模具CADCAM领域新技术

1、模具CADCAM领域新技术模具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

2、标，模具制造业必须改变传统观念，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

3、已逐渐成为产品生命周期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Compu

4、terAidedDrawing，而非现在我们经常讨论的CAD(ComputerAidedDesign)。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，特征纬线的方式来近似表达所设计的自由曲面。由于三视图方

5、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Bezier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

6、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CAD/CAE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CAD/C

7、AE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CAD、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、更好的算法一参数化实体造型方法。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CAD/CAM,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

8、发布的全球机械CAD/CAM,CAE市场销售情况可以看出近几年CAD/CAM/CAE市场发展很快。CAD/CAM,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CAD/CAM、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CAD/CAM、CAE主要分为三个档次，即：CADZCAMCA的为三个档次高档CAD尸CACA琉CAM：乔箫CAS夕的AMA%窿CAM系统中档CAD/CAM系统一一微机三维CAD/CAM系统工作站CAD&AMCAD肝金除前标IT微叫乎UNAD4cAM统不舒匕时的CAD/CAM技术得到很快发展，如建模技术、产品数据交换

9、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CAD/CAM系统一一微机三维CAD/CAM系统。随着微机性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CADCAM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AutoCAD。产品造型分为产品零件造型和装配造型。1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

10、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。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

11、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

12、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

13、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。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

14、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

15、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

16、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、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

17、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，

18、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，

19、特征造型有以下特点。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。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

20、以将更多精力放在创造性构思上。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(AssemblyModeling)。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

21、、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。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。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。虚拟装配该装

22、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：)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；)当组成装配的零件修改时，装配会自动更新。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

23、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

24、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

25、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。三、模具数字化设计本节介绍塑料注射模与痴声栅CCD/CCAM的概况。冷冲压模具CAD/CAM1.塑料注身幽cAD/CAM模MD的应用|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,ComputerAidedEngineering)，同时注射模CAD的各个单项功能的研究成果也十分突出，

26、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。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

27、、英国DELCAM公司的Ps-Mold、以色列Cimatron公司的MoldExpert，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：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；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；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。(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，主要的研究成果有：华中科技大学1988年实现了注射模CADCAE/CAM集成系统HSCl.0版，199

28、0年升级为HCSl.1版，1997年推出了HSC2.0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IPMCADV3.0。随后以AutoCADRl3.0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

29、统IPMCADV4.0。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CAD/CAM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CAD发展概况国外冲模CAD既况类似模块20世纪90SolidWorks年强,由场输僻畲翎砂CAM累跳，/搬SfMetaPro/E,UG-n,CADDS5美国UGSolutions公司板金零件造型模块UGSheetMetal,MDT电!在模具行业逐步得到应用，但由于这些CAD/CAM系统在开发之初美国ComputerDesign公司级进模CADtUStrikerSystems都是作为通用机械设

30、制嘛f牌要来(SMDES1G明拙Bfe(SSUNFOLDS而掘I,样(SSNEST)、条料排样(SSSTRIPDESIGN)模具设计(SSDIEDESIGN)须进行二莫块泗%加,止(SS美PUPGHIPEFgE索PROF嗣叩竟界发了板金零件造型美国UG公司与华中科技大学合作开发的级进模UG/PDWUG /Pro/SheetMetal;UGSolutions公司在UG-n系统上，也开发了类似的模块SheetMetal等。在Pro/SheetMetal和UG/SheetMetal等板金零件设计系统中，虽然采用了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CA

31、D/CAM软件的公司正在开发并陆续推出能够用于级进模设计与制造的专用软件。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

32、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-n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

33、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2)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：1

34、984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、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

35、）、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

36、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-n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

37、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

38、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。图1Moldwizard模块的主菜单图2Moldwizard应用的一般流程图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：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

39、过程，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。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。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力，并帮助用户获取

40、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。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、FUTABA、OMNI、LKM_S

41、G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。3龙记大水口标准模架库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。图

42、4塑件及对应的模具型芯图5更改塑件设计，模具型芯自动更新四、模具设计CAECAE(计算机辅助仰口制含辞保蟀斗分部:制格船粘喇傍乘i转验、分析乃至制的每一个环节之中，以计算机为辅助工具来指导和预测产品在造贯穿于产品研制住命出微飕时短&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。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

43、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则能计算出制品的收缩情况和内应力的分布，预测制品出模后的变形。注射模CAE的发展概况

