（机械工程专业论文）活塞铸造机模具设计自动化软件研究.pdf

山东大学硕十学位论文 摘要 活塞铸造机模具设计自动化软件系统是本文的研究对象，它将c a d 系统方 法、应用软件二次开发方法和工程数据重用方法引入了活塞铸造机模具的设计、 生产中，体现了现代制造技术，应用此系统能够提高企业的活塞铸造机模具的开 发能力。 针对轿车活塞这种类型产品的模具，作者充分利用所使用c a d 图形软件s o l i d e d g e 的功能，结合活塞铸造机模具的设计特点，通过对s o l i de d g e 软件进行二次开 发建立了一个具有参数化、相关性的活塞铸造机模具c a d 系统，对活塞铸造机模 具的装配件和各零部件进行了参数化设计，建立了尺寸或结构关联。该系统最大 的特点是不必重复进行活塞模具常规加工部件的几何造型，基本上可以利用该系 统自动生成一副新的活塞模具，这样就大大加快了模具设计制造的周期，提高了 效率，也提高了c a d 软件的应用层次。 作者与同事合作通过使用v i s u a lb a s i c 编制程序主界面到计算模具尺寸的程 序模块；应用的a p i 开发v i s u a lb a s i c 与软件接口程序模块为该系统建立了菜单化 的操作界面。并与s o l i de d g e 软件的原有菜单合理结合，使操作界面一体化。所有 功能一目了然，便于使用。对于复杂功能进行了选项功能合成，即使是s o l i de d g e 软件的初级用户也可以方便使用。 对本文探讨的活塞铸造机模具设计自动化软件系统来说，除了应用s o l i d e d g e 软件的若干原有功能外，还对一些菜单选项设定了新的功能，目的是方便进行活 塞铸造机模具设计，减少用户重复复杂的操作过程，尤其是方便进行活塞实时替 换，自动生成模具内腔复杂型面。开发的主要新功能有：零部件、装配件和实例 的调入；装配件中零部件的自动替换；在图形操作窗口中显示开发的应用程序的 有关信息。 关键词：活塞，c a d ，铸造机模具，设计自动化。s o l i de d g e a b s t r a c t t h er e s e a r c h ss u b j e c to ft h et h e s i si st h ea u t o m a t i cs o f t w a r es y s t e m f o rp i s t o nm o l dd e s i g no fc a s t i n gm a c h i n e w eh o p et h i sw i l lb es p r e a d d e e p l yi np i s t o nm a n u f a c t u r i n gi n d u s t r ya n di m p r o v et h et e c h n o l o g yo f p i s t o n ，p o u re n e r g yi nt oa u t o m o b i l ei n d u s t r yo fo u rc o u n t r y a c c o r d i n gt ot h ef e a t u r eo ft h ep i s t o nm o l do fc a s t i n gm a c h i n e ，t h e a u t h o rt a k ef u l la d v a n t a g eo fc a d s o f t w a r e 一- s o l i de d g e d e v e l o pt h e c a d s y s t e m f o rp i s t o nm o l do f c a s t i n g m a c h i n ew h i c hi s p a r a m e t e r i z e d t h ea u t h o rp a r a m e t e r i z et h es e c t i o n so fp i s t o na n ds e tu p m e a s u r e m e n t so rs t r u c t u r e sc o r r e l a t i o n t h em a i nf e a t u r eo ft h i ss y s t e mi s t h a ti ti sn on e e dr e d e s i g n i n gt h eg e o m e t r i c a lm o u l do fp i s t o ns e c t i o n sw h e n w eh a v ef i n i s h e dag e o m e t r i c a lm o u l d w ec a np r o d u c eo n en e wp a i ro f p i s t o n m o l db yt h i ss o f t w a r e ss y s t e m ，w h i c hr e d u c et h ep e r i o d s o f d e s i g n i n ga n dm a n u f a c t u r i n gm o l d ，a n dr a i s et h ee