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产品与技术汽车覆盖件模具结构设计系统的开发
7 j; w& O9 _2 P6 }3 f汽车覆盖件模具设计和制造周期长，已成为新车型开发的“瓶颈”环节。CAD/CAM技术
$ T$ r( K- i' v! U' r是保证模具设计及加工质量，缩短生产周期的有效途径。本文针对标准CAD结构设计复杂、# `( v9 J2 y+ K2 W* A8 L
繁琐和效率低等问题，在总结传统模具结构设计基础上，介绍了基于标准平台的汽车覆盖件/ C/ L0 D) w" ]: J( s& b/ D! l
模具CAD系统的开发，建立了以标准件和典型件建模为应用核心的汽车覆盖件模具结构设计
^' _6 g' d5 A$ H! S' L( \& mCAD系统结构，并以MDT为平台，讨论了系统各功能模块的内容与特点。 Y. l5 X5 [- @% J# t0 r; N W, m: ?* e
一、引言! H) W- G) d- D4 A
模具工业是汽车工业发展的基础，在“车型设计-模具设计与调试-汽车批量生产”的整
* m7 e0 f, Q9 `. A8 P [1 d6 F" `个周期中，汽车覆盖件模具因体积大、工作型面复杂、加工精度高、设计和制造周期长，已/ }' k* p9 ^/ K& {5 P2 d
成为开发新车型的“瓶颈”环节。
+ p7 O2 |+ t9 k: q 随着CAD技术的发展，特别是在诸如MDT、Pro/ENGINEER等标准CAD系统中与模具有关模块的功能的增强，模具CAD/CAM的应用成为保证模具设计和加工质量，提高效率的有效途径。
4 N. u- d1 a7 R8 t 但目前基于CAD平台的模具设计以通用性为原则，更多关注于曲面造型和分模等工作，在实施模具结构设计时，仍沿用基本建模方式，效率低，设计繁琐，致使结构设计又成为模具设计的薄弱环节；另一方面从模具结构设计来看，所涉及的零件多为导套、导柱等已系列化的标准件，或是如上下模板等包含相同结构单元的典型件，在CAD设计中，不同模具的同类零件的建模具有相似性，因此，基于标准CAD平台，进行针对模具标准件和典型件建模的二次开发，则可解决标准平台建模效率低的问题。/ j" D+ u" i8 w. m. t) I
二、汽车覆盖件模具设计
) \+ A" b" C3 ^% R$ J7 v% O 汽车覆盖件模具是汽车车身生产的重要工艺装备，其设计主要包括几个环节。
" h9 Y2 T1 C. Z. w% B# C( g1.型面设计7 u Z. H u9 @- a$ K; S
模具型面设计又称几何构形，利用CAD系统的曲面生成、倒圆、剪裁等方法，完成冲压
$ i* n/ m: e# @+ o7 A! c1 z件以及工艺补充的三维建模。模具的型面设计是模具CAD系统的重要组成部分，为模具分析7 _2 y& ~; a. l) c, `
及加工提供几何数据，同时也是结构设计的基础，直接决定各典型零件的结构。9 {" o3 U2 C5 a2 k" F# y* ]
2.结构设计% o) z( z- u5 q x
指除了型面之外的所有模具部件的设计，包括总体结构设计、零件结构设计两个阶段。9 k% d! x1 |! P+ M7 n8 @. Z
(1)总体结构设计 用于确定模具基本结构形式，规定其主要零件的组成及装配次序和装
6 z4 ^# [/ X. m) V配关系，主要工作包括结构方案选择、结构草图、主要空间尺寸计算等。结构方案选择是根 |3 v" V! p- ]7 J) w
据技术要求形成一些结构设计原则，不直接涉及具体几何形状，因而可采用专家系统方法辅& t8 w# R) @' R
助设计过程。系统按照知识库中的逻辑规则，以及给定的设计技术条件(成型特征、进料及出
) e$ F" l, |0 Y, x. u% k件方式)，向用户提供设计建议。结构草图及空间尺寸计算可借助于CAD系统的基本建模功能
! y5 R% I% x8 c W* |2 I; j完成，同时还可利用CAD系统的运功模拟功能，检验模具的运动状态及装配过程等，以确定
