（机械设计及理论专业论文）基于proengineer冲裁模cadcam系统的研究与开发.pdf

中文摘要 随着模具工业的迅速发展，利用模具c a d c a m 技术改变传统的模具设计 方式，使模具的设计达到一定的智能化和自动化，正成为现代模具工业研究的 热点。但是目前冲裁模具c a d c a m 技术在应用上还存在一些问题，如 c a d c a m 运作效率低、很多应用还是集中在二维上、缺少具有中国国家标准 的标准模架库以及标准零件库。而解决这些问题的关键在于在三维的 c a d c a m 通用系统上二次开发一套专业性更优的冲裁模c a d c a m 系统。鉴 于此，本人在研究了冲裁模的相关领域知识之后，提出了基于p r o e n g i n e e r ( 以 下简称p r o e ) 冲裁模c a d c a m 系统的研究与开发这一课题。 本课题在查阅了大量资料文献的基础上，利用了v i s u a lc + + 6 0 对p r o e 进行了二次开发，并建立了实用性较强的冲裁模c a d c a m 系统。其具体设计 内容如下：( 1 ) 将知识工程引入到冲裁模c a d c a m 领域中，对公式、表格、 图形、规则等各种表示形式的冲压模具知识进行了相应地处理。( 2 ) 应用了 i d e f o 方法对c a d c a m 系统的数据流程和功能需求进行有效的分析之后，建 立了整个c a d c a m 系统的功能模型。( 3 ) 结合p r o e 的开发环境，本文利用 了p r o e 的参数驱动，设计了冲裁件工艺性的交互式设计，同时，提出了基于 p r o e 冲裁件压力中心计算的薪方法以及基于p r “e 冲裁件排样的优化方案， 达到了模具快速准确设计的目的。( 4 ) 对于非标准件，如凸、凹模等，本文结 合了p r o e 特征元素树创建特征的方法建立非标准件的设计，使非标准件的设 计在一定的程度上达到自动化。( 5 ) 建立具有中国标准的冲裁模具标准模架以 及标准模架零件库系统，用户可通过选择不同的模型参数，来生成相应的标准 模架的三维模型或零件模型。( 6 ) 对已设计完成的零件，本系统根据选用的模 具结构形式进行自动装配，使系统的装配达到一定的智能化( 7 ) 本系统利用 了p r o n c 的c a m 功能，对凸模、凹模等工作零件，进行了模拟加工，并生 成了刀具轨迹文件和生成机床的数控代码。( 8 ) 结合m f c 和p r o t o o l k i t 本系统 设计界面友好、实用件强的界面。 总之，通过建立该冲裁模c a d c a m 系统提高了冲裁模在p r o e 的运作效 率，使得冲裁模在p r o e 上的设计达到一定的自动化何智能化，达到了预期的 研究目的，系统在实例应用中，获得良好的效果。 【关键词】：冲裁模；p r o e ；参数化；自动化智能化；c a d c a m 二次开发 a b s t r a c t w i t hd i e & m o l di n d u s t r yd e v e l o p i n gq u i c k l y ，t oe m p l o yt e c h n o l o g yo f c a d c a mi nd i e & m o l di n d u s t r yi nc h a n g i n gt h et r a d i t i o n a lm e t h o do fd i e & m o l d d e s i g n m e n t ，a n dm a k i n gd i e & m o l dd e s i g n m e n ti n t e l l e c t u a l l ya n da u t o m a t i c a l l yi n s o m ee x t e n tw a su o wb e c o m i n gar e s e a r c hf o c u si nd i e & m o l dt e c h n o l o g y b u ta t p r e s e n tt h e r ew e r em o r ep r o b l e m s i nt h ea p p l i c a t i o no ft h et e c h n o l o g yo f d i e & m o l dc a d c a m ，s u c ha sl o we f f i c i e n c ya n dq u a l i t y , c o n c e n t r a t e i n gt h e t e c h n o l o g y o fc a d c a mi n2 dd r a w i n g ，r u n n i n gs h o r to ft h ec h i n e s e s t a n d a r d p a r tl i b r a r ya n dm o l db r a c k e t a n ds e c o n d a r yd e v e l o p m e n to fc a d c a m s y s t e mw a st h ek e ym e t h o do fr e s