（材料加工工程专业论文）回转体锻件锤上开式模锻cad系统的研究与开发.pdfVIP

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 本文详细论述了笔者利用o b i e c t a 砌( 2 0 0 0s d k 在v i s u a lc + + 6 o 开发平 台上开发的基于a h t o c a d 2 0 0 0 图形平台下的终锻模模膛计算机辅助设计系统 ( f o r g e t o o l ) 的设计原理与实现方法。咳系统适合于设计回转体短轴类锻件 ( 主要是齿轮件) 锤上开式模锻的终锻模膛。f o r g e t 0 0 l 系统按照普通锻件锻 模的典型设计路线，相应的分为6 个主要模块，它们分别是：锻件材料属性输 入模块、零件外轮廓提取模块、锻件设计模块、工艺参数设计模块、锻模设计 模块和一个设计辅助模块。该系统可以通过人机交互的方法完成从提敦零件 外轮廓到设计终锻模模膛的全部设计过程。系统的最终设计结果可以得到回转 体短轴类锻件终锻模膛的完整几何信息以及其它一些工艺参数文件。火 在f o r g e t 0 0 l 系统当中，笔者借助由m i c r o s o f t 公司提供的a c c e s s 和 o d b c ( 开放数据库互连) 这一强大的数据源管理器以及由a u t o d e s k 公司提供 的o b j e c t a i u ( 2 0 0 0 s d k 二次开发工具包，成功的解决了系统的数据库支持问 题和锻件外轮廓的几何描述问题。( 这使得f o r g e t o o l 系统既可以反复查询各 种反映设计原则以及设计标准的数据图表，也可以定义一种与常规方法不同的 数据结构来描述锻件外轮廓的几何信息。 同时本系统还在设计的参数化、可视化以及智能化方面也作了一定的探索a 关键词：锤锻模j 回转体短轴类锻件? c a d 系统jo b j e c t a r x s d k 第3 页共踮页 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h et h e s i se x p o u n d st h ed e v e l o p m e n to fac a d s y s t e ma i m e d t od e s i g n i n g a x i s y m m e t r i ch o ts t e e lf o r g i n g t h es y s t e mi sd e v e i o p e db yc o m p u t e rl a n g u a g e c + + a n dt o o l so f0 b j e c t a r x 2 0 0 0s d kp r o v i d e d b ya u t o d e s k ，i n c ，s ot h e s y s t e mc a n n o t b er u nw i t h o u tt h es u p p o r to fa u t o c a d 2 0 0 0 t h i ss y s t e mc a nb ed i v i d e di n t o6m o d u l e s ：t h em o d u l eu s e df o r g e t t i n gt h e p r o p e r t ) ro fm a t e r i a l ，t h em o d u l eu s e df o rg e t t i n gt h eo u t l i n eo ft h ep a r t ，t h e m o d u l eu s e df o rd e s i g n i n gt h eh o t - f o r g i n 昏t h em o d u l eu s e df o rd e s i g n i n gt h e t e c h n i c sp a r a m e t e r t h em o d u l eu s e df b rd e s i g n i n gt h em o u l da n dt h em o d u l e u s e df b rc h e c k i n gt h ed e s i g n i n g p r o c e s s i nt h i sc a d s y s t e m ，t h ed a t a b a s es u p p o r ti sb a s e do nt h eu s i n go ft h e 0 d b ca n da c c e s sp r o v i d e db yt h em i c r o s o f tc o r p i nt h i sm e t h o d ，o nt h eo n e h a n d ， a u t h o r d e v e i o p s an e w d a t as t r u c t u r et o d e s c r i b et h e 2 - d i m e n s s i o n - g e o m e t r yi n f o r m a t i o no f o u t i i n eo