（材料加工工程专业论文）基于装配的低压铸造工装cad.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 7 9 盼2 低压铸造作为一种新的特种铸造工艺，在铸造行业中占着越来越重要的地位。低 压铸造是一种高效低耗的精确成型方法，是实现铸件少余量加工，同时也是铸件精密 化、薄壁化、轻量化和节能化的重要工艺方法。，本文根据低压铸造生产的特点，研究 了建立低压铸造工装c a d 的方法。 首先，文章介绍了低压铸造工艺原理及工装特点，分析了铸造c a d 的现状及发 展趋势，阐述了铸造工装c a d 在生产中的重要作用。对铸造c a d 在其他领域的应用 也进行了简单介绍。 然后，在分析低压铸造工装基本结构的基础上，建立了低压铸模总体装配模型。 以此模型为基础进行铸造工装各部分的设计。设计过程采用自顶向下的方式，从毛坯 处理中得到总体控制参数及内型形状，以此控制其他模块的同步设计。文中阐述了装 配模型和总体控制模块对系统实施的重要意义。 在分析参数化设计的基础上，作者提出关联性设计的概念。设计过程中以保证各 部分的关联性为基础，通过尺寸关联和几何关联来实现模块内部及模块阳j 的一体化设 计。关联性设计在系统的应用，保证了用户设计和修改的一致性。 最后，介绍了低压铸造工装c a d 软件各模块功能及设计流程。并以一双曲线舱 段零件为例，说明了各模块的一些运行结果。 关键词：低压铸造c a d 装配模型参数化造型关联设计 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t a san e w p r o c e s so fs p e c i a lc a s t i n g ，l o wp r e s s u r ec a s t i n g ( l p c ) p l a y s am o r ea n dm o r e i m p o r t a n t r o l ei n f o u n d r y l p c i sak i n do fh i g he f f i c i e n 4l o wc o s ta n dn e t s h a p e m a n u f a c t u r i n gp r o c e s s i tc a n b eu t i l i z e dt or e d u c et h ea l l o w a n c eo f c a s t i n g ，a n dc a r lh e l pt o r e a l i z et h ec a s t i n go fp r e c i s i o n ，t h i nw a l la n dp o w e rs a v i n g i nt h et h e s i s ，am e t h o dt o d e v e l o pc a d f o rl p cp r o c e s se q u i p m e n ti ss t u d i e db a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i c so fl o w p r e s s u r ec a s t i n g f i r s t l y , t h ea u t h o rs u m m a r i z e dt h ep r i n c i p l ea n dc h a r a c t e r i s t i co fl p c ，a n a l y z e dt h e s t a t u sa n dv e n do fc a di nf o u n d r y t h ei m p o r t a n c eo fc a di nc a s t i n gp r o c e s se q u i p m e n t i sa l s op o i m e do u ti nt h ea r t i c l e t h e n ，a na s s e m b l ym o d e lo fl p cm o l di sf o u n d e do nt h ea n a l y s i so f t h eb a s i cs t r u c t u r e o fl o w p r e s s u r ec a s t i n gp r o c e s se q u i p m e n t t h ed e s i g no f l p c p r o c e s se q u i p m e n t i sc a r r i e d o u tb a s e do nt h em o d e l t h et o pt od o w n d e s i g nm e t h o d i sa d o p t e d ，a n da l lt h em o d u l e sc a n 、 b eu s e di np a r a l l e l 、 a c o n c e p to f r e l a t i v ed e s i g ni sp u tf o r w a r db a s e do n p a r a m e t r i cm