（机械工程专业论文）连杆模具造型的参数化设计及制造.pdf

= ；兰堡竺主笙苎 堡堑堡墨堡型塑童塑些堡生墨圭! 堕 摘要 连杆是汽车、拖拉机、摩托车中的一个重要零件。在我国汽车高速发展的当 前，连杆模具加工的效率、质量影响到产品的竞争能力，连杆加工企业的发展。 连杆形状相似、生产批量大，解决零件设计、加工中的一些问题，对提高其质量 和效率具有现实意义。 毕业设计课题以三维造型软件s o l i d w o r k s 为平台，采用模块化、参数化设计 思想，以m i c m s i f tv i s u a lb a s i c 语言为开发工具研究复杂零件参数化设计及计算 机辅助自动化工艺问题，构建全参数化的连杆模型，建立v b 与m a s t e r c a m 的数 据接口，在连杆模具加工中实现切削用量的计算机辅助自动生成。 课题软件调试已经通过并达到设计要求，能实现造型的参数化设计和切削用 量的计算机辅助自动生成。软件运行可靠、界面友好、操作方便。是连杆设计、 加工以m a s t e r c 锄使用中一个很好的辅助工具。 关键词：参数化设计连杆模具s o l i d w o r k sv b a 工程硕士论文 连杆模具模型的参数化设计及制造 a b s t r a c t p i s t o nr o di sa ni m p o r t a n tp a r to fe n g i n e e rw i t h i nc a r ，t r a c t o ra n d m o t o r c y c l e u n d e rh i g hs p e e dd e v e l o p m e n te n v i r o n m e n to f o u rc o u n t r yc a r s ， e f f i c i e n c ya n dq u a n t i t yo fp r o c e s s i n ga f f e c t st h ep r o d u c t sc o m p e t i t i o n a b i l i t ya n dd e v e l o p m e n to fb u s i n e s se n t e r p r i s e p i s t o nr o dh a sr e s e m b l e f o r ma n dm a s sp r o d u c t i o n s o ，s o l v i n gt h ep r o b l e mo fp a r t sd e s i g na n d p r o c e s sh a s ar e a l i s t i cm e a n i n gt or a i s et h ec a p a b i l i t yo fe n t e r p r i s e c o m p e t i t i o n p a r a m e t e r i z e dm o d e lo fp i s t o nr o dh a sb e e nf o r m e db a s e do ns o l i d w o r k s e n v i r o n m e n t t h e o r i e so fm o d u l a r i z a t i o na n dp a r a m e t r i c3 dm o d e la r e a d o p t e dt od e s i g n3 dm o d e l w i t ht h es u p p o r to ft h ep r o g r a m m i n gl a n g u a g e o fv i s u a lb a s i c p a r a m e t e r i z e dd e s i g na n dc o m p u t e ra i d e da u t o m a t i c p r o c e s so fc o m p l e xp a r t sh a sb e e ns t u d i e d t h ei n t e r f a c eb e t w e e nv ba n d m a s t e r c a mi se s t a b l i s h e d c o m p u t e ra i d e da u t o m a t i cb u i l do fc u t t i n g p a r a m e t e r sh a sb e e nr e a l i z e di n t h ep r o c e s s t h ea p p l i c a t i o ns h o w st h a tt h em e t h o dp r e s e n t e di nt h i sp a p e ri s e f f e c t i v ei np a r a m e t r i cd e s i g no fp i s t o nr o dm o d e la n dc o m p u t e ra i d e d a u t o m a t i cb u i i do fc u t t i n gp a r a m e t e r s