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IT技術(shù)在模具行業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)

各種信息資源，包括市場(chǎng)信息、企業(yè)運(yùn)營(yíng)信息、產(chǎn)品設(shè)計(jì)加工信息等，正日益成為企業(yè)的戰(zhàn)略資源。如果能將各種IT技術(shù)合理地運(yùn)用到模具企業(yè)上，我國(guó)模具企業(yè)在管理水平和企業(yè)的運(yùn)營(yíng)效率方面必將獲得極大的提高。
模具工業(yè)在歐美等工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家被稱之為點(diǎn)鐵成金的“磁力工業(yè)。”在日本，模具工業(yè)被稱為“進(jìn)入富裕社會(huì)的原動(dòng)力”，其模具產(chǎn)業(yè)年產(chǎn)值達(dá)13000億元，遠(yuǎn)超過(guò)日本機(jī)床總產(chǎn)值的9000億日元。在德國(guó)，模具工業(yè)被當(dāng)作加工工業(yè)的“帝王”，而歐盟的一些國(guó)家稱“模具就是黃金”。
目前，我國(guó)的模具制造企業(yè)約有20000家，并每年以10%-15%的速度高速增長(zhǎng)，2002年的模具產(chǎn)值已達(dá)40億美元。我國(guó)生產(chǎn)的模具有些已接近或達(dá)到國(guó)際水平，但無(wú)論是在設(shè)計(jì)水平、加工設(shè)備、運(yùn)作模式、質(zhì)量控制、市場(chǎng)開(kāi)拓還是在人員素質(zhì)、技術(shù)創(chuàng)新方面，與工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家還有很大差距。我國(guó)模具工業(yè)除了需要提高精密、高效、自動(dòng)化程度高的數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用比例外，更應(yīng)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)、企業(yè)決策、市場(chǎng)拓展和內(nèi)部管理等方面探索新的生產(chǎn)和管理模式。
模具CAD/CAM/CAE
20世紀(jì)60年代中后期以后，歐美的一些大公司開(kāi)始重視并投入到CAD/CAM技術(shù)的研究和開(kāi)發(fā)中，極大地推動(dòng)了CAD/CAM技術(shù)的發(fā)展。隨著模具工業(yè)的飛速發(fā)展，CAD/CAM技術(shù)逐漸被引入模具工業(yè)，并日益受到企業(yè)的重視。日立、日電等公司早在20世紀(jì)70年代中期，就成功地將CAD技術(shù)應(yīng)用于沖壓模具的設(shè)計(jì)和制造，使設(shè)計(jì)時(shí)間縮短了1/2以上。大多數(shù)優(yōu)秀的CAD/CAM系統(tǒng)都是面向機(jī)械行業(yè)的通用型系統(tǒng)，國(guó)際廠商紛紛投入人力和物力，針對(duì)各類模具的特點(diǎn)，推出了功能完善、操作方便的專用CAD/ CAM系統(tǒng)。例如美國(guó)UGS公司，針對(duì)多工位級(jí)進(jìn)模和注塑模分別推出了多工位級(jí)進(jìn)模設(shè)計(jì)向?qū)AD系統(tǒng)（Progressive Die Wizard）和注塑模設(shè)計(jì)向?qū)AD系統(tǒng)（Mold Wizard）。兩系統(tǒng)均無(wú)縫地集成于該公司的三維機(jī)械CAD/CAM系統(tǒng)UG中，為用戶提供了級(jí)進(jìn)模和注塑模設(shè)計(jì)環(huán)境與工具，封裝了模具設(shè)計(jì)的專家知識(shí)，提供了豐富的標(biāo)準(zhǔn)化的模架庫(kù)、零件庫(kù)和鑲件庫(kù)。
