我国模具CAD/CAE/CAM/PDM发展现状及发展建议

1 我国模具CAD／CAE／CAM／PDM发展现状

    随着CAD／CAM／CAE软件及其他应用软件的普及应用，计算机产生的各种类型、格式各异的数据资料，如市场分析报告、产品设计信息、加工图纸、零件加工工艺、数控加工程序清单、仿真测试结果分析及各种说明书等，迅速增加。如何有效管理这些异构数据资料成为了企业面临的一大难题。PDM系统作为一个信息沟通平台，可对企业的各种产品及其相关数据进行统一管理，并在产品整个的开发过程中协助管理者对开发过程进行有效控制和管理。与此同时，设计人员在产品生命周期内的各个环节与产品过程相关的各个地方均能及时、准确地获取产品的相关信息，并对产品数据进行一定权限范围内的操作。这种产品数据的高度集成和共享，使得新产品的开发时间和成本大为缩减。

    “十一五”期间，我国模具CAD／CAE／CAM／PDM技术取得了长足的进步，具体表现在以下几个方面：

    (1) 开发出具有自主知识产权的系列CAD／CAM／CAE品牌软件。

    华天软件、中创软件与日本最大的CAD／CAM软件公司UEL合作，结合日本工业界最佳实践，采取引进、消化、吸收、再创新的方式，开发完成具有中国自主知识产权的三维CAD／CAM软件SINOVATloNV1.0。这标志着我国在三维CAD／CAM软件研发领域实现了重大突破。SINOVATIoN软件是三维CAD／CAM一体化的应用软件系统，该软件具有最先进的混合型建模、参数化设计、丰富的特征造型功能。提供了经过业界验证的具有国际先进水平的CAM加工，冲压模具、注塑模具等应用技术。特别适合汽车、汽车零部件、机床、通用机械、模具及工艺装备等行业的设计及加工应用。SINOVA.TIoN冲压模具设计解决方案为专业设计人员提供了一套经过业界验证的CAD解决方案组合，包括高效的冲压工艺设计、精确的冲压回弹补偿和专业的冲压模具结构设计等功能。SINOVATION注塑模设计与加工解决方案是根据注塑模具设计、制造经验，将产品成形工艺与工程分析软件相结合，开发的适用于注塑模具设计专用的软件包。方案以三维参数化建模CAD软件为基础，涵盖了从零件设计、分析、自动分模创建模具、电极设计、工程图创建等整个过程，体现出高品质、灵活、高效的设计理念，为注塑模具设计工作提供了专业的技术应用平台。

    CAXA系列化软件在开发自主知识产权的知名品牌的道路上不断取得新成果，如新一代集成软件CAXA V5PLM首次将成熟的2D、3D、CAPP、MPM和DDM技术在统一的数据模型基础上进行整合，覆盖了从概念设计、详细设计、工艺流程到生产制造管理的各个环节，并通过数字化仿真帮助企业优化产品设计和生产制造的整个过程。

    上海模具CAD国家工程研究中心在国内较早地开始了基于知识的工程技术(KBE)研究，在塑性成形和模具设计知识的获取与表示、知识的推理机制、知识的集成与管理以及知识的发现等KBE关键技术上进行了行之有效的研究，形成了适用于不同行业、不同类型KBE系统的一整套开发思路及相关的KBE应用软件。

    华中科技大学材料成形与模具技术国家重点实验室开发的注塑成形模拟软件“华塑CAE”，铸造成形模拟软件“华铸CAE”和板料成形模拟软件“FASTAMP”又有新发展。目前研究的重点是微宏观分析相结合，数值计算和人工智能相结合，目标是将模拟软件由传统的被动式计算工具提升为主动式优化系统。随着应用的不断深入和广泛，系列化模拟软件华铸CAE、华铸CAE和FASTAMP已成为我国模具行业具有自主知识产权的主导技术和知名品牌。

