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凸轮轴铸件铸造工艺工装c a d 系统的开发 材料加工工程专业 研究生孙海滨指导教师蒋玉明 ( 随着计算机的普遍应用，c a d 技术也在各行业中普及并迅速转化成现实生 产力。它在企业中的应用大大缩短了产品的设计周期，提高了企业的市场竞争 力。然而目前我国的c a d 技术在被广泛应用的同时，其二次开发却又面临严重 滞后的问题。针对这一现状，悔文开发了一种新型的基于专家知识的凸轮轴铸 件铸造工艺工装设计的c a d 系统。 根据c a d 二次开发的特点，对参数化设计的原理和方法、c a d 设计过程中 知识的表示和运用、开发工具的选择以及系统的集成开发平台进行了深入的探 讨和研究。在此基础上，运用设计参数化、功能模块化技术，提出了以o b j e c t a r x 、v c + + 、s q l s e r v e r 为主要开发工具的二次集成开发平台的总体结构。 通过对凸轮轴铸件铸造成型工艺及其工装特点的研究与分析，制定了凸轮 轴铸件铸造工艺工装c a d 系统的主要处理过程以及本系统的总体结构，并结合 实际需要，阐述了各分系统的功能及其之间的相互关系，对全面完成本系统具 有指导意义。 在分析凸轮轴铸造工艺特点的基础上，采用软件模块化、参数化的开发方 法，完成了包括零件c a d 、铸件c a d 、确定分型面、浇注系统c a d 和冷铁c a d 等凸轮轴铸件铸造工艺的设计。( 在基于专家知识原理基础上，具体分析了凸轮 轴铸件分型面的确定原则和规则知识，并将其应用于系统开发中。当凸轮轴铸 件进排气凸轮间夹角2 0 。时，本软件实现了基于专家知识的分型面自动优化 选择，完全满足实际生产对分型面选择的要求，具有通用性和一定智能性的特 p 厂一 ，、 一 一 一 驴 一 钐 一 摘要 上 _ o 在分型面确定的基础上，完成了凸轮轴铸件相应冷铁的结构优化设计，并 详细的介绍了其优化过程。在进排气凸轮间夹角2 0 。的情况下，冷铁结构的 优化设计与分型面的确定原则一样具有通用性。寸 针对不同的工艺要求( 激冷、可淬) ，完成了凸轮轴铸件模样和模板的设计。 介绍了整体式和组合式的两种模样设计方法，详细分析了激冷条件下，凸轮轴 铸件前置、后置冷铁模与铸件模结构的设计过程，并在模样设计的基础上完成 了模板的3 d 部分建模。同样当凸轮轴进排气凸轮间的夹角2 0 。时，冷铁模的 结构设计也具有通用性。 整个系统涵盖了凸轮轴铸件铸造工艺工装设计的主要内容，具有较强的完 整性和系统性；面向铸造工程师的开发思路和大量铸造知识的有机融入，大大 方便了铸造技术人员的操作和使用，也使系统具有专业化、实用化和用户化的 鲜明特点，这些特点在实际的设计和分析过程中得到了验证。、j 关键词：凸轮轴，铸造工艺c a d ，集成开发平台参数化设计知识， 。 凡 i i 摘要 d e v e l o p m e n t o fc a d s y s t e m o nc a m s h a f tm o l da n d f o u n d r y t o o l sd e s i g n m a j o r i t y ：e n g i n e e r i n g o fm a t e r i a lp r o c e s s i n g g r a d u a t es t u d e n t ：s u nh a l b i n s u p e r v i s o r ：p o f f j i a n gy u - m i n g w i t ht h ee x t e n s i v eu s eo f c o m p u t e r , c a dt e c h n o l o g yh a sb e e nw i d e l yu s e da n d b e e ni n v e r t e di n t op r o d u c t i v e p o w e r s i na l li n d u s t r i e s i t su t i l i t yi ne n t e r p r i s es h o r t e n s t h ed e s i g nc y c l eo f p r o d u c ta n di m p r o v e se n t e r p r i s e s c o m p e t i t i v ep o w e ri nm a r k e t h o w e v e rt h es e c o n d a r yd e v e l o p m e n to fc a dl a g g e ds e v e r e l yi t se x t e n s i v eu s e a g a i n s tt h o s ea b n o r m a lp h e n o m e n a ，b a s e do ne x p e r tk n o w l e d g e ，ac a ds y s t e mo n c a m s h a f tm o l d d e s i g na n df o u n d r y t o o l sd e s i g nw