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1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：由于网络技术的快速发展，又现出了: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2进行简单的介绍。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。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3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：(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。产品造型分为产品零件造型和装配造型。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系统二、产品造型数字化设计产品零件造型产品装配造型41．产品零件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5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