1、1模具 CAD/CAM 领域的新技术钟燕锋随着科学技术的发展，人们对产品制造的要求越来越高，产品的生命周期也越来越短，模具制造业都共同面临着市场全球化、产品多样化和制造国际化的挑战，快速响应能力逐渐成为竞争的焦点。为了能在激烈的市场竞争中谋求发展，企业必须以最新的产品、最短的开发时间、最优的质量、最低的成本、最佳的服务、最好的环保效果和最快的市场响应速度来赢得市场和用户，一方面模具制造业要加快技术创新的步伐，缩短产品开发周期，另一方面模具制造业要寻求可持续发展战略。因此，市场响应能力成为企业竞争的主要标志，缩短产品开发周期和提高产品创新是企业赢得竞争的首要因素。为实现这一目标，模具制造业必须改
2、变传统观念，在研究和应用先进技术方面下功夫，不断对各单项技术进行集成融合，并与现代信息技术、现代管理技术相结合，从而推动先进模具制造技术的发展。20 世纪 80 年代开始，人们从各种不同角度提出了许多不同的先进制造技术新模式、新哲理、新技术、新概念、新思想、新方法，如：由于网络技术的快速发展，又现出了:这些新技术的使用，对提高模具制造业企业的竞争力起到了巨大的作用。本文将对模具制造中的柔性制造系统 FMS（Flexible Manufacturing System）计算机集成制造系统 CIMS（Computer Integrated Manufacturing System）并行工程 CE（C
3、oncurrent Engineering）等敏捷制造 AM（Agile Manufacturing）精良生产 LP（Lean Production）分布式制造 DM（Distributed Manufacturing）虚拟制造 VM（Virtual Manufacturing）等新技术一、模具数字化设计技术二、高速加工技术三、逆向工程技术四、快速成形技术五、虚拟制造技术2进行简单的介绍。数字化设计技术，指产品和工艺设计方面 CADCAMCAE 等。数字化技术的应用，导致了制造信息的表述、存储、处理、传递等方法的深刻变革，使制造业逐步从传统的生产型向知识型模式转化，数字化已逐渐成为产品生命周期
4、中不可缺少的驱动因素，从而使数字化制造技术的发展成为必然。数字化设计、加工、分析技术以及数字化制造中的资源管理技术等构成了数字化制造的支撑技术。数字化制造已成为先进制造技术的基础核心，实现数字化制造将是制造业应用先进制造技术的重要途径。CAD 技术起步于 20 世纪 50 年代后期，60 年代，随着计算机软硬件技术的发展，在计算机屏幕上绘图变为可行，CAD 开始迅速发展。人们希望借助此项技术来摆脱繁琐、费时、精度低的传统手工绘图。此时 CAD 技术的出发点是用传统的三视图的方法来表达零件，以图纸为媒介进行技术交流，这就是二维计算机绘图技术。在 CAD 软件开发初期，CAD 的含义仅仅是 Com
5、puter Aided Drawing，而非现在我们经常讨论的 CAD(Computer Aided Design)。CAD 技术以二维绘图为主要目标的算法一直持续到 70 年代末期。近 10 年来占据绘图市场主导地位的是 AutoDesk 公司的 AutoCAD 软件。60 年代初期出现的三维CAD 系统只是极为简单的线框系统。这种初期的线框造型系统只能表达基本的几何信息，不能有效表达几何数据间的拓扑关系。由于缺乏形体的表面信息，CAE 及 CAM 均无法实现。进入 70 年代，正直飞机和汽车工业的蓬勃发展时期。此间飞机及汽车制造过程中遇到大量的自由曲面问题，当时只能采用多截面视图，特征纬线
6、的方式来近似表达所设计的自由曲面。由于三视图方法表达的不完整性，经常发生设计完成后，制作出来的样品与设计者所想象的有很大差异甚至完全不同的情况，这样大大拖延了产品研发时间。此时法国人Bzier 提出了贝塞尔算法，使人们用计算机处理曲线及曲面问题变得可行，同时也使得法国达索飞机制造公司的开发者们，能在二维绘图系统 CAD 的基础上，开发出以表面模型为特点的自由曲面建模方法，推出了三维曲面造型系统 CATIA。它的出现标志着计算机辅助设计技术从单纯模仿工程图纸的三视图模式解放出来，首次实现计算机完整描述产品零件的主要信息，同时也使得 CAM 技术的开发有了现实的基础。曲面造型系统 CATIA 为人
