汽车模具的三维设计技术研究与应用

自20世纪80年代以来，计算机辅助设计技术(CAD)已得到了广泛的应用，并且得到了快速的发展，在模具设计、制造中也显示了巨大的优越性。随着汽车工业的飞速发展，对模具生产要求短周期、精度高、成本低。对模具设计的周期、质量有了越来越苛刻的要求。目前，一些工业发达国家的模具企业应用CAD技术已经从二维设计发展到三维设计。我国大部分企业还停留在二维设计的水平。因而，我国模具行业从二维设计平台向三维设计平台的提升是十分迫切的。

　　三维实体设计的优势在于：能够直观反映设计的真实状态，通过运动模拟、干涉检查等数字化分析手段，在设计阶段就能避免以往在生产制造中才能发现的问题。标准件库可为模具结构设计提供可以直接装配的参数化、系列化的零件;冲压设备库、典型结构库为结构设计提供了可参考的模型;而基础结构库使模具设计更加灵活、智能。资源库与知识工程的有机结合，形成了模具结构设计的知识库，成为三维实体设计的基础。与3D-DL图技术、实体泡沫加工技术的结合，达到真正意义上的三维实体设计。并以此为契机，带动整个模具生命周期的技术提升。实现模具制造的CAE/CAD/CAM一体化，使模具生产越来越依赖于高科技手段，最大限度地降低人工劳动的强度，提高模具的制造精度，缩短模具生产周期。

　　资源库、知识工程与知识资源库

　　资源库包括：标准件库、冲压设备库、典型结构库及基础结构库四部分内容。它为实体设计提供了丰富的资源：

　　◆ 标准件库

　　现代模具设计的高度集成化，要求零件模型在设计制造的各个环节中具有统一性，对于大量具有系列的，由参数确定的标准件，希望在标准件库中引用时只需选择零件规格参数，就可以得到正确的标准件。而不需要一一重新建模，也就是实现参数化驱动。

　　CATIA软件，在管理标准件方面有着独特的优势，Catalog Editor(目录编辑器)是专门对标准件进行分类、管理、使用的工具。

　　三维参数化标准件库的总体建立过程如下：

　　1) 归纳出共有的形状模式作为建库的基本元素，建立参数化特征。

　　2) 将规格数表联结到参数特征文件。使特征参数能够依照制定的系列变化。

　　3) 使用Catalog Editor模块对成系列的特征文件进行分类、管理。

　　根据模具标准件的类型，可将标准件分为：安装连接、导向、起重、限位、成翻装置、定位、压退料装置、进出料装置、侧冲装置、冲切、弹性元件、气动元件12类标准件。

　　结合标准件功能及使用特点，可以分为以下三类：

　　1. 普通标准件

　　多标准，成系列是它的主要特点。应用Catalog进行标准件的管理，使查找和应用更加方便、快捷。Catalog将大量成系列的标准件，按类型，分成了多个组，每个组下面又逐步细化。使庞大的标准件库变得清晰且有条理。使用Catalog Browser(目录浏览器)选择规格，插入到模具装配中后，可用快速移动一次定位，非常方便。

　　2. User Component(带布尔运算的标准件)

　　User Component(用户组合)是区别于Catalog Browser(目录浏览器)的另一种标准件插入方式。它能将用户事先定义好的特征，在插入标准件的同时自动与指定特征做布尔运算。

　　很多标准件的安装台，是随其规格的变化而变化的。把标准件做成带有自动进行布尔运算功能，使其能在用User Component命令插入装配的同时，与其相对应的铸件部分也一并生成。如图1所示。

图1 User Component的插入界面

　　3. Power Copy及UDF(局部标准结构)

　　Power Copy和User Defined Features(UDF) 是CATIA V5的一种特征定义工具。通过它，设计者可以把一些在结构设计中经常使用的特征用户化。通过调用对应的特征文件，并设置相应的条件和调节参数就可以生成三维实体模型。

　　利用Powercopy制作的标准结构主要应用于铸件部分，如起重臂、压板台等。同普通标准件一样，他们也是成系列变化的。不同的是它们是“长”在模具主体结构上的。插入时需要指定一些定位元素及参数，并以布尔运算的形式直接加入到实体中。这样特征的修改和删除都是十分方便的。

