沖壓模具CAD/CAE/CAM一體化系統(tǒng)的研究對(duì)制造業(yè)的發(fā)展起著至關(guān)重要的作用， CAD技術(shù)越來(lái)越廣泛而深入地運(yùn)用在制造業(yè)的各個(gè)方面。與此同時(shí)目前工程設(shè)計(jì)中所出現(xiàn)的大量的重復(fù)性勞動(dòng)和繁復(fù)的工程計(jì)算，已經(jīng)逐漸成為各個(gè)工程設(shè)計(jì)中的常見(jiàn)問(wèn)題。實(shí)踐證明，三維設(shè)計(jì)是CAD應(yīng)用發(fā)展的必然趨勢(shì)，為了更有效發(fā)揮CAD系統(tǒng)的作用，必須對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，對(duì)其進(jìn)行零件標(biāo)準(zhǔn)化，部件通用化，以及典型零部件參數(shù)化，實(shí)現(xiàn)CAD/CAE/CAM系統(tǒng)的專(zhuān)業(yè)化和用戶(hù)化。

一、沖裁模三維標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)的建立

1.二次開(kāi)發(fā)工具概述

(1)CATIA/Open CAA

它是C A T I A軟件包中的一個(gè)模塊， 是達(dá)索公司提供的用于CATIA的二次開(kāi)發(fā)軟件工具。使用CATIA/Open CAA語(yǔ)言可以創(chuàng)建類(lèi)似FORTRAN一樣的程序，并與CATIA系統(tǒng)集成。由于CAA與CATIA緊密集成，所以利用CAA程序，可以完成與CATIA的各種交互操作。

(2)Visual C

它是美國(guó)Microsoft公司推出的Windows操作系統(tǒng)下的編程環(huán)境，是深受廣大程序員和用戶(hù)歡迎的功強(qiáng)大的、具有吸引力的Windows應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)系統(tǒng)。

2.三維標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)開(kāi)發(fā)方法的比較與確定

(1)程序參數(shù)化建模

運(yùn)用開(kāi)發(fā)工具編制若干具有獨(dú)立功能的程序模塊，用戶(hù)可以進(jìn)行交互選擇，只需要輸入少量的信息和參數(shù)，就能起動(dòng)相應(yīng)的程序模塊，使系統(tǒng)自動(dòng)完成數(shù)據(jù)訪(fǎng)問(wèn)、數(shù)據(jù)運(yùn)算、構(gòu)造和編輯實(shí)體等操作，從而生成所需規(guī)格的標(biāo)準(zhǔn)件圖形。

(2)直接系統(tǒng)建模法

利用C A D系統(tǒng)提供的建模功能，將標(biāo)準(zhǔn)零件分類(lèi)，并分規(guī)格地建立起模型，供設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)過(guò)程中使用。這種建庫(kù)過(guò)程即為建模過(guò)程。與其他建模過(guò)程相比，這種方法的優(yōu)勢(shì)是明顯的。

◎建庫(kù)的過(guò)程就是利用系統(tǒng)的建模工具來(lái)建模的過(guò)程，方法簡(jiǎn)便直觀，可以由CAD系統(tǒng)的使用人員來(lái)進(jìn)行，不需要專(zhuān)業(yè)的開(kāi)發(fā)人員來(lái)進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)。

◎?qū)ο到y(tǒng)的要求較低，系統(tǒng)不具備參數(shù)化的功能也可完成。

但這種方法的缺點(diǎn)是工作量巨大，且存儲(chǔ)量巨大。將每個(gè)規(guī)格的標(biāo)準(zhǔn)件均建立起模型，其工作量和存儲(chǔ)量是可想而知的。

直接系統(tǒng)建模可以采用建模之后用軟件管理的辦法，使查找和調(diào)用都自動(dòng)進(jìn)行，這樣就可以集大家的力量共同攻克參數(shù)化繪制中所遇到的困難，例如結(jié)構(gòu)復(fù)雜的標(biāo)準(zhǔn)件等。