o l v et h e s ep r o b l e m s a i m i n ga tt h i s ，t h es u b j e c t a b o u ts t u d y i n ga n dd e v e l o p m e n to fd i e & m o l dc a d c a mb a s e do np r o e n g i n e e r w a s g i v e n a f t e r c o n s u l t i n g r e l a t i v a ld o c u m e n ta n d k n o w l e d g e a b o u t d i e & m o l d t h ea u t h o ru s e dv i s u a lc + + 6 0d e v e l o p i n gt o o lt oe m p o l d e r p r o e n g i n e e rw i l d f i r ea n db u i l t e du pap u n c h i n gd i ec a d c a ms y s t e mw h i c h c a n b eb e s tu s e di nm o l df i e l d t h em a i nc o n t e n t so ft h i st h e s i sw a sa sf u l l o w ：( 1 ) i n o r d e rt od e a lw i t hk n o w l e d g ea b o u td i e & m o l d ，i n c l u d i n gt e c h n i c a lk n o w l e d g ea n d d e s i g ne x p e r i e n c e ，k b e ( k n o w l e d g eb a s e de n g i n e e r i n g ) w a su s e d a n d t h e k n o w l e d g ew a sh a n d l e db y d i f f e r e n tw a ya c c o r d i n gt od i f f e r e n tk n o w l e d g e f o r m a t ，s u c ha sf o r m u l a ，t a b l ec h a r t ，r u l ea n dc a s e ( 2 ) t h ei d e f o ( i n t e g r a t e d c o m p u t e ra i d e dm a n u f a c t u r i n gd e f i n i t i o nm e t h o d ) w a sa p p l i e dt oc o n s t r u c tt h e f u c t i o nm o d e lo ft h es y s t e m ，a f t e ra n a l y s i n gt h ed a t ac u r r e n to ft h ed i e & m o l d c a d c a ms y s t e m ( 3 ) an e wc a l c u l a t i n ga p p r o a c ho fp r e s s i n gc e n t e ra n dt h e o p t i m u ml a y o u tp l a no faw o r k p i e c ew a ss t u d i e db a s e do nt h ec i r c u m s t a n c eo f p r o e n g i n e e r a n dg i v e at u r n o v e ri d e at od e c i d et h ea r t sa n dc r a f t so f p r o d u c t ( 4 ) c o m b i n e d w i t ht h ep r o e n g i n e e r s p e c i a le l e m e n t t r e eb u i l d i n g m o d e l ，t h en o n s t a n d a r dp a r ts u c ha sd t eb l o c kw a sd e s i g na n dm a k et h et h e s e n o n s t a n d a r dp a r td e s i g n m e n ti n t e l l e c t u a l l y ( 5 ) b u i l dac h i n e s es t a n d a r d3 dl i b r a r y w h i c he n a b l et h eu s e rt os e l e c tt h ed i ep a t t e na c c o r d i n gt ot h ep a r a m e t e r ( 6 ) t h e s y s t e mc a na u t oa s s e m b l et h ep a r t sw