（机械电子工程专业论文）汽车覆盖件冲压模具cadcaecam技术的研究.pdf

啥尔滨理工大学工学硕士学位论文 汽车覆盖件冲压模具c a d c a e c a m 技术的研究 摘要 随着计算机技术快速发展和普及，c a d c a e c a m 一体化技术广泛的 应用到汽车工业中，并成为汽车工业中起主导作用的关键技术。本文以汽车 覆盖件冲压模具为研究对象，对其c a d c a e c a m 中的若干技术进行了研 究。 在c a d 方面，针对目前冲模标准件库缺乏和效率低等问题，以c a t i a v 5 和s q ls e r v e r2 0 0 0 软件作为开发工具，建立了三维冲模标准件库c a d 系统，实现了参数化设计。并以v i s u a lb a s i c6 0 作为开发语言设计了客户 端应用程序。实现了三维冲压模具标准件的自动建模，提高了模具设计的工 作效率，缩短了企业新产品的研制周期。 在c a e 方面，以a u t o f o r r n 为软件平台，利用一步法的基本原理，对零 件成形性进行预测。通过同增量法模拟结果的对比验证，表明这种方法具有 较高的可信度，可应用于零件前期设计和工艺参数设计阶段，对产品的成形 性进行快速的评估。并以汽车覆盖件拉延模具为研究对象，利用板料成形及 回弹的数值算法，进行了覆盖件拉延模具设计、成形性分析及回弹计算，应 用有限元技术对模具进行参数化虚拟调试，使得模具在制造前就消除了成形 缺陷，提高了模具的制造水平。 在c a m 方面，利用电解一机械一磁力复合抛光工艺，针对具有曲面结 构的典型难加工材料0 c r l 8 n i 9 t i 不锈钢模具进行了抛光试验。结果证明， 这种方法可使模具表面粗糙度达到r 口- o 0 3 p a n ，提高了抛光的效率和质量。 本文通过对汽车覆盖件冲压模具c a d c a e c a m 一体化技术的研究， 提高了模具制造质量和精度，有利于缩短模具的生产周期。 关键词冲压模具；数据库；一步法；虚拟调试；抛光；c a d c a e c a m 堕查堡矍三奎：三兰堡圭兰堡兰圣 s t u d yo nc a d c a e c a mt e c h n o l o g yo f a u t o p a n e ls t a m p i n gm o u l d a b s t r a c t w i t ht h ef a s td e v e l o p m e n ta n dp o p u l a r i z a t i o no fc o m p u t e rt e c h n o l o g y ，t h e t e c h n o l o g yo fc a d c a e c a mh a sb e e nw i d e l ya p p l i e dt oa u t oi n d u s t r ya n d h a sb e c a m et h e k e yt e c h n o l o g yi n t h i sf i e l d t l l i sp a p e rp r e s e n t sd e t a i l e d r e s e a r c ho fs o m et e c h n o l o g i e so fc k d i c k e | c k b 、a i m i n ga ta u t op a n e l s t a m p i n gm o u l d i nt h er e s p e c to fc a d ，i na c c o r d a l i c ew i t hd e f i c i e n c ya n dl o w - e f f i c i e n c y o fp a r tl i b r a r yo fs t a m p i n gm o u l d w i t hc a t i av 5a n ds q ls e r v e r2 0 0 0 s o f t w a r ea sr e s e a r c ht o o l s ，t h ec a ds y s t e mo f3 dp a r a m e t e r i z e dp a r tl i b r a r yo f s t a m p i n gm o u l di se s t a b l i s h e da n dt h ep a r a m e t r i cd e s i g ni sr e a l i z e d ，a n dt h e c l i e n ta p p l i c a t i o np r o c e d u r ei sd e s i g n e d i tr e a l i z e st h a tt h es t a n d a r dp a r t l i b r a r yc a nb u i l du pm o d e l sb yi t s e l fa n di m p r o v e st h ee f f i c i e n c yo fm o u l d d e s i g n i n ga n ds h o r t e n st h em a n u f a c t u r ec y c l eo f n e wp r o d u c t s i nt h er e s p e c to fc a e ，w i t ha u t