（机械设计及理论专业论文）基于proe的级进模cad系统关键技术的研究.pdf

摘要 模具工业在我国国民经济中的地位及作用与同俱增，而模具设计c a d 技术处于 行业研究的最前沿，其在降低模具设计及制造的成本、提高产品竞争力等方面具有无 可比拟的优势。本论文针对模具行业中应用广泛的冲压级进模的c a d 系统的关键技 术进行了研究，以实现冲压级进模的快速化、自动化设计，提高设计效率及质量。 本文以m i c r o s o rv i s u a ls t u d i o n e t2 0 0 3 作为程序开发的环境，通过环境设置与 通用的大型c a d c a m c a e 软件p r o e n g i n e e rw i l d f i r e3 0 无缝集成，实现程序直 接访问、调用p r o e 的底层函数。在此基础上利用p r o t o o l k i t 、u d f 等开发工具对 p r o e 进行了操作界面及功能上的二次开发，以满足冲压级进模辅助设计的需要。 本论文针对冲压级进模设计中的工件参数化实现、自动排样设计、模具结构的自 动装配等设计关键技术进行了研究，实现了工件模型的参数化造型及其折弯部分的自 动展开、排样最大材料利用率的计算、标准模架及标准零件的自动生成和模具各组成 部分自动装配等功能。特别是通过对排样算法的分析和研究，实现了任意轮廓形状冲 压件的单排排样的最优化求解，自动计算排样所能取得的最大材料利用率，提高了排 样设计的效率。 论文中的各部分程序运行无误，经实例检验达到了预期的研究目标。 关键词：级进模；p r 0 e ；二次开发；排样；参数化；自动装配 a b s t r a c t t h ed i e & m o u l di n d u s t r yi s p l a y i n gam o r ea n dm o r ei m p o r t a n tr o l ei nc h i n a s n a t i o n a le c o n o m y ，a n d 嬲t h ef o r e f r o n tt e c h n o l o g yo ft h ei n d u s t r yr e s e a r c h ，d i e & m o u l d d e s i g nc a dt e c h n o l o g yh a v ea l lu n p a r a l l e l e da d v a n t a g ei nr e d u c i n gt h ec o s to fd e s i g n i n g ， m a n u f a c t u r i n ga n di m p r o v i n gt h ec o m p e t i t i v e n e s so fp r o d u c t s i nt h i sp a p e r ，s o m ek e y t e c h n o l o g i e so ft h ec a ds y s t e mf o c u s e do nt h ep r o g r e s s i v ed i ew h i c hi sw i d l yu s e di nt h e d i e & m o u l di n d u s t r ya r es t u d i e d ，t oa c h i e v er a p i da n da u t o m a t i cp r o g r e s s i v ed i ed e s i g n ，a n d f i n a l l yi m p r o v et h ee f f i c i e n c ya n dq u a l i t y t h i s p a p e ri s b a s e do nm i c r o s o f tv i s u a ls t u d i o n e t2 0 0 3a st h ep r o g r a m d e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t ，a n dt h r o u g he n v i r o n m e n ts e t t i n g s ，a c h i e v e ds e a m l e s si n t e g r a t i o n w i t ht h eg e n e r a l - p u r p o s e dc a d c a m c a es o f t w a r ep r o e n g i ne e rw i l d f i r e3 0 ，s o p r o g r a m sc a nd i r e c t l ya c c e s sa n dc a l lt h eu n d e d y i n gf u n c t i o n so fp r o e o nt h i sb a s i s ，b y u s i n gp r o t o o l k i t ，u d fa n do t h e rd e v e l o p m e n tt o o l s ，s e c o n d a r yd e v e l o p m e