汽車覆蓋件模具結(jié)構(gòu)并行設(shè)計

1、汽車覆蓋件模具結(jié)構(gòu)并行設(shè)計摘要：分析了并行設(shè)計的全過程，介紹了新型 CAD 軟件如何在技術(shù)上對并行設(shè)計進行支持，并建立覆蓋件拉深模結(jié)構(gòu)并行設(shè)計過程模型。1 前言汽車覆蓋件模具具有精度高、形狀復(fù)雜、結(jié)構(gòu)尺寸大、配合協(xié)調(diào)性要求高等特點。在實際設(shè)計過程中，一個復(fù)雜覆蓋件的設(shè)計任務(wù)往往由一個設(shè)計組合作完成。傳統(tǒng)的模具設(shè)計采用“串行”順序設(shè)計方法，導(dǎo)致各個設(shè)計環(huán)節(jié)相互孤立，再加上二維圖紙表達的局限性和手工設(shè)計的低效率，造成設(shè)計組中設(shè)計人員之間難以準(zhǔn)確、及時地交流信息，也不能及時發(fā)現(xiàn)模具設(shè)計中的缺陷，有時還會造成返工，延長了模具設(shè)計的周期，影響了設(shè)計質(zhì)量。而包括模具在內(nèi)的一般通用機械 CAD 軟件，大多采

2、用自底向上的設(shè)計過程，即先對組成概念設(shè)計模型的零件進行詳細幾何結(jié)構(gòu)設(shè)計，然后確定零件之間的裝配關(guān)系，對與結(jié)構(gòu)直接相關(guān)的裝配協(xié)調(diào)和功能保證等總體性問題卻難以或無法解決，因此，同樣影響了結(jié)構(gòu)設(shè)計的質(zhì)量和效率。在這種情況下，人們開始研究自頂向下并行設(shè)計過程的新型 CAD 軟件，從而為設(shè)計者提供了產(chǎn)品裝配級的設(shè)計支持，并充分保證設(shè)計人員之間的并行協(xié)同工作能力。所謂并行設(shè)計就是多學(xué)科設(shè)計人員協(xié)調(diào)交換信息、并行地設(shè)計產(chǎn)品，以大大縮短傳統(tǒng)的串行設(shè)計所需要的時間，提高產(chǎn)品質(zhì)量和企業(yè)競爭力。并行設(shè)計作為并行工程的一個重要環(huán)節(jié)，已成為當(dāng)今設(shè)計領(lǐng)域的研究熱點。2 并行設(shè)計過程實現(xiàn)2.1 并行設(shè)計過程分析汽車覆蓋件模

3、具結(jié)構(gòu)并行設(shè)計過程分為概念設(shè)計、布局設(shè)計和詳細設(shè)計等階段。2.1.1 概念設(shè)計階段通過對設(shè)計要求的分析，建立覆蓋件模具的功能模型，生成對模具布局及結(jié)構(gòu)的設(shè)計約束。概念設(shè)計的結(jié)果以覆蓋件模具功能模型圖表示，見圖 1模具功能模型圖的意義是:通過模具功能的分解得到模具功能結(jié)構(gòu)樹，樹根的功能單元表示模具的總功能；每個功能單元可以進一步分解為下一級子功能單元結(jié)構(gòu)，直至每個功能單元的結(jié)構(gòu)最終被分解為特征或零件為止。同一層次上的屬于同一功能單元的兄弟單元結(jié)點間，通過功能特征結(jié)點構(gòu)成局部功能單元網(wǎng)絡(luò)圖；功能結(jié)構(gòu)樹中的全部結(jié)點及相關(guān)的功能特征結(jié)點構(gòu)成產(chǎn)品最終的全局功能結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。通過網(wǎng)絡(luò)圖，相關(guān)的功能單元彼此發(fā)生

4、聯(lián)系。2.1.2 布局設(shè)計階所建立了汽車覆蓋件模具的功能模型之后，通過“功能一作用原理一結(jié)構(gòu)”的對照關(guān)系，建立模具的總體布局，確定關(guān)鍵作用型面及各主要零/部件間的關(guān)系。布局設(shè)計的結(jié)果是覆蓋件模具總體裝配圖。覆蓋件模具的裝配次序是先由零件組裝成子裝配(即部件)，再參與整體模具的裝配。模具的裝配模型，從拓撲意義上也可用樹結(jié)構(gòu)表示，見圖 2。2. 1. 3 詳細設(shè)計階段根據(jù)覆蓋件模具的總體裝配圖，將設(shè)計任務(wù)分解給設(shè)計組的每個成員，各自同時完成若干個模具零/部件的詳細設(shè)計，得到完整的模具零件圖。大型汽車覆蓋件模具結(jié)構(gòu)復(fù)雜，零件多達上百個，詳細設(shè)計的工作量極大，所以并行設(shè)計的工作主要體現(xiàn)在詳細設(shè)計階段。

