模具CAD/CAM软件的应用与开发现状
专业：机械制造与自动化 班级：09-2班 姓名：李聪 学号：07
【摘要】本文介绍了模具CAD/CAM技术发展概况和模具CAD/CAM软件特点及其优越性，分析了模具行业采用模具CAD/CAM技术的原因，阐述了模具CAD/CAM应用情况和开发现状。最后指出了我国模具CAD/CAM软件应用与开发中存在的主要不足。 一、CAD/CAM发展概况
计算机辅助设计（CAD）
计算机辅助设计（CAD）是集计算机科学与工程科学为一体的综合性学科。近40年 来，CAD技术得到迅速发展，已成为以“计算机技术”和“计算机图形学”为技术基础，并融合各工程学科知识的一种应用技术。
CAD技术是CAD/CAM的基础，亦是一项理论与实践相结合的技术。可以这样理解 CAD技术:⑴它是一个过程，在计算机环境下完成产品设计的创新、分析和修改，以达到预 期的设计目标;⑵它是一项产品建模技术，把产品的物理模型转化为产品数据模型，并将其 储存在计算机内供后续的计算机辅助技术（CAX）所共享，驱动产品生命周期的全过程。
在CAD技术研究与应用的最初阶段，主要是在几何造型方面开展的，经历了线框造型、曲面造型、实体造型和特征造型等发展阶段。几何造型技术解决了设计对象在计算机内部表达的问题，但一个完整的机械产品设计不仅仅对几何形状有要求，还有诸如力学特性、运动学特性等方面的要求。随着计算机技术的发展，CAX技术广泛应用于制造业，生产实践中有了进一步提高生产过程的集成化和自动化程度的要求，CAD的概念进一步扩展到与制造全过程相关联。如在产品数据模型中应考虑如何方便工艺过程设计、数控加工自动编程、 数控检测等环节的要求。因此，机械产品CAD过程包括从产品数据模型建立、工程分析、动态模拟（动力学分析与仿真、运动学分析与仿真等）到生成产品的设计文档资料（装配图、零件图及设计过程需要的各种技术文档）的全部过程。 计算机辅助制造（CAM）
计算机辅助制造（CAM）至今尚无统一的定义。一般来说，可以从狭义和广义两个方面来理解CAM。
（1）狭义CAM:指应用计算机辅助技术编制数控机床加工指令（Numerical Control Programming，简称NCP）。 （2）广义CAM:指应用计算机及其交互设备进行制造信息处理的全过程。它不仅仅包 括应用计算机辅助手段编制数控程序，还包括用计算机辅助完成生产前的准备及生产过程 中的管理与控制工作，如计算机辅助工艺过程设计（CAPP）、计算机辅助生产管理（Computer Aided Production Management，简称CAPM）、生产过程控制和质量监控等。
从上述解释可以看出，广义CAM是指从毛坯到产品的全部制造过程中，包括间接制造 过
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程和直接制造过程，都应用了计算机辅助手段。而狭义CAM仅指在制造过程中某个环 节，如在数控编程环节应用计算机辅助技术。因此，如何理解CAM，首先必须分清范畴。
二、模具CAD/CAM发展概况
计算机辅助设计与制造（CAD/CAM）技术是随着计算机和数字化信息技术发展而形成的新技术，是20世纪最杰出的工程成就之一，也是数字化、信息化制造技术的基础。其发展和应用对制造业产生了巨大的影响和推动作用。经过几十年的发展和应用，不仅CAD/CAM本身已形成规模庞大的产业，而且为制造业带来了巨大的社会效益和经济效益。目前CAD/CAM技术广泛应用于机械、电子、航空、航天、汽车、船舶、纺织、轻工及建筑等各个领域，它的应用水平已成为衡量一个国家技术发展水平及工业现代化的重要标志。
随着CAD/CAM技术的推广应用，它已逐渐从一门新兴技术发展成为一种高新技术产业，带动了一批企业的技术改造和技术更新，从事CAD/CAM技术应用的人员还将不断增加，因此急需学习和掌握CAD/CAM的原理、方法与技术，以适应形势的发展和社会的需要。
模具CAD/CAM的发展状况符合通用CAD/CAM软件的发展进程。目前通用CAD/CAM软件的发展现状如下：CAD技术经历了2维平面图形设计，交互式图形设计、三维线框模型设计、三维实体造型设计、自由曲面造型设计、参数化设计、特征造型设计等发展过程。近年来又出现了许多先进技术，如变量化技术、虚拟产品建模技术等。随着互联网的普及，智能化（intelligent）、协同化（collaborative）、集成化（integrated）成为CAD技术新的发展特点，使CAD技术得以更广泛的应用，发展成为支持协同设计、异地设计和信息共享的网络CAD。 三、模具CAD/CAM的特点 1个稳定的、可以满足实际生产设计需要的模具CAD/CAM系统应该具备下列特点： (l)模具CAD/CAM系统必须具备描述物体几何形状的能力。