. N2 w& J$ s; E! q) f: z& m+ _设计准确性。5 h/ X% `6 W5 `* c4 E6 v
(2)模具零件设计 是基于结构设计的结果进行的，在模具空间约束下，完成零件几何形/ |" g; S! N; A9 A: Y
状及尺寸设计。目前的CAD系统都提供了由顶向下的建模方式，用户首先在总体结构模型中
. \# E& s8 e( ~) ?9 @建立的零件框架，然后在零件模型中进行零件的详细设计，分配几何约束，其设计结果可由7 X* P; K8 u! F4 ~% o8 O: \
系统自动反映到总装模型中。模具零件按其标准化程度，可以归纳为以下三类：标准件，如
a# P$ w+ A x导柱、导套、螺钉等；典型件，如凸凹模板、卸料板等，这类零件外形及其固定孔洞，包括% M6 w6 I( A$ B5 n6 |
螺钉孔等均为标准设置，而其内形随加工工件不同而变化；特殊件，如凸凹模、顶件块等。
& H( j7 i, P, L {. S$ K4 C+ {+ O 三、覆盖件模具结构设计CAD系统
# }' [5 M( c5 u1 e6 u1 A+ V$ j汽车覆盖件模具结构复杂，组成零件数量众多，采用传统建模方法，工作量大，效9 ~- S1 }# H9 u- V
率低。对汽车覆盖件模具的结构进行分析可以发现虽然结构复杂，但大多数是标准件和典型! F$ I7 R; g9 H* e, e) H, ]& B
件，零件设计过程相似程度高。因此，基于标准CAD平台，针对这些零件进行设计建模，建7 E- y# B0 }0 O$ E4 g
立标准建模方法，则可提高效率、简化设计过程。基于这种思想，本文提出了如图1所示的
$ L- ] w, [, V% B$ L模具结构设计CAD系统。' x& `2 R) d7 {3 P- U- |
系统主要由四部分组成：用户界面、总体结构设计、标准件设计和典型件设计。* C$ z: p6 k9 e4 j3 Z
1.用户界面
( d T5 J6 s) d# u! T& q( x; ]用于控制和调度系统各功能模块，并协调系统各模块之间的关系。由于基于标准平台的/ @' g. }6 A: T. U" c1 `
模具CAD系统，通常是作为平台的一个应用模块形式出现，故用户界面被组织成独立菜单项，9 b% u1 c& I# I7 T4 ]' s
插入到平台菜单中，该菜单包括了总体结构设计、标准件设计等模块的启动命令，通过它们/ ?( B: T+ U! X+ w1 P
便可实现模具设计系统的正确运行。- d( @1 ^5 u: @7 a+ P( z
2.总体结构设计' |% d4 _4 V: X5 l/ E! L
用于模具初始化结构参数的设置，包括几何参数(如压力机的选择)、典型零件基本结构尺寸( I: o. J. ^3 @
的确定、铸件筋的设置、冲模闭合高度的设置；非几何参数，如材料、技术要求等。它们将- l5 U& ?" L' Z( _0 N: o7 H5 O
直接影响零件的结构形式和几何尺寸。尽管总体设计包括的内容较多，但主要是标准或经验6 X* N& Y# p, |8 a) F( i B
数据与方案的选择，故多采用知识库或数据库支持的参数设置方法。这里以零件壁厚选择为$ @8 n: Z" P% a8 s
例进行说明。7 Z# E! d* j& D/ m+ N
拉延模的凸凹模、压料圈等都采用铸件毛坯，设计要求重量轻，通常采用中间挖空方式，" K* q2 d; F( h1 c8 Y; H) A8 ~
但同时又要求有足够的强度和刚度，因此，铸件的壁厚成为重要且难以确定的结构尺寸参数。
6 e& w0 w0 V+ j8 e: g" Q一般模具铸件壁厚同模具尺寸、生产批量及受力情况有关，目前没有统一标准，多为经验数
7 U- p- N- Z) |( h' a& z据，故在设计壁厚参数时，可采用经验数据库中推荐的参数。如图2所示为壁厚设计界面和
- F" Q4 q$ W% f( c推荐的参数值。
* `+ c: D& k4 F# R, r: s系统应用之初，依据企业经验，以模具尺寸、生产批量为主关键字段，建立壁厚经验数& s+ F8 E; E: Q( \9 m# V* G S" s* @