7、类带来了第一次 CAD 技术革命，改变了以往只能借助油泥模型来近似表达曲面的落后的工作方式。20 世纪 70 年代末到 80 年代初，由于计算机技术的大跨步前进，CAE，CAM技术也开始有了较大发展。SDRC 公司在当时星球大战计划背景下，由美国宇航局支持及第一部分 模具数字化设计技术数字化设计、加工、分析技术以及数字化制造中的资源管理技术等构成了数字化制造的支撑技术数字化制造已成为先进制造技术的基础核心实现数字化制造将是制造业应用先进制造技术的重要途径一、 数字化设计技术(CAD/CAM/CAE)的发展过程CAD 技术以二维绘图为主要目标在二维绘图系统 CAD 的基础上推出了三维曲面造型系统
8、具有基于特征、全尺寸约束、全数据相关、尺寸驱动设计修改的参数化实体造型方法3合作，开发出了许多专用分析模块，用以降低巨大的太空实验费用，而 UG 则侧重在曲面技术的基础上发展 CAM 技术，用以满足麦道飞机零部件的加工需求。有了表面模型，CAM 的问题可以基本解决。但由于表面模型技术只能表达形体的表面信息，难以准确表达零件的其它特征，如质量、重心、惯性矩等，对 CAE 十分不利，最大的问题在于分析的前处理特别困难。基于对于 CADCAE 一体化技术发展的探索，一些公司完成了基于实体造型技术的大型 CADCAE 软件开发与研制。由于实体造型技术能够精确表达零件的全部属性，在理论上有助于统一 CA
9、D、CAE、CAM 的模型表达，给设计带来了惊人的方便性。可以说，实体造型技术的普及应用标志着 CAD 发展史上的第二次技术革命。进入 80年代中期，CV 公司提出了一种比无约束自由造型更新颖、更好的算法参数化实体造型方法。它具有基于特征、全尺寸约束、全数据相关、尺寸驱动设计修改的特征。可以认为，参数化技术的应用主导了 CAD 发展史上的第三次革命。此时众多 CADCAM，CAE 软件开发公司群雄逐鹿。80 年代后期到 90 年代，CAD 向系统及集成化方向发展，这将引起CAD 发展史的第四次革命。据美国 Daratech，Inc 公司发布的全球机械 CADCAM，CAE市场销售情况可以看出近
10、几年 CADCAMCAE 市场发展很快。CADCAM，CAE 是IT 产业最活跃、发展最快、最具效益和最有潜力的高新技术产业。自从CADCAM、CAE 系统出现以来，已有几十年的历史，随着市场需求的发展和市场的竞争，目前世界上 CADCAM、CAE 主要分为三个档次，即： (1)高档 CADCAM 系统工作站 CADCAM 系统。 工作站 CADCAM 是由于工作站出现后，产生了 UNIX 操作系统，此时的CAD CAM 技术得到很快发展，如建模技术、产品数据交换技术、产品数据管理技术等。这档系统比较昂贵，系统较复杂。 (2) 中档 CADCAM 系统微机三维 CADCAM 系统。 随着微机性
11、能和功能的快速发展，价格低廉，应用普遍，以微机为平台的三维CAD CAM 发展很快。这一档次的系统特点为：采用 Windows 平台；采用最新软件成果和技术；吸收和继承了工作站 CADCAM 系统。 (3) 低档 CADCAM 系统微机二维 CADCAM 系统。 低档 CADCAM 系统主要是用于 2D 设计问题，这档系统应用最广泛的是美国AutoDesk 公司的产品 Auto CAD。产品造型分为产品零件造型和装配造型。CADCAM、CAE 分为三个档次高档 CADCAM 系统工作站 CADCAM 系统中档 CADCAM 系统微机三维 CADCAM 系统低档 CADCAM 系统微机二维 CA
12、DCAM 系统二、 产品造型数字化设计产品零件造型产品装配造型41 产品零件造型产品零件造型是指利用计算机系统描述零件几何形状及其相关信息，建立零件计算机模型的技术。自 20 世纪 60 年代几何造型技术出现以来，其造型理论和方法得到不断丰富和发展。产品的设计与制造涉及许多有关产品几何形状的描述、结构分析、工艺设计、加工、仿真等方面的技术，其中几何形状的定义与描述是其核心部分。它为结构分析、工艺规程的生成及加工制造提供了基本数据。所谓几何造型，就是以计算机能够理解的方式，对实体进行精确的定义，赋予一定的数学描述，再以一定的数据结构形式对所定义的几何实体加以描述，从而在计算机内部构造一个实体模型
