（材料科学与工程专业论文）面向功能的覆盖件模具设计理论与方法的研究.pdf

华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 abs tract p a n e l d i e i s a k i n d o f t h e i m p o r t a n t t e c h n o l o g i c a l e q u i p m e n t s i n a u t o m o t iv e b o d y m a n u f a c t u r i n g . t h e m a n u f a c t u r i n g t i m e a n d q u a l i ty o f t h e d i e s h a v e d i re c t e f f e c t s o n t h e d e v e l o p m e n t c y c l e , t h e q u a l i ty , a n d t h e m a r k e t c o m p e t i t i v e n e s s o f n e w c a r s . w i t h d e v e l o p m e n t o f c o m p u t e r a i d e d t e c h n o l o g y ( c a x ) , t h e c o m p u t e r i s u s e d m o re a n d m o re i n a v a r i e ty o f a p p l i c a t i o n s . i n o r d e r t o i m p r o v e t h e q u a l i ty o f p a n e l d i e s , t o s h o rt e n t h e d e s i g n a n d m a n u f a c t u r i n g p e r i o d o f d i e a n d c a r b o d y , a n d t o e n h a n c e t h e a b i l i ty t o d e v e l o p a u t o m o b i l e p r o d u c t s i n d e p e n d e n t l y , it i s n e c e s s a ry t o a d o p t c a d / c a m t e c h n i q u e s f o r d i e d e s i g n a n d ma n u f a c t u r e 、 户 t h e p u r p o s e o f d i e d e s i g n i s t o p r o v i d e u s e r s w i t h t h e n e e d e d f u n c t i o n s . s o t h e f u n c t i o n s o f a d ie a re t h e b a s i c e le m e n t s t o c o n tr o l a n d m a n a g e i t s d e s i g n p r o c e s s . a lt h o u g h t h e t r a d i t io n a l c a d s y s t e m s a r e s tr o n g a t g e o m e t r ic m o d e l i n g , it i s n e e d e d t o d e f i n e t h e f u n c t i o n o f t h e d i e , t o m a p t h e f u n c t i o n s t o g e o m e tr ic c o n s t r u c t s , a n d t o m a i n t a i n t h e d e s i g n p r o c e d u r e b y t h e u s e r . i t i s i m p o s s i b le t o d e f i n e t h e f u n c t i o n s o f a d i e , a n d t o a c c o m p l i s h c o n c e p t u a l d e s i g n b y m e a n s o f t h e s e s y s t e m s . h e n c e , t h e t h e o ry a n d m e t h o d o l o g y o f f u n c t i o n - o r i e n t e d d e s ig n f o r p a n e l d ie s h a v e b e e n s t u d i e d 妙t h e a u t h o r s . t h e o b j e c t - o r ie n t e d p r o c e d u re t h e d e s i g n m o d e