（材料加工工程专业论文）面向再设计的级进模结构设计方法研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 = ：= 一= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = ；= = = = = = = = = = 一 摘要 如何使用户能够方便、有效地进行级进模结构设计，是2 d 级进模c a d 系统需 要解决的关键问题之一。现有的2 d 级进模c a d 系统都存在一定程度上的功能缺陷， 一般都不支持实时设计修改，设计效率低，因而难以满足实际设计需要。本文就上 述问题进行了较深入的研究，将再设计的思想引入级进模结构设计中，以期解决这 一问题。 级进模结构的再设计应支持设计过程中的模具结构修改、位置修改( 包括工序 位置的调整和零部件位置的调整) 、零件几何形状修改、以及由上述修改所引起的其 它相关零件的修改。本文详细分析了级进模结构再设计的内容和特点，并采用面向 对象的方法对级进模结构进行抽象描述，建立了面向再设计的级进模结构约束关系 树模型。在此基础上，确定了面向再设计的级迸模结构c a d 系统的功能及其体系结 构。 根据级进模结构再设计的功能要求，通过采用变量装配设计、参数化设计和关 联设计技术，解决了级进模结构再设计过程中设计结果的实时更新问题。在设计级 进模结构时，当某一局部设计发生变化后，其它与之相关的设计结果将自动发生相 应变化，从而保证了设计结果的一致性。 基于上述理论和方法，作者开发出了相应的级进模结构c a d 系统。利用该系统， 用户可以方便地进行级进模总装及零部件设计，并完成设计过程中的实时修改，从 而大大地提高了级进模结构设计效率。 关键词：级进模结构c a d再设计装配模型 参数化设计关联设计 华中科技大学硕士学位论文 ： = = = = = = ；= = ；= = = = = = = = = = = = = = = 一 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 eo fap r o g r e s s i v ed i ee f f e c t i v e l yh a sb e c o m eo n eo ft h e m a i np r o b l e m st ob es o l v e di nt h ec a ds y s t e mf o rp r o g r e s s i v ed i e s a tp r e s e n t ，m o s to f e x i s t i n g2 - d c a d s y s t e m sd on o tp r o v i d ew i m t h ef u n c t i o no f r e a l - t i m em o d i f i c a t i o n 。a n d a r es t i l lt i m e - c o n s u m i n gt od e s i g nap r o g r e s s i v ed i e 。t h i st h e s i st r i e st oo v e r c o m et h e s e p r o b l e m sb ya p p l y i n g t h er e d e s i g nm e t h o d o l o g y t os u p p o r tt h er e d e s i g nr e q u i r e m e n t sf o rp r o g r e s s i v ed i e s ，t h ef u n c t i o n s ，w h i c hc a n b eu s e dt om o d i f yt h ed i es t r u c t u r e ，t h ep o s i t i o n so f p u n c h d i e ，a n dt h eg e o m e t r i cs h a p e s o f t h er e l a t e dp a r t ss h o u l db ep r o v i d e d b ya n a l y z i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so f t h es t r u c t u r eo f p r o g r e s s i v ed i e s ，ac o n s t r a i n s w b a s e da s s e m b l yt r e em o d e li sp u tf o r w a r dt or e p r e s e n tt h e s t r u c t u r eo fp r o g r e s s i v ed i e s ，a n dt h ef i m c t i o nr e q u i r e m e n t sa n dt h ea r c h i t e c