13、。通过这种方法定义、描述的几何实体必须是完整的、惟一的，能够从计算机模型上提取该实体生成过程中的全部信息，或者能够通过系统的计算分析自动生成某些信息。几何造型产生的模型是对产品确切的数学描述或是对产品某种状态的真实模拟，能够为各种不同的后续应用提供信息，例如，由模型产生有限元网格，编制数控加工刀具轨迹，进行碰撞、干涉检查等。因此，几何造型技术是CADCAM 系统中的关键技术。由于客观事物大多是三维连续的，而在计算机内部的数据均为一维离散有限的，因此，在表达与描述三维实体时，怎样对几何实体进行定义，保证其准确、完整和惟一；怎样选择数据结构描述有关数据，使其存取方便等，都是几何造型系统必须解决的问
14、题。按照对几何信息描述的不同，几何造型可划分为线框造型、表面造型和实体造型 3 种主要类型。近几年，人们在实体造型的基础上，除了对几何实体的尺寸、形状加以描述外，还附加上工艺信息，如尺寸公差、表面粗糙度等，研究开发了特征造型技术，这是现今 CADCAM 领域中的一个研究热点，称为新一代的造型系统。（1）线框造型线框造型是 CADCAM 发展过程中应用最早，也是最简单的一种造型方法。20 世纪 60年代初期的线框模型仅仅是二维的，用户需要用点和线来构造模型，目的是用计算机代替手工绘图。随着图形几何变换理论的发展，三维绘图系统迅速发展起来，但它同样仅由点、直线和曲线组成。所谓线框造型，就是利用产品
15、形体的棱边和顶点表示产品几何形状的一种造型方法。用这种方法生成的实体模型是由一系列的直线、圆弧、点及自由曲线组成的，描述的是产品的轮廓外形。线框造型的数据结构采用表结构。在计算机内部，存储的是该物体的顶点及棱线信息，将实体的几何信息和拓扑信息层次清楚地记录在一个顶点表（记录各顶点坐标值） ；一个为棱线表（记录每条棱线所连接的两顶点） ，它们就构成了该物体线框模型的全部信息。（2）表面造型表面造型是在线框造型基础上发展起来的，利用形体表面描述物体形状的造型方法。产品零件造型线框造型表面造型实体造型形体的表示模式特征造型5它通过有向棱边构成形体的表面，用面的集合表达相应的形体。在计算机内部，表面造
16、型的数据结构仍是表结构，除了给出边线及顶点的信息之外，还提供了构成三维立体各组成面素的信息，即在计算机内部，除顶点表和边表之外，还提供了面表。与线框模型相比，多了一个面表，记录了边、面间的拓扑关系。在表面造型中，一个重要的发展方向是自由曲面的造型。自由曲面造型主要用于飞机、汽车、船舶和模具等复杂曲面的设计。常采用的曲面有贝塞尔曲面、B 样条曲面和 NURBS曲面等。由于增加了有关面的信息，在提供三维实体信息的完整性和严密性方面，表面造型比线框造型前进了一大步，克服了线框造型的许多缺点，能够比较完整地定义三维立体的表面，所能描述的零件范围广。特别是像汽车车身、飞机机翼等难于用简单的数学模型表达的
17、物体，均可以采用表面造型的方法构造其模型，而且利用表面模型在图形终端上生成逼真的彩色图像，以便用户直观地从事产品的外形设计，从而避免表面形状设计的缺陷。另外，表面造型可以为 CADCAM 中的其他场合提供数据，如数控刀具轨迹生成和有限元网格划分。表面造型也有其局限性，由于表面造型仍不能完整全面地表达物体形状，如没有明确定义实体存在侧，也未给出表面间的相互关系等拓扑信息，因而难以保证物体描述的一致性和有效性。（3）实体造型要完整全面地描述一个形体，除了描述其几何信息外，还应描述它各部分之间联系信息及表面的哪一侧存在实体等信息。实体造型就是基于这一思想认识发展起来的，它克服了线框造型和表面造型的局
18、限性。形体在计算机内是采用 5 层信息结构来定义，即：体、面、环、边、顶点。通过层次化的形式，可以方便地描述形体的几何信息和拓扑信息。几何信息是描述上述元素的几何性质和度量关系的信息，如表面和曲线的数学描述、点的空间坐标等。而拓扑信息是描述上述元素之间连接关系的信息，如面与环之间、环与边之间的关系等。（4）形体的表示模式形体的表示模式就是确定采用什么形式的抽象几何实体去代表实际形体。计算机内部表示三维实体模型的方法有很多，常用的主要有：体素调用法，空间位置枚举法，单元分解法，扫描变换表示法，体素构造表示法和边界表示法。体素调用法就是用一组参数来定义一组形状相似但大小不同的形体，如以锥、柱、球、
19、环、立方块等作为基本体素。这种表示法适合标准件的表示，通常用来构造体素库及特征库。 空间位置枚举法是将空间分割为许多细小均匀的立方块网格，根据形体所占据的网格位置分别用 l 和 0 标记，若某一位置的立方块被形体所占据，则相应位置的标记置为 1，否则置为 0。采用这种方法表示形体的大小和形状，方法简单，物性计算方便，但所占存储空间大。单元分解法克服了空间位置枚举法的缺点，允许将形体表示成一些形状相同、大小不同的基本体积单元的组合，这些基本单元有规则地分布在空间网格位置上。单元分解法的缺点是各部分之间的关系难以建立，数据结构复杂。扫描变换表示法是通过一个二维图形沿某一路径扫描、产生新形体的一种方
