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广西大学硕士学位论文基于装配模型的粉末冶金成形模c a d 系统的开发 基于装配模型的粉末冶金成形模c a d 系统的开发 摘要 随着汽车产业的发展，市场对粉末冶金产品的需求越来越大，要 求越来越高，对粉末冶金模具要求也越来越高，传统的模具设计方法 不能适应市场的要求。市场对开发专业化、智能化的粉末冶金模具c a d 系统呼声越来越高。 本文围绕广西区科技攻关项目“汽车关键零配c a d c a m 模具设计和 制造技术的开发”，应用基于装配模型的设计理论方法，在u g 软件平 台下，利用v c + + 6 0 、s 0 ls e r v e r 2 0 0 0 、u g 0 p e n 等开发工具对u g 进行 二次开发，开发了一套智能化c a d 系统。论文主要内容如下： 1 介绍了模具c a d 的一般开发方法，比较分析了基于参数化设计、基 于特征建模和基于装配模型的模具c a d 开发方法的优缺点。 2 研究了粉末成形原理及其成形质量的主要影晌因素，在此基础上分析粉 末冶金成形模具一般结构及其设计原理、方法。 3 研究了装配模型的概念、装配模型的信息结构和配模型的描述方法以及 装配建模的一般方法并将其应用到系统开发中。根据辐射式结构装配模 型原理构建粉末冶金模具装配模型，并分析了装配模型在主要成形零件 设计、模架选择设计以及总装配设计中的应用方法。 4 应用i d e f 0 方法分析了系统的功能模型，并介绍了对象识别、参数化设 计、数据管理方法和数据库接口技术、基于装配模型的变形设计、基于 配合关系的自动装配等系统开发的关键技术。 5 研究了u g 二次开发的编程方法，对u g 二次开发的三种程序框架向导进行 了探讨，介绍了系统开发的过程及其关键步骤的实现方法。 6 以实例介绍了系统的运行情况。 关键词：装配模型粉末冶金模具c a d二次开发 广西大学硕士学位论文基于装配模型的粉末冶金成形模c a d 系统的开发 t h ed e v e l o p m e n to fp o w d e rm e t a l | u r g yc o m p a c t i n gd i ec a d s y s t e mb a s e d0 na s s e m b i ym o d e a b s n 鼍c t t h ed e m a l l do f p o 、v d e rm e t a l l u 唱yp m d u c ti s 掣d w i n gf 拈ta 1 1 dm er e q u e s to f t l l ea c c u r a c y o fc o m p a c t i n gd i ea sw e ua st l l ep m d u c tq u a l i t yi sm o r ea 1 1 dm o r eh i g ha l o n gw i t l lt 1 1 e d e v e l o p m e n to fm ea u t o m o b i l ei n d u s t r y t h et r a d i t i o n a ld e s i g nm e t l l o d 印p e a r si n c o m p e t e n t f o rt 1 1 en e w l yd e m a l l d ，a n dc o n s e q u e n t l y ，t 1 1 ed e s i r ef o rp m f e s s i o n a la 1 1 di m e l l i g e n tp o w d e r m e t a l l u 瑁yc o m p a c t i n gd i ec a ds y s t e mi sg m 、 r i n gr a p i d l y n d sp a p e rm a i l l l yc o n c e mm ep r q j e c to f “d e v e l o p m e mo fm o u l d & d i ec a d ，c a m t e c h n o l o g vf o rt l l ek e ya c c e s s o r i e so ft l l ea u t o m o b i l e ”，w h i c hc o m e 丘d mg u a i l g x is c i e n t i f i c a 1 1 dt e c h n i c a lo 伍c e a p p l y i n gt l l et 1 1 e o r yo fd e s i g nb a s e do na s s e m b l ym o d e l 锄du s i n g d e v e l o pt o o lo f v c + + 6 o 、s q ls e r v e r 2 0 0 0 、u g ，0 p e nt o o l 虹t ，ai n t e l l i g e mc a ds y s t e mf o r m e t a l l u r g yc o m p a c t i n gd i ew a sd e v e l