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同济大学博士学位论文 基于w e b 的车身覆盖件模具 协同设计关键技术的研究 摘要 汽车在国民经济和社会发展中占据着重要的地位。作为国民经济的基础结构，汽车的普 及和发展促进了经济的发展和社会的现代化，并带动了一系列上下游相关产业的发展和技术 革命。汽车工业发展的关键在于汽车新产品开发，车身覆盖件模具的开发是汽车新产品开发 的关键环节之一。随着经济全球化、市场竞争的激烈化，世界各国的汽车企业纷纷探索采用 先进的制造技术和生产哲理来缩短覆盖件模具的开发周期，提高产品质量，降低开发成本。 随着信息技术和计算机辅助技术的飞速发展，相关企业在网络环境下通过优势互补、资源共 享组建一种新的企业组织形式一一动态联盟，去共同占领市场，从而形成竞争中的“双赢”、 “共赢”就是新的市场经济环境下企业的必然选择。协同设计技术是计算机支持的协同工作 与先进制造技术相结合的产物，是一个针对产品设计阶段的新的研究领域，是网络环境下动 态联盟企业进行协同产品开发的关键支撑技术。本文将协同设计技术引入到车身覆盖件模具 设计与制造中，对w e b 环境下车身覆盖件模具协同设计中的关键技术进行了研究。本文的 研究内容主要包括基于w e b 的车身覆盖件模具协同设计系统框架结构、覆盖件模具协同设 计的过程集成、支持产晶协同设计的项层基本骨架( t b s ，t o pb a s i cs k e l e t o n ) 模型的研究、 基于x m l ( e x t e n s i b l em a r k u pl a n g u a g e ) 的覆盖件模具协同漫计的信息集成等。 根据车身覆盖件模具设计与制造的特点，在分析传统的c s 协同设计系统结构不足的基 础上，提出了基于w e b 的覆盖件模具协同设计系统集成模型( w e b - b a s e dp r e s sc o l l a b o r a t i v e d e s i g ns y s t e m ，w p c d s ) 给出了集成模型的框架结构。在分析传统的分布式面向对象计算 技术( d c o m c o m 、c o i 氇a 、r m l ) 不足的基础上，采用s o a p + h t t p 来解决集成系统 的平台异构问题。将w p c d s 系统分成基于项目的设计过程集成、基于x m l 的信息集成、 基于知识的智能集成三个层次。给出了系统的主要功能模块，给出了系统的网络参考模型。 根据车身覆盖件模具设计与制造通常以项目组织生产的特点，提出了基于项目的设计过 程集成模型，从动态和静态两个方面分析了协同设计过程所涉及到的人员、组织、资源、知 识和活动等要素。集成的设计过程模型在静态方面包括过程子模型、数据子模型、组织子模 型和资源子模型，给出了各个子模型的抽象描述以及各个子模型之问的关系。从动态方面分 析了覆盖件模具协同设计任务规划的有关问题，给出了覆盖件模具协同设计任务分解参考模 型，给出了覆盖件模具协同设计活动参考模型，采用模糊层次分析法( f a h p ) 来进行协同 设计的任务分配，给出了任务分配的具体算法，并用实例进行了说明。 提出了支持模具结构协同设计的顶层基本骨架( t b s ) 的概念。顶层基本骨架是支持协 同设计的自顶向下的装配建模模型，该模型采用层次化建模思想，通过把复杂的产品分解为 相互关联的子系统而降低问题的求解难度，通过在设计的早期阶段，抽取各个子系统之间的 关联和约束来协调各个子系统之间的关系，通过简单的几何控制要素( 点、线、面、基准坐 标等) 来表示产品主要的空间约束和性能约束，通过特征结构空间表示零部件的主要空间轮 基于w e b 的车身覆盖件模具协同设计关键技术的研究 廓位置。 采用x m l 进行协同设计信息集成的概念。分析了信息集成的主要模式，分析了信息集 成中采用i g e s 、s t e p 等的不足，给出了采用x m l 进行信息集成的优点。提出了建立覆盖件 模具标记语言( a u t op a n e ld i em a r k u pl a n g u a g e a p d m l ) 来支持协同设计的概念，对x m l 数据模型的选择、数据模式的选择、x m l 文档的存储和管理等技术进行了讨论。此外，作 者还对覆盖件模具特征造型技术进行了深入研究，给出了特征定义、特征分类以及集成特征 信息模型，并建立了基于w e b 的覆盖件模具参数化标准件库和通用件库。 开发了一个原型系统，对文章中提出的部分理论进行了实现，以某型号轿车后隔板为例， 详细论述了基于w e b 的覆盖件模具协同设计过程，证明了文章中提出理论的先进性和实用 性，建立的原型系统部分成果已在企业应用，获得了较好的评价。 