（机械制造及其自动化专业论文）基于solidworks的精密级进模cad系统工艺设计.pdf

摘要 本论文以提高模具企业的设计效率为目的，综合研究了基于s o l i d w o r k s 的 精密级进模c a d 系统p p d c s 的开发，重点分析了系统的工艺设计特点与交互 式工艺设计的实现方法，同时对级进模c a d 系统基于特征的产品模型与“自顶 向下”的结构设计进行了探讨。 第一+ 章介绍论文选题背景，也即开发这一精密级进模计算机辅助设计系统的 目的；介绍了级进模c a d 系统发展状况与开发技术，总结目前级进模c a d 系 统的存在问题与发展趋势；从系统全局出发，概要介绍了系统应用中的关键技术。 第二章首先介绍多工位级进模的特点与设计的内容。分析模具c a d 系统开 发的两种形式，阐述运用二次开发方式进行系统开发的理由，并介绍了系统开发 的支撑软件s o l i d w o r k s 的特点及所提供二次开发接口( a p i ) ，由此提出基于c o m 技术的p p d c s 系统的结构框架。 第三章主要分析c a d 系统中产品几何造型方法与特点，基于特征造型方法 研究现状及特点以及基于特征技术的级进模c a d 系统；提出本系统中的产品模 型建立方法：分析s o l i d w o r k s 所采用的特征设计方法。 第四章介绍c a d 系统中产品工艺设计内容及实现。在这一章里将介绍t 艺 设计子系统内的三个模块：工艺性分析、毛坯排样、条料排样。根据本系统处理 对象- - i c 引线框架类零件的特点以及企业的需求，主要用交互方式实现了工艺 设计，并提出了基于优化准则的级进模工步设计算法。 第五章研究了系统结构设计与零件设计的实现方式，重点分析自顶向下设计 方法在级进模结构设计中的应用；并根据工艺分析系统的特征环几何信息来设计 凸凹模零件，实现工作区零件的快速设计。 第六章通过一个具体的引线框架零件设计实例展示工艺设计系统中各个模 块的执行过程与结果。同时还对p p d c s 系统中的数据进行分类，并按照数据类 型提出相应的处理方法。 第七章是全文的总结，本章从设计、使用方面讨论本系统产品模型建立与工 艺设计的特点；并对精密级进模c a d 系统开发进行展望。 关键词：级进模c a d ，工艺设计，特征建模，“自顶向下”结构设计 a b s t r a c t i no r d e rt oi m p r o v et h ee f f i c i e n c yo fp r o g r e s s i v ed i ed e s i g n ，t h i sd i s s e r t a t i o n o f f e r st h er e s e a r c ho nt h e d e v e l o p m e n t o fp p d c s ( c a ds y s t e mf o r p r e c i s i o n p r o g r e s s i v ed i e ) b a s e do ns o l i d w o r k s i tf o c u s e so nt h ec h a r a c t e r i s t i c so fp r o c e s s d e s i g na n d t h er e a l i z a t i o no fi n t e r a c t i v ed e s i g n ，a n da l s oc o v e r sf e a t u r e - b a s e dp r o d u c t m o d e l i n g a n d t o p d o w ns t r u c t u r ed e s i g n i n g i nc h a p t e r1 ，t h eb a c k g r o u n da n dt h et a r g e to ft h i sd i s s e r t a t i o na r ei n t r o d u c e d a n dt h ea c t u a l i t y , t e n d e n c ya n dm a i nd e f i c i e n c yo f p r o g r e s s i v ed i ec a ds y s t e ma r e s u m m e d u p a t t h ee n d ，t h ek e y t e c h n o l o g ya n d s t r u c t u r eo f t h i st h e s i sa r ei n t e r p r e t e d i n c h a p t e r2 ，t h ec h a r a c t e r i s t i c so fp r o g r e s s i v e d i ea n dd i ed e s i g na r ef i r s t l y p r e s e n t e d b a s e do n t h ea n a l y s i so f t w om e a n sf o rp r o g r e s s i v ed i ec a d d e v e l o p m e n