（材料加工工程专业论文）基于变量约束的级进模结构装配设计.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 t 审7 6 州 二：! 如何使用户能够方便、有效地进行级进模结构及零件的设计，是级进模c a d 系 统需要解决的关键问题之一。 为了解决上述问题，本文首先分析了级进模的结构特点，并采用面向对象的方法 对级进模进行抽象描述，构造出零部件类、零件尺寸信息类及零部件约束类分别用于 描述构成级进模的零部件及零部件之间复杂的装配关系。通过类及类的实例化，可将 级进模映射为计算机系统内各类对象的集合，从而确定了级进模结构c a d 系统的软 件环境。 在此基础上，作者根据装配设计理论，提出一“约束关系树”模型来完整地描述 级进模结构及功能组成，并采用基于变量表达式的约束求解方法实现了装配模型的快 速更新。该方法为实现基于约束的自顶向下的级进模结构设计奠定了基础。 最后，作者讨论了级进模零部件库的数据管理机制以及库与级进模结构c a d 的 接口机制，并采用基于组件的模具结构设计方法，实现模具装配设计。该方法可极大 地减少设计人员的重复劳动，提高模具设计效率。 基于上述研究成果，作者在h m c a d 基础上，进一步完善了级进模结构c a d 模 块，使该模块具备了参数化的自顶向下设计功能。 关键词：级进模c a d 面向对象变量表达式装配设计组件 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t h o wt od e s i g nt h es t r u c t u r ea n dc o m p o n e n t so fa p r o g r e s s i v ed i ee f f i c i e n t l yb e c o m e s o n eo f t h em a i n p r o b l e m st ob es o l v e di nt h ec a d c a ms y s t e mf o rp r o g r e s s i v ed i e s a c c o r d i n gt o t h ec h a r a c t e r i s t i c so fp r o g r e s s i v ed i e s ，t h eo b j e c t - o r i e n t e dm e t h o di s a p p l i e dt oa b s t r a c t i v e l yd e s c r i b et h ep r o g r e s s i v ed i e t h r e em a i nc l a s s e sa r ee m p l o y e d t w oo ft h e m n a m e d “p a r tc l a s s a n d “p a r td i m e n s i o nc l a s s a r ec o o p e r a t i v e l yu s e dt o d e s c r i b et h ef e a t u r e so ft h ep r o g r e s s i v ec o m p o n e n t s ，s u c ha st h ec o m p o n e n tn a m e ，p o s i t i o n a n de s p e c i a l l yt h e i rd i m e n s i o ni n f o r m a t i o n t h et h i r dc l a s s ，n a m e d c o n s t r a i n tc l a s s ”，i s d e f i n e dt om a n a g et h ec o m p l e xc o n s t r a i n t sb e t w e e nt h ec o m p o n e n t s b yc l a s sd e f i n i t i o na n d i n s t a n t i a t i o n ，ap r o g r e s s i v ed i ec o u l db em a p p e dt o a no b j e c t - s e t ，w h i c hl o c a t e si nt h e c o m p u t e r w o r l da n d p r o v i d e sa ni m p o r t a n tf r a m ef o rd e v e l o p i n g t h es y s t e mf u r t h e r o nt h eb a s i so ft h e o b j e c t - s e ta n da c c o r d i n gt ot h ea s s e m b l yd e s i g nt h e o r y , a c o n s t r a i n t - b a s e da s s e m b l yt r e ei sp r o p o s e dt or e p r e s e n tf u n c t i