英文翻译译文-级进模中嵌件的自动化设计

高级制造技术（2006）28：279285DOI 10.1007/s00170-004-2370-6 原创文章R.D. Jiang B.T. Lauw A.Y.C. Nee级进模中嵌件的自动化设计收到：2004年6月19日/接受：2004年8月11日/网上公布：2005年4月13日施普林格出版社伦敦有限公司2005年摘要 当冲床上下移动时，嵌件是生产钣金零部件的真正工作部件。级进模的复杂程度、制造费用以及耐用性很大程度上决定于嵌件的数量及分布排列方式。此外，还极大地依赖于嵌件的结构及其装配方式。因此，对一个设计师来说，在设计嵌件过程中的一个关键问题是对模具质量及其生产能力的设计。在这篇文章中，灵活完整的表达了一个嵌件设计方案。并对嵌件和其他部件之间复杂的装配约束关系进行了分析。并介绍了所应用的自动化设计方法，基于知识库的近似设计法。最后给出了利用该设计方法得到的一些结果。关键词 嵌件设计；基于知识库的系统；级进模1前言级进模是一种经济、高效的生产工具，主要用于钣金零件的大批量生产。一个级进模中包含两个或两个以上工位，以便于在一次冲压中完成尽可能多的操作。随着计算机技术的发展,，通信、电子市场对精密金属冲压配件以及注塑配件的需求越来越大。为了提高级进模设计师的设计能力，世界各地的专家花费了大量的时间和精力试图发展用于模具的计算机辅助设计系统(CAD)和制造系统。在早期的研究工作中，这种系统主要是用于进行图形绘制工作和数控程序的编制。大部分重要的决断，例如对所设计零件的冲压成形性的评估，以及棑样设计还是由用户自己完成。这是由于人类的知识储备尚未纳入到这个系统。20世纪80年代后期以来，来自几所大学和科研机构的学者开始利用人工智能系统创建级进模自动化设计系统。然而，这些系统的功能非常有限，他们仅可以处理部分只需要冲孔、切除操作的零件，或者几何形状相对简单的零件。有些系统仅能用于某些特定零件的自动化设计。这些系统需要由经验高度丰富的设计师在设计过程中进行输入操作。最近，一些研究报告报道了自动化的计算机辅助设计(CAD)系统、电气产品的计算机辅助工艺规划系统，以及计算机辅助设计/计算机辅助工艺规划/计算机辅助制造(CAD / CAPP / CAM)系统集成在一起的冲压模具设计及制造系统。他们中的有些人已经开始致力于开发用于模具嵌件的表征和设计的自动化系统，以减少设计时间。设计一个高度自动化、高精度、高灵活性的级进模,必须要有一个从建模到最后成果输出都能应用的一体化设计系统。此外，必须建立各个零件和装配体的模型，以实现装配及约束关系在整个设计和编辑过程中的自动化。这对于生产率的提高是特别重要的,因为设计方案的改变很多时候是由于产品的改变，或者模具结构以及布局的改变。基于对象模型、规则和算法的设计必须纳入这个系统，以促进设计自动化和装配自动化。本文着重论述了嵌件的自动化设计，它在整个级进模设计过程中占有很大的比重。级进模的复杂程度、制造费用以及耐用性很大程度上决定于嵌件的数量及分布排列方式。此外，还极大地依赖于嵌件的结构及其装配方式。因此，对一个设计师来说，在设计嵌件的过程中的一个关键问题是对模具质量及其生产能力的设计。在这篇文章中，灵活完整的表达了一个嵌件设计方案。并对嵌件和其他部件之间复杂的装配约束关系进行了分析。并介绍了所应用的自动化设计方法，基于知识库的近似设计法。最后给出了利用该设计方法得到的一些结果。2 嵌件的特征2.1 面向对象的嵌件设计面向对象的方法(OOM)是一种研究物体的内在状态及运动形式的哲学系统。对象是由许多不同的组成部分构成的一个系统，这个系统提供了一套属性定义其状态和一套方法用于处理其状态，如图1。物体的一个系统可以分成若干个组，每个组所分享的对象相关特性叫做“对象集”。它是我们所有研究与分析对象的构成信息及交互作用信息的集合。面向对象的方法有四个基本特点:封装性、继承性、多态和动态绑定。面向对象设计方法要达到的最终的目标是：从现有的组件建设新的业务解决方案。现有的组件采用不同的方式相结合的方法，以满足新的用户群体的需求。必须开创全新的功能以建立新的解决方案。 按照其功能，嵌件可分为凸模芯、模衬、脱模衬套、夹紧镶块等。每个类别的嵌件有着不同的功能。基于不同的冲压操作，嵌入可分为冲孔嵌件、冲裁嵌件、弯曲嵌件、冲缘嵌件、压花嵌件等。