(3)參數(shù)化系統(tǒng)建模法

結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)零件的數(shù)據(jù)特點(diǎn)以及軟件的參數(shù)化功能，可以有效地克服直接系統(tǒng)建模法缺陷，因此利用系統(tǒng)建模的較為可行的辦法是利用參數(shù)化技術(shù)，這就是我們所說(shuō)的參數(shù)化系統(tǒng)建模法。這種方法比較適用于建立三維標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)。利用這種方法建庫(kù)的基本步驟為建模、參數(shù)化和管理。

1)建模 建立標(biāo)準(zhǔn)零件模型的過(guò)程就是利用系統(tǒng)提供的建模工具建模的過(guò)程，大多數(shù)CAD系統(tǒng)均提供了高性能的二維、三維設(shè)計(jì)及通用幾何造型工具，包括特征造型、體素造型和參數(shù)化造型等技術(shù)，因此可以較為方便地設(shè)計(jì)出標(biāo)準(zhǔn)件實(shí)體模型。

2)模型參數(shù)化 參數(shù)化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是建立一套描述設(shè)計(jì)參數(shù)和尺寸參數(shù)間的約束方程組，然后根據(jù)一組新的尺寸求新的設(shè)計(jì)參數(shù)。用這類(lèi)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的特征均已定義好約束并都已參數(shù)化，修改模型尺寸可通過(guò)系統(tǒng)直接進(jìn)行，即可以用具體的參數(shù)驅(qū)動(dòng)該模型來(lái)生成不同尺寸系列的標(biāo)準(zhǔn)件。用這種系統(tǒng)設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)建庫(kù)的優(yōu)點(diǎn)是用戶(hù)自由度較大，不但可以生成不同尺寸系列的標(biāo)準(zhǔn)件，而且可以獲得不同形狀系列的標(biāo)準(zhǔn)件。

3)管理 大多數(shù)CAD/CAM軟件都提供了一套完善的存儲(chǔ)管理機(jī)制，從而為建立標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)提供了基礎(chǔ)。但是標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)的建立僅僅為存放標(biāo)準(zhǔn)件模型提供了一個(gè)場(chǎng)所，而CAD/CAM系統(tǒng)提供的管理機(jī)制一般也只提供按標(biāo)準(zhǔn)件模型名調(diào)用的方式，這種管理方法不便于用戶(hù)使用標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)中的標(biāo)準(zhǔn)件。因此，要想方便地使用標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)件模型，就需要設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)出一套標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)管理軟件。

參數(shù)化系統(tǒng)建模法的優(yōu)勢(shì)在于能夠充分利用系統(tǒng)的參數(shù)化功能，并且不需要太多的額外開(kāi)發(fā)工作，用戶(hù)便可按實(shí)際需求獲得適合的標(biāo)準(zhǔn)件系列，該方法具有一定代表性。缺點(diǎn)在于建庫(kù)的工作量大，而且由于三維尺寸標(biāo)注不具有自動(dòng)檢測(cè)功能，所以可能會(huì)出現(xiàn)過(guò)約束或欠約束的尺寸，從而使標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)中出現(xiàn)無(wú)法準(zhǔn)確定位或無(wú)效的結(jié)構(gòu)。

3.沖裁模具三維標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)的實(shí)現(xiàn)方法

根據(jù)前面對(duì)開(kāi)發(fā)三維標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)方法的分析，結(jié)合具體要求，本系統(tǒng)中參數(shù)化標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)的構(gòu)造過(guò)程是對(duì)不同的標(biāo)準(zhǔn)件進(jìn)行分析，決定采用哪一種建模方法，對(duì)不同的方法采用不同的實(shí)現(xiàn)步驟。這里主要介紹參數(shù)化系統(tǒng)建模方法。

