（材料加工工程专业论文）三维覆盖件模具cad系统及其相关技术的研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 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 量和竞争力有着直接影响。然而，在覆盖件模具设计方面，国内大多数生产厂家仍 处在二维设计阶段，较少采用三维设计，这极大地制约了覆盖件模具设计和生产的 质量和效率的提高。为此，本文对三维覆盖件模具c a d 的理论和方法进行了深入的 研究。 本文首先从特征和功能两个不同的角度对覆盖件模具零件进行了深入的分析， 将面向功能的设计思想和特征建模技术结合起来，提出了面向功能的覆盖件模具特 征建模方法，将覆盖件模具零件划分为紧密特征、过渡特征和非紧密特征，为三维 覆盖件模具零件设计软件的开发奠定了基础。 本文讨论了覆盖件模具设计由二维向三维转化过程中存在的问题。分析和研究 了覆盖件模具型面设计中的问题，总结了型面产生缺陷的原因和相应的处理方法， 并以u g 曲面造型为基础，开发了方便的型面处理工具。分析了减轻筋的设计方法， 建立了减轻筋参数化模型，并在此基础上，实现减轻筋参数化设计。研究了c a d c ，、，： 的模块之间参数传递，并在三维覆盖件模具c a d 系统中成功地实现了信息共享与集 成，使系统各模块功能独立，关系协调。 在理论研究的基t i l i l 2 亡，对三维覆盖件拉延模具c a d 系统进行了功能需求分析，完 成了系统的总体设计，并以u g 为平台开发了三维覆盖件拉延模具c a d 系统，包括 初始化模块、型面处理模块、减轻筋自动布置模块、零件设计模块和装配设计模块。 关键词：覆盖件模具三维c a d型面处理减轻筋布置参数化 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ed 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 ed 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 ，q 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 yo f n e wc a r a tp r e s e n t ，h o w e v e r , m o s td o m e s t i cc o m p a n i e ss t i l la d o p tt w o d i m e n s i o n a ld e s i g nf o rp a n e ld i e s ，a n df e w c o m p a n i e sa p p l y t h r e e d i m e n s i o n a l d e s i g n ，w h i c h h a s s e r i o u s l y h e l db a c kt h e i m p r o v e m e n to fq u a l i t ya n de f f i c i e n c y o fd e s i g na n dm a n u f a c t u r i n g h e n c e ，t h ek e y t e c h n o l o g i e so f t h r e e d i m e n s i o n a lc a do f p a n e l d i e sh a v eb e e ns t u d i e di nt h i sp a p e r t h e p a p e ra n a l y s e s t h ef e a t u r e sa n dt h ef u n c t i o n so f p a n e ld i e si nd e t a i l ，a n d p r o p o s e a m e t h o do ff u n c t i o n - o r i e n t e df e a t u r em o d e l i n gt oc o m b i n et h ef i m c t i o n - o r i e n t e dd e s i g na n d f e a t u r em o d e l i n gt o g e t h e r t h i sm o d e l i n gm e t h o dd i v i d e sap a n e ld i e p a r ti n t o t h r e e f e a t u r e s ，i e c l o s e r e l a t e df e a t u r e ，t r a n s i t i o n a l f e a t u r ea n dn o n - r e l a t e df e a t u r e ，w h i c h s e r v e sa st h