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冲压模具柔性设计系统的研究左大平1,2,张益华1,熊明理1(1.南京航空航天大学,江苏南京2100162.张家界航空职业技术学院,湖南张家界427000)摘要冲压模具设计是一项十分复杂的工作。根据不同的冲压件单独设计模具需要很长时间,模具的制造成本也会大大增加。介绍了应用模具设计软件Pro/Engineer开发冲压模具柔性设计系统的具体方法,先建立模具零部件的标准数据库,调用标准零件生成典型的冲压模具组合。在根据冲压件与工艺需要选取不同规格的模具后,只需进行少量的工作即可完成整个模具的设计过程。这样将使设计时间缩短、制造成本降低,因而对冲压模具的快速设计与规范生产具有重要的现实意义。关键词冲压模具柔性设计系统标准化Pro/E二次开发中图分类号TH165ResearchonFlexibleDieDesigningSysteLUsingPro/EZuoDaping1,2,ZhangYihua1,XiongMingli1(1.NanjngUniversityofAeronauticsandAstronautics,Nanjing210016,China2.ZhangjiajieEngineeringVocationalandTechnicalColege,Zhangjiajie427000,China)AbstractDiedesigningisademandingandhardwork.Todesignaseparatedieforeachproductistimeconsumingandexpensivetask.Thispaperpresentsanideaofsetsofstandardreferencedies.ItgivesaconceptofflexiblediedesigningusingareferencestandarddiedesignedinapopularcommercialCAD/CAMsoftwarePro/Engineer.Ratherthandesigningaseparatedieforeachpart,justupdatethediedesignbyselectingthediedimensionsasrequired.Theuseofthisconceptwilprovetoreducetimeandcostofproductinmanufacturingindustry.KeywordsdieflexiblediedesigningsystemstandardizationPro/Esecondarydevelopment目前,在工业发达的国家和地区,模具工业已逐步实现标准化和系列化。而在我国,虽然大部分模具企业也有内部的企业标准,但是普遍标准化程度不高,冲压模具的标准化也仅限于模架部分的一些零部件。如果要真正地达到节省冲压模具设计时间、缩短加工周期、节约成本、减少设计人员与制造人员工作量的目的,就需要开发出冲压模具的柔性设计系统。同时,冲压模具标准化和系列化的范围也不能只局限于模架部分,对固定板、垫板、卸料板、顶料装置等常用零部件甚至是冲压模具结构,都要收稿日期20050916作者简介左大平,男,1971年生,硕士研究生。实现标准化和系列化[1]。由于CAD/CAM技术在模具设计与制造过程中广泛应用,因此标准化首先应该从冲压模具CAD系统开始。一些大型的商品化CAD/CAM软件,如Pro/E、UG等,都已开发出专门的注射模具设计软件包。而用于冲压模具设计的专用软件则有待于用户自行开发。1Pro/E在冲压模具柔性设计系统开发中的应用工具Pro/Engineer是由美国PTC公司开发的一套CAD/CAM/CAE软件。Pro/E采用单一的数据库以及基于特征的、参数化的设计模式,为用户提供了54设计研究电加工与模具2006年第1期十分方便的开发冲压模具柔性设计系统的工具。1.1FaLilyTableFamilyTable称为族表,用来建立结构相同或相近零件的尺寸与特征的标准化数据库表,是一个专门用于建立标准零件库的工具。使用族表前要先创建具有代表性的通用零件(thegeneric),然后根据需要将对象添加到族表中进行系列化管理。可以用族表管理的对象有尺寸(dimension)、特征(feature)、参数(parameter)和装配部件(component)等。一个族表可以有多个层次,即一个通用零件可以包含多个子零件(instance,又称实例),而每个Instance又可以包含自己的SubInstance。卸料螺钉(stripperbolt)的族表结构如图1所示。图1FamilyTable的层次结构1.2RelationsRelations(关系)包括数学关系与程序语法,其主要作用是将零件或装配中具有关联性的数据通过尺寸符号、参数及其他语法(syntax)建立数学关系式,以满足设计要求。