（机械工程专业论文）冲压模具参数化装配设计方法的研究与实现.pdf

浙江工业大学工程硕士学位论文 冲压模具参数化装配设计方法的研究与实现 摘要 本文通过对装配建模理论及装配建模技术的研究，对冷冲模设计中的模具结 构进行系统分析，阐述了冷冲模装配设计的重要性。在研究过程中发现传统冷冲 模c a d 系统存在很多的缺陷，给设计带来极大的不便。论文对冷冲模总体结构 及装配模型作了较为系统的分析、论述，包括：建立装配树模型、零件置换、标 准零件的管理、参数化装配设计。论文在此基础上以多工位级进模为例，结合冷 冲模设计特点以及u g n x 三维设计软件强大的建模、装配功能，把装配设计中“自 顶向下设计原理、方法引入冷冲模参数化装配设计系统，实现“自顶向下 冷 冲模装配。 本文研究实现支持“自项向下设计的冷冲模参数化装配设计的主要问题和 相关技术。论文内容如下： 1 、研究了装配建模理论和建模技术，根据冷冲模装配设计特点和设计内容 提出支持“自顶向下设计的冷冲模参数化设计系统的原理和方法。 2 、深入分析支持“自顶向下参数化装配设计的关键技术，讨论建立冷冲 模参数化装配模型的方法与途径。 3 、运用参数化的理论与方法，探讨了冲压模具装配设计中参数化的描述和 驱动方法，结合u g n x 的尺寸关联及w a v e 技术论述了冷冲模参数化装配设计 方法的实现。 4 、以多工位级进模为例，介绍了参数化总体装配设计的过程。建立装配树 模块、零件设计模块、标准件管理模块。对论文研究的理论与方法进行了实例验 证，实现快速简捷的冷冲模装配参数化设计。 关键词：冷冲模，自顶向下，基类零件，参数化设计，装配模型 浙江工业大学工程硕士学位论文 s t u d ya n da c c o m p i is h m e n to nd e sig no fa s s e m biyo f p a r a m e t e riz e dl1 3s t a m pin ga n dp u n c hin gdie a b s t r a c t t h i sp a p e r , b a s e do nt h es t u d y i n go ft h et h e o r ya n dt e c h n o l o g yo fa s s e m b l y m o d e l , t h r o u g ht h es y s t e ma n a l y s i so f t h es t r u c t u r eo fm o d e ld u r i n gt h ed e s i g no fc o l d s t a m p i n gd i e ，e x p r e s s e st h es i g n i f i c a n c eo fa s s e m b l yd e s i g no fc o l ds t a m p i n gd i e a 1 0 to fd e f e c t sa r ef o u n di nt h es t r u c t u r eo ft r a d i t i o n a lc o l ds t a m p i n gd i ec a dd u r i n g t h ep r o c e s s e so fs t u d y i n g ，w h i c hh a v ec a u s e dag r e a ti n c o n v e n i e n c e t h ep a p e r s y s t e m a t i c a l l ya n a l y z e st h ew h o l es t r u c t u r ea n da s s e m b l ym o d e lo f c o l ds t a m p i n gd i e ， i n c l u d i n ga s s e m b l yt r e em o d e le s t a b l i s h m e n t ，p a r t sr e p l a c e m e n t ，s t a n d a r dp a r t s m a n a g e m e n ta n dp a r a m e t r i ca s s e m b l ym o d e l t h ep a p e r , w h i c hi sb a s e do nt h e e x a m p l eo fm u l t i p o s i t i o np r o g r e s s i v ed i e , u n i t e st h ed e s i g n i n gf e a t u r eo fc o l d s t a m p i n gd i ea n dt h eg r e a tf u n c t i o no fm o d e l i n ga n da s s e m b l i n gi nu g n x t h r e e d i m e n s i o nd e s i g n i n gs o f t w a r e t h e “t o p d o w n t h e o r ya n dm e