張智霞,章志兵,柳玉起,武朋飛
(1.華中科技大學(xué)材料成形與模具技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,武漢430074;2.上海大眾規(guī)劃部模具中心,上海 201805)
隨著汽車產(chǎn)品生產(chǎn)周期的不斷縮短和用戶需求個(gè)性化的增強(qiáng),汽車企業(yè)面臨更加快速開發(fā)新產(chǎn)品的挑戰(zhàn),汽車覆蓋件模具的設(shè)計(jì)與制造是制約整車更新?lián)Q代的主要因素[1]。在汽車覆蓋件產(chǎn)品設(shè)計(jì)中,存在大量具有相似結(jié)構(gòu)特征的零部件[2],這決定了汽車覆蓋件模具雖種類繁多,但每一類都有很大的相似性和繼承性,使得在通用CAD軟件支持下,建立汽車覆蓋件模具模板庫(kù)具有實(shí)際的工程意義。
目前美國(guó)通用公司的模板庫(kù)已包含3000多個(gè)模板,日本豐田公司選擇模板化設(shè)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)了模具設(shè)計(jì)自動(dòng)化的重大突破[3]。參數(shù)化模板庫(kù)使設(shè)計(jì)人員可以利用以前的模型方便地進(jìn)行模型重建,并在遵循原設(shè)計(jì)意圖的情況下,生成系列化產(chǎn)品。
國(guó)內(nèi)對(duì)創(chuàng)建參數(shù)化模板庫(kù)的方法已有很多探索,如王志峰等人應(yīng)用零件家族表和自定義特征創(chuàng)建了標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)和標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)庫(kù)[3],孟冠軍等人研究了模具結(jié)構(gòu)中各零件的幾何造型和尺寸規(guī)格庫(kù)的創(chuàng)建[4]。這類研究重點(diǎn)集中在如何建立參數(shù)化模板庫(kù),對(duì)模板庫(kù)的使用多是進(jìn)行匹配調(diào)用后,手工更改參數(shù)進(jìn)行模型重建。一套完整的模具,其組成零件數(shù)量龐大,手動(dòng)修改不僅耗費(fèi)大量的時(shí)間,造成繁雜的重復(fù)工作,而且易出現(xiàn)操作失誤,導(dǎo)致模型更新失效。
文中利用CATIA平臺(tái)強(qiáng)大的參數(shù)化建模功能,采用CAA技術(shù)開發(fā)了基于模板的汽車覆蓋件交互式模具設(shè)計(jì)系統(tǒng),將模板化與參數(shù)化的思想相結(jié)合,著重研究在已有模板上,利用與模板參數(shù)匹配的參數(shù)文件,通過(guò)適當(dāng)?shù)娜藱C(jī)交互快速進(jìn)行模具參數(shù)更新,同時(shí)提供了新產(chǎn)品型面導(dǎo)入、標(biāo)準(zhǔn)件定位和模具結(jié)構(gòu)檢查的功能,實(shí)現(xiàn)在已有模板基礎(chǔ)上全流程完整的模具“再設(shè)計(jì)”方案,有效地減少設(shè)計(jì)人員的重復(fù)性工作,提高模具的設(shè)計(jì)速度和質(zhì)量。
實(shí)現(xiàn)模具結(jié)構(gòu)參數(shù)化,在設(shè)計(jì)一套新的模具時(shí)就不需每一次都重新開始,只需利用已有的模板經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的型面替換和參數(shù)修改,即可得到一套新的模具,極大縮短設(shè)計(jì)周期。如圖1是在已有模板上進(jìn)行模具設(shè)計(jì)的一般步驟。
圖1 基于模板的模具設(shè)計(jì)一般步驟Fig.1 The general mold design steps based on template
其中關(guān)鍵步驟是模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),根據(jù)新產(chǎn)品型面特點(diǎn)對(duì)模板的各類參數(shù)進(jìn)行合理調(diào)整。實(shí)際工程中,一套完整的模具包含幾百個(gè)零部件,如果僅靠設(shè)計(jì)人員手動(dòng)在模型上更改各零件的參數(shù)值,不僅花費(fèi)大量時(shí)間進(jìn)行重復(fù)性的查找修改工作,而且龐大復(fù)雜的特征樹會(huì)使手動(dòng)更改出現(xiàn)誤操作、漏操作的可能。如果用戶將模具參數(shù)進(jìn)行分類,寫成與模板匹配的參數(shù)文件,不僅可以對(duì)需要修改的參數(shù)一目了然,而且能夠批量快速地更改目標(biāo)節(jié)點(diǎn)下的參數(shù)值,實(shí)現(xiàn)特征更新。
