（机械设计及理论专业论文）基于SolidWorks的冲模CAD系统的研究与开发.pdf

摘要 冲压模具是模具工业的重要组成部分。本文在分析和总结国内外冲压模具设计制造 的基础上，对冲模c a d 系统的设计方法和实现技术进行了研究。并选取基于三维的实 体建模工具s o l i d w o r k s 为开发平台，以v b 为开发语言，开发了冲模c a d 系统。主要 内容包括： 1 结合制造业及c a d 技术的发展状况，论述了冲模c a d 的研究现状，分析了存 在的主要问题，指出了冲模c a d 的发展趋势和研究内容，并给出了解决思路； 2 介绍了冲压模具的设计知识、支持冲模c a d 系统开发的相关设计技术。并结合 冲模结构设计方法和特点，构建了基于模块化的冲模c a d 系统的体系结构及功能模型； 3 研究冲模c a d 系统开发中的模块化设计技术。实现了基于模块化的冲模零部件 实例规划、模块化的数据建模和基于模块化的冲压模具变型设计方法； 4 对s o l i d w o r k s 的二次开发技术、冲模c a d 系统的数据库技术和基于v b 的数 据库开发及应用等进行了详尽的论述； 5 介绍了冲模c a d 系统的功能模块，给出了系统的几个主要界面，最后通过几个 设计实例说明了系统的功能及操作方法； 6 对本文所进行的工作做了总结，指出了不足之处，并对将来的工作进行了展望。 关键词：c a d冲压模具模块化设计二次开发 a b s t r a c t s t a m p i n gd i ei sav e r yi m p o r t a n tp a r ti nd i ei n d u s t r y b a s e do na n a l y z i n ga n ds u m m a d z e t h ed e s i g na n dm a n u f a c t u r eo f s t a m p i n gd i eo f h o m ea n da b r o a d ，t h i st h e s i ss t u d i e st h ed e s i g n m e t h o da n dr c a l m i n gt e c h n i q u eo fs t a m p i n gd i ec a ds y s t e m c h o o s i n gs o l i d w o r k sa st h e d e v e l o p i n gp l a t f o r m ，u s i n go fv ba st h ed e v e l o p i n gp r o g r a m m i n gl a n g u a g e ，t h i st h e s i s d e v e l o p sa ne a s ya n du s e f u ls t a m p i n gd i ed e s i g nc a ds y s t e m t h em a i nc o n t e n t so f t h i st e x t a r ea sf o l l o w s ： 1 c o m b i n e d 、砘t ht h ea c t u a l i t ya n dt e n d e n c yo fa d v a n c e dm a n u f a c t u r i n ga n dc a d t e c h n o l o g y , d i s c u s s i n ga n da n a l y z i n gt h ed e v e l o p i n gd i r e c t i o na n dm a i nd e f i c i e n c yo f s t a m p i n gd i ec a dt e c h n o l o g yi nd e t a i l e d b a s e do na b o v ea n a l y s i s ，s o l u t i o n st om e e tt h e g o a l sa n dd e s c r i b em u t u a lt h e o r ya r eo f f e r e d 2 o nt h eb a s eo fp r e s e n t a t i o no fs t a m p i n gd i ed e s i g nk n o w l e d g ea n dd e s i g nt e c h n i q u eo f s t a m p i n gd i ec a ds y s t e m , af u n c t i o n a lm o d e la n ds y s t e mc o n f i g u r a t i o no f s t a m p i n gd i ec a d s y s t e ma r eb u i l t 3 r e s e a r c h i n gt h et e c h n i q u ea n dm e t h o do fm o d u l a rp l a n n i n gs t a m p i n gd i ec a ds y s t e m , w h i c hi n c l u d