l s , d e s i g n m e t h o d s a l s o d e fi n e d . m o d e l f o r p a n e l d i e d e s i g n i s e s t a b l i s h e d b y t h e a u t h o r s , a n d a n d t h e o v e r a l l s y s t e m a r c h i t e c t u r e f o r p a n e l d i e d e s i g n a r e t h e m e t h o d o f f u n c t io n - o r i e n t e d d e s i g n f o r p a n e l d i e i s p r o p o s e d i n t h i s p a p e r , a n d w h i c h i s s t a r t e d f ro m u s e r s r e q u ir e m e n t s , a c h i e v e s t h e f u n c t i o n m o d e l 妙 f u n c t i o n m o d e l i n g , a n d m a p s t h e f u n c t i o n i n f o r m a t i o n t o s tr u c t u re i n f o r m a t io n t h r o u g h t h e p h a s e s o f a s s e m b l y d e s i g n a n d d e ta i l d e s i g n t h e c o n c e p t f u n c t i o n a l s tr u c t u re u n i t i s p u t f o r w a r d b y t h e a u t h o r s , w h ic h i n t e g r a t e s t h e f u n c t i o n i n f o r m a t i o n a n d s t r u c t u r e i n f o r m a t i o n d u r i n g d e s i g n p r o c e s s , a n d i s t h e b a s i c e l e m e n t i n f u n c t i o n - o r i e n t e d d e s i g n f o r p a n e l d i e . i n t h e d e s i g n p r o c e s s , a s s e m b l i n g r e l a t i o n s h i p o f t h e p a r t s , t h e s t r u c t u r e i n f o r m a t i o n o f t h e p a rt s , a n d t h e r e la t i v e g e o m e tr i c f e a t u r e s t o o t h e r p a r t s , c a n b e o b t a i n e d fr o m t h e s e t o f t h e f u n c t i o n a l s t r u c t u r e u n it s . i t i s e n a b l e d t o e x p r e s s t h e a b s t r a c t 飞 汗一一 a . i t 仆 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 i n f o r m a t i o n a t t h e p h a s e o f c o n c e p t d e s i g n . t h e s o - c a l l e d v i r t u a l p a rt i s u s e d t o r e p re s e n t t h e r e l a t i v e g e o m e t r i c f u n c t i o n a l s tr u c t u r e u n i t s . i n t h i s w a y , i t i s a b l e t o g e n e r a t e re la t i v e g e o m e tr i c p a r t s a u t o m a t i c a l l y , a n d t o t r a n s f o r m t h e d e fi n e d a s s e m b l y c o n s t r a i n t r e l a t i o n p a r t a n d t h e v i r t u a l p a r t t o t h e r e l a t i o n b e t w e e n f u n c t i o n a l p a r t a n d b a s