在20世紀(jì)末期，科學(xué)技術(shù)迅猛發(fā)展，帶來一場(chǎng)數(shù)字化革命。隨著計(jì)算機(jī)、微電子、信息與自動(dòng)化技術(shù)的長足發(fā)展，并在制造業(yè)中得到越來越廣泛的應(yīng)用，使人們擺脫傳統(tǒng)機(jī)械加工生產(chǎn)方式成為可能。模具CAD/CAM技術(shù)的迅猛發(fā)展，軟件、硬件水平的進(jìn)一步完善，為模具工業(yè)提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持，為企業(yè)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造和生產(chǎn)水平的發(fā)展帶來了質(zhì)的飛躍，已經(jīng)成為現(xiàn)代企業(yè)信息化，集成化、網(wǎng)絡(luò)化的最優(yōu)選擇。計(jì)算機(jī)數(shù)控(CNC)、柔性制造系統(tǒng)(FMS)、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造(CAD/CAM)、計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)(CIMS)、計(jì)算機(jī)輔助工藝過程設(shè)計(jì)(CAPP)等技術(shù)在汽車覆蓋件模具生產(chǎn)企業(yè)的普及，使原先近乎于手工作坊的模具行業(yè)具有了現(xiàn)代化的生產(chǎn)方式，CAD按術(shù)的應(yīng)用淘汰了丁字尺和圖板，CAM使復(fù)雜的機(jī)械加工變得簡單輕松。但如何實(shí)現(xiàn)CAD/CAM/CAPP一體化而不是相互脫離已是國內(nèi)眾多廠家的首要難題，這里僅就CAD/CAM/CAPP一體化技術(shù)在汽車覆蓋件模具制造中的應(yīng)用和前景加以論述。

1 CAD/CAM/CAPP技術(shù)概況

    CAD/CAM技術(shù)被列為20世紀(jì)70～80年代最杰出的工程技術(shù)之一，被稱為工業(yè)起飛的引擎，它推動(dòng)了幾乎一切領(lǐng)域的技術(shù)革命，CAM的技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用水平已成為衡量一個(gè)國家科技現(xiàn)代化和工業(yè)現(xiàn)代化水平的重要標(biāo)志之一。

    CAD/CAM技術(shù)起源于20世紀(jì)50年代，進(jìn)入80年代后，CAD/CAM開始趨于成熟，并向集成化方向發(fā)展。實(shí)體造型能方便計(jì)算產(chǎn)品重量、體積和進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分；對(duì)刀具路徑軌跡進(jìn)行干涉、碰撞檢查技術(shù)也有長足的發(fā)展。特征造型是CAD建模方法的一個(gè)里程碑，它使CAD/CAM/CAPP集成成為可能。CAM的主要內(nèi)容是數(shù)控編程，數(shù)控加工是CAD/CAM發(fā)揮效率的最有效和直接的途徑之一。對(duì)于加工對(duì)象越復(fù)雜，設(shè)計(jì)更改越頻繁，數(shù)控加工的優(yōu)越性就越明顯。現(xiàn)在典型的CAD/CAM商用型通用軟件如Pro/Engineer，I-DEAS、NX、CATIA、EUCLID、CADAM，通過CAD建立的模型，采用人機(jī)交互的方式，將工藝路線和加工參數(shù)輸入數(shù)控編程系統(tǒng)，由系統(tǒng)自動(dòng)生成數(shù)控加工信息，這些加工信息通過執(zhí)行相應(yīng)的后處理程序以生成NC代碼。

    CAPP是機(jī)械制造倉業(yè)進(jìn)行生產(chǎn)技術(shù)準(zhǔn)備工作的第一步，同時(shí)也是連接產(chǎn)品設(shè)計(jì)與產(chǎn)品制造之間的橋梁，即連接CAD與CAM的紐帶，對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量和制造成本有著重要的影響。CAPP的基本任務(wù)是將產(chǎn)品或零件的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成與制造環(huán)境相適應(yīng)的指令性要求，由制造廠家按照CAPP規(guī)劃的軟硬件環(huán)境組織生產(chǎn)。其中軟件環(huán)境指零件的加工方法、切削參數(shù)、走刀路線等技術(shù)文件，硬件環(huán)境指選定的刀具、夾具、機(jī)床等制造設(shè)備的準(zhǔn)備工作。CAPP通過優(yōu)化這些制造環(huán)境來確保企業(yè)以最低的成本、最短的周期，高質(zhì)、高效地制造出產(chǎn)品參與競(jìng)爭。CAPP不僅是CAD與CAM的橋梁，也可與管理系統(tǒng)連接為一個(gè)整體。集成是CAPP應(yīng)用的主導(dǎo)方向，一方面要直接應(yīng)用CAD的數(shù)據(jù)，通過CAPP生成工藝規(guī)程，形成工藝數(shù)據(jù)；另一方面，將CAPP的結(jié)果即工藝數(shù)據(jù)輸入到CAM，生成NC代碼，實(shí)現(xiàn)CAPP/CAM集成。