o p e db yf h n l l e rd e v e l o p m e n tb a s e do nu gs o r w a r e m a i nc o n t e n t so f t l l ep a p e rs h o w e da sf o l l o w ： 1 t h ed e v e l o p m e mt e c h n i q u eo fm o u l d & d i ec a ds y s t e mi sc o n c l u d e d t h ea d v a i l t a g e s a 1 1 dd i s a d v a l l t a g e so fd e v e l o p m e n tb a s e do np a r 锄e 砸cd e s i g n 、d e v e l o p m e n tb a s e do n f e a t u r em o d e l i n ga n dd e v e l o p m e n tb a s e do na s s e m b l ym o d e l i sa 1 1 a l y z e d 2 s 协l c t u r eo fc o m p a c t i l l gd i ea n di td e s i g np r i n c i p i 啪& m e t l l o dw a sa n a l y z e do nt l l e f o l l i l d a t i o no fs t u d y i n gp o 州e rm e t a l l u r g yc o m p a c t i n gp r i n c i p i 啪a l o n g 、v i mp r i m a r y e f f b c tf a c t o r so f c o m p a c t i n gq u a l i t y 3 a s s e m b l ym o d e l l i n gm e t h o d 、c o n c e p to fa s s e m b l ym o d e l 、i m f o m l a t i o ns 扛u c m r eo f a s s e m b l ym o d e l 、e x p r e s s i o no fa s s e m b l ym o d e la 1 1 da s s e m b l ym o d e l i n gm e t h o dw a s 1 u c u b r a t e da i l dw 笛a p p l i e dt oa n a l y z em es y s t e m t h e o d ，o fr a d i a t ea s s e m b l ym o d e lw a s d e t a i l e da i l dw a sa p p l i e dt ob u i l du pp o w d e rm e 诅1 1 u 喀yc o m p a c 血1 9a s s e m b l ym o d e l a n d 印p l i c a t i o ms b u so fl l s i i l ga s s e m b l ym o d e lf o rd e s i g np r i m a r yp a n s 、疔咖e o fd i e a i l da s s e m b l i n gi sr e s e a r c h e d 4 f u c t i o nm o d e lo fm es y s t e m 、v a si n v e s t i g a t e db yi d e f ot e c l l i i i q u e k e yt e c h i l i q u e s i n c l u d e0 b j e c t si d e n t i 母t e c l l n i q u e 、p a m m e 伍cd e s i g l lt e c l l i l i q u e 、d a t am a i l a g et e c l l l l i q u e a i l dd a 乜c o l l n e c tt e c l l i l i q u e 、v 撕a | 1 td e s i 印b a s e do na s s e m b l ym o d e l t e c l l l l i q u ea n d a u t o - a s s e m b l eb a s e do nm a t i n gc o n d i t i o n st e c m q u ew e r ed e t a i l e d 5 s k i l l so ff i l n h e rd e v e l o p m e mb a s e do nu gs o f m a r ew e r ed i s c u s s e d t h r e ep r o g 舢 s k e l e t o n sb u i l d i n gs l 【i l l sw e r es h o w e d ，p r o c e s so fd e v e