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zamzbb 2006-7-13 01:13

模具CAD/CAM技术现状分析与发展探讨

摘要：简要介绍国内外主流CAD/CAM软件；分析我国在应用CAD/CAM技术所取的成果以及CAD/CAM技术与传统加工方法比较具有的先进性；模具CAD/CAM技术向集成化、智能化、并行化、网络化、标准化发展的趋势；开发CAD/CAM软件的目的是应用CAD/CAM技术，提高企业的设计和制造水平，企业应根据自身条件和发展要求选择合适的CAD/CAM软件，以国际市场为导向，结合国情，确定正确的企业发展思路。(m"^$N |:avH5S
关键词：模具；CAD/CAM；技术现状；发展趋势；!O0E[R(q8G
一、引言
计算机辅助设计（ Computer Aided Design）与计算机辅助制造（ Computer Aided Manufacturing）简称CAD/CAM，是指以计算机作为主要技术手段，帮助人们处理各种信息，进行产品设计与制造。模具CAD/CAM技术是以计算机软件的形式，为用户提供一种有效的辅助工具，使工种技术人员能借助于计算机对产品、模具结构、成形工艺、数控加工及成本等进行设计和优化，是改造传统模具生产方式的关键技术，是一项高科技、高效益的系统工种。企业要把握住时代潮流和行业新动态，抓机遇、结国情，积极开展CAD/CAM技术的研究和推广工作，增强企业竞争能力，加强企业现代化进程。.P$?Hw ]E$FH
二、CAD/CAM软件产品介绍
当前CAD/CAM主要运行在工作站或微机平台上。工作站虽然性能优越，图形处理速度快，但价格昂贵、操作使用复杂、培养专业技术人员周期长，这在一定程度上限制了CAD/CAN技术的推广。而由于微机的价格远远比工作站低，性能也不比中低档工作站逊色多少，并且其操作系统的安全性与掌握技术的简单性和灵活性，使得CAD/CAM技术得以广泛地应用和推广。以下我们对国内外一批比较优秀、流行的商品化软件作一些简要的介绍和分析：2f!ZM oyRg8`S
1． Unigraphics（UG）是 UnigraphicsSolutions公司的拳头产品。该公司首次突破传统 CAD/CAM模式，为用户提供一个全面的产品建模系统。在 UG中，优越的参数化和变量化技术与传统的实体、线框和表面功能结合在一起，这一结合被实践证明是强有力的，并被大多数CAD/CAM软件厂商所采用。UG最早应用于美国麦道飞机公司。它是从二维绘图、数控加工编程、曲面造型等功能发展起来的软件。90年代初，美国通用汽车公司选中UG作为全公司的 CAD/CAE/CAM/CIM主导系统。
2．SOLIDEDGE是真正Windows软件。它不是将工作站软件生硬地搬到Windos平台上，而是充分利用Windos基于组件对象模型（COM）的先进技术重写代码。SOLIDEDGE与Microsoft office兼容，与Windos的OLE技术兼容，这使得设计师们在使用CAD系统时，能够进行Windows下字处理、电子报表、数据库操作等。
SOLIDEDGE具有友好的用户界面，它采用一种称为SmartRibbon的界面技术，用户只要按下一个命令按钮，既可以在SmartRibbon上看到该命令的具体的内容和详细的步骤，同时在状态条上提示用户下一步该做什么。SOLIDEDGE是基于参数和特征实体造型的新一代机械设计CAD系统，它是为设计人员专门开发的，易于理解和操作的实体造型系统。
3．AutoCAD是Autodesk公司的主导产品。Autodesk公司是世界第四大PC软件公司。目前在 CAD/CAE/CAM工业领域内，该公司是拥有全球用户量最多的软件供应商，规模最大的基于PC平台的CAD和动画及可视化软件企业。Autodesk公司的软件产品已被广泛地应用于机械设计、建筑设计等一些重大工程领域。AutoCAD是当今最流行的二维绘图软件，它在二维绘图领域拥有广泛的用户群。AutoCAD有强大的二维功能，如绘图、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提供ALISP、ADS、ARX作为二次开发的工具。
4．MDT是Autodesk公司在PC平台上开发的三维机械CAD系统。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到制造一体化的解决方案。h]?@;h!O
MDT主要功能特点如下：
（1）基于特征的参数化实体造型。用户可十分方便地完成复杂三维实体造型，可以对模型进行灵活的编辑和修改。
