（材料加工工程专业论文）基于ug的汽车覆盖件模具模板化设计系统的研究.pdf

哈尔滨理工人学工学硕 ：学位论文 基于u g 的汽车覆盖件模具模板化设计系统的研究 摘要 覆盖件模具具有形状复杂、结构尺寸大、单件生产以及表面精度高等特 点，如何提高覆盖件模具的设计及制造的质量和效率是我国汽车行业面临的 一个重要课题。模具c a d c a m 技术的应用，使得计算机辅助技术成为解决 这一问题的有效途径。同时，随着现代模具制造业的快速发展，模具标准化 也正逐步从模具的标准件向模具的制造全过程延伸，模具零件的标准化以及 模具结构的典型化j 下在成为模具c a d c a e c a m 一体化技术的关键。 本课题基于模具的快速设计理论，分析了影响模具设计效率的多种因素， 在此基础上提出了基于u g 开发汽车覆盖件模具模板化设计系统的思想。 对参数化与特征建模基本理论、基于u g 的标准件建库方法以及u g 二 次开发相关技术进行了研究。为了迸一步获取u g 二次开发的完整实施方案， 在用户界面设计以及应用程序设计等方面作了许多实践。主要包括利用 v i s u a lc + + 6 0 设计u gn x4 0 应用程序接口；利用u g o p e nm e n u s c r i p t 开 发主菜单；利用u g o p e nu i s t y l e 设计具有u g 风格、与模块菜单对应的交 互界面；利用u g o p e n a p i 函数实现对模型数据的调用及处理等操作。 根据汽车覆盖件模具设计的要求，确定了系统的总体框架，进而划分了 功能子模块；运用软件工程学的生命周期法原理，建立了模块的运行流程， 设计了模块的数据流程。 结合汽车冲模标准件和典型件的结构特点，采用参数化设计及特征建模 方法对其进行分析，确定了其参数化特征模型，提出了三维参数化汽车覆盖 件模板库的总体方案设计。本文采用电子表格方法创建了面向设计的标准件 三维实体参数化模型库；同时，采用参数化设计计数建立了覆盖件模具模板 库，并与标准件库一同构成了模板化设计的素材库；通过程序设计技术和u g 软件二次开发工具，实现了汽车覆盖件模具的快速装配。从而形成为模板库。 最后，通过某车型车门拉延模结构设计的实例应用，阐述了模板化设计的全 过程，并验证了此快速设计系统对于提高模具设计效率、简化设计过程以及 加强模具设计标准化程度所具有很重要的意义。 关键词覆盖件模具；u g 二次开发；参数化；标准件库；模板 哈尔滨理工人学1 = 学硕 ：学位论文 s t u d y o i lt h et e m p l a t ed e s i g ns y s t e mo f a u t o m o b i l ep a n e ld i e sb a s e do nu g a b s t r a c t t h ea u t o m o b i l ep a n e ld i ei sc h a r a c t e r e db yc o m p l e xs h a p e ，l a r g es i z ea n d h i g hp r e c i s i o no fc o m p a t i b i l i t y i t sa ni m p o r t a n ti s s u ec o n f r o n t e db yc h i n e s e a u t oi n d u s t r yh o wt oe n h a n c et h eq u a l i t ya n de f f i c i e n c yo fa u t o m o b i l ep a n e ld i e s d e s i g n & m a n u f a c t u r e e s p e c i a l l yt h ea p p l i c a t i o no fc a d c a mi n t om o u l d p r o d u c t i o nh a sb e c o m ea ne f f e c t i v ea p p r o a c ht o s o l v et h i sp r o b l e m m o u l d s t a n d a r d i z a t i o nh a sb e e ne x p a n d i n gf r o mm o u l ds t a n d a r dp a r t si n t ot h ew h o l e p r o d u c t i o np r o c e s sa sm o u l di n d u s t r yd e v e l o p sd a ya n dn i g h t s t a n d a r d i z a t i o no f m o u l dc o m p o n e n t sa n dt y p i c a l i z a t i o no fm o u l ds t r u c t u r ea r et u r n i n gi n t ot h ec o r e t e c h n o l o g yo fi n t e g r a t i