h i c hh a db e e nc o m p l e t l yd e s i g n e d ( 7 ) t h e p r o n c sc a mf u n c t i o nw a su s e dt os i m u l a t em a n u f a c t u r eo ft h ed i e & m o l da n da t l a s tt h et o o lp a t hf i l ea n dn cc o d ew a sg e n e r a t e db yt h i ss y s t e m ( 8 ) c o m b i n i n g w i t ht h em f ca n dp r o t o o l k i t ，t h ef a c eo ft h es y s t e mw a sd e s i g n e d ，w h i c hm a k e d t h eu s e r sf e e la c c e p t a b l ea n d f r i e n d l y i na w o r d ，t h r o u g he s t a b l i s h i n gt h i s3 dp a r a m e t e rs y s t e m ，w eh a v ei m p r o v e d t h ew o r k i n ge f f i c i e n c yo fd i e & m o l dd e s i g n i n go nt h ep r o e ，m a d ed i e & m o l d d e s i g n i n g i n t e l l e c t u a l l y a n d a u t o m a t i c a l l y，o p t i m i z e d i n t e r f a c eo f p r o e n g i n e e r ，a n dt h ea i mo ft h ei n i t i a lo fs t u d y i n gh a sc o m p l e t e d s i m u l t a n e i t y t h ed i e & m o l dc a d c a ms y s t e mi st r y i n g t ou s e di nt h ee n t e r p r i s e ，a n di tm a k e s t h ee n t e r p r i s ec o m p e t i t i v e l y k e y w o r d ：d i e & m o l d ；p r o e ；p a r a m e t r i c ；i n t e l l e c t u a l l ya n da u t o m a t i c a l l y ；t h e s e c o n d a r yd e v e l o p m e n to fc a d c a m 中南林业科技大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研 究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品，也不包含为 获得中南林业科技大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材 料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式表明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：谶 为口f 年月k 日 中南林业科技大学 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，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件或电子版，允许论文被查阅或借阅。本人授权中南林 业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。 本学位论文属于： l 、保密口，在年解密后适用本授权节。 2 、不保密曰。 ( 请您在以上相应方框打“”)， 作者签名：谶导师签名：瑚蹿缸 9 0 0 f 年月l 猸回6 年6 内伽 基于l h e n g l n e e f 冲裁模c a d c a m 系统的研究与开发 第1 页共1 0 8 页 1 绪言 1 1 模具工业及模具c a d c a m 技术 1 1 1 模具工业 模具工业是制造业中的一项基础产业，是技术成果转化的基础，同时本身 又是高新技术产业的重要领域。在欧州一些工业发达国家里，模具工业被称为 “点铁成金”的“磁力工业”；在美国工业界里，有“模具工业是美国工业的 基石”说法：德国则认为模具工业是所有工业中的。关键工业”：日本模具协 会也认为“模具是促进社会繁荣富裕的动力”，同时也是“整个工业发展的秘 密”，以及“进入富裕社会的原动力”【n 如今，世界模具工业的发展非常迅 速，它甚至已经超过了新兴的电子工业。 