t ， t h ea u t h o rc h o o s e ss e c o n d - d e v e l o ps t y l et ob u i l dp p d c s t h e nt h es p e c i a l t ya n da p i o fs o l i d w o r k sa r ep r e s e n t e d w i t hc o m t e c h n o l o g y , t h ef r a m e w o r ko fp p d c si s c o n s t n l c t c d c h a p t e r 3i sd e d i c a t e di n c o n s t r u c t i n g t h ei n f o r m a t i o nm o d e lo f p a r t s f e a t u r e b a s e d m o d e l i n g i s a d o p t e do nt h eb a s eo fa n a l y s i s f o rb o t hg e o m e t r i c a l m o d e l i n g a n df e a t u r e - b a s e dm o d e l i n g c o m b i n i n gt h e m o d e l i n go fp r o d u c t s i n s o l i d w o r k s ，a ni m p r o v e dm o d e l i n g m e t h o di sp r e s e n t e d i nc h a p t e r4 ，t h ei n t e r a c t i v ep r o c e s sd e s i g nf l o wo fp p d c si ss t u d i e db a s e do n t h es p e c i a l t yo fi cl e a df r a m e t h ew h o l ec o u r s eo f p r o c e s sd e s i g ni ss e p a r a t e di n t o t h l _ e ep a r t sa sb l a n k l a y o u t , c h a r a c t e r i s t i c sc h e c k i n ga n ds t r i pl a y o u t t h e nt h ec o n t e n t a n dr e a l i z a t i o no fe a c hp a r ti sp r e s e n t e di nd e t a i l a ss t r i pl a y o u tb e i n gt h en o d u so f p r o g r e s s i v e d i e d e s i g n ，w e c o l l e c tt h er u l e sf r o m e x p e r i e n c e s a n d p r e s e n t a n o p t i m i z i n ga l g o r i t h m i nc h a p t e r5 ，t h em e a n so fs t r u c t u r ed e s i g na n d p a r td e s i g na l er e s e a r c h e do n t h e nt h er e a l i z a t i o no fs t r u c t u r ed e s i g nu s i n gt o p - d o w nd e s i g ni s p r e s e n t e d w i t h i n f o r m a t i o no f s e p a r a t e d l o o p s ，t h ee f f i c i e n tp a r td e s i g nh a sb e e n a c h i e v e d c h a p t e r6 ，t h es t e p sa n d r e s u l to f p r o c e s s d e s i g no f ap a r te x a m p l ea r ep r e s e n t e d a st h et e s tt op p d c s a tt h es a m et i m e ，t h ed a t af l o wi nt h es y s t e mi ss t u d i e da n dt h e h a n d l i n go f t h e s ed a t a i si n t r o d u c e d c h a p t e r7 i st h eo v e r a l l s u m m a r yo ft h i s d i s s e r t a t i o n i nt h i s c h a p t e r , t h e a e h i e v e m e n t sa n ds o m e a s p e c t sf o rf u t u r ew o r k a r ep r e s e n t e d k e yw o r d s ：p r o g r e s s i v e d i e c a d ，p r o c e s sd e s i g n , f e a t u r e _ b a s e dm o d e l i n g ， “t o p - d o w n s t r u c t u r em o d e l i n g 2 第一章绪论 【内容提要】本章介绍了在模具设计与制造中使用c a d 技术的优点，阐述了模具 c a d 系统的特点，及其在国内外的研究发展概况，给出了本文的选题背景和主要研究内容。 