（材料加工工程专业论文）坐便器模具cad系统关键技术研究.pdf

摘要 摘要 目前我国已成为世界上卫生洁具的最大生产国和消费国，坐便器作为一种典 型的卫生洁具正步入千家万户。然而国内陶瓷企业对坐便器母模的开发制作至今 还是传统的手工作坊形式，从而导致新产品的开发周期长、开发费用高、信息化 程度低等问题，不利于产品的快速开发和对市场的快速响应。这种手工作坊式的 模具制作已成为影响陶瓷企业进一步发展的瓶颈。 本文围绕广东省科技厅十五攻关重大科技项目“复杂陶瓷产品快速集成制造 技术的研究”，在对坐便器生产工艺及其模具c a d 造型关键技术研究的基础上， 以u n i g r a p h i e s ( u g ) 软件为平台，将u g 与v i s u a lc + + 6 0 有机地结合起来，在国 内首次开发专用的坐便器模具c a d 系统，为实现多系列、多类型的坐便器模具 的快速造型提供了智能化平台。 本文主要内容包括： 1 分析了模具c a d 技术研究现状和二次开发工具的特点，结合现有软件的 通用性和洁具产品曲面特征，选取u g 软件作为二次开发平台。 2 研究坐便器生产的工艺流程和石膏模设计的规范与要求，将整个设计过程 分为模型前处理和模具c a d 造型两大部分，进行系统总体方案设计和功能模块 划分。 3 研究坐便器模型的缩放率、凸出率及其在各个方向的变化，在确保外观质 量的前提下进行简化处理，使之有利于模具的后续加工。 4 对模具c a d 造型关键技术进行研究，在模块提取方式、产品分块方式及 模块的外形处理方面提出自己的见解：基于特征提取进行模具造型；根据产品实 际形状和生产需求进行产品分块；采用形状关联和尺寸关联，在保证模具装配的 前提下进行模块的表面外形处理。 5 深入研究u g 二次开发方法，获取u g 二次开发的完整实施进程。包括： 基于v c + + 6 0 开发平台的u gn x 应用程序接口、主菜单m e n u s e r i p t 及工具菜 单u s e rt o o l s 用户定制、对话框u g o p e nu i s t y l e r 可视化设计应用、实现多种用 户界面接口应用研究等。 6 采用v c + + 6 0 作为程序调试开发平台，利用u g o p e na p i 、u i s t y l e r 、 m e n u s c r i p t 等二次开发工具编写用户程序，实现坐便器模具c a d 系统。 广东工业大学工学硕士学位论文 本系统基于特征提取进行模具c a d 造型，根据向导提示，产品设计人员通 过选取相应线、面特征和输入参数即可方便、快速地完成坐便器的模具设计，自 动生成模具装配图和零件图。该系统的使用不需u g 操作专门知识，适合产品的 系列化设计，大大提高了坐便器模具的设计效率，为基于u g 的产品 c a d c a e c a m 并行化设计打下良好基础。该系统界面简洁直观、操作方便、具 有良好的人机交互及可扩充性和移植性。 关键词坐便器；模具；c a d ；u g ；二次开发 i i a b s t r a c t c h i n ah a sb e c o m et h el a r g e s tc o u n t r yi np r o d u c ea n dc o n s u m p t i o no fs a n i t a r y w a r e sa tp r e s e n t a sa t y p i c a lk i n do fs a n i t a r yw a r e s t h et o i l e ti ss t e p p i n gi n t ot h eh u g e n u m b e r so ff a m i l i e s h o w e v e r ，i nt h ed o m e s t i cc e r a m i ce n t e r p r i s e s ，m a n u a lm o d e l i n g i ss t i l lw i d e l ya p p l i e di nt h ed e v e l o p i n gp r o c e s so ft h em o u l do ft o i l e t s w h i c hr e s u l t i n g i n l o n gd e v e l o p i n gp e r i o d ，h i g h c o s ta n dl o wd e g r e eo fi n f o r m a t i o n l z a t i o n i ti s u n f a v o r a b l et ot h ef a s td e v e l o p m e n to ft h ep r o d u c t sa n dq u i c kr e s p o n s eo ft h em a r k e t t h i sm o d eo fc r a f tw o r k s h o p - b a s e dm o u l dm a n u f a c t u r eh a sb e c o m et h eb o t t l e n e c ko f c