（材料加工工程专业论文）面向功能的覆盖件模具cad关键技术的研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 ；g ；= _ 摘要 覆盖件模具设计制造周期的长短和质量对新车型的开发周期、汽车产品的质量 和齐争力有着直接影响。虽然现在大多数厂家采用了通用的c a d 系统辅助覆盖件模 具设计，但其应用基本限于造型或绘图。这些系统不能从功能的角度去支持产品设 计过程，不能支持自顶向下的设计，导致设计效率低下。为此，本文对面向功能的 覆盖件模具设计关键技术进行了研究。卜 本文首先总结覆盖件模具的结构籽点和覆盖件模具功能，并探讨了功能的分解 和功能一结构求解，功能分解将覆盖件的主功能分解为若干子功能，使复杂的设计 问题简单化；功能一结构求解把功能和结构联系起来，其核心是确立它们的映射关 系。 作者阐述了面向功能的覆盖件模具设计基本原理，给出了功能组件的规范定义 及其几何实现。面向功能的覆盖件模具设计的出发点是用户的功能需求，终点是功 能的提交，功能贯穿设计的全过程。功能组件包含几何信息和功能信息，可支持而 向功能的覆盖件模具设计。 作者研究了面向功能的覆盖件模具c a d 的关键技术。在功能表达上，功能组件 作为基本设计单位，用以表达静态结构，采用功能树控制设计过程和记录设计状态。 通过建立索引文件和数据文件，无论单个零件还是子装配体组成的组件都均可被驱 动，由此建立了参数化的组件库。f 覆盖件模具装配关系复杂，装配设计一直是难点， 本文研究了装配设计的实现方法，粥设计规则和专家经验融入到功能组件中，使设 计效率大大提高。为了确保设计的一致性，在功能组件中引入了虚零件的概念，实 现了组件和目标对象的尺寸关联和实体关联，在维护了组件内部的装配关系的同时， 避免了设计冲突。 在理论研究的基础上，作者开发了面向功能的覆盖件模具c a d 系统。该系统包 括工程初始化、功能建模、功能详细设计、功能组件库、库的管理、属性设置等模 块，可自顶向下地进行覆盖件模具设计，设计出满足用户功能需求的模具。0 。 关键词：覆盖饩：捧具c a d 、功能组件j 功能树j 装配设计，参数化虚零件 华中科技大学硕士学位论文 = ；= = = = = g = = ；= = ；= = ；= = = = = = ；= = = 一 a b s t r a c t n l e d e s i g na n dm a n u f a c t u r i n gt i m ea n dq u a l i t yo fp a n e ld i e sh a v e d i r e c te f f e c to nt h e d e v e l o p m e n tp e r i o d o fn e wc a r s ，t h e i rq u a l i t ya n dc o m p e t i t i v ec a p a b i l i t y c u r r e n t l y , t h r o u g hm a n yf a c t o r i e s u s eu n i v e r s a lc a ds y s t e m st oa i dt od e s i g np a n e ld i e s ，t h e a p p l i c a t i o n sa r el i m i t e dt og e o m e t r i cm o d e l i n g o rd r a w i n g t h e s es y s t e m sc a nn o ts u p p o r t d e s i g np r o c e s st oa c h i e v ef u n c t i o ns a t i s f a c t i o n ，a n dc a n n o ts u p p o r tt h et o p d o w nd e s i g n h e n c e ，t h ek e yt e c h n o l o g i e so f f u n c f i o n o r i e n t e dd e s i g no f p a n e ld i e sh a v eb e e ns t u d i e di n t h i sp a p e r f i r s t l y , t h ep a p e rs u m m a r i z e st h e s t r u c t u r e sa n dt h ef u n c t i o n so fp a n e ld i e s ，a n d d i s c u s s e st h er e s o l v i n go ft h em a i nf u n c t i o na n dt h em a p p i n gb e t w e e nf u n c t i o na n d s t r u c t u r e t h ef o r m e rs i m p l i f i e st h ec o m p l i c a t e dd e s i g np r o b l e mt h r