模具设计中因为模具的工作部分(如拉深模、锻模和注射模的型腔)是根据产品零件的形状设计的，所以无论设计什么类型的模具，开始阶段必须提供产品零件的几何形状。这就要求模具CAD系统具备描述物体几何形状的能力，即几何造型的功能。否则，就无法输入关于产品零件的几何信息，设计程序便无法运行。另外，为了编制NC加工程序，计算刀具轨迹，也需要建立模具零件的几何模型。因此，几何造型是模具CAD/CAM中的1个重要问题。 (2)标准化是实现模具CAD的必要条件。模具设计1般不具有唯1性。对于同1产品零件，不同设计人员设计的模具不尽相同。为了便于实现模具CAD，减少数据的存储量，在建立模具CAD系统时首先要解决的问题便是标准化问题，包括设计准则的标准化、模具零件和模具结构的标准化。有了标准化的模具结构，在设计模具时可以选用典型的模具组合，调用标准模具零件，需要设计的只是少数工作零件。
(3)设计准则的处理是模具CAD中的1个重要问题。人工设计模具所依据的设计准则大部分是以数表和线图形式给出的。在编制设计程序时，必须对这些数表和线图进行恰当的处理，将其变为计算机能够处理的表达形式。程序化和公式化是处理数表或线图
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形式设计准则的基本方法。对于某些定性的设计准则，计算机程序无法采用，需要深入研究，总结出便于使用的定量的设计准则。有些经验准则难以程序化或公式化，这时就需要通过人机交互方式发挥经验的作用。
(4)模具CAD/CAM系统应具有充分的柔性。模具的结构随产品的不同而变化，模具型面的几何形状复杂，现阶段，模具的设计方式基本上属于经验设计，设计质量在很大程度上取决于设计者的技巧。模具的生产方式为单件的或小批量的，大量生产模具的情况极为少见。所有这些，要求模具CAD/CAM系统具有充分的柔性，即可以根据不同产品的特点和生产条件，灵活地作出抉择，方便地修改设计。 四、模具CAD/CAM的优越性
模具CAD/CAM的优越性赋予了它无限的生命力，使其得可以迅速发展和广泛应用。无论在提高生产率、改善质量方面，还是在降低成本、减轻劳动强度方面，CAD/CAM技术的优越性是传统的模具设计制造方法所不能比拟的。其优点主要表现在以下几方面： (1)CAD/CAM可以提高模具的质量。在计算机系统内存储了各有关专业的综合性的技术知识，为模具的设计和工艺的制定提供了科学的依据。计算机与设计人员交互作用，有利于发挥人机各自的特长，使模具设计和制造工艺更加合理化。系统采用的优化设计方法有助于某些工艺参数和模具结构的优化。 (2)CAD/CAM可以节省时间，提高生产率。设计计算和图样绘制的自动化大大缩短了设计时间。CAD与CAM的1体化可显著缩短从设计到制造的周期。例如，采用冲裁模CAD/CAM系统设计制造模具，比传统方法提高效率2~5倍。由于模具质量提高，可靠性增加，装修时间明显减少，模具的交货时间大大缩短。 (3)CAD/CAM可以较大幅度地降低成本。计算机的高速运算和自动绘图大大节省了劳动力。优化设计带来了原材料的节省，例如，冲压件的毛坯优化排样可使材料利用率提高5%-7%。采用CAM可加工传统方法难以加工的复杂模具型面，可减少模具的加工和调试工时，使制造成本降低。CAD/CAM的经济效益有些可以估算，有些则难以估算。由于采用CAD/CAM术，生产准备时间缩短，产品更新换代加快，大大增强了产品的市场竞争能力。
(4)CAD/CAM技术将技术人员从繁冗的计算、绘图和NC编程工作中解放出来，使其可以从事更多的创造性劳动。
(5)随着塑性成形过程计算机模拟技术的提高，模具CAD/CAM/CAE1体化技术可以大大增加模具的可靠性，减少直至不需要试模修模过程，提高模具设计、制造的1次成功率。
五、模具行业采用模具CAD/CAM技术的原因
传统的模具设计与制造方法不能适应工业产品迅速更新换代和提高质量的要求。因此国内外企业纷纷采用模具CAD/CAM技术。模具行业采用模具CAD/CAM技术的主要理由是：
(1)利用几何造型技术获得的几何模型可供后续的设计分析和数控编程等方面使用。
(2)可以缩短新产品的试制周期，例如在汽车工业中，可缩短模具的设计制造周期。
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(3)提高产品质量的需要，如汽车车身表面等形状，需要利用计算机准备数据和完成随后的制造工作。
(4)模具制造厂和用户对CAD/CAM的需要增加。例如，利用磁盘进行数据传送，用户要求模具制造单位能够交换信息和处理这些数据。