20、法，一般有平移扫描和旋转扫描，常用做造型系统的输人手段。体素构造表示法和边界表示法是实体造型系统中的两种主要表示方法，前者用基本体素的并、交、差等集合运算来表示形体，后者则用面、边、点等形体的边界信息来表示形6体。对于一个造型系统来说，不同的应用目的可采用不同的表示形式，但采用哪一种表示方法都必须考虑两个问题：首先是这种表示方法所决定的数据结构是否惟一地描述了一个实际形体；其次是这种表示方法所能表达形体的覆盖率，即定义形体范围的大小。覆盖率越高，造型系统的造型能力越强。（5）特征造型特征造型是近十多年来发展起来的新一代造型方法，是 CADCAM 技术新的里程碑。特征造型技术的提出并非偶然，有两
21、个因素导致了它的出现和应用。一方面，传统的实体造型技术是建立在几何层次的表示和操作上，与设计人员高层次的设计概念与方法产生了矛盾；另一方面，计算机集成化、自动化的需求，要求系统除提供几何信息外，还应提供反映设计人员意图的非几何信息，如材料、公差等。与前一代的几何造型系统相比，特征造型有以下特点。1)过去的 CAD 技术从二维绘图起步，经历了三维线框、曲面和实体造型等发展阶段，都是着眼于完善产品的几何描述能力。而特征造型则是着眼于更好地表达完整的产品技术和生产管理信息，为建立产品的集成信息模型服务。它的目的是通过建立面向产品制造全过程的统一产品模型，替代传统的产品设计方法及技术文档，使得一个工程
22、项目或机电产品的设计和生产准备各个环节可以并行展开，信息流畅通。2)它使产品设计工作在更高的层次上进行，设计人员的操作对象不再是原始的线条和体素，而是产品的功能要素，像螺纹孔、定位孔、键槽等。特征的引用直接体现了设计意图，使得建立的产品模型容易为别人理解，设计的图样更容易修改，设计人员可以将更多精力放在创造性构思上。3)它有助于加强产品设计、分析、工艺准备、加工、检验各部门间的联系，更好地将产品的设计意图贯彻到各个后续环节并且及时得到后者的反馈，为开发新一代的基于统一产品信息模型的 CADCAPPCAM 集成系统奠定基础。2装配造型在零件造型完成以后，根据设计意图将不同零件组织在一起，形成与实
23、际产品装配相一致的装配结构以供设计者分析评估，这种方法称为装配造型(Assembly Modeling)。通过参数化方法将零件组装成装配，与用参数化方法将特征组装成零件的过程非常相似。但是组织大型的复杂装配绝不仅仅是零件的简单组合，它需要提供特殊的技术来提高工作效率，这些技术包括简化表达、模型替换、自上而下的设计等。CAD 系统提供的装配功能不仅能快速组合零部件成产品，而且在装配中，可参照其他部件进行部件关联设计，并可对装配模型进行间隙分析、重量管理等操作。装配模型生成后，可建立爆炸视图，并可将其引入到装配工程图中；同时，在装配工程图中可自动产生装配明细表，并能对轴测图进行局部剖切。产品装配造
24、型多组件装配虚拟装配装配造型的一般方法自底向上自顶向下7在大多数 CADCAM 系统中，有两种不同的装配模式：多组件装配和虚拟装配。(1)多组件装配该装配模式是复制零件的所有数据到装配中，装配中的零件与所引用的零件没有关联性。当零件修改时，不会反映到装配中，因此，这种装配属于非智能装配。同时，由于装配时要引用所有零件，需占用较大的内存空间，从而影响装配工作速度。(2)虚拟装配该装配模式是利用零件链接关系建立装配。该装配模式有如下优点：1）由于是链接零件而不是复制零件到装配，因此，装配时要求的内存空间少；装配中不需编辑的下层零件可简化显示，从而提高了显示速度；2）当组成装配的零件修改时，装配会自
25、动更新。因此，目前主流的 CAD 软件都采用虚拟装配模式进行装配建模，它通过使用指针虚拟链接零件，而不是使用零件中的实际几何体，这样可以保持主模型和其他应用之间的关联性，便于向任何一个零件文件中添加新零件构成装配。（3）装配造型的一般方法在进行产品的装配设计时，有两种典型的方法，即“自底向上”的装配设计方法和“自顶向下”的装配设计方法。“自底向上”的装配设计方法是一种模仿实际产品装配过程的方法，即把事先制造好的零件装配成部件，再把零部件装配成产品。计算机辅助装配时也可以这样，先构造好所有的零件模型，然后把零件模型装配成子部件，最后装配成产品。这种方法由最底层的零件开始展开装配，并逐级向上进行装