1 1 引言 二十世纪计算机技术飞速发展并渗透到制造业各领域，使传统的产品设计与 制造理念和模式发生了巨大变革。融合了精密、集成和智能的c a d c a m 技术 成为制造业发展的一个主流方向，也是当代计算机应用的最重要领域之一。 在电子、轻工、汽车等行业，冲压制品的使用量正曰趋增大，产品质量要求 也越来越高。模具作为冲压制品成形的重要装备，其设计制造发生了很大变化。 一方面企业为追求规模效益，使得模具向着高速、精密、长寿命方向发展；另一 方面企业为了满足多品种、小批量、产品更新换代快、赢得市场的需要，要求模 具向着制造周期短、成本低的快速经济的方向发展。因此，研究和应用模具c a d 技术具有重要的意义和价值 3 , 4 。3 , 3 4 1 。 ( 1 ) 缩短设计周期，提高生产率。由于计算机的高速运算能力和绘制图纸的 自动化，因此可以大大缩短设计时间。同时由于采用c n c 机床加工模具提高了 模具加工精度，减少了大量机加工与钳工修配模具的时间，所以使整个模具生产 周期大大缩短； ( 2 ) 可以提高模具设计质量。由于计算机内可大量存储有关模具设计的标准 数据、设计经验以及采用一些科学计算方法( 如优化方法、有限元方法等) ，加 上计算机与人的交互作用，可发挥人机各自的特长，故不仅保证了模具设计的合 理性，而且可避免人为的失误，因此提高了模具设计的质量； ( 3 1 应用c a d c a m 技术可以更好地发挥人的创造性。手工设计模具时，工 程技术人员大量的时间均花在繁杂的运算与模具图纸的绘制中。特别是在复杂的 级进模设计时，其条料排样图与模具结构设计要经过反复推敲与绘制，占去很多 时间。而在c a d 中可利用计算机高速运算与图形处理的功能完成这些工作，人 们则可应用自己的智慧花更多的精力与时间去进行创造性的劳动。 1 2 模具c a b 系统的特点 汽车、航空、航天、家电、日用五金等几乎所有的工业门类都与模具工业有 关，按不同的工艺类型可以将模具分为塑料模具、橡胶模具、冲压模具等。模具 工业有其共性，每个不同品种的模具对c a d 技术又有特殊的要求，分析共性及 特性，是企业在模具c a d 选型或开发中必须考虑的问题。从严格意义上讲，模 具c a d 系统是集成了模具设计和应用经验的专业c a d 软件，它应具备如下特 点 4 2 1 ： ( 1 ) 模具c a d 系统必须具备描述物体几何形状的能力。因为模具的工作部分 是根据产品零件的形状设计的，所以系统应具有几何造型的能力。不同的系统对 几何造型的能力要求不一样，这部分在第2 章鸽零件几何模型建立部分详缅说 明； ( 2 ) 模具c a d 系统应贯彻实施模具标准化。刹用标准化设计的模具c a d 系 统，在设计模具时可以选用典型的模具组合，调用标准模具零件，需要设计的只 是少数工作零件，因此可极大地提高模具设计效率； ( 3 ) 模具c a d 系统应具备良好的设计准则处理功能。人工设计模具所依据的 设计准则大部分是以数表和线图形式给出的。将这些数表和线图程序化和公式 化，变成计算机能够处理的形式。有些设计经验难以程序化，这时需要通过人工 交互方式发挥经验的作用； ( 4 ) 模具c a d 系统应具有丰富的数据交换接口。目前c a d 系统是针对不同 用户的不同应用任务研制开发的，因而它们的描述方法、定义的信息内容以及采 用的数据结构都是各不相同。如常用的数据交换接口格式有多种：i g e $ 、s t e p 、 d x f 、d w g 、e x b 、v r m l 等： ( 5 谟具c a d 系统应具备良好的面向制造的处理功能。例如c a d 系统应包 含较强的拨模面、过渡圆角的自动生成等功能； 6 ) 模具c a d 系必须具备良好的系统开发性。完善的模具c a d 系统应该是 将模具的设计经验溶入其中丽形成的专用c a d 系统， 1 3 模具c a d 发展概况 模具工业是国民经济的基础产业，模具工业的发展水平标志着一个国家工业 水平及产品开发能力。模具c a d 技术是改造传统模具生产方式的关键技术，是 一项高科技、高效益的系统工程。它以计算机软件的形式，为用户提供一种有效 的辅助工具，使工程技术人员对产品、模具结构、成型工艺及成本等各方面进行 设计和优化。如前所述，模具c a d 技术能显著缩短模其设计与制造周期，降低 生产成本，提高产品质量。因此，模具c a d 技术得到了很大的发展，企业与研 究单位对其进行了深入的研究，出现了各种形式的模具c a d 软件，这项技术在 企业中的应用也日趋广泛。 