n t sa r e c a r r i e do u to nu s e ri n t e r f a c e sa n df u n c t i o n so fp r o e ，t om e e tt h ed e m a n d so fc o m p u t e r a i d e dd e s i g no f p r o g r e s s i v ed i ed e s i g n w i t hr e s e a r c h so ns o m ek e yt e c h n o l o g i e so ft h ep r o g r e s s i v ed i e d e s i g n ，s u c ha s p a r a m e t e r i z e dd e s i g no fw o r k p i e c e ，a u t o m a t i cl a y o u td e s i g na n da u t o m a t i ca s s e m b l yo f m o u l d ss t r u c t u r e ，t h es y s t e ma c h i e v e dt h ef u n c t i o no fw o r k p i e c e sp a r a m e t r i cm o d e l i n g ， a u t o u n b e n dt h eb e n d i n gp a r t s ，c a l c u l a t et h em a x i m a lm a t e r i a lu t i l i z a t i o no fl a y o u t ， a u t o m a t i cg e n e r a t i o no fs t a n d a r dd i es e ta n dp a r t s ，a u t o m a t i ca s s e m b l yo fm o u l ds t r u c t u r e s a n ds oo n p a r t i c u l a r l y ，t h r o u g ht h e a n a l y s i sa n ds t u d i e so fl a y o u ta l g o r i t h m s ，a c h i e v e d o p t i m i z a t i o ns o l u t i o no fs i n g l e - r o wl a y o u to fp r e s sp i e c e sw i t hc o n t o u rs h a p eu n l i m i t e d ， a u t o m a t i c a l l yc a l c u l a t et h em a x i m a lm a t e r i a lu t i l i z a t i o no fl a y o u t ，i m p r o v e dt h ee f f i c i e n c y o fl a y o u td e s i g n t h ep r o g r a mo ft h es y s t e mr u n sc o r r e c t l y ，a c h i e v e dt h ea n t i c i p a t e dr e s e a r c hp u r p o s e w i t ht e s to fe x a m p l e s k e y w o r d s ：p r o g r e s s i v ed i e ，p r o e ，r e - d e v e l o p ，l a y o u t ，p a r a m e t i c ，a u t o m a t i ca s s e m b l y 天津科技人学硕上学位论文 1绪论 模具是用来成型物品的工具，主要通过改变材料的物理形态来实现产品成形。据 统计，机械加工行业中每年产生的模具价值是各类机床总价值的五倍，7 5 以上的金 属制品( 含半成品) 和9 5 以上的塑料制品都是通过模具来成形的【l 】。在机械、冶金、 轻工、电子等行业中，模具市场非常巨大。 模具都是由各种零件构成的，不同的模具构成零件也不同，按照使用模具进行成 形加工的加工工艺性质和使用对象分类，模具有冲压模具、塑料成型模具、压铸模、 锻造成形模具、玻璃成型模具、橡胶成形模具等十大类。 其中冲压模具具有生产率高、生产成本低、材料利用率高等特点，并且应用范围 广，既能够制造尺寸很小的会属产品，如仪表零件，又能够制造诸如汽车大梁、压力 容器封头一类的大型零件；既能够制造尺寸公差等级及形状只做一般要求的零件，又 能够制造尺寸精密( 公差在l a m 级) 和形状复杂的零件，是一种非常重要的模具形式。 占全世界钢产量6 0 - - - 7 0 以上的板材、管材及其他型材，其大部分都是经过冲压模 具加工成产品的，冲压模具在汽车、机械、建材、家用电器、电机、仪表、航空航天、 军工等诸多行业中占有十分重要的地位。冲压模具按冲压工序的组合程度可分为单工 序的简单模、多工序的复合模、级进模、级进复合模等【2 1 。 