CADCAM集成技術和系統(tǒng)

1、計算機的出現(xiàn)和發(fā)展是為了將人類從繁瑣、 重復的腦力勞動中解放出來。早在三、 四十年前，計算機就已作為重要的工具輔助人類承擔一些單調、重復的勞動，如數(shù)值計算、工程工程圖繪制和數(shù)控編程等。 在此基礎上，逐漸出現(xiàn)了計算機輔助 設計(CAD)、計算機輔助工藝規(guī)程設計(CAPP)、計算機輔助制造(CAM)、計算 機輔助工程分析(CAE)、計算機輔助夾具設計(CAFD)等概念。近年來，這些 獨立的系統(tǒng)獲得了飛速的發(fā)展，分別在產(chǎn)品設計自動化、工藝過程設計自動化和 數(shù)控編程自動化等方面起到了重要的作用。集成的概念隨著計算機技術日益廣泛深入的使用， 人們很快發(fā)現(xiàn)，采用這些各自獨立的 系統(tǒng)不能實現(xiàn)系統(tǒng)之間信息的自

2、動傳遞和交換。例如CAD系統(tǒng)設計的結果，不能直接為CAPP系統(tǒng)接收，若進行工藝規(guī)程設計時還需要人工將 CAD輸出的圖 樣、文檔等信息轉換成CAPP系統(tǒng)所需要的輸入數(shù)據(jù)，這不但影響了效率的提 高，而且在人工轉換過程中難免會發(fā)生錯誤。只有當CAD系統(tǒng)生成的產(chǎn)品零件信息能自動轉換成后續(xù)環(huán)節(jié)(如 CAPP、CAM等)所需的輸入信息，才是最經(jīng) 濟的。為此，人們提出了 CAD/CAM集成的概念并致力于CAD、CAPP和CAM 系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)自動傳遞和轉換的研究， 以便將業(yè)已存在的和正在使用中的 CAD、 CAPP、CAM等獨立系統(tǒng)集成起來。集成(Integration )是近二十年來使用頻率比較高的一個詞。

3、電路設計講集 成，軟件系統(tǒng)開發(fā)講集成，制造系統(tǒng)的規(guī)劃設計也講集成。由于使用領域的差異， 集成的意義有所不同。即便是在同一領域，不同的階段、不同的層面，其意義也 有差別。因此很難給集成下一個準確完整的定義。對于集成系統(tǒng)來說，應具備以 下三個基本特征： 發(fā)展數(shù)據(jù)共享：系統(tǒng)各部分的輸入可一次性完成，每一部分不必重新初始化，各子 系統(tǒng)產(chǎn)生的輸出可為其它有關的子系統(tǒng)直接接收使用，不必人工干預。系統(tǒng)集成化：系統(tǒng)中功能不同的軟件系統(tǒng)，按不同的用途有機的結合起來，用 統(tǒng)一的執(zhí)行控制程序來組織各種信息的傳遞，保證系統(tǒng)內信息流暢通，并協(xié)調各子系統(tǒng)有效地運行。開放性：系統(tǒng)采用開放式體系結構和通用接口標準。在系統(tǒng)內部

4、各個組成部分 之間易于數(shù)據(jù)交換、易于擴充；在系統(tǒng)外部，一個系統(tǒng)能有效地嵌入另一個系統(tǒng) 中作為其組成部分，或者通過外部接口，有效地連接、實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。CAD/CAM是制造系統(tǒng)的重要組成部分，正確理解CAD/CAM系統(tǒng)集成的概 念，應將CAD/CAM放到整個集成化制造系統(tǒng)中來分析。集成化制造系統(tǒng)是由 管理決策系統(tǒng)、產(chǎn)品設計和工程設計系統(tǒng)、制造自動化系統(tǒng)、質量保障系統(tǒng)四個 功能子系統(tǒng)以及計算機網(wǎng)絡和數(shù)據(jù)庫兩個支撐子系統(tǒng)等六個部分有機地集成起 來的，下圖表示了六個子系統(tǒng)及其和外部信息的聯(lián)系。在現(xiàn)代機械制造業(yè)中，模具工業(yè)已成為國民經(jīng)濟中的基礎工業(yè)，許多新產(chǎn)品的開發(fā) 和生產(chǎn),在很大程度上依賴于模具制造技術