f f i c i e n c ya n dt h ea p p l i e d t h ea u t h o ra n do t h e r st o g e t h e rn o to n l ya p p l yt h ev i s u a lb a s i ct o c r e a t et h es o f t w a r es y s t e mo p e r a t i v ei n t e r f a c ew h o s ef o r mi sm e n u ，b u ta l s o m a k et h eo p e r a t i v ei n t e r f a c eu n i o n i z a t i o n a l lt h ef u n c t i o n sa r eo b v i o u s a n dc o n v e n i e n t c o m p l e xf u n c t i o n sa r es y n t h e s i z e d ，e v e nt h eb e g i n n e ro f s o l i de d g ec a l lu s ei te a s i l y h i e so fp i s t o nm o l da r es t o r e di nc e r t a i n d i r e c t o r i e st h a tc a ds y s t e m s p e c i f i e s ，w h i c h i si nf a v o r o ff i l e s m a n a g e m e n ta n db a c k u p i nt e r m so ft h ep i s t o nm o l do fc a s t i n gm a c h i n es y s t e mi nt h i st h e s i s ， n e wf u n c t i o n sa r ed e s i g n e df o rs o m em e n u s ，e x c e p tf o rt h ea p p l i c a t i o no f o r i g i n a lf u n c t i o n so fs o l i de d g e i ti sc o n v e n i e n tf o ru s e r st od e s i g np i s t o n m o l do fc a s t i n gm a c h i n ea n dr e d u c eo p e r a t i v ep r o c e d u r et h a ti sc o m p l e x a n dr e p e a t e de s p e c i a lf o rt h ei n t e r c h a n g eo fp i s t o na n dt h ep r o d u c eo f c o m p l e x s u r f a c e so fm o l da u t o m a t i c a l l y n e wf u n c t i o n sa r ea sf o l l o w s ：t h e p a r t sa n da s s e m b l e s ，t h ea u t o m a t i ci n t e r c h a n g eo fp a r t sa n da s s e m b l e s ， s h o wm e s s a g e sa b o u td e v e l o p e da p p l i c a t i o n si nt h ew i n d o w so ff i g u r e o p e r a t i o n k e y w o r d s ：p i s t o n ，c a d ，c a s t i n gm a c h i n em o l d ，a u t o m a t i cd e s i g n s o l i de d g e 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。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。本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：上盈避 日 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或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；本人授权山东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、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作暑签名：囝建缘导谛签 m 第1 章绪论 随着世界经济的高速发展，近年来人类科学技术水平也有了很快发展，特别 是计算机软硬件性能和水平的迅猛提高，以及计算机技术应用对各行各业全面深 入的渗透，各技术领域的思维、观念和方法不断得以更新。