t h es o f t w a r eh a sg o o dr e l i a b i l i t y ， f r i e n d l yu s e r i n t e r f a c ea n dc o n v e n i e n to p e r a t i o n ，w h i c hh a sb e e nt h e p o w e r f u lt o o l f o rd e s i g n e r k e y w o r d s ：p a r a m e t r i cd e s i g n p i s t o nr o d d i es o l i d w o r k s m a s t e r c a m 声明 y5 7 1 8 7 3 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包括我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 己在论文中作了明确的说明。 研究生签名：兰堡! ! ：望 2 州9 月，1 日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的全部或部分内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：之驽! i ：爿 2 叫神月7 z 日 工程硕士论文连杆模具模型的参数化设计及制造 1 绪论 1 1 选题工程背景 本课题是在江苏宏宝集团锻造有限公司的技改项目连杆模具c a d c a m 的基 础上选题的。该企业生产各种连杆锻件，主要是柴油发动机连杆。传统连杆模具电火 花加工所用的电极是采用二维a u t o c a d 绘图，手工制作。其方法是：按照关键截面的 形状，用线切割机床切割出许多模板，用手工凿、锉，模板对比的方法加工出电极的 盐面形状。这种方法存在着精度差、生产效率低的问题。 电极材料通常有两种：一种是石墨，另- - 3 十是锻打紫铜。紫铜经锻打后，组织致 密，强度增大，手工凿、锉很困难，一个电极的加工就需要4 天左右时间，效率很低， 仅模具电极加工就需1 0 人左右，这就是最早的加工情况。 连杆锻坯通常可分成二类，类是柴油机连杆锻坯。另一类是汽油机连杆锻坯。 柴油机工作转速较低( 1 5 0 0 转分左右) ，而汽油机工作转速比柴油机高很多，约5 0 0 0 转分。根据发动机对连杆的要求，汽油发动机比柴油发动机对连杆的要求要高得多， 实际状况是用手工加工出的电极其质量满足不了汽油发动机连杆锻坯的要求。 从经济效益和企业的发展来看，加工柴油机连杆比加工汽油机连杆附加值低得多 ( 当然加工汽油机连杆技术设备要求是不一样的) 。所以生产柴油机连杆的经济效益 上不去，近年来柴油发动机产量增加迟缓，而小汽车产量迅速增加，在这种情况下， 从企业的发展考虑，适量压缩柴油发动机连杆产量，开发生产汽油发动机连杆，是企 业的一个优化选择。通过对连杆生产进行分析，相同重量的连杆，汽油发动机连杆的 附加值是柴油机发动机连杆的2 - 3 倍，而人工成本却没有多大变化。加工成本的增加 主要在于初期设备的投入： 如果是柴油机连杆，先加工电极，用电极电火花放电加工锻模，再用锻模锻 造连杆。这种加工方法，需要购买加工电极用的数控加工中心、电火花机床、模锻设 备等。 生产汽油机连杆可以用以上工艺，也可以用更新一些的工艺：直接在高速铣 上铣削加工出锻模。但需要购买高速铣设备，以及刀具的使用成本较高。 采用第一种方法，模具加工人员从1 0 人可减少到5 人左右，且加工周期缩短。 采用高速铣削所达到的精度，粗糙度等级更高，加工周期更短。虽然投资增加了，但 工程硕士论文连杆模具模型的参数化设计及制造 能更快速地、高质量地生产模具，快速的响应市场的变化，增加了企业的竞争能力。 1 2 目前国内c a d c a m 及参数化技术概况 1 2 1 目前国内c a d c a m 技术概况 计算机辅助设计和制造( c a d c a m ) 是支撑现代制造的一个重要手段。c a d 以图形 处理学为基础，高效、优化地进行产品的设计，c a m 是利用计算机辅助制造系统在计 算机中生成零件加工程序，用数控机床加工出产品。 在机械工业中，从大型企业的汽车制造、摩托车制造、手机制造等n 4 , 型家庭型 企业的零件加工、模具零件制造，c a d c a m 都是一项重要的技术手段。c a d c a m 在机 械工业中已越来越广泛地应用。f 4 2 1 近年来数控机床的普及以及c a d c a m 技术的快速推广，促进了我国制造业设备 的更新换代，在制造业中使用c a d c a m 技术，提高了产品质量，降低了产品成本，缩 短了生产周期，不断提高我国产品在国际市场上的竞争力。对于刚刚加入世贸组织的 我国，积极推广c a d c a m 技术，有利于我国企业加速溶入全球的竞争机制。1 国内目前使用的c a d c a m 软件种类很多，功能各不相同。他们采用不同的技术各 有特色。p r o e 的出现使c a d 造型功能上了一个台阶：m a s t e r c a m 以线框造型，简捷、 便利的曲面n i 为特色广泛应用于零件加工中，u g 软件是以飞机、汽车制造为目的 开发出的c a d c a m 软件，不论是c a d 造型还是c a m 加工其综合性能都很优秀。