汽車模具的三維CAD技術(shù)研究與應(yīng)用

2013-05-14 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來源:仿真在線

來源:CAD世界網(wǎng)
關(guān)鍵字:CAD 三維模擬干涉檢查
自20世紀(jì)80年代以來,計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)(CAD)已得到了廣泛的應(yīng)用,并且得到了快速的發(fā)展,在模具設(shè)計(jì)、制造中也顯示了巨大的優(yōu)越性。隨著汽車工業(yè)的飛速發(fā)展,對模具生產(chǎn)要求短周期、精度高、成本低。對模具設(shè)計(jì)的周期、質(zhì)量有了越來越苛刻的要求。目前,一些工業(yè)發(fā)達(dá)國家的模具企業(yè)應(yīng)用CAD技術(shù)已經(jīng)從二維設(shè)計(jì)發(fā)展到三維設(shè)計(jì)。我國大部分企業(yè)還停留在二維設(shè)計(jì)的水平。因而,我國模具行業(yè)從二維設(shè)計(jì)平臺向三維設(shè)計(jì)平臺的提升是十分迫切的。

三維實(shí)體設(shè)計(jì)的優(yōu)勢在于:能夠直觀反映設(shè)計(jì)的真實(shí)狀態(tài),通過運(yùn)動模擬、干涉檢查等數(shù)字化分析手段,在設(shè)計(jì)階段就能避免以往在生產(chǎn)制造中才能發(fā)現(xiàn)的問題。標(biāo)準(zhǔn)件庫可為模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供可以直接裝配的參數(shù)化、系列化的零件;沖壓設(shè)備庫、典型結(jié)構(gòu)庫為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了可參考的模型;而基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)庫使模具設(shè)計(jì)更加靈活、智能。資源庫與知識工程的有機(jī)結(jié)合,形成了模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的知識庫,成為三維實(shí)體設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。與3D-DL圖技術(shù)、實(shí)體泡沫加工技術(shù)的結(jié)合,達(dá)到真正意義上的三維實(shí)體設(shè)計(jì)。并以此為契機(jī),帶動整個(gè)模具生命周期的技術(shù)提升。實(shí)現(xiàn)模具制造的CAE/CAD/CAM一體化,使模具生產(chǎn)越來越依賴于高科技手段,最大限度地降低人工勞動的強(qiáng)度,提高模具的制造精度,縮短模具生產(chǎn)周期。

資源庫、知識工程與知識資源庫

資源庫包括:標(biāo)準(zhǔn)件庫、沖壓設(shè)備庫、典型結(jié)構(gòu)庫及基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)庫四部分內(nèi)容。它為實(shí)體設(shè)計(jì)提供了豐富的資源:

◆ 標(biāo)準(zhǔn)件庫

現(xiàn)代模具設(shè)計(jì)的高度集成化,要求零件模型在設(shè)計(jì)制造的各個(gè)環(huán)節(jié)中具有統(tǒng)一性,對于大量具有系列的,由參數(shù)確定的標(biāo)準(zhǔn)件,希望在標(biāo)準(zhǔn)件庫中引用時(shí)只需選擇零件規(guī)格參數(shù),就可以得到正確的標(biāo)準(zhǔn)件。而不需要一一重新建模,也就是實(shí)現(xiàn)參數(shù)化驅(qū)動。

CATIA軟件,在管理標(biāo)準(zhǔn)件方面有著獨(dú)特的優(yōu)勢,Catalog Editor(目錄編輯器)是專門對標(biāo)準(zhǔn)件進(jìn)行分類、管理、使用的工具。

三維參數(shù)化標(biāo)準(zhǔn)件庫的總體建立過程如下:

1) 歸納出共有的形狀模式作為建庫的基本元素,建立參數(shù)化特征。

2) 將規(guī)格數(shù)表聯(lián)結(jié)到參數(shù)特征文件。使特征參數(shù)能夠依照制定的系列變化。

3) 使用Catalog Editor模塊對成系列的特征文件進(jìn)行分類、管理。

根據(jù)模具標(biāo)準(zhǔn)件的類型,可將標(biāo)準(zhǔn)件分為:安裝連接、導(dǎo)向、起重、限位、成翻裝置、定位、壓退料裝置、進(jìn)出料裝置、側(cè)沖裝置、沖切、彈性元件、氣動元件12類標(biāo)準(zhǔn)件。

