计算机辅助设计与制造在冲压生产中应用较早国外从20世...

冲模CAD/CAM一、概述计算机辅助设计与制造在冲压生产中应用较早。国外从20世纪50年代末期就开始了对冲模CAD的研究。20世纪70年代初陆续推出了一批模具CAD／CAM系统，如美国D—C公司于1971年推出的PDDc级进模CAD／CAM系统，福特汽车公司开发的汽车拉深模CAD／CAM系统。1979年日本推出冲孔及弯曲模PENTAX系统及JAPT自动编程系统。同时，英国、前苏联、意大利、捷克等国也进行了冲模CAD／CAM技术的开发和应用。取得了良好效果。一般都能提高设计功效几倍至几十倍，缩短模具制造周期60％以上，降低模具制造成本约30％～50％。近年来，国内各种冲模CAD／CAM系统不断涌现，如上海交大模具研究所开发的冲模CAD／CAM系统，华中理工大学开发的精冲模CAD／CAM系统（HJC）、山东某厂开发的拉深模CAD系统、西安交大开发的“冷冲模设计师”CPD—PD等系统。这些模具CAI／CAM的开发，积极促进了模具标准化、典型化进程。而模具设计制造技术的每一个进步也促进模具CAD／CAM技术的日渐成熟。CAD／CAM在冲模设计与制造的应用，主要可归纳为以下几个方面：1）利用几何造型技术完成复杂模具的几何设计。2）完成工艺分析计算，辅助成型工艺设计。3）建立标准模具零件和结构的图形库，提高模具结构和模具零件设计效率。4）辅助完成绘图工作，输出模具零件图与装配图。5）利用计算机完成有限元分析和优化设计等数值计算工作。6）辅助完成模具加工工艺设计和NC编程。二、冲模CAD／CAM系统的功能内容1973年CAD／CAM技术尚处于初期实用阶段时，国际信息处理联合会IFIP（InternationalFederationofInformationProcessing）曾给CAD下了一个广义的、并未得到公认的定义：“CAD是将人和计算机混编在专业解题组中的一种技术，从而将人和计算机的最优特点结合起来。”人具有逻辑推理、判断、图形识别、学习、联想、思维、表达和自适应的特点和能力，计算机则以运算速度快、存储量大、精度高、不疲劳、不忘记、不易出错以及能迅速显示数据、曲线和图形见长。所谓最优特点“结合”，即通过人机交互技术，让人和计算机进行信息交流和分析，取长补短．使人和计算机的最优特性都得到充分发挥，从而获得最佳的综合效果。一个比较完善的模具CAD／CAM系统，是由产品及模具设计制造的数值计算和数据处理程序包、图形信息交换（输入、输出）和处理的交互式图形显示程序包、存储和管理设计制造信息的工程数据库等三大部分构成。这种系统的主要功能包括：1）雕塑曲面造型（SurfaceModeling）功能：系统应具有根据给定的离散数据和工程问题的边界条件，来定义、生成、控制和处理过渡曲面与非矩形域曲面的拼合能力，提供汽车、飞机、船舶以及其他复杂形状产品的模具设计和制造所需要的曲面造型技术。2）实体造型功能（SolidModeling）：系统应具有定义和生成体素（PrimIIive）的能力以及用几何体素构造法CSG（（20ntructiveSolidGeometry）或边界表示法B—rep（Boundaryrepresentation）构造实体模型的能力，并且能提供用规则几何形体构造模具总装图、零件图所需的实体造型技术。3）物体质量特性计算功能。4）三维运动机构的分析和仿真功能。5）二、三维图形的转换功能。设计过程是一个反复修改、逐步逼近的过程。总体设计需要三维图形，而结构设计主要用二维图形。因此，从图形系统角度分析，设计过程也是一个三维图形变二维图形，二维图形变三维图形的变换过程。所以，模具CAD／CAM系统应具有二、三维图形的转换功能。6）三维几何模型的显示处理功能：系统应具有动态显示图形、消除隐藏线（面），彩色浓淡处理（Shading）的能力，以便使设计人员通过观察、构思和检验，解决三维几何模型设计的复杂空间布局问题。