关键词：覆盖件模具协同设计t b sx m lw e b i i 同济大学博士学位论文 s t u d y o nw e b - - b a s e dc o l l a b o r a t i v ed e s i g n k e yt e c h n o l o g i e so fa u t o - b o d yc o v e r i n gp a n e l sd i e a b s t r a c t a u t o m o b i l et a k ea ni m p o r t a n tp o s i t i o ni nn a t i o n a le c o n o m ya n ds o c i e t yd e v e l o p m e n t a so n e o ft h en a t i o n a li n f r a s t r u c t u r a l ，a u t o m o b i l ep o p u l a r i z a t i o na n dd e v e l o p i n ga c c e l e r a t ee c o n o m y i n c r e a s i n ga n ds o c i e t ym o d e r n i z a t i o n , a n dd r i v eas e r i e so fc o r r e l a t e di n d u s t r yd e v e l o p i n ga n d t e c h n o l o g yr e v o l u t i o n a u t o m o b i l ei n d u s t r yd e v e l o p i n gd e p e n do nn e wp r o d u c td e v e l o p m e n ta n d r e s e a r c h ，a n da u t o - b o d yp a n e l sd i ed e v e l o p m e n ta n dr e s e a r c hi so n eo ft h et w ok e yf a c t o r s i n o r d e rt op r o m o t ep r o d u c tq u a l i t y , s h o r tp r o d u c tc o m ei n t ot h em a r k e tt i m ea n dr e d u c et h e m a n u f a c t u r i n gc o s t , w o r l df a m o u sa u t o m o b i l ec o r p o r a t i o n sa r ee x p l o r i n gn e wm a n u f a c t u r i n g t e c h n o l o g ya n dp r o d u c tp h i l o s o p h yi na u t o - b o d yp a n e l sd i ed e v e l o p m e n to n ea f t e ra n o t h e r a c c o m p a n yb y t h ei n f o r m a t i o nt e c h n o l o g ya n dc o m p u t e ra i d e dd e s i g nt e c h n o l o g y r a p i d l y c h a n g i n g , c o r r e l a t e dc o r p o r a t i o ne s t a b l i s h e dan e wo r g a n i z a t i o nf o r m - - - d y n a m i ca l l i a n c et o o c c u p ym a r k e tt h r o u g hr e s o u r c es h a r i n g , a n dg a i n w i n - w i n o r t w o - w i n ”i san a t u r a lc h o i c ei n n e wm a r k e te c o n o m ya n de c o n o m yg l o b a l i z a t i o ne n v i r o n m e n t c o l l a b o r a t i v ed e s i g ni sa c o m p o u n d o fc o m p u t e rs u p p o r t e dc o l l a b o r a t i v e c o r p o r a t i o na n da d v a n c e dm a n u f a c t u r i n g t e c h n o l o g y , i san e wd o m a i nr e l a u x lb yp r o d u c td e s i g np h a s e ，i sak e ys u p p o r t i n gt e c h n o l o g yo f c o o p e r a t i o np r o d u c td e v e l o p m e n tb e t w e e nd y n a m i ca l l i a n c eu n d e rn e t w o r ke n v i r o n m e n t t h i s a r t i c l ei n t r o d u c e dc o l l a b o r a t i v e d e s i g nt e c h n o l o g y