f f o r g i n 昏o nt h eo t h e rh a n dt h e s y s t e mc a nq u e r y t h ed a t a b a s ec o n v e n i e n t l y s o m er e s e a r c ha b o u tp a r a m e t e r i z a t i o n ，v i s u a l i z a t i o na n di n t e l l i g e n c eh a s b e e na p p l i e di nt h es y s t e m k e y w o r d s ： h a m m e r f o r g i n gm o u l d ；a x i s y m m e t r i ch o ts t e e i 如r g i n g ； c a d s y s t e m ；0 b j e c t a r x s d k 第4 页共8 5 页 武汉理工大学硕士学位论文 第一章绪论 自从人类历史上第一台通用计算机e n i a c ( 电子数字积分计算机) 诞生半 个多世纪以来，计算机技术已经得到了飞速的发展。今天，计算机已经渗透到 了人类生产活动的各个方面，使传统的设计生产流程产生了重大的变革。为了 不滞后于时代的发展，必须用先进的计算机技术对传统制造业加以改造，只有 这样才能保证传统制造业在新技术条件下能够焕发生机以满足生产力发展的要 求。模具工业作为传统制造业的一个重要分支，无一例外的也必须经历这样 次变革。 ， 1 1 模具制造业的特点 ? 模具工业是国民经济的基础产业，模具工业的发展水平标志着一个国家工 业水平及产品开发能力。汽车工业中新车型的开发与批量生产，家电工业及日 用品工业的产品开发都与模具工业的发展息息相关，因此模具在产品制造业中 具有重要的地位。用模具加工产品零件具有高效率、高质量、低成本等突出特 点。模具制造技术水平的高低，直接影响产品的质量、产量、成本及其更新换 代的周期。从某种意义上说，模具决定着企业在市场竞争中的反应能力和发展 速度。 。 ， 模具的设计制造过程表面上看类似于一般的机械加工工业，实际上两者有 很大的不同，模具制造业有以下特点： 1 、一个模具设计制造企业，它承制的每一副模具基本上都是一次新的实践，新 的探索。其模具既是一个试制性加工工艺装置，又是一个最终的产品。每 副模具由于成形零件的形状和技术要求的不同，则成形工艺存在区别，反映 到模具上，其设计结构与制造工艺就不同。因此，模具行业是一个产品不断 更新的研发型行业。 2 、模具的设计水平及能力的形成不仅仅是一个理论学习的过程，更是一个经验 积累的过程。模具是一种机械产品，其设计及制造的共性基础虽然没有超出 机械设计与制造的范围，但它是个难以用机械设计和现有模具设计书本知识 就可以准确完成其设计过程的产品。在现阶段，这个过程仍然需要大量实际 经验作为模具设计的主要支持。 3 、模具零件的加工精度和技术要求较高。因此，模具制造行业必须配备高精度 的加工设备，需要有较大的资金集中投入。 4 、模具技术的发展与相关技术的发展有十分密切的联系。如精密加工机械、成 形工艺、材料及热处理等。 5 、在模具设计与制造过程中，对人自身素质的依赖占有相当大的比重。人的技 术知识的不全面性常常导致模具产品的返工和报废，造成许多不必要的损失 和浪费，因此有必要寻求一种计算机辅助技术来减少模具产品对人的依赖 性，借以提高模具生产的标准化程度从而提高模具产品的质量。 第5 页共8 5 页 武汉理工大学硕士学位论文 综上所述，作为技术密集型的模具工业，发展模具的计算机辅助设计技术是重 要的和适宜的。 1 2 模具计算机辅助设计的优越性 模具计算机辅助设计技术在国内外之所以能得到迅速发展和应用，其主要 原因可大致归纳为以下四点： 1 、模具在产品制造中处于重要地位，直接关系到质量、成本和制造周期； 2 、被加工的产品向高、精、尖发展，对模具的设计水平和制造精度提出了更高 的要求； 3 、产品更新换代加快，需要更快速地设计制造高质量的模具； 4 、专业模具设计人员短缺； 模具计算机辅助设计技术无论是在提高生产率、改善产品质量方面，还是 在降低成本、减轻劳动强度方面，都具有突出的优越性，因而成为解决上述问 题的有效途径。 首先，在计算机系统内存储了各有关专业的综合性的技术知识，为模具设 计提供了科学的理论基础。同时、利用计算机与人的交互作用，有利于发挥人、 机各自的特长，使模具设计更加合理化。计算机辅助设计系统中采用的优化设 计方法可使某些工艺参数和模具结构得到优化。不同的设计生产部门都可以利 用同一数据库中的信息，因而保证了数据的一致性，减少了文件的数量。由于 这些因素，c a d 技术提高了模具的质量，从而也提高产品的质量。 其次，借助于模具c a d 系统可以节省时间，提高生产率。由于模具的设 计和制造精度提高，使模具的可靠性增加，试模次数和装修时间明显减少。另 外，图纸绘制的自动化大大缩短了设计时间。如果可以实现c a d 和c a m 的一 体化，更可大大缩短从设计到制造全过程的周期。 最后，模具c a d 系统的优化设计功能可以节省原材料并提高材料利用率， 将模具设计人员从复杂的计算工作中解放出来，使其可以从事更多的创造性劳 动。 