t h o do fa s s e m b l y d e s i g n i n gi si n t r o d u c e di nt h ep a r a m e t e f i z e da s s e m b l yd e s i g no fc o l ds t a m p i n gd i e ， w h i c hh a sa c c o m p l i s h e dt h e “t o p d o w n c o l ds t a m p i n gd i ea s s e m b l y t h i sa r t i c l ed i s c u s s e st h em a i n p r o b l e m sa n dt h er e l a t e dt e c h n o l o g yo f t o p d o w n c o l ds t a m p i n gd i ea s s e m b l yd u r i n gt h ed e s i g n t h ec o n t e n t sa r e 弱 f o l l o w i n g ： 1 t h i sp a p e rs t u d i e st h et h e o r ya n dt e c h n o l o g yo fa s s e m b l y m o d e l i n g a c c o r d i n gt ot h ed e s i g n i n gf e a t u r ea n dc o n t e n t so fc o l ds t a m p i n gd i ea s s e m b l y , i t b r i n g sf o r w a r dt h et h e o r ya n dm e t h o dt h a ts u p p o r t s “t o p - d o w n p a r a m e t e r i z e d a s s e m b l yd e s i g n 2 i tm a k e sa n a n a l y s i s o fk e yt e c h n o l o g y , w h i c h s u p p o r t s “t o p d o w n p a r a m e t e r i z e da s s e m b l yd e s i g n i ta l s od i s c u s s e st h em e t h o da n dw a yo fc o l d s t a m p i n gd i ep a r a m e t e r i z e da s s e m b l ym o d e l i n g 3 p a r a m e t e r i z e dt h e o r ya n dm e t h o da r ea p p l i e dt oe x p l o r et h ep a r a m e t e r i z e d d e s c r i p t i o na n dd r i v em e t h o d t h ep a r a m e t e r i z e dd e s i g nm e t h o dr e a l i z a t i o no ft h e c o l ds t a m p i n gd i ea s s e m b l yi sd i s c u s s e db yi n t e g r a t i n gd i m e n s i o nr e l a t i o na n dw a v e 浙江工业大学工程硕士学位论文 t e c h n o l o g yo fu g n x 4 i td i s c u s s e st h ep r o c e s so fp a r a m e t e r i z e da s s e m b l yd e s i g nb yt a k i n gt h e m u l t i p o s i t i o np r o g r e s s i v ed i ef o re x a m p l e t h ea s s e m b l yt r e em o d u l e ，c o m p o n e n t p a r td e s i g n i n gm o d u l e ，s t a n d a r dc o m p o n e n tp a r to fm a n a g e a b l em o d u l ea r eb u i l ti n t h i ss t u d yt h et h e o r ya n dm e t h o di st e s t e d ，w h i c hi sr e f e r r e di nt h ep a p e ra n dt h e nt o c a r r yo u tt h ee a s ya n ds p e e d yp a r a m e t e r i z e da s s e m b l yd e s i g no fc o l ds t a m p