5、，特別是在汽車、輕工、電子和航天等 行業(yè)中尤顯重要。模具制造能力的強弱和模具制造水平的高低，已經(jīng)成為衡量一 個國家機械制造技術水平的重要標志之一，直接影響著國民經(jīng)濟中許多部門的發(fā) 展。模具CAD/CAM是在模具CAD和模具CAM分別發(fā)展的基礎上發(fā)展起來的, 它是計算機技術在模具生產(chǎn)中綜合使用的一個新的飛躍。CAD/CAM技術的迅猛發(fā)展,軟件、硬件水平的進一步完善，為模具工業(yè)提供了強有力的技術支持，為企業(yè) 的產(chǎn)品設計、制造和生產(chǎn)水平的發(fā)展帶來了質的飛躍，已經(jīng)成為現(xiàn)代企業(yè)信息化、 集成化、網(wǎng)絡化的最優(yōu)選擇。1目前國內流行的CAD/CAM軟件特點及其使用情況1.1國外軟件1.1.1 Un igrap

6、hics(UG)UG起源于美國麥道(MD)公司的產(chǎn)品，1991年11月并入美國通用汽車公司EDS分部。UG由其獨立子公司UnigraphicsSolutions開發(fā),是一個集 CAD/CAM/CAE于一體的機械工程輔助系統(tǒng)，適用于航空、航天、汽車、通用機 械以及模具等的設計、分析及制造工程。UG是將優(yōu)越的參數(shù)化和變量化技術和 傳統(tǒng)的實體、線框和表面功能結合在一起，還提供了二次開發(fā)工具 GRIP、UFUNG、 ITK,允許用戶擴展UG的功能。1.1.2 AutoCADAutoCAD是美國Autodesk公司開發(fā)的一個具有交互式和強大二維功能的繪 圖軟件，如二維繪圖、編輯、剖面線和圖案繪制、尺寸標

7、注以及二次開發(fā)等功能，同時有部分三維功能。AutoCAD軟件是目前世界上使用最廣的 CAD軟件,占整 個CAD/CAE/CAM 軟件市場的37%左右,在中國二維繪圖 CAD軟件市場占有絕 對優(yōu)勢。1.1.3 MDT(Mecha nicalDesktop)MDT是Autodesk公司在基于參數(shù)化特征實體造型和曲面造型的CAD/CAM軟件,它以三維設計為基礎，集設計、分析、制造以及文檔管理等多種功能為一體， 為用戶提供了從設計到制造一體化的解決方案。據(jù)稱目前已經(jīng)裝機2萬余套，國內已銷售近千套。1.1.4 SolidWorksSolidWorks是由美國SolidWorks公司于1995年11月研制

8、開發(fā)的基于Windows平臺的全參數(shù)化特征造型的軟件，SolidWorks是世界各地用戶廣泛使 用，富有技術創(chuàng)新的軟件系統(tǒng)，已經(jīng)成為三維機械設計軟件的標準。它可以十分方 便地實現(xiàn)復雜的三維零件實體造型、復雜裝配和生成工程圖。圖形界面友好 ，用 戶易學易用。SolidWorks軟件于1996年8月由生信國際有限公司正式引入中國 以來，在機械行業(yè)獲得普遍使用，目前用戶已經(jīng)擴大到三十多萬個單位。1.1.5 Pro/E ngi neerPro/Engineer 是美國參數(shù)技術公司(ParametricTechnologyCorporation 簡稱 PTC)的產(chǎn)品，于1988年問世。Pro/E具有先進

9、的參數(shù)化設計、基于特征設計的實 體造型和便于移植設計思想的特點，該軟件用戶界面友好，符合工程技術人員的機 械設計思想。Pro/Engineer整個系統(tǒng)建立在統(tǒng)一的完備的數(shù)據(jù)庫以及完整而多樣 的模型上，由于它有二十多個模塊供用戶選擇，故能將整個設計和生產(chǎn)過程集成在 一起。在最近幾年Pro/E已成為三維機械設計領域里最富有魅力的軟件，在中國 模具工廠得到了非常廣泛的使用。1.2國內軟件1.2.1 PICADPICAD系統(tǒng)及系列軟件是中科院凱思軟件集團及北京凱思博宏使用工程公司 開發(fā)的具有自主知識產(chǎn)權的CAD軟件。該軟件具有智能化、參數(shù)化和較強的開放性，對特征點和特征坐標可自動捕捉及動態(tài)導航；系統(tǒng)提

