章节第1章绪论了解CAD/CAE/CAM基本概念，熟悉CAD/CAE/CAM的历史、现状和教学发展方向。了解本课程学习的任务、主要内容以及主要的参考文献资目的料。重点：CAD/CAE/CAM技术的发展趋势。重点难点：无。难点教学内容：教学内容1.CAD/CAE/CAM发展历程及基本概念2.CAD/CAE/CAM技术在模具行业中的应用教学方法3.CAD/CAE/CAM技术发展趋势教学方法：在概论这一章，讲授时主要采用师生互动的教学方法，教学手段通过国民经济的发展现状、发展趋势及平时的日常生活中的典型事例，介绍本课程的重要性和学习本课程的意义。学时分配教学手段：课堂讲授学时分配：2学时1．CAD/CAE/CAM技术的发展经历了哪几个阶段？各阶段的主要技术特点是什么？2.1简述参数化造型技术和变量化造型技术的主要特点和区别。章思考题3.试述CAD/CAE/CAM技术的发展趋势。这些发展趋势在实际应用中如何体现？4.简述CAD/CAE/CAM技术在模具设计制造（尤其是在冷冲模、塑料模）中的应用。[1】任秉银．模具CAD/CAE/CAM。哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，主要2006.参考[2】李名尧模具CAD/CAM.北京：机械工业出版社2004.资料[3]】童秉枢．现代CAD技术．北京：清华大学出版社，2000备注
章节 第 1 章 绪论 教学 目的 了解 CAD/CAE/CAM 基本概念，熟悉 CAD/CAE/CAM 的历史、现状和 发展方向。了解本课程学习的任务、主要内容以及主要的参考文献资 料。 重点 难点 重点：CAD/CAE/CAM 技术的发展趋势。 难点：无。 教学内容 教学方法 教学手段 学时分配 教学内容： 1. CAD/CAE/CAM 发展历程及基本概念 2. CAD/CAE/CAM 技术在模具行业中的应用 3. CAD/CAE/CAM 技术发展趋势 教学方法：在概论这一章，讲授时主要采用师生互动的教学方法， 通过国民经济的发展现状、发展趋势及平时的日常生活中 的典型事例，介绍本课程的重要性和学习本课程的意义。 教学手段：课堂讲授 学时分配：2 学时 章思考题 1. CAD/CAE/CAM 技术的发展经历了哪几个阶段？各阶段的主要技术 特点是什么？ 2. 简述参数化造型技术和变量化造型技术的主要特点和区别。 3. 试述 CAD/CAE/CAM 技术的发展趋势。这些发展趋势在实际应用中 如何体现？ 4. 简述 CAD/CAE/CAM 技术在模具设计制造（尤其是在冷冲模、塑料 模）中的应用。 主要 参考 资料 [1] 任秉银. 模具 CAD/CAE/CAM. 哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社， 2006. [2] 李名尧. 模具 CAD/CAM. 北京：机械工业出版社. 2004. [3] 童秉枢. 现代 CAD 技术 . 北京：清华大学出版社，2000. 备注 1
第1章绪论CAD/CAE/CAM（ComputerAidedDesign/ComputerAidedEngineering/ComputerAidedManufacturing），即计算机辅助设计、计算机辅助工程和计算机辅助制造，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。1.1CAD/CAM/CAE技术的内容及其发展1.1.1CAD/CAE/CAM基本概念CAD：计算机辅助设计，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便用和产生的数据、图形、文档等进行存储和管理。CAE：计算机辅助工程，利用计算机辅助求解复杂工程和产品结构强度、刚度、屈曲稳定性、动力响应、热传导、弹塑性等力学性能的分析计算以及结构性能的优化设计等问题的一种近似数值分析方法。利用CAD技术来建立CAE的几何模型和物理模型，完成分析数据的输入，通常称为CAE的前置处理。而CAE的结果也需要用CAD技术生成形象的图形输出，如生成位移图、应力、温度、压力分布的等值线图，表示应力、温度应力、温度和压力分布的彩色明暗图，随机械载荷和温度载荷变化生成位移、应力、温度、压力等分布的动态显示图等，通常称此过程为CAE的后置处理。CAE技术可以对工程和产品进行性能与安全可靠性分析，对其未来的工作状态和运行行为进行模拟，及早发现设计缺陷，并证实未来工程、产品功能和性能的可用性与可靠性。2
第 1 章 绪论 CAD/ CAE / CAM（Computer Aided Design/ Computer Aided Engineering / Computer Aided Manufacturing），即计算机辅助设计、计算机辅助工程和计算 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。 1.1 CAD/CAM/CAE 技术的内容及其发展 1.1.1 CAD/CAE/CAM 基本概念 CAD：计算机辅助设计，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。 CAE：计算机辅助工程，利用计算机辅助求解复杂工程和产品结构强度、刚 度、屈曲稳定性、动力响应、热传导、弹塑性等力学性能的分析计算以及结构性 能的优化设计等问题的一种近似数值分析方法。 利用 CAD 技术来建立 CAE 的几何模型和物理模型，完成分析数据的输入，通 常称为 CAE 的前置处理。 而 CAE 的结果也需要用 CAD 技术生成形象的图形输出，如生成位移图、应力、 温度、压力分布的等值线图，表示应力、温度应力、温度和压力分布的彩色明暗 图，随机械载荷和温度载荷变化生成位移、应力、温度、压力等分布的动态显示 图等，通常称此过程为 CAE 的后置处理。 CAE 技术可以对工程和产品进行性能与安全可靠性分析，对其未来的工作状 态和运行行为进行模拟，及早发现设计缺陷，并证实未来工程、产品功能和性能 的可用性与可靠性。 2