i n gd i e k e yw o r d s ：c o l ds t a m p i n gd i e ，t o p d o w n ，b a s i cc l a s sc o m p o n e n tp a r t , p a r a m e t e r i z e d d e s i g n , a s s e m b l ym o d e l i v 浙江工业大学工程硕士学位论文 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江 工业大学或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究做出 重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的 法律责任。 作者签名： 籍芋 j 日期：修年f 狷矿日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密囱，在圣 年解密后适用本授权书。 2 、不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 日期：p j - - 年z 月矿日 日期：6 年1 月y e t 浙江工业大学工程硕士学位论文 第一章绪论 1 1 国内外冲压模c a d t lj 系统的发展状况 1 1 1 冲压模c a d 技术现状 1 、国外冲压模c a d 技术 国外模具c a d c a m 技术的应用已有三十多年历史，尤其是最近二十多年 来，得到了突飞猛进的发展，在一些发达国家已经形成了关于模具c a d c a m 技 术的研究、开发、销售等各种服务的新产业f 2 1 。 目前企业中用来进行冲压模设计的c a d 系统及其技术主要如下： 1 ) 通用c a d 系统 这类c a d 系统不仅使用于冲压模设计，而且适用于其他产品设计，著名的 有：c a t i a 、u n i g r a p m c s 、c a d d s 、i - d e a s 、e u c l i d i s 、p r o e n g 仆范e r 、 a u t o c a d 等。这些系统通常具有极强的参数化设计、草图设计、尺寸驱动编 辑、零件设计和装配等功能，有的还具有有限元分析、实体造型、数控加工、仿 真模拟等功能，而且具有二次开发的接口。设计师可以利用这些软件进行冲模草 图、装配图和零件图的绘制，但对于设计师在冲压模设计各个阶段的真正意义上 的设计辅助功能则相对较弱。 2 ) 专用冲模c a d 系统 国外从六十年代末开始模具c a d c a m 研究，七十年代初已投入生产中使 用3 1 。到现在为止，已推出了许多对设计制造系统影响至深的冲压模c a d 系统 1 3 h 8 1 。比较有代表性的系统有： 1 9 7 8 年日本机械工程实验室开发的冲裁级进模m e l 系统，由产品图输入、 模具类型选择、毛坯排样、凹模布置、工艺计算、绘图等十个模快组成。 1 9 8 2 年日本日立公司研制成的弯曲模c a d c a m 系统，该系统采用人机 结合的批处理方式。即由人完成冲模产品图的展开及工序设计、凹模布置，然后 由程序完成毛坯排样与材料利用率计算、冲压力计算、模具结构设计及输出模具 装配图、零件图和线切割纸带等等。 1 9 8 5 年n i s s a n 公司开发了冲裁模c a d c a m 系统，可完成几何造型、 排样图设计、凹模与凸模设计、标准件设计以及生成线切割纸带等功能。同时， 7 浙江工业大学工程硕士学位论文 日本微型模具中- i i , 开发了一个冲压模c a d c a m 系统，可完成从产品图输入到 输出标准件清单、模具总装图、零件图及n c 代码的全过程。系统包括图形数据 库、标准件库、标准形状结构数据库、冲模制造数据库等。 日本丰田公司采用的覆盖件冷冲模c a d c a m 系统。该系统包括设计覆 盖件的n t d f b 和c a d e t t 软件，加工凸凹模的t i n c a 软件。由三坐标测量仪 对模型进行测量，并将数据送入计算机，将所得图形经平滑处理后，在把这些数 据用于覆盖件设计，冲模设计与制造。该系统的三维图形功能较强，能在屏幕上 反复修改曲面形状，使工件在冲压成形时不致产生各种工艺缺陷，从而保证模具 和工件质量。 1 9 9 1 年，新加坡国立大学b o o nh o n gl e e 等开发了i k o o p p s 系统， 该系统主要是面向对象的基于知识的级进模制造过程的规划。该系统主要服务于 模具制造，模具装配，以各种标准件为基础，然后从构件中抽取形状特征与属性 特征，这些特征被转化为加工公差，然后由知识库确定所用刀具规划和加工过程。 该系统倡导把面向对象技术应用于模具设计与制造，但它把级进模装配假定成标 准化构造，其适用价值受较大影响。 1 9 9 2 年，美国m i c h a e l & d u f f e l 提出了基于知识的级进模设计方法， 提出了所谓概念验证系统( p r o o fo fc o n c e p ts y s t e m ) 为进级模设计服务， 但它无法处理复杂弯曲进级模设计，而且不能处理非标准件的设计问题。 