a u eo ft h e c a d s y s t e m f o rp r o g r e s s i v e d i e s ，w h i c hs u p p o r t sr e d e s i g n ，a r ed i s c u s s e d b ya n a l y z i n gt h ei m p l e m e n t a t i o nm e c h a n i s mo f t h er e d e s i g nf u n c t i o n ，t h er e l i e d k e y t e c h n o l o g i e si n c l u d i n gv a r i a b l ea s s e m b l yd e s i g n ，p a r a m e t r i cd e s i g na n da s s o c i a t e dd e s i g n a r es t u d i e dt h o r o u g h l y w i 也t h ea p p l i c a t i o no ft h e s et e c h n o l o g i e s ，t h es y s t e me a r lu p d a t e q u i c k l y , w h i c hm e r n st h em o d i f i c a t i o no fp a r to ft h ed e s i g ne a rr e s u ri nt h er e l e v a n t m o d i f i c a t i o n so f t h er e s tp a r t s b a s e do nt h er e s e a r c hm e n t i o n e da b o v e ，t h ec a ds y s t e mf o r p r o g r e s s i v ed i e s t r u c t u r ew h i c h s u p p o r t sr e d e s i g n i s d e v e l o p e d 。w i t h t h i s s y s t e m ，d e s i g n e r s c a l l e x p e d i e n t l yd e s i g nt h es t r u c t u r eo f a p r o g r e s s i v ed i ea n dc o m p l e t ea l lt h em o d i f i c a t i o n s d u r i n gt h ep r o c e d u r eo ft h ed e s i g n ，a n dt h ee f f i c i e n c yo fd e s i g n i n gap r o g r e s s i v ed i e s t r u c t u r ei sl a r g e l yi m p r o v e d k e y w o r d s ：c a d f o r p r o g r e s s i v e d i es t r u c t u r e r e d e s i g na s s e m b l ym o d e l p a r a m e t r i cd e s i g n a s s o c i a t e dd e s i g n i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他 个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：i 幻- - # c 日期： 2 0 0 4 年印5 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在。年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密町 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：锣l 窍 日期：辫年5 月f 日 指导教师签名瑁斩也 日期：唯办箩日 华中科技大学硕士学位论文 1 绪论 本章综述了缀进模c a d c a m 系统的发震概况、存在随蹶和发展方向，阐述了研究开发级 避模c a d c a m 系统的目的和激义，介绍了掰设计的概况，鼹后，介绍了作者的研究工作羊慧 义。 1 1 弓l 言 随着市场竞争的曰益激烈及全球市场的形成，对制造业来说，2 l 世纪企业竞争 戆竣心薅是耨产磊数开发黢力及翻造越力。为逶塞市滋静变讫，撼麓产菇竞争力， 缩短产品的生产、制造周期，必须提高设计效率，c a d c a m 技术成为实现这目 橱的根本途径n 】。而模具作为许多工业部门生产的基础工艺装备，将赢接制约着产鼎 静矮塞衣薪产赫兹开发。 工监技术瀚高速发展谴樽钣金零件巍计算枫、远裰邋讯、轻工、电子、汽车、 航空航天等领域得到广泛使用。