o f o r ma st h es o f t w a r ep l a t f o r m i th a s f i n i s h e dp r e d i c t i o no fp a r tf o r m a b i l i t yb ya p p l y i n gb a s i cp r i n c i p l eo fo n e - s t e p c o m p a r e dw i t ht h er e s u l to fi n c r e m e n t a ls i m u l a t i o n ，i ti n d i c a t e st h a tt h er e s u l t o b t a i n e db yo n e - s t e pc a nb ea c c e p t e d i tc a nb ea p p l i e di nt h ep a r tp r e l i m i n a r y d e s i g n ，p r o c e s sp a r a m e t e r sd e s i g ns t a g e sa n dr a p i da s s e s s m e n to ff o r m a b i l i t y i na d d i t i o n ，t h ed r a w i n gd i eo fa u t o m o b i l ec o v e r i n gt a k e na sar e s e a r c ho b j e c t ， a c c o r d i n gt ot h ec o m p u t e rm e t h o do fs h e e tf o r m i n ga n ds p r i n g b a c k ，t h ed e s i g n o fc o v e r i n gd r a w i n gd i e ，t h ea n a l y s e so ff o r m a b i l i t ya n dt h ec a l c u l a t i o no f s p r i n g b a c ka r ef i n i s h e d ，a n dp a r a m e t e rv i r t u a ld e b u g g i n gf o rd i ei sr e a l i z e d ， w h i c hm a k et h ef o r m i n gd e f i c i e n c i e se l i m i n a t e db e f o r et h em a n u f a c t u r eo fd i e a n da l s om a k et h em a n u f a c t u r i n gl e v e lo f d i ea d v a n c e d i nt h er e s p e c to fc a m a i m i n ga tt h es t a i n l e s ss t e e lm o u l dw i t ht y p i c a l d i f f i c u l t - t o m a c h i n em a t e r i a l s0 c r l8 n i 9 t ia n dc u r v e ds u r f a c e ，t h ep o l i s h i n g n 堕玺堡至三盔耋三兰璧圭兰堡篁三 t e s ti sc a r r i e do u tb yt h ep r o c e s s i n go fe l e c t r o l y t i c - m e c h a n i c a l - m a g n e t i c p o l i s h i n g ，s t a i l l e s ss t e e lm o u l dw h i c hi sm a d ew i t ho c r l8 n i 9 t ii sp o l i s h e d t h er e s u l t sp r o v et h a tt h es u r f a c er o u g h n e s so fm o u l dc a nr e a c ht or f o 0 3 岫 a n dt h ep o l i s h i n ge f f i c i e n c ya n dq u a l i t yc a nb ea d v a n c e db yt h i sm e t h o d t h em e t h o dp r e s e n t e di nt h i sp a p e ri m p r o v e st h eq u a l i t ya n dp r e c i s i o no f m o u l dm a n u f a c t u r i n gb yt h er e s e a r c ho ft h ei n t e g r a t i v et e c h n o l o g yo f c a d c a e c a mo fa u t op a n e ls t a m p i n gm o u l d ，w h i c hh e l p ss h o r t e nm o u l d p r o d u c ec y c l e k e y w o r d