(5)模具加工设备的效率不断提高，需要计算机辅助处理数据，以提高设备利用率。 (6)在企业中建立联系各个部门的信息处理系统。 六、模具CAD/CAM技术在模具行业的应用现状
模具CAD/CAM技术发展很快，应用范围日益扩大。在冲模、锻模、挤压模、注射模和压铸模等方面都有比较成功的CAD/CAM系统。采用CAD/CAM技术是模具技术、生产革新化的措施，是模具技术发展的1个显著特点。
目前我国模具行业应用的模具CAD/CAM软件可以分为两大类：1是机械行业内通用的的CAD/CAM，如前面介绍的Unigraphics(UG)、SOLIDEDGE、AutoCAD、SolidWorks、Pro/Engineer等。2是专门针对模具行业开发的模具CAD/CAM系统，如： 上海交大模具CAD国家工程中心开发的冷冲模CAD系统等。 (1) 国外模具CAD/CAM技术的应用现状
工业发达国家较大的模具生产厂家在CAD/CAM上进行了较大的投资，正大力开发这1技术。如法国FOS模具公司已购买了大型CAD/CAM系统，日本黑田精工株式会社已大力投资开发CAD/CAM系统，瑞士法因图尔公司采用大型CAD/CAM系统设计加工模具已占30%。目前，应用CAD/CAM技术较普遍的为美、日、德等国。例如，日本丰田汽车公司于1965年将数控用于模具加工。 20世纪80年代初期开始采用覆盖件冲模CAD/CAM系统。该系统包括设计覆盖件的NTDFB和CADEIT软件和加工凸、凹模的TINCA软件。利用三坐标测量仪测量粘土模型，并将数据送入计算机。将所得图形经平滑处理后，再把这些数据用于覆盖件设计、冲模的设计与制造。该系统有较强的三维图形功能，可在屏幕上反复修改曲面形状，使工件在冲压成形时不致产生工艺缺陷，从而保证了模具和工件的质量。模具型面的模型保存在数据库中，TINCA软件可利用这些数据，进行模具型面的数控加工。
(2) 国内模具CAD/CAM技术的应用现状
经过近几十年的发展，我国模具CAD/CAM有了长足的发展，在国内的模具生产中，CAD/CAM技术已经得到广泛的应用。模具行业已引进相当数量的国外CAD/CAM系统，如： Unigraphics(UG)、SOLIDEDGE、AutoCAD、SolidWorks、Pro/Engineer等。并配置了运行速度快、性能高的计算机。 但是对于国内1些大型模具企业，它们的CAD/CAM应用状况多停留在从国外购买先进的CAD/CAM系统和设备，但在其上进行的2次开发较少，资源利用率低;对于国内1些中小型模具企业，它们的CAD/CAM应用很少，有些仅停留在以计算机代替画板绘图。所以有必要改善国内模具企业的CAD/CAM应用状况，使它们真正做到快速、准确地对市场做出反应，并使制造的模具产品质量高、成本低，即达到敏捷制造的目的。 七、我国模具CAD/CAM软件自主开发和2次开发情况
我国模具CAD/CAM的开发开始于20世纪70年代末，发展也很迅速。在微机平台上
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开发CAD/CAM软件方面我国与国外起点差不多，都是使用Visual C++，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，符合中国用户习惯的CAD/CAM软件或模块，其中有1些成果已经得到了推广和使用。到目前为止，先后通过国家有关部门鉴定的有精冲模、普通冲裁模、锻模、锤模和注塑模等CAD/CAM系统。但是，直到现在这些系统大多数尚未在生产中广泛推广应用。 国内开发适合模具行业的CAD/CAM软件，主要采用两种途径——在现有CAD/CAM平台上进行2次开发和开发拥有自主版权的CAD/CAM系统。 (1)基于现有模具CAD/CAM平台2次开发成果
华中科技大学1997年推出了HSC2。0注射模CAD/CAE/CAM集成系统，HSC2。0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较核子系统，塑料流动、冷却等子系统等。合肥工业大学基于AUTOCAD与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应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。
(2)自行开发的拥有自主版权的模具CAD/CAM系统