10、供局部圖形參數(shù)化、參 數(shù)化圖素拼裝及可擴充的參數(shù)圖符庫；提供交互環(huán)境下的開放的二次開發(fā)工具，用 戶可以任意增加功能或開發(fā)專業(yè)使用軟件。PICAD是國內商品化最早、市場占有率最大的CAD支撐平臺及交互式工程繪圖系統(tǒng)，自從1991年推出中國第1個 商品化的二維CAD系統(tǒng)以來,PICAD的用戶已經(jīng)遍及各行業(yè)及各省市，至今裝機 量已超過數(shù)萬套。1.2.2 高華 CAD高華CAD軟件包括機械設計及繪圖系統(tǒng) GHMDS、計算機輔助繪圖支撐系統(tǒng) GHDrafting、工藝設計系統(tǒng)GHCAPP、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng) GHPDMS、三維幾 何造型系統(tǒng)GHGEMS及自動數(shù)控編程系統(tǒng) GHCAM。其中GHMDS是基于參

11、 數(shù)化設計的CAD/CAE/CAM集成系統(tǒng)，具有全程導航、圖形繪制、明細表的處理、 全約束參數(shù)化設計、參數(shù)化圖素拼裝、尺寸標注、標準件庫、圖像編輯等功能模 塊。1.2.3 CAXACAXA電子圖板是一套高效、方便、智能化的通用中文設計繪圖軟件 ，可幫助 設計人員進行零件圖、裝配圖、工藝圖表、平面包裝的設計 ，適合所有需要二維 繪圖的場合，使設計人員可以把精力集中在設計構思上，徹底甩掉圖板，滿足相關 行業(yè)的設計要求。CAXA-ME是一套數(shù)控編程和三維加工軟件,具有強大的造型功能,可快速建立 各種復雜的三維模型，它為數(shù)控加工行業(yè)提供了從造型、設計到加工代碼生成、 加工仿真、代碼校驗等一體化的解決方

12、案。其中的CAXA注塑模設計(CAXA-IMD) 是一套中文注塑模專業(yè)CAD軟件，該軟件提供注塑模標準模架和零件庫，以及塑 料、模具材料和注射機等設計參數(shù)數(shù)據(jù)庫，可隨時查詢、檢索；并能自動換算型腔 尺寸,對模具進行各種計算。使用該軟件，設計人員不必翻找設計手冊即可輕松設 計模具。1.2.4 GS-CAD98GS-CAD98是浙江大天電子信息工程有限公司開發(fā)的基于特征的參數(shù)化造型 系統(tǒng)的軟件。它是一個具有完全自主知識產(chǎn)權的基于中文Windows95/NT平臺的三維CAD系統(tǒng)，該軟件是在國家 七五"重大攻關及863/CIMS主題目標產(chǎn)品開 發(fā)成果的基礎上滲照SolidWorks的用戶界面

13、風格及主要功能開發(fā)完成的。它包 括實體、草圖、參數(shù)化特征造型及高級曲面造型技術以及采用自適應參數(shù)關聯(lián)技 術來保證從設計到制造過程中各個環(huán)節(jié)的一致性。金銀花系統(tǒng)(Lonicera)金銀花系統(tǒng)是由廣州紅地技術有限公司開發(fā)的基于STEP標準的CAD/CAM系統(tǒng)。該系統(tǒng)是國家科委863/CIMS主題在 九五”期間科技攻關的最新研究成果。 它是基于STEP標準的CAD/CAM系統(tǒng)，該軟件主要使用于機械產(chǎn)品設計和制造 中，它可以實現(xiàn)設計/制造一體化和自動化。該軟件采用面向對象的技術，使用先進 的實體建模、參數(shù)化特征造型、二維和三維一體化、SDAI標準數(shù)據(jù)存取接口的技術;具備機械產(chǎn)品設計、工藝規(guī)劃設計和數(shù)控

14、加工程序自動生成等功能；同時還具有多種標準數(shù)據(jù)接口，如STEP、DXF等;支持產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理(PDM)。目前金銀 花系統(tǒng)的系列產(chǎn)品包括：機械設計平臺MDA、數(shù)控編程系統(tǒng)NCP、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理PDS、工藝設計工具MPP。機械設計平臺MDA1.7版已投放市場，MDA99版 也已發(fā)布，目標是向國外三維CAD軟件發(fā)出強有力的挑戰(zhàn)。1.2.6 開目 CAD開目CAD是華中理工大學機械學院開發(fā)的具有自主知識產(chǎn)權的CAD和圖紙管理軟件，它面向工程實際使用。開目CAD在設計思想上遵循畫法幾何的原理， 直接模仿工程技術人員手工繪圖時的思維模式和繪圖方法，支持全約束、過約束、欠約束驅動的尺寸分析和驅動模塊，滿足用戶各