i n t o a u t o - b o d yp a n e l sd i ed e s i g na n d m a n u f a e t t t r i n g , a n dt h ek e yt e c h n o l o g yo fa u t op a n e l sd i ec o l l a b o r a t i v ed e s i g nh a sb e e ne x p l o r e d a n ds t u d y e d t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n to ft h i s a r t i c l ei st h es y s t e mi n t e g r a t e df r a m em o d e lo f w e b - b a s e da u t op a n e l sd i e c o l l a b o r a t i v ed e s i g n , a n dt h ed e s i g np r o c e d u r ei n t e g r a t i o nm o d e l ，a n d t o pb a s i cs k e l e t o n ( t b s ) w h i c hs u p p o r t e dc o l l a b o r a t i v ed e s i g na n di n f o r m a t i o ni n t e g r a t i o nm o d e l b a s e do ne x t e n s i b l em a r k u pl a n g u a g e ( x m d a f l e ra n a l y z i n gt h el i m i t a t i o no ft r a d i t i o n a lc o l l a b o r a t i v ed e s i g ns y s t e mb a s e do nc s ( c l i e n t a n ds e r v e r ) m o d e ，an e w l yw e b - b a s e da u t op a n e l sd i ec o l l a b o r a t i v ed e s i g ni n t e g r a t i o nf r a m em o d e l h a sb e e np r e s e n t e da c c o r d i n gt ot h ec h a l d k f f 册o fa u t op a n e ld i ed e s i g na n dm a n u f a c t u r i n g 1 r i 埒 s o a pa n dh n pp r o t o c o lh a sb e e n u s e dt os o l v eh e t e r o g e n e o u sp l a t f o r mi n t e r c o n n e c tw h i c h t r a d i t i o n a ld i s t r i b u t e do b j e c t e dt e c h n o l o g ys u c ha sc o i u l aa n dr m ia n dd c o m ，c o mc a n t s o l v et h i sp r o b l e m w p c d sa r ed i v i d e di n t ot h r e el e v e l sw h i c hi sd e s i g np r o c e d u r ei n t e g r a t i o n a c c o r d i n gt oc u s t o m e rp r o j e e l ：, i n f o r m a t i o ni n t e g r a t i o nt h r o u g hx m ll a n g u a g e ，i n t e l l e c t i v e i n t e g r a t i o nb a s e do nd e s i g nk n o w l e d g e ( k n o w - h o w ) a n de x p e r i e n c e , t h em a i nf u n c t i o nm o d u l e s h a sb e e nd e f i n e da n dt h en e t w o r km o d e lh a sb e e np r e s e n t e d t h ed e s i g np r o c e s si n t e g r a t i o nm o d e lb a s e do np r o j e c th a sb e e np r e s e n t e db e c a u s ea u t o - b o d y p a n e l sd i ep r o d u c t i o na c t i v i t yo f t e n 讲鬻m 沈db yp r o j e c t , a n dt h ed y n a