o u g hr e s o l v i n gm a i n f u n c t i o ni n t os u b - f u n c t i o n s t h em a p p i n gb e t w e e nf u n c t i o na n ds t r u c t u r ec o n n e c tf u n c t i o n w i t hs t r u c t u r e t h ea u t h o r sp r e s e n tt h eb a s i cp r i n c i p l e so ff u n c t i o n o r i e n t e dc a d f o rp a n e ld i e s a n 。 b r o u g h tf o r w a r dt h ec o n c e p to ff u n c t i o n a la s s e m b l ya n de x p r e s s i o nm e t h o do fi t i n g e o m e t r y af u n c t i o n - o r i e n t e dc a db e g i n sf r o mt h eu s e r sr e q u i r e m e n t s ，a n de n d sa t c o m m i t t i n gt h ef u n c t i o n s af u n c t i o n a la s s e m b l yi sag e o m e t r ys t r u c t u r ew h i c hc o n t a i n s b o t hg e o m e t r yi n f o r m a t i o na n df u n c t i o ni n f o r m a t i o nt os u p p o r tf u n c t i o n - o r i e n t e dc a d t h ep a p e re l a b o r a t e s k e yt e c h n i q u e s f o rf u n c t i o n o r i e n t e dc a do fp a n e ld i e s f u n c t i o n a la s s e m b l ye x p r e s s e st h es t a t i cs t r u c t u r ea sb a s i cd e s i g nu n i t f u n c t i o nt r e ei s u s e dt oe x p r e s st h ed e s i g ns t a t ea n dc o n t r o lt h ed e s i g n p r o c e s s t h r o u g he s t a b l i s h i n gi n d e x f i l e sa n dd a t af i l e s ，t h en m c t i u n a la s s e m b l i e sc a nb ep a r a m e t e r i z e d ，a n daf u n c t i o n a l a s s e m b l y d a t a b a s ei ss e t u p b e c a u s et h ea s s e m b l y r e l a t i o n so fp a n e ld i ei s v e r y c o m p l i c a t e d ，t h ed e s i g no fa s s e m b l yi s ad i f f i c u l tt a s k a na s s e m b l yd e s i g nm e t h o di s b r o u g h tf o r w a r d ，i nw h i c ht h ed e s i g nr u l e sa n de x p e r te x p e r i e n c e sa r ee m b e d e di n t ot h e f u n c t i o n a la s s e m b l y v i r t u a l p a r ti si n c l u d e di nt h ef u n c t i o n a la s s e m b l y t om a i n t a i nd e s i g n c o n s i s t e n c y t h e v i r t u a l p a r tr e a l i z e s d i m e n s i o na n de n t i t ya s s o c i a t i o n so ff u n c t i o n a l a s s e m b l ya n dt a r g e to b j e c t a tt h es a m et i m e ，a s s e m b l yr e l a t i o n si nf u n c t i o