汽车覆盖件模具结构并行设计

作者：上海交通大学 陈炜 林忠钦

欢迎访问e展厅 展厅 3 冲压模具/锻压/冷镦模具展厅 冲压模, 级进模, 拉深冲裁模, 冷冲模, 冲床模具, ... 摘要：分析了并行设计的全过程，介绍了新型CAD软件如何在技术上对并行设计进行支持，并建立覆盖件拉深模结构并行设计过程模型。 1前言 汽车覆盖件模具具有精度高、形状复杂、结构尺寸大、配合协调性要求高等特点。在实际设计过程中，一个复杂覆盖件的设计任务往往由一个设计组合作完成。传统的模具设计采用“串行”顺序设计方法，导致各个设计环节相互孤立，再加上二维图纸表达的局限性和手工设计的低效率，造成设计组中设计人员之间难以准确、及时地交流信息，也不能及时发现模具设计中的缺陷，有时还会造成返工，延长了模具设计的周期，影响了设计质量。而包括模具在内的一般通用机械CAD软件，大多采用自底向上的设计过程，即先对组成概念设计模型的零件进行详细几何结构设计，然后确定零件之间的装配关系，对与结构直接相关的装配协调和功能保证等总体性问题却难以或无法解决，因此，同样影响了结构设计的质量和效率。在这种情况下，人们开始研究自顶向下并行设计过程的新型CAD软件，从而为设计者提供了产品装配级的设计支持，并充分保证设计人员之间的并行协同工作能力。所谓并行设计就是多学科设计人员协调交换信息、并行地设计产品，以大大缩短传统的串行设计所需要的时间，提高产品质量和企业竞争力。并行设计作为并行工程的一个重要环节，已成为当今设计领域的研究热点。 2 并行设计过程实现 2.1并行设计过程分析 汽车覆盖件模具结构并行设计过程分为概念设计、布局设计和详细设计等阶段。 2.1.1 概念设计阶段 通过对设计要求的分析，建立覆盖件模具的功能模型，生成对模具布局及结构的设计约束。概念设计的结果以覆盖件模具功能模型图表示，见图1 模具功能模型图的意义是:通过模具功能的分解得到模具功能结构树，树根的功能单元表示模具的总功能；每个功能单元可以进一步分解为下一级子功能单元结构，直至每个功能单元的结构最终被分解为特征或零件为止。同一层次上的属于同一功能单元的兄弟单元结点间，通过功能特征结点构成局部功能单元网络图；功能结构树中的全部结点及相关的功能特征结点构成产品最终的全局功能结构网络。通过网络图，相关的功能单元彼此发生联系。 2.1.2 布局设计阶所 建立了汽车覆盖件模具的功能模型之后，通过“功能一作用原理一结构”的对照关系，建立模具的总体布局，确定关键作用型面及各主要零/部件间的关系。布局设计的结果是覆盖件模具总体装配图。 覆盖件模具的装配次序是先由零件组装成子装配(即部件)，再参与整体模具的装配。模具的装配模型，从拓扑意义上也可用树结构表示，见图2。 2. 1. 3 详细设计阶段 根据覆盖件模具的总体装配图，将设计任务分解给设计组的每个成员，各自同时完成若干个模具零/部件的详细设计，得到完整的模具零件图。大型汽车覆盖件模具结构复杂，零件多达上百个，详细设计的工作量极大，所以并行设计的工作主要体现在详细设计阶段。在这种分阶段的设计过程中，设计活动自顶向下进行。就覆盖件模具结构整个设计过程中的每一阶段而言，功能模型、总装配体、零/部件又都有一个从粗到精、从简单到复杂、从笼统到精确的逐步细化过程。每一阶段的工作都不是一次完成，而需要作循环往复的修改。由于可以准确、及时地交换设计信息，加上有良好的工作协调机制，应用并行设计方法所需要的修改工作量显著减少，设计质量明显提高。覆盖件模具并行设计的全过程如图3所示。 2.2 软件技术支持 模具设计人员在设计过程中分工协作，通过交换设计信息来达到模具设计的高质量和高效率。Pro/Enginee软件为汽车覆盖件模具结构并行设计提供了技术上的支持。 2.2.1 三维参数化设计 三维设计形象直设计全过程观，设计的模具结构是否合理一目了然；通过三维模型，设计人员之间可准确理解别人的设计意图；三维设计可以确定模具零/部件的空间位置以及进行干涉检查，满足覆盖件高协调配合的要求；有了三维模型可讲行零件的各种应为分析和成形樟拟。 2.2.2 装配设计环境 装配设计环境是新型CAD软件区别于一般CAD软件的核心部分。在装配环境下进行覆盖件模具设计，可以让总体设计人员充分考虑模具的整体性能，提高整体设计质量和效率；下层设计人员在上层形成粗略设计要求后可同时展开工作，缩短设计时间；零/部件之间通过装配关系约束成为一个有机的整体，易于保证设计的一致性和完整性，支持设计组并行协同工作。装配设计环境提供了“虚零件”的设计功能。所谓虚零件指的是零/部件仅以一个名字或一个坐标系来表示，与几何形状无关。通过虚零件的装配，可以确定覆盖件模具的功能结构和装配结构。在装配环境中可以对虚零件进行设计、修改，通过产生几何实体而使之变成“实零件”可对任何零件进行设计、修改、装配和删除。 2.2.3 设计任务处理 设计任务的分解和相关子任务关系的处理是并行设计的关键问题。这种分解和处理应以使设计任务尽可能被并行执行为原则，并尽可能一次成功，以提高模具质量，缩短开发周期。覆盖件模具总体设计人员在装配环境中通过对零/部件设计完善程度的把握，来决定总装配体分解后每个子装配、零件还有多少任务需其他设计人员完成。