華中科技大學(xué)最先開(kāi)始了沖壓工藝設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)的研究，于1986年完成了沖裁模CAD/CAM系統(tǒng)HPC的開(kāi)發(fā)。該系統(tǒng)注重于人機(jī)交互界面的設(shè)計(jì)，可完成落料與沖孔的單沖模、復(fù)合模和級(jí)進(jìn)模的設(shè)計(jì)。上海交通大學(xué)模具CAD國(guó)家工程研究中心與瑞士Feintool公司合作開(kāi)發(fā)了精沖模工藝設(shè)計(jì)KBE （Knowledge-Based Engineering，基于知識(shí)的工程）系統(tǒng)，并與青島海爾模具公司合作開(kāi)發(fā)了注塑模模架選擇KBE系統(tǒng)，與日本山中合金株式會(huì)社合作開(kāi)發(fā)了冷鍛模設(shè)計(jì)KBE系統(tǒng)等。
CAE軟件誕生于20世紀(jì)70年代初，主要是以有限元法、有限差分法、有限體積和無(wú)網(wǎng)格法為基礎(chǔ)開(kāi)發(fā)的。CAE軟件分為通用前后置處理、通用有限元求解軟件和行業(yè)專用軟件。目前常見(jiàn)的前后置處理軟件有EDS公司的PEMAP、MSC公司的Patran和Altair 公司的HyperMesh,這些軟件在美國(guó)汽車(chē)廠商中都有廣泛應(yīng)用。通用有限元求解軟件有ABAQUS、ANSYS、Cosmos、MSC/MARC、MSC/NASTRAN等。行業(yè)專用有限元軟件受其應(yīng)用領(lǐng)域限制只在各自行業(yè)內(nèi)得到應(yīng)用，板材成形行業(yè)的AUTOFORMT 和DYNAFORM軟件，如鑄造行業(yè)的MAGMA軟件，機(jī)械動(dòng)力仿真領(lǐng)域的M S C/ADAMS軟件等。目前，CAE軟件正朝著多物理場(chǎng)的方向發(fā)展。
華中科技術(shù)大學(xué)模具技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)經(jīng)過(guò)10余年的努國(guó)力，開(kāi)發(fā)出了獨(dú)具特色的、具有國(guó)際先進(jìn)水平的三維注塑成型仿真系統(tǒng)HSCAE3D。該系統(tǒng)能直接在三維實(shí)體模型上劃分網(wǎng)絡(luò)，顯示三維分析結(jié)果，并把知識(shí)工程技術(shù)引入系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)中，利用人工智能所具有的思維和推理能力，代替用戶完成大量工藝參數(shù)、制品幾何參數(shù)、分析結(jié)果數(shù)據(jù)場(chǎng)等信息的分析和處理。目前，該系統(tǒng)已成為具有知名度的商品化軟件產(chǎn)品，在青島海爾模具有限公司、科龍電器有限公司等一批著名企業(yè)中取得了成功應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)。湖南大學(xué)經(jīng)過(guò)對(duì)薄板沖壓工藝與模個(gè)的設(shè)計(jì)理論、計(jì)算方法和關(guān)鍵技術(shù)深入和系統(tǒng)的研究，創(chuàng)建了一套從基礎(chǔ)理論與方法到CAE沖壓分析、沖壓工藝的實(shí)驗(yàn)研究，再到?jīng)_壓工藝設(shè)計(jì)和模具設(shè)計(jì)制造的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的系統(tǒng)技術(shù)裝備。該項(xiàng)目成果已在湖南大學(xué)汽車(chē)技術(shù)研究與開(kāi)發(fā)中心、上汽五菱汽車(chē)股份有限公司等企業(yè)建立起應(yīng)用示范點(diǎn)。吉林大學(xué)開(kāi)發(fā)了板材沖壓成形性分析軟件KMAS。華中科技大學(xué)模具術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)了基于逆算法的面向模具設(shè)計(jì)人員的快速板材成形分析軟件FASTAMP,并在生產(chǎn)實(shí)際中應(yīng)用。
目前我國(guó)大部分模具企業(yè)應(yīng)用CAD/CAM技術(shù)還局限于二維繪圖，三維設(shè)計(jì)的應(yīng)用尚處在開(kāi)始階段，數(shù)控加工在模具制造中所占比例仍然較低，與國(guó)外先進(jìn)水平相比，還有相當(dāng)大的差距。
CAE 在我國(guó)模具行業(yè)的應(yīng)用還剛剛起步，只是在經(jīng)濟(jì)實(shí)力相當(dāng)雄厚的企業(yè)，例如一汽、東風(fēng)、海爾等單位，才購(gòu)買(mǎi)了少量的商品化軟件，開(kāi)始嘗試應(yīng)用。
產(chǎn)品信息的集成管理平臺(tái)PDM