（2）基于NURBS的曲面造型，可以构造各种各样的复杂曲面，以满足如模具设计等方
面对复杂曲面的要求。
（3）可以比较方便地完成几百甚至上千个零件的大型装配。s1~C:_}z:o
（4）MDT提供相关联的绘图和草图功能，提供完整的模型和绘图的双向联结。
该软件的推出受到广大用户的普遍欢迎。至今为止，全世界累计销售已达7万套，国内已销售近千套。由于该软件与AutoCAD同时出自Autodesk公司，因此两者完全融为一体，用户可以方便地实现三维向二维的转换。MDT为AlltOCAD用户向三维升级提供了一个较好的选择。
5．Solid Works是生信国际有限公司推出的基于Windows的机械设计软件。生信公司是一家专业化的信息高速技术服务公司，在信息和技术方面一直保持与国际CAD/ CAE/CAN/PDM市场同步。该公司提倡的"基于 Windos的 CAD/CAE/CAM/PDM桌面集成系统"是以Windos为平台，以Solid Works为核心的各种应用的集成，包括结构分析、运动分析、工程数据管理和数控加工等，为中国企业提供了梦寐以求的解决方案。AQZ)j8|1mxO
Solidworks是微机版参数化特征造型软件的新秀，该软件旨在以工作站出版的相应软件价格的1/4～l/5向广大机械设计人员提供用户界面更友好，运行环境更大众化的实体造型实用功能。是基于Windos平台的全参数化特征造型软件，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，用户上手快。该软件可以应用于以规则几何形体为主的机械产品设计及生产准备工作中。
6．Cimatron CAD/CAM系统是以色列 Cimatron公司的 CAD/CAM/PDM产品，是较早在微机平台上实现三维CAD/CAM全功能的系统。该系统提供了比较灵活的用户界面，优良的三维造型、工程绘图，全面的数控加工，各种通用、专用数据接口以及集成化的产品数据管理。'W\|P|1|
Cimatron CAD/CAM系统自从80年代进入市场以来，在国际上的模具制造业备受欢迎。近年来，Cimatron公司为了在设计制造领域发展，着力增加了许多适合设计的功能模块，每年都有新版本推出。1994年北京宇航计算机软件有限公司（BACS）开始在国内推Cimatron软件，从8版本起进行了汉化，以满足国内企业不同层次技术人员应用需求。用户覆盖机械、铁路、科研、教育等领域。
7．Pro/Engineer系统是美国参数技术公司（ParametricTechnologyCorporatlon，简称PTC）的产品。PTC公司提出的单一数据库、参数化、基于特征、全相关的概念改变了机械CAD/CAE/CAM的传统观念，这种全新的概念已成为当今世界机械CAD/CAE/CAM领域的新标准。利用该概念开发出来的第三代机械 CAD/CAE/CAM产品 Pro/Engineer软件能将设计至生产全过程集成到一起，让所有的用户能够同时进行同一产品的设计制造工作，即实现所谓的并行工程。
Pro/Engineer系统主要功能如下：U8rLQ%I;RdXw]
（l）真正的全相关性，任何地方的修改都会自动反映到所有相关地方。,f;x`n3E(i PUgs
（2）具有真正管理并发进程、实现并行工程的能力。:QU;Jz:DWt
（3）具有强大的装配功能，能够始终保持设计者的设计意图。 s$}S"n~N@1fo
（4）容易使用，可以极大地提高设计效率。
Pro/Engineer系统用户界面简洁，概念清晰，符合工程人员的设计思想与习惯。整个系统建立在统一的数据库上，具有完整而统一的模型。Pro/Engineer建立在工作站上，系统独立于硬件，便于移植。
8． I－DEAS是美国 SDRC公司开发的 CAD/CAN软件。该公司是国际上著名的机械 CAD/CAE/CAM公司，在全球范围享有盛誉，国外许多著名公司，如波音、索尼、三星、现代、福特等公司均是SDRC公司的大客户和合作伙伴。J-mm-?-~ R}|
I－DEAS Masterseries5于今年6月20日在美国首次展示，引起了广泛的注意。该件是高度集成化的CAD/CAE/CAM软件系统。它帮助工程师以极高的效率，在单一数字模型中完成从产品设计、仿真分析、测试直至数控加工的产品研发全过程。I－DEAS是全世界制造业用户广泛应用的大型CAD/CAE/CAN软件。I－DEAS在CAD/CAE一体化技术方面一直雄居世界榜首，软件内含诸如结构分析、热力分析、优化设计、耐久性分析等真正提高产品性能的高级分析功能。4},pFA4X W"u%WT