7）有限元法（FEMFiniteElementMethod）网格自动生成的功能。系统应具有用有限元法对产品及模具结构的静、动态特性、强度、振动、热变形、磁场强度、流场等进行分析的能力，以及自动生成有限元网格的能力，以便为用户精确研究产品结构受力、成形过程及用深浅不同的颜色描述应力、磁力、温度分布等提供分析技术。有限元网格，特别是复杂三维模型有限元网格的自动划分能力是十分重要的。8）优化设计功能。系统最低限度应具有用参数优化法进行方案优选的功能。这是因为优化设计是保证模具具有高速度、高品质和低成本的主要技术手段之一。9）数控加工的功能。系统应具有三坐标、四坐标、五坐标机床加工模具零件的能力，并能在图形显示终端上识别、校核刀具轨迹和刀具干涉，以及对加工过程的模态进行仿真。10）信息处理和信息管理功能：系统应具有统一处理和管理设计、制造以及生产计划等全部信息（包括相应软件）的能力。或者说，应该建立一个与系统规模匹配的统一数据库，以实现设计、制造、管理的信息共享，并达到自动检索、快速存取和不同系统间交换和传输的目的。三、冲模CAD／CAM系统的硬件组成冲模CAD／CAM系统的硬件由主机、输人设备、输出设备和外存储器等设备组成，如图1所示。图1冲模CAD系统的硬件组成1.主机主机是冲模CAD／CAM的中心，它控制及指挥整个系统并进行实际运算、逻辑分析的装置，是系统的中心。主机包括中央处理机CPU及主存储器（简称内存）。主机类型有大型机、中型机、小型机、超级微机工作站及微型机。对于冲模CAD系统，主机可选用微机，如AST、COMPAQ、IBM等高档机型，再配上一定的外设，如图形输入板、绘图机、打印机以及大屏幕图形显示器，便构成了一个微机冲裁模CAD系统的硬件环境。2．输入设备键盘是最基本的输入设备，典型的是字母数字键盘。此外，还有图形输入设备和具有各种交互功能的设备。如图形输入板、鼠标器、光笔、操作杆、可编程功能的键盘等。声音输入已在一定范围内获得应用，它是有代表性的会话系统，还有视觉跟踪技术也将得到发展。同时，人们正住探索利用脑电波信号使设计人员与计算机之间实现更为直接的联系方式。3．输出设备图形显示器是设计者与计算机会话的媒介装置，通常与图形输入设备配合使用。工作站普遍采川智能终端，装有产生图元的图元产生器、对封闭区域进行填充的景象处理器和对图形进行坐标变换的图形处理器。绘图机大致分为笔式绘图和静电式绘图。笔式绘图有鼓型和平板型两种。静电式绘图比笔式绘图速度高一个数量级。针式打印机也可以作为图形输出设备，还有激光打印机和彩色喷墨打印机。4．外存储器它是用来仔放大量暂时不用而等待调用的程序或数据。一般使用磁带和磁盘，还有大容量的高速光盘。四、冲模CAD／CAM系统的软件组成软件足指命令汁算机执行指定任务的程序。冲模CAD／CAM系统的软件由系统软件、支撑软件和应用软件三部分组成。系统软件是指运行环境和开发工具，支撑软件则是系统的基础软件，应用软件是冲模CAD系统的核心。层次关系如图2所示。图2冲模CAD系统的软件组成1．系统软件系统软件是指计算机在运行状态下保证用户正确而方便工作的那一部分软件，它主要由操作系统和软件开发工具组成，处于系统的最底层。操作系统完成整个系统的管理和支持程序的运行，微机以DOS操作系统为主，而超级微机工作站普遍采用UNIX操作系统。软件开发工具主要指一些高级语言编译系统。用以编写冲模CAD系统的各种应用软件。面向数值计算的有FORTRAN、PASCAI、C、BASIC等语言，也称算法语言，主要用于编写科学计算及数据处理的稃序；面向人工智能的有LISP、PROLOG等语言，可以完成复杂的搜索和决策，主要用于编写符号处理及演绎推理的程序，是专家系统（ExpetSystems）的开发工具。2．支撑软件支撑软件是指为完成某一类任务而设计的基础程序包，它由图形系统、通用工程分析软件和数据库管珲系统组成。图形系统可完成图形的输入、输出以及图形编辑等基本功能，它有二维、二维半、三维之分。几何构形也就是建立物体的计算机模型。