随着模具制造技术的不断进步和发展，冲压工艺和冲压模具设计技术也在不断地 革新和变化，级进模就是在普通单工序冲模的基础上发展起来的一种高效率、长寿命 的模具类型，是技术密集型模具的重要代表，体现了冲压模具的发展方向。 1 1 冲压级进模简介 级进模是一种多工序、高效率的冲压模具，除了可以进行冲孔、落料的工作外， 还可根据零件结构的特点和成形性质，完成压筋、冲槽、弯曲、拉深等成形工序。在 压力机的一次冲程中，级进模在其有规律排列的几个工位上分别完成该工位对应的某 一部分冲压工序，直至在最后的工位冲出完整的工件【3 】。 因级进模是连续冲压，生产过程中相当于每次冲程冲制一个工件，故生产效率高， 适用于大批量生产，而且可以减少模具数量和设备数量，操作安全方便，有利于实现 冲压生产的自动化。但级进模结构复杂，制造困难，制造成本高，并且由于各个工序 是在不同的工位上完成的，因定位而产生的误差会不断积累，影响工件的加工精度。 因此，级进模多用于生产批量大、精度要求较高、需要多工序冲压的零件。多工位级 进模设计的一般步骤如下1 3 j ： ( 1 ) 冲压工艺设计 冲压工艺设计是指先对给定的冲压件进行工艺分析，即冲压件的形状、尺寸精度、 材料以及其他技术要求是否适应冲压加工的工艺要求，然后以此为基础制定冲压的工 艺方案，包括排样的方式、冲压的工序数、工序的选择与安排、模具结构形式、各种 冲压力的计算、冲模压力中心和冲模闭合高度等，并在冲压方案确定后选择合适的冲 l 绪论 压设备。良好的工艺性和合理的工艺方案可以用最少的工序数、最少的材料和工时、 以最经济的方法保质保量的完成冲压件的加工。 在冲压工艺设计中，乃至在整个冲压级进模的设计中，排样都是一项极其重要的 工作，因为排样方案对冲压板料的材料利用率、冲压件的质量、生产率、生产成本和 模具结构形式等都有非常重要的影响【5 】。 ( 2 ) 模具工作部分的尺寸计算 不同的冲压件需要计算的工作部分尺寸是不同的，因为冲压有很多种类的基本工 序，如冲孔、落料、剪切、切口、弯曲、拉深等，不同的基本工序对应的工作部分结 构也是不同的。以常见的弯曲件为例，通常包括冲孔、落料及弯曲这三个工序，因此 需计算冲裁凸、凹模的刃口尺寸( 一般还需要剪边操作，因此还需计算剪边凸、凹模 的刃口尺寸) ，并且对弯曲部分进行最小弯曲半径、弯曲回弹、弯曲凸模圆角半径、 弯曲凹模圆角半径及弯曲模工作部分尺寸的计算。 ( 3 ) 工艺零件设计 工艺零件指的是直接参与完成工艺过程并与毛坯直接发生作用的模具结构零件， 包括工作零件、定位零件及压料、卸料、顶出、弹性零件等。 工作零件主要就是指的凸、凹模，需要设计凸、凹模的的结构形式、固定方式及 凸模长度等；定位零件的作用是保证板料的正确送进并使工作零件与板料的相对位置 保持正确，使用条料时，应使条料在送料方向上定位以保证送料步距，使用的定位零 件有挡料销、侧刃等。在垂直于送料方向上的定位称作送进导向，使用的定位零件有 导料板、导料销等。要根据不同的毛坯轮廓外形及模具结构形式选择相应的定位方式； 其他的工艺零件有：卸料与顶出装置，压料装置，弹性元件如弹簧、橡胶等。 ( 4 ) 辅助结构零件设计 辅助的结构零件不直接参与完成工艺过程，也不和毛坯直接发生作用，只是对模 具完成工艺的过程起保证作用，或是对模具的功能进行完善，该类零件包括：导向零 件、固定零件、紧固及其他零件【7 1 。 导向零件用于冲裁模上、下模之间的定位连接和运动导向，消除压力机滑块运动 误差对模具运动精度的影响，保证凸凹模间隙分布均匀，可提高模具的使用寿命及冲 压件的精度，常用的导向装置有导板式、导柱导套式、滚珠导向式；固定零件用于固 定模具零件，保证良好的导向并传递冲压力，包括上下模座、模柄、凸凹模固定板、 挚板等，这些零件大部分都可以通过选择标准模架来确定；其他的紧固件如螺钉、销 钉等则是在模具整体结构确定后，根据各模板的厚度、大小及紧固件需实现的功能来 选择合适的大小、类型。 ( 5 ) 模具装配及工程图输出 在模具的各部分工艺零件及结构零件设计完毕后，即可将所有零件以模架为骨架 组装在一起，成为一套完整的冲压级进模具，并以此进行投影生成总体装配图的三视 图，然后所有的非标零件也同样的各自生成三视图，并对所有的投影图标注必要的尺 天津科技人学硕：i ：学位论文 寸、尺寸公差、形位公差、粗糙度、技术要求等信息，从而形成加工用的工程图图纸。 1 2 级进模c a d 研究的意义 c a d 的全称是c o m p u t e r a i d e dd e s i g n ，即计算机辅助设计，是指工程技术人员以 计算机为工具，将人与计算机结合为一个问题求解组，紧密配合，发挥各自所长，对 产品和工程进行设计、绘图、分析和编写技术文档等设计活动，从而使工作实现组合 优化的技术，它为应用多学科方法的综合性协作提供了可能【4 1 。简而言之，就是充分 发挥计算机强大的运算性能，将部分人工设计的过程交由计算机完成，以提高设计效 率及质量，而效率、质量证是企业赖以生存的根本。运用计算机辅助设计( c a d ) 系 统对模具进行最优化设计，是模具设计最重要的发展方向之一。 由级进模设计过程可知，要设计一套优良的冲压级进模具，其工作量是非常大的， 有许多的非标零件需要进行设计计算，例如冲裁凸、凹模零件的刃口尺寸计算。