26、配建模，最后得到的产品位于装配模型的最上层。另一种截然相反的方法是模仿产品的开发过程，即先定义产品的整体外形和功能，再一级一级划分出产品的部件和子部件，并大致确定部件的结构和尺寸，一直到最底层的零件。在部件和零件的划分中，产品的整体功能同时在一级一级的这些零部件中实现。然后，在划分的零部件的外形和子功能的控制下进行零件的详细设计，当零件设计完成了，产品的设计也基本完成了，称这种装配建模方法为“自顶向下”的装配。两种装配设计方法各有所长，并各有其应用场合。例如，在开展系列化、标准化产品设计时，产品的零部件结构相对稳定，零件设计基础较好，大部分的零件模型已经具备，只需要补充部分设计或修改部分零件模
27、型，这时，采用自底向上的装配设计方法就比较恰当。而在产品创新设计中，事先零件结构细节不可能非常具体，设计时总是从比较抽象的装配模型开始，边设计边细化边修改，逐步求精，这时，就很难开展自底向上的设计，而必须采取自顶向下的设计方法。自顶向下的设计方法使设计人员能有效地把握产品整体的设计情况，一直着眼于零部件之间的关系，并且能够及时地发现、调整和修改设计中的问题。采取这种逐步求精的设计方法能实现设计的一次成功，提高设计效率和质量。当然，两种方法不是截然分开的，完全可以根据实际情况综合应用这两种装配设计方法来开展产品设计，这就是所谓的混合装配设计方法。在实际设计中，混合装配方法有更大的灵活性和运用范围
28、。三、模具数字化设计塑料注射模 CAD/CAM冷冲压模具 CAD/CAM塑料注射模 CAD 的应用8本节介绍塑料注射模与冷冲压模具 CAD/CAM 的概况。1 塑料注射模 CAD/CAM 的概况注射模 CAD 技术是随着机械 CAD 技术的发展而发展的。最初的研究主要集中于塑料在型腔中的流动、保压和冷却的分析模拟，即通常所说的计算机辅助工程(CAE，Computer Aided Engineering)，同时注射模 CAD 的各个单项功能的研究成果也十分突出，研究的范围从注射机选择、塑料品种选择、模具各个部件设计到模具价格评估无所不包，为以后的注射模 CAD 设计软件的商品化打下了坚实的基础。
29、随着实体造型技术，特别是近十年来特征造型技术的日趋成熟，各种通用三维造型商品化图形软件包的推出，注射模 CAD 软件不断被推向市场，下面就国内外注射模 CAD 概况做一简单介绍。（1）国外发展状况国外进行专用塑料模 CAD 软件系统的研究始于 20 世纪 80 年代，到了 20 世纪 80 年代中期，注射模 CAD 技术已从实验室阶段进入实用化阶段，目前已有比较成熟的注射模 CAD软件系统问世和大面积推广应用，较著名的有美国 UG 公司的 MoldWizard、美国 PTC 公司的 ProMoldDesign、英国 DELCAM 公司的 Ps-Mold、以色列 Cimatron 公司的Mold
30、Expert，以及日本日立造船情报系统株式会社最新开发的 SpaceEmold 软件系统等。这些软件的主要功能有：1)强大的造型功能，尤其是曲面造型功能，可以方便地设计出具有复杂自由曲面的塑料制品；2)方便的模具分型面定义工具，成形零件自动生成；3)标准模架库品种齐全，调用简单；4)典型结构、标准零件库添加方便；5)非标准零件造型和装配简单实用。国外注射模 CAD 概况美国 UG 公司的 MoldWizard美国 PTC 公司的 ProMoldDesign英国 DELCAM 公司的 Ps-Mold以色列 Cimatron 公司的 MoldExpert日本日立造船株式会社的 SpaceEmold
31、软件的主要功能曲面造型功能方便的分模工具标准模架库品种齐全，调用简单典型结构、标准零件库添加方便非标准零件造型和装配简单实用9（2）国内发展状况国内对注射模 CAD 技术的研究与应用相对国外来说起步较晚，经过近 20 年的努力，已取得了很大的发展，主要的研究成果有：华中科技大学 1988 年实现了注射模CADCAECAM集成系统 HSCl0 版，1990 年升级为 HCSl1 版，1997 年推出了 HSC20 版。该系统以AutoCAD 软件包为图形支撑平台，包括模具结构设计子系统，结构及工艺参数计算校核子系统，塑料流动、冷却与保压模拟子系统，数控线切割编程子系统，建库工具和设计进程管理模块