n a la s s e m b l y a r em a i n t a i n e da n d d e s i g nc o n f l i c t sf i r ea v o i d e d b a s e do nt h et h e o r e t i c a ls t u d y , t h ea u t h o r sh a v ed e v e l o p e daf u n c t i o n o r i e n t e dc a d i i 华中科技大学硕士学位论文 s y s t e m t h es y s t e mc o n s i s t so f f i v em o d u l e s ，i e i n i t i a l i z t i o no f p r o j e c t ，f u n c t i o nm o d e l i n g , d e t a i l e df u n c t i o nd e s i g n , f u n c t i o n a la s s e m b l yd a t a b a s e ，, m a n a g eo ft h ed a t a b a s e ，s e t t i n go f a t t r i b u t e s t h ec a d s y s t e mc a l ld e s i g np a n e ld i ei nt h et o p - d o w nw a y , a n dt h ep a n e ld i e d e s i g n e db y i ts a t i s f i e st h eu s e r r e q u i r e m e n t s k e yw o r d s ：p a n e l c a do fd i ef u n c t i o n a l a s s e m b l y f u n c t i o nt r e e a s s e m b l y d e s i g np a r a m e t e r i z a t i o n v i r t u a lp a r t i 华中科技大学硕士学位论文 一= = = = = = = ；= = = = = = = = = = ；= = = = = = t ；= = = = = = = 一 1 1 课题来源、目的及意义 1 绪论 计算机辅助设计和计算机辅助制造( c a d c a m ) 技术发展到今天，已经历了四十 多个春秋。随着计算机及相关技术的高速发展，c a d c a m 技术已广泛地应用于制 造业，极大地推动了制造业的发展，对传统的设计、制造方法以及组织生产的模式 带来了深刻的变革，并被视为自电力发明以来对促进生产最具潜力的手段。 c a d c a m 技术已成为衡量一个国家工业水平的重要尺度之一，也是衡量一个国家 汽车工业水平、衡量一个汽车制造公司技术水平的重要标志之一。计算机辅助技术 已成为国外汽车工业开发新产品、组织规模生产、增强市场竞争能力的重要手段， 在缩短产品开发周期、提高产品质量、性能和可靠性和降低产品成本等方面起到了 决定性的作用”】。 为了加快我国汽车工业的发展，实现多品种、高质量、短周期、低成本生产，必 须改变传统的设计制造模式，大力推广应用计算机辅助技术| 2 】。汽车车身作为汽车臼 外型主体，是市场上变化最快、产品生命周期最短的汽车组成部分。车身造型的空 气动力学和美学要求使得汽车车身覆盖件的型面日趋复杂f ”。覆盖件模具作为汽车车 身生产的基础工艺装备，一直是汽车产品开发、生产准备的薄弱环节，严重制约着 我国汽车工业的发展。如第一汽车集团公司，由于其模具设计、制造能力不能满足 生产需要，1 9 8 8 年引进了a u d i1 0 0 轿车车身模具2 8 1 套，占该车型模具总数的 8 4 1 5 ，1 9 9 4 年又引进j e t l a a 2 轿车模具3 4 4 套，占该车型模具总数的9 3 7 。中 国模具工业协会的统计资料表明，虽然我国模具行业的生产总值由1 9 9 0 年的6 0 亿 增长至1 9 9 5 年的1 4 5 亿元人民币，取得了很大的进步，但模具设计、制造能力仍远 远不能满足市场需求，1 9 9 3 年模具进口额为6 7 5 亿美元，1 9 9 5 年则增至8 1l 亿美 元，其中绝大多数为中高档模具。因此，在汽车车身和覆盖件模具的设计制造中采 用计算机辅助技术以提高产品质量、增强企业的市场竞争能力，是发展我国汽车工 业和模具工业的必然趋势i 4 i 。 r a j n e e ts e d h i 和j o s h u a ut u m e r l 5 j 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 华中科技大学硕士学位论文 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模具的t o p - d o w n 设计方式，实现模具 设计与其生命周期中其它过程的集成，是新一代覆盖件模具c a d 的发展趋势眠”。 