e p a r t . f e a t u res i n t h e f e a t u res o n b a s e b e t we e n t h e b a s e a n a ly z i n g t h e g r a p h b a s e d t h e o ry f o r a s s e m b l y m o d e l i n g , a m e t h o d i s p r o p o s e d妙 t h e a u t h o r s to e x p re s s t h e a s s e m b ly m o d e l in g p r o c e d u r e b y g r a p h d i s a s s e m b ly . t h e d e f in i t io n a n d t h e m e t h o d o f g r a p h d i s a s s e m b l y i s p r e s e n t e d i n t h e p a p e r . t h e m e t h o d o f a s s e m b l y m o d e l i n g f o r p a n e l d i e b a s e d o n f u n c t io n a l s t r u c t u r e u n i t s i s p r o p o s e d . i n t h i s w a y , t h e a s s e m b l y c o n s t r a i n t r e l a t i o n s c a n b e e x p r e s s e d a t p h a s e o f . a s s e m b ly d e s i g n w i t h i n s u f f i c i e n t d e s i g n i n f o r m a t i o n i n t o p - d o w n d e s i g n . t h e c o l l a b o r a t i v e d e s i g n m e t h o d s f o r p a n e l d i e d e s i g n b a s e d o n c o n c u r re n t e n g i n e e r i n g i s d i s c u s s e d . a l o g ic a l d f c m o d e l f o r c o n c u r re n t d e s i g n o f p a n e l d i e a n d a v i rt u a l i p t m o d e l o r i e n t e d t o t h e c o l l a b o r a t i o n i s p r o p o s e d . a c a d p a c k a g e f o r p a n e l d i e s d e s i g n h a s b e e n d e v e l o p e d b a s e d o n t h e t h e o ry a n d m e t h o d o l o g y o f f u n c t i o n - o r i e n t e d d e s i g n , w h i c h h a s b e e n s u c c e s s f u l ly a p p l i e d t o t h e m o d e l c i ms e n g i n e e r i n g o f d o n g f e n g a u t o m o t i v e c o r p o r a t i o n k e y w o r d s : p a n e l mo d e l r e l a t i v e d i e f u n c t i o n - o r i e n t e d d e s i g n t o p - d o w n d e s i g n d e s i g n p r o c e d u re f u n c t i o n m o d e l i n g a s s e m b l y m o d e l i n g f u n c t i o n a l s t r u c t u r e u n i t g e o m e t r ic f e a t u re c o l l a b o r a t i v e d e s i g n -. - -一 . - - t l r-一 一 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 第一章 绪论 本章概述了 面向功能的 搜盖件模具c a d 的目 的和意 义，分折了 搜盖件模具设计和制造 的过程， 提出了 存在的问 题和解决的方法，综述了 搜盖件模具c a d / c a m 系统的发展历史和 研究现状，总结了 覆盖件模具c a d / c a m 系统 存在的问 题和今后的发展方向，最后介绍了 作 者的主要研究工作. 