o no fc a d c a e c a m i nt h i sp a p e r ，m u l t i f o l df a s td e s i g nt h e o r ya n dm a n yf a c t o r sw h i c ha f f e c tt h e d e s i g ne f f i c i e n c yo fa u t o m o b i l ep a n e ld i e sw e r er e s e a r c h e d t h em e t h o do f d e v e l o pt h et e m p l a t ed e s i g ns y s t e mo fa u t o m o b i l ep a n e ld i e sb a s e do nu gw a s p u tf o r w a r do nb a s i so ft h eu p p e rw o r k t h eb a s i ct h e o r yo fp a r a m e t e r i z a t i o na n df e a t u r em o d e l i n g ，t h er e l a t e d t e c h n i q u eo fu gr e d e v e l o p m e n ta n dt h ea p p r o a c ht od e v e l o ps t a n d a r dp a r t s l i b r a r yb a s e do nu gw e r es t u d i e dd e e p l y t oo b t a i nt h ei m p l e m e n t i n gs c h e m eo f u gr e d e v e l o p m e n t ，m a n ye f f o r t sw e r em a d ei nu s e ri n t e r f a c e d e s i g na n d a p p l i c a t i o nd e s i g n ，m a i n l yi n c l u d i n gt h ea p p l i c a t i o np r o g r a mi n t e r f a c e ( a p i ) o f u gn xw i t hv i s u a lc + + ：t h em a i nm e n ud e v e l o p m e n tb yu g o p e nm e n u s c r i p t ； u gs t y l ei n t e r a c t i v ei n t e r f a c ed e s i g nb a s e do nu g o p e nu i s t y l e rc o r r e s p o n d i n g t ot h eu s e r - d e f i n e dm e n uf o r t h em o d u l e ；m o d e ld a t ac a l l i n ga n do p e r a t i n g i m p l e m e n t a t i o nw i t hu g o p e na p ie t c a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n t so ft h ea u t o m o b i l ep a n e ld i e sd e s i g n ，s e t t i n g u pt h eo v e r a l la r c h i t e c t u r eo ft h es y s t e ma n dt h ep a r t i t i o nf u n c t i o n a lm o d u l ew a s f i n i s h e d m e a n w h i l e ，t h es y s t e mf l o wa n dd a t as t r e a mb a s e do nt h es o f t w a r e e n g i n e e r i n gt e c h n o l o g yw a se s t a b l i s h e d 一i i 哈尔滨理t 大学t 学硕一i ：学位论文 o nt h eb a s i so ft h es t r u c t u r a lc h a r a c t e r i s t i c so fa u t op u n c h i n gs t a n d a r dp a r t a n dt y p i c a lp a r t ，b yp a r a m e t r i cd e s i g na n df e a t u r em o d e l i n g ，p a r a m e t r i cf e a t u r e m o d e li sm a d ea n do v e r a l ld e s i g ns c h e m eo fa u t oo u