隨著CAD/CAM/CAE軟件及其他應(yīng)用軟件的普及應(yīng)用，計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的各種類型、格式各異的數(shù)據(jù)資料，如市場(chǎng)分析報(bào)告、產(chǎn)品設(shè)計(jì)信息、加工圖紙、零件加工工藝、數(shù)控加工程序清單、仿真測(cè)試結(jié)果分析等迅速增加。如何有效管理和運(yùn)用這些數(shù)據(jù)資料成為了企業(yè)面臨的一大難題。20世紀(jì)80年代初，提出PDM（產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理）技術(shù)就是為了解決電子信息資源的管理問(wèn)題。進(jìn)入20世紀(jì)90年代，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)大規(guī)劃普及、數(shù)據(jù)技術(shù)飛速發(fā)展，以及C/S模式（客戶服務(wù)器模式）和B/S模式（瀏覽器服務(wù)器模式）的廣泛應(yīng)用，使得PDM技術(shù)有了很大發(fā)展，所涉及的范圍也逐步由過(guò)去單一的計(jì)算機(jī)信息管理擴(kuò)展到管理所有與產(chǎn)品相關(guān)信息和所有與產(chǎn)品相關(guān)過(guò)程的技術(shù)。標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)交換格式（如STEP）和中間件技術(shù)（如CORBA）的應(yīng)用，使得PDM系統(tǒng)具有很好的兼容性和開(kāi)放性，能透明地跨越各種異構(gòu)的系統(tǒng)，識(shí)別不同格式的文件。因此，PDM系統(tǒng)作為一個(gè)信息的溝通平臺(tái)，可對(duì)企業(yè)各種產(chǎn)品的相關(guān)數(shù)據(jù)和過(guò)程進(jìn)行集成管理，并在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的整個(gè)過(guò)程中協(xié)助管理者對(duì)開(kāi)發(fā)過(guò)程進(jìn)行有效的控制和管理。與此同時(shí)，設(shè)計(jì)人員在產(chǎn)品生命周期內(nèi)的各個(gè)環(huán)節(jié)和產(chǎn)品過(guò)程相關(guān)的各個(gè)地方均能及時(shí)、準(zhǔn)確地獲取產(chǎn)品的相關(guān)信息，并對(duì)產(chǎn)品數(shù)據(jù)進(jìn)行一定權(quán)限范圍內(nèi)的操作。這種產(chǎn)品數(shù)據(jù)的高度集成和共享，使得新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)時(shí)間和成本在為縮減。據(jù)國(guó)外資料統(tǒng)計(jì)，實(shí)施PDM至少能降低工程成本10%，可縮短產(chǎn)品生命周期20%，減少工程變更控制時(shí)間30%，減少工程變更數(shù)量40%。
目前，國(guó)外的公司已開(kāi)發(fā)出一些產(chǎn)品功能齊全、開(kāi)放性好、思想新穎、技術(shù)先進(jìn)的PDM產(chǎn)品，如UGS公司的IMAN，IBM 公司的Product Manager，SDRC公司的Metaphase，PTC公司的Windchill等。這些產(chǎn)品在波音、IBM、福特汽車(chē)、通用汽車(chē)等公司得到推廣應(yīng)用，并取得了成功。國(guó)內(nèi)的一些企業(yè)，如春蘭、海爾、長(zhǎng)虹和康佳等采用IMAN系統(tǒng)，西安飛機(jī)設(shè)計(jì)所采用IBM的PM系統(tǒng)，也取得了一定的成功。與此同時(shí)，國(guó)內(nèi)的軟件廠商也紛紛推出了自己的PDM產(chǎn)品，如武漢天喻公司的IntePDM，武漢開(kāi)目技術(shù)集成公司的KMPDM，清華同方軟件公司的TFPDMS等，國(guó)產(chǎn)的PDM系統(tǒng)，無(wú)論是在功能上、技術(shù)上、思想上還是穩(wěn)定性方面與國(guó)外的產(chǎn)品都有較大的差距，但在價(jià)格上和定制程度方面有一定優(yōu)勢(shì)，因此在國(guó)內(nèi)的一些企業(yè)中也得到應(yīng)用。
以CIMS為標(biāo)志的企業(yè)信息化