ss t a m p i n gm o u l d ；d a t a b a s e ；o n e s t e p ；v i r t u a ld e b u g g i n g ；p o l i s h i n g ； c d e a e | e k 嗵 一1 1 1 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文汽车覆盖件冲压模具 c a d c a e ，c a m 技术的研究，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕 士学位期间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分 外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和 集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名： 咖咳 ， 日期：砷年孑月尹日 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 汽车覆盖件冲压模具c 觥胱a m 技术的研究系本人在哈尔滨理工 大学攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果 归哈尔滨理工大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完 全了解哈尔滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关 部门提交论文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理工大学可 以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用授权书。 不保密l 才。 ( 请在以上相应方框内打) 名：馅 多 导师签名：7 查订食 日期： 0 年弓月广口日 日期：吼7 年岁月，p 日 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 目前，模具工业已经成了现代工业的基础，6 0 9 0 的工业产品都需要 使用模具加工，许多新产品的开发和生产在很大程度上都依赖模具，特别是汽 车、电子、通讯等行业尤为突出。模具作为一种高附加值产品和技术密集型产 品，其技术水平的高低已经成为衡量一个企业、一个国家制造水平的重要标志 之一。近几年来，我国的模具工业发展迅速。目前，中国已有1 7 0 0 0 多个模具 生产厂点( 不包括香港、澳门、台湾) ，从业人数已经远远超过5 0 万。近几 年，我国模具工业一直以每年1 5 左右的增长速度发展，2 0 0 3 年我国模具总产 值超过4 0 0 亿元人民币“。许多模具企业已经开始重视技术发展，加大了用于 技术进步的投资力度，将技术进步视为企业发展的重要动力。 虽然我国的模具工业在过去几年里确实取得了令人瞩目的发展，但在许多 方面与工业发达国家相比仍存在很大的差距。例如，精密加工设备在模具加工 设备中的比重还比较低，c a d c a e c a m 技术的普及率不高，许多先进的模具 技术应用还不够广泛等等。特别在大型、精密、复杂和长寿命模具技术上存在 着明显差距，这些类型模具的生产能力还不能满足国内需求，因而需要大量从 国外进口。由此可见，我国的模具工业尚需要不断开拓创新，加快发展步伐， 努力提高模具技术水平。 1 2 国内外汽车模具技术的发展现状 当今世界各国都将汽车工业作为国民经济的支柱产业之一，竞争日趋激 烈。衡量汽车工业特别是轿车工业发展水平的重要标志是车型的自主开发与设 计能力。 在国外，美国、日本和西欧许多国家依靠先进的技术手段，花大力气发展 轿车工业。众所周知，轿车工业的发展将带动许多相关工业，如机械工业、电 子工业的发展，因此，轿车工业的发展水平是一个国家经济和科技实力的象 征。车身开发的关键在于车身覆盖件模具的开发。在“车型设计一模具设计与 调试一新车型投产”的整个周期中，模具设计和制造约占2 3 的时间，成为车 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 身改型的制约因素。欧美日各大汽车制造公司改型换代较快，这在很大程度上 归功于先进的模具数字化制造技术。国外采用c a d c a e c a m 和各种数控机床 及三坐标测量机直接相连，使车身覆盖件模具的开发呈现前所未有的面貌，模 具精度大幅度提高，模具开发的成功率达9 5 以上。特别是c a e 的应用，改变 了传统覆盖件模具设计凭经验进行、质量难以保证的局面。1 。这一点已被世界 轿车行业所共识。从新车型研究开发到投产整个周期中，模具设计与调试时间 最长。通过成形过程的计算机模拟，结合先进c a d c a e c a m 系统，可以在计 算机上对模具局部结构进行反复修正，使经过改善后的模具c a d 结构设计最优 化，实现一次成模，从而大大缩短模具调试周期、降低制模成本、加速车型换 代、增强国际市场竞争力。 在国内，改革开放以来，我国汽车工业得到了很大的发展，但与发达国家 相比还有相当大的差距。