a s e x p l o i t e d a c c o r d i n g t ot h ec h a r a c t e r i s t i co f s e c o n d a r yd e v e l o p m e n t ，t h et h e o r y 、m e t h o do f p a r a m e t e r i z a t i o nd e s i g na n dt h er e p r e s e n ta n da p p l i c a t i o no fk n o w l e d g ed u r i n gc a d d e s i g nw a si n t e n s i v e l ys t u d i e d ，a l s ot h es e l e c t i o no fe x p l o i t a t i o nt o o l sa n di n t e g r a t e d e x p l o i t a t i o np l a t f o r mw a sd i s c u s s e da n dr e s e a r c h e d o nt h e s eb a s e s ，u s i n gt h e t e c h n o l o g y o fd e s i g n p a r a m e t e d z a t i o n 、f u n c t i o n a lm o d u l a r i z a t i o n ，a s e c o n d a r y i n t e g r a t e dd e v e l o p i n gp l a t f o r mw h i c hw a sd e v e l o p e db yo b j e c ta r x 、v c + + 、s q l s e r v e rw a s b r o u g h t a b o u t b yt h es t u d ya n da n a l y s i so nm o l dd e s i g na n df o u n d r yt o o l sd e s i g nc h a r a c t e r i s t i c o fc a m s h a f tc a s t ，t h em a i nt r e a t m e n tp r o c e s sa n do v e r a l ls t r u c t u r eo fc a d s y s t e m a b o u tc a m s h a f tm o l d d e s i g n a n d f o u n d r y t o o l s d e s i g n w e r es e t c o m b i n i n g p r a c t i c a b l er e q u i r e m e n t ，t h et h e s i si n t r o d u c e st h ef u n c t i o n so fa l lb r a n c hs y s t e m sa n d t h er e l a t i o nb e t w e e nt h e m w h i c hh a sg u i d i n gm e a n i n gt o a c c o m p l i s ht h ec a d i i l s y s t e m o nt h eb a s eo f a n a l y z i n gt h em o l dd e s i g nc h a r a c t e r i s t i co f c a m s h a f tc a s t ，w i t ht h e d e v e l o p m e n tm e t h o do fs o f t - w a r e m o d u l a r i z a t i o na n dp a r a m e t e r i z a t i o n ，t h et h e s i s f i n i s h e dt h ed e s i g n so nm o l dd e s i g no f c a m s h a f tc a s tw h i c h c o n s i s t e d o f p a r t sc a d 、 c a s tc a d 、r u n n i n gs y s t e mc a d 、c h i l lc a da n dd e t e r m i n i n go f m o l d j o i n t o n t h e b a s i so ft h e o r yo fe x p e r tk n o w l e d g e ，t h ep a p e rs p e c i f i c a l l ya n a l y z e dt h er u l e so f d e t e r m i n i n go fm o l dj o i n t a n dk n o w l e d g e ，a n da p p l i e dt h er u l e s i nt h e s y s t e m e x p l o i t a t i o n w h e nt h ea n g l eb e t w e e ni n l e t c a ma n de x h a u s tc a n l 2 0 。