模具CAD/CAE/CAM技术的发展现状

CAD/CAE/CAM集成技术包括了二维绘图、三维几何造型设计、有限元分析（FEA）及优化设计、数控加工编程（NCP）及仿真模拟等功能。CAD/CAE/CAM技术的内涵随着相关技术及应用领域的发展而不断扩展，近年来随着Internet/Intranet网络和并行高性能计算及事物的普及，协同设计、虚拟设计及实时仿真技术在CAD/CAE/CAM中得到了广泛应用。

各自独立开发的CAD、CAE、CAM技术缺乏统一的数据模型及通信约定，在应用于复杂产品的设计与制造时会遇到不少问题。为了最大限度地发挥各环节的经济效益，需要实现CAD/CAE/CAM的集成化。

1.模具CAD/CAE/CAM技术发展历程

我国虽然很早就开始制造和使用模具，但是长期以来未形成高技术含量的产业。直到20世纪80年代后期，随着科技的进步，模具工业才驶入快速发展的轨道。如吉林大学依托一汽对汽车覆盖件CAD/CAM系统的研究已经取得显著成效，华中科技大学模具技术国家重点实验室在AutoCAD软件平台上开发出基于特征的级进模CAD/CAM系统HMJC，上海交通大学为瑞士法因托（Finetool）精冲公司开发成功精密冲裁级进模CAD/CAM系统，西安交通大学开发出多工位弯曲级进模CAD系统等，这些CAD/CAM系统的研发促进了国内模具行业快速发展。国内也有一批科研单位和高校投入到有限元技术的研究、开发和应用。如大连理工大学的JIFEX、郑州机械研究所的紫瑞和北京农机学院的有限元分析系统。在模具CAE方面，如湖南大学的冲压CAE系统、华中科技大学冲压成型快速分析软件FASTAMP、清华大学的铸造CAE分析软件FTStar和华北工学院的铸造分析软件CASTsoft等，尽管如此，我国CAD/CAE/CAM系统的集成度相对国外来说还是比较弱。

国外模具CAD/CAM技术的研究始于20世纪60年代，到20世纪70年代已经研制出了模具CAD/CAM的专门系统，推出了面向中小型企业的CAD/CAM商业软件，可应用于各种类型的模具设计和制造。

1973年，美国的DIE COMP公司率先研制成功PDDC连续模系统。1977年，捷克斯洛伐克金属加工工业研究所研制成功AKT冲模CAD系统。1978年，日本机械工程实验室建立ME1连续模设计系统。1979年，日本旭光学工业公司研究成功冲压模和弯曲模PENTAX的CAD系统。1985年，日本NISSIN精密机器公司采用了冷冲模CAD/CAM系统。到20世纪80年代末，美国、日本等工业发达国家的模具生产已有近50%采用了CAD/CAM技术。国外在20世纪60年代开始开发有限元分析软件，1976年发行了第一套流动分析软件。利用CAE技术可以在模具加工前，在计算机上对整个成型过程进行模拟分析，减少甚至避免模具返修报废，提高模具质量和降低成本等。目前国外的模具CAE技术已经相当成熟，完全走向实用化阶段，并取得了显著效果。国外著名的CAE软件有NASTRAN、ADINA、ANSYS、ABAQUS、MARC和COSMOS等。

2.模具CAD/CAE/CAM技术的主要内容

模具CAD/CAE/CAM技术一体化工程系统主要包括以下研究内容。

1）设计制造一体化系统集成框架的开发研究，目标是开发一个先进的集成平台，支持各种应用系统的开发运行。

2）新一代三维几何设计系统的开发研究，使该系统具有强有力的几何造型和工程绘图功能，包括利用草图功能二维建模和三维造型中直接生成工程图样，或接受其他CAD软件传来的标准格式文件，以及能进行基于参数化特征的精确实体造型。

3）3～5轴的数控编程系统的开发研究，使其具有智能的图形交互式多坐标编程系统，达到工程化、实用化的水平。

4）开发针对制造工艺的计算机辅助模拟系统，在给定的工程参数下，该系统能分析其工艺过程，动态显示仿真效果。

5）产品有限元分析前后置处理技术的研究，在CAD系统的基础上，按STEP标准自动建立有限元模型，动态显示受力和变形情况。

6）数据库技术与数据交换技术和接口的开发研究，实现产品数据的描述、交换、共享、集成、存档等管理目标。

7）模具装配加工及有限元分析工程模拟，用数值分析的方法对模具的受力和变形进行计算，从而为优化模具结构、改善受力条件提供科学依据。(www.xing528.com)

3.模具CAD/CAE/CAM技术发展趋势

1）模具软件功能集成化。即软件的功能模块齐全，同时各功能模块采用同一数据模型，具备信息的综合管理与共享，支持模具设计、制造、装配、检验、测试及生产管理的全过程。

英国Delcam公司的系列化软件就包括了曲面实体几何造型、复杂形体工程制图、工业设计高级渲染、塑料模设计专家系统、复杂形体CAM、艺术造型及雕刻自动编程系统、逆向工程系统及复杂形体在线测量系统等；以色列Cimatron公司的Cimatron系统中包括几何造型、模具专家、逆向工程、模架库、NC加工及产品数据管理系统；澳大利亚Moldflow公司注塑成型系列分析软件包括MPA（塑件顾问）、MPX（注塑专家）、MPI（流动、冷却、翘曲等）及模具设计系统等；美国PTC公司CAD/CAE/CAM集成软件系统Pro/ENGINEER；美国EDS公司的UG；美国SDRC公司的I-DEAS集成化CAD/CAE/CAM软件，该软件在曲面设计、实体造型、仿真分析、制造、测试和并行工程等方面具有强大的功能，国际上有福特等许多汽车公司将它作为主流软件；美国SolidWorks公司的SolidWorks软件、C-mold公司的注塑模CAE分析软件C-mold；具备复杂曲面设计和数据仿真功能的法国Dassault公司的CATIA软件曲面造型功能较强；德国MAGMA公司的铸造过程流动与凝固分析软件MAGAMASOFT及IKV研究所的CAD MOULD；国外使用较多的还有外形设计的ALIAS/ICEM、实物造型的Surface、板料冲压仿真的LS-DYNA、DYNAFORM、模具设计的VAMOS及制造系统仿真的SIMPLE++等。