15、類需求；支持AUTOCAD具有的 塊、層功能保證了和AUTOCAD的完全兼容；擁有強大、靈活的零件標注和明細 欄設計功能，靈活的自定義尺寸樣式、零件標注樣式、上線、智能導航工具更使 用得心應手。2目前CAD/CAM軟件二次開發(fā)情況如上所述,許多商品化的CAD/CAM系統(tǒng)在模具行業(yè)中得到了廣泛使用,但由于 這些CAD/CAM系統(tǒng)都是作為通用機械設計和制造軟件來設計的,沒有特別針對 模具,為了提高模具設計的效率和正確率，需要對其進行二次開發(fā)。在微機平臺上 開發(fā)CAD/CAM軟件方面我國和國外起點差不多，都是使用VisualC+或 OpenGL等工具進行軟件開發(fā)，國內許多高校、軟件公司和企業(yè)在此基礎

16、上開發(fā) 出了先進的、有自己特色的、符合中國用戶習慣的 CAD/CAM軟件或模塊，其中 有一些成果已經(jīng)得到了推廣和使用7。如華中科技大學1997年推出了 HSC2.0 注射模CAD/CAE/CAM集成系統(tǒng)，該系統(tǒng)以AutoCAD軟件包為圖形支撐平臺，包 括模具結構設計子系統(tǒng)，結構及工藝參數(shù)計算校核子系統(tǒng)，塑料流動、冷卻等子系 統(tǒng)。合肥工業(yè)大學基于AutoCAD和MDT的三維參數(shù)化注射模系統(tǒng)IPMCADV4.0 另外，眾多的科研單位和企業(yè)也針對具體使用開發(fā)了眾多的插件和模塊，如武漢汽 車工業(yè)大學開發(fā)了基于 SolidWorks的三維標準件庫3DPARTLIB等。3模具CAD/CAM軟件開發(fā)應遵循的

17、原則1）用戶界面友好 軟件開發(fā)的目的是為了使用，所以用戶是否可以較為容易地 掌握成為評價軟件的基本標準。一個友好的用戶界面應包括：使用方便，界面熟悉, 有靈活的提示幫助信息，良好的交互方式，良好的出錯處理。2）遵循軟件工程方法 軟件工程是指導計算機軟件開發(fā)和維護的工程科學。 即采用工程的概念原理、技術和方法來開發(fā)和維護軟件。軟件工程采用生命周期 法從時間上對軟件的開發(fā)和維護進行分解，把軟件生存周期依次劃分為幾個階段， 分階段進行開發(fā)。3）參數(shù)化CAD對于系列化、通用化和標準化程度高的產(chǎn)品，產(chǎn)品設計所采用的數(shù)學模型及產(chǎn)品結構都是固定的。不同的僅是結構尺寸的差異，這是由于相同數(shù)目及類型的已知條件在

18、不同規(guī)格的產(chǎn)品設計中取不同值而造成的。對于這類產(chǎn)品,可以將已知條件及其他的隨著產(chǎn)品規(guī)格而變化的基本參數(shù)用相應的變量代替，然后根據(jù)這些已知條件和基本參數(shù)，由計算機自動查詢圖形數(shù)據(jù)庫，或由相應的軟 件計算出繪圖所需的全部數(shù)據(jù)，由專門的繪圖生成軟件在屏幕上自動地設計出圖 形來,這種方法稱為參數(shù)化CAD。4）成組CAD許多企業(yè)的產(chǎn)品結構盡管不一樣，但比較相似，可以根據(jù)產(chǎn)品結 構和工藝性的相似性，利用成組技術將零件劃分成有限數(shù)目的零件庫，根據(jù)同一零 件族中各零件的結構特點編制相應的 CAD通用軟件，用于該族所有零件的設計， 這就是成組CAD 。5）智能化CAD工程設計中有一部分工作是非計算性的，需要推理