l o p i n gs y s t e mw 晒d e s c r i b e da i l d t 1 1 ek e yp a n so f l l l ep r o 伊a i l lw a si n t r o d u c e d 6 f i i l a l ly ，t 1 1 es y s t e mw a si n t m d u c e db yc a s e k e ) 啊o r d s ：a s s e m b l ym o d e l ；p o w e rm e t a l l u r g yc o m p a c t i n gd i e ；c a d ；f u r t h e rd e v e l o p m e n t 广西大学硕士学位论文基于装配模型的粉末冶金成形模c a d 系统的开发 第一章绪论 1 1 课题的来源、背景及研究意义 “粉末冶金模具c a d c a m 系统”是针对广西科技攻关项目“汽车关键零配件 c a d c a m 模具设计与制造的开发”而开发的一套基于u g 平台的计算机辅助设计和计算 机辅助制造软件系统。该系统的目标是提高粉末冶金制品( 特别是汽车粉末冶金零部件) 模具的设计质量、设计效率和制造水平。本文所研究的粉末冶金成形模c a d 系统是该项 目的核心模块之一。该模块致力于开发自动化、智能化的专业粉末冶金成形c a d 软件系 统，为粉末冶金生产的重要生产环节粉末压制成形提供模具设计技术支持，从而提 高粉末冶金产品开发和产品生产的水平。 粉末冶金( p o w e r m e t a l l u r g y ，简称p ，m ) 是一门制造金属粉末和以金属粉末( 包括混入 有非金属粉末者) 为原料，用成形烧结制造材料或制品的技术学科。它既是制取金 属材料的一种冶金方法，又是制造机械零件的一种加工方法。作为特殊的冶金工艺，可 以制取用普通熔炼方法难以制取的特殊材料；作为少无切削工艺之一，可以制造各种精 密的机械零件。 粉末冶金零件适合于大批量生产，并具有显著节能、省材、性能优异、产品精度高 且稳定等一系列优点，在制造业中有广泛的应用。近年来，粉末冶金产品在生产高性能 零部件特别是汽车零配件方面取得了很多突破，其应用面越来越广。除生产衬套类零件 和低密度、低强度、形状简单的结构件外，粉末冶金产品正逐步取代一些采用传统的方 法生产的高性能零部件，如汽车齿轮、连杆、轴承、凸轮、排气系统法兰和变速器托架 等1 2 】。而且随着粉末冶金技术的不断完善，其使用范围还在不断扩展、用量还在不断扩 大。根据美国金属粉末工业联合会的估算，2 0 0 3 年美国轿车中粉末冶金制品的使用量预 计超过了1 8 3 k 台，在一些大型s u v ( 运动车) 上粉末冶金零件的使用量将达到每辆 2 7 2 k 台【3 】。1 9 9 7 年，我国粉末冶金零件在汽车中的用量约为7 0k g 辆，2 0 0 0 年达到了 1 6 3 3k g 两。随着新的低成本原料、合金体系的开发与设计同先进的粉末冶金成形技术 相结合，每台汽车的粉末冶金用量还在增长【4 1 。2 0 0 5 年世界汽车产量为6 6 0 0 万辆，我国 汽车产量也有5 7 0 万辆，估计2 0 0 6 年将达到6 5 0 万辆，粉末冶金仅在汽车行业中的总用量 就相当可观。 随着生产需求的发展，市场对粉末冶金产品的生产质量和生产效率要求越来越高， 对其生产过程必需的工装配设备要求也越来越高。粉末冶金成形模是粉末冶金生产的常 用工装，它的设计和制作质量直接影响产品的质量，它的开发速度直接影响着新产品的 开发速度。传统的手工设计已明显不适应新的要求，而通用的c a d 软件如u g 、p r o e 、 广西大学硕士学位论文基于装配模型的粉末冶金成形模c a d 系统的开发 c a t i a 等虽然功能强大，但针对性不强，设计效率不高，也无法适应粉末冶金产业高速发 展的要求。开发适合于粉末冶金生产的自动化智能化粉末冶金模具c a d 系统是解决这一 矛盾有效途径。由于粉末冶金零件制造工艺的特殊性，其工装( 模具、夹具、量具等) 更 具有一定特殊性。根据粉末冶金专业特点开发符合自身要求的专业化模具c a d 软件系 统，实现粉末冶金模具设计自动化，不仅可把广大粉末冶金设计技术人员从繁杂的重复 劳动中解脱出来，缩短粉末冶金制品的开发周期，从而使粉末冶金行业的整体劳动生产 率得到提高，还可以充分利用计算机辅助设计的优点提高模具设计质量。因此，开展智 能化粉末冶金模具c a d 系统研究，不仅是我国粉末冶金工作者力求攻克的新课题，也是 提高我区制造业信息化水平、提高广西汽车产业竞争力的新举措，更是我国粉末冶金产 业适应汽车工业等行业迅猛发展、提高我国粉末冶金产品国际竞争力的迫切要求。 1 2 模具c a d 概述 随着计算机应用的发展，计算机辅助设计越来越被人们所接受。计算机辅助设计 ( c a d ，c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ) 是指在设计过程中，利用计算机作为工具，帮助工程 师进行设计的一切实用技术的总和。