繼20世紀(jì)中后期誕生了CAD技術(shù)，1954年信息化技術(shù)進(jìn)入管理業(yè)務(wù)領(lǐng)域，產(chǎn)生了MRP/MRPII技術(shù)等。這些單項(xiàng)技術(shù)在各自領(lǐng)域已達(dá)到了很高的水平，但由于這些單元技術(shù)間、設(shè)備間缺乏有效的信息溝通和協(xié)調(diào)，如CAD技術(shù)一般用于產(chǎn)品形狀定義，CAM重點(diǎn)用于NC編程，CAE側(cè)重于數(shù)值模擬，各自都有不同的信息需求和文件格式，使得各系統(tǒng)之間的信息交流很不順暢，從而造成了一種所謂的“自動(dòng)化孤島”狀態(tài)。如何將各種單元技術(shù)有機(jī)地整合在一起，綜合地應(yīng)用起來(lái)，就成為了研究熱點(diǎn)。美國(guó)首先于1973年提出了CIM（計(jì)算機(jī)集成制造）哲理，其基本思想是把制造企業(yè)中的各種活動(dòng)，如市場(chǎng)分析、經(jīng)營(yíng)決策、工程設(shè)計(jì)、制造加工、質(zhì)量控制、售后服務(wù)等，作為一個(gè)互相緊密相連的整體，并將整個(gè)制造過(guò)程視為一個(gè)數(shù)據(jù)搜索、傳遞、加工和處理的過(guò)程。CIM是一種先進(jìn)的哲理，是基于傳統(tǒng)制造技術(shù)、信息技術(shù)、管理技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)和系統(tǒng)工程技術(shù)的一門(mén)綜合性技術(shù)。但限于當(dāng)時(shí)的技術(shù)條件，直于20世紀(jì)80年代初，基于CIM理念的制造系統(tǒng)CIMS才逐漸被制造領(lǐng)域重視并采用。近一二十年里，在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的激勵(lì)與相關(guān)技術(shù)進(jìn)步的推動(dòng)下，CIM理念及其技術(shù)在實(shí)踐中不斷充實(shí)、完善與發(fā)展，由最初的計(jì)算機(jī)集成制造發(fā)展成為現(xiàn)代集成制造，其內(nèi)涵也從企業(yè)內(nèi)部信息的集成，逐步擴(kuò)展到設(shè)計(jì)制造過(guò)程的集成（并行工程），再到企業(yè)間的集成（動(dòng)態(tài)聯(lián)盟）。
CIMS的實(shí)施在不同程度上縮短了產(chǎn)品的交貨期和報(bào)價(jià)時(shí)間，降低了產(chǎn)品的成本和庫(kù)存，提高了產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量。例如，國(guó)家863/CIMS主題以華中科技大學(xué)作為技術(shù)依托單位承擔(dān)了東風(fēng)汽車(chē)公司的車(chē)身與覆蓋件模具CAD/CAPP/CAM集成系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用實(shí)施。該集成系統(tǒng)實(shí)施以后，車(chē)身設(shè)計(jì)效率提高了一倍以上，工藝設(shè)計(jì)的效率提高了50%以下，加工出的覆蓋件模個(gè)的質(zhì)量已接近國(guó)外水平，顯著提高了東風(fēng)汽車(chē)公司的車(chē)身和覆蓋件模具產(chǎn)品的質(zhì)量，縮短了車(chē)身的設(shè)計(jì)與制造周期，增強(qiáng)了企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力。國(guó)內(nèi)模具行業(yè)實(shí)施CIMS或企業(yè)信息化項(xiàng)目的單位還有海爾、科龍、成飛、北汽福田、鄂豐等許多企業(yè)。這些企業(yè)通過(guò)實(shí)施企業(yè)信息化項(xiàng)目，提高了在整個(gè)企業(yè)范圍內(nèi)應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)的水平，創(chuàng)造了顯著的經(jīng)濟(jì)效益，也在國(guó)內(nèi)模具企業(yè)中發(fā)揮了典型示范作用，積累了寶貴的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)

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