eb a s i so f t h r e e d i m e n s i o n a lc a d o f p a n e ld i e s t h ep a p e rd i s c u s s e st h ep r o b l e m se x i s t i n gi nt h e p r o c e s s o ft r a n s f o r m i n gf r o m t w o d i m e n s i o n a ld e s i g nt ot h r e e - d i m e n s i o n a ld e s i g n t h ec a u s e so fs u r f a c ed e s i g nd e f e c t s a n dt h ec o r r e s p o n d i n g t r e a t i n gm e t h o d sa r es u m m a r i s e db ya n a l y s i n gl o t so f d i es u r f a c e s t of a c i l i t a t e3 d d e s i g n ，as u r f a c et r e a t m e n tt o o th a sb e e nd e v e l o p e db a s e do nu g t h e p r o c e d u r eo f r i bd e s i g ni ss t u d i e d ，a n dap a r a m e t r i cm o d e lo fr i bi se s t a b l i s h e d ，b a s e do n w h i c haa u t o m a t i ca r r a n g e m e n ts o f t w a r ei sd e v e l o p e d t h ep a r a m e t e rt r a n s f e ra m o n gt h e m o d u l e so fc a d c a ms y s t e mi sd i s c u s s e d ，a n di n f o r m a t i o ni n t e g r a t i o ni s s u c c e s s f u l l y r e a l i s e di nt h et h r e e d i m e n s i o n a lc a d s y s t e mo f p a n e l d i e s at h r e e d i m e n s i o n a lc a d s y a e mo fp a n e ld r a w i n gd i e sh a sb e e nd e v e l o p e do nt h e b a s i so ft h e o r e t i c a ls t u d y t h es y s t e mc o n s i s t so ff i v em o d u l e s ，i e p r o j e c ti n i t i a l i z m i o n ， s u r f a c et r e a t m e n t ，r i ba r r a n g e m e n t ，p a r td e s i g n ，a s s e m b l y d e s i g n ， k e y w o r d s ：p a n e ld i e t h r e e d i m e n s i o n a lc a ds u r f a c et r e a t m e n tr i ba r r a n g e m e n t p a r a m e t r i z a t i o 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 本课题来源于国家“十五”科技攻关项目智能化大型复杂模具设计与卷4 造 成套技术与装备的研究。该项目主要针对汽车覆盖件模具，开发智能化的模具设计、 制造成套技术，实现汽车大型覆盖件模具的智能化设计，攻克关键的制造技术，建 成一个先进的、规模化生产的汽车覆盖件模具制造基地。 我国目前模具c a d c a m 技术水平还处于实用化、商品化和产业化过渡的时期， 自主开发的覆盖件模具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 软件，如 u n i g r a p h i c s ( u g ) 、p r o e n g i n g e e r 等软件，相比仍有相当的差距。因此，在引进国 外先进的c a d c a m 软件的基础上，开发专用的模具c a d c a m 系统是一条可行和经济 之路”1 。目前我国自主开发的c a d c a m 多是二维软件，二维c a d 软件针对中国的具体 国情，有一定的实用性，但是从长远的发展来看，三维c a d 软件是c a d 发展的必然 趋势。