e r a m i ce n t e r p r i s e sf u r t h e rd e v e l o p m e n t t h et h e s i si sc o n c e m e dm a i n l yo nt h ep r o j e c to f ”r e s e a r c ho nt h er a p i di n t e g r a t e d m a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g yo f t h ec o m p l i c a t e dc e r a m i cp r o d u c t s ”，w h i c hi sa ni m p o r t a n t p r o j e c to f t h eg u a n g d o n gs c i e n c eo f f i c e o nt h eb a s i so f s t u d y i n ga b o u t t h ep r o d u c t i o n t e c h n o l o g yo f t h et o i l e ta n d k e yt e c h n o l o g yo f m o u l dc a d m o d e l i n g ，w ed e v e l o pt h e s p e c i a l - p u r p o s e t o i l e tm o u l dc a d s y s t e mt h a ti sb a s e d o ns o f t w a r eu n i g r a p h i c sf o rt h e f i r s tt i m ea th o m e ，w h i c hc a l lr e a l i z er a p i dm o d e l i n go fm a n ys e r i e sa n dt y p e so ft o i l e t m o u l d s i tm a i n l yi n c l u d e st h ef o l l o w i n gc o n t e n t s ： 1 c u r r e n tr e s e a r c hs i t u a t i o no fm o u l dc a d t e c h n o l o g ya n ds e c o n dd e v e l o p i n g t o o l sa r ea n a l y z e d a c c o r d i n gt ot h ec o m m o n a b i l i t yo ft h es o f t w a r ea n dt h es u r f a c e m o d e l i n gc h a r a c t e r o f s a n i t a r yc e r a m i c ，u g i ss e l e c t e da sd e v e l o p i n gs o f t w a r ep l a t f o r m o f t h i ss y s t e m 2 r e s e a r c hw a sc a r r i e do u to nt h e t e c h n o l o g i c a lp r o c e s s o ft h et o i l e t m a n u f a c t u r i n ga n dt h ed e s i g no ft h eg y p s u mm o u l d t h ew h o l ed e s i g np r o c e s s i s d i v i d e di n t ot w o m a j o rp a r t s ，p r e p r o c e s s i n gm o d e l a n dm o u l dc a d m o d e l i n g 3 s h r i n k i n gr a t ea n dp r o j e c tr a t eo f t h e t o i l e tm o d e la n dt h e i rd i v e r s i f i c a t i o ni na l l d i r e c t i o n sa r es t u d i e d s i m p l i f yd i s p o s a li sc a r r i e do u to nt h ep r e m i s eo fg u a r a n t e e i n g a p p e a r a n c eq u a l i t y , w h i c h i sp r o p i t i o u st ot h ep o s t r r o c e s s i n go f t h em o u l d 4 b a s e do nr e s e a r c ht ot h ek e yt e c h n o l o g i e so fm o u l dc a d m o d e l i n g ，o p i n i o n s a b o