1 9 9 4 年3 月国务院颁布了我国的汽车工业产业政 策，明确指出汽车工业是我国国民经济的支柱产业，并要求在2 0 1 0 年，我国 的汽车特别是轿车工业具有车型及模具的自我设计和开发能力，真正建立起自 主发展的中国汽车工业。至l j 2 0 1 0 年汽车工业要形成5 0 0 6 0 0 万辆的生产能力， 其中轿车占7 0 。根据国家汽车工业振兴规划纲要，今后汽车工业发展重 点是轿车及轿车零部件的国产化。根据我国轿车生产“两步走”( 即第一步是 搞车身，第二步再搞发动机) 的发展战略，在今后的l o 1 5 年期间将是我国汽 车工业大发展时期，这就对我国汽车制造技术提出了更高的要求和挑战。然 而，目前我国不仅是汽车制造，而且在航空航天、造船、家电轻功等涉及冲压 模具的企业和生产厂家，模具设计仍然靠手工式操作，设计凭经验。其设计思 想、设计手段仍然停留在相当落后的水平上，致使一些关键性模具不得不花费 大量外汇，依靠国外来设计加工，这与我国汽车工业今后的发展目标不相适 应。因此，为了适应我国汽车工业的发展需要，围绕严重制约我国模具工业特 别是汽车工业发展的覆盖件成形与模具现代设计这一关键性技术形成我国自己 的高技术产业，打破国外的技术垄断已势在必行，其成果将对推动我国汽车工 业和模具工业的发展起到至关重要的作用，具有重大的经济和社会效益“1 。目 前我国现有的汽车模具厂家有很多，有的已形成一定规模，但整体水平还不是 很高，尤其是c a d c a 眦a m 系统还不完善，从而造成模具生产的质量差、周 期长、成本高，一些复杂模具设计与制造不得不依赖国外。 堕玺鎏垩三盔兰三兰璧圭兰竺丝三 1 3 国内外汽车覆盖件模具c a d c a e c a m 技术发展现状 伴随着计算机软硬件技术“图形学”“人工智能”数值计算方法以及板料 塑性变形理论等的发展，与传统的模具设计、制造技术相结合c a d ，c 觥a m 技术应运而生，并广泛应用于汽车覆盖件模具的设计和制造过程中，开创了 “系统化”、“集成化”、“智能化”的研究新领域。所谓c a d c a e c a m ( 简称3 c ) 一体化技术，则是一种新兴的经济高效的综合性计算机应用技术， 它以计算机作为主要技术手段和工作平台处理各种数字信息与图形信息，辅助 完成产品设计、分析模拟、评价与制造中的各项活动。该技术在国外的模具企 业中使用已很普及5 1 。 早在六十年代初，国外一些汽车公司在汽车车身设计的基础上，开始了模 具c a d 的研究，从而发展了复杂曲面的设计方法。七十年代，美国f o r d 公司开 发的c a d c a m 系统简化了人工设计与制造。日本t o y o t a 汽车公司从1 9 8 0 年 开始研制汽车覆盖件模具c a d c a m 系统，此系统包括处理覆盖件模面的d i e - f a c e 软件和加工凸、凹模的t i n c a 软件等。由三坐标测量机将实物模型测量后 所获得的数据送入计算机，经处理后再把这些数据用于汽车覆盖件设计、模具 设计和制造。并且该系统已经具有较强的三维图形功能，能在屏幕上反复修改 曲面形状。1 9 8 6 年，欧共体五国联合开发了冲压成形过程的c a e 软件，前后花 费六年的时间，t 9 9 2 年正式推出f a m - s t a m p 商品化软件。 改革开放以来，我国汽车工业得到了很大的发展，但与发达国家相比仍有 很大差距。1 9 9 4 年3 月，国务院颁布了我国的汽车工业产业政策，要求在 2 0 1 0 年，使我国的汽车特别是轿车工业具有车型及模具的自我设计和开发能 力，真正建立起自主发展的中国汽车工业。与此同时，一些具有自主版权的软 件也陆续推出，如上海交大国家模具c a d i 程研究中心开发的冷冲模c a d 系 统、北京航空航天大学华正模具研究所开发的c a d c a m 系统c a x a 以及武汉 华中理工大学模具技术国家重点实验室开发的塑料注射模c a d c a f d c a m 系统 h s c 2 0 等。在“九五”期间，开发具有国际先进水平的c a e 软件，并与现有的 c a d c a m 软件集成，实现c 燃a e c a m 一体化一直是国家科技攻关的一个 重点。在此基础上，吉林工大开发出板料冲压成形分析的c a e 软件系统k a m s ， 湖南大学研究开发出汽车覆盖件成型工艺与模具c a d ，c a 剧c a m 一体化技术。 此外，把人工神经网络的模式识别模型引入工艺专家系统，建设智能化的汽车 覆盖件冲压工艺专家系统c a p p 也取得了相当大的进展。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 板料成形的计算机模拟技术( c a e ) 经过长期的发展已经进入应用阶段， 国外已经形成了一些通用或专用的软件，著名的软件有：e t a d y n a f o r m 、 a u t o f o r m 、p a m s t a m p 等。这些软件绝大部分具有完整直观的前、后置 处理功能，可以直观地在计算机屏幕上观察到材料变形和流动的详细过程，了 解材料的应变分布、料厚变化、破裂及皱曲的形成经过，获得成形所需要载荷 及零件成形后的回弹和残余应力分布。这种用可视化技术虚拟的现实制造环境 不仅模拟了零件的成形过程，更重要的是形象地揭示了材料的变形机理，因而 可以使设计人员根据已有的经验实时调整模具参数及成形工艺、修改毛料形状 和尺寸，大大缩短试模和修模的时间，有效地提高产品质量和生产效率”1 。 