级进模作为一种高效、精密的模具，其作用也曰益 驻藩口】。但是，级进模结构复杂、零件精度及可靠性要浓嵩、使用寿命要求长，其设 谤、翻造周麓魄一觳模买要长褥多【3 】。因越，翔鹰提裹缀送模设计积潮遥静效率怒一 个急待解决的问题。采用横具c a d c a m 技术是解决上述问题的有效手段 4 1 。研究 和开发模具c a d c a m 系统对于提高模基设计制造水平、缩短产晶生产周期、增强 众延竞争力都蠢缀大豹捷遴终矮。一些发达蓬家在六年投寒麓裁开始了这方嚣熬 磷究工作，我颡在八十年 弋钥也开始了桶应的研究工体，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 1 2 。1 螯凳模冀c a d c a m 戆统的研究概壤 国外模具c a d c a m 的研究始于2 0 世纪6 0 年代末，到7 0 年代才陆续出现些 礴业亿系统软箨。弱本是最警开发一整套工监瘸级避摸c a d c a m 敬俘款国家之。 举在2 0 世纪7 0 年代，h i t a c h i 、n i p p o n 电机、机械工褪实验室、f u j i t s u 和松下惫器 公司的研究人员在模具c a d c a m 系统的研究和应用上已经取得了定的成果阿1 。 如h i t a c h i 的系缆，设计人员w 利用类a p t 的语言将零件图输入翦娥理器，前处溅嚣 掇藏生成乏逐薅徉嚣；随瑟，鸯设诗者避行工步舞榉秘鹜模莽 样我诗，并褥这鳖信 华中科技大学硕士学位论文 息输入主处理器，由处理器决定模具结构和尺寸并生成零件列表；最后，由后处理 器绘制装配图和零件图。该系统将模具设计时间由2 0 天减少到5 天。这些早期的 c a d c a m 系统为此后的模具c a d c a m 技术的发展打下了良好的基础。 2 0 世纪8 0 年代中期，随着计算机技术的发展，c a d c a m 技术得到更为广泛的 应用。大多数c a d c a m 系统都提供了二次开发接口，以便用户定制专用系统。如 芬兰的金属加工和热处理实验室将f o r t r a n 语言编写的计算程序与三维 c a d ，c a m 软件a u t o t r o l 集成在一起 8 】 由a u t o - t r o l 提供二维制图、三维线框建模、 基于体积的弯曲展开功能和c a m 功能，而计算程序则负责计算卸料力、冲裁力、弯 曲半径和材料利用率等，实现部分模具组件的自动化设计，并可生成零件列表。日 本富士通和松下电器联合推出了基于c a d a m 的级进模c a d c a m 系统，用来提高 电子产品和精密机加工零件的设计效率【9 】。一些商业化的级进模c a d c a m 软件也 在这一时期出现，如a u t o t r o l 系统，f a n u cc a d c a m 系统、a d m sd i em a s t e r 系统、 u g r a p h 系统、p r o s b e e tm e t a l 系统和s t r i k e r 系统等。相对于第一代级进模c a d c a m 系统，第二代系统在交互式图形技术、三维建模和集成化程度等方面有很大提高， 提供了大量的分析设计功能。但是，这些系统大都是基于过程语言设计的，仍以交 互为主。系统只能进行一些相对简单的计算和数据提取，如生成零件列表和模具尺 寸识别，大多数重要决策，如凸、凹模形状的确定，成形性分析和条料排样等，仍 要由设计人员交互完成。 2 0 世纪8 0 年代末至今，级进模c a d c a m 技术的研究又迈上了一个新台阶。 这一阶段，人工智能( 灿) 技术开始应用于工程设计领域 1 0 - “】。如d b e d w a r d 等人 开发的基于特征的c a d 系统s m a r t ( s h e e tm e t a la d v i s o ra n dr u l e rt u t o r ) 1 2 】、l e e 等人开发的主要适用于拉延件( 如汽车覆盖件) 的可成形性评估系统1 3 、 m e t e x ( m e t a lf o r m i n ge x p e r ts y s t e m ) i t 4 等。现今世界上较著名的级进模设计专业软 件有德国s t e p p e r 公司自行开发用于接插件级进模设计和制造的k i w i 软件，以及美 国计算机设计公司( c o m p u t e r d e s i g n i n c ) 开发的基于a u t o c a d 的级进模c a d c a m 系统s s - s t d k e 等。k i w i 软件是基于二维m e i o 图形软件平台开发的，为该公司的 模具设计和制造c i m 服务。用k i w i 软件设计模具是按项目( p r o j e c t ) 进行，由主 设计师完成排样设计并分成标准子模块，然后再分别设计各子模块，最后组合成一 副模具。