32、等，并已实现商品化，其中的模具结构设计系统是二维的。近年来，在华中科技大学华中软件公司的三维参数化造型系统 InteSolid 上，开发了三维注射模结构设计系统。合肥工业大学开发了注射模二维系统 IPMCAD 和三维系统 IPMCADV30。随后以AutoCADRl30 和 MDT 为环境，进一步采用参数化特征模型、特征建模技术和装配模型技术，研制出注射模 CAD 三维参数化系统 IPMCADV40。此外，还有上海交通大学开发的集成化注射模智能 CAD 系统、浙江大学开发的精密注射模 CADCAM 系统、郑州工业大学的ZMOLD 等系统。2 冷冲压模具 CAD/CAM 的概况（1） 国外冲模
33、CAD 发展概况20 世纪 90 年代，许多商品化的 CADCAM 系统，如美国的 ProE，UG-，CADDS5，SolidWorks，MDT 等在模具行业逐步得到应用，但由于这些 CADCAM 系统在开发之初都是作为通用机械设计与制造的工具来构思的。为了能够提高模具设计的效率和正确率，必须进行二次开发。为此，美国 PTC 公司在 ProE 系统的基础上，开发了板金零件造型模块 ProSheetMetal；UGSolutions 公司在 UG-系统上，也开发了类似的模块UGSheetMetal 等。在 ProSheetMetal 和 UGSheetMetal 等板金零件设计系统中，虽然采用了
34、基于特征的造型方法，但仍缺乏面向冲模成形工艺及模具设计的专用模块。目前，许多开发通用 CADCAM 软件的公司正在开发并陆续推出能够用于级进模设计与国内注射模 CAD 概况华中科技大学三维注射模结构设计系统合肥工业大学注射模 CAD 三维参数化系统上海交通大学集成化注射模智能 CAD 系统浙江大学精密注射模 CADCAM 系统郑州工业大学的 ZMOLD 系统国外冲模 CAD 概况类似模块美国 PTC 公司板金零件造型模块 ProSheetMetal美国 UGSolutions 公司板金零件造型模块 UGSheetMetal专用模块美国 Computer Design 公司级进模 CAD 软件
35、StrikerSystems含板金零件造型(SSDESIGN)、毛坯展开(SSUNFOLD)、毛坯排样(SSNEST)、条料排样(SSSTRIPDESIGN)、模具设计(SSDIEDESIGN)和数控加工(SSPUNGH、SSWIRE 和 SSPROFILE)等模块美国 UG 公司与华中科技大学合作开发的级进模 UG/PDW10制造的专用软件。如美国 ComputerDesign 公司开发的级进模 CAD 软件 StrikerSystems 是现今为止销售较多的商业级进模 CADCAM 系统。该系统由板金零件造型(SSDESIGN)、毛坯展开(SSUNFOLD)、毛坯排样(SSNEST)、条料
36、排样(SSSTRIPDESIGN)、模具设计(SSDIEDESIGN)和数控加 212(SSPUNGH、SSWIRE 和 SSPROFILE)等模块组成，支持板金零件特征造型、毛坯自动展开、交互式条料排样和模具结构设计，以及自动的线切割编程。但该系统主要的特点还是交互操作，而且只适用于弯曲冲裁级进模的设计。美国 UG 公司于 2000 年开始与国内华中科技大学合作，在 UG-软件平台开发出基于三维图形的级进模 CADCAM 软件(PDW)。该软件包括工艺处理、条料排样、模具结构设计等模块，目前已投入市场试用。此外，新加坡国立大学及马来西亚、印度等国家与我国台湾、香港地区均有学者或有关公司在开发
37、级进模 CADCAM 系统，而且均在工厂试用。汽车覆盖件模具 CADCAM 的研究在世界各大汽车公司均取得成效。其中日本丰田汽车公司于 1965 年将数控技术用于模具加工，1980 年开始采用模具 CADCAM 系统。该系统包括 NTDFE 和 CADETT 两个设计软件及加工凸、凹模的 TINCA 软件，可完成车身外形设计、车身结构设计、冲模 CAD、主模型与冲模加工、夹具加工等。冲模 CAD 主要应用三维几何构型与图形变换的功能，其中有关工艺成形性能的评价，应用有限元分析方法和几何模拟方法。该系统投人使用后，可使覆盖件成形模的设计与加工时间减少 50。美国通用汽车公司、福特汽车公司和英国