1 3 人与计算机在模具c a d 系统中的相互关系 计算机辅助设计是人与计算机相结合，各尽所长的一种设计方法。从思维 的角度看，二，设计过程包括分析与综合两方面的内容。人可以通过经验、想象进 行直觉的逻辑推理，但数值的分析能力比较差。而计算机正相反，它只能完成 模拟的系统的逻辑推理，且无知觉分析能力，但它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，两者发挥各自优势，人可以进行仓u 造性的思维活动，计算机能够完成绘图、 模拟、优化和其它数值分析任务，人与计算机相结合有利于获得最优设计结果。 经验与判断相结合对于模具设计过程是不可缺少的，因此设计过程必须由 人控制和参与。设计者应能利用直觉进行判断与决燕，而不一定要遵循计算机 第6 页共8 5 页 武汉理工大学硕士学位论文 给出的设计方案。目前，计算机的学习能力很差，学习的任务也应由人完成， 人们可以从过去的设计中学习，总结经验。 由上述可知，人和计算机在模具计算机辅助设计中起着不同的作用。人的 作用是控制整个设计过程，利用自身的经验、直觉思维和想象力进行创造性的 工作；计算机的作用则是扩展人脑的记忆功能，加强设计者分析、计算与判断 能力，并将设计者从繁琐的、重复性的工作中解放出来。在计算机辅助设计中 人与计算机相结合，共同进行设计，这种人机交互的工作方式所产生的设计结 果比人和计算机单独工作的结果要好得多。基于以上原因，笔者开发的 f o r g e t o o l 系统在运行时，充分考虑到了人的因素，在人机交互方面做j 了很多 努力，为人机协同工作，设计高质量的模具提供了保证。 ： 1 4 模具计算机辅助设计系统的发展概况 + 早在上个世纪6 0 年代初期，国外一些飞机制造公司和汽车制造公司就开始 了c a d 技术的研究工作，这一研究开始于飞机机身和汽车车身的设计，在此基 础上复杂曲面的设计方法得到了迅速发展，各大公司都先后建立了自己的 c a d ，c a m 系统，并将其应用于模具的设计与制造。此后，模具c a d 技术发展 与应用日益提高，冲裁模、锻模、挤压模、注塑模和压铸模等类型的模具都有 比较成功的计算机辅助设计系统。下面仅对锻造用模具c a d 系统的发展与应用 状况作一简单介绍。 在国外，锻模计算机辅助设计的研究工作开始于上一世纪7 0 年代初。7 0 年代中期，计算机已在锻模设计中用于辅助绘图。到了8 0 年代，美国、日本、 联邦德国等国的一些公司开始使用c a d c a i 垤系统来设计和制造锻模。一在此期 间，用于锻造过程分析、金属流动模拟和锻模设计的软件相继研制成功，锻模 c a d 正向着实用化、完善化的方向迅速发展。 美国伯特尔哥伦布实验室是最早开始研究锻模c a d 的单位之一，该 实验室较早期的研究成果有叶片类锻模c a d 和肋板类零件的锻模c a d 。叶片 类零件的锻模设计程序由形状描述、终锻模设计和预锻模设计等部分组成，还 具有数控自动编程的功能。在设计肋板类零件的锻模时，采用a p t 语言输厶锻一一 件形状。预锻模设计是该系统的一个显国特两蓰吁￥焉终锻型槽划分为若干个 l 型单元，在此基础上设计预锻型槽的截面形状。预锻型槽在肋部的形状用指 数曲线来定义。 伯特尔哥伦布实验室还研制成功精锻模c a d 系统。例如对锥齿轮精 锻，只要输入齿轮的几何形状、模具镶块和预应力圈的全部尺寸、锻造温度、 锻模温度、摩擦系数、材料性质和锻造速度等工艺参数，便可算出热收缩和成 形应力引起的弹性扰曲，从而对模具进行局部修改，根据修改后的尺寸制造石 墨电极，以加工齿轮精锻型槽。 英国伯明翰大学从7 0 年代中期开始研究轴对称锻模的c a d 。该大学经过 第7 页共8 5 页 武汉理工大学硕士学位论文 多次改进，1 9 8 5 年研究成功名为c i r c o n 轴对称锻模c a d c a m 系统，该系 统采用编码方法输入机械零件半个轴截面的形状，可设计锻件图、终锻和预锻 型槽，并输出数控车床用的加工纸带，用以加工电极和模具型腔。 1 9 7 8 年伯明翰大学还研究成功适用于锻模c a d ，c a m 的几何造型系统 一m o d c o n 系统，该系统采用的体素为锻件中常见的几何形状，据估计，该 系统可描述常见锻件的7 5 左右。该校1 9 8 4 年研制成功的轴类锻模c a d c a m 系统利用m o d c 0 n 系统作为几何图形工具，描述锻件的几何形状，这一系统 包括设计数据准备、终锻模、预锻模、制坯模的设计和n c 加工以及型槽的布 置等部分。 一 前苏联学者在轴对称锻模婀c a d 研究中也做了大量工作。例如，捷捷林 提出的用于锻件几何形状复杂性的定量计算和飞边槽设计的先进算法已在实践 中得到检验，并为美、英等国的一些锻模c a d 系统所采用。 为了模拟锻造过程中的金属成形，伯特尔哥伦布实验室采用了有限元 法开发了a l p i d 程序包，利用这个程序包可预测锻件的几何形状、局部应变、 应变速率和应力。对于二维金属流动的模拟，可以自动生成零件横截面，划分 单元，根据变形程度重新划分单元，并将经过模拟的各个截面组合起来。对于 三维流动的模拟，将是今后的研究方向。 