1 9 9 9 年，美国p t c 公司推出的制模软件不仅可以从事产品设计、帮助产 品工艺分析、设计模具与切削轨迹，还可以实施并行工程、快速原型制造及模拟 注塑等，使得生产周期比般情况缩短3 0 左右。 另外，俄罗斯锻压机械研究所研制了适应多品种、小批量加工的“冲压中心 ， 模具位置可以在工作台上旋转，换模简单，模具消耗小，容易实现全自动化；印 度模具c a d c a m 普及率达2 5 ，压铸模寿命提高到1 0 万次左右，为印度工业 发展做出了重要贡献等。 2 、国内研究现状 国内模具c a d c a m 研究工作起步较晚，在7 0 年代末期才由上海交通大学 和上海星火模具厂开始简单的冲裁模具c a d c a m 的研究工作1 9 】。8 0 年代初国 内许多单位，如华中理工大学、浙江大学、上海交通大学、天津大学、西安交通 8 浙江工业大学工程硕士学位论文 大学、北京机电研究所等开始进行冲模c a d c a m 的研究与开发，并陆续研制 成功一些不同类型的冲模c a d c a m 系统。 华中理工大学成功开发了精冲模c a d c a m 系统h j c 、普通冲裁模系统 h p c 和级进模c a d c a m 系统f 9 】，他们在研究过程中强调工具化的思想，重视 系统工作模式研究。 上海交通大学陆续开发了普通c a d c a m 系统d b c 系统和多工位 c a d c a m 系统f l o 】。 山东工业大学有效地将汽车工业造型设计与汽车覆盖件冲模技术有机结 合起来，使汽车覆盖件冲模技术的输入更加灵活、可靠和具有更大的柔性，可节 约大量前期投资，加快新产品开发周期和缩短生产技术准备时间。 西安交通大学致力于冲裁模c a d c a m 系统集成开发平台的研究f n l ，应 用基于c a e ( 计算机辅助工程) 的原理，为冲裁模c a d c a m 系统开发提供一 种新的模式； 浙江大学进行了冷冲模和级进模c a d c a m 系统的研究川f 1 1 】，他们强调系 统内数据信息的少文件甚至无文件传输，积极探索利用数据库实现系统内的数据 交流，提高了系统的灵活性和实用性。 国内外应用实践证明，采用c a d 技术可以显著缩短冲压模具没计周期，提 高设计质量，提高生产效率。 1 2 装配建模的研究现状 1 2 1 冲模c a d 系统的装配建模概述 在冲压领域，基于实体的可视化技术，人们发展了冲压模具的虚拟装配技术。 因为冲压模具是整个冲压设计的核心部分，而且冲压模具比较复杂，要求又比较 精确，在设计过程中一般较易出错，而利用虚拟装配技术，可将设计完毕的冲压 模具零件在计算机上预先进行装配，这是虚拟样机技术的一个重要部分。实际生 产证明，冲压模具虚拟装配技术，可将许多错误消灭在设计阶段，从而大大节省 经费。因此，许多c a d 软件均支持产品装配技术，如：u n i g r a p h i c s 公司的u g n x ； s d r c 公司的i d e a s ；p t c 公司的p r o e n g i n e e r ；a u t o d e s k 公司的m d t 等。 产品装配技术的核心是建立装配模型。 9 浙江工业大学工程硕士学位论文 早在2 0 世纪7 0 年代就开始了装配模型的研究，其主要的发展趋势是由图表 达的拓扑结构向树表达的层次结构发展。在冲模技术中装配信息建模的核心闯题 是如何在计算机中表达和存储冲压模具组成零件之间的相互关系。这种相互关系 包括相互位置关系，配合与连接关系等。目前，表示冲压模具信息的数据结构归 纳起来可分为两类； 存储模具各零部件之间的相互位置信息 存储模具各零部件之间的配合连接等装配信息。 确定模具零部件相互位置的交换矩阵是根据这些信息计算出来的。 l i e b e r m a n 和w e s l e y 开发了个几何建模系统a u t o p a s s ，零件和装配体被表 达成为结构中的结点，其中的分枝代表部件间的装配关系，如“装配 “约束 “附属 等。同时在每个分枝上存有一个空间变换矩阵，用来确定部件间的相 对位置以及其他非几何信息。随着装配技术的发展和深入，有关装配建模的研究 成果不断涌现。d ef a s o 和w h i t n e y 提出一种称为优先联系图的方法。他们认为 任何一个装配动作都能够优先于其他的装配动作，因此可以定义一组优先规则， 通过将图排序得到装配序列。h o m e yd em e l o n 和s a n d e r s o n 提出与或图 ( a n d o rg r a p h ) 来描述装配体。图中每个叶子节点表示装配体最低层部件零件， 根节点表示最终的零件，它是通过拆分作为原始输入的装配体几何模型得到的， 有些类似于c s g 结构。l e e 和g o s s a r d 在与或图的基础上提出了真正意义上的层 次建模方法。它将装配体层层分解成由部件组成的树状结构，部件既可以是零件， 也可以是子装配体。树的顶端是成品的装配体，末端是不可拆分的零件，其余的 部分是由概念设计确定的子装配体。 