冲压模具参数化的并行关联设计

本文主要介绍CATIA 的知识工程模块在汽车冷冲模具中的应用。通过使用关联设计技术和参数化设计技术，构建一套符合模具设计制造的标准流程，并设计过程中嵌入已有的知识经验，从而减少设计错误、降低劳动强度和提高设计效率。

　　汽车模具企业目前的最大生存挑战是设计制造周期要求越来越短。缩短设计周期应从两方面着手：一方面缩短单一阶段(冲压工艺设计，模具结构设计等)的周期，另一方面通过对阶段间数据的有效管理，使设计过程并行、关联。

　　一、 CATIA 知识工程系列工具

　　运用软件的知识工程模块，将专业化工程知识库融入模具的设计中，实现智能化设计，可最大限度地提高设计质量及效率。CATIA V5 软件提供了丰富的知识工程应用手段。常用的CATIA 知识工程模块主要有KWA(知识顾问)，KWE(知识专家)，PKT(知识模板) 等。基于知识的智能化设计主要有以下几种基础实现方法：

　　1) 利用参数和公式驱动几何模型(Prameters,Formulas)利用CATIA 应用软件的系统定义参数，将设计中的尺寸约束转化为控制产品图形的特征参数，通过可视化修改，可直接驱动模型;用户自定义参数不能直接驱动模型，需通过用户自定义的公式与系统参数建立联系，形成多种多样的知识表达式，通过公式驱动系统参数，进而驱动模型。此方法贯穿于实体设计的整个流程，也是下两类智能化设计手段的基础。

　　2) 利用表格驱动几何参数模型(DesignTable)

　　应用表格驱动几何模型就是将与设计有关的数据以表格形式存放在相应的文件或数据库中，同时建立表中记录与设计模型特征参数的联系，通过访问表中不同记录达到改变几何尺寸的目的，从而实现用表格驱动几何模型。该方法尤其适用于标准件，系列化零件。

　　3) 运用基于规则推理的方法驱动几何模型(Rule, Check，Reactions)

　　该方法是将设计过程中的设计准则、规范、原理、经验等采用IF-THEN 形式表达，并建立相应设计规则库，存储大量的设计规则，设计规范、设计原理和设计经验，组成基础结构库，指导模具设计，控制模具结构，直接驱动模具模型，能够有效控制设计中的错误。

　　4) 形成多级设计模板及参数化工具。(Powercopy, UDF, Part Template, Assembly Template)

　　根据设计需求，综合采用以上三种知识工具，运用PKT(知识工程模板)模块，形成多级别的知识工程系列模板，如特征级模板、局部结构级模板、零件级模板、装配级模板等。

图1 知识库结构图

　　二、 模具知识工程模板库的构成

　　本公司通过一年的实践已初步形成以基础结构模板库、典型结构库、标准零件库、冲压设备库为核心的知识工程系列设计模板库。知识工程模板作为一种可重复再利用的资源，对于结构类似或表达内容类似的工作通过替换或引用可达到快速重用的目的。本文简要介绍基础结构模板库的构造方式及特点。

　　基础结构库是在CATIA V5 环境下建立的基于知识的智能化设计资源库。其结果就是建立了本企业数字化的三维建模规范及流程。基础结构库中的资源根据模板本身的参数化程度及应用范围进行分级建立和管理。基础模板的建立首先需要根据输入的设计信息建立模具的工程模型;其次针对设计过程中的规则、企业规范和设计经验等建立由各种设计规则、检验法则和专家规则构成的设计知识库;最后，通过各种知识推理方法实现模具结构的智能化设计。

　　建立一个结构稳定易于应用的基础结构库，必须注意以下两个方面：

　　1) 模具结构的标准化参数化

　　模具结构标准化的思想是贯穿整个模块化建模理念的基础。通过采用大量关联的标准化参数化局部典型结构，使模具的设计过程变成局部标准结构的垒积过程。实施的关键是总结拆分并整理各种类型的模具通用典型结构，使其参数化、标准化、系列化，在设计过程中通过布尔运算相加到一起，最后形成一个完整的设计。但是由于模具设计的单件、小批量的特点，不可能完全采用参数化标准结构。在设计中只能尽量考虑应用标准结构。同时，基础模板的建立应充分考虑其应用的灵活性，要求各级模板中的参数名称尽量保持关联统一，达到参数化结构可拆分可重组的目的。这样，在模具设计构想阶段，基础结构库为设计提供了大量可参考或直接应用的典型模具结构。标准结构根据不同的使用场景，采用不同的模板结构形式，如POWERCOPY 结构、UDF 结构、Part 模板结构、装配模板结构等。