它经历了从早期的线框模型到表面模型直到80年代的实体模型3个发展阶段。实体模型可以非常逼真地显示一个客观物体。通用工程分折软件是指有限元分析软件包、优化设计软件包和各种成熟的计算方法软件包，这些基础软件给应用软件的开发带来了极大的方便，冲模CAD系统的数据库管理系统用于建立、检索及修改在冲模设计中用到的工艺数据及几何构形数据，它是各模块间数据交换和数据存储的中心，。在数据库管理系统的集中管理之下，能为模具设计、绘图、检索、制造提供大量的技术资料和标准数据。3．应用软件应用软件是设计人员与系统之间的主要接口，它是针对某一特定任务而设计的程序包，用于处理冲模设计的各种具体问题。它处于系统的最外层。一般由系统运行管理程序、工艺计算分折软件、模具结构设计软件、专用图形处理软件、模具专用数据库和图形库组成。五、冲模CAD系统结构（1）冲模CAD系统的功能1）交互式图形输入功能，能方便地输入工件图；2）进进行工件的工艺性判断、工艺方案选择、工艺分析计算，输出毛坯图和各种工艺图；3）具有冲模结构形式的自动或半自动选择功能；4）具有冲模零部件设计及主要零件的强度校核功能，并绘制全套模具图；5）正确选择JK力机的型号及规格；6）具有冲模结构的运动学仿真功能．用以检查各运动部件之问的干涉情况；7）具有以图形为基础（冲模零件）的数控加工辅助编程功能，刀具轨迹仿真及后置处理能力；8）具有完整的冲模设计数据库和图形库，具备较强的独立性和可维护性；9）能有效地管理冲模图纸资料和输出相关的技术文档。（2）冲模CAD系统的结构1）系统的目标及功能要求；2）可供系统利用的资源，如计算机软、硬件资源和现有手工设计的经验、参数、公式、表格等；3）现有条件（如资金、人力、物力等）对系统开发者的限制；4）系统开发者的水平和经验；5）系统开发者与冲模设计人员之间的联系程度。图3微机冲裁模CAD系统的结构由于上述五点因人因地而异，导致冲模CAD系统的结构也随之变化。如图3所示为典型的微机冲裁模CAD系统的结构框图。图中简要说明了系统的结构组成以及各模块的相互联系和走向。并标明了模块对各种数据的调用关系。各功能模块在系统总控模块的集中管理下工作。功能模块可以是一个单一处理程序，也可能由若干完成某项子功能的子模块构成，模块又由主程序和若干子程序组成。系统总控模块主要完成冲模CAD／CAM系统的运用管理和随时调用各功能模块，或访问操作系统和测用其它应用程序，以建立相应的作业和过程，满足模具设计的需要。同时，对于容量不够充分的主机，还能完成程序的批处理和覆盖技术。在整个作业过程中，为配合设计、分析和图形生成，频繁地调用数据管理系统命令，方便地进行数据的存取和管理。而交互式图形系统则是一种更为实际的运行环境（如Au-CAD），它可以提供多层次的用户可塑造的菜单驱动模式，实现系统的集成化。系统菜单由多层次的菜单模块组成。工件图形输人模块主要完成工件图形的输入。以建立工件的几何模型，并完成几何构形信息的存储．供工艺设计分析模块和模具结构设计模块调用。此外，还提供图形修改编辑和尺寸标注等功能。该模块由若干在基础图形软件（如AutocAD）支撑下的高级绘图子程序和图形编辑子程序组成．同时，还提供在图形环境下可直接调用的参数化基本图形（如长方形、平行四边形等）程序库．通过布尔运算生成复杂图形。工艺没计分析模块以工件几何构形信息为基础，并调用设计参考数据（工程文件），为模具结构设汁模块提供原始数据。该模块由以下子模块组成：工艺可行性分析、工艺方案选择（单工序模、复合模或级进模）、坯料计算、排样优化设计、压力中心及冲压力计算、压力机初步选择、毛坯图和各种工艺图输出、工艺设计分析、技术文档生成等。模具结中构设计模块根据工艺设计分析模块提供的结果以及工件几何构形信息、并调用相关的设计参考数据（工程文件）、冲模典型结构文件、标准件规格文件等模具信息，完成模具结构设汁。该模块还可提供索引文件．供绘图及加工时调用。该模块由以下子模块组成：冲模块典型结构选取、冲模标准件和半标准