摘要：本文介绍了基于关联设计的弯曲级进模结构设计方法，描述了级进模装配约束关系的模型、弯曲工序对象和弯曲模组件对象，提出距离约束、几何约束、尺寸约束、依附约束四种约束方法。详细阐述了级进模弯曲设计中的装配树组织结构、关联设计、约束求解、参数化关键技术，及在此基础上实现的弯曲级进模块的设计流程和实现方法。
关键词：级进模 弯曲 关联设计
1、引言
随着工业技术的发展，模具的开发时间要求愈来愈短。传统的模具设计与制造方法不能适应工业产品的及时更新换代和高效率的要求。因此采用CAD/CAM技术是提高模具设计效率、缩短设计和制造周期的必然趋势。我国的模具CAD/CAM系统的开发始于80年代初，发展很迅速，在级进模方面不少高校和科研单位曾经推出了自己的级进模CAD/CAM系统，但实用的不多，主要是由于级进模设计的多样性和复杂性加大了程序设计难度大。特别是弯曲级进模设计难度大，从设计到投入正常稳定生产所需周期长，且和其它级进模具一样，要求高效率、 高精度、高寿命。因此它的设计一直是一个难点，多数级进模CAD/CAM系统没有很好的解决复杂弯曲模具结构的设计。为此本文引入了关联设计，应用关联设计的方法进行弯曲级进模的CAD设计。
关联设计是指事物之间所具有的彼此约束的关系。在冲模设计过程中，冲压件与其后继的工艺设计、结构设计之间所存在的关系，即是一种关联。对冲压件模型的修改，对工艺的修订，或对模具结构的更改等，必然会导致模具上与之相关联的零件或部件的变更。关联设计的目的就是要实现自动响应这些变更，以保证设计结果的一致性。实现关联设计的关键就是要解决相关约束在零件间、部件间以及零件与部件间的传播与求解，为此本文以变量的约束求解及参数化技术来实现弯曲级进模中的关联设计。并基于关联设计在HMJ级进模系统上建立了面向再设计的弯曲级进模CAD模块。
2、关联设计中的关键技术
2.1 HMJ级进模系统的装配模型
HMJ级进模系统是基于Autocad2000开发的级进模CAD/CAM系统。该系统采用了面向对象的软件思想，引入零件参数化、变量约束求解、再设计等先进技术。整个系统采用“自上而下”的设计，符合工程人员的思维习惯。HMJ系统的装配约束模型是对装配体中所有零件及其子部件的空间位置、装配关系、总体功能、设计意图的表达和描述。它采用“约束关系树”模型描述具有多层装配结构的级进模。该“约束关系树”是在层次模型的多叉树结构基础上，通过在叶结点增加约束虚链来表示的，如图1。“约束关系树”模型中，零件是不可拆分的、最基本的单元，一组有功能关系的零件组合在一起形成子装配体，所有的零件和子装配体组合在一起便得到完整的装配体。装配体与其组成零件之间的关系体现在该树的层次结构中。树结点之间的虚链表示零件的位置、依附等各种关系。 
fig.1 the tree for depicting theprogressive die assembly
有了“约束关系树”的基础，可以合理的组织级进模的装配关系。如图2，是在“约束关系树”的基础上组织的级进模装配关系，其中的“关联设计”就是装配关系中的虚链，条料部分因与工作单元有关联设计，作为一个组件放入了级进模里。同时将条料中的工序与弯曲的凸、凹模及附件全部封装成类的对象来处理，便于进行关联设计，也方便实现再设计。
fig.2progressive dies’ assembly tree(omit the auxiliary unit)
实际的设计中，条料中的弯曲工序将与模具中的弯曲组件(或零件)存在位置关联、尺寸关联、依附关联等，这些关联将条料和工作单元紧密联系起来，而工作单元又与模架有关联设计。这就是说当条料发生变化，通过关联设计很快能够修改工作单元，再通过工作单元与模架的关联设计可修改模架的尺寸及模架上孔个数和形状，从而实现快速再设计和自动修改的目的，不用重新设计工作单元。
2.2 关联设计中的约束关系的描述
在级进模CAD系统中，关联设计可分为两大类。一类是纵向的从属关联，包括冲压件产品模型与工艺设计间的关联、结构设计和详细设计各阶段间的关联。另一类是横向的关联，即相互间存在约束，如模具零件间的关联，即对相关联零件的任何一个进行更改，都会引起其它零件的连锁反应。两种关联通过距离约束、几何约束、依附约束、尺寸约束四大约束类别来实现。