u tt h em o d eo fm o u l de x t r a c t i o na n dp r o d u c td i v i s i o na sw e l la st h et r e a t m e n to ft h e e x t e m a lf o r mo ft h em o d u l ea r ep u tf o r w a r d ：m o d e l i n gm o u l db a s e do nc h a r a c t e r i s t i c e x t r a c t i o n ，d i v i d i n gp r o d u c ta c c o r d i n g t oi t sr e a lf o r ma n dp r o d u c t i o nd e m a n d ，t r e a t i n g w i t ht h ee x t e r n a lf o r mo ft h em o d u l eo nt h ep r e m i s eo fg u a r a n t e e i n gt h a tt h em o u l di s c o r r e c t l ya s s e m b l e d i i i 5 s t u d yd e v e l o p m e n tm e t h o d o fu g t h o r o u g h l y ，a n dr e a l i z et h ew h o l ep r o c e s so f d e v e l o p m e n t , i n c l u d i n g ：a p p l i c a t i o np r o g r a mi n t e r f a c eo f u gn xb a s e do nv c h 6 0 c u s t o m i z a t i o no f m e n u s c r i p ta n du s e r t o o l so fu g n x ，v i s i b l ed e s i g na p p l i c a t i o no f u g o p e nu i s t y l e ro fu gn x ，s t u d y i n gt h er e l a t i o no f d i f f e r e n tc u s t o m e ri n t e r f a c eo f u g n x 6 v c + + 6 0i su s e da st h ed e v e l o p i n ge n v i r o n m e n t u s e rp r o g r a mi sc o m p l i e dw i t h t h ef u r t h e rd e v e l o p i n gt o o l so fu gs u c ha so g o p e na p i 、u i s t y l e ra n dm e n u s c r i p t t o i l e tm o u l dc a d s y s t e m i sr e a l i z e di nt h ee n d t h i ss y s t e md e s i g n sm o l l l dc a db a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i ce x t r a c t i o n f o l l o w i n g t h eg u i d eo ft h ew i z a r d s ，i ti sf a c i l i t a t i v ea n de x p e d i t i o u sf o ru s e r st od e s i g nt h em o d d o ft o i l e t s ，a n dt h es y s t e mw o u l dg e n e r a t e dm o u l da s s e m b l i n gd r a w i n ga n dc o m p o n e n t d r a w i n g sa u t o m a t i c a l l y w h a tt h e y n e e dt od ot i t l e o n l yi n t e r a c t i v e l yc h o o s i n gt h e c o r r e s p o n d i n gf e a t u r e so fl i n eo rf a c ea n di m p o r t i n gp a r a m e t e r s t h es y s t e mc a n b e u s e dw i t h o n ts p e c i a lk n o w l e d g eo fu ga n ds u i t a b l et ok i n d r e dp r o d u c td e s i g n i n g i t i m p r o v e st h et o i l e tm o u l dd e s i