o nc o n t e x ta n dc o n s t r a i n t so f t h e p r o g r e s s i v e d i e i no r d e rt o u p d a t e t h e a s s e m b l y m o d e l q u i c k l y , a v a r i a b l e e x p r e s s i o n - b a s e da l g o r i t h mf o rs o l v i n gt h ec o n s t r a i n t si sa p p l i e d a sar e s u l t ，t h e t o p - t o - d o w nd e s i g nf o rp r o g r e s s i v ed i es t r u c t u r ec a n b ei m p l e m e n t e d e a s i l y f i n a l l y , c o m b i n e dw i t ht h em a n a g e m e n t m e c h a n i s mo ft h ep r o g r e s s i v ed i es t a n d a r d p a r tl i b r a r y , t h eg r o u p b a s e dd e s i g nm e t h o dw a sd i s c u s s e di nt h et h e s i s w i t ht h i sm e t h o d ， t h et e d i o u sw o r ko fd e s i g n e r sc o u l db er e d u c e dg r e a t l ya n dt l l ed e s i g ne f f i c i e n c yc o u l db e l a r g e l yi m p r o v e d w i t l lt h ea b o v er e s e a r c h t h ea u t h o rh a sp e r f e c t e dt h ec a d s y s t e mf o rp r o g r e s s i v e d i e sa n d p r o v i d e d t h es y s t e mw i t ht h et o p - t o - d o w nd e s i g na b i l i t y k e y w o r d s ：c a df o rp r o g r e s s i v ed i e ，o b j e c t o r i e n t e d ，v a r i a b l e - b a s e de x p r e s s i o n ， a s s e m b l yd e s i g n ，g r o u p i l 华中科技大学硕士学位论文 1 绪论 本章概述了开发级进模c a d c a m 系统的目的和意义，综述了级进模c a d c a m 系统的发展 概况、存在问题、发展方向和关键技术，最后，介绍了作者的研究工作和意义。 1 1 引言 随着钣金零件在电子、汽车、航空航天等领域的广泛使用，级进模作为一种高效 精密的模具，其作用也日益显著。但是，级进模结构复杂、零件精度及可靠性要求高， 其设计、制造周期比一般模具要长得多。如何提高级进模设计和制造的效率是一个急 待解决的问题。采用级进模c a d c a m 技术是解决上述问题的有效手段。一些发达国 家在七十年代初期就开始了这方面的研究工作，我国在八十年代初也开始了相应的研 究工作并取得了一定成果。 1 2 国内外模具c a d c a m 系统的研究概况 国外于6 0 年代末开始模具c a d c a m 技术的研究，7 0 年代初已有初具雏形的软 件产品投入生产中使用j 。 1 9 7 3 年美国d i e c o m p 公司研制的p d d c 系统1 2 1 是世界上第一个用于冲裁零件的 级进模c a d c a m 系统。该系统包括产品图形与材料特性的输入，在输入的基础上在 进行模具结构类型选择、凹模排样、凸模和其他嵌件设计，最后绘制模具总装图和零 件图及n c 编程。该系统的投入使用，使连续模( 级进模) 设计周期由手工设计的8 个星期缩短为2 个星期，整个生产准备时间由1 8 个星期缩短至6 个星期，从而增强了 公司的竞争能力。 1 9 7 7 年捷克金属加工工业研究所研制出a k t 系统【j j 。该系统适用于冲裁件的简 单模、复合模和级进模的设计。它是模具的生产周期由原来的一个月缩短至8 d ，成本 降低一半左右。 1 9 7 8 年日本机械工程实验室开发了一套级进模c a d 系统m e l 3 l ，该系统由产 品图输入、模具类型选择、毛坯排样、条料排样、凹模布置、工艺计算、绘图等1 0 个模块组成。 此外还有英国s a l f o r d 大学、e t 本旭光学工业公司、前苏联科学院综合技术研究所 华中科技大学硕士学位论文 等都于7 0 年代开展了冲模c a d 系统的研究，并取得了一定成果。 