模具CADCAM领域新技术.docx

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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：

柔性制造系统FMS（FlexibleManufacturingSystem）

计算机集成制造系统CIMS

（ComputerIntegratedManufacturingSystem）

并行工程CE（ConcurrentEngineering）等

由于网络技术的快速发展，又现出了:

敏捷制造AM（AgileManufacturing）

精良生产LP（LeanProduction）

分布式制造DM（DistributedManufacturing）

虚拟制造VM（VirtualManufacturing）等新技术

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

一、模具数字化设计技术

二、高速加工技术

三、逆向工程技术

四、快速成形技术

五、虚拟制造技术

进行简单的介绍。

第一部分　模具数字化设计技术

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

数字化设计技术，指产品和工艺设计方面CAD／CAM／CAE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。

一、数字化设计技术（CAD/CAM/CAE）的发展过程

CAD技术以二维绘图为主要目标

　　在二维绘图系统CAD的基础上推出了三维曲面造型系统

　　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参数化实体造型方法

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ComputerAidedDrawing，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Bézier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／CAE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—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：

CAD／CAM、CAE分为三个档次

高档CAD／CAM系统——工作站CAD／CAM系统

中档CAD／CAM系统——微机三维CAD／CAM系统

低档CAD／CAM系统——微机二维CAD／CAM系统

（1）高档CAD／CAM系统——工作站CAD／CAM系统。

工作站CAD／CAM是由于工作站出现后，产生了UNIX操作系统，此时的CAD／CAM技术得到很快发展，如建模技术、产品数据交换技术、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——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CAD／CAM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CAD／CAM系统。

（3）低档CAD／CAM系统——微机二维CAD／CAM系统。

低档CAD／CAM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。

二、产品造型数字化设计

产品零件造型

产品装配造型

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

线框造型

表面造型

实体造型

形体的表示模式

特征造型

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CAD／CAM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CAD／CAM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CAD／CAM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CAD／CAM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，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CAD／CAM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，特征造型有以下特点。

1）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。

2）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，设计人员可以将更多精力放在创造性构思上。

3）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CAD／CAPP／CAM集成系统奠定基础。

2．装配造型

产品装配造型

多组件装配

虚拟装配

装配造型的一般方法

自底向上

自顶向下

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（Assembly　Modeling）。

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、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CAD／CAM系统中，有两种不同的装配模式：

多组件装配和虚拟装配。

（1）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。

（2）虚拟装配

该装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：

1）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；

2）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

塑料注射模CAD/CAM

冷冲压模具CAD/CAM

塑料注射模CAD的应用

本节介绍塑料注射模与冷冲压模具CAD/CAM的概况。

1．塑料注射模CAD/CAM的概况

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，Computer　Aided　Engineering），同时注射模CAD的各个单项功能的研究成果也十分突出，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。

国外注射模CAD概况

美国UG公司的MoldWizard

美国PTC公司的Pro／MoldDesign

英国DELCAM公司的Ps-Mold

以色列Cimatron公司的MoldExpert

日本日立造船株式会社的SpaceE／mold

（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Pro／MoldDesign、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SpaceE／mold软件系统等。

这些软件的主要功能有：

软件的主要功能

曲面造型功能

方便的分模工具

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

1）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；

2）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；

4）典型结构、标准零件库添加方便；

5）非标准零件造型和装配简单实用。

（2）国内发展状况

国内注射模CAD概况

华中科技大学三维注射模结构设计系统

合肥工业大学注射模CAD三维参数化系统

上海交通大学集成化注射模智能CAD系统

浙江大学精密注射模CAD／CAM系统

郑州工业大学的ZMOLD系统

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，已取得了很大的发展，主要的研究成果有：

华中科技大学1988年实现了注射模CAD／CAE／CAM

集成系统HSCl．0版，1990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概况

类似模块

美国PTC公司板金零件造型模块Pro／SheetMetal

美国UGSolutions公司板金零件造型模块UG／SheetMetal

专用模块

美国ComputerDesign公司级进模CAD软件Str