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高級制造技術(shù)（2006）28：279–285DOI 10.1007/s00170-004-2370-6原創(chuàng)文章R.D. Jiang · B.T. Lauw · A.Y.C. Nee級進(jìn)模中嵌件的自動化設(shè)計收到：2004 年 6月 19日/接受：2004 年 8月 11日/網(wǎng)上公布：2005 年 4月 13日?施普林格出版社倫敦有限公司 2005年摘要 當(dāng)沖床上下移動時，嵌件是生產(chǎn)鈑金零部件的真正工作部件。級進(jìn)模的復(fù)雜程度、制造費用以及耐用性很大程度上決定于嵌件的數(shù)量及分布排列方式。此外，還極大地依賴于嵌件的結(jié)構(gòu)及其裝配方式。因此，對一個設(shè)計師來說，在設(shè)計嵌件過程中的一個關(guān)鍵問題是對模具質(zhì)量及其生產(chǎn)能力的設(shè)計。在這篇文章中，靈活完整的表達(dá)了一個嵌件設(shè)計方案。并對嵌件和其他部件之間復(fù)雜的裝配約束關(guān)系進(jìn)行了分析。并介紹了所應(yīng)用的自動化設(shè)計方法，基于知識庫的近似設(shè)計法。最后給出了利用該設(shè)計方法得到的一些結(jié)果。關(guān)鍵詞 嵌件設(shè)計；基于知識庫的系統(tǒng)；級進(jìn)模1前言級進(jìn)模是一種經(jīng)濟(jì)、高效的生產(chǎn)工具，主要用于鈑金零件的大批量生產(chǎn)。一個級進(jìn)模中包含兩個或兩個以上工位，以便于在一次沖壓中完成盡可能多的操作。隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,，通信、電子市場對精密金屬沖壓配件以及注塑配件的需求越來越大。為了提高級進(jìn)模設(shè)計師的設(shè)計能力，世界各地的專家花費了大量的時間和精力試圖發(fā)展用于模具的計算機(jī)輔助設(shè)計系統(tǒng)(CAD)和制造系統(tǒng)。在早期的研究工作中，這種系統(tǒng)主要是用于進(jìn)行圖形繪制工作和數(shù)控程序的編制。大部分重要的決斷，例如對所設(shè)計零件的沖壓成形性的評估，以及棑樣設(shè)計還是由用戶自己完成。這是由于人類的知識儲備尚未納入到這個系統(tǒng)。20世紀(jì) 80年代后期以來，來自幾所大學(xué)和科研機(jī)構(gòu)的學(xué)者開始利用人工智能系統(tǒng)創(chuàng)建級進(jìn)模自動化設(shè)計系統(tǒng)。然而，這些系統(tǒng)的功能非常有限，他們僅可以處理部分只需要沖孔、切除操作的零件，或者幾何形狀相對簡單的零件。有些系統(tǒng)僅能用于某些特定零件的自動化設(shè)計。這些系統(tǒng)需要由經(jīng)驗高度豐富的設(shè)計師在設(shè)計過程中進(jìn)行輸入操作。最近，一些研究報告報道了自動化的計算機(jī)輔助設(shè)計(CAD)系統(tǒng)、電氣產(chǎn)品的計算機(jī)輔助工藝規(guī)劃系統(tǒng)，以及計算機(jī)輔助設(shè)計/計算機(jī)輔助工藝規(guī)劃/計算機(jī)輔助制造(CAD / CAPP / CAM)系統(tǒng)集成在高級制造技術(shù)（2006）28：279–285DOI 10.1007/s00170-004-2370-6一起的沖壓模具設(shè)計及制造系統(tǒng)。他們中的有些人已經(jīng)開始致力于開發(fā)用于模具嵌件的表征和設(shè)計的自動化系統(tǒng)，以減少設(shè)計時間。設(shè)計一個高度自動化、高精度、高靈活性的級進(jìn)模,必須要有一個從建模到最后成果輸出都能應(yīng)用的一體化設(shè)計系統(tǒng)。此外，必須建立各個零件和裝配體的模型，以實現(xiàn)裝配及約束關(guān)系在整個設(shè)計和編輯過程中的自動化。這對于生產(chǎn)率的提高是特別重要的,因為設(shè)計方案的改變很多時候是由于產(chǎn)品的改變，或者模具結(jié)構(gòu)以及布局的改變?；趯ο竽Ｐ?、規(guī)則和算法的設(shè)計必須納入這個系統(tǒng)，以促進(jìn)設(shè)計自動化和裝配自動化。本文著重論述了嵌件的自動化設(shè)計，它在整個級進(jìn)模設(shè)計過程中占有很大的比重。級進(jìn)模的復(fù)雜程度、制造費用以及耐用性很大程度上決定于嵌件的數(shù)量及分布排列方式。此外，還極大地依賴于嵌件的結(jié)構(gòu)及其裝配方式。