，t h i s s o f t w a r ef i n i s h e dt h eo p t i m i z e da u t o m a t i cc h o i c e ，w h i c hh a dc o m m o n a l i t ya n d i n t e l l i g e n tc h a r a c t e r i s t i c sa n ds a t i s f yt h er e q u i r e m e n to f p r o d u c t i o n 。 b a s e do n d e t e r m i n i n go fm o l dj o i n t ，t h et h e s i sf i n i s h e dt h es t r u c t u r eo p t i m i z a t i o n d e s i g no fc h i l l ，a n di n t r o d u c e dt h ep r o c e s so fo p t i m i z a t i o ni nd e t a i l w h e nt h ea n g l e b e t w e e ni r d e tc a ma n de x h a u s tc a m ：2 0 。，t h ed e s i g no f c h i l lh a v ec o m m o n a l i t ya s d e t e r m i n i n go f m o l d j o i n t a g a i n s t v a r i e dp r o c e s sr e q u i r e m e n t ( c h i l l i n g 、h e a th a r d e n i n g ) ，t h et h e s i sf i n i s h e d t h ed e s i g no fm o d e la n dp a t t e r np l a t e ，i n t r o d u c e dt w ot y p e so fd e s i g nm e 晴f 蠹一 i n t e g r a lt y p ea n dc o m b i n e dt y p e ，a n a l y z e dt h ed e s i g nm e t h o d s o f t o p p i n gc h i l la n d p o s t p o s i t i o nc h i l li nd e t a i lo nc h i l l i n g a n db a s e do n t h em o d e l d e s i g n ，f i n i s h e dt h e 3 dm o d e lb u i l d i n go f p a t t e r np l a t e w h e nt h ea n g l eb e t w e e ni n l e tc a m a n de x h a u s t c a m 2 0 。，t h ed e s i g no f c h i l lm o d e lh a v ec o m m o n a l i t y ， t h e s y s t e mc o n s i s t so f a l ld e s i g n so f c a m s h a f t c a s tm o l dd e s i g na n df o u n d r yt o o l s d e s i g n ，w h i c hh a v es t r o n gc o m p l e t e n e s sa n ds y s t e m a t i c n e s s t h ea p p l i c a t i o no f e x p l o i t a t i o nt h o u g h t t oc a s t e n g i n e e r s a n dt h el l s eo f c a s t k n o w l e d g e n o to n l yw a s c o n v e n i e n tf o r t h eo p e r a t i o na n du t i l i z a t i o no f c a s tw o r k e r s ，b u ta l s om a d et h es y s t e m h a v et h ec h a r a c t e r i s t i c so f p r o f e s s i o n 、p r a c t i c a l i t ya n dc u s t o m i z a t i o nw h i c hw e r e t e s t e db yt h ep r o c e d u r eo f d e s i g n a n d a n a l y z e k e yw o r d s ：c a m s h a f t ，c a s tt e c h n i c s ，c a d ，i n t e g r a t e de x p l o i t a t i o np l a t f o r m ， p a r a m e t e r i z a t i o n d e s i g n ，k n o w l e d g e i v 1 绪论 1 绪论 铸造业是制造加工业的重要组成部分，对国民经济的发展起着重要作用。 