m 1 ( 1 ) a p p l i c o n 公司的b r a v o b r a v o 的技术基础是自由度分析理论，这种理论很好地避免了在复杂模型情况下 人工智能或变量几何方法所引起的速度显著下降的问题。b r a v o 系统与变量几何系统 类似，能以任何顺序对约束进行求解，用户可以自由调照设计参数的顺序。它能允许 过约束和欠约束的情形，并可提示给用户，系统还提供双向数据关联的能力。1 ( 2 ) d a s s a u l ts y s t e m s 公司的c a t i a c a t i a 是一个大型的机械设计软件，具有非常强大的曲面造型能力。它具有一个 独特的装配草图生成工具，支持欠约束的装配草图绘制。系统的机构设计软件能快速 地创建、修改和分析装配草图，可以进行非常快速的概念分析。c a t i a 能够对现有的 实体和曲面模型施加约束，模型不必被完全约束；除了参数化造型能力，c a t i a 还提 供了布尔操作等其他造型手段；它还支持与绘图和n c 的双向数据关联。 ( 3 ) e d s 公司的u n i g r a p h i c s 和i d e a s 工程硕士论文 连杆模具模型的参数化设计及制造 u n i g r a p h i c s 简称u g 是c a d c a m c a e 一体化的高端软件，其功能涉及概念设计、 工程设计、性能分析和制造。u g 功能强大，能使复杂产品的设计简化，能更快地进 行建模加快产品推向市场，减少产品成本和增加企业的竞争力。它已经成为世界上许 多大公司如通用汽车、波音飞机、松下等首选的软件。u g 自1 9 9 0 年进入中国市场以 来，迅速发展，已成为中国航天航空、汽车、机械等部门的主流设计软件之一。u g 可以从草图开始建模，也可以从曲线开始建模。在草图绘制中系统允许欠约束，且曲 线绘制功能也很强。除了提供参数化的特征造型手段，系统还在基于约束的造型环境 中支持各种传统的造型方式( 布尔操作、平扫、曲面缝合等) 。用户可以查询、显示并 能修改所有类型的约束。从n x 版本之后允许在零件之间定义约束，可以自项向下地 进行设计。 i d e a s 软件支持所有类型的约束造型功能，包括支持特征、曲线、曲面等；它 还支持3 d 约束以及装配体中零件之间的约束：系统允许创建欠约束的草图，并能提 示欠约束和过约束的位置；它支持布尔操作等造型手段。数值和几何约束通过尺寸和 符号的形式在屏幕上作出标记，以方便用户判断当前的约束状态；能对读入的几何体 自动施加约束；用户可以控制系统的双向数据关联性，在其工作模型发生修改时，用 户可以延迟关联修改发生的时间；系统还提供了登录、核对和版本控制的功能。 u g 的c a m 模块不论是二轴还是多轴加工都具有很强的功能，丰富的设定选项， 能针对各种不同的情况生成出合理的加工程序。针对复杂型腔的模具制造除造型功能 很强外，还有很强的分模功能( 包括空间三维边界分模功能) 。支持很多种机床以及 高速铣的后置处理。 ( 4 ) p a r a m e t r i ct e c h n o l o g yc r o p 公司的p r o e n g i n e e r p r o e n g i n e e r 简称p r o e ，通过记录设计历史来捕捉设计意图，设计历史的操 作顺序可以被修改。p r o e 不支持布尔以及其他局部造型操作，但它引入全局设计 参数。全局设计参数定义了基本的设计要求和特性，由于很多其他参数可能定义为与 这些全局参数相关，所以可以用它们来实现整体的设计修改。p r o e 的参数化特征 造型功能贯穿于整个产品，包括特征、曲面、曲线以及线框模型等。所有几何体都必 须被完全约束，不支持欠约束的几何体。系统经过十多年的努力，已经把参数化造型 技术应用到工程设计的各个方面：绘图、工程分析、数控编程、布线设计、钣金件设 计等领域。p r o e 提供双向数据关联的能力，这样设计的修改能自动地更新到出图、 分析、制造以及其他c a d c a m 领域。系统支持装配体中各零件之间的约束。 ( 5 ) c n c 公司的m a s t e r c a m 工程硕士论文连杆模具模型的参数化设计及制造 它包括2 d 绘图、3 d 模型设计、数控加工等功能，在线框造型方面具有代表性， 是国内引进最早，使用最多的软件。c a m 功能操作简便、易学、实用，作为c a d c a m 教学、工厂零件加工是最合适的一个软件。具有曲面、实体造型功能、各种连续曲面 加工功能、自动过切保护以及刀具路径优化功能，可自动计算加工时间，对实体切削 过程可以仿真，有针对各种数控系统的后处理程序，提供多种图形文件接口。 就以上各种c a d c a m 软件的介绍，可知m a s t e r c a m 软件针对零件加工具有操作 方便、适用性好的优点；u g 软件是各种功能都很强的高端软件。但是c a m 的操作过 程中对操作人员要求具备必要的工艺知识，否则软件学得再好也不能生成出合理优化 的加工程序。