g n i n ga n dp r e p a r e st h eg r o u n df o ri n t e g r a t e dd e s i g no f c a d c a e c a m t h es y s t e mh a st h ef o l l o w i n gf e a t u r e s ：s i m p l ei n t e r f a c e ，e a s yt ou s e ， f a v o r a b l em a n - m a c h i n ec o n v e r s a t i o n ，e x p a n d a b i l i t y ，t r a n s p l a n t a t i o n ，a n d8 0o n k e y w o r d st o i l e t ；m o u l d ；c a d ；u g ；f u r t h e rd e v e l o p m e n t l v 第1 章绪论 1 1 课题背景及研究意义 第1 章绪论 1 1 1 卫生陶瓷行业面临的挑战与应对 中国陶瓷行业是一项古老而传统的产业，借助国家改革开放的实行和深化， 以及由此提供的市场和良好的国际环境，这一传统产业焕发了新的青春获得高 速发展。目前我国已成为世界上卫生洁具最大的生产国和消费国。2 0 0 3 年，依据 有关部门统计，我国卫生陶瓷年产量达到了8 0 0 0 万件【l 】。坐便器作为一种典型的 卫浴设备，更是受到了越来越多家庭的青睐。随着社会进步和审美观念的变化， 人们已不满足于单一的款式和结构对其提出了多样化和个性化的要求。在市场 供求机制的引导下，企业必须缩短新产品的开发周期，提高产品的更新换代速 度，才能提高自身的竞争力。取得良好的经济效益。 相对于市场需求，目前国内陶瓷企业对卫生洁具及其模具的开发却还是传统 的手工作坊形式( 如图l 一1 所示) ，劳动生产率较低、集约化和科技含量低、攘 体技术开发能力相对发达国家而言差距较大，从而导致新产品的开发周期长、开 发费用高、信息标准化和规范化程度低等问题，小利于产品的快速开发和对市场 的快速响应。在产品的生产制造环节都己机械化、程控化时，手工作坊式的模具 制作已成为影响陶瓷企业进一步发展的瓶颈。 众所周知，制约模具发展的主要因素有三个：质量、成本和工期。其中工期 是困扰各模具企业的一个大问题。特别是在模具的设计阶段，工程师要根据设计 理论和设计经验进行反复打样修改，才能完成一个理想的设计。打样过程中设计 的可修改性，对设计周期的长短起着关键的作用。计算机软硬件技术的飞速发 展，c a d c a m 的应用使得模具设计制造周期的大大缩短成为可能。 为此我们针对坐便器模具的造型特点和生产工艺的要求，在现有的三维c a d 软件基础上，开发坐便器石膏模的c a d 造型专用模块，实现多系列、多类型的 石膏模的快速造型，并结合产品冲水实验的数值模拟，将大大缩短坐便器的开发 周期、减少开发费用，提高企业的市场竞争力。这在推动我国卫浴陶瓷企业的标 准化、信息化发展方面具有重大意义。 广东工业大学工学硕士学位论文 图1 - 1 传统的模具制作方式 f i g u r e l - 1w a yt h a tt h et r a d i t i o n a lm o u l di sm a d e 课题来源于广东省科技厅十五攻关重大科技项目“复杂陶瓷产品快速集成制 造技术的研究”，编号：a 1 0 4 0 2 0 1 。 1 i 2 坐便器模具开发流程比较 目前国内坐便器新产品的研发基本上沿用传统的于工模型开发方式。在坐便 器的产品研发中，其最大的难点在于石膏模的开发制作。由于坐便器产品种类繁 多，因而模具制作工作量很大。目前，国内陶瓷企业普遍采用的方式是由人工凭经 验和感觉进行制作，具体做法是：( 1 ) 对一个样品的外形和内部型腔分别用石膏 浆覆盖，干燥后形成初始石膏模。( 2 ) 用初始石膏模浇注粘土毛坯进行烧制。 ( 3 ) 对试烧样品进行缺陷分析和冲水试验，根据分析结果和试验效果修改制作 工艺和初始石膏模。( 4 ) 重新制作、烧制样品作冲水试验和缺陷分析。经多次反 复直到冲水性能和产品成型达到要求后，最终确定石膏模。再用传统方法制作树 脂母模，批量翻制石膏模，进入产品的生产阶段( 见图1 - - 2 ) 。根据产品的复杂程 图1 - 2 传统坐便器生产工艺 f i g u m l 2f l o wd i a g r a m o ft r a d i t i o n a l p r o d u c t i o nt e c h n o l o g yf o r t h et o i l e t 图l 一3 坐便器快速集成制造技术方案 f i g u r e l - 3 f a s t i n t e g r a t e d m a n u f a c t u r i n g t e c h n o l o g ys c h e m ef o rt h et o i l e t 度和制模工人水平的高低，坐便器的产品开发周期一般需要6 1 2 个月的时间。 费用大约为8 2 0 万元 2 1 。 这种模具制备方式的缺点主要是：( 1 ) 产品开发周期长，费用较高，制作的 时间和费用完全取决于工人的经验和技能。