用于级进模具的自动化结构设计系统的开发外文翻译资料

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用于级进模具的自动化结构设计系统的开发

林荃林，黄昆玲，苏玉禹，郑一惠

摘要

级进模具的设计是一个非常知识密集，复杂和耗时的过程。本文介绍了一种具有拉深、弯曲、冲孔作业的用于级进模具的计算机辅助结构的设计系统。利用预先构建的设计知识和数据库，该系统能够通过用户输入设计信息的最小集合来输出级进模具的主要和标准部件的设计。我们的系统在CATIAV5软件上实现，并使用其内置模块，包括零件设计、装配设计和知识顾问这些模块。我们的系统还包括一个推理引擎和一个用户界面。实验结果表明,该系统成功地将设计时间从7个工作日缩短到2小时以内，为手机上外壳级进模具的主、标准件结构设计，可以大大节省设计时间和设计成本，同时提供优良的设计质量。

关键词：级进模具、 自动化结构设计系统、细节设计、装配设计、知识库

1. 前言

冲压件由于其具有竞争力的性能和生产效率的优点，被广泛用于高复杂性和高精度的产品，例如车辆、计算机、通信和消费类电子相关产品。冲压工艺已被确定为最重要的制造工艺之一。然而，设计冲压模具是整个开发过程的关键环节之一。除了高度复杂的模具结构，各种设计参数之间的干扰使设计任务非常困难和耗时。一般认为设计模具是一门艺术，而不是一门科学。

近来，计算机技术和3D计算机辅助设计（CAD）软件已经快速发展，并且3D CAD软件已经广泛用于设计冲压模具。 实体模型为用户提供了直观和具体的模具设计视图，从根本上减少了设计时间。 大多数三维CAD软件只提供一个简单的几何建模功能。 然而，他们无法为用户提供足够的在大多数设计任务中有很大的帮助的设计知识。

因此，自动和智能系统的设计一直是世界各地一个积极研究的课题。关于专用系统的建设，Sharma和Gao [1]引入了综合设计和制造规划系统，用来帮助概念设计和重新设计活动。Nahm和Ishikawa [2]利用基于集的设计方法与参数建模技术来处理设计早期阶段固有的不确定性。Myung和Han [3]构建了一种基于配置设计方法设计机械产品的专用系统。Lee等人[4]利用Auto-LISP开发了一种用于冷锻的参数计算机辅助工具设计系统。Kong等人[5]介绍了基于Solid Works的Windows天然3D注塑模具设计系统，使建模过程更加高效。Chu 等人[6]利用CAA在CATIA开发了一种用于3D轮胎模具生产的计算机辅助参数化设计系统。

在冲压工具设计领域，Pilani 等人[7]提出了一种基于模面可成形参数自动生成最优模面设计的神经网络方法。基于钣金操作，Singh和Sekhon [8]开发了一个冲压机选择专用系统，该系统在AutoCAD中构建并使用AutoLISP软件。Lin和Kuo [9]开发了用于行李箱盖外板冲压模具的集成CAD / CAE / CAM系统。Lin 等人 [10-12]利用与经验公式集成的CAD软件开发了用于汽车的拉模结构的自动化设计系统。

在级进模中，工件是在多个冲压工位生产的。在每个工位，在金属板条上执行一个或多个模具操作。每个冲压机的冲击产生成品工件。 Cheok和Nee [13]在AutoCAD中开发了基于知识的带状布局设计系统。Chang等人[14]建立了一种遗传算法，解决了级进模工序级排序问题。Kim等人[15]开发了具有弯曲和穿孔操作的电气产品的过程规划系统。Ismail等人[16]利用廉价的CAD软件开发了基于交互式特征的带状布局设计系统。Ghatrehnaby和Arezoo [17]引入了一个基于集理论的数学模型，使用最小数量的工位和扭矩平衡标准优化带布局。Tor 等人[18]介绍了一个基于知识的黑板框架，用于冲压工艺规划，通过自动化带状布局设计来加速级进模具设计过程。Jiang 等人[19]提出了一种采用面向对象、基于特征的方法的插入设计自动化系统的系统表示方案。Giannakakis和Vosniakos [20]开发了一种用于钣金切割和穿孔操作的工艺规划和模具设计的专用系统。Jia等人[21]开发了一种用于级进模具的自动化板孔设计系统。Jia等人[22]介绍了用于级进模具的冲头和模具的自动化结构设计。

虽然设计模具是一个非常知识密集、复杂和耗时的过程，但是在整个过程中使用的技术是成熟的，这使得整个过程是常规的。 为了使设计过程更高效和更高质量，本文介绍了一种用于级进模具的自动化结构设计系统，其具有拉伸，弯曲和冲压操作。 设计师只需输入一套最小的设计信息，系统就会自动完成级进模具的结构设计。