计算机辅助设计作为一门学科始于6 0 年代初，一直 到7 0 年代，由于受到计算机技术的限制，c a d 技术的发展很缓慢，进入8 0 年代以来，计 算机技术突飞猛进，特别是微机和工作站的发展和普及，再加上功能强大的外围设备， 如大型图形显示器、绘图仪、激光打印机的问世，极大地推动了c a d 技术的发展，c a d 技 术已进入实用化阶段，广泛服务于机械、电子、宇航、建筑、纺织等产品的总体设计、 造型设计、结构设计、工艺过程设计等环节【5 】【6 】【7 】【8 】。 早期的c a d 技术只能进行一些分析、计算和文件编写工作，后来发展到计算机辅助 绘图和设计结果模拟。目前的c a d 技术正朝着人工智能和知识工程方向发展，其应用得 到不断深化，概念设计、优化设计、有限元分析、计算机仿真、计算机辅助绘图、计算 机辅助设计过程管理等正得到前所末有的应用和发展。我国于7 0 年代末开始大力推广应 用c a d 技术，目前c a d 己广泛应用于各个领域，如飞机、汽车、机械、模具、建筑、集成 电路中，但主要集中在利用通用商业c a d 软件进行计算机辅助绘图方面，总体应用水平 还不很高，远远还没有完全发挥c a d 的应用潜力【引【l 。 针对某个专业领域，开发智能化的c a d 系统是深化c a d 技术应用的一个有效手段。针 对模具设计的特点，国内外不少公司和单位开发了功能强大的模具c a d 软件系统，大大 提高了模具设计质量和设计效率。 1 2 1 国内外模具c a d 发展概况 模具c a d 以计算机软件的形式，为企业提供有效的辅助设计工具，使工程技术人员 2 广西大学硕士学位论文 基于装配模型的粉末冶金成形模c a d 系统的开发 借助于计算机对产品性能、模具结构、成形工艺、生产管理等进行设计和优化。模具c a d 能显著缩短模具设计与制造周期，降低生产成本和提高产品质量已成为模具界的共识。 随着模具工业的快速发展，近几年来世界各国的软件开发商投入了巨大的人力和物力， 针对各类模具的特点，开具有鲜明特色的模具c a d 系统取得了很大成效1 】【1 2 】。 1 国外模具c a d 的发展概况 国外模具c a d 技术的研究始于6 0 年代，到7 0 年代出现研制了模具c a d ，c a m 的专门 系统，可应用于各种类型的模具设计和制造，并取得了显著效果，受到各国的普遍重视， 到8 0 年代末，美国、日本等工业发达国家的模具生产已有近5 0 采用了c a d ，c a m 技术， 开发了很多优秀的模具c a d 软件，如日本日立公司和富士通公司采用自动设计和交互设 计相结合的方法开发出能够适应复杂级进模设计的c a d 系统，该系统自动处理能够自动 进行毛坯展开、弯曲回弹计算和工步排序等，大大提高了级进模的设计效率。丰田汽车 公司所采用的汽车覆盖件c a d c a m 系统包括了m 巾f b 和c a d e t i 2 个设计软件及加工 凸、凹模的t i n c a 软件，可完成车身外形设计、车身结构设计、冲模c a d 、主模型与 冲模加工和夹具加工等任务。据报道，该系统投入使用后可使丰田公司的汽车覆盖件成 形模设计与制造时间减少5 0 。 进入9 0 年代后，国际著名三维c a d c a m 软件公司陆续介入模具设计软件系统的开 发，使模具c a d c a m 的功能更加完善，应用也更加普及。如u g s 公司塑料注射模设计 系统m o l dw i z a r d 、以色列c h a t r o n 公司的模具设计和制造系统q l l i c k 、英国d e l c a m 公 司的塑料模设计和制造系统p s m o l d m a k e r 、法国m i s s l e ls o f t w a r e 公司的注射模专用软件 t o pm 0 1 d 和级进模专用软件t o pp r o g r e s s 、日本u n i s y s 株式会社的塑料模设计和制造 系统c a d c e u s 等都有稳定的用户群。同时模具c a d 软件在软件结构、产品数据管理、 面向对象开发技术、产品建模和智能设计、质量检测等方面也取得很多突破，模具设计 自动化智能化程度越来越高，如德国s t e p p e r 模具制造公司的姗软件和p r o f i c a m 软件集模具设计和制造于一体，能完成模具设计的全过程，并且能根据设计数据自动生 成多种加工方式的加工程序，如线切割、锉削加工、铣削加工、磨削加工等加工方式的 程序。p t c 公司在p r o e 软件的基础上开发了用于注塑模设计的专用软件p m m o l d d e s i 印， 初步实现了模具结构设计、注塑流动过程模拟和注塑模开合动作仿真的集成。 2 国内模具c a d 的发展概况 、 我国的计算机辅助设计技术开发起步较晚，到8 0 年代才开始模具c a d 肥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，包括几何信息与后置处理i 第二部分为辅助编程，包括模具的结构设计和工艺参数 的计算；1 9 8 4 年，华中理工大学研制成功了精冲模h j c 系统，该系统功能比较全面，它 3 广西大学硕士学位论文 基于装配模型的粉末冶金成形模c a d 系统的开发 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。