o d e l i n g t h ed e s i g n p r o c e s sa i m st oa s s u r et h er e l a t i v i t yb e t w e e nm o d u l e s t h r o u g hi n t e r - p a r te x p r e s s i o na n d w a v et e c h n o l o g y , d e s i g ni nam o d u l eo rb e t w e e nm o d u l e sc a l lb em a i n t a i n e d c o n s i s t e n t l y f i n a l l y , t h ef u n c t i o na n dd e s i g np r o c e s so fe a c hm o d u l ea r es u m m a r i z e di nt h et h e s i s t a k i n g a l la x i s y m m e t r i cp a r ta sa n e x a m p l e ，t h er e s u l t so f t h e m o d u l e sa r ed i s p l a y e d k e yw o r d s ：l o wp r e s s u r ec a s t i n g c a d a s s e m b l y m o d e l p a r a m e t r i cm o d e l i n g r e l a t i v ed e s i g n i l 华中科技大学硕士学位论文 1 1 课题来源、目的及意义 1 绪论 本课题来源于与航天三院合作项目“计算机辅助工装设计系统”。目的是通过在 u g 基础上的二次开发，将工装设计的实际过程与造型系统的建模能力相结合，帮助 设计人员快捷、高效的完成铸模工装设计的各个过程。通过将企业工装设计的专家知 识应用到程序中，可辅助设计人员进行决策，加快工装过程，有助于完成复杂的设计 工作。 1 2 低压铸造工艺简介及发展概况 低压铸造是液体金属在压力作用下，完成充型及凝固过程而获得铸件的一种铸造 方法。由于作用的压力较低( 一般为2 0 6 0 k p a ) ，故称之为低压铸造口l 。 i a1 图1 - 1 低压铸造装置简图 1 一坩锅( 密封容器) 2 一升液管3 一铝液 4 一气管( 进压缩气) 5 一密封盖6 一浇口 7 一铸型8 - - 型腔 低压铸造的装置如图1 - l 所示。在密封容器( 坩埚) 1 中通入干燥的压缩气体于 华中科技大学硕士学位论文 保持一定温度的金属液面3 上，金属液在气体压力的作用下，沿着升液管自下而上的 上升，通过铸型浇口6 ，平稳地进入到铸件型腔8 中，并保持液面上的气体压力一直 到铸件完全凝固为止。然后，解除液面3 上的气体压力，升液管2 和浇口6 中没有凝 固的金属液依靠自重回到坩埚1 中。这样，已经凝固的金属便在型腔内形成了所需的 铸件，经脱模后便得到了所需的铸件。 低压铸造所用的铸型可以是金属型、砂型( 干型或湿型) 、石膏型、石墨型及熔模 壳型等。 低压铸造基本工艺可分如下四道工序： 1 ) 金属的熔炼及模具的准备； 2 ) 浇注前的准备：包括坩埚密封( 装配密封盖) ，升液管中的扒渣，测量液面高 度，密封性试验，配模，紧固模具等； 3 ) 浇注：包括升液，充型，结晶凝固，放气解压等四个过程： 4 ) 脱模：包括松型脱模和取件。 这四道工序可用图1 2 来表示。这几道工序互相作用，直接影响铸件的质量和生 产效率。有些工序操作不慎，会增加不必要的时间浪费，降低劳动生产效率，例如坩 埚密封不好，会使气体泄漏，影响进气压力参数的正常控制，泄漏严重的需要返工。 模具装配不妥当，浇注时会漏箱跑火，不仅使铸件报废，严重的还会使整天的生产受 到影响。对浇注压力参数的控制更是直接影响铸件质量的关键【2 j 。 低压铸造最早由英国人e fl a k e 于1 9 1 0 年提出并申请专利。其目的是解决 重力铸造中浇注系统充型和补缩的矛盾。在重力铸造中为了充型平稳，避免气孔、夹 渣，一般都采用底注式，因此铸型内温度场分布不利于冒口补缩。低压铸造则巧妙地 利用坩埚内气压，将金属液由下而上充填铸型，在低气压下保持下浇道与补缩通道合 二为一，始终维持铸型温度梯度与压力梯度的一致性，从而解决了重力铸造中充型平 稳性与补缩的矛盾，而且使铸件品质大大提高。 2 华中科技大学硕士学位论文 密封盖准鲁 ii 金属的熔炼 升液瞥上涂料 升液管的加热和 装配 熔化 除气 精炼 炉前检验 蚓蓊 坩埚的密封 ( 装配密封盖) 二 扒去升液管中 的浮渣 二 测量 液面高度 t 做密封性试验 并浇注试棒 配模、台型 浇注 升液一充型一保压一放气 脱模取件 调节开合型 速度和开台 型的顺序控 制( 并调节 控制铸件凝 固后的静止 时间) 通过气动元 件来调节浇 注各阶段的 压力参数 以控制其浇 注工艺 清理工作台面il 铸件l 和嚣内 理惟浮渣llll 二二 开 关 型 控 制 台 气 动 控 制 厶 图1 - 2 低压铸造工艺操作过程 低压铸造真正被推广应用是在“二战”以后，当时发现低压铸造可解决厚大断面 铝合金铸件的壁厚效应，即克服因壁厚增加力学性能急剧下降的缺点【l 。