【硕士论文】基于Solid Edge的参数化设计及模具标准件库的开发.pdf

山东大学 硕士学位论文 基于solid edge的参数化设计及模具标准件库的开发 姓名：聂宝京 申请学位级别：硕士 专业：材料加工工程 指导教师：孙胜 20040405 山东大学硕士学位论文 基于s o l i de d g e 的参数化设计及其模具标准件库的开发 摘要 c a d 技术作为先进制造技术的重要组成部分，是计算机技术在工程设计、 机械制造等领域中最有影响的一项高新应用技术。随着工业的发展，在产品设 计中对标准件的使用也越来越多，人们为了避免重复的劳动，纷纷提出和建立 了各种形式的标准件库。这些标准件库的建立和使用，提高了设计效率，充分 体现了计算机辅助设计带来的经济效益。 c a d 技术在我国模具行业的应用已经有十多年的历史，国内冲模c a d 技 术的研究和应用系统开发基本上都是在二维图形环境下实现的。然而，二维设 计缺乏直观性，对于许多形状复杂零件的表达也很困难，而三维设计可以生成 和显示零件实体，形象地表达出模具设计方案和设计结果，便于对零件形状和 装配关系的观察与审核，能清晰地反映出设计者的思想，给产品的结构设计带 来很大的便利。因此，加强模具c a d 方面的研究，对于推动我国模具工业的发 展具有重大意义。 零部件三维模型的构建是实现虚拟设计和虚拟制造的基础。采用三维c a d 造型系统是实现产品三维设计的有效途径，而提高三维模型设计效率的最好方 法之一是参数化设计。参数化设计作为产品建模的一个重要手段在系列化产品 设计中得到较好的应用。利用参数化技术，可以较容易地实现零件的系列化设 计，从而可大大提高工作效率和设计的正确性。 为适应各类、各种模具的现代化生产，必须进行模具的标准化工作，即将 模具中的通用的零、部件设计成通用的标准，组织规模生产，以提高模具设计 和制造的效率，缩短模具生产周期，提高模具性能水平，这是现代模具生产的 必备条件。 本文以目前较为流行的v i s u a lb a s i c 6 0 为开发工具，对s o l i de d g e 进行二 次开发，探讨了基于s o l i de d g e 的模具标准件c a d 系统的开发方法及技术路径。 在研究s o l i de d g e 应用接口技术的基础上，将参数化设计技术和特征造型技术 运用于模具标准件的设计中，结合数据库，通过程序开发采用程序驱动和尺寸 驱动相结合的方法，完成了模具常用标准件的三维实体造型，交互界面友好， 山东大学硕士学位论文 用户可以通过输入或修改尺寸完成标准件的三维造型设计。 本文建立的模具标准件库由数据输入、数据显示、数据处理、标准件生成 等几个模块组成，并通过几个实例运行说明了其可行性，由此建立的模具标准 件库扩大了s o l i de d g e 的功能，使之更加适合国内中小企业三维产品的设计要 求，提高设计效率和设计水平，因此具有一定的使用价值和借鉴意义。 关键词：模具c a d 参数化设计标准件库s o l i de d g e 山东大学硕士学位论文 _ s 目! ! ! ! ! ! ! 自! l _ t _ e e ! 自! ! ! 自! 目目_ _ _ _ _ _ 目e 目| ! ! ! 自! l 目e _ _ p a r a m e t e r i z e d d e s i g nb a s e d o ns o l i d e d g e a n dt h ed e v e l o p m e n t o fd i es t a n d a r d p a r tl i b r a r y a b s t r a c t a sa l l i m p o r t a n tp a r to fa d v a n c e dm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g y , c a di st h em o s t h i g h c l a s sa n dn e wa p p l i c a t i o nt e c h n i q u ei nt h ef i e l do fe n g i n e e r i n gp r o j c o ta n d m e c h a n i c a le n g i n e e r i n ga n ds oo n w i t ht h ed e v e l o p m e n to f i n d u s t r y , m o r ea n dm o r e s t a n d a r dp a r t sa r eu s e di nt h ep r o d u c td e s i g n ，a n dm a n yk i n d so fs t a n d a r d p a r t s l i b r a r i e sa r ea d v a n c e da n db u i l ti no r d e rt oa v o i dr e p e a t e dl a b o r t h eb u i l da n du s eo f s t a n d a r dp a r t si n e r e a s et h e e 瓶c i e n c yo fd e s i g na n dm a t e d