模具CAD/CAM的进展状况和工艺瞭望

 　　传统材料加工方面的研究主要集中利用实验和计算技术等手段求解各种应力、应变条件下与材料变形相关的各类问题，模具设计人员利用研究结果来预测零件在加工过程中的变形和模具情况，模具设计过程完全是人工进行的，因而导致设计周期长、效率低。为了缩短设计周期，提高产品的设计效率，CAD/ CAM被广泛地应用于冲压模具的设计和制造过程中。

　　1模具CAD/ CAM技术在国内外的发展过程1. 1模具CAD/ CAM的国际发展现状经过近30年的发展，模具CAD系统由开始的二维系统发展成以实体造型、基于特征设计和CAD/ CAM高度集成为特征的三维系统，并不断将人工智能（AI）技术和计算机网络技术引入这一领域，使系统逐步向智能化、自动化和网络化的方向迈进<1 >.20世纪80年代中期，随着CAD/ CAM技术的发展，冲模计算机辅助设计进入新一轮发展阶段。绝大多数的CAD/ CAM系统开始提供用户定制的编程语言，提供同编程语言（如FOR2 TRAN）的接口。研究人员开始利用这些特点开发更为的冲模CAD/ CAM系统。如：芬兰的金属加工和热处理实验室将FORTRAN计算程序同Auto2trol（Auto2trol为一个3D的CAD/ CAM系统）相集成，系统由Auto2trol提供出图、3D线框模型和CAM功能，FORTRAN计算程序集成到CAD/ CAM系统中用于计算冲裁力、卸料力、弯曲力、弯曲半径和材料利用率等，实现部分模具零件的自动选择和参数化，生成零件列表、自动标注和模具零件尺寸；在日本，富士通公司和松下公司合作开发了用于生产电子产品和精密机械零件的集成CAD/ CAM注塑模、级进模系统，该系统是基于通用CAD/ CAM平台软件CADAM开发的<2 >.

　　1. 2模具CAD/ CAM在国内发展现状20世纪80年代是我国冲模CAD研究的起步期。1984年，华中理工大学研制了精冲模CAD/ CAM系统；1985年，北京机电研究所研制了冲裁模CAD/ CAM系统；1986年，上海交通大学和华中理工大学分别研制了冲裁模CAD/ CAM系统；80年代末，西安交通大学、华中理工大学和上海交通大学等单位又开展了拉深模和冲裁2弯曲多工位级进模CAD的研究。此外，国内其他一些研究机构也完成了一系列的冲模CAD系统。但迄今为止，只有冲裁模CAD/ CAM技术较好地应用于实际生产。

　　2智能技术的发展和应用2. 1智能技术的发展近几十年来，制造业的竞争焦点已发展到开发新产品与对市场响应速度的竞争。先进的智能技术将是制造业快速响应市场机遇、不断推出新产品，从而赢得竞争、求得生存和发展的主要手段。

　　事实上，如何以短的时间开发出高品质和性价比高的创新产品始终是近些年来市场竞争的焦点，而追寻提高产品知识含量以赢得竞争的方法的过程也就是智能技术发展的历程，这可以追溯到人工智能技术的诞生。“人工智能”AI（artificial intel2 ligence）这一术语早是1956年在美国Dartlnouse大学举办的学术研讨上由J . McCarthy、M. Min2 sky、N. Lochester和Shannon共同提出的，它产生的根本目的是试图利用计算机来模拟人的思维，它的提出标志着一门使用计算机研究和模拟人类智能的新兴学科的诞生。

　　2. 2智能技术在模具中的应用20世纪80年代末起，随着智能技术的发展，智能化成为冲模设计系统研究的核心，图形识别、基于规则的推理、模糊逻辑和基于特征的设计等先进技术不断地应用到冲模设计系统中，试图对模具设计的经验和方法进行系统化处理，以部分代替设计者完成设计过程中富有创造性的工作，涌现了一批以设计型专家系统为代表的冲模设计系统。如D. D. Edwards等人开发的基于特征的CAD系统、SMART系统（sheet metal advisorand rule tutor）；Lee等人开发的主要适用于拉深件的工艺可行性评估系统<3 >、METEX系统（metal forming expert system）<4 >等。现今世界上较的级进冲模设计专业软件设计有德国Stepper公司自行开发的用于接插件的级进冲模设计和制造的KIWl软件，以及美国计算机设计公司（Computer Design lnc.）开发的基于AutoCAD平台的级进冲模CAD/ CAM软件SS―Strike软件等。K1WI软件是基于二维MEl0图形软件平台开发的，是为该公司的模具设计和制造CIM服务的。用KIWI软件设计模具是按项目（project）进行的，由主设计师完成排样设计并分成标准子模块，然后再分别设计各子模块，后组合成一副模具()。SS - Strike软件建立了特征参数文件，实现智能参数化排样和尺寸驱动参数化绘图，给出一个多用组合模具结构，有较强的辅助绘图功能，可以辅助设计师在一个很短的时间内完成级进冲模设计，但它的弯曲和成形模具结构的专用辅助功能不够。另外，机械设计软件U G2Ⅱ、Pro/ Engineer都开发有冲模设计模块。冲模CAD/ CAM技术的研究正朝着智能化的方向发展。

　　为了适应现代工程设计日益高效的强烈要求，有必要对传统的智能设计技术进行改造，建立新型的智能设计方法，使之不仅能胜任常规设计，更支持高效创新设计。基于知识的设计技术正是面向现代设计要求而产生发展的新型智能设计方法，是AI技术的拓展与提升，当今世界各发达国家正致力于研究如何将人类知识作为改造传统产业的原动力，并且取得了的成效，该技术正是这一原动力的核心<5 >.