具体来说，三维c a d 软件相对二维软件有以下优点： ( 1 ) 有利于实现与c a m 的集成。由三维c a d 软件设计得到的零件模型可以直接 利用c a m 进行数控加工，而无需由二维图纸再进行造型，缩短了模具设计和制造周 期。我国覆盖件模具生产厂家多采用二维设计，在生产过程中，首先需要根据二维 图纸制造覆盖件零件木模，通过铸造得到覆盖件零件毛坯。覆盖件零件木模的制造 只能由人工完成，这大大制约了覆盖件模具生存的质量和效率的提高。若采用三维 设计，则可直接通过零件的三维模型利用c a m 进行数控加工得到覆盖件零件泡沫模 型，代替木模进行铸造，这样，就不需要人工制造覆盖件零件木模，从而大大提高 了覆盖件模具生产的质量和效率。 ( 2 ) 有利于实现与c a e 的集成。利用c a e 软件可对三维c a d 的设计结果进行干 涉分析、运动仿真、有限元分析，对模具本体的强度、刚度及材料变形情况分析， 以达到优化工艺过程和模具机构的目的。 ( 3 ) 有利于实现虚拟装配。三维模型能直观地反映装配模型中各装配体之间的 装配关系，设计者能对设计结果进行观察和修改，实现设计思想的直观描述，能有 效地实现虚拟装配和运动仿真。 本课题作为该项目的子课题模块化的覆盖件模具智能设计的一部分，其目的是 1 华中科技大学硕士学位论文 研究和解决三维覆盖件模具c a d 系统的若干关键技术，主要包括复杂型面的简化和 减轻筋的智能布置c a d 系统，以提高模具设计效率，减轻设计者的劳动强度，为实 现模块化的覆盖件模具智能设计奠定基础。 1 2 国内外模具c a d c a m 技术的发展概况 模具行业是国民经济发展中不可缺少的行业，模具的好坏直接影响着产品的质 量。随着工业技术的发展，产品对模具设计的要求也越来越高，传统的模具设计与制 造方法已不能适应工业产品的更新换代。因此，国内外的许多大型企业都在将 c a d c a m 技术应用于模具设计，并投入了相当大的人力和物力。 早在6 0 年代初期，国外一些汽车制造公司就开始了模具c a d 的研究。这一研究始 于汽车车身的设计，在此基础上复杂曲面的设计方法得到了发展，各大汽车公司都先 后建立了自己的c a d c a l 系统，并将其应用于模具设计与制造。计算机软、硬件技术 的突飞猛进，为模具c a d c a m 开发应用向更高层次的发展创造了条件。在几何造型方 面，基于线框模型的c a d 系统率先由飞机和汽车制造商开发并应用。例如，美国 l o c k h e a d 、m c d o n n e ld o u g l a s 飞机公司、g e n e r a lm o t o r 汽车公司的c a d 、c a d d 、 a d 2 0 0 0 系统等，均推动了模具c a d 技术的发展。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”7 。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”1 ，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，并利用参数三次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个自由曲线曲面的设计制造系统u n i s u r f 。 7 0 年代以来，曲面造型与实体技术发展迅速，新一代的c a d 软件均是实体造型与 曲面造型兼备的系统，适用于复杂模具的设计制造，在模具界得到了广泛的应用， 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 ) 于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 。 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、复合模、级进模的设计、 制造，能够实现毛坯排样、顶杆布黉的优化。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 华中科技大学硕士学位论文 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。 自八十年代开始，c a d c a m 技术飞速发展并进入实用阶段。一些工业发达国家开 始了覆盖件模具c a d 的应用、研究。目前，世界著名的汽车公司都有自己的覆盖件 模具c a d c a m 系统。 日本丰田汽车公司很早就应用c a d c a m 技术于车身工程“5 ”1 。