刃口 尺寸的精度是影响冲压件尺寸精度的重要因素，并且凸、凹模的合理间隙也要依靠刃 口尺寸及其公差来保证，因此j 下确的计算刃口尺寸及其公差是极为重要的。但刃口尺 寸计算过程也是非常繁杂的，首先需根据工序的类型决定设计计算的基准，然后按照 凸、凹模加工工艺和测量方法的不同分两种情况进行计算【3 】：一是凸模与凹模分别加 工时，要先判断设计的基准，然后按公式计算凸模、凹模的刃口尺寸及孔心距；另外 一种情况是凸模与凹模配合加工时，对于冲孔工序来说，要根据凸模磨损后尺寸的变 化规律进行具体计算，判断凸模磨损后尺寸是减小、增大还是不变，然后分别计算， 最后凹模刃口尺寸按凸模的实际尺寸进行配置，保证双面间隙值在z m i n z 瑚。之内。 而落料工序则相反，是以凹模为基准件来配置凸模。 ， 若以上计算过程全部由人工完成，计算量将会很大，特别是当冲压件结构比较复 杂、需要的冲压工序较多时，冲裁凸、凹模刃口需要计算的尺寸也会大量增加，将会 加重设计人员的负担、延滞设计的进程，并且很容易出现计算错误。 而即使是对于标准件，若无合适的标准件库可供选择，则也需要逐一的建模，耗 时耗力，将极大的影响模具设计的效率、延长生产制造的周期。并且某些设计过程由 人工来完成的话效率非常低，精度也不高，不能实现最优化的设计，在级进模设计中 最为典型的例子就是排样的设计。 排样问题是一类最优化问题，可描述为在给定的板料区域内，将给定形状和数量 的表示零件二维轮廓的多个相同或不同的几何图形在原材料平面区域内进行合理的 布置，使得几何图形之间不相互干涉、重叠且都处于排样区域内，同时使得材料利用 率尽量高，从而达到节约原材料的目的【5 】。 排样方案直接影响板料的材料利用率、零件的可制造性及加工效率。在冲压件生 产中，金属板材是消耗的最主要原材料之一。板料费用在制造成本占有相当大的比重， 提高材料利用率和加工效率是降低制件生产成本的重要措施。因此，高效、优良的排 样设计方法是级进模设计的关键技术之一。随着工业的发展，各类冲压零件的需求量 也越米越大，但在很长一段时间内，由于计算机技术的限制，人们只能采用手动排样， l 绪论 依赖排样人员的经验、直觉和想象进行判断与试验，受到人为因素和客观因素的限制， 排样编排速度非常慢，导致效率低、劳动强度大，而即使现在计算机技术高速发展， 但从数学计算复杂性理论可知，排样优化问题属于n p 完全问题，存在“组合爆炸， 即使是利用计算机来求最优解也是非常困难的，人工排样能考虑到的排样方式更是有 限，无法进行最优化的排样求解，板料材料利用率低，已不能适应生产的发展和需要。 而借助于c a d 系统，可实现计算机自动排样，当输入零件坯料参数、板料尺寸和工 艺参数后，根据指定的规则不需人工干预，便可自动、快速的完成排样的设计1 5 j 。 由以上分析可见，通过c a d 系统的辅助设计功能，计算机能完成级进模设计中 的大量计算、建模过程，尤其是可进行人力所不能达成的优化设计功能，与传统的设 计方式相比，具有非常大的优势，可以把设计人员从同常枯燥、单调、重复的劳动中 解放出来，使其投入到更有创造意义的劳动中去，为其提高工作效率及更好的完成设 计具有很大的工程实际意义，所以对级进模进行c a d 技术的研究、开发是十分必要 的。 1 3 级进模c a d 软件的应用现状 国外对模具c a d 技术的研究起步较早，在2 0 世纪6 0 年代中期，就有人丌始这 方面的研究，同本的研究水平目前处于领先地位。我国对模具c a d 的研究开始于2 0 世纪8 0 年代中期，主要集中在一些高等院校，其研究成果己逐步转化为商品化软件【l 。 由于级进模的设计越来越多样化，产品复杂程度及制造要求不断提高，常规的二 维级进模设计软件已经无法高效的解决诸多复杂的问题，采用更为先进的3 d 设计手 段成为了趋势和必然，因此许多软件厂商都投入到三维级进模设计软件的研究丌发 中，级进模c a d 开始由原先的2 d 时代逐步向3 d 时代迈进。目前主要的三维级进模 辅助设计软件有【1 1 l ：p t c 公司开发的p d x ( p r o g r e s s i v ed i ee x t e n s i o n ) 模块、u gn x 的连续冲模模块p r o g r e s s i v ed i ew i z a r d 、s o l i d w o r k s 的外挂模块3 d q u i c k p r e s s 、法国 m i s s l e rs o f t w a r e 公司开发的t o p s o l i dp r o g r e s s 等。以下对各级进模辅助设计软件逐一 进行功能分析。 1 3 1p d x 由参数化技术公司( p t c ) 所研究开发的级进模模块p d x ( p r o g r e s s i v ed i e e x t e n s i o n ) 可用于为冲压件快速而便捷的设计级进模及单工序模，支持从冲压工件开 发条带布局、基于条带布局创建整个模具等设计关系，其主要功能有【i 2 】： ( 1 ) 面向过程的工作流程能自动执行级进模的设计和细化工作，从而加快投入 生产的速度。 ( 2 ) 对冲压工件展开、填孔，加快了展平和识别特征的速度，以便于分段处理 及进行板料的排样布置。 ( 3 ) 包含大型的模具组件、标准模架和紧固件库，从而加快详细设计的速度。 ( 4 ) 通过自动完成重复性任务来提高效率，例如创建间隙切口、自动建立冲头、 对冲头与模板进行干涉切除等。 天津科技人学硕 ：学位论文 ( 5 ) 自动生成工程图、b o m 表和孔表等。 ( 6 ) 提高了设计灵活性，甚至允许在创建模具后添加新的阶段。 采用p d x 设计模具时，标准模架的定义是在二维环境中进行的，包括导柱导套、 螺钉、销钉和弹簧等元件在阵列时所参照的点或轴线的定义过程，也是通过二维视图 展现出来的。为了能让用户方便的观察各个元件的定位关系，p d x 系统采用了三视图 显示各个模板及装配关系。这种2 d 界面定义标准模架的方式能减少图形显示的负荷， 加快设计处理的进程，提高了工作效率。 p d x 建立板料排样的过程也比较清晰、明了，但板料排样的布置是由空白板料、 若干半成品和剪切冲头组装在一起来完成的，这种设计方式会带来一些缺陷，比如空 白板料的切除是采用阵列的方式，如果设计的工步过多，会需要创建很多的特征，使 得零件过大，拖慢整个系统的运行速度，操作不流畅。此外装配体中的零件过于杂乱， 不易管理。另外系统也无法完成比较复杂的冲模设计。 1 3 2p d w n x p r o g r e s s i v ed i ew i z a r d 是u g s 公司开发的级进模模块，提供了一个基于最佳 实践的结构化工作流程，使冲模专用的设计任务实现了自动化，并且还提供了标准零 件库，为用户提供了分步操作的过程，促进了高效工作流程的应用，同时把设计技术 的复杂组件集成到了自动化的顺l 序中，其主要功能如下【1 5 】： ( 1 ) 可对零件做特征的识别，并利用基于f e m 的u n f o r m i n g 展开技术，把复杂 的自由形状几何图形展开为一个展平的坯料和中问弯曲状态。 ( 2 ) 展开时计算折弯的回弹补偿。 ( 3 ) 板料布置( b l a n kl a y o u t ) ：可对排样步距、宽度等进行设置 ( 4 ) 具备切边的功能，以完成切边加工。 ( 5 ) 冲压工艺设计：可完成冲孔、折弯、切边等加工工艺布置，计算冲裁、弯 曲力。 ( 6 ) 利用可视化和装配管理的功能，用户可以轻易导航复杂的模具装配，从而 自动完成整个冲模设计过程。 p d w 的缺点是在钣会展开时的预处理操作比较复杂、繁琐，可操作性有所欠缺。 并且在冲压加工工艺的设计过程中，设计窗口与显示窗口不同步，使得设计者必须在 完成所有的冲压工艺设计后，才可看到条料上具体的排样情况。 1 3 33 d q u i c k p r e s s 3 d q u i c k p r e s s 是由香港大学和香港连续冲模设计公司3 d q u i c k p r e s sc o i n c 联合 开发的一套三维连续冲模设计解决方案，与s o l i d w o r k s 界面统一，有着完全一致的使 用风格。系统包含制件分析及展开、排样布置设计、模架及冲头设计等功能，为电子、 家电及汽车结构设计等行业提供从三维建模、零件展开、三维组装到二维出图的完整 解决方案，主要功能如下【1 6 】： ( 1 ) 展开功能( p o w e r f u lu n f o l d ) ：载入零件模型后，由数据库所提供的回弹、 1 绪论 折弯误差数据做钣金展开。 ( 2 ) 排样布置：可计算排样的材料利用率，工位也可进行任意的增加或删减， 以实现排样最佳化。 ( 3 ) 模架设计：提供标准模架供选择，并自动创建螺钉孔、定位孔，可自动化 组装。 ( 4 ) 其它功能：自动生成冲孔凸、凹模及b o m 表，提供模具标准零件库。 3 d q u i c k p r e s s 直接通过3 d 模型迅速完成连续冲模的设计，以“d i es e td e s i g n 模块进行条料设计工作开始，自动产生所有定义在此条料上的冲头；冲模排样设计模 块“s t r i pl a y o u tm a n a g e r ”可提供直观的工具、通过简单的对话方式快速完成排样设 计：其饭金特征识别处理技术可以快速依据s o l i d w o r k s 建立的钣金或外部所提供的资 料库来计算出弹性与弯曲的误差，以及冲压行程的调整与模具的自动产生；并且借助 e d r a w i n g 有效的进行数据管理，因而能在短期问完成冲模设计。其缺点是s o l i d w o r k s 与3 d q u i c k p r e s s 之间并没有实现无缝集成，使得使用者无法顺利的进行设计变更，另 外二维出图时比较耗费时间。 1 3 4t o p s o l i dp r o g r e s s 由法国m i s s l e rs o f t w a r e 公司所丌发的t o p s o l i dp r o g r e s s 级进模设计模块采用的 是全3 d 的设计方式，符合技术发展的要求，并且集成行业知识的智能化操作走在了 技术的前沿，特别是集成有限元分析软件a u t o f o r m 的模拟展开算法，再加上 t o p s o l i d 本身的一体化钣金设计和数控加工、线切害l j 编程模拟系统，实现了c a d 、 c a m 、c a e 的完全集成，主要功能有【1 7 】： ( 1 ) 丰富的接口功能，能直接打开主流软件如p r o e 、u g 、c a t i a 、s o l i d w o r k s 等的数据文件，避免或减少数据的丢失。 ( 2 ) 展开功能结合了瑞士a u t o f o r m 工程公司的钣金分析功能，使其展丌功 能十分强大，并可做拉深加工。 ( 3 ) 考虑到钣金零件加工的复杂性，全局与单个折弯的补偿设置可分开进行， 满足模具设计时不同产品的不同弯曲工艺需求。 ( 4 ) 提供标准模架、标准零件，并自动生成凸、凹模。 ( 5 ) 可对设计完成的模具进行开、合模过程的模拟分析。 ( 6 ) 自动生成二维工程图和b o m 表。 t o p s o l i dp r o g r e s s 在生成切边形状时操作比较复杂，另外由于零部件之间关联性 很强，进行设计变更会比较麻烦。 1 3 5 软件应用现状的总结 由以上分析可见，目前主流的级进模c a d 软件虽然还存在一些小的缺陷，但总 体功能已经比较完善，可对级进模大部分的设计流程进行辅助设计，但所有的三维级 进模c a d 软件都是由国外公司或港澳台企业所开发出来的，从其软件的设计流程来 看，不太符合我国内地模具设计加工企业的操作习惯，对一些设计内容的文字表述也 6 天津科技大学硕士学位论文 不尽相同，另外这些软件所包含的标准零件库与国内的标准不一致，无法直接利用其 标准件库生成标准零件，而目前国内所开发的级进模c a d 软件仍停留在二维阶段， 因此有必要开发一套适用于国内行业情况及国家标准的三维级进模c a d 系统。鉴于 精力及能力的限制，本论文先对其进行一些关键技术的研究，为以后进一步的开发与 完善打下基础。 1 4c a d 技术的发展方向 近年来，全球制造业正以垂直整合的模式向亚太地区转移，我国将成为世界制造 业最重要的基地之一。作为国民经济基础工业之一的模具工业将直面竞争的第一线， 其最前沿的c a d 技术将在发展中占有越来越重要的地位，因此大力发展模具c a d 技 术势在必行。c a d 技术的发展趋势主要体现在以下几个方面： ( 1 ) 标准化 一般情况下c a d 软件都是建立在一个异构平台上的，各c a d 软件之间无法实 现跨平台的数据传递，因此，只有依靠标准化技术，才能创立一个支持异构跨平台的 开发环境。当前的c a d 平台已逐步向i s o 标准及工业标准靠拢，而且c a d 系统中标 准零部件库、标准化设计方法也愈来愈受重视，在朝着合理化的工程应用方向发展【b 】。 ( 2 ) 集成化 c a d 技术的集成化将主要在以下三个方面得到体现【1 8 】：一是c a d c a e c a m c a p p c a q l e r p 等多种类型的软件高度集成，形成广义c a d 的概念，为企业带来一 体化的解决方案。企业在信息化时代的重点工作将放在新产品的设计与企业的现代化 管理的集成上；二是将成熟的c a d 技术通过功能模块、系统等形式集成到专用芯片 中，以提高c a d 技术的应用效率；三是基于计算机的网络环境，实现异地、异构的 c a d 系统在企业之间集成，如虚拟设计、虚拟制造、虚拟企业等就是该集成技术的 典型应用。 ( 3 ) 智能化 智能化的c a d 技术不仅仅是将现有的智能技术与c a d 技术相结合，从严格意义 上来说这还不能称之为智能化，因为从人类思维的模型来看，目前的人工智能技术模 拟人类思维的能力明显不足，因此更重要的是要深入研究人类的思维模式，并用信息 技术进行模拟及表达，这样的智能化c a d 系统将非常高效。智能c a d 是c a d 发展 的必然方向【1 0 】。 ( 4 ) c a d 软件中加入p d m 功能 当设计的团队成员位于不同的国家、城市，工作在产品设计的方方面面时，协同 设计技术使得异地数据共享成为可能，因此具有p d m 功能的c a d 软件j 下在为越来越 多的用户所认识并接受，实现协同设计是未来c a d 技术的主要发展方向之一。协同 设计的虚拟会议功能能够可促进设计人员之间的自由讨论、各抒己见，团队能够见到 产品立体化的设计结果，并且通过消除沟通瓶颈，可即时的协调设计人员、客户和供 应商之间对产品设计关键问题的分歧【2 3 1 。 l 绪论 ( 5 ) p l m 环境中的c a d 在p l m 环境中，c a d 的功能称为p l m 3 d ，是不可或缺的一个有机组成部分， 利用j t 格式，可对大部分数据来源的c a d 虚拟产品进行整机装配，并对零部件厂商 的协作管理，另外还能以p l m 3 d 作为数字化工厂设计的基础数据，也可作为后期产 品维护或维修的仿真数据。p l m 环境中的c a d 与独立运行的c a d 软件区别在于： 独立的c a d 软件强调数据的关联，具有p d m 功能的软件则注重数据的共享，而p l m 环境中的c a d 则强调在产品全生命周期内的数据管理，同时协同操作基于这些数据 而工作的各企业、部门、工作组【z 4 j 。 1 5 本文主要的研究内容 本研究组前期对三维模具c a d 系统的研究、开发工作主要是针对某一个或一类 制件展开的，为了扩大应用范围，本文尝试对任意结构形状的冲压制件进行级进模 c a d 系统的研究。