44、近30年来，塑料流变学、计算机技术、计算数学、图形学等技术的突飞猛进，为塑料注射模CAE技术的发展创造了条件。从20世纪70年代起，塑料注射模CAE技术就成为塑料成形领域的热门研究课题，从分散、零星的研究发展为集中、系统的开发，研究机构层出不穷，如澳大利亚Moldflow公司、美国AC-Tech公司、德国IKV研究所、法国GISIGRAPH公司、台湾清华大学等。但在众多注射模CAE产品中，最具国际影响、市场占有率最高的应属AC-Tech公司和Moldflow公司。1987年Moldflow公司率先推出商品化的二维流动模拟软件，在生产中发挥了显著作用，其CAE软件包括流动模拟、冷却分析、应力分析

45、和翘曲变形预测等，该公司还开发出一套智能控制器(LPC)，它先利用分析软件产生的结果对塑料流动情况进行优化，然后据此来控制注射机。该系统可在较短时间内自动地做好机器的起动准备，通过对充模、保压等工艺参数的优化来减小产品质量的波动。AC-Tech公司的注射模CAE软件CMold包括：优选注射工艺材料；优化成形工艺参数；平衡流道系统设计；三维流动、保压、冷却分析程序及应力分析和翘曲变形预测程序。该公司于2000年被Moldflow公司兼并。我国自20世纪80年代以来陆续从国外引进了一批塑料注射模CAE系统。实践表明这些软件对提高我国模具技术水平有一定的推动作用，但由于这些软件价格昂贵、二次开发能力

46、差、缺乏国产材料数据库、技术支持和售后服务相对不足，因此软件的推广和应用情况并不理想。我国的一些科研机构，特别是高等院校，自20世纪80年代中期开展注射模CAE技术的研究以来，华中科技大学、上海交通大学、浙江大学、天津轻工业学院、成都科技大学等都先后取得了一批喜人的科研成果。如华中科技大学于1988年底研制出了注射模 CAD/CAE/CAM系统的原型版本HSCl.0,该系统已经过了十余年时间的推广，国内近百家工厂的验证。经过近20年的努力，华中科技大学目前已推出一套适用范围广、运行稳定、结果可靠、使用方便，并具有自主版权的基于实体模型的塑料注射成形模拟软件HSCAE3D。模流分析软件MPI（M

47、oldflowPlasticInsight）模流分析软件MPI是决定产品几何造型及成形条件最佳化的进阶模流分析软件。从材料的选择、模具的设计暨成形条件参数设定，以确保在射出成型过程中塑料在模具内的充填行为模式，以获得高质量产品。MPI能分析模拟塑料流动形态、产品体积收缩、冷却时间、纤维配向性、产品翘曲等等，并且加强了塑料材料的使用。此外MPI还能分析模拟气体辅助射出及热固性成型。MPI模拟分析能减少生产周期时间，通过电脑模拟分析能确定和修改潜在问题，并帮助模具设计人员预测常碰到的问题并加以修正设计。(1)MPI的有限71MPI/MidplaneMPI的有限元解决模型:解决破PdPlane（中间

48、面网格模型）MPI/FUSION（双层面网格模型）（中橘嚅新实体模型）MPI/Midplane适用于分析肉厚较均匀之薄壳类塑胶零件。它提取实体壁厚的中间面作为网格外形，并赋予它厚度，使用较少的网格数目快速分析得到最精确的分析结果，图6是中间面模型的模拟过程。图6中间面模型的模拟过程MPI/FUSION（双层面网格模型）Moldflow 的独家专利MPI/FUSION适用于分析形状特征复杂之薄壳类塑胶零件。它基于DualDomain（双层面）分析技术，直接从CAD软件中提取实体表面产生网格。FUSION网格大大降低前期网格处理时间，能快速对产品进行流动、冷却，翘曲等分析。它以最快的网格处理及最佳

49、的网格质量和准确的分析结果成为应用广泛的薄壁件分析的网格形式，图7是基于实体表面模型的模拟过程。二实体表面模型的模拟过程。图7基于实体表面模型的模拟过程MPI/3D（3D实体模型）MPI/3D适用应用于模拟粗厚件产品的塑料流动分析。三维实体流动分析使用独一无二仿真求解三技术，应用四面体有限元素网格，来模拟塑料三维方向充填流动情况，至整个模穴填满为止。基本分析模块MPI/Flow（流动分析,优化充填和保压阶段）MPI/Flow基本分析模块，能模拟射出成型过程中熔胶流动行为模式，以确保产品设计、质量及制造的可行性。使用流动分析能够迅速找到最佳射出成型条件、预知产品可能发生问题点及自动修正流道系统以

