备选用资料库
工艺计算模型资料库
工艺方案制定的规范
冲压模具的设计规范：
成形工艺及模具结构设计规范
成形过程数值模拟（ CAE）技术与模具设计之间的集成
基于标准化的模具零件与装配结构
建立基于标准化、参数驱动的全开放柔性零件库；
建立模具结构库，具有对实例进行检索、归纳、匹配推理、解
释修改、知识引导和特征重组等功能。
二, 冲裁模 CAD/CAM系统的结构和功能
工件信息输入,输入工件的基本工艺信息和几何信息 。
冲压工艺设计,工艺性判断, 刃口计算, 毛坯排样,
选择模具类型
模具结构设计,模面设计, 凸模固定, 装配与零件设计
装配图, 零件图生成,自动完成模具零件的几何造型；
选择视图, 生成装配和零件工程图纸 。
辅助绘图,利用 AUTOCAD,最终编辑, 绘制工程图纸
线切割编程,编制零件线切割加工的 NC指令 。
三, 工件信息输入
在计算机中建立冲裁件模型, 是模具设计的基础 。 工件
信息包括冲裁件的工程信息和几何信息, 其中工程信息包括
冲裁件的材料牌号, 料厚, 技术要求等, 这些数据采用交互
方式输入 。
1,工件图形输入方法
冲裁件为二维形状, 其图形输入有多种方法, 采用面素
拼合和线素输入相结合的图形输入方法, 可以将复杂图形快
速度输入计算机 。
面素拼合法,
利用一些称为面素的基本几何图形的并、交、差运算，
完成冲裁件图形输入的一种方法。这种方法的输入效率高，
但输入的功能要取决于面素的类型多少。因此单一的面素拼
合法只适合输入形状较规则的工件。
线素输入法,
线素输入采用交互方式，灵活地输入复杂形状图形。
面素拼合的能力取决于面素，对于不规则图形，先采用
线素输入方法，构造出需要的面素，参与拼合或内廓装配。
面素拼合的实现方法,
① 轮廓方向化 （ 逆时针 ）
② 求交点
③ 从交点出发重新排序
链 接：
右支
左支
A – B = A （ B轮廓反向）*
*
*
?
?
?
*?
冲压零件属于壳体件，其形状特征与冲压工艺之间存在对应
关系。冲压件形状是由相应的冲压工艺加工而成，反映了它的
变形特点。
根据冲压件的变形特点对其形状特征进行分类，既可保证形
状特征与冲压工艺之间的对应关系，又不失形状分类的一般性
2,冲压零件的特征造型
1) 冲压零件的特点
平板毛坯 冲压零件（冲裁、成形、弯曲） 冲压成形工艺
2) 冲压零件的特征造型方法
对 象：由冲裁, 弯曲, 拉深和局部成形等方式加工的冲
压件 。
方 法：根据冲压件形状及其成形特点, 定义四种体素作
为冲压件形状特征的基本造型单元, 由这些体素拼合
逐步构造出冲压件的形状 。
这种方法既便于完整有效地描述冲压零件, 又便于
后继的工艺设计模块对冲压件形状的识别和处理 。
体素的定义：
平面体素
平面轮廓 C 确定边界
空间平行线 P1,P2 确定厚度
弯曲面体素
二同心圆弧 A1,A2
A1,A2 在同一平面上
A1,A2对应端点连线通过圆心
成形面体素
B - 扫描边界； AX - 旋转轴； T - 扫描轨迹
旋转扫描 - 轴对称形状（ AX与 B在同一平面,AX与 B不相交）
轨迹扫描 – 非轴对称形状（ T在同一平面上、封闭，与 B垂直）
冲切面体素
由孔、缺口等局部形状在冲切方向上的投影轮廓 C 描述,C 封闭。
体素拼合
体素间的连接关系图
弯曲连接（ BR）,
平面体素与弯曲体素连接
弯曲体素的一侧面与平面
体素的某一侧面重合
过渡连接（ TR）,
平面体素与成形体素连接
成形体素端部侧面的两组
边界分别在平面体素的两个
相应形面上。
四, 冲压工艺设计
? 冲裁件工艺性判断
? 毛坯排样的优化设计
? 级进模工位设计
冲裁工艺设计包括冲裁件工艺性判断, 毛坯排样, 工
艺方案选择, 级进模工步设计, 压力与压力中心计算,
压力机选择等 。
1,冲裁件工艺性判断,
冲裁件工艺性是检查冲裁件对冲压工艺的适应性。
工艺性判断的内容：
检查冲裁件的 形状,结构尺寸 及偏差,如外形的小凸
起、悬臂、圆角半径； 外轮廓与孔（槽）、孔（槽）与孔
（槽）之间的距离,槽宽、环宽等尺寸是否在冲裁所允许
的极限内。
手工设计时由人工对照表格数据进行检查判断。在 CAD