另一個(gè)主要步驟是標(biāo)準(zhǔn)件定位。由于主體結(jié)構(gòu)的一些改變,某些標(biāo)準(zhǔn)件的位置需進(jìn)行微小的調(diào)整。在定位過(guò)程中,設(shè)計(jì)人員最關(guān)心的是其與一些相鄰面之間的距離,既能避免與其他零件之間的干涉,又能滿足其支撐面的制造要求。因此在標(biāo)準(zhǔn)件移動(dòng)過(guò)程中,能夠時(shí)時(shí)自動(dòng)測(cè)量并顯示其與相鄰面之間的距離十分必要。
基于以上分析,本系統(tǒng)需解決三項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。
1)新產(chǎn)品數(shù)模自動(dòng)替換。將用戶提供的三維工藝數(shù)模中的模具設(shè)計(jì)必需元素,包括工藝曲線(如分模線)、曲面等,按照已導(dǎo)入模板的要求,自動(dòng)更新各個(gè)外部引用節(jié)點(diǎn)下的信息,實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品型面的自動(dòng)替換,為模具設(shè)計(jì)做好準(zhǔn)備。
2)參數(shù)快速批量更新。根據(jù)用戶提供的參數(shù)文件及文件中各參數(shù)在模板中相應(yīng)的數(shù)值,構(gòu)建模具參數(shù)設(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)交互界面。用戶在交互界面中一次性對(duì)多個(gè)參數(shù)值進(jìn)行更改,程序自動(dòng)反饋到相應(yīng)參數(shù)節(jié)點(diǎn),實(shí)現(xiàn)參數(shù)的快速批量更新。
3)動(dòng)態(tài)測(cè)量。根據(jù)用戶設(shè)定的與標(biāo)準(zhǔn)件相鄰的面,在標(biāo)準(zhǔn)件移動(dòng)過(guò)程中,程序自動(dòng)時(shí)時(shí)測(cè)量并動(dòng)態(tài)顯示幾組面之間的距離,方便用戶快速判斷其位置的合理性,實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)件的準(zhǔn)確定位。
采用CATIA平臺(tái)的CAA技術(shù)開發(fā)的系統(tǒng),包括4個(gè)功能模塊,為了保證系統(tǒng)的功能明確、可擴(kuò)展性強(qiáng),采用3層系統(tǒng)結(jié)構(gòu),如圖2所示,依次為物理層、數(shù)據(jù)層和技術(shù)層。
圖2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案Fig.2 The overall design method of the system
物理層:應(yīng)用CAA提供的各種API接口程序,實(shí)現(xiàn)在CAITA平臺(tái)上系統(tǒng)的開發(fā)。
數(shù)據(jù)層:用戶提供包括新產(chǎn)品工藝數(shù)模、模具模板,模板匹配參數(shù)文件以及模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)檢查表在內(nèi)的必需數(shù)據(jù),為新產(chǎn)品模具的快速設(shè)計(jì)做好數(shù)據(jù)準(zhǔn)備。
技術(shù)層:系統(tǒng)以參數(shù)化模板為核心,采用向?qū)侥>咦詣?dòng)化設(shè)計(jì)工具,提供了以模具參數(shù)自動(dòng)更新為核心的包括新產(chǎn)品數(shù)模導(dǎo)入、模具參數(shù)化設(shè)計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)件定位和模具檢查在內(nèi)的4個(gè)功能模塊,完整地實(shí)現(xiàn)了在已有模板基礎(chǔ)上快速進(jìn)行模具“再設(shè)計(jì)”的流程。