肠 1 . 1课题的意义与目的 近三十年来，随着计算机性能突飞猛进，计算机辅助技术在制造业得到了广泛应用， 极大地推动了制造业的发展1 11 2 1 。市场竟争的日 趋激烈，要求企业缩短产品开发周期，提 高产品质量，降低生产成本，从而提高自身的效益和生存能力。 随着我国汽车工业的迅速发展， 新车型更新换代的速度不断加快， 传统的设计制造 方法已不能适应产品发展的要求。覆盖件模具作为车身生产的基础工艺装备，直接制约 汽车产品的质量和新车型的开发。据中国模具协会的调查统计13 1 ，近年来我国引进的轿 车生产线主要靠引进模具来维持生产，其中汽车覆盖件模具每年约花费2 亿美元。这不仅 耗费了大量外汇，而且还严重阻碍了汽车产品的更新换代。在覆盖件模具设计制造中采 用c a d / c a m技术.是发展我国汽车工业的必然趋势1 . 飞 统计资料表明，设计阶段实际投入费用约占总成木的5 %，但它却决定了产品总价值 的7 0 %，甚至更多。可见设计过程在产品整个生命周期中的重要地位，因此，攫盖件模 具设计过程的建模与设计过程的自 动化，是覆盖件模具c a d / c a m 技术的重要研究方向。 r a j n e e t s e d h i 和 j o s h u a u t u r n e r l 对产品 的 设 计过 程 做过大 量的 研究， 他们认为 从支持产品的功能和设计者意图的角度来说，整个产品的设计过程必须加强和支持装配 设计。产品的功能不是由单个零件来实现，而是由所有零件协同工作来实现的。这就意 味着装配模型是整个集成设计环境的关键，产品功能由此产生，协同设计中的各设计者 从这里得到产品的功能信息。装配模型表达的是产品的高层结构，而零件则是这个高层 结构里的几何和材料等实体细节。 产品的功能是产品设计的出发点和最终目 标，对一个复杂的产品来讲，只有装配体 才可能具有某种功能，正确的设计顺序应为先装配设计后零件设计。由于建立装配模型 时还没有零件的设计信息，因此，完成装配层次上零件的抽象描述以及基于抽象零件的 装配建模， 研制在更高层次上支持产品的 t o p - d ， 设计方式，实现设计与产品生命周期 中其它过程的集成，是新一代扭盖件模具c a d 的发展趋势。 t 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 因此，国家8 6 3 1 c i ms 主题把东风汽车公司作为c i m s 应用示范工厂。华中科技大学 作为技术依托单位承担了该项目，进行了车身与覆盖件摸具c a d i c a p p i c a m集成系统的 开发与应用，以 提高东风汽车公司的车身和覆盖件模具产品的质量，缩短车身的设计与 制造周期，增强企业的竞争力。 本文研究覆盖件模具设计过程以及与相关过程 ( 产品设计、设计分析、工艺设计、 模具加工、模具的定货与销售等)的关系， 解决面向功能的覆盖件模具装配关系的约束 建模，采用基于特征的设计信息分层描述方法支持d f a 和d f m ，并可在总体装配关系的约 束下分布式地协同进行各模具零件的设计。课题结合支持从上到下的装配建模方法和并 行工程的协同设计思想，以 基于约束的装配模型为基础来实现覆盖件模具的协同设计。 这对减少设计中的错误，提高设计质量，有着非常重要的意义。本文的研究成果已在东 风汽车公司c i m s 应用示范工程的搜盖件模具c a d 子项目 中 应用. 互 1 . 2覆盖件模具设计与制造中的问 题 覆盖件模具是生产汽车覆盖件的重要工艺装备，对生产高质量的车身起着决定性的 作用。搜盖件模具具有结构尺寸大、型面形状 复杂、尺寸精度和表面粗糙度要求高、要求使 用寿命长、单件生产和设计制造周期长等特点。 传统的覆盖件模具设计与制造过程包括:冲压 工艺规划、冲模设计、工艺模型制造、冲模加 工、研配及调试、检测等，其流程如图1 . 1 所示。 传统的模具设计制造方式有以 下特点: 覆盖件模具的空间基准是主模型: 基于主模型和二维车身零件线图进行模 具设计; 模具设计凭经验进行; 工艺模型的制造质量决定着整套模具的 质量; 仿形加工是模具型面加工的主要方式， 模 具的研配和调试工作童很大。 覆盖件模具的现行设计制造过程存在的主 要问题表现在以下几个方面:19 ( 1 )设计制造周期长; ( 2 ) 信息共享程度低; 图l 1传统搜盖件棋具设计制造流程 一一一一一-一， 叫 ， . . . . ， ， 目 . . . . 月 、 . . . 几 . . ， . 闷 . . . . . . 一一一一一-一一 2 一 一万一 s 1 ? 诬 4 n 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 ( 3 ) 凭经验设计，结果难以 预测: ( 4 ) 工艺设计效率低。 为解决上述问题，在搜盖件模具设计与制造中应用 c a d / c a m 技术是唯一的途径。 通过建立车身外表面数学模型，可取代油泥模型。模具设计中在车身外表面数学模型的 基础上添加工艺补充部分后完成模具型面设计。模具采用数控加工，并共享车身设计和 模具设计数据库中的信息。