在20世紀末期，科學技術迅猛發展，帶來一場數字化革命。隨著計算機、微電子、信息與自動化技術的長足發展，并在制造業中得到越來越廣泛的應用，使人們擺脫傳統機械加工生產方式成為可能。模具CAD/CAM技術的迅猛發展，軟件、硬件水平的進一步完善，為模具工業提供了強有力的技術支持，為企業的產品設計、制造和生產水平的發展帶來了質的飛躍，已經成為現代企業信息化，集成化、網絡化的最優選擇。計算機數控(CNC)、柔性制造系統(FMS)、計算機輔助設計與制造(CAD/CAM)、計算機集成制造系統(CIMS)、計算機輔助工藝過程設計(CAPP)等技術在汽車覆蓋件模具生產企業的普及，使原先近乎于手工作坊的模具行業具有了現代化的生產方式，CAD按術的應用淘汰了丁字尺和圖板，CAM使復雜的機械加工變得簡單輕松。但如何實現CAD/CAM/CAPP一體化而不是相互脫離已是國內眾多廠家的首要難題，這里僅就CAD/CAM/CAPP一體化技術在汽車覆蓋件模具制造中的應用和前景加以論述。

1 CAD/CAM/CAPP技術概況

    CAD/CAM技術被列為20世紀70～80年代最杰出的工程技術之一，被稱為工業起飛的引擎，它推動了幾乎一切領域的技術革命，CAM的技術發展和應用水平已成為衡量一個國家科技現代化和工業現代化水平的重要標志之一。

    CAD/CAM技術起源于20世紀50年代，進入80年代后，CAD/CAM開始趨于成熟，并向集成化方向發展。實體造型能方便計算產品重量、體積和進行有限元網格劃分；對刀具路徑軌跡進行干涉、碰撞檢查技術也有長足的發展。特征造型是CAD建模方法的一個里程碑，它使CAD/CAM/CAPP集成成為可能。CAM的主要內容是數控編程，數控加工是CAD/CAM發揮效率的最有效和直接的途徑之一。對于加工對象越復雜，設計更改越頻繁，數控加工的優越性就越明顯。現在典型的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，采用人機交互的方式，將工藝路線和加工參數輸入數控編程系統，由系統自動生成數控加工信息，這些加工信息通過執行相應的后處理程序以生成NC代碼。

    CAPP是機械制造倉業進行生產技術準備工作的第一步，同時也是連接產品設計與產品制造之間的橋梁，即連接CAD與CAM的紐帶，對產品的質量和制造成本有著重要的影響。CAPP的基本任務是將產品或零件的設計數據轉換成與制造環境相適應的指令性要求，由制造廠家按照CAPP規劃的軟硬件環境組織生產。其中軟件環境指零件的加工方法、切削參數、走刀路線等技術文件，硬件環境指選定的刀具、夾具、機床等制造設備的準備工作。CAPP通過優化這些制造環境來確保企業以最低的成本、最短的周期，高質、高效地制造出產品參與競爭。CAPP不僅是CAD與CAM的橋梁，也可與管理系統連接為一個整體。集成是CAPP應用的主導方向，一方面要直接應用CAD的數據，通過CAPP生成工藝規程，形成工藝數據；另一方面，將CAPP的結果即工藝數據輸入到CAM，生成NC代碼，實現CAPP/CAM集成。

2 汽車覆蓋件模具CAD/CAM/CAPP按術現狀

    汽車工業是國家的支柱產業，汽車覆蓋件模具是制造汽車車身的重要工藝裝備，汽車更新換代速度的大大加快，對車身質量的要求越來越高，對覆蓋件模具的質量、制造水平以及制造周期提出了更高的要求。

    一般情況下，一個基本車型全套模具的設計制造周期長達4年之久，因此汽車覆蓋件模具的開發生產是汽車新產品開發的決定性環節。但由于模具生產對象的多樣性和模具結構變化的復雜性，現有的通用型CAD/CAM軟件不能針對模具設計、生產的特點，集合大量的設計、生產、工藝經驗，無法快速準確地組織生產和管理并降低成本。現有的CAPP軟件多為企業自行編寫，與CAM/CAD的集成度較低，有些工藝規程完全靠手工完成，速度慢、勞動強度大、工時及成本計算不準確，因此，急需建立適應各企業自身特點的CAD/CAM/CAPP集成軟件系統。另外，模具生產多為單件生產，但各類型模具具有相似性，利用成組技術(GT)，將其集成起來，采用柔性加工（FMS），可以提高模具的生產效率。