以大型三维c a d c a m c a e 软件p r o e n g i n e e rw i l d f i r e3 0 作为 开发平台，运用其强大的二次开发工具p r o t o o l k i t 及u d f ，通过m i c r o s o f tv i s u a l s t u d i o n e t2 0 0 3 编制程序，完成系统构建。 由于通用型级进模c a d 系统的建立是一个非常庞大的工程，限于可支配的精力 及资源，本文只对级进模设计的几个关键内容进行c a d 系统的研究与设计开发。本 文拟进行的研究内容为： ( 1 ) 建立一个通用的级进模c a d 系统平台，搭载工件参数化设计、排样设计、 模具装配等模块，级进模的各设计工作按内容分类归入相应模块中。 ( 2 ) 充分利用m f c 类的资源，设计出良好的人机交互界面，使得级进模设计可 视化。 ( 3 ) 对任意结构形状的冲压工件进行参数化设计，自动获取工件模型所有的参 数，并通过参数驱动模型再生，使设计人员可方便、快捷的通过控制参数对工件模型 进行设计变更。 ( 4 ) 自动展开弯曲件以得到毛坯零件，并对展开进行长度补偿，然后对解决毛 坯排样问题的算法进行分析，并结合p r o t o o l k i t 中a p i 函数的功能，对任意轮廓 形状的冲压毛坯件进行单排排样最大材料利用率的求解。 ( 5 ) 建立符合国家标准、适合国内企业使用的标准模架及标准零件库供设计人 员选择，通过少量的参数输入，自动生成各标准零件，以减少建模工作量，并且采用 自动化的装配方法将级进模的各组成部分进行组装，以缩短装配时间。 天津科技大学硕i ：学位论文 2 级进模c a d 系统的开发方法 2 1 系统开发方式的选择 选择一种自己最熟悉的、与专业水平相匹配的开发方式，对系统构建的顺利进行 有重要的意义。目前开发c a d 系统的方式主要有三种【4 】：第一种是完全自主开发， 从无到有，开发一套独立的系统。这种方式是从零做起的，开发周期较长，投入资源 需求较大，适用于大型c a d 系统的开发；第二种是基于专业的c a d c a m 软件平台 进行开发，可以大大的缩短系统开发周期，但专业的c a d c a m 软件平台价格昂贵， 不适于个人进行开发；第三种是基于某个通用c a d 软件进行开发，不仅开发周期短， 而且开发成本低，开发形式灵活多变，适合于中小型c a d 系统的开发。 由于研究精力及资源有限，并且从开发方式的实际掌握程度出发，本研究选择基 于某个通用c a d 软件来进行级进模c a d 系统关键技术的开发。 2 1 1 开发平台的选择 目前市场上主流的通用c a d 软件有u g 、p r o e n g i n e e r 、s o l i d w o r k s 、c a t i a 、 i _ d e a s 2 7 等，其中前三种软件更常用来进行二次开发，以下分别对其功能进行分析 比较并选择其中之一作为系统开发平台。 ( 1 ) u n i g r a p h i c sn x u g 软件起源于美国麦道飞机公司，于1 9 9 1 年并入美国e d s 公司，集成了美国 航空航天、汽车工业的大量经验，在航空航天、汽车、通用机械、模具、家电等领域 有非常多的应用。u g 采用的是复合建模技术，融合了基于约束的特征建模和传统的 几何建模，在曲面造型、数控加工方面功能强大。u g 常用u g o p e na p i 开发工具进 行二次开发，提供了直接编程接口，支持c 、c + + 、f o r t r a n 和j a v a 等主要高级语言， 用u g o p e na p i 函数进行二次开发的优点是该工具功能比较强大，能够实现u g 的绝 大部分操作，易于进行交互操作，并且由于是调用u g 封装的a p i 函数进行功能实现， 程序的出错率比较低，缺点是掌握u g o p e n a p i 函数的运用比较困难，特别要注意参 数的类型和传递形式【3 0 】。 ( 2 ) p r o e n g i n e e r 自1 9 8 5 年p t c 公司在美国波士顿成立后，其一直致力于参数化建模软件的开发 研究，并于三年后推出了p r o e n g i n e e r 软件。经过l o 余年的发展，p r o e 已经成 为三维建模软件的领头羊。p t c 的系列软件包括了在工业设计和机械设计等方面的多 项功能，还包括对大型装配体的管理、仿真、制造、产品数据管理等。p r o e 还提供 了目前所能达到的最全面、集成最紧密的产品开发环境。软件所有模块的全相关性、 基于特征的参数化造型方式、易于使用等是其最大的特点。由于功能强大、价格适中、 推出时间较早等优势，该软件在国内的应用范围远远超过了其他同类型的软件【3 6 1 。 ( 3 ) s o l i d w o r k s 2 级进模c a d 系统的开发方法 美国s o l i d w o r k s 公司是一家专门从事三维机械设计软件开发的高科技公司，于 1 9 9 5 年成功推出了s o l i d w o r k s 软件。s o l i d w o r k s 是第一个基于w i n d o w s 开发的三维 c a d 系统，其w i n d o w s 风格的操作方式使得学习和使用更加简易。