s s - s t r i k e 软件建立了特征参数文件，实现智能参数化排样和尺寸驱动参数 化绘图，给出了一个多用组合模具结构，具有较强的辅助绘图设计功能，可以辅助 设计人员在一个很短的时间内完成级进模设计，但它的弯曲和成形模具结构的专用 辅助功能不够。1 9 9 4 年，新加坡国立大学的b t c h e o k 等人【1 5 】开发出一套基于知识 2 华中科技大学硕士学位论文 的专家系统( k b e s ) 用于冲裁级进模的自动设计。c h e o k 认为一个好的模具设计需 要设计者的知识、经验与技巧，而这些又正好适宜采用专家系统的规则表达ak b e s 系统中以二叉树结构对钣金件进行三维表达，通过知识推理进行凸模形状的识别与 分解。1 9 9 5 年英国利物浦大学的h s i s m a i l 等人开发出一套支持冲裁级进模设计的 智能c a d c a m 原形系统【1 6 】，通过对级进模没计过程的分析，他们认为面向制造与 装配的模具设计中，很大部分设计工作可以标准化，通过基本规则的匹配与启发式 的推理可为设计者提供成功的模具设计。系统使用面向对象的专家系统工具k a p p c 作为开发平台。用户可通过系统菜单输入零件类型、工步数、卸料方式、导正装置 和安装信息等进行概念设计，然后在详细设计阶段自动生成凹模板、凸模与凸模固 定板、卸料板、上下模座、导柱、导套等零件。总之，级进模c a d c a m 技术的研 究正朝着智能化的方向发展。 1 2 2 国内模具c a d c a m 系统的研究概况 国内的模具c a d c a m 研究工作开始于八十年代初期。虽然起步较晚，但在广 大科研人员的共同努力下，也取得了不少成果。 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 i s l 3 0 机上实现该系统【1 7 _ 1 8 。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 i l 9 1 。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模和复合模。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 1 踟，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， 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f 20 1 。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 2 1 - 2 2 】，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 2 如4 1 。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 华中科技大学硕士学位论文 制了其使用范豳。2 0 0 0 年，华中科技大学( 原华中理工大学) 与荑圈u g 公司合作， 开发出基于u g 平台的三维级进模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，该系统正在不断豹完善与于 级。 嚣安交运大学予，卡年代中矮开始冲模c a d c a m 弱谬 麓工佟j ，先螽磅弼了 拽深模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 豫纯基疆上熬典型装配关系缝合法。蒺蒜蕊装竣诗续黎是以一穆麓纯装配强形式表 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，以期建立一个鬃性的模具c a d c a m 系统【2 5 1 ，提高系统的自动化水平， 并增强系统的实用性及通用憾。 敷江大学子1 9 9 0 军膏发了一智熊缀避模c a d c a m 系统 2 6 1 。该系统适爱予2 d 冲截件的级进模设计。冲压产品形状采用a u t o c a d 软件输入，然质褥自动识别出零 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 设诗提缍会艇方法。套零羚设诗完藏轰，蔽蕹它您褒凌酝结稳串黪髓藿遂嚣瀵隐楚 溅，形成模其装配图。 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 罄普通冲裁模c a d c a m 系统1 ，并开鼹了冲裁多工彼级进模c a d c a m 系统的璐 耧工俸。在该系统中，模暴缭梅及零律瓣设诗采用典黧结梅及标漆零律豹自动调精 和交互设计栩结合的方法。他们认为实现这一方法的袋键是开发一个智能化的数据 滕，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， 黪强弱户嚣赦。 此外，北柬航空航天大学、北京农渡大学、天津大学、南昌大学等院校和研究 机构也先后研制出了冲模c a d c a m 系婉。