系统中则可以采用自动搜索和判断的方式分析冲裁件的工
艺性。如工件不适合冲裁工艺，则会给出提示信息，要求
修改工件图。
2,毛坯排样的 优化设计
优化设计方法
设计变量,工艺分析计算中要确定许多参数，最终确定的各项独
立参数称作设计变量。这些变量确定后，设计对象也被确定。
优化设计,设计中要选取的参数之间会发生矛盾，如顶杆要保证
强度和刚度，截面积 ≥ 极限值，而受模具装配空间的限制，截
面尺寸又不能太大。优化设计是在分析、综合各方面因素的基
础上，求出一个合理的方案，取得最佳效果。
目标函数,在对一个设计对象进行设计前，要有一个预期目标，
如使用指标、经济指标、重量指标等，这些预期目标用数学形
式表示出来就称为, 目标函数, 。它是设计变量（ x1,x2,x3… )
的函数：
f(x)=f(x1,x2,… xn)
优化问题可归结为：在满足一定的约束条件下，采取适当的
设计变量，使目标函数达到最优。
冲裁毛坯优化排样,
在冲裁件的成本中材料费占 60%以上, 提高材料利用率是
降低冲压成本的重要措施, 而材料利用率的高低又主要取决
于冲裁时的排样情况 。
排样的优化设计就是要寻求材料利用率最高的排样方案 。
由于冲裁件形状及排列方式是千变万化的, 要比较这些方案
的材料利用率高低是手工设计不能胜任的, 而计算机就显示
出了优越性 。 冲裁模 CAD采用优化排样方法, 可以从冲裁件
在材料上排列的所有方案中找出最优方案 。
如图为带料的单排冲裁, 图中 Φ为排样角 。
材料利用率用下式计算：
%10 0?? BHS?
式中,S - 零件面积
B - 条料宽度
H - 进给步距
B（ Φ）, H（ Φ） 为 Φ的函数, 排样实际上是由参数 Φ决定 。
Φ的变化范围为 G﹛ 0≦ φ ≦ π ﹜
在域 G内达到最大值 。
CAD系统提供了九类排样, 由单, 双, 多排与直, 斜, 对
排组合而成 。 设计以交互方式选择排样类型, 由程序自动计算
产生排样方案, 并在屏幕上显示这些方案的排样图形 。 最后,
由设计人员综合考虑冲压工艺, 模具结构, 制造等因素, 确定
最合理的排样方案, 并修改排样参数 。
排样问题的目标函数为材料利用率 。 排样的优化问题就在于寻
找 Φ的最佳值, 使目标函数
)()()( ???? HB S?
程序实现方法：
Φ角由 0 – 180 按一定的寻优角递增, 计算出各种
倾角下的材料利用率 ?值, 从而求出 材料利用率最高的排
样方案 。
设计步骤：
1） 工件外廓等距放大半个搭边
（ 等距放大图 ）
2） Φ由 0–180按一定的寻优角 （ 如 0.5°, 1° ） 递增,
计算出各种倾角下的 B（ Φ）, H（ Φ）
然后计算出材料利用率 ?（ Φ） 值 。
3） 求出 ?（ Φ） 最大时的 Φ值, 得到 B,H值 。
B（ Φ） 求法：
计算等距图的 B = ya - ym
H（ Φ） 求法：
① 逐步移动判别：
从重合开始, 将等距图拉开一定距离；
第二图形按一定步距回移, 与第一图形相交后缩小步距
移出, 反复进行, 直到二个等距图刚接触为止 （ 相切 ）,
总移动量 Step = H
② 平行线分割法：
图形沿任一方向的步距等于该方向的一系列平
行线与等距图的截交线的最大长度 。
用求交方法, 求极值方法计算 H
3,级进模工位设计
综合分析，确定
工艺方案所遵循的
原则，建立设计模
型。
工步设计遵循的原则,
① 为保证模具强度，将间距小于允许值的轮廓安排在不同工步
② 将有相对位置精度要求的轮廓尽量安排在同一工步
③ 为保证凹模、卸料板强度和凸模安装位置，可以增加空工步
④ 落料安排在最后工步
……
根据前二条原则，建立设计模型：
位置精度关系模型
干涉关系模型
冲裁件图形为多个轮廓的集合，可表示为
A = { K1,K2,…,Ki,…,Kn }
位置精度关系模型,
有定位精度要求的轮廓组成集合 A上的一个关系 ρ 1，若两轮廓
Ki和 kj间有精度要求，则序偶（ Ki,kj） ∈ ρ 1.由 ρ 1形成位置精
度关系矩阵：
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
nnnn
n
aaa
aaa
M
?