38、PSF 公司均已建立覆盖件拉延成形模CADCAM 系统，特别是福特汽车公司在覆盖件塑性成形模拟方面取得了很大成就，应用大应变弹塑性有限元方法，模拟覆盖件的成形过程，预测其中的压力、应变分布、失稳破裂及回弹的计算等。（2） 国内冲模 CAD 发展概况由于我国计算机技术发展较晚，于 20 世纪 80 年代初才开始模具 CADCAM 的研究。到目前为止，先后通过国家有关部门鉴定的有：1984 年华中科技大学建成的精冲模 CADCAM系统，1985 年机电研究院建成的冲裁模 CADCAM 系统，1986 年华中科技大学、上海交通大学建成的冲裁模 CADCAM 系统，相继又有西安交通大学、华中科技大学、
39、上海交通大学等开展了拉延模、弯曲级进模 CADCAM，以及精冲级进模 CADCAM 的研究。从 20 世纪 90 年代中期开始，华中科技大学模具技术国家重点实验室在深入分析级进模设计特点的基础上，将基于特征的设计方法应用于级进模 CADCAM 系统的开发上，于1999 年在 AutoCAD 软件平台上建成了基于特征的级进模 CADCAM 集成系统(HMJC 系统)。系统共分板金零件的特征造型、基于特征的冲压工艺设计(条料排样)、模具结构及零件设计、级进模标准件和典型结构建库工具，以及线切割自动编程等 5 大模块。其中，板金零件特征造型模块主要用于将板金零件的产品信息输入计算机，建立板金零件的特
40、征模型，为后续的工艺及模具结构设计提供信息。基于特征的冲压工艺设计模块可实现板金零件自国内冲模 CAD 概况华中科技大学精冲模 CADCAM 系统机电研究院冲裁模 CADCAM 系统华中科技大学与上海交通大学的冲裁模 CADCAM 系统华中科技大学基于特征的级进模 CADCAM 集成系统(HMJC 系统)华中科技大学与美国 UG 公司合作开发的级进模 UG/PDW11动展开、毛坯排样及冲压工序设计、工位布置、工艺参数计算等。由于在冲压工艺设计时需考虑众多因素，所以该模块提供进行交互设计的各种操作命令，以便用户快速确定设计结果。模具结构及零件设计模块则为用户提供设计模具总装结构及模具零件的相关功
41、能，使用户可方便地设计出级进模，输出符合用户要求的模具总装图与模具零件图。模具标准件及典型结构建库工具用于建立用户的标准件库和典型结构库，它面向用户开放，可按需要进行添加、删除和修改。目前正在继续开发基于 UG-软件的级进模 CAD 系统。3 塑料注射模 CAD 的应用随着实体造型、特征造型技术的日趋成熟，通用的三维 CAD 系统层出不穷，目前已成为机械 CAD 的主流产品。基于三维机械 CAD 的注射模 CAD 软件已成为注射模 CAD 发展的必然趋势，并正在逐步占领市场。UG 公司推出的 Moldwizard 系统是目前注射模三维 CAD 系统的典型代表。Moldwizard 系统是基于
42、UG 软件开发的，有必要先对 UG 软件做简单介绍。UG 从美国麦道飞机公司内起家，从二维绘图、数控加工编程、曲面造型等功能发展起来，面向飞机的总体外形和结构设计及加工生产需要。20 世纪 90 年代初，美国通用汽车公司选中 UG 作为全公司的 CAD 主导系统，进一步有力地推动了 UG 的发展。1997 年 10 月，UG 与Intergraph 公司签约，合并了后者的机械 CAD 产品，将微机版 SolidEdge 软件统一到Parasolid 平台上(Parasolid 是由英国 EDS 公司推出的造型底层平台)，由此形成了一个从低端到高端，兼有 UNIX 工作站和 Windows 微机
43、版的较完整的企业级 CADCAECAM 集成系统。Moldwizard 是 UG 系列软件中用于注射模具设计的专业应用模块，是 UG 系列软件中最先向模具行业用户推出的、基于知识驱动自动化理念的应用系统，它摈弃了传统的 CAD 软件重功能轻过程的开发思维定式，跳出了特征或功能的狭隘空间。UGMoldwizard 在注射模具设计自动化方面取得了极其显著的效果，受到用户的普遍欢迎。Moldwizard 遵循了模具设计的一般规律，图 1 所示为 Moldwizard 模块的主菜单，图2 为 Moldwizard 应用的一般流程。塑料注射模 CAD 的应用典范MoldwizardMoldwizard