1 5 本课题研究的背景及主要内容 从总体上看，国内模具c a d c a m 系统的研究工作虽然发展迅速，取得了 不少的研究成果，但总体水平仍然不高，与先进国家相比仍差距巨大。所以就 更需要投入大量的人力和物力参与到此项工作中来。据统计，我国生产的轴对 称锻件约占锻件总数的2 0 以上，而一些专业齿轮( 箱) 厂则占9 0 左右，因 此开发轴对称锻件的锻模c a d 系统有着广阔的应用前景。另夕b ，轴对称短轴类 锻件模具在设计方法和制造技术上均有比较成熟和实用的理论指导，在锻模的 生产中已普遍采用数控加工的方法来加工模膛，加之各种国家标准均已陆续颁 布，在我国已经具备了应用锻模c a d c a m 的技术条件。 笔者开发的回转体短轴类锻件的终锻模膛计算机辅助设计系统 ( f o r g e t o o l ) 按照典型的设计路线，相应的分为6 个主要模块，它们分别是： 锻件材料属性确认模块、零件外轮廓提取模块、锻件设计模块、工艺参数设计 模块、锻模设计模块和一个设计辅助模块。通过人一机交互的工作方法，该系 统可以完成从提取零件外轮廓到设计终锻模膛的全部设计过程。系统的最终设 计结果可以得到回转体短轴类锻件终锻模模膛的完整几何信息。该几何信息经 过其它高端软件的数控后处理模块加工后，即可作为数控加工设备加工模膛型 腔的依据。 第8 页共8 5 页 武汉理工大学硕士学位论文 第二章系统开发工具简介 在模具c a d 系统中，既要完成对大量数据的采集、整理和分析工作，又 要利用这些数据进行各种运算，最终还要将处理结果用图形表示出来，这就需 要系统同时具有对数据和图形的双重处理能力。同时，随着c a d 技术的不断发 展，用户在系统的人机交互能力、易用性、运行效率以及设计的可视化方面都 提出了更高的要求。作为实现系统设计功能的具体手段，系统开发工具的性能 好坏将真接影响到c a d 系统的功能优劣，所以在第三章概要介绍系统各模块的 功能之前，先在本章中大致的介绍一下笔者所使用的开发工具。f o r g e t q o l 系 统的开发工具主要是v i s u a lc + + 6 0 、0 b j e c t a r x 2 0 0 0s d k 以及a 最e s s 和 o d b c 。 v 2 。1 s u a l c + + 6 0 v i s u a ic + + 6 o 是m i c r o s o f t 公司于1 9 9 8 年底推出的v i s u a ls t u d i o6 0 套 件中的一个部分，也是功能最强的一个部分。它支持面向对象编程、模块化、 代码重用、组件共享等技术。另外，值得一提的是v i s u a lc + + 6 o 的智能感应 技术，该技术可以根据编辑状态下的程序代码的输入情况，自动将属性、参数、 数据类型以及代码信息显示在列表框和文本框中，编程人员可以选择以自动完 成输入或得到提示，从而大大减少访问联机帮助的次数，提高编程效率。此外， s u a lc + + 6 0 强大的界面设计能力可以非常快捷的设计编制各种c a d 系统中 的人机交互界面，提高c a d 系统的易用性和人机交互能力。笔者选用此开发工 具的另一个原因与f o r g e t o o l 系统运行的图形平台a u t o c a d 2 0 0 0 有关。 a u t o d e s k 公司为a u t o c a d 提供的二次开发工具主要有以下几种：a u t o l i s p 、 a d s 、v b a 和a r x 。在这些开发工具之中尤以a r x 功能最为强大，执行效率 最高。一个a r x 的应用程序就是一个动态链接库( d l l ) ，另外a r x 的编程 环境也是面对对象的c + + 编程环境，考虑到v i s u a lc + + 6 0 可以非常方便的编 制各种链接库，所以v i s 聃lc + + 6 0 为f o r g e t 0 0 l 系统的研发搭建了二- 个最佳 的开发平台。 2 2o b j e c t a r x 2 0 0 0s d k o b i e c t a r x 2 0 0 0 中的a r x 表示a u t o c a d 运行时扩展( a u t o c a d r u n t i m ee x t e n s i o n ) ，在a u t 0 c a dr 1 4中称为 o b j e c t a r x 2 o ， o b i e c t a 砭j ( 2 0 0 0 是a u t o d e s k 公司随a u t o c a d 2 0 0 0 推出的新一代功能强大的 a u t o c a d 二次开发工具。o b j e c t a r x 2 0 0 0 是一个综合的a p i ( a p p l i c a t i o n p r o g r a m m i n gi n t e r f a c e ) ，它包含有2 2 0 个类和3 0 0 0 多个独一无二的成员函数。 如 a r x 编程使用氲龠对象的c + + 应用程序机制，个a r x 应用程序以动态 链接库的形式分享a u t o c a d 的地址空间。