t e rp a n e l3 dp a r a m e t r i c t e m p l a t el i b r a r yi sa d v a n c e d m e a n w h i l e ，t h ea p p r o p r i a t i v et e m p l a t el i b r a r yo f o u t e rp a n e ld i e s ，w h i c hw a sc o m b i n e dw i t hs t a n d a r dp a r t sl i b r a r yt oc o m p o s et h e m a t e r i a l l i b r a r y o ft e m p l a t ed e s i g n ，h a sb e e ne s t a b l i s h e db y p a r a m e t r i c t e c h n o l o g y ；a n df a s ta s s e m b l yo fa u t oo u t e rp a n e ld i e si sa c h i e v e db yp r o g r a m d e s i g na n du gr e d e v e l o p m e n t t h e w h o l ep r o c e s so ft e m p l a t e d e s i g nw a s e x p l a i n e db yd e s i g nad r a wd i eo fa a u t od o o rm o u l da n dp r o v e st h a tt h ef a s t d e s i g ns y s t e m i so fi m p o r t a n c et oi m p r o v et h ee f f i c i e n c yo fm o u l dd e s i g n ， s i m p l i f y i n gt h ep r o c e s s ，a n ds t r e n g t h e ns t a n d a r d i z a t i o no fp a r t s k e y w o r d s d i eo fa u t o m o b i l ep a n e l ，u gr e d e v e l o p m e n t ，p a r a m e t e rd e s i g n ， s t a n d a r dp a r t sl i b r a r y ，t e m p l a t e 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基于u g 的汽车覆盖件模 具模板化设计系统的研究，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。对本人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： 互坪吲 日期：2 。7 年弓月尹日 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 基于u g 的汽车覆盖件模具模板化设计系统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。 不保密刚 ( 请在以上相应方框内打) 作者签名： 导师签名： 王珥刚 i 主1 韵 f il l ：) 帕7 年多月夕日 日期：，哆年弓月夕同 哈尔演理t 大学t 学硕j j 学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 在新车型的研制、开发中，车身的开发与生产准备占有重要地位。作为汽 车车身制造的关键装备汽车覆盖件模具是制约汽车更新换代的瓶颈环节， 其设计、制造速度直接影响着汽车工业的发展。 与其他机械产品相比，汽车覆盖件模具设计有两个显著的特剧l 】：一是制造 的单件性，每一套模具基本上是一次新的探索和新的实验，具有试制性，同时 又是一个最终产品，对设计的可靠性要求很高；二是模具设计大多以经验为主， 经验的多少直接影响模具的设计质量和周期，可靠的设计经验和由这些经验总 结而成的设计标准、规范对后来的设计者有很大的参考价值。 传统的车身开发与生产准备是以实物模型来表示车身表面的几何信息，在 传递过程中，因传递误差、实物模型变形、磕碰等诸多因素，致使模具在制造 的各个阶段中易产生误差，影响车身覆盖件模具的制造精度，同时延长生产周 期 2 3 1 。也就是说，汽车覆盖件模具设计难度主要表现在设计理论的不完整性及 其与应用之间的差距，以及只能意会不能言传的专家经验的表达、利用上。由 于知识具有相对性，故专家经验知识用于一定范围，而且其可靠程度也不能完 全保证【4 1 。模具专家在进行设计时，在利用原有经验知识的基础上，需要不断对 原有经验知识进行补充、更新、修正。要想提高覆盖件的制造质量及设计效率， 就必须改变落后的模具制造方法。 