ep l a n n i n gp r o c e s sa n dd i v i d i n gm e t h o do f s t a m p i n gd i ea c c e s s o r y , m o d u l e sd a t a m o d e lt e c h n i q u ea n dt h ek e yt e c h n i c a lp r o b l e mi nv a r i a n td e s i g nb a s e do nm o d u l a r i z a t i o n 4 t h et e c h n i q u eo ft h r e ep a r t yd e v e l o p m e n tb a s e d0 1 1s o l i d w o r k s ，t h ed a t a - b a s e m a n a g e m e n to f s t a m p i n gd i ec a ds y s t e ma n dt h ed e v e l o p m e n to f d a t a - b a s eb a s e do nv b a r e i n 仃o d u c e d 5 f i r s t l y , t h ef u n c t i o nm o d e l so fs t a m p i n gd i ec a ds y s t e ma r ci n 打o d u c e d t h e ns o m e m o s t l yi n t e r f a c ea g eo f f e r e d a tl a s t , i no r d e rt os h o wt h ed e s i g n i n gm e t h o d sa n dw o r kr e s u l t s ， t h ed i s s e r t a t i o ng i v e ss o m ee x a m p l e s ，b yw h i c h , t h ef u n c t i o n sa n dd e s i g np r o c e s so ft h e s t a m p i n gd i ec a ds y s t e mc a nd e e p l yb ek n o w n 6 s u m m a r i z i n gt h ew o r ko ft h i sd i s s e r t a t i o n , s o m es h o r t c o m i n g sa n df u t u r ew o r ka r ca l s o s k e t c h e do u t k e y w o r d s ：c a ds t a m p i n gd i e m o d u l a rd e s i g n t h r e ep a r t yd e v e l o p m e n t 2 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得天 津理工大鲎或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示了谢意。 日 学位论文作者签名：彬1 签字日期： 砷年月 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解天津理工大学有关保留、使用学位 论文的规定。特授权天津理工大学可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手 段保存、汇编，以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送 交论文的复本和电子文件。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： n 缈) 签郑期：川年7 月】7 日 导师签名：高肇事 签字昱貉7 年( 忌占日 第一章绪论 第一章绪论 模具工业是国民经济中重要的基础工业，模具设计与制造水平的商低是衡量一个国 家综合制造能力的重要标志。工业发达国家对模具工业都极为重视，但是传统的模具设 计和制造手段落后，使产品开发周期过长，开发成本居高不下，不能很好地适应市场要 求，严重制约产品的开发，解决这些问题最有效途径就是在产品开发过程中应用模具 c a d c a m 技术。模具c a d c a m 技术被认为是现代模具技术的核心的和重要的发展方 向，成为c a d c a m 技术发展中最具活力、创造效益最高的应用领域，同时模具工业也 是c a d c a m 技术最普及、应用最成熟的行业之一。 本章将从c a d c a m 技术概述、模具c a d c a m 研究的现状和发展趋势等几个方面 入手引出本课题的研究背景和主要工作。 1 1c a d c a m 技术概述 c a d c a m ( 计算机辅助设计及制造) 技术产生于本世纪5 0 年代后期发达国家的航空 和军事工业中，随着计算机软硬件技术和计算机图像学技术的发展而迅速成长起来。 1 9 8 9 年美国评出近2 5 年间当代十项最杰出的工程技术成就，其中第四项就是c a d c a m 技术。