因此，国家科委攻关项目智能化大型复杂模具设计与制造成套技术与装备的 研究把覆盖件模具设计与制造作为主要的研究对象。华中科技大学作为主要单位之 一承担了该项目，进行了车身与覆盖件模具c a d c a p p c a m 集成系统的开发与应 用。该课题中覆盖件模具设计部分目的在于研究一种比较完善的装配模型、功能模 型以及自动解决方案，使设计过程符合设计方法学，智能化，支持全生命周期的管 理，并开发出实用的汽车覆盖件模具智能化c a d 软件。 本文讨论了面向功能的覆盖件模具的设计方法和过程，提出了功能组件的概念， 并把功能组件作为设计中的最基本的单位。实现了以功能组件为核心的自顶向下的 设计。使设计更符合人的思维习惯，并且能够减少设计中的错误，提高设计质量。 在装配设计中，将功能和装配信息融入到功能组件中的装配实现方法提高了设计效 率。关联设计的引入简化了设计过程，避免了装配关系冲突。 1 。2 覆盖件模具c a d ，c a m 发展概况 五十年代是c a d c a m 的技术准备时期。五十年代初期，美国麻省理工学院 ( m i t ) 伺服系统实验室利用w h i r l w i n di 型计算机研制了第一台自动数控铣床，并 开始研究a p t ( a u t o m a t i c a l l yp r o g r a m m e dt o o l s ) 系统，设想将设计图纸直接转换成 n c 纸带。1 9 5 5 年在美国芝加哥的机床展览会上展示了2 0 台数控机床。1 9 5 8 年，a p t 语言开始用于编制数控加工程序。1 9 5 8 年，美国c a l c o m p 公司研制了滚筒式绘图机， g e r b e r 公司则生产出平台式绘图机，这些成就为发展c a d c a m 技术准备了基本的 物质条件 8 , 9 , 1 0 l 。 六十年代是c a d c a m 技术的研制试验期。1 9 6 3 年，计算机图形学先驱、美国 麻省理工学院的i e s u t h e f l a n d 在美国的计算机联合大会( s j c c ) 上宣读了题为 “s k e t c h p a d - - 人机交互系统”的论文，并在实验室实现了该论文的基本思想，如 菜单选取、功能键操作、光笔定位、图面动态修改等交互设计技术，极大地震动了 2 华中科技大学硕士学位论文 工程界。美国麻省理工学院、通用汽车公司、贝尔电话实验室、洛克希德飞机制造 公司、英国剑桥大学等开始了计算机技术的大规模研究。1 9 6 4 年美国通用汽车公司 和i b m 公司研究成功d a c i 系统( d e s i g na u g m e n t e db yc o m p u t e r ) 并应用于汽车 前窗玻璃线型设计，这是最早获得应用的c a d 系统。这些研究引起了人们对 c a d c a m 的极大关注和兴趣口j 】。 在计算机及c a d c a m 技术不断发展的同时，飞机、汽车制造业在自由型曲线、 曲面的数学描述方面的研究也不断取得新的成果。1 9 6 3 年美国波音飞机公司的 j c f o r g u s o n 发表了题为“多变量曲线的插值”的论文】，首次提出了利用参数的矢 函数来定义自由型曲线曲面的方法，并利用三次参数曲线构造了组合曲线和弗格森 双三次曲面片。法国雪铁龙汽车公司的d ec a s t e l j a u 和雷诺汽车公司的贝齐尔分别于 1 9 5 9 年、1 9 6 2 年开始了贝齐尔曲线的研究工作。贝齐尔利用控制多边形来定义曲线 曲面，并在此基础上开发了一套自由曲线曲面的设计制造系统u n i s u r f 。贝齐尔曲 线简单易用，具有许多优良的性质，在诸多形式的参数曲线中独树一帜，受到计算 机辅助几何设计( c a g d ) 学术界的广泛重视，在实践中表现出强大的生命力，为 c a g d 的进一步发展奠定了坚实的基础f 1 2 1 。 七十年代，c a d c a m 技术蓬勃发展并进入早期实用阶段。一些国际上有影响的 c a d 系统如洛克希德公司于1 9 7 2 年投入生产应用的c a d a m 系统、美国c v ( c o m p u t e r v i s i o n ) 1 9 7 9 年推出的c a d d s 系统等陆续问世，模具行业也开始了 c a d c a m 技术的实际应用。1 9 7 1 年美国d i e c o m p 公司推出了第一个级进模 c a d c a m 系统- - p d d c 系统。1 9 7 7 年捷克金属加工工业研究院开发了a k t 系统， 可以用于冲裁模、复合模、级进模的设计、制造，能够实现毛坯排样、顶杆布置的 优化。1 9 7 8 年日本机械工程实验室研制出用于级进模设计、制造的m e l 系统。1 9 7 9 年日本旭光学工业公司开发了用于冲裁及弯曲模具的p e n t a x 系统。这些 c a d c a m 系统的应用，大大地提高了模具的设计质量，缩短了模具生产周期，降 低了生产成本，经济效益十分显著。但是，受当时软、硬件技术水平的限制，这些 c a d c a m 系统一般只适用于较简单模具的设计、制造p 1 。 