    湖南大学以先进冲压CAE技术为突破口，开发出一套包括冲压工艺设计和汽车覆盖件模具设计和制造的系列化软件。其冲压仿真CAE自动建模系统CADEM-I能利用模具表面数控轨迹数据作为网格生成的几何数据源，使建模效率成倍提高，对于汽车覆盖件成形，在同样精度下可使仿真模型网格单元减少近20％～40％。冲压仿真CAE系统CADEM采用先进的理论和算法，在保证冲压件大变形计算精度的前提下显著地提高了分析速度。冲压工艺分析与设计系统CADEM-III采用壳体失稳理论预测覆盖件成形中的起皱趋势，采用基于仿真的毛坯反算技术，实现了复杂零件的毛坯形状和尺寸的迭代反求。

    (2) 广泛采用了CAD／CAE／CAM技术并在应用中取得了显著效益。

    其中最大的技术进步无疑是三维CAD方面的重大突破。一汽模具、天汽模、东风模具、福田潍坊模具等企业的三维CAD普及率达到100％。其他骨干企业正在加快进行二维CAD到三维CAD的过渡。国外的有些知名企业至今也尚未做到100％的三维CAD。由于采用三维CAD技术，使过去分散在各个信息孤岛的CAD、CAE、CAM连成一片，实现了一体化，为模具全程数字化制造提供了技术基础。少数企业的整个流程已完全实现了数字化加工和无图化生产，正在为将来的自动化加工和柔性生产积极创造条件。

    一些先进企业在模具结构设计完成后，采用截面检查、干涉检查、静态运动干涉检查、运动模拟等分析手段，真实反映模具的实际工作状态，保证了实体设计的可靠性。

    CAE分析普及率明显提高，少数企业已达到100％，CAE不再是高不可攀的技术，更不是束之高阁的摆设，而是一个必不可少的工具，它帮助设计者在设计阶段“先知先觉”，对模具调试时可能出现的问题进行处理，做到“防患于未然”。

    在参数化设计方面也取得了长足的进步。国内一些骨干企业已建立了模具基础结构图库，还建立了标准件图库。利用参数化手段，根据模具结构特点，选择基础构架，设计者只需要控制几个基本的特征参数，系统将会根据事先输入到计算机中的结构规则，自动提供合理的结构方案，设计者只需做少许调整和装配即可完成设计。设计规则的引入，使三维实体模具结构设计达到了一个更高的层次。

    (3) PDM技术不断发展。

    目前，国外的公司已开发出一些产品功能齐全、开放性好、思想新颖、技术先进的PDM产品。如UGS公司的IMAN，1BM公司的Product Manager，SDRC公司的Metaphase，PTC公司的Windchill等，这些产品在波音、IBM、福特汽车、通用汽车等公司得到推广应用，取得了成功。国内的一些企业，如春兰、海尔、长虹和康佳等采用IMAN系统，西安飞机设计所采用IBM的PM系统，也取得了一定的成功。与此同时，国内的软件厂商也纷纷推出了自己的PDM产品，如武汉天喻公司的IntePDM，武汉开目技术集成公司的KMPDM，清华同方软件公司的TFPI)MS等。国产的PDM系统。无论是在功能上、技术上、思想上还是稳定性方面与国外的产品都有较大的差距，但在价格和定制程度方面有一定优势，因此在国内的一些企业中也得到应用，如天喻公司的IntePDM系统，同方公司的TFPDM系统，大恒公司的DHPDM系统等。