模具是工业生产的基础工艺装备在电子、汽车、电机、电器、仪器、仪 表、家电和通讯等产品中，6 0 a 8 0 的零部件，都要依靠模具成形。用模具生 产制件所表现出来的高精度、高复杂程度、高一致性、高生产率和低消耗，是 其它加工制造方法所不能比拟的。模具又是“效益放大器”，用模具生产的最终 产品的价值，往往是模具自身价值的几十倍甚至上百倍。模具生产技术水平的 高低，已成为衡量一个国家产品制造水平高低的重要标志，在很大程度上决定 着产品的质量、效益和新产品的开发能力 2 1 。振兴和发展我国的模具工业，因 此也日益受到人们的重视和关注。 现在，致力于提高模具技术水平已成为各个国家首要攻关课题，然而传统 的模具设计和制造方式一一人工设计、单件生产，已无法适应工业迅速发展的 需要，计算机辅助模具设计与制造( c o m p u t e ra i d e dm o l dd e s i g n & c o m p u t e r a i d e dm o l dm a n u f a c t u r i n g ，简称模具c a m d c a m m ) 技术是解决模具设计与制 造薄弱环节的有效途径1 3 1 。 1 1 2 模具c a d c a m 技术 模具c a m d ，c a m m 是指模具设计与制造工程技术人员在计算机系统的辅 助之下，合理有效地进行模具设计和制造的一项新技术。模具c a m d 是指工 程技术人员以计算机为辅助工具，完成模具设计构思和论证，模具总体设计， 技术设计，零部件设计，有关零件的强度、刚度、热、电、磁的分析计算和产 中南林业科技大学2 0 0 6 届硕士研究生毕业论文 第2 页共1 0 8 页 品图绘制等工作；模具c a m m 通常是指计算机辅助数控加工程序的编制，包 括刀具路径、刀位文件生成、刀具轨迹仿真、n c 代码生成以及与数控机床数 控装置的软件的接口等【4 1 。模具c a d c a m 技术的应用可以使企业缩短产品开 发周期、提高产品设计质量、降低生产成本以及提高管理水平，最终整体提高 企业的竞争力 随着工业技术的发展，市场需求的增加，以及产品更新换代速度的加快， 产品生产正向复杂、精密、多品种、高质量和交货期短的方向发展，这就要求 模具生产具有更短的周期、更低的成本和更高的质量。传统的模具设计与制造 方法已不能适应工业产品及时更新和提高质量的要求。因此，国内外一些企业、 科研单位和高校等，加大对模具c a d c a m 技术的开发力度和资金投入，并把 最新科研成果投入到生产实践当中去并取得了良好的成果。模具c a d c a m 之 所以对世界各国具有这么大的吸引力是因为它具有传统设计无法比拟的优越 性：模具c a d c a m 可以提高模具设计和制造水平，从而提高模具质量；模具 c a d c a m 可以节约时间，提高生产率；模具c a d c a m 可以较大幅度地降低 成本；模具c a d c a m 将技术人员从繁冗的计算、绘图和n c 编程中解放出来， 使其可以从事更多的创造性劳动【5 】。 在模具系列应用中，冲压模具的应用相当广泛。尤其是随着各种新型冲压 成型方法和先进冲压设备的研制成功，冲压更是突出地显示了其生产效率高、 成本低、质量稳定、操作简便、便于实现机械化和自动化、适合大规模量产的 显著优点，应用范围更加广泛。 1 2c a d 技术与冲模c a d c a m 的发展概况 1 2 1c a d 技术发展概况 c a d 技术起步于2 0 世纪5 0 年代后期，在发展初期，c a d 的含义仅仅是 c o m p u t e ra i d e dd r a w i n g ，而非现在我们经常讨论的c a d 所包含的全部内容。 2 0 世纪6 0 年代，随着计算机软硬件技术的发展，在计算机屏幕上绘图变为可 行，c a d 开始迅速发展。人们希望借助此项技术来摆脱繁琐、费时、精度低 的传统手工绘图。此时c a d 技术的出发点是用传统的三维视图来表达零件， 以图纸为媒介进行技术交流，这就是二维计算机绘图技术。2 0 世纪6 0 年代是 以简单的二、三维线框造型系统为主，这种初期的线框造型系统只能表达基本 的几何信息，不能有效表达几何数据间的拓扑关系。由于缺乏形体的表面信息， c a e 及c a m 均无法实现。c a d 技术的发展大致经历了四次革命： 第一次c a d 技术革命。贵族化”的自由化曲面造型系统嗍。进入7 0 年代，飞机和汽车工业飞速发展，同时也使得法国达索飞机制造公司的开发者 们，能在二维绘图系统c a d c a m 的基础上，开发出以表面模型为特点的自由 曲面建模方法，推出了三维曲面造型系统c a t i a 。它的出现，标志着计算机 辅助设计技术从单纯模仿工程图纸的三视图模式中解放出来，首次实现以计算 机完整描述产品零件的主要信息，同时也使得c a m 技术的开发有了现实的基 础，改变了以往只能借助油泥模型来近似表达曲面的落后的工作方式，为人类 带来了第一次c a d 技术革命。 第二次c a d 技术革命实体造型技术。2 0 世纪7 0 年代末到8 0 年代初， 由于计算机技术的大跨步前进，c a e 、c a m 技术也开始有了较大发展有了 表面模型，c a m 问题可以基本解决。