它能够直接利用a u t o c a d 的内核代 码，直接访问a u t o c a d 的数据库、图形系统及几何造型核心，在运行期间实 时扩展a u t o c a d 具有的类及其功能，建立与a u t o c a d 本身的固有命令操作方 第9 页共8 5 页 武汉理工大学硕士学位论文 式相同的新命令。a r x 的这一特性使得程序员能够更加充分的利用a u t o c a d 的开放结构完成对a u t o c a d 的深层数据结构、图形系统的编程和用户命令的 定义。在这一点上，它不同于已为人们所熟悉的a u t o l i s p 和a d s 。a u t o l l s p 是一种解释性语言，它使得程序员可以很方便的为a u t o c a d 增加新的命令。 但是从逻辑上讲，a u t o l i s p 是通过一种分布的方式i p c ( i n t e r p r o c e s s c o m m u n i c a t i o n ) 与a u t o c a d 建立通信的。a d s 是使用c 语言编程和编译的， 但是对于a u t o c a d 来讲，a d s 与a u t o l i s p 的本质相同。因为实质上a d s 是 通过a u t o l i s p 实现与a u t o c a d 的通信的。由于a r x 应用程序分享a u t o c a d 的地址空间并实现函数的直接调用，避免了解释过程，所以通常使用a r x 编制 的函数的执行速度要比使用其它工具编制的函数快。a u t o u s p 、a d s 以及a r x 与a u t o c a d 的通信关系如图2 1 所示【j ”。 分布处理 赢 接 函 数 调 用 图2 一la u t o l i s p 、a d s 和a u t o c a d 的通信关系 除了速度上的优势，安全性也是一个重要的方面。a r x 类库采用标准的 c + + 类库的封装形式，这大大提高了程序员编程的可靠性和效率。同时程序员 可以为a r x 类库增加新的类，这样在其它的应用程序中就可以直接使用。通过 a r x 程序创造的图形实体在本质上与利用a u t o c a d 图形编辑器所生成的实体 是一致的。另外，开发a r x 应用程序时还可以充分利用w i n d o w s 的资源、微 软的基本染痒m f c ( m i c r o s o f tf o u n d a t i o nc l a s s ) 和先进的v i s 眦lc + + 可视 化编程工具，方便、高效的设计具有典型w i n d o w s 风格的c a d 应用程序。 可以肯定的说，由于上述的种种优点，a r x 必将逐步取代a u t o l i s p 和 a d s ，成为a u t o c a d 二次开发的最重要的工具。正是基于以上的考虑，笔者 选用0 b j e c t a r x 作为主要的系统开发工具。 2 3a c c e s s 和o d b c a p l 任何一个计算机辅助设计系统的实现都离不开数据库的支持。在锻模c a d 系统当中，需要系统记录和处理的数据按数据在系统运行中是否发生变化主要 第1 0 页共8 5 页 武汉理工大学硕士学位论文 可分为两大类：静态数据和动态数据。静态数据是指那些事先就已经输入到系 统数据库中的数据。例如，材料属性记录、锻件的尺寸公差设计标准、锻件的 加工余量设计标准、锻模模块的尺寸标准等，这些数据在系统运行当中只会被 检索、调用而不会被更改。动态数据是指那些随着系统的运行而不断改变的数 据。例如，用来记录锻件外轮廓几何信息的数据库中的数据，随着各设计模块 的相继调用，此数据库中的数据由最初用来表示零件外轮廓到最后用来表示终 锻模膛的几何轮廓，其中的每一条记录均发生了很大的变化。由于模具设计时 需要系统处理的数据量很大，因而数据的管理方法对模具c a d 系统的效率与质 量有很大的影响。数据管理是指对数据的组织、编目、定位、存储、检索和维 护等。在f o r g e t 0 0 l 系统中使用的数据管理方法主要有三种形式：第一种方 法是将数表程序化。也就是将数表的内容编制在程序当中，通过各种逻辑语句 的使用实现对数表内容的检索。此种方法只适用于管理内容较小且结构简单的 数表；第二种方法是建立数据文件。该方法在f o r g e t 0 0 l 系统中主要用于在 不同模块之间传递设计信息，也只用于数据量不太大的场合；第三种方法就是 建立数据库。由于数据库可以管理大量的数据，同时对数据库的检索也有标准 的方法可循，所以此方法在f o r g e t o o l 系统中应用最为广泛，是处于核心地 位的数据管理方法，它对系统的正常运行起到了重要的支撑作用。 在f o r g e t 0 0 l 系统中数据库功能的实现主要是依靠由m i c r o s o f t 公司提 供的数据库管理软件a c c e s s 和数据库互连工具o d b c ( 开放数据库互连) 。锻 模设计中有很多设计准则是用数表来表示的，例如锻件的尺寸公差设计标准、 锻件的加工余量设计标准、锻模模块的尺寸标准等。为了方便在设计时从对应 的数表中查找相应的数据，可以先将这些数表分别做成不同的表存储在a c c e s s 中，而o d b c 的作用就是在程序和a c c e s s 数据库之间架起一座传递信息的桥梁。 