国内上海交通大学金属塑性成型有限元分析系统和冲裁模CAD/CAM系统；北京北航海尔软件有限公司的CAXA系列软件；吉林金网格模具工程研究中心的冲压模CAD/CAE/CAM系统，其主要功能有板料冲压过程模拟、预测成型缺陷、压机速度分析、坯料形状优化和各向异性、回弹预测等。

2）模具设计、分析及制造的三维化。传统的二维模具结构设计已越来越不适应现代化生产和集成化技术要求。模具设计、分析、制造的三维化要求新一代模具软件以立体的、直观的感觉来设计模具，所采用的三维数字化模型能方便地用于产品结构的CAE分析、模具可制造性评价和数控加工、成型过程模拟及信息的管理与共享。如Pro/E、UG、I-DEAS、CATIA等软件都具备参数化、基于特征、全相关等特点。另外，Cimatron公司的Moldexpert，Delcam公司的Ps-mold及日立造船的Space-E/mold均采用了3D专业注塑模设计软件，可进行交互式3D型腔及型芯设计、模架配置及典型结构设计。澳大利亚Moldflow公司三维真实感流动模拟软件MoldflowAdvisers受到用户广泛的应用和好评。美国C-mold公司3DQuickfill也有类似功能。

国内有华中科技大学研制的同类软件HSC3D4.5F及郑州工业大学的Z-mold软件、上海交通大学开发了金属塑性成型三维有限元仿真系统、北航海尔软件公司的CAXA三维电子图板2000和制造工程师2000能进行3D零件设计和NC加工，其特点是基于3D、参数化特征设计，实现了实体、曲面和NC加工的协调统一。

3）模具软件的智能化趋势。新一代模具软件要求模具CAD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，充分运用模具专家的丰富知识和成功经验，克服具体设计、工艺人员的经验局限，通过人工智能CAI等方法，实现设计的合理性和先进性，逐步达到从设计、分析评估到制造过程的完全自动化。

Cimatron公司的注塑模专家软件能根据脱模方向自动产生分型线和分型面，生成与制品相对应的型芯和型腔，实现模架零件的全相关，自动产生材料明细表和供NC加工的钻孔表格，并能进行智能化加工参数设定、加工结果校验等。而PTC公司推出的模具专家系统EMX则更为经典，它除了具有前面其他模具专家系统的共有特点外，还能实现模具装配体的2D装配图的自动出图，从而大大减轻了模具设计工程师的劳动量，提高了效率，减少了模具开发的时间，另外在它的EMX 4.1里还强化了产品的成本计算，可以估算模具的总体成本，为模具的效率计算提供了有力依据，实现了信息技术及现代管理技术。

4）模具软件应用的网络化趋势。随着模具在企业竞争、合作、生产和管理方面的全球化、国际化及计算机软硬件技术的迅速发展，使得在模具行业应用虚拟设计、敏捷制造技术既有必要，又有可能。

美国近年实现了汽车工业的敏捷生产/虚拟工程方案，使汽车开发周期从40个月缩短到4个月。Delcam公司最近推出的CAD/CAM集成化系统Power Solution覆盖了几何建模、逆向工程、工业设计、工程制图、仿真分析、快速原型、数控编程、测量分析等方面。系统的每一个功能模块既可独立运行，又可通过数据接口与其他系统兼容，便于实现开放性、兼容性和专业化的统一。

5）并行工程技术在模具中的应用。模具是面向订单式的生产方式，属于单件生产，制造过程复杂，要求交货时间短。利用CAD、CAM单元技术制造模具，制造精度低、周期长，为了解决上述难题，工程技术人员将并行工程技术引入到模具制造过程中。

所谓并行工程是设计工程师在进行产品三维零件设计时就考虑模具的成型工艺和影响模具寿命的因素，并进行校对、检查，预先发现设计过程的错误。在初步确立产品的三维模型后，设计、制造及辅助分析部门的多位工程师同时进行模具结构设计、工程详图设计、模具性能辅助分析及数控机床加工指令的编程，而且每一个工程师对产品所做的修改可自动反映到其他工程师那里，大大缩短了设计、数控编程的时间。应用Pro/ENGINEER、UG等CAD/CAE/CAM集成技术软件，将原来模具结构设计、模具型腔、型芯设计及结构二维设计、工艺准备、模具型腔和型芯设计三维造型、数控加工指令编程、数控加工的串行工艺路线改为由不同的工程师同时进行设计、工艺准备的并行路线，不但提高了模具的制造精度，而且能缩短设计、数控编程时间达40%以上。

6）模具高速测量及其逆向工程技术。随着三坐标测量机、扫描仪、便携式扫描仪、激光跟踪仪的技术不断发展与进步，检测技术向高速度、高精度、高适应性、数字化、自动化方向发展，使得现代测量技术不断融入模具产品逆向工程设计中，进一步推动了模具制造产品快速制造的响应能力。逆向工程（Reverse Engineering，RE）也称反向工程或反求工程，是相对于传统的产品设计流程即所谓的正向工程（Forward Engineering，FE）而提出的。