1 9 9 1 年3 月2 0 e t ，海湾战争结束后的第三个星期美国政府发表了跨世纪的国家关 键技术发展战略，列举了6 大技术领域中的2 2 项关键项目，认为这些项目对于美国的长 期国家安全和经济繁荣至关重要l l 】1 2 】。而c a d c a m 技术与其中的两大领域i i 大项紧密相 关。近三十几年来c a d 技术和系统有了飞速的发展，c a d c a m 的应用迅速普及。在工 业发达国家，c a d c a m 技术的应用己迅速从军事工业向民用工业扩展，由大型企业向 中小企业推广，由高技术领域的应用向日用家电、轻工产品的设计和制造中普及。而且 这一技术正在从发达国家“流向”发展中国家。 c a d ( c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ) 是一个包括范围很广的概念，它是一种用计算机硬、 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，是一种新的设计方法，也是- - i 1 多学科综合应用的新技术【3 j 。概 括来说，c a d 的设计对象有两大类，一类是机械、电气、电子、轻工和纺织产品；另一 类是工程设计产品，即工程建筑，国外简称a e c ( a r c h i t e c t u r c ，e n g i n e e r i n ga n d c o n s t r u c t i o n ) 。而如今，c a d 技术的应用范围己经延伸到艺术、电影、动画、广告和娱 乐等领域，产生了巨大的经济及社会效益，有着广泛的应用前景。 c a d 技术涉及的领域遍及计算机科学、计算机图形学、机械学、现代设计方法等多 个学科领域，c a d 技术在机械设计领域的应用包含了从产品的方案决策、结构设计、性 能分析、功能仿真，直到工艺设计的全部过程，在设计过程中贯穿着综合、分析、评价 三项活动，是完整的技术系统1 4 1 。回顾c a d 技术发展历史，一方面c a d 技术本身发展十 分迅速，产生许多新思想、新方法。另一方面c a d 技术不断和其他技术融合，从其它领 第一章绪论 域吸取先进的理念，使c a d 技术更加成熟完善。随着计算机软硬件技术的发展，c a d 技术从二维平面绘图发展到今天的三维集成产品模型，经历了二维平面图形设计、交互 式图形设计、三维线框模型设计、三维实体造型设计、自由曲面造型设计、参数化设计、 特征造型设计、变量化设计等的发展过程【5 1 。 c a d 技术起步于2 0 世纪5 0 年代后期 6 1 。1 9 6 3 年美国麻省理工学院c m i t ) 的研究生 l e s u t h e d a n d 在他的论文人机对话图形通信系统首次提出了c a d 的概念。6 0 年代后 c a d 技术随着在计算机屏幕上绘图成为可能而开始迅速发展。随着c a d 系统介入产品设 计过程的程度越来越深，系统功能越来越强，逐步发展成为真正的计算机辅助设计。 三维c a d 系统出现于6 0 年代，当时只是极为简单的线框式系统，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。7 0 年代飞机和汽车工业的蓬勃发展给三 维c a d 带来了良好的机遇。为了解决飞机和汽车设计制造中遇到的大量自由曲面问题， 法国人提出了贝赛尔算法。法国的达索飞机制造公司的开发者在二维绘图系统c a d a m 的基础上，提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 。c a t i a 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，首次实现了在计算机内较完整地描述产品零件的主要信息，同时也为c a m 技术的开发打下了基础。 7 0 年代末n 8 0 年代初，c a d 和c a m 技术有了较大发展。s d r c 公司于1 9 7 9 年发布了 世界上第一个完全基于实体造型技术的大型软件一i d e a s 。实体造型技术能够精确地表 达零件的全部属性，有助于统一c a d 、c a e 和c a m 的模型表达。进入8 0 年代中期，c v 公司提出了一种比无约束自由造型更加新颖的算法“参数化实体造型方法”。参数技 术公司( p a r a m e t r i ct e c h n o l o g yc o r p ，p t c ) 推出的p r o e 是世界上第一个采用参数化技术 的c a d 软件，它第一次实现了尺寸驱动的零件设计。 9 0 年代初，s d r c 公司的开发人员以参数化技术为蓝本，提出了“变量化技术”， 推出了全新体系结构的i d e a sm a s t e rs e r i e s ，它以实体造型系统为核心，集设计、仿真、 加工、测试、数据库为一体，可以实现比较完美的集成。在此期间，还相应发展了一些 与制造过程相关的计算机辅助技术，包括计算机辅助工艺规程( c a p p ) 、计算机辅助工装 设计、计算机辅助质量控制( c a q ) 、计算机辅助工程( c a e ) 等 - q 。