2 1 3 1 国外发展现状 模具c a d c a m 技术的研究始于6 0 年代末，7 0 年代初开始投入实际应用。 大致经历了三个阶段 4 , 6 , 3 9 , 4 2 | ： 第一阶段：从6 0 年代到8 0 年代初。主要是运用计算机语言，如f o r t r a n 等来提高模具设计者的效率。大部分的设计还是需要设计者来决策。系统只是通 过计算机来提高画图效率，显示设计与计算的结果和辅助n c 编程。当时提出的 一些概念为后来的模具c a d 系统打下坚实基础，如模具部件标准化，设计步骤 标准化等。这一阶段典型系统有： 1 9 7 3 年美国d i e c o m p 公司研制成功计算机辅助设计级进模的p d d c 系统， 该系统包括产品图形与材料特性的输入，在输入的基础上再进行模具结构类型选 择，凹模排样、凸模和其他零件设计，最后绘制模具总装图和零件图及n c 编程； 1 9 7 7 年捷克斯洛伐克金属加工工业研究院研制成a k t 冲模c a d 系统。该 系统适用于冲裁件的简单模、复合模和级进模设计； 1 9 7 8 年日本机械工程实验室研制成冲裁级进模系统( m e l 系统) ，该系统 包括产品图输入、模具类型选择、毛坯排样、条料排样、凹模布置、工艺计算、 绘图等1 0 个模块。 第二阶段：8 0 年代c a d c a m 的广泛使用引发了级进模c a d 系统设计的第 二个阶段的到来。此阶段以交互图形技术和三维造型技术为标志，系统可以进行 材料利用率、冲压力、弯曲力的计算和部分模具零件的参数化，可产生毛坯排样 图。但这些系统只能实现简单计算和数据提取，只是在原有的相关软件上补充和 添加了一些新的功能，所以从根本上来说系统仍然是以用户交互性操作产生图纸 为主。这一阶段典型系统有： 日本日立公司于1 9 8 2 年研制成弯曲级迸模c a d c a m 系统，该系统采用人 工与计算机设计相结合的批处理方法。即人工完成冲模产品图的展开及工序设 计、凹模布置，自动完成毛坯排样与材料利用率计算、冲压力计算、模具结构设 计及模具装配图、零件图等的输出； 1 9 8 5 年n i s s i n 精密机器公司在u n i c 软件基础上开发了冲裁级进模 c a d c a m 系统，能完成几何构型、排样图设计、凹凸模设计、标准件设计等功 能； 1 9 8 5 年日本微型模具中心与日本m m 公司合作应用d c s d r a w 系统开发了 一个冲模c a d c a m 系统，可完成从产品图输入到输出标准件清单、模具总装 图、零件图及n c 数据的全过程。系统包括图形数据库、标准件库、标准形状结 构数据库、冲模制造数据库等。 第三阶段：9 0 年代初人工智能a i 技术( a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e ) 的应用使得 级进模c a d 系统的设计进入了崭新的第三阶段。人工智能应用于模式识别、规 则建立、模糊决策和基于特征的设计等金属冲压的许多领域。在基于知识和基于 特征的应用研究方面取得了进展。这一阶段典型系统有： 1 9 9 1 年，新加坡国立大学开发了i k o o p s 系统，它是一个面向对象的、基 于知识的级进模制造过程规划专家系统，主要处理的是模座的制造，模具的装配 以标准件为基础。该系统将面向对象技术应用于模具设计与制造，但它把级进模 装配假定成标准化构造，影响了其实用价值； 1 9 9 3 年的s h e e t m e t a la n dr u l e t u t o r ( s m a r t ) 是- - 个基于特征的c a d 系统， 并且它采用混合规则和基于对象的知识来存储特征； 1 9 9 5 年的基于知识的智能系统由几何分析、有限元法、合理分析三部分组 成，它能有效分析零件的合理性； 1 9 9 5 年的金属成形专家系统m e t e x 则运用了成组技术： 1 9 9 9 年的美国p t c 公司的制模软件不仅可以从事产品设计、帮助产品工艺 分析、设计模具，还可以实施并行工程、快速原型制造，使生产周期比一般情况 缩短了3 0 。 1 3 2 国内发展状况 在过去二十年中，我国模具工业得到了长足的进步，模具c a d c a e c a m 技术的成功应用为我国模具工业的发展起到了重要推动作用。模具 c a d c a e c a m 技术已成为c a d c a e c a m 技术发展中最具活力、创造效益最 高的应用领域。同时模具工业也是c a d c a e c a m 技术最普及、应用最成熟的 行业之一。 中国国内近几年有一大批模具企业推广应用计算机技术，以生产家用电器的 企业为代表，陆续引进了相当数量的c a d c a m 系统】。如美国e d s 的u g i i ： 美国p a r a m e t r i ct e c h n o l o g y 公司的p r o e n g i n e e r ；美国c v 公司的c a d d s 5 ；英 国d e l t a c a m 公司的d o c t 5 ：日本h z s 公司的c r a d e ；以色列公司的c i m a t r o n ； 还引进了美国a c t e c h 公司的c m o l d ；澳大利亚m o l d f l o w 公司的m f 用统一模 型的分析软件；法国m a r t a d a r a v i s i o n 公司用于汽车及覆盖件模具的e u c l i d i s 等 专用软件；德车m a g m a s o f t 用于铸模的专用软件。