s o l i d w o r k s 提供 了一整套完整的动态界面和鼠标拖动控制体系，“全动感”的用户界面减少了设计步 骤及多余的对话框，从而避免了界面凌乱，能够减少设计过程中的错误并提高产品质 量，另外其独有的拖拽功能可在较短的时间内完成大型装配设计。在目前市场上的三 维c a d 解决方案中，s o l i d w o r k s 的设计过程最简洁、最方便 3 q 。 由于s o l i d w o r k s 只是单纯的c a d 软件，在功能上无法和u g 、p r o e 等软件相比， 而u g 系统则相对不稳定，如果对造型的操作不够熟练，特征更新失败将远远多于 p r o e ，并且考虑到p r o e 是目前市场占有率最高的通用c a d 软件，使用范围广，对 其进行二次开发将有更大的实际意义，因此选择p r o e 作为二次开发的平台，版本为 p r o e n g i n e e rw i l d f i r e3 0 。 2 1 2 开发工具的选择 p r o e 作为一款市场主流的三维设计软件，具有强大的几何造型功能，并且其二 次开发的功能也非常强大，提供了多种二次开发工具供用户选择。所谓二次开发，指 的是在商业应用软件提供的常规设计方法的基础上，根据需要主观能动的去改变、集 成和发散设计，开发出本地化的应用程序的过程，以更高效、更精确的完成设计【l 。 主要的二次开发工具有： ( 1 ) p r o p r o g r a m p r o p r o g r a m 是p r o e 的一个模块，其工作原理与o f f i c e 的宏记录类似，它可以用 一段程序记录下特征的整个创建过程，包括特征的类型、参数、关系等创建特征所需 要的所有信息。在建模后的每一个模型中，p r o p r o g r a m 会相应的记录该模型的整个 创建过程，并以一段带有参数的简单程序来表示。用户可以使用类似于b a s i c 的语 言根据需要适当的修改这段程序，就可以方便地生成一族外型类似的特征，得到所需 的模型，这将大大提高建模的速度。当需对一系列产品进行开发，而且这些产品的某 些局部具有类似的形状时，就可以查找并使用程序化工具p r o p r o g r a m ，然后对其提 供的零件进行修改，以提高设计效率【2 i 】。 ( 2 ) j - l i n k j - l i n k 是p r o e 中自带的一个面向对象的、独立于系统平台且向上兼容的基于 j a v a 语言的二次开发工具，开发人员可以通过j a v a 编程实现扩展、定制和自动处理 p r o e 的一些功能，主要体现在以下几个方面：自定义用户界面进行文件的处理等工 作：获取和处理模型中的参数、尺寸及关系等：对单独的特征进行压缩、恢复等操作； 记录特征创建的过程，并以此过程触发d x f 、i g e s 等多种格式文件的输出动作。j - l i n k 与操作系统平台无关的特性使得开发人员编写的程序可以运行在n t ，s u n ，h p ，s g i 等不同的操作系统上。用户使用j - l i n k 开发的应用程序可以与p r o e 工作任务( 应用 程序) 相关联，也可以关连到某个特殊的模型( 模型程序) 上，在模型重建等事件的 1 0 天津科技人学硕：l ：学位论文 执行期间，能让用户控制p r o e 模型的行为。例如，无论何时重建模型，j - l i n k 开发 的应用程序都可以调出特定的用户界面，来收集用户输入的信息，并可以从数据库中 提取相应的信息1 2 5 】。 ( 3 ) 族表( f a m i l y t a b l e ) 族表从形式上看就是一个表格，表格包含了项目代号及参数，代表了很多相似零 件( 或组件、特征) 的集合，族表中的零件也称表驱动零件，这些零件( 或组件、特征) 从结构上看很相似，但在一些细节部份不同，比如尺寸的大小或具体的特征等。一个 典型的例子就是螺钉，同一个标准里，会有多达上百种不同规格，但它们看起来是一 样的并且具有相同的功能，所以可以把这上百种规格的螺钉看成是一个零件族并用族 表来控制其模型变化。族表的作用主要体现在以下几个方面：产生和存储大量简单而 细致的对象，节省零件模型的存储空间；实现了零件的标准化并且同一族表的实例相 互之间可以自动互换；从零件文件中生成各种零件，无需重新构造；可以对零件产生 细小的变化而无需用关系改变模型；产生可以存储到打印文件并包含在零件目录中的 零件表【2 7 】。 ( 4 ) 用户定义特征( u s e r - d e f i n e df e a t u r e ) 用户定义特征是将若干个模型系统特征融合为一个u d f 特征，并将u d f 特征 以g p h 文件的形式保存起来，在需要的时候通过调用该g p h 文件，将其对应的一系列 特征作为一个整体创建出来。用户定义特征适用特定产品中的特定结构，有利于设计 者根据产品特征快速生成几何模型。一个完整的g p h 文件包括：选定的特征、特征的 所有相关尺寸、特征之问的关系以及在零件上放置u d f 所需的所有参照【3 3 】。 ( 5 ) p r o t o o l k i t p r o