通过信息的共享与集成，达到提高覆盖件模具设计与制造的 质量，缩短覆盖件模具设计制造周期的目的。 1 . 3覆盖件模具的发展历史与研究现状 自 计算机问世以来，c a d / c a m技术发展到今天己经历了4 0多个春秋。汽车工业和航 空航天工业是最早应用 c a d / c a m技术的领域。该技术在模具方面的应用约与汽车和航空 航天工业同期开始7 1 0- 13 7 从七十年代开始，工业发达国家广泛采用n c 机床加工汽车覆盖件模具。八十年代初 期，国外开始了覆盖件模具 c a d的研究和应用。目前，世界上较著名的汽车制造厂家都 有自己的覆盖件模具c a d / c a m 系统。 日 木丰田 汽车公司很早就应用 c a d / c a m技术于车身工程14 ,15 7 。 六十年代中期，该公 司开始开发用 n c机床制造冲模主模型和模具的 c a m系统 t i n c a ( t o y o t a i n t e g r a t e d n u m e r i c a l c o n t r o l a p p r o a c h ) 和光滑处理从m泥模型上测得的点列并绘制成 1 : 1图纸 的 c a d系统 t d f b ( t o y o t a d a t a f i l e s y s t e m o f b o d y d e s i g n a n d m a n u f a c t u r i n g ) . 进入七十年代， 该公司又开发了 车身设计工程中使用的c a d 系统c a d e t t ( c o m p u t e r a i d e d d e s i g n a n d e n g i n e e r i n g t o o l f o r t o y o t a ) ， 对t i n c a 的 功能 进行了 扩充和完善， 增加 了 数据定义和刀具轨迹检查功能。 七十年代末， 该公司对车型设计工程系统重新进行了 评价，系统要求能提供三维的数字模型给后续工程使用，以 便取代油泥模型作为设计基 准，并按此要求开发了 s t y l e c a d系统。与此同时，开始开发模具工程中使用的设计系 统。为了模具设计与前后工程进行数据传递，并减少研配和修模的工作量，开发了模具 型面 c a d系统。 八十年代初，该公司又着手开发模具研配和修模中使用的测定、分析和 加工系统。至此，c a d / c a m技术的 应用己 经覆盖了 车身开发的全过程。 该公司采用数字 化的产品 模型取代了传统的图纸和实物模型，建立了 统一的数据库，初步实现了系统的 集成. 集成后的系统7 1 e 咆括了 4个 c a d / c a m系统，即c o s m o s( 混合曲面造型系统) 用于 车 型 设 计 和 模 具 型 面 设 计 ， c a d e t t 用 于 车 身 结 构 设 计 和 焊 装 夹 具 设 计 ， t i n c a 用 于 制 造 主模型和冲模，v e s t a ( 汽车结构分析系统) 利用有限元方法进行结构分析。各系统可通过 统一的几何数据库自由地交换信息。 丰田的模具c a d 系统( 1 7 - 2 0 1 包括了模具型面设计和模具结构设计两部分。模具型面设 3 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 计的大致过程为:从车身数据库中输入覆盖件的三维模型一检查零件形状，进行工艺 性判断一确定冲压方向一一设计拉延台阶的形状，并确定修边线一设计压料面的形 状一一在压料面上设计拉延筋，并生成完整的模具型面形状一评价和修改设计结果， 直至满意为止一确定拉延毛坯的形状一将模具型面的完整几何模型存入冲模数据 库。 美国通用汽车公司在六十年代开发了 第一个实用的c a m 系统。 经过二十多年的不断 发展。用于汽车模具的c a d / c a m 系统12 11 己 趋成熟。该系统将计算机数字化的产品 模型贯穿 于设计制造过程的始终。该公司的模具c a d / c a m 系统包括了c s g 系统、g m f o r m 系统、 a u t o s h a p e 系统、t r a c s 系统、g m c u t 系统、p a c s 系统等子系统。其中，c s g ( c o r p o r a t e g r a p h i c s s y s t e m ) 系统专用于模具型面设计。设计时，首先旋转零件至合适的位置，以 保证凸模能顺利地进入凹模。同时，保证零件上力的平衡，使之具有良 好的应力分布， 以避免缺陷的产生。将翻边展开，确定修边线的位置，再设计工艺补充部分，从而完成 模具型面的设计。g m f o r m 系统是用来评价设计结果的，但还不能完全应用于实际。因此， 对大多数零件仍采用传统方法，即在模具制 造车间加工出试验模具。修整拉延壁和压边 圈，直到满意为止。 此外， 其它的汽车制造厂家也都开发应用了c a d / c a m 技术2 2 , 2 3 1 。 马自 达公司的c a d / c a m 系统中的主体部分为 g n c ( g e o m e t r i c m o d e l i n g 零件断面形状创成。 模具结构设计 c a d最初采用二维设计。 