由北京北航海尔软件有限公司推出的三维电子图板和CAXA-ME制造工程师2000，能进行3D零件设计与NC加工，其特点是基于3D参数化的特征设计，实现了实体、曲面和NC加工的协调与统1。上海交通大学中模公司开发的金属塑性成型三维有限元仿真系统，其刚（粘）塑性有限元分析器和动态边界处理技术达到了国际先进水平。吉林金网格模具工程研究中心所开发的冲压模具CAD/CAE/CAM1体化系统，将设计、模拟与制造有机结合起来。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GS-CAD98。金银花(Lonicera)系统是由广州红地技术有限公司开发的基于STEP标准的CAD/CAM系统。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。中科院凯思软件集团及北京凯思博宏应用工程公司开发了具有自主版权的PICAD系统及系列软件。这些软件已经在许多模具行业中的企业得到推广和应用。
八、我国模具CAD/CAM软件应用与开发中存在的主要不足
近几年来，我国CAD/CAM系统的开发和应用取得了1些成绩，国内已初步形成了CAD/CAM商品化软件市场。尽管如此，我国CAD/CAM技术发展在设计水平、开发能力、开发规模、技术和产品质量上还无法与发达国家相比。在CAD/CAM软件应用与开发存在的不足主要有以下几点：
(1)不少的企业对CAD的认识还仅仅停留在绘图阶段，缺乏设计方法和设计理论的指导，从而使CAD产生的效益尚未得到充分发挥。
(2)CAD/CAM软件应用人员层次不齐，不能让CAD软件得到的高效率应用。
(3)在引进模具CAD/CAM技术时存在着盲目性倾向，许多企业没有充分考虑各种CAD/CAM软件的特点，购买回来的CAD/CAM软件不能完全适用于本企业的产品设计与开发工作。
(4)引进的模具CAD/CAM系统的2次开发跟不上，致使引进软件的效率不能完全发
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挥。
(5)国内模具CAD/CAM技术水平还处于高技术集成和向产业化、商品化过渡的时期，自主开发的模具CAD/CAM系统商品化程度不够高，功能和稳定方面与国外先进软件还有很大差距。
(6)我国CAD技术开发创新少、仿制多。没有创新就没有竞争力，只仿制就不能开发出有竞争力的产品。从我国2维CAD到目前研制的三维CAD都存在这1问题。用户提出的参数设计问题”、“数据管理问题”及“特征造型问题”这些技术，我国CAD研究开发者都没有引起注意。
(7)我国CAD软件的开发缺乏理论和算法的研究。CAD技术是1项综合性的高新技术，涉及面广而复杂，技术变化快，竞争激烈。就建模技术而言会涉及很多模型建立的理论和算法，这些都是为解决用户需求而研究开发的，每种理论和算法用于CAD系统中，会产生新的CAD软件，如著名的CSG、B-rep、NURBS等，而我国CAD软件开发者缺乏这方面的研究，
(8)信息集成技术落后。信息技术的广泛集成是以产品数据管理（PDM）和过程管理（PM）为基础，实现CAD/CAPP/CAM和ERP的有机集成，在并行工程中PDM也是重要的基础。而我国在这方面的研究刚刚开始，至今也没有1个在国内市场上成熟的数据库管理系统（DBMS）。因此，这类基础性软件也被国外的系统占领了市场，而我们的CAD/CAPP/CAM集成技术又是建立在国外基础系统上。 (9)CAD中的数据交换格式和标准化落后。在CAD技术的标准化方面，我国由于技术落后，资金投入不足，对此重视不够，至今仍未提出1个有关CAD方面的标准，完全是采用国际标准，而且有的已用作国家标准（IGES、STEP等），另外由于种种因素也跟不上国际标准的更新和发展，因此造成国内CAD软件系统在数据交换、标准化等方面存在不少问题。 九、结论
在模具CAD/CAM的应用方面，经过这几十年的发展，我国模具CAD/CAM的应用有了长足的发展，模具CAD/CAM技术已经被广泛应用于我国企业。在模具CAD/CAM系统开发方面，我国研制模具CAD/CAM软件的开发水平也逐渐接近国外先进水平。在模具CAD/CAM人才方面，在政府的大力支持下，高校和企业培养了1大批模具CAD/CAM软件开发及应用人才。
但总的来说，我国目前模具行业使用CAD/CAM技术还存在着许多弊端， 模具CAD/CAM技术水平还处于高技术集成和向产业化商品化过渡的时期，自主开发的模具CAD/CAM软件的开发水平、商品化、市场化程度都不如发达国家。软件在可靠性和稳定性方面与国外工业发达国家的软件尚有1些差距。
但是我们不但要看清我们的劣势，也要看到我们的优势。与国外软件相比我们的优势是：了解本国市场，提供技术支持方便，价格便宜等。在政府的大力支持下，我国模具CAD/CAM产业要充分利用优势，更要立足国内，结合国情，面向国内经济建设的需要，开发出有自己特色，符合中国人习惯的CAD/CAM软件，走1条适合自己的合理发展道路。
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