钣金模具快速设计系统研究

引言

       在现代化大型机械制造过程中，由于钣金零部 件具有质量好、成本低等诸多优点[1]，钣金零部件应 用越来越多，但因为钣金零部件的形状越来越复杂， 对钣金零部件的质量效率要求也越来越高。所以在 一个机械产品的整个设计生产周期中，钣金模具设 计环节直接决定着整个产品的质量和效率，很多机 械设计工程师投入到钣金模具设计中来，来解决钣 金模具设计加工中的各项技术难题。 

       特别是在大型飞机制造过程中，钣金零部件的 应用更加频繁，钣金设计加工环节占用的工时占整 个飞机设计制造全部工时 50%以上，在整个大型飞 机制造生命周期中，钣金零部件的设计加工至关重 要，直接影响着飞机制造的成败。由于在大型飞机制 造过程中，钣金零部件体积非常大、形状非常复杂、 并且具有自由曲面，这就决定了钣金模具的设计周 期非常长且设计难度较大。 

1 标准模具基础库的设计 

        传统的钣金模具设计通常是没有模具基础库支 撑的[2]，历史经验、原理和规则等没有系统融入到模 具设计过程中，导致模具工装设计不规范，设计质量 和设计效率都非常低。由于在钣金模具设计过程中， 很多常用零部件的有结构完全一样或者非常相似， 只是尺寸大小不一样，如何提高这类零部件的模具 设计效率具有很高的研究价值。在机械制造过程中， 往往这类零部件数量非常庞大，在整个钣金模具设 计过程中调用频次非常高，设计出一套可扩展的标准模具库将对提高设计效率、大幅缩短模具的设计 周期、提高模具的设计质量具有较高的实用价值。

2 凸模和凹模的快速设计 

        凸模和凹模是钣金模具设计过程中最重要的环 节之一，是钣金零部件加工的关键组成部分，凸模和 凹模的设计质量对钣金零部件的加工精度至关重 要。一般传统的凸模和凹模设计主要参考过往的设 计经验，以钣金零部件的几何形状为对象，来确定钣 金模具的各项工艺参数，首先设计出钣金模具的粗 坯，再根据初始图纸加工出样品，再根据样品在粗坯 上加工凸模和凹模的型面；然后进入细调环节，需反 反复复不断调整和修改才能加工出满足精度的凸模 和凹模型面。这种传统方法缺点是设计没有一定的 规范性可依，大多依据工程师的个人经验，设计周期 长且效率低下。 

        本文采用基于特征和知识的快速设计方法来进 行凸模和凹模的设计，把特征和知识的特性融入到 凸模和凹模设计中来，构建型面特征和知识参数化 快速模型设计。该设计主要是以尺寸驱动设计的方 法对钣金特征进行数学建模，把特征本身变为具有 数学定量描述的成员变量和成员函数，这样设计对象就把原来的凸模和凹模产品转变为具有数学定量描述的各项设计特征。这些种类繁多的设计特征由于来自于过往的海量设计经验及融汇了海量钣金设计加工经验，所以这些设计特征具有较高实用性和可靠性，这样就规避了传统凸模和凹模设计的缺点。同时这些设计特征由于具有数学定量属性，也便于在此基础上进行一定范围的拓展，增加这些特征的适用范围。 

         凸模和凹模型面特征参数化数学建模是依据特 征的几何造型和参数化方法来进行定量的数学描述，依次对型面的快速成型和变型的定量参数描述。 该数字建模主要有以下三个步骤。 

        1）首先要选择适当的特征描述，来作为特征建 立数学模型的输入条件。由于机械设计工程师在建 立特征描述时，需要一定的输入条件和标准，特征的 描述是用来实现特征的定位，一旦把它作为特征建 立的基础，那么就给机械设计工程师提供了定位信 息，从而实现了特征在凸模和凹模型面整体设计中 的可靠定位。特征描述是根据凌乱的特征来建立由 点、线、面等基本几何要素所组成信息用数学定量方 式进行表述的过程，可以通过数学模型来归一化和 定量数学来表达， 一般用中心点、孔中心线、轮廓线、 剖面定位面和支撑面等五个定位信息来数学定量表 达，这样就可以完全确定出来特征在凸模和凹模型 面设计中的相对和具体位置；一旦特征定位标准明 确后，机械设计工程师就可以根据具体的凸模和凹 模设计信息，根据已经预先设好的点、线、面和几何 信息约束条件完全确定这些特征在凸模和凹模设计 的位置信息。 

         2）把特征建模作为凸模和凹模型面建模的基 础。在第一步把特征定位进行数学定量描述后，就可 以开始第二步几何建模了。几何模型在建立数学模 型时，由于几何模型确定后就不能再变动属于全约 束模型，必须将几何模型和第一步的特征定位信息 联合进行约束，以此作为后面快速设计的基础信息。 

        3）几何约束关系的建立和参数化确定。在上面 两步完成后，要将所有的几何元素的形状信息和相 互之间的位置距离信息归一化为可定性的变量和公 式，以此通过变量和公式的数学关系，把变量不同的 数据进行同步更新。所以一旦几何要素建立了对应 的数学模型表达后，每一个几何要素就已经包含了 当前值、变量和公式等所有的数学模型信息，经过以 上三步后，基于特征和知识的凸模和凹模已经被归 一化的数学模型创建。 

3 标准模架的设计 

         除了凸模和凹模，还必须有导柱、模座、定位销 等辅助模具来定位和支撑，即通常说的模架。在钣金 模具设计中， 模架一般包括支撑类、定位类、导向类、 卸料类和固定类等五大类。定位类一般有定位销和挡料销等两大类；卸料类一般有卸料板和顶件板等 两大类；导向类一般有导柱和导套等两大类；固定类 一般有固定板和垫板等两大类；支撑类一般有上模 座和下模座等两大类。模架一般包括标准模架和非 标准模架， 一般为了提高钣金模具设计质量和效率， 模具设计尽量采用标准模架。 

        标准模架设计建模一般分为自上而下建模和自 下而上建模两大类。自上而下建模是利用已组建的 零部件建立新的零部件，具有新组建的零部件尺寸 和相互配合与原来的一致，能够尽可能地避免装配 冲突等优点，但是具有不能调用已经存在的零部件 和造成已有设计资源的浪费等缺点。自下而上建模 是先建立各个零部件模型，然后根据需要依次加载， 具有可以充分利用分工合作建立各零部件模型、充 分利用已有零部件设计资源和提供设计建模效率等 优点，但是具有分工建立的各零部件模型可能装配 时产生装配冲突的缺点。 

         本文设计综合考虑二者的优缺点，和根据标准 模架自身的特点，采用自下而上建模方法，建模分为 两步，零部件级别和装配级别。在第一步零部件级 别，由于标准件是基于参数化的数学建模，属于标准 化的，非常简单方便易于操作，可以大幅提高设计效 率和减少无谓的大量重复劳动；在第二步装配级别， 在参数化的零部件基础上，建立已经被归一化后的 装配事物特性表格，通过对事物特性表格所有参数 进行数学模型的参数化，来实现钣金装配模架的参 数化建模，然后通过模架分类信息来封装所有模架 的所有参数信息。 

4 结语 

        本针对钣金模具设计质量不高及效率低下问 题，提出基于几何特征和的方法，建立凸模和凹模的 快速设计模型，以及采用自下而上方法对标准模架 进行建模设计，可以较高地提高钣金模具设计质量， 大幅提高设计效率， 具有较高的实用推广价值。