进入8 0 年代，随着计算机技术的发展，模具c a d c a m 技术得到更为广泛的发 展。 日本日立公司于1 9 8 2 年研制成弯曲级进模c a d c a m 系统一j 。该系统采用人工和 计算机设计相结合的批处理方式。即由人工完成产品图展开及工序设计与条料排样、 凹模布置、然后用类似于a p t 语言输入计算机，再分别由前处理程序、主处理程序以 及后置处理程序完成毛坯排样与材料利用率计算、压力计算、模具结构设计及输入模 具装配图、零件图、线切割纸带等。采用该系统进行模具设计与加工后，所需时间减 少到原来手工设计与加工的1 ，5 ，其中设计时间减少到1 4 。 日本富士通公司也于1 9 8 2 年研制成功级进模集成c a d 系统。该系统用于弯曲零 件级进模设计i ) j 。整个系统包括产品图输入、凸模和凹模形状设计、条料排样( 凹模 布置) 、模板设计、辅助装置设计、绘制模具图纸并输入线切割纸带。系统中采用自动 设计于交互设计相结合的方法，其中毛坯展开、弯曲回弹计算、凹模布置的工步排序 等均为自动处理。应用该系统后，所需设计时间只有手工设计的4 0 左右。 日本n i s s i n 精密机器公司于1 9 8 5 年在u n i c 软件基础上开发了冲裁级进模 c a d c a m 系统。该系统可完成几何构型、排样图设计、凹模与凸模设计、标准件设 计以及生成线切割纸带等功能。 1 9 8 5 年日本微型模具中心与i b m 公司合作应用d c s d r a w 系统开发了一个冲模 c a d c a m 系统，可完成从产品图输入到输出标准件清单、模具总装图、零件图及n c 数据的全过程。系统包括图形数据库、标准件库、标准形状结构数据库、冲模制造数 据库等【1 1 。 j 此外，德国s t e p p e r 公司巾j 、美国通用汽车公司、福特汽车公司、英国p s f 公 司等在模具c a d c a m 研究方面也取得了较大成就。 九十年代初期，印度学者y k d v p r a s a d 及s s o m a s u n d a r a m 等基于a u t o c a d 开发了普通冲裁c a d c a m 系统j 。它采用参数化编程技术建立模具标准件库。模具 的设计仍然以交互图形设计为主。 a u t o t r o l 技术公司也于九十年代初期开发了一个基于三维几何造型技术的模具设 计系统d i e d e s i g n p j 。该系统也是一个以交互式设计为主的图形处理系统。由于采用 了三维几何造型技术，系统对板金产品及模具结构的表达能力得以增强。此外，新加 坡国立大学的a y c n e e 教授在p c 机环境下重点研究了板金件的毛坯展开与排样算法 华中科技大学硕士学位论文 【州 6 在国内，华中理工大学、西安交通大学、上海交通大学、浙江大学。北京农机工 程学院和北京航天航空大学等单位于八十年代初期开始模具c a d c a m 方面的研究工 作。 1 9 8 1 年，华中理工大学开始精冲模c a d c a m 系统h j c 的研制工作，并于1 9 8 4 年在国产d j s l 3 0 机上实现该系统”u j - 【”j 。1 9 8 6 年，又在i b m p c 机上，建立了普 通冲裁模的c a d c a m 系统h p c 【l “。该系统以批作业方式运行，各功能模块间通过 数据文件传递信息，适用于设计与制造单冲及复合模。在该系统中，产品零件信息以 编码方式输入到计算机中，经过程序处理后，建立其形状描述数据。工艺设计模块则 根据这些形状数据分析零件的工艺性，确定采用单冲还是复合成形工艺，并利用高度 函数优化模型确定毛坯排样。模具结构设计模块则根据工艺设计结果，交互地从标准 件图库中选择标准模架及典型组合，确定模具的总体结构，然后再交互地设计凸模及 凹模。1 9 8 7 年，他们与国营7 3 3 厂合作将h p c 系统移植到v a x 7 3 0 机上i i “，并进一 步扩充了h p c 系统功能，开发出适用于冲裁级进模设计的h c c d 系统。1 9 9 0 年又与 成都7 1 5 厂合作，开始进行成形级进模c a d c a m 原形系统的研究【j ”“，以用于电 位器、焊片等具有弯曲、拉深、冲裁等工序的级进模设计。该系统是针对专用零件及 专用模具结构开发的c a d 系统。1 9 9 3 年以后，华中理工大学先后与镇江接插件总厂、 武汉无线电器材厂、新加坡g i n t i c 研究所合作开发了一套基于三维特征构型的级进 模c a d 系统恤q _ l “j 。该系统采用基于特征的三维造型技术进行钣金件构型以及条料 排样，并应用自上而下的装配理论进行模具结构装配设计，且建立了基于参数化的模 具标准件库。该系统的主要问题是不能进行复杂冲压件产品构型，限制了其使用范围。 2 0 0 0 年，华中科技大学( 原华中理工大学) 与美国u g 公司合作，开发出基于u g 平 台的级进模c a d c a m 系统。该系统的成功研制开创了模具c a d c a m 研究领域内崭 新的篇章。目前，该系统正在不断的完善与升级。 西安交通大学于八十年代中期开始冲模c a d c a m 的研制工作肛，先后研制了拉 深模c a d 系统、电器零件冲裁模c a d 系统以及家电零件冲裁弯曲连续模c a d c a m 系统j j m o l d 。