2 汽車覆蓋件模具CAD/CAM/CAPP按術(shù)現(xiàn)狀

    汽車工業(yè)是國家的支柱產(chǎn)業(yè)，汽車覆蓋件模具是制造汽車車身的重要工藝裝備，汽車更新?lián)Q代速度的大大加快，對(duì)車身質(zhì)量的要求越來越高，對(duì)覆蓋件模具的質(zhì)量、制造水平以及制造周期提出了更高的要求。

    一般情況下，一個(gè)基本車型全套模具的設(shè)計(jì)制造周期長達(dá)4年之久，因此汽車覆蓋件模具的開發(fā)生產(chǎn)是汽車新產(chǎn)品開發(fā)的決定性環(huán)節(jié)。但由于模具生產(chǎn)對(duì)象的多樣性和模具結(jié)構(gòu)變化的復(fù)雜性，現(xiàn)有的通用型CAD/CAM軟件不能針對(duì)模具設(shè)計(jì)、生產(chǎn)的特點(diǎn)，集合大量的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、工藝經(jīng)驗(yàn)，無法快速準(zhǔn)確地組織生產(chǎn)和管理并降低成本。現(xiàn)有的CAPP軟件多為企業(yè)自行編寫，與CAM/CAD的集成度較低，有些工藝規(guī)程完全靠手工完成，速度慢、勞動(dòng)強(qiáng)度大、工時(shí)及成本計(jì)算不準(zhǔn)確，因此，急需建立適應(yīng)各企業(yè)自身特點(diǎn)的CAD/CAM/CAPP集成軟件系統(tǒng)。另外，模具生產(chǎn)多為單件生產(chǎn)，但各類型模具具有相似性，利用成組技術(shù)(GT)，將其集成起來，采用柔性加工（FMS），可以提高模具的生產(chǎn)效率。

    現(xiàn)有的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、工藝為順序方式。周期長，更改麻煩，成本較高，信息不能共享，交互性反饋較差。通過CAD/CAM/CAPP及GT集成技術(shù)可變?yōu)椴⑿蟹绞?，充分發(fā)揮其功效（如圖1所示）。

    圖1 順序方法與并行方法

    毋庸置疑，應(yīng)用CAD/CAM/CAPP集成技術(shù)是保證模具設(shè)計(jì)、加工質(zhì)量和提高生產(chǎn)效率最有效的途徑。為適應(yīng)汽車工業(yè)的發(fā)展，國外模具廠已普遍采用CAD/CAPP/CAM集成技術(shù)進(jìn)行模具設(shè)計(jì)制造，大大縮短了模具設(shè)計(jì)制造周期，降低了成本。 

    據(jù)有關(guān)資料介紹，國外的一些企業(yè)從20世紀(jì)60年代初期便致力于覆蓋件模具的CAD/CAM研究，到80年代初期，世界上較著名的汽車制造公司都有自己的模具CAD/CAM/CAPP系統(tǒng)。如美國AUTODIE公司采用了CAD/CAM/CAPP系統(tǒng)后，一種車型覆蓋件的模具設(shè)計(jì)與制造只需要8個(gè)月左右；日本三菱汽車公司從80年代初期開始應(yīng)用模具CAD/CAM技術(shù)，并且實(shí)現(xiàn)了CAD/CAM/CAPP的集成，其功能包括沖壓方向的選擇、模具型面設(shè)計(jì)、模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和模具圖的繪制等；日本豐田汽車公司采用模具CAD/CAM/CAPP系統(tǒng)后，將原來設(shè)計(jì)加工一套模具的時(shí)間減少了50%，縮短了模具的生產(chǎn)周期，提高了模具和制作質(zhì)量，進(jìn)而也提高了公司的競(jìng)爭力。

    經(jīng)過幾十年的努力，我國一些大型汽車模具制造廠家已經(jīng)廣泛采用DNC、CAD/CAM等先進(jìn)制造技術(shù)，取得了長足的發(fā)展，但與國外相比存在很大的差距。各項(xiàng)技術(shù)的相互獨(dú)立，造成生產(chǎn)力低下，一些關(guān)鍵的汽車覆蓋件模具仍然依靠國外來設(shè)計(jì)制造。因此，汽車覆蓋件模具CAD/CAPP/CAM集成技術(shù)的應(yīng)用已成為國內(nèi)工業(yè)界和學(xué)術(shù)界研究的重點(diǎn)。