a l i z e t h ee c o n o m i cb e n e f i t o f c o m p u t e r - a i d e dd e s i g n t h ea p p l i c a t i o no fc a d t e c h n i q u ei nn a t i o n a lm o u l di n d u s t r yh a sah i s t o r yo f m o r et h a nt e ny e a r s ，a n dt h er e s e a r c ha n da p p l i c a t i o ns y s t e md e v e l o p m e n to fc a d f o rd i ea r ea l m o s tb a s e do np l a n a re n v i r o n m e n t ，h o w e v e r , t h e r ei sl a c ko f v i s u a l i z a b i l i t yi n2 - dd e s i g na n di t i sd i f f i c u l tt og i v ee x p r e s s i o nt oc o m p l e xp a r t s ， p a r t sm o d e l c a nb ec r e a t e da n ds e e ni n3 - dd e s i g n ，w h i c hc a r lv i s u a l i z ee x p r e s st h e d i ed e s i g ns c h e m ea n dr e s u l t ，c o n v e n i e n tt ot h eo b s e r v a t i o na n dc h e c ko f p a r t ss h a p e a n da s s e m b l y r e l a t i o n s h i p ，r e f l e c t t h ei d e ao fd e v i s e rc l e a r l ya n df a c i l i t a t et h e s t r u c t u r a ld e s i g no f p r o d u c t s t h u s ，w em u s ts t r e n g t h e n t h er e s e a r c ho fc a df o rd i e ， a n di th a sg r e a ts i g n i f i c a n c ei np r o m p t i n gt h ed e v e l o p m e n to f0 1 2 t d i ei n d u s t r y t h ec o n s t r u c to f3 - dm o d e lo f p a r t si st h eb a s i co f v i r t u a ld e s i g na n dv i m m l m a n u f a c t u r i n g t h e e f f e c t i v es o l u t i o nt ot h e p r o d u c t 3 一d d e s i g n i s3 一dc a d m o u l d i n gs y s t e m ，a n dt h eb e s tw a y t oe n h a n c et h ed e s i g ne f f i c i e n c yo f3 - dm o d e li s p a r a m e t e r i z e dd e s i g n p a r a m e t e r i z e dd e s i g ni sw i d e l yu s e d a sa n i m p o r t a n tm e a n s o f p r o d u c tc o n s t r u c ti nt h es e d a t ed e s i g no fp r o d u c t s t h r o u g hp a r a m e t e r i z e dd e s i g n t e c h n o l o g y , i ti sp o s s i b l et oe a s i l yc o m p l e t et h es e r i a t ed e s i g no fp a r t s ，s oe n h a n c e t h ew o r k e m c i e n c y a n dt l l ed e s i g nc o r r e c t n e s s i no r d e rt oa d a p tt h em o d e mm a n u f a c t u r eo fav a r i e t yo f d i e ，t h es t a n d a r d i z a t i o n o fd i em u s tb ec a r r i e do n ，t h a ti s ，m a k i n gu n i v e r s a ls t a n d a r di nt h ed e s i g n i n go