低压铸造由 于有较高的补缩压力和温度梯度，有效地提高了厚大断面铸件的致密性。这一技术至 今仍被应用于厚大断面铸件的铸造。1 9 5 0 年以后由于汽车工业的发展，使低压铸造工 艺和设备有了一个新的飞跃。汽车轮毂由于质量要求高，本身结构又适于低压铸造， 而且需求量大，因此极大地推动了低压铸造技术的发展。英国在6 0 年代率先发展低压 铸造汽车轮毂，其后美国、日本、西德相继发展了此项技术【4 】【”。 我国在6 0 年代开始对低压铸造的实验并逐渐用于生产。目前主要用于生产铝、镁 合金铸件，如气缸体、气缸盖及活塞等形状复杂、要求高的铸件。有的单位还成功地 用于铸造压气机铝合金活塞，其重量达2 0 0 k g ，平均壁厚4 0 m m 。此外，低压铸造用于 铸造重达3 0 t 铜合金船用螺旋浆和大型球墨铸铁曲轴。 华中科技大学硕士学位论文 1 3 低压铸造的特点 低压铸造工艺过程的基本特点是，根据铸件的结构特点、铸型的种类及成型过程 各个阶段的要求，充填速度及压力可以在一定范围内进行调整。因此，低压铸造有如 下的特尉2 】【1 0 1 ： ( 1 ) 液体金属是自下而上平稳地充填铸型，且型腔中液流的方向与气体排出的方 向一致，因而避免了液体金属对型壁和型芯的冲刷作用，以及卷入气体和氧化夹杂物， 防止铸件产生气孔和非金属夹杂物等铸造缺陷。 ( 2 ) 铸件的凝固过程是在压力作用下进行的，补缩效果好，故铸件的致密度高， 机械性能好。如抗拉强度和硬度，一般比重力铸造提高1 0 左右。因此低压铸造可用 于生产耐压、防渗漏的铸件。 ( 3 ) 液体金属的充填过程是在压力作用下进行的，从而改善了充型条件，可用于 铸造形状复杂的薄壁铸件。 ( 4 ) 由于简化了浇冒口系统，且升液管中未凝固的液体金属可回流至坩锅中，因 此节省了金属的消耗，金属的利用率一般可达9 0 。 ( 5 ) 减轻劳动强度，改善劳动条件，且因设备较简单，容易实现机械化和自动化。 1 4 低压铸造的发展方向 低压铸造技术是实现铸件少余量g z i 和铸件精密化、薄壁化、轻量化和节能化的 重要措施。9 0 年代后期，制造业对铸件要求越来越高，铸件的精密化、薄壁化、轻量 化已成为铸造技术发展的主攻方向。低压铸造技术和压铸能够满足上述要求，但目前 低压铸造在设备、模具、工艺和自动化方面尚需进一步改进和提高【4 】【”。 ( 1 ) 低压铸造的最基本特征是金属液在坩埚内由下而上充填铸型。充填铸型浇口 与冒口可以合二为一升液管的截面积比较大，金属流量大，但流速不高。般升液 管内金属液上升速度为0 0 5 加2 m j s ，金属流动平稳，且金属液前锋氧化膜不断破裂趋 向升液管管壁，铸件内极少气孔和夹渣。对比压铸充型，在活塞挤压筒内，活塞以l 2 州 s 速度将合金液推进，充满挤压筒后，以极快速度增压，由于内浇口截面积小，造成 内浇道处射速高达2 0 5 0 n qs ，因此更显低压铸造充型平稳性。由于低压铸造铸件内没 有气泡，因而可以用热处理方法大幅度提高铸件材质的力学性能，这一基本特点在未 来的低压铸造设备中将得到充分保证和发展 4 华中科技大学硕士学位论文 ( 2 ) 低压铸造过程中，根据铸件壁厚、合金牌号和铸型情况，在液面加压参数中 一般都要建立升液一充型一结壳( 仅砂型) 一升压一保压一卸压几个阶段参数，以保 证充型平稳、充气排气和在尽可能大的压力下凝固结晶。这种工艺的需要，目前在设 备上还不可能完全得到保证，尚需要进一步改善和确保的。 ( 3 ) 铝合金铸件因壁厚增加而使力学性能大幅度下降，是般重力铸造中常出现 的问题低压铸造由于补缩压力大，而且低压铸造向差压铸造发展，铸型也处于正压 力场中，因此低压铸造厚壁铝合金铸件力学性能可望更加提高。 ( 4 ) 低压铸造机成套设备与工艺要求密切结合，完全满足各种工艺参数要求。液 面加压系统可采用p l c 可编程序逻辑控制器对模具各部位温度和保温炉内合金液温 度微调监控，对保温炉内液面高度变化和炉体泄漏自动补偿，自动调节充型压力和时 间参数，保证最佳工艺实现和重复性。模内工艺参数从监视器屏幕上可清晰反映，原 来预定的工艺参数( 曲线) 与实际工艺参数之间差额通过p l c 控制可缩小到要求范 围之内。 ( 5 ) 氐医铸造工艺c a d 设计可模拟合金液充填和凝固过程，使生产中模具满足 充填铸型时流动平稳、顺序凝固及得到充分补缩。而且，模具经c a d c a m 设计和 加工后可保证获得复杂内腔曲面，模具尺寸精度达到o 0 5 m m ，表面粗糙度r a 0 8 um 。而低压铸造件尺寸精度可提高到c t 4 5 ，表面粗糙度下降到r a 1 6um 。低压 铸造模具内可放置温度、压力各种传感元件，多个加热和冷却单元，并采用多通道计 算机监控，与主机有方便的接口。 ( 6 ) 主机采用集成式液压系统。模具可快速定位和液压机构锁定。快速装卸模具， 整个开模一顶出一取件一合模一浇注冷却一开模过程高度自动化，具有故障自动报 警、诊断、停机等保护功能。 ( 7 ) 为了使低压铸件在更大压力下得到补缩和凝固，低压铸造已向差压铸造方向 发展坩埚和模具内预先加一定压力，依靠坩埚和模具内压力差达到低压铸造目的。 