因为还必须了解切削原理，知道切削工艺，会制订合理切削用量( 主要 指主轴转速、进给速度、切深和切宽) 1 2 2 目前国内参数化技术概况 所谓参数化设计就是将设计要求、设计原则、设计方法和设计结果用灵活可变 的参数来表示，根据参数来调整相关尺寸，实现尺寸对图形的驱动，以便在人机交互 过程中随时对设计对象加以更改。参数化设计促进了设计手段的更新，提高了设计柔 性，在现代产品设计中发挥着越来越大的作用。 参数化设计思想自产生以来，得到了迅速地发展，其发展历程大致可以分为以下 几个阶段： 技术萌芽期( 2 0 世纪6 0 7 0 年代) ：1 9 6 3 年，s u t h e r l a n d 在s k e t e h p a d 系统中 提出了两个重要的概念：交互式图形系统和基于约束的设计。 技术确立期( 2 0 世纪7 0 8 0 年代) ：1 9 7 8 年。以r c h i l l y a r d 为代表把尺寸 和公差视为特征点间的约束，通过尺寸和视图指定零部件的形状，利用给定的尺寸方 案来判定零件图是欠约束、过约束或是完全约束。 技术发展期( 2 0 世纪8 0 9 0 年代) ：这一时期是以b a l d e f e l d 、s u z u k i 、 a v e r r o u s t 提出的基于专家系统的方法为主要代表。在这一时期中，人们分别将几 何推理、神经网络等人工智能方法应用到设计中去，同时将参数化技术应用到实体造 型中。形成了基于特征的造型技术。这一时期是参数化技术发展的高速时期，提出了 很多的参数化设计思想和参数化设计方法。 技术实用期( 2 0 世纪9 0 年代至今) ：基于知识的参数化理论逐渐完善，参数化 方法在实践中得到广泛的应用。这一阶段以j a ey e o ll e e 提出的利用图表示的基于 知识的几何推理法和x i a o s h a n6 a o 提出的约束传播法为主要代表。出现了更多的参 工程硕士论文连杆模具模型的参数化设计及制造 数化理论及方法，尤其可喜的是我国在这方面的研究也取得了很大的进展，如：浙江 大学的董金祥教授和葛建新博士提出的变参绘图系统中一种快速约束求解方法，采用 这种方法既可通过分解和排序来提高求解速度，而且可通过快速指出约束不足和约束 过载来提高灵活性和可靠性。【4 3 1 参数化技术的出现是c a d 技术的一次重大革命，在此之前的造型技术都属于约 束自由造型。据统计，一个新产品的成本约7 0 - 8 0 是在设计阶段确定的，因此，采 用先进的设计方法和工具以提高产品设计效率是十分必要的。随着计算机的诞生， 机械设计师就梦想着实现机械设计的自动化，以便将设计人员从繁琐复杂的传统设 计中解脱出来。c a d 技术一直沿着这条主脉发展，参数化设计技术是追寻梦想的必然 产物。对于结构比较定形的产品，在建立参数化模型的基础上，通过调整参数可修 改和控制几何形状，自动实现产品的精确造型，由此大大提高产品的设计效率和设 计质量。早期的参数化设计方法主要应用于二维图形，但由于二维图形在直观性、 干涉检查、模拟装配等方面存在着先天不足，其推广应用受到局限。随着参数化设 计技术的发展，出现了一批三维造型功能强大的c a d 软件，如p t c 公司的 p r o e n g i n e e r 、e d s 公司的u g 、i d e a s 等高端c a d 系统，以及诸如s o l i d w o r k s 、 s o l i d e d g e 等中端c a d 系统等，它们都具备了较强的三维特征参数化造型功能，不仅 能够进行零部件的三维参数化设计并关联生成二维工程图，还具有干涉检查、运动 仿真、虚拟装配等功能，使设计者在计算机上能直观地感受到虚拟世界的冲击，进 行产品的交互设计。三维实体参数化方法不但弥补了二维设计的局限性，而且其设 计思想符合人类的形象思维逻辑和抽象思维表达习惯。因为设计者设计产品时，头 脑中总是先形成空间立体模型，描述空间立体的三维实体建立好以后，才将其转化 为二维平面工程图。 传统的几何造型系统是针对事先已确定了的几何形状和具体尺寸来建立几何模 型，称之为静态造型系统。使用这种系统，从一开始设计，就要确定最终的几何模型， 很难进行修改。而实际产品的设计过程要历经概念设计、草图设计、详细设计等多个 过程，在这些过程中，产品的模型要被反复地修改优化直至形成满足各方面要求的几 何模型，因此是一个动态的过程。显然，静态的几何造型系统根本无法适应产品开发 的动态过程。另外，一个产品的更新、改型，都具有一定的继承性，应充分利用原有 产品的几何模型，经适当修改，即可很快生成新的几何模型。还有，很多系列化的标 准件或零件，其形状几乎相同，只是具体尺寸不同，如果这些只需要修改尺寸大小的 几何模型都要重新建立，将浪费很多人力并延长产品开发周期。 工程硕士论文连杆模具模型的参数化设计及制造 参数化设计过程可视为约束满足的过程，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。参数化设计的主体思想是用几何约束说 明产品模型的形状特征，从而达到设计一簇形状或功能上具有相似性的设计方案， 并获得支持c a d 各种决策和分析活动的能力。