m i ca n ds f f t t i cc h a r a c t e r i s t i c i h 基于w e b 的车身覆盖件模具协同设计关键技术的研究 o fd e s i g np r o c e s sh a sb e e na n a l y z e df r o mt h ep o i n to fh u m a nl i s t ) u r g e ，o r g a n i z a t i o ns t r u c t u r e ， d e v i c el i s o u r c e , k n o w l e d g ea n da c t i v i t y t h ei n t e g r a t i o nd e s i g np r o c e s sm o d e lc o m p o s e do f p r o c e s ss u b - m o d e l ，d a t as u b - m o d e l ，o r g a n i z a t i o ns u b - m o d e la n dl i s o u r c es u b - m o d e l t h ea b s t r a c t d e s c r i p t i o no fs u b - m o d e lh a sb e e np r e s e n t e da n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ne a c hs u b - m o d e lh a s b e e ng i v e n t h ec o l l a b o r a t i v ed e s i g nt a s kd e c o m p o s i t i o nr e f e r e n c em o d e lh a sb e e np r e s e n t e d a f u z z ya n a l y z e dh i b e r a r c h yp l a n ( f a h p ) m e t h o dh a sb e e nu s e dt oa s s i g nd e s i g nt a s ka c c o r d i n gt o c o l l a b o r a t i v ed e s i g n e rc a p a b i l i t y , e x p e d e n c e ，i n t e r e s t i n ga n dc r e d i t t h et o pb a s i cs k e l e t o nm o d e l ( t b s ) w h i c hc a l ls u p p o r t e dp r o d u c ts t r u c t u r ec o l l a b o r a t i v e d e s i g nh a sb e e np r e s e n t e d t o pb a s i cs k e l e t o ni saa s s e m b l ym o d e lw h i c ha d o p t i n g t o p - d o w n ” d e s i g nm e t h o da n dl e v e l i n gd e s i g nm e t h o d ，i tk n o c k - d o w nc o m p l i c a t e dp r o b l e ms o l v i n gd i f f i c u l t y t h r o u g hd i v i d e d i ti n t os u bs y s t e mw h i c ha s s o c i a t e db yc o n s t r a i n t s t b sm o d e lc a n b e e n c o n s t r u c t e dd u r i n gp r o d u c td e s i g ne a r l ys t a g et h r o u g he x t r a c tc o n s t r a i n t sb e t w e e nc o m p o n e n t sa n d p a r t s ，a n dt h ec o n s t r a i n t sc a nb er e p r e s e n t a t i o nb yp o i n t ，l i n e ，p l a n e ，s p l i n e ，c o o r d i n a t ea n do t h e r s i m p l eg e o m e t r ye l e m e n t t h ep r o b a b l ed e s i g ns p a c ec a nb er e p r e s e n t e db yf u n c t i o nf e a t u r e s t r u c t u r es p a c e t h ec o n s t r a i n t sa n dt h ef u n c t i o nf e a t u r es t r u c t u r es p a c er e p