目前，在薄板冲压成形仿真领域，a u t o f o r m 软件的市场占有率为全球第 一。全球9 0 以上的汽车制造商在使用a u t o f o r m 。全球前2 0 家最大的汽车制造 商1 0 0 在使用a u t o f o r m 。全球超过1 0 0 家模具制造商与薄板冲压件制造商均在 使用a u t o f o r m 。在德国，a u t o f o r m 市场占有率为9 0 以上。在全球， a u t o f o r m 市场占有率为8 0 以上。在国内，a u t o f o r m 目前拥有众多的行业用 户，如上海大众汽车有限公司、一汽模具制造有限公司、东风汽车模具有限公 司、成飞集成科技股份有限公司及天津汽车模具有限公司等。 a u t o f o r m 的出现，冲击和改变了许多传统的c a e 仿真理念。其界面简单， 操作简便，无需用户具备有限元知识，消除了一般工程技术人员对c a e 仿真分 析的神秘感，促进了c a e 分析的工业应用。由于在众多有限元技术上的突破， 使得a u t o f o r m 在计算速度上具有很大的优势，也推翻了动态显式算法计算效率 优于静态隐式算法的传统观念。其在接触处理算法上的突破，使得应用者从此 无需再将大量宝贵的时间耗费在单元网格处理之中。其功能强大的模面设计模 块，使得应用者无需再将大量时间耗费在繁冗的c a d 数据处理之中，而将精力 专注于方案本身。其在单元技术上的突破，使得用户可以选择多种单元类型， 对成形过程进行精确模拟计算。其在自适应网格技术上的突破，使得用户能精 确模拟出最细微处的材料变形流动情况。其完善的输入输出接口，保证了不 仅可以输入多种格式的外部数据，也可以将在a u t o f o r m 中生成的曲面以多种格 式输出，甚至可将仿真后产品的各种成型信息( 如应力、应变等) 以多种格式 ( 如n a s t r a n ，d y n a 、p a i n 、a b a q u s 等) 输出以各后续碰撞仿真分析使用。 在c a m 方面，采取的方法多为用数模对照二维图纸进行半自动的n c 编 程。在这个流程中，由于二维描述信息的不完整性、投影信息的不准确性以及 数据接口等方面的原因，使得这个行业与国外行业相比，效率和质量有较大的 差距叫 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 全三维数字化覆盖件模具的设计和制造是对传统制造业的挑战，需要从软 件层面和硬件层面做好协调工作。没有良好的软件系统作为支持，企业的设计 能力和n c 加工能力就上不去，所以软件系统是当前设计模式和生产模式的瓶 颈。这里的软件系统，不仅仅指的是c a d c a m 软件，从广义讲还包括解决方 案，即专门为企业定制的软件系统：包括完善的标准件库，参数化设计，n c 编程模板，个性化的应用菜单，甚至包括高级的k b e 系统和p d m 系统。综合 国内外现行先进的覆盖件模具制造技术，可把覆盖件模具的数字化制造流程描 述如图1 1 所示。 1 4 课题来源 本课题来源于黑龙江省教育厅海外学人重点科技项目：。模具冲压过程的 动态仿真”的子项和黑龙江省国际科技合作计划项目“模具高效机械一电化学 精加工的研究”。 1 5 本文研究的目的和主要内容 汽车工业是我国国民经济五大支柱产业之一，也是衡量我国制造业水平的 重要标准。汽车车身模具是车身制造技术的重要组成部分，也是形成汽车自主 开发能力的一个关键环节。在汽车新车型的设计调试直至投产的整个周期中， 模具设计和制造约占三分之二的时间，汽车覆盖件模具作为车身生产的重要工 艺装备，直接制约着汽车的质量和新车型的开发周期。汽车覆盖件不同于一般 的冲压件，它具有曲面多、尺寸大、材料薄、结构形状复杂、精度要求高等特 点，其模具制造技术难度大、成本高、开发周期和质量都难以控制”“ c 胱胱a m 技术作为一种现代设计制造方法，把它引入汽车覆盖件模具生 产实际中，可以大大缩短汽车开发周期，提高生产效率和市场竞争力。 当今，用户对模具制造的要求是“交货期短”、“精度高”、“质量 好”、“价格低”。如何在最短的时间内以最低的成本生产出优质产品，提高 产品竞争力，已成为企业的迫切任务。跟上社会的要求，缩短产品开发周期也 成为当前汽车制造业中一个很重要的课题。传统的开发方法因废模率高，风险 性大，周期长，耗资大等缺点正逐渐被遗弃。利用以计算机为代表的高新技 术，促进汽车制造业的技术改造与进步，已成为必然的发展趋势。实践证明， 模具c a d c a e c a m 技术是当代最合理的模具生产方式，是改造传统模具生 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 图i - i 覆盖件模具数字化制造流程图 f i g 1 1f l o w c h a r t o f d i g i t a lm a n u f a c t u r eo f p a n e l 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 产方式的关键技术和高效益的系统工程。据相关数据表明，欧美推出一款新车 型需要4 8 个月，而日本只需3 0 个月，这很大程度上归功于日本先进的 c a d c a e c a m 技术，利用这些技术可以使模具结构设计最优化，实现一次成 模，从而大大缩短模具调试周期、降低制模成本、加速换型周期、增强国际市 场竞争力”这是造成日本汽车在全球市场占有量不断飚升的主要原因之 一。