我国铸造生产历史悠久，铸件年产量现已位居世界第二，是世界铸造大国。但 长期以来，铸造技术基本上是一种手工经验的积累，只是到了近代，随着科学 技术的飞速进步与生产机械化的蓬勃发展，生产规模日益扩大，生产手段不断 得以更新，才逐步成为一门工程技术旷”。 当今世界，全球制造加工企业之间的竞争越来越激烈，随着我国逐步建立 社会主义市场经济体制，特别是加入w t o 后，国内市场将成为国际市场的一 部分，国内制造加工业要赢得竞争，就要以市场为中心，以满足顾客需求为主 线，以技术创新为驱动力，快速地响应市场变化，并迅速占领市场。换句话说， 就是要以最短的产品研发周期( t i m e ) 、最优的产品质量( q u a l i t y ) 、最低廉的制造 成本( c o s t ) 及最好的技术支持和售后服务( s e r v i c e ) 来生产适销对路的产品 ( p r o d u c t ) ，即“t q c s p ”，去进入市场，占领市场，进而领导市场。面对不可预 测、瞬息多变的市场，企业的生产经营活动必须具有高度的敏捷性、动态性和 柔性，这已成为企业赢得竞争的必要条件【4 1 。正是基于上述形势，面对机遇与挑 战，铸造产业要立足市场并赢得竞争，必须走科技创新与发展之路。 电子计算机的出现，在科学技术上引起了一场深刻的革命。计算机在铸造 生产中的应用已经曰益得到人们的高度重视。随着计算机计算能力、逻辑判断 能力与人工智能化能力的增强，可以实现对铸造工艺参数、铸造设备与铸造生 产过程进行一定的检测与控制；可以进行铸造工艺、工装的优化设计，从而有 效地确保铸件质量、缩短试制周期、降低铸件生产成本、增加产品种类，提高 铸造生产的经济效益与社会效益，提升产品在市场中的应变能力与竞争实力 5 “。计算机在铸造生产中的应用( 如图1 1 ) 已成为生产高质量铸件的必备条件， 也是铸造生产现代化的主要发展方向。专家预言，今后二十年，计算机技术在 铸造领域将获得更广泛的实际应用，只要将铸件图纸、铸型材料、铸造合金液 热物性与凝固特性以及质量要求等数学模型输入，计算机就可以给出合理的浇 冒口系统设计方案，并根据相应的数值模拟技术对可能出现的缺陷位置及其程 度进行全面评估1 7 1 。因此，用计算机技术改造和提升传统铸造行业已成为铸造技 四川大学硕士学位论文 术的重要发展趋势。 图1 1 计算机在铸造领域中的应用 绪论 1 1 c a d 技术国内外发展概况与发展前景 计算机辅助设计( c o m p u t e ra i d e dd e s i g n 简称c a d ) 技术自2 0 世纪6 0 年代 形成以来，发展迅猛、应用广泛，至今已应用于机械、电子、航空、航天、汽 车、船舶、轻工、纺织、建筑及工程建设等各个产业领域口】，成为实现优质、高 效、低耗、可靠和环保生产的重要手段，是2 l 世纪占主导地位的新生产模式集 成制造系统( c o m p u t e ri n t e g r a t e dm a n u f a c t u r i n gs y s t e m c i m s ) 的核心和关键 技术，是现代产业技术的基础。 1 1 1c a d 技术的发展概况 简单说来，c a d 就是用计算机来进行各种产品的设计和工程设计，它改变 了过去人们在绘图板上用手工的绘图工具和方法进行设计的状况。广义地说， 人们所谓的c a d 蕴涵着更丰富的内容。往往包括c a d 、c a m 、c a e 。就是用 计算机和相应的软件来进行产品的设计、制造和工程分析，我们往往把计算机 在这些方面的综合应用概括地称为c a d 技术。 c a d c a m 技术起源于工业发达国家5 0 年代的航空工业，这是因为航空 工业既有这方面的迫切需求，又有它的技术优势，例如他们在飞机设计与制造 过程中，复杂曲面造型、实体模型的空间布置、运动机构协调、大型结构有限 元分析、c n c 技术、计算机辅助工艺过程设计、柔性制造系统仿真等方面的问 题都是非解决不可的，他们在这些方面也确实走在其他工业部门的前头。以 c a d c a m 技术伴随着计算机技术日新月异地发展而迅速发展起来。目前c a d c a m 技术日趋成熟，已广泛应用于航空、航天、汽车、造船、机械、轻工、 纺织、电子、电器、建筑和工程设计等领域，成为工业发达国家制造业保持竞 争优势、开拓市场的重要手段，有力地促进了全世界高新技术的发展和新产品 的迅速更新换代。有人预言，在9 0 年代，世界范围内将会出现一场计算机软件 工业革命。它对世界经济发展产生的影响可与1 8 世纪工业革命相比拟。 