8 0 年 代中、后期，我国的冲模c a d 软件研制工作进入了全面发展阶段，不少企业、科学研究 所，大专院校都开发了面向中国制造，强调软件产品的专业化和本地化，如浙江大学研 制的c p d d m s 系统、天津大学的t d 系统、南京工学院的c p d 以及一汽、二汽企业用的 模具c a d c a m 系统。8 0 年代末至9 0 年代末，我国模具c a d c a m 技术处于完整、修改 和提高的稳定发展阶段。如上海交大国家模具c a d 工程研究中心，进行了模具c a d 系统 中一致性相关设计的装配模型的研究，通过将环状模型结构和树状模型结构的结合，解 决了在模具o 系统中装配图与零件图的一致性设计问题。近年来，国内一些软件公司 也竟相加入了级进模c a d ，c a 】v i 系统的开发行列，如深圳雅明软件制作室开发的级进模 系统c m c a d 、富士康公司开发的用于单冲模与复合模的c a d 系统f o x c a d 等。不少企 业建立了基于网络化管理信息中心，产品设计和工艺分析协同工作，采用了自主开发或 二次开发软件进行产品设计、工艺管理以及模具工艺装备的设计制造，取得了明显的经 济效益。总的来说，我国目前模具c a d c a m 技术水平还处于高技术集成并正在向产业 化和商品化过渡的时期，研制的软件在可靠性和稳定性方面与国外工业发达国家的软件 尚有一些差距，使用的开发平台一般都是通用性c a d 软件。 1 2 2 粉末冶金模具c a d 发展概况 如前所述模具c a d 技术在级进模、塑料注射模、汽车覆盖件模、冷挤压模和铸造模 等方面得到了有效的运用，产生了巨大的经济效益。但在粉末冶金方面，各个国家的研 究偏重于粉末材料和烧结方面，而在压制设备和模具设计方面的研究较少，目前还没有 针对粉末冶金开发的被广泛应用的模具c a d 系统。我国对粉末冶金模c a d 的研究主要在 高校进行，软件的开发方式也大都在通用商业软件上进行二次开发，如东北大学的基于 a u t 0c a d 的粉末冶金模具c a d 系统【1 3 】。中南林学院的基于s o l i d w o r k s 的粉末冶金拉下 式成形模c a d 系统【l ”，广西大学的基于u g 的粉末冶金模具c a d c a m 系统，这些系统 对粉末冶金模具结构、零件设计方法以及建立模具标准件库等方面进行了有益的探索， 也取得了一些进展。但离商业化应用还有一定的距离，有待进一步完善。 1 2 3 模具c d 发展现状及趋势 本世纪的科学技术正处于日新月异的变革之中，通过与计算机技术的紧密结合， 人工智能技术、并行工程、面向装配、参数化特征建模以及关联设计等一系列与模具工 业相关的技术发展之快、学科领域交叉之广前所未见。新一代模具c a d c a e c a m 系统 是当今最好的设计理念、最新的成形理论和最高水平的制造方法相结合的产物，其特点 主要反映在专业化、智慧化和集成化三个方面【1 5 】( 1 6 】【17 1 。 4 广西大学硕士学位论文基于装配模型的粉末冶金成形模c a d 系统的开发 1 专业化 随着模具工业的快速发展，近几年来世界各国的软件开发商投入了巨大的人力和物 力，针对各类模具的特点，将通用的c a d c a m 系统改造为模具行业专用的系统，取得 了较大成效。这些软件的技术特点是能在统一的系统环境下，使用统一的数据库，完成 特定模具的设计。专业化使得软件开发可以根据特定模具的特点开发更加便捷的c a d 系 统，如c a d c e u s 实现三维设计与二维视图的联动，p s m o l d m a l ( e r 做到了加工信息的自 动封装，这些特点使得专业软件更加宜人化。 2 智能化 在现阶段，模具设计和制造在很大程度上仍然依靠模具工作者的经验，仅凭计算机 的数值计算功能去完成诸如模具设计方案的选择、工艺参数与模具结构的优化、成型缺 陷的诊断以及模具成形性能的评价是不现实的。新一代模具c a d c a e c a m 系统正在利 用k b e ( 基于知识的工程) 技术进行脱胎换骨的改造。如u g i i 中提供了知识熔接模块 k f ( k n o w l e d g ef u s j o n ) ，利用7 可将设计知识融入系统之中，以便进行图形的识别与推 理。数值计算和人工智能技术的结合将是今后相当长时间内一件十分艰巨而重要的工 作。华中科技大学模具技术国家重点实验室在国产注射成型模拟软件h s c a e 6 1 0 中成 功地引入了人工智能技术，对于注射时间、注射温度等具有连续取值空间的参数，采用 人工神经网络进行优化，对于分析结果的解释和评价则采用基于规则推理的方法来处 理。h s c a e 6 。1 0 的专家系统规则库以专家知识为基础，在对分析结果进行综合和提炼 的基础上驱动专家系统进行推理，对成型方案进行评价并在分析报告中输出具体的改进 建议，大大提高了软件的智能化程度。 3 集成化 随着计算机技术的进步以及工业部门的迫切需求，国外一些软件开发商已能按实际 生产过程中的功能划分产品系列，在网络系统下实现c a d ，c a e ，c a m 的一体化，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的要求。