1 2 2 冲模c a d 系统的装配建模研究现状 冲模c a d 系统的装配建模，是冲模c a d 系统开发的热门话题，因为装配建模 直接决定了系统实现的程度，好的装配建模方案不仅能保证了系统开发的成功， 还能优化程序结构，缩短系统开发时间。近年来，国内的冲压模具装配建模方面 的研究如下： 西安交通大学的韩迎胜n 2 3 提出冲裁模c a d 结构库原型法，他所提出的原型不 表示一个零件实体，而是通过定义输出一组有一定关系的零件，随着原型的细化 生成模具结构，用户只需做的是对原型的运算操作和最后定义原型输出模具结构 1 0 浙江工业大学工程硕士学位论文 产品，基本做到了结构库的开放性。 西安交通大学的刘西林通过比较通用c a d 系统和专用c a d 的系统的好处和 不足，指出先建立不依赖于零件造型的装配模型，再渐进式设计的零件信息模型 的自顶向下设计策略是开发通用高效模具c a d 系统的关键技术。 上海交通大学郝泳涛n 们为了解决装配图与零件图的一致性设计问题，在分析 树状结构装配模型和环状结构装配模型基础上提出了两者结合的关联装配结构。 华中理工大学董立武5 1 研究如何以装配尺寸和零件尺寸记录装配体中的等 式约束和不等式约束，在分析由k i m o n ol e e 提出的虚链理论( 即将虚链与树形结 构相结合，来存贮装配模型信息，通过虚链建立装配层次关系和联接相互配合的 零件，如此可以遍历整个装配体，推导出其他零件位置和形状的变化) 后，提出 取消装配的层次概念，将装配信息看成是一系列装配类型的集合，建立由装配体、 子装配类型、零件、装配尺寸、关系表达式构成装配节点，由头指针、下一个指 针以及名称等构成节点域的装配模型，采用运算符优先算法对其参数表达式求 解。 杨鑫华h 研究建立反映模具设计功能求解过程，表达设计意图，使模具设 计始终在功能约束下进行的模具设计功能树后，提出了基于层次化部件装配模型 的冲模c a d 系统工作模式，其特点是在该层次化部件装配模型中，每层部件内部 封装了功能和属性，可通过模具设计项目数据信息库、装配树和功能树建立起功 能与结构之间的联系。 束庆斌n 8 3 在冷冲模c a d 系统的装配建模研究中，采用按主特征信息、辅助特 征信息、约束特征信息的分类特征来表达零件信息；按层次模型和关系模型集成、 特征技术和装配技术集成建立装配模型；按模板编辑器、模板解释器及工程数据 库三部分建立系统结构。 南京理工大学唐教兵n 们在基于装配模型的模具设计研究中，提出以a = ( p v ， f ，s ) 描述装配对象间的连接信息，以树形图描述装配层次，从而实现先装配设 计后零件设计的自顶向下设计思想。 大连理工大学苏铁明1 分析- j j e n s 和k i n d e n 提出的基于图的装配模型产生 装配树的方法后，认为这些模型多是从装配工艺规划或自动装配入手，在本质上 都是装配的静态表达模型，表达的焦点不是过程而是结果；提出要建立面向设计 浙江工业大学工程硕士学位论文 过程的使零部件之问的关系可以动态修改的基于功能部件的层次化装配模型，并 认为需要用链表来描述上下层相关零部件结构的约束变量，采用o l e d b 技术建立 冲模结构设计信息数据库。 南京航空航天大学孙知信阻在研究模具c a d 系统中装配图的生成技术后提出 装配设计重要的是分析装配过程。其实在二维开发中还需要特别讨论关于装配零 件的消隐问题。 华中理工大学蒙凡胜心23 在研究冲模c a d 系统中典型结构设计方法后，认为需 要以动态装配设计方法，在约束关系树装配模型的基础上，利用面向对象的方法 进行装配建模。 1 3 冲压模具的参数化 刘雪峰他胡认为参数化设计是从已知元素和几何约束，通过推理逐步确定出未 知元素，参数化设计主要功能是：( 1 ) 从几何参数化模型自动导出精确的几何模 型；( 2 ) 通过修改几何参数达到自动修改几何模型的目的。提出要进行模具c a d 参数化设计，首先要实现程序参数化，也就是说要将图形信息记录在程序中，然 后再用一系列调用语句来描述图形的拓扑关系，在运行上述绘图程序时，生成一 组可供h u t o c a d 执行绘图功能的命令集，通过执行该命令集在屏幕上显示出所需 图形。 湖南大学钟昌勤晗4 1 研究冲模变参数概念，结合成组技术实现动态变参和图形 重载，自动生成模具零件图形的c a d 系统。系统虽然采用成组技术原理对模具分 类，使图形及参数标准化，但其关键更依赖于系统结构模块的参数驱动，表明了 参数化的重要性，同时也说明了c a d 技术的相互关联。 西安工业学院贾培根堙朝在讨论模具c a d 系统中参数化图形库的建立时认为参 数化绘图有两种不同的表现形式，一是绘图软件本身具有参数化功能，二是由应 用程序生成的图形具有参数化的功能。指出a u t o c a d 本身不具备参数化功能，基 于a u t o c h d 的参数化模具系统应属于第二种。他认为程序驱动主要特点是：如果要 修改图形，一般要重新运行次应用程序，尺寸驱动法首先由应用程序生成所设 计零件的基图，该基图的所有尺寸用一系列符号标识，然后用户可以交互修改， 修改完后应用。 1 2 浙江工业大学工程硕士学位论文 1 4 冲压模具c a d 存在的问题及发展趋势 1 4 1 冲模c a d 存在的问题 现有国内外冲模c a d 系统虽然各具特色，但一般都有明确的应用背景，具 有一定的范围和结构特点。