(1)程序參數(shù)化建模

程序參數(shù)化建模的工作流程如圖1所示。

圖1 程序參數(shù)化建模的工作流程

(2)直接系統(tǒng)建模

直接系統(tǒng)建模的工作流程如圖2所示。

圖2 直接系統(tǒng)建模的工作流程

(3)參數(shù)化系統(tǒng)建模

本系統(tǒng)中參數(shù)化標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)的構(gòu)造過(guò)程分為如下幾步：

1)建立標(biāo)準(zhǔn)件參數(shù)化實(shí)體模型建立參數(shù)化模型的過(guò)程主要利用CATIA的功能來(lái)實(shí)現(xiàn)。在CATIA中，實(shí)體造型的過(guò)程如圖3所示。

圖3 參數(shù)化系統(tǒng)建模參數(shù)實(shí)體模型

模型驅(qū)動(dòng)技術(shù)是模型參數(shù)化的關(guān)鍵技術(shù)，在零件驅(qū)動(dòng)的前后只發(fā)生尺寸大小的變化，拓?fù)潢P(guān)系不變。在零件模型中，包含零件實(shí)體及其尺寸、驅(qū)動(dòng)變量和參考變量等，分別對(duì)應(yīng)于下面列出的CATIA的三種尺寸標(biāo)注方式。

◎數(shù)值形式：以數(shù)值的形式表示尺寸；

◎變量名形式：給每個(gè)尺寸一個(gè)代號(hào)，按先后標(biāo)注用d0,d1～dn表示；

◎方程形式：如d3=d1。

模型實(shí)體決定了零件的拓?fù)潢P(guān)系，常量尺寸為模型中不變的約束，驅(qū)動(dòng)變量為取一定數(shù)值的可變約束，參考變量是驅(qū)動(dòng)變量的運(yùn)算組合。模型驅(qū)動(dòng)只直接改變驅(qū)動(dòng)變量的取值，參考變量根據(jù)驅(qū)動(dòng)變量的變化自動(dòng)更改。造型軟件根據(jù)模型實(shí)體造型過(guò)程和新的變量取值重新計(jì)算，從而得到新的零件。

2)讀入相關(guān)參數(shù)值 參數(shù)數(shù)據(jù)組織即根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)件參數(shù)的特點(diǎn)，研究出合理的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來(lái)描述標(biāo)準(zhǔn)零件的參數(shù)數(shù)據(jù)，可將參數(shù)數(shù)據(jù)分成下面兩大類(lèi)。

◎主參數(shù)類(lèi)(單參數(shù)類(lèi))：這類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)零件的參數(shù)數(shù)據(jù)中決定性參數(shù)只有一個(gè)，當(dāng)其主參數(shù)確定下來(lái)之后，其他參數(shù)便全部都可以相應(yīng)地確定下來(lái)了。

◎主參數(shù)、次主參數(shù)類(lèi)(雙參數(shù)類(lèi))：這類(lèi)零件除具有一個(gè)主參數(shù)之外，還存在一個(gè)與主參數(shù)系列相對(duì)應(yīng)的次主參數(shù)組，在確定了主參數(shù)之后，次主參數(shù)只能確定一個(gè)取值的范圍，只有確定了次主參數(shù)的值之后，零件的所有組成參數(shù)才能全部確定下來(lái)。

3)調(diào)入模型進(jìn)行裝配 把所有的模型都存放在一個(gè)路徑下，構(gòu)成一個(gè)庫(kù)文件。此時(shí)程序應(yīng)提供一個(gè)功能，自動(dòng)搜索所需的零件，把它調(diào)入并安裝在相應(yīng)位置。

4)輸出表達(dá)式文件 由于CATIA系統(tǒng)有調(diào)入的零件時(shí)表達(dá)式要在原表達(dá)式基礎(chǔ)上加“ ‘ ”和一個(gè)數(shù)字序號(hào)以區(qū)別的約定，所以更改表達(dá)式要自動(dòng)提取這個(gè)數(shù)字序號(hào)。