其中,在新產(chǎn)品數(shù)模導(dǎo)入模塊,應(yīng)用數(shù)模自動(dòng)替換技術(shù)完成工藝數(shù)模的替換更新工作,為后續(xù)的參數(shù)化設(shè)計(jì)打好基礎(chǔ);參數(shù)化設(shè)計(jì)模塊通過(guò)參數(shù)自動(dòng)更新技術(shù),利用用戶提供的參數(shù)文件和交互界面,對(duì)各類參數(shù)進(jìn)行快速批量更新;在標(biāo)準(zhǔn)件定位模塊,應(yīng)用動(dòng)態(tài)測(cè)量技術(shù),實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)件的快速定位;在模具檢查模塊,根據(jù)用戶提供的模具檢查表,在CATIA環(huán)境中對(duì)模具逐項(xiàng)進(jìn)行檢查,并自動(dòng)輸出審核結(jié)果。
數(shù)模自動(dòng)替換功能基于CATIA的“發(fā)布”(Publication)命令,此命令主要用于參數(shù)化裝配建模(Parametric Assembly Modeling)[5],使用發(fā)布命令可以智能地實(shí)現(xiàn)組件之間的替換。
發(fā)布元素的幾何特征可以根據(jù)用戶需求進(jìn)行修改變化,但只要發(fā)布名稱不改變,其外部引用就會(huì)根據(jù)發(fā)布元素的變化而重新構(gòu)建“發(fā)布”與“外部參考”之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。發(fā)布命令實(shí)現(xiàn)幾何元素之間的關(guān)聯(lián),由發(fā)布的名稱和原幾何元素所在零件在裝配環(huán)境下的實(shí)例名稱共同決定。因此即使將整個(gè)Part文檔替換,只要保持新Part在裝配環(huán)境下的實(shí)例名稱和發(fā)布元素的名稱均與原Part一致,那么幾何元素之間依然有效關(guān)聯(lián),并會(huì)根據(jù)當(dāng)前發(fā)布幾何特征的變化智能地構(gòu)建出全新的幾何特征。
基于發(fā)布命令的關(guān)聯(lián)原理,程序?qū)崿F(xiàn)數(shù)模自動(dòng)替換的過(guò)程如圖3所示。用戶將提供的新產(chǎn)品數(shù)模的模具設(shè)計(jì)必需元素(如板料輪廓線、分模線、曲面等),按照已導(dǎo)入模板的要求進(jìn)行發(fā)布,保證發(fā)布元素名稱的一致。程序自動(dòng)獲取數(shù)模在裝配體中的實(shí)例名稱,賦給替換后的新產(chǎn)品零件。各個(gè)外部參考節(jié)點(diǎn)根據(jù)新的發(fā)布元素幾何特征進(jìn)行相關(guān)特征的關(guān)聯(lián)重構(gòu),完成模具產(chǎn)品型面的自動(dòng)替換。對(duì)于已更新的型面模型,可以實(shí)現(xiàn)各個(gè)子節(jié)點(diǎn)的重復(fù)替換。
圖3 發(fā)布命令的關(guān)聯(lián)過(guò)程示意圖Fig.3 Correlation process of publication action
2.2.1 構(gòu)建動(dòng)態(tài)交互界面
交互界面的動(dòng)態(tài)構(gòu)建基于用戶提供的與模板相匹配的參數(shù)文件。參數(shù)文件的格式如表1所示,依次為參數(shù)所屬類別、參數(shù)類別表示圖片、參數(shù)名稱及參數(shù)所在部件。參數(shù)類型和每一類型包含參數(shù)的個(gè)數(shù)由用戶自己確定,這種方法不受模具類型的限制,也為初級(jí)設(shè)計(jì)人員提供良好的引導(dǎo)。
表1 模板參數(shù)文件格式Table 1 Format of parameter file
一套完整的參數(shù)化模板擁有龐大的參數(shù)信息,用戶將模板中的參數(shù)進(jìn)行分類整理,寫成與模板匹配的參數(shù)文件,程序根據(jù)文件驅(qū)動(dòng)生成動(dòng)態(tài)交互界面。即當(dāng)用戶選擇不同特征類別時(shí),程序自動(dòng)在交互界面中顯示表示該類別的圖片和所包含的所有參數(shù),并根據(jù)參數(shù)所在部件獲取其在特征樹上的數(shù)值,達(dá)到根據(jù)類別的不同,智能地動(dòng)態(tài)構(gòu)造交互界面的目的,方便用戶一次性修改某類別的所有參數(shù)。