2 我国模具CAD／CAE／CAM／PDM与国际先进水平的主要差距

    与国外发达国家相比，我国模具CAD／CAE／CAM／PDM技术发展水平还很低，差距很大。主要表现在以下方面：

    (1) 软件开发进度和水平低。

    目前三维CAD／CAM软件的核心技术目前仍掌握在欧美日等发达国家手中，占主流地位的模具CAD软件主要有Pro／E、I．DEAS、UG等，中国的三维CAD／CAM市场几乎被国外产品完全垄断。每年中国制造企业采购三维CAD／CAM软件的金额高达几十亿元，而且还在以每年20％的速度递增。这种尴尬局面不仅使得制造企业承受了高昂的成本压力，而且支撑产品创新的核心工具受制于人，存在重大的信息和知识产权安全隐患。而我国CAD／CAE／CAM／PDM技术研究开发未能很好地有组织、有计划、有重点地进行，造成低水平重复劳动，影响了软件开发的进度和水平的提高，无论是在功能上、技术上、思想上还是稳定性方面与国外的产品都有较大的差距。

    (2) CAD／CAM应用水平差距明显

    在国内的模具生产中，CAI／CAM技术已得到广泛的应用。但对于国内一些大型模具企业，它们的CAD／CAM应用状况多停留在从国外购买先进的CAD／CAM系统和设备，在其上进行的二次开发较少，资源利用率低；国内一些中小型模具企业CAD／CAM应用很少，有些仅停留在以计算机代替画板绘图。

    (3) CAE没有得到广泛应用。

    CAE在我国模具行业的应用还刚刚起步，只是在经济实力雄厚的企业，例如一汽、东风、海尔等单位，才购买了少量的商品化软件，开始尝试应用。

    (4) 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／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，至今也没有一个在国内市场上成熟的PDM系统。因此，这类基础性软件也被国外的系统占领了市场。

    (5) CAD／CAE／CAM缺乏知识的集成。

    由于缺乏对设计知识的集成，模具设计方案的选择、工艺参数与模具结构的优化、成形性能的评价等依然依赖着模具设计者的经验。设计知识是企业最有价值的智力资产，是企业竞争力的保障。在目前的注射模设计行业，这些知识主要以经验的形式由资深设计工程师所掌握，随着他们的退休与流失必将造成企业核心技术的流失，将直接导致企业竞争力下降。在国外已广泛应用知识型CAD／CAM系统，如美国UGS公司的多工位级进模设计向导CAD系统(Progressive Die Wizard)和注塑模设计向导CAD系统(Mold Wizard)，两系统均无缝地集成于该公司的三维机械CAD／CAM系统UG中，为用户提供了级进模和注塑模设计环境与工具，封装了模具设计的专家知识，提供了丰富的标准化的模架库、零件库和镶件库。分页造成上述差距的原因很多，除了历史上长期以来未将模具作为产品得到应有的重视之外，还有下列几个主要原因：

    (1) 科研开发及技术攻关投入太少。由于模具企业效益欠佳及对科研开发和技术攻关不够重视，投入太少，科研单位和大专院校又将主要精力放在创收上，致使模具行业科技进步的步伐不大，进展缓慢。

    (2) 人才严重不足。模具行业是技术密集、资金密集、劳动密集的产业，随着时代的进步和技术的发展，掌握和运用新技术的人才异常短缺，技术素质较高的模具设计、制造工艺技术人员、技术工人及企业管理人才也非常紧缺。尤其缺乏知识面宽、知识结构层次高的复合型人才。

    (3) 缺少先进的技术设备力量。我国大部分模具厂、车间的模具加工设备陈旧，在役期长、精度差、效率低。近年来也引进了不少先进的模具加工设备，但过于分散，或不配套，利用率一般仅有25％左右，设备的一些先进功能也未能得到充分发挥。

    (4) 管理落后更甚于技术落后。技术落后往往容易看到，管理落后有时却难以意识到。国内外模具企业管理上的差距十分明显，管理的差距所带来的问题往往比技术上的差距更为严重。