44、是 UG 系列软件中用于注射模具设计的专业应用模块基于知识驱动自动化理念的应用系统摈弃了传统的 CAD 软件重功能轻过程的开发思维定式跳出了特征或功能的狭隘空间Moldwizard 在注射模具设计自动化方面取得了极其显著的效果12图 1 Moldwizard 模块的主菜单图 2 Moldwizard 应用的一般流程13图 2 显示了 Moldwizard 应用的一般流程，流程图左边 4 个步骤是模具设计者在使用Moldwizard 之前先要考虑的准备阶段。Moldwizard 注射模设计系统主要的功能特色有：1)支持注射模具设计全过程Moldwizard 模块支持典型的塑料注射模具设计的全过程
45、，即从读取产品模型开始，到如何确定和构造拔模方向、收缩率、分型面、型芯型腔、滑块、顶杆、模架及其标准件、型腔布置、浇注系统、冷却系统、模具零部件清单等，操作的一般顺序模拟了模具设计的整个过程。2)适合于注塑制品的曲面造型功能UG 的曲面造型功能强而丰富，提供了丰富的边、面高级过渡和倒圆功能，支持复杂的抽壳、等距和变厚等几何操作(这是生成薄壁零件的主要方法)，支持复杂零件的拔模操作。3)基于知识的设计自动化Moldwizard 融合了知识嵌入的基本理念，内嵌了以前仅仅存在于高级模具设计师头脑中的知识，并通过与 UG 的 WAVE、主模型等功能相结合，使得 Moldwizard 具有极强的自动化能
46、力，并帮助用户获取模具设计专业知识。Moldwizard 的用户界面结合了业界最好的经验，指导用户构造模具的全过程，其初级用户可以利用向导菜单所提供的设计步骤，直观地、一步一步地完成模具设计的全过程，而有经验的模具设计者能够利用软件所提供的各种计算功能快速、有效地进行模具优化设计，熟练地设计出复杂程度较高的模具。4)齐全、开放的标准库Moldwizard 提供了标准模架管理工具，允许对标准模架进行查询搜索、编辑数据、定制等操作，Moldwizard 对定位圈、浇口套、顶杆、滑块与内抽芯等标准件与典型结构进行统一管理，提供了分类选择、定位、添加、修改、定制等功能。常用的HASCO、DME、FUT
47、ABA、OMNI、LKM_SG 等的标准模架与标准件都已经预先存入库中，使用非常方便。图 3 是龙记大水口标准模架库。Moldwizard 注射模设计系统主要的功能支持注射模具设计全过程适合于注塑制品的曲面造型功能基于知识的设计自动化齐全、开放的标准库(有HASCO、DME、FUTABA、OMNI、LKM_SG 等公司的标准模架与标准件)成形零件的关联设计14图 3 龙记大水口标准模架库5)成形零件的关联设计成形零件的关联设计是 Moldwizard 的主要功能特色之一，所谓关联设计是指在模具设计过程中，具有尺寸与结构相关性的制品与模具零部件双向关联，对制品结构与尺寸的改动可以自动地反映在模具
48、上，无需再手动修改模具设计。如图 4 所示，图 4(a)为塑料制件，图 4(b)为该零件对应的模具型芯，模具设计完成后，用户对零件的尺寸参数进行了修改，如图 5(a)所示，系统根据修改后的数据自动更新设计过程中产生的型腔模型(考虑了收缩问题)、分型面、型芯等相关设计，更新的模具型芯如图 5(b)所示。15图 4 塑件及对应的模具型芯图 5 更改塑件设计，模具型芯自动更新CAE(计算机辅助工程)所包含的内容十分广泛。CAE 将工程设计、试验、分析乃至制造贯穿于产品研制过程的每一个环节之中，以计算机为辅助工具来指导和预测产品在构思、设计与制造阶段的行为。目前，注射模 CAE 仅限于注射过程的计算机
49、分析，即模拟注射成形中熔体充模、保压与冷却过程及预测塑料制品在脱模后的翘曲变形。四、模具设计 CAE将产品设计、模具设计、分析、制造贯穿于产品研制过程的每一个环节之中，以计算机为辅助工具来指导和预测产品在构思、设计与制造阶段的行为16注射模 CAE 技术借助于有限元法、有限差分法和边界元法等数值计算方法，分析型腔中塑料的流动、保压和冷却过程，计算制品和模具的应力分布，预测制品的翘曲变形，并由此分析工艺条件、材料参数及模具结构对制品质量的影响，达到优化制品和模具结构、优选成形工艺参数的目的。塑料注射成形 CAE 软件主要包括流动保压模拟、流道平衡设计、冷却模拟、翘曲预测等功能。其中流动保压模拟软件能提供不同时刻型腔内塑料熔体的温度、压力、剪切应力等的分布，其预测结果能直接指导工艺参数的选定及流道系统的设计；流道平衡设计软件能帮助用户对一模多腔模具的流道系统进行平衡设计，计算各个流道和浇口的尺寸，以保证塑料熔体能同时充满各个模腔；冷却模拟软件能计算冷却时间、制品及模腔的温度分布，其分析结果可以用来优化冷却系统的设计；应力计算和翘曲预测软件