据中国模具协会的统计，我国各大型汽车生产企业所用模具，特别是大型 复杂模具主要依赖进口。究其原因有两个：一是模具的生产质量还不能满足用 户的要求，二是模具的设计与制造周期长【5 6 1 。因此，在覆盖件模具设计制造中 采用计算机辅助技术以提高产品质量、增强企业的市场竞争能力，是发展我国 汽车工业和模具工业的必然趋势。 c a d ( c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ，计算机辅助设计) 技术己经广泛地应用到汽车 工业的各个领域中，成为现代汽车制造技术的核心，极大地提高了生产效率， 模具c a d 技术也取得了较大的成就。但是，c a d 的巨大潜力远远没有充分发 挥 7 l 。目前，国内汽车覆盖件模具c a d 大多数还停留在以计算机代替手工设计 的层次上，仍以在通用的c a d 软件基础上采用交互绘图或建立模型的方法。因 哈尔滨理工人学t 学硕l ：学位论文 为通用的c a d 支撑软件不具备某一具体专业的特征，所以设计效率的提高幅度 不是很高，c a d 技术在模具设计中的应用并没有实质性的飞跃。 同手工设计一样，利用通用c a d 软件进行覆盖件模具结构设计，很大程度 上依赖于模具专家的干预。为了实现模具结构设计自动化，减少对模具专家的 依赖，必须开发专用的汽车覆盖件模具结构设计智能软件，既智能c a d 系统【引。 基于以上分析，我们可以从以下两个方面解决问题f 9 j ： 1 提高塑料模具标准化水平和标准件的使用率。国外发达国家模具标准化 程度为7 0 - - - - 8 0 ，而我国只有3 0 左右。如能广泛应用模具标准件，将会缩 短模具设计制造周期2 5 - 4 0 ，并可减少由于使用者自制模具标准件而造成 的工时浪费。应用模具c a d c a m 技术设计模具已较为普遍，推广使用模具标 准件，能够实现部分资源共享，这会大大减少模具设计的工作量和工作时间， 对于发展c a d c a m 技术、提高模具的精密度有重要意义。 2 ，推广应用c a d c a m c a e 技术。c a d c a m 技术己发展成为一项比较 成熟的共性技术，近年来模具c a d c a m 技术的硬件与软件价格已降低到中小 企业普遍可以接受的程度，为其进一步普及创造了良好的条件。基于网络的 c a d c a m c a e 一体化系统结构初见端倪，将解决传统混合型c a d c a m 系统 无法满足实际生产过程分工协作要求的问题，c a d c a m 软件的智能化程度也 将逐步提高。 1 2 汽车覆盖件模具快速设计的c a d 理论基础 1 2 1c a d c a e c a m 系统 c a d 是一种人和计算机相结合、各尽所长的新型设计方法。从思维的角度 看，设计过程包含分析和综合两个方面的内容【l0 ，】。人可以进行创造性的思维 活动，将设计方法通过综合、分析，转换成计算机可以处理的数学模型和解析 这些模型的程序。在程序运行过程中，人可以评价设计结果，控制设计过程， 计算机则可以发挥其分析计算和存储信息的能力，完成信息管理、绘图、模拟、 优化和其他数值分析任务。人和计算机相结合，在设计过程中两者发挥各自的 优势，有利于获得最优设计结果，缩短设计周期。 c a m 是利用计算机对制造过程进行设计、管理和控制。一般说来，c a m 主要包括工艺设计、数控编程和机器人编程等内容。工艺设计主要是确定零件 的加工方法、加工顺序和所用设备【1 2 】。近年来，计算机辅助工艺设计( c a p p ： 哈尔滨理1 二大学丁学硕i ：学位论文 c o m p u t e ra i d e dp r o c e s sp l a n t i n g ) 已逐渐形成了一门独立的技术分支当采用数 控( n c ：n u m e r i c a lc o n t r 0 1 ) 机床加工零件时，需要编制n c 机床的控制程序。计 算机辅助编制n c 程序，不但效率高，而且出错率低。在自动化的生产线上， 采用机器人完成装配和传送等项任务，利用计算机也可以实现机器人编程【1 3 】。 c a e 是产品设计人员进行创造型思维的有力工具，它在设计过程中主要起 模拟分析作用，如：塑料注塑模在注塑过程中对模腔内塑料溶体的模拟分析， 冲压件的应力应变分析【1 4 】。c a e 系统不但有深刻的数学、力学、热学、计算机 科学等多学科的综合分析，而且凝聚了专家们的丰富经验和知识，是专业性很 强的系统。c a e 系统对工程中的力学、热学等现象具有模拟和预测作用，可以 自动给出最优的设计方案，用计算机模拟试验代替实际试验，节省了人力、物 力，缩短了产品制造周期，提高了产品的质量。 1 2 2u g 的二次开发工具简介 u g 次开发工具总称为u g o p e n ，它是一个通过开放性架构促使不同的应 用程序同u g 实现柔性集成的开发工具。它和u g 一起发布，其目的是使集成 的应用程序，包括u g 自身提供或第三方开发的应用程序能够在不同软硬件平 台、不同网络或i n t e r n e t 上的计算机实现数据共享。