目前的冲模c a d 系统缺少考虑冲模的整体设计，因 而对前期概念设计、模糊阶段设计没有给予充分的重视，从而导致以下缺点： l 、不能很快地反应设计创意。现有冲模c a d 系统没有考虑工程设计方面 的常识知识，太注重细节而很少考虑到设计者的整体意图，因此，它是从零件设 计到部件设计，再到组件设计，一旦对最后的产品不满意，则前面所做的工作成 了无用的垃圾，造成了极大的浪费。 2 、不能对设计完成的冲模随意地快速修改。由于大量零件是基于几何连接 的，一个设计好的冲模包含大量的几何数据，冲模越复杂，输入数据最越大，数 据分析和处理难度越大，所以操作都是基于几何层面的，因而在交互修改过程中 人机通讯的误差和误解燎不可避免，对历史输入的修改变的相当困难。 3 、不允许暂时性、含糊性和不一致性存在。由于在概念设计阶段中，我们 首先希望建立一个并不十分准确的初步的整体产品装配模型，因此我们可能经常 要改变自己的想法，或者想试几个不同的方案，只改变整体结构和零件布局，而 根本不去顾及局部零件和整体布局是否产生冲突，而设计方案是能允许这样的冲 突存在的。由于这种冲突的检查与消除，在设计的精确阶段再给予考虑，这样我 们在要领阶段首先决定它的样式，而不太关注具体尺寸。仍j 如，在冲模设计中， 首先要确定好整个产品的装配模型，然后确定各零件的拓扑结构，直到达到设计 满意以后才可能去考虑其准确尺寸，如果将这种尺寸不确定的零件进行装配，现 有冲模c a d 系统是不允许这样的含糊性存在的。 4 、在设计流程上，尽管支持“自顶向下式的设计过程，但不能从冲模结 构自身特点出发，寻求真正支持“自顶向下设计过程的设计方法，建立自己的 参数化装配模型。 5 、缺少对组件的有效管理，造成系统对组件的修改和集成效率低下；缺乏 对设计的产品进行模拟的模型，因此在设计阶段很难确定设计方案是否合理；缺 少协同设计、合作开发的功能；工程数据的利用率低；设计与制造分离等。 浙江工业大学工程坝士学位论文 1 4 2 冲模c a d 的发展趋势 在制造业的发展总趋势影响下，冲模c a d 必然朝概念化、集成化、智能化 等方向发展，主要体现在以下几个方面： 1 、现代的c a d 系统必须提供特有的功能，让用户施展创造性才能的机会。 通过直观的界面，让设计师快速简洁地表达设计概念，建立设计参数化装配草图， 然后对参数化装配草图模型进行直观的修正。在此阶段，不同的用户可以共享这 个设计草图，同时也可以通过不同的设计人员设计出不同的参数化装配草图，然 后综合利用不同草图的优点进行下一步设计。在概念设计阶段的最后一步，将概 念自动转化为精确的几何数据，确保设计意图被保护。 2 、产品信息建模和工程数据库技术的发展，为模具设计与制造集成化提供 了坚实的技术基础，建立从模具设计到制造整个周期的全局信息模型，以工程数 据库组织生产过程各阶段的设计、制造管理等信息，各部门通过网络以信息为媒 介进行交流，实现无图纸的从设计、制造、装配、检测、维护等模具全生命周期 的一系列活动。 3 、随着计算机技术的发展，c a d 、c a p p 、c a m 、c a t 、m i s 等新技术在 模具生产中得到广泛的应用，将这些技术集成为一个协同的相互联系的系统成为 模具生产的重要发展趋势。 4 、人工智能技术的应用是近来冲模c a d 技术中的重要研究领域。研究模 具设计和制造知识表示技术、推理技术、学习模式，提高冲模c a d 系统的性能 和智能化程度，从而实现除了对模具图绘制工作的辅助外，还可提供对概念设计、 方案设计、结构设计和详细设计的智能辅助。 对冲压模具装配参数化设计方法的研究就是针对以上某些方面展开的。 1 5 作者的主要研究工作 1 5 1 课题的意义与主要研究内容 模具作为现代制造业工装生产准备的重要组成部分，在塑料成型、家用电器、 仪表、电机、通讯、摩托车、汽车等行业产品中，6 0 至1 j 8 0 的零部件都依靠模具 成形，模具质量的高低决定着产品质量的高低。近年来，由于我国汽车制造业的 飞速发展，以及冲压工艺在制造业中独特的功能和用途，冷冲模c a d 技术的研 1 4 浙江工业大学工程硕士学位论文 究与开发日益受到关注和重视。基于装配的三维参数化冷冲模c a d 系统的发展， 突破了传统二维模具c a d 系统的不直观、曲面表现困难、装配设计问题不易发 现等局限性，方便地全面展现模具零件和模具结构的形状，实现数据完整、资源 共享，易于对部件进行有限元分析，优化设计，易于实现c a d c a m 集成，直接生 成n c 代码，进行数控加工，还可以在建立标准件库、减少重复劳动、提高设计规 范和设计通用性的基础上，完成工艺计算、模具曲面零件设计、模具装配结构设 计、零件相互尺寸协调等复杂系统的设计过程。 从设计人员的思维角度来说，设计是一个不断细化求解、从全局到局部的过 程，该过程被称为“t o p - - d o w n 即自顶向下的设计过程。在设计中，首先从 全局和整体的设计入手，然后在总体设计方案的约束下对各个部分进行详细设 计。