5)按相關(guān)參數(shù)修改表達(dá)式 按新表達(dá)式修改模型。參數(shù)化系統(tǒng)建模的工作流程如圖4所示。

(4)系統(tǒng)集成

標(biāo)準(zhǔn)件的管理界面的功能用于實(shí)現(xiàn)用戶(hù)對(duì)需要的標(biāo)準(zhǔn)件的種類(lèi)的選擇。因此，需要在界面中能夠根據(jù)用戶(hù)的選擇顯示出相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)件的系列、規(guī)格、參數(shù)及各參數(shù)等意義，以供用戶(hù)確認(rèn)。把所有函數(shù)都集成起來(lái)這樣，就形成了一個(gè)功能強(qiáng)大的專(zhuān)業(yè)函數(shù)庫(kù)。

圖4 參數(shù)化系統(tǒng)建模的工作流程

主程序中列出了所有的標(biāo)準(zhǔn)件的名稱(chēng)的按鈕，點(diǎn)擊按鈕后進(jìn)入下一級(jí)對(duì)話(huà)框，如圖5所示。這時(shí)系統(tǒng)將顯示相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)件的相關(guān)信息及各參數(shù)的相關(guān)信息，然后再根據(jù)具體情況，提示用戶(hù)輸入相關(guān)的參數(shù)或選擇相應(yīng)的按鈕。

圖5 標(biāo)準(zhǔn)件選擇對(duì)話(huà)框

在CAA語(yǔ)言中，提供了功能強(qiáng)大的人機(jī)交互語(yǔ)句，用戶(hù)可以利用CAA程序提供與系統(tǒng)對(duì)話(huà)的功能，完成交互操作。所以這些管理界面可以用標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)操作，界面可以用CAA程序?qū)崿F(xiàn)。Visual Basic對(duì)于編制應(yīng)用程序界面方面有其獨(dú)到的優(yōu)勢(shì)，所以標(biāo)準(zhǔn)件的相關(guān)信息用Visual Basic程序?qū)崿F(xiàn)即可。

在圖形編輯、實(shí)體造型方面CAA程序就顯得力不從心了。因此在本系統(tǒng)中可以采用CAA程序來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)的組織、界面的制作以及數(shù)據(jù)處理等工作；而對(duì)于實(shí)體造型，則在CATIA系統(tǒng)中進(jìn)行，這樣就可以發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)，把三個(gè)系統(tǒng)集成，形成一個(gè)界面友好、功能強(qiáng)大的沖裁模具計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 模具CAD系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

二、沖裁模三維標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)的應(yīng)用實(shí)例

1.實(shí)例說(shuō)明

圖7是轎車(chē)控制臺(tái)左右側(cè)上橫梁加強(qiáng)板的產(chǎn)品數(shù)模，材料厚度為1mm。

圖7 零件產(chǎn)品數(shù)模

2.模具設(shè)計(jì)要求

整套工序?yàn)樽笥壹Ｖ圃欤緦?shí)例為4/4沖孔工序。由于孔位及孔徑的精度要求，將沖壓方向進(jìn)行調(diào)整，使得五個(gè)安裝孔正沖外，斜面上的兩個(gè)安裝孔需要吊沖來(lái)實(shí)現(xiàn)。因此，模具的結(jié)構(gòu)為四大部分組成：

(1)吊沖裝置

吊沖裝置選用日本三協(xié)公司的標(biāo)準(zhǔn)件UCSMC50-30。

(2)下模組件

下模座采用鑄造形式，在其上直接鑄出定位型面。在沖孔位置安裝凹模鑲套、廢料盒，導(dǎo)向位置安裝導(dǎo)柱和導(dǎo)滑板（由標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)提供）。

(3)壓料板組件

壓料板組件采用基體鑄造、壓料面鑲塊形式。壓料板與上模座之間由導(dǎo)滑板導(dǎo)滑，并用側(cè)銷(xiāo)連接，彈性卸料元件采用彈簧預(yù)壓組件(由標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)提供)。