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 ai n t e g r a t e d n u m e r i c a lc o n t r o la p p r o a c h ) 和光滑处理从油泥模型上测得的点列并绘制成1 ：l 图纸的c a d 系统t d f b ( t o y o t a d a t af i l es y s t e mo fb o d yd 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，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 dd 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 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 ec 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 技术的应用已经覆盖了 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 包括了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。1 9 8 9 年丰田公司正式推出汽车覆盖件模具c a d c a m 系统，即d i e f a c e c a d 软件 【1 8 福特公司于8 0 年代初就着手c a d c a m 系统的规划，建成了以工作站为主的环形 网络系统，1 9 8 5 年已有一半以上的产品设计工作是使用图形终端实现的。1 9 8 6 年新 开发的t a u r u s 和s a b l e 轿车，大约有7 0 的工作是采用c a d c a m 完成的。福特公司 9 0 年代全面实现了产品开发的c a d c a m ，应用可达1 0 0 “”，其应用软件主要为自行 开发的p d g s 和c a d c a m 。p d g s 主要用于造型设计、概念设计、车身底盘和内饰设计； c a d c a m 主要用于冲压零件的设计制造和焊接装配。1 9 9 3 年以后，福特公司提出了 c 3 p ( c a d c a e c a m p d m ) 的概念，并确定采用i d e a s ( 该软件现已不存在了) 软件作 华中科技大学硕士学位论文 为其主流的核心软件。 通用汽车公司应用c a d c a m 技术的情况与福特公司比较类似，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“”。其自行开发的用于模具型面设 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、c a d a m 公司的c a d a m 系统、m c d 公 司u g ( u n i g r a p h i c s ) 系统，构成了通用汽车公司三维c a d c a m 的数据库基础。该公司 还开发了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的a u t o s h a p e 系统等子系统。3 “1 ，并采用 c a d c a m 进行覆盖件冷冲模的设计制造，c a d 软件与c a m 软件用以太网相联。通用公 司的目标是1 0 0 采用c a d c a m ，取消中间过程，将计算机与机器直接相联，最终使 系统网络化。 此外，其他国家汽车行业的c a d c a m 应用也取得了很大的成功。法国雷诺汽车 公司应用e u c l i d 软件系统作为c a d c a m 的主导软件，目前已有9 5 的设计工作量用 该软件完成。德国大众汽车公司在模具c a d 上，曾用e u c l i d 作为其主导软件，并通 过v w - - g e d a s 公司开发了模具结构c a d 专用系统a w k x ，取得了良好的效果。1 9 9 4 年， 德国大众集团公司决定采用c a t i a 和p r o e n g i n n e r 作为其将来开发新车型的c a d 主 导软件。 与发达国家相比，我国的c a d 技术的研制工作起步较晚。我国模具c a d c a m 的 研究开发工作始于七十年代末，发展也很迅速，先后通过国家有关部门鉴定验收的 有精冲模、普通冲裁模、辊锻模、注塑模、多工位级进模、弯曲模等模具的c a d c a m 系统。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，第 一汽车公司、东风汽车公司等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 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。“，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 代码。c a m 的应用对象首先是加工主模型，然后又应用于模具加工。