例如英国d e l c a m 公 司在原有软件d u c ”的基础上，为适应最新软件发展及工业生产实际推出了c a d c a m 集成化系统d e l c 锄sp o w e rs 0 1 u t i o n ，该系统覆盖了几何建模、逆向工程、工业设计、 工程制图、仿真分析、快速原型、数据编程、测量分析等各个领域。系统的每个功能模 块既可独立运行，又可通过数据接口与其他系统相兼容，并能按使用要求进行组合，以 便形成专业化的c a d ，c a e c a m 系统，做到开放性、兼容性和专业化的统一。 目前，以c a d 为代表的现代企业创新设计能力与以p d m ，e r p 为代表的企业管理能 力的集成正在迅速发展，并已成为企业信息化的重点。p d m ( p r o d u c t d a t a m a i l a g e m e n t ， 产品数据管理) 管理与产品相关的所有信息和所有过程。作为工程领域集成框架，p d m 5 广西大学硕士学位论文基于装配模型的粉末冶金成形模c a d 系统的开发 为产品数据及过程管理、并行设计、c a d c 墟c a p p c a m 系统与e r p 的集成提供了必 要的支撑环境，是企业实现信息化必不可少的部分。e i 冲( e n t e r p r i s er e s o u r c ep l a l l i l i n g 企业资源计划) 是对企业的三种资源物流、资金流、信息流进行全面集成管理 的管理信息系统。对制造业企业而言，e r p 的核心为m 髓i 卜一制造资源计划，主要内 容是规划整个企业运作，包括从供应方买来原材料，经过加工或装配，制造出产品并销 售给需求方的一系列过程。为适应当前市场环境，采用c a d ，c a e ，c a m 技术并将其与 p d m 、e r p 等集成为企业一体化解决方案以推动企业信息化进程势在必行。可以预计， 模具c ad ，a e ，c a m 系统在今后几年内将会逐步发展为支持从设计、分析、管理和加工 全过程的产品信息管理集成化系统。 此外，模具c a d 的发展还呈现出网络化、标准化等趋势，在此不作详细说明。 1 3 模具c a d 开发方法的概述 目前模具c a d 系统按其开发方法可以分为两种。一种是从基本的几何造型做起的开 发具有自主版权的模具c a d 系统。一种是对通用商业c a d 软件平台进行二次开发的模具 c a d 系统。近年来，我国自主开发的模具c a d 系统有一定的发展，如华中科技大学模具 技术国家重点实验室开发的注塑模、汽车覆盖件模具和级进模g 虹) c 胱a m 软件，上 海交通大学模具c a d 国家工程研究中心开发的冷冲模和精冲模c a d 软件，北京机电研究 所开发的锻模c a d c a e c a m 软件，北航海尔软件工程研究所开发的c a x a 软件，吉林 汽车覆盖件成形研究所独立研制的商品化覆盖件冲压成形分析l 渐a s 软件等。自主版权 c a d c a m 软件的稳定性具有相对的独立性，可移植性好，扩展空间较大，但必须从最 基本的几何造型模块做起、必须建立最基本的系统体系结构，因而软件开发周期长，工 作量大，一般只有实力比较大的机构和公司才进行此类开发。基于通用c a d c a m 系统 进行二次开发不用从底层几何造型模块做起，直接利用通用c a d ，c a m 系统的几何造型 功能及其二次开发工具，针对特定的专业领域进行二次开发。这种开发方法开发周期短， 开发成本低，开发的c a d 系统外挂在通用的商业软件平台上，与通用c a d 软件形成互补， 扩展了通用c a d 软件的功能。签于以上原因，本系统采用第二种开发方法，针对粉末冶 金模具特点对通用c a d 软件系统u g 进行二次开发，得到粉末冶金模具c a d 系统外挂模 块。 随着c a d 技术的不断发展，二次开发的理论方法也不断发展，目前比较先进的模具 c a d 二次开发理论方法主要有：基于参数化设计的二次开发方法，基于特征建模二次开 发方法和基于装配模型的二次开发方法。 6 广西大学硕士学位论文基于装配模型的粉末冶金成形模c a d 系统的开发 1 3 1 基于参数化设计的二次开发方法【1 8 j 参数化设计( p a r 锄e t r i cd e s i g n ) ，也称为尺寸驱动( d i m e n s i o n d r i v e n ) ，是通过改动 图形的某一部分或某几部分的尺寸，或者修改已经定义好的参数，自动完成对图形中相 关部分的改动，从而实现对图形的驱动。 参数化设计以约束造型为核心、以尺寸驱动为特征。在参数化设计中采用参数化模 型，设计者可以通过调整参数来修改和控制几何形状，实现产品的精确造型，而不必在 设计时专注于产品的具体尺寸；参数化设计方法存储了设计的全过程，能设计出一系列而 不是单一的产品模型：对己有设计的修改，只需变动相应的参数，而无需运行产品设计 的全过程。与传统的自由约束的设计方法相比，参数化设计更符合工程设计的习惯，因 此极大地提高了设计效率，缩短了设计周期，减少了设计过程中信息的存储量，降低了 设计费用，从而增强了产品的市场竞争力。