3 0 年来，工业发达国家的c a d 技术不断创新，系统不断完善，逐步发展形 成一个从研究开发、生产制造、推广应用到销售服务的完整的高技术产业，相 应产生了一批高技术产业公司，从事于c a d 硬件平台的制造、软件的开发、市 四川大学碳士学位论文 场销售、服务与咨询等方谳的工作。遮些公司尽管胜败、沉浮、兼并、合作随 时霹霓，并嚣蠛蓉缀大翦风险，爨麸全弱看，毽鬣瓣发溪摧动了c a d 技术的发 展，形成了c a d 商品、市场和产业，从而推动了社会生产的发展。现在，发达 国家的c a d 商黼以其领先一步的优势，争夺着发展中阐家的c a d 市场，以获 取裹产出静最大利澜。 c a d 技术的应用按行业的分布大体上为：机械行业5 1 ，电子电器行业 2 3 ，建筑业15 ，其它1 1 。现在c a d 技术的应用领域进一步扩展，从机械 产品熬设计、分摄、露造黎管理到气象颈掇、建璇绘图等无不涉及。不仅应蠲 领域遍及所有工业部门，而且在体育、医疗、艺术、电影、幼画、电视和广畿 等领城也商着广阔的_ | 藏用前景。据报邋，美国好莱坞电影公司有着世界上最大 数c a d 系统，羯c a d 技术 冬遥密静蠢景，不仅大量节省入力、锡力，降低电 影拍摄成本，而且还可给观众造成一葶申新奇、古怪、礁以想象的环境，褥到缀 高的黎房收入。c a d 技术还把大型航空港设计( 如日本关西航空港和香港新机 场) 瓣详缎方案爨终成动蘑，在电视主敖浚，篌一般公众麓尽快了解。在工、韭 发达国家，c a d 技术的成用已迅速从军事工业向民用工业扩展，出大型企救 向中小企业推广，由离技术领域的应用向日用家电、轻工产品的设计和制造中 普及1 9 一o l 。 1 1 2c a d 技术的发展趋势 c a d 技术伟为较成熟的技术已在众事业单位中广泛应用，并已成为企业的 现实象产力。围绕金整翻薪设计貔力静援高和网络计算环境的普及翻应用，c a d 技术的发展趋势将主要围绕在标准化、开放式、集成化、蟹能化、网络化五个 方面 1 ”。 ( 1 ) 标准亿 除了c a d 支撵软传逐步实现i s 0 橼准和工业椽准乡 ，蘑起应舆的标准槐馋 ( 零部件库) 、标猴化方法也融成为c a d 系统中的必备内容，鼠向着合理化工程 设 静应嗣方商发展。 c a d 软件一般应集成在一个髯构的工信乎套之上，炎了支持异掏跨平台黪 4 绪论 环境，就要求它应是一个开放的系统，这里主要是靠标准化技术来解决这个问 题。目前标准有两大类：一是公用标准，主要来自国家或国际标准制定单位： 另一是市场标准，或行业标准，属私有性质。前者注重标准的开放性和所采用 技术的先进性，而后者以市场为导向，注重考虑有效性和经济利益。后者容易 导致垄断和无谓的标准战。通过总结这个领域几十年标准化工作的经验，不少 标准化专家已认识到存在的问题，这已经成为进一步制定标准的障碍。因此提 出应对传统的标准化工作进行革新。有专家建议标准革新的目标是公用标准应 变成工业标准，也就是说革新后仍应以公用标准为基础，不过要从工业标准中 吸收其注重经济利益和效率的优点。另外，也有人提出现在制定标准的单位很 多，但是标准制定过程却没有标准，这也是标准革新过程中值得考虑的问题。 这些观点对我国制定c a d 标准也许有所启迪。 ( 2 ) 开放性 c a d 系统目前广泛建立在开放式操作系统窗口w i n d o w9 5 9 8 n t 和 u n i x 平台上，在j a v a u n u x 平台上也有c a d 产品，此外c a d 系统都为最终 用户提供二次开发环境，甚至这类环境可开发其内核源码，使用户可以定制自 己的c a d 系统。 ( 3 ) 集成化 c a d 技术的集成化体现在三个层次上：其一是广义c a d 功能。c a d 技术 的集成化体现在三个层次上：c a d c a e c a p p c a m p d m 经过多种集成形 式成为企业一体化解决方案，推动企业信息化进程。目前创新设计能力( c a d ) 与现代企业管理能力( e r p 、p d m ) 的集成，己成为企业信息化的重点；其二，是 将c a d 技术能采用的算法，甚至功能模块或系统，做成专用芯片，以提高c a d 系统的效率；其三是c a d 基于网络计算环境实现异地、异构系统在企业间的集 成。应运而生的虚拟设计、虚拟制造、虚拟企业就是该集成层次上的应用。国 际c a d 商品系统开发的另一个趋势是在全球范围内优选最成功的功能构件，进 行集成。至今最成熟的几何造型平台有两家：p a r as o l i d 和a c i s ；几何约束求 解构件有一家，它的主要产品是2 d 和3 dd c m 。我国开发的机械c a d 应用系 统已经部分采用a c i s 和p a r as o l i d 平台，这是合理的。但是国际上近来又有一 种思潮，要求软件开发自由化，以免受制于一、二家公司垄断性产品的束缚。 5 四门i 大学顼上学位论文 这就是选用l i n u x 操作系统以及在它基础上开发各种共享软件，开放源程序。 我国也在酝酿自主开发因特网、操作系统、以及各种办公的国产化系统。这时， 自研制几何造型通用平台和各种功能构件也将提上议事日程，我们要及早做好 准备 1 6 1 5 l 。 ( 4 ) 智能化 设计是一个含有高度智能的人类创造性活动领域，智能c a d 是c a d 发展 的必然方向。