其系统功能、基本原理和方法与前述大 体楣同，不再谨述。 1 3 级进模c a d c a m 系统存在的问题及发展方向 出于冲压产品形状复杂，缀进模设计技术涉及霹广，影嚷因索 # 常之多，绘缀 逐模c a d c a m 系统静开发带采了疆多润耱，影镌了缀避模c a d c a m 系统能瘦粥。 从目前级进横c a d c a m 系统的研究及暾用状况来看，现有的系统大多数是基于几 僻的设计系统，主要存在以下几个方面的问题： 1 ) ；孛压产麓静秘型还受瓣疆裁婆8 强粥。方嚣，强露翡编玛法、瑟素捞台霸黪麓 华中科技大学硕士学位论文 造型等图形输入法还不能解决几何形状复杂的钣金零件的构型问题，因而不能进行 复杂冲压件的工艺设计和模具设计；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的信息提取。以上两方面的因素影响了级进 模c a d 系统的推广应用。 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， 过分强调计算机的作用而忽略了人的主体作用，使得系统的实用性降低；有的则为 了提高设计的灵活性，采用大量的交互设计，人工干预太多，因而系统的设计效率 低且设计结果的一致性难以保证【3 0 1 。 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，以及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 ) 在模具结构的设计修改方面，存在较多的问题。旦发现设计错误后，则可 能需要从头开始重新设计或者完全通过设计人员手动修改，极大地降低了系统的设 计效率，影响设计人员的使用积极性。这一点至关重要，直接制约着模具c a d c a m 系统的广泛应用。 6 ) 现有系统的研究和开发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，开发一套具有良好柔性、稳定性、可维护性并支持再设计的级进模 c a d c a m 系统，提高系统的通用性和实用性是满足现代生产的当务之急。一个实 用的级进模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，以保证设计结果的致性，减 少数据的转换； 5 ) 完全实时地支持级进模结构设计中的设计修改； 6 ) 系统应对用户开放，使用户能根据需要修改有关设计知识及模具标准： 7 ) 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。 华中科技大学硕士学位论文 ： = ：= = ；= = = ；= = = = = = = = = = = # = = = = = = = = = = = = = = = = = 一 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，应开展复杂件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【3 “。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，应开展人工智能技术的研究，提高模具结 构设计中的自动化与参数化设计能力。模具结构设计是一种以经验设计为主的设计 过程。要提高模具c a d c a m 系统的自动化程度，降低模具c a d c a m 系统的使用 难度，采用人工智能技术是一种有效的途径。但是，将人工智能技术成功地应用到 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。另外，应充分利用参数化 设计技术为我们提供的动态设计功能，以提高模具设计的效率。 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 非常复杂的设计过程，设计中涉及大量的信息，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。另一方面，模具的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、拉深、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。另外，应对冲压过程进行动态模拟， 自动检测运动条料与工作区零部件之间的干涉情况，以验证设计结果的合理性f 3 2 】。 这对提高模具设计的效率与可靠性有重要意义。 5 ) 网络技术在级进模c a d c a m 系统中的应用。互联网的普及和飞速发展，使 得模具企业对协同设计和网络制造提出了新的要求，并为这些要求的实现奠定了硬 件基础。网络技术的应用将有助于实现高度的信息共享、异地同步设计和网上虚拟 制造等，能够大大地提高模具设计生产效率。 