　　用UDF定义的用户特征，是被封装成一个特征显示在结构树中的，减小了特征占用空间。而且UFD特征，可以被作为加工特征识别，这一特点，为之后的数控编程过程，提供了很大的方便。

　　Power Copy和User Defined Features(UDF)可以使结构建模简单化、标准化。提高了建模效率及准确程度，减少重复劳动。

　　◆ 冲压设备库

　　冲压设备库的建立改变了模具设计中反复核对冲压设备的状况。设计者直接在冲压设备的模型上进行结构设计，对模具的大小、平衡性等都有了直观的反映。在设计压板槽、托杆时，可直接利用压床模型进行空间布置。另外，这些冲压设备还可以加入到模具的运动模拟分析中，使运动分析更加真实。

　　◆ 基础结构库

　　基础结构库是在CATIAV5环境下基于知识的智能化设计资源库，是知识工程与模具通用结构的有机结合。首先要依据原始信息建立模具的实体模型;然后结合设计经验和规则建立模具结构的设计知识集;最后，通过各种知识推理方法实现模具结构自动化设计。以单动拉延模基础结构的建立为例，首先可根据模具结构特点建立拉延模基础构架模型、定义驱动参数。这个模型越具有通用性、代表性越好。在建立的时候也要充分考虑与知识规则的关联。然后将拉延模结构设计规范在CATIA中形成规则，并建立驱动参数与规则的连接关系。最后再加入IF-THEN形式的推理结构就可以了。在拉延模的设计过程中，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;基于知识的基础结构库的建立，形成了模具结构的基础模板。确保了知识的积累和重用。

　　◆ 知识资源库小结

　　标准件库为设计提供了大量可以直接装配的参数化，系列化的零件;冲压设备库、典型结构库为结构设计提供了切实的可参考的模型;而基础结构库使模具设计更加智能。资源库与知识工程的有机结合，形成了模具结构设计的知识资源库，成为三维实体设计的坚实基础。

图2 知识资源库结构图

　　基于设计思路的三维实体设计

　　模具的实体设计过程是设计思维的过程。与普通的实体造型在思维方式上是截然不同的。单纯的实体造型，往往是在有参考实物或参考图纸的情况下进行的。制图员可以根据实物或图纸直接量取特征尺寸，一次将特征画对。而不存在设计中更改的问题，也谈不上构建流程。而真正的模具结构实体设计，重点在设计而非实体造型。设计是一个创造的过程，模具的每一个尺寸、每一个结构都需要设计员自己确定，而且设计是一个反复的过程，每一个设计都需要反复论证、反复更改，才能取得较合理的结果。

　　模具的设计过程包括模具设计构想、模具设计、模具结构评审、校对及出图四个过程。在整个实体设计过程中，始终围绕着两个问题：

　　1) 如何将现有的知识资源在设计中有效利用，与设计员的设计思维相统一。

　　2) 产品数模的修改信息是否能及时传递，模具结构修改是否方便。

　　以上两点，将直接影响到模具设计的质量和效率。为此，我们提出：基于设计思路的关联建模理念，以下面四部分内容为基础。

　　◆ 结构的标准化

　　模具结构标准化思想是贯穿整个建模理念的基础。尽量采用标准化的结构，使模具设计过程变成标准结构的垒积过程。将各个组成部分参数化、标准化、系列化。然后通过布尔运算相加到一起。最后形成一个完整的设计。但是由于模具产品本身的单件小批量的特点，在设计中只能尽量考虑应用标准结构，完全实现标准结构的垒积组合的可能性是很小的。

　　在模具设计构想阶段，典型结构库为设计者提供了大量可参考的典型结构。这些结构有赖于以往设计资源的积累，虽然它们是为了特定的模具设计的，但是为以后的设计提供了思路和参考。

　　◆ 基于知识资源库的基础结构

　　在模具设计的开始阶段，设计员开始勾画模具的整体结构。这时，各种模具构架在设计员的脑中变化，这些思维往往是一闪而过，不能直观的反映出来。基于知识的基础结构库，可以灵活的根据设计员的思路，按照事先输入好的结构规范变化。设计员可直观地看到这些参数调整过程中模具结构发生的变化。这些功能对于模具初期的设计是非常有效的。首先可根据模具结构特点，选择适当的基础构架模板，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、校核规则，自动提供出合理的结构方案。另外，模具设计虽然具有单件小批量生产特点，每一套模具都不相同。但是，在同一个项目中客户往往对同一类模具有统一的技术要求，很多模具有着相似的结构。我们把这些相似的结构根据客户的技术要求参数化、规则化，形成针对项目的基础结构库。既满足了客户的技术要求，又提高了设计效率。