设计活动中的约束主要来自功能、结 构和制造三个方面：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 设计过程中将这些约束综合成设计目标，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 出各种形状结构的估计和形状参数，从而形成参数化的产品几何模型。参数化设计方 法与传统设计方法相比较，最大的不同在于它存储了设计的全过程，类比设计出一 簇而不是单一的产品模型。它使设计人员不需要考虑细节而尽快草拟零件图，并可 以通过变动某些约束参数来更新设计，而无须从头经历产品设计的整个过程。参数 化技术避免了重复劳动，避免了资源的浪费。 目前，基于约束的参数化设计主要应用在相似零件的快速生成和修改，机构分析， 公差分析和设计优化等方面。在已有的参数化造型系统中，允许的几何约束类型基本 上是组成产品形体的几何实体之间的公称尺寸关系和尺寸之间的工程关系。因此，参 数化设计技术又称为尺寸驱动技术( d i m e n s i o n d r i v e ng e o m e t r y ) 。各种参数化设计 技术也主要因几何约束关系的表达方式、允许或能够处理的约束类型、约束求解方式 以及几何的构造方式的处理方法不同而异。 1 2 3 参数化设计方法分析 就目前参数化设计方法有：编程参数化方法、人工交互参数化方法、人工智能法、 基于构造过程法等。以下就前两种方法进行简单分析。 1 ) 编程参数化方法 在各种参数化方法中，编程参数化方法是最早且最常用的一种方法。这种方法通 过分析模型的特点，确定样板各尺寸之间的数字关系，给定输入参数，然后确定其它 参数的值，并用高级语言或采用系统提供的内嵌编程语言异或二次开发语言接口来定 义及驱动产品的参数化模型，达到参数化设计的目的。这种方法主要适用于结构较稳 定，仅尺寸数值发生变化或仅有局部结构变化的场合，多用于在通用c a d 软件上进行 二次开发，比如进行标准件和常用件的建库工作，这种方法对弥补一些通用的c a d 工程硕士论文 连杆模具模型的参数化设计及制造 软件在专用性方面的不足很有效，对系统的个性化和用户化有重要的意义。 2 ) 人工交互参数化 人工交互参数化方法模型的生成和约束的施加是交互进行的，重要特点是约束随 着模型的产生而形成，模型又跟着约束的改变而变化。约束可以在模型的生成过程中 由用户指定，也可以隐含在模型中。根据约束求解方式的不同，又可将其分为初等方 法、变量几何法、人工智能法、构造过程法。 就以上的编程参数化、人工交互参数化方法分析，编程参数化方法对用户编程水 平要求较高，交互功能差，无法有效地用尺寸对模型进行实时驱动，不能即时地修改 模型：人工交互参数化方法在c a d 中建模的同时增加约束进行造型的参数化设计。虽 然两者都在通用c a d 上进行二次开发，但人工交互参数化方法模型重建速度快，二次 开发程序短。 由于连杆模型很复杂，用编程参数化方法个别特征由于数据大小的变化，在模型 参数化重建时会出现重建失败，所以课题选用交互参数化方法构建模型，用编程参数 改变零件尺寸进行零件重建。 1 3 国内连杆模具加工的现状 在锻压连杆锻模时，加热后的连杆材料与锻模工作表面之间，在材料被锻压的 流动成型过程中与锻模工作表面有摩擦。为了提高连杆模具的是寿命，一般都采用高 强度的耐磨材料制造模具( 如：c r l 2 m 。v ) 。但这些材料经过热处理后硬度很高( h r c 4 8 h r c 6 0 ) ，很难用常规的机械加工方法进行加工。通常都是采用电火花加工( e d m ) 来 模腔造型 1 l 模腔粗加工 上 i 热处理l li 上 高速铣 图1 1 连杆模具传统加工工艺和高速加工工艺 工程硕士论文连杆模具模型的参数化设计及制造 完成模具型腔的加工，这种靠放电烧蚀的“微切削”可以加工很硬的模具，但加工速 度非常缓侵。而且电极造型、加工要求高、时间长。小厂家加工柴油机连杆通常是根 据工程图用手工挫，凿的办法加工。二维工程图表达复杂益面准确度不够高，手工加 工精度也不够。大的连杆专业制造厂家用三维实体造型，在数控铣床、加工中心上加 工，加工后再进行人工表面抛光。 近年来由于刀具制造技术和数控加工技术的发展，有少数大型连杆加工制造企业 采用高速切削技术加工连杆模具。这种在高速铣上直接切削连杆模具的方法，效率高、 加工精度高、表面质量好。主流加工方法和高速加工方法主要工艺过程见图1 1 连杆 模具传统加工工艺和高速加工工艺。 1 4 本课题研究的内容及研究意义 连杆模具工作曲面形状复杂，造型难，这就要求设计人员非常熟练地掌握三维造 型软件，而一般工程技术人员通过简单培训难以熟练地快速建模。在m a s t e r c a m 的应 用中切削用量还不能自动产生，c a m 操作人员为了能正确地制定切削用量必须知道每 一种被切削材料对应所用刀具的具体的切削数据，这样的要求一般的操作人员难以做 到。通过以上分析本课题要解决快速建摸问题，普通技术人员通过简单培训就能快速 建摸；在c a m 的操作中将切削参数正确设置等问题上升到理论并集成到c a m 软件中， 实现切削用量自动生成，从而提升了c a m 软件的实用性，减少了c a m 软件的使用难度， 使一般工程技术员通过简单培训，即可很好地使用c a m 软件来正确地设计和加工连杆 模具。