3 汽車覆蓋件模具CAD/CAM/CAPP集成化發(fā)展的前提

    實(shí)現(xiàn)CAD/CAM/CAPP集成化需要多項(xiàng)技術(shù)支持、人員配合及設(shè)備不斷改進(jìn)、更新。

    3.1 數(shù)據(jù)通信的網(wǎng)絡(luò)化

    為了實(shí)現(xiàn)CAD/CAM/CAPP集成化，必須實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享及數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸，其中既要與其它用戶進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，如利用互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的數(shù)據(jù)交換、產(chǎn)品模型的電子數(shù)據(jù)交換等，又要能滿足企業(yè)內(nèi)部數(shù)據(jù)共享、數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)CAD、CAM、CAPP之間的共享，實(shí)現(xiàn)技術(shù)部門與生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)之間的數(shù)據(jù)傳輸。在現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床上，為了適應(yīng)自動(dòng)化技術(shù)的需要，都裝有可供直接通信用的數(shù)據(jù)串行接口，配上光纜通信網(wǎng)線，可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)上邊讀邊加工。生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)也可直接調(diào)用設(shè)計(jì)3D圖形、CAM加工程序及CAPP工藝流程。管理部門可及時(shí)獲取技術(shù)數(shù)據(jù)、生產(chǎn)成本、工時(shí)計(jì)劃等信息，便于調(diào)整生產(chǎn)計(jì)劃和控制成本。

    3.2 軟件的互容性，集成化

    CAD/CAM/CAPP集成化技術(shù)，既要有CAD/CAM/CAPP專用軟件內(nèi)部的兼容性要求，又要有網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)控機(jī)床內(nèi)部軟件、數(shù)據(jù)管理軟件、數(shù)據(jù)傳輸?shù)雀黝愜浖幕ト菀蟆?/span>

    3.3 設(shè)計(jì)與加工方法的相互支持

    CAD/CAM/CAPP集成技術(shù)不僅是各軟件的集成與各設(shè)備的合理配置，其技術(shù)方法也需要相互支持。CAD三維實(shí)體設(shè)計(jì)能直接用于CAM數(shù)控加工及零部件裝配干涉性檢查。CAM模擬加工可用于加工干涉檢驗(yàn)，用于計(jì)算加下成本、加工工時(shí)，從而得到最佳的設(shè)計(jì)方案。CAPP根據(jù)三維實(shí)體設(shè)計(jì)和CAM模擬加工計(jì)算各工序成本和工時(shí)，便于設(shè)計(jì)方案更改、計(jì)劃制定及生產(chǎn)管理。

    3.4 技術(shù)人員的知識(shí)結(jié)構(gòu)一體化

    CAD/CAM/CAPP集成技術(shù)要求技術(shù)人員知識(shí)結(jié)構(gòu)的一體化，技術(shù)人員要掌握相關(guān)方面的知識(shí)，用集成的觀念將CAD/CAM/CAPP作為一個(gè)整體，而不是獨(dú)立地進(jìn)行每一部分工作。

4 汽車覆蓋件模具CAD/CAM/CAPP技術(shù)的集成化發(fā)展

    覆蓋件模具制造，設(shè)計(jì)及工藝具有單件性、經(jīng)驗(yàn)性、更新?lián)Q代快等特點(diǎn)，使CAD/CAM/CAPP集成技術(shù)在本領(lǐng)域最能發(fā)揮其優(yōu)越性。

    目前國內(nèi)采用的新型商用CAD/CAM軟件為設(shè)計(jì)者提供了產(chǎn)品裝配級(jí)的設(shè)計(jì)支持，但它們都屬于通用商用軟件，缺乏CAPP接口，也缺乏專用性和對(duì)經(jīng)驗(yàn)的繼承，只可用于一般機(jī)械加工?，F(xiàn)有的CAM軟件采用人機(jī)交互的方式將工藝路線和加工參數(shù)輸入數(shù)控編程系統(tǒng)，造成數(shù)控編程的時(shí)間過長，重復(fù)操作多，質(zhì)量不穩(wěn)定，專用性差。CAD設(shè)計(jì)不支持加工及工藝制定，無法快速對(duì)加工、工藝和用戶要求作出反映；設(shè)計(jì)方案更改頻繁，設(shè)計(jì)成本較高。CAPP僅停留在標(biāo)準(zhǔn)工藝庫的獨(dú)立軟件，無法準(zhǔn)確計(jì)算各工序成本、加工工時(shí)，不能有效組織生產(chǎn)和管理。沒有集成的CAD、CAM、CAPP技術(shù)相互獨(dú)立，不能實(shí)現(xiàn)信息共享，無法發(fā)揮CAD/CAM/CAPP集成化的功效。