此工艺目前已有采用，但工艺装备复杂，自动化程度低。尚需进一步简化工艺装备和 提高自动化程度 ( 8 ) 新型主机向多用化、专业化方向发展。多用化机型就是要适用于产品品种多， 批量不大的企业；而专业化机型则适用于批量大、品质要求高的专业化企业。机器、 模具及机器附件向标准化方向发展，将出现集各种优点于一身的新主机。 华中科技大学硕士学位论文 1 5 铸造c a d 简介 c a d 技术在铸造行业的应用主要体现在三个方面，即以铸造凝固过程模拟为重点 的铸造工艺c a d 、以铸造模具设计为重点的铸造工装c a d 和以铸造设备的设计制造 为重点的铸造机械及工程c a d 。 1 5 1 铸造工艺c a d 随着计算机技术的迅猛发展，c a d 技术在工业中得到愈来愈广泛的应用。在第 5 0 届世界铸造会议( 1 9 8 3 年) 凝固模拟专题讨论会上，美国密西根大学p e h l k 教授 及乔治大学b e r r y 教授在报告中提出铸造工艺c a d 的概念，并把它归结为计算机模 拟、几何模拟和数据库的有机联接。以后，计算机在铸造生产和设计中的应用越来越 广泛，铸造工艺计算机辅助设计( c a d ) 系统逐渐形成。铸造工艺c a d 是利用计算 机辅助铸造工艺设计者确定铸造方案、分析铸件质量、优化铸造工艺、估计铸造成本 及显示并绘制铸造工艺图等工作，把计算机的快速性、准确性与设计人员的思维、综 合分析能力结合起来，可以加快设计进程，提高设计质量，加速产品更新换代，提高 产品竞争能力1 6 j 【”。 近年来，国内外在铸造工艺c a d 方面已做了较多的研究和开发，相继出现了一 批较实用的软件。如美国铸协( a f s ) 的a f s - - o f t r a r e 软件，可用于铸钢、铸铁的浇 冒口设计；英国f o s e c o 公司的f e e d e r c a l c 软件，可计算铸钢件的浇冒口尺寸、补 缩距离及选择保温冒口套等。国内清华大学研究开发的f t c a s t 软件适用于球墨铸铁 件浇冒口系统：华中科技大学的凝固模拟软件华铸c a e 在企业中得到了广泛的应用； 华北工学院铸造工程中心开发的c a s tc a d 适用于铝合金、铸铁及铸刚件补缩，浇注 系统及工艺图、工艺卡绘制此外，还有环形体类、板类、缸体类及阀体类等铸件的 c a d 系统都在铸造生产中得到很好的应用。 1 5 2 铸造工装c a d 铸造工艺c a d 的基础是数值模拟，铸件凝固过程数值模拟的最终目的是解决铸 造工艺的优化设计，实现铸件质量预测和控制铸造工装规定了铸件的基本生产方法 和工艺过程，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 6 华中科技大学硕士学位论文 设计在各种设计生成的图形中，最重要的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。为此要根据生 产条件，按国家标准或企业标准建立标准模板库与标准砂箱库，同时需要相关数据库 的大力支持i 7 j 【”。 进入8 0 年代后，铸造工装c a d 开始向一体化c a d c a m 方向发展，以提高设计 效率及其质量，减少加工工时，提高产品加工精度，增强市场竞争能力。如日本五十 铃汽车公司推广该技术后获得了显著的经济效益；明显提高了模样加工精度、保证了 复杂模样制作的再现性，并可缩短加工工时3 7 。英国b a d g e r 模样制造公司早在8 0 年代初即开始采用c a d c a m 技术，并利用数控机床进行模样加工，生产诸如凸轮、 曲轴、水套等零件的模样，模样的尺寸精度、同心度及错箱误差均小于0 0 2 5 m m 。美 国衣阿华州j o h nd e e r e 铸造厂为了实现模样生产的体化c a d c a m 技术，设立了三 个中心：产品设计中心( p d c ) 、模具生产中心( p d d ) 及铸造服务中心( f s c ) 。其 中p d c 负责铸件设计，而p d d 和f s c 联接起来负责模样c a d c a m 。德国卡尔斯芦 埃核研究中心实验室f m e r t e n s 开发的模样c a d c a m 软件中，铸件和模样的几何形 状、尤其模样的自由表面以c a d 数据的形式( v d a f s ) 在各模块间传递。c a d 参数 经过工艺数据处理( 加工余量、拔模斜度、收缩量等) ，建立三维实体模型，确定分型 面后即可决定加工位置，并可确定模样的外表面，出外表面几何形状决定数控加工工 具的运动轨迹，并转换为n c 加工数据【1 4 】。 我国在铸造工装c a d 方面开展的研究及开发还不太多。沈阳工业大学开发的通 用砂箱c a d 图形库软件可提供下列信息：砂箱类型及材料、轮廓尺寸、箱壁箱带结 构、箱壁通气孔分布、砂箱定位结构、箱耳箱轴及箱把结构等。利用该图库有利于提 高工装设计水平与工作效率【9 】1 1 1 。 我国在铸造工装c a d 技术方面存在较大差距，为此必须大力开展这方面的研究 和开发应用工作。 1 5 3 铸造机械及铸造工程c d 铸造机械设计的工艺性强，设备种类多，计算和绘图量大，利用c a d 技术可提 高效率并优化设计。