r e s e n tm a i ns p a c e p o s i t i o na s s o c i a t i o nr e l a t i o n s h i pa n dp r o d u c tc a p a b i l i t ya s s o c i a t i o nr e l a t i o n s h i pb e t w e e nd i f f e r e n t p a r t so ft h es a m ea s s e m b l yp r o d u c t t h ei n f o r m a t i o ni n t e g r a t i o nm o d eh a sb e e nd i s c u s s e da n dt h el i m i t a t i o no fi n f o r m a t i o n i n t e g r a t i o nt h r o u g hi g e sa n ds t e ph a sb e e na n a l y z e d a san e t w o r kl a n g u a g ew h i c hp r e s e n t e d b yw 3 c ，x m li sv e r ys u i t a b l ef o ri n f o r m a t i o ni n t e g r a t i o n , s ot h ec o n c e p to fa u t op a n e ld i e m a r k u pl a n g u a g e ( a p d m l ) h a sb e e np r e s e n t e dw h i c hc a nb eu s e dt os u p p o r t e da u t o - b o d yp a n e l s d i ec o l l a b o r a t i v ed e s i g n h o wt oc h o i c et h ex m ld a t am o d e l ，h o wt oc h o i c ex m ld a t am o d ea n d t h ex m ld a t ar e p r e s e n t a t i o n , s t o r a g ea n dt r a n s f o r mm e c h a n i s mh a sb e e nd e e p l yd i s c u s s e d t h e a u t op a n e lf e a t u r ed e f i n i t i o n , c l a s s i f i c a t i o na n dr e p r e s e n t a t i o nh a sb e e na n a l y z e da n dt h e i n t e g r a t i o nf e a t u r ei n f o r m a t i o nm o d e lh a sb e e ng i v e n aw e b - b a s e da u t o - b o d yp a n e l sd i es t a n d a r d p a r t sa n dc o m m o n l yu s e dp a r t sl i b r a r yh a sb e e ne s t a b l i s h e d i no r d e rt ov a l i d a t i o np a r tt h e o r yt h a th a sb e e np r e s e n t e di nt h i sa r t i c l eaw p c d sp r o t o t y p e s y s t e mh a sb e e nd e v e l o p e d a ne x a m p l eo fh e e lb o a r dd i ec o l l a b o r a t i v ed e s i g np r o c e d u r eh a sb e e n g i v e nt oi l l u s t r a t i o nt h ep r a c t i c a l i t ya n da d v a n c e dc h a r a c t e ro ft h e s et h e o r y p a r to fo u rr e s e a r c h f r u i th a s b e e nu s e di nac o r p o r a t i o n k e yw o r d s ：a u t o - b o d yp a n e l sd i e ，c o l l a b o r a t i v ed e s i g n , t b s ，x m l ，w e b i v 声明尸明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所 取得的成果，撰写成博士学位论文! 基王监坠的奎身覆董鲑槿县坯 回遮让羞毽撞查数婴宜= = 。除论文中已经注明引用的内容外，对论文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。 