对于所有这些嵌件的一个完整的描述，必须包含它们所有的共同特征，这些嵌件的设计和装配才能很容易的按计划进行。从嵌件设计的角度来讲，一个普通的嵌件一般具有具有以下三种基本特征：(1)本质属性；(2)基本成分；(3)装配约束属性。图2表示了嵌件的基本属性。本质属性所包含的内容是相当广泛的，包括材料要求、硬度要求、数量要求、说明书和修订信息等。所有这些信息对图纸的自动生成及材料明细表的创建都是非常重要的。组成属性是嵌件配置的核心特征，它由嵌件主体、轴肩、减震部分、螺栓、脱模器、传动销等组成。嵌件的主体包含一系列的三维几何特征。定义了三种类型的几何关系：并集、差集和交集。我们用fa 和 fb来表示这三种属性。并集fu中包含fa和fb 而交集fs中包含从fa中除去fb后所剩余的部分，差集表示的是面特征和整个实体之间的关系。图3表示了一个嵌件主体的构造方式。这个嵌件由基础块(实体0)，冲孔（实体1）和上端压印（实体3）构成。实体0和实体1之间的几何关系是差集，实体0和实体2之间的关系是并集，基础块0的上端面与实体2之间的关系是交集。2.2 嵌件的轴肩轴肩是一种基础的主体部件，之所以被定义为一种专门的部件是因为它被广泛的应用于嵌件的设计。因为引入轴肩的定义，许多设计方法和准则可以并入到轴肩的设计中，这可以使嵌件的设计更加容易、简单。和嵌件主体一样，轴肩也对整个嵌件起着积极或者消极的作用。根据这种关系，不论在垫板上是否有一个属于轴肩的排料逃孔，这些轴肩都被分为四种类型，如图4。类型A是一种对嵌件整体起积极作用的轴肩，在垫板上有一个与轴肩对应的排料孔;类型B是一种起消极作用的轴肩,在垫板上没有相应的排料孔；类型C是一种起积极作用的轴肩,但是在垫板上没有相应的排料孔，这是因为这种轴肩与另一种起消极作用的轴肩相配合；类型D可以看做是一种针对垫板厚度的高精度轴肩，这种轴肩结构需要一个穿透的排料孔。有三种类型的规律可以用于轴肩的自动化设计：（1）轴肩的几何结构；（2）轴肩的侧向分型计算；（3）轴肩的开放式设计。2.3 嵌件的螺栓 螺栓也是一种在级进模设计过程中经常使用的零件。在级进模装配过程中，它是一种主要用于联接和紧固不同部件的标准件。在一幅装配图中，螺栓的表达是比较简单的。面向对象的螺栓表达方法见图5。 螺栓的属性主要包括螺栓的类型、装配方式、直径、长度、安装位置等。“记录设计法”主要用于设计紧固件，运用这种方法时需要一个叫做“选择紧固件”的选择程序，这个程序可以在设计过程中从零件库调出合适的标准紧固件。有些规律是关于如何调取标准紧固件的，比如螺距，螺栓孔等。所采取的方法主要取决于螺栓的类型以及螺栓结构的关键参数。举例来说，比如采用的是日本三住公司的产品目录，螺栓类型为“CB”，那么系统将会在三住公司的产品目录中搜索和自动匹配关键词“CB”。还有许多方法，都可以用于调取螺栓标准件。根据螺栓与其他组件联接方式的不同，装配体被分为了若干种不同的类型。这对于紧固件及其装配体的自动化设计及装配是相当有用的。图6表示了螺栓装配方式的几种类型，其中类型A、B、E、F是直接连接件带有台阶孔的螺栓装配方式，类型B和类型D是主要应用于通孔的联接方式，类型E与类型F主要用于与其他组件的联接。3 嵌件的装配模型作为嵌件设计的最后一个部分，嵌件主体、螺栓、脱模器、定位销等零件的装配是整个设计的主要组成部分。这部分将列举一些垫板和嵌件的装配方式，嵌件和垫板的装配对装配水平的要求是很高的。为了确保所有冲压制件具有较高的精度及表面粗糙度，每个嵌件与其他组件及垫板，还有完成同一个动作的其他嵌件之间必须保证完全的约束关系。这些完全约束关系可以分为两种:（1）与垫板的约束关系。一个嵌件可能同时与若干个垫板存在约束关系，例如在一个典型的冲压模设备中,凸模芯必须包含以下几种约束关系，与支撑垫板的约束关系，与脱模板的约束关系，与玻璃器的约束关系，或者与这些组件上的一些部件的约束关系。如果这些嵌件含有顶出器的话，附加板块是上模的备份。图7a表示了一个垫板和插入其中的嵌件之间的约束关系。(2)与完成同一个动作的其他嵌件之间的约束关系。举例来说,完成一次冲压操作可能需要若干个部件的参与，比如冲压机，模具，剥离器和一个关键的嵌件。此外，某些嵌件和剥离器可能需要分成几个小的嵌件以便于制造。