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = ；= = = ；= = ；= = = = = = = = = = = = = = = = ；= = = = = = 一 1 4 再设计概述及研究现状 再设计是指为改进产品质量对产品进行重新设计的过程。对于某种产品，按照 重新设计的程度不同可以分为局部再设计和完全再设计。 产品再设计的引进和实施使得产品的总体质量得以提高，尤其是再设计提高了 产品的总价值( 如销售价格) ，大大地节约了设计时间，简化了产品设计步骤，有利 于新产品的开发。 目前，国内外已有很多学者致力于再设计问题的研究，而且取得了很大的进展。 他们的研究主要集中在机械产品中，尤其是产品的可装配性再设计。在产品设计领 域，可装配性设计( d f a - d e s i g n f o r a s s e m b l y ) 技术正在引起人们的广泛关注【 3 l 。目 前，d f a 技术已在工业化国家得到广泛应用，产生了巨大的经济效益。d f a 主要是 研究在产品设计阶段，较早地考虑到零部件的可装配性，根据可装配性分析的结果， 一方面为产品设计提出合理的修改意见，另一方面为制定产品的装配工艺规程提供 指导性意见，从而提高产品下游设计与制造的一次成功率 3 4 。传统的d f a 系统着重 产品的可装配性分析与评价，在分析及评价的基础上，由用户根据评价结果，追踪 产品设计的缺陷，对产品设计进行改进，完成产品的再设计。l u c a s 等人研制的d f a 系统采用了基于知识的可装配性分析技术，具有再设计建议功能，它根据可装配性 分析的结果，给出相应的再设计规则，指导用户改进产品设计。g e r a r d j k i m 将反 向工程的概念引入可装配性再设计，他采用“设计重演与修改”方式( r e p l a ya n d m o d i f y ) 进行再设计，即在用户参与下，通过推理假设，交互地重构设计计划，为 再设计提供线索。基于实例的建议则是另一种可装配性再设计方法，它用实例代替 设计规则，使用户在原始设计的基础上，或者通过类比，改进原始设计，或者通过 对实例的修改，使其适合给定的设计目标。i d f a 是采用基于实例的再设计。i d f a 系统采用基于实例和模糊匹配的再设计方法，使产品的可装配性再设计，更贴近实 际的设计过程和模式。i d f a 的再设计模块由三部分组成，即实例知识库、推理机和 人机接口。实例知识库存储从领域专家处收集的再设计实例，人机接口输入用户对 再设计的描述。根据描述由系统的推理机从实例知识库中，寻找与给定问题最匹配 的实例 3 3 l 。 国内外学者研究的再设计问题主要集中在机械产品设计，尤其是可装配性的再 设计上。模具设计不同于机械设计，但同样存在再设计问题，但是国内外尚未有这 方面的研究。级进模再设计不同于机械产品再设计，主要表现在： 1 ) 机械产品再设计和可装配性再设计，旨在给出再设计的建议与规则，指导用 7 华中科技大学硕士学位论文 ： ：= ；= = = ；# # = = = = = = = = = 一 户进行改进与修改；丽级避模结构设计中提出的再设计概念着重于具体的再设计实 现的过程与方法。 2 ) 机械产f ；】中钧再设计越采用基于设计规则或是熬于实铡的建议方法指导用户 宛减设诗掺改。级送模结秘褥设讨一主要楚舒对应雳与船工过翟中产生酶润题逶行爵 设计，所以其实现方法主娶跫参数化和变量化设计技术。 1 5 课题的鞠的与意义歉本文研究肉銮 1 s 1 课题的图的与意义 目前国内市场上还未见眷实用的、商鼎化的、专业模具c a d c a m 软件。一些 袋熊c a d c a z m 技术夔金渡，主要逶；窭俊瓣逶震麓蠢繇伲c a d c a m 软佟，避露攘 鼹的设计与制造。这些系统不仅费用昂贵，而且不或接支持模具设计，给用户使用 滞来了困难。攀实上，大多数用户主要只是利用这些系统的图形处理功能。 近年来，筏嚣奁摸其c a d c a m 方激戆骚究孛取德了缀夫豹遴爱，不少毫投和 科研单位都相继推出了模其c a d c a m 系统，但这些系统都存在麓定程度上的缺 陷，特别是在模具结构的设计修改方面，存在较多的问题。一旦发观设计错误飚， 则可能需要从头开始重新设计，极大地降低了系统的设计效率，影响设计人员的使 麓积援瞧。 由于工程技术人员已经习惯于以二绒图纸表达设计思想，加上a a t o c a d 等二维 圈形软件在国内中小型企业的广泛使用，所以，今后的段时间内，国内大多数企 、弛对二维模具c a d 系统还将芍掇丈熬纛袋。疆以。为了疆裹模其竣诗匏技拳求乎、 簸短模具设计周期，开发2 d 级进模结构c a d 系统暴港十分重要的慧义。本文酸在 研究面向再设计的级进模结构设计方法，并据此开发出实用的级进模结构2 dc a d 系统。 1 5 2 本文研炎淹饔 级进模c a d 系统主要由产品造型、工艺设计和模具结构设计三部分组成。其中 横其结构设诗甑捂装配设计鞠零件设计，设计蠹窑多，是摸具c a d 系统孛开发难度 黢大酶一个禳跃。 