1 9 9 3 年，一汽 又先后引进了法国的e u c l i d 软件和u g 软件，并利用它进行汽车车身结构设计与覆 盖件模具的c a d c a m ，从而大大地提高了模具的制造精度，缩短了生产制造周期。 东风汽车公司模具厂于1 9 8 6 年开始了c a d c a m 的应用乜力。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试验成功， 并应用于生产。“八五”期间应用c i m s 单元技术，使模具的设计制造水平又上了一 华中科技大学硕士学位论文 个新台阶。在c a m 技术的应用上。，已形成了一个从编程工作站，网络数据传输， 到用d n c 方法控制数控机床加工的软硬件环境。完成了从汽车车身主模型到覆盖件 成套模具的制造与加工，在生产中发挥了巨大的作用。1 9 9 8 年该厂又从美国引进了 u g ( u n i g r a p h i c s ) 软件，在该软件平台上开发模具结构设计软件，并致力于c a d c a m 集成1 。 上海模具技术研究所于八十年代中期开展冲模c a d c a m 系统的研制工作，开发 了普通冲裁模c a d c a m 系统。“。他们于1 9 9 0 年又开发了多工位级进模工步排样系统 。“，该系统中模具结构及零件采用基于典型结构和标准零件的方法设计，开发了智能 数据库，该数据库能储存各种级进模典型结构、标准零件、标准装配和模具设计经验、 方法和步骤，并向用户开放。该数据库系统仍在研制中。 西安交通大学1 9 8 5 年开始弯曲级进模c a d c a m 的研究，采用弯曲树来表示构成 弯曲件各平面之间的关系，同时存储有局部成形信息。九十年代初期，西安交大在 总结冲模c a d c a m 研制经验之后，又致力于模具标准件库的研究，开始柔性冲模c a d 系统的开发。“，其成果有一部分已经在生产中得以应用，产生了一定的经济效益。 华中理工大学从八十年代以来，开始c a d c a m 方面的研究工作。开发了适用于 普通冲裁模的c a d c a m 系统h p c 和适用于冲裁级进模设计的h c c d 系统都取得了一 定的经济效益。九十年代以来，华中理工大学在东风汽车公司c i m s 应用工程的研究 与实施过程中，开发了车身及覆盖件c a d c a p p c a m 系统“2 3 4 蚓，其中包括覆盖件冲 压工艺设计和模具结构设计，建立了覆盖件模具的零部件库，并采用大变形有限元 法进行了覆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。 此外，北京航空航天大学、浙江大学、南汽模具厂、天津汽车模具厂、成飞汽 车模具技术中心等科研机构和企业都在模具c a d c a m 的研究、开发与应用实施等方 面取得了相当大的成绩。但是由于多方面的原因，我国还有很多企业停留在手工绘 图的阶段；就是有些单位甩掉图板，实现了无图纸设计，其模具c a d 工作的相当部 分也还仅仅是计算机画图和二维设计；只有极少数企业的模具设计和制造能力接近 或达到当今国际水平。要实现真正意义上的c a d c a m 系统，使自己的产品在国际上 有竞争力，国内模具行业还需做进一步的努力。 华中科技大学硕士学位论文 1 3 覆盖件模具g a d 存在的问题 虽然c h b 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 h d 尚存在 以下问题： ( 1 ) 在覆盖件模具设计方面，国内生产厂家仍处在二维设计阶段，较少采用三维 设计，设计效率和质量难以提高。即使一些厂家相继引进了一些高档三维通用商品软 件，但大多数应用于c a m 领域。 ( 2 ) 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。 ( 3 ) 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。 ( 4 ) 覆盖件模具型面复杂，多由自由曲面拼合而成，在通用c a d 系统中，对其进 行操作比较困难，制约了覆盖件模具设计向三维设计的发展。 ( 5 ) 现有的c a d 系统未能覆盖模具设计的整个过程，覆盖件的工艺性能分析、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。 ( 6 ) 覆盖件的成形涉及到复杂的塑性变形，其规律直到现在还没有被完全掌握。 在我国生产中对覆盖件成形性的分析、对模具设计结果的评估仍然以几何计算和经 验类比为主要手段，无法保证设计结果的合理性和有效性，有时甚至存在着推翻原 设计方案，重新设计的可能性。 1 4 覆盖件模具c a d 的发展方向 现代工业的飞速发展对模具c a d 提出了更高的要求，结合国内外的各种发展趋 势，目前必须从以下几个方面发展覆盖件模具c a d 技术。