CAM：计算机辅助制造，是指应用电子计算机来辅助完成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。1.1.2CAD/CAM/CAE发展历程1.CAD/CAM技术的发展历程CAD/CAM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）。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）。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。从20世纪80年代后期开始CAD/CAE/CAM系统实现集成化、智能化、标准化。集成化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。智能化是指将人工智能技术、知识工程和专家系统技术引入到CAD/CAE/CAM领域中，形成智能的CAD/CAE/CAM系统。3
CAM：计算机辅助制造，是指应用电子计算机来辅助完成产品制造的统称， 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。 1.1.2 CAD/CAM/CAE 发展历程 1. CAD/CAM 技术的发展历程 CAD/CAM 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）。 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）。 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。 从 20 世纪 80 年代后期开始CAD/CAE/CAM系统实现集成化、智能化、标准化。 集成化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。 智能化是指将人工智能技术、知识工程和专家系统技术引入到 CAD/CAE/CAM 领域中，形成智能的 CAD/CAE/CAM 系统。 3
标准化是指CAD/CAE/CAM技术的快速和应用中的技术标准越来越得到各软件开发商和应用厂商的重视。CAD/CAE/CAM标准体系是开发应用CAD/CAE/CAM软件的基础，也是促进CAD/CAE/CAM技术普及应用的约束手段。1.2CAD/CAE/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。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、粉未冶金模具、玻璃模具、橡胶模具、陶瓷模具和简易模具等干大类。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）成本低模具CAD/CAE/CAM就是CAD/CAE/CAM技术在模具设计过程中的应用。1.2.1CAD/CAE/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/CAE/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PENTAX1982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/CAE/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
标准化是指 CAD/CAE/CAM 技术的快速和应用中的技术标准越来越得到各软件 开发商和应用厂商的重视。CAD/CAE/CAM 标准体系是开发应用 CAD/CAE/CAM 软件 的基础，也是促进 CAD/CAE/CAM 技术普及应用的约束手段。 1.2 CAD/CAE/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。 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 模具 CAD/CAE/CAM 就是 CAD/CAE/CAM 技术在模具设计过程中的应用。 1.2.1 CAD/CAE/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/CAE/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/CAE/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
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。1.2.2CAD/CAE/CAM技术在塑料模中的应用注射模CAD/CAE/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/CAE/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）塑料制品的儿何造型。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。5
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。 1.2.2 CAD/CAE/CAM 技术在塑料模中的应用 注射模 CAD/CAE/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/CAE/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。 5