机械设计作为一个具 有几百年历史的技术领域，也在世界科技进步的大潮中获得了新生。各种设计技 术、计算技术、设计工具乃至新材料、新工艺在机械设计与制造中的应用，使机 械工程设计过程中单调、重复、机械的工作大幅度持续减少，设计人员的创造性 思维得到前所未有的解放。同时，传统的理论体系、方法体系也受到强烈冲击。 据有关资料统计 1 1 ，在常规产品设计工程中，绘图时间占总设计时间的3 4 ， 图纸修改时间约占8 一9 ，编写零部件明细表时间约占5 ，也就是说上述图上 作业时间占总设计时间的一半左右。因此随着工业的飞速发展，传统的手工设计 方法已无法适应当前的需要。 要想缩短产品的设计与制造周期，提高产品的精度与性能，实现自动化的高 效率和大批量的生产和产品的快速更新换代，提高企业的竞争能力，必须进行产 品c a d 技术的开发应用研究。 1 1 c a d 技术概论 c a d 技术起步于5 0 年代后期。6 0 年代，随着计算机软硬件技术的发展，在计 算机屏幕上绘图变为可行，开始迅速发展。人们希望借助此项技术来摆脱繁琐、 费时、精度低的传统手工绘图阁。此时c a d 技术的出发点是用传统的三视图方法来 表达零件，以图纸为媒介进行技术交流，这就是二维计算机绘图技术c a d 软件发 展初期。c a d 的含义仅仅是c o m p u t e ra i d e dd r a w i n g ( o rd r a f t 斟g ) 而非 现在我们经常讨论的c a d ( c o m p u t e r a i d e dd e s i g n ) 所包含的全部内容。c a d 技术以二维绘图为主要目标的算法一直持续到7 0 年代末期，以后作为c a d 技术的 一个分支而相对独立、平稳地发展。当前以信息为中心的新工业正在兴起，在新 的工业革命中，主要是以电子计算机的应用为现代社会发展的标志【3 】。其中，计算 机辅助设计( c a d ) 就是一个对国民经济最有实际经济效果的新技术之一。今天， c a d 技术与c a m ( 计算机辅助制造) 技术已成为新一代生产技术的核心，是实现计 算机集成制造系统( c 讧s ) 的不可缺少的主要技术发展阶段【4 】o 计算机辅助设计，是人与计算机相结合，各尽所长的一种新的设计方法1 5 】。从 思维的角度看，设计过程包括分析与综合两个方面内容。人可以通过经验、想象、 进行直觉的逻辑推理，计算机只能完成模拟的系统的逻辑推理。人的直觉分析能 力强，数值分析能力差，计算机无直觉分折能力，却有极好的数值分析能力。人 对重复工作的耐力差，计算机则有很好的工作耐力。在计算机辅助设计过程中， 两者发挥各自的优势，人可以进行创造性的思维活动，计算机能够完成绘图、模 拟、优化和其他数值分析任务，人与计算机相结合有利于获得最优设计结剁6 】用。 由于c a d 技术把人和机器的各自优点结合了起来，使c a d 具有应用范围广、 直观、优质、高效的特点，这些优点己在国内外许多应用实例中得到了验证。当 前，在市场经济的环境下，c a d 技术己成为加速产品更新、提高产品质量和增强 市场竞争能力的强大工具；是促进和实现智能劳动自动化，加快国民经济发展和 国防现代化的一项关键新技术；是提高产品和工程设计的技术水平，降低消耗， 缩短科研和新产品开发，工程建设周期，大幅度提高劳动生产率的重要手段。c a d 技术是科研单位提高自主研究开发能力，企业提高应变能力和管理水平，适应多 品种、小批量高效生产，满足市场瞬息多变的需求，参与国际合作和竞争的重要 条件。c a d 技术对传统产业的进一步改造、新兴产业的发展、劳动生产率的提高、 国内外竞争能力的增强起着巨大的带动作用1 8 1 【9 】。因此，有人把c a d 技术及应用水 平作为衡量一个国家的科技现代化和工业现代化程度的重要标志之一。 近十几年来，c a d 技术发展几经更新换代，最初的c a d 系统只能用于二维绘 图、标注符号和尺寸；第二代c a d 系统将绘图系统与几何数据管理结合起来；第 三代c a d 系统包括了三维图形描述及其他软件包( 如优化计算、有限元分析等) 的接 口；第四代c a d 系统以数据库为核心，并包括曲面和实体造型技术的集成化系统； 第五代c a d 系统是智能性的系统i l o l 。计算机辅助几何设计( c a g d ) 是c a d 技术的理 论和关键技术之一，c a g d 的产生和发展极大地影响着c a d 技术的水平。现在， 新的几何造型方法一出现，往往很快就会反映到实用的c a d 系统中去。人们使用 几何造型方法通过计算机对产品( 如飞机、船舶、汽车及机械零件等) 几何外形进行 描述、修改和控制。在一个好的c a d 系统中，几何建模系统的关键是选用合适的 2 几何造型方法，特别是描述产品外形的数学方法及其在计算机中的实现方法，在 设计和制造过程中所需的特征信息都可以从几何模型提取，或通过计算机运算自 动产生。几何造型方法的选用依赖于所解决的实际问题，不同的应用领域具有不 同的造型特点，因而对不同的要求就有各异的造型方法。