这些系统和软件的引进， 虽花费了大量资金，但在我国模具行业中，实现了c a d c a m 的集成，以c a d 绘制模具图代替了手工绘制，以c a m 取代了手工编程，并能使用c a e 技术对 成型过程进行计算机模拟等，取得了一定的经济效益，促进和推动了我国模具 c a d c a m 技术的发展。 由于我国计算机技术发展较晚，8 0 年代国内才有一些单位进行参与了自主 版权模具c a d 系统的开发，如华中理工大学、浙江大学、上海交通大学、天津 大学、西安交通大学、北京机电研究所等开始进行冲模c a d c a m 的研究，并 陆续研制成功一些不同类型的冲模c a d c a m 系统。 ( 1 ) 华中理工大学在1 9 9 4 年与1 9 9 6 年分别完成精冲模c a d c a m 系统h j c 、 冲裁模c a d c a m 系统 - i p c 。系统注重人机交互界面的设计，强调工具化概念。 图形输入采用编码方法；根据冲裁级进模工步设计准则，建立位置精度和干涉关 系模型，元素问的尺寸关系用抽象的图来表示，利用人工智能中图搜索识别产品 中各轮廓之间的尺寸关系，同时用集合论中的关系概念对工步排序和工步数计算 进行自动设计：采用人机交互的方式来设计废料和条料定位装置；1 9 9 0 年又与 成都七一五厂合作开发出级进模c a d c a m 系统，该系统对冲压产品形状进行 分析归纳，总结冲压件的特征，开发了基于特征三维造型的交互式图形输入系统； ( 2 ) 上海交通大学开发了普通冲裁模b d c 系统和多工位级进模c a d c a m 系 统： ( 3 ) 西安交通大学应用基于c a e ( 计算机辅助工程) 的原理，为冲裁模 c a d c a m 系统开发提供一种新的模式； ( 4 ) 浙江大学在进行级进模c a d c a m 系统的研究中，强调系统内数据信息 的少文件甚至无文件传输，积极探索利用数据库实现系统内的数据交流，提高了 系统灵活性与实用性； 此外，上海模具技术研究所，天津大学等也先后研制出冲裁模的c a d c a m 系统，并开始在实际生产中使用。这些软件具有适应国内模具和具体情况，在微 机上应用，价格较低等特点，为进一步普及模具c a d c a m 技术创造了良好条 件。 从模具c a d 系统的发展的三个阶段可得出以下三方面结论“】： n ) 基于知识系统在解决设计和制造问题是可行的，模具领域大量的经验， 这些经验可表示成计算机内统一的知识，在c a d 与c a m 过程中结合这些知识 进行设计。在模具c a d 发展的第三阶段，大多数的系统都运用了基于模具知识 的设计； ( 2 ) c a d 与c a m 集成系统存在但有局限，目前只适用于简单零件或专用零 件的设计，但3 c ( c a d c a m c a e ) 集成系统已露端倪。其中集成生产系统 ( c i m s ) ，即设计与制造过程成为一个完整信息流通过程的系统成为现代模具技 术的核心与重要发展方向； ( 3 ) 人工智能a i 技术能够在模具设计一些认知领域得到运用，并且也是模具 c a d c a m 发展的一个重要方向。其中领域知识的提取及其应用能力是人工智能 技术在系统中进行应用的基础，也是人工智能专家系统解决问题的关键所在。 1 4 模具c a d 存在问题 日前虽然存在大量的通用与专用模具c a d 系统，真正实用的商用系统仍不 多，其中存在的问题有 3 3 , 3 4 1 ： ( 1 ) 冲压产品几何模型的信息不能全面表达或不利于后续毛坯展开、条料排 样和结构设计的信息提取： ( 2 ) 系统未能将交互设计与自动设计有机结合，有的强调自动化设计，使得 系统统一性降低；有的则交互设计过多，使系统的效率降低； ( 3 ) 现有系统的设计未能严格按照软件工程的要求进行，系统的稳定性差， 运行中经常中断或死机； f 4 ) 现有系统中模具结构设计还停留在将设计好的零件进行“拼装”的阶段， 设计过程装配协调、功能保证等总体性问题都由设计者自己掌握。从而导致设计 结果无法保证模具的功能要求，设计修改的次数增多。 模具c a d 技术在我国的应用也存在一些问题，主要可归纳为以下三个方面 【”： ( 1 ) 模具c a d 在塑料模、汽车覆盖模和压铸模主要生产厂家得到了广泛应用， 但在全行业还存在着较大空白： ( 2 ) 缺少规划，引进混乱，偏爱高档。消化不良，使用效率低下； ( 3 ) 对引进的c a d 系统二次开发不够，没有根据我国模具行业的实际情况以 微机级软件引进为主的方针。 1 5 模具c a d 发展趋势 c a d c a m 技术和计算机技术与理论的发展，使冲模c a d 必然朝着集成化、 并行化、智能化、自动化方向发展。模具c a d 的发展趋势具体体现在以下几方 面3 、4 5 “： ( 1 ) 产品信息建模和工程数据库技术的发展，为模具设计和制造集成化提供 了坚实基础。