现代产品的设计方法学 例如并行设计、协同设计、智能设计、虚拟设计、敏捷设计、全生命周期设训等以及信 息技术进一步发展，使c a d 技术正朝着集成化、智能化、协同化的方向发展。 c a d 技术推动了几乎一切领域的设计革命，无论是在机械、电子、轻纺产品设计或 是文体、影视广告类的制作，其应用都获得巨大的成功，产生了巨大的社会经济效益。 在机械制造行业，近年来，随着信息技术的发展，c a d 技术也成为先进制造技术的重要 组成部分，成为企业信息化的重要基础技术，是企业进入国际市场的入场券。c a d 技术 的发展和应用水平己成为衡量一个国家科技现代化和工业现代化的重要标志。 2 第一章绪论 1 2 模具c a d c a m 技术 1 2 1 模具c a d c a m 技术的基本概念 冲压是一种重要的加工方法。它通过模具对板材施加压力或拉力，使板材塑性成形； 有时是对板材施加剪切力而使板材分离，从而获得一定尺寸、形状和性能的零件。 冲压加工在国民经济的加工工业占有重要的地位【s j 。根据统计，冲压件在各行业中 均占相当大的比重，尤其在机车、电机、仪表、军工、家用电器等方面所占比例更大。 冲压工艺是通过冲压模具来实现的，因此做好模具设计是冲压工艺中一项关键工作。模 具设计主要是确定模具的类型、结构和模具零件的选用、设计和计算等。 模具设计过程包括产品零件工艺性分析、毛坯展开、毛坯排样、工序设计与排序、 工艺方案选择、压力与压力中心计算、模具结构设计与绘制模具图纸等。用手工设计模 具时，模具设计的质量与效率全部依赖于人的经验与熟练程度，因此不仅模具设计时间 长，而且由于人的失误可能造成模具报废。至于用传统方法加工模具，更需要熟练的技 巧和繁重的钳工劳动，生产周期长。基于上述情况使得模具的加工质量和数量远远满足 不了目前工业发展的需要，为此必须采用计算机辅助设计方法进行模具设计。 模具c a d c a m 是计算机技术综合应用于模具设计制造的一个飞跃 9 1 ，其主要特点 是模具设计与制造一体化，即综合计算机化。模具c a d 是利用计算机进行模具设计的一 项技术。指在c a d 系统软、硬件支持下辅助设计者完成模具的全部设计过程，最后输出 符合设计要求的设计结果和产品图样。采用模具c a d 技术可实现由经验设计向优化设计 转换。模具c a m 是能够利用计算机对制造过程进行设计、管理以及控制。模具c a d c a m 就是把模具的设计和制造这两项分离的任务有机地接合在一起。 在模具c a d c a m 系统中，产品的几何模型是产品的核心数据，并作为整个设计、 计算、分析中最原始的数据。通过模具c a d c a m 系统的计算、分析和设计得到的大量 信息，运用数据库和网络技术将其存储的直接传送到生产制造环节的各个有关方面，从 而实现模具设计制造一体化。图纸不再是设计与制造环节的分界线，也不再是生产过程 的唯一依据，图纸被简化，甚至最终消失。目前，模具c a d c a m 己被公认为是现代模 具技术中重要的基础之一，是模具生产中的重大技术革命，是模具生产走向全面自动化 的根本措施”0 1 。 模具c a d 系统给设计人员提供了一个高效的设计环境，使人的创造力获得完美的发 挥，摆脱了大量繁琐的重复性绘图工作，更重要的是改变了传统的图纸、实物传递方式， 从而大幅度地提高了模具设计制造质量，对于传统的模具设计是一次重大变革。它是自 电力革命以来最具有生产潜力的工具之一，也是未来模具行业继续生存和发展的战略前 提【l l 】。 第一章绪论 1 2 2 模具c a d ，c a m 技术的优点 模具工业是现代制造业的基础。随着现代制造技术的飞速发展，对模具的要求越来 越高，模具压力加工以其高度自动化和高生产率两大优点而备受各工业化国家的高度重 视。随着对冲压件要求的不断提高，对模具也提出了更高的要求，传统的模具手工设计、 制造、管理方法已不能适应模具工业现代化的要求，在模具行业中引入先进的c a d c a m 技术成为模具工业发展的必然之路。 采用计算机辅助模具设计和计算机辅助模具制造将带来如下优点【”。1 4 j 。 ( 1 ) 提高产品质量。以产品c a d 模型为设计依据，保证了产品原始信息的统一性和 精确性，从而避免人为因素造成的错误；利用模具c a e 实现复杂模具的优化设计，提高 了模具质量和一次成功率；采用基于应用模型的n c 编程和数控加工，确保加工的正确 性和精度。 ( 2 ) 缩短模具设计和制造周期，提高生产率。模具c a d c a m f l 够有效地提高编程 效率，减少修模量和试模时间，实现模具生产信息流自动化，大幅度地提高设计效率并 缩短生产周期。 ( 3 ) 降低成本。模具c a d c a m 可减少模具废品率和返修率，减少工人劳动量。 ( 4 ) 将技术人员从繁冗的计算和绘图工作中解放出来，增强创造性。 ( 5 ) 提高产品的竞争能力。 由于c a d c a m 技术充分发挥了计算机计算速度快而精确、存储容量大、数据处理 功能强的优点，同时又充分发挥了人的逻辑判断、综合分析和创造性思维的能力，从而 产生巨大的威力【”1 。鉴于此，国外先进工业化国家对模具c a d c a m 技术非常重视。我 国作为发展中国家，要实现工业现代化，更要高度重视模具c a d c a m 技术的研究开发 和应用。 