CADCAM集成技术和系统

1、计算机的出现和发展是为了将人类从繁琐、 重复的脑力劳动中解放出来。 早在三、四十年前，计算机就已作为重要的工具辅助人类承担一些单调、 重复的劳动， 如数值计算、工程工程图绘制和数控编程等。 在此基础上， 逐渐出现了计算机辅助设计 (CAD) 、计算机辅助工艺规程设计 (CAPP) 、计算机辅助制造 (CAM) 、计算机辅助工程分析 (CAE) 、计算机辅助夹具设计 (CAFD) 等概念。近年来，这些独立的系统获得了飞速的发展， 分别在产品设计自动化、 工艺过程设计自动化和数控编程自动化等方面起到了重要的作用。集成的概念随着计算机技术日益广泛深入的使用， 人们很快发现， 采用这些各自独立的系统不

2、能实现系统之间信息的自动传递和交换。例如 CAD 系统设计的结果，不能直接为 CAPP 系统接收，若进行工艺规程设计时还需要人工将 CAD 输出的图样、文档等信息转换成 CAPP 系统所需要的输入数据，这不但影响了效率的提高，而且在人工转换过程中难免会发生错误。只有当 CAD 系统生成的产品零件信息能自动转换成后续环节（如 CAPP 、CAM 等）所需的输入信息，才是最经济的。为此，人们提出了 CAD/CAM 集成的概念并致力于 CAD 、CAPP 和 CAM 系统之间数据自动传递和转换的研究， 以便将业已存在的和正在使用中的 CAD 、 CAPP 、CAM 等独立系统集成起来。集成（ Int

3、egration ）是近二十年来使用频率比较高的一个词。电路设计讲集成，软件系统开发讲集成， 制造系统的规划设计也讲集成。 由于使用领域的差异，集成的意义有所不同。即便是在同一领域，不同的阶段、不同的层面，其意义也有差别。因此很难给集成下一个准确完整的定义。对于集成系统来说， 应具备以下三个基本特征：发展数据共享：系统各部分的输入可一次性完成，每一部分不必重新初始化，各子系统产生的输出可为其它有关的子系统直接接收使用，不必人工干预。系统集成化：系统中功能不同的软件系统，按不同的用途有机的结合起来，用统一的执行控制程序来组织各种信息的传递， 保证系统内信息流畅通， 并协调各子系统有效地运行。开放

4、性：系统采用开放式体系结构和通用接口标准。在系统内部各个组成部分之间易于数据交换、 易于扩充；在系统外部， 一个系统能有效地嵌入另一个系统中作为其组成部分，或者通过外部接口，有效地连接、实现数据交换。CAD/CAM 是制造系统的重要组成部分， 正确理解 CAD/CAM 系统集成的概念，应将 CAD/CAM 放到整个集成化制造系统中来分析。集成化制造系统是由管理决策系统、 产品设计和工程设计系统、 制造自动化系统、 质量保障系统四个功能子系统以及计算机网络和数据库两个支撑子系统等六个部分有机地集成起来的，下图表示了六个子系统及其和外部信息的联系。在现代机械制造业中 ,模具工业已成为国民经济中的基

5、础工业 ,许多新产品的开发和生产 ,在很大程度上依赖于模具制造技术 ,特别是在汽车、轻工、电子和航天等行业中尤显重要。模具制造能力的强弱和模具制造水平的高低 ,已经成为衡量一个国家机械制造技术水平的重要标志之一 ,直接影响着国民经济中许多部门的发展。模具 CAD/CAM 是在模具 CAD 和模具 CAM 分别发展的基础上发展起来的 , 它是计算机技术在模具生产中综合使用的一个新的飞跃。 CAD/CAM 技术的迅猛发展 ,软件、硬件水平的进一步完善 ,为模具工业提供了强有力的技术支持 ,为企业的产品设计、制造和生产水平的发展带来了质的飞跃 ,已经成为现代企业信息化、集成化、网络化的最优选择。1

6、目前国内流行的 CAD/CAM 软件特点及其使用情况1.1 国外软件1.1.1 Unigraphics(UG)UG 起源于美国麦道 (MD) 公司的产品 ,1991 年 11 月并入美国通用汽车公司 EDS 分部。 UG 由其独立子公司 UnigraphicsSolutions 开发 ,是一个集 CAD/CAM/CAE 于一体的机械工程辅助系统 ,适用于航空、航天、汽车、通用机械以及模具等的设计、分析及制造工程。 UG 是将优越的参数化和变量化技术和传统的实体、线框和表面功能结合在一起 ,还提供了二次开发工具 GRIP 、UFUNG 、 ITK, 允许用户扩展 UG 的功能。1.1.2 Aut

