汽車覆蓋件模具結(jié)構(gòu)并行設(shè)計(jì)

1、汽車覆蓋件模具結(jié)構(gòu)并行設(shè)計(jì)摘要：分析了并行設(shè)計(jì)的全過程，介紹了新型 CAD 軟件如何在技術(shù)上對(duì)并行設(shè)計(jì)進(jìn)行支持，并建立覆蓋件拉深模結(jié)構(gòu)并行設(shè)計(jì)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(diǎn)。在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，一個(gè)復(fù)雜覆蓋件的設(shè)計(jì)任務(wù)往往由一個(gè)設(shè)計(jì)組合作完成。傳統(tǒng)的模具設(shè)計(jì)采用“串行”順序設(shè)計(jì)方法，導(dǎo)致各個(gè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)相互孤立，再加上二維圖紙表達(dá)的局限性和手工設(shè)計(jì)的低效率，造成設(shè)計(jì)組中設(shè)計(jì)人員之間難以準(zhǔn)確、及時(shí)地交流信息，也不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)模具設(shè)計(jì)中的缺陷，有時(shí)還會(huì)造成返工，延長了模具設(shè)計(jì)的周期，影響了設(shè)計(jì)質(zhì)量。而包括模具在內(nèi)的一般通用機(jī)械 CAD 軟件，大多采

2、用自底向上的設(shè)計(jì)過程，即先對(duì)組成概念設(shè)計(jì)模型的零件進(jìn)行詳細(xì)幾何結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，然后確定零件之間的裝配關(guān)系，對(duì)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(jì)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(jì)過程的新型 CAD 軟件，從而為設(shè)計(jì)者提供了產(chǎn)品裝配級(jí)的設(shè)計(jì)支持，并充分保證設(shè)計(jì)人員之間的并行協(xié)同工作能力。所謂并行設(shè)計(jì)就是多學(xué)科設(shè)計(jì)人員協(xié)調(diào)交換信息、并行地設(shè)計(jì)產(chǎn)品，以大大縮短傳統(tǒng)的串行設(shè)計(jì)所需要的時(shí)間，提高產(chǎn)品質(zhì)量和企業(yè)競爭力。并行設(shè)計(jì)作為并行工程的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，已成為當(dāng)今設(shè)計(jì)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。2 并行設(shè)計(jì)過程實(shí)現(xiàn)2.1 并行設(shè)計(jì)過程分析汽車覆蓋件模

3、具結(jié)構(gòu)并行設(shè)計(jì)過程分為概念設(shè)計(jì)、布局設(shè)計(jì)和詳細(xì)設(shè)計(jì)等階段。2.1.1 概念設(shè)計(jì)階段通過對(duì)設(shè)計(jì)要求的分析，建立覆蓋件模具的功能模型，生成對(duì)模具布局及結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)約束。概念設(shè)計(jì)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(gè)功能單元可以進(jìn)一步分解為下一級(jí)子功能單元結(jié)構(gòu)，直至每個(gè)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(diǎn)間，通過功能特征結(jié)點(diǎn)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(diǎn)及相關(guān)的功能特征結(jié)點(diǎn)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(jì)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(duì)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(jì)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?fù)湟饬x上也可用樹結(jié)構(gòu)表示，見圖 2。2. 1. 3 詳細(xì)設(shè)計(jì)階段根據(jù)覆蓋件模具的總體裝配圖，將設(shè)計(jì)任務(wù)分解給設(shè)計(jì)組的每個(gè)成員，各自同時(shí)完成若干個(gè)模具零/部件的詳細(xì)設(shè)計(jì)，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(dá)上百個(gè)，詳細(xì)設(shè)計(jì)的工作量極大，所以并行設(shè)計(jì)的工作主要體現(xiàn)在詳細(xì)設(shè)計(jì)階段。

5、在這種分階段的設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)活動(dòng)自頂向下進(jìn)行。就覆蓋件模具結(jié)構(gòu)整個(gè)設(shè)計(jì)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(gè)從粗到精、從簡單到復(fù)雜、從籠統(tǒng)到精確的逐步細(xì)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(shí)地交換設(shè)計(jì)信息，加上有良好的工作協(xié)調(diào)機(jī)制，應(yīng)用并行設(shè)計(jì)方法所需要的修改工作量顯著減少，設(shè)計(jì)質(zhì)量明顯提高。覆蓋件模具并行設(shè)計(jì)的全過程如圖 3 所示。2.2 軟件技術(shù)支持模具設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)過程中分工協(xié)作，通過交換設(shè)計(jì)信息來達(dá)到模具設(shè)計(jì)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(jì)提供了技術(shù)上的支持。2.2.1 三維參

6、數(shù)化設(shè)計(jì)三維設(shè)計(jì)形象直設(shè)計(jì)全過程觀，設(shè)計(jì)的模具結(jié)構(gòu)是否合理一目了然；通過三維模型，設(shè)計(jì)人員之間可準(zhǔn)確理解別人的設(shè)計(jì)意圖；三維設(shè)計(jì)可以確定模具零/部件的空間位置以及進(jìn)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(jì)環(huán)境裝配設(shè)計(jì)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(jìn)行覆蓋件模具設(shè)計(jì)，可以讓總體設(shè)計(jì)人員充分考慮模具的整體性能，提高整體設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率；下層設(shè)計(jì)人員在上層形成粗略設(shè)計(jì)要求后可同時(shí)展開工作，縮短設(shè)計(jì)時(shí)間；零/部件之間通過裝配關(guān)系約束成為一個(gè)有機(jī)的整體，易于保證設(shè)計(jì)的一致性和完整性，支持設(shè)計(jì)組并行