由于结构设计模块要在保证整副模其功能的基础上完成上百个零件的设计与修 潋，因此，模具结构c a d 需要考虑如何提高设计效率，井保证设计姻灵活性。为了 游次这个鹚题，俘者主要舞矮以下足令方溪豹磅竞与赛残工维： 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = ；= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 一 1 ) 分析再设汁概念和级进模结构设计过程，将再设计的概念引入级进模结构设 计。 2 ) 分析并总结面向再设计的级进模结构特点，利用面向对象的方法对面向再设 计的级进模结构c a d 系统进行建模，以完成面向再设计的级进模结构从现实世界到 计算机世界的转换。 3 ) 分析级进模结构再设计流程，确定面向再设计的级进模结构c a d 系统的功 能，提出面向再设计的级进模结构c a d 系统的总体框架并确定系统各功能模块。 4 ) 针对面向再设计的级进模结构特点，以装配设计理论为指导，完善描述级进 模组成零部件装配约束的约束关系树模型。 5 ) 研究装配变量化设计、参数化设计技术和关联设计方法在实现级进模结构再 设计中的应用，并实现系统冲裁工作件再设计模块。 6 ) 整理并扩充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 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，提供方便的建库工具，以 提高标准零部件库的有效性和实用性。 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = = = = z = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = _ 2 面向再设计的级进模结构c a d 中的技术基础 本章分析了级进模结构再设计的含义及要达到的目的，详细介绍了面向再设计的级进模结构 c a d 系统中的技术基础。 2 1 引言 多工位级进模是冲压模具中最为复杂的一种，有时由上千个零件组成，且各个 零件之间有着复杂的功能关系。模具的质量很大程度上体现在模具结构上，它对模 具的工作性能、加工性、成本、生产周期及寿命等起着决定性作用1 3 5 】。因此，级进 模结构c a d 系统的开发是一项十分艰巨复杂的工作。理解级进模结构再设计的含义 和目的，对于研究和开发面向再设计的级进模结构c a d 系统起着决定性和指导性的 作用。 2 2 级进模结构再设计的含义及目的 在级进模结构设计中，对冲压件本身的修改，对工艺设计的修订，或对模具结 构的更改等，必然会导致模具上与之相关联的零部件的变更甚至模具整体结构的变 化。这种情况下，传统的级进模c a d 系统就要求设计人员重新开始设计过程或者完 全依靠人工进行修改。这样不仅设计效率低，而且完全依靠人工修改不易保证设计 的一致性，从而导致设计错误。为此，作者将再设计思想引入级进模结构设计之中， 以期解决这一问题。要解决级进模设计中的再设计问题，即要求系统完全支持设计 过程中的模具结构修改、位置修改( 包括工序位置的调整，零部件位置的调整) 和 几何形状修改。 在级进模结构c a d 系统中引入再设计概念主要达到以下目的： 1 ) 支持设计过程中的实时修改： 2 ) 在进行系列产品的模具设计时可以充分利用已有的合理设计结果或原有设计 中的合理部分； 3 ) 试模中发现由于条料排样不合理或模具零件形状与位置设计不当而需要对模 具结构进行局部修改时，可以避免重新设计整套模具结构，从而达到缩短模具制造 周期的目的； 1 0 华中科技大学硕士学位论文 4 ) 保证修改后的结果田靠，并与原总装设计保持一致。 2 - 3 级进模c a d 系统中结构再设计的技术基础 2 , 3 1 变量化装配设计 变量化装配设计理论是实现动态装配设计的关键技术，所谓动态装配设计是指在 设计变量、没计变量约束和装配约束驱动下的一种可变的装配没计，其中设计变量 是定义产品功能要求和设计者意图的产品整体或其零部件的最基本的功能参数和形 状参数；设计变量约束即设计约束或变量约束，设计变量和设计变量约束控制装配 体中的零部件的形状；装配约束是装配体内各个零部件的配合关系，它确定了零部 件的位置。这些设计变量、设计变量约束、几何约束都是可变化和控制的，是动态 的。修改装配设计后将产生某些设计变量和约束的改变，原装配设计将在所有约束 的驱动下自动更新和维护，从而得到新的装配设计。动态设计的过程是正向设计与 反向设计相互结合的过程，所谓正向设计是指从概念设计到详细设计，从而得到装 配设计方案的自顶向下的设计过程。而反向设计是指，对产品设计方案中的一些不 满意的地方提出要求或限制条件，结合原有的装配功能要求，通过约束求解对原有 的设计方案进行设计修改的过程。变量化装配设计理论是一种支持产品功能和设计 者意图的装配设计理论，是从上到下的面向产品功能的装配设计。其主要特点有： 支持从上到下的产品形状和功能构想；支持面向功能的产品设计：支持动态 装配设计。