毕业设计（论文）-CADCAM在模具中的应用.doc

cad/cam在模具中的应用09计算机辅助设计与制造专业 孙正【内容摘要】模具的发展正在从依靠手工加工技巧向依靠工业化装置方向演变,这方面最现代化的技术是借助计算机在从设计到加工的全过程中合理地把图形处理作为核心的cad/cam系统随着模具制造由技能化逐步向科学化方向发展,原来依靠绘制图形和主模型制造大型覆盖件模具的传统方法,也逐步由cad/cam系统以数字描述覆盖件形状并转化为加工轨迹的方法所取代。运用国内与国外在模具方面所运用的对比使的我们更加了解我们国内对于cad/cam 的运用情况，cad/cam的强大功能及优点在模具中的不断运用促使了以网络技术控制加工过程更加精准,则又将模具制造科学化的水平推向一个新高度。cad/cam在模具中的发展前景，随着人类对科学技术的不断研究与探索，让我们对未来的科学发展充满期待，展望明天！【关键词】cad/cam 模具 特点 国内外 发展前景一对cad/cam的介绍及发展轨迹历经30多年的发展,人类掌握的生产制造技术有了飞速的提升,cad/cam技术的应用已成为衡量一个国家的科技现代化和工业现代化水平的重要标志。cad是指计算机辅助设计。对于cad的定义,国际信息处理联合会认为：cad是工程技术人员以计算机为工具，对产品和工程进行设计、绘图、分析和编写技术文档等设计活动的总称。1cad技术的发展和形成至今有50多年的历史了，自20世纪50年代在美国诞生了第一台计算机绘图系统，开始出现具有简单绘图输出功能的被动式的计算机辅助设计技术，即cad技术。到目前，cad的发展经历了四次技术革命。1 第一次cad技术革命曲面造型系统， 在60年代出现的三维cad系统只是极为简单的线框式系统，它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。进入70年代，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。随着计算机的发展，当三维曲面造型系统出现时，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中解放出来，首次实现以计算机完整描述产品零件的主要信息的方式。促使了第一次cad技术革命的发生.1 第二次cad技术革命实体造型技术， 从70年代末到80年代初，随着计算机技术的前进，同时在cad技术方面也进行了许多开拓，1979年世界上出现了第一个完全基于实体造型技术的大型cad软件i-deas。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cad的模型表达，给设计带来了惊人的方便性。它代表着未来cad技术的发展方向。1 第三次cad技术革命 参数化技术，在实体造型技术逐渐普及时，cad技术的研究又有了重大进展。在80年代中期，人们提出了参数化实体造型方法。进入90年代，参数化技术变得比较成熟起来，充分体现出其在许多通用件、零部件设计上存在的简便易行的优势。1第四次cad技术革命变量化技术，由于计算机技术的不断成熟，使得现在的cad技术和系统都具有良好的开放性。图形接口、图形功能日趋标准化。在cad系统中，综合应用正文、图形、图像、语音等多媒体技术和人工智能、专家系统等技术大大提高了自动化设计的程度，出现了智能cad新学科。智能cad把工程数据库及其管理系统、知识库及其专家系统、拟人化用户接口管理系统集于一体。在cad发展历史中我们可以看到其技术一直处于不断的发展与探索之中，促使了cad技术的繁荣。1 目前cad技术仍在不断发展，未来的cad技术将为新产品设计提供一个综合性的环境支持系统，它能全面支持异地的，数字化的，采用不同的设计哲理与方法来设计工作。2cad系统既可以按系统的功能分类，也可以按系统中使用的计算机的性能和类型分类。目前，cad 已在电子和电气、科学研究、机械设计 、软件开发、机器人、服装业、出版业、工厂自动化、土木建筑、地质、计算机艺术等各个领域得到广泛应用。2 cam是指计算机辅助制造。它是计算机应用于生产设备管理控制和操作的系统，其核心是计算机数值控制(数控)。cam作为整个集成系统的重要一级，向上与cad实现无缝集成，向下智能、高效地为数控生产提供服务，这是cam技术在今后发展的主要理论依据。3 cam技术从产生发展到现在，无论是在硬件平台，还是在系统结构上，cam在其功能和特点上都发生了较大的变化。从cam的发展历程看，cam在其基本处理方式与目标对象上主要可分为两个主要发展阶段：3 第一阶段的cam：apt。20世纪60年代cam以大型机为主，在专业系统上开发的编程机及部分编程软件如：fanoc、semems编程机，系统结构为专机形式，基本的处理方式是以人工或计算机辅助式直接计算数控刀路为主，而编程目标与对象也都是直接数控刀路的。因此其缺点是功能相对比较差，而且操作困难，只能专机专用。3 第二阶段的cam：曲面cam系统。在第一阶段缺陷的基础上，人们又不断完善，创造出了曲面cam系统。系统结构一般是cad/cam混合系统，同时较好地利用了cad模型，以几何信息作为最终的结果，自动生成加工刀路。