(4)上模座組件

上模座采用鑄造形式，在其導(dǎo)滑腿上安裝導(dǎo)向裝置導(dǎo)套及導(dǎo)板，在凸臺(tái)上安裝墊板、凸模、模夾及螺釘、銷(xiāo)釘（由標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)提供）等。

3.設(shè)計(jì)過(guò)程

(1)下模組件的設(shè)計(jì)

首先是定位型面及定位體的設(shè)計(jì)。將產(chǎn)品數(shù)模另存為下模零件設(shè)計(jì)的Part文件，利用CATIA的自由曲面建模功能，將產(chǎn)品數(shù)模型面按定位需要進(jìn)行順延和剪切，然后進(jìn)行縫合。用實(shí)體造型功能在需要位置給出定位體需要尺寸的方體，用縫合后的曲面將方體上部剪切掉，所需要的定位體實(shí)體就設(shè)計(jì)完成了。

然后利用CATIA的實(shí)體建模功能和特征建模功能設(shè)計(jì)出下模實(shí)體模型的基本形狀。

(2)標(biāo)準(zhǔn)件的選用

下模組件是由下模體和一些標(biāo)準(zhǔn)件組成。我們可以利用沖裁模CAD系統(tǒng)中的標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)直接生成實(shí)體模型，進(jìn)行裝配。如果要在導(dǎo)向位置上安裝導(dǎo)滑板，應(yīng)首先將當(dāng)前工作坐標(biāo)變換到安裝位置上，然后就可以在標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)中調(diào)用所需安裝的標(biāo)準(zhǔn)件了。

打開(kāi)“F i l e”→“E x e c u t e CATIA/Open”→“CAA”選擇標(biāo)準(zhǔn)件的種類(lèi)的系統(tǒng)界面，如圖8所示。單擊導(dǎo)滑板圖標(biāo)后，進(jìn)入標(biāo)準(zhǔn)件的參數(shù)選擇系統(tǒng)界面，如圖9所示。

圖8 選擇標(biāo)準(zhǔn)件種類(lèi)的系統(tǒng)界面

圖9 選擇標(biāo)準(zhǔn)件參數(shù)的系統(tǒng)界面

單擊確定后，出現(xiàn)如圖10所示的輸入?yún)?shù)的對(duì)話(huà)框，輸入長(zhǎng)為150、寬為100，再次單擊確定后，完成標(biāo)準(zhǔn)件導(dǎo)滑板的安裝。

圖10 輸入?yún)?shù)的系統(tǒng)界面

其他標(biāo)準(zhǔn)件的安裝過(guò)程與導(dǎo)滑的安裝過(guò)程一致。裝入標(biāo)準(zhǔn)件后的下模組件實(shí)體模型如圖11所示。

圖11 下模組件實(shí)體模型

三、結(jié)束語(yǔ)

從產(chǎn)品數(shù)字化定義到應(yīng)用數(shù)字化裝配技術(shù)，模具產(chǎn)品設(shè)計(jì)正由2D輔助設(shè)計(jì)逐步走向3D主流設(shè)計(jì)的數(shù)字化時(shí)代。現(xiàn)在各種專(zhuān)業(yè)化的3D設(shè)計(jì)軟件越來(lái)越成熟和多樣化。遺憾的是，所有專(zhuān)業(yè)軟件對(duì)用戶(hù)均不能提供較為完整的標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)。而通用零部件和標(biāo)準(zhǔn)件的廣泛使用，使標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)的開(kāi)發(fā)成為我們研究所實(shí)現(xiàn)數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造技術(shù)應(yīng)用的重點(diǎn)目標(biāo)。該庫(kù)升級(jí)后將更加智能化，并可與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)等全文數(shù)據(jù)庫(kù)集成，使二維信息與三維信息互通，并能夠查詢(xún)標(biāo)準(zhǔn)件的非參數(shù)化屬性等。本文所開(kāi)發(fā)的沖裁模三維標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)只是模具CAD的一個(gè)重要的組成部分。