利用u g o p e n 提供的应用 程序和开发工具，能够使用户实现【1 5 ，1 6 】： 1 通过u g o p e ng r i p 或u g o p e na p i 或u g o p e n + + 与u g 对象模型进 行交互。 2 生成并使用用户自定义对象( u s e rd e f i n e do b j e c t s ) ，包括管理它们与u g 对象的相关性，提供一种更新和显示用户自定义对象的方法。 3 为第三方应用程序定制u g 风格界面。 4 利用u g o p e n 相关产品，如i m a n i t k 和p a r a s o l i d 。 5 使用和集成u g o p e n 新技术。 u g o p e n 二次开发工具主要由u g 提供的5 个应用程序组成，包括u g o p e n g r i p ，u g o p e na p i 和u g o p e n + + = 个语言开发工具以及u g o p e nm e n u s c r i p t 和u g o p e nu i s t y l e r 两个界面开发工具，如下图1 1 所示。除u g o p e n 外，u g 软件还为用户提供了一个调用二次开发结果的交互式接口：u s e rt o o l s ，它的功 能是生成弹出式对话框或工具条，其界面风格与u g 界面风格一致。通过执行 对话框或工具条，操作相应的控件就可运行菜单文件、宏文件、u g o p e ng r i p 程序、u g o p e na p i 程序和其他二次开发文件。 哈尔滨理t 大学t 学硕l ：学位论文 u g o p e n u g o p e n a p ir _ - 1 应用编程接口 u g o p e nm e n u s c r i p tr _ - 1用户菜单定制语言 u g o p e nu i s t y l e rh用户对话框制作t 具 u g o p e ng r i phu g 专用图形编程交互语言 图1 1u o o p e n 二次开发工具集 f i g 1 1t h et o o l s e t so fu g o p e nr e d e v e l o p m e m 1 3 国内外汽车覆盖件模具c a d c a e c a m 发展概况 1 3 1 模具c a d c a e c a m 的发展趋势 2 1 世纪模具制造行业的基本特征是高度集成化、智能化、标准化和网络化， 追求的目标是提高产品质量及生产效率、缩短设计周期及制造周期，降低生产 成本、最大限度的提高模具制造业的应变能力，满足用户需求【1 7 1 。具体表现出 以下几个特征： 1 集成化现代模具设计制造系统不仅应强调信息的集成，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 标准化c a d c a e c a m 系统可建立标准零件数据库，非标准零件数据 库和模具参数数据库。标准零件库中的零件在c a d 设计中可以随时调用，并采 用成组技术生产。非标准零件库中存放的零件，虽然与设计所需结构不尽相同， 但利用系统自身的建模技术可以方便地进行修改，从而加快设计过程，典型模 具结构库是在参数化设计的基础上实现的，按用户要求对相似模具结构进行修 改，即可生成所需结构。 3 智能化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) 各个坏节的智能化，以及模具设备的智能化，也要实现人与系统的融合及人在 其中智能的充分发挥。智能模具c a d c a e c a m 是人工智能应用的一个重要方 面，主要表现为引入知识工程，发展专家系统。专家系统具有数据库模块、知 哈尔滨理t 大学t 学硕十学位论文 识库模块和控制模块，专家系统可以解决知识表示、特征统计、推理方法、概 念设计等问题，具有启发性、灵活性等特点，智能模具c a d c a e c a m 系统具 有逻辑推理和决策判断能力，它将许多事实和有关专业的经验准则结合在一起， 使问题得到解决，专家系统是当前研究相当活跃的一个课题。 4 网络化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。微型计算机c a d c a e c a m 系统发展的一条主要途径是网络化。 5 。逆向工程技术常规的模具设计通常以产品的己有设计信息为依据。这 些设计信息通过工程图或一些模型来表达，然后制定出加工工艺规划，最终通 过工装、模具和设备制造出产品。但在许多情况下，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 ee n g i n e e r i n g ) 。逆向工程技术的运用，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，能够缩短从设计到制造周期， 目前在工程上正得到越来越广泛的应用。 6 快速成形技术快速成形制造技术r p m ( r a p i dp r ot ot y p i n g & m a n u f a c t u n n g ) 基于层的制造原理，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，从而避免了传统模具制造的费时、耗成本的数控 加工【1 8 ，1 9 】，因而r p m 技术在模具制造中日益发挥着重要的作用。 