零/部件在总装配体中的设计完善程度以能准确反映模具的功能及装配关系、准确向下层设计人员传递信息为准。总装配体既可随时分解成部件、零件，进行详细设计，又可随时重新装配起来，回到装配环境下进行设计，并可进行各种检查分析。 2.2.4 统一产品数据模型 在设计覆盖件模具时，零/部件既可存在于部装配体中，又可单独存在，这就为并行设计的进行提供了极大的便利。零/部件在装配体中应进行装配性、协调性要求高的特征设计，单独存在时则进行细化设计，两方面的设计可交叉进行。由于有统一的产品数据模型，故可保证零/部件在两种状态中设计的一致性、同步性。另外，模具设计的修改是模具开发过程中必不可少的、最繁琐和易出错的环节。软件的统一产品数据模型、全参数化、全相关等特点，使得模具在设计阶段易于修改。在设计中一处修改，能扩展到整个设计中，同时自动更改所有的设计图纸以及产品数据避免了人为疏忽造成的不一致性。 2.3 并行设计过程模型 2.3.1 动态模型概念 汽车覆盖件模具结构的并行设计过程是一个动态过程，并行设计过程模型就是设计系统的动态模型。有了动态模型，每个设计人员才能在设计过程中根据各自当时的状态，提出有关修改意见，通过协调交换信息和消除冲突，从而使整体的并行设计达到最优。动态模型既有上下级的层次关系，也有同层次的并行关系。并行关系对于描述并行设计过程是至关重要的，但也不可忽略层次关系的作用。因为整个动态模型是一个网络模型，此单元层次关系解决的好坏直接影响到相邻平行单元的设计。 2.3.2 设计评价协调机制 汽车覆盖件模具的复杂性，导致了在并行设计时可能发生诸如配套性、几何尺寸联系、规格类型、动力设计以及工作时序等方面的冲突。我们在装配环境下对整副汽车覆盖件模具的功能、结构等技术指标进行评价、修改，以消除冲突，保证模具的整体性和协调性。尽管每个零件设计的好坏直接影响到整副模具的性能，但相对而言，在并行设计过程中就单个零件评价的意义不大。在汽车覆盖件模具结构并行设计过程中，设计信息的沟通、设计质量的评价、设计流程的控制、设计人员之间的协调等问题的处理最为重要。对上述问题，可以通过以下机制解决： ①总体设计人员进行覆盖件模具的总装设计，然后把零/部件拆开，分配给各个层次的下层设计人员同时进行详细设计。 ②下层设计人员进行详细设计时，如发现某设计意图不明或某部位需要修改时，可向上层设计人员发出询问或修改申请。 ③上层设计人员进行必要的计算、评价、协调后，发出设计意图说明或同意修改指令；因为覆盖件模具的多层次结构，如果上层设计人员无权处理下层设计中涉及的问题，可将该问题提交给更上层乃至总体设计人员处理。 ④下层设计人员根据上层发出的设计说明或修改指令，继续进行详细设计。 ⑤上层设计人员、总体设计人员将下层详细设计后的零/部件装配起来，进行功能、结构等方面的技术验证，满意后即结束全部设计，否则再将零/部件拆开进行修改。 存设计讨程中，设计人没可以乃时地看到设计和修改的整体效果，并检查其正确性，从而使各部分的设计同步协调、齐头并进。这种机制较好地解决了汽车覆盖件模具结构设计中的并行性和层次性问题，有利于设计人员整个集体的并行协调作业。 2.3.3 拉深模并行设计过程模型 覆盖件模具结构并行设计的初始信息主要是覆盖件冲压工艺方案、三维冲压工艺CAD型面等。从三维冲压工艺CAD型面得到凸模、凹模、压边圈型面，它们是覆盖件模具设计的主要依据。以轿车行李箱后盖拉深模(模具正装、双动压力机)为例，建立汽车覆盖件模具并行设计过程模型(图4)。该模型克服了传统“串行”顺序设计的弊端，变设计过程为小循环多重复设计过程，并使设计过程的每个环节都能实现并行推进、协同配合、修改快速响应。 图5是用Pro/Engineer软件进行并行设计得到的轿车行李箱后盖拉深模，与传统手工设计及应用一般CAD软件设计的相比，前者设计质量大幅度提高，设计周期缩短一半以上。 3 结束语 衡量一个汽车模具厂技术水平高低的重要标志，就是汽车覆盖件模具的生产质量和周期，一体化、并行地进行汽车覆盖件模具设计，可达到提高模具设计质量、缩短开发周期的目的。借助于Ineternet，我们可以在网络上和国外同行同时并行设计汽车覆盖个模具。资料表明，并行设计已经引起产品设计方面的一场革命，它将是我们应付未来市场挑战的有力武器。 参考文献 1 刘西林，张子公，蒋险峰等面向模具结构CAD的逻辑结构模型金属成形工艺，1997, 12(5):4-6 2 王庆文，张新访，周济等并行设计过程建模及优化计算机辅助设计与图形学学报，1997, 9(6):506-511 3 Claus Thorp Hansen. An approach to simultaneous synthesis and optim ization of composite mechanical systems. Journal of Engineering Design, 1995, 6(3):249-266 4 潘东，张申生，步丰林等基于装配关系的CAD并行设计支持系统原型的研究计算机辅助设计与图形学学报，1998, 10(1): 59-67(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (3/7/2005)