从人类认识和思维的模型来看，现有的人工智能技术对模拟人类 的思维活动( 包括形象思维、抽象思维和创造性思维等多种形式) 往往是束手无策 的。因此，智能c a d 不仅仅是简单地将现有的智能技术与c a d 技术相结合， 更要深入研究人类设计的思维模型，并用信息技术来表达和模拟它。这样不仅 会产生高效的c a d 系统，而且必将为人工智能领域提供新的理论和方法。c a d 的这个发展趋势，将对信息科学的发展产生深刻的影响。 ( 5 ) 网络化 网络技术是计算机技术和通讯技术相互渗透、密切结合的产物，在计算机 应用和信息传输中起着越来越重要的作用。c a d 技术作为计算机应用的一个重 要方面同样离不开网络技术。单台计算机的处理能力限制了其应用范围，只有 通过网络互联起来，才能资源共享和协调合作，发挥更大的效能。设计工作是 一个典型的群体工作。群体成员既有分工，又有合作。群体工作不可能分解为 互相独立的个体工作，群体成员之间存在相互关联的问题，一般称为接口问题。 接口难免会出现矛盾和冲突，如不及时发现和协调解决，就会造成返工和损失。 传统的c a d 系统只支持分工后各自应完成的具体任务，至于成员间接口问题， 计算机不能支持，主要靠面谈或某种通讯工具进行讨论并加以解决。但这些方 式很难做到及时并充分地协商和讲讨论。因而一项大的设计任务接1 ：3 问题难免 要出差错，这正是为什么设计工作会出现不断反复、不断修改这一过程的主要 原因。计算机网络支持的协同设计是计算机支持的协同工作( c s c w ) 技术在设计 领域的一种应用。用于支持设计群体成员交流设计思想、讲讨论设计结果、发 现成员间接口的矛盾和冲突，及时地加以协调和解决，减少以至避免设计的反 复，从而进步提高设计工作的效率和质量。 6 绪论 1 2c a d 技术在铸造过程中的应用与发展趋势 铸造工艺c a d 是指c a d 技术在铸件生产工艺中的具体应用，一般铸件的 成形过程，自始至终处在约5 0 0 。c 以上的高温状态，而且影响因素繁多，工艺设 计方案不仅随金属类型、合金成份、造型材料、生产方式、熔炼方法、浇注过 程的不同而不同，同时也随操作技术、生产场地及人员组成不同而变动，而且 一个个铸件同时可以有多种不同的工艺方案，所以一个铸件的成熟工艺不仅需 要有一定的生产经验，往往需要多次生产的反复试验才能确定。因此c a d 在铸 造工艺中的应用更有着非同寻常的意义。 目前国外的商品化铸造工艺c a d 软件主要有：美国铸造学会的 a f s s o f t w a r e ，美国u e s 公司的p r o c a s t ，英国f o s e c o 公司的f e e d e r c a l c ， 丹麦d i s a 公司的d i s a m a t i c 等| 1 9 i 。铸造工艺c a d 技术使铸造工艺设计效率 成倍提高，大大增强了这些国家铸造产品在国际市场上的竞争能力，给铸造企 业带来了巨大的经济效益。 l1 2 1c a d 技术在铸造过程中的应用 当前开展的铸造工艺c a d 研究内容主要包括两个部分：铸造凝固过程数值 模拟c a d 和铸造工艺工装c a d f ”l 。 ( 1 ) 凝固过程数值模拟 凝固过程数值模拟包括凝固过程的温度场、流场、微观组织场的数值模拟。 研究的目的就是对逐渐生产过程中可能产生的缩孔、缩松、微观组织、残余应 力等进行预测，对缺陷位置及数值进行全面分析判断，从而对工艺设汁方案进 行优化，提高工艺出品率，降低生产的成本。 ( 2 ) 铸造工艺工装c a d 铸造工艺c a d 是指从零件图输入到铸件工艺图输出之间应完成的全部 工艺设计工作。主要包括分型面、加工余量、拔模斜度、芯头、浇注系统、冒 口及各种工艺符号的设计。其中最关键的设计是浇冒系统的设计，随着各种金 属材料的凝固特性不同，其浇冒系统的设计各异。铸造工装部分的c a d 主要包 括模样设计、模板设计、芯盒设计和砂箱设计。在各种设计生成的图形中关键 婴型查兰堡兰兰丝堡兰 一一 是上下模板的装配图和芯盒图，因为它包含了对所有模样的加工、装配信息 同时提出了设计砂箱的相关要求。 l2 2c a d 技术在铸造过程中的发展趋势 目前，国内许多铸造企业已采用计算机绘图软件来绘制机械固和工艺固， 明显提高了工艺设计效率，但与工业发达国家铸造企业正在使用的商品化铸造 工艺c a d 系统相比，工艺设计效率的提高仍然有限。相比之下，国内众多铸造 企业仍停留在单纯利用绘图软件绘图的阶段，尚未进入开发和应用集工艺设计 和绘图功能于一体的铸造工艺c a d 软件的阶段。目前的铸造工艺c a d 系统在 实际应用中还是存在一些问题，具体表现在以下几个方面： ( 1 ) 多数c a d 工艺软件都是基于二维的c a d 系统，在工艺设计中大多数 只起到了辅助绘图的作用，对提高设计效率及设计质量没有发挥明显的作用； ( 2 ) 铸造厂家购买的通用c a d 造型软件虽然功能强大，但是由于未经二 次开发，不适合专门的铸造工艺设计； ( 3 ) c a d c a p p c a e 系统之间的整合功能有待加强。 随着计算机应用的日益普及，c a d 技术在铸造生产过程中的应用又有了新 的发展，主要集中表现在以下几个方面： ( 1 ) 铸造生产c i m s 与并行工程 c i m s 是一种新型生产模式。