但由于表面模型技术只能表达形体的表面 信息，难以准确表达零件的其它特性，如质量、重心、惯性矩等，对c a e 技 术十分不利。1 9 7 9 年美国s d r c 公司发布世界上第一个完整基于实体造型技 术的大型c a d c a e 软件i d e a s 。由于实体造型技术能够精确表达零件 的全部属性。它代表着未来c a d 技术的发展方向实体造型技术的普及及应 用标志着c a d 发展史上的第二次技术革命f 7 1 。 第三次c a d 技术革命参数化技术。2 0 世纪8 0 年代中期，p t c ( p a r a m e t r i ct e c h n o l o g yc o r p ) 公司丌始研制命名为p r o e n g i n e e r ( 下论文所 涉及到相同名称都简称p r o e ) 的参数化软件，这是一种比无约束自由造型更为 新颖、更好的算法参数化实体造型方。从算法上说，这是一种很好的设想 陋】。它主要具有以下特点：基于特征、全尺寸约束、全数据相关和尺寸驱动 9 1 设计造型。到了2 0 世纪8 0 年代末，计算机技术迅速发展，硬件成本大幅度下 降，许多中小企业也开始应用c a d 技术。由于他们的设计量并不大，零件形 状也不复杂，更主要的是他们无钱投资大型高档软件，因此他们很自然把目光 投向p r o e 软件。进入9 0 年代，参数化技术变的比较成熟起来，充分体现出 其在许多通用件，零部件设计上简单易行的优势。目前国内外较常用实现参数 化技术的方法有【”j ：解 f 线性方稃数值法l 、基于专家系统的推理方法1 1 2 i 、 构造法【l 。 第四次c a d 技术革命一一变量化设计。变量化造型的技术特点是保留了 参数化技术基于特征全数据相关，尺寸驱动设计修改的优点1 1 4 1 。但是在约 束定义方面作了根本性改变。变量设计是设计对象的修改需要更大的自由度， 中南林业科技大学2 0 0 6 届硕士研究生毕业论文第4 页共1 0 8 页 通过求解一组约束方程来确定产品的尺寸和形状 1 5 】。它的指导思想是：设计 者可以采用先形状后尺寸的设计方式，允许采用不完全尺寸约束，只给出必要 设计条件。这种情况下仍能够保证设计的正确性和效率性。因为系统分担了很 多复杂的工作目前国内外基于约束的变量设计方法的事项方案主要有：数值 约束求解方法、迭代法、基于规则的几何推理方法、基于图论的约束求解方法 和基于构造过程的方法1 1 6 。 c a d 技术基础理论的每一次重大发展无不带动了c a d c a m 整体技术的 提高，以及制造手段的更新。目前流行的c a d 技术基础理论主要是以p t c 公 司的p r o e 为代表的参数化造型理论和s d r c 公司的i d e a s 为代表的变量 化造型理论两大主流派。 1 2 2 冲模c a d c a m 发展概况 1 2 2 i 国外冲模c a d c a m 概况 国外于6 0 年代末开始研究模具c a d c a m 技术，7 0 年代初己投入生产使 用中。如美国d i c c o m p 公司于1 9 7 3 年研制成功计算机辅助设计级进模的p d d c 系统。该系统包括产品图形与材料特性的输入，在输入的基础上进行模具结构 类型选择，凹模排样、凸模和其它嵌件的设计，最后绘制模具总图和零件图及 n c 编程。该系统的投入使用，使连续模( 级进模) 设计周期由手工设计的8 个 星期缩短至2 个星期，整个生产准备时间由1 8 个星期缩短至6 个星期，从而 增强了公司的竞争能力。 1 9 7 8 年日本机械工程试验研究室研制成冲裁级进模c a d 系统( m e l 系 统) ，该系统由产品图输入、模具类型选择、毛坯排样、条料排样、凹模布置、 工艺计算、绘图等1 0 个模块组成【1 7 1 。 此外还有英国的s a l f o r d 大学，日本旭光学工业公司、前苏联科学院综合 技术研究所等都于7 0 年代开展了冲模c a d 系统的研究，并取得了一定效果。 进入8 0 年代，随着计算机技术的发展，使用模具c a d c a m 技术的厂家大大 增加，弯曲成型级进模和汽车覆盖件模具c a d c a m 系统研制成功，而且在汽 车覆盖件模具c a d 系统中应用了塑性成型模拟技术。 日本日立公司于1 9 8 2 年研制成弯曲级进模c a d c a m 系统，该系统采用 人工与计算机设计相结合的批处理方式。即由人工完成产品图展开及工序设计 与条料排样，凹模布置，然后由类似于a p i 语言输入计算机，在分别由前处理 程序、主处理程序以及后置处理程序完成毛坯排样与材料利用率计算、压力计 基于n a 他l g i 嘣冲裁模c a d c a m 系统的研究与开发第5 页共1 0 8 页 算、模具结构设计技术及模具装配图、零件图、线切割纸带等。采用该系统进 行模具设计与加工后，所需时间减少到原来手工设计与加工的1 5 ，即由3 0 天减少到6 天，其中设计时间减少到1 4 1 引。 1 9 8 2 日本富士通公司也研制成功级进模c a d 系统，该系统用于弯曲零件 级进模设计。整个系统包括产品图输入、凸模和凹模形状设计、条料排样( 凹 模布置) 、模板设计、辅助装置设计、绘制模具图纸并输出线切割纸带系统 中采用自动设计与交互设计相结合的方法，其中毛坯展开、弯曲回弹计算、凹 模布置的工步排序等均为自动处理。