据库。结构设计时根据生产规模和外形尺寸进行查询，从而获得铸件各部分壁厚的推荐值，2 D: {% g; Z- \) T% |5 k
经用户选择确认后最终确定。由此可见，模具总体结构设计模块的开发，其主要任务是完成
$ K) }" z. b5 j! E! R5 A( {7 k各参数数据库的建立，以及同CAD平台相适应的数据库管理系统的开发。
: h8 H6 h, y: p5 C3.标准件结构设计
8 R+ e+ k4 B4 `" ^" u汽车覆盖件模具标准件种类繁多，按功能主要包括模座装置类、导向装置类等，不同的' ]- h+ Q- _9 J c& }7 W
种类又分为多个子类型，如导向装置类有导柱类、导套类和导板类。由于这些结构件在汽车
, ^8 u! N/ s; P7 F2 X+ K% O V冲模标准中已经标准化，其结构和几何参数已有明确的规定，因此，对于标准件设计，可采& s* U) M4 b7 _8 i# E
用逻辑模型库支持的零件建模策略。首先依据汽车冲模标准，建立零件模型库，库中按
5 A# @$ T5 Z% B; F1 L2 u标准代号存贮各种类型的零件参数化逻辑模型；在零件设计时，通过代号，调用零件逻辑模
; k5 |1 L1 l" f/ {, i! S型，在对变量赋值后，则可直接建立有实际尺寸数据的标准件物理模型。图3所示的是% ~ y. ]" w5 j/ ]6 a1 x+ a
QM1221-93型导套参数化逻辑模型。由图可见，标准已对导套的逻辑结构作了规定，但长度L、
' K& d0 k. r, S @, w( W& \外径D等为系列化的参数值，在设计中应根据实际应用条件，从系列数中选用。因此，采用9 C8 G: n) ]3 \# Y# z& T$ n
该方法可大大提高效益，且保证设计符合标准要求。
- m$ G; N. n/ i本系统是基于MDT平台开发而成。为建立标准件模型库，系统按类型定义零件逻辑模型
' v2 m: a! H; a6 k4 Z6 u6 T类。类属性区为标准件参数变量，方法区定义标准件二维和三维建模函数，这些函数利用参
0 k `/ U$ i5 `6 X7 P数变量，调用MCAD API的基本建模函数，通过组合构建标准件逻辑模型。如上述导套的逻辑
3 [" Z) q4 L% {模型定义为：+ v- i6 @0 B# o6 r; c
class CDGuideCover:public AcDbEntity0 s0 ]4 a1 N% i9 z
private:
: L, e6 h- R6 ^$ Cdouble m[ZZ(Z) [ZZ]]L; //导套长度
2 B- u f/ S) Bdouble m[ZZ(Z) [ZZ]]d; //导套外径
' u' t2 H! [3 y. R1 u……
) k6 |: {4 A& I, l9 t; H' p) qprotected:
M# Q" t- ? p1 @, F& wvoid OnDrawing2d()://二维逻辑模型
5 Y) I& o e+ I* s2 avoid OnDrawing3d()://三维逻辑模型
$ i8 I0 o+ j- z: l1 R+ y K5 ?｝6 ~1 p, i1 \1 `* P
4.典型件结构设计
+ z. ^3 B. k3 }5 k/ ]汽车覆盖件模具中的典型零件，尽管结构、形状各异，很难采用如标准件那样按类
/ o4 I- A8 {) o2 T' I别建立统一模型的建模方法，但从典型件的组成结构来看，它们是由标准和非标准单元组合2 b/ r5 ?: y* G8 O
而成，其中标准单元对同类零件具有通用性，不同零件只是几何参数不同，如凸模的安装孔
# ?4 X5 E" r9 Z4 ~9 m! x) I I单元。因此在典型件建模中，可采用特征造型技术，将标准结构单元定义为设计特征，并建
3 |: @$ v4 O7 z7 R8 T# [& U" l立相应的建模方法，这样在设计时，对于标准部分可采用特征造型，而非标准部分仍沿用基6 ?$ P( B% ^; c {3 y! M
本建模方法，最后将各部分模型经布尔运算等操作进行组合，实现典型件的结构设计。这样，& w" S0 |: I& r% T, ?