它要求在新的生产组织原理指导下，将 c a d c a p p c a e c a m 有机的集成起来建立一种新的设计、规划、生产、分析 计算及技术管理的一体化的模式，而这一系列的技术的实施，只有采用并行工 程才能更有效。并行工程是现代制造业组织产品设计和生产的一种哲理。它是 对产品及相关过程( 包括制造过程和支持过程) 进行并行一体化设计的一种系 统化的工作模式，这种模式力图使开发者从一开始就考虑到产品的全部生命周 期( 从概念形成到产品报废) 中的所有因素，包括质量、成本、进度和用户需 求。并行处理技术是在电子化产品建模技术、面向目标的工程数据库产品信息 管理系统和网络通信系统构成的集成框架下实现的，它们之间可以随时地相互 通信，并实现数据资源共享，所以不仅能缩短生产过程各环节的周期，还可以 绪论 提高产品设计的一次性成功率。 目前，我国铸造工艺c a d 和c a e 正在发展之中，二者的独立技术还没有 完全成熟，并行技术还刚刚起步，所以在铸造行业实现c i m s 与并行工程还需 要付出更大的努力。 ( 2 ) 铸造生产虚拟产品开发 虚拟技术是指利用计算机和外部设备，生成与真实环境相一致的三维虚拟 环境。并且能够通过辅助设备与环境中的物体进行交互作用，完成对产品的设 计、制造及过程的管理。可见实现虚拟技术的过程不仅可以是一种并行过程， 同时它还可以是分布式的。即实现虚拟技术的一组人员和成批的设备，可以在 不同的地点，利用网络通讯和资源共享，同时完成同一个虚拟过程。 铸造生产中的虚拟制造技术可以称为虚拟铸造技术。目前国外虚拟铸造技 术主要应用于铸件设计、浇注充型或造型过程的数值模拟及结果的可视化和铸 造生产过程的仿真优化3 个领域。我国在对铸件凝固过程数值模拟过程及结果 的可视化方面做了大量工作，可以直接观察模拟过程和结果，从而分析铸件凝 固过程及形成的缺陷，以便采取适当措施提高铸件质量。 1 3 本文课题背景、研究意义及主要工作 1 3 1 课题的研究背景及意义 本课题的研究工作总体上是从江苏省仪征凸轮轴厂的“凸轮轴计算机辅助 设计c a d 系统的开发”项目展开的。研究目的和方向就是针对我国c a d 应用 的日益普及和推广，而二次开发严重滞后的现象，在c a d 软件的基础上，根据 参数化和模块化思想，对专门的凸轮轴铸件铸造工艺工装设计进行二次丌发， 开发出关于凸轮轴铸件铸造工艺及工装模具的三维设计c a d 系统。作者通过对 凸轮轴铸造工艺工装c a d 系统的开发实践，以凸轮轴作为具体研究对象应用参 数化设计和基于知识的c a d 等技术及其在凸轮轴工艺工装c a d 中的应用。 本文提出研究基于c a d 的二次开发技术，并建立基于c a d 二次，i ：发的多 软件集成开发平台结构，对于智能c a d 技术在铸造行业中的应用和普及具有重 大理论研究意义和实际应用价值。 9 四川大学硕士学位论文 1 3 2 论文研究的主要工作 ( 1 ) 全面搜集大量相关文献，明确现代设计方法中c a d 及其二次开发技 术的重要作用，分析c a d 二次开发中所采用关键技术的发展与应用现状，研究 c a d 及其二次开发的相关理论与研究动态。 ( 2 ) 明确c a d 二次开发的相关概念，探讨c a d 二次开发工具的使用及其 关键技术，建立c a d 二次集成开发平台的总体结构。 ( 3 ) 归纳总结凸轮轴零件、铸件模型及其建立方法，以参数化设计为基础， 应用这些方法对凸轮轴零件、铸件信息模型进行描述，完成其铸件和模具的建 模。 ( 4 ) 总结凸轮轴铸件基本工艺设计理论、工艺优化设计方法，为凸轮轴铸 件专用c a d 系统的研制提供专业知识基础。 ( 5 ) 应用基于知识的参数化方法解决凸轮轴设计中的重点、难点和影响其 性能的关键性问题，并实现大量专业设计知识的程序化。综合应用先进的程序 开发技术研制凸轮轴铸造工艺工装c a d 系统。 1 0 2 系统的开发原理与关键技术 2 系统的开发原理与关键技术 2 1 参数化设计技术 参数设计是指先用一组参数来定义几何图形( 体素) 尺寸数值并约定尺寸 关系，然后提供给设计者进行几何造型使用。参数的求解较简单，参数与设计 对象的控制尺寸有显式的对应关系， 设计结果的修改受到尺寸驱动 ( d i m e n s i o nd r i v e n ) 。生产中参数设 计常用于设计对象的结构形状比较定 型的产品，系列化标准件就是属于这 一类型。参数设计系统的原理见图2 1 所示。 图21 参数设计系统原理框图 对于系列化、通用化和标准化的定型产品，如模具、央具、液压缸、组合 机床、阀门等，这些产品设计所采用的数学模型及产品的结构都是相对固定不 变的，所不同的只是产品的结构尺寸有所差异，而结构尺寸的差异是由于相同 数目及类型的已知条件在不同规格的产品设计中取不同值而造成的。对这类产 品进行设计时，可以将己知条件和随着产品规格而变化的基本参数用相应的变 量代替，然后根据这些已知条件和基本参数由计算机自动查询图形数据库，再 由专门的绘图生成软件自动地设计出图形来并输出到屏幕上。 在凸轮轴铸件及其相关模具的设计过程中采用了三维实体的参数化i 殳计技 术( 如图2 2 所示) 。 