于是在此基础上，自动化、智能化程度取得了较大幅度的提高，具有代表性的是ug、duct、cimatron、marstercam等。其基本特点是面向局部曲面的加工方式，表现为编程的难易程度与零件的复杂程度直接相关，而与产品的工艺特征、工艺复杂程度等没有直接的相关关系。3科技在不断的发展，因此cam技术也是一个不断发展的过程。通过提高cam的技术，其自动化，智能化水平也不断提高。由于第二阶段的cam存在一定的缺陷性，人们正在酝酿最新一代的cam。可以认为是第三阶段的cam：新一代的cam系统不仅可继承并智能化判断工艺特征，而且具有模型对比、残余模型分析与判断功能，使刀具路径更优化，效率更高。同时面向整体模型的形式也具有对工件包括夹具的防过切、防碰撞修理功能，提高操作的安全性，更符合高速加工的工艺要求，并开放工艺相关联的工艺库、知识库、材料库和刀具库，使工艺知识积累、学习、运用成为可能。3二.cad/cam在模具中所表现出的特点cad/cam技术的发展在模具中的运用，使其得到充分的利用，cad/cam的优越性赋予了模具无限的生命力，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。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。4 (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25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。4 (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。5cad/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 (5)随着塑性成形过程计算机模拟技术的提高，模具cad/cam/cae一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。5三.国内外运用的情况由于模具属于单件小批量生产，产品质量要求高，加工时间长等特点，使得模具制造行业成为最早使用三维软件的行业之一。同时，模具加工领域也离不开cam软件。cad/cam技术能使工程师借助于计算机对产品结构、成型工艺、数控加工及成本等进行设计和优化，无疑可以有效提高模具设计和制造的水平和质量，缩短模具的开发和设计周期。与模具行业的快速增长相对应的是，模具行业cad/cam/cae市场竞争也日益激烈。目前，cam软件的竞争主要在加工效率与加工质量方面，随着加工手段的多样化和数控设备的快速发展，对cam软件的应用范畴也提出了新的要求。cad/cam/cae与模具加工形成了相互促进的局面。2(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(2)国内模具cad/cam技术的应用现状近年来，我国模具水平已有很大提高。大型冲压模具已能生产单套重量达50多吨的模具。为中档轿车配套的覆盖件模具国内也能生产了。精度达到12m，寿命2亿次左右的多工位级进模国内已有多家企业能够生产。表面粗糙度达到ra1.5m的精冲模，大尺寸（300mm）精冲模及中厚板精冲模国内也已达到相当高的水平。2 我国模具cad/cam技术的发展已有20多年历史。由原华中工学院和武汉733厂于1984年共同完成的精冲模cad/cam系统是我国第一个自行开发的模具cad/cam系统。由华中工学院和北京模具厂等于1986年共同完成的冷冲模cad/cam系统是我国自行开发的第一个冲裁模cad/cam系统。上海交通大学开发的冷冲模cad/cam系统也于同年完成。20世纪90年代以来，国内汽车行业的模具设计制造中开始采用cad/cam技术。国家科委863计划将东风汽车公司作为cims应用示范工厂，由华中理工大学作为技术依托单位，开发的汽车车身与覆盖件模具cad/capp/cam集成系统于1996年初通过鉴定。在此期间，一汽和成飞汽车模具中心引进了工作站和cad/cam软件系统，并在模具设计制造中实际应用，取得了显著效益。1997年一汽引进了板料成型过程计算机模拟cae软件并开始用于生产。2 21世纪开始cad/cam技术逐渐普及，现在具有一定生产能力的冲压模具企业基本都有了cad/cam技术。其中部分骨干重点企业还具备各cae能力。 模具cad/cam技术能显著缩短模具设计与制造周期，降低生产成本，提高产品质量，已成为人们的共识。在“八五”、“九五”期间，已有一大批模具企业推广普及了计算机绘图技术，数控加工的使用率也越来越高，并陆续引进了相当数量的cad/cam系统。如美国eds的ug，美国parametrictechnology公司的pro/engineer，美国cv公司的cads5，英国delcam公司的doct5，日本hzs公司的crade及space-e，以色列公司的cimatron，还引进了autocad、catia等软件及法国marta-daravision公司用于汽车及覆盖件模具的euclid-is等专用软件。国内汽车覆盖件模具生产企业普遍采用了cad/cam技术。dl图的设计和模具结构图的设计均已实现二维cad，多数企业已经向三维过渡，总图生产逐步代替零件图生产。