SDRC公司也是全球最大的专业CAM软件生产厂商。I--DEASCAMAND是CAM行业的顶级产品。 I--DEASCAMAND可以方便地仿真刀具及机床的运动，可以从简单2轴、2.5轴加工到以7轴5联动方式来加工极为复杂的工件表面，并可以对数控加工过程进行自动控制和优化。
9．高华CAD是由北京高华计算机有限公司推出的CAD产品。包括计算机辅助绘图支撑系统GHDrafting、机械设计及绘图系统GHMDS、工艺设计系统GHCAPP、三维几何造型系统GHGEMS、产品数据管理系统GHPDMS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，它具有全程导航、图形绘制、明细表的处理、全约束参数化设计、参数化图索拼装、尺寸标注、标准件库、图像编辑等功能模块。
10．CAXA电子图板和CAXA－ME制造工程师软件是由北京北航海尔软件有限公司（原北京航空航天大学华正软件研究所）开发与销售。^D X7c1w T XI9k
CAXA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，满足现代企业快速设计、绘图、信息电子化的要求。
CAXA--ME是面向机械制造业的自主开发的、中文界面、三维复杂形面CAD/CAM软件。CAXA制造工程师1.0版于 1996年推出，CAXA－ME2.0版于1998年3月发布， CAXA－WE2000版业已发布。
11． GS－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 Tbdh#y!c:LL
统。该公司是国家科委高技术研究发展中心、浙江大学和中国航天总公司CAD/CAN中心在杭州联合创建的高新技术研究、开发和应用企业。GS－CAD98是一个具有完全自主版权、基于微机、中文Windos95/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Solid Works的用户界面风格及主要功能开发完成的。它实现了三维零件设计与装配设计，工程图生成的全程关联，在任一模块中所做的变更，在其他模块中都能自动地做出相应变更。 SL%V6O)Xb9{
12．金银花（Lonicera）系统是由广州红地技术有限公司开发的基于STEP标准CAD/CAM系统。该系统是国家科委863/CIMS主题在"九五"期间科技攻关的最新研究成果。 gy6}U?]MV
该软件主要应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。该软件起点高，以制造业最高国际标准ISO-10303（STEP）为系统设计的依据。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MDA（Mechanical Design Assistant）是金银花系列软件之一，是二维和三维一体化设计系统。目前，MDA1.7版已投放市场，MDA99版也已发布。
13．开目CAD是华中理工大学机械学院开发的具有自主版权的基于微机平台的CAD和图纸管理软件，它面向工程实际，模拟人的设计绘图思路，操作简便，机械绘图效率比AutoCAD高得多。开目CAD支持多种几何约束种类及多视图同时驱动，具有局部参数化的功能，能够处理设计中的过约束和欠约束的情况。开目CAD实现了CAD、CAPP、CAM的集成，适合我国设计人员的习惯，是全国CAD应用工程主推产品之一。
对于CAD/CAM软件虽然我们喜欢Pro/E稳定的模型与有效的计算资源运用，喜欢Solid Edge的容易使用，喜欢UG完美的建模系统，更喜欢具有上述全部优点的Solid Works等等，但最后我们只能有一个选择。至于具体操作和怎样选择CAD产品还要结合各企业的具体情况，最终实现目的：提高企业的设计效率、优化设计方案、减轻技术人员的劳动强度、缩短设计周期、加强设计的标准化。
三、CAD/CAM技术与传统加工方法比较具有的先进性q1S Nz M$T@B
开发CAD/CAM软件的目的是应用CAD/CAM技术，从60年代初第一个CAD/CAM系统问世以来，经过四十多年的发展，CAD/CAM系统在技术上、应用上已日趋成熟。在"七五"期间，国家支持对24个重点机械产品进行了CAD的开发研制工作，为我国 CAD/CAM技术的发展奠定了一定的基础。另外，通过国家科委实施的863计划中的CIMS主题，也促进了CAD/CAM技术的研究和发展。尤其是机械行业自1995年以来，相继开展了"CAD应用1215工程"和"CAD应用1550工程"，前者是树立12家"甩图板"的CAD应用典型企业，后者是培育50～100家CAD/CAM应用的示范企业，扶持500家，继而带动5000家企业的计划。