汽車覆蓋件模具CAD技術的發(fā)展

    一、汽車覆蓋件模具CAD技術的發(fā)展現(xiàn)狀

1．國內(nèi)、外模具CAD技術的發(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計，在此基礎上復雜曲面的設計方法得到了發(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計與制造。計算機軟、硬件技術的迅猛發(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技術的發(fā)展。

    70年代以來，曲面造型與實體造型技術發(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，取代了人工設計與制造，設計方面采用人機交互進行三維圖形處理、工藝分析與設計計算等工作，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)用于汽車覆蓋件設計、模具設計和制造。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，并在計算機自動編程技術上取得了豐富的經(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）和進行二維設計，只有極個別企業(yè)的汽車模具設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、數(shù)控加工與數(shù)控測量技術，以數(shù)字傳遞為主，成功地設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)設計技術方面比較落后，其中一個重要的原因就是覆蓋件模具的設計效率低。國內(nèi)傳統(tǒng)的模具設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。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計。工藝補充面設計得好壞直接影響到所設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)設計一般可分為二維設計和三維設計兩種，兩種方法各有其優(yōu)、缺點。

   計算機二維設計與手工圖板設計相似，屬平面繪圖，其優(yōu)點是設計速度快、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；它的缺點是設計錯誤不易被發(fā)現(xiàn)，不能直接用于分析和加工。三維設計有很多優(yōu)點，如可實現(xiàn)參數(shù)化、基于特征、全相關等，使得產(chǎn)品在設計階段易于修改，同時也使得并行工程成為可能。三維設計形象、直觀，設計結(jié)構(gòu)是否合理使人一目了然。同時，三維設計的自動標注尺寸減少了人為設計錯誤，但三維模具設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）設計效率低

   由于我國CAD技術起步較晚，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進行二維設計，而且大多停留在用計算機繪圖代替手工繪圖的基礎上。

     二、汽車覆蓋件模具CAD的未來發(fā)展趨勢

   模具技術是制造業(yè)中發(fā)展最快的技術之一，其特點是數(shù)量很大，批量極小，換代非�？臁�從理論上說，它是CAD技術最能發(fā)揮優(yōu)越性的領域。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技術應用方面，這項技術的巨大潛力還未充分發(fā)揮出來，解決這個問題的關鍵就是要提高模具的設計效率。目前在模具CAD技術的發(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上建立各零件要素之間的相互關系。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)文件中有關變量的取值，則與之相關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

   沖壓件模具設計的難度主要表現(xiàn)在設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)設計智能化軟件，把總結(jié)出來的以往設計、制造中的成功經(jīng)驗應用到模具設計中去，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)能夠勝任模具設計專家的工作，設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，將設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)能夠勝任模具設計專家的工作，設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)的設計方式向CAD/CAE/CAM一體化方向發(fā)展。模具設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軟件基礎上開發(fā)的模具型面設計模塊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）的基礎上，利用二次開發(fā)技術，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。