7、協(xié)同工作。裝配設(shè)計(jì)環(huán)境提供了“虛零件”的設(shè)計(jì)功能。所謂虛零件指的是零/部件僅以一個(gè)名字或一個(gè)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(duì)虛零件進(jìn)行設(shè)計(jì)、修改，通過產(chǎn)生幾何實(shí)體而使之變成“實(shí)零件”可對(duì)任何零件進(jìn)行設(shè)計(jì)、修改、裝配和刪除。2.2.3 設(shè)計(jì)任務(wù)處理設(shè)計(jì)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(jì)的關(guān) 鍵問題。這種分解和處理應(yīng)以使設(shè)計(jì)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(jì)人員在裝配環(huán)境中通過對(duì)零/部件設(shè)計(jì)完善程度的把握，來決定總裝配體分解后每個(gè)子裝配、零件還有多少任務(wù)需其

8、他設(shè)計(jì)人員完成。零/部件在總裝配體中的設(shè)計(jì)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(jì)人員傳遞信息為準(zhǔn)?？傃b配體既可隨時(shí)分解成部件、零件，進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，又可隨時(shí)重新裝配起來，回到裝配環(huán)境下進(jìn)行設(shè)計(jì)，并可進(jìn)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(jì)覆蓋件模具時(shí)，零/部件既可存在于部裝配體中，又可單獨(dú)存在，這就為并行設(shè)計(jì)的進(jìn)行提供了極大的便利。零/部件在裝配體中應(yīng)進(jìn)行裝配性、協(xié)調(diào)性要求高的特征設(shè)計(jì)，單獨(dú)存在時(shí)則進(jìn)行細(xì)化設(shè)計(jì)，兩方面的設(shè)計(jì)可交叉進(jìn)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(jì)的一致性、同步性。另外，模具設(shè)計(jì)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(cuò)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(diǎn)，使得模具在設(shè)計(jì)階段易于修改。在設(shè)計(jì)中一處修改，能擴(kuò)展到整個(gè)設(shè)計(jì)中，同時(shí)自動(dòng)更改所有的設(shè)計(jì)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(jì)過程模型2.3.1 動(dòng)態(tài)模型概念汽車覆蓋件模具結(jié)構(gòu)的并行設(shè)計(jì)過程是一個(gè)動(dòng)態(tài)過程，并行設(shè)計(jì)過程模型就是設(shè)計(jì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)模型。有了動(dòng)態(tài)模型，每個(gè)設(shè)計(jì)人員才能在設(shè)計(jì)過程中根據(jù)各自當(dāng)時(shí)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(jì)達(dá)到最優(yōu)。動(dòng)態(tài)模型既有上下級(jí)的層次關(guān)系，也有同層次的并行關(guān)系。并行關(guān)系對(duì)于描述并行設(shè)計(jì)過程是至關(guān)重要的，但也不可忽略層次關(guān)系的作用。因?yàn)檎?/p>

10、個(gè)動(dòng)態(tài)模型是一個(gè)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(jì)。2.3.2 設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)協(xié)調(diào)機(jī)制汽車覆蓋件模具的復(fù)雜性，導(dǎo)致了在并行設(shè)計(jì)時(shí)可能發(fā)生諸如配套性、幾何尺寸聯(lián)系、規(guī)格類型、動(dòng)力設(shè)計(jì)以及工作時(shí)序等方面的沖突。我們?cè)谘b配環(huán)境下對(duì)整副汽車覆蓋件模具的功能、結(jié)構(gòu)等技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)、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(gè)零件設(shè)計(jì)的好壞直接影響到整副模具的性能，但相對(duì)而言，在并行設(shè)計(jì)過程中就單個(gè)零件評(píng)價(jià)的意義不大。在汽車覆蓋件模具結(jié)構(gòu)并行設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)信息的溝通、設(shè)計(jì)質(zhì)量的評(píng)價(jià)、設(shè)計(jì)流程的控制、設(shè)計(jì)人員之間的協(xié)調(diào)等問題的處理最為重要。對(duì)上述問題，可以通過以下機(jī)制解決：

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

12、進(jìn)行修改。存設(shè)計(jì)討程中，設(shè)計(jì)人沒可以乃時(shí)地看到設(shè)計(jì)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(jì)同步協(xié)調(diào)、齊頭并進(jìn)。這種機(jī)制較好地解決了汽車覆蓋件模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的并行性和層次性問題，有利于設(shè)計(jì)人員整個(gè)集體的并行協(xié)調(diào)作業(yè)。2.3.3 拉深模并行設(shè)計(jì)過程模型覆蓋件模具結(jié)構(gòu)并行設(shè)計(jì)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(jì)的主要依據(jù)。以轎車行李箱后蓋拉深模(模具正裝、雙動(dòng)壓力機(jī))為例，建立汽車覆蓋件模具并行設(shè)計(jì)過程模型(圖 4)。該模型克服了傳統(tǒng)“串行”順序設(shè)計(jì)的弊端，變?cè)O(shè)計(jì)過程為小循環(huán)多重復(fù)設(shè)計(jì)過程，并使設(shè)計(jì)過程的每個(gè)環(huán)節(jié)都能實(shí)現(xiàn)并行推進(jìn)、協(xié)同配合、修改快速響應(yīng)。圖 5 是用 Pro/Engineer 軟件進(jìn)行并行設(shè)計(jì)得到的轎車行李箱后蓋拉深模，與傳統(tǒng)手工設(shè)計(jì)及應(yīng)用一般 CAD 軟件設(shè)計(jì)的相比