距离约束：描述了级进模中所有的定位关系如：X方向定位、Y方向定位、Z方向定位、位置定位，面贴合等。其本质归结为：横向变量（X方向）、纵向变量（Y方向）和轴向变量（Z方向）的求解。如：X、Y、Z方向距离约束、同轴约束、位置约束、阵列约束。
几何约束：零件上的某一特佂取决于另一几何信息，如工序形状与产品形状、工作件与工序、凹模与凸模等，它们的某部分几何形状相同。通过特佂映射的方式和触发响应机制来实现。
尺寸约束：零件间的尺寸相关性，通过变量的约束求解和图形的参数化来实现尺寸的关联。
依附约束：一个约束的变动（或零件的存在）依赖另一个约束（或零件的存在），在autocad2000上通过反应器来实现。
2.3 变量的约束求解
约束变量表达式是对约束的数字描述，它将装配模型中的约束与设计变量关联起来，使整个装配模型中的子装配体、零件、约束动态地关联在一起。当某个设计变量的值变化后，通过变量表达式可传播到所有相关约束，再对相关的变量表达式进行求解，更新装配树。其具体处理过程如下：
1)重新求解与该设计变量相关的变量表达式，获得新值。
2)将变量表达式新值与原值比较，若相等，则结束操作，否则将该新值取代原值后，触发与其相关的约束。
3)将被约束零件的ID放入一队列（该队列为待求解零件ID队列）。
4)对队列中零件的变量求解
例如，设计弯曲凸模时，弯曲凸模的长度一般由经验公式可建立表达式：
H= T::凸模固板+T::卸料板(+T::卸料垫板)+凸模定固板到卸料板的距离值
T表示板件的厚度 :：表示前面的变量属于后面的零件
式中变量“T::卸料垫板”根据具体模架可选择
用户输入表达式后，系统自动生成“H::凸模_x”的变量(x是该凸模的编号，一般情况下是该类零件的个数，由系统给定，若x为1则省略_1)，并将表达式记录其中。当表达式中的“T::卸料板”变量发生变化时就会触发“H::凸模_x”调用表达式重新求解(包含“T::卸料板”的任何表达式都会被重新求解)，更新该变量。根据新的变量重新参数化图形，这样就实现了自动更新的目的。
2.4 参数化技术
本系统采用参数化技术来实现级进模弯曲结构设计。设计过程中，当某一零件的外形尺寸发生变化时，则该零件本身的外形及与之相关联的零件的外形亦会随之发生相应的变化，其实现流程如下：
1) 通过零件ID打开零件，取得零件的三视图(每个视图均由相应的图块表示)。
2) 调用参数化程序分别对每个视图进行参数化，从而实现对整个零件的参数化。
3) 通过依附约束反应器，使得与之关联的零件执行步骤（1）、（2），从而完成了该设计修改。
3 弯曲级进模结构设计的实现
3.1 弯曲工序及弯曲模组件的对象描述
根据弯曲工序部分的变形特点可知：任何一个典型的弯曲工序区可以划分成三个部分，即不变区、弯曲变形区、位移区，如图3。记录这些信息，加上材料特性和弯曲半径就足可以完成它的模具设计工作。在程序处理中位移区和不变区总称为弯曲边界，另外加入了弯曲方向、各弯曲视图、弯曲的名称等辅助项目，这样就可以将条料的弯曲工序作为一个零件类对象处理，进行关联的设计。
下面是弯曲工序类的部分代码：
class CPlankBend ： public HPD_CoPart
{……
private:
//{{AFX_ARX_DATA(CPlankBend)
char *m_BendName;//弯曲域名称
char *m_BendType;//弯曲类型名称
double m_BendAngle;//弯曲角度
double m_BendRadius;//弯曲内半径
double m_ NeutrosphereModulus;//中性层系数
AcDbObjectId m_Area;//弯曲区域
AcDbObjectId m_ Boundary1;// 弯曲边界1
AcDbObjectId m_ Boundary2;//弯曲边界2
…….. //}}AFX_ARX_DATA
} 
图3 弯曲特征分析