应用该系统后，所需设计时间只有手工设 计的4 0 左右 e l 本n i s s i n 精密机器公司于1 9 8 5 年在u n i c 软件的基础上开发了冲裁级 进模c a d c a m 系统，该系统可完成即刻构型、排样图设计、凹模与凸模设计、 标准件设计以及生成线切割纸带等功能【l 们。 1 9 8 5 年日本微型模具中心与日本i b m 公司合作应用d c s d r a w 系统开发 了一个冲模c a d c a m 系统，可完成从产品图输入到输出标准件清单、模具总 装图、零件图及n c 数据的全过程。系统包括图形数据库、标准件库，标准形 状结构数据库、冲模制造数据库等。 汽车覆盖件模具c a d c a m 的研究在世界各大汽车公司均已取得成效，其 中日本丰田汽车公司于1 9 6 5 年将数控用于模具加i ，1 9 8 0 年开始采用模具 c a d c a m 系统，该系统包括n t d f e 和c a d e t t 二个设计软件及加工凸、凹 模的t i n c a 软件。可完成车身外形设计、车身结构设计、冲模c a d ，土模型 与冲模加工、夹具加工等。冲模c a d 主要应用三维几何构型与图形变换的功 能，其中有关工艺成型性能的评价应用有限元分析方法和几何模拟方法。该系 统投入使用后，可使覆盖件成形模的设计与加工时间减少5 0 。 美国通用汽车公司、福特汽车公司、英国p s f 公司均己建立了覆盖件拉 延成形模c a d c a m 系统，特别是福特汽车公司在覆盖件塑性成形模拟方面取 得了很大成就，应用大应变弹塑性有限元方法模拟覆盖件的成形过程，预测中 心的压力、应变分靠，矢稳破裂以及回弹的计算等【2 0 l 。 根据国际特种工模具协会( i s t a ) 的调查1 2 ”，美国和f i 本采用c a d c a m 系 统的冲模制造厂商已达1 0 ，意大利有3 0 一5 0 个冲模制造厂采用c a d c a m 系 统，欧洲其它国家约为5 。日本采用c a d c a m 系统较快的原因是日本模具 行业的数控机床拥有比率大大高于西欧。 中南林业科技大学2 0 0 6 届硕士研究生毕业论文 第6 页共1 0 , 8 页 1 2 2 2 国内冲模c a d c a m 发展概况 “”、 “ 。 1 9 8 3 年初成立上海交大模具技术研究所，建立了c a d c a m 研究中心， 开展冲裁模、注塑模的c a d c a m 研究工作t 2 3 】随后，国内一些院校和研究 单位也陆续成立了模具c a d c a m 研究中心或研究室。其中，华中理工大学在 精冲模、冲裁模、汽车覆盖件模的c a d c a m 方面【2 4 】【2 5 1 ，浙江大学在普通冲 裁模以及智能级进模的c a d c a m 方面【2 6 2 7 1 ，西安交通大学在普通冲裁模、 弯曲级进模以及拉延模的c a d 方面【2 舯，北京机电研究所在普通冲裁模和精冲 模的c a d 方面都取得了一些研究成就。到目前为止，先后通过国家有关部门 鉴定的有1 9 8 4 年华中理工大学建成的精冲模c a d c a m 系统，1 9 8 5 年北京机 电研究研究院建成的冲裁模c a d c a m 系统，1 9 8 6 年华中理工大学、上海交 通大学建成的冲裁模c a d c a m 系统。但是直到现在这些系统仍处于试用阶 段，尚未在生产中推广使用捌。 总的来说，国外有关这方面的研究比国内起步早，己有不少工厂使用 c a d c a m 系统，但由于冲压产品品种繁多，而且形状复杂，其冲压工艺与模 具设计是依据产品图考虑了成形性能与模具加工条件来进行设计，手工设计主 要凭技术人员的经验，因此在建立冲模c a d c a m 系统是带来了很多问题。所 以目前国际上仍没有一个功能完善的、自动化程度较高的冲模c a d c a m 软件 出售，目前出售的系统均需用户根掘本厂条件进行二次开发。而且，目前的冲 裁模c a d 系统选择的图形系统多为二维系统，其设计结果是不直观二维工程 图。 1 2 2 3 冲模c a d c a m 的发展趋势 未来冲模c a d c a m 技术发展趋势是高度集成化3 们、标准化、智能化【3 1 i 、 柔性化和网络化f 3 2 1 在冲模行业中，追求的目标是提高产品质量及生产效率， 缩短设计周期及制造周期，降低生产成本，最大限度地提高模具制造业的应变 能力，满足用户需求。具体表现出以下几个特征： 1 标准化c a d c a m 系统可建立标准零件数据库，非标准零件数据库和模 具参数数据库。标准零件库中的零件在c a d 设计中可以随时调用，并采用 g t ( 成组技术) 生产。非标准零件库中存放的零件，虽然与设计所需结构不尽相 同，但利用系统自身的建模技术可以方便地进行修改，从而加快设计过程，典 型模具结构库是在参数化设计的基础上实现的，按用户要求对相似模具结构进 行修改，即可生成所需要的结构1 3 3 】。 基于p r o 脚n e e r 冲裁模c a d c a m 系统的研究与开发第7 页共1 0 8 页 2 集成化技术现代模具设计制造系统不仅应强调信息的集成，更应该强调 技术、人和管理的集成。