結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)件功能及使用特點(diǎn),可以分為以下三類:

1. 普通標(biāo)準(zhǔn)件

多標(biāo)準(zhǔn),成系列是它的主要特點(diǎn)。應(yīng)用Catalog進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)件的管理,使查找和應(yīng)用更加方便、快捷。Catalog將大量成系列的標(biāo)準(zhǔn)件,按類型,分成了多個(gè)組,每個(gè)組下面又逐步細(xì)化。使龐大的標(biāo)準(zhǔn)件庫變得清晰且有條理。使用Catalog Browser(目錄瀏覽器)選擇規(guī)格,插入到模具裝配中后,可用快速移動一次定位,非常方便。

2. User Component(帶布爾運(yùn)算的標(biāo)準(zhǔn)件)

User Component(用戶組合)是區(qū)別于Catalog Browser(目錄瀏覽器)的另一種標(biāo)準(zhǔn)件插入方式。它能將用戶事先定義好的特征,在插入標(biāo)準(zhǔn)件的同時(shí)自動與指定特征做布爾運(yùn)算。

很多標(biāo)準(zhǔn)件的安裝臺,是隨其規(guī)格的變化而變化的。把標(biāo)準(zhǔn)件做成帶有自動進(jìn)行布爾運(yùn)算功能,使其能在用User Component命令插入裝配的同時(shí),與其相對應(yīng)的鑄件部分也一并生成。如圖1所示。

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圖1 User Component的插入界面

3. Power Copy及UDF(局部標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu))

Power Copy和User Defined Features(UDF) 是CATIA V5的一種特征定義工具。通過它,設(shè)計(jì)者可以把一些在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中經(jīng)常使用的特征用戶化。通過調(diào)用對應(yīng)的特征文件,并設(shè)置相應(yīng)的條件和調(diào)節(jié)參數(shù)就可以生成三維實(shí)體模型。

利用Powercopy制作的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)主要應(yīng)用于鑄件部分,如起重臂、壓板臺等。同普通標(biāo)準(zhǔn)件一樣,他們也是成系列變化的。不同的是它們是“長”在模具主體結(jié)構(gòu)上的。插入時(shí)需要指定一些定位元素及參數(shù),并以布爾運(yùn)算的形式直接加入到實(shí)體中。這樣特征的修改和刪除都是十分方便的。

用UDF定義的用戶特征,是被封裝成一個(gè)特征顯示在結(jié)構(gòu)樹中的,減小了特征占用空間。而且UFD特征,可以被作為加工特征識別,這一特點(diǎn),為之后的數(shù)控編程過程,提供了很大的方便。

Power Copy和User Defined Features(UDF)可以使結(jié)構(gòu)建模簡單化、標(biāo)準(zhǔn)化。提高了建模效率及準(zhǔn)確程度,減少重復(fù)勞動。

◆ 沖壓設(shè)備庫

沖壓設(shè)備庫的建立改變了模具設(shè)計(jì)中反復(fù)核對沖壓設(shè)備的狀況。設(shè)計(jì)者直接在沖壓設(shè)備的模型上進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),對模具的大小、平衡性等都有了直觀的反映。在設(shè)計(jì)壓板槽、托桿時(shí),可直接利用壓床模型進(jìn)行空間布置。另外,這些沖壓設(shè)備還可以加入到模具的運(yùn)動模擬分析中,使運(yùn)動分析更加真實(shí)。