????
?
21
11211
1
?
?
?
?
?
? 1),(0
1),(1
?
?
ji
ji
ij kk
kk
a ?
?
干涉关系模型,
相互干涉的轮廓组成集合 A上的一个关系 ρ 2，若两轮廓
Ki和 kj间相互干涉，则序偶（ Ki,kj） ∈ ρ 2，由 ρ 2 形
成干涉关系矩阵：
程序自动完成工步设计时, 以矩阵 M1和 M2为参考矩阵,
将间距小于允许值的轮廓放在不同工步, 将有相对位置精
度要求的轮廓尽量安排在同一工步 。
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
nnnn
n
bbb
bbb
M
?
????
?
21
11211
2
??
?
?
??
2),(0
2),(1
?
?
ji
ji
ij kk
kkb
?
?
五, 模具结构设计
零件设计, 建立零件的描述模型
装配设计, 建立模具的总体结构信息、模具零件之间
的装配关系和每个零件的安装位置。
1 模具零件设计
1）零件信息
标识属性：标准类别、名称、代号与规格
形状属性：标准件：参量化几何描述和系列尺寸数据
非准件：零件的几何模型
非几何属性：材料、热处理、精度等
2）零件分类及设计方法
非标件：主要是工作零件，依据工艺设计信息和装配关
系建立此类零件的描述模型。
标准件：占模具零件的大多数，建立标准零件库是提高
CAD效率的有力措施。
3）标准零件库采用的技术
参数化处理技术：描述零件的几何形状
数 据 库 技 术：存储管理标准件的系列化尺寸数据
参数化处理技术 （参数驱动技术）：
采用几何约束来描述零件，通过改变约束及约束求解，
来获得所需的形状。
数据库技术,
模具中有大量标准件，标准件采用系列化的尺寸数据
来描述。依靠数据库技术来有效地管理这些数据。
4）建立标准零件库
生成原型图（图形库）：绘制草图、加尺寸约束、分析，保证原
型图约束完备并能正确求解。最后把原标注的尺寸, 参量化,,即用
字符变量（如 M,H,L等）或表达式（如（ L+B） /SIN（ A）等）取代
具体尺寸值。
生成数据信息（数据库）：根据零件原型图上的字符变量，填写
各规格尺寸系列的记录。指定零件的关键参数和其他信息。
A
B
D
C
45
71
60
44
标准零件库管理系统主控模块
图形信息管理
原型图绘制、修改显示
约束增加、删改、查看
对视图的分析、求解
数据库信息管理
管理信息登录、修改、增加
零件规格增加、删改、查看
辅助信息增加、删改、查看
零件图形库 零件数据库
5）标准零件库的信息表示
零件库是零件图形与系列尺寸数据表的集合，由零件图形库与
系列尺寸数据库组成。图形库存储了每一个零件的图形，这些图
形是由尺寸驱动的。将所有尺寸写成系列尺寸数据库，把零件的
规格作为关键值。只要指定关键值，即可在数据库中检索出全部
尺寸，获得所需的图形。
在装配模型中，某一标准件的属性与形状信息就是它的名称、
代号与规格，以此来调用标准零件库即可完成标准件设计。
标准零件库采用层次结构。首先通过功能分类表检索到所需零
件的基本信息、图文件名、尺寸数据库文件名和关键值，然后根
据标准件的图文件和系列尺寸值生成实例化的零件。
分类
码名
标准
代号
系列尺寸数
据库文件名
图文
件名 描述符
关键
字 材料 其它
D1 D2 ……
功能分类表,
标准系列尺寸描述表 零件图形库
2,模具装配设计
建立装配模型，描述模具零件之间的装配关系。
建立模具结构库，提高设计的自动化程度。
1) 模具装配信息
① 总体结构信息
模具类型与尺寸规格, 模具所含全部零件的设计信息 。
② 零件装配关系