通过快速建模和切削用量自动生成，缩短建模和加工时间，减少了建模和加工 难度及出错率，其研究成果将为企业产生较大的经济效益。 工程硕士论文 连杆模具模型的参数化设计及制造 2 课题的总体设计方案 2 1 课题的总体方案构思 张家港宏宝集体锻造厂是一个较小的加工柴油机连杆的民营企业，原先是手工制 作连杆模具。在连杆模具c a d c a m 技改项目之后，己采用s o l i d w o r k s 软件进行三维 建模，在加工中心上加工连杆电极。随着国内汽车工业的高速发展，汽油机连杆的需 求量增大，且汽油机连杆的附加值高，所以企业发展战略是保持柴油机连杆的产量， 开发扩大汽油机连杆的生产。也就是保持柴油机连杆模具加工规模的同时，开发设计、 加工汽油机连杆模具。 根据上述分析，为了满足企业的需求，毕业课题要解决的问题就是在现有柴油机 连杆模具的加工工艺条件下( 三维s o l i d w o r k s 建模在加工中心上加工) ，提高模具的 加工效率和质量。在汽油机连秆加工的工艺条件下( 三维s o l i d w o r k s s 建模，在高速 铣上加工) ，提高建模速度和降低加工成本。 总体方案构思如下：在c a d 中构建零件库模型一完全参数化建模，设定一些关键 尺寸就能实现三维连杆模具模型的参数化重建。在c a m 中进行连杆模具模型仿真切削 加工，生成模具的数控切削加工程序，这其中主要切削用量：x y 平面进给速度，_ 、 z 方向进给速度f 与主轴转速s 能实现自动生成。然后利用d n c 功能软件与数控机床 通讯加工出连杆模具。 2 2 功能模块 跟踞上述连杆模具设计、加工的要求，课题分成以下几个功能模块。 连杆模具参数化设计模块，实现连杆模具的快速造型功能。 创建该功能模块，须对连杆模型进行分析，归类分成系列，在s o l i d w o r k s 中构 建连杆模具模型库，且模型构建要采用全参数化，否则在模型重建时就会失败。 电极加工切削用量自动生成模块，实现切削用量的快速、正确设定。 切削用量有进给速度、主轴转速，还有铣削深度、进给步距等。进给速度、主 轴转速是最基本切削用量，它取决于被切削的材料与刀具，铣削深度与进给速度主要 取决于被加工模具的形状，以及粗加工完后残余量的大小，所以选择进给速度和主轴 转速作为自动生成的切削用量。铣削深度与进给步距参考典型模型设定。 电极的计算机辅助加工模块，调用m a s t e r c a m 软件进行计算机辅助加工。 该模块是功能连接和c a m 的具体操作模块、其中切削用量的自动产生是由上一个 模块功能支持的。 程序编辑和d n c 加工模块，编辑数控加工程序以及与数控机床通讯实现d n c 连杆模具模型的参数化设计及制造 加二l 。该模块是功能连接模块，通过d n c 功能在数控机床e 最终加工出模具。 图2 1 系统总体方案 2 3 软件程序主流程框图 根据系统总体方案规划以及功能模块的划分，主流程框图设计如图2 2 所示。 初始化变量设定，其内容是设定二次开发的工作环境。为了系统工作安全，在进 入工作界面时必须输入口令，口令正确方可进入系统。 进入工作界面，根据图2 1 系统总体方案的规划，设计四个功能模块。 连杆模具模型参数化设计模块工作流程，只要设定连杆模具的系列型号、主要的 模型特征参数中心距、大头圆孔直径，小头圆孑l 直径。按罐滗进入参数化建模， 按砖搿退回主动能界面。为了防止误操作按獭罐之后再次弹出确认对话框，再次确定 是否重新建模，按确定进行模型的建模，按霹霹潴返回主功能界面。 切削用量文本文件数据的生成模块工作流程，设定模具电极加工基本工艺条件一 一模具或电极材料、加工用的刀具材料、工艺系统刚性修整系数。设定完，按麴鬟舞， 该功能模块将自动生成两刀具数据文本文件一个粗加工数据文件，一个精加工数 据文件。 1 0 【：程硕士论文连杆模具模型的参数化设计及制造 进入c a m 功能模块工作流程，实现m a s t e r c a m 能软件的调用，进入m a s t e r c a m ， 在c a m 功能状态下生成模具的加工程序。 d n c 通迅加工模块的工作流程：实现计算机与数控机床的通讯，进行d n c 加工。 初始化变量设定 进入入口界面，输入正确口令，即可进入系统 进入功能主界面，主界面中有4 个主要的功能 模块，必须顺序的进行4 个模块的操作 连杆造型主要 参数设定，参数 化建模吗? 设定参数，将 参数化建模 再次确认参数化 建模吗? 参数化建模，建 模完成主界面 模具电极加工基本 工艺条件设定 设定刀具，电极，模 具材料，设定系统刚 性修整系数 确定以上设定吗? 生成两个刀具数据的 文本文件，一个是粗加 工数据，一个是精加工 数据 进入 m a s t e r c a m 生成 程序，模 拟加工 过程 a + 图2 2 程序主流程框图 进入程序编 辑和d n c 加 工功能入口 调出程序，修 改程序通讯 识别标志，设 定通讯格式 d n c 加工 工程硕士论文 连杆模具模型的参数化设计及制造 2 4 开发工具选用方案 2 4 1 建模工具的选取 由上述分析可知，系统设计对象的三维建模是一个至关重要的环节，而顺利地实 现这一步又是与建模工具的选取分不开的。