o d b c 是在由s q la c c e s sg r o u p 提出的调用级接口的规范基础上建立的，它 是一种开放的、从任何一种数据库访问另一种数据库的通用方法。使用o d b c 有以下好处：( 1 ) 、o d b c 具有开放性，并得到了很好的支持。多数的数据库都 研制了o d b c 驱动器，利用0 d b c 访问数据。像v i s u a lc + + 、v i s u a lb a s i c 、 p o w e r b u i l d e r 和其它的开发工具都支持0 d b c 数据访问，而不需要增强开发环 境。( 2 ) 、0 d b c 的功能非常强大，开发人员仅仅使用很少的代码就可以完成复 杂的数据库访问操作。o d b c 在d b m s ( 数据库管理系统) 的层面上把开发者 和不同数据库的特有风格隔离开，这使得开发人员可以在相同的数据库应用程 序内访问来自不同的0 d b c 数据源中的数据【4 9 j 。o d b c 的使用框架见图2 2 所 不。 使用o d b c 机制 的应用程序 o d b c 驱动器管理 程序( o d b c 3 2 d l l ) 数据库指定的0 d b c 兼容驱动器 图2 - 2o d b c 使用框架 第l l 页共8 5 页 关系数据库数 据源( a c c e s 8 ) 第1 2 页共8 5 页 武汉理工大学硕士学位论文 第三章f o r g e t o o l 系统各组成模块及其功能概述 锻造是塑性加工的重要分支。它是利用材料的塑性，借助外力的作用产生 塑性变形，从而获得所需形状、尺寸和一定组织性能的锻件。锻造工艺除了自 由锻和模锻外，还有一些其它的特殊成形方法，如电镦、冷挤压、温挤压、旋 转锻造、辊锻等。但模锻作为最常见的锻造加工方法，为其开发适用的c a d 系 统就显得更具有现实意义。 模锻是成批生产锻件的主要方法。其特点是，在锻压机械的压力作用下， 毛坯在锻模型槽中被迫塑性流动成形。模锻工艺和方法与锻件外形紧密相关， 所以将模锻件按其外形加以分类对形成系列化、标准化的锻模设计方法是必要 的。根据锻件主轴线与其它两个方向尺寸的关系可将锻件分为两大类：即短轴 类锻件和长轴类锻件。考虑到f o r g e t o o l 系统的适用范围，在此只将回转体 短轴类锻件( 主要是齿轮件) 的特点概述如下：1 、锻件主轴线方向的尺寸小于 或接近其它两个方向的尺寸；2 、主要变形工步的锻击方向与主轴线方向平行； 3 、模锻时，金属沿高度、宽度和长度方向同时有变形流动，属于体积变形。 f o r g e t 0 0 l 系统适合于设计回转体短轴类锻件锤上开式模锻的终锻模 膛。所有模块分为两大类，即应用程序类和支撑软件类。其中，锻件材料属性 确认模块、- 零件外轮廓提取模块、锻件设计模块、工艺参数设计模块、锻模设 计模块和设计辅助模块属于应用程序类：数据库( a c c e s s ) 、图形平台 ( a u t o c a d 2 0 0 0 ) 则属于支撑软件类。系统的结构框图如图3 1 所示。 图3 1系统的结构框图 第1 3 页共8 5 页 武汉理工大学硕士学位论文 3 1 系统的功能模型 在f o r g e t 0 0 l 系统中，采用i d e f o 方法【1 建立系统的功能模型。这种方 法便于表达系统的功能以及各功能模块之间的相互关系和信息传递流程。 i d e f o 方法的基本思路是结构化分析方法。在分析过程中，按照自顶向下，逐 层分解的方式来构造系统模型，其主要功能在顶层说明，然后逐层分解得到有 明确范围的细节表示。i d e f o 模型是由一系列的盒子及箭头组成，如图3 2 所示。 图3 2i d e f o 功能模型表示法 f o r g e l l 0 0 l 系统的功能模型用系列的i d e f 0 图表示。图3 3 是 f o r g e t 0 0 l 系统最上层的功能模型图。它表示了本系统与外界环境的输入输出 内容、系统的支撑环境以及模具设计与制造的控制因素。 ( 1 ) 输入信息。输入信息主要是零件的图形信息、材料和工艺信息等。 ( 2 ) 控制。设计主要依赖于设计准则和设计经验进行。另外生产条件、加工 条件也制约着设计制造过程。其中，设计准则是规范化、形式化的设计 知识，具体表现为设计锻模时所查阅的各种手册和标准化数据库等；生 产条件是指系统使用单位的生产设备状况( 如现有的锻压加工设备吨位 等) ：加工条件主要是指加工锻模的设备状况。 ( 3 ) 机制。整个系统的机制由设计者、基本环境和应用软件组成。基本环境 是指运行f o r g e t 0 0 l 的软硬件环境。本系统以p c 机为硬件环境，以 a u t 9 c a d 2 0 0 0 为图形平台，用a c c e s s 和o d b c 为系统管理数据库。应 用软件采用0 b j e c t a r x 2 0 0 0s d k 开发工具包和v j s u a jc + + 6 o 开发平 台，1 ( 4 ) 输出信息。输出信息主要包括锻件图、模块尺寸文件以及其它一些工艺 参数文件等。 