例如,用戶提供如表1的參數(shù)文件,在構(gòu)建的交互界面中分別選擇“特征類別一”和“特征類別二”時(shí),動(dòng)態(tài)參數(shù)區(qū)分別如圖4a和4b。
圖4 參數(shù)化設(shè)計(jì)模塊的動(dòng)態(tài)界面Fig.4 Dynamic dialog of parametric design module
以拉延模為例,可以模具主控參數(shù)作為特征類別一,所屬2個(gè)參數(shù)為模具總體高度、總體長(zhǎng)度;以導(dǎo)板參數(shù)作為特征類別二,所屬3個(gè)參數(shù)為導(dǎo)板長(zhǎng)度、寬度、厚度。修改時(shí)以類為單位,每次批量修改此幾何特征類所屬參數(shù)的數(shù)值,方便快速有效更新。
2.2.2 參數(shù)批量修改
CATIA中參數(shù)化過(guò)程的實(shí)現(xiàn)基于知識(shí)工程顧問(wèn)模塊提供的公式(Formulas)、規(guī)則(Rules)等方法,即用一組參數(shù)約束該幾何圖形的結(jié)構(gòu)尺寸和零部件的特征。參數(shù)與設(shè)計(jì)對(duì)象的尺寸和特征有顯式對(duì)應(yīng)關(guān)系,當(dāng)賦予不同的參數(shù)值時(shí),可通過(guò)函數(shù)關(guān)系公式和尺寸驅(qū)動(dòng)達(dá)到新的目標(biāo)幾何形狀和特征[6]。
具體設(shè)計(jì)時(shí),用戶根據(jù)新產(chǎn)品的數(shù)模型面特點(diǎn),通過(guò)交互界面,對(duì)參數(shù)值按類別進(jìn)行一次性批量修改,利用參數(shù)驅(qū)動(dòng)重構(gòu)原理實(shí)現(xiàn)模板相關(guān)幾何特征的更新。借助 CAA中 CATIProduct,CATIParmPublisher,CATICkeParm等幾個(gè)主要接口提供的函數(shù),程序?qū)⒂脩粼趯?duì)話框中輸入的目標(biāo)參數(shù)值自動(dòng)更新到模板特征樹上相應(yīng)的參數(shù)節(jié)點(diǎn)下,參數(shù)值及引用到該參數(shù)值的外部參數(shù)值同步更新,通過(guò)相應(yīng)的函數(shù)關(guān)系公式完成幾何特征重構(gòu)(見(jiàn)圖5)。用戶根據(jù)需要,完成參數(shù)文件中所列出參數(shù)的更新,最終完成新產(chǎn)品模具的設(shè)計(jì)。
圖5 幾何特征更新過(guò)程示意圖Fig.5 The update process of geometric features
測(cè)量距離時(shí),用戶通過(guò)交互界面選擇幾組目標(biāo)測(cè)量面,程序自動(dòng)獲取這幾組面所在零件的位置矩陣。一般平面上的標(biāo)準(zhǔn)件,其局部坐標(biāo)系與全局坐標(biāo)系一致。對(duì)于斜面上的標(biāo)準(zhǔn)件,為了使移動(dòng)功能更符合實(shí)際需要,使其可以沿斜面方向移動(dòng),程序?qū)⑵渚植孔鴺?biāo)系從位置矩陣給出的坐標(biāo)系原點(diǎn)O1,平移至標(biāo)準(zhǔn)件表面點(diǎn)W處(用戶選擇W),移動(dòng)時(shí)的方向以該局部坐標(biāo)系為準(zhǔn)(圖6)。
移動(dòng)時(shí),程序根據(jù)用戶選擇的移動(dòng)方向和設(shè)定的移動(dòng)距離構(gòu)造移動(dòng)矩陣,與標(biāo)準(zhǔn)件當(dāng)前的位置矩陣作CATMathTransformation函數(shù)的乘積運(yùn)算,并以運(yùn)算結(jié)果定位標(biāo)準(zhǔn)件的新位置。例如,將某標(biāo)準(zhǔn)件從其當(dāng)前位置沿向量(a,b,c)移動(dòng)iDis個(gè)單位,則:移動(dòng)后位置矩陣=當(dāng)前位置矩陣×移動(dòng)矩陣,如式(1):
圖6 斜面上零件局部坐標(biāo)系的創(chuàng)建Fig.6 Local axis system creation of part on the inclined plane