( 2 ) 一般只适用于现有产品的仿制， 不适合新产品的开发。( 3 ) 由于产品开发费用高、周期长，导致投资风险比较 大，对市场信息反映慢，在开发出生产石膏模之前不能通过展示新产品来测试市 场反映。( 4 ) 母模定型后，对产品进行改进、改型的费用太高。整个过程设计手 段落后、周期长、人为因素太多、信息标准化和规范化程度低，不利于产品的快 速开发和对市场的快速响应。现有的模具开发方式越来越难以适应市场的需求变 化和产品更新速度。 广东工业大学工学硕士学位论文 针对这些缺点，我们提出了利用模具c a d c a m c a e 对传统生产工艺进行 改造的方式( 如图l - - 3 所示) 。即在u g 中进行坐便器c a d 造型，采用c a e 软 件代替烧制的产品样件做冲水性能分析；试验分析合格后，对产品原型进行模具 c a d 造型，然后将数据输入数控铣床，直接制造出初始石膏模。而在制造过程 中，石膏模的精度一般可以达到o 0 1 r a m ，完全达到甚至超额满足了陶瓷产品的 精度需要。这样将大大加快进度，缩短开发周期。本文提出的陶瓷快速模具技 术，使模具制造从过去由技术工人凭经验和感觉变成在计算机辅助下的人机一体 化制造，使模具制造过程实现了规范化和数字化，开发周期大大缩短，效率极大 提高。 i 2 课题的研究现状 1 2 i 模具c a d 技术研究现状 随着现代计算机技术的迅猛发展和c a d 技术的广泛应用，为了提高模具设计 的质量和效率，缩短模具设计周期，同时适应产品多品种、小批量的特点，快速 响应市场的变化，c a d 技术也逐渐被应用于模具的设计与制造领域。近些年来国 外先进工业国家对模具c a d 技术的开发非常重视，在c a d 开发上投入了很大的人 力和物力，将通用c a d 系统改造成为适合模具行业的专用c a d 系统，并将其应用 于模具的设计与制造。目前世界上顶尖级软件运用于模具c a d 的有：u n i g r a p h i c s 软件、p r o e n g i n e e r 系统、c a t i a ( c o m p u t e r - g r a p h i c s a i d e dt h r e e d i m e n s i o n a l i n t e r a c t i v ea p p l i c a t i o n ) 系统、s o l i d w o r k s 软件等。 我国模具c a d 技术的研究与开发于上世纪7 0 年代末才开始，经过几十年的 努力，模具c a d 技术的研究与开发已取得了很大进展【4 】。近年来，自主开发的 c a d c a 阴a m 系统有较快发展，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c a d c a e c 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盏件冲压成形分析k m a s 软件等1 5 】。但 自主版权c a d c a m 软件的稳定性和可靠性与国外c a d c a m 工程软件如u g ， p r o e 等软件相比仍有很大差距。 第1 章绪论 同时，在u g - - 次开发方面，国内外许多大学、科研院所也已经取得了一定 的成果。在国外，如已固化在u g 上的m o l d 砸龃r d 模块、钣金模块等，都是针对特 定的专业对象并结合产品具体设计形成的专家知识进行用户定制或二次开发，形 成了智能型专业软件嘲在国内，华中科技大学模具技术国家重点实验室分别在 修边冲孔模、级进模、精冲模、辊锻模、锤模、压铸模等领域取得了丰硕的成 果；上海交通大学的姚兴研究了u g 软件的二次开发工具在覆盖件冲模智能设计 系统开发中的应用 7 1 ；四川大学的杜宏伟基于u 0 1 6 0 平台，针对专用包装容器结 构复杂、设计要求高、设计工作量大、己形成系列化设计等特点，开发出专用包 装容器三维设计建模系统 8 1 ；华侨大学的郭良刚基于u g 平台并融入快速可换型芯 的设计思想，以实现注射模设计在一定程度上的自动化和智能化，提高注射模设 计水平和效率，开发了注射模c a d 系统【9 】。 c a d 技术的发展过程经过了二维模型、三维线框模型、曲线模型、实体模 型、产品模型、特征模型直至最新的生物模型，从二维向三维，从简单的几何元 素( 直线、圆弧) 向复杂的几何元素( 体、曲线、曲面) ，从单一的几何信息向反映工 艺信息在内的产品全信息，从静态设计向以参数化特征造型为基础的动态设计发 展【l 。那么基于网络的、高度集成化、智能化的三维微机软件必然是模具c a d 系 统的发展趋势。 1 2 2 陶瓷行业应用c a d 技术现状 陶瓷行业应用c a d 技术的程度和时间比其他制造业要差和晚，其原因之一是 陶瓷产品的制造一直被看作是一门技艺，排斥计算机的加盟。上世纪八十年代末 以来，国外的一些陶瓷公司开始引入c a d 技术【l ”。从这些已引入c a d 和c a m 技 术的国外公司使用效果看，无论从成本、效率，还是从质量、设计水平等方面都 取得了极佳的效益。