建立从模具设计到制造整个周期的全局信息模型，以工程数据库组 织生产过程各阶段的设计、制造、管理等信息，各部门通过网络以信息为媒介进 行交流。 ( 2 ) 随着计算机技术发展，c a d 、c a e 、c a m 、m i s 等新技术在模具生产中 得到广泛的应用，将这些技术集成为一个协同的系统成为模具生产的重要发展趋 势。在c a d c a e c a m 的基础上，人们正在致力于建立集成生产系统( c 1 m s 系统) ，即使设计与制造过程成为一个完整的信息流通过程。现代模具设计制造 不仅应强调信息的集成，更应该强调技术、人和管理的集成。在开发模具制造系 统时强调“多集成”的概念，即信息集成、智能集成、串并行工作机制及人员集 成，这更适合未来制造系统的需求。 ( 3 ) 人工智能( a r t i f i c i a li n t e l l i g e n t ) 技术o “2 “嘟的应用是近来冲模c a d 技 术中的重要研究领域。应用人工智能技术实现产品生命周期各个环节的智能化， 实现生产过程各个环节的智能化，以及模具设备的智能化，也要实现人与系统的 融合及人在其中智能的充分发挥。人工智能技术是通向设计自动化的重要途径， 在模具c a d 系统中研究模具设计和制造知识表示技术、推理技术、学习模式， 将会极大地提高冲模c a d 系统的性能和智能化程度。 “) 并行工程是一种新的系统工程方法四”。这种方法的思路，就是并行的、 集成的设计产品及其开发过程。在模具c a d 系统中并行工程需要研究的内容有： 研究特征与混合建模技术，发展新的设计理论与方法；开展制造仿真软件及虚拟 制造技术的研究，提供支持并行工程运行的工具和条件；探索新的工艺过程设计 方法，适应可制造性设计d f m ( d e s i g n f e a s i b l ef o rm a n u f a c t u r i n g ) 借助网络及统 一数据库管理系统d b m s ( d a t ab a s em a n a g e m e n ts y s t e m ) 技术，建立并行工程 中数据共享环境。 1 6 选题背景 级进模是大规模高效率生产微电子器件的主要制造装备，其结构复杂，且 涉及较多的工艺与经验知识，是模具中的知识密集领域。因此建立在设计专家丰 富经验知识基础上的集成、创新、管理的级进模c a d 系统具有现实的需求。一 般的通用c a d 软件不能够满足企业的实际需要，因此，在这些通用软件上开发 企业专用的模具设计软件能从很大程度上缩短生产周期，提高企业竞争力。根据 这种需求，浙江大学和宁波康强电子有限公司联合开发了一套精密级进模c a d 系统( p r e c i s i o np r o g r e s s i v ed i ec a d s y s t e m ) ，简称p p d c s 系统。这一系统主要 适用于该公司集成电路引线框架、片式半导体引线框架、s o t 系列表面贴装引 线框架类零件，图1 1 是引线框架零件图。 连接棒 图1 1 引线框架零件图 7 外引脚 引脚 引线框架零件一般由模垫及许多的引脚组成“ ，引脚可以以焊接的方式连 接到模垫上，也可以用冲裁方式冲切废料而成，对于批量超过1 0 0 万件时，一般 用冲裁方式进行。论文中的i c 引线框架和一些类似的零件如电机转子、晶体管 引线等平面冲压件，具有非常窄小的引线宽度、桥部、小孔和切i ：1 ，其引脚宽度 一般不超过0 5 r a m 左右，受模具强度的影响，多采用多工位级进模进行加工。 1 7 级进模c a d 系统关键技术 1 7 1 组件对象技术 组件技术( c o m p o n e n to b j e c tm o d e i ) b “5 ”1 是使软组件象对象一样彼此交 互的一种二进制标准。c o m 不是一种编程语言，它也并没有指定任何特殊的编 程语言，它是能够使用任何支持c o m 对象的二进制设计标准。c o m 对象通过 接口来显示功能，接口( 功能) 与实现( 对象数据与功能) 是分离的。它使得各 c a d 系统开发商们不必再完全遵从“一切从零开始”的开发模式，他们可根据自 己的技术优势在满足组件接口规范要求下开发不同的构件，然后在得到许可的情 况下便可以自由使用这些构件来搭建用户所需要的c a d 系统。运用组件技术开 发方式具有周期短、见效快、系统柔性高、开放性好、以及容易“即插即用”和进 行并行开发等优点。 1 7 2 特征技术 特征技术“n n 伽主要用于特征建模，特征建模是当今产品设计系统中的主要 造型方法。它可以将产品的功能和工程等非形状信息与几何信息进行集成，从而 将产品的功能需求、原理方案以及设计领域下游的制造信息等集成到设计阶段中 来。特征建模通过计算机将工程图纸所表达的产品信息抽象为特征的有机集合， 级进模c a d 系统中，用特征技术建立产品模型，具有以下优点：所表示的模型 更完备，能面向多种应用需求；具有更高抽象信息，层次更高；并且提供了一个 面向设计全过程并与人的认识思维趋同的智能造型环境。 1 7 3 自项向下设计技术 “自底向上”与“自顶向下”5 1 是两种产品装配模型。前一种方法可以 称之为“拼装”模式，而自顶向下的设计方法是一种符合人们设计习惯的装配层 次上的设计方法。