Pro/E系统中的关系可存在于Sketch、Feature、Part及Assembly中。简单句和判断句是建立关系的常用格式。简单句表示单纯的数学关系,直接反应尺寸之间的关联情况。其使用格式简单,如d6ELBP2d3。判断句适合于一些特定的场合,通过指定条件来表达设计意图,语法结构为IFENDIF或IFELSEENDIF。在ELSEENDIF之间条件语句可以多层嵌套。关系在冲压模具标准化与柔性设计系统的建立过程中起着十分重要的作用,它具有决定零件的几何形状以及特征之间的位置关系、部件之间的装配关系以及部件是否存在于装配体中等多项功能。1.3Pro/PrograLPro/Program(程序)是Pro/E提供的一个可程序化的工具,其语法类似于VBA和Ofice软件中的Macro(宏)。当用户运用Pro/Engineer进行设计时,产品的各种信息会以文件的格式记录下来。通过对Pro/Program文件编辑,可以实现对特征的隐藏、删除与重新排序、对装配部件的添加和替换等操作。这些功能对于建立冲压模具标准件库、标准结构库和柔性设计系统是非常有用的。程序文件在结构上大致可分为标题、参数设置、关系式、添加特征(部件)和更新质量属性等5个部分。在INPUTENDINPUT之间进行设置参数在RELATIONSENDREALATIONS之间添加各种关系在ADDENDADD之间添加特征(part模块)或部件(assembly模块)。Pro/Program提供了3种类型的参数NUMBER(数值)、STRING(字符串)和YESNO(是否)。2标准模架库的开发2.1标准模架的分类与组织模架是冲压模具的重要组成部分。典型的模架有3类后侧导柱模架(backpilarsets)、中间导柱模架(centerpilarsets)和对角导柱模架(diagonalpilarsets)。每一类模架又包括多种的规格。按照凹模周界尺寸划分,后侧导柱模架有LB规格22种、D0规格6种(即LEB时),中间导柱模架D0规格9种,对角导柱模架LB规格7种[23]。为了便于数据的管理与调用,标准模架库的根目录最好建立在Pro/E的安装目录下。由于3类模架在结构上差异较大,故可在模架库的根目录下分别建立3个子目录,每个子目录中包含组成模架的所有零件,而每一类零件又可以通过Pro/E软件提供的族表、关系和程序等工具建立标准数据库。2.2标准模架库的建立冲压模具模架主要由上模座(uppershoe)、下模座(lowershoe)、导柱(guidepilar)和导套(guidebushing)等组成。为了使模具结构完整,也可以将模柄(shank)装配到模架中。下面介绍后侧导柱模架标准库的建立方法。首先创建各零件的三维模型,然后将标准手册数据表中的系列尺寸符号一一添加到族表编辑器中(也可利用Excel进行编辑)。在添加尺寸符号前,最好将尺寸符号修改到与手册中的尺寸符号一致。由于族表不能区分字母的大小写,当同一字母大小并存时建议将大写字母用双字符加以区分,如将d表示为D,而将D表示成为DD。标准上模座有两种情况当LB200mm64电加工与模具2006年第1期设计研究160mm时有安装凸台,而当LB小于或等于该范围时无安装凸台,如图2所示。判断有无凸台的方法有两种一种方法是利用族表,将生成凸台的Extrude和Ofset两个特征以Feature的方式添加到族表中,并在这两个特征下的列表中分别输入Y或N,以判断某规格的上模座是否具有这两个特征另一种方法是找到这两特征在Pro/Program中的位置,并在添加Extrude特征的程序前增加一行判断语句IFL200|B160,在添加的Ofset特征的程序后用ENDIF结束判断。(a)200mm160mm(b)200mm200mm图2上模座的两种类型2.3标准模架库的建立在Pro/Assembly模块中同样可以使用族表生成模架标准数据库。在构造装配族表时选用component,选取模架中的所有部件,并在族表中输入不同规格模架所需要的标准件的子零件的名称,如图3所示。图3后侧导柱标准模架FamilyTable结构常用的模柄有4种类型压入式模柄、凸缘模柄、旋入式模柄和浮动模柄。如果将4种类型的模柄全都装配到模架的通用模型中(图3中只装配了2种),在族表中输入所需要的模柄子零件的名称,利用INPUT设置参数,借助Regenerate命令再生时调用参数来选用不同的模柄类型。当然,也可以在族表中将不用的模柄用字符N来抑制,图3所示的模架系统就是采用的这方法。3标准冲压模具结构库的开发3.1冲压模具的典型组合冲压模具在结构上差异较大,建立冲压模具柔性设计系统时最好采用典型的模具结构组合。利用典型的结构组合可以确定模具的结构形式,并由此确定组成模具的各零部件尺寸规格和装配关系。常用的冲压模具典型组合结构有固定卸料组合、弹压卸料组合、复合模组合、导板模组合等。模具结构的标准化离不开标准化的零件,在Pro/Engineer中标准化的模具零件可以在采用自底向上的设计方法,也可以采用自顶向下的设计方法。