1 3 2 国外现状 综观国内、外模具工业的发展，可以认为模具c a d 技术是现代模具技术中 最主要的组成部分，是模具设计生产的重大技术革命。早在2 0 世纪6 0 年代初 期，国外些汽车制造公司就开始了模具c a d 的研究。这一研究始于汽车车身 的设计，在此基础上复杂曲面的设计方法得到了发展，各大汽车公司都先后建 立了自己的c a d c a m 系统，并将其应用于模具设计与制造。7 0 年代初陆续推 出了一批模具c a d c a e c a m 系统，如美国d i e c o m p 公司于1 9 7 1 年推出的 p d d c 阶迸模c a d c a m 系统，福特汽车公司开发的汽车拉深模c a d c a m 系 统。1 9 7 9 年日本推出冲孔及弯曲模p e n t a x 系统及j a p t 自动编程系统。同时， 哈尔滨理t 大学t 学硕1 ：学位论文 英国、原苏联、意大利、捷克等国也都进行了冲模c a d c a e c a m 技术的开发 和应用，取得了良好的效果。为企业提高设计工效几倍至儿十倍，缩短模具制 造周期6 0 以上，降低模具制造成本约3 0 5 0 t 2 0 1 。计算机软、硬件技术的突飞 猛进，为模具c a d c a m 的开发应用向更高层次的发展创造了条件。 例如p d d c 模具c a d c a m 系统，它要求输入数字化的零件图、材料厚度 和材料种类的代码，设计人员可以选择模具结构形式、方便的设计凸模、模芯、 模架等。系统自动完成计算、绘图、输出加工纸带等工作。该公司利用此系统 提高了设计质量，缩短了生产周期，使手工设计要8 周完成的工作，2 周便可完 成。整个生产准备时间由1 8 周缩短至6 周，从而增强了公司的竞争能力。 1 9 7 9 年捷克金属加工工业研究院研究成功的a k t 系统，它用于简单、复 合、连续冲裁模的c a d c a m t 2 1 1 。该系统使模具的生产周期由原来的一个月缩 短为8 天，成本降低一半左右。 1 9 7 8 年日本机械工程实验室建立的m e l 连续模设计系统和1 9 7 9 年由日本 旭光学工业公司研制成功的p e n t a x 冲孔与弯曲模c a d c a m 系统，使模具设 计效率提高4 1 0 倍。 在几何造型方面，基于线框模型的c a d 系统率先由飞机和汽车制造商开发 并应用，推动了模具c a d 技术的发展。但是这种极为简单的线框式系统只能表 达基本的几何信息，不能有效表达几何数据间的拓扑关系。由于缺乏形体的表 面信息，c a m 及c a e 均无法实现。2 0 世纪7 0 年代飞机和汽车工业的蓬勃发 展给三维c a d 带来了良好的机遇，法国达索飞机制造公司在二维绘图系统c a d 的基础上，开发出以表面模型为特点的自由曲面建模方法，推出了三维曲面造 型系统c a t i a ，标志着计算机辅助设计技术f 2 2 j 从单纯模仿工程图纸的三视图模 式中解放出来，首次实现以计算机完整描述产品零件的主要信息，同时也使得 c a m 技术的开发有了现实的基础。 从8 0 年代初开始，美国、日本的一些大型的汽车制造企业开始着手建立自 己的覆盖件模具c a d c a m 软件。美国通用汽车公司依托u g 平台开发了s h e e t m e t a ld e s i g n ，p u n c hp r e s s 等饭金和冲压设计模块。福特汽车公司在其车身设计 的p d g s 系统中开发了s t a m p i n ge n g i n e e r i n gc a d c a m 模块进行覆盖件产品的 工艺设计。日本丰田汽车公司于9 0 年代初推出的汽车覆盖件模具c a d c a m 系 统枷i e f a c ec a d 软件，它以人机交互的方式完成了工艺补充面、压料面、拉 延台阶、拉延筋等覆盖件特有要素的造型，同时以几何分析为手段，从凸模接 触区扩展行为、截面线形状变化，平均截面线长度变化率、局部伸长率等不同 方面，对覆盖件的成形性进行评估，由此建立了“虚拟试模系统 2 3 1 。日本三 哈尔滨理工人学t 学硕 ：学位论文 菱汽车公司从9 0 年代初期开始应用模具c a d 技术，该公司的模具c a d 系统实 现了c a m 系统的集成，其功能包括冲压方向的选择、模具型面设计、模具结 构设计和模具图的绘制等。 1 3 3 国内现状 与国外发达国家汽车行业相比，国内大多数汽车行业的模具设计制造在计 算机c a d c a m 技术上的应用还很不成熟，没有形成设计制造一体化的有机联 系。在二维c a d 软件平台上设计模具时，设计人员依据的是产品设计部门绘制 的二维零件图，而零件图上给出的是一系列截面线和一些关键点的坐标，难以 精确表达复杂的空间曲面形状和尺寸，型面缺少定量的设计准则，难以对覆盖 件的位置进行空间变换。 