自由型曲线曲面的数学表达方法的逐步完善为在汽车车身、飞机机身的设计、 制造中应用c a d c a m 技术铺平了道路。自八十年代初开始，工业发达国家开始了 覆盏件模具c a d 的研究和应用。目前，世界上较著名的汽车公司都有自己的覆盏件 模具c a d c a m 系统。 美国通用汽车公司在六十年代末就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 系统已趋成熟 8 , 1 0 , 1 3 1 。该系统包括用于模 华中科技大学硕士学位论文 其型面设计的c g s ( c o r p o r a t eg r a p h i c ss y s t e m ) 系统、用于评价设计结果的 g m f o r m 系统，以及对从实验模具的塑料工艺模型上获得的曲面数据进行光滑处理 并自动生成曲面片的a u t o s h a p e 系统等子系统。 日本丰田汽车公司很早就在车身工程中应用c a d c a m 技术。六十年代中期， 丰田公司开始开发用数控机床制造车身主模型和覆盖件模具的t f n c a 系统( t o y o t a i n t e g r a t e dn u m e r i c a l c o n t r o la p p r o c h ) 和对从油泥模型获取的数据进行光顺处理的 t d f b 系统( t o y o t a d a t af i l es y s t e mo f b o d y d e s i g na n dm a n u f a c t u r i n g ) 。进入七十年 代，丰田公司又开发了在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 na n de n g i n e e r i n gt o o lf o rt o y o t a ) ，对t 1 n c a 的功能加以扩充和完善，增加了 数据定义和刀具轨迹的检查功能。七十年代末，丰田公司开始开发模具设计工程中 使用的c a d c a m 系统。为便于模具设计与相关工程进行数据传递，减少研配和修 模的工作量，又开发了模具型面设计c a d 系统。至此，丰阳公司已将c a d c a m 技 术应用于整个车身开发过程，初步实现了系统的集成。集成后的系统包括四个 c a d c a m 子系统，即用于车型设计和模具型面设计的c o s m o s 系统，用于车身结 构设计和焊装夹具设计的c a d e t t 系统，用于制造主模型和冲模的t i n c a 系统以 及利用有限元方法进行结构分析的v e s t a 系统。其模具c a d 系统包括模具型面设 计和模具结构设计两部分，并具备评价冲压成形工艺性的功能【l ”。 我国模具c a d c a m 的开发始于七十年代末，发展也很迅速，许多模具企业十 分注重科技进步，加大了用于科技进步的投资力度。许多科研机构和大专院校都开 展模具c a d c a m 技术的研究和开发。目前，从事模具c a d c a m 技术研究的机构 和大专院校已达3 0 余家，从事模具技术教育和培训的院校已达4 0 家。其中，获得 国家重点资助的有华中科技大学模具技术国家重点实验室、上海交通大学模具c a d 国家工程研究中心、北京机电研究所精冲技术国家工程研究中心和郑州工业大学橡 握模具国家工程研究中心等。经过多年的努力，在模具c a d c a e c a m 技术、模具 的电加工和数控加工技术、快速成形和快速制模技术，新型模具材料等方面取得了 显著的进步。在提高模具质量和缩短模具设计制造周期等方面作出了贡献。同时， 我国自主开发的覆盖件模具c a d c a e c a m 系统有了很大的发展，例如，华中科技 大学模具技术国家重点实验室开发的汽车覆盖件模具软件已部分在东风汽车公司应 用。吉林工业大学的板料成形分析软件，在国内模具行业已拥有不少用户i 。 4 华中科技大学硕士学位论文 1 3 覆盖件模具c a d 存在的问题 覆盖件模具c a d 主要由四部分内容组成| 1 8 】： ( 1 ) 产品定义：主要是定义覆盖件的产品信息。 ( 2 ) 冲压工艺设计：主要包括确定冲压工艺方案，设计工艺补充曲面，完成各 工序零件的设计。 ( 3 ) 模具结构设计：包括主要工作零件的设计以及装配设计。 ( 4 ) 设计结果评析。 虽然c a d 技术在许多方面已发展到实用化的水平，但是覆盖件模具c a d 尚存 在以下问题i ”l ： ( 1 ) 现有的c a d 系统均为交互式造型系统，设计人员面对的是低层次的几何 信息，要进行大量的交互操作，设计效率低下。 ( 2 ) 作为覆盖件冲压工艺设计、模具结构设计的重要依据的覆盖件、冲压工序 零件，包含了丰富的几何信息和工程信息，但现有的c a d 系统一般只能表达一些低 层次的几何信息而丢掉了许多工程语义信息，这就给工艺设计和模具设计造成了 艮 大的困难。 ( 3 ) 现有的c a d 系统未能覆盖模具设计的整个过程，覆盖件的工艺性分析、 冲压工艺设计、工艺补充曲面造型以及模具的概念设计仍然严重依赖于技术人员的 经验。 ( 4 ) 模具种类繁多，结构复杂，模具设计是一种基于经验和知识的、复杂的创 造性劳动，而一般c a d 系统不能使模具设计师的知识和经验没有与c a d 系统有机 地结合起来。模具设计的经验性使得模具c a d c a m 系统的设计和实现比较复杂和 困难。尤其对汽车覆盖件模具来说，现有的c a d c a m 商业软件均需要做大量的二 次开发，将已有的模具设计专家知识集成到c a d c a m 软件中。 ( 5 ) 现有的覆盖件模具c a d 系统对模具全生命周期的支持性有待改善，对覆盖 件模具功能分析和设计的研究比较少。 ( 6 ) 无法在覆盖件模具c a d 系统中有效地应用已有的设计经验，设计主要依靠 设计人员的经验交互完成。 ( 7 ) 现有的覆盖件模具c a d 系统不够智能化，不能捕捉设计者意图以使设计简 化，不能提供智能化的评价。 5 华中科技大学硕士学位论文 1 4 覆盖件模具c a d 的发展方向 随着计算机科学和其他学科技术的发展，c a d 技术得到迅速发展，在这些发展 方向中，结合覆盖件模具自身的特点和上述存在的问题，覆盖件模具c a d 应以以下 几个方面作为发展方向： ( 1 ) 集成化 集成化在c a d c a m 研究的基础上，人们正致力于计算机集成制造系统 ( c i m s c o m p u t e ri n t e r g r a t e dm a n u f a c t u r i n gs y s t e m ) 的研究，将产品的设计、加工制 造和经营管理等项活动结合起来，使设计、制造到检验成为一个完整的物质流和信 息流的流通过程，从而提供对模具全生命周期的支持。最近e d s 公司组建 p l m ( p r o d u c tl i f e c y c l em a n a g e ) 部，就是用以支持产品全生命周期管理。并行工程被 用来解决这些问题，面向装配( d f a ) 的思想就是并行性的体现，d f a 将采用从上 到下的设计思想，装配设计中将有效地定义零件之间相互关系，并在装配关系的约 束下进行后续的零件详细的设计，以保证设计信息的致性，提高设计质量。 ( 2 ) 智能化 为了提高产品质量、降低成本、增强产品市场竞争力，就必须开展智能化研究工 作，总结出设计制造经验和教训，把成功的经验应用于模具设计中去，形成计算机 里的标准件库、知识库和智能库，生成专家系统，为以后所用。 ( 3 ) 并行工程【”1 并行工程的方法使设计者在一开始就考虑到产品开发的各个环节，最大限度地 实现过程集成，尽可能多地交流设计信息，相互协调地开展工作，从而减少返工， 提高设计质量，缩短开发周期。 ( 4 ) 成形性评价m i 覆盖件的成形性评价一直是板料成形工艺设计中的难点。为此，一方面要总结模 具设计过程中成功的经验，作为设计时的参考；另一方面要开展塑性成形模拟技术 的研究，对板料成形过程进行分析，计算成形过程中的应力应变，预测成形缺陷并 采取有效的预防措施。 ( 5 ) 基于网络的模具设计制造 随着计算机网络技术的发展，“网络就是计算机”已逐渐成为人们的共识。作为 先进的设计制造方式，将能在网络上组织设计，通过网络来共享设计资源，实现覆 盖件模具的网上制造。 6 华中科技大学硕士学位论文 1 5 本文的主要研究工作及其意义 覆盖件模具设计制造周期的长短和质量对新车型的开发周期、汽车产品的质量 和竞争力有着直接影响。传统的c a d 方法是以几何特征作为设计过程的主导，整 个设计过程都是造型或绘图，以此表达零件和组件的形状，但这些系统不能从功能 的角度去支持产品设计的整个过程，不支持自顶向下的设计，导致设计效率低下、 有效性差。设计人员在高层次的语义思维和低层次的几何操作的矛盾中完成设计， 不能够准确表达自己的设计意图，难使覆盖件模具c a d 的应用效果达到理想。 传统的c a d 方法是以几何特征作为设计过程的主导，与客观实际不相符，不 能对全过程进行支持。从面向功能的角度出发，一个设计开发过程可以描述为：用 户需求一功能集一几何结构集( 模型、实体) 一功能实现一功能提交( 交货) 。这一 过程的显著特点就是其起点是功能说明，终点是功能提交。由此提出面向功能的覆 盖件模具设计过程。覆盖件模具的总体功能是由部件所完成的子功能、零件的基本 功能，以及零件结构特征的功能组合完成的。面向功能的覆盖件模具设计就是通过 功能分解将设计问题模块化、结构化，将设计问题转化成一系列容易求解的子问题。 从而提高覆盖件模具设计的效率和质量。 本文的主要研究工作包括以下几个方面： 总结覆益件模具的结构特点和覆盖件模具的功能，并详细讨论功能的分解、 功能一结构求解。 讨论面向功能的设计原理，指出只有面向功能的设计，才能对覆盖件模具设 计制造的全过程提供支持。 讨论功能组件的规范定义及其几何实现。把功能组件与单个零件、子装配体 区分开来，功能组件既可以是单个零件，也可以是子装配体。详细讨论功能组件的 结构，并给出功能组件的表示方法和实现过程，从而建立参数化的功能组件库。 针对面向功能的实现难点，讨论设计过程中当前设计状态和控制设计过程的 表达方法。 研究覆盖件模具装配设计实现方法，包括将设计规则和专家经验融入到组件 晕，实现关联设计等问题。 