f u n i v e r s a ld i ep a r t s ，t h e ns e t u pm a n u f a c t u r i n g ，w h i 吐c a ni n c r e a s et h ee 壤c i e n c yo f d i ed e s i g na n dm a n u f a c t u r i n g ，s h o r t e nt h ed i ep r o d u c e c y c l e ，i n c r e a s et h el e v e lo f d i e p e r f o r m a n c ea n dt h i si st h en e c e s s a r yc o n d i t i o no f m o d e m d i em a n u f a c t u r e i nt h i sp a d e r w i t ht h ed e v e l o p m e n tt 0 0 1o fv i s u a lb a s i c 6 0a n db a s e do nt h e i i i 山东大学硕士学位论文 d e v e l o p m e n t o fs o l i de d g e ，t h em e t h o do f e s t a b l i s h i n gc a ds y s t e mf o rd i es t a n d a r d p a r ti sa d v a n c e d b a s e do nt h er e s e a r c ho fs o l i de d g ea p i ，a p p l yt h ep a r a m e t e r i z e d d e s i g n a n df e a t u r e d m o u l d i n gt e c h n o l o g y t ot h e d e s i g n o fd i es t a n d a r d p a r t s ， c o m b i n e dw 曲d a t a b a s e ，u s et h ep r o g r a md r i v ea n dd i m e n s i o nd r i v em e t h o d t h e 3 - d s o l i dm o d e lo fd i es t a n d a r dp a r t sa r ea c c o m p l i s h e dt h r o u g hp r o g r a m w i t ht h e g o o di n t e r f a c e ，t h eu s e rc a nf i n i s ht h e3 - dm o u l dd e s i g no fs t a n d a r dp a r t st h r o u g h i n p u to ru p d a t et h ed i m e n s i o n t h ed i es t a n d a r dp a r t s1 i b r a r ym e n t i o n e di nt h i sp a p e ri sc o m p o s e do fs e v e r a l m o d u l e s ，s u c ha sd a t ai n p u t t i n g ，d a t ad i s p l a y i n g ，d a t ah a n d l i n ga n dg e n e r a t i o no f s t a n d a r dp a r t s f i n a l l y , t h i sp a p e rp r o v e dt h ef e a s i b i l i t yo ft h i ss y s t e mt h r o u g h s e v e r a le x a m p l e s b a s e do nt h i s ，i te x t e n d st h ef u n c t i o no fs o l i de d g e ，a n dm a k e si t t oa d a p tt ot h ed e s i g nr e q u i r e m e n to f m i d d l ea n ds m a l lb u s i n e s s ，e n h a n c et h ed e s i g n e f f i c i e n c ya n dl e v e l ，s ot h i ss t u d y h a sac e r t a i nu s ev a l u et oo u rs o c i e t y k e y w o r d s ：d i ec a dp a r a m e t e r i z e dd e s i g ns t a n d a r dp a r tl i b r a r y s o l i de d g e 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。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标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名：銎宝盘! 