　　◆ 基于关联的设计

　　CATIA的关联功能，能够使零件之间的相互引用变得更加可靠。当零件乙引用了另外一个零件甲上的某些特征元素(例如，一个面或一条线)，若开启关联功能，零件甲发生改变时，则零件乙中引用的那个元素也会同时更新。这种关联功能保证了引用元素的同步性。使引用变得更为可靠。另外还有一种高级的关联功能——Publication。使用Publication建立的关联，仅识别Publication元素，而不强调是哪一个零件对象，这种Publication更为灵活，应用也更为广泛。

　　传统的模具设计流程为直线式流程，即DL图设计完毕后进行模具结构设计。而采用Publication的关联设计，就可以在DL图草稿设计阶段，用临时的DL草稿进行模具结构的初步设计。待DL图正式图完成后，将临时的曲面更新成正式的DL图曲面，继续进行结构的完善工作。采用这种设计流程，实现了两个设计阶段的并行，不必压缩DL图和结构设计时间，却能有效的缩短整个模具设计周期。

图3 基于关联的设计流程图

　　在模具结构设计中，我们把影响模具结构的最重要的基本元素(如草图、轴线、参数等)发布(Publication)出来。整个模具结构以此为引用主干，依次延伸设计。若模具结构需要调整，只需要修改这些基本元素，就可以达到牵一点而动全身的目的。采用这种关联设计方式，即明确了设计思路，又为实现模具的快速修改，提供了很好的解决方式。

　　另外在模具设计过程中，产品数模的反复修改经常导致设计工作反复。采用关联设计后，结构设计员根本不用理会产品数模小范围的更改，CATIA的关联更新会自动进行。只有在产品数模变化较大的情况下，才需要设计员干预。

　　◆ 各类标准件的灵活使用

　　在结构细化的过程中， POWER COPY类型标准件提供了铸件本体的标准结构。能够自动布尔运算的User Component标准件，由于安装台和标准件是在一个PART零件中，安装台会随零件的移动而移动，更改十分方便。普通标准件操作简单，使用方便。

　　上述的内容覆盖了模具设计从构想到细化的整个过程，在每一个设计阶段，都有相应的资源、知识作为支持。以结构标准化为主导思想，运用参数化、智能化知识库，及和合理的布尔运算手段， 实现了设计思维与知识资源的有机结合，快速的将设计思维具体化。这些资源的灵活运用，无论是设计前期的构想，还是后期的结构修改都提供了良好的操作环境，真正意义上提高了模具设计的质量和效率。

　　数字化分析手段

　　采用截面检查、干涉检查、相对运动干涉检查、运动模拟等分析手段，真实的反映模具的实际工作状态，保证了设计的可靠性。

　　◆ 截面检查

　　CATIA空间分析模块，提供了多种截面检查模式。可用于检查模具结构，审核模具设计是否合理等。另外，对设计员了解模具的内部结构、检查模具结构强度也有很大帮助。

　　◆ 干涉检查

　　CATIA空间分析模块提供了干涉检查、接触检查、最小距离检查等多种分析模式。能够有效的分析装配体中两个或多个零件的空间相对关系，并且计算出具体数值，生成空间分析结果报表。

　　◆ 运动模拟

　　CATIA-DMU电子样机运动仿真模块，可使设计者通过仿真模拟，验证机构的运动状况。基于零件间的约束关系，建立2D和3D运动副，组建运动机构进行仿真。此外还可对速度、加速度、干涉、间隙等进行分析。

　　上述是在长期的汽车模具实体设计中总结出来的宝贵经验。其根本目的，就是将各种资源、知识整合，服务于设计。以各种理念和流程来规范、提高设计效率，将各种检测、管理工具综合运用，提高设计质量。建立高效率、高质量的实体设计平台。目前，此技术已被一汽模具广泛应用，完成了多个国内外项目。汽车模具三维实体设计技术的开发成功，优化了模具结构，提高了知识利用率，缩短了模具产出周期，从而提高了产品的质量和性能/价格比。