    現有的設計、生產、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集成技術可變為并行方式，充分發揮其功效（如圖1所示）。

    圖1 順序方法與并行方法

    毋庸置疑，應用CAD/CAM/CAPP集成技術是保證模具設計、加工質量和提高生產效率最有效的途徑。為適應汽車工業的發展，國外模具廠已普遍采用CAD/CAPP/CAM集成技術進行模具設計制造，大大縮短了模具設計制造周期，降低了成本。 

    據有關資料介紹，國外的一些企業從20世紀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。如美國AUTODIE公司采用了CAD/CAM/CAPP系統后，一種車型覆蓋件的模具設計與制造只需要8個月左右；日本三菱汽車公司從80年代初期開始應用模具CAD/CAM技術，并且實現了CAD/CAM/CAPP的集成，其功能包括沖壓方向的選擇、模具型面設計、模具結構設計和模具圖的繪制等；日本豐田汽車公司采用模具CAD/CAM/CAPP系統后，將原來設計加工一套模具的時間減少了50%，縮短了模具的生產周期，提高了模具和制作質量，進而也提高了公司的競爭力。

    經過幾十年的努力，我國一些大型汽車模具制造廠家已經廣泛采用DNC、CAD/CAM等先進制造技術，取得了長足的發展，但與國外相比存在很大的差距。各項技術的相互獨立，造成生產力低下，一些關鍵的汽車覆蓋件模具仍然依靠國外來設計制造。因此，汽車覆蓋件模具CAD/CAPP/CAM集成技術的應用已成為國內工業界和學術界研究的重點。

3 汽車覆蓋件模具CAD/CAM/CAPP集成化發展的前提

    實現CAD/CAM/CAPP集成化需要多項技術支持、人員配合及設備不斷改進、更新。

    3.1 數據通信的網絡化

    為了實現CAD/CAM/CAPP集成化，必須實現數據共享及數據實時傳輸，其中既要與其它用戶進行數據交換，如利用互聯網實現遠程的數據交換、產品模型的電子數據交換等，又要能滿足企業內部數據共享、數據傳輸，實現CAD、CAM、CAPP之間的共享，實現技術部門與生產現場之間的數據傳輸。在現代數控機床上，為了適應自動化技術的需要，都裝有可供直接通信用的數據串行接口，配上光纜通信網線，可以實現網上邊讀邊加工。生產現場也可直接調用設計3D圖形、CAM加工程序及CAPP工藝流程。管理部門可及時獲取技術數據、生產成本、工時計劃等信息，便于調整生產計劃和控制成本。

    3.2 軟件的互容性，集成化

    CAD/CAM/CAPP集成化技術，既要有CAD/CAM/CAPP專用軟件內部的兼容性要求，又要有網絡技術、數控機床內部軟件、數據管理軟件、數據傳輸等各類軟件的互容要求。

    3.3 設計與加工方法的相互支持

    CAD/CAM/CAPP集成技術不僅是各軟件的集成與各設備的合理配置，其技術方法也需要相互支持。CAD三維實體設計能直接用于CAM數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，用于計算加下成本、加工工時，從而得到最佳的設計方案。CAPP根據三維實體設計和CAM模擬加工計算各工序成本和工時，便于設計方案更改、計劃制定及生產管理。

    3.4 技術人員的知識結構一體化

    CAD/CAM/CAPP集成技術要求技術人員知識結構的一體化，技術人員要掌握相關方面的知識，用集成的觀念將CAD/CAM/CAPP作為一個整體，而不是獨立地進行每一部分工作。