在开发模具制造系统时强调“多集成”的概念，即信 息集成、智能集成、串并行工作机制集成及人员集成，这更适合未来制造系统 的需求【3 4 1 3 5 】 3 智能化技术应用人工智能技术实现产品生命周期( 包括产品设计、制造、 使用) 各个环节的智能化实现生产过程( 包括组织、管理、计划、调度、控制等) 各个环节的智能化以及模具设备的智能化也要实现人与系统的融合及人在其 中智能的充分发挥【3 们。当前，在人工智能系统中应用的人工智能技术主要有 专家系统、人工神经网络、遗传算法、模糊系统。 4 网络技术的应用网络技术包括硬件与软件的集成实现，各种通讯协议及 制造自动化协议，信息通讯接口，系统操作控制策略等，是实现各种制造系统 自动化的基础。目前早已出现了通过i n t e r n e t 实现跨国界模具设计的成功例子。 网络技术的应用为我国模具企业实现敏捷制造和动态联盟奠定了技术基础 【3 7 1 。 近年来，由于因特网、网络数据库、电子商务等新技术的飞速发展，为 c a d 技术又赋予了新的设计理念和技术内容，将改变现在辅助设计的模式和 方式，因此又将发展为网络时代的辅助设计系统技术一n a d 3 s 。 5 多学科多功能综合产品设计技术未来产品的开发设计不仅用到机械科 学的理论与知识，而且还用到电磁学、光学、控制理论等知识。产品的开发要 进行多目标全性能的优化设计3 9 1 ，以追求模具产品动静念特性、效率、精度、 使用寿命、可靠性、制造成本与制造周期的最佳组合。 6 逆向工程技术的应用在许多情况下，一些产品并非来自设计概念，而是 起源于另外一些产品或实物，要在只有产品原型或实物模型，而没有产品图样 的条件下进行模具的设计和制造以便制造出产品。此时需要通过实物的测量， 然后利用测量数据进行实物的c a d 几何模型的重新构造，这种过程就是逆向 1 程r e ( r e v e r s ee n g i n e e r ) 4 0 o 除此之外，一旦建立了c a d 几何模型后，还 町以依据这种数字化的几何模型用于许多操作：如实物c a d 模型的修复、零 件的事新设计、有限元分析、误差分析1 4 ，数控( n c ) 加【指令生成及模具 的设计和制造。逆向工程能够缩短从设计到制造的周期，是帮助设计者实现并 行1 程等现代设计概念的一种强有力的工具，目前在工程上正得到越来越广泛 的应用。 7 快速成形技术快速成形制造技术r p m ( r a p i dp r o t o t y p i n g 中南林业科技大学2 0 0 6 届硕士研究生毕业论文 第8 页共1 0 8 页 m a n u f a c t u r i n g ) 是基于层制造原理，迅速制造出产品原型，而与零件的几何复 杂程度丝毫无关，尤其在具有复杂曲面形状的产品制造中更能显示其优越性。 它不仅能够迅速制造出原型供设计评估、装配校验，功能试验，而且还可以通 过形状复制快速经济地制造出产品模具( 如制造电极用于e d m 加工、作为模芯 消失铸造出模具等) ，从而避免了传统模具制造的费时、高成本的n c 加工， 因而r p m 技术在模具制造中日益发挥着重要的作用【4 2 j 。 作为一项先进的制造技术，快速成形技术自2 0 世纪8 0 年代问世以来，在 成形理论、成形工艺、设备开发和应用技术等方面取得了显著进展。彻底摆脱 了传统的“去除”加工法，将复杂的三维加工分解为简单的二维加工的组合。 因此它不必采用传统的加工机床和加工模具，只需传统加工工时的2 0 - - 5 0 和2 0 一3 5 的加工成本就能制造出产品【4 3 1 。就产业而言，目前快速成形 还是一个比较小的行业。但是该技术的推广应用有利于提高我国制造业的产品 创新和快速反应能力，并可由此带来巨大的商业利益。 1 3 课题提出的背景、目的和意义 据统计，我国2 0 世纪8 0 年代进口模具中，均在不同程度上应用c a d 、 c a m 等技术；另据统计，1 9 8 6 年我国耗资3 7 亿元引进各类c a d c a m 系 统训套，但应用结果不尽人意【4 4 1 。主要表现在以下几方面：很多企业只应用 了c a d c a m 系统的绘图功能( 只占设计工作量1 8 ) ，而那些资料的检索、 计算、分析还是靠人工一点一点的输入计算机，加之这些c a d c a m 系统是通 用的系统平台，尽管有些系统提供了标准图库，但是这些图库的标准是按照西 方的标准，这在给中国人使用起来带来极大的不方便，因此这些c a d c a m 系 统在一定程度上并没有很好发挥c a d c a m 的优越性；企业内部缺乏有组织、 有计划的、有重点的针对本企业产品领域进行二次开发的能力，这在一定程度 上影响了c a d c a m 应用水平；很多企业的c a m 发展跟不上c a d 发展，并 且引进过宽的c a d c a m 技术4 5 】【4 酣。所以应该加强c a d c a m 系统平台的二 次开发的应用研究。 本系统开发平台选择了一款在世界范围应用比较广c a d c a m c a e 软件 p r o e 做为基平台，应用v i s u a lc + + 6 0 作为系统开发工具，开发了一套集冲 裁件工艺分析、冲裁模模具设计、冲裁模c a m 等主要功能为一体的冲裁模 c a d c a m 系统。