2．级进模具设计

移动电话的外壳通过渐进冲压工艺制造。渐进冲压的设计由两部分组成：钢板带的布局设计和级进冲模的结构设计。

2.1金属板带布局

手机壳体的冲压工艺，如图1所示。 如图1所示，由以下九个子任务组成：第一和第二工位用于钻穿导向孔和冲切原材料轮廓。 第三工位用于绘制壳体形状。 第四工位用于重新触发壳体形状并且钻穿导向孔。 第五到第八个工位用于弯曲耳机和充电器孔，消隐键盘和屏幕孔，以及侧面冲孔耳机和充电器孔。 最后一个工位用于从带材切割产品。 渐进过程包括在单个管芯中的所有子任务。 这个模具称为级进模具。 在级进模具中执行的每个过程称为过程工位。

由于板材条带应当连续地进给到渐进系统中，所以板材卷材在被进给到级进模具中之前将通过开卷机，矫直机和进料器，在那里它们被每个加工位加工。条带不仅提供用于冲压过程的原材料，而且还将工件从一个工位携带到另一个工位。用于连接来自相邻站的工件的部分称为载体，载体和工件之间的部分称为桥。 距离条每次向前移动，这被称为渐进间距。 为了在每个加工站中正确地定位工件，在托架和工件上都有多个参考孔，我们称之为导向孔。

2.2进模模具配置

典型的级进冲模的设计配置，如图1、2所示，由两部分组成，第一类称为主要部件，包括上模组、下模组、模板、冲压板、冲压板、冲压背板、上升件、下降件、凸轮机构、冲裁冲头、弯曲冲头这些每个工位所需的模具。这些部件的设计完全取决于级进模具的规格和客户的要求。第二类称为标准零件，例如内六角头螺钉、定位销、剥离器螺栓、导向柱和平面导向衬套。这些标准零件可从市场上获得不同尺寸。

用于开发移动电话外壳的级进模具包括以下基本加工站：穿孔、冲裁、拉拔、弯曲、矫形锻压、侧冲和切割。这些处理站应基于渐进间距以相等的距离定位。我们可能还需要为每个工位设计一些结构部件。定位销用于确保材料条在固定模中稳定地向前移动。升降器用于将产品从每个处理工位中的模具表面完全提起。为了提高点焊精度，使用了多个引导和定位部件，包括分别在上模具和下模具上的平面引导衬套和引导柱。当相邻工位之间没有足够的空间或有一些弱分量时，我们需要在它们之间添加一个空闲工位。

2.3设计连续模具的结构部件

最先进的模具是一次性的。因此，设计人员必须考虑技术要求和预算，以提供最佳的模具设计以满足客户的期望。大型模具结构非常复杂，并且连续模具的设计过程包括三个阶段：模具设计信息、主要部件设计、标准件设计。

级进模具的尺寸根据其带有功能表面和线条，片材厚度和渐进间距的条带布局来确定。模具设计工程师能够在模具尺寸固定后完成零件设计。

在主要零件设计阶段，确定主要零件，包括上模组，下模组，模板，冲压板，坯料压板，冲压背板，上升件，下降件，凸轮的形状和尺寸机构，冲裁冲头，弯曲冲头和模头。

以凸轮机构的设计为例，其设计原则如下：

*工作行程不得超过20 mm。

*凸轮机构的工作方向应垂直于侧冲孔。

*最大冲压力不得超过10,000 N。

图4显示了其设计规范。

在标准零件设计阶段，确定标准零件，包括内六角螺钉、定位销、剥离器螺栓、导柱和导向套管的类型、数量和尺寸。同时，设计工程师需要将标准件装配到主要部件中。以内六角螺钉的设计为例，其设计指南如图5所示。

图6显示了其设计规范。

3．系统组件

在从用户接收到所有所需的设计信息之后，该系统能够基于设计指南和规范完成级进模具的设计。所提出的系统的设计，如图7所示，包括用户界面、推理引擎、设计知识库、设计数据库和CAD软件。 每个部分在以下小节中描述。

3.1用户界面

用户界面负责设计者和系统之间的通信。所提出的系统的用户界面允许用户输入字母数字和图形信息。 用于输入字母数字信息的接口用于输入存储文件的纸张厚度、渐进间距和路径，而用于输入图形信息的接口用于选择用于条布局、消隐线、模面、打孔线的3D图形文件、穿孔线、弯曲线、侧冲线和切割线。

3.2推理机

推理机是我们系统的核心。它负责基于用户的输入生成连续模具的结构部件的固体设计。 推理机由四个单元组成：部分选择器、形状计算器、模型生成器和推理协调器。在用户使用交互方法输入设计信息之后，由设计系统基于设计过程分别自动选择和计算固体模型的结构部件的类型及其参数。因此，三维CAD系统自动生成实体模型。如果在建模过程中发生任何错误，系统将向用户发送错误消息。

推理协调器的功能是缓和推理机中的其他三个单元。从用户界面的设计信息的输入开始，推理协调器将根据它们的设计过程来设计级进管芯的每个结构部分。对于每个零件，零件的类型、数量、位置、方向和尺寸由零件选择器确定。然后，形状计算器开始计算部件的形状，并触发模型发生器以完成部件的实体模型设计。

