汽車覆蓋件模具CAD技術(shù)的發(fā)展

    一、汽車覆蓋件模具CAD技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

1．國內(nèi)、外模具CAD技術(shù)的發(fā)展狀況

    早在60年代初期，國外一些汽車制造公司就開始了模具CAD的研究。這一研究始于汽車車身的設(shè)計，在此基礎(chǔ)上復雜曲面的設(shè)計方法得到了發(fā)展，各大汽車公司都先后建立了自己的CAD/CAM系統(tǒng)，并將其應用于模具設(shè)計與制造。計算機軟、硬件技術(shù)的迅猛發(fā)展，為模具CAD/CAM的開發(fā)應用向更高層次的拓展創(chuàng)造了條件。

在幾何造型方面，基于線框模型的CAD系統(tǒng)率先由飛機和汽車制造商開發(fā)并應用。例如：美國Lockhead飛機公司、McDonnell Douglas飛機公司、General Motor汽車公司的CAD系統(tǒng)、CADD系統(tǒng)、AD2000系統(tǒng)等，均推動了模具CAD技術(shù)的發(fā)展。

    70年代以來，曲面造型與實體造型技術(shù)發(fā)展迅速，新一代的CAD軟件均是實體造型與曲面造型兼?zhèn)涞南到y(tǒng)，能適用于復雜模具的設(shè)計和制造，在模具界得到了廣泛的應用。象美國Ford汽車公司的CAD/CAM系統(tǒng)中所包括的模具CAD/CAM部分，取代了人工設(shè)計與制造，設(shè)計方面采用人機交互進行三維圖形處理、工藝分析與設(shè)計計算等工作，完成二維繪圖，生成生產(chǎn)零件圖、材料表以及工序、定額、成本等文件。系統(tǒng)還包括一些專業(yè)軟件，如工藝補充面的設(shè)計、彈塑性變形的分析、回彈控制與曲面零件外形的展開等等，部分已用于生產(chǎn)，部分還在研究、完善當中。日本TOYOTA汽車公司從1980年開始研制汽車覆蓋件模具CAD/CAM系統(tǒng)，此系統(tǒng)包括處理覆蓋件模面的Die-Face軟件和加工凸、凹模的TINCA軟件等。由三坐標測量機將實物模型測量后所獲得的數(shù)據(jù)送入計算機，經(jīng)處理后再把這些數(shù)據(jù)用于汽車覆蓋件設(shè)計、模具設(shè)計和制造。該系統(tǒng)的三維圖形功能較強，能在屏幕上反復修改曲面形狀，使工件在沖壓成形時不至于產(chǎn)生各種工藝缺陷，從而保證工件質(zhì)量；DIECOMP公司研制成功的模具CAD系統(tǒng)，使整個生產(chǎn)準備周期由18周縮短為6周。

    與此同時，歐洲的一些國家在沖模CAD/CAM研究和應用方面也取得了很大進展，例如法國雷諾汽車公司應用Euclid軟件系統(tǒng)作為CAD/CAM的主導軟件，目前已有95%的設(shè)計工作量用該軟件完成，而且雷諾汽車公司在Euclid主導軟件的基礎(chǔ)上還開發(fā)出了許多適合汽車工業(yè)需求的模塊，如用于干涉檢查的Megavision和用于板金成形分析的OPTRIS等。

    目前我國已有許多企業(yè)采用模具CAD技術(shù)，并在計算機自動編程技術(shù)上取得了豐富的經(jīng)驗和技巧，使模具精度和生產(chǎn)率大為提高。以從美國Autodesk公司引進的AutoCAD為代表的一批繪圖軟件正在模具行業(yè)中逐漸普及，計算機繪圖正在逐步取代手工繪圖。國內(nèi)的一批大、中型企業(yè)（以汽車和家電行業(yè)為主），陸續(xù)從國外引進了相當數(shù)量的CAD系統(tǒng)，并配置了一些設(shè)計、分析的專用軟件，取得了明顯的經(jīng)濟效益。但是，由于多方面的原因，現(xiàn)在仍有許多企業(yè)還停留在手工設(shè)計模具的階段，盡管有些單位已經(jīng)甩掉了圖板，實現(xiàn)了無圖紙設(shè)計，其模具CAD工作的相當部分也只是用計算機畫圖（Computer Aided Draft）和進行二維設(shè)計，只有極個別企業(yè)的汽車模具設(shè)計和制造能力接近國際先進水平。1989年，成都成飛汽車模具中心采用國外的CAD/CAM技術(shù)、數(shù)控加工與數(shù)控測量技術(shù)，以數(shù)字傳遞為主，成功地設(shè)計制造了依維柯汽車車身全套外主模型。