    國內(nèi)覆蓋件模具制造企業(yè)面臨的問題是在利用通用的商用CAD/CAM軟件進(jìn)行汽車覆蓋件模具設(shè)計(jì)和制造時(shí)，在很大程度上仍然依賴于模具設(shè)計(jì)、制造專家及工藝專家的干預(yù)。質(zhì)量完全靠長期工作經(jīng)驗(yàn)的積累來保證，因此，質(zhì)量會(huì)因人而異。為實(shí)現(xiàn)模具設(shè)計(jì)制造的自動(dòng)化，減少對(duì)模具專家的依賴，有必要開發(fā)模具設(shè)計(jì)制造及工藝的CAD/CAM/CAPP集成化智能軟件。

    建立CAD/CAM/CAPP集成化智能軟件系統(tǒng)時(shí)，首先對(duì)汽車覆蓋件模具種類進(jìn)行細(xì)分。如日本富士鐵工所就將模具的種類分成幾十種之多，以適應(yīng)不同種類覆蓋件的設(shè)計(jì)、加工、工藝需要。覆蓋件模具種類的分類需要豐富經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)，圖2為覆蓋件模具種類的示意圖。

    圖2 覆蓋件模具種類

    對(duì)現(xiàn)有制件按相似性原則進(jìn)行分組，形成制件族，建立制件族特征矩陣。為每個(gè)制件族制定標(biāo)準(zhǔn)工藝和特征造型及加工樣板，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)，在三維特征造型的基礎(chǔ)上，把模具設(shè)計(jì)、加工、工藝制定的知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)用二次開發(fā)工具組織起來，形成CAD/CAIVUCAPP集成化專用軟件。

    這些信息數(shù)據(jù)均預(yù)先存入計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)庫中，當(dāng)需要運(yùn)行程序?yàn)槟骋粋€(gè)具體制件進(jìn)行設(shè)計(jì)、制定工藝及編制加工程序時(shí)，首先輸入制件的幾何和工藝特征信息，通過對(duì)制件族特征矩陣的檢索，查明此制件所屬制件族，并調(diào)出設(shè)計(jì)用標(biāo)準(zhǔn)件庫及特征數(shù)據(jù)庫，標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)庫按設(shè)計(jì)要求輸入尺寸及特征，在人機(jī)交互作業(yè)方式下，將零部件裝配起來，形成完整模具結(jié)構(gòu)。運(yùn)用特征造型法結(jié)合曲面模型建立原始實(shí)體模型（模具設(shè)計(jì)的CAD三維實(shí)體設(shè)計(jì)），三維設(shè)計(jì)能夠直接支持CAM加工、CAPP工序規(guī)劃，進(jìn)行模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中零部件裝配的干涉檢查、強(qiáng)度分析。運(yùn)用CAD/CAM/CAPP一體化的基礎(chǔ)，對(duì)產(chǎn)品成本的預(yù)測(cè)理論、估算方法以及降低成本都有不同層次的研究和相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)工藝。然后再根據(jù)具體的加工要求，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)工藝進(jìn)行刪選編輯，以獲得具體制件的工藝過程(CAPP)。CAPP將工序規(guī)劃好后，通過CAM的標(biāo)準(zhǔn)程序樣板生成數(shù)據(jù)代碼，生成虛擬模具，進(jìn)行加工干涉檢查。模擬加工過程，可以擺脫傳統(tǒng)的進(jìn)行試切加工和空刀加工等檢查方法產(chǎn)生的高成本、數(shù)控機(jī)床使用效率低下等缺點(diǎn)。同時(shí)計(jì)算出所用的加工時(shí)間、加工成本、設(shè)備折舊等，從而得到各工序成本及毛坯成本、設(shè)計(jì)成本等組成。由此可以及時(shí)、方便地修改以補(bǔ)充原有的設(shè)計(jì)、加工、工藝方案，完成制定工藝方案、生產(chǎn)計(jì)劃及成本管理的整體流程。

5 結(jié)論

    CAD/CAPP/CAM及GT集成技術(shù)，既可降低生產(chǎn)成本，減少計(jì)劃更改的盲目性，實(shí)現(xiàn)CAD、CAM、CAPP、GT的交互作用，又能繼承已有的經(jīng)驗(yàn)，減少人為錯(cuò)誤，極大地縮短生產(chǎn)周期，提高其響應(yīng)市場(chǎng)的速度，還能精確計(jì)算設(shè)計(jì)成本和加工成本，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程控制、生產(chǎn)成本控制及模具的快速報(bào)價(jià)。CAD/CAPP/CAM集成技術(shù)是現(xiàn)代化企業(yè)生產(chǎn)管理的發(fā)展方向，提高企業(yè)競(jìng)爭力的有效工具。