移動(dòng)過(guò)程中,程序時(shí)時(shí)獲取標(biāo)準(zhǔn)件當(dāng)前位置矩陣,并分別測(cè)量幾組面當(dāng)前最小距離顯示在屏幕上,以便用戶參考。在用戶選擇測(cè)量面之前,可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)在交互界面設(shè)定每組面之間的最小距離值。移動(dòng)過(guò)程中,程序動(dòng)態(tài)測(cè)量幾組面的最小距離,如果測(cè)量的最小距離小于用戶設(shè)定的最小距離,則程序自動(dòng)判斷后,以紅色顯示該距離以示提醒,方便用戶對(duì)標(biāo)準(zhǔn)件的位置及時(shí)做出調(diào)整。圖7為某型號(hào)平衡墊塊在移動(dòng)時(shí)的距離顯示和相應(yīng)的部分對(duì)話框界面。
圖7 標(biāo)準(zhǔn)件移動(dòng)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量數(shù)值的顯示Fig.7 Dynamic measuring numerical displayed of standard part
利用本系統(tǒng)對(duì)某汽車的某覆蓋件零件數(shù)模(圖8a)進(jìn)行模具設(shè)計(jì)。首先在新產(chǎn)品數(shù)模導(dǎo)入模塊,選擇合適的模具模板(圖8b),保證該產(chǎn)品與模板中型面零件的發(fā)布元素名稱保持一致的前提下,導(dǎo)入該產(chǎn)品數(shù)模零件,完成新產(chǎn)品型面替換工作。
在參數(shù)化設(shè)計(jì)模塊,導(dǎo)入用戶提供的與模板參數(shù)相匹配的參數(shù)文件(如圖9a),用戶根據(jù)新產(chǎn)品型面的特點(diǎn),在交互界面中選擇類別列表中不同的類別,按類別合理修改界面下方參數(shù)區(qū)動(dòng)態(tài)顯示出的參數(shù)值,完成模具參數(shù)化設(shè)計(jì)工作。如圖9b和9c分別是修改模耳吊座和導(dǎo)板參數(shù)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示的交互界面。
圖8 模具設(shè)計(jì)模板和數(shù)模Fig.8 Die template and the new structure part
圖9 參數(shù)文件和參數(shù)化設(shè)計(jì)模塊的動(dòng)態(tài)界面Fig.9 Parameter files and dynamic dialog
在調(diào)整好的模具主體上對(duì)標(biāo)準(zhǔn)件進(jìn)行重新定位,注意屏幕上紅色顯示的距離數(shù)值(如圖7),移動(dòng)過(guò)程中避免與其他零件的干涉。最后在模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)檢查模塊,導(dǎo)入用戶提供的模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)檢查表,在CATIA環(huán)境中對(duì)模具進(jìn)行逐項(xiàng)審查,并保存審查記錄,程序自動(dòng)輸出審核結(jié)果。
經(jīng)過(guò)以上4個(gè)模塊流程,在模具模板上快速完成相似結(jié)構(gòu)數(shù)模的模具設(shè)計(jì),有效減少設(shè)計(jì)人員的工作量和設(shè)計(jì)時(shí)間。
重點(diǎn)研究了使用參數(shù)化模板快速進(jìn)行模具“再設(shè)計(jì)”的方法。采用CATIA提供的參數(shù)化建模功能和CAA技術(shù),開發(fā)了完整的全流程模具設(shè)計(jì)工具,集成了新產(chǎn)品數(shù)模導(dǎo)入、參數(shù)化設(shè)計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)件定位、模具檢查4個(gè)功能模塊,可以有效地解決實(shí)際工程中大規(guī)模參數(shù)數(shù)據(jù)的讀取和更新問(wèn)題,避免設(shè)計(jì)人員手工操作過(guò)程中可能存在的誤操作、漏操作現(xiàn)象,減少重復(fù)性工作。同時(shí)在標(biāo)準(zhǔn)件定位方面,提出了在移動(dòng)過(guò)程中動(dòng)態(tài)顯示測(cè)量距離的方法,可以有效地避免標(biāo)準(zhǔn)件與其他零件之間的干涉問(wèn)題,為標(biāo)準(zhǔn)件的快速準(zhǔn)確定位提出了一種新的方法。本系統(tǒng)的使用不受模具類型的限制,在實(shí)際工程中更具靈活性和實(shí)用性。
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