很显然，针对复杂三维连杆模型的建模， 建模工具软件只能锁定在三维建模能力较强的基于特征的商用机械c a d 软件上。按照 软件的功能和应用领域，三维c a d 软件可以划分为高端与中端两个层次。高端应用主 要包括飞机、汽车等行业，这些产品往往具有复杂曲面，而且零部件数量庞大。高端 c a d 软件主要由各大软件制造厂商的技术部门开发出来的，目前只有四种软件可以称 为高端软件，如表2 1 所示。 表2 1 高端c a d 软件介绍 软件名称厂商特点 与i 陇紧密台作提供企业级的解决方案，主 c a t i ao a s s a u l ts y s t e m 要应用于飞机制造等大型企业 u ge n s 曲面和加工能力很强 i _ d e a se d s ( 并购s d r c )有限元分析和变量化设计功能较强 p r o e n g i n e e r p t c 参数化技术的创立者 c i m t r o n 等软件虽然也是高端应用软件，但这些软件的优势主要体现在c a m 方面。 中端c a d 软件主要包括s o l i d w o r k s 、s o l i d e d g e 、i r o n c a d 、i n v e n t o r 和m d t 等，其 中影响较大的是s o l i d w o r k s 和s o l i d e d g e 。i r o n c a d 虽然在国外应用广泛，但在中国 才刚刚开始推广。i n v e n t o r 和m d t 都是a u t o d e s k 公司的产品，m o t 是从低端的 a u t o c a d 向中端机械类c a d 发展的一个过渡性产品，在国内具有一定的市场。i n v e n t o r 是a u t o d e s k 公司向中端c a d 方向发展的主要产品，但该软件的推广尚需时日。 s o l i d w o r k s 公司属于d a s s a u l ts y s t e m 公司的一个子公司，而s o l i d e d g e 属于e d s 。 表2 2 中端c a d 软件介绍 公司名称高端c a d中端c a d低端c a d ( 二维) d a s s a u l ts y s t e mc a t i as o li d w o r k s e d su g 、i d e a ss o l i d e d g e p t c p r o e n g i n e e rp r o d e s k t o p a u t o d e s k i n v e n t o r 、m d ta u t o c a d 工程硕士论文连杆模具模型的参数化设计及制造 中端软件如表2 2 所示。如何在这些高端c a d 与中端c a d 里做一个合理的选择 昵? 课题选择的原则是：既注重实用性又兼顾经济性。 从实用性上考虑，首先是能够实现系统方案所确定的功能。高端c a d 软件不仅在 特征参数化建模方面功能较强，而且均提供了十分全面的工程支持，如逆向工程、数 控加工、产品数据的控制管理等，因此满足系统建模功能绰绰有余。中端三维c a d 软件的发展历史普遍较短，主要提供造型功能，而在工程应用方面需要其他模块的支 持，但其三维特征造型功能均采用了高端c a d 软件的技术，其三维建模功能同样可以 满足需要。相对而言，高端c a d 系统功能全面，但命令复杂，较难掌握，中端c a d 软件相对简单直观。 从经济上考虑，通常高端c a d 软件的售价远远高于中端c a d ，而且高端c a d 软件 对计算机的硬件配置也提出了较高的要求，这势必会增加企业的设计成本。 综合以上理由，系统选择的建模软件应集中在中端c a d 方面。且前期的连杆模具 c a d c a m 技改项目选用s l o d w o r k s 作为企业设计平台，毕业设计课题也选择 s o l i d w o r k s 作为建模工具。 2 4 2 编程工具的选取 编程工具的选择也关系到系统开发的成败。实现对s o l i d w o r k s 所建模型的程序 控制，就是采用s o l i d w o r k s 支持的采用高级语言对其进行二次开发及建模的编程控 制。任何支持o l e ( o b j e c tl i n k i n ga n de m b e d d i n g ，对象的链接与嵌入) 和 c o m ( c o m p o n e n to b j e c tm o d e l ，组件对象模型) 的编程语言都可以作为s o l i d w o r k s 的开发工具。因此s o l i d w o r k s 的二次开发工具较多，主要的有： ( 1 ) d e l p h i d e l p h i 是b o r l a n d 公司的产品，是一个基于w i n d o w s 的可视化编程环境。 d e l p h i 是基于o b j e c tp a s c a l 的开发工具，它具有高性能的3 2 位本地优化代 码编译器。其应用程序像用c + + 语言编写的应用程序一样，可直接运行，能够最终生 成可单独执行的d l l 与e x e 文件。 