工程设计人员只能凭经验确定一个大致合理的方向，对于零件的塑性成形 过程和零件材料的成型性能尚不能进行分析与评价，需投入大量的人力来反复 计算和测绘设计模型的各种数据，因而造成一副复杂的覆盖件模具的设计周期 长达3 0 0 4 0 0 小时。要生成数控加工代码，还需从线图或模型上测取形状信息， 再由曲面造型方法生成型面。这样做工作量大，而且重复造型易产生误差。因 而，覆盖件的模具设计结果往往难以预测，给后续的模具加工等带来了较大误 差。在形状的处理上，存在着一定的随意性，也难以保证覆盖件的形状与原设 计模型完全一致，给覆盖件的装配和质量带来了很多不利的影响。 三维c a d 软件的应用可以对型面设计和数控加工提供可靠的3 d 模型，在 工艺分析和仿真技术方面取得了一定进步。但是模具结构设计的效率很不理想。 由于这些c a d 平台为通用平台，无法对汽车覆盖件模具这样需要专业知识和经 验的设计过程提供全面的支持，企业也仅仅是在这些平台上进行手工造型，完 成模具的设计过程。由于模具结构的差异，即使对同一类型的模具设计，也需 要设计人员按照同一流程完成设计过程，极大降低了设计效率。其解决方案之 一是提高通用模具结构c a d 的自动化程度。然而，由于模具产品品种的多样性、 制造过程的离散性以及系统状态的模糊性等因素，汽车覆盖件模具设计成为相 当复杂的决策过程，因此，开发具有一定适应面的标准化c a d 系统难度较大。 我国的计算机技术起步较晚，始于7 0 年代，8 0 年代才开始模具c a d c a m 技术的开发与研究。上海交通大学于1 9 8 3 年研制成c f s 系统有两部分功能， 第一部分为自动编程，包括几何信息论与后置处理，第二部分为辅助编程，包 括模具的结构设计，零件设计以及工艺参数的计算。图形采用基本几何元素拼 哈尔滨理t 大学工学硕f ! 学位论文 合方法输入，条料排样采用交互设计，模具结构及零件的设计则采用典型结构 及标准零件的自动调用和交互设计相结合的方法。随后又开发了一系列模具 c a d c a m 系统，现在则着手研究知识工程c 2 4 1 ( k b e ：k n o w l e d g eb a s e d e n g i n e e r i n g ) 在模具领域中的应用，通过收集、总结和归纳模具设计领域专家的 知识，在智能化数据库中存储各种阶进模的典型结构、标准零件、设计经验、 设计方法及操作步骤，并向用户开放，这是一项长期、艰巨的任务，也是模具 c a d c a e c a m 技术发展的必然。 1 9 8 4 年，华中理工大学研制成功了精冲模c a d c a m 系统( h c j ) 。该系统功 能比较全面。它可以完成图形输入，工艺分析，冲压件排样，冲裁力与压力中 心计算，模架与压力机选择，模具结构设计，自动装配及零件图绘制，自动编 制线切割程序等一系列工作。 西安交通大学在9 0 年代初开发出家电零件冲裁弯曲阶进模c a d c a m 系统 ( j j m o l d ) 。j j m o l d 系统由弯曲件图形输入、毛坯展开、优化排样、轮廓及废 料分割、工序布置、模具工作部件设计以及模具结构及零件设计等模块组成。 弯曲件图形采用基本几何元素拼合及弯曲变换等方法输入，弯曲件采用弯曲树 结构描述。毛坯展开基于弯曲树进行。排样模块提供了两种排样方式，供用户 选择，其中废料设计部分采用所谓“两点分离废料法”来完成，用户只需在产 品轮廓上选定两点，系统自动完成废料形状设计。设计结果还可以修改。模具 结构及零件设计是采用典型装配关系组合法f 2 5 j 来完成，模具总装设计结果以一 种简式装配图形来表示。 浙江大学于9 0 年代初也开发出适合二维冲裁件的智能化阶进模c a d c a m 系统。该系统采用商品化通用软件a u t oc a d 来输入板金零件几何模型，然后 再自动识别出零件形状，进行零件的工艺性审核。系统的智能性主要体现在条 料排样设计上，其条料排样专家系统由事实库、知识库、推力机、规则修正器 与距离约束控制器等几部分组成。模具的设计采用典型结构组合和交互设计相 结合的方法。 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 ，华中科 技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 e c a m 系统 h s c 2 0 ，正在一些企业推广与使用，并逐步完善。目前，国内己有许多企业采 用模具c a d 技术，并在计算机自动编程技术上取得了一些经验和技巧，使模具 精度和生产率大为提高。国内以汽车和家电行业为主的一批大、中型企业，陆 续从国外引进了相当数量的c a d 系统，并配置了一些设计、分析的专用软件， 取得了明显的经济效益。 哈尔滨理工大学t 学硕l 学位论文 1 4 模板化设计思想在汽车覆盖件模具设计中的应用 1 4 1 模板化设计思想 随着现代模具制造业的快速发展，c a d c a e c a m 一体化技术得到了广泛 的应用，而与之相应的模具标准化也正逐步从模具的标准件向模具的制造全过 程进行延伸，人们越来越认识到模具标准化是模具c a d 的基础，而模具零件的 标准化、参数化以及模具结构的典型化、通用化是模具c a d c a e c a m 一体化 技术的关键。