1 2 3 模具c a d c a m 技术的研究意义 模具的设计与加工水平，直接关系到产品的质量与更新换代。随着工业的发展，人 们愈来愈关注如何缩短模具设计与加工的生产周期以及怎样提高模具加工精度。一些先 进工业国家率先将计算机技术应用于模具工业，即应用计算机进行成形工艺模拟与模具 设计，绘制模具图纸并广泛应用n c 和c n c 机床加工模具，从而出现了模具 c a d c a e c a m 一体化系统，达到了提高模具设计效率与加工质量、缩短模具生产周期 的目的。尤其是现代模具技术的发展，在很大程度上依赖于先进的设计与制造技术、模 具标准化程度、优质模具材料的研究、专用的机床设备及生产技术管理等。 同时，模具技术，既是先进制造技术的重要组成部分，又是先进制造技术的重要应 用领域，其技术水平与先进制造技术的发展与应用密切相关。模具对于一般的产品来说 属于工具范畴，精度高，结构复杂，并有较高的材质要求，是典型的高附加值、高风险 产品。其制造过程十分复杂，涉及产品设计、模具设计、毛坯制造、电加工、机械加工、 测量技术、表面工程、热处理和快速原型制造技术等方面，需要多种技术装备，而且使 4 第一章绪论 用率极不平衡。此外，模具还需要很多标准件，大到模架，小到顶针顶杆等。而随着当 前全球制造的发展趋势，对模具制造又提出了更高的要求。 从上节可以看出模具c a d c a m 技术无论是在提高生产率、改善质量方面，还是降 低成本、减轻劳动强度方面都远远优于传统模具设计制造方法。因此采用计算机辅助设 计方法进行模具设计是大势所趋。 但到目前为止，大多数通过国家有关部门鉴定的模具c a d 系统仍处于试用阶段，还 难以在生产中推广应用，要迅速改变我国模具落后的生产面貌，仍需要继续加速对模具 c a d 的研究和开发工作。在此情况下，研究开发冲模c a d 系统显得十分必要。 1 3 冲模c a d c a m 技术的研究现状 1 3 1 国外冲模c a d c a m 技术的研究现状 国外于6 0 年代末开始模具c a d c a m 研究，7 0 年代初己投入生产中使用。模具 c a d c a m 技术的应用已有三十多年历史，尤其是最近二十多年来，得到了突飞猛进的 发展，在一些发达国家已经形成了关于模具c a d c a m 技术的研究、开发、销售等各种 服务的新产业。 目前企业中用来进行冲模设计的c a d 系统及其技术主要如下。 1 通用c a d 系统【“1 9 j 这类c a d 系统不仅适用于冲模设计，而且适用于其它产品设计。著名的有：c a t i a 、 u n i g r a p h i c s 、c a d d s 、i - d e a s 、e u c l i d i s 、p r o e n g i n e e r 、a u t o c a d 等。这些系统通常 具有极强的参数化设计、草图设计、尺寸驱动编辑、零件设计和装配等功能，有的还具 有有限元分析、实体造型、数控加工、仿真模拟等功能，而且带有二次开发的接口。设 计师可以利用这些软件进行冲模草图、装配图及零件图的绘制，但对于设计师在冲模设 计各个阶段的真正意义上的设计辅助功能则相对较弱。 2 专用冲模c a d 系统 国外从六十年代末开始已推出了许多对设计制造系统影响至深的冲模c a d 系统。比 较有代表性的系统有： 1 9 7 8 年日本机械工程实验室开发的冲裁级进模m e l 系统。系统由产品图输入、模具 类型选择、毛坯排样、凹模布置、工艺计算、绘图等l o 个模块组成1 2 0 】。 1 9 8 2 年日本日立公司研制成的弯曲模c d ，c a m 系统。该系统采用人机结合的批处 理方式。即由人完成冲模产品图的展开及工序设计、凹模布置，然后由程序完成毛坯排 样与材料利用率计算、冲压力计算、模具结构设计及输出模具装配图、零件图和线切割 纸带等等 2 “。 1 9 8 5 年n i s s a n 公司开发了冲裁模c a d c a m 系统，可完成几何造型、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。同时，日本微型模具中心开 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 代码的全过程。系统包括图形数据库、标准件库、标准形状结构数据库、 第一章绪论 冲模制造数据库等i 捌。 日本丰田汽车公司采用的覆盖件冷冲模c a d c a m 系统。该系统包括设计覆盖件的 n t d f b 和c a d e t 软件，加工凸、凹模的t i n c a 软件。由三坐标测量仪对汽车模型进行 测量，并将数据送人计算机，将所得图形经平滑处理后，再把这些数据用于覆盖件设计、 冲模设计和制造。该系统的三维图形功能较强，能在屏幕上反复修改曲面形状，使工件 在冲压成形时不致产生各种工艺缺陷，从而保证了模具和工件质量i 乃j 。 1 9 9 1 年，新加坡国立大学b o o n h o n g l e e 等开发了i k 0 0 p p s 系统。该系统主要是面向 对象的基于知识的级进模制造过程的规划。该系统主要服务于模具制造、模具装配。系 统以各种标准件为基础，然后从构件中抽取形状特征和属性特征，这些特征被转化为加 工公差，然后由知识库确定所用刀具规划和加工过程。