5、在這種分階段的設(shè)計過程中，設(shè)計活動自頂向下進行。就覆蓋件模具結(jié)構(gòu)整個設(shè)計過程中的每一階段而言，功能模型、總裝配體、零/部件又都有一個從粗到精、從簡單到復(fù)雜、從籠統(tǒng)到精確的逐步細化過程。每一階段的工作都不是一次完成，而需要作循環(huán)往復(fù)的修 改。由于可以準(zhǔn)確、及時地交換設(shè)計信息，加上有良好的工作協(xié)調(diào)機制，應(yīng)用并行設(shè)計方法所需要的修改工作量顯著減少，設(shè)計質(zhì)量明顯提高。覆蓋件模具并行設(shè)計的全過程如圖 3 所示。2.2 軟件技術(shù)支持模具設(shè)計人員在設(shè)計過程中分工協(xié)作，通過交換設(shè)計信息來達到模具設(shè)計的高質(zhì)量和高效率。Pro/Enginee 軟件為汽車覆蓋件模具結(jié)構(gòu)并行設(shè)計提供了技術(shù)上的支持。2.2.1 三維參

6、數(shù)化設(shè)計三維設(shè)計形象直設(shè)計全過程觀，設(shè)計的模具結(jié)構(gòu)是否合理一目了然；通過三維模型，設(shè)計人員之間可準(zhǔn)確理解別人的設(shè)計意圖；三維設(shè)計可以確定模具零/部件的空間位置以及進行干涉檢查，滿足覆蓋件高協(xié)調(diào)配合的要求；有了三維模型可講行零件的各種應(yīng)為分析和成形樟擬。2.2.2 裝配設(shè)計環(huán)境裝配設(shè)計環(huán)境是新型 CAD 軟件區(qū)別于一般 CAD 軟件的核心部分。在裝配環(huán)境下進行覆蓋件模具設(shè)計，可以讓總體設(shè)計人員充分考慮模具的整體性能，提高整體設(shè)計質(zhì)量和效率；下層設(shè)計人員在上層形成粗略設(shè)計要求后可同時展開工作，縮短設(shè)計時間；零/部件之間通過裝配關(guān)系約束成為一個有機的整體，易于保證設(shè)計的一致性和完整性，支持設(shè)計組并行

7、協(xié)同工作。裝配設(shè)計環(huán)境提供了“虛零件”的設(shè)計功能。所謂虛零件指的是零/部件僅以一個名字或一個坐標(biāo)系來表示，與幾何形狀無關(guān)。通過虛零件的裝配，可以確定覆蓋件模具的功能結(jié)構(gòu)和裝配結(jié)構(gòu)。在裝配環(huán)境中可以對虛零件進行設(shè)計、修改，通過產(chǎn)生幾何實體而使之變成“實零件”可對任何零件進行設(shè)計、修改、裝配和刪除。2.2.3 設(shè)計任務(wù)處理設(shè)計任務(wù)的分解和相關(guān)子任務(wù)關(guān)系的處理是并行設(shè)計的關(guān) 鍵問題。這種分解和處理應(yīng)以使設(shè)計任務(wù)盡可能被并行執(zhí)行為原則，并盡可能一次成功，以提高模具質(zhì)量，縮短開發(fā)周期。覆蓋件模具總體設(shè)計人員在裝配環(huán)境中通過對零/部件設(shè)計完善程度的把握，來決定總裝配體分解后每個子裝配、零件還有多少任務(wù)需其

8、他設(shè)計人員完成。零/部件在總裝配體中的設(shè)計完善程度以能準(zhǔn)確反映模具的功能及裝配關(guān)系、準(zhǔn)確向下層設(shè)計人員傳遞信息為準(zhǔn)?？傃b配體既可隨時分解成部件、零件，進行詳細設(shè)計，又可隨時重新裝配起來，回到裝配環(huán)境下進行設(shè)計，并可進行各種檢查分析。2.2.4 統(tǒng)一產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型在設(shè)計覆蓋件模具時，零/部件既可存在于部裝配體中，又可單獨存在，這就為并行設(shè)計的進行提供了極大的便利。零/部件在裝配體中應(yīng)進行裝配性、協(xié)調(diào)性要求高的特征設(shè)計，單獨存在時則進行細化設(shè)計，兩方面的設(shè)計可交叉進行。由于有統(tǒng)一的產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型，故可保證零/部件在兩種狀態(tài)中設(shè)計的一致性、同步性。另外，模具設(shè)計的修改是模具開發(fā)過程中必不可少的、最繁瑣和