然而目前包括模具在内的一般c a d 系统大多采用“b o t t o m u p ”的自底向 上设计过程，即先设计零件图然后将其装配起来，它虽然有强大的零件实体造型 功能以及零件装配功能，而装配协调、功能保证等总体性问题都只得由操作者自 己掌握。进行模具设计时，先对各零件实体造型再将其装配起来，装好后，若对 设计结果不满意，又要重新对各构件进行设计，增、删、改、移等繁琐的工作在 所难免，修改困难，效率低。 本论文结合江南设备制造有限公司的生产实际，对冲压模具参数化装配设计 方法进行研究，论文的主要内容如下： l 、简述国内外冲模c a d c a m 的发展和研究现状，指出了冲模c a d 系统 及其装配建模的发展趋势。最后简要介绍本文的工作内容及章节安排。 2 、分析装配模型的描述形式及内容；分析典型冷冲模的装配模型和装配关 系；把冲模零件分类，并用面向对象技术定义用于装配的基类零件。然后对自底 向上和自顶向下两种装配技术进行研究，说明冷冲模装配设计的特点及研究内 容，阐述用“t o p d o w n 设计方法来实现冲模参数化装配设计的意义，并讨论 其在u g n x 环境下实现方法。 3 、运用参数化的理论与方法，探讨冷冲模装配设计中参数化的描述和驱动 方法，结合u g n x 的尺寸关联及w a v e 技术论述冲压模具装配参数化设计方法 的实现。 4 、以多工位级进模为例，阐述参数化总体装配设计的过程。介绍级进模的 1 5 浙江工业大学工程硕士学位论文 排样设计与结构设计以及装配模型中基本参照单元的确定和参数化设计；介绍级 进模概念模型装配树的建立；标准件和通用件的实现与管理；最后对级进模概念 模型中各级零件细化设计完成级进模参数化总体装配设计。 5 、作者的工作进行总结，指出本课题进一步研究和完善的方向。 1 6 本章小结 随着计算机技术和电子信息技术的飞速发展，冲模技术面临着根本性的挑战 和巨大的发展机会，而冲压模具设计从根本上决定着冲压模具的内在质量和生产 总成本。冲压模具参数化装配设计方法的研究正是适应了这样的发展。本章在分 析冲模c a d 技术发展优势和应用现状的基础上，详细阐述了国内外研究现状， 并指出目前研究中遇到的问题和存在的不足，提出冲压模具参数化装配设计方法 研究的意义，最后提出本次选题的主要研究内容。 浙江工业大学工程硕士学位论文 第二章冲压模具装配模型 在装配层次上进行产品建模，是从产品功能出发，设计和组装一系列的零件 去实现产品的功能。为此，先设计出初步方案及其结构草图，建立基于约束的产 品装配模型。然后进行零件的详细设计，对设计结果进行评价、分析、修改，最 后得到满足功能要求的产品。它是一种在装配设计阶段统筹兼顾的设计思想和方 法，是并行工程的一个重要组成部分，又是一种评价技术。 2 1 冲压模具装配模型的意义 现代制造技术中“面向制造的设计( d f m ) 、“面向装配的设计( d f a ) 等 新的设计理论希望计算机系统能对冲模设计过程在更高层次上提供更加全面的 支持。 冲压模具装配模型是一个支持从概念设计到零件设计，并能完整、正确地传 递不同的冲模设计参数、装配层次和装配信息的产品模型。它是模具设计过程中 数据管理的核心，是冲模开发和支持设计灵活变动的强有力工具。 建立冲模装配模型的目的在于建立完整的冲模装配信息表达，一方面是 c a d 系统对冲模设计能进行全面支持；另一方面它可以为冲模c a d 系统中的装 配自动化和装配工艺规划提供信息源，并对冲模没计进行分析和评价。 冲压模具装配模型具有以下特征： 能完整地表达冲模装配信息，冲模装配模型不仅描述了冲模零、部件本 身的信息，而且还描述了冲模零、部件之间的装配关系及拓扑结构。 可以支持并行设计，冷冲模装配模型不但完整地表达了冲模的信息，而且 还描述了冲模设计参数的继承关系和变化约束机制，这样就保证了冲模设计参数 的一致性，从而支持冲模的并行设计。 满足快速多变的市场需求，当冲压产品需求发生变化时，通过冲模装配模 型可以方便地修改冲模的设计以适应新的产品需求。 目前，冲模的设计手段已经有最初的甩图板阶段，逐渐过渡到采用三维c a d 进行设计，三维c a d 的基础模型是三维几何实体模型。为进一步面向工程应用， 当前较先进的商品化c a d 系统又发展了具有特征智能的建模技术，通过引入具 1 7 浙江工业大学工程硕士学位论文 有工程语义的特征进行交互定义，提高了产品模型的智能水平和工作效率，但是， 商品化软件所提供的特征功能大都只限于构形拼合操作中特征体素的定义。因 此，面向装配的产品模型，特别是面向领域( 包括冲模设计领域) 的装配体产品 模型的分析和研究对冲模装配及其结构是十分必要。 模具作为一个整体产品其功能不是由单个零件来实现的，这意味着装配模型 是整个集成设计环境的关键。对于支持“t o p d o w n 的冲模设计系统来说，装配 模型中的结构零件能够适应设计者频繁修改的意图。因此，装配模型应该是支持 “t o p d o w n 的模型，支持面向全生命周期产品设计过程中与装配有关的所有活 动和过程( 即面向装配的设计) ，包括产品定义、生产规划和过程仿真中与装配相 关的各个子过程。 