冲裁模CAD系统开发技术

作者：信息来源:模具 2008-4-29

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[摘要]介绍了冲裁模CAD系统开发的一般过程，分析了系统开发中的主要技术难点及目前主要的解决策略，对于冲裁模CAD研究与开发有一定的参考价值。1 冲裁模CAD系统开发的一般过程冲裁模CAD系统规模庞大，一般程序量达数十万行。为了保证开发质量，应该严格遵循软件工程学的方...

[摘要]　介绍了冲裁模CAD系统开发的一般过程，分析了系统开发中的主要技术难点及目前主要的解决策略，对于冲裁模CAD研究与开发有一定的考价值。

1 冲裁模CAD系统开发的一般过程

　　冲裁模CAD系统规模庞大，一般程序量达数十万行。为了保证开发质量，应该严格遵循软件工程学的方法，做好系统分析、系统设计(概要设计、详细设计)、程序设计、系统测试和系统维护过程。在系统分析和系统概要设计阶段，IDEF0设计方法建立系统功能模型的有效工具^[1，2]。一个完整的冲裁模CAD系统一般应包含以下功能：
　　(1)冲裁件图形及产品信息输入；
　　(2)冲裁工艺可行性分析与工艺方案选择；
　　(3)毛坯排样与工步排样设计；
　　(4)刃口尺寸计算、压力与压力中心计算；
　　(5)模具结构设计与模具总装图、零件图生成；
　　(6)模具工作零件线切割自动编程。
　　在系统详细设计阶段，应该确定各模块采用的技术路线，如设计方法、算法等。在上述各功能模块中，许多模块的技术路线的实施需经过慎重的分析和研究，它们构成了冲裁模CAD的主要技术。