j j m o l d 系统的模具结构及零件设计，采用建立在模具标准化基础上 的典型装配关系组合法。模具总装设计结果是以一种简化装配图形式表达的。9 0 年代 初期，西安交大在总结了冲模c a d c a m 的研制经验之后，对该系统进行了改进，以 期建立一柔性的模具c a d c a m 系统，提高系统的自动化水平，并增强系统的实用 华中科技大学硕士学位论文 性及通用性。 。 浙江大学于1 9 9 0 年开发了一智能级进模c a d c a m 系统弘叫。该系统适用于2 d 冲裁件的级进模设计。冲压产品形状采用a u t o c a d 软件输入，然后再自动识别出零 件形状，并进行产品的工艺性审核。模具设计部分则主要采用典型结构调用和交互设 计相结合的方法。各零件设计完成后，根据它们在装配结构中的位置进行消隐处理， 形成模具装配图。 上海交通大学于八十年代中期开展冲模c a d c a m 系统的研究工作，开发出一普 通冲裁模c a d c a m 系统j ，并开展了冲裁多工位级进模c a d c a m 系统的研制工 作。在该系统中，模具结构及零件的设计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。他们认为实现这一方法的关键是开发一智能化数据库，该数据库 能存储各种级进模典型结构、标准零件、设计经验、设计方法及步骤，并向用户开放。 其他研究机构也先后研制出了冲模c a d c a m 系统。其系统功能、基本原理和方 法与前述大体相同，不再详述。 1 3 级进模c a d c a m 系统存在的问题及发展方向 从目前级进模c a d c a m 系统的研究及应用状况来看，觋有的系统大多数是基于 几何的设计系统，主要存在以下几个方面的问题驯- 【“j ： 、 1 ) 冲压产品的构型还受到一些限制。一方面，现有的编码法、面素拼合和特征构 型等还不能解决几何形状复杂的板金零件的构型问题；另一方面，现有的产品表达方 法不利于后续的毛坯展开、条料排样和结构设计等模块提取所需的信息。 2 ) 系统未能将交互设计和自动设计有机结合起来，有的过于强调自动化设计，使 得系统的适应性降低；有的则交互设计过多，使系统的效率降低。 3 ) 现有系统中，模具结构设计还停留在将设计好的零件进行“拼装”的阶段，设 计过程的装配协调、功能保证等总体性问题需由设计者处理，从而可能导致设计结果 无法保证模具的功能要求，设计结果不一致等问题，而且使设计修改的次数增多，设 计工作量加大。 4 ) 设计信息不完整，因为设计结果不仅是形状，而且还有诸如材料及尺寸公差要 求等。由于表达设计结果的信息层次较低，所以不便于智能化处理及信息共享。 5 ) 现有系统的设计未能严格按照软件工程的要求进行，系统的稳定性较差。 综上所述，要开发一个实用的级进模c a d c a m 系统，还有很多问题有待进一步 4 华中科技大学硕士学位论文 探索。一个理想的级进模c a d c a m 系统至少要满足以下几方面的要求： 1 ) 应能完整地描述钣金零件信息。并且，所描述的信息应能被下游模具结构设计 活动方便地提取； 2 ) 应使设计者在较高的语义层次上进行钣金零件的冲压工艺及模具结构设计； 3 ) 应将自动设计与交互设计有机地结合起来，增强系统的灵活性与实用性； 4 ) 应能有效地管理与模具设计相关的各项信息，以保证设计结果的一致性，减少 数据的转换； 5 ) 系统应对用户开放，用户应能根据需要修改有关设计知识及模具标准； 6 ) 对设计结果，应能进行模拟和仿真，以检测设计结果的合理性； 实现上述功能要求，需要开展以下几方面关键技术的研究： 1 ) 在产品构型方面，应开展特征建模技术的研究。 钣金零件的产品信息是进行模具结构设计的主要依据，它决定了模具结构形式及 零部件的形状。在模具结构设计过程中，除了要考虑钣金零件的形状特点外，还需要 充分考虑零件的材料、尺寸精度等技术要求。因此，在钣金零件的产品模型中必须完 整地描述这些信息。单纯几何建模方法已经不能满足上述要求。特征建模技术则在更 高的语义层次上表达设计对象，可为下游的工艺规划和模具结构设计提供全面的信息。 2 ) 在冲压工艺和模具结构设计方面，应开展专家系统技术和装配设计方法的研究。 模具结构设计是一种以经验设计为主的设计过程。因此，采用专家系统技术是提 高模具c a d c a m 系统自动化程度的有效途径。但是，将专家系统技术应用到模具 c a d c a m 系统中，还需要解决模具设计知识的整理与表达、自动设计与交互设计技 术有机结合以及设计与再设计等几方面的问题。 级进模的功能是由上百个零件相互作用而共同完成的。为了完善地表达和维护设 计者的设计意图，模具结构设计应上升到装配层次上进行。在装配层次上进行模具结 构设计需解决的主要问题是建立能够完整描述级进模设计信息的装配模型，并实现该 模型的实时更新。 3 ) 在设计信息管理及提高系统柔性方面，应采用工程数据库技术。 模具设计是非常复杂的设计活动，设计中所涉及的信息包括标准件信息、设计信 息、反馈信息以及各模块之间的信息继承等。只有有效地管理好这些信息，才能发挥 c a d 系统的优势。