7 2 面向功能的覆盖件模具设计原理和组件技术 2 1 引言 传统的c a d 方法是以几何特征作为设计过程的主导，整个设计过程都是造型 或绘图，以此表达零件和组件的形状。这种模具c a d 系统存在以下问题： ( 1 ) 采用自下而上的设计方式，不能对模具设计与制造全过程进行支持，不符 合自上而下的思维习惯。 ( 2 ) 覆盖件模具形状复杂，功能部件繁多，采用传统的c a d 方法难以表达设计 意图，导致设计周期长，设计结果难以符合用户要求。 ( 3 ) 装配设计中，由于零件的位置关系复杂，由于此时设计者思路往往还不清 晰，装配设计效率低。 通常，我们判别设计是否可行，首先要看是否能满足用户的需求，是否满足用户 对功能和性能的要求。现有的商业化c a d c a m 系统虽然都声称支持自顶向下的设 计，但受现有系统功能的限制，产品开发人员利用c a d c a m 系统进行产品开发时， 仍然只能采用自底向上的设计方法，即先进行零件的结构设计，完成零件的结构之 后，通过指定零部件间的配合关系，完成产品的装配设计。自底向上的设计方法与 工程设计的习惯是不一致的，也不能满足并行设计的要求。而自顶向下的设计方法 则要求设计从产品功能建模开始，根据产品功能要求和设计约束，在确定产品的初 步组成和形状的基础上，确定各组成零部件之问的装配关系和相互约束关系，完成 装配概念模型的建模和装配草图的绘制。并根据装配关系把产品分解成若干零部件， 在总体装配关系的约束下，进行零部件的概念设计和详细设计。在产品设计过程中， 上一层装配体中确定的装配约束都将成为下一层装配体的设计约束，这种约束关系 应能和最终模型共同记录下来，以保证在后续的设计过程和再设计过程中，系统能 自动维护这种约束关系，从而保持产品模型的一致性。为实现这一目标，必须能够 准确描述装配约束关系，并建立使这些约束关系在产品设计过程中能自动传递、自 动满足的机制，同时为后续装配工艺规划、装配公差分析与综合提供信息i ”。 用户对产品的要求是从功能出发的，功能是产品设计的起点和完成的标志，产品 设计的目的就是要提供用户所需的功能，现有c a d 系统虽为设计者提供了功能强大 的几何造型手段，但要求设计者完成产品功能设计，实现功能到结构的转换，并维 护设计者的设计意图，其结果是设计周期长，设计结果难以与用户的要求相符| 7 】。 华中科技大学硕士学位论文 为此，应发展一种不同于现有c a d 系统的设计理论，并将其用于汽车覆盖件模 具设计，使覆盖件模具设计者能方便地表达设计意图，并在整个设计过程中得到实 现。全面解决这些问题的有效途径，就是开展面向功能的覆盖件模具设计方法的研 究。它从用户的功能要求出发，在设计的开始进行功能建模，并在设计过程中通过 功能到结构的映射，完成对覆盖件模具的几何特征的表达，使功能要求通过功能变 量的传递得以实现州。 2 2 覆盖件模具的结构 在进行面向功能的覆盖件模具设计理论研究之前，应该对覆盖件模具的结构进行 分析。功能和结构是相辅相成的，功能由结构来表达，一个子结构可以实现覆盖件 模具的一个子功能，因此结构分析是功能分析的基础。汽车覆盖件是指覆盖发动机、 底盘等部分，构成汽车车身的自由曲面型零件。与一般冲压件相比，覆益件的型面 复杂，多为自由型曲线曲面，表面质量要求高，结构尺寸大”】。零件的复杂，导致 汽车覆盖件模具比一般冲压件模具复杂。 由于覆盖件零件曲面形状的复杂性、冲压工艺组合方式的灵活性，加之设计人员 经验和设计风格的不同，使得覆盖件模具种类繁多，结构多样。覆盖件模具基本结 构特征可以按以下方式进行分类【l “。 ( 1 ) 按覆盖件冲压工艺的组合方式可将其划分为单工序的简单模与多工序的复 合模； ( 2 ) 按照覆盖件的基本冲压工艺可将其主要划分为三大类：落料模、拉延模、 修边模、翻边模。 拉延模主要完成覆盖件的拉延工序，可分为单动拉延模与双动拉延模。 修边模主要完成覆盖件的修边工序，它一般与冲孔组合在一起，冲孔对修边模的 结构影响不大，只是增加冲孔凸模和凹模。根据修边凸模的运动方向可以把修边模 分为垂直修边模、斜锲修边模、垂直斜锲修边模。 翻边模主要完成覆盖件的翻边工序，它可以根据具体的翻边工艺分为垂直翻边 模、斜锲翻边模。垂直翻边模又可以根据翻边与其他工艺的组合分为翻边整形模、 翻边翻口模。翻边翻口模又可以根据翻边翻口的方向细分。斜锲翻边模可以分为简 单斜锯翻边模、斜锲两面开花翻边模、斜锲圆周开花翻边模、斜锲两面向外翻边模 等。覆盖件模具的各种典型基本结构按其功能分类，如图2 1 所示m 】。 覆盖件模具一般都由导向装置、连接装置、安装固定装置、起重装置、定位装 9 华中科技大学硕士学位论文 = ：= = ；= = = = = = ；= = = = = ；= = = = = = = = = = ；= 口 覆盖件模具基本结构 翻边模 图2 1 覆盖件模具常用基本结构的分类 图2 2 覆盖件拉延模结构的组成 置以及覆盖件模具的工作件组成。导向装置可以分为导柱导套和导板。