国内汽车模具技术相对较落后，模具开发周期长，工艺水平差， c 胱a e c a m 技术平台并不完善，对国外技术依赖较强，这也是造成中国汽 车业落后的主要原因之一。要想提高中国汽车工业的市场竞争力，就必须有完 善的、高效的c a d c 胱a m 技术平台。这正是本文研究的目的和意义所在。 根据前面介绍的覆盖件模具数字化制造流程可以看出：汽车覆盖件 c 胱删m 技术是高度一体化的，只有各项技术有机的配合才能达到最优 化，并且在这个流程中需要更多的专业化、智能化的配套软件系统，只有这样 才能从本质上提高模具制造效率和质量。基于这样的研究目的并结合实际企业 的需求。确定本文的具体研究内容如下： 1 建立标准件模型库及开发参数数据库以c a t i av 5 软件作为绘图平 台，对冲压模具标准件进行三维参数化建模。对拟进行参数化建模的标准件 按照使用习惯进行分类。研究系统所需要用到的各种数据，确定数据资料的 存放方式，对数据表的结构进行研究。以最优的方式建表。 2 实现标准件库的参数化驱动及用户界面的开发以v i s u a lb a s i c6 0 作为 开发语言，结合c a t i av 5 软件的二次开发技术，开发客户端标准件库系 统。编制应用程序对前面所建的标准件模型进行参数化驱动。 一 3 应用一步法对板料冲压成形性进行预测以a u t o f o r m 3 2 为软件平台，应 用o n e s t e p 方法对板料冲压成形性进行预测分析，并对分析结果的准确性进 行评估。 4 汽车覆盖件冲模的虚拟调试的研究以汽车覆盖件拉延模具为研究对 象，根据板料成形及回弹的数值算法，进行基于a u t o f o m l 3 2 软件的覆盖件 拉延模具设计、成形性分析及回弹计算，实现对模具的参数化虚拟调试。 5 冲压模具复合抛光c a m 技术的研究将磁力一机械一电解复合抛光工 艺c a m 技术结合起来，对具有曲面的典型难加工材料0 c r l s n i 9 t i 不锈钢模 具进行抛光试验，并对抛光结果进行分析研究。 兰釜篓耋三奎：三兰塑圭兰堡丝三 第2 章冲模标准件三维c a d 系统的开发 2 1 冲模标准件三维c a d 系统的总体设计 软件工程是把软件用工程化的方法进行设计、开发、使用和维护“”。本节 利用软件工程的基本方法，从系统的需求分析、系统的设计思路、系统的开发 平台、系统结构及实现方法等方面提出冲模标准件三维c a d 系统的总体方案 设计。 2 1 1 系统的需求分析和设计思路 1 系统的需求分析虽然目前许多c a d 软件都具有很强的实体造型功能， 能够采用多种方法生成复杂的三维实体。但是，由于实体造型是复杂而繁琐的 交互过程，需要先经过草图设计、尺寸约束，然后到实体造型，其间要不断选 择基准和方向，不断变换坐标空间；运用拉伸、旋转、扫描、抽壳、拔锥、开 槽、打孔、倒角等多种特征操作，并对实体进行并、减、交等布尔运算。可 见，由于实体造型需要十分精确地表达三维物体的几何信息，三维实体造型比 二维绘图要复杂得多。随着汽车覆盖件冲模技术的不断发展，设计中用到汽车 冲模标准件的数量日益增多，这主要是因为采用汽车冲模标准件会给汽车冲模 产品的设计、制造、装配带来很大的方便。而汽车冲模标准件如果仅仅简单地 应用三维c a d 软件来进行造型设计。效率是很低的，工作量较大，并且其系 列化设计也会有许多重复性的劳动。汽车冲模设计人员如果能从c a d 系统中 获得满足设计要求的标准件，则可大大减少重复劳动，提高设计效率，从而缩 短汽车冲模产品的开发周期，提高模具的设计质量和标准化水平“”。综上所 述，冲模标准件c a d 系统要实现的总体目标是实现标准件三维实体的自动建 模功能。 2 系统的参数化设计思路冲压模具标准件c a d 系统是模具 c a d c a e c a m 的重要组成部分，、神模标准件种类繁多且一般均具有一定尺 寸规范。每一种标准件按要求不同，有一组或多组尺寸系列参数，但同一种标 准件结构基本相同。因此，在冲模标准件建库过程中，常采用参数化造型的方 法。参数化技术是采用参数预定义的方法建立图形的集合约束集，指定一组尺 寸作为参数使其与几何约束集相关联，并将所有的关联式融入到应用程序中， 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 然后通过对话框以人机交互方式修改参数尺寸，最终由程序根据这些参数及其 变化顺序地执行表达式来实现设计的方法”“”。参数化设计过程中，参数与设 计对象的控制尺寸有明显的对应关系，通过参数化尺寸驱动完成对设计结果的 修改。正是有了这种参数化建模技术，才使得数据的改变在不同层次之间的传 递具有唯一性和即时性“”。 参数化造型方法是c a d 技术中先进的造型方法，也是提高冲模c a di 作 效率的有效手段。它是针对各种冲压模具总体结构一般均具有较规范形式的特 点，在实际的几何和拓扑的基础上导出各要素之间的相互关系，为零件的基本 尺寸建立相应的参变量，并将变量与尺寸之间的对应关系生成为一个与零件模 型相关联的外部参数文件，其中的某些参数以变量方式存贮。当根据不同产品 要求而改变参数文件中有关基本变量的取值时，与之相关的零件模型中的相应 尺寸也发生变化，通过尺寸驱动模块处理后即可生成大小符合实际尺寸标注的 零件“”。