工程数据库支持并擅长事物处理，能高度实现信息共享，因此应作 为模具c a d c a m 系统的支撑工具。 5 华中科技大学硕士学位论文 另一方面，模具韵设计制造与企业环境( 包括企业标准、设计方法、设计经验、 加工条件等) 密切相关，这就要求模具c a d c a m 系统应能适应不同的企业环境。采 用工程数据库管理信息，可便于用户根据需要配置与企业相关的标准、设计经验及设 计方法等。 4 ) 在设计结果可行性检测方面，应开展塑性成形模拟技术的研究。 应用有限元等数值计算方法对金属成形过程，如弯曲、拉伸、局部成形等进行分析， 计算成形过程中的应力应变分布及其变化情况，可以帮助设计人员合理地确定工艺参 数，如最小弯曲半径、回弹角、变形程度与拉深次数等。这对提高模具设计的效率与 可靠性有重要意义。 1 4 装配设计概论 在上述关键技术中，装配设计方法是保证级进模结构c a d 系统真正有效工作的 根本，也是本文研究工作的核心。 装配设计方法以零件和部件( 由多个零件按一定功能要求构成的子装配体) 为要 素，立足于在装配的层次上完整、清晰地描述产品的信息。不同的装配设计方法，反 映了人们对于产品的不同认知、理解与处理。随着人们对装配设计研究的深入，装配 设计方法经历了由“自底向上”的设计到“自顶向下”设计韵转变。 八十年代，人们对装配设计的研究主要停留在从下到上的阶段，其目的只是为了 得到正确的装配( 动作) 。在该阶段提出的以“自底向上”的思想为主线的设计方法， 都是面向装配生产的设计。这类方法主要强调 了“装配”的生产语义。 九十年代初期，m m a n t y l a 在i b mj r e s 上提出了自顶向下( t o p的产品设计思_down) 想。他认为装配设计是产品设计的一部分，其 目的在于设计满足功能要求、体现设计者意图 的产品。装配设计产生产品的整体，而零件设 计则是描述产品的具体细节。他将产品设计的 设计过程分为三阶段：功能设计( f u n c t i o n a l d e s i g n ) ，概念设计( c o n c e p t u a ld e s i g n ) 和详 细设计( d e t a i ld e s i g n ) ，并提出了支持以上三个 图1 1 装配体设计流程 6 华中科技大学硕士学位论文 阶段设计的c a d 系统原型。r a j i n e e ts e d h i 和j o s h u a u t u r n e r 对从上到下的设计方法 也展开了研究。他们认为从支持产品的功能和设计者意图的角度来看，整个产品的设 计过程必须加强和支持装配设计，并提出了如图1 1 所示的装配体( 产品) 设计流程： 与“自底向上”的设计方法相比，“自顶向下”的设计方法强调“装配”的功能语 义，是一种面向产品功能的装配设计。它着重研究如何从功能的角度进行产品定义、 并在产品的设计过程中表达产品功能，具体包括以下三个方面的内容： 1 ) 如何表达产品的设计语义： 2 ) 如何表达零、部件之间的装配关系； 3 ) 如何精确定位零部件。 装配设计方法的研究主要包括建模方法( 自底向上或自顶向下) 和装配模型两个 方面。一个完善的装配模型应能够完整、清晰地描述装配体中所有零件及其子部件的 空间位置、装配关系、功能和设计意图。目前，应用较多的装配模型有关系图模型和 层次模型两种。 在关系图模型中，图的结点表示零件，图边表示零件间的关系，见图1 2 。一般 每条边包含了两个零件之间的所有关系，但也有将每一个关系用单独的边来表示的， 如h o m e nd em e l l o 和s a n d e r s o n 在文献【j 叫所述。两者都是将图形和非图形信息存储在 关系图模型的结点和连接边中。 w a s h l w 畦h 2 ( b ) 图1 2 示例装配图及关系图 关系图模型能较全面地描述一装配体。但是，由于关系图模型中连接边的数目可 能由弱连接的 ( n ) ( n ：连接边的数目，以下同) 向强连接的 ( n 2 ) 增长，这将给应用程序 带来昂贵的开销。例如，r o c h e l e a n 和l e e 在文献【3 1 】使用连接边表示零件间的位置约 束来找到零件的相对位置，使联立方程组的数目变得很大，求解困难。为了减少关系 图模型的复杂度，可采用打断关系图中一些强连通分量的方法将其分解成一些小的、 军坦 粪 专垂饕 华中科技大学硕士学位论文 易解的子图。 关系图模型是装配体比较底层的描述，而层次化的描述更能适合装配应用的需要。 将零部件按一定次序进行装配并引入一系列的约束能得到一层次模型。在层次模型中， 零件是不可拆分的、最基本的单元，由一组有功能关系的零件或更低一层的子装配体 组合在一起形成子装配体，所有的零件和子装配体一起便得到完整的装配体。装配体 与其组成零件之间的关系体现在该模型的层次结构中。层次模型可减少装配应用中的 算法复杂度，即使装配关系仍然是0 ( n 2 ) ，也可以将它限制在小数目的零件或子装配体 中。另外，通过子装配体的概念，层次模型比关系模型更容易体现装配设计的顺序和 零部件之间的功能关系。 1 5 课题的意义及目的 目前国内市场上还未见有实用的、商品化的、专业模具c a d c a m 软件。