日期：圭翌竺丝! 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留或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 和借阂；本人授权山东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、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本 学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：蒌重量! 导师签名：日期：型算笙；7 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 制造业发展 进入2 1 世纪，以电子技术、信息技术、自动化技术、人工智能技术和新材 料技术为核心的新技术迅速发展，在制造领域内广泛渗透和开发应用，使制造 业的面貌发生了翻天覆地的变化。面对全球技术、经济、市场变革的挑战和机 遇，我们正处于新技术革命的巨大浪潮的冲击下。在这样一个历史时期，制造 技术在广泛吸收高新技术的优秀成果，并且相互渗透、融合和衍生，产生急剧 的变化，并不断用于改造制造业，使所制造的产品达到功能( f u n c t i o n ) 、交货期 ( y i m et om a r k e t ) 、质量( q u a l i t y ) 、价格( c o s t ) 、服务( s e r v i c e ) 均优良，即f t q c s 五个要素缺一不可。技术、经济竞争将成为世界各国竞争的焦点和社会发展的 主要动力，对制造业来说，竞争的核心将是新产品和制造技术的竞争【l 】。 进入新世纪后，国际关系走向多极化、经济全球化、科学技术进步和信息 社会的到来以及国际社会对人类赖以生存的资源和环境的高度重视，都促使世 界各国更加重视制造的社会地位和作用，重新审视其生产方式，对制造业的发 展提出了更高的要求和制约条件。随着人类工业文明的不断进步，制造业已成 为国家经济和综合国力的基础。它一方面直接创造价值，成为社会财富的主要 创造者和国民经济收入的重要来源；另一方面，它为国民经济各部门，包括国 防和科学技术的进步及发展提供先进的手段和装备【2 j 。2 0 0 年来，在市场需求不 断变化的驱动下，制造业的生产规模沿着“小批量一少品种大批量一多品种变 批量”的方向发展；在科技高速发展的推动下，制造业的资源的配置沿着“劳 动密集一设备密集一信息密集一知识密集”的方向发展。与之相适应，制造技 术的生产方式沿着“手工一机械化一单机自动化一刚性流水自动化一柔性自动 化一智能自动化”的方向发展。制造业的发达和先进程度是国家现代化的重要 表征【j f 3 1 。 2 0 世纪6 0 年代制造企业追求的目标是扩大生产规模，7 0 年代是降低生产 成本，8 0 年代是提高产品的质量。而9 0 年代以来，则企图以高科技含量、高质 量产品和快速响应能力来赢得竞争。制造企业必须同时具备四个方面的能力， 山东大学硕士学位论文 即时间竞争能力、质量竞争能力、价格竞争能力、创新竞争能力。因此，改进 产品功能、提高产品质量、缩短生产周期和新产品的研制开发周期、降低生产 成本、完善行销及售后服务，成为制造企业面临的共同任务。大力开展先进制 造技术的研究与开发，积极推动其成果的应用，合理组织企业中的人员、技术、 信息、资源，建立以提高企业综合效益为目标的新的生产方式是在日益激烈的 市场竞争中取得成功的关键。 先进制造技术是以人为主体，以计算机为重要工具，不断吸收机械、光学、 电子、信息( 计算机和通信、控制理论、人工智能等) 、材料、环保、生物以及 现代系统管理等最新科技成果，涵盖产品生产的整个生命周期的各个环节的先 进工程技术的总称，它面向包括机械制造、电子产品制造、材料制造、石油、 化工、冶金以及民用消费品制造等在内的“大制造业”，以提高对动态多变的产 品市场的适应竞争能力为中心，以实现优质、灵活、高效、清洁生产和提供优 质、快捷服务，取得理想经济效益为目标 2 1 。 从传统的制造技术发展成为当代的先进制造技术是社会进步技术进步的必 然结果，是世界各民族竞争与合作在制造领域的体现，也是制造技术发展的主 方向。9 0 年代以来，各工业发达和新兴工业化国家纷纷调整其技术政策，大力 发展先进制造技术，力图在国际大市场中多分享一份。其中具有代表性的有美 国的先进制造技术、关键技术( 制造) 计划、敏捷制造使能技术计划( t e a m ) ， 日本的智能制造技术( i m 8 ) 国际合作计划，韩国的高级先进制造技术计划( g 一7 ) 和德国的制造2 0 0 0 计划等。各种计算机辅助工具，如c a d c a m 、计算机辅助 工艺规划( c a p p ) 、计算机辅助工程( c a e ) 、计算机辅助检测( c a i ) 等以及各种 高效柔性生产设备，如直接数控( d n c ) 、计算机数控( c n c ) 、柔性制造单元 ( f m c ) 、机器人等发展得非常快。各种先进的集成化、智能化加工技术及装备， 如精密成形技术与装备、快速原型技术及系统、少无切削技术与装备、激光加 工技术与装备等进入了一个空前发展的阶段。