国外的铸造设备厂家( 如德国的b m d 等) 已先后采用c a d 技术； 而国内铸机厂小且分散，计算机应用水平较低，加上产品及零件的系列化、通用化程 华中科技大学硕士学位论文 度不高，造成铸造机械c a d 总体水平不高，许多方面尚处于起步阶段。国内目前也 开发了部分软件，如清华大学的抛丸机c a d 系统( s b m c a d ) 、气冲造型线平面布置 系统( m l c a d ) ，机械工业铸机科技信息网c a d 开发部的铸造及机械化设计软件系 统( 7 a c a d ) ，江苏理工大学的$ 5 6 8 水玻璃砂再生系统0 ：s c a d ) 等【6 】【9 】。 这些系统大多以微机为开发平台，以a u t o c a d 为支撑软件。但所使用的开发工 具不尽相同，如z j c a d 以a u t o c a d 及其中文环境a c e 为背景进行c a d 开发，f s c a d 在a u t o c a df o rw i n d o w s 下采用a d s c 和v b a d s 为开发工具。 这些系统采用结构化方法进行系统分析、设计和编程。将系统分为不同模块，模 块设计遵循通用性原则，每一模块能实现某种功能的通用设计和图形绘制，便于系统 升级和扩展。根据系统种类确定模块划分方式，铸造机械一般按结构划分，如 s b m c a d 分为抛射图仿真、室体结构设计和传输系统等设计模块。铸造工程一般按工 作流程划分，如m l c a d 分为气冲造型机、砂箱底板小车、翻箱机、运转等模块。f s c a d 分为斗提机、落砂机、胶带运送机、$ 5 6 8 水玻璃再生等模块。在设计时，按工位要求 把系统部件的装配图简化为不同的模块，模块插入基点关系到系统布置过程中模块的 插入和定位。m l c a d 的总体布线的设计采用各段独立设计的思路完成，通过主体布 线程序进行合理的判断和指示转移，实现各种可能出现的平面布置。车间设计是一个 复杂的系统工程，z j c a d 包括厂房平面剖面、车间平面剖面：、铸造工艺装备、连续运 输设备、非标设计等功能模块。 1 6 开发工装c a d 软件的必要性 在企业产品研制过程中，首先要做大量的工艺准备工作，包括工艺规程编制、刀 具、量具和模具等工装的设计和制造，采用传统的设计方法、制造工艺和加工手段， 工作量大，生产周期长，成为直接影响产品研制生产准备周期的主要因素。 工装设计在企业产品的工艺准备中所占的比重很大，约占工艺准备工作量的 5 0 工装设计与产品设计不同，一个零件可能需要一套甚至几套工装来制造加工， 工装设计也受到产品设计工艺路线，工艺方法和加工准备等诸多环节的影响。因此， 工装设计的品种多，数量大，要求设计周期短，而且标准化程度低。 随着现代制造技术的不断发展，产品生产逐渐向模块化、系列化、标准化方向发 展。与此同时，产品更新抉代越来越快，批量小、精度高、研制周期短的产品越来越 华中科技大学硕士学位论文 多。为企业工装设计开发c a d 软件，以适应激烈的市场竞争已成为大势所趋。工装 设计c a d 开发的目的是高质量高效率地完成工装设计，充分发挥设计人员的创造性， 缩短产品的开发周期。 1 7 作者的主要研究工作 作者在课题研究期间，对低压铸造工装进行了研究，开发了低压铸造工装c a d 软件，完成的主要工作包括： 1 阅读了大量文献资料，综述了低压铸造的原理、特点、发展概况：总结归纳了 铸造c a d 的现状及发展方向。 2 对装配模型进行了研究，建立了低压铸模的总体装配模型，并将其在c a d 系 统中应用。 3 在参数化设计的基础上提出了关联性设计的概念，并重点研究了尺寸关联和几 何关联的实现方法。 4 参与开发了低压铸造工装c a d 系统，完成了其中外模和浇注系统设计模块及 毛坯处理、芯盒设计的部分功能模块。 9 华中科技大学硕士学位论文 2 1 装配模型概述 2 低压铸模装配模型 在装配层次上进行产品建模，是从产品功能要求出发，设计和组装一系列的零件 去实现产品的功能。为此，先设计出初步方案及其结构草图，建立基于约束的产品模 型。然后，通过设计计算确定每个设计参数，进行零件的详细设计，并将其装配成产 品。对设计结果进行评价分析之后，修改不满意之处，直到的得到满足功能要求的产 品。本章首先介绍装配模型的定义、结构及实现，然后讨论低压铸造工装的总体装配 模型。 2 1 1 装配模型的定义和结构 装配模型是一种集成化的信息模型，支持面向全生命周期产品设计过程中与装配 有关的所有活动和过程( 即面向装配的设计) ，包括产品定义、生产规划和过程仿真中 与装配有关的各个子过程【l ”。 国外对装配建模的研究始于7 0 年代后期，最早的尝试是l i e b e r m a n 和w e l s l e y 等 人在a u t o p a s s 项目的研究中做出的。随着装配技术的发展和深入，有关装配建模的 研究日渐活跃，但大多是从满足某一特定应用背景，如装配工艺规划、可装配性分析 评价的需求出发的。国内这方面的研究目前尚处于起步和探索阶段，主要集中在上海 交通大学、清华大学、华中理工大学和西北工业大学。 装配模型表达的典型结构有树形结构( 图2 1 ) 和环形结构( 图2 2 ) 。在树型结 构中，结点用来存储零件信息，边则存储零件之间的定位关系和变换信息。