因此，一个很小的钣金特征可能需要好几个嵌件的协同操作才能完成。这种关系可以看作是一个嵌件群内所有嵌件的直接约束关系，如图7b所示。为了保持这些直接约束关系并对其进行关联分析，最好的办法是在同一个特征操作下给这些嵌件建一个嵌件群。当其中一个特征操作被修改或者移动后，与此特征相关的其他特征信息也会自动修改或者移动。 因此，整个模具装配可被看作两个主要子装配。一个是垫板子装配，在模具装配中被称为嵌件和垫板的水平装配。另一个子装配是嵌件群子装配，如图7b所示。垫板子装配又可以分为标准件垫板子装配和非标准件垫板子装配。非标准件垫板子装配和嵌件群的装配可能用到同一个嵌件，这个嵌件将交替的用于两种装配。图8表示了模具装配中的这种分级装配关系。4 基于知识库的嵌件自动化设计嵌件设计的最基本要求是首先要确定模具的结构及运行方式。这是因为嵌件和垫板以及其他组件之间都存在完全约束关系，正如我们上面所讨论的一样。举例来说,对于一个典型的模具结构,其剪切冲头的长度是由冲压机支撑垫板，剥离器垫板及脱料板共同决定的，如下面的公式所示： 字母f表示该公式用于剪切冲头的长度计算，Lp表示冲头长度，、分别表示冲压机支撑垫板、剥离器垫板及脱料板的厚度，表示下死点，t表示金属薄板的厚度，表示卸料板的槽深。根据图2对嵌件的表述，嵌件设计主要分为以下几个部分：1. 把设计目标画图表达出来2. 根据特定的设计准则设计嵌件主体3. 根据嵌件所要实现的功能设计其他零件4. 嵌件的装配设计这些过程被称为操作规程。对于每一个特定的操作规程，第一步都是创建这段规程中所需的零件，第二步是设计这些零件和垫板及其他零件的约束关系。同一个嵌件群内嵌件的分布序列设计描述如下：1.设计嵌件群的运转方式2.设计冲床嵌件3.设计模具嵌件（如果需要）4.设计剥离器（如果需要）5.设计夹紧嵌件（如果需要）6.设计其他嵌件（如果需要）7.设计嵌件群的离合嵌件（如果需要）在各种嵌件的设计中，这个过程可以通过算法及设计规则实现设计自动化。这将大大的缩短设计周期，因为在整个模具设计中嵌件设计占有很大一部分。图9所示为一个用于挤压成型嵌件试样的设计程序,这个程序用于确定挤压成型嵌件的冲缘冲头的类型及直径。 图10显示了几种用于计算嵌件轮廓的算法类型，与其他用于选择的算法程序配合使用，可以自动生成嵌件轮廓。图片中打剖面线的部分为作用区域。类型A的算法是基于作用区域的安全的各向抵消；类型B用于控制各种嵌件；类型C可以实现对作用区域的质心的控制；类型D和类型A相似。作用力c和作用力d主要作用于金属薄板的边缘。 另外，还有一个修正方法可以用于嵌件的各个部位的设计，如下所示：在这个公式中，ij的组合方式有四种：LT、LB、RT、RB分别表示嵌件轮廓的四个不同部位，左上面、左下面、右上面、右下面就是这种模型S、F、C分别表示尖角，圆角和倒角。p表示圆角或倒角。5 案例探究以一个双压印的嵌件布局设计为例，所有这些嵌件的设计可以通过一定的规律和算法实现自动化。如上一部分所描述的一样，这个设计过程包括全部约束关系的设计。在几秒钟之内可以实现对50个嵌件的自动化设计。图11a表示在二维界面中所有嵌件的自动化设计的设计流程。图11b是几个工位及其相应嵌件的放大图。这些嵌件包括冲头、模具、模板、销钉，还有其他一些组件，如螺栓和轴肩等。在各种垫板和嵌件上的缺口，排料孔，减震器等组件也都是自动装配，如图所示。图12是这个案例的模具垫板和嵌件的三维模型。这个图片中的模具垫板也是通过一个可以复制和编辑的设计模板来自动生成。 另外,所有嵌件和特征的图纸都可以通过绘图输出模块输出。图13显示了图纸自动输出的界面，设计过程中所有自动生成的非标准嵌件的图纸都在这个界面中输出。一些信息，例如每个嵌件的编码和特征描述，可以从嵌件特征中直接取得。通过这个界面，所有非标准件的图纸都可以通过菜单栏中的某些模块自动生成。特征信息用文本、明细表来表示；其他一些CAM系统及数控自动编程系统可以自动识别的形式在图纸中表示出来。6 结语本文系统的介绍一种面向对象，基于特征的嵌件自动化设计方案。这个系统考虑了各个组件在垂直及水平方向上的全部关系，以及嵌件组件（轴肩、螺栓等）的外型轮廓和结构的设计方法及设计准则。利用这些特征表述和设计方法，开发了一种自动化的嵌件生成模块。这个模块能够对多种组件进行自动设计，如凸模芯、模衬、脱料板等。把嵌件