fig.3 bend feature analysis
弯曲组件是一个子装配体，是部件类的对象。它将凸模、凹模、凸模附件装置、凹模附件装置封装在一起，实现整体的联动性，使结构清晰明了，方便用户移动，删除等操作。
3.2 弯曲级进模设计流程
弯曲凸、凹模设计模块是以级进模约束关系树模型及零部件信息管理机制为纲要，标准零件库为基础创建的。另外，由于级进模工作部件中的弯曲成形凸模及成形型腔的形状千变万化，所以该模块比较注重采用交互设计方法，使自动和交互设计有效地结合起来提高设计质量。图4是具体流程图：
图4.弯曲级进模设计流程图
fig.4 the flowchart for design of bend progressive die
程序从弯曲类对象中提取信息，根据这些信息确定图形，并由图形生成变量对象列表，用户交互的方法输入变量表达式确定图形的参数，接着参数化图形，生成零件类和零件信息类对象。将图形块插入零件类中，变量对象加入零件信息类对象中，然后进行消隐处理和装配树更新，最后进行开孔处理。图5是弯曲模具设计的界面：
图5弯曲模具设计的介面
fig.5 the interface for bend mould design
3.3 弯曲级进模中的开孔处理
级进模弯曲设计中孔的形状复杂、变化多样，不易自动实现，因此我们设计了开孔的工具，灵活的处理孔的生成。开孔工具中总结了常见的多种孔形（即标准孔形），例如：直通孔、梯形孔、梯形孔组合、梯形孔和直通孔组合等，方便用户调用，用户也可自已设计孔形加入其中。孔的参数中，少数需要用户输入，其它的参数由系统自动读取，自动进行参数化和消隐处理。我们将孔单独作为一个类来处理，它继承于系统的零件类，被看作虚零件处理。建立孔时进行依附关联设计，将孔与产生孔的零件关联起来。例如：凸模设计完毕之后，开孔程序生成孔零件，凸模是穿过板件的实体，与孔零件间建立的依附约束。该约束中，凸模是拥有者，孔零件是被联接者。根据零件可能的变化，将事先定义的消息分为删除零件、复制零件、移动零件和几何形状变化四种。当系统检测到零件发生变化时，孔零件会根据定义的消息响应函数做出相应的变化，再重新进行参数化和消隐处理。具体的流程图如图6：
图6弯曲开孔程序流程图
fig.6 the flowchart for creating hollow in the bend mould
3.4弯曲级进模的应用实例
如图7（a）中的条料，其弯曲级进模结构设计过程为：首先在AutoCAD中插入条料的排样图，通过条料排样图确定模具的工作区。由工作区尺寸，系统调用合适的模板（用户也可自己选择），并将各模板关联组成模架。调用标准件生成模板导柱、圆柱销、螺钉。调用冲裁、弯曲模块进行级进模的结构设计。完成结构设计后，再调用标准件模块生成托料钉、顶料钉、螺塞、弹簧等，最后调用工具进行消影处理。 下面是调用弯曲模块进弯曲工作件设计的过程：
模具设计的页面中图5选择弯曲的类型，确定弯曲的图形。这里选择复合弯曲，通过对话框输入凸、凹模的变量和建立关联。从弯曲对话框中选择要输入值的变量，点“取值”可直接从Autocad图形操作区中选取值，通过工具快速找到关联的变量（如模板厚度），从而快速建立表达式（如凸模长度），通过关联映射将弯曲的图形映射到凸、凹模上。生成映射后点“确定”，输入凸模俯视图的固定中心点就可完成凸、凹模设计。程序将自动插入图形，参数化图形，生成简单的凸、凹模孔，同时生成凸、凹模零件实体对象和孔零件对象。再调用孔生成工具修改生成的孔完成孔的设计，重建级进模设计装配树，显示建立的对象。如图7(b)是完成的模具主视图：
图7 弯曲实例图
fig.7 the instance for bending
4 结论
本文详细描述了基于关联设计的级进模弯曲结构设计关键技术和实现方法。与其它的二维级进模软件相比，该设计方案能方便的输入参数，建立表达式，通过表达式快速建立零件之间的联系，实现级进模的关联设计，很大程度上提高了级进模CAD系统的设计效率。
参考文献
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