9、易出錯的環(huán)節(jié)。軟件的統(tǒng)一產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型、全參數(shù)化、全相關(guān)等特點，使得模具在設(shè)計階段易于修改。在設(shè)計中一處修改，能擴展到整個設(shè)計中，同時自動更改所有的設(shè)計圖紙以及產(chǎn)品數(shù)據(jù)避免了人為疏忽 造成的不一致性。2.3 并行設(shè)計過程模型2.3.1 動態(tài)模型概念汽車覆蓋件模具結(jié)構(gòu)的并行設(shè)計過程是一個動態(tài)過程，并行設(shè)計過程模型就是設(shè)計系統(tǒng)的動態(tài)模型。有了動態(tài)模型，每個設(shè)計人員才能在設(shè)計過程中根據(jù)各自當(dāng)時的狀態(tài)，提出有關(guān)修改意見，通過協(xié)調(diào)交換信息和消除沖突，從而使整體的并行設(shè)計達到最優(yōu)。動態(tài)模型既有上下級的層次關(guān)系，也有同層次的并行關(guān)系。并行關(guān)系對于描述并行設(shè)計過程是至關(guān)重要的，但也不可忽略層次關(guān)系的作用。因為整

10、個動態(tài)模型是一個網(wǎng)絡(luò)模型，此單元層次關(guān)系解決的好壞直接影響到相鄰平行單元的設(shè)計。2.3.2 設(shè)計評價協(xié)調(diào)機制汽車覆蓋件模具的復(fù)雜性，導(dǎo)致了在并行設(shè)計時可能發(fā)生諸如配套性、幾何尺寸聯(lián)系、規(guī)格類型、動力設(shè)計以及工作時序等方面的沖突。我們在裝配環(huán)境下對整副汽車覆蓋件模具的功能、結(jié)構(gòu)等技術(shù)指標(biāo)進行評價、修改，以消除沖突，保證模具的整體性和協(xié)調(diào)性。盡管每個零件設(shè)計的好壞直接影響到整副模具的性能，但相對而言，在并行設(shè)計過程中就單個零件評價的意義不大。在汽車覆蓋件模具結(jié)構(gòu)并行設(shè)計過程中，設(shè)計信息的溝通、設(shè)計質(zhì)量的評價、設(shè)計流程的控制、設(shè)計人員之間的協(xié)調(diào)等問題的處理最為重要。對上述問題，可以通過以下機制解決：

11、總體設(shè)計人員進行覆蓋件模具的總裝設(shè)計，然后把零/部件拆開，分配給各個層次的下層設(shè)計人員同時進行詳細設(shè)計。下層設(shè)計人員進行詳細設(shè)計時，如發(fā)現(xiàn)某設(shè)計意圖不明或某部位需要修改時，可向上層設(shè)計人員發(fā)出詢問或修改申請。上層設(shè)計人員進行必要的計算、評價、協(xié)調(diào)后，發(fā)出設(shè)計意圖說明或同意修改指令；因為覆蓋件模具的多層次結(jié)構(gòu)，如果上層設(shè)計人員無權(quán)處理下層設(shè)計中涉及的問題，可將該問題提交給更上層乃至總體設(shè)計人員處理。下層設(shè)計人員根據(jù)上層發(fā)出的設(shè)計說明或修改指令，繼續(xù)進行詳細設(shè)計。上層設(shè)計人員、總體設(shè)計人員將下層詳細設(shè)計后的零/部件裝配起來，進行功能、結(jié)構(gòu)等方面的技術(shù)驗證，滿意后即結(jié)束全部設(shè)計，否則再將零/部件拆開

12、進行修改。存設(shè)計討程中，設(shè)計人沒可以乃時地看到設(shè)計和修改的整體效果，并檢查其正確性，從而使各部分的設(shè)計同步協(xié)調(diào)、齊頭并進。這種機制較好地解決了汽車覆蓋件模具結(jié)構(gòu)設(shè)計中的并行性和層次性問題，有利于設(shè)計人員整個集體的并行協(xié)調(diào)作業(yè)。2.3.3 拉深模并行設(shè)計過程模型覆蓋件模具結(jié)構(gòu)并行設(shè)計的初始信息主要是覆蓋件沖壓工藝方案、三維沖壓工藝 CAD 型面等。從三維沖壓工藝 CAD型面得到凸模、凹模、壓邊圈型面，它們是覆蓋件模具設(shè)計的主要依據(jù)。以轎車行李箱后蓋拉深模(模具正裝、雙動壓力機)為例，建立汽車覆蓋件模具并行設(shè)計過程模型(圖 4)。該模型克服了傳統(tǒng)“串行”順序設(shè)計的弊端，變設(shè)計過程為小循環(huán)多重復(fù)設(shè)計過程，并使設(shè)計過程的每個環(huán)節(jié)都能實現(xiàn)并行推進、協(xié)同配合、修改快速響應(yīng)。圖 5 是用 Pro/Engineer 軟件進行并行設(shè)計得到的轎車行李箱后蓋拉深模，與傳統(tǒng)手工設(shè)計及應(yīng)用一般 CAD 軟件設(shè)計的相比