随着事物的发展，要求 产品外形有明确定义的数学表达式，这就诞生了我们现在普遍使用的各种曲面片 方法，如；c o o n s ，b e z i e r , b 样条、n u r b s 等方法，人们不断地研究和发展，使 得矩形拓扑网上的曲面造型技术逐渐地走向成熟，但在实际应用中并不是所有的 曲面都可以用矩形网曲面来描述，为了能对任意曲面进行准确的描述，人们又发 展了任意剖分下的曲面描述方法，如s h e p a r d 曲面和三角曲面等方法【1 1 l 。 可视化( v i s c ) 技术是国际上8 0 年代末期提出并发展起来的一门新技术【1 2 1 。它 是将科学计算过程中及计算结果的数据和结论转换为图象信息( 或几何图形) ，在计 算机的图形显示器上显示出来，并进行交互处理。有人认为v i s c 技术是当今信息 时代人类处理大量复杂数据的需要，是现代科学交流的需要，是研究人员和工程 技术人员控制、干涉计算过程和设计过程的需要，作为科学研究的新工具，科学 的发展有着极大的推动作用，它将成为超越应用和技术界限的人类信息交流的新 形式，c a d 虚拟环境使设计者处在自己想像的设计空间，亲临现场似地对产品和 工程进行设计和布局，这样能够充分发挥设计者的聪明智慧，使设计进行得尽善 尽美。 1 2 参数化设计的发展现状 参数化( p a r a m e t r i c ) 设计目前已成为c a d 最为热门的应用技术之一，能否实 现参数化设计已成为评价c a d 系统优劣的重要技术指标。参数化设计就是指通过 改动图形的某一部分或某几部分的尺寸，或修改已定义好的零件参数，自动完成 对图形中相关部分的改动，从而实现对图形驱动【1 3 】。 参数驱动的方式便于用户的修改和设计。用户在设计轮廓时无需准确的定位和 定形，只需勾画出大致轮廓，然后通过修改标注的尺寸值来达到最终的形状，或 者只需将零件的关键部分定义为某个参数，通过对参数的修改实现对产品的设计 和优化【1 4 1 。同一系列产品的第二次设计可直接通过修改第一次设计实现，设计参 数不但可以驱动设计结果，而且可以用于产品的整个开发周期。设计参数也可来 3 自于其他系统。参数化设计又是变量化设计的前提【堋。借助变量化设计思想，可 实现动态设计、机构设计的运动仿真模拟。除此之外，参数化设计还能够使设计 人员在设计的同时实现参数化建库，极大地方便后继设计工作。总之，参数化设 计以及建库工具的研究对进一步提高设计和绘图的效率及柔性具有十分重要的意 义。 参数化设计极大地改善了图形的修改手段，提高了设计的柔性，在概念设计、 动态设计、实体造型、装配、公差分析与综合、机构仿真、优化设计等领域发挥 着越来越大的作用，体现出很高的应用价值。 1 2 1 参数化设计和数据驱动的理论方法 参数化设计技术以约束造型为核心，以尺寸驱动为特征，允许设计者首先进行 草图设计，勾画设计轮廓，然后，通过精确尺寸值的输入完成最终的设计。与无 约束造型系统相比，参数化设计更符合实际工程设计习惯，因为在实际设计的初 期阶段，设计人员关心的往往是零部件的大致形状和性能，对精确的尺寸并不十 分关心。特别是在系列化设计中，参数化造型技术的优点就更加突出。 设计过程可视为约束满足的过程【1 6 1 。设计活动本质上是通过提取产品有效的约 束来建立其约束模型并进行约束求解。设计活动中的约束主要来自三个方面：功 能、结构和制造。功能约束是对产品所能完成的功能的描述；结构约束是对产品 结构强度、刚度等的表示；制造约束是对制造资源环境和加工方法的表达。在产 品设计过程中必须将这些限制综合成设计目标，并将它们映射成为特定的几何拓 扑结构，从而转化为几何约束。所谓几何约束就是要求几何元素之间必须满足的 某种特定的关系。将几何约束作为构成几何，拓扑结构的几何基准要素和表面轮廓 要素，可以导出各形状结构的位置和形状参数，从而形成参数化的产品几何模型。 对产品的几何约束主要包含两个方面：拓扑约束和尺寸约束。拓扑约束指对产 品结构的定性描述，它表示几何元素之间的固定联系，如对称、平等、垂直、相 切等。这些关系拟抽象为点、边、面间九类有向关系【切，每一类关系有相应的谓 词，包括“相同”、“平行”、“垂直”、“相交”、“偏移”等等。 尺寸约束则为特征几何元素间相对位置的定量表示，如各种距离、两线夹角、 圆的半径等等。尺寸约束是参数化驱动的对象，不仅可以变动，而且需要标注和 4 显示。尺寸约束可表征为一组基本参数且具有与产品结构层次相对应的层次性。 产品特征模型中的高层约束是形状特征之间形位关系；几何元素之间的约束，则 是低层约束的封装；高层约束需通过低层约束来实现。 参数驱动中约束方程的求解或尺寸链的推导是难点：如何保证在各种情况下都 得到稳定的解，目前尚未得到完全的解决。 目前，解决参数驱动中约束的方法主要有： ( 1 ) 基于几何约束的变量几何法【1 8 】； ( 2 ) 基于几何推理的人工智能法【1 9 1 1 2 0 l ； ( 3 ) 基于构造过程的方法构造法【2 1 1 【2 2 l ： ( 4 ) 辅助线法。 1 2 2 特征参数化设计 上述参数化设计方法是新一代智能化、集成化c a d 系统核心技术之一，也是 当前c a d 技术的研究热点。这些方法理论基础较好，也能很好地解决二维参数化 问题，但在实际设计中，很难真正成为有效的设计工具，究其原因，主要在于这 些研究成果或是过多地集中在对基本集合元素的约束建模，或是片面的强调理论 的完整性，而忽视了对适应实际应用需求的约束高层次表示的研究。 