美国的p f a l t z g r a 酆句瓷公司使用c a t i a 软件进行计算机辅助设 计，废品率从原来的1 5 下降到5 以下【”1 。其他公司也反映综合效益很显著。 从发展趋势看，我国陶瓷产品如果要达到一流水平，并要大幅度提高经济效益， 也需要向这一方向迈进。 另外，基于陶瓷产品造型设计的需要，一些国内科研院校开发了专用的c a d 广东工业大学工学硕士学位论文 软件及计算机集成制造系统。这些软件大致可以分为：自主开发的c a d 软件、 基于通用c a d 软件平台的二次开发、陶瓷企业中的计算机集成制造系统等三 类。 自主开发的c a d 软件方面，山东轻工业学院胡昌盛老师等开发设计了“陶瓷 制品造型计算机辅助设计系统”【”】。其主要用于盘、碟、碗等简单陶瓷产品的造 型设计，而对坐便器、浴缸等复杂洁具产品的建模设计还无法实现。 在基于通用的c a d 软件平台的二次开发方面。相对来说，技术较为成熟，国 内有两家院校开发了基于m d t 平台的陶瓷产品设计软件。四川大学殷国富教授等 开发了“卫生瓷产品设计c a d 系统”1 1 4 1 。西南工学院尹显明、夏季等开发的 s f c a d s 系统【”】。 在陶瓷企业中的计算机集成制造系统方面，重庆大学制造工程研究所建立了 一种“陶瓷产品计算机集成制造系统”的体系结构1 6 】。该系统主要包括计算机网 络系统和数据库系统等支撑分系统，以及陶瓷产品设计系统和企业管理信息系统 等功能分系统。从其c a d 系统的实现过程来看，它只是几种c a d 软件的综合使 用，而非独立开发，因此也存在产品造型操作复杂、造型时间较长等通用c a d 软 件具有的缺点。 以上所介绍的都是有关陶瓷产品c a d 方面的应用和开发，在模具c a d 方面， 相应开发较少。在1 9 9 5 年，湖北鸿发模具有限公司开发了“瓷砖模具c a d 及数 控自动编程系统”，这个系统可以按不同的压机型号、不同的厂家建立瓷砖模具 数据库，供用户结构设计使用【1 刀。 i 3 课题的研究内容 本文就“复杂陶瓷产品快速集成制造技术研究”项目第二环节一坐便器模具 c a d 系统进行初步开发，并对在此开发过程中的关键技术进行研究和总结。最终 目标是在现有的c a d 软件中开发内嵌的坐便器模具造型专用模块，实现多系 列、多类型的石膏模的快速造型。 本文研究的内容主要包括： 1 系统总体设计及功能模块划分 研究坐便器模具c a d 系统的总体设计思路，选定u g ( u n i g r a p h i c s ) 作为二 6 第1 苹鳍论 次开发平台，借助于u g 的编程接口和二次开发函数，结合陶瓷模具的特点，采 用参数化设计及特征建模方法对其零件进行分析。确定其特征模型。在此基础 上，将用c 语言和v c + + 6 0 等高级程序语言开发基于u gn x 2 0 的模具快速建 模系统。来实现坐便器模具c a d 系统的开发。 2 系统关键技术研究 对系统开发的关键技术，包括产品分块方式、分型面的选择、收缩率与凸出 率的处理以及模块表面造型方式等进行研究和设计，具体包括： ( 1 ) 坐便器模型前处理：根据陶瓷产品的生产工艺，针对在产品生产过程中可 能遇到的问题进行相应的处理，如考虑到陶瓷坯体干燥和烧成后的收缩 率，对模型按比例预先放大；对于坐便器的光滑平面，由于产品烧结后会 向内凹，处理时可让模型预先朝相反方向凸出一个弧面，这样经烧结加工 后凸凹抵消，最终得到的产品相应部分才会是平面；预留拔模角度等。 ( 2 ) 建立模具c a d 模型：根据前一步骤得到的模型，在u g 中采用通常的方式 设计建立其模具的c a d 模型。分析各个组成部分的造型特点，优化出坐便 器模具各部分的组合方案。 3 模具c a d 系统开发 主要包括两部分内容： ( 1 ) 模具c a d 模型的二次开发：将u g o p e na p i 与m i c r o s o f tv i s u a lc + + 结 合起来，将坐便器模具建模过程程序化。实现在建模向导的提示下，按 顺序、分步骤快速生成坐便器模具的c a d 模型。 ( 2 ) u g 用户界面定制：利用u g o p e nm e n u s c r i p t 和u i s t y l e r 定制u g 用户 界面菜单，使得坐便器模具的c a d 建模系统与u g 界面无缝集成，成 为u g 的一个专用功能模块。 4 系统测试及安装程序的制作 对系统界面进行完善，对各个功能模块分别测试后，再进行统一的编译连 接，挖掘错误和漏洞并及时返回系统应用程序，修改和完善。并对开发的模块打 包，制作向导安装程序。 第2 章系统总体设计及功能模块划分 一个系统的开发是一项复杂的系统工程，为保证系统组成的合理性与完整 性，以及系统工作的可靠性与有效性，必须用软件工程学方法指导整个开发过 程，以减少和避免开发中的失误，提高效率，保证系统的质量。用软件工程方法 指导系统的开发，需要对系统各成分的功能关系、总体结构、系统开发的各阶段 工作进行分析和设计。坐便器模具c a d 系统是一个基于知识的系统，其目的是 将坐便器模具的设计理论、设计准则、设计经验等程序化，使得坐便器模具设计 在一定程度上智能化、自动化。 