它首先根据产品的功能需求进行概念设计，此阶段支持对概念 模型的分析与修改；然后进行详细设计，即对概念设计产生的产品整体外形逐步 划分出子部件，直到最终零件。自顶向下设计面向的是产品功能和设计者意图， 产品的整体功能约束贯彻产品设计的始终，是真正意义上的产品设计。自顶向下 装配模型有利于提高设计效率，减少设计实施阶段不必要的重复工作，减少新产 品的设计研究时间。 1 8 论文研究内容及安排 本文的研究目的在于：根据i c 引线框架类零件的特点，提出适合于此类零 件的模具c a d 系统开发方法，对零件造型进行研究，并在此基础上实现系统中 的工艺设计以及凸、凹模设计。具体章节安排如下： 第一章介绍论文选题背景，也即开发这一精密级进模计算机辅助设计 p p d c s 系统的目的；综合目前开发c a d 系统发展状况与开发技术，总结目前级 进模c a d 系统存在的问题，提出级进模c a d 系统的发展趋势。从p p d c s 系统 总体出发，概括介绍了系统中的三种关键技术：组件对象技术( c o m ) 、基于特 征技术、“自顶向下”装配技术； 第二章首先介绍多工位级进模的特点、设计特点及内容。分析模具c a d 系统的几种形式，阐述运用二次开发方式进行系统开发的理由，并介绍了系统开 发的支撑软件s o l i d w o r k s 的特点及所提供二次开发接口( a p i ) ，以此为基础提 出基于c o m 技术的p p d c s 系统的结构框架。并对p p d c s 系统的内外关系与功 能模型进行了设计； 第三章主要讨论p p d c s 系统中零件模型建立的方法。c a d 系统中一般采 用两种方法来实现产品造型：几何造型方法与特征造型方法。本章首先分析了产 品几何造型的典型方法与特点，并深入研究了基于特征造型方法的研究现状及特 点以及基于特征技术的级进模c a d 系统，在此基础上，结合s o l i d w o r k s 所采用 的特征设计方法，提出本系统中的产品模型建立方法； 第四章介绍p p d c s 系统的工艺设计。本章总结了一般级进模工艺设计的内 容与特点，并根据c a d 系统中的功能实现将工艺设计c a d 分成三个子模块： 工艺性分析、毛坯排样、条料排样。根据本系统处理对象i c 引线框架类零 件的特点以及企业的需求，p p d c s 系统通过自动与交互相结合并以交互方式为 主来实现工艺设计并详细讨论了系统产品工艺性分析的内容以及实现方式。概述 性说明c a d 系统中毛坯排样的内容，系统毛坯排样实现。最后讨论了精密级进 模工步排样的特点、工步设计的常用算法以及工步排样总流程，总结了相关的工 艺知识，提出基于优化准则的级进模工步排样算法； 第五章介绍系统结构设计的实现方式。分析自顶向下设计思想在系统中体 现。根据工艺分析系统的特征环几何信息来设计凸凹模零件，实现工作区零件的 快速设计。 第六章是应用实例的分析。通过一个具体的引线框架零件设计实例展示工 艺设计系统中各个模块的执行过程与结果。同时还对p p d c s 系统中的数据进行 分类，并按照数据类型提出相应的处理方法； 第七章是全文的总结，对论文的总体研究内容进行了总结；并对精密级进 模c a d 系统开发进行展望。 1 9 本章小结 本章首先介绍了模具c a d 系统的特点以及在国内外的发展现状，总结了模 具c a d 存在的问题与发展趋势，在此基础上，引出了本文研究的来源与立足点。 在总结级进模c a d 系统的关键技术基础上，根据企业具体需求，提出了论文的 主要研究内容和章节安排。 第二章级进模c a d 系统的建立 【内容提要】本章首先介绍多工位级进模的特点及设计内容。分析了模具c a d 系统 的几种形式，介绍了模具c a d 系统二次开发支撑软件s o l i d w o r k s 的特点及所提供的二次 开发接口( a p i ) ，提出了基于c o m 技术的p p d c s 系统的结构框架。 2 1 级进模设计 级进模3 5 1 是冲裁模的一种，又称为连续模，是在压力机的一次行程内，在 模具的不同工位上完成多道冲压工序。一个复杂的冲压零件，用- - n 多工位级进 模即可冲制完成，- - n 模具上往往有数十个工序，考虑到模具与压力机大小的限 制，一般的级进模只能用于中、小零件的生产。 2 1 1 多工位级进模的特点 冲模有多种形式，从冲压加工工序的性质可分为冲裁模、弯曲模、拉深模等 3 s l o 按模具结构型式分类，如按送料方式有纵向送料、横向送料，按卸料方式有 刚性卸料与弹性卸料，按托料方式有浮动凹模式、托杆式等等。这些均是级进模 c a d 系统中结构设计时要考虑的因素。 从冲压工序的组合来看，可分为简单模、复合模、级进模。简单模是在模具 上只有一个加工工位，而且在冲床的一次行程中只完成一类冲压加工工艺。复合 模也只有一个工位，但在冲床的一次行程中要完成两类以上的加工工艺。级进模 又称跳步模，它将不同的冲压工序按一定的次序排列，坯料按步距间歇移动，在 不同的工位上完成不同的冲压工序，且压力机每一次冲程可以冲压一个或多个制 件。在三类模具中，级进模最为复杂，设计难度最大。级进模是冲模中的高精密 模具，具有以下特点b ”： f 1 ) 冲压生产效率高。