这些结构中 锲翻边模 直翻边模i一，斜锲蕊边模模弋 边7 1修一垂直修边模磁震 拉7 l斫刮刻 锲两面向外翻边模 锲圆周开花翻边模 锲两面开花翻边模 单斜锲翻边模 整形模 边翻口模 上翻边翻口模 向上翻边 下翻口模 华中科技大学硕士学位论文 一= = ；_ ；= = = ；g 2 = # = 有些是通用结构，在各类模具普遍使用并在多数情况下可以相互替换；有些则是专 用的结构，每种模具甚至每套模具都各不相同。图2 2 所示为覆盖件拉延模结构的 组成。 2 3 覆盖件模具的功能 产品设计的目的就是要提供用户所需的功能，设计的初始是产品功能定义，最 后提交的也是产品的功能。对功能进行详细分析是设计过程中的关键环节。覆盖件 模具的总体功能是由部件所完成的子功能、零件的基本功能，以及零件结构特征的 功能组合完成的。覆盖件模具的功能具有层次性。功能分解的目的是将设计问题模 块化、结构化，从而将设计问题转化成一系列容易求解的子问题。 2 3 1 功能的分解 覆盖件模具是一个多层次结构，这种层次化结构表现在功能和结构两个方面。通 过功能分解使覆盖件模具设计思路在功能层次上得到抽象描述，从而使设计活动集 中于满足功能要求。从功能角度上来看，产品的功能可以分解为若干子功能，而子 功能又可以划分为更小的功能。这样逐层划分产品的功能，使之成为能由子装配体 或零件实现的一层层的子功能，如图2 3 所示邺l 。 图2 3 总体功能的分解 功能分解时所应遵循的原则包括】： ( 1 ) 在每级分解中，各子功能都应当是本级中最基本的功能。 ( 2 ) 同级各基本功能之问应当是正交的，即互不重叠。 按照这些原则可以对覆盖件模具进行功能划分，覆盖件模具的基本功能可以分 为：拉延、修边、翻边、成形、冲孔、翻孔、整形、折边等。 对于每副模具，则可将模具的功能进一步分成子功能，这样逐层划分产品的功 华中科技大学硕士学位论文 一= = = = _ = = = # = = = = = ；= 能，直到该功能可以由子装配体或零件实现。根据用户的不同需求，覆盖件模具功 图2 4 覆盖件模具功能分解 能也不尽相同，覆盖件模具的功能由基本功能、辅助功能、基准、安装与连接、起 重与运输、限位功能和附加功能，每一类又可以分成若干小类。图2 4 所示为覆盖 件模具功能图】。 2 3 2 功能到结构的求解 对功能分解的最终目的是找到能表达这些功能的结构。产品的功能定义和结构设 计是决定产品的功能的两个主要阶段，把这两个阶段的解的结果分别用集合f 和s 表示，f 是功能集，s 是结构集，这个两个集合之间存在一定的映射关系。一个功能 可以由几个不同的结构实现，但一个结构只实现一个功能，功能和结构之间存在 对多函数关系，如图2 5 所示，其中n l ，为功能个数；i t i 1 ，为结构个数；f 是结构 功能映射关系。 图2 5 结构功能映射关系 在功能分解和功能结构求解的基础上可建立功能结构库和功能一结构映射表。 功能一结构映射表确立了功能和结构的对应关系。当要实现某功能时，通过查找功 映射 图2 6 覆盖件模具功能一结构求解 能一结构映射表，可结合相关模具知识从功能结构库中调入符合要求的功能结构。 图2 6 所示为双动拉延模结构求解的一部分。 2 4 功能组件 基于上节中所讨论的功能和结构的关系，即从功能可以求解结构，结构可以表 达功能，其实说明功能和结构本质上是一体的。提出功能组件的概念，并把其运用 到覆盖件模具c a d 系统中，使得面向功能的思想得以在设计中实施。 2 4 1 组件技术 组件通常是指供装配整台机器、构件或元件的零件组合，从而形成一个功能单 元的一组元件。在早期的设计中都是以单个零件为基本设计单位，单个零件在有的 情况下不能反映单一的功能，在装配设计中，零件必须一个一个地调入。组件的概 念提出来后，组件更好地表达了用户的功能需求，在装配设计中，调入的可以是组 件、零件，效率也得到了提高。 采用组件技术是为了能更准确和全面地表达覆盖件模具的功能。覆盖件的总体功 华中科技大学硕士学位论文 ：= = = = = = = = = = = = = = ；= = = = # = = = ；= = ；= ；= = = 能通过上述分解得到各子功能，如何完整地表达一个功能成为真正实施面向功能设 计的关键。一个零件可以实现一个子功能，比如一个定位销实现定位功能，而一个 由导柱导套实现的导向功能却是由导柱和导套组合实现的，显然单一的零件和子功 能之间并不是一一对应的关系，因此引入组件的思想来表达子功能是有必要的。 这里引入几个相关概念： 功能组件：是具有单一功能的几何结构单元，几何结构单元可以是装配体、零 件，或者是零件的几何特征。 基零件：功能组件必须装配在模具的主体零件上，后者称为基零件。 相关几何特征：在覆盖件模具设计中，基零件上与功能组件有装配关系的几何 结构特征称之为相关几何特征。 虚零件：为了实现关联设计，简化设计过程，在功能组件中加入相关几何特征 形成的虚拟零件。设计时按一定方式将这些几何特征加入到基零件上，从而实现设 计要求。虚零件的加入不仅简化了设计过程，而且可以保持设计的一致性和避免装 配关系冲突。 功能信息：功能组件除了要含有上述几何信息外，还应该有一些功能信息，用 于后续装配的预定义信息，表达该功能组件的功能属性，以及指明哪部分是虚零件。 综合以上的叙述，可以给出功能组件信息组成的用户视图，如图2 7