一些采 用c a d c a m 技术的企业，主要通过使用通用的商品化c a d c a m 软件，例如 a u t o c a d ，u g i i 、p r o e n g i n e e r i n g 等，进行模具的设计与制造。这些系统不仅费用昂 贵，而且不直接支持模具设计，给用户使用带来了困难。事实上，大多数用户主要只 是利用这些系统的图形处理功能。模具企业的潜在需求决定了实用的模具c a d c a m 系统将拥有强大的生命力。另一方面，由于工程技术人员已疑习惯于以二维图纸表达 设计思想，加上a u t o c a d 等二维图形软件在国内中小型企业的广泛使用，所以，今 后的一段时间内，国内大多数企业对二维模具c a d 系统还将有很大的依赖性。 1 6 本课题研究内容 ， 本课题组研制开发的二维级进模c a d 系统主要由产品造型、工艺设计和结构设 计三部分组成。其中，结构设计包括装配设计和零件设计，它占整个模具设计工作量 的8 0 以上。 由于结构设计模块要在保证整副模具功能的基础上完成上百个零件的设计与修 改，因此，模具结构c a d 需要考虑如何提高设计效率，并保证设计的灵活性。为了 解决这个问题，作者主要开展了以下几个方面的研究与实践工作： 1 ) 分析了级进模结构特点，利用面向对象的方法对级进模结构c a d 系统进行建模， 以完成级进模结构从现实世界到计算机世界的转换。 2 ) 针对级进模结构特点，以装配设计理论为指导，建立了能够完整描述级进模组 华中科技大学硕士学位论文 成部件装配约束的约束关系树模型，并采用基于变量表达式的约束传播、求解方法 实现了级进模装配模型的快速更新。该方法为实现基于约束的自顶向下的级进模结 构设计奠定了基础。 3 ) 分析了级进模结构中零部件特点以及零件( 尤其是标准件) 与其尺寸信息的关系， 建立并实现了零部件描述和管理机制。在级进模结构c a d 系统中，该机制主要解 决了级进模的零部件描述、零部件的协同工作以及零件与相应尺寸信息的关联等问 题。 4 ) 整理并扩充了基于参数化设计技术的标准零部件库。在此基础上，进一步完善了该 库的数据管理机制以及与级进模结构c a d 系统的接口，极大地提高了标准零部件 库的有效性。 华中科技大学硕士学位论文 2 面向对象的级进模结构c a d 系统建模与组成 本章详细分析了级进模结构设计的内容及其特点，采用面向对象的方法对级进模结构c a d 系统进行建模，并介绍了系统的组成结构。 2 1 引言 多工位级进模是冲压模具中最为复杂的一种，它往往由上百个零件组成，且各个 零件之间有着复杂的功能关系。确定以何种方法有效地描述和管理级进模各方面的信 息，进而确定系统的模型与结构，是进行级进模结构c a d 系统研制的首要任务。由 于面向对象的方法提供了良好的数据抽象、信息隐蔽和继承性，而且其类、对象和消 息的机制直接地反映了现实世界的组成和变化【j “，所以，该方法成为系统建模的首选 方法。 2 2 面向对象方法概述 面向对象方法的出发点是：尽可能按照人类认识客观世界的方法和思维方式来分 析和解决问题。它具有如下基本概念： 1 ) 对象。对象的本质含义就是客观世界( 问题空间) 中的事物或实体，是对客观事物 进行表达和模拟的一种包括事物属性数据和行为特征的数据模型。也就是说，一个 对象与一个客观实体相对应。它将由实体抽象出的属性数据和对此数据进行的各种 操作封装在一起。由于计算机中建立的对象与现实世界存在韵对象具有一一对应的 关系，所以人们分析问题和解决问题的过程就是对计算机中的对象进行分析、加工 的过程。 2 ) 类。对具有相同属性( 数据和操作) 的对象所构成的集合进行的描述或定义，称为 “类”。类描述了一个对象集合中所有对象都有的数据和操作。类是对象的类型， 对象是类的实例。 3 ) 方法。方法是类的成员函数。不同的方法描述了允许作用于该类对象上的不同操作， 是实施该类对象操作和访问的外部接口。 4 ) 消息。消息是对象之间相互作用和相互协作的一种机制。对象之间的相互操作、调 用和应答都是通过发送消息到对象的外部接口来实现的。因此，消息就是为完成某 些操作而向对象所发送的命令和命令说明。本质上，“对象之间的消息传递”反映 1 0 华中科技大学硕士学位论文 了事物之间的相互联系。 上述对象、类、方法和消息是面向对象方法的基本要素。它们的基本点在于对象 的封装性和继承性。 1 ) 封装性。“封装”又称信息隐藏，指的是对象各种独立的外部性质与其内部实现 细节的分离。它一方面保证了对象数据的安全性，另一方面，将对象的使用者与对 象的设计者分开，使用者不必知道对象行为实现的细节，只须用设计者提供的消息 和方法来访问对象。封装的结果是产生了一个接口。这个接口描述该类对象和其他 类对象之间的相互作用。 2 ) 继承性。在面向对象的方法中类具有继承的功能。子类可以继承父类的性质。继 承性减少了代码和数据的重复，并且体现了类与类之间的层次关系。 综上所述，对象是求解空间中具有特定数据和行为方式的实体。其中，数据表示 了对象的状态，该状态能并且只能被该对象的方法改变。每当需要改变某对象的数据 时，只能向该对象发送消息。对象接收消息后，根据消息的类别找出匹配的方法，并 执行该方法。