建立标准的模具结构图，以交互方式对旧图进行编辑设计。随着几何造型系统的发展， 现阶段则以三维设计为主。 除了一些汽车公司外，世界上著名的汽车模具制造厂家， 如 a u t o d i e公司、 获原铁 工所和富士铁工所等，也都采用了模具 c a d / c a m ,增强了企业的市场竞争能力。获原铁 工所的模具 c a d系统(2 5.2 61 包括了模具设计、模具结构选择、模具标准件选用及模具零件 图绘制等功能模块。该系统可以设计落料模、拉延模、修边冲孔模、整形模、翻边冲孔 模等各种类型模具。它们以 文件形式存在数据库中，供c a m 调用。富士铁工所于1 9 7 9 年 在 c a m中 采用了c a l m a 系统，1 9 8 4 年完成了 基于u n i c a d 的c a d系统， 1 。为了 缩短模具 设计周期，该公司搜集了不同用户的大量标准零件和标准结构，统一存放在数据库中， 便于应用程序检索。 进入九十年代，由于 更加激烈的全球市场竞争， 要求汽车更新换代的周期越来越短， 因此，需要应用新的模具设计与制造技术以缩短模具开发的时间。在美国实施了一个称 为“ n e a r z e r o s t a m p i n g ” 的计划【2 9 -3 2 1 ，以 提高板料冲压过程的精度和实现其敏捷制造. 4 一 -一丫百 了们 c 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 共有 2 2 个汽车公司包括克莱斯勒、福特、通用汽车和五个研究机构参加了这一项目。该 项目的目的是提高板料冲压零件的精度和减少用于冲模设计、试模和生产准备的时间。 大多数汽车厂商都自 主开发了用于模具设计的 c a d系统，以满足本公司特有的设计 过程和技术要求。 如b e n z 的s y r k o 系统和m a z d a 的g n c n 1 。 到了九十年代这些系统都变 得有些过时了，纷纷转向 使用商用的c a d / c a m 系统。 b e n z的s y r k 6 系统的部分功能集成 到了c a t i a 系统，m a z d a 的g n c 被 i - d e a s 取代。产生这一趋势的原因是商用 c a d / c a m系 统功能变得更强大， 界面更加友好，同时 各公司发现不花更大的投资难以 保持自 主开发的 c a d 系统的先进性，而开发费用也是各公司难以 承担的。 为了提高覆盖件模具的设计质量，需要对冲压材料的成形性能进行评价，对塑性成 形过程进行分析1 1 , 1 9 9 0 年， 日 本2 6 家公司共集资4 8 0 万美元， 支持开发i t a s - 3 d 和r o b u s t 等有限元分析软件， 研究板料成形过程的计算机模拟。 三菱汽车公司应用r o b u s t 软件分 析覆盖件的成形过程，取得了 很好的效果。 德国的奔驰和大众等数家公司集资数百万美 元，大力支持 i n d e e d有限元分析软件的开发。美国 l a w r e n c e l i v e r m o r e国家实验室开 发的 。 y n a 3 d软件已 在许多公司得到应用。美国福特公司研究的有限 元分析软件，已 应 用于搜盖件成形工艺的模拟。 国内在覆盖件模具的设计制造中 应用 c a d / c a m 技术的尝试始于八十年代中期。一汽、 东风汽车公司、天汽等大型汽车制造厂相继购买了一些商品化系统， 如 c a d a m , c a t i a , d u c t , u g , p r o / e 等。 应用的领域首先从c a m 开始， 并逐步向c a d 发展。 一汽在实施c a m 技术时13 6 1 ， 前后采用了 三条途径:1 直接按产品图、线图和数据表， 用f a n u c 编程机和f a p t 语 言编制数控 程序; 2 . 直接按 产品图、 线图 和数 据表， 在i b m 4 3 8 1 计算机上运行 a p t 4 / s s程序，编制零件程序并产生数控刀位数据:3 . 按产品图或产品数 据文件，使用 c a t i a系统，交互生成加工型面，利用其 n c模块产生数控加工代码。c a m 的应用对象首先是加工主模型，然后又应用于金属模具加工。 在 c a m应用初见成效的基 础上，该厂采用c a t i a 系统进行了模具c a d 的尝试。 东风汽车公司冲模厂1 9 8 6 年开始了 c a d / c a m 的应用p n a 1 9 8 7 年底实现了大型覆盖件修 边冲孔模的数控加工。随后，大型拉延模型面的 数控加工也已 试验成功，并应用于生产。 九十年代以来，华中科技大学在东风汽车公司c i m s 的研究中f9 7 ，开发了车身及覆盖件 呜 c a d / c a p p / c a m 系统，包括援盖件冲压工艺设计、模具结构设计，建立了覆盖件模具的零 部件库，并采用大变形有限元法进行了 扭盖件冲压成形过程模拟的研究，成功地模拟了 发动机罩等典型覆盖件的变形过程。该系统投入实际应用后产生了良 好的经济效益。 图1 . 2 所示为集成的援盖件模具设计制造流程图 3 5 1 ，目 前国内汽车模具厂均采用类似 的过程。