这样，零 件之间的关系通过树( 二叉树) 的结构联系起来这种结构对于确定各个零件之间的 空间拓朴关系十分有利，而且树的边信息代表着零件之间的定位关系，对变换位置十 分方便。但这种结构对于因某一个零件的修改而引起的对整个装配体的修改能力有限。 这是因为树状结构是以零件信息为主的，零件关系仅处于辅助地位。当因某一个零件 的修改而引起的对所有叶结点的遍历过程实际上是针对零件信息的，对于零件之间的 关系则处于次要地位。 1 0 华中科技大学硕士学位论文 图2 - l 树形结构 图2 2 环形结构 在环状结构中，零件被串连成一个环状结构，对某一个零件的修改，其影响可以 通过环状链表传递到装配体这种结构并没有改变以零件信息为主的状况，它对于零 件之间的关系描述也处于辅助地位。如果零件信息建模完善，可对零件与装配的一致 性问题的解决创造条件，但环状结构限制了其能力的发挥【l g 】【1 9 】。 2 1 2 装配模型的实现 装配建模的根本目的，是在计算机内建立一套完整的装配信息存取机制，以支持 面向装配的产品设计过程。装配模型的实现涉及到数据结构的建立、功能结构的形成、 装配元件的标识、工程语义的获取等多个方面【2 0 】。 产品以装配体或子装配体的形式出现，由装配元件构成，而装配元件本身也可能 是子装配体，这样，产品装配结构的表达就数据类型而言无疑是一种递归的关系。装 配结构的这种递归关系可以统一用层次化的元件链表来定义【3 0 】川： t y p e d e f s t r u c td f a _ _ p r o d u c t d f a _ m a nm a n a g e m e n t ； 管理信息 i n t s e q u e n c e _ _ n a t ； ，成员自然顺序 i n t s e q u e n c e _ p l a n ； ，成员规划顺序 i n tc o n s t r a i n th u m ；约束个数 l i s tc o n s t r a i n tl i s t ；胸束列表 l i s t n e i g h b o u r _ l i s t ； ，成员邻接表 d f ah e a d p a r e n t ； 元件父节点，指向总装配 d f a _ p a t hp a t h _ i n i t i a l ； ，初始装配路径 华中科技大学硕士学位论文 i n t f l a g 4 4 ；，标志字，1 为子装配体，0 为零件 s t r u c td f a 元件子节点，指向下层单元表头_ p r o d u c tc h i l d r e n ； s t r u c td f a 一成员节点p r o d u c tn e x t ； q r d f a _ p r o d u c t ； 由于装配元件既可以是零件，也可以是子装配体，所以整个链表呈复杂的树状结 构。如图2 3 所示。其中，主链对应于目标装配体的各装配成员，子链对应于子装配 的进一步分解。 ( 主 莲) 图2 - 3 装配元件链表的树状结构 产品装配层次关系具有一定的物理含义，这种含义取决于具体的应用领域，随应 用领域的不同而有差异。在众多的应用领域中，功能描述是对产品最直观最自然的理 解。例如减速箱的装配体，可以很容易地从功能角度用一棵树来描述其结构组成，如 图2 - 4 。因此，可将功能结构作为产品信息模型中装配层次关系构造的骨架，其他应 用领域的装配结构描述则可以理解为它的不同视图【2 l 】【2 3 l 。 图2 4 减速箱的功能结构树 产品的功能结构是在产品定义过程中逐渐形成产品定义是一个由抽象到具体的 华中科技大学硕士学位论文 逐步求精过程一般步骤是，先通过产品规划和方案设计将总的需求目标转化为功能 上的层次结构关系( 图2 5 ) ，然后经过结构设计和详细设计得到实现这些功能的部件 和零件。这样，就可以得到对应于具体功能的各零部件的层次结构关系，即产品装配 的功能结构关系它是产品装配结构的核心，其他领域视图的构造以此为纽带。 图2 - 5 产品定义过程中的功能分解 装配元件的标识机制是产品装配模型在计算机内存储和索引的关键内容之一。在 产品内部，装配元件之间的配合约束关系的定义，最终需落实到具体的零件实体及其 几何元素上面；而装配层次结构中，不同的装配元件很可能会共享同一个零件实体。 零件实体的表达、装配元件的区分，均是通过装配元件的正确标识实现的。 在通用的c a d c a m 软件u g 中，每一个装配体由若干个装配成员组成，各装配 成员对应于唯一的i d 号：若装配成员为子装配体，可类此进一步分解。这样，就形成 了一棵含i d 号( u g 中称为t a g ) 的结构树，各装配元件为该树的节点。每一节点的 拓扑位置( i d 号序列) 可用一维数组p a t h 【f 】= - 1 ，2 ，m 来表示，其中m 为该装配 元件所在的层号，数组元素p a t h 【f 】为该元件在它所经过的路径上第l 层节点的i d 号。 利用这一机制，元件在装配结构中的拓扑位置可以很方便地确定。