3 我国模具CAD／CAE／CAM／PDM发展目标和主要任务

    “十二五”期间，我国模具行业的主要目标是全面推广CAD／CAE／CAM／PDM／PDM技术，主要任务是：

    (1) 开发拥有自主知识产权、适合于我国国情，具有较高水平的模具设计、加工及模具企业管理软件，不断提高软件的智能化、集成化程度，并推广应用。

    (2) 研究模具的分类学及模具结构的参数规范，实现模具零部件的标准化、参数化，并形成模具CAD／CAM系统软件的支持软件；

    (3) 实现3D一体化设计。目前的模具设计主要采用3I)设计和2D设计相结合的方法，在开发中存在易出错、效率低、质量不易控制等问题，因此需要实现设计过程的全三维化。通过数据共享技术实现各阶段各种应用软件的有效集成，达到模具设计的一体化。

    (4) 深入研究模具的整体优化技术，包括模具成本估算、模具的可装配性、模具的成形性及可靠性，集成到模具行业普遍采用的通用造型设计系统上，完成面向制造的模具CAD／CAE／CAM系统的开发。

    (5) 研究模具设计、制造参数，通用、标准、参数化构件及由经验构成的专家系统，并使之形成模具CAD／CAE／CAM数据库。

    (6) 加快PDM技术的发展，由单一的计算机信息管理扩展到“管理所有与产品相关的信息和所有与产品相关的过程的技术”，实现产品数据的高度集成和共享。

    (7) 促进我国模具骨干企业全面采用模具CAD／CAM／CAE／PDM生产技术。

4 产品和技术等方面的发展重点和重大课题

    4.1 发展重点

    (1) 三维CAD／CAM技术的研发。开发具有自主知识产权的模具CAD／CAE软件，达到国际先进水平。

    (2) 国产模具CAE软件的功能升级，形成国际知名的自主品牌。

    (3) 国产PDM系统的研发。完善功能，提高性能稳定性，加强推广应用。

    (4) 模具数字化设计制造系统的研发。

    (5) 模具CAD／CAE／CAM一体化技术推广应用。

    (6) 逆向工程、并行工程、敏捷制造技术的研发及推广应用。

    (7) 模具的集成、柔性及自动加工技术和网络虚拟技术的研发与推广应用。

    4.2 重大课题

    (1) 关键产品模具数字化设计制造系统研发，如冲压工艺设计系统、模具型面设计系统、成形分析系统、模具结构设计系统、模具CAM系统和冲压专家咨询系统的车身模具数字化设计制造系统。

    (2) 适应于超级并行计算机和机群的高性能模具CAE求解技术。

    (3) 模具CAE分析结果的数据挖掘及智能评估。

    (4) 模具CAE与模具CAD／CAM的无缝集成。

    (5) 面向模具制造的PDM系统研发与应用。

    (6) PDM与模具CAD／CAM／CAE的集成。

    (7) 基于网络环境CAD／CAE／CAM技术的模具异地协同设计与分析。

    (8) 模具设计知识库系统研发。

5 我国模具CAD／CAE／CAM／PDM的发展建议

    (1) 建议政府有关部门建立模具发展基金，用于模具行业共性技术的开发、研究和创新项目，并对“龙头企业”作重点支持。要在国家有关部门大力支持下，加强产学研合作，推进模具行业科技开发和技术攻关工作，组织行业内产学研重点单位分工合作、联合工作、争取早出成果，多出成果，共同享受成果，并使成果产业化，以迅速提高行业的技术水平。用电子信息工程等高新技术和先进适用技术来改造企业传统的生产模式，将先进技术转化为生产力。

    (2) 建立服务体系，使中小企业广泛受益。模具行业除个别企业外都是中小企业，力量有限，特别是信息和技术开发方面更显力不从心，他们难以完全依靠自己的力量去独闯市场。如能建立针对广大中小企业的行业服务体系，特别是信息和技术服务体系，使广大中小企业从中受益，必将有利于行业的振兴与发展。

    (3) 以企业为主体，发挥院校和科研单位作用，搞好产学研结合，尽快使成果产业化，并大力提高模具生产技术水平。

    (4) 自主开发和引进。所谓引进，主要是引进已商品化了的CAI)／CAE／CAM软件和设备，并对引进的软件加强二次开发工作。引进软件和设备的同时，相应的人员培训相当重要。