且模具的参数化设计也开始走向少数模具厂家技术开发的领域。2四.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。6 (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。6 (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。6 (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挥。6(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。7 (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 (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。7 (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。7 (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。7五.未来cad/cam技术在模具制造行业的发展趋势 21世纪模具制造行业的基本特征是高度集成化、智能化、柔性化和网络化,追求的目标是提高产品质量及生产效率,缩短设计周期及制造周期,降低生产成本,最大限度地提高模具制造业的应变能力,满足用户需求。具体表现出以下几个特征。 （1)标准化 cad/cam系统可建立标准零件数据库,非标准零件数据库和模具参数数据库。标准零件库中的零件在cad设计中可以随时调用,并采用gt(成组技术)生产。非标准零件库中存放的零件,虽然与设计所需结构不尽相同,但利用系统自身的建模技术可以方便地进行修改,从而加快设计过程,典型模具结构库是在参数化设计的基础上实现的,按用户要求对相似模具结构进行修改,即可生成所需要的结构。8 （2)集成化技术 现代模具设计制造系统不仅应强调信息的集成,更应该强调技术、人和管理的集成。在开发模具制造系统时强调“多集成”的概念,即信息集成、智能集成、串并行工作机制集成及人员集成,这更适合未来制造系统的需求。8 （3)智能化技术 应用人工智能技术实现产品生命周期(包括产品设计、制造、使用)各个环节的智能化,实现生产过程(包括组织、管理、计划、调度、控制等)各个环节的智能化,以及模具设备的智能化,也要实现人与系统的融合及人在其中智能的充分发挥。8 （4)网络技术的应用 网络技术包括硬件与软件的集成实现,各种通讯协议及制造自动化协议,信息通讯接口,系统操作控制策略等,是实现各种制造系统自动化的基础。目前早已出现了通过internet实现跨国界模具设计的成功例子。9（5)多学科多功能综合产品设计技术 未来产品的开发设计不仅用到机械科学的理论与知识,而且还用到电磁学、光学、控制理论等知识。产品的开发要进行多目标全性能的优化设计,以追求模具产品动静态特性、效率、精度、使用寿命、可靠性、制造成本与制造周期的最佳组合。9 （6)逆向工程技术的应用 在许多情况下,一些产品并非来自设计概念,而是起源于另外一些产品或实物,要在只有产品原型或实物模型,而没有产品图样的条件下进行模具的设计和制造以便制造出产品。此时需要通过实物的测量,然后利用测量数据进行实物的cad几何模型的重新构造,这种过程就是逆向工程re(reverseengineering)。逆向工程能够缩短从设计到制造的周期,是帮助设计者实现并行工程等现代设计概念的一种强有力的工具,目前在工程上正得到越来越广泛的应用。10（7)快速成形技术 快速成形制造技术rpm(rapidprototyping&manufacturing)是基于层制造原理,迅速制造出产品原型,而与零件的几何复杂程度丝毫无关,尤其在具有复杂曲面形状的产品制造中更能显示其优越性。它不仅能够迅速制造出原型供设计评估、装配校验、功能试验,而且还可以通过形状复制快速经济地制造出产品模具(如制造电极用于edm加工、作为模芯消失铸造出模具等),从而避免了传统模具制造的费时、高成本的nc加工,因而rpm技术在模具制造中日益发挥着重要的作用。10（8）微型化 cad/cam正转向采用超级型计算机，以超级计算机为基础的cad/cam系统不断增多，功能也在不断扩大。10（9）最优化 大多数模具系统采用交互方式运行，发展塑性成形过程的计算机模拟技术，利用仿真技术模拟加工。10（10）新型化 利用cad/cam的新型外部设备不断问世。10六.结论经过这几十年的发展,我国模具cad/cam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。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。在政府的大力支持下先后出现了一批先进的模具cad/cam示范企业,高校和企业也培养了一大批模具cad/cam软件开发及应用人才。但总的来说,我国目前模具cad/cam软件不管是从产品开发水平还是从商品化、市场化程度都与发达国家有不小的差距。模具cad/ca