例如，图2 - 6 中， 子装配体a b 出现了两次，子装配体分解后的零件a 1 ，a 2 实际上是同样的零件a ， 但可以用不同的路径加以标识，a l 的p a t h i = 7 ，p a t h 2 = 4 ，p a t h 3 = 3 ，p a t h 4 = l ，因 此a l 的标识路径为【7 ，4 ，3 ，1 】，a 2 的标识路径贝o j ) 9 2 ，4 ，2 ，4 ，l 】，这样就可达到快速存储 与索引的目的1 2 4 1 1 2 5 1 华中科技大学硕士学位论文 口一零件。一子装配体 囝2 6 产品装配层次结构中元件的标识机制 现有通用c a d 软件主要用于零件造型和装配实体，在具体工程语义获取方面并 没有通用的模块。但针对某些应用领域开发的专用模块，如u g 公司针对注塑模设计 开发的m o u l dw i z a r d ，针对冲压模开发的d i ee n g i n e e r i n g 等模块，对设计意图等相关 信息的获取有了很多辅助手段。信息获取的基本过程包括两个方面：首先，在c a d 软件的支持下构建产品功能结构的实体模型( 即零部件造型_ ：f q 装配体的生成) ；然后， 在相关界面的支持下对实体模型交互操作，得到所需的工程语义信息。有些工程语义 信息可直接输入，如元件类别、属性；另外有些信息则由系统自动或交互获取，如元 件的标识路径、孔的轴线、平面法线等。 2 2 低压铸模装配模型 2 2 1 低压铸模常用结构 低压铸造所用的铸型可以是金属型、砂型( 干型或湿型) 、石膏型、石墨型及熔模 壳型等其中最常用的是金属型和砂型i l l 】。金属型铸造用外模的内表面形成产品的外 表面，用芯盒的外表面形成产品的内表面，外模和芯盒之间填充金属液，如图2 7 所 示。砂型铸造则用外模的外表面形成外砂型的内表面( 即填充金属液的外表面) ：由 1 4 华中科技大学硕士学位论文 砂型 外模内表面 芯盒外表面 图2 7 金属型铸造示意图 ，一” t ：j 雕 7 觚； 崔 j 、泛撵 # 崔 正、 t ： - 图2 - 8 砂型铸造示意图 外模外表面形成 芯盒内表面形成 芯盒的内表面形成内砂型的外表面( 即填充金属液的内表面) ，如图2 8 所示。砂型的 外部是砂箱( 未画出) ，外砂型由外模装在砂箱后充砂形成，内砂型由芯盒装在砂箱内 充砂形成砂型低压铸造的模具结构一般指外模、浇注系统、砂箱、芯盒等用于形成 砂型的各个组成部分。 2 2 2 系统低压铸模装配模型及意义 装配模型是支持产品从概念设计到零件设计，并能完整、正确地传递不同装配体 设计参数、装配层次结构和装配信息的产品模型 本系统是针对砂型低压铸造设计的装配模型，因此铸模总体装配模型描述的是模 具总体结构信息，外模、砂箱、浇注系统和芯盒之间安装位置及约束关系，以及组成 外模、砂箱、浇注系统和芯盒的各零件之间的约束关系等信息。通过装配模型，保证 了各部分设计参数的一致性，从而能有效地支持模具的相关性设计低压铸模装配模 1 5 华中科技大学硕士学位论文 程模型如图2 - 9 所示。 图2 - 9 低压铸模总体装配过程模型 铸模设计是从零件模型开始，零件模型添加加工余量和铸造收缩率后生成铸件毛 坯。铸件毛坯的外部尺寸和形状决定了砂箱、外模总体尺寸，而毛坯的内部形状和总 体尺寸决定了芯盒内型面的具体设计。砂箱、外模和芯盒的位置都是相对于毛坯来决 定的，从而决定了它们的装配位置关系。外模体缝隙浇道的安装槽是由缝隙浇道的具 体形状决定的，而安装槽的形式与分布又决定着横浇道的结构形状，因此外模和浇注 系统的设计是相互关联的。由于图2 - 9 所示装配模型各组成部分间存在着位置、形状、 尺寸等关联关系，对各部分进行相关性设计将有利于防止装配时可能出现的局部冲突。 当对总装配某一部分进行修改时，相应关联的尺寸可自动修改，从而使修改更简便， 并易于保证修改的一致性。 在建立系统的装配模型之后，再针对每一部分的具体形状进行详细设计。此时与 装配有关的尺寸已经由装配模型总体尺寸确定，余下尺寸和形状只是与装配无关的局 部部位。如外模的内部肋板、筋条不与任何部分发生装配关系，这些形状特征的的设 计不会影响总装配结构。因此外模、砂箱、芯盒等各部分的详细设计可在模具总体装 配模型基础上并行实现。 在设计初期，由于建立了模具的总体设计方案，综合考虑对设计过程有影响的总 体因素( 如成型毛坯的外部尺寸，将会对外模、砂箱和芯盒的设计产生影响) ，把这些 1 6 华中科技大学硕士学位论文 因素放在一个可控制全局的模型文件中，通过系统内部机制将控制参数的变动传递到 任何相关的模型文件中，保证了各部分设计在总体上的一致性。 2 3 面向并行设计的装配模型 2 3 1 并行设计的思想方法 自2 0 世纪8 0 年代中期以来，世界各发达国家将先进制造技术的理论研究与工程 实践重点逐步转移到以产品开发为中心，并面向整个产品生命周期的设计方向上来， 由此引出并行工程的概念【z l j ： 并行工程是对产品及其相关过程( 包括制造和支持过程) 进行并行、一体化设计 的一种系统化的工作模式。这种工作模式力图使开发者从一开始就考虑到产品全生命 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。 并行工程以c i m s 的信息集成为基础，以过程集成为主要特点。