◆ 基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)庫

基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)庫是在CATIAV5環(huán)境下基于知識的智能化設(shè)計(jì)資源庫,是知識工程與模具通用結(jié)構(gòu)的有機(jī)結(jié)合。首先要依據(jù)原始信息建立模具的實(shí)體模型;然后結(jié)合設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和規(guī)則建立模具結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)知識集;最后,通過各種知識推理方法實(shí)現(xiàn)模具結(jié)構(gòu)自動化設(shè)計(jì)。以單動拉延?；A(chǔ)結(jié)構(gòu)的建立為例,首先可根據(jù)模具結(jié)構(gòu)特點(diǎn)建立拉延?；A(chǔ)構(gòu)架模型、定義驅(qū)動參數(shù)。這個(gè)模型越具有通用性、代表性越好。在建立的時(shí)候也要充分考慮與知識規(guī)則的關(guān)聯(lián)。然后將拉延模結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范在CATIA中形成規(guī)則,并建立驅(qū)動參數(shù)與規(guī)則的連接關(guān)系。最后再加入IF-THEN形式的推理結(jié)構(gòu)就可以了。在拉延模的設(shè)計(jì)過程中,設(shè)計(jì)者只需要控制幾個(gè)基本的特征參數(shù),系統(tǒng)將會根據(jù)事先輸入到計(jì)算機(jī)中的結(jié)構(gòu)規(guī)則,自動提供出合理的結(jié)構(gòu)方案;基于知識的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)庫的建立,形成了模具結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)模板。確保了知識的積累和重用。

◆ 知識資源庫小結(jié)

標(biāo)準(zhǔn)件庫為設(shè)計(jì)提供了大量可以直接裝配的參數(shù)化,系列化的零件;沖壓設(shè)備庫、典型結(jié)構(gòu)庫為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了切實(shí)的可參考的模型;而基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)庫使模具設(shè)計(jì)更加智能。資源庫與知識工程的有機(jī)結(jié)合,形成了模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的知識資源庫,成為三維實(shí)體設(shè)計(jì)的堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

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圖2 知識資源庫結(jié)構(gòu)圖

基于設(shè)計(jì)思路的三維實(shí)體設(shè)計(jì)

模具的實(shí)體設(shè)計(jì)過程是設(shè)計(jì)思維的過程。與普通的實(shí)體造型在思維方式上是截然不同的。單純的實(shí)體造型,往往是在有參考實(shí)物或參考圖紙的情況下進(jìn)行的。制圖員可以根據(jù)實(shí)物或圖紙直接量取特征尺寸,一次將特征畫對。而不存在設(shè)計(jì)中更改的問題,也談不上構(gòu)建流程。而真正的模具結(jié)構(gòu)實(shí)體設(shè)計(jì),重點(diǎn)在設(shè)計(jì)而非實(shí)體造型。設(shè)計(jì)是一個(gè)創(chuàng)造的過程,模具的每一個(gè)尺寸、每一個(gè)結(jié)構(gòu)都需要設(shè)計(jì)員自己確定,而且設(shè)計(jì)是一個(gè)反復(fù)的過程,每一個(gè)設(shè)計(jì)都需要反復(fù)論證、反復(fù)更改,才能取得較合理的結(jié)果。

模具的設(shè)計(jì)過程包括模具設(shè)計(jì)構(gòu)想、模具設(shè)計(jì)、模具結(jié)構(gòu)評審、校對及出圖四個(gè)過程。在整個(gè)實(shí)體設(shè)計(jì)過程中,始終圍繞著兩個(gè)問題:

1) 如何將現(xiàn)有的知識資源在設(shè)計(jì)中有效利用,與設(shè)計(jì)員的設(shè)計(jì)思維相統(tǒng)一。

2) 產(chǎn)品數(shù)模的修改信息是否能及時(shí)傳遞,模具結(jié)構(gòu)修改是否方便。

以上兩點(diǎn),將直接影響到模具設(shè)計(jì)的質(zhì)量和效率。為此,我們提出:基于設(shè)計(jì)思路的關(guān)聯(lián)建模理念,以下面四部分內(nèi)容為基礎(chǔ)。

◆ 結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)化

模具結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化思想是貫穿整個(gè)建模理念的基礎(chǔ)。盡量采用標(biāo)準(zhǔn)化的結(jié)構(gòu),使模具設(shè)計(jì)過程變成標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)的壘積過程。將各個(gè)組成部分參數(shù)化、標(biāo)準(zhǔn)化、系列化。然后通過布爾運(yùn)算相加到一起。最后形成一個(gè)完整的設(shè)計(jì)。但是由于模具產(chǎn)品本身的單件小批量的特點(diǎn),在設(shè)計(jì)中只能盡量考慮應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu),完全實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)的壘積組合的可能性是很小的。