7、oCADAutoCAD 是美国 Autodesk 公司开发的一个具有交互式和强大二维功能的绘图软件 ,如二维绘图、编辑、剖面线和图案绘制、尺寸标注以及二次开发等功能 , 同时有部分三维功能。 AutoCAD 软件是目前世界上使用最广的 CAD 软件 ,占整个 CAD/CAE/CAM 软件市场的 37% 左右 ,在中国二维绘图 CAD 软件市场占有绝对优势。1.1.3 MDT(MechanicalDesktop)MDT 是 Autodesk 公司在基于参数化特征实体造型和曲面造型的 CAD/CAM 软件 ,它以三维设计为基础 ,集设计、分析、制造以及文档管理等多种功能为一体 ,为用户提供了从设计

8、到制造一体化的解决方案。据称目前已经装机 2 万余套 ,国内已销售近千套。1.1.4 SolidWorksSolidWorks 是由美国 SolidWorks 公司于 1995 年 11 月研制开发的基于Windows 平台的全参数化特征造型的软件,SolidWorks 是世界各地用户广泛使用 ,富有技术创新的软件系统 ,已经成为三维机械设计软件的标准。它可以十分方便地实现复杂的三维零件实体造型、复杂装配和生成工程图。图形界面友好 ,用户易学易用。SolidWorks 软件于 1996 年 8 月由生信国际有限公司正式引入中国以来 ,在机械行业获得普遍使用 ,目前用户已经扩大到三十多万个单位。

9、1.1.5 Pro/EngineerPro/Engineer 是美国参数技术公司 (ParametricTechnologyCorporation 简称 PTC) 的产品 ,于 1988 年问世。Pro/E 具有先进的参数化设计、 基于特征设计的实体造型和便于移植设计思想的特点 ,该软件用户界面友好 ,符合工程技术人员的机械设计思想。Pro/Engineer 整个系统建立在统一的完备的数据库以及完整而多样的模型上 ,由于它有二十多个模块供用户选择 ,故能将整个设计和生产过程集成在一起。在最近几年 Pro/E 已成为三维机械设计领域里最富有魅力的软件 ,在中国模具工厂得到了非常广泛的使用。1.2

10、 国内软件1.2.1 PICADPICAD 系统及系列软件是中科院凯思软件集团及北京凯思博宏使用工程公司开发的具有自主知识产权的CAD 软件。该软件具有智能化、参数化和较强的开放性 ,对特征点和特征坐标可自动捕捉及动态导航 ;系统提供局部图形参数化、参数化图素拼装及可扩充的参数图符库 ;提供交互环境下的开放的二次开发工具 ,用户可以任意增加功能或开发专业使用软件。 PICAD 是国内商品化最早、市场占有率最大的 CAD 支撑平台及交互式工程绘图系统 ,自从 1991 年推出中国第 1 个商品化的二维 CAD 系统以来 ,PICAD 的用户已经遍及各行业及各省市 ,至今装机量已超过数万套。1.2

11、.2 高华 CAD高华 CAD 软件包括机械设计及绘图系统 GHMDS 、计算机辅助绘图支撑系统 GHDrafting 、工艺设计系统 GHCAPP 、产品数据管理系统 GHPDMS 、三维几何造型系统 GHGEMS 及自动数控编程系统 GHCAM 。其中 GHMDS 是基于参数化设计的 CAD/CAE/CAM 集成系统 ,具有全程导航、图形绘制、明细表的处理、全约束参数化设计、参数化图素拼装、尺寸标注、标准件库、图像编辑等功能模块。1.2.3 CAXACAXA 电子图板是一套高效、方便、智能化的通用中文设计绘图软件,可帮助设计人员进行零件图、装配图、工艺图表、平面包装的设计 ,适合所有需要二

12、维绘图的场合 ,使设计人员可以把精力集中在设计构思上 ,彻底甩掉图板 ,满足相关行业的设计要求。CAXA-ME 是一套数控编程和三维加工软件,具有强大的造型功能 ,可快速建立各种复杂的三维模型 ,它为数控加工行业提供了从造型、设计到加工代码生成、加工仿真、代码校验等一体化的解决方案。 其中的 CAXA 注塑模设计 (CAXA-IMD)是一套中文注塑模专业CAD 软件 ,该软件提供注塑模标准模架和零件库,以及塑料、模具材料和注射机等设计参数数据库,可随时查询、检索 ;并能自动换算型腔尺寸 ,对模具进行各种计算。使用该软件,设计人员不必翻找设计手册即可轻松设计模具。1.2.4 GS-CAD98GS