部件选择器提供与结构部件相关的类型、数量、位置、方向和尺寸的数据。对于每个零件，零件类型由零件选择器中标准零件的主要零件的设计指南或孔识别规则确定。零件选择器还负责确定零件的数量、位置和尺寸。 因此，当系统正在设计零件时，该选择器将根据从设计信息、设计指南和孔识别规则导出的约束和公式来选择零件的类型、数量、位置、方向和尺寸。

形状计算器可以在确定结构部件的类型和尺寸时提供结构部件的形状参数。该计算器将根据结构部件的设计规格计算每个形状参数的所有设计值。

模型生成器可以对结构部件执行3D实体建模过程。通过在建模过程中根据候选结构部件的类型、数量、位置、方向和形状参数对每个结构部件的所有几何操作进行积分，可以用于构造结构部件的实体模型。由于实体模型由系统自动计算而不是由与用户的交互产生，该实体模型的建模过程由3D CAD系统自动执行。

3.3知识库

知识库包含设计过程和设计指南。设计过程概述了每个结构部件的设计和建模过程。设计指南用于确定每个结构部件的类型、尺寸、数量、方向和位置。

在设计知识库中，模具被系统地分类为主要部分和标准部分，以使用标准化3D方法构造级进模具。掌握各种主要和标准部件之间的连接对于为每个主要和标准部件获得适当的设计过程是必要的。在知识库中可获得每个部分的逐项建模过程，以及在这些过程中使用的几何操作。此外，主要部件的设计指南、标准部件的孔识别规则、具有设计参数的3D图、条款文本和公式被收集在电子书形式中，用于参考、培训和调试任务。

3.4设计数据库

设计数据库提供主要和标准部件的设计规格。设计规格规定了每个主要和标准部件的类别。

每个主要和标准部件的设计规格在2D图中描述。此外，每个图后面是一个表格，其中列出了相关的形状参数和标准尺寸。设计数据库中的所有信息都以电子书形式收集，以便于访问。

3.5 CAD软件

该系统已在CATIA CAD系统的基础上实施，其具有“附加”部件设计，装配设计和知识顾问模块。部件设计模块需要负责命令和执行构建3D模型的过程。因此，推理协调器被内置在这个模块中。零件选择器使用公式编辑器和规则编辑器模块，而形状计算器使用生成形状设计模块。模型生成器使用Visual Basic（VB）来开发用于生成实体模型的程序。组装设计模块用于将标准部件组装成主要部件。VB还用于构造字母数字和图形用户界面。

4 .自动化结构设计系统的施工程序

所提出的系统基于CATIA 3D CAD软件在Windows XP操作系统中构建。该系统设计用于在PC中使用，并使用CATIA软件的内置模块开发，包括零件设计、装配设计和知识顾问。当用户输入设计信息时，我们的系统能够根据设计程序的设计指南和设计规范，自动地生成用于顺序冲模的主要部件和标准部件的设计的实体模型。构建所提出的系统有七个步骤，将在以下部分中描述。

4.1模具结构分析

级进模具包含穿孔、冲切、拉拔、再起弧、弯曲、侧冲和切割工艺，并且具有非常复杂的结构。有必要为级进模具的整体结构规划完整和系统的布局。因此，对于所提出的系统，不仅可以开发模具设计操作的结构逻辑，而且可以防止模具设计中的任何可能的错误。

为了布局管芯结构，我们首先收集各种级进管芯的结构。然后，根据其冲压工艺，将每个连续模具分成冲切、拉伸、穿孔、弯曲和凸轮模具。然后，识别上述模具的主要部分。最后，我们对模具主要部分的设计和功能进行分析。同时，参数化模具设计系统将模具结构的可变尺寸作为参数，然后通过基于从设计信息、指南和规格导出的设计公式、约束和表格向每个参数分配适当的值来改变模具结构尺寸。然而，由于其结构的多样性，不能简单地通过改变设计参数来设计某些功能模量，例如冲压锁、引导机构、引导柱锁定、固定机构、锁定机构、板型和空白固定机构。因此，用于级进模的主要部件的各种结构被划分为功能特征，并且相同的功能被分类为单个相同的功能模块。图8示出了基于其功能的典型级进模具的主要部件的特征的分类。

4.2设计过程标准化

设计过程标准化的目的是提供设计模具的系统过程。 因为CAD系统具有其自己的建模过程，所以在某些功能特征的大小、位置和方向固定之前，不能确定功能特征的大小、位置和方向。 主要部件的标准化设计过程，如图1所示。基于关于主要部分的每个功能特征的设计指南和规范以及这些功能特征之间的因果关系，生成图9所示的功能特征。该标准化过程用于指导级进模具的骨架机构的主要部件的设计，例如它们的结构和初始尺寸以及主要部件上的每个功能特

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