最终使在p r o e 的平台上冲裁模设计实现一定的智能化、参 数化以及自动化，这也是本系统的开发目的。 基于p r a ，e i l g i n e 盯冲裁模c a d c a m 系统的研究与开发第9 页共1 0 8 页 本系统在一定程度上成功的缩短冲裁模的设计周期和实现冲裁模c a m 自 动化功能，这不仅可以提高冲裁模的设计效率和设计精度，还可以增强企业的 竞争力，从而也实现本系统的开发价值；同时，本系统的开发过程对于其它模 具类型的二次开发具有很好的参考价值和意义 1 4 本系统开发平台、开发工具等相关理论 1 4 1 本系统开发平台p r o e 、二次开发接口工具及p r o t o o l k i t 目前在模具生产中，主要的c a d 应用软件有国外的u n i g r a p h i c s n x ，p r o e ， c i m a t r o n ，i d e a s ，s o l i d w o r k s ，s o l i de d g e 等，国内的有c a x a 和h s c 5 0 等 软件其中上述的国外软件都是以三维参数化设计为基础，集设计、分析、制 造以及文档管理等多种功能为一体，为用户提供了从设计到制造一体化的解决 方案国内的c a x a 和h s c 5 0 等软件，其主要应用还是在二维上，至于三维 参数化设计还处于试验研究阶段 p r o e 在中国企业应用范围比较广，并具有界面友好、易操作、符合工程 技术人员的机械设计思想等优点得到广大设计者的青睐。 1 4 1 1 系统开发平台一一p r o ，e p r o e 是美国参数技术公司( p a r a m e t r i c t e c h n o l o g y c o r p o r a t i o n 简称p t c ) 的产品。自1 9 8 8 年参数化设计的思想问世以来，己成为全世界及中国地区最 普及的3 dc a d c a m 系统。p r o e 在今同俨然成为世界3 dc a d c a m 系统的 标准软件，广泛应用于电子、机械、模具、工业设计、汽车、航天、家电等各 个行业。p r o e 可谓是个全方位的3 d 产品开发软件，集合了零件设计，产品 组合、模具开发、n c 加工，板金件设计、铸造件设计、造型设计、自动测量、 机构仿真、应力分析、产品数据库管理等功能于一体【4 7 】。p r o e 参数化设计的 特性如下： 1 3 d 实体模型3 d 实体模型除了呵以将用户的设计思想以最真实的模型 在计算机上表现出来之外，借助于系统参数，用户还可随时计算出产品的体积、 面积、重心、重阜、惯性大小等以了解产品的真实性，并补充传统面结构、 线结构的不足。用户在产品设计过程中，可以随时掌握以上重点，设计物理参 数，并减少许多人为计算时间。 2 单一数据库p r o e 可随时由3 d 实体模型产生2 d 工程图，而且自动标注 工程图尺寸。不论在3 d 还是2 d 图形上作尺寸修改，其相关的2 d 图形或3 d 中南林业科技大学2 0 0 6 届硕士研究生毕业论文第1 0 页共1 0 8 页 实体模型均自动修改，同时装配、制造等相关设计也会自动修改，这样可以确 保数据的正确性，并避免反复修正的耗时性。由于采用单一数据库，提供了所 谓双向关连性的功能，这种功能也正符合了现代产业中所谓的并行工程思想。 3 以特征作为设计的单位p r o e 以最自然的思考方式从事设计工作，如打 孔、开槽、做成圆角等均被视为零件设计的基本特征，除了充分掌握设计思想 之外，还在设计过程中导入设计的制造思想；也正因为以特征作为设计的单元， 因此可随时对特征做合理、不违反几何的顺序调整、插入、删除、重新定义等 修改动作。 4 参数化设计配合单一数据库，所有设计过程中所使用的尺寸( 参数) 都存 在数据库中，修改c a d 模型及工程图不再是一件难事，设计者只需更改3 d 零件的尺寸，则2 d 工程图、3 d 组合、模具等就会依照尺寸的修改做几何形 状的变化，以达到设计修改工作的一致性，避免发生人为改图的疏漏情形，且 减少许多人为改图的时间和精力消耗。也正因为有参数化的设计，用户才可以 运用强大的数学运算方式，建立各尺寸参数间的关系式，使得模型可自动计算 出应有的外型，减少尺寸逐一修改的烦琐费时，并减少错误发生【4 8 1 【4 9 1 。1 1 4 1 2p r o e 二次开发接口工具及p r o t o o l k i t p r o e 为用户提供了丰富的二次开发工具。常用的有p r o p r o g r a m ，族表 ( f a m i l yt a b l e ) 、用户自定义特征( u d f ) 、j l i n k 和p r o t o o l k i t 等【”j 。 1 p r o p r o g r a m p r o e 对每个零件或组件模型都有一个主要的设计步骤和参 数列表，那就是p r o p r o g r a m 。它是零件与组件自动化设计的一种有效的工具。 设计人员可以使用类似b a s i c 的高级语言，根据效益来编写该模型的 p r o g r a m ，包括：控制特征的出现与否、尺寸的大小、零