    此外，盡管國內(nèi)一些擁有自主版權(quán)的軟件，如上海交大國家模具CAD工程研究中心開發(fā)的冷沖模CAD系統(tǒng)、武漢華中理工大學模具技術(shù)國家重點實驗室開發(fā)的塑料注射模CAD/CAE/CAM系統(tǒng)HSC2.0和北京航空航天大學華正模具研究所開發(fā)的CAD/CAM系統(tǒng)CAXA等，解決了生產(chǎn)中的一些問題，但還沒有得到很好的推廣和使用。

    目前歐美推出一種新車型需要48個月，日本則只需30個月。我國在對汽車新車型，尤其是轎車車型的開發(fā)設(shè)計技術(shù)方面比較落后，其中一個重要的原因就是覆蓋件模具的設(shè)計效率低。國內(nèi)傳統(tǒng)的模具設(shè)計方法已適應不了汽車工業(yè)的發(fā)展需要，而引進國外的覆蓋件模具產(chǎn)品不僅要花費大量的外匯，而且會嚴重阻礙汽車產(chǎn)品的更新?lián)Q代。要解決上述問題，就必須研究開發(fā)我國自己的模具CAD技術(shù)。同時引進國外先進的通用造型軟件進行二次開發(fā)無疑是一種必要而又有效的手段。

     2．汽車覆蓋件模具CAD的技術(shù)特點

（1）汽車覆蓋件模具型面CAD的特點

    一般覆蓋件成形都要依次經(jīng)過拉延、切邊、整形、翻邊和沖孔等幾道工序。第一道工序，即拉延工序中最重要的是工藝補充面的設(shè)計。工藝補充面設(shè)計得好壞直接影響到所設(shè)計的模具能否拉出合格的零件，能否減少調(diào)試模具的時間，縮短整個模具的生產(chǎn)周期。

2) 汽車覆蓋件模具結(jié)構(gòu)CAD的特點

   大型模具結(jié)構(gòu)一般都比較復雜，一副大型覆蓋件模具有上百個零件，模具的外形尺寸也比較大。模具結(jié)構(gòu)設(shè)計一般可分為二維設(shè)計和三維設(shè)計兩種，兩種方法各有其優(yōu)、缺點。

   計算機二維設(shè)計與手工圖板設(shè)計相似，屬平面繪圖，其優(yōu)點是設(shè)計速度快、占用計算機內(nèi)存小、對計算機硬件配置要求不高，是一種投資小、見效快的方法；它的缺點是設(shè)計錯誤不易被發(fā)現(xiàn)，不能直接用于分析和加工。三維設(shè)計有很多優(yōu)點，如可實現(xiàn)參數(shù)化、基于特征、全相關(guān)等，使得產(chǎn)品在設(shè)計階段易于修改，同時也使得并行工程成為可能。三維設(shè)計形象、直觀，設(shè)計結(jié)構(gòu)是否合理使人一目了然。同時，三維設(shè)計的自動標注尺寸減少了人為設(shè)計錯誤，但三維模具設(shè)計目前也存在一些問題，例如：計算機運算速度低、軟件占用硬盤和內(nèi)存的空間大、模具結(jié)構(gòu)投影線條多、設(shè)計速度慢等。

     3．目前汽車覆蓋件模具CAD應用中存在的主要問題

   車身覆蓋件在汽車整車中占據(jù)著重要的位置，而覆蓋件模具是生產(chǎn)覆蓋件的主要工藝裝備，對車身質(zhì)量的好壞起著決定性的作用。目前國外汽車覆蓋件模具CAD/CAM技術(shù)的發(fā)展已進入實質(zhì)性的應用階段，不僅全面提高了模具設(shè)計的質(zhì)量，而且大大縮短了模具的生產(chǎn)周期。近些年來，我國在汽車覆蓋件模具CAD技術(shù)的應用方面也取得了顯著的進步，但目前依然存在著以下一些問題：

（1）設(shè)計效率低

   由于我國CAD技術(shù)起步較晚，專業(yè)人員水平較低，既懂專業(yè)又熟悉CAD/CAM應用軟件技術(shù)的人才十分缺乏，因而開發(fā)能力較差，自主開發(fā)的CAD軟件質(zhì)量不高，設(shè)計效率低。

（2）標準化程度低

   由于各行業(yè)有各行業(yè)的標準，各企業(yè)有各企業(yè)的標準，各模具生產(chǎn)廠家之間沒有形成一定的設(shè)計、制造規(guī)范，因而造成現(xiàn)有覆蓋件沖模CAD/CAM系統(tǒng)的集成化程度和智能化程度都比較低。

（3）現(xiàn)有CAD軟件專用性差

   目前國內(nèi)自主開發(fā)的CAD軟件較少，而多數(shù)廠家引進的國外先進軟件多為通用型軟件，未經(jīng)開發(fā)則專用性較差。

（4）覆蓋件沖模CAD/CAM技術(shù)的開發(fā)手段比較落后，開發(fā)的CAD/CAM系統(tǒng)在質(zhì)量、可靠性上難以保證，并且開發(fā)周期長。