2 冲裁模CAD的主要技术构成

2.1 冲件图形信息的获取技术
　　在冲裁模CAD中，首先要将冲件的形状、尺寸等信息输入计算机，建立几何模型。在多年的发展中，形成了多种输入方法，如编码法、面素拼合法、交互输入法等。目前大量使用的是交互输入法及其衍化的方法。
　　为了实现交互技术，需选择某一图形平台并以此作为整个系统的基础。目前已开发的冲裁模系统按其图形平台可分为两大类：基于自主开发的图形平台系统和基于商品化图形平台(如Auto CAD、UGⅡ)的系统。第一类系统需开发一个针对模具CAD领域的二维图形系统，实现图形的生成、编辑、尺寸标注、文件管理、绘图输出等功能。基于Auto CAD的开发是目前内大多数冲裁模系统选用的方案，其主要技术关键是如何从图形数据库中提取信息。以前常用的方法是根据DXF组码通过Auto CAD的二次开发工具Auto Lisp、ADS实现，即所谓“图形交换法”。
Auto CAD R13 C4版中ARX工具和R14版中Object ARX工具的出现使开发者可以访问Auto CAD数据库并方便地提取图形信息。
　　在冲件图形处理领域，目前正在进行的研究主要有：
　　(1)特征技术的应用。主要为工步排样等工艺设计服务。在实际应用中，通常将基于特征的设计和特征交互标定结合起来描述冲件的形状特征、精度特征和材料特征。在Auto CAD环境下通过ARX工具可以方便地将相关的产品信息存贮到图形数据库，便于特征技术的实现。
　　(2)参数化技术的应用。以尺寸驱动为主的参数化技术在近几年已取得了很大的进展，对于冲压产品的概念设计、局部改型设计和生成标准件图形库等有重要意义。由于冲裁件形状千变万化，参数化技术在其图形处理中的成熟应用需进一步研究。
2.2 排样技术
　　排样是冲裁模CAD研究的热点。排样的目的是为了获得最佳排样方案，即毛坯在条料上的最佳布排。排样以材料利用率为目标函数，但必须同时考虑其它约束条件，如：弯曲线与条料轧制纹路的关系、模具的合理化设计、料宽约束、步距约束等。往往会出现材料利用率高的方案不是最佳方案的情况，而是一些系统忽略的地方。就排样方式而言，常用的普通单排、对头单排、普通双排、对头双排已能基本满足要求。排样的核心技术是：
　　(1)图形等距放大技术。在冲件间搭边值较大而冲件外形较复杂(含窄小凹槽等)时易出现图形自交现象，如何处理，使用户不必交互简化图形是排样前处理技术的核心。
　　(2)排样算法。历经数十年研究，目前应用的主要有“加密点法”和“一步平移法”等。“加密点法”实现简单，但计算精度受到加密点的影响很大，而“平行线分割一步平移法”^[3]因其计算量的减少和精度的提高被许多系统引用，但它在计算效率和步距计算准确性方面还存在一些不足，采用过图元端点、驻点等特殊点作水平线段求步距的方法可以解决这些问题。
　　目前毛坯排样中需要解决的问题是有效合理的毛坯嵌套排样算法的研究。
2.3 级进模工步排样技术
　　排样是冲裁模CAD的难点之一。最早所用的图论算法(主要由凹模刃口间距离建立刃口碰撞关系矩阵，可看成图论中图的邻接矩阵)无法体现众多的工艺要求和排样规则，实用性较差。目前主要的研究方法有：
　　(1)对原有的图论算法进行改造，仍以凹模最小许用壁厚作为刃口间距离约束，但通过对各型孔加权获得工步安排先后的判据[3]或按不同的工艺规则和刃口特性(刃口精度要求)排定冲制优先级和同一级别各刃口的冲制次序[4]。建立一个完备的数据结构以包含工步设计中的各工艺信息是该方法的关键。
　　(2)采用专家系统思想，将工步排样有关的优化准则总结归纳成排样规则放入知识库，以交互拾取或从特征模型中提取的方式建立工件各刃口工艺信息事实库，最后以一定的推理机制，完成工步排样设计。该方法的基础是一个有效的图形专家系统工具。
　　为了扩大系统的适用范围，系统不仅应包含冲孔、落料工序，还应包含切废、冲缺工序。定距方式如侧刃、导正销、挡料销等也应在此模块确定，其中侧刃刃口应参与工步排样自动运算，以确保凹模与其它刃口间的距离符合要求。由于级进模工步设计的复杂性，建立一套有效的交互修改工具必不可少，主要应包含的功能有：加、减空工步、工步交换、刃口移动等。
2.4 工件尺寸类型判别及刃口尺寸计算方法
　　为了在模具零件图中自动标注刃口尺寸，有必要判别标注在工件图上的尺寸类型，包括：工艺分类(冲孔、落料、中心距尺寸)、间隙情况(双边、单边、不加间隙)、磨损趋势(变大、变小、不变)、与图形关系(孔边、孔间、轮廓尺寸)等。实现的方法有：早期的编码图形输入时的交互尺寸编码法及目前使用的自动判别法。自动判别又有基于算法的方法和基于规则的方法，它们的关键是如何根据磨损后的刃口形状确定相应的尺寸引出结点位置，即建立尺寸与相关图形之间的联系。SBDS系统采用基于算法的方法，通过在二维图形数据结构中建立完备的尺寸结构并引入了尺寸引出结点的指针，根据“模拟磨损法”即可找到磨损后某一尺寸对应的新图元并计算出新的尺寸值，从而推断出该尺寸的类型。基于规则的一种方法将尺寸识别所需的各种知识装入知识库，采用正向推理方式实现[5]。当然，目前不管是基于算法的方法还是基于规则的方法，交互修改的功能都是不可少的。
　　凸、凹模刃口尺寸按冲压工艺学中的计算公式(A-X_Δ)₀^+δ、(B+X_Δ)_+δ⁰等对工件尺寸逐一计算，如不采用参数化技术，很难实现图形的重构。目前的冲裁模系统大多采用“等距缩放”的方法，将原始工件图形等距放大、缩小一定的值(交互取图中(X_Δ)_min以满足制造精度要求)获得凸、凹模刃口图形；如采用分开加工方式，其缩放量应考虑模具间隙值。该方法得到了大多数企业的认可。
2.5 模具结构设计技术
　　在结构设计中需要解决以下问题：
　　(1)结构设计方法。现有冲裁模CAD的结构设计方法一般可分为两大类：以“模具图为本”的纯2D方法和建立2.5D结构模型的方法。前者在设计时调出预先存储的标准图形并补充信息，该方法实现简单但设计效率不高。后者是目前较多采用的方法，一般需建立模具装配模型。由于冲裁模具零件一般都是轴类零件——即所谓“旋转体”，或是带阶梯侧壁外形及阶梯内孔(包含连接过渡)的板类、柱体零件——即所谓“广义等厚体”，因而冲裁模具零件可用2.5D方法描述。SBDS系统采用的方法是先做模具总体结构初步设计，即确定模具的典型组合和模架(主链零件)，然后具体设计或选用各孔内零件(如凸模、凸凹模、顶件块、顶杆等)，并在相应的板上开孔。这种过程与设计者正常的设计思路一致，是一种“自顶向下”的设计方法。
　　(2)结构设计方法的实现。由于目前国内各企业使用的冲模标准不一，且各厂均有各自的设计习惯，因此提供用户二次开发接口和建库工具是提高系统柔性的重要措施。最彻底的方法是开发一套结构设计与建库语言，或者说开发一个智能数据库系统，它不仅将各种模具典型结构、标准模架、标准零件参数及相关信息装入，也将设计经验、方法、步骤等存放在数据库中，对用户全方位开放，并且可以实现数据库与图形系统的通讯。上海交大于1993年开发完成的DBS语言已成功地应用于冲裁模系统，由数据库管理系统(主要为编译系统)和数据库文件(参数化实体造型文件、设计策略文件、数表文件等)构成，提供了包括控制、字符串处理、文件查询、图形处理与显示、交互处理等80余个函数供用户调用，以编写用户化的模具结构设计过程和建库。该方法开发工作量较大，目前只有少数系统采用。
2.6 装配图生成技术
　　如果在3D平台上开发(如Auto Desk MDT,EDS UGⅡ)，可借助软件自带的功能对已完成的模具零件实体进行剖视生成装配图；而如果基于2D平台开发，对应于结构设计的方法，这里亦有两类实现方法：一是只能生成“死图”的子图形简单拼合法和零件图形拼合法；二是可生成“活图”的基于几何造型法[3]，即在模具零件2.5D实体造型的基础上，根据零件间的装配关系、定位关系进行实体的剖切和投影的并、交、差运算，并进行消隐、透视等处理。基于几何造型法可以较方便地实现任意阶梯剖、半剖、局部剖并可自动生成明细表及件号自动标注。它实际上是由2.5D实体生成为2D视图的问题，对图形处理有较高的要求，一般均需用户作少量的交互修改。

3 结束语

　　多年来，我们接触了许多生产企业，深切感到要将冲裁模CAD技术真正应用到企业的设计工作中，作为软件设计者，应该注意：
　　(1)软件的功能对企业设计员而言是首要的要求，在追求优秀的软件界面的同时更应注重软件的功能实现。
　　(2)选用一个合适的图形平台是系统开发成功的重要保证，与开发者、用户均有密切关系。
　　(3)提高系统的开放性是真正能将系统推广到企业的主要途径。
　　实现冲裁模CAD的方法、技术方案很多，远不止本文所述，开发者应根据实际情况，如开发条件、任务、目标等综合考虑。