2 ，1 系统开发平台 2 1 1 系统开发平台的选择 软件的二次开发，是指在现有的软件基础上，为提高和完善软件的性能使之 更加符合用户需要而做的软件开发工作，它可以扩展到专业领域的某一个具体问 题，为用户提供更为便利的解决方案。二次开发不同于一般的软件开发，主要在 于它不是从底层开始的软件设计，而是在已有的软件上进行的开发，所以二次开 发最大特点就是继承性。二次开发后的软件功能和性能在很大程度上取决于平台 软件本身的功能性能和开放程度。因此，二次开发的首要任务就是选择优良的平 台软件【1 8 l 。选择平台软件必须考虑以下几个方面： 1 平台软件必须功能齐全、性能优良。由于坐便器模具造型比较复杂，通常 多为不规则曲面，这就要求平台软件具有优越的曲面造型功能； 2 二次开发的功能和性能情况。从两方面考虑，一方面开发功能是否齐全、 接口是否简单，另一方面，开发语言是否是通用的高级语言，编译环境是否优 良： 3 平台软件是否具有微机的d o s 版、w i n d o w sn t 版、w 1 n d o w 9 8 版及 工作站版等多种版，做到在工作站和微机平台上实现功能完全一样，并在网络和 数据上达到无缝集成： 4 软件的性能价格比是否最优。 皋于一h 述几个方面的原因，考虑到u g 软件从各方面均能很好的满足二次开 第2 章系统总体设计及功能模块划分 发的要求；另外从目前在广东广泛应用的两种高档三维软件u g 和p m e 的功能 比较来看，u g 曲面功能强大、灵活，界面友好。更适合于复杂模型的造型。而 故选择u g 软件作为坐便器模具c a d 系统的平台软件( 版本为u n i g r a p h i e s n x 2 o ) 。其编译环境为m i c r o s o rv i s u a lc + + 6 0 。 2 1 2u n i g r a p h i c s 简介 u g 软件起源于美国麦道飞机公司，是当前世界上最先进和紧密集成的、面 向制造行业的c a d c a e i c a m 高端软件【l9 1 。它基于完全的三维实体复合造型、特 征建模、装配建模技术，能设计出任意复杂的产品模型，再加上技术上处于领先 地位的c a m 模块、内嵌的c a e 模块，使c a d 、c a e 和c a m 技术有机集成，使产 品的设计、分析和制造能够一次完成。u g 作为制造领域的一种高端软件，在复 杂零件造型特别是曲线曲面方面具有较大优势。其核心的复合建模功能揉合了传 统的曲面、实体和基于特征的参数化造型功能，使用者可根据自己的需要灵活地 选择不同的造型方法。 目前该软件在航天航空、汽车制造、模具加工、通用机械等领域具有很高的 知名度，并得到了广泛的应用。u g 软件在功能强大的同时，为用户提供了丰富 的a p i 用户化接口函数，并以开放性架构面向不同的软件平台提供了包括：( 1 ) u g o p e na p i ( 2 ) u g o p e nu i s t y l e r ；( 3 ) u g o p e nm e n u s e r i p ；( 4 ) u g o p e ng r i p 等灵活的开发支持耻“。用户可以用v c + + ，c ，c + + 等高级语言进行用户化开发， 可以实现与运行于微机平台m s w i n d o w s 上的其他软件无缝连接，使u g 的图形功 能和高级语言的计算功能很好的结合起来。 2 1 3 系统开发环境 系统开发基于w i n d o w sx pp r o f e s s i o n a l 操作系统，主要采用可视化编程工具 v i s u a lc + + 6 0 对现有c a d 软件u gn x 2 0 进行二次开发。 v i s u a lc + + 是m i c r o s o r 公司提供的图形界面可视化集成开发工具，是目前最 流行的软件开发工县之一，非常适合开发大型应用系统( 2 ”。具有以下特点： i 高性能的编译技术。不但可以支持a n s ic + + 标准，而且支持布尔类型。 9 ! 查三些查兰三兰堡主兰堡趁塞 同时它与v i s u a lb a s i c 不同的是具有很高的代码效率。 2 面向对象设计方法。基于类库的程序设计方法使编写面向对象的程序变得 十分简单。 3 高性能，高集成的可视化开发环境，使得用户能比以前更快、更方便地创 建和调试w i n d o w s 的应用程序。它通过给用户提供具有丰富功能的软件设计工 具，使整个工作变得更加简单，编写w i n d o w s 程序就更加容易了。 4 完美的w i n d o w s 系统接口。易于进行硬件访问，非常适合开发大型应用 程序。 2 2 系统开发总体目标 开发坐便器模具c a d 造型系统。在u g 软件中，读入一个坐便器产品的原 型后，对其进行相应处理，利用u g 强大的曲面造型功能、模型设计功能和二次 开发工具u g o p e n ，以及v i s u a lc + + 强大、灵活、高效率的编辑、调试功能，将 u g 与v i s u a lc 抖有机地结合起来，开发用于成形坐便器模具的c a d 设计系统， 在u g 平台上形成一个坐便器模具开发专用模块，提高坐便器模其的开发设计效 率，最终达到缩短模具设计制造周期的目的。 