“”1 ： ( 1 ) 建立适合的覆盖件模具产品模型 在设计过程中，设计人员是在较高的语义层次上进行设计的，而现有的几何造 型系统使设计人员面对低层次的几何信息进行操作，不但效率低，而且基于几何造 型的设计过程与设计人员的设计思维不协调。 6 华中科技大学硕士学位论文 采用特征建模技术，能够全面地描述零件的有关信息，使设计人员在特征的层 次上进行设计，提高设计效率，采用变量约束网络( v a r i a b l ec o n s t r a i nn e t w o r k - - v c n ) 把各个层次的特征有效地联系起来，通过约束的推理实现特征的映射，通过 约束网络的满足实现整个覆盖件模具的设计； ( 2 ) 三维化 三维c a d 软件是c a d 发展的必然趋势，目前一些通用的c a d 商品软件，如u g ， p r o e ，c a t i a 等，都具有强大的三维造型功能，能很好的支持产品的三维设计。然 而在覆盖件模具设计方面，却长期停留在二维设计阶段。究其原因，主要是因为在 覆盖件模具三维设计过程中，有些问题在通用c a d 商品软件中很难处理，大大制约 了设计质量和效率的提高，其中一个关键问题就是覆盖件型面处理问题。覆盖件模 具型面多由复杂自由曲面拼合而成，往往存在裂缝，在进行三维设计之前，必须对 型面进行处理，消除型面上存在的裂缝，否则，就无法的型面进行操作( 布尔运算， 偏移，复制等) 。而这种处理在通用c a d 软件中是非常困难的，往往需要3 5 令工 作日，大大影响了覆盖件模具三维设计的效率。因此，实现覆盖件模具三维设计， 必须对这些问题进行有效的处理。比较经济实用的方法是在通用的c a d 软件基础上， 针对这些问题进行二次开发，提高三维设计的质量和效率。 ( 3 ) 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 r i n t e 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，覆盖件模具c a d c a m 系统除了与上游 的车身设计系统集成之外，还应与生产管理系统、质量管理系统集成起来，从而全 面发挥c i m s 的作用。实现集成的关键是信息共享，即建立统一的产品模型，并贯穿 于产品开发的全过程，这样可以大大缩短产品开发周期，提高产品开发的效率和质 量： ( 4 ) 成形性评价 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；另一方面要大力开展塑性成形模 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。 1 5 本文的主要研究工作 九十年代以来，华中理工大学模具国家重点实验室对覆盖件模具c a d c a p p c a m 7 华中科技大学硕士学位论文 作了大量的理论研究与实际应用。在国家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) 东风汽车 公司c i m s 应用示范工程中的，开发了车身及覆盖件c a d c a p p c a m 系统，包括覆盖 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 限元法进行了覆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。所有的这些为本课题的开展奠定了很好的基础。 在覆盖件模具结构c a d 方面课题组已完成的主要工作包括。“”3 “州：引入冲压 工艺特征的概念，建立了覆盖件工序零件的特征模型；总结、归纳覆盖件模具主要 零件的结构特征，阐述了零件结构特征的几何属性、分布属性和工程属性：研究了 冲压工艺特征与模具零件结构特征之间的关系，采用功能兼容性分析方法建立了从 冲压工艺特征到零件结构特征的映射机制。在此基础上提出了面向功能的覆盖件模 具设计方法，建立了覆盖件模具功能模型，实现了功能到结构的求解；提出了基于 功能组件的覆盖件模具装配建模方法，实现了自顶向下的装配设计。 本文在已有成果的基础上开展了进一步的研究与开发，着重研究了覆盖件模具 由二维设计向三维设计转化过程中所存在的问题。主要研究工作如下： ( 1 ) 阅读国内外文献资料，调研国内覆盖件模具c a d 发展现状，确定三维覆盖件 模具c a d 的功能要求： ( 2 ) 分析和研究覆盖件模具设计特点与设计方法，为三维覆盖件模具c a d 的开发 奠定基础。 ( 3 ) 对大量模具型面进行分析和研究，总结模具型面产生缺陷的主要情况，对型 面处理方法进行研究； ( 4 ) 对覆盖件模具零件的典型结构进行分析和研究，总结减轻筋的主要布置方法， 对减轻筋布置算法进行研究； ( 5 ) 开发一个实用的三维覆盖件拉延模具c a d 系统，实现覆盖件拉延模具的三维 设计，提高覆盖件模具的设计效率和质量。 8 华中科技大学硕士学位论文 2 面向功能的覆盖件模具特征建模 2 1 特征建模技术综述 特征造型是c a d 建模方法的一个新里程碑，它是在c a d c a m 技术的发展和应用 达到一定的水平，要求进一步提高生产组织的集成化和自动化的历史进程中孕育成 长起来的。