图2 模块化设计思路

　　2)布尔运算的合理运用

　　建模过程中合理应用实体的布尔运算结构是实现模块化设计的基础和桥梁。在模具设计过程时，布尔运算的合理使用，可以从思路上将设计分为几块。例如将模具的工作和导向部分分开设计，然后通过布尔运算加到一起。这种化整为零的做法，切断了各个部分的相互牵连。局部一处的修改，不会影响到其他部分的。这个做法在模具的后期修改中的作用是非常大的。另外，一些需要加工的孔、槽类特征作成布尔运算的形式，泡沫数控编程时只要将布尔运算特征设为不激活状态，就可以直接进行泡沫编程，十分方便。设计者只需要控制几个基本的特征参数，系统将会根据事先输入到计算机中的结构规则，自动提供出合理的结构方案。知识工程的引入，基础结构库的建立，使三维实体模具结构设计更加智能化。

图3 基础模板的引用

　　三、基于知识工程模板的并行关联设计

　　并行设计比传统的串行设计增添了很多的数据交换和设计协调的环节，因此需要一个有效的设计方式来控制各个设计阶段的输入数据、输入数据的引用、输入数据的替换及输出数据，从而实现各个设计阶段自身的完整性和相互的协调性。在此，我们采用了基于知识工程模板的发布(Publication)技术来实现这一点。应用系列知识工程设计模板不但能有效地缩短单一工序的设计周期，同时也使整个设计制造流程各个阶段的并行关联成为可能。图1-3 可以看出并行的关联设计流程相对传统的串行模具设计流程可以缩短总的产品开发周期。实现并行设计关键的技术是关联设计。传统设计流程中上一工序的设计变更的信息不能及时传递，而导致下面工序实际上在做错误的工作。关联设计可以及时反映出上一工序设计变更，减少设计错误。通过关联设计，实现近似零件的模具设计资源重复应用，缩短设计周期。具体应用请参见下面案例。

图4 并行关联设计模型

　　四、知识工程模板应用案例

　　下面以一套典型双动拉延模为例简介利用知识库进行并行关联设计的基本过程。一般冲压模具设计分为两个主要阶段，第一阶段是3D-DL 冲压工艺图的设计;第二阶段是模具结构的设计。传统的设计方式必须等到冲压工艺完全设计完毕后才开始模具结构设计。采用知识工程模板后，DL 通过前期初步设计出雏型后，就根据结构设计需求发布(Publication)基本的控制几何元素(不要求精确几何)，结构设计同时引用该发布元素并调用类似的知识工程模板直接用于模具结构的初步设计，此时与冲压工艺的详细设计同步进行。最后等到3D-DL 图最终完成，我们再用3D-DL 图最终数据替换或更新掉原始的初步工艺模型，这样就同步完成整套模具的设计开发过程，有效地缩短了模具整体的设计开发周期。

图5 并行设计案例

　　构建该类知识工程模板的关键技术主

　　要有以下两点：

　　1. 通过Publication 实现DL 设计和模具结构设计的关联

　　在模具结构设计中，需要引用DL 文件和机床文件的数据，但是这种引用是一种跨装配的关联，同时DL 文件内部的各种模型并不一定是带关联的模型。针对这种状况，我们使用了CATIA V5 中的Publication 功能，通过这种功能，实现了DL 文件和机床文件的参数几何控制主控文件，主控文件再控制凸模，压边圈，下模的结构，同时，对DL 文件内部的各种模型的关联性没有任何要求。

　　Publication 功能起到了以下作用：

　　• 作为一个数据交换的黑盒子，存数据的只管存，不管谁引用;取数据的只管取，不管谁存放。

　　• 可以方便实现装配内和装配之间的数据(参数，几何)的关联。

　　• 只要保持Publication 的名称不变，非常容易实现替换。

　　2. 通过主控文件管理整套模具的主控参数和几何，从而实现关联设计中的自顶向下控制。

　　主控文件是模具模板文件中的主控参数和几何文件，存放整个模具的各种主控参数：基准参数，轮廓间隙，筋厚，空开结构，导向结构等，以及各类几何数据，如曲面，线框，草图。其作用是控制了凸模，压边圈，下模的框架结构的大小和位置。修改主控文件的过程实际上是一个方案概要设计的过程，而与常规的方案设计不同的是：主控文件中的概要设计结果将直接修改凸模，压边圈，下模的框架结构，所以修改主控文件完成后，凸模，压边圈，下模的框架结构将极快地更改完成，从而达到自顶向下设计的目的。