可使设计效率明显提高。以下以拉延模凸模结构设计为例进行说明。5 Q2 {/ c: j" D
在拉延模凸模结构设计时，先根据拉延件的外围形状建立凸模基础模型，然后在基础模/ [ q! w4 C# ]5 z' _
型上，进行工作型面切割，加入装配孔和导向面，完成结构设计。其中的基础部分和工作型% E& V/ \$ F( G- Z6 y3 t
面与工作有关，为非标准结构，而装配孔和导向面为标准单元，因此，可将它们定义为凸模
% h8 I- G8 N: w' A4 J) t8 H" d3 l% y结构设计特征。如图4所示为装配孔特征属性框。
$ W8 O) q3 h1 c2 p0 v3 [; h K7 {其中，装配孔特征定义为：
/ J3 g+ Z6 L4 G/ e) G; w8 H; B! ~4 z4 dclass CDGuideCover:public AcDbEntity3 Z6 L! ]: _+ |+ \7 B# q6 g
｛
3 N+ S* q' @+ M5 L3 z% v0 Aprivate:% v) X4 r; l9 ? H2 s5 I
double I=atof(m[ZZ(Z) [ZZ]]diameter);//直孔直径% v9 M& J) S1 R( H8 U
double E=atof(m[ZZ(Z) [ZZ]]depth];//直孔深度
. U P$ x3 T5 K' H# A0 U8 ?( R……
0 w; x' g( C7 Lprotected:
: X; r+ e- V# |void OnSmoothHole();//直孔建模
8 p7 \9 _3 S& v7 Ovoid OnScrewHole()；//螺蚊孔建模1 w: s- M' |4 n. t+ M
｝ * a. w H0 A( K$ t W
四、结论
& C' `" ~+ H% J+ B2 f6 y) l; F模具CAD/CAM的应用可以提高设计效率，改善设计质量，降低成本。本系统已在模具行业得
) p2 w7 [3 |, s; J到普遍应用。基于标准CAD平台，结合企业生产实际，通过系统建模和对模具设计等模块的8 w0 u! t& G$ G3 h% f' X
重新定制，开发实用型、小规模的模具辅助设计系统，较之简单的应用CAD系统更可发挥计
. a4 Y* a" H- N算机辅助设计的优势，改善应用效果。本文针对标准CAD系统设计汽车覆盖件模具结构时效/ p) S! N: d8 s% A3 V# Z/ f
率低、过程烦琐等问题，结合覆盖件模具结构设计特点，提出了基于标准设计平台的二次开; O: |. s( u, e- p: G+ l8 {6 M
发策略，通过数据库和逻辑模型库的支持，使结构设计从总体规划到具体零件建模的过程大& w% B, S! G2 A2 `9 z
大简化。 |
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发表于 2006-10-18 14:07:51