第1 4 页共8 5 页 武汉理工大学硕士学位论文 图3 - 3f o r g e t o o l 系统最上层的功能模型图 通过采用i d e f o 方法对系统进行不断的细化与分解，建立逐级的功能模 型图，再将这些图形加以组合后就可得到整个f o r g e t 0 0 l 系统的功能模型图， 见图3 4 第1 5 页共8 5 页 武汉理工大学硕士学位论文 图3 4 f o r g e t o o l 系统功能模型图 第1 6 页共8 5 页 武汉理工大学硕士学位论文 3 2 系统各功能模块简介 3 2 1 锻件材料属性确认模块 本模块的主要功能是当用户输入了锻件材料牌号后，系统可以自动的从锻 件材质数据库中检索该材料的化学成分、加热属性以及材料的密度和材质系数。 该模块的主要作用是为后续模块的运行以及制定锻件的加热规范作好数据上的 准备。 3 2 2 零件外轮廓提取模块 模具的型腔是根据产品零件的外形和尺寸设计的，所以零件图形的输入是 模具c a d 系统的基础。目前常用的零件图形输入法有：面素拼合法、交互输入 法、扫描输入法、编码输入法、节点输入法等。在本系统中，笔者充分利用 o b j e c t a r x 2 0 0 0s d k 工具包所提供的接口函数，通过对a u t o c a d 2 0 0 0 系统进 行二次开发，在交互输入法的基础上开发了一种新的既简便又快捷的图形输入 法，零件二维外轮廓几何信息提取法( 以下简称提取法) 。相比于节点输入法， 使用提取法可使用户在利用交互法输入零件图后无需手工输入任何数据，只需 在锻件主剖面的左半个轮廓内点一下鼠标，系统就会自动的获得零件外轮廓的 节点信息。在获得的信息中既包含了每一个节点的精确三维坐标，还可以反映 出零件上的每一个圆角在设计锻件时是按照内圆角处理，还是按照外圆角处理。 提取法使用的前提条件是在a u t o c a d 2 0 0 0 的图形编辑窗口中已经存在零 件的主剖面图形，所以使用此法的另一个优点是用户可以在其它的设计软件中 编辑零件图形，再将编辑好的零件主剖面图引入到a u t o c a d 2 0 0 0 中进行锻件 的设计工作。与提取法相对应的描述锻件外轮廓的数据结构以及此法的具体实 现细节请详见第四章介绍。“ 此模块的另一项功能就是可以自动的修改零件外轮廓，以去除那些零件外 轮廓上不适合锻造生产工艺的几何特征，修改外轮廓的方法是在工艺凹陷处添 加敷料，添加敷料的原则是在保证锻造工艺性的前提下让锻件在机加工时可以 获得最小的切削量。 3 2 3 锻件设计模块 此模块的主要作用是设计冷锻件图。根据冷锻件的设计要求，该模块又细 分为两个予模块：l 、添加锻件的余量和公差模块；2 、添加锻件冲孔连皮、模 锻斜度以及内外圆角模块。 添加锻件的余量和公差模块所完成的工作主要是先估算出锻件的重量和 形状复杂系数，然后再根据锻件的重量、加工精度、形状复杂系数以及锻件的 尺寸添加锻件的水平与厚度方向的加工余量、内孔单边加工余量。此外该模块 还负责记录锻件水平与厚度方向的尺寸公差以及同轴度错差和横向残留飞边 量。所有的余量和公差数据均符合机械部制订的设计标准，并事先输入到系统 数据库中保存。其中，余量数据也可通过人机交互由用户根据实际情况在系统 第1 7 页共8 5 页 武汉理工大学硕士学位论文 运行时自定义输入。限于工作量和时间的限制，目前本系统还只适于设计普通 级的锻件，但只需略加修改程序并完善数据库内容，本系统的功能也可以方便 的扩展到设计精密级锻件。 添加锻件冲孔连皮、模锻斜度以及内外圆角模块所完成的工作主要是：首 先，根据中心孔径的大小给出推荐的连皮形式( 平底连皮还是斜底连皮) ，再给 出推荐的连皮厚度值，以上功能均可通过人机交互由用户自己定度。其次，添 加锻件的模锻斜度以便于锻件脱模。添加斜度时，锻件会自动判断用户所选择 的边是否有必要添加模锻斜度，并且系统会自动在分模线与锻件外壁的交点处 添加上模与下模的匹配斜度。最后，添加锻件的内外圆角，圆角半径的数值由 系统根据设计准则自行设计推荐，如用户对系统推荐的数据不满意也可以自己 输入所需的圆角半径值。完成以上工作后系统就会提示用户保存设计完毕的冷 锻件图。 3 2 4 工艺参数设计模块 工艺参数设计模块主要包括4 部分内容： 1 、加放锻件尺寸的热膨胀率后得到并保存锻件的热锻件图。 2 、设计锻件的飞边尺寸。在此模块中系统将先按照常用的布留哈诺夫方 法给出一组飞边的推荐尺寸【l ，并自动按此尺寸绘制飞边。如果用户对系统推 荐的飞边尺寸不满意，可自定义飞边尺寸。 3 、计算坯料的尺寸。在此模块中，当用户输入预计使用的坯料直径并确 定坯料加热的火耗率后，系统会按照使坯料在镦粗时不产生弯曲的要求给出合 理的坯料直径尺寸范围，并依此校核用户输入的坯料直径，最后给出坯料的质 量及下料尺寸。 4 、选择锻锤。该模块首先需要用户确定锻件形状中是否含有快冷部位( 如 薄壁、薄幅等) ，然后需要用户按锻件材料的成分选择锻件在终锻温度下的变 形抗力。当用户输完以上信息后系统会自动计算出所需的锻锤吨位。此时，系 统也会允许用户自定义锻锤吨位，但当用户自定义的锻锤吨位小于系统的推荐 值时，系统会给出警告信息。在此模块执行完毕后，系统会提示用户保存工艺 参数信息。 3 莓5 锻模设计模块 通常：回转体短轴类锻件锤上模锻的典型锻造工步主要是镦粗一终锻，所 以锻模设计的内容主要是设计镦粗台和确定模块尺寸。