参数化技术经过十多年来的发展，己经成为 c a d 技术的重要分支，也成为c a d 技术研究和产品开发的热点，参数化技术正处于不断 发展之中。现代主流c a d 软件，如p r o e ，s 0 1 i d w o r k s ，u g 等都实现了参数化。 利用参数化设计进行二次开发的常用的方法有两种：一种是通过二次开发参数化建 模函数创建所需的模型，另一种是通过平台软件如u g 、p r o e 等建模工具创建基型零件 的三维模型，然后通过二次开发函数打开基型零件的三维模型并对其设计参数进行修 改，参数化驱动更新后得到所需的零件模型。其中后一种方法是平台软件建模工具和二 次开发工具的有效结合，这种方法大大简化了开发过程，能够快速创建所需的零部件， 是目前最常用的方法。但这种方法得到的零部件模型只是基型零件的变形，所以其应用 主要集中于标准化程度比较高的标准件、通用件的设计。如大连理工大学基于c a d c e u s 软件开发的注塑模具标准模架及其常用零部件和标准件三维参数化图形库，南京理工大 学基于s o l i d w o r k s 软件平台开发的齿轮泵参数化设计系统等都采用了这种开发方法。 1 3 2 基于特征建模的二次开发方法 1 9 2 0 特征造型( f e a t u r e b a s e dm o d e l i n g ) 是以实体模型为基础，用具有一定设计或加工功 能的特征作为造型的基本单元建立零部件的几何模型的造型方法。这种方法以形状特征 为载体，加上精度、工艺、材料等信息进行造型，其优点是能以工程师所熟悉的方式进 行设计，因此比实体造型有更好的设计效率，更为重要的是由此所建立的几何模型不仅 包括了几何信息，还包括了工艺加工等信息，有助于加强设计、加工、检验等各个部门 间的联系，为c a d c a p p c a m 集成系统创造了前提。 特征造型技术是当前国内外的研究热点，人们已相继提出三种特征建模方法，即人 工辅助特征识别、特征自动识别及基于特征的设计。目前特征造型系统也主要采用这三 种方法来实现。人工辅助特征识别方法是先建立产品的几何模型，然后通过用户直接拾 7 广西大学硕士学位论文基于装配模型的粉末冶金成形模c a d 系统的开发 取几何图形来定义几何特征，并将特征参数( 精度特征、技术特征信息) 作为属性添加到 特征模型中，它将特征识别和映射由人来完成，自动化程度低。这是早期的造型系统所 采用的方法。这种方法实现容易，但在形体设计中仍以低级的几何操作为主，设计效率 低，操作烦琐，且特征与几何模型无必然联系。特征自动识别是指从已有的三维实体图 形中自动识别出特征。当用户通过实体造型建立产品的几何模型后，程序能自动处理几 何数据库，从b - r e p 和c s g 描述中提取出特征。特征自动识别的自动化程度高，但由于特 征自动识别是一个复杂的模式匹配过程，对于复杂的零件需要大量的时间，且系统还不 能保证识别出那些复杂的特征。基于特征的设计是以特征库中的特征或用户定义的特征 的实例为基本单元，建立产品或其零部件的特征模型，它不再使用先建立几何模型然后 来识别特征的方法。这种建模方法现己有特征描述树法、从特征模型到实体模型的映射 法和基于特征设计的方法等。基于特征的造型系统是目前特征造型系统最高实现方式。 它使设计的效率和设计的质量大大提高。此外，在设计过程中还可方便地进行设计特征 的合法性检查、特征相关性检查，并可组织更复杂的特征。基于特征设计的建模方法， 一方面要建立特征库，另一方面要确立形状定义法则。为了建立特征库，需要对零件进 行分类，并对每个零件类抽取一组特征，构成其特征库。用户可按照自己的工艺方案、 生产环境和产品对象来设计所需的特征库。现代主流c a d 软件，如p r 0 e s 0 1 i d w o r k s ， u g 等都支持特征造型。 基于特征造型的模具c a d 二次开发方法一般的开发过程如下：首先用平台c a d 软件 如p r 0 忸、s o l j d w o r j ( s 、u g 等的特征造型工具绘制的产品模型并在产品模型上附加特征 信息，然后通过特征识别技术提取特征参数，再对模具零部件进行设计。由于模具开发 所使用的产品模型由客户提供，客户产品模型又往往不完全按照系统要求对特征进行定 义，所以进行模具设计前一般都要对产品模型进行重新定义。而且由于目前特征造型技 术还不能实现所有产品型的定义，所以采用基于特征造型的二次开发方法适用范围受到 限制。目前基于特征造型的模具c a d 系统主要用于简单形状零件成形模具设计，如南京 林业大学开发的基于特征的级进模排样系统，河北工业大学开发基于u g 的筒形件拉深 模c a d 系统。 1 3 3 基于装配模型的c a d 系统的二次开发方法 2 1 儿2 2 模具是一个各零部件有着紧密关联的装配体，通用的商业c a d 软件一般无法事先定 义零件之间的关系然后再进行模具零件设计，但是零件设计又受到装配关系的制约，所 以要求用户记住这种制约关系，如果用户疏忽，那将造成模具零件干涉、零件设计的可 装配性无法保证等闯题。而且零件设计过程需要用户进行大量的人工交互操作，自动化 程度很难提高。这种方法实际上把零件设计与装配设计之前的关联打破，因而也很难保 证零件与装配体修改的同步更新。基于装配模型的设计方法是针对这些问题而提出的。 