本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表 或未公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名： 2 0 0 4 年9 月日 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 选题的背景 1 1 1 汽车工业在国民经济中的重要地位 自18 9 6 年世界上第一辆汽车“戴姆勒一号”诞生以来，汽车工业经历了一百多年 的发展，汽车已成为一种最便于使用和高度自由的陆路交通工具，汽车在国民经济和社会发 展中占据着重要的地位。作为国民经济的基础结构，汽车的普及和发展促进了经济的发展和 社会的现代化，并带动了一系列上下游相关产业的发展和技术革命。任何经济发达的国家。 例如美国、日本、德国、意大利和法国都毫无例外地大力发展汽车工业，世界主要发达国家 经济发展的历史充分证明：汽车工业是促进国民经济发展、技术进步和社会现代化的重要支 柱产业之一。汽车工业在国民经济中的重要地位是无庸质疑的。汽车工业十五发展规划中明 确提出2 0 1 0 年我国汽车工业发展要实现三大目标【1 1 ，即2 0 1 0 年国内汽车企业拥有自主知识 产权的产品要达到国产汽车销售总量的5 0 ；2 0 1 0 年国内大型汽车企业集团要跨入世界5 0 0 强；2 0 1 0 年国内汽车零部件出口要达到销售总额的4 0 。实现这个目标的关键是汽车行业 应该具有产品自主开发与创新能力。 1 1 2 车身开发是汽车开发的关键环节之一 纵观世界汽车工业的发展历史，可以看出现代汽车是沿着“底盘_ 发动机一汽车车身和 外形副逐步发展起来的。汽车开发包涵两个最关键的环节：一个是发动机，另一个就是车 身。由于采用平台战略，新车型的开发主要是在原有底盘和动力总成不变的基础上进行外形 的重新设计。汽车车身作为整车所有零部件的载体，其外板重量约占车身总重量的2 0 ， 开发和制造的成本约占整车投资的4 0 一6 0 。过大的车身制造误差，不仅会导致各零部 件的总装装配误差，而且会影响整车的外观、封闭性能和动力性能。欧美等发达国家汽车车 身的总装误差已经可以控制在2 m m 以内，我国在这方面与国外有较大的差距。因此，车身 开发能力是汽车制造企业实现汽车自主开发、形成具有自主知识产权的品牌和提高市场竞争 力的关键所在。 1 1 3 车身开发的关键在于车身覆盖件模具 汽车车身模具，特别是大中型覆盖件模具，是车身制造技术、手段的重要组成部分也 是形成汽车自主开发能力的一个关键环节1 3 一一辆轿车大约有舳的零部件是用模具加工 制造的，模具设计和制造水平在很大程度上决定汽车的质量和制造周期，成为衡量一个汽车 制造厂商乃至一个国家汽车产业水平的标志。汽车车身一般由数百个冲压件组成，一辆轿车 的冲压模具在几百套以上，一个新车型冲压模具的开发成本大约在2 亿美元左右。在。车型 设计_ 模具设计与调试+ 投产”的整个周期中，模具设计与制造约占三分之二的时间，成为 车身改型的制约因素。覆盖件模具作为车身生产的基础工艺装备，直接制约着汽车产品的质 量和新车型的开发。随着市场竞争的加剧和用户个性化需求的增加，单一车型的产量已经很 难超过1 0 0 万辆，一个车型生产l o 一3 0 万辆可能就已经被市场淘汰。过去那种一个车型生 产十年不变的现象已经不适应形式发展的需要。车身改型换代的周期已经明显加快。从最近 同济大学博士学位论文 两年的上海国际汽车展、北京国际汽车展和广州国际汽车展上我们能够明显地感受到这种变 化。过去开发一辆新的轿车车型需要6 年时间，现在则缩短至3 - - 5 年，国外先进汽车厂商 通过在汽车开发全生命周期中采用包括数字化样机技术、虚拟现实技术、协同设计技术等在 内的多种先进制造技术，汽车更新换代的周期已经大大缩短，例如丰田，它的新车型的开发 时间已经从过去的4 8 个月缩短至1 2 个月。 1 1 4 国内车身覆盖件模具的巨大市场需求 据专家预测【7 9 1 2 0 0 1 到2 0 0 5 年，国内每年需要推出1 8 个当量车型( 含新车型和改型) ， 2 0 0 1 到2 0 0 3 年实际发展情况已经远远超过了专家的预测。在轿车改型中，7 0 8 0 的模具 需要更换。一个车型平均需大中型覆盖件模具约2 6 0 副，一辆整车的配套模具则在4 0 0 到 5 0 0 套。一个轿车车型车身覆盖件模具的改型成本在2 亿元人民币左右，按每年推出1 8 个 车型计算，则需要3 6 亿元，这个市场是巨大的。 但是我国大型、精密、复杂、长寿命、高档覆盖件模具主要依赖进口。根据海关统计， 2 0 0 1 年我国共进口模具1 1 1 2 亿美元，其中冲压模具为4 3 l 亿美元，占全部进口模具的 3 8 8 。这还不包括随设备和生产线作为附件进口的模具。 改革开放以来，我国几个主要汽车模具制造厂，通过技术引进和技术改造，设计和制造 大、中型汽车覆盖件模具的能力有了极大的提高，已经形成以一汽模具公司、东风汽车模具 公司、成飞、哈飞和天津汽车模具有限公司为主的五大汽车模具制造厂商。