1 9 7 8 年麻省理工学院机械工程系的一篇( c a d 零件的特征表示揭开了特征 设计的序幕。自8 0 年代以来，基于特征设计已被公认为解决产品开发与过程设计 集成问题的有效而实用的手段。特征是具有工程含义的几何实体，它表达的产品 模型兼含语义和形状两方面的信息，而特征语义包含设计和加工信息，它为设计 者提供了符合人们思维的设计环境，设计人员不必关注组成特征的几何细节，而 是以熟悉的工程术语阐述意图的方式来进行设计。因此基于特征的设计越来越被 广泛的应用于参数化设计。 基于特征参数化吲区别于传统参数化的特征是在特征形状确定之后这种联系 关系不允许发生变化、修改或由用户交互指定( 装配关系) 。也就是说，特征定义 本身就是对图形特征联动的隐含表达。因此，在其参数化中无需再考虑图形特征 的联动。但在某些特殊场合，必须能处理其变异。 基于特征参数化方法意在将基于特征设计方法与参数化技术有机的结合起来， 5 实现对多种设计方式( 自顶向下或自底而上等) 和设计形式( 初始设计、相似设 计和变异设计等) 的支持。它改变了传统c a d 系统完全靠设计者指出零件几何图 素的位置这一限制，将零件几何体的多个图素结合在一起，形成一个以特征为操 作单位的新的语义实体，这将包含比几何图素多得多的零件描述。对于一个特征 来说，其构成的几何图素之间的拓扑关系是不变的，特征形状的变化只能通过给 特征指定不同的参数值来实现。对零件的修改就可以转化为对构成零件的特征参 数值进行修改，不用直接修改几何图素的位置，大大方便了零件的设计修改过程， 提高了设计的效率和准确性。 特征形素之间的约束关系通常采用几何约束图g c g 或语义模型来描述1 2 4 1 1 2 5 1 ， 产品模型约束图的表示不是唯一的，只有其中的位置相关、尺寸相关和存在相关 三类语义是始终保持的：位置相关指的是特征形素的位置会随着其参照形素的位 置改变而改变。尺寸相关包括特征形素之间的尺寸相关和形素内部的尺寸相关， 尺寸约束决定了模型如何变化。存在相关主要指几何约束中可能隐含的特征形素 的优先级信息。 孙正兴【冽等提出，基于特征参数化设计也可认为是特征及其相关尺寸、公差的 描述。特征可被视为三类属性描述的面向几何的物体：数据属性包含特征的静态 信息；规则或方法属性定义特征特定的设计和制造特性；关系属性描述特征间的 相互依赖关系或定义形状特征间的位置关系，并给出了基于特征产品参数化描述 方式和具体实现方法。 ， 1 2 3 知识驱动的智能化设计 随着机械设计制造的发展，特征参数化设计也已不完全适合现代设计的要求， 一项新的技术知识驱动渐渐浮出水面。知识驱动的基本思想是要寻求、记录 不同类型的知识，人们用这些知识来策划、设计和完成一种产品、项耳或工程。 它是将人工智能( 包括知识库、知识规则、逻辑推理等) 与c a x 集成系统有机地 结合为一体。 知识的获取方式是多种多样的：( 1 ) 可以从设计标准、手册、规范、专家经验等 获得；( 2 ) 从现有的成熟的、成功的国内外产品、科研实践中反求出来。人工智能 的推理机制主要由两个任务：( 1 ) 知识的运用，即从已有的知识中推导出所需要的 6 结论和知识；( 2 ) 控制搜索过程，即确定知识库中规则的扫描顺序，决定在每一个 控制信息下要触发的规则。但知识库必须储存大量领域专家的经验、知识、已知 的事实和采用这些知识的规则，并且知识库中的知识数据是能够被推理机制所能 采纳的，并可以通过相应的软件来添加、修改和维护。因此这种基于知识的智能 化设计仍然在研究和发展中。 u g 公司开发了知识驱动的自动化技术( k d a ) ，此技术能够记录、重复使用 和维护各种类型的用于工程设计的知识，并用它来驱动、建立、选择和装配相应 的几何实体的系统。利用这种技术用户只需输入产品的工作环境条件，推理机自 动搜索相对应的规则，提出相应的设计建议，大大提高了设计的效率。 在c a d 软件的开发中，参数化设计方法的研究仍然是研究和开发的热点，但 目前的所有软件还没有十分完美地解决现今存在的一些问题。随着各种参数化技 术的相互融合，各种新技术的不断发展，相信最终会出现能较完美实现参数化功 能的技术。 1 3 软件开发技术的应用与发展 据统计，除了维护阶段以外，开发阶段占软件工程总成本的7 5 以上。在这 个阶段做出的决策将最终影响软件应用的成败，同时也将影响到软件维护的难易 程度。在软件设计的发展中，涌现出了许多优秀的设计方法【2 7 1 。 1 面向数据流的设计方法：即通常所说的结构设计方法( 简称s d 方法) ，是 依据对数据的分析设计软件结构。该方法的目标是为软件结构设计提供一个系统 化的途径，使设计人员对软件有一个整体的认识。它对那些顺序处理信息且不含 层次数据结构的系统最为有效。但是，这种设计方法并不适合三维实体的设计， 因为三维实体包含了大量的点、线、面的信息，层次化分明。 2 面向对象的软件设计( o o d ) 方法：越来越多的人认为，在2 1 世纪初，面 向对象的软件开发方法和程序设计语言将在软件工程中占主导地位，将成为大多 数程序员首选的设计方法i 矧，因为问题一般表现为客观世界的一组对象及作用在 对象上的操作，而软件设计的任务就是把这些客观世界的对象和操作变换成计算 机可接受的形式。