作为综合加速企业内新产品开发 和生产过程的系统信息集成技术并行工程( c o n c u r r e n te n g i n e e r i n g c e ) 也 得到了应用与推广。随着人工智能( 专家系统) 、人工神经网络、模糊逻辑等计 算机智能的应用，制造知识的获取、表示、存储和推理已成为可能。智能制造 技术和智能制造系统( i m t i m s ) 的研究与开发以及在世界范围内蓬勃兴起，将 2 山东大学硕士学位论文 把集成制造推向高级阶段”11 2 。 随着电子、信息等高新技术的不断发展，随着市场需求个性化与多样化， 未来先进制造技术发展的总趋势是向精密化、柔性化、网络化、虚拟化、智能 化、清洁化、集成化、全球化的方向发展 1 1 1 3 。 1 2c a d 技术现状 c a d ( c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ) 是一种用计算机硬、软件系统辅助人们对产品 或工程进行设计的方法与技术，包括设计、绘图、工程分析与文档制作等设计 活动，它是一种新的设计方法，也是一门多学科综合应用的新技术。 1 2 1c a d 技术的发展 面对全球化市场的激烈竞争，人们将制造技术与信息技术、自动化技术、 现代管理技术与系统技术有机融合，逐渐形成了新一代先进制造技术。由于先 进制造技术的快速发展，带动了先进设计技术的同步发展，使传统c a d 技术有 了很大的扩展。先进制造技术已成为改善产品综合性能质量、提高企业敏捷性、 柔性的关键手段，它正推动着制造业进入信息化、自动化、智能化、敏捷化的 历史新时期。采用先进制造技术的企业必然将产品设计这个环节视作其生命线， 先进设计技术必然成为先进制造技术的核心之一。 c a d 技术中图形支撑软件发展的历程大致如下【4 】： 第一代c a d 系统出现于上世纪6 0 年代，这一代系统主要用于二维绘图， 其技术特征是利用解析几何的方法定义有关点、线、圆等元素。 第二代c a d 系统始于上世纪7 0 年代，这一代系统直到目前还在广泛应 用，其技术也还在不断发展，它们主要是二维交互绘图系统及三维几何造型系 统。在几何造型方面分别采用了三维线框模型、曲面模型和实体模型。在实体 造型上采用了实体几何构造法( c s g 法) 和边界表示法( b r e l ) 法) ，并在系统内 部采用了数据库技术，形成了商品化程度高的实用系统。 第三代c a d 系统始于上世纪8 0 年代中期，在建模方法上分别出现了特 征建模和基于约束的参数化和变量化建模方法，由此出现了各种特征建模系统 以及二维或三维的参数化设计系统，而且出现了这两种建模方法互相交叉、互 3 山东大学硕士学位论文 相融合的系统。这种系统常常在二、 部统一的数据结构及共同的数据库， 联性，以及c a d c a m 的信息集成。 三维模型之间以及与c a m 系统之间有内 因此做到了二、三维模型修改时的相互关 第四代c a d 系统始于上世纪9 0 年代中期，由于计算机硬件性能的不断 提高，c a d 系统及其相关技术获得了迅猛发展，在大、中、小型企业的新产品 设计、c i m s 应用工程及并行工程应用中大显身手，显示了它能担纲主角的能力。 我们从微机c a d 系统近年来在平台环境及功能两方面的发展所达到的水平，具 体描述第四代c a d 系统的概况。 1 微机c a d 平台环境 c a d 平台环境具有以下特点： ( 1 ) 有专用的转换接口平台的各功能模块间有统一的数据库或有专用的 内部数据转换接口，保证了各模块可以在集成状态下运行。 ( 2 ) 具备广域网上协同设计和虚拟设计的环境以及信息交换标准化。 ( 3 ) 有众多的增值软件它们中有些使设计环境更为完善，如各种国标的实 现、标准件库、符号库等等；有些是应用软件，如常用零部件设计、钣金件排 料及设计、模具设计等。增值软件越多，用户的开发工作就越少。 ( 4 ) 合作伙伴软件的无缝集成采用战略联盟的思想，由c a d 系统的主供 应商与最有优势的相关软件供应商组成的联盟，把一些优秀的支撑软件无缝集 成到主供应商软件系统中，使c a d 环境更完善。 ( 5 ) 良好的系统开放性提供多种接口和手段，方便用户做深入的二次开发， 例如提供制作界面的工具、内嵌的程序设计语言、图形数据交换接口等。 2 微机c a d 系统的功能 当前的微机c a d 系统一般己具备了以下功能：基于特征的三维参数化实 体建模功能：二维参数化及变量化设计功能；复杂曲面设计功能：装配设计功 能；文档管理和工作流控制功能等。正在开发并逐步推出以下新的功能： ( 1 ) 支持自顶向下( t o p d o w n ) 方式的产品设计发展质量功能配置软件 q f d ( q u a l i t yf u n c t i o nd e p l o y m e n t ) ，即将用户需求转换为产品设计要求、工艺要 求以及生产控制要求，以支持产品设计的需求分析及概念设计中的决策。发展 进行概念设计的有效工具，解决从概念设计到装配结构设计的映射问题，以便 4 山东大学硕士学位论文 有效地完成装配结构设计。 ( 2 ) 在c a d 的初始阶段就能考虑各种下游设计因素的d f x ( d e s i g nf o rx ) 工 具，并将它们与c a d 系统有机地集成起来。