在模具設(shè)計(jì)構(gòu)想階段,典型結(jié)構(gòu)庫為設(shè)計(jì)者提供了大量可參考的典型結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)有賴于以往設(shè)計(jì)資源的積累,雖然它們是為了特定的模具設(shè)計(jì)的,但是為以后的設(shè)計(jì)提供了思路和參考。

◆ 基于知識資源庫的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)

在模具設(shè)計(jì)的開始階段,設(shè)計(jì)員開始勾畫模具的整體結(jié)構(gòu)。這時(shí),各種模具構(gòu)架在設(shè)計(jì)員的腦中變化,這些思維往往是一閃而過,不能直觀的反映出來?；谥R的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)庫,可以靈活的根據(jù)設(shè)計(jì)員的思路,按照事先輸入好的結(jié)構(gòu)規(guī)范變化。設(shè)計(jì)員可直觀地看到這些參數(shù)調(diào)整過程中模具結(jié)構(gòu)發(fā)生的變化。這些功能對于模具初期的設(shè)計(jì)是非常有效的。首先可根據(jù)模具結(jié)構(gòu)特點(diǎn),選擇適當(dāng)?shù)幕A(chǔ)構(gòu)架模板,設(shè)計(jì)者只需要控制幾個(gè)基本的特征參數(shù),系統(tǒng)將會根據(jù)事先輸入到計(jì)算機(jī)中的結(jié)構(gòu)規(guī)則、校核規(guī)則,自動提供出合理的結(jié)構(gòu)方案。另外,模具設(shè)計(jì)雖然具有單件小批量生產(chǎn)特點(diǎn),每一套模具都不相同。但是,在同一個(gè)項(xiàng)目中客戶往往對同一類模具有統(tǒng)一的技術(shù)要求,很多模具有著相似的結(jié)構(gòu)。我們把這些相似的結(jié)構(gòu)根據(jù)客戶的技術(shù)要求參數(shù)化、規(guī)則化,形成針對項(xiàng)目的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)庫。既滿足了客戶的技術(shù)要求,又提高了設(shè)計(jì)效率。

◆ 基于關(guān)聯(lián)的設(shè)計(jì)

CATIA的關(guān)聯(lián)功能,能夠使零件之間的相互引用變得更加可靠。當(dāng)零件乙引用了另外一個(gè)零件甲上的某些特征元素(例如,一個(gè)面或一條線),若開啟關(guān)聯(lián)功能,零件甲發(fā)生改變時(shí),則零件乙中引用的那個(gè)元素也會同時(shí)更新。這種關(guān)聯(lián)功能保證了引用元素的同步性。使引用變得更為可靠。另外還有一種高級的關(guān)聯(lián)功能——Publication。使用Publication建立的關(guān)聯(lián),僅識別Publication元素,而不強(qiáng)調(diào)是哪一個(gè)零件對象,這種Publication更為靈活,應(yīng)用也更為廣泛。

傳統(tǒng)的模具設(shè)計(jì)流程為直線式流程,即DL圖設(shè)計(jì)完畢后進(jìn)行模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。而采用Publication的關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì),就可以在DL圖草稿設(shè)計(jì)階段,用臨時(shí)的DL草稿進(jìn)行模具結(jié)構(gòu)的初步設(shè)計(jì)。待DL圖正式圖完成后,將臨時(shí)的曲面更新成正式的DL圖曲面,繼續(xù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)的完善工作。采用這種設(shè)計(jì)流程,實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)設(shè)計(jì)階段的并行,不必壓縮DL圖和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)間,卻能有效的縮短整個(gè)模具設(shè)計(jì)周期。

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圖3 基于關(guān)聯(lián)的設(shè)計(jì)流程圖

在模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,我們把影響模具結(jié)構(gòu)的最重要的基本元素(如草圖、軸線、參數(shù)等)發(fā)布(Publication)出來。整個(gè)模具結(jié)構(gòu)以此為引用主干,依次延伸設(shè)計(jì)。若模具結(jié)構(gòu)需要調(diào)整,只需要修改這些基本元素,就可以達(dá)到牽一點(diǎn)而動全身的目的。采用這種關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)方式,即明確了設(shè)計(jì)思路,又為實(shí)現(xiàn)模具的快速修改,提供了很好的解決方式。