2 3 总体设计方法及技术路线 2 3 1 设计方法 对坐便器模具c a d 系统的设计可分为三个阶段进行： 1 以软件工程知识为基础，借鉴其他行业和单位在c a d 软件二次开发方面 的经验，将开发过程分为系统需求分析、系统设计( 整体和详细设计) 、系统程 序编写、系统测试四个阶段开展研究工作。 2 参考陶瓷行业的相关标准和模具设计人员的经验，建立坐便器模具的 c a d 模型。应用微分几何、数据结构、计算机图形学的相关理论来抽象模具造型 中的控制参数，并建立参数之间的约束。 3 应用u g o p e na p i 结合v i s u a lc + + 编程工具开发相应的交互式建模模 o 釜：耋耋釜璺鉴塞鎏墨塑墼堡鉴型坌 块，编写程序，并将二次开发模块下的模具与原模具模型比较，逐步找出缺陷， 并修改、完善开发程序。 2 3 2 技术路线 将系统开发过程分为四个阶段，各个阶段的技术路线如下： 1 系统需求分析：通过与陶瓷行业相关人员的相互交流，使用户获得未来系 统将如何工作的直观概念，从而使用户更准确地提出和确定他们的要求，逐步完 善模型系统分析，写出需求规格说明书。 2 系统设计：分为整体设计和详细设计。 整体设计在u g 环境下，按常规造型方式对同一坐便器石膏模采用不同方法 造型，从中优化出模具各部分的组合方案。参考石膏模具的有关成 型制作工艺的特点，结合c a d 造型的需要，提取模具的关键控制 参数和各参数之间的约束，对模具进行造型，以关键控制参数驱动 整个c a d 模型的生成与变化。根据建模过程，写出模具整体建模 流程图，并将模具几何实体模型分解，确定每一部分对应的程序模 块和各模块之间的相互关系。 详细设计根据各模块的建模过程和模块之间的相互约束，建立每一部分的程 序流程图。最终形成由整体到部分详细的建模程序流程。 3 系统程序编写：根据程序的流程图，按照先部分后整体的顺序，在v i s u a l c + + 开发环境下，通过调用相应的u g o p e na p i 核心函数，进行程序的调试、编 译、连接，形成坐便器石膏模c a d 参数化系统模块。 4 系统测试：将需求规格说明书最终转换成c 程序编写的模块程序，在整个 开发过程中，各个阶段都可能发生错误，对各个阶段均应进行相应的测试。整个 系统测试分为模块测试、综合测试、验收测试三部分。 2 4 系统功能模块划分 2 4 1 系统的模块需求划分 根据系统的设计要求和系统的功能模型，将坐便器模具c a d 系统划分为产 ! 奎! ：些查兰三兰翌圭堂垒丝苎 品模型输入、模型前处理、模块提取、模块外形处理、工程图模块，使其既符合 软件工程学方法又与坐便器模具设计专业知识相结合，达到系统的设计要求， 在一定程度上实现坐便器模具设计的自动化和智能化。这种模块划分以坐便器模 具的基本结构及石膏模具设计的基本流程为依据，基于系统的开发平台 u n i g r a p h i c s 的基本体系结构和功能认真考虑系统各模块之间的关系，建立起各模 块间的顺序和隶属关系( 如图2 1 所示) 。 坐便器模具c a d 系统 产品模型输入 模型前处理 i 模具分型 模具外部造型l 工程图 坐 标 系 设 置 实 体 修 补 收 缩 蛊 设 置 产 口 日日 分 块 模 具 提 取 凸 出 塞 设 置 模 具 外 形 处 理 注 浆 放 浆 孔 零 件 图 图2 - 1 坐便器模具c a d 系统功能模块需求图 f i g u r e 2 - 1t h e f u n c t i o n a lm o d u l ed i a g r a mo f t o i l e tm o u l dc a ds y s t e m 装 配 图 下面简要地介绍各模块的主要功能： 1 产品模型输入 产品模型输入是迸行模具c a d 系统设计的第一步，即打开一个已经生成的 坐便器模型文件，交互式实现模型的输入；或者利用u g 模块中的数据交换 ( u g d a t ae x c h a n g e ) 将在其它c a d 系统中建立的模型( 如s t e ei g e s 格式的文件) 导入u g 系统。 2 模型前处理 模型前处理模块包括坐标系设置模块、实体修补模块和收缩率设置模块。 ( 1 ) 坐标系设置模块 第2 苹系统总体设计及功能模块划分 用于设置坐标系到指定位置，以方便后续的操作。其主要内容包括：将坐圈 平面设为x c - - y c 平面；坐便器对称面设为x c z c 平面。 ( 2 ) 实体修补模块 为满足计算机提取模块的需要，要对坐便器模型中的孔、管道等空心部分进 行实体的填补b 2 1 。 ( 3 ) 收缩率设置模块 考虑到陶瓷坯体干燥和烧成后的收缩率，对模型按比例预先放大。在轴向方 向，坯体还将承受重力的作用，故在此方向的收缩率要设置得较其它方向更大一 些。 3 模具分型 模具分型模块包括了产品分块模块、模具提取模块及凸出率设置模块等三个 部分。 ( 1 ) 产品分块模块 在模具的生产之前，要确定产品的分块方式。在实际生产当中，大体可将产 品的模具按下面的方式分为两大部分：即水箱分离式和水箱一体式。 ( 2 ) 模具提取模块 这是坐便器模具c a d 系统的核心模块。在产品分块完成之后，根