　　3基于知识设计技术的提出和在模具技术中的应用3. 1基于知识技术的定义关于基于知识的设计技术的内涵，许多研究机构提出了不同的观点，如英国Coventry大学的KEM中心认为：基于知识的设计技术存储并处理与产品模型有关的知识，是目前促进工程化、实用化产品开发的值得注意的软件方法。美国Washington大学机械工程系的Dale E. Calhns教授认为：基于知识的设计技术是一种设计方法学，将与下一代CAD技术紧密结合，使用启发式的设计规则，它将涵盖构件、装配和系统的开发。系统存储产品模型，它包含了几何和非几何，以及描述产品如何设计、分析和制造的工程准则。世界系统集成公司美国U GS公司认为：该技术是获取智能对象或人造物（如零件）的生命周期内实质的方法，包括操作性、功能性和性能的要求，以及获取它的进一步变化。总之，可以把基于知识的设计技术的内涵概括为<6 >：1）它是领域专家知识的继承、集成、创新和管理；2）它是CAX技术与AI技术的集成。

　　3. 2知识集成技术的提出基于知识的设计技术的研究目的之一便是为了提高工程设计的创新能力，因为企业的产品和技术创新能力是现代企业主要的竞争能力。由于企业的创新不仅仅是个人的创新，更重要的是集体的创新，因此如何有效地对日益增长的分散化知识进行知识集成，KI（knowledge integration）成为了当前企业关心的问题。在基于知识的设计过程中，如何充分调动和利用各种知识资源，在知识应用中实现其价值的大化是迫切需要解决的问题。

　　这一趋势的出现使KI理论和应用技术成为研究者密切关注的研究领域。

　　KI主要目的是将分散的知识按一定的逻辑规则有机地结合起来，使知识有序化、层次化，从而高效地利用知识资源，有利于知识创新。制造业的化和买方市场的出现，对产品的创新和技术的创新新提出了越来越迫切的要求，网络等信息技术的发展为KI的发展提供了很好的外部条件，而模块化的工程设计方法为KI的实现提供了必需的内部条件，使KI从局部走向整体，从自发的行为发展到精心计划的过程，从偶然的现象变为必然的趋势。简而言之，KI正在基于知识的工程设计中起着越来越重要的作用。

　　3. 3 KI技术在模具中的应用基于知识的设计技术对于产品开发周期的缩短、效率的提高和成本的降低将产生明显的效果。

　　因此近年来，美国、日本和欧洲各国政府在基于知识的设计技术的开发与应用方面都给予了有力的支持，许多跨国公司和大学也纷纷开展研究，以提高企业产品开发的创新能力。美国福特汽车公司在其21世纪发展战略中，将该技术列为保持其在汽车行业地位的关键技术之一；福特在英国的子公司―――美洲虎（Jaguar）汽车公司采用基于知识的设计技术设计某型发动机，设计时间由2个月减为2天；英国空中客车公司（BAe）在设计A340 - 600电动机机翼的肋板时，由于每一个翼肋尺寸有所不同，如用常规的CAD软件和分析软件，设计一个翼肋至少需要1天，仅对所有翼肋一次设计需要1个人年，而采用该技术后，10h即可完成机翼的设计；美国的GE、Timken等公司，欧洲的Lotus、SAAB等公司，日本的Mitsubushi、Hitachi、Mazda、Honda等公司都普遍在计算机辅助产品设计和辅助制造中引入了基于知识的设计技术，取得了很好的效果。面对该领域的潜在市场，国外的CAD/ CAM系统开发商，如U GS（uni2 graphics）、DASSAUL T（CATIA）等均开展了基于知识的工程设计系统的开发，主要在于建立基于产品的几何和非几何特征的模型，使工程师在设计时能得到基于产品领域知识的帮助，从而提高产品的设计和创新能力。

　　国内研究工作者在基于知识的冲模设计系统开发方面也做了大量有益的研究工作，并在某些方面取得了长足的进展，如上海交通大学模具CAD国家工程中心为青岛海尔模具公司开发的塑料模设计自动化系统，安装使用后与没有采用该技术相比，设计效率提高了10倍；为瑞士Feintool技术公司开发的基于知识的精冲工艺设计系统，安装使用后，设计效率提高了6倍<7 >.

　　4发展及展望冲模设计往往被认为是一个基于知识的复杂的创新设计过程，设计者的经验和知识往往成为模具开发成功与否的关键。在以知识为基础的知识经济条件下，现代制造业的高速发展对冲模设计提出了越来越高的要求，如何有效地提高冲模设计的集成化和智能程度是研究人员多年来追求的目标，知识集成技术的适时引入给传统的冲模设计增添了新的动力，基于知识工程的应用将为模具技术的创新设计产生深远的影响。

来源：中国模具网

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