该系统倡导把面向对象技术应用 于模具设计和制造，但它把级进模装配假定成标准化构造，其实用价值受较大影响唧j 。 1 9 9 2 年，美国m i c h a c l r d u f e y 提出了基于知识的级进模设计方法。提出所谓概念验 证系统( p r o o f o f c o n c e p ts y s t e m ) 为级进模设计服务，但它无法处理复杂弯曲级进模设计， 而且不能处理非标准件的设计问题1 2 5 1 。 1 9 9 9 年，美国p t c 公司推出的制模软件不仅可以从事产品设计、帮助产品工艺分析、 设计模具与切削轨迹，还可以实施并行工程、快速原型制造及模拟注塑等，使得生产周 期比一般情况缩短3 0 左右恻。 另外，俄罗斯锻压机械研究所研制了适应多品种、小批量加工的“冲压中心”模具 位置可以在工作台上旋转，换模简单，模具消耗小，容易实现全自动化等。 当代国际上独领风骚的模具c a d c a m 系统当属德国s t e p p e r 模具制造公司的 k i w i 软件和p r o f i c a m 软件。该系统是集模具设计和制造于一体的高速度、高质量、 高寿命的级进模c i m s 系统，能完成模具设计的全过程，并且能根据设计数据自动生成 多种加工方式的加工程序，如线切割、锉削加工、铣削加工、磨削加t 等加工方式的程 序。 1 3 2 国内冲模c a d c a m 技术的研究现状 我国模具c a d ，c a m 技术的开发始于2 0 世纪7 0 年代末。c a d c a m 技术的推广和应 用作为“九五”计划的一个重点，这些年来已在全国的各大型企业中初具规模【2 7 j ，国内 c d ，c a m 系统的研究开发也取得了长足进展。 为了提高模具企业的设计水平和加工能力，中国模具工业协会向全国模具行业推荐 适合于模具企业使用的c a d c a m 系统，并陆续引进了较高档的c a d c a m 系统，如u g 、 p r o e n g i n c e r 、i - d e a s 和s o l i d w o r k s 等著名软件。同时，国内以家用电器业为代表的一 批大、中型企业也陆续从国外引进了相当数量的c a d c a m 系统，并配备了一些设计、 分析与制造模具的专用软件，实现j c a d c a m 的集成，以c a m 技术取代了自动编程 技术，产生了显著的经济效益。 目前，自主开发的c a d c a m 系统有较快发展。例如，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 m 软件，上海交通大学模 6 第一章绪论 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、北京航空航天大学华正模具所开发的c a d c a m 系统c a x a 、广 州中科联公司的冷冲模c a d c a m 系统、华中理工大学模具技术国家重点实验室开发的 注塑模c a d c a e c a m 系统h s c 、吉林汽车覆盖件成形技术所独立研制的商品化覆盖件 冲压成形分析k m a s 软件等在国内模具行业己拥有了不少的用户。 国内冲模c a d c a m 还有一些有一定代表性的技术，如上海模具所研制的微机冲裁 模c a d c a m 系统，适用于落料模、冲孔模、冲孔落料复合模、冲孔落料连续模等各种 类型冲裁模设计及线切割自动编程。其主要功能为输入冲裁件图及其技术参数，设计最 优排样方案，计算冲压力及压力中心，设计分析冲裁模总体结构，绘制冲裁件图、排样 图、冲模零件图及总装配图，输出数控编程穿孔带，检索设计常用参数数据库及标准件 图形库。浙江大学开发的智能级进模c a d 系统，可处理多工位高精度级进模，并把专家 系统运用到冷冲模c a d 系统，提高了系统灵活性和实用性。该系统有六部分组成：图形、 工艺审核、优化排样、跳步排样专家系统、结构设计和数控加工。 总的来说，我国目前模具c a d c a m 技术水平还处于高技术集成并正在向产业化和 商品化过渡的时期，研制的软件在可靠性和稳定性方面与国外工业发达国家的软件尚有 一些差距，使用的开发平台一般都是通用性c a d 软件，还没有针对性的软件 2 9 l 。 国内外应用实践证明，采用c a d 技术可以显著缩短模具设计周期，提高设计质量， 提高生产效率。 1 4 冲模c a d 技术存在的问题及发展趋势 1 4 1冲模c a d 技术中存在的问题及进一步研究的内容 1 冲模c a d 技术中存在的问题 现有国内外冲模c a d 系统虽然各具特色，但一般都有明确的应用背景，具有一定的 范围和结构特点。目前的冲模c a d 系统存在以下不足： ( 1 ) 从总体上看，大多数系统都是或从图形角度或从加工角度进行研究；其次一 般都把模具c a d 系统看成是一个独立的系统，没有在统一的产品数据模型指导下进行研 制开发，使不同的系统之间及与相关的c a p p 、c a m 等系统数据交换比较困难； ( 2 ) 现有系统的智能化程度是比较低的，系统除了能提供很好的辅助绘图和一些 数值计算功能外，在真正设计意义上无法为模具设计人员提供辅助，尤其中概念设计、 方案设计、结构设计等阶段，因为这些阶段往往需要设计经验的参与； ( 3 ) 从通用化上看，由于不同的企业和设计师，在设计经验、设计习惯和具体条 件等方面存在着明显的差别，按照当前的方法开发出来的基于知识的冲模c a d 专家系 统，即使智能化程度很高，却往往不能适合不同的企业和设计师的习惯和要求，因此冲 模c a d 系统通常是针对某个具体企业的特定情况而开发的，其通用化程度不高； ( 4 ) 在设计流程上，尽管支持“自顶向下”式的设计过程，但并不能很好地支持 并行设计，不同设计阶段、不同设计部门之间的协同工作的研究尚不多，需要作进一 第一章绪论 步的深入研究。 