首先，面向对象的软件设计方法提供了对象、方法和消息等一 7 整套概念，使这种变换显得非常直观、合理。这正是o o d 方法越来越受欢迎的原 因之一。其次，o o d 方法提供了抽象数据类型机制，使设计人员能够更自然更方 便地遵循软件设计的三条重要原则，即抽象、信息隐藏和模块化。与面向数据流 的设计方法相比，o o d 的模块化不仅仅局限于过程的处理部分，而是通过将数据 及对数据的操作封装在一起，共同完成信息和处理的双重模块化。 3 软件组件技术：软件组件技术是一种创建二进制对象的规范，通过函数的调 用和属性的设置，这些二进制对象之间可以相互通信。软件组件技术( 或称构件 技术) 是国际上为提高软件的稳定性和开发效率而引入的重要技术。现今的c a d 技术或多或少地用到了这一技术，例如：采用现有的商品化的几何造型内核；采 用第三方的高效渲染器；甚至连软件核心的草图创建和特征管理都直接采用第三 方开发出的软件组件。通过采用现成的软件组件，避开软件开发中许多烦琐和困 难的基础工作，充分发挥自己的强项，从极高的起点开始，大大缩短了c a d 软件 上市的周期，从而取得竞争优势。 1 4 国际主流c a d 参数化设计软件的应用与开发 在现今竞争激烈的国际工业社会里，为了提高工厂产品的设计效率并降低生 产成本，欧、美等国已经开发了许多技术成熟的c a d 参数化设计软件，大幅度缩 短了这些国家产品的设计时间，降低了生产、测试的成本，为社会创造了巨大的 财富。其中： p r o e n g i n e e r 是p t c ( p a r a m e t r i ct e c h n o l o g yc o r p ) 公司的高端c a d 软件 包，广泛应用于电子、机械、模具、工业设计、航天、家电等行业，集合了零件 设计、产品组合、造型设计、逆向工程、产品数据库管理等功能，是一个全方位 的3 d 产品开发软件【2 9 l 。 u g 是美国u n i g t a p h i c ss o l u t i o n s 公司的高端c a d 软件包，它提供了参数化产 品设计的平台，为了维持设计的完整性和意图，把概念设计与详细设计的变化自 始至终地贯穿到整个产品的设计过程。在u g 中通过定义几何形体框架和关键设 计变量来实现可重复利用的设计模板，通过参数化的编辑控制结构，来评估和分 析不同的设计概念。u g o p e n + + 提供了一个真正的面向对象的接e l 。这个用c + + 编写的a p i 充分利用了诸如继承、封装和多形态这些面向对象的特征，提供了完 8 全存取其分类层次，允许用户重构、引用自己的分类，在u g 中建立永久的、新 的对象。而且用户可以提供支持交互式存取i c a d 系统的接口，可以采用u g 几何 模型选项或以菜单的形式输入建模参数。i c a d 系统中定义的规则将根据这些设计 参数自动生成产品结构，并传送到u g 部件中。利用i c a d 设计语言( m l ) ，用 户可以将设计经验建成各种规则，用这些规则来定义一个完整的产品数据结构， 所有参数如成本、重量、加工性能或生产率都可以进行优化。 还有i d e a s ，s o l i dw o r k s 等优秀、成熟的c a d 软件包，它们都代表了现代 c a d 的先进技术。但是以上所述的c a d 软件包价格昂贵、开发技术复杂，不适 合中小型企业的开发与使用。 s o l i de d g e 是美国u n i g r a p h i c ss o l u t i o n s 公司的中端c a d 软件包，它是最早的 实用实体造型系统，是专为机械设计开发的专业化软件。它追循设计师和工程师 的思路，可以使用户运用强大的设计指引工具在全三维参数化几何造型环境中方 便地构造机械零件和装配。s o l i de d g e 具有丰富的造型特征，例如结构面，相关族 类零件，切割和拉伸( 旋转，扫掠，层叠拉伸，螺旋造型) ，钻孔，薄壁抽空，倒 圆和阵列设计，这些特征大大简化和加快了复杂零件的造型过程。s o l i de d g e 基于 特征的参数化设计造型操作流程一致，定义清晰，步骤直观，是中小企业理想的 c a d 开发软件。s o l i d e d g e 中的零件和钣金特征还能存储到特征库，以备后用。 1 5c a d 技术在金属型活塞模具中的应用现况 、 1 5 1 国外应用情况 在金属型活塞模具中应用c a d 技术方面，我国与西方发达国家存在着很大的 差距。在发达国家中的著名活塞制造公司( 如德国的m a h l e 公司，k s 公司，英国 的a e 集团，日本的泉公司等1 在产品的开发过程中都广泛应用了c a d 技术。 1 c a d c a p p c a m 集成化技术国外公司强调信息的集成，更应该强调技 术、人和管理的集成。在开发模具制造系统时强调“多集成”的概念，即信息集成、 智能集成、串并行工作机制集成及人员集成，这更适合未来制造系统的需求。 2 智能化技术应用人工智能技术实现产品生命周期( 包括产品设计、制造、 使用) 各个环节的智能化，实现生产过程( 包括组织、管理、计划、调度、控制等) 各个环节的智能化，以及模具设备的智能化，也要实现人与系统的融合及人在其 9 中智能的充分发挥。 