图22 凸轮轴参数化设计实例 l l 蹈朋大学硕士学位论文 图2 2 为六缸凸轮辅铸件三维实体的参数化设计示意图。如图中所示，o 点 为定位蒸准点，l 0 l 6 梵凸轮辘辘经定鬣尺寸，p t 氍为瓣气晶轮定位尺寸， j 1 j 6 为进气凸轮的定位尺寸，当这些尺寸确定后，轴径和凸轮在基轴e 的相 对位置椎一确定；衙将它们作为变量后，赋予变量不同的常数值，即改变图形 元素阕懿尺寸终康瓣，将德到癌基毒鑫、凸轮、辘径鼹缓残豹不弱形状筠三缎图 形，但他们之间的相交关系( 垂直关系、平行关系) 保持不变，即结构约柬不 变。注意，轴径和凸轮基圆的嘲1 1 , 无须标注，帮则，图形过约束：而如果上述 变艇任一缺少减基杰不定，图影将欠约束。在逡终索稻欠约束懿情况下，均会 导致图形的结构约束和尺寸约柬不一致。进而不能正确建立参数化模型。对于 基轴、轴径、凸轮的其他约束尺寸，如基轴和轴径的直径、厚度，凸轮的基圆 壹径、楼尖轮瘸足寸等都霹强佟失尺寸交懿来绞寒萁三维造型形状。 参数化造型的主体思想是用几何约束、数学方程与关系来说明产品模型的 形状特征，从而得到簇在形状或功能上具有相似性的设计方案。参数化实体 造爨瓣关键是凡褥约束关系赘掇取、表达、求群隘及参数纯凡褥模型的孛每建。 三维实体几何约束关系可表示为：姨i 算术运算符、逻辑比较运舞符秘标 准数学函数组成的等式或不等式关系，它们可以在参数化造型系统的命令窗中 壹接潋鑫令季亍形式输入；莛线关系，壹缓把物瑾实验益线或萁住特褴齑线用 于几何造型；关系文件，它怒许多关系命令行语句鄹特定语句的集会，冀鼹 表达的多种几何约荣关系，包括联立方程组可以写成种特定格式的文件( 即 焉户缡稷) 输入至计簿撬，成撒驱动死诲设计；面淘人工智能豹知蓼 表达方 式，这种方式将组成几何形体的约束关系、几倪与拓扑结构用一盼逻辑强词熬 形式描述，并筠入知识库中。知识表达的方式一方面是以符号化形式表达各种 类爨静数疆，求取符号解；另一方丽怒加上基予约束豹凡俺维瑾，求取数值解， 从两在更大程度上实现机械产品的智髓设计。 3 d 参数他模型憝由几何模型和约束信息两大部分组成。根据几何尺寸约束 翻籀羚信惠模羹掏遣的先嚣次弹，亦却它们之闻的依存关系，可以将参数亿造 型分为两类。类是几 可约束佟用在具有圈定攘羚缝构形体昭足凭体豢土，凡 何约束值不改变几何模型的拓扑结构，而慰改变几何模型的公称大小。这类参 数纯造型系统戳b r e p 为其内部表达麓主模蘩。另类是先说明参数化模型的 1 2 2 系统的开发原理与关键技术 几何构成要素及它们之间的约束关系，而模型的拓扑结构是由约束关系决定的。 这类参数造型系统以c s g 表达形式为内部的主模型，它可以改变实体模型的拓 扑结构，并且便于以过程化的形式记录构造的整个过程【2 i 。”。 2 2 铸造工艺工装c a d 系统中知识的运用 计算机在铸造行业的应用，使铸造领域发生了两大变化。一种变化是铸造 工程设计与制造趋于自动化；另一种变化是可以对设计结果进行定量分析，即 数值模拟。这两种变化共同构成了铸造c a d 发展的设计一校核再优化的趋势 2 4 1 。我们知道，铸造工艺装备设计具有这样的特点：1 ) 设计知识是经验性知识， 有先例可类比，具有启发性的特点；2 1 专业人员经验知识越多，设计水平越高； 3 ) 设计流程具有很强的重复性：钔经验知识的可变更性。而这些特点正是专家系 统要解决的且是一般程序难以办到的。所以随着计算机技术在铸造行业的深 入研究，设计一校核愈来愈突出地表现为专家系统和数值模拟两大技术的平行 发展。一方面，比较全面的专家系统的设计减轻了数值计算的负担，另一方面， 数值模拟的结果的积累又丰富了专家系统的知识；二者相辅相成，共同发展1 2 6 2 8 1 。 一个完善的铸造工程专家系统应包括：原辅材料及合金的设计、铸造工艺 装备设计、型( 芯) 砂质量管理、铸件的检验及质量分析、生产各环节的优化、成 本核算和生产计划的编制等子专家系统。其中，国内见诸报道的有清华大学研 制的“型砂质量管理专家系统”和“球铁件缺陷分析专家系统”、甘肃工业大学 研制的“铸件质量分析专家系统( 简称c d a 系统) ” 2 9 1 。 2 2 1c a d 系统中知识的表示 专家系统技术在c a d 系统中运用，就是将与产品设计有关的知识转化为专 家系统中的知识库。用知识来支持产品的概念设计、初步设计和详细设汁等整 个产品设计过程，即智能c a d 系统。专家系统的领域知识获取过程可分为4 个 阶段：( 1 ) 识别领域知识的基本结构与特点。寻找适当的知识表示方法。这是 知识获取过程中最困难的第一步啪。1 l ；( 2 ) 确定适当的知识库存储结构；抽 四川大学硕士学位论文 取领域知识转化成计算机可识别的代码：( 4 ) 调试、精炼知识库。也就是说， 知识获取策略是由知识的表示模式和知识库的存储结构决定的。而机械设计的 领域特点则最终决定了知识表示的具体方法，如图2 3 所示。 图2 3 领域特点与知识获取的关系 开发者比较赏识的知识表示方法有规则法、语义网络法、框架法和过程表 示法等，其中规则表示法最常用、在凸轮轴铸造工艺工装c a d 系统中，知识的 表示就采用了此表示方法。凸轮轴铸造工艺工装c a d 系统的知识库中应具有两 方面的知识：确定性