d e l p h i 是一种先进的开发工具，但目前d e l p h i 仅是计算机专业人士在用，非计 算机专业人士用得很少。 ( 2 ) c 语言 c 语言是一种通用的计算机程序设计语言，大约形成于1 9 7 2 年。它既可用来编 写系统程序，又可以用来设计一般的应用软件。c 语言是基于u n i x 操作系统之上发 展形成的，如今它已经发展成为能在多种机型、多种操作系统，尤其是能在微型计算 工程硕士论文连杆模具模型的参数化设计及制造 机及其操作系统的支持下进行程序设计的一种功能极强的通用计算机语言。c 语言的 版本已有多种，目前在我国较为流行的微机c 语言版本有在m s d o s 操作系统支持下 的l a t t i c e c 、t u r b o t 和m i c r o s o f tc 。 c 语言主要特点是： c 语言是一个比较小的语言体系，是现有程序设计语言中规模较小的语言之 一；c 语言很简洁，而且重视实用性且非常容易移植。 c 语言具有由函数的集合所构成的模块化结构以及最新的流程控制结构，从 而保证了程序的结构化、简易化，易于更新和维护。 c 语言中可以使用指针，具有近似于汇编语言的功能。 c 语言具有极强的数据定义方法，几乎可以定义所有类型的数据，数据类型 之间的相互转换也十分自由等等。 ( 3 ) c + + 语言 为了弥补c 语言的缺陷，美国贝尔实验室的b j a r n es t r o u s t r u p 博士在c 语言的 基础上，增加了面向对象的特征，于1 9 8 0 年开发出来一种过程性与对象性结合的程 序设计语言。最初他把这种新的语言叫做“含类的c ”，到1 9 8 3 年才取名为c + + 。c 什 继承了c 语言原有的精髓，如高效率、灵活性；扩充增加了对开发大型软件颇为有效 的面向对象机制；弥补了c 语言不支持代码重用、不适宜开发大型软件的不足，成为 一种既可用于表现过程模型，又可用于表现对象模型的优秀的程序设计语言之一。c + + 现在已经成为被广泛使用的通用程序设计语言。其特点主要的有：c + + 保持与c 兼容， 用c 编写的代码不经修改就可以为c + + 所用；用c + + 编写的程序可读性更好，代码结 构更为合理，可直接在程序中映射问题空间的结构；生成代码的质量高，运行效率仅 比汇编语言慢1 0 一2 0 ：从开发时间、费用到形成的软件的可重用性、可扩充性、 可维护性和可靠性等方面有了很大的提高，使得大中型的程序开发变得更加容易。 ( 4 )v i s u a lb a s i c6 0 v i s u a lb a s i c 是m i c r o s o f t 公司于1 9 9 1 年推出的w i n d o w s 应用程序开发工具， 短短的几年时间，就成为w i n d o w s 流行的编程语言，从根本上改变了传统的程序设计 模式，大大简化了w i n d o w s 应用程序设计。它的出现被计算机界看做是一个“令人震 惊的奇迹”。v i s u a lb a s i c 的诞生使编程技术向前迈进了一大步，开创了可视化编程 的先河。在v i s u a ib a s i c 中引入了控件的概念，v i s u a lb a s i c 把这些控件模式化， 并且每个控件都有若干属性用来控制控件的外观和工作方法。v i s u a lb a s i c 是在 b a i s c 语言基础上进一步发展而来的，是运行在w i n d o w s 环境下的一个可视化编程语 工程硕士论文连杆模具模型的参数化设计及制造 言，v i s u a b a s i c 语言规则简单，不似其他的高级语言( 如c + + 、d e l p h i 等) 那么复 杂，但它的功能很全、使用简捷，用户只需掌握几个关键词就可以开始建立实用的应 用程序。使用v i s u mb a s i c ，用户不需编写大量代码去描述界面元素的外观和位置， 只要把预先建立的对象拖放到屏幕上即可。利用v i s u a lb a s i c ，即使是初学者，也 可以编写出漂亮的应用程序。和v i s u a lc + + 这样的主流语言相比，v i s u a lb a s i c 具 有不可取代的简单易用性和真正的“所见即所得”特性。使用v i s u a lb a s i c 来开发 软件，开发周期短，代码效率高。1 ( 5 ) v b a v i s u a lb a s i cf o ra p p l i c a t i o n s ( m i c r o s o f to f f i c e 软件的通用控制语言，简 称v b a ) 。v b a 不能被归类于“程序语言”，它虽然具有十分完整的程序语言基本结构( 和 v i s u a lb a s i cf o rw i n d o w s 的语法十分类似) ，事实上，它提供的并不单单只是程序， 而且是对m i c r o s o f to f f i c e 各种软件功能的一种综合控制。因此，相对于v i s u m b a s i cf o rw i n d o w s 而言，v i s u a lb a s i cf o ra p p l i c a t i o n