3 网络技术的应用网络技术包括硬件与软件的集成实现，各种通讯协议及制 造自动化协议，信息通讯接口，系统操作控制策略等，是实现各种制造系统自动 化的基础。目前早已出现了通过i n t e r n e t 实现跨国界模具设计的成功例子。 4 多学科多功能综合产品设计技术未来产品的开发设计不仅用到机械科学 的理论与知识，而且还用到电磁学、光学、控制理论等。产品的开发要进行多目 标全性能的优化设计，以追求模具产品动静态特性、效率、精度、使用寿命、可 靠性、制造成本与制造周期的最佳组合。 5 逆向工程技术的应用在许多情况下，一些产品并非来自设计概念，而是 起源于另外一些产品或实物，要在只有产品原型或实物模型，而没有产品图纸的 条件下进行模具的设计和制造以便制造出产品。此时需要通过实物的测量，然后 利用测量数据进行实物的c a d 几何模型的重新构造。这种过程就是逆向工程r e ( r e v e r s e - e n g i n e e r i n g ) 。一旦建立了o m 几何模型后，就可以依据这种数字化的几 何模型用于后续的许多操作，如实物c a d 模型的修改、零件的重新设计、有限元 分析、误差分析、数控( n c ) 加工指令生成以及模具的设计和制造等。逆向工程能 够缩短从设计到制造周期，是帮助设计者实现并行工程等现代设计概念的一种强 有力的工具，目前在工程上正得到越来越广泛的应用。主要应用在：新零件的设 计；已有零件的复制；损坏或磨损零件的还原；模型精度的提高设计者基于功能 和美学需要对产品进行概念化设计，然后使用一些软材料，如木材、石膏等制作 模型，直到满足各种要求。这个过程中，由于对初始模型的改动非常大，没有必 要花大量的时间提高模型的精度，这时通过快速反求的方法提高模型精度；数字 化模型检测；模具的设计和制造根据实物，设计和制造出其成形模具。此时通过 反求进行测量，利用测量数据建立零件的c a d 模型，借助它设计和制造模具。 6 快速成形技术。快速成形制造技术r p m ( r a p i dp r o t o t y p i n g m a n u f a c t u r i n g ) 基于层制造原理，迅速制造出产品原型，而与零件的几何复杂程度丝毫无关，尤 其在具有复杂曲面形状的产品制造中更能显示其优越性它不仅能够迅速制造出 原型供设计评估、装配校验、功能实验，而且还可以通过形状复制快速经济地制 造出产品模具。 在上述技术例1 3 1 l 的支持下，能够根据主机厂所提供的主要参数对活塞自主开 发设计，研制和改进，确保了产品在国际市场上的领先水平。c a d 技术在工业发 达国家活塞制造公司中的应用，使得他们的产品从设计到研制出样品只需一个月， 实验成功，投入生产一般在五个月以内【3 2 1 。 1 5 2 国内现状及不足 在我国，c a d 技术在活塞模具生产中的应用水平是很低的，国内现有1 0 0 多个 规模生产活塞的企业，绝大部分企业仍然用传统的方法设计、制造活塞。不要说 采用c a d 系统，就是单个模块的应用也非常少。采用c a d 技术的只是几个非常少 的企业。这次我公司开发活塞铸造机模具的设计自动化软件，成功地应用于活塞 铸造模具，在活塞铸造机模具国产化技术方面造成了新的突破，对我国活塞铸造 行业推广应用模具c a d c a e c a m 技术是有重要意义【3 3 】例。从总体上看，我国在 c a d 软件的应用中存在以下问趔蚓闭： 1 购买的国外软件功能未充分发挥 很多单位购买了高档的c a d 软件但只作出图用，二次开发跟不上：由于引进的 软件是通用的机械工程软件，要使其真正发挥功效，缩短模具生产周期，还必须 将本单位积累的经验数据、标准件等建立数据库输入到系统中去，使之成为符合 本单位需要的c a d 系统。这一点很多单位都未能做到，因为一方面要进一步投入 大量劳动并需要有精通计算机业务的人才，另一方面企业自身要有经验数据的累 积和较完善的模具标准化工作。 2 届产软件开发力度不足，应用较少 目前国产软件与国外对比在性能上尚存在一定差距，因此有种看法认为国外 软件已成熟，国内无需再发展，只要会用就足够了。其实，这种看法是片面的。 国外软件确实总体性能指标高，但价格昂贵，一套完整的国外软件需数万美金， 而国内自己开发的c a d 软件仅为十分之一或更低。因此提倡和使用国产化软件， 加快开发力度是指完善化，是我国开展模具c a d 技术的必由之路。当前国产化软 件还存在问题是尚未形成真正的软件产业。企业想用，而无适合的理想国产化软 件。 3 现有模具c a d 系统存在的问题 1 1 用于模具设计的c a d 系统有两种，通用型和专用型。目前，通用c a d 已达到 很高的水平，适用范围一般不局限于模具，可扩大到一般机械，系统具备造型、 图形、装配、n c 以及模拟等众多功能，可进行产品的定义、描述和构造，生成较 完备的零件信息，并可进一步确定零件的装配关系，分析、修改和补充零件设计 结果，最终通过模拟技术实现产品性能的仿真。专用模具c a d 是为某一种或某一 类模具开发和设计的软件，如普通的冲裁模和拉深模c a d ，这类软件设计过程、 产品结构型式相对比较固定，设计规律易于确定，大都能实现模具的自动或半自 动设计。