13、-CAD98 是浙江大天电子信息工程有限公司开发的基于特征的参数化造型系统的软件。它是一个具有完全自主知识产权的基于中文 Windows95/NT 平台的三维 CAD 系统 ,该软件是在国家 “七五 ”重大攻关及 863/CIMS 主题目标产品开发成果的基础上 ,参照 SolidWorks 的用户界面风格及主要功能开发完成的。 它包括实体、草图、参数化特征造型及高级曲面造型技术以及采用自适应参数关联技术来保证从设计到制造过程中各个环节的一致性。1.2.5 金银花系统 (Lonicera)金银花系统是由广州红地技术有限公司开发的基于STEP 标准的 CAD/CAM系统。该系统是国家科委863/C

14、IMS 主题在 “九五 ”期间科技攻关的最新研究成果。它是基于 STEP 标准的 CAD/CAM 系统 ,该软件主要使用于机械产品设计和制造中 ,它可以实现设计 /制造一体化和自动化。 该软件采用面向对象的技术 ,使用先进的实体建模、参数化特征造型、二维和三维一体化、 SDAI 标准数据存取接口的技术 ;具备机械产品设计、工艺规划设计和数控加工程序自动生成等功能 ;同时还具有多种标准数据接口 ,如 STEP 、DXF 等;支持产品数据管理 (PDM) 。目前金银花系统的系列产品包括 :机械设计平台 MDA 、数控编程系统 NCP 、产品数据管理 PDS 、工艺设计工具 MPP 。机械设计平台

15、MDA1.7 版已投放市场 ,MDA99 版也已发布 ,目标是向国外三维 CAD 软件发出强有力的挑战。1.2.6 开目CAD开目 CAD 是华中理工大学机械学院开发的具有自主知识产权的 CAD 和图纸管理软件 ,它面向工程实际使用。开目 CAD 在设计思想上遵循画法几何的原理 , 直接模仿工程技术人员手工绘图时的思维模式和绘图方法 ,支持全约束、 过约束、欠约束驱动的尺寸分析和驱动模块 ,满足用户各类需求 ;支持 AUTOCAD 具有的块、层功能 ,保证了和 AUTOCAD 的完全兼容 ;拥有强大、灵活的零件标注和明细栏设计功能 ,灵活的自定义尺寸样式、零件标注样式、上线、智能导航工具更使用

16、得心应手。2 目前 CAD/CAM 软件二次开发情况如上所述 ,许多商品化的 CAD/CAM 系统在模具行业中得到了广泛使用 ,但由于这些 CAD/CAM 系统都是作为通用机械设计和制造软件来设计的 ,没有特别针对模具 ,为了提高模具设计的效率和正确率 ,需要对其进行二次开发。在微机平台上开发 CAD/CAM 软件方面我国和国外起点差不多 ,都是使用 VisualC+ 或 OpenGL 等工具进行软件开发 ,国内许多高校、软件公司和企业在此基础上开发出了先进的、有自己特色的、符合中国用户习惯的 CAD/CAM 软件或模块 ,其中有一些成果已经得到了推广和使用 7。如华中科技大学 1997 年推

17、出了 HSC2.0 注射模 CAD/CAE/CAM 集成系统 ,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、冷却等子系统。合肥工业大学基于AutoCAD 和 MDT 的三维参数化注射模系统IPMCADV4.0 。另外 ,众多的科研单位和企业也针对具体使用开发了众多的插件和模块 ,如武汉汽车工业大学开发了基于 SolidWorks 的三维标准件库 3DPARTLIB 等。3 模具 CAD/CAM 软件开发应遵循的原则1)用户界面友好软件开发的目的是为了使用,所以用户是否可以较为容易地掌握成为评价软件的基本标准。 一个友好的

18、用户界面应包括 :使用方便 ,界面熟悉 , 有灵活的提示帮助信息 ,良好的交互方式 ,良好的出错处理。2)遵循软件工程方法 软件工程是指导计算机软件开发和维护的工程科学。即采用工程的概念原理、 技术和方法来开发和维护软件。 软件工程采用生命周期法从时间上对软件的开发和维护进行分解 ,把软件生存周期依次划分为几个阶段 , 分阶段进行开发。3)参数化 CAD 对于系列化、通用化和标准化程度高的产品,产品设计所采用的数学模型及产品结构都是固定的。不同的仅是结构尺寸的差异 ,这是由于相同数目及类型的已知条件在不同规格的产品设计中取不同值而造成的。 对于这类产品 ,可以将已知条件及其他的随着产品规格而变