（5）現(xiàn)有的沖模CAD系統(tǒng)的人機界面不能滿足多種用戶的要求。

（6）主要應用CAD進行二維設(shè)計，而且大多停留在用計算機繪圖代替手工繪圖的基礎(chǔ)上。

     二、汽車覆蓋件模具CAD的未來發(fā)展趨勢

   模具技術(shù)是制造業(yè)中發(fā)展最快的技術(shù)之一，其特點是數(shù)量很大，批量極小，換代非�？�。從理論上說，它是CAD技術(shù)最能發(fā)揮優(yōu)越性的領(lǐng)域。但我國目前模具CAD的成果并不十分顯著，尤其是在汽車覆蓋件模具CAD技術(shù)應用方面，這項技術(shù)的巨大潛力還未充分發(fā)揮出來，解決這個問題的關(guān)鍵就是要提高模具的設(shè)計效率。目前在模具CAD技術(shù)的發(fā)展方面存在著以下幾種趨勢：

     1．模具CAD的參數(shù)化

   參數(shù)化造型方法是CAD技術(shù)中較先進的造型方法，也是提高CAD工作效率的有效手段。它是針對各種沖壓模具總體結(jié)構(gòu)一般均具有較規(guī)范形式的特點，為各個零件的基本尺寸建立相應的參變量，在實際的幾何和拓撲的基礎(chǔ)上建立各零件要素之間的相互關(guān)系。當由于模具結(jié)構(gòu)不同而導致模具零件尺寸發(fā)生變化時，改變參數(shù)文件中有關(guān)變量的取值，則與之相關(guān)的零件模型中的相應尺寸標注值亦發(fā)生變化，通過尺寸驅(qū)動模塊處理后即可生成大小符合實際尺寸標注的零件。

     2．模具CAD的智能化

   沖壓件模具設(shè)計的難度主要表現(xiàn)在設(shè)計理論的不完備性以及只能意會而難以言傳的專家經(jīng)驗表達和利用上。同手工設(shè)計一樣，在利用通用CAD軟件（包括新型集成化CAD軟件）進行覆蓋件模具設(shè)計時，在很大程度上必須依賴于模具專家的干預。為了實現(xiàn)模具結(jié)構(gòu)設(shè)計的自動化，減少對模具專家的依賴性，必須開發(fā)專用的汽車覆蓋件模具結(jié)構(gòu)設(shè)計智能化軟件，把總結(jié)出來的以往設(shè)計、制造中的成功經(jīng)驗應用到模具設(shè)計中去，形成計算機里的知識庫和智能庫，生成專家系統(tǒng)，從而使CAD系統(tǒng)能夠勝任模具設(shè)計專家的工作，設(shè)計出符合要求的汽車覆蓋件模具，這也就是所謂的模具CAD的智能化。

   智能CAD以人類思維的認識理論為基礎(chǔ)，將設(shè)計人員擅長的邏輯判斷、綜合推理、形象思維能力與計算機的高速、精確計算能力相結(jié)合，從而使CAD系統(tǒng)能夠勝任模具設(shè)計專家的工作，設(shè)計出符合要求的沖壓件模具。

     3．模具CAD的一體化

   模具CAD的一體化就是從傳統(tǒng)的設(shè)計方式向CAD/CAE/CAM一體化方向發(fā)展。模具設(shè)計過程是一個信息處理、交換流通和管理的過程，采用彈塑性大變形有限元模擬技術(shù)可以分析材料的塑性成形過程，提高工藝分析和模具CAD/CAM系統(tǒng)的功能，有利于創(chuàng)造更高級的CAD/CAM系統(tǒng)，因而，CAD/CAE /CAM一體化能夠?qū)υO(shè)計和制造過程中信息的產(chǎn)生、轉(zhuǎn)換、存儲、流通管理進行分析和控制，將它們有機地“集成”在一起，這樣有利于取得最佳效益。

     4．模具CAD的專業(yè)化

   未來的模具CAD將走向更加專業(yè)化的道路。一些通用的軟件由于其功能繁多，專業(yè)性較差，已不能滿足大型模具CAD的需要。更好的方法是軟件公司與專業(yè)模具廠密切合作，開發(fā)專用性很強的模具CAD軟件，如美國PTC軟件公司與日本TOYOTA汽車公司在PRO/E軟件基礎(chǔ)上開發(fā)的模具型面設(shè)計模塊PRO/DIEFACE等，這也是模具CAD的一個發(fā)展方向。對于國內(nèi)的模具廠家來說，在引進國外先進CAD軟件（如UG、Pro/E等）的基礎(chǔ)上，利用二次開發(fā)技術(shù)，針對本部門產(chǎn)品的特點，開發(fā)專用的模具CAD系統(tǒng)是一條可行和經(jīng)濟之路。