由于类具有继承性，子类对象可以继承父类对象的属性和方法。这也是 适应人类一般思维方式的描述范式f 3 2 卜【3 4 1 。 2 3 面向对象的级进模结构c a d 系统建模 2 3 1 级进模结构特点及设计内容 与简单模和复合模相比，级进模的结构具有如下特点： 1 ) 构成级进模的零件数量多，结构复杂。一副多工位级进模有时包含多达数百个零 件，因此在设计中容易产生零件与零件之间，零件与运动条料之间的干涉现象。 2 ) 要求模具的整体刚性好。模座的设计厚度比通常模具大得多，凸模固定板与卸料 板之间的距离尽可能小，这样便于缩短凸模长度，再加上与凸模固定板、卸料板 的良好配合，可使凸模的刚度大大改善。 3 ) 要保证步距精度。级进模工作时，条料的送进大都采用自动送料装置，其定位一 般采用侧刃或导正钉等。侧刃所控制的步距误差与工位数量成正比，工位数量越多， 积累误差越大。导正钉的布置形式一般为双排或单排，基本上1 2 个工位设一对导 正钉，甚至每个工位设一对导正钉。另外，机床行程、自动送料装置及模具三者间相 互协调一致，也是保证步距精度的重要措施之一。 l l 华中科技大学硕士学位论文 4 ) 一般要采用导向机构。级进模常采用上、下模多童导向，以保证凸凹模间隙均匀， 从而保证制件的精度，同时减少运动零件之间的磨损，提高模具使用寿命。级进模的 工位多、模具长度有时长达8 0 0 1 0 0 0 毫米。因此，一般除有上、下模架四导柱导向 外，在卸料板、固定板上还需再安装4 8 个小导柱，其配合间隙为0 0 1 o 0 2 毫米。 这样做的目的是使卸料板有很好的刚性和稳定性，使凸模、导正钉等准确地导入凹模， 保证凸凹模间隙均匀。 5 ) 一般采用使条料悬浮的导向托料装置。这种装置是两排托料钉装在凹模板上，条料 插入托料钉的槽中，冲压时卸料板压下托料钉，使条料贴在凹模面上，冲压完毕后， 借助弹簧回弹力将托料钉顶起，使条料悬浮在凹模面上约5 1 0 毫米。具体距离根据 零件拉深或弯曲高度的实际情况而定，以便条料能顺利送进。 6 ) 采用嵌拼凹模。复杂级进模凹模均采用嵌拼块结构，便于磨削加工，制造出高精度 的拼块，同时便于修模。 7 ) 凸模一般采用线切割加工或成形磨削加工，在设计凸模时必须考虑凸模的稳定 性和安装性。对于细小凸模，为提高其稳定性，可以采用台阶凸模或带护套的凸 模 3 5 】。 由上述级进模的结构特点可知，级进模结构设计是一项相当复杂的工作。具体说 来，级进模结构设计可大致分为模具总装设计和零部件详缅设计两个阶段。模具总装 设计以工序排样图为基础，根据产品的成形要求，确定级进模的总体结构型式，以及 各零部件的安装方法。它一般可分为以下两个部分进行设计： 1 ) 工作区部分设计：主要包括凹模型腔设计、凸模设计、凹模嵌拼设计等； 2 ) 非工作区部分设计：主要包括标准零件设计、卸料装置：辅助装置设计等。 模具零部件设计则是根据总装设计结果，对总装结构上的各零部件进行详细设计，如 模板上的安装孔、定位孔、让位槽等的设计。实际上，模具总装设计和零部件设计并 不可能截然分开，通常它们之间是相互影响相互制约的。 为了保证设计结果的可靠性，在设计过程中，还应遵循如下原则： 1 ) 尽量选用成熟的模具结构或标准结构： 2 ) 模具结构应尽量简单，实用： 3 ) 模具零件之间定位要准确可靠。 华中科技大学硕士学位论文 2 3 2 级进模结构c a d 系统的模型 如上所述，级进模结构复杂、零件精度及可靠性要求高，因此其设计、制造周期 比一般模具要长得多。研究和开发级进模结构c a d 系统是提高级进模设计效率的有 效手段。要研制该系统，首先要进行系统建模，包括确定系统对级进模的抽象描述以 及系统的运作机制。 如本文2 2 节所述，面向对象的方法以“类”、“对象”以及“对象之间的消息机制” 很直接地反映了现实世界的组成和变化，并且其数据封装性、类的继承性等也为系统 的实现提供了极大的方便，所以，该方法成为系统对级进模进行抽象描述的基本方法。 通常，面向对象的建模方法包括三种模型：对象模型、动态模型和功能模型。其中， 对象模型表示了静态的，结构化的系统的“数据”性质；动态模型表示了瞬时的、行 为化系统的“控制”性质；功能模型则表示了变化的系统的“功能”性质。对象模型 是三种模型中最基本、最重要的，它为动态模型和功能模型提供了实质性的框架i j 。 这里，确定对级进模的抽象描述就是确定系统的对象模型，如图2 1 所示。 图2 1 级进模对象模型 华中科技大学硕士学位论文 根据级进模组成特点，该模型是一层次模型。其中，节点为各实体，连线表示各 实体间关系。但是，此模型是一静态模型，还不能完整表明级进模各零件之间的相互 约束关系。为求解级进模零件的装配约束关系，在下一章还将建立表明约束关系的模 型。 2 4 级进模结构c a d 系统的组成 根据级进模结构设计的内容和特点以及上一节所建立的系统模型，建立如下图所 示的系统总体结构。 厂 l 用户界面 l 图2 2 级进模结构c a d 系统的组成 作为一个二次开发的图形软件，系统内嵌在a u t o c a d 2 0 0 0 图形软件之中，以 o b j e c t a r x 为设计平台。该系统本身分为三个层次。