贵州省经过实施CAD应用工程，企业CAD推广应用面明显扩大，应用水平显著提高，企业市场竞争能力大大增强。贵州省的24家示范企业在CAD应用工程启动之后，在已有CAD系统的基础上，新投资了3554万元用于CAD软硬件设备的购置。这24家示范企业经过实施CAD应用工程后，企业综合竞争能力显著提高：产品设计效率显著提高（平均提高92％），产品设计及制造周期明显缩短（设计周期平均缩短 65.33％），显著提高产品设计质量（20家显著提高，4家较显著提高），平均的CAD覆盖率达到95.18％（比CAD应用工程实施前增加34.01％），平均CAD普及率达到 96.15％（比 CAD应用工程实施前增加37％），企业应用CAD共新增产值壹拾亿肆仟柒佰陆拾贰万元整（ l，047，620，000元），新增利税壹亿肆仟壹佰万元整（141，000， 000元），降低成本壹亿壹仟伍佰贰拾叁万元整（115，230，000元），投入产出比为1：29．48，贵州省所取得的CAD应用效益处于国内领先水平，取得了十分显著社会经济效益。yxDeD!^"~
应用CAD/CAM技术的目的是提高企业的设计和制造水平，增强企业在国际市场的竞争能力。根据传统做法，一个新产品的开发过程总是分为设计与制造两大部分。模具生产也不例外，模具属单件生产，设计与制造往往是一一对应的，所以模具设计的工作特别繁重。传统的模具设计采用手工设计方法，工作繁琐，模具设计所占工时约为模具总工时的20％左右，模具设计工作量大、周期长、任务急。O|y^ eMc
引入模具CAD技术后，模具设计可借助计算机完成传统手工设计中各个环节的设计工作，并自动绘制模具装配图和零件图。
模具CAM最初应用于模具型腔等复杂形状自动加工的计算机辅助编制，后又逐步扩展为工艺准备和生产准备过程中的许多功能，例如计算机辅助模具制造工艺过程的设计、计算机辅助模具生产管理等各方面的应用。开发模具CAM最原始的依据是模具的几何信息-----图形。sK/n~LPs8D
最初的模具CAD/CAM技术，尽管使用计算机代替了大量的繁重手工劳动，取得很大成绩，但是从整个模具生产过程看，却没有什么本质的变化。因为模具CAD仍然是从接受模具设计任务书开始，以绘制模具图完成整个过程；而模具CAD从接受图样开始，以完成模具制造告终。整个模具生产与传统模具生产类似，设计与制造环节间有着严格的分界，二个环节间传递信息的最重要手段只靠图样。
模具CAD/CAM技术的主要特点是设计与制造过程的紧密联系----设计制造一体化，其实质是设计和制造的综合计算机化。在模具CAD/CAM系统中，产品的几何模型（有些综合系统还要求附加工艺和组织管理方面信息）是关于产品的最基本核心数据，并作为设计、计算、分析中最原始的依据。通过模具CAD/CAM系统的计算、分析和设计而得到的大量信息，可运用数据库和网络技术将其存储并直接传送到生产制造环节的各个方面，从而实现设计制造一体化。
采用了CAD/CAM技术以后，图样的作用大大减弱，大部分设计和制造信息由系统直接传送，图样不再是设计与制造环节的分界线，也不再是制造、生产过程中的唯一依据，它将被逐步简化，甚至最终消失。
总体上我国 CAD/CAM的研究应用与工业发达国家相比还有较大差距，主要表现在：（1）CAD/CAM的应用集成化程度较低，很多企业的应用仍停留在绘图、NC编程等单项技术的应用上。（2）CAD/CAM系统的软、硬件均依靠进口，自主版权的软件较。（3）缺少设备和技术力量，有些企业尽管引进CAD/CAM系统，但其功能没能充分发挥。近年来模具CAD/CAM技术的硬件与软件价格已降低到中小企业普遍可以接受的程度，特别是微机的普及应用，更为广大模具企业普及模具CAD/CAM技术创造了良好的条件。随着微机软件的发展和进步，技术培训工作也日趋简化。在普及推广模具CAD/CAM技术的过程中，应抓住机遇，重点扶持国产模具软件的开发和应用，加大技术培训和技术服务的力度，应进一步扩大CAD/CAM技术的应用范围。:{m\:Y7h~
四、CAD/CAM技术发展趋势
CAD/CAM技术还在发展之中，发展的主要趋势是集成化、智能化、并行化、网络化和标准化。具体说来主要体现在如下几个方向上：9AVj0xN
1．计算机集成制造（ CIM）
1973年美国的瑟夫哈林顿博士在《Computer Integrated Manufacturing》一书中首次提出CIM（Computer Integrated Manufacturing）的概念。它的内涵是借助计算机，把企业中与制造有关的各种技术系统地集成起来，进而提高企业适应市场竞争的能力。这个概念强调了两个方面：（l）企业的各个生产环节是不可分割的，需要统一安排组织。（2）产品制造过程实质上是信息采集、传递、加工处理的过程。)X?7`\E*G(?6eO