这些工具有d f p ( p r o p e r t y - - 性能) 、 d f a ( a s s e m b l y 一装配) 、d f m ( m a n u f a c t u r i n g 一制造) 、d f t ( t e s t 一试验) 、 d f q ( q u a l i t y - - 质量) 、d f c ( c o s t - - 成本) 、d f s ( s e r v i c e - - ) 暇务) 等。 ( 3 ) 加强c a d 系统的智能、发展智能c a d ( i n t e l l i g e n tc a d ，i c a d ) ( 4 ) 采用虚拟现实技术v r ( v i r t u a lp r o t o t y p e ) 进行设计。 1 2 2c a d 技术的应用 c a d 技术就其应用方式来说，可以分为两个层次。一个层次是通用性较强 的商品化c a d 基础软件，它应用范围很广，也称为通用支撑软件。另一个层次 就是专业的应用软件。它们有些是以通用的c a d 软件二次开发衍生而来。这类 软件的优点在于开发费用较低，商品化程度较高，实用性也很好。有些是根据 用户具体要求进行的专门设计，在不同的专业领域里有不同的内容【”。 目前，c a d 技术己广泛应用于国民经济的许多方面，成效显著。应用比较 普及的领域主要集中在工业制造、工程建设、电子电路、仿真模拟、广告设计、 轻工棉纺、服装设计、平面设计等，特别在科研部门，均采用c a d 技术实现智 能化和可视化的分析，例如： 在机器制造业中，飞机、汽车、轮船、航天器，机床和模具等产品及零部 件的设计全过程采用了c a d 技术。当前常用的c a d 系统集设计、绘图、分析 计算、仿真等为一体，设计人员只需坐在电脑前，充分发挥白己对产品的构思， 随心所欲地利用c a d 系统构建产品模型，加以分析计算，反复修改后，即可进 行产品的仿真运行，直至理想后输出图纸或加工代码即可。目前常用的这类系 统有u g i i 、i d e a s 、c a t i a 、p r o e 、c i m a t r o n 、s o l i d w o r k s 、m d t 、s o l i de d g e 、 高华c a d 、i n t e c a d 和x t m c a d 。 在建筑工程设计中，房屋、结构、桥梁、管线、大坝等都应用了c a d 技术， 特别是在结构设计中，很早就采用有限元方法进行强度分析。近年来随着计算 机硬件性能的增强，工程界复杂的图形处理工作文由c a d 软件进行。使工程建 筑设计采用虚拟现实技术，对建筑物进行抗震、抗风、防火、防水等分析研究 成为实用的现代化设计方法。这方面的系统主要有a b d 、p k d m 和a p m 等 8 】。 5 山东大学硕士学位论文 1 2 3c a d 技术的方向 ( 1 ) 集成化现代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。在开发制造系统时强调“多方面集成”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。 它涉及的技术如：数字化建模、产品数据管理、过程协调与管理、产品数据交 换、c a x 工具、d f x 工具等。 ( 2 ) 网络化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。目前已经出现了通过i n t e r n e t 实现跨国界模具设计的成功例子。 ( 3 ) 标准化c a d 、c a p p 和c a m 系统早先都是作为相互独立的系统发展起 来的。在这些系统中，物体的表示方式和信息的描述方法都不统一。因而将现 有的c a d 、c a p p 和c a m 集成时，在硬件、软件、接口、数据格式、存储和信息 传递的统一上十分困难。因此，需要制定一系列标准，包括图形标准、网络标 准、产品数据交换标准等，如计算机图形接口c g i ( c o m p u t e r g r a p h i c s i n t e r f a c e ) 、 图形核心系统g k s ( g r a p h i c sk e r n e ls y s t e m ) 和g k s 一3 d 、层次结构图形系统 p h i g s ( p r o g r a m m e r sh i e r a r c h i c a li n t e r a c t i v eg r a p h i c ss y s t e m ) 等；产品数据交换 方面的标准有：基本图形交换规范i g e s ( i n i t i a lg r a p h i c se x c h a n g es p e c i f i c a t i o n ) 和产品模型数据交换标准s t e p ( s t a n d a r d f o r e x c h a n g eo f p r o d u c t m o d e l d a t a ) ，使 各种c a d 软件的开发建立在这些标准化之上，这样，有利于开发新的集成的 c a d c a p p c a m 系统。 ( 4 ) 采用多处理机和并行处理方式，提高工作速度并行工程是提高生产效 率的有效方法，但传统的串行算法不适合处理并行工程，必须采用多处理机和 新的并行算法，以适应这种要求。 ( 5 ) 智能化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，也要实现人与系统的融合及人在其中智能的充分发挥。 ( 6 ) 可视化( 包括虚拟设计)是指运用计算机图形学和图像处理技术，将科 学计算过程中产生的数据及计算结果转换为图形或图像在屏幕上显示出来，并 进行交互处理的理论、方法和技术，它使往日冗繁、枯燥的数据变成生动、直 6 山东大学硕士学位论文 观的图形或图像，容易发挥人们的创造力。 ( 7 ) 快速成形技术r p m ( r a p i dp r o t o t y p i n g m a n u f a c t u r i n g ) 是基于逐层制 造原理，迅速制造出产品原型的女u 工技术，该技术与零件的烂体几何复杂程度 关系甚小，尤其在加工具有复杂曲面形状的产品时，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、功能实验，而且还可以通过形 状复制快速经济地制造出产品模具，从而避免了传统模具制造的费时、耗成本 的n c 加工，因而r p m 技术在现代制造中日益发挥着重要的作用。 2 i 世纪制造行业的基本特征是高度集成化、智能化、柔性化和网络化，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、最大限度的提高制造业的应变能力，及时满足用户的多样化需求 6 1 0 【1 4 】。 1 3c a d 技术在模具设计中的应用 随着产品对模具的要求愈来愈高，传统的模具设计与制造方法越来越不能 适应现代产品及时更新换代和提高质量的要求。因此，先进工业国家对模具 c a d c a m 技术的应用开发非常重视。早在6 0 年代初期，国外一些飞机和汽车 制造公司就开始了c a d c a m 的研究工作，投入了大量人力和物力，例如将c a d 用于飞机机身和汽车车身的设计。在此基础上，促进了c a d 用于复杂曲面的设 计方法的发展。许多大公司先后建立了自己的c a d c a m 系统，并将其应用于 模具的设计与制造帕】。 1 ) 利用几何造型技术获得的几何模型，可供后续的设计分析和数控编程等方 面使用； 2 ) 可以缩短新产品的试制周期； 3 ) 提高产品质量的需要； 4 ) 模具制造厂和用户对c a d c a m 的需要增加； 5 ) 模具加工设备的效率不断提高，需要计算机辅助处理数据，以提高设备利 用率； 6 ) 在企业中建立联系各个部门的信息处理系统。 7 山东大学硕士学位论文 1 3 1 国外冲模c a d 的发展 2 0 世纪7 0 年代，模具c a d c a m 技术得到学术界和产业界重视，陆续推出 了一些应用系统，如1 9 7 3 年美国d i e c o m p 公司研制了p d d c 连续模c a d 系 统。该系统的输入包括数字化的零件图、材料厚度和材料种类的代码与特性。 设计人员可以选择模具结构形式，方便地设计凸模、模芯和模架等。1 9 7 7 年捷 克斯洛伐克金属加工工业研究院研制了a k t 冲裁模c a d 系统，可实现单工序 模、复合模和连续模的设计，等等。 2 0 世纪8 0 年代以来，模具c a d 技术日益成熟，并朝着c a d c a m ，c a e 一 体化方向发展。1 9 8 0 年日本丰田汽车公司引入模具c a d ，c 刖系统，其冲模设 计部分主要运用三维几何造型和图形变换的功能。 目前国外通用的冲模c a d 软件有美国c o m p u t e rd e s i g n 公司开发的s t r i k e r 系统、新加坡c a d - - t o o t s 公司开发的v 6 系统等。其中s t r i k e r 系统和v 6 系统 都是基于a u t o c a d 平台开发的较实用的冲模设计软件。 1 3 2 国内冲模c a d 的发展概况 我国的冲模c a d 研究始于2 0 世纪8 0 年代。1 9 8 4 年华中理工大学研制了精 冲模c a d c a m 系统，1 9 8 5 年北京机电研究所研制了冲裁模c a d c a m 系统， 1 9 8 6 年上海交通大学和华中理工大学分别研制了冲裁模c a d c a m 系统；相继 又有西安交通大学、华中理工大学和上海交通大学等单位开展了拉深模和冲裁 一弯曲多工位级进模c a d 的研究。此外，国内其他一些研究机构也完成了一系 列的冲模c a d 系统。 到目前为止，先后通过国家有关部门鉴定的有精冲模、普通冲裁棋、辊锻模、 锤模和注塑模等c a d c a m 系统。但是，直到现在这些系统大多数仍处于试用 阶段，尚未在生产中推广应用。为迅速改变我国模具生产的落后面貌，今后应 继续加速模具c a d c a m 的研究开发和推广应用工作f f i j f l 2 j 【j 5 j 。 1 3 3 模具c a d c a m 的优越性 模具c a d c a m 的优越性使其得以迅速发展和广泛应用。无论在提高生产 率、改善质量方面，还是在降低成本、减轻劳动强度方面。