概念设计、装配设计、零件设计是三个相互交叉的过程。变量化装配设 计对概念设计产生的设计变量和设计变量约束进行记录、表达和传播，使各个阶段 设计主要是在产品功能和设计者意图的基础上进行，它始终是在产品的功能约束下 进行和完成的。其设计过程如图2 1 所示： 动态设计 构想 主i 黼父h 蘩 器譬墓嚣菸髌联h 霖藿霁h 精确装雩h 葬毳 子功能划分n 系，确定零件形：扶一件性计p 精稍蓑掣 _；薪 概念设汁 f概念设计 零部件位置 。竺竺兰兰兰兰兰兰竺兰一多 j ：7 一7 幽2 1 变量装配殴计过程口6 1 华中科技大学硕士学位论文 2 3 2 参数化技术概述 传统c a d 系统的产品数据模型是基于精确的几何位置描述的，而大量丰富的具 有实际意义的几何拓扑关系和尺寸约束信息、功能要求信息被丢弃。在这样的设计 环境下，用户必须对每个几何元素的坐标进行精确计算和定位，设计对象不能被方 便地修改，同时设计结果并没有传达任何功能设计上的要求，无法反映设计者的真 实意图。因而传统c a d 系统往往更多地表现为一个电子图板，不足以支持设计者更 高层次的要求。 与传统c a d 系统相比，基于约束的c a d 系统引入了一组约束来帮助实现一组 几何元素的修改咀保持设计结果的一致性。基于约束的建模技术除了记录产品的精 确的几何位置外，还记录了几何元素之间的几何约束关系，以及与功能、结构等要 求有关的工程约束信息，因而具有更大的优越性。基于约束的建模技术是将产品的 功能、特性、形状等属性通过约束的形式表示出来，然后采用某种算法使这些约束 能同时得到满足，并在设计的整个过程中得到一致的维护。一个基于约束的产品设 计过程，实际上就是一个约束指定和约束满足的过程，它们不断循环求精，直到所 有设计要求得到满足p ”。 基于约束的参数化设计技术用一种全新的思维方式来支持产品的设计、修改及 变形设计。约束关系中的几何约束用以描述产品的形状特征，拓扑约束则描述产品 构成要素之间的相互依赖和制约关系，通过要素关系的建立和求解来捕捉设计者的 意图，并完成从功能约束到产品结构描述的转换过程。通过约束参数的修改，能方 便地创建出一系列功能和形状相似的设计模型。此外参数化技术所提供的草图设计 为概念设计、产品模型的修改、多方案比较和动态设计等提供了强有力的工具，并 在实体造型、装配、公差分析与综合、机构仿真、优化设计等领域发挥着越来越大 的作用。利用参数化设计技术可以极大地提高只有几何尺寸发生变化的簇零件的 设计效率。避免设计人员繁琐的重复性工作。 参数化设计主要包含描述几何模型的几何体素和描述体素间空间位置关系和拓 扑关系的约束。几何体素可以是实体、曲面和线框等，约束包括尺寸、公差、装配 结构和制造过程需求所反映的几何约束等。几何体素的几何构成及其位置以三维几 何构成知识为基础，通过给定约束的评测求解结果决定 38 1 。 工程设计中的各种约束条件往往可以用一系列的表达式的形式来表示，表达式 中的参数与设计对象的功能指标、控制尺寸有显式的对应，调整相应的参数即可获 取不同的约束条件，实现不同的设计方案。因此，常常将通过参数调整而实现的柔 华中科技大学硕士学位论文 一= ! ：= = = = = = = = = = ；= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 一 性约束建模的方法称为参数化设计方法。参数化技术是c a d 领域中的关键技术之一。 零件图的参数化即是指通过修改标注尺寸值而由系统重新生成图形来实现图纸的自 动修改。装配图的参数化则是指通过调整配合尺寸、关联尺寸实现零件相对位置的 变动和相关零件尺寸的自适应调整，从而获取不同的装配模型实例。 近年来，在许多国内外c a d 研究人员的共同努力下，参数化技术已取得了很大 的进步。根据所采用的约束求解算法，参数化设计可分为以下几种方法p 圳： 1 ) 变量几何法：即把几何形状定义成一系列特征点，约束则表示成以特征点的 坐标为变量的非线性方程组，通过数值迭代方法求解非线性方程组来实现参数化， 从而进行参数化设计。 2 ) 基于规则的专家系统方法：这种方法的主要特点是将绘图过程分解为一系列 最基本的作图规则，采用人工智能的符号处理、知识表达、几何推理等方法，将作 图步骤与基本规则相匹配来进行约束求解。 3 ) 符号代数求解方法：这种方法同样将约束转化为一组代数方程，但是利用了 符号代数的方法，将方程组求解出来。该方法在几何定理的证明中得到广大的应用， 但是在运行时间和效率上有待改进。具有代表性的是k o n d o 运用b u c h e r g e r 算法增加 和删除约束，并导出一个多项式来表示增加和删除的约束之间的关系。 4 ) 基于自由度分析的几何推理方法：该方法将一般几何约束表示成图的形式， 其中顶点代表几何元素，边代表几何元素之间的约束关系。通过分析约束图推导出 一系列的构造过程，再根据这些构造步骤来推导出整个几何体。其推理过程基于自 由度亏损理论和图论算法，因而理论严密，速度快，效率很高。但一旦约束的类型 增加，图的分析算法要进行相应的修