级进模在- - n 模具内可以完成复杂零件的冲裁、翻边、 弯曲等工艺，减少了中间转运和重复定位等工作，显著提高了生产效率； f 2 ) 产品质量高。级进模在一副模具内完成产品的全部成形工序，克服了简 单模多次定位带来的操作不便和累积误差，提高产品的质量； f 3 ) 操作安全简单。级进模冲压时操作者不必将手伸入模具的危险区域。对 大批量生产，采用自动送料机构，模具内装有安全检测装置，冲压加工发生误送 进或意外时，压力机自动停机： ( 4 ) 模具寿命长。复杂的内形或外形可分解为简单的凸模和凹模外形，分段 逐次冲切，工序可以不必集中在一个工位，在工序集中的区域还可以设置空1 二位， 从而改变了凸、凹模受力状态，提高了模具强度，延长了模具寿命； ( 5 ) 生产成本较低。级进模由于结构比较复杂，所以制造费用比较高，同时 材料利用率也比较低，但由于使用级进模时生产效率高、压力机占有数少、需要 的操作工人数和车间面积少，减少了半成品的存储和运输，因而产品零件的综合 生产成本并不高； f 6 1 设计和制造难度大，对经验的依赖性强。级进模结构复杂，技术含量高， 难度大；同产品零件可有多种不同的设计方案，设计的灵活性大。模具设计和 制造中诸多不确定因素，要在修模、调整、试冲时解决。 由于上述诸多特点，级进模得到了广泛的应用，在各类冷冲模具中，级进模 所占比例为2 7 。随着设计和制造技术的发展，级迸模的工位数逐步增加、精 度提高、功能复合化，在设计和制造中普遍采用先进的c a d c a m 技术及数控 加工技术。 2 1 2 级进模设计的特点 级进模设计过程比较复杂，加工精度也很高。级进模的设计主要有以下特点 阻4 ”： ( 1 ) 经验性。手工设计级进模时，其条料排样与结构设计主要由技术人员凭 经验考虑到产品成形的可能性及结构的合理性，没有一套完整的设计准则可行。 因此，建立c a d 系统时必须总结技术人员的经验，按扳料成形规律确立套系 统的设计准则； ( 2 ) 不确定性。因为级进模设计主要是凭人的经验，因此同一产品零件，由 不同人进行模具设计时，所采取的方案往往不同，所以在c a d 系统中不仅要建 立标准结构而且要有优选方案的功能； ( 3 ) 调试及计算机模拟。由于级进模设计的成功与否主要取决于人的经验， 因此往往一副模具设计与加工完成后，必须经过生产中的调试、修配才能投入正 式生产，为了缩短生产周期，在c a d 系统中应进一步发展计算机模拟技术，以 便对冲压件的成形状态与模具运动情况进行检查，达到减少模具调试时间的目 的。 2 1 3 多工位级进模设计流程及内容 在实际的手工设计中，多工位级进模的设计遵循如图2 1 所示的流程1 具体可以分为四个阶段，即工艺设计、排样设计、结构设计、零件设计。 图2 1 级进模设计流程 ( 一) 工艺设计 级进模工艺设计，就是根据冲压零件的要求，合理安排原材料准备、各种加 工工序等，使得冲压过程在经济和技术上合理可行。工艺设计可以具体分为工艺 性分析、工艺方案设计、工艺计算三个部分d ”。 工艺性分析是判断冲压件成形的可能性，即判断该产品零件是否符合冲压工 艺要求。良好的冲压工艺性是指能以最经济的方式加工出符合使用要求的零件， 例如节省材料、模具结构简单、工序少、工人操作方便、产品质量稳定等。在具 体的分析过程中，冲裁零件的工艺性可以分为结构工艺性与精度工艺性。 工艺方案设计根据冲压件的形状尺寸、材料、生产批量等特点，初步确定出 冲压加工内容，工序的组合方式、辅助工序等，并制定出几种可行的加工工艺方 案，通过对产品质量、生产效率、设备条件、模具制造和寿命、操作的方便性和 安全性、经济性等方面的综合比较，确定出合适具体生产条件的最佳工艺方案。 工艺计算的内容包括毛坯尺寸计算、确定模具工作部分尺寸、计算冲压力等 相关工艺参数。 ( 二) 排样设计 在多工位级进模设计中，排样的目的旨在确定从毛坯材料转变为产品零件的 工序过程。排样是级进模设计的重要依据，是决定级进模优劣的主要因素之一。 多工位级迸模的排样设计一般可以分为毛坯排样、冲切刃口设计和工序排样。 毛坯排样是指冲压件在条料、带料或板料上的布置方案。毛坯排样完成排样 类型的选择、搭边数值的确定、载体方式的选择。对于有搭边排样，需要确定相 邻冲压件间的余料，以及冲压件与条料边缘间的余料，即搭边。搭边用以防止送 料发生偏差时，冲出残缺的废品，其值可根据冲压模设计参考资料选择。 冲切刃口外形设计是刃口分解与重组的过程，它把复杂的内形轮廓或外形轮 廓分解为若干个简单几何单元，各单元又通过组合、补缺等方式构成新的冲切轮 廓的工艺设计过程，即设计合理的凸模和凹模刃口外形。 条料排样包括冲压件每道加工工序性质、形状、尺寸的设计与计算，工序的 排列与布置，载体设计以及定位方式的选择与位置布置，绘制工序排样图等。 ( 三) 结构设计 级进模结构设计的内容包括确定为实现工序排样规定的加工工序所必需的 功能结构，进而确定组成模具结构的零件及零件间的连接关系，确定模具的总体 尺寸、模具零件的结构形式。多工位级进模结构设计包括五个部分的设计内容： 模具概要设计、工作单元设计、卸料机构设计、定位机构设计、固定机构设计。 概要设计是级进模结构设计的开始，它以排样图为基础，根据产品零件成形 要求，确定级进模的基本框架。 4 工作部