c a d c a m 技术的 8 山东大学硕士学位论文 优越性是传统的模具设计制造方法所不能比拟的，其优点主要表现在以下几个 方面】【1 3 】【1 6 】： 1 )c a d c a m 可以提高模具的综合质量。 2 )c a d c a m 可以节省时间、提高生产率。 3 )c a d c a m 可以较大幅度地降低成本。 4 ) c a d c a m 技术将技术人员从繁冗的计算、绘图和n c 编程工作中解放 出来，使其可以从事更多的创造性劳动。 随着塑性成形过程计算机模拟技术的提高，模具c a d c a m ，c a e 一体化技 术可以大大增加模具的可靠性，减少直至不需要试模修模过程，提高模具设计、 制造的一次成功率。 1 4 模具c a d 与模具标准化 标准化是实现模具c a d 的必要条件。模具设计一般不具有唯一性。对于 同一产品零件，不同设计人员设计的模具不尽相同。为了减少数据的存储量， 在建立模具c a d 系统时首先要解决的问题便是标准化问题，包括设计准则的标 准化、模具零件和模具结构的标准化；有了标准化的模具结构，在设计模具时 可以选用媳型的模具组合，调用标准化模具零件，需要设计的只是少数工作零 件。标准化工作涉及的问题较多，有技术问题，也有管理问题。目前我国已颁 布“标准化法”，对于已公布的模具标准，模具c a d 中应予贯彻使用。 模具c a d 要求采用系统的、定量的设计方法，因此，种类繁多的成形零 件和成形工艺，以及缺乏系统的、定量的设计方法，是建立模具c a d 系统时遇 到的一个突出问题，解决这一矛盾的有效途径便是成组技术( g r o u pt e c h n o l o g y ， 简称g t ) 。 成组技术用于塑性加工，就是按照成形零件的形状、尺寸和材料的不同， 将其加以分类，根据各类成形零件的不同特点，采用不同的生产工艺和模具设 计方法。成组技术有助于以定量的方式表述现有的设计经验，建立系统的设计 方法。这样，就使得在现有技术发展水平上较容易建立模具c a d 系鲥6 】【1 3 【1 6 】。 9 山东大学硕士学位论文 1 5 本课题的研究意义与内容 1 5 1 本课题的研究意义 计算机辅助设计即c a d 技术已经成为企业提高创新能力，提高产品开发能 力，增强企业竞争能力的一项关键技术。大力推广应用c a d 技术、开展“c a d 应用工程”是我国“八五”和“九五”期间的重要项目。通过多年的推广和应 用，广大工程技术人员和设计人员在进行工程设计和产品开发过程中，已经离 不开c a d 技术了，但同时，设计人员在应用c a d 技术时，仍以二维绘图为主 要内容。这一方面解决了很多企业技术人员插图板的繁杂劳动，使他们从中解 放出来，为创新设计创造条件，使各个设计部门的效率得到了提高。但同时， 设计人员在使用c a d 技术时，也感到现实产品的设计构思都是基于三维空间 的，现在的设计人员要从三维现实空间构思出产品的造型，但又无法表达出来； 人们需要从三维转化成二维，以图形的形式提交给加工制造部门，这往往是既 费时，又费力，且不一定能准确反映现实实际，经常发生错误、碰撞和二义性。 同时，在产品开发的过程中，有限元分析、装配模拟、仿真、加工等都必须以 三维模型为基础。长期以来，三维c a d 软件价格昂贵，对技术人员要求高，除 了在一些大型企业中应用，广大中小型企业因为资金、设备、人员等方面的因 素而得不到应用 s j o 在机械产品设计中，往往涉及到大量标准零件的选用问题。在设计过程中， 常常将大量的时间和精力花在设计标准零件上。其工作重复而繁琐，大大延缓 了产品开发周期，不能充分利用c a d 技术的优越性。 随着工业技术的飞速发展和市场竞争的日益剧烈，产品对模具的要求愈来 愈高，产品由原来单一品种、大批量生产模式转向多品种、小批量、高质量生 产模式，因此要求模具设计和制造周期短、精度高、结构复杂。传统的模具设 计与制造方法已不能适应市场的需求。因此，国外许多先进国家将c a d 应用于 模具设计，将c a e ( c o m p u t e r a i d e d e n g i n e e r i n g ) c a m ( c o m p u t e r a i d e d m a n u f a c t u r i n g ) 应用于模具工艺及制造技术中，美国、日本及西欧等工业先进国 家c a d 技术在模具业的应用已相当普遍，模具c a d 软件也已成为商品化软件， 从而把模具设计与制造推向了一个崭新的领域。 1 0 山东大学硕士学位论文 随着计算机的发展和c a d 技术应用水平的提高，原有的二维技术已无法满 足日益发展的技术需要，三维造型设计日趋成熟，为高层次应用提供了可能。 近几年出现的许多优秀的三维造型软件，如美国p t c 公司的p r o e ，a u t o d e s k 公司的m d t ，e d s 公司的u g i i 等，它们除了提供强大的实体造型功能外，还 提供了二次开发工具，如m d t 提供了v b a ，a u t o l i s p ，o b j e c t a r x 等多种二 次开发工具，这为在三维环境下建立模具c a d 系统提供了可能。传统的二维模 具c a d 软件虽将设计人员从繁重的手工中解放出来，提高了设计效率和质量， 但对形状复杂的零件设计和装配干涉等方面容易出现问题，设计过程中难以发 现。