50、达模穴平衡。由流动分析结果来考虑生产方式和修正产品几何造型决定最佳的浇口位置、阀浇口数目或使用冷热流道系统。常用分析模块MPI/Cool（冷却分析，最佳化冷却系统）MPI/Cool是塑料射出和保压阶段被最佳化后的进一步分析。冷却系统包括模具外型、嵌入物均能够在一个冷却分析中获得分析结果。由分析结果你能够调整冷却系统尺寸和位置及修改冷却系统环绕形式和改变冷却剂参数，进行模具设计最佳化。MPI/Warp（翘曲变形分析，预测改善翘曲变形）MPI/Warp翘曲分析模块能预测塑料产品在开模后之收缩和翘曲结果。在材料库中有8000余种热塑性材料您可应用线性或非线性分析，以预测塑料产品之缺陷及确定翘曲变形原

51、因所在及变形量，并且能改善产品及模具中的残留应力分布。其它分析模块MPI/Gas（气体辅助注塑分析,最佳化模具设计）MPI/Gas能仿真压力控制或体积控制两种模式在气体辅助射出成型运用。分析可以模拟塑料充填与气体在模穴渗透模式，结果包括预测气体会不会吹穿产品、产品厚度分布、气体穿透能力、气体保压压力曲线、包风、熔合线位置和温度分布等等MPI/Stress（应力分析，提供各种应力结果显示）MPI/Stress分析塑件产品在受外界载荷的情况下的机械性能，在考虑到注塑工艺条件下，优化塑料制品的强度和刚度。STRESS预测在外载荷和温度作用下所产生的应力和位移。对于纤维增强塑料，STRESS根据流动分

52、析和塑料的种类的物性数据来确定材料的机械特性，用于结构应力分析。MPI/Shrink（收缩分析，提供收缩结果显示）MPI/Shrink提供精确的收缩量评价和透过模具外型的收缩变化以确保预测产品收缩的尺寸。它允许调整射出成型条件、浇口的数目位置及材料以确保产品达到规定的收缩尺寸。收缩分析计算平行和垂直方向的流动，如使用特殊的收缩材料，亦可使用Moldflow材料数据库搜寻。收缩分析也能预测XYZ各轴中的产品收缩方向，以提供查询说明。MPI/Optim（注塑机参数优化分析，减少实际调机时间）MPI/Optim射出成型条件最佳化工具，能够自动处理生产过程中决定射出成型条件。结果包括冲程长度、注射速度

53、曲线、压力切换、保压段式以生产可接受的产品质量。把这些分析结果输入Moldflow（MPX）XpertTM以确保射出成型机能快速而有效率的运作。MPI/Fiber（纤维取向分析,减小因纤维取向而生的产品翘曲等不良）MPI/Fiber 在塑料注射过程中塑料纤维流动方向对产品机械强度性质方面会有重要之影响。 MPI 精确的显示出不同厚度方向层纤维配向性情况，纤维配向性分析也可预测弹性系数对合成材料的影响。MPI/Reactive_Molding(热固性塑料分析,模拟热固性树脂的流动和固化过程）MPI/ReactiveMolding热固性塑料的流动及融合分析反应注射成型模块可以使用户模拟热固性树脂的

54、流动和固化，并深入理解这些复杂的处理过程。你可以预测热固性和橡胶成型方法，反应注射成型（RIM），增强型反应注射成型（SRIM），和树脂传递模（RTM）的可制造性，缩短成型周期，优化工艺条件。另外，可选的模块还可模拟IC封装等。MPI/MuCell（微孔发泡成型分析,优化产品设计和成型）MPI/Microcellular（MuCell?）注射成型是使用一种由熔融聚合物中混合二氧化碳（CO2）或氮气（N2）所形成的超临界流体（SCF）注射进模具中以制造多微孔泡沫制品。通过MPI/MuCell，用户可评价成型的可行性。另外，用户还可通过查看分析结果来优化制品设计和工艺参数设计。MPI/Co-Inj