因为终锻模膛的设计只 需按热锻件图即可确定，所以模块的设计又可分为确定锁扣尺寸、确定燕尾尺 寸、确定镦粗台尺寸和安放位置以及确定合模后的模块总体尺寸。其中，锁扣 和燕尾的尺寸按锻锤的吨位确定，镦粗台尺寸按镦粗后的坯料尺寸设计。在设 计锻模的总体尺寸时，系统会自动校核锻模的霾击面积和打击偏心，并给出合 适的模块尺寸。 泳 第1 8 页共8 5 页 武汉理工大学硕士学位论文 3 2 6 锻件外轮廓节点信息查询模块 该模块是个设计的辅助模块，它的主要用途就是不论锻件设计进行到哪 一步，如果用户需要得到锻件外轮廓的详细节点信息( 包含节点序号、节点的 x 坐标、节点的y 坐标、节点的凸度值b u l d g e ) ，就可以使用该模块得到一张 节点信息清单，供用户进行进一步的分析，所以该模块实际上起到了监视锻件 设计过程的作用。 3 2 7 曲线拟合模块 该模块也是一个设计的辅助模块，它的主要用途就是将设计手册中的些 图表公式化，以便于用户通过计算得到所需的设计数据。该模块的开发结合了 m a t l a b 数学函数库的应用，可以快捷、准确的用多项式拟合同一平面随的离散 数据点1 5 3 】。在给出拟合多项式的同时，会在a u t o c a d 2 0 0 0 的图形编辑区内绘 制出离散点的拟合曲线，供用户直观的判断拟合结果是否满意。 第1 9 页共8 5 页 武汉理工大学硕士学位论文 第四章f o r g e t o o l 系统各模块的设计原理与实现方法 f o r 2 e t o o l 系统按照普通锻件锻模的典型设计路线，相应的分为以下主 要模块，它们是：锻件材料属性输入模块、零件外轮廓提取模块、锻件设计模 块、工艺参数设计模块、锻模设计模块和一个设计辅助模块。由于设计辅助模 块并不直接参与锻件的设计工作，所以将不对其加以介绍。本章将具体的阐述 其它五个模块的设计原理和实现方法。 4 1 锻件材料属性输入模块 该模块的主要作用是为后续模块的运行以及制定锻件的加热规范作好数 据上的准备。在用户输入了锻件的材料牌号后，系统将自动地从锻件材质数据 库中检索该材料的化学成分、加热属性以及材料的密度和材质系数。实现该功 能的程序源代码见附录二中l 所示。如果数据库中已含有该材料的属性记录， 则系统会在此模块的界面中显示检索出的材料属性值，见图4 1 所示；如果数 据库中不含有所输材料的属性记录，则系统会提示用户自己向数据库中添加所 用材料的各项属性值以丰富数据库的内容，见图4 2 所示。为了保护系统数据 库的安全，在添加数据库记录之前系统需要验证用户的数据库修改授权密码， 实现该功能的程序源代码见附录二中2 所示。在确认了锻件的材料属性数据之 后，可以使用该模块运行界面上【材料属性文件】菜单中的【保存材料属性】 命令保存材料属性记录，并生成一份材料属性记录文件供用户制作工艺卡片时 参考，文件样例见附录三中1 所示。程序流程图见图4 3 。 第2 0 页共8 5 页 武汉理工大学硕士学位论文 第2 1 页共8 5 页 武汉理工大学硕士学位论文 图4 2 添加锻件材料属性执行界面 图4 3 锻件材料属性输入模块流程图 4 2 零件外轮廓提取模块 模具的工作部分是根据产品的形状和尺寸设计的。因此，在模具c a d 系 统当中，零件图形的输入对整个系统的正确运行至关重要。首先，零件图输入 所生成的数据将作为后续设计、绘图的依据：其次，零件图输入的精度将直接 影响到模具的设计精度，从而影响到制件的加工精度；再次，对于外形比较复 杂的零件，其图形的输入速度会在很大程度上影响到系统的运行速度，所以零 件图输入操作是否简便、快捷，也是衡量一个模具c a d 系统优劣的重要指标。 综上所述可以看出，如何设计一个精确、快捷的图形输入方法是在开发锻模 c a d 系统时需要首先解决的重大问题。另一个需要考虑的问题就是如何结合锻 造加工特点对零件的外轮廓进行初步的修改，通过添加工艺敷料以去除零件外 轮廓中不适合锻造加工要求的几何特征，具体修改办法和锻件分模线的位置有 关。所以在这个模块中系统将解决以下三个主要问题： l 、提取零件图形外轮廓的几何信息； 2 、绘制锻件分模线； 3 、根据分模线位置添加工艺敷料以修改零件外轮廓中不适合锻造加工工艺 的几何特征。 第2 2 页共韶页 武汉理工大学硕士学位论文 各问题的具体阐释见下文论述。 4 2 1 描述锻件外轮廓几何信息的数据结构 在介绍f o r z e t 0 0 l 系统如何获得零件外轮廓节点信息之前，有必要先介 绍一下笔者为描述锻件外轮廓而设计的节点数据结构。节点的数据结构示意图 参见图4 4 所示。 l x l y i z i b u l g e l b p l j o 血t i b a d d s h a r p p m n t i r o r f i y u l i a n g l i g o n g 出a l i y u l j a n 醇i g o n g d i a 2 l 图4 - 4 节点数据结构示意图 表中：x 双精度型变量，用于记录每一节点的x 坐标。该值初始化为零。 y _ 一双精度型变量，用于记录每一节点的y 坐标。该值初始化为零。 z 双精度型变量，用于记录每一节点的z 坐标。因为锻件剖面图为 二维图形，所以每一节点的z 坐标值恒等于零。 b u l g e 双精度型变量，用于记录每一个节点的凸度