CIM是CAD/CAM集成技术发展的必然趋势。CIM的最终目标是以企业为对象，借助于计算机和信息技术，使生产中各部分从经营决策、产品开发、生产准备到生产实施及销售过程中，有关人、技术、经营管理三要素及其形成的信息流、物流和价值流有机集成并优化运行，从而达到产品上市快、高质、低耗、服务好、环境清洁，使企业赢得市场竞争的目的。CIMS是一种基于CIM哲理构成的计算机化、信息化、智能化、集成化的制造系统。它适应多种、小批量市场需求，可有效地缩短生产周期，强化人、生产和经营管理的联系，压缩流动资金，提高企业的整体效益。然而由于CIMS是投资大、建设周期长的项目，因此不能一揽子求全，应总体规划、分步实施。分步实施的第一步是CAD/CAM集成的实现。)nx]*Yq_ R4L-w
CIM是一个先进的思想，但是由于当时技术水平的限制，我国于1986年3月提出863/CIMS主题计划，这个思想才被制造领域重视并采用，从而开始了对CIMS的全面研究
和实施。863/CIMS主题研究和实施技术的核心是现代集成制造，其中集成分为三个阶段：信息集成、过程集成（如并行工程）和企业集成（如敏捷制造）。近十余年来，在市场竞争的激励与相关技术进步的推动下，CIM在实践中被不断充实、完善与发展。
2．智能化 CAD/CAM系统 uR(IMm`0X
机械设计是一项创造性活动，在这一活动过程中，很多工作是非数据、非算法的。所以，随着CAD/CAM技术的发展，除了集成化之外，将人工智能技术，专家系统应用于系统中，形成智能的CAD/CAM系统，使其具有人类专家的经验和知识，具有学习、推理、联想和判断功能及智能化的视觉、听觉、语言能力，从而解决那些以前必须由人类专家能解决的概念设计问题。这是一个具有巨大潜在意义的发展方向，它可以在更高的创造性思维活动层次上，给予设计人员有效的辅助。s9kZ0y$C*Mh5D
另外，智能化和集成化两者之间存在密切联系。为了能自动生成制造过程所需的信息，必须理解设计师的意图。从这意义上讲，为实现系统集成，智能化是不可缺少的研究方向。
3．并行工程
并行工程（Concurrent Ensineering）是随着CAD/CAM、CIMS技术发展提出的一种新哲理、新的系统工程方法。这种方法和思路，就是并行的、集成的设计产品及其开发的过程。它要求产品开发人员在设计的阶段就考虑产品整个生命周期的所有要求，包括质量、成本、进度、用户要求等，以便最大限度地提高产品开发效率及一次成功率。并行工程的关键是用并行设计方法代替串行设计方法。随着市场竞争的日益激烈，并行工程必将引起越来越多的重视。但其实施也决非一朝一夕的事情，目前应为并行工程的实现创造条件和
环境。其中，与CAD/CAM技术发展密切相关的有如下几项要求：1）研究特征建模技术，发展新的设计理论的方法；2）开展制造仿真软件及虚拟制造技术的研究，提供支持并行工程运行的工具和条件；3）探索新的工艺过程设计方法，适应可制造性设计（DFM）的要求；4）借助网络及统一DBMS技术，建立并行工程中数据共享的环境；5）提供多学科开发小组的协同工作环境，充分发挥人在并行工程中作用。以上要求将极大地促进CAD/CAPP/CAM技术的变革和发展。qM%~a)io"Hs `
4．分布式网络化
自90年代以来，计算机网络已成为计算机发展进入新的时代的标志。所谓计算机网络，就是用通信线路和通信设备将分散在不同地点的多台计算机，按一定网络拓扑结构连接起来。这些功能使独立的计算机按照网络协议进行通信，实现资源共享。由于CAD/CAPP/CAM技术日趋势成熟，可应用于越来越大的项目。这类项目往往不是一个人，而是多个人、多个企业在多台计算机上协同完成，所以分布式计算机系统非常适用于CAD/CAPP/CAM的作业方式。同时，随着Internet网的发展，可针对某一特定产品，将分散在不同地区的现有智力资源和生产设备资源迅速组合，建立动态联盟和制造体系，以适应全球化制造的发展趋势。#['j)W l-Saa+y2`6X
五、结束语
随着市场竞争的日益激烈，用户对产品的质量、成本、上市时间提出了越来越高的要求。CAD/CAN技术是加快产品更新换代，增强企业竞争能力的最有效手段，同时也是实施先进制造和 CIMS的关键和核心技术。企业应看清应用 CAD/CAM技术带来的进步性，并以自身为基础，借鉴同行各企业应用推广的经验，灵活应用CAD/CAM技术，加快企业的设计制造一体化发展。

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