55、ection（连续注射分析,模拟连续注入两种材料的性能）MPI/Co-Injection能模拟连续注入两种材料的性能。MPI/Injection_Compression（压注模分析，模拟压注模分析过程）MPI/InjectionCompression能模拟压塑模具内压缩后的熔胶射出，以便制造尺寸不变的零件，这些零件相比之下It无压力，而且符合低夹紧载重的条件。CAM作为CAD/CAM/CAE集成系统的重要一级，向上与CAD实现无缝集成，向下方便、快捷、智能、高效地为数控生产服务，这是CAM技术发展的主题。制造业不断涌现的新技术、新工艺诸如高速加工技术等也对CAM技术提出了更高的要求。网络技术的

56、发展使CAD/CAM/CAE集成化体系摆脱空间的约束，能够更好地适应现代企业的生产布局及生产管理的要求。1.CAM发展概况CAM技术发展至今，无论在软、硬件平台、系统结构、功能特点上都发生了翻天覆地的变化。当今流行的CAM系统在功能上也存在着巨大的差异。就其具有决定意义的基本处理方式与目标对象上看，主要可分为两个主要发展阶段，可认为是两代产品。第一代CAM:APT20世纪60年代在专业系统上开发的编程机及部分编程软件如：FANUC、Semems编程机，系统结构为专机形式，基本处理方式是人工或辅助式直接计算数控刀路，编程目标与对象也直接是数控刀路。特点是功能差，操作困难，专机专用。第二代CAM:

57、曲面CAM系统系统结构一般是CAD/CAM混合系统，较好地利用了CAD模型，以几何信息作为最终的结果，自动生成加工刀路。自动化、智能化程度得到了大幅度提高，具有代表性的是UG、DUCT、Cimatron、MarsterCAM等。基本特点是面向局部曲面的加工方式，表现为编程的难易程度与零件的复杂程度直接相关，而与产品的工艺特征、工艺复杂程度等没有直接相关关系。尽管该时期的时间跨度达二十年，系统档次差异很大，智能化水平高低亦不同，但在结构体系上没有质的变化。2.UG/CAM软件的应用UG/CAMC件的主要模块UG/Post Execute、UG/Post Builder加工后置处理模块加工基匡架,

58、UG/Core & Cavity Milling 型芯、型腔铳削模块它为UG所有加工模块提相同的、界面观测刀具沿轨迹运动的情况并可对其进行图形化修感G/wire5EDM置栅蝌相UG/Data Exchange数据交换模块伸、 缩短或修改等。该模块同时提供通书的点DUG/CAMBASG/CAMBASET基础模块位加工编程功能，可用于钻孔、攻丝和镗孔等加工编程。该模块交互界面可按用户需求进行灵活的用户化修改和剪裁，并可定义标准化刀具库、加工工艺参数样板库使初加工、半精加工、精加工等操作常用参数标准化，以减少使用培训时间并优化加工工艺。UG软件所有模块都可在实体模型上直接生成加工程序，并保持与实体模

59、型全相关，UG/CAMBase是UG加工模块的基础。2)UG/PostExecute、UG/PostBuilder加工后置处理模块UG/PostExecute和UG/PostBuilder共组成了UG加工模块的后置处理。UG的加工后置处理模块使用户可方便地建立自己的加工后置处理程序，该模块适用于目前世界上几乎所有主流NC机床和加工中心，该模块在多年的应用实践中已被证明适用于25轴或更多轴的铳削加工、24轴的车削加工和电火花线切割。3)UG/PlanarMillingUG平面铣削模块UG/PlanarMilling平面铳削模块提供22.5轴零件的所有铳加工功能。设计更改通过相关性而自动处理。该模

60、块包括多次走刀轮廓铣、仿形内腔铣和Z字形走刀铣削，用户可规定避开夹具和进行内部移动的安全余量，还提供型腔分层切削功能和凹腔底面小岛加工功能，该模块最新增强了对边界和毛料几何形状的定义，它还能显示未切削区域的边界，以便再做补充加工，该模块还提供一些操作机床辅助运动的指令，如冷却、刀具补偿和夹紧等。4)UG/Core&CavityMilling型芯、型腔铣削模块UG/Core&CavityMilling型芯、型腔铣削模块对注塑模和冲压模特别有用，它提供粗加工单个或多个型腔，沿任意类似型芯的形状进行粗加工大余量去除的全部功能。最突出的功能是对非常复杂的形状产生刀具运动轨迹，确定走刀方式。通过容差型腔