与前一代几何造型软件相比，它有以下特点”1 ： ( 1 ) 过去的c a d 技术从二维绘图起步，经历了三维线框、曲面和实体造型发展 阶段，都是著眼于完善产品的几何描述能力；而特征造型则是著眼于更好表达产品 的完整的技术和生产管理信息，为建立产品的集成信息模型服务。它的目的是用计 算机可以理解和处理的统一产品模型替代传统的产品设计和施工成套图纸以及技术 文档，使得一个工程项目或机电产品的设计和生产准备的各个环节可以并行展开， 信息流畅通。 ( 2 ) 它使产品设计工作在更高的层次上进行，设计人员的操作对象不再是原始 的线条和体素。特征的引用直接体现了设计意图，使得建立的产品模型容易为别人 理解和组织生产，设计的图样更容易修改。设计人员可以将更多精力用在创造性构 思上。 ( 3 ) 它有助于加强产品设计、分析、工艺准备、加工、检验各部门间的联系， 更好地将产品的设计意图贯彻到各个后续环节并且及时得到后者的意见反馈，为开 发新一代的基于统一产品信息模型的c a d c a m c a p p 集成系统创造前提。 ( 4 ) 它有助于推动行业内的产品设计和工艺方法的规范化、标准化和系列化， 使得产品设计中及早考虑制造要求，保证产品结构有更好的工艺性。 ( 5 ) 它将推动各行业实践经验的归纳、总结，从中更多提炼出规律知识，以此 丰富各种领域专家系统的规则库和知识库，促进智能c a d 系统和智能制造系统的逐 步实现。 特征建模可归为交互式特征定义、特征识别和基于特征设计三种方法“”“1 。 ( 1 ) 交互式特征定义( 图2 1 ) 利用现有的造型系统建立产品的几何模型，由用户 直接通过交互式拾取，定义特征几何所需要的几何要素，并将特征参数或精度、技 术要求、材料熟处理等信息作为属性添加到特征模型中。这种建模方法自动化程度 低，信息处理过程中容易产生人为的错误。 ( 2 ) 特征识别( 图2 2 ) 以图论为基础，对零件建立几何形面关联图，将它与特征 9 华中科技大学硕士学位论文 库中的特征的几何拓扑关系相匹配，提取相应的特征，建立相应的特征模型。 它的主要优点是：能充分利用c a d 中的特征数据库和几何模型；可以灵活 地根据不同应用领域的识别规则建立应用领域专用特征。 其缺点是：由于图论的识别算法非常复杂，在识别过程中存在二义性。由 于识别过程只对几何模型进行，因此无法识别非几何信息，如公差、表面粗糙度等。 ( 3 ) 在基于特征的设计( 图2 3 ) 中，特征从一开始就加入到产品模型，成为产品 建模的元素。首先通过一定的规划和过程预定义一般特征，将这些定义放入一个库 中，形成一般特征库，然后对一般特征实例化，并对特征实例进行修改、拷贝、删 除以生成实体模型，导出特定的参数值等操作，建立产品模型。 它的主要优点是：对设计者来说特征是有意义的元素，这不但能加速设计过 程，而且能提供一种标准化的方法，减少生产费用和投产时间；特征能用来评估 与特征类型相关的知识，使得评价实时加工性和并行设计工艺规划成为可能；能 提高设计质量，并能提供设计与下游生产过程的连接。 其主要缺点是：由于特征是面向应用的，不同应用对特征的定义不尽相同，设计 者很难以综合考虑所有应用领域定义全局通用特征；待设计零件的复杂多样，使设计 中没有一个有限的特征集，难以建立完整的特征库；特征库的数据管理非常复杂。 设计者 工艺设计 人员 零件的特征信息模型 图2 1 交互式特征定义 2 2 特征的定义 设计者 l 实体造型系统 上 l 特征识别和提取 零件的特征信息模型 图2 2 特征识别 设计者 零件的特征信息模型 图2 3 特征造型 特征技术的出现和发展至今只有十多年的历史，因而对于特征本身还缺少一个 明确的定义。不同的应用形成了特征的不同定义。从加工角度看，特征被定义为与 加工方法、加工工具相关的几何形状及其拓扑属性的集合；从造型的角度来看，特 征是一组具有特定关系的几何或拓扑元素；从c a p p 的角度来看，特征被定义成能够 与机械加工、板料成形方法相对应的几何形状、尺寸参数和工程属性的集合：从基 睾 华中科技大学硕士学位论文 于特征的设计角度来看，特征是用于设计并分析、评价设计结果的信息单元。实现 c i m 的关键在于c a d 、c a p p 、c a m 各系统对产品有一个统一的描述，必然要求对特 征有一个统一的定义。因此，从工程应用全局对信息的需求出发，将特征定义为“： 壁堑星遮过过筮的二仝塑盛叠筮! 室星垫錾丝丛的县签哒挝! 羞县直壁定的兰 程信息和属性。 特征的这个定义强调了特征是形状和功能属性的有机组合体。首先，特征是可 以表达的几何体，可以供各工程应用阶段使用的对象。特征可映射成抽象的形状要 素，并由一组具有特定拓扑关系的几何实体组成。其次，特征是有意义的，这种意 义表现在人们从它的名称和词义就可联想到它的特定几何形状、拓扑关系、典型功 能、图形表示方法、制造技术和公差要求等一系列信息。