国内几大汽车车 身模具厂由于采用了国际上先进的模具数控加工设备、先进制造技术和软件，积极实施 c a d c a e ，c a m c a p p 一体化技术，提高了汽车模具的设计开发和制造能力，缩短了模具的 生产周期，并为捷达、全新小红旗“世纪星”、富康、夏利轿车设计制造了一部分大型覆盖件 模具；一汽模具公司还制造了一汽和美国福特联合设计的大红旗轿车发动机罩的内外板和左 右前翼子板等高档模具。但是，在自主设计、开发和制造轿车的整车大中型覆盖件模具方面 我们同国外先进水平相比，还有较大的差距。面对巨大的市场需求我们必须迅速提高技术 创新能力。 1 1 5 覆盖件模具开发的特点 汽车覆盖件( a u t o m o b i l ep a n e l ) 是指覆盖发动机、底盘、构成驾驶室和车身的薄钢板异 形体的表面零件和内部零件1 3 捌。覆盖件一般分为外覆盖件、内覆盖件和骨架件。外覆盖件 通常表面质量要求高、形状也比较复杂，内覆盖件形状更为复杂。轿车的车前板和车身、载 重汽车的车前板和驾驶室、箱式货车的车身等都是由覆盖件和一般冲压件组成的，一辆轿车 车身零件约有8 0 的零件是由模具冲压制造的。覆盖件模具与一般冲压件模具相比，具有 材料薄、形状复杂且多为空间曲面、结构尺寸大和表面质量要求高等特点。覆盖件在冲压工 艺、冲模设计和冲模制造上难度都较大，并具有自身的特点。因此实践中常常把覆盖件模具 从一般冲压件模具中分离出来，作为一种特殊的类别加以研究和分析。汽车覆盖件模具设计 与制造有以下特点： 1 覆盖件模具设计对设计师经验的依赖性很强，产品设计中蕴涵了设计师大量的经验 。! 和知识： 2 覆盖件模具设计是单件生产，设计中很少重复； 3 设计质量要求高，模具的质量一般比产品的质量高l - - 2 级，模具的精度一般在 0 o l m m 以内； 4 设计与制造周期长，一幅模具的设计与制造周期一般在6 - - 9 个月； 5 设计的成套性要求高，成套性要求既包括整车模具之间的配套性，也包括一个产品 几副模具之间的配套性 2 第l 章绪论 1 1 6 国内覆盖件模具设计与制造中存在的主要问题 我国覆盖件模具设计与制造企业由于起步较晚，并且大多是在大型汽车制造厂的工模具 车间的基础上发展起来的，与发达国家的覆盖件模具制造水平相比，尚存在较大的差距。国 内覆盖件模具设计与制造中存在的主要问题有1 7 9 j ： 1 覆盖件模具行业总体设计与制造能力有限。模具行业总体设计制造能力与国内市场 需求存在较大差距，现有生产能力只能满足国内市场需求的3 0 不到。 2 设计制造质量与国外存在较大差距。国内覆盖件模具制造厂商只能设计与制造部分 简单的内覆盖件和骨架件，外覆盖件和复杂的内覆盖件主要依赖进口。国外大型复杂精密的 外覆盖件模具的制造精度在0 0 0 3 - - - 0 0 0 5 m m ，而国内的制造精度仅接近o 0 1 0 0 2 r a m ( 见 表l 1 ) 。 3 设计与制造周期长。国外覆盖件模具的生产周期一般在3 6 个月，而国内则一般 在9 个月以上，这直接制约了新车型的更新周期。 表l l 国内外覆盖件模具制造能力比较 t a b l ei - ! c o m p a r i s o no f a u t op a n e ld i e m a n u f a c t u r i n ga b i l i t y b e t w e e nc h i n aa n do t h e rc o u n t r y 4 铸件质量差。铸件的质量直接影响了最终冲压产品的质量和模具的使用寿命。国外 模具的冲压寿命在1 0 0 到3 0 0 万次，国内一般在5 0 万次左右。 5 计算机应用水平低。数字化设计是模具设计与制造的方向0 0 i ，模具设计中 c a d c a e c a p p c a m 应用水平的高低决定了设计效率和最终产品的质量。目前国内覆盖件 主要采用二维设计，计算机辅助技术主要应用于c a m 环节：国外则以三维设计为主，在设 计与制造的全过程中普遍采用计算机辅助技术，并形成了集成化的 c a d ，c a 跳a p p ，c a m p d m i l l - 1 2 系统。国内覆盖件模具企业与国外覆盖件模具企业主要的 差距在于计算机的应用水平。 6 信息共享程度低。由于计算机应用水平低，因此难以实现产品全生命周期中设计与 制造信息的共享和重用，难以实现c a d c a e ，c a p p ，c a m p d m 的一体化。 7 配件的标准化程度低。一个行业配件的标准化、通用化和系列化程度反映了该行业 市场化程度的高低。覆盖件模具中有很多的标准件和通用件，国外配件的标准化率在8 0 左右，国内则在3 0 左右专业分工的不完善导致许多配件需要模具厂家自制，而不能从 市场上选购，因而延长了整个模具生产周期。 8 缺乏整车配套模具开发能力。一辆整车的配套模具在4 0 0 到5 0 0 套，任何一个企业 都不可能独自完成。国内覆盖件模具制造企业还没有整车模具开发的经验，企业之间的协同 和协作共同开发和占领市场的能力较差，企业之间缺乏既合作又竞争的精神，企业发展缺乏 。双赢”战略。 1 2 汽车覆盖件模具计算机辅助技术研究现状 汽车工业和航天工业是最早应用c a d c a m 技术的领域，c a d c a m 技术在模具技术 3 同济大学博士学位论文 领域的应用几乎与汽车和航天工业同期开始。从2 0 世纪7 0 年代开始，工业发达国家广泛采 用n c 机床加工汽车覆盖件模具。