最内层由系统的支撑模块组成， 包括参数化设计、装配模型更新和装配约束求解、零部件信息管理等模块以及级进模 标准零部件数据库。中间层由模具结构总体设计、标准件及组件设计、冲裁凸、凹模 1 4 华中科技大学硕士学位论文 设计、弯曲凸、凹模设计及零件图生成等模块组成。这些模块前端面向用户界面，从 用户界面获得来自设计人员的命令和信息，后端与系统内核模块进行信息交换。系统 的最外层由用户界面构成。用户界面分为两个部分：第一部分是面向用户的对话框、 命令等，通常该部分是信息入口；第二部分是面向用户的模具装配图和零件图，它们 直观地反映设计结果。 华中科技大学硕士学位论文 3 级进模结构设计中的装配约束表达及求解 在本章，作者首先提出级进模约束关系树模型，然后详细探讨了实现该模型的关键技术问题： 包括i ) 装配约束的分类、描述及管理：2 ) 基于变量表达式的约束的传播；3 ) 装配模型的更新算 法： 3 1 引言 以往的级进模结构c a d 系统中，模具结构设计大都采用自底向上的方法，即首先 设计出模具零件，然后再把设计好的零件拼装在一起，模具结构与零件间不存在约束 关联。当模具结构改变时，相关零件的结构形式、尺寸不会自动改变，反之，当零件 改变时，模具结构也不能自动改变i j “。零件之间的装配关系和尺寸协调完全由设计人 员手工完成。这种c a d 系统实际上仅起到了辅助作图的作用。 要使模具c a d 系统真正有效地工作，必须采用基于约束的自顶向下的设计方法， 即先确定模具的整体外形和功能结构约束要求，然后在此基础上逐步划分部件、子部 件，直到最底层的零件，最后再对零件进行详细设计。实现这类c a d 系统的关键是 建立模具结构的装配约束模型及约束模型的快速求解。 、 约束模型的快速求解使得系统具有实时更新的能力，即在级进模结构设计中，当 某一局部设计发生变化后，其他与之相关的设计将自动发生相应变化。实现这一过程 具体包括约束关系的传播和约束实例的求解两个方面，它们都是以基于装配体功能要 求的变量表达式为基础的。j 3 2 “约束关系树”模型 级进模模具结构( 装配体) 的装配约束模型是对装配体中所有零件及其子部件的 空间位置、装配关系、总体功能、设计意图的表达和描述。它是否完善，将直接关系 到整个c a d 系统的设计效率和可靠性【j 。 本文采用“约束关系树”模型描述具有多层次装配结构的级进模。该“约束关系 树”是在层次模型的多叉树结构基础上，通过在叶结点间增加约束虚链来表示的，如 图3 1 所示。它具有如下要点： 在“约束关系树”模型中，零件是不可拆分的、最基本的单元，一组有功能关系 的零件组合在一起形成子装配体，所有的零件和子装配体组合在一起便得到完整的装 1 6 华中科技大学硕士学位论文 配体。装配体与其组成零件之间的关系体现在该树的层次结构中。 2 ) 该树各结点之间的虚链表示零件的位置、依附等各种关系。 采用“约束关系树”描述级进模有以下优点： 1 ) 具有较好的层次性，能比较清晰地反映装配体的功能组成和设计顺序，并能递归定 义装配体和子装配体； 2 ) 模型简单，便于操作和修改，容易确定和修改零件或子装配体的位置： 3 ) 装配模型可视化处理简单； 4 ) 通过约束虚链的引入，实现了零件之间多对多关系的表达。 图例说明 l l _ j 零件或子装配体结点 lel l e ：零件或子装配体的组成信息子集 c ：零件的约束子集或 子装配体的阵列约束子集 o ：零件或子装配体其它信息的集合 图3 1 描述级进模的约束关系树模型示意图 3 3 基于变量表达式的约束的表达与传播 3 3 1 变量及变量表达式的概念 将装配体的功能要求转化为装配模型的控制参数即为功能变量( 设计变量) ，功能 变量之间的关系为功能变量约束。每个零部件都有属于它自己的功能变量约束，这些 功能变量约束和装配约束一起构成一个约束变量集，所有约束变量集构成一个功能约 束网络。 变量表达式是由设计变量和数学函数组成的、可以用来控制零件特性的算术语句 和条件语句。变量表达式在参数化设计和装配设计中具有重要的作用，它可以描述和 控制装配体中零件的形状和相互关系，以及零部件之间的关系，并有效地表达设计意 n 3 9 1 。 华中科技大学硕士学位论文 3 3 2 变量表达式的求解算法 - 在级进模装配约束模型中，表达式中的变量遵循如下规则： 1 ) 从在装配模型中的作用域来看，表达式中的变量分为自由变量和零件属变量两类。 所谓“自由变量”是指该变量不被任何零件对象拥有，它通常不直接与任何零件的任 何尺寸相对应。这种变量通常用一个简单的字符或字符串表示。反之，“零件属变量” 一定被某个零件对象所拥有，它通常与该零件的某个尺寸对应。这种变量的命名规则 如下：原变量名：零件名。例如，表示上模座高度的尺寸变量h 是“零件属变量”， 在变量表达式中，它被写为：h ：上模座。虽然这种命名规则将使变量表达式冗长， 但是，它有效地避免了变量表达式中变量名的冲突，使表达式意义更清晰。 2 ) 表达式中的变量类型包括整数、实数、点和字符串，其数据结构如下： t y p e d e f e n u m v e c t o rt y p e ， ，向量或点 r e a l _ t y p e ， 实数 i n t t y p e ， 整数 c h a r _ t y p e 字符串，可以