另外在模具設(shè)計(jì)過程中,產(chǎn)品數(shù)模的反復(fù)修改經(jīng)常導(dǎo)致設(shè)計(jì)工作反復(fù)。采用關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)后,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)員根本不用理會產(chǎn)品數(shù)模小范圍的更改,CATIA的關(guān)聯(lián)更新會自動進(jìn)行。只有在產(chǎn)品數(shù)模變化較大的情況下,才需要設(shè)計(jì)員干預(yù)。

◆ 各類標(biāo)準(zhǔn)件的靈活使用

在結(jié)構(gòu)細(xì)化的過程中, POWER COPY類型標(biāo)準(zhǔn)件提供了鑄件本體的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)。能夠自動布爾運(yùn)算的User Component標(biāo)準(zhǔn)件,由于安裝臺和標(biāo)準(zhǔn)件是在一個(gè)PART零件中,安裝臺會隨零件的移動而移動,更改十分方便。普通標(biāo)準(zhǔn)件操作簡單,使用方便。

上述的內(nèi)容覆蓋了模具設(shè)計(jì)從構(gòu)想到細(xì)化的整個(gè)過程,在每一個(gè)設(shè)計(jì)階段,都有相應(yīng)的資源、知識作為支持。以結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化為主導(dǎo)思想,運(yùn)用參數(shù)化、智能化知識庫,及和合理的布爾運(yùn)算手段, 實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)思維與知識資源的有機(jī)結(jié)合,快速的將設(shè)計(jì)思維具體化。這些資源的靈活運(yùn)用,無論是設(shè)計(jì)前期的構(gòu)想,還是后期的結(jié)構(gòu)修改都提供了良好的操作環(huán)境,真正意義上提高了模具設(shè)計(jì)的質(zhì)量和效率。

數(shù)字化分析手段

采用截面檢查、干涉檢查、相對運(yùn)動干涉檢查、運(yùn)動模擬等分析手段,真實(shí)的反映模具的實(shí)際工作狀態(tài),保證了設(shè)計(jì)的可靠性。

◆ 截面檢查

CATIA空間分析模塊,提供了多種截面檢查模式?？捎糜跈z查模具結(jié)構(gòu),審核模具設(shè)計(jì)是否合理等。另外,對設(shè)計(jì)員了解模具的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、檢查模具結(jié)構(gòu)強(qiáng)度也有很大幫助。

◆ 干涉檢查

CATIA空間分析模塊提供了干涉檢查、接觸檢查、最小距離檢查等多種分析模式。能夠有效的分析裝配體中兩個(gè)或多個(gè)零件的空間相對關(guān)系,并且計(jì)算出具體數(shù)值,生成空間分析結(jié)果報(bào)表。

◆ 運(yùn)動模擬

CATIA-DMU電子樣機(jī)運(yùn)動仿真模塊,可使設(shè)計(jì)者通過仿真模擬,驗(yàn)證機(jī)構(gòu)的運(yùn)動狀況?；诹慵g的約束關(guān)系,建立2D和3D運(yùn)動副,組建運(yùn)動機(jī)構(gòu)進(jìn)行仿真。此外還可對速度、加速度、干涉、間隙等進(jìn)行分析。

上述是在長期的汽車模具實(shí)體設(shè)計(jì)中總結(jié)出來的寶貴經(jīng)驗(yàn)。其根本目的,就是將各種資源、知識整合,服務(wù)于設(shè)計(jì)。以各種理念和流程來規(guī)范、提高設(shè)計(jì)效率,將各種檢測、管理工具綜合運(yùn)用,提高設(shè)計(jì)質(zhì)量。建立高效率、高質(zhì)量的實(shí)體設(shè)計(jì)平臺。目前,此技術(shù)已被一汽模具廣泛應(yīng)用,完成了多個(gè)國內(nèi)外項(xiàng)目。汽車模具三維實(shí)體設(shè)計(jì)技術(shù)的開發(fā)成功,優(yōu)化了模具結(jié)構(gòu),提高了知識利用率,縮短了模具產(chǎn)出周期,從而提高了產(chǎn)品的質(zhì)量和性能/價(jià)格比。

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