但两种c a d 系统又各有其不足。 ( 1 ) 通用。蝴存在的问题 1 ) 自动化程度低：对于商品化的通用c a d ，拥有足够的市场占有量是开发 者力图达到的主要目标。为此，系统应考虑用户出现的各种情况、不同产品的设 计要求以及用户操作习惯( 特性) 的差别，从而为用户提供丰富全面的功能工具。但 系统设计中的关键环节仍由用户控制，所以在操作上以交互为主，复杂繁琐，从 提高产品设计自动化程度的角度来看，不够理想。尤其是结构设计，效率更低， 主要依赖交互制图和造型。 2 ) 不支持设计全过程：尽管通用c a d 能将系统的某些功能组合起来形成局 部环节的自动设计，但仍有许多决策问题系统并不提供“辅助”功能，只能由用 户完成，这一缺陷尤其表现在初始分析和分析设计部分。因此，通用c a d 大都不 支持设计全过程。 3 ) 设计过程不合理：目前的通用c a d 结构设计时，多采用自底向上的设计 过程，即先对组成设计概念模型的零件进行详细几何结构设计，然后确定零件间 的装配关系。这种过程违背了人们正常的设计过程，很不合理。原因在于通用c a d 结构设计部分，大多只提供造型、图形等工具而不能自动进行装配协调，装配设 计必须基于零件造型。 ( 2 ) 专用模型c a d 系统存在的问题 专用模具c a d 系统存在的问题与通用系统相反，主要体现在： 1 ) 适应性、通用性差：专用系统标准化程度一般很高，软件在交互操作较 少的情况下即可实现模具的快速设计，但标准化程度高的软件适应性和灵活性随 之较差，所以专用模具a 山很难进行新品或改型设计，不符合千变万化的市场需 求。 2 ) 开发工作量相对较大：这是相对软件的市场占有量而占的，专用模具 c a d 系统最初一般是为某些用户或厂家开发，难于进一步推广和应用 3 7 11 3 8 1 。 1 6 本文研究的意义和主要研究内容 1 6 1 本文研究的意义 在生产实践过程中，铝活塞模具设计虽针对产品而不同，但模具设计也有大 部分相同的重复类同结构。每个新产品都要这样做重复工作，我公司每年有5 0 0 6 0 0 多个新产品，势必增加工程师的简单重复工作。但我国还没有功能非常完善的 活塞模具设计软件。 本文采用的变型设计是在产品设计的基础上，根据用户对产品的要求，选择合 适的系列产品或组合产品，并确定各标准模块的尺寸。它可分为尺寸变型设计和 结构变型设计。尺寸变型设计是指产品的结构完全相同，只需对基型重新确定尺 寸的设计。结构变型设计是指不仅要改变尺寸，而且还要改变部分结构的设计。 无论是尺寸变型还是结构变型，其目的都是快速、高质量、低成本地设计、生产 新产品，满足市场的需要。 1 6 2 本文的主要研究内容 根据活塞模具的设计要求，本文在以下几个方面进行了深入地研究。 1 根据活塞的结构，采用特征参数化设计方法，化整为零来进行建模。相同 结构的零部件采用基于特征的参数化设计用户可以直接修改输入的参数来进行新 产品的设计、优化和校核。可以减少设计工作量。 2 利用对象的封装性可以实现对特征的封装，只要指定几个特征参数的值便 可以完全确定特征的形状，方便用户使用。本文将初步建立参数变量表，并在设 计过程中不断地加以维护。 1 3 第2 章金属型铸造理论 2 1 总述 金属型铸造( 硬模铸造) ，是用金属材料制造铸型，并在重力下将熔融金属浇 入铸型获得铸件的工艺方法。由于一副金属型可以浇注几百次及至数万次，故金 属型铸造又称为永久型铸造。金属型铸造既适用于大批量生产形状复杂的铝合金、 镁合金等非铁合金铸件，也适合于生产钢铁金属的铸件、铸锭等。 发动机活塞大多数为铝合金材料，广泛采用金属型铸造。活塞铸造机模具就 是一种机械化作业的大批量生产用金属型铸造方式。 2 2 金属型铸造工艺特点 2 2 1 优点 1 金属型的热导率和热容量大，冷却速度快，铸件组织致密，力学性能比砂型 铸件高1 5 左右。 2 能获得较高尺寸精度和较低表面粗糙度值的铸件，并且质量稳定性好，废品 率低，工艺出品率高。 3 因不用或很少用型砂，节省了型砂运输和型砂处理所需的费用和大量劳动 、 力，减少了粉尘和有害气体的污染，改善了劳动环境。 4 易于实现机械化、自动化、生产效率高，技术容易掌握，便于生产管理。 通过实验，金属型铸造与砂型铸造工艺得到的力学性能及工艺出品率比较数 据如下。 表2 - 1 铝活塞材料金属型铸造和砂型铸造件力学性能比较 z l l 0 9 g ( t 6 ) 项目 ob m p a 6 m 文) h b s 砂型 2 2 91 29 5 金属型 2 5 54 51 0 0 通过表2 1 的比较，金属型铸造铸件的力学性能要好于砂型铸造铸件。 表2 - 2 、2 - 3 给出了铝活塞材料金属型铸造和砂型铸造件工艺出品率比较。 1 4 表2 - 2 铝活塞材料金属型铸造和砂型铸造件熔化重量比较 熔化重( k g ) 活塞型号 重量减轻( ) 金属型砂型 6 1 1 0 a2 1 2 4 3 5 0 7 c a 4 8 8 - 4 0 k 0 6 81 3 5 4 0 4 w d 6 83 6 65 5 33 3 2 w d 6 1 53 9 75 9 63 3 4 n j g 7 1 80 5 91