8 广西大学硕士学位论文基于装配模型的粉末冶金成形模c a d 系统的开发 装配模型是一组零件经过一系列的装配操作后生成的具有确定关系的模型，是对装 配体的抽象表达。装配模型可以用文字、表、符号或关系式来表达，也可以用图形表达， 是一种数据结构。装配模型一般可由三方面的信息来描述：零件的信息，装配中零件之 间的层次关系以及确定装配中零件位置和方向的装配关系。 基于装配模型的c a d 系统的般开发过程是：首先定义装配模型，然后进行零件详 细设计，最后重新按装配关系将各零件装配得到所需装配体。由于零件的装配关系首先 得到了定义，在零件设计时可以根据定义的装配关系自动生成对零件设计的约束，从而 保证了零件设计符合装配要求。这种方法有效地保证零件设计的可装配性，提高了设计 自动化程度。同时，无论零件设计还是装配设计都考虑了零件间的关联，所以能最大限 度的保证了零件与装配体修改的同步更新。因此，本系统将采用基于装配模型的开发方 法创建粉末冶金成形模c a d 系统。 定义装配模型是这一方法的关键，装配模型可以通过图形和约束来定义，也可以用 参数公式、表等来定义。 对于一种特定的装配体，如特定的模具结构，装配模型可以通过通用c a d 软件平台 的建模工具来定义。创建好一个装配体模型并定义其装配约束关系后，通过变形设计的 方法可以生成所需的装配体。这种方法是参数化设计和特征建模等方法的综合运用，它 能够快速创建所需的装配体。如上海交大开发的汽车覆盖件拉延模设计c a d 系统，西华 大学开发的基于装配模型的冲模c a d 系统等采用这种技术取得了很好的效果。 对于没有固定结构的装配体如粉末冶金成形模，是很难采用通用c a d 软件创建其装 配模型的，也很难用文字和数据表等来描述其装配模型的全部信息。经研究，本文采用 图形与数据结合的方法描述装配模型主要信息。粉末冶金模架是具有比较固定的结构的 装配体，本文将采用基于装配模型的变形设计方法创建。其它的零部件，由于结构形式 多样，很难完整描述其装配信息，本文将采用表达式、参数预定义等方式来描述、定义 它们与装配有关的主要信息，从而构建模具装配模型的主框架。在这个主框架下进行零 件设计，最后进行装配生成模具装配体。 1 4 本论文的主要研究内容及全文结构 1 4 1 主要研究内容 本论文主要介绍使用u g o p e n 开发工具、v i s u a lc + + 6 0 和s q ls e r v e r2 0 0 0 开发基于 u g 平台的粉末冶金成形模c a d 系统的方法及其关键技术。该系统使用基于装配模型的 模具c a d 技术进行开发，系统的自动化和智能化程度较高，能够依据输入的粉末冶金产 品三维图计算、提取主要成形零件设计参数，生成主要成形零件三维图，并能自动选择、 9 广西大学硕士学位论文 基于装配模型的粉末冶金成形模c a d 系统的开发 生成与已设计的主要成形零件相匹配的模架，最后实现模架与成形零件的自动装配。实 现粉末冶金成形模具设计的自动化以及模具零件工程图纸的自动输出。 本论文重点研究以下内容： 1 ) 粉末冶金成形模设计原理。研究粉末成形原理及其成形质量的主要影响因素， 在此基础上分析粉末冶金成形模的一般结构及设计原理、方法。 2 ) 基于装配模型的模具设计方法。研究装配模型的概念、装配模型的信息结构、 装配模型的描述方法以及装配建模方法并分析它们在粉末冶金成形模c a d 系 统中应用的方法。根据辐射式结构装配模型原理构建粉末冶金模具装配模型， 并分析装配模型在主要成形零件设计、模架选择设计以及总装配设计的中的应 用方法。 3 ) 系统框架。结合粉末冶金成形模特点，采用i d e f 建模分析方法分析系统的功能 模型，建立系统的运行流程图。 4 ) 系统开发关键技术。介绍本系统开发工具，研究对象识别、参数化建模、数据 管理方法和数据库接口技术、基于装配模型的变形设计、基于配合关系的自动 装配等系统开发的关键技术。 5 1 系统开发过程。介绍系统开发的过程及开发关键步骤的编程方法。 1 4 2 全文结构 全文共分七章，内容安排如下： 第一章主要介绍课题来源及系统研究背景、研究意义；介绍模具c a d 发展现状及 趋势、粉末冶金模具c a d 的发展概况，并介绍了模具c a d 系统开发的一般方法。 第二章介绍粉末冶金成形模一般结构、设计原理和传统设计方法，为c a d 系统的 开发提供技术分析。 第三章介绍基于装配模型的模具c a d 系统开发技术，研究粉末冶金成形模装配模 型的描述方法及装配模型在本系统开发中的应用方法。 第四章介绍本系统开发原理，研究系统功能模型、主要功能模块、系统运行流程 以及系统开发工具和系统开发的关键技术等。 第五章介绍系统开发过程及关键步骤的编程方法，给出部分关键代码。 第六章以粉末冶金齿轮成形模设计为实例介绍系统的运行过程。 第七章展望与总结。 1 0 广西大学硕士学位论文基于装配模型的粉末冶金成形模c a d 系统的开发 第二章粉末冶金成形模结构设计原理 2 1 粉末冶金成形原理 2 1 1粉末冶金成形过程及其主要质量指标 粉末冶金产品生产一般要经过制粉一混合一成形一烧结工艺过程。对要求较高的产 品，还可以采用精整一二次烧结工序提高其精度及其物理力学性能。其中粉末的压制