过程集成就是对企业 的各种活动过程进行重组，将产品开发过程中的串行过程尽可能多的转化为并行过程， 使在设计早期就能考虑到产品的可装配性、可制造性、可测试性、可维护性、可靠性、 可支持性及成本合理性等因素，使各阶段工作及时交流、协调，避免跨阶段的大返工。 此外，过程集成还意味着以产品为中心，由各有关部门人员组成的多学科小组的人员 的集成。 由以上概念可看出，并行工程是一种先进的制造模式，设计在并行工程中占了主 导地位，是并行工程的核心。并行设计是先进制造领域经常采用的设计模式，它是计 算机技术、网络技术、通信技术等发展到一定阶段，应用于产品设计中，经过系统地 将设计过程重组、优化而产生的1 2 6 l 【”】。 并行设计的特点是“集成”与“并行”。所谓集成，是指在信息集成的基础上，更 强调过程的集成，过程集成需要优化和重组产品的开发过程，组织多学科专家队伍， 在协同工作环境下，齐心协力，共同完成设计任务所谓并行，是指一个以上的事件 在同一时段内发生，与串行设计相比，并行设计同一时刻内可开展更多的设计活动， 使设计活动尽可能并行进行，以此来减少整个设计过程的时间。 传统的制造企业内，产品的设计和开发过程是以串行方式进行的。只有等前一阶 段的工作完成后，后一阶段才开始工作，后期的工作不介入前期工作。这样，势必造 成设计后期发现的问题必须从前一阶段，甚至从任务开始阶段进行修改，延长了设计 1 7 华中科技大学硕士学位论文 周期，造成了资源的浪费，这种设计方法已难以适应市场竞争的需求。而并行设计也 将产品开发周期分解成许多阶段，如需求分析、方案设计等。这些阶段在时间上有一 部分相互重叠。串行设计和并行设计过程如图2 1 0 ，2 1 l 所示 2 9 h 3 2 】： 在图2 1 l 中，方案设计属于相邻两个阶段相互重叠，设计反馈是四个阶段相互重 叠。在这些相互重叠的设计阶段间并行地进行设计，显然首先要求信息集成和相互间 的通信能力，其次要求以团队的方式工作这些团队不仅包括与这些设计阶段有关的 设计人员，还应包括参与产品生产和销售过程的相关部门人员。 市场设计生产 图2 1 0 串行设计过程 豳2 - 1 1 并行设计模式 华中科技大学硕士学位论文 并行设计环境中，由于不同设计阶段需要同时进行，而每个阶段生成的数据，在 没有完成设计之前是不完整的，所以数据模型和数据共享的管理成为并行设计的关键 技术之一。支持并行设计必须有一个产品设计主模型，并能将产品设计数据定义成多 个对象。这些对象的组合可以构成面向不同应用领域的对象，各个设计过程在同一个 设计主模型上操作，保证数据模型的一致性和安全性。 无论是串行设计还是并行设计，设计的更改总是不可避免的，更改应体现在产品 数据模型的更改上。为了使上游设计更改所产生的新版本数据，不致于引起下游活动 重新开始，需要建立一种数据更改模式，如图2 1 2 所示。 产品制造 图2 - 1 2 并行设计过程中产品数据的生成模式 在产品设计阶段，设计更改过程为p a 、p 胁p a 3 ，在一系列的设计修改之后， 产品数据模型也随之更改，相应的数据模型是a 1 、a 2 、a 3 ，当产品设计完成后，最 终产生产品模型。在工艺设计阶段，工艺设计过程pb f 是随着产品设计和工艺设计的上 游的更改而更改，相应的数据模型是b f 。这种模式在并行工程产品开发过程中具有十 分重要的意义。为此，产品数据的更改需要一种渐进式的数据更改及表达模式，而且 仅仅是局部的产品模型更改或调整。 产品数据的更改虽然在理论上可以由任意阶段提出要求，在任意阶段进行更改， 但是这样会造成产品数据更改的复杂性和管理的复杂性。一般情况下，采用逐级反馈 的方式，这样对于过程的管理和产品数据的组织都比较简单。需要时也可以采用越级 反馈的方式。越级反馈主要用于过程之间的信息反馈，而产品数据的更新采用逐级更 改的方式。 在并行设计的实施过程中，必然遇到一些冲突，如c a d 的输出是c a p p c 气m 的 输入，c a p p 的输出又是c a m 的输入而且，各个阶段的输出输入信息不完备，不 1 9 华中科技大学硕士学位论文 完备的信息模型为信息的处理带来许多矛盾和冲突，处理这些冲突是并行设计的重点。 在并行设计中，对于不完备的产品模型，通过彼此的并行交叉实施，及时地反馈与评 价，完成设计一评价一再设计的小循环。 2 3 2u g 中面向并行设计的实现方法 并行工程中设计人员、工艺人员、工程分析人员、市场部门以及所有其他参与产 品开发的人员同步进行各项开发工作，从而缩短产品开发周期。u g 中是通过主模型 来实现并行设计的，u g 的产品数据是以单一数据文件进行存储管理的。每个文件在 特定时刻只允许单一用户以写的权利。如果所有开发者都基于同一文件进行工作，最 后将导致部分人员的数据不能保存。u g 主模型利用u g 装配机制建立这样一个工程 环境使得所有工程参与者能共享三维设计模型，并以此为基础进行后续开发工作。u g 主模型如图2 1 3 所示，在三维模型基础上进行部件及装配设计，进而进行二维图处理， 加工分析和运动分析等。 酗2 13 u g 主模型 当设计人员完成了其主体设计，或部分设计模型时( 该模型能表达其主要设计意 图) ，其他工程人员可以这样开展他们的工作： 建立一个新的u g 文件( p a r tf i l e ) ，例如d i e _ d e s i g n p r t