其中，履盖件产品的定义分为三类，即二维工程图、实物模型和电子产品数据。 从系统集成的角度来看以电子产品数据最为方便，但二维工程图和实物模型至今还为国 5 一一 一一一一 一一一 一- 一一- - 一- - - - ， .，甲 .- ， ，. -一一 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 内大部分汽车厂家采用，从适应市场来讲，覆盖件模具c a d / c a m系统应具有处理二维 图 和实物模型的能力。 对于主模型和样件，首先在三维坐标测量机上进行三维扫描，然 后进行三维几何造型，其几何模型可直接用于n c 编程，也可以利用型面数字化点自 动编 程直接生成n c 加工程序。对于二维工程图，则要先进行三维几何造型，然后n c 编程。 几何造型所得的几何模型、车身c a d 子系统设计的产品模型以及通过中性文件交换接口 得到了 产品几何模型，可输入模具c a i 子系统，进行冲压工艺、 模具型面和模具结构的 设 计， 其中 三维曲 面 模型 可 用 于 n c 工 艺 编 程。 由 模 具 c a m 生 成的 n c 程 序 和工 艺 文 件， 通过d n c 网络传到车间加工现场， 验证模具n c 程序或试切后， 最后完成覆盖件模具的 n c 加工，形成合格的畏盖件模具成品。 车身c a其他 c a d 图 形数握 i ges n dai s et 理盖件冲压 模具型面 设计 冲模结构 有限元分 析方法 设计 或试切工工艺偏制 型面的 加工 非型面常规 加工 成品 模 具 型面质t 检测 模具装配 图1 .2集成的覆盖件模具c a d / c a m流程图 ， . 目. . . . . . . . . 一. . . . . . 目 . . . . . . ， . . . . .一一=一一一一一.一-一一-一一一一 6 歹 弓 烫 福 目1 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 互 1 . 4国内外装配设计研究的回顾 进行装配设计有两种方法:一种是从下到上( b o t t 。 二 一 u p ) 的设计方法;另一种是从上 到下 ( t o p - d o w n ) 的方法。 从下到上的设计方法是先设计出 详细的 零件， 然后把设计好的 零、部件，通过旋转、平移等定位方法，拼装成产品。然后，进行分析，发现问 题再修 改零件，再拼装。如此反复，直至产生最终的装配图。从上到下的设计方法是先定义产 品的整体外形和功能，再一级一级划分出产品的部件和子部件，一直到最底层的零件。 在部件和零件的划分中，产品的整体功能同时一级一级地分解到这些部件和零件中实现。 然后，在划分的部件、零件的外形和子功能控制下进行详细的零、部件设计，再进行详 细零、部件的装配，形成初步产品。然后。通过必要的分析，将评价结果反馈到装配设 计和零件设计，如此反复。 国外对装配设计的研究主要经历了两个阶段，即从下到上)的设计阶段和从上到下 的设计阶段。 八十年代， 对装配设计的研究主要停留在从下到上的阶段， 5 . a k a g 1 把装配体表达 成一个二叉树或多叉树.假想各树根节点零、部件己固定的情况下，记录叶子节点的平 移 、 旋 转 操 作 ， 并 求 出 相 对 根 节 点 的 变 换 矩 阵 。 1 9 8 5 年， d . n . r o c h e l e a u 和k . w . l e e , 40 1 提出了 一种新的 装配模型， 如图 1 . 3 所示。 他们引入了虚拟链 ( v i r t u a l _ l i n k ) 的概念， 将虚拟链与树形结构相结合来存储装配模型信息，通过虚拟链建立装配层次关系.联接 零 件 子 狡配 军 件 旦 丝 二- l 里f 1 * 1生 图1 . 3装配体混合模型 相互配合的零件。这样，可以从某一装配基准零件出发，逐步推导其它相配合零件的平 移和旋转变换，以 保证两个平面相互贴合 ( a g a i n s t ) 和轴孔的配合 ( f i t ) ，从而自 动产 一. -. - - . - - 一月 门r一一， 一 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 生零件装配时的变换矩阵和实现变量化设计。 但这种多叉树加虚拟链表达方法并没有把 装配体的多层次关系和装配体各部分之间几何配合的 图关系很好地结合在一起，对 于跨层的零部件之间的关系定义既不直观，也不易操作。而且，该模型只能定义一对零 件之间的装配关系，而在实际中常常会碰到组合装配关系。例如螺栓和销钉等装配关系。 通常需要同时定义两个或多个零件 ( 图素) 之间的关系。 1 9 8 7 年， d . n . r o c h e l e a u a n d 和k . w . l e e i 提出了 一 种从下 到 上的 产品设 计过 程。 但其装配操作方式己大大前进了一步，这是因为他们己认识到装配体内天然存在的各种 配合关系，就是确定各零、部件位置的最好、最完备的条件。他们引入了另一个非常重 要的 概念，即 配合 .