3.2模具装配过程中的数据传递由于结构复杂,所以冲压模具结构标准化时所要考虑的因素比模架标准化时所要考虑有因素多得多,其中一个最重要的因素就是各部件之间的尺寸关联。在一个标准的模具结构组合中,装配体与部件、部件与部件之间都需要进行数据传递,而在Pro/Assembly中可以十分方便地达到这个目的。3.2.1由装配体向部件的数据传递Pro/Program可以利用EXECUTE语句将装配体中的参数向下一级的子装配体或部件传递,其使用语法格式如下EXECUTEPART/ASSEMBLY文件名部件或子装配体中的参数E装配体中的参数ENDEXECUTEEXECUTE语句不能越级传递数据,即不能由装配体向其子装配体中的部件直接传递数据。3.2.2部件之间的数据传递当部件添加到装配体中都有一个Id号,利用它可以完成装配部件之间的数据传递。装配部件的Id号可以用RELATIONS菜单中的SessionId命令来查询。图4是在弹压卸料组合标准中装配卸料弹簧的示意图。由于装配到模具中的弹簧已有一定的预压缩量,因而其装配长度(Hs)已不再等于自由长度(H0)。在确定Hs时,可以利用如下的数学关系Hs38EL32tbp0用这种方法即可始终保证弹簧的装配长度等于从卸料板上表面到垫板下表面的高度,从而省去了在相关部件被替换后的尺寸修改。这在模具设计中是非常实用的,因为模具装配中类似的情况还有很多。再如,在确定上模座卸料螺钉通孔直径(d134)74设计研究电加工与模具2006年第1期图4用Id号确定弹簧的装配长度尺寸时,就可以利用下面的数学关系d1348ED322这种通过Id号建立起来的数学关系需要在使用Regenerate命令后才能生效,所以对于不同部件上的位置尺寸尽量少用这种方法,以免在初次调用模具模型时会出现错误的显示结果。但如果在部件之间及参数来传递数据,各部件的位置尺寸利用参数值来建立数学关系,就可以避免上述麻烦。3.2.3标准零件的替换用FamilyTable建立的标准零件可以用lookupinst语句进行替换。Lookupinst允许用户在标准件库中查找相匹配的子零件,如果查找没有结果,则返回一个通用名[4]。Lookupinst语法格式如下lookupinst(genericname,matchmode,paramname1,matchvalue1,paramname2,matchvalue2,)其中matchmode可取3个值,分别代表不同的含义1为查找参数值小于或等于查找值的子零件0为查找参数值完全匹配查找值的子零件1为查找参数值大于或等于查找值的子零件。3.3模具结构的装配完成模具零件库建立和理顺部件之间的装配关系后,即可生成模具的装配模型。图5为笔者开发的弹压卸料组合中规格为200mm160mm的模具结构(略去所有螺纹特征)。3.4冲压模具的调用冲压模具可以在Pro/Assembly中直接调用,也可应用Pro/TOOLKIT开发可视化的用户界面来调用。Pro/TOOLKIT是Pro/E系统提供的二次开发软件包,其主要目的是让用户或第三方通过C程序代码扩充Pro/E的功能,开发基于Pro/E系统的应图5冲压模具柔性设计系统中的模具结构用程序模块,以满足用户的特殊需要。利用Pro/TOOLKIT提供的UI对话框、菜单以及VC的可视化界面技术,设计出方便实用的冲压模具柔性设计系统的人机交互界面。利用交互界面调用各种结构的冲压模具、选用不同规格的零件、输入不同的参数值、确定板料参数以及其在模具中的定位,进一步在系统中设计出凸模、凹模及其他结构,从而大大地提高冲压模具设计的效率。4结束语由于冲压工艺种类繁多、工序复杂,且模具零件形状多样,所以在实现冲压模具标准化和和开发柔性设计系统的过程也十分复杂,但冲压模具柔性设计系统的建立是提高冲压模具CAD应用水平的基石。Pro/E强大的零件、装配的标准库建立的功能,为冲压模具的标准化和柔性设计系统开发的可行性提供了有力的保证。在开发柔性设计系统时,应巧妙地应用Pro/E软件提供的各种有效工具,综合考虑不同类型的标准结构组合中的装配关系。对部件之间有配合尺寸要求和零件结构有所变动情况,最好使用RELATIONS和Pro/Program编写数学关系和程序以增加系统的柔性和实用性。冲压模具柔性设计系统的开发与应用,避免了模具设计人员不必要的重复劳动,以便将精力集中于方案的构思、工艺优化等创造性的工作上,因而对模具的快速设计与规范生产具有现实的应用意义。参考文献[1]党新英.浅谈冲压模具的标准化[J].企业标准化,2001,(6)26.[2]王孝培.冲压手册.[M]北京机械工业出版社,1995.[3]史铁梁.模具设计指导[M].北京机械工业出版社,2003.[4]彭海涛,白笛.Pro/Engineer200i应用教程[M].北京人民邮电出版社,2001.84电加工与模具2006年第1期设计研究
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