根据模具特点, 将零件间装配关系分为贴合关系和贯穿关系 。
模具零件按其装配特征可划分为, 板类件, 和, 柱类件,,
,柱类件,,以贯穿其它零件为主要方式的零件
,板类件,,以被贯穿为主要方式的零件
③ 零件空间定位
建立模具的总体坐标系和每个零件的自身坐标系 。 以零件在模
具总装中的基点坐标 （ X,Y,Z） 和方位 （ α,β,γ ） 来表示零件
的空间定位 。
2) 模具装配模型
模具结构是模具零件按某种关系组成的集合。
装配模型是描述这些零件装配关系和定位关系的数据结构。
模具零件之间的装配关系是多对多的关系，装配关系的数据结构为
网状结构。网状结构复杂，不便于存储与操作，简化为下图的树结构，
主要反映零件间的定位关系。
B1
B2
B3
B4
B5
B6
B7
B8
B9
L3
L4
L1
L2
L9
L10
L5
L11
L7
L8
L6
L12
下模部分 上模部分
装配定位树结构
装配定位树,
由所有板类件的定位关系组成装配体主干。柱类件贯
穿几个板类件，确定其中一个为父结点，将所有柱类件
都分布在从板类件出发的分支上。
结点表示零件的设计信息，结点间连线表示零件间的
定位关系，以相对父结点的位移表达式来描述。
冲模一般以下模座为根结点。每个结点到根结点之间
都存在一条定位链，从根结点出发逐层变换即可求得零
件的空间定位（ X,Y,Z,α,β,γ ）。
3) 模具结构库
标准化是建立结构库的基础。如冷冲模国家标准包括
了 14种模具典型组合,12种模架组合和模具标准零件。
模具结构库组成,
一种模具类型对应一个典型组合，所有典型组合的结
构信息文件组成结构库，通过选择模具类型来调用结构
库。
模具典型组合按其尺寸规格实现系列化，冲模典型组
合以凹模尺寸划分，设计中只要指定规格参数即可调出
一套模具的完整结构，模具中所有零件的规格系列也随
之确定。
结构库信息描述
结构规格编号 规格参数 零件 1
结构分类表
结构类型编号 结构类型名 结构库文件名
零件编号 零件名称 类型 零件库文件名 规格参数 定位指针
零件规格信息
数量 阵列指针
结构规格信息
… 零件 n
1 100× 80 下模座 … 螺钉
…
1 复合模 1 Fjg-001
零 件 库 装配定位树 模 型 零件阵列形式及 阵列尺寸表
…
六, 模具图的生成与绘制
模具装配图、零件图生成的效率和稳定性是冲模 CAD的关键。
结构设计和模具图生成是关联紧密的两个模块。结构设计模块建
立模具装配模型和零件形状信息；模具图生成模块完成零件几何造型
与图形处理。
开发扩展 2.5D实体造型系统作为模具图生成的基础，实现了模具
图生成的高度自动化。标准件图形自动生成，其它零件造型和总装模
型的生成也全部自动完成。在装配图、零件图处理中，可任意剖切、
投影、自动消隐，快速生成所需要的视图。总装明细表的填写和件号
标注也自动完成。
系统采用 AUTOCAD作为图形修改、编辑与绘制的支撑软件。所生成
的模具装配图与零件图都有进入 AUTOCAD的接口文件，以菜单形式列
出图形名，交互调入编辑绘制。
七, NC线切割编程
冲裁模 CAD/CAM系统, CAM主要是工作零件的线切割编程 。 工
作零件包括凸模, 凹模, 固定板和卸料板等 。
系统中, CAD建立的零件几何模型可直接由 CAM调用, 转换成
NC加工指令 。 线切割编程时, 交互输入钼丝半径和放电间隙,
设置穿丝孔, 指定起割点后, 计算机就可以自动处理 。 计算机
根据刃口图形等距缩放, 求出钼丝中心的轨迹, 自动编制出 NC
加工指令 。 指令可选择不同的格式和输出方法 。