前述的与装配有关的研究工作， 其目 的只是为了 得到正确的装配 ( 动作) ，或是一种模拟装配工具，即是面向产品制造的，而不是面向产品设计的。事实 上，装配设计是产品设计的一部分，其目的就是设计出满足功能要求、体现设计者意图 的产品。装配设计产生产品的整体结构，而零件设计则是描述产品的具体细节。 1 9 8 9年， j a m i j . s h a h和m a r y t . r o g e r s 14 2 1对 从 下 到上的 设 计方 法有 所改 进， 他 们 在产品设计中引入了特征的概念。但是，他们试图在产品的功能和零件的特征之间找到 某种映射关系，而置零件之间任何关系于不顾。 试想，怎样可能通过这些孤立的 特征和 单个零件来实现产品的功能呢?就是传统设计也是先画装配图再拆画零件图，况且一个 产品是一组零、部件的有机组合体，是一个相互关联的系统，而不是一堆杂乱无章的零 件。 九十年代初期， m . m a n t y l a l 在 i b m j . r e s 上提出了自 上到下( t o p - d o w n ) 的产品设 计思想。他将产品的设计过程分为三个阶段: 功能设计( f u n c t i o n a l d e s 坛 n) 、概念设 计( c o n c e p t u a l d e s i g n ) 和 详 细 设 计( d e t a i l d e s i g n ) ， 并 提出 了 支 持以 上 三 个阶 段设 计 的c a d 系统原型. 但是， 其原型系统要实现实用化. 还有很大的难度。 r a j n e e t s e d h i 和j o s h u a u t u r n e r ( 4 4 对 从 上 到 下 的 设 计 方 法也 做 过 一 些 研 究， 他 们阐述的从上到下的设计过程如图 1 . 4所示。他们认为从支持产品的功能和设计者意图 的角度来说，整个产品的设计过程必须加强和支持装配设计。产品的功能不是由单个的 零件来实现，而是由 所有零件协同工作来实现。 这就意味着装配模型是整个集成设计环 境的关键，产品功能从这里产生。各设计者从这里得到产品功能信息。装配模型表达的 是产品的高层结构，而零件则是这个高 层结构里的几何和材料等实体细节.作者认为此 设计过程是基本可行的，其中的c a d功能表达( c a d re p r e s e n ta t io n o f f u n c t i o n a l it y ) 就是装配设计面临的主要任务设计之一。 随着计算机技术的发展.设计人员己经不满足于仅仅对产品设计过程及后期工程的 支持，人们希望计算机能支持整个过程。产品设计过程前期的概念设计或初步设计特别 是概念设计，是相当困难的。为了支持产品的概念设计。 人们引入了人工智能。 应用人 ， . ， . . . .， ， . . . . . 为. . . . . ， . 目 . . 目. 为， ， . 一， . ， -口 . . . . . . . . . . . . . . ， s ; 5 ua # 拉 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 工智能的目的，就是模仿人的思维方式，利用逻辑判断和推理的方法实现抽象实体到具 体实体的转化。人工智能在装配设计中的应用主要集中在两个方面，一是为设计者提供 一个智能化的产品设计环境，帮助设计者准确地表达自己的思想。这就是虚拟装配和智 能化产品设计环境的研究( 9 5 - 1 7 1 。另一个方面就是提供知识库，通过逻辑推理将功能需求 转化为具体的几何模型。这就是功能模型到几何模型的智能转化的研究 1 b - 5 3 1 图 1 . 4 “ 自 顶向下”的设计流程 随着 c a d 技术的发展，各种 c a d 软件纷纷出现，并逐渐成熟。国内外第一流的设计 软件主要有p r o / e n g i n e e r , c a d s 5 , u g , s o l i d w o r k s , 1 - d e a s 等，它们声称支持从上到下 的设计方法和支持功能设计。 p r o / e n g i n e e r是通过布局草图( l a y o u t ) - 装配建模( a s s e m b l y m o d e l i n g ) 一 零件造 型 p a r t m o d e l i n g ) 实现从上到下的设 计。布局草图是二维图1 5 4 1 ，它能使用户定义一个装 配体的基本功能要求和参数之间的顺序依赖关系，它定义、记录了零件和装配体的简单 信息，而不涉及繁琐细节的几何设计。其中，零件或部件可以是一个概念上的方块图形 或参数草图，以表达真实的实体模型，然后建立参数、尺寸之间的关系和零、部件自 动 定位所需的全局基准。 p r o / e n g i n e e r在布局草图指导下进行零件造型和零件装配， 在这 个过程中，设计者可以定义一些尺寸之间的关系， 用以 进行尺寸驱 动. p r o / e n g i n e e r在 支持产品功能设计上尚无法用功能参数有效地实现， 其功能置换实际也只是一种几何形 体的置换。从总体上看， p r o / e n g i n e e r仍然是目 前世界