4 汽車覆蓋件模具CAD/CAM/CAPP技術的集成化發展

    覆蓋件模具制造，設計及工藝具有單件性、經驗性、更新換代快等特點，使CAD/CAM/CAPP集成技術在本領域最能發揮其優越性。

    目前國內采用的新型商用CAD/CAM軟件為設計者提供了產品裝配級的設計支持，但它們都屬于通用商用軟件，缺乏CAPP接口，也缺乏專用性和對經驗的繼承，只可用于一般機械加工。現有的CAM軟件采用人機交互的方式將工藝路線和加工參數輸入數控編程系統，造成數控編程的時間過長，重復操作多，質量不穩定，專用性差。CAD設計不支持加工及工藝制定，無法快速對加工、工藝和用戶要求作出反映；設計方案更改頻繁，設計成本較高。CAPP僅停留在標準工藝庫的獨立軟件，無法準確計算各工序成本、加工工時，不能有效組織生產和管理。沒有集成的CAD、CAM、CAPP技術相互獨立，不能實現信息共享，無法發揮CAD/CAM/CAPP集成化的功效。

    國內覆蓋件模具制造企業面臨的問題是在利用通用的商用CAD/CAM軟件進行汽車覆蓋件模具設計和制造時，在很大程度上仍然依賴于模具設計、制造專家及工藝專家的干預。質量完全靠長期工作經驗的積累來保證，因此，質量會因人而異。為實現模具設計制造的自動化，減少對模具專家的依賴，有必要開發模具設計制造及工藝的CAD/CAM/CAPP集成化智能軟件。

    建立CAD/CAM/CAPP集成化智能軟件系統時，首先對汽車覆蓋件模具種類進行細分。如日本富士鐵工所就將模具的種類分成幾十種之多，以適應不同種類覆蓋件的設計、加工、工藝需要。覆蓋件模具種類的分類需要豐富經驗和知識，圖2為覆蓋件模具種類的示意圖。

    圖2 覆蓋件模具種類

    對現有制件按相似性原則進行分組，形成制件族，建立制件族特征矩陣。為每個制件族制定標準工藝和特征造型及加工樣板，利用計算機技術，在三維特征造型的基礎上，把模具設計、加工、工藝制定的知識、經驗用二次開發工具組織起來，形成CAD/CAIVUCAPP集成化專用軟件。

    這些信息數據均預先存入計算機數據庫中，當需要運行程序為某一個具體制件進行設計、制定工藝及編制加工程序時，首先輸入制件的幾何和工藝特征信息，通過對制件族特征矩陣的檢索，查明此制件所屬制件族，并調出設計用標準件庫及特征數據庫，標準結構庫按設計要求輸入尺寸及特征，在人機交互作業方式下，將零部件裝配起來，形成完整模具結構。運用特征造型法結合曲面模型建立原始實體模型（模具設計的CAD三維實體設計），三維設計能夠直接支持CAM加工、CAPP工序規劃，進行模具結構設計中零部件裝配的干涉檢查、強度分析。運用CAD/CAM/CAPP一體化的基礎，對產品成本的預測理論、估算方法以及降低成本都有不同層次的研究和相應的標準工藝。然后再根據具體的加工要求，對標準工藝進行刪選編輯，以獲得具體制件的工藝過程(CAPP)。CAPP將工序規劃好后，通過CAM的標準程序樣板生成數據代碼，生成虛擬模具，進行加工干涉檢查。模擬加工過程，可以擺脫傳統的進行試切加工和空刀加工等檢查方法產生的高成本、數控機床使用效率低下等缺點。同時計算出所用的加工時間、加工成本、設備折舊等，從而得到各工序成本及毛坯成本、設計成本等組成。由此可以及時、方便地修改以補充原有的設計、加工、工藝方案，完成制定工藝方案、生產計劃及成本管理的整體流程。

5 結論

    CAD/CAPP/CAM及GT集成技術，既可降低生產成本，減少計劃更改的盲目性，實現CAD、CAM、CAPP、GT的交互作用，又能繼承已有的經驗，減少人為錯誤，極大地縮短生產周期，提高其響應市場的速度，還能精確計算設計成本和加工成本，實現生產過程控制、生產成本控制及模具的快速報價。CAD/CAPP/CAM集成技術是現代化企業生產管理的發展方向，提高企業競爭力的有效工具。