本文引进了模板化设计的思想，探求此技术在汽车覆盖件模具设 计中的应用。 模板化作为一种重要的设计方法，目前已经被广泛地应用于各种办公软件、 数据库软件中。模具品种繁多，要想实现模具结构的标准化，就必须对各类模 具挑选出典型化的标准通用结构，这样在模具设计时可以迅速而合理地选定相 关结构，并根据需要，进行相应的参数调整和实现机构优化，我们将这种体现 模具标准化设计的思想称为模板化设计思想【2 6 1 。 1 4 2 模板化设计思想在汽车覆盖件模具设计中的可行性 通常一个车型的覆盖件总数有2 0 0 3 0 0 件左右，根据其位置及功能可分为 外板件、内板件、梁架件等几大类，需要模具总数大约在6 0 0 1 0 0 0 套左右，可 见开发一套整车的覆盖件模具的工作量是十分巨大的。虽然每一类覆盖件模具 的功能不同，但很容易从中找出其中通用的东西。首先，每一类的结构都有很 大的相似性，如拉延模一般都由凸模、凹模、压边圈这三大部分组成，而修边 模、翻边模一般都由上模、下模、压料芯三部分组成。其次，虽然车型的种类 是千差万别，但是从模具结构上来说，同类车型的同一零件差别是不大的，特 别是外板件，例如轿车发动机盖、车门等在尺寸、外形上相差都不大。如果可 以实现模具结构设计的参数化，在设计一套新的模具时就不需要每一次都重新 开始，只需要利用已有的结构经过简单的型面替换和参数修改就可以得到一套 新的模具，利用这种“再设计”，就可以极大的缩短设计的周期，而那个可以 用于修改的原始的模具结构就可以称之为模板。如果每一种典型零件都有一套 可以进行参数编辑的设计好了的模板可以利用，那么所有这些模板就可以组成 一个模板库。 哈尔滨理t 大学t 学硕：学位论文 对于模具内部结构来说，可以分为工作部分与结构部分两大块。其中工作 部分主要包括模具工作过程中直接与零件相接触的与型面相关的部分，即上模、 下模、压边圈的型面部分。工作部分也可以称之为专用模块，因为它是与零件 型面直接相关的，相对于不同零件都是不一样的，而且都是非参数化的，是每 一次都要被替换掉的部分。结构部分又可以称之为通用部分，主要包括定位机 构、导向机构、起重机构等不直接与零件相接触的地方，这些地方的结构变化 不大，而且在很大程度上是由机床结构及所选用的标准件决定的，通过参数的 编辑就可以得到所需的结果。 通过对车身零件及其成型所需的模具进行细致分解与分析，可以发现车身 覆盖件模具具有很强的模板化的特征，而传统的设计方法包含了太多的重复性 劳动，探索和应用模板化设计具有重要的理论与现实意义 2 7 , 2 8 。利用模板化设 计，可以极大的提高设计效率和模具的标准化程度。到目前为止，美国通用汽 车公司的模板库已经包含了三千多个模板；日本的丰田公司在经过多年设计自 动化开发之后，也最终选择了模板化设计方式，实现了模具设计自动化的重大 突破，以上的例子充分说明了模板化设计方法在汽车覆盖件模具设计中是可行 目有益的。 1 4 3 创建模板库 模板库由各类模板所组成，而模板的建立又是通过模块的积木式组合实现 的。整个模具结构可以按不同的功能划分为许多单个模块，每个模块都可以单 独设计和调用，最后按照一定的规则和约束组合在一起，即可完成整个模具的 结构设计 2 9 , 3 0 。 我们既可以对模具的主要结构如凸、凹模的通用主模块建立模板库，也可 以对模具的标准件、标准结构或标准件的集成建库，如图l 一2 所示。组成模板 的素材需要完全参数驱动且方便随时调用和修改。汽车覆盖件模具中，常用的 标准件主要包括：紧固类、导向类、起重类、冲裁类、定位类、回程类、侧冲 类。上述的每一类标准件由于其用途、功能的不同，选择时的方法和决定因素 也是不同的；标准结构库的建立采用自定义特征的方式生成三维实体，然后在 模型中定义其参数并赋值，同时利用表达式来管理参数，建立关联和约束；标 准件的集成，即把标准件和标准结构装配到一块，形成一个标准件的单元体， 从而避免了搭配上的错误，而且提高了设计效率。 望至堡兰三查兰三兰堡圭兰竺篓兰 o 鼍l 臼 哆、 ，誓l 露弋篱 ：歌矿r 移 c ) 幻标准件库b ) 标准结构模扳库c ) 标准件集成模板库 圈i 2 覆盖什模具模板库 f i g1 - 2 t h e t e m p l a t e l i b r a r i e s o f a u t op a n e ld i e 1 5 本论文的主要研究内容及目的 1 基于缩短模具开发周期，提高模具生产效率的前提，结合美国e d s 公司 的u g 软件为平台，以加快汽车覆盖件模具设计速度为目的，开发一套在功能 _-_l 哈尔滨理t 大学- t 学硕 j 学位论文 上实用、可行，在结构上完整、严谨，在技术上先进、新颖的汽车覆盖件模具 c a d 系统，进行以下研究： ( 1 ) 研究汽车覆盖件模具模板化设计的整体框架极其功能要求；明确实现该 快速设计系统的途径以及实现该过程所需的理论和软件基础。 ( 2 ) 分析和研究覆盖件模具设计特点与方法，为覆盖件模具设计模块的开发 奠定基础，并归纳基于u g 平台的三维标准件库的创建方法。 ( 3 ) 研究u g 二次开发