这种方法的最大优点是不仅设计效率高，而且适用于各种不同类型的 冲模标准件。 2 1 2 系统结构设计 基于2 1 。l 节中系统需求分析，可知冲模标准件三维c a d 系统不仅能够实 现三维标准件的自动建模功能，还需要良好的人机交互性，系统的安全性和局 域网访问性能等。结合本标准件c a d 系统，特将系统所要实现的功能及任务 分析如下： ( 1 ) 开发客户端软件。要求具有良好的人机交互界面，并能结合c a d 平 台，完成自动建模。，一 ( 2 ) 实现数据库的局域网访问。为了便于数据库的管理、维护和节省存 储空间，把数据库存放到服务器端，由管理员进行维护，局域网内的客户端用 户可以进行访问和调用。 ( 3 ) 实现自动建模。通过用户选择零件参数快速在g m a 软件内生成所 对应的标准件，无需人工参与。 ( 4 ) 实现对标准件信息管理。标准件信息管理主要包括对标准件信息的 查询、添加、修改和删除等管理。 ( 5 ) 提供标准件的各类信息。用户从标准件库中可以得到的标准件信息 应包含几何参数信息以及材料、热处理等非几何信息及标注件的预览图。 ( 6 ) 提供功能完善、操作简便的建库工具。用户可以使用该建库工具按 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 任意分类方式组织不同标准的标准件库，并可动态扩充标准件库。 ( 7 ) 具备良好的系统安全性。标准件库应具有良好的安全机制和完备的 用户权限管理系统，这样便于企业的系统维护和保密。 根据系统所要达到的功能并结合客户端服务器模式( c s 模式) 将标准 件库系统划分为数据层、系统处理层和客户应用层三层结构。各层完成的主要 任务有： ， ( 1 ) 数据层数据层即数据源，包括数据库服务器上系统的标准件信息数 据库和文件服务器上的标准件预览图文件、参数化几何特征库。数据层完成数 据的存储和管理功能。 ( 2 ) 系统处理层系统的主要功能都在这一层实现，它向客户层提供各种 服务。该层可以分为两大部分：一是与c a d 软件系统平台无关的标准件信息 管理部分；二是基于c a 玎a 平台的标准件造型部分。 ( 3 ) 客户应用层该层包括所有可能使用系统处理层所提供的服务的系 统，这里主要指三维c a t i a 平台，用户通过选择标准件参数，通过c a t i a 接 口，在c a t i a 软件中生成相应的标准件模型。 在对标准件库系统进行逻辑分层的基础上确定系统的总体结构是对系统功 能的更细致地划分，系统的总体结构如图2 1 所示。 2 1 3 系统开发工具的选择 1 基于v b 和s q ls e r v e r 数据库系统的开发s q ls e r v e r2 0 0 0 是微软推出的 关系数据库管理系统，具有强大管理功能和安全性，已在c l i e n t s e r v e r 模式中 得到了很好的应用。目前，关系数据库应用系统开发软件产品很多，如v b 、 p o w e rb u i l d e r 、d e l p h i 等。v b 是m i c r o s o r 致力发展的软件之一，它具有面向对 象，模块化、可视化编程和事件驱动等特点，并且支持一套出色的数据库访问 技术，成为目前最流行的数据库应用软件编程工具之一故用v b 开发基于 s q ls e r v e r 2 0 0 0 的数据库管理系统是一种合理的选择“”。 2 基于c a t i a 的c a d 技术和二次开发技术c a t i a 软件是由法国著名飞 机制造公司d a s s a u l t 开发并由m m 公司负责销售的c a d c a m ，c a e 应用系统 。c a t i a 被广泛应用于航空航天、汽车制造、造船、机械制造、电子、电 器、消费品行业。它的集成解决方案覆盖所有的产品设计与制造领域，满足了 工业领域各类大、中、小型企业的需要。在汽车行业，c a t i a 已经成为事实上 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 旷一百一百一百 u 数据传输0u 企业内部局域网 八 u 用标 参 、 u 系 户 准 数 统 信 籍 调 驱动控制程序 用 向 导 处 息 理 c a t i a 接口 理 管 层 理 、 l iv 客 在中生成标准件 户 用户界面 图2 - i 系统总体结构图 f i g 2 1g l o b a ls t r u c t u r ec h a r to f t h es y s t e m 的工业标准，世界前2 0 名的汽车企业有1 8 家采用c a t i a 作为其核心设计软 件。”。世界上已有超过1 3 0 0 0 个用户选择了c a t i a ，用户包括波音、克莱斯 勒、宝马、奔驰、本田、丰田等著名企业。波音飞机公司使用c a t i a 完成了 整个波音7 7 7 的零件设计和电子装配，创造了业界的一个奇迹，从而也确定了 c a t i a 在c a d c a e c a m 行业的领先地位。”。 二次开发是对软件的用户化和专业化的有效手段，它可以使软件更好地为 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 用户服务，这对提高工作效率和工作质量有着不可低估的作用。任何优秀的软 件，其功能也不可满足于所有领域、所有用户的应用习惯和应用需求。