2 冲模c a d 技术需要进一步研究的内容 目前在冲模c a d 的研究中，存在着以下几个需要进一步研究的内容： ( 1 ) 在集成化方面，目前主要集中在冲模产品数据模型以及冲模工作零件 c a d c a m 的集成两个方面的研究，而对冲模c a d 系统与企业其它计算机辅助系统如 c a p p ，c a m 。m i s 等集成的研究不够。为实现系统的集成化，一方面需要建立模具生 产全生命周期的全局信息模型；另一方面，需要有一个能提供有利用于多种知识、方法 和技术协同运用机制的体系结构。 随着市场竞争的激烈，精确制造逐渐成为工程产品制造业的发展趋势，这导致了冲 压件形状越来越复杂，要求的精度越来越高，此时仅靠经验的设计与分析越来越显得力 不从心，因此，有必要建立一套完善的设计与分析集成系统来进行的冲压件的精益设计。 传统的冲压件和冲模设计中，冲压件的工艺分析通常是由有经验的设计师根据经验 做出。对于不太复杂的冲压件，设计师的经验往往是足够的，但对于复杂冲压件，经验 分析容易导致不精确或完全错误的分析结果，从而影响后面的模具设计、加工和最终产 品的生产。所以有必要进行冲压产品设计及工艺设计科学化、合理化。 ( 2 ) 在智能化方面，虽然具有了冲模设计所特有的功能，如冲压工艺性分析、工 艺参数计算、以及选择典型零件和典型结构型式，但冲模设计中的许多决策，尤其是在 结构设计中的决策仍是由设计师来完成，如何使冲模c a d 系统能更好地辅助设计师进行 结构设计，需要做深入的研究。 手工冲模设计主要依靠设计人员的经验来进行，由于不同设计师有不同的经验，这 就很有可能出现这样的情况：对于同一冲压件，不同的设计师会设计出不同的模具。同时， 目前开发的基于知识的冲模c a d 专家系统，其知识通常是用i f - t h e n 产生式规则形式表 示的，但是由于冲模设计有许多知识很难用这种形式来表示，而且也往往难以获取，这 必将导致系统的智能化程度不高。 另外，智能冲模c a d 系统应具有学习能力，通过不断学习，积累设计经验，并将经 验应用于新冲模的设计中。一方面，由于冲模本身的设计方法和系统开发所采用的智能 c a d 方法都在不断地发展，新技术和新方法将不断涌现。对于冲模c a d 系统来说，有些 部分是相对比较稳定的，如工艺分析、工艺参数计算等；而有些部分则相对变化较快， 如结构设计，因此随着人们对设计思维活动的认识的不断深入，以及人工智能新技术的 不断出现，需要对这些部分进行改进。此外，并行化也是大型设计与制造系统的发展目 标。为了克服串行产品开发过程中存在的缺陷，在设计阶段及早考虑可制造性、可装配 性、可检测性、质量、服务和成本等因素，以达到提高质量、缩短开发周期、降低成本 的目标，冲模的并行设计又是一个需要进行研究的课题。 1 4 2 冲模c a d 技术的发展趋势 2 1 世纪模具制造行业的基本特征是高度集成化、智能化、柔性化、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 第一章绪论 的提高模具制造业的应交能力，满足用户需求。具体表现出以下几个特征。 1 智能化 模具的设计过程是建立在设计专家丰富的经验和知识基础之上的创造性的思维过 程，它不仅是参考经验知识的辅助设计，更是在现有经验知识基础上的进一步积累创新， 即是一个包含了对知识的继承、集成、创新和管理的过程。为了有效的帮助设计人员完 成选择、规划决策、设计等复杂工作，就必须将人工智能技术引入到模具c a d 系统中， 通过建立存储模具设计知识和经验的知识库和过程控制模块，解决知识表示、特征统计、 推理方法、概念设计等问题，使整个系统成为具备人工智能( a d 的智能模具c a d 系统， 能自动产生设计方案对方案进行最优评价和选择。 2 集成化 模具软件功能的集成化要求软件功能模块比较齐全，同时各功能模块采用统一数据 模型，以实现数据信息的综合管理和共享，从而支持模具设计、制造、装配、检测、测 试、生产管理全过程，综合了计算机技术、系统集成技术、并行技术和管理技术，体现 了系统化思想直至发展为c i m s 。 3 自动化 在市场竞争异常激烈的今天，产品的上市时间已成为能否迅速占领市场，取得成功 的关键因素。为此，模具c a d c a m c a e 系统必须向自动化发展，实现模具设计、分析、 制造的自动化。 4 网络化 随着模具行业的发展，要做到资源信息共享和交换，网络化协同设计是必然趋势， 协同设计( c c s c w ) 作为一项支持并行工程的技术，在现代c a d 环境中得以实现，协同机 制构造一种“虚拟工作空间”，开发成员围绕一个共同任务协同地进行工作。通过分布 式网络系统利用协同技术构成c a d 忙a m c a e ，允许异地设计人员对产品进行评价和修 改，实现异地操作与数据交换。