最后，特征表达了语义与 一般形状要素之间的关系。 根据特征在产品定义中的不同语义特点，特征还可进一步分为形状特征、精度 特征和材料特征等，如图2 2 所示。它们的定义如下“： ( 1 ) 形状特征与描述零件几何形状、尺寸相关的信息集合，包括功能形状、加 工工艺形状、装配辅助形状。它是描述零件的最重要的特征，可分为主形状特征( 主 特征) 和辅助形状特征( 辅助特征) 两类。 ( 2 ) 管理特征与零件管理有关的信息集合，包括标题栏信息( 如零件名、图号、 设计者、设计日期等) ，零件材料，未注粗糙度等信息。 ( 3 ) 设计特征描述零件的功能、性能及约束相关的信息集合( 包括设计要求与 约束条件等信息) 。 ( 4 ) 材料特征与零件材料和热处理有关的信息集合，如材料性能、热处理方式、 硬度值等。 ( 5 ) 精度特征描述零件几何形状、尺寸的许可变动量的信息集合，尺寸公差和 形位公差。 ( 6 ) 工艺特征与零件制造工程( 如加工方法、制造资源和工艺参数等) 有关的信 息集合。 在上述定义中，形状特征因将零件的特定几何形状和特定工程应用场合的工程描 述术语相对应，因而在产品的特征信息集合中起主要作用。 1 l 华中科技大学硕士学位论文 图2 4特征的组成 2 3 覆盖件模具的形状特征分类 2 3 1 分类方法 对特征进行分类的好处在于： 便于按类表达特征，便特征的表达规范化和结构化： 可以建立通用的特征： ：一- 华中科技大学硕士学位论文 有利于产品数据交换的标准化。 但是，由于特征与产品类型及工程应用密切相关，因此在不同的应用中特征具 有不同的含义和表达形式。要对特征进行通用的分类是非常困难的。一般都是从某 些特定的应用角度进行分类”3 。 p r a t t 和w i l s o n 从几何形状角度将特征分为显式和隐式两大类，并进一步将隐式特 征分为通道( p a s s a g e ) 、凹陷( d e p r e s s i o n ) 、凸起( p r o t r u s i o n ) 、过渡( t r a n s i t i o n ) 、面域( a r e a ) 和变形( d e f o r m a f i o n ) 。这种分类方法现己被p d e s ( p r o d u c t d a t a e x c h a n g eu s i n gs t e p ) 作为形状特征信息模型f f i m ( f o r m f e a t u r ei n f o r m a t i o nm o d e l ) 的组成部分。它适于在 实体模型中建立特征模型。 根据形状特征在设计中所起的作用不同，c u n n i n g h a m 和d i x o n ：g 特征分为静态 和动态两类。动态特征是传递运动或能量的产品实体。静态特征又可进一步分为基 本类、附加类、交类、整体形状类、宏类等5 大类特征。 p d d i ( p r o d u c t d a t ad e f i n i t i o ni n t e r f a c e ) 根据制造方法将形状特征分为复合特征、 机加工特征、板金类特征及车削类特征。 g a n d h i 和m y l d e b u s t 根据特征体素的拓扑相似性质，将那些具有相同拓扑性质的 特征归为一类，以便用相同数目的参数描述特征。 形状特征是各种应用概念的几何载体，即包含形状要素和工程语义两方面的信 息。工程语义是指与特定工程活动相对应的抽象知识集。从不同的工程语义角度可 分解出不同的知识单元。例如，从功能语义角度有连接、支撑、导向等，从加工语 义角度则有冲孔、弯曲等。由特征定义可知，每个知识单元有一组形状要素与之相 对应，也就是说，可以对形状要素所关联的几何与拓扑实体进行组合，从而产生不 同的子类特征。例如孔特征，采用不同的几何和拓扑实体可分解出方孔、圆孔等子 类特征。因此，特征分类必须在两个层次上进行。在形状要素层次上仅处理形状分 类，而在语义层次上则针对各种应用活动作相应的语义分类。语义分类对应着不同 的应用活动，可以是设计语义、加工语义或者分析语义等，在特定的语义环境下， 它们对应着一组规则、约束、功能、方法等。 在实际的应用活动中，人们所感兴趣的形状要素是不同的。可以说语义分类是 形状要素分类的前提，形状要素分类则是语义分类的结果。这和人们的思维过程也 是相吻合的。例如在设计一个产品时，首先考虑的是产品的功能，然后才考虑能够 实现这一功能的形状。形状要素的分类作为特征的几何分类描述，可以通过与各种 不同的语义分类组合，产生出相应的应用特征。因此，将形状要素的分类作为不同 分类之间的关联要素，从而实现不同应用特征之间的信息转换。 华中科技大学硕士学位论文 2 3 2 形状特征的分类 覆盖件模具的形状特征主要包括两方面的语义，一是为零件设计者所熟悉的语 义，一是为工艺和模具设计人员所熟悉的语义。因此，对形状特征的分类必须综合 考虑设计要求和加工要求。 图2 5 所示，为从设计与加工语义角度对覆盖件模具的形状特征分类的层次结构