19、化的基本参数用相应的变量代替 , 然后根据这些已知条件和基本参数 ,由计算机自动查询图形数据库 ,或由相应的软件计算出绘图所需的全部数据 ,由专门的绘图生成软件在屏幕上自动地设计出图形来 ,这种方法称为参数化 CAD 。4)成组 CAD 许多企业的产品结构尽管不一样 ,但比较相似 ,可以根据产品结构和工艺性的相似性 ,利用成组技术将零件划分成有限数目的零件库 ,根据同一零件族中各零件的结构特点编制相应的 CAD 通用软件 ,用于该族所有零件的设计 , 这就是 “成组 CAD”。5)智能化 CAD 工程设计中有一部分工作是非计算性的,需要推理和判断 ,其中包括设计过程内容的过程决策和具体设计的技

20、术决策。因此 ,设计效率和质量在较大程度上取决于设计师的实践经验、 创造性思维和工作的责任心。 采用专家系统可以指导设计师下一步该做什么 ,当前存在问题 ,建议问题的解决途径和推荐解决方案 ,或者模拟人的智慧 ,根据出现的问题提出合理的解决方案。采用专家系统可以提高设计质量和效率。智能化 CAD 就是将专家系统和 CAD 技术融为一体而建立起来的系统。4 模具 CAD/CAM 技术发展趋势21 世纪模具制造行业的基本特征是高度集成化、智能化、柔性化和网络化求的目标是提高产品质量及生产效率,缩短设计周期及制造周期,降低生产成本最大限度地提高模具制造业的应变能力,满足用户需求。具体表现出以下几个特

21、征。,追,1)标准化 CAD/CAM 系统可建立标准零件数据库 ,非标准零件数据库和模具参数数据库。标准零件库中的零件在 CAD 设计中可以随时调用 ,并采用 GT( 成组技术 )生产。非标准零件库中存放的零件 , 虽然和设计所需结构不尽相同 ,但利用系统自身的建模技术可以方便地进行修改 ,从而加快设计过程 ,典型模具结构库是在参数化设计的基础上实现的 ,按用户要求对相似模具结构进行修改 ,即可生成所需要的结构。2)集成化技术现代模具设计制造系统不仅应强调信息的集成,更应该强调技术、人和管理的集成。在开发模具制造系统时强调 “多集成 ”的概念 ,即信息集成、智能集成、串并行工作机制集成及人员集

22、成 ,这更适合未来制造系统的需求。3)智能化技术 使用人工智能技术实现产品生命周期 (包括产品设计、制造、使用 )各个环节的智能化 ,实现生产过程 (包括组织、管理、计划、调度、控制等 )各个环节的智能化 ,以及模具设备的智能化 ,也要实现人和系统的融合及人在其中智能的充分发挥。4)网络技术的使用 网络技术包括硬件和软件的集成实现 ,各种通讯协议及制造自动化协议 ,信息通讯接口 ,系统操作控制策略等 ,是实现各种制造系统自动化的基础。目前早已出现了通过 Internet 实现跨国界模具设计的成功例子。5)多学科多功能综合产品设计技术 未来产品的开发设计不仅用到机械科学的理论和知识 ,而且还用到

23、电磁学、光学、控制理论等知识。产品的开发要进行多目标全性能的优化设计 ,以追求模具产品动静态特性、效率、精度、使用寿命、可靠性、制造成本和制造周期的最佳组合。6)逆向工程技术的使用 在许多情况下 ,一些产品并非来自设计概念 ,而是起源于另外一些产品或实物 ,要在只有产品原型或实物模型 ,而没有产品图样的条件下进行模具的设计和制造以便制造出产品。此时需要通过实物的测量 ,然后利用测量数据进行实物的 CAD 几何模型的重新构造 ,这种过程就是逆向工程 RE(ReverseEngineering) 。逆向工程能够缩短从设计到制造的周期 ,是帮助设计者实现并行工程等现代设计概念的一种强有力的工具 ,目

24、前在工程上正得到越来越广泛的使用。7)快速成形技术快速成形制造技术RPM(RapidPrototyping&Manufacturing)是基于层制造原理 ,迅速制造出产品原型 ,而和零件的几何复杂程度丝毫无关 ,尤其在具有复杂曲面形状的产品制造中更能显示其优越性。 它不仅能够迅速制造出原型供设计评估、装配校验、功能试验 ,而且还可以通过形状复制快速经济地制造出产品模具 (如制造电极用于 EDM 加工、作为模芯消失铸造出模具等 ),从而避免了传统模具制造的费时、 高成本的 NC 加工 ,因而 RPM 技术在模具制造中日益发挥着重要的作用。5 CAD/CAM 技术存在的主要不足我国模具 CAD/CAM 技术的使用依然存在着许多不足,如:1)不少的企业