这要求c a d 软件可以很好地解决协同设计中的各种冲突， 包括基于规则的冲突消解、基于实例的冲突消解、基于约束的冲突消解及冲突协商、 i n t e m e t i n t r a n e t 上进行群体成员间多媒体信息传输、异构环境中的数据传输与工具集成 等。 5 虚拟现实与多媒体技术引入 虚拟现实v r ( v i r t u a lr e a l i t y ) 是人造的计算机环境，人处在这种环境中有身i | 缶其境的 感觉，并强调人的介入操作。v r 技术在2 l 世纪整个制造业中都将有广泛的应用，可以 用于培训、制造系统仿真、实现基于制造仿真的设计与制造、集成设计与制造、实现集 成人的设计等。多媒体技术采用多种介质来存储、表达处理多种信息、融文字、语音、 图像于一体，给人一种真实感冽。 1 5 课题背景、研究意义 随着国内外市场竞争的不断激烈，在制造业提出了计算机集成制造、并行工程、智 能制造等新概念，兴起先进制造技术研究的高潮，为冲模c a d 系统提出了新课题。如何 9 第章绪论 提高冲模c a d 系统的集成化和智能化程度，使之成为具有真正辅助设计意义上的冲模 c a d 系统，需要对冲模c a d 的设计方法和实现技术进行研究。 当今运用计算机辅助技术实现冲模设计和制造过程中各环节信息的共享，己成为冲 模c a d 技术研究的重点。而国内现有模具设计方法是一种传统的凭经验人工设计与计算 机二维绘图相结合的方法，模具设计的质量与效率仍全部依赖于设计人员的经验与熟练 程度，设计质量并没有根本的改观。因此不仅模具设计与制造的时间长，而且可能会由 于模具设计的失误造成模具的报废。因此冲模c a d c a m 集成技术成为改变传统冲模设 计制造的关键技术。冲模c a d 技术作为冲模c a d c a m 集成技术的单元技术之一，以计 算机为铺助手段，建立产品的三维模型，根据产品三维模型进行冲模结构设计及优化设 计，生成的冲模三维模型作为冲模c a d 阶段的设计结果，为后续的冲模c a m 阶段提供 了数控加工编程及编制工艺计划的原始数据。这种方法使产品模型设计、模具结构设计、 加工编程及工艺设计都以3 d 数据为基础，实现数据共享，不仅能快速提高设计效率，而 且保证质量降低成本。 从六五计划开始、我国有许多模具企业采用c a d 技术，特别是近年，c a d 技术的应 用越来越普及，大大缩短了模具设计周期，提高了制模质量和复杂模具的制造能力。然 而，由于许多企业对模具c a d c a m 集成技术认识不足，投资带有盲目性，不能很好地 发挥作用，造成了很大的浪费。 目前在使用通用c a d 软件进行模具设计存在的问题是，这些c a d 软件未能实现与模 具设计的相关知识很好的结合，在设计的过程中，对于设计人员的经验和知识依赖较大。 在所有通用c a d 软件中，构造一个几何元素，设计者都必须提供设计对象的几何结构数 据，用户不输入，系统就不工作。至于是否最优、依据是什么? 为什么要输入这个结构 数据值，而不输入其他的数值? 只有设计者自己知道。从这个角度而言，目前大多数的 c a d 软件都只是一个几何建模工具，而不是一个真正意义上的设计工具【3 0 】。如何提高冲 模c a d 系统的集成化和智能化程度，使之成为具有真正辅助设计意义上的冲模c a d 系统， 实现冲模快速、最优的设计，需要对冲模c a d 的设计方法和实现技术进行研究。本论文 的研究和系统开发工作结合天津市高等学校科技发展基金项目。c a d c a e 在板料成形 中的理论方法及技术研究( 项目编号：2 0 0 6 b a l 3 ) ”进行。 1 6 论文内容及组织 本文以探索和研究冲模c a d 的设计方法和实现技术为目的，完成冲模c a d 系统的研 究及设计，除本章绪论以外其它各章节的主要内容及组织如下： 1 冲模c a d 系统的设计技术及系统框架的构建。主要介绍了冲压模具的设计知识、 冲模c a d 系统开发的设计技术，并给出了本系统的体系结构及其功能模型； 2 基于模块化的冲模c a d 系统的研究。主要研究了模块化的冲模零部件实例的规 划、模块化的数据建模和基于模块化的变型设计过程； 3 基于v b 的s o l i d w o r k s 二次开发技术及相关数据库技术。主要介绍了冲模c a d 系 统的开发运行环境、基于s o l i d w o r k s 的二次开发技术、冲模c a d 系统的数据库技术的应 1 0 第一章绪论 用等进行了详尽的论述； 4 冲模c a d 系统的功能模块及运行实例。介绍了冲模c a d 系统的功能模块，给出 了系统的几个主要界面，最后通过几个设计实例说明了系统的功能及操作方法； 5 对论文所做的主要工作进行了总结，并展望了与论文研究工作相关的有待进一 步研究的问题。 第二章冲模c a d 系统的设计技术及系统框架的构建 第二章冲模c a d 系统的设计技术及系统框架的构建 冲模c a d 系统要实现的功能就是对冲模模具进行的设计，最终设计出加工冲压工件 的模具。本章介绍相关冲压模具设计的知识、支持冲模c a d 系统的关键设计技术、体系 结构及功能框架等。内容包括冲模模具设计、冲模模具c a d 系统的关键设计技术，