为此， c a t i a 为用户提供了二次开发接口和开放式的内部命令集合，给用户的二次开 发带来了方便。 在本设计中主要是利用编程的方法来访问c a t i a 。通过编程来访问c a t i a 的对象有很多种不同的方法。对于其他程序和脚本来说。c a t i a 只是一个o l e 自动化对象服务器。任何能访问c o m 对象的程序或脚本都能访问c a t i a 的对象 并对其进行操作。编程访问c a t i a 对象主要有两种方法，一种是进程内的，另 一种是进程外的。 ( 1 ) 进程内的脚本进程内的访问即指脚本和c a t i a 在同一进程内运行， 简单地说：是由c a t i a 的脚本引擎来解析执行宏脚本命令的。进程内的宏脚本 可以兼容u n i x 和w i n d o w s 平台。 ( 2 ) 进程外的脚本进程外访问即指脚本运行不由c a r 认来调用，c a t i a 作为一个o l e 自动化服务器，外部程序通过c o m 接口来访问c a t i a 内部的对 象。可以在o f f i c e 软件中以v b a 脚本来访问c a t i a ，也可以在v b 程序中嵌入 访问c a t i a 的程序。甚至，可以把脚本放在网页中，由v b s c r i p t 或j a v a s e r i p t 来 执行。当然和进程内的脚本不同的是，外部程序首先要连接到c a l l a 上，如果 c a n a 没有启动还必须先启动它。1 。 2 1 4 标准件数据库的构建 标准件数据库是冲模标准件三维c a d 系统基础和底层支撑部分，它主要 包括标准件的参数库、标准件的模型库和标准件的特征描述文件库等。 2 i 4 1 标准件层次分类设计标准件分类的目的是支持快速有效地检索、缩短 查找时间、便于重复件的使用。零件分类的方法主要有：层次式分类法和非层 次式分类法 z 4 a 层次式零件分类的基础是一个树状的结构。从处于某个层次的 分类元素出发，可以向下划分任意多个层次，每个层次可以包括任意多个分类 元素。分类树上所有的分类元素都可以被定义任意多个与形状和功能相关的特 性。按照这种原理，就可以进行多重分类。在需求分析中，根据哈飞模具公司 提供了数百个标准侔，按照层次式分析原理迸行分类( 如图2 - 2 所示) ，在这 样的数据库结构中，用户至多通过三层检索就可以查询到所需标准件，不仅从 管理和集成的角度来看是比较合适的，而且用户操作步骤不多，提高了查询效 率。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 图2 - 2 标准件的层次分类 f i g 2 - 2h i e r a r c h i c a lc l a s s i f i c a t i o no f s t a n d a r dp a r t s 2 1 4 2 标准件模型库的建立冲压模具标准件模型库的建立是进行参数化建模 的基础，通过它才能实现标准件的尺寸驱动，生成系列化的标准零件。参数化 模型不仅仅是一个具体的零件，而是集中了标准件位置特征、形状特征以及约 束特征的零件共性描述实体。 冲压模具标准件模型库的建立实际上就是各种标准件的三维实体造型。针 对要建立的实体，需要先分析结构，然后根据c a l l av 5 创建实体的特点， 确定各尽可能的简单，使尺寸参数尽可能的少，然后利用c a t i a 建立特征的 功能( 如：拉伸、旋转、扫描等) ，根据分析结果创建三维实体模型。 在参数化造型过程中，如果不能建立正确的草图，可能导致尺寸驱动的结 果和实际结果不同。我们称之为参数化的不确定性。这就要求我们绘制草图时 要进行正确的尺寸标注。主要是驱动各特征的驱动尺寸，这些尺寸包括描述特 征形状大小的定形尺寸和确定特征位置的定位尺寸。 将建立好的标准件模型库和模型图片库放在标准件文件的根目录下，以便 标准件数据库的访问使用。 2 1 4 3 标准件参数库的创建数据库设计的主要任务是在d b m s 的支持下， 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 按照应用的要求，为某一部门或组织设计一个结构合理、使用方便、效率较高 的数据库及其应用系统汹1 。冲模三维标准件包含比较完整的零件几何结构信 息，材料和热处理工艺信息以及相关特征描述信息等。由于数据类型多，所以 必须对数据实行统一的管理。开发冲模三维标准件库时应将程序信息与数据信 息分离，建立产品数据库，充分发挥数据库的数据管理能力。 本文将采用s q ls e r v e r2 0 0 0 参数数据库和特征文件数据库相结合的管理 方式。s q ls e r v e r2 0 0 0 以表格形式建立数据库，根据系统将要用到的各种数 据，在s q ls e r v e r 环境下建立的数据库将包括标准件参数表、标准件关系表、 目录树结构表、用户表等。特征文件数据库是将文件夹下的模型库和图片库的 读取路径建立在数据表中。 2 2 冲模标准件三维c a d 系统的程序设计 基于前面的总体结构设计和已经设计完成的标准件模型库和标准件参数数 据库，以v i s u a lb a s i c 6 0 作为开发平台，实现模型参数驱动、数据库局域网连 接访问和用户界面定制等几个方面，最终完成应用程序的打包和发布。 2 2 1 模型参数化驱动的实现 本系统选用v i s u a lb a s i