2 0 世纪8 0 年代，国外开始了汽车覆盖件模具c a d c a m 的研究和应用。汽车覆盖件模具c a d c a m 软件可以分成两类：一类是在通用的商品化软 件上开发覆盖件模具的专用模块，比如美国通用汽车公司依托u g 平台开发了s h e e tm e t a l d e s i g n 、p u n c hp r e s s 等板金和冲压设计模块i l 副，美国福特汽车公司在其车身设计的p d g s 系统中开发了s t a m p i n ge n g i n e e r i n gc a d c a m 模块来进行覆盖件产品的工艺设计；另一类 是开发专用的覆盖件模具设计系统，例如日本丰田汽车公司于2 0 世纪9 0 年代初推出的汽车 覆盖件模具c a d c a m 系鲥i ，该软件能进行工艺补充面、压料面、拉延台阶、拉延筋等 特征的造型，同时以几何分析为手段，从凸模接触区扩展行为、截面线形状变化、平均截面 线长度变化率、局部伸长率等不同方面，对覆盖件的成形性能进行评估，由此建立了“虚拟 试模系统”。日本u n i s y s ( 尤利公司) 在此基础上开发了面向并行工程的支持产品开发全过 程的集成的c a d c a m 软件c a d c e u s b j ( c a d c e u s 是“c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ， m a n u f a c t u r i n ga n de n g i n e e r i n gf o rc o n c u r r e n te n g i n e e r i n gb yn i h o nu n i s y ss y s t e m ”的缩写) 。 该软件能支持曲面造型、实体造型、特征造型和参数化设计，具有n c 加工编程能力，能进 行板料成型性能分析和机构运动仿真。该软件的特点在于有进行覆盖件模具型面设计和模具 结构设计的d i e f a c e 模块和p r e s s d e s i g n 模块。 美国密西根大学的吴贤铭教授于1 9 9 1 年提出了“2 m m 工程”1 1 6 1 的构想。它的基本思想 是以实例数据( 模具型面和冲压件) 为依据，运用多种技术手段( 光学测量和虚拟现实等) 和数学工具( 非线性优化、统计分析等) ，对车身设计、制造的各个环节( 产品设计、工艺、 工装、检测) 进行优化，以达到提高车身装配精度的目的。1 9 9 5 年该工程顺利完工时美国 三大汽车公司已经能够将汽车覆盖件产品的尺寸公差控制在l m m 以内，并且从根本上扭转 了轻视覆盖件模具制造误差的观念。为提高板料冲压过程的精度和实现敏捷制造，美国汽车 车身协会联合三大汽车公司和包括密西根大学、俄亥俄州立大学和圣地亚哥国家试验室在内 的3 0 多个伙伴在1 9 9 5 年底提出了( n z s ，n e r oz e r os t a m p i n g ) 计划【l _ 7 1 在c a d 应用的初期，大多数著名的汽车厂商都开发了模具设计的专用c a d c a m 系统， 但是随着通用软件功能的增强以及用户界面的友好易用，汽车制造厂商专用的模具 c a d c a m 软件由于使用范围窄( 限于企业内部) 、维护成本高已逐渐趋于淘汰或者它们的 功能被集成到通用的软件中，例如b e n z 的s y r k o 系统的部分功能集成到了c a t i a ，m a z d a 的g n c 被i d e a s 取代。 国内在覆盖件模具设计与制造中应用c a d ，c a m 技术开始于2 0 世纪8 0 年代中后期。 东风汽车公司冲模厂1 9 8 6 年开始了c a d c a m 的应用。1 9 8 7 年底实现了大型覆盖件修 边冲孔模的数控加工。随后大型拉延模型面的数控加工也已经试验成功，并用于生产。2 0 世纪9 0 年代以来，华中科技大学在东风汽车公司c i m s 的研究中【峙- 1 9 l ，开发了车身以及覆 盖件模具的c a d c a p p c a m 系统。该系统包括覆盖件冲压工艺设计、模具结构设计，建立 了覆盖件模具的零部件库，并采用大变形有限元法进行了覆盖件冲压成形过程模拟的研究。 林忠钦、陈关龙、李淑慧、陈炜、包友霞等进行了覆盖件冲压成形质量控制、冲压过程 中拉深盘优化设计方法等一系列有关覆盖件冲压成形关键技术的研究【加一2 。上海交通大学 的彭颖红教授进行了覆盖件拉伸筋拉深阻力的研究阱l ，石晓祥进行了汽车覆盖件工艺智能 设计系统关键技术的研究i 怕i 。 吉林大学汽车覆盖件成形技术研究所胡平教授以自己提出的塑性本构理论和基于率形 式的u o d a t m gl a g r a n g i a n t a n 弹塑性大变形理论为基础，自主开发了k m a s ( k i n gm e s h i n g a n a l y s i ss y s t e m ) 汽车覆盖件成形模拟与模具设计c a d c a e c a m 一体化系统 2 3 1 。k m a s 软件系统可以实现复杂冲压件从坯料夹持、压料面约束、拉延筋设置、冲压加载、卸载回弹 及切边回弹的全过程模拟，而且精度很高。该系统通过独特的数学模型和算法对金