2 2 装配模型的基本知识 2 2 1 装配模型的基本要求 国际上在2 0 世纪7 0 年代末为了研究机器人装配的需要开始了装配模型的研 究，都是运用图的结点表示零件，边表示零件局部坐标系之间的相对变换矩阵， 变换矩阵或零件的位置都要由用户给出。l e e 等引入虚链表示装配特征之间的几 何联结条件和工艺约束，用联接图来表示装配件，从而把装配位置求解转化为几 何约束满足的问题。国内近年来也开始了对该问题的研究，上述模型的共同特点 是： 以复杂的“图描述装配关系，模型总以零件为节点，节点之间用键联结， 键里包含装配关系以及空间位置信息。而模具结构c a d 中零件的增、删、改、 移操作频繁，过于复杂的装配模型必然影响系统的效率，增加其开发的难度。 必须进行零件实体造型，然后才能进行装配，因此它们只能支持“自底向 上”的设计流程，而不能用于“自顶向下”的c a d 。 笔者认为，作为支持“自项向下 的模具结构c a d 装配模型须满足如下几 方面的要求： 清晰表达装配体、子装配体、零件的层次结构关系。 为了实现“概念设计向“详细设计转化过程中的实例化，须表达实例、 零件、几何表示这三个层次的信息。如果一个零件对应个或多个实例，同一个 1 8 浙江工业大学工程硕士学位论文 零件所对应的多个实例之间只有空间位置的区别，而其余的几何信息、拓扑信息、 工艺信息等等则在零件层、几何表示层共享。 准确表达零件或实例在装配体中所处的位置即空间位置信息。 记载各零件、子部件之间的几何配合约束关系。 记载各零件几何形状的设计变量表达式。 支持对于零件、子部件的频繁增、删、改、移操作 建立装配模型的工作就是创建表达基本装配信息的装配元素和将装配元素 聚合成结构化的易于用计算机表达的模型，实质上就是采用某种数据结构来组织 模具结构零件。 建立冲模装配模型的目的是为面向装配的冲模设计提供信息来源和存取机 制。装配模型不仅要处理设计系统的输入信息，还应能处理设计过程的中间信息 和结果信息，这些信息主要由六个方面的内容组成： 管理信息与产品及其零部件管理相关的信息。 几何信息与产品的几何实体构造相关的信息。它们决定装配元件和整个 产品装配体的几何形状与尺寸大小，以及装配元件在最终装配体内的位置和姿 态。由于现有的商用c a d 系统如u g n x 等己具备较完善的几何建模功能，产品 装配模型所需的几何构造信息可直接从相关的内部数据库提取。 拓扑信息包括两类信息。一类信息为产品装配的层次结构关系。这类信 息与具体应用领域有关，往往因“视图 的不同而有所差异。例如，对于同一个 产品来说，如分别从功能角色、装拆操作、机构运动等角度分析，其层次结构 组成关系很可能是不同的。另一类信息为产品装配元件之间的几何配合约束关 系，常见的关系有贴合( m a t e ) 、对齐( a l i g n ) 、同i 甸( o r i e n t ) 、相七j j ( t a n g e n t ) 、插) l ( i n s e r t ) 和坐标系重合等。这类信息取决于静态装配体的构造需求，与应用领域无关。 工程语义信息与产品工程语义相关的语义信息。 装配工艺信息与产品装拆工艺过程及其具体操作相关的信息。 装配资源信息与产品装配工艺过程具体实施相关的装配资源的总和。 2 2 2 装配模型的定义和结构 装配模型是装配建模的基础，建立产品装配模型的目的在于建立完整的产品 装配表达信息。 1 9 浙江工业大学工程硕士学位论文 装配模型表达的典型结构有树形结构( 图2 1 ) 和环形结构( 图2 2 ) 。在树 形结构中，节点用来存储零件信息，边则存储零件与零件之间的定位关系和变换 信息。这样，零件之间的关系通过树( 二叉树) 的结构联系起来。这种结构对于 确定各个零件之间的空间拓扑关系十分有利，而且树的边信息代表着零件之间的 定位关系，对变换位置十分方便。但这种结构对于因某一个零件的修改而引起的 对整个装配体的修改能力有限。 图2 一i 树形结构图2 2 环形结构 在环状结构中，零件被串联成一个环状结构，对某一零件的修改，其影响可 以通过环状链表传递到装配体。这种结构并没有改变以零件信息为主的状况，它 对于零件之间的关系描述也处于辅助地位。如果零件信息建模完善，可对零件与 装配的一致性问题的解决创造条件，但环状结构限制了其能力的发挥1 2 6 1 | 2 7 1 。 2 2 3 冲模装配结构的分析 冲模的“概念设计是生成“概念模具 ，即由设计者根据模具功能需求信 息( 材料信息、毛坯信息) 以及具体的设计环境( 工厂条件、成本考虑等因素) ， 利用系统提供的装配关系工具所建立的一套模具结构。 从冲模设计的实际需要出发，冲模结构被定义为：能完成一定的冲裁操作( 如 落料或冲孔等) 的由冲头、凹模、模架及附属机构组成的装配体。从上述定义可 知，模具结构与冲裁工艺存在着一一对应关系，其分类方法与冲压工艺相似，由 于组成模具的各个模具零件共享一副模具结构，所以对于具体的模具结构来说， 它所指的是一个虚拟的结构，只有在组成模具的所有零件都确定后，再将该虚拟 结构实例化，也就是设计出最终的模具装配图。 简单地说，装配模型就是概念模具的数据结构反映，概念模具是装配模型的 基础，装配模型实例化后并表达为几何图形就是装配图。 在装配建模阶段各零件被抽象化为一具有相对位置( 表达式描述) 、类型、约 束( 设计变量表达式)