19、和判斷，其 中包括設計過程內容的過程決策和具體設計的技術決策。因此，設計效率和質量 在較大程度上取決于設計師的實踐經(jīng)驗、創(chuàng)造性思維和工作的責任心。采用專家 系統(tǒng)可以指導設計師下一步該做什么，當前存在問題，建議問題的解決途徑和推薦 解決方案，或者模擬人的智慧，根據(jù)出現(xiàn)的問題提出合理的解決方案。采用專家系 統(tǒng)可以提高設計質量和效率。智能化 CAD就是將專家系統(tǒng)和CAD技術融為一 體而建立起來的系統(tǒng)。4模具CAD/CAM技術發(fā)展趨勢21世紀模具制造行業(yè)的基本特征是高度集成化、智能化、柔性化和網(wǎng)絡化，追求的目標是提高產(chǎn)品質量及生產(chǎn)效率，縮短設計周期及制造周期，降低生產(chǎn)成本， 最大限度地提高模具制造業(yè)的

20、應變能力，滿足用戶需求。具體表現(xiàn)出以下幾個特 征。1）標準化CAD/CAM系統(tǒng)可建立標準零件數(shù)據(jù)庫,非標準零件數(shù)據(jù)庫和模具參 數(shù)數(shù)據(jù)庫。標準零件庫中的零件在CAD設計中可以隨時調用，并采用GT（成組技 術）生產(chǎn)。非標準零件庫中存放的零件，雖然和設計所需結構不盡相同，但利用系統(tǒng) 自身的建模技術可以方便地進行修改，從而加快設計過程，典型模具結構庫是在參 數(shù)化設計的基礎上實現(xiàn)的，按用戶要求對相似模具結構進行修改，即可生成所需要 的結構。2）集成化技術現(xiàn)代模具設計制造系統(tǒng)不僅應強調信息的集成，更應該強調技術、人和管理的集成。在開發(fā)模具制造系統(tǒng)時強調多集成”的概念,即信息集成、智能集成、串并行工作機制集

21、成及人員集成，這更適合未來制造系統(tǒng)的需求。3）智能化技術 使用人工智能技術實現(xiàn)產(chǎn)品生命周期（包括產(chǎn)品設計、制造、使 用）各個環(huán)節(jié)的智能化，實現(xiàn)生產(chǎn)過程（包括組織、管理、計劃、調度、控制等）各 個環(huán)節(jié)的智能化，以及模具設備的智能化，也要實現(xiàn)人和系統(tǒng)的融合及人在其中智 能的充分發(fā)揮。4）網(wǎng)絡技術的使用網(wǎng)絡技術包括硬件和軟件的集成實現(xiàn)，各種通訊協(xié)議及制 造自動化協(xié)議,信息通訊接口，系統(tǒng)操作控制策略等，是實現(xiàn)各種制造系統(tǒng)自動化 的基礎。目前早已出現(xiàn)了通過In ternet實現(xiàn)跨國界模具設計的成功例子。5）多學科多功能綜合產(chǎn)品設計技術 未來產(chǎn)品的開發(fā)設計不僅用到機械科學的 理論和知識，而且還用到電磁學、

22、光學、控制理論等知識。產(chǎn)品的開發(fā)要進行多目標全性能的優(yōu)化設計，以追求模具產(chǎn)品動靜態(tài)特性、效率、精度、使用壽命、 可靠性、制造成本和制造周期的最佳組合。6）逆向工程技術的使用 在許多情況下，一些產(chǎn)品并非來自設計概念，而是起源 于另外一些產(chǎn)品或實物，要在只有產(chǎn)品原型或實物模型，而沒有產(chǎn)品圖樣的條件下 進行模具的設計和制造以便制造出產(chǎn)品。此時需要通過實物的測量，然后利用測 量數(shù)據(jù)進行實物的CAD幾何模型的重新構造，這種過程就是逆向工程 RE（ReverseEngineering）。逆向工程能夠縮短從設計到制造的周期，是幫助設計 者實現(xiàn)并行工程等現(xiàn)代設計概念的一種強有力的工具 ，目前在工程上正得到越來

23、 越廣泛的使用。7）快速成形技術快速成形制造技術RPM（RapidPrototyping&Manufacturing） 是基于層制造原理，迅速制造出產(chǎn)品原型，而和零件的幾何復雜程度絲毫無關，尤 其在具有復雜曲面形狀的產(chǎn)品制造中更能顯示其優(yōu)越性。它不僅能夠迅速制造出原型供設計評估、裝配校驗、功能試驗，而且還可以通過形狀復制快速經(jīng)濟地制 造出產(chǎn)品模具（如制造電極用于EDM加工、作為模芯消失鑄造出模具等）,從而避 免了傳統(tǒng)模具制造的費時、高成本的NC加工，因而RPM技術在模具制造中日益 發(fā)揮著重要的作用。5 CAD/CAM技術存在的主要不足 我國模具CAD/CAM技術的使用依然存在著許多不足