因此，對一個設(shè)計師來說，在設(shè)計嵌件的過程中的一個關(guān)鍵問題是對模具質(zhì)量及其生產(chǎn)能力的設(shè)計。在這篇文章中，靈活完整的表達(dá)了一個嵌件設(shè)計方案。并對嵌件和其他部件之間復(fù)雜的裝配約束關(guān)系進(jìn)行了分析。并介紹了所應(yīng)用的自動化設(shè)計方法，基于知識庫的近似設(shè)計法。最后給出了利用該設(shè)計方法得到的一些結(jié)果。2 嵌件的特征2.1 面向?qū)ο蟮那都O(shè)計面向?qū)ο蟮姆椒?OOM)是一種研究物體的內(nèi)在狀態(tài)及運動形式的哲學(xué)系統(tǒng)。對象是由許多不同的組成部分構(gòu)成的一個系統(tǒng)，這個系統(tǒng)提供了一套屬性定義其狀態(tài)和一套方法用于處理其狀態(tài)，如圖 1。物體的一個系統(tǒng)可以分成若干個組，每個組所分享的對象相關(guān)特性叫做“對象集”。它是我們所有研究與分析對象的構(gòu)成信息及交互作用信息的集合。面向?qū)ο蟮姆椒ㄓ兴膫€基本特點:封裝性、繼承性、多態(tài)和動態(tài)綁定。面向?qū)ο笤O(shè)計方法要達(dá)到的最終的目標(biāo)是：從現(xiàn)有的組件建設(shè)新的業(yè)務(wù)解決方案?，F(xiàn)有的組件采用不同的方式相結(jié)合的方法，以滿足新的用戶群體的需求。必須開創(chuàng)全新的功能以建立新的解決方案。高級制造技術(shù)（2006）28：279–285DOI 10.1007/s00170-004-2370-6 圖 1對 象 的 基 本 組 成 結(jié) 構(gòu)按照其功能，嵌件可分為凸模芯、模襯、脫模襯套、夾緊鑲塊等。每個類別的嵌件有著不同的功能?；诓煌臎_壓操作，嵌入可分為沖孔嵌件、沖裁嵌件、彎曲嵌件、沖緣嵌件、壓花嵌件等。對于所有這些嵌件的一個完整的描述，必須包含它們所有的共同特征，這些嵌件的設(shè)計和裝配才能很容易的按計劃進(jìn)行。從嵌件設(shè)計的角度來講，一個普通的嵌件一般具有具有以下三種基本特征：(1)本質(zhì)屬性；(2)基本成分；(3)裝配約束屬性。圖 2表示了嵌件的基本屬性。本質(zhì)屬性所包含的內(nèi)容是相當(dāng)廣泛的，包括材料要求、硬度要求、數(shù)量要求、說明書和修訂信息等。所有這些信息對圖紙的自動生成及材料明細(xì)表的創(chuàng)建都是非常重要的。組成屬性是嵌件配置的核心特征，它由嵌件主體、軸肩、減震部分、螺栓、脫模器、傳動銷等組成。圖 2嵌 件 的 屬 性 示 意 圖嵌件的主體包含一系列的三維幾何特征。定義了三種類型的幾何關(guān)系：并高級制造技術(shù)（2006）28：279–285DOI 10.1007/s00170-004-2370-6集、差集和交集。我們用 fa 和 fb來表示這三種屬性。并集 fu中包含 fa和 fb 而交集 fs中包含從 fa中除去 fb后所剩余的部分，差集表示的是面特征和整個實體之間的關(guān)系。圖 3表示了一個嵌件主體的構(gòu)造方式。這個嵌件由基礎(chǔ)塊(實體 0)，沖孔（實體 1）和上端壓?。▽嶓w 3）構(gòu)成。實體 0和實體 1之間的幾何關(guān)系是差集，實體 0和實體 2之間的關(guān)系是并集，基礎(chǔ)塊 0的上端面與實體2之間的關(guān)系是交集。 圖 3嵌 件 主 體 的 構(gòu) 造 方 式2.2 嵌件的軸肩軸肩是一種基礎(chǔ)的主體部件，之所以被定義為一種專門的部件是因為它被廣泛的應(yīng)用于嵌件的設(shè)計。因為引入軸肩的定義，許多設(shè)計方法和準(zhǔn)則可以并入到軸肩的設(shè)計中，這可以使嵌件的設(shè)計更加容易、簡單。和嵌件主體一樣，軸肩也對整個嵌件起著積極或者消極的作用。根據(jù)這種關(guān)系，不論在墊板上是否有一個屬于軸肩的排料逃孔，這些軸肩都被分為四種類型，如圖 4。類型 A是一種對嵌件整體起積極作用的軸肩，在墊板上有一個與軸肩對應(yīng)的排料孔;類型 B 是一種起消極作用的軸肩 ,在墊板上沒有相應(yīng)的排料孔；類型 C 是一種起積極作用的軸肩, 但是在墊板上沒有相應(yīng)的排料孔，這是因為這種軸肩與另一種起消極作用的軸肩相配合；類型 D 可以看做是一種針對墊板厚度的高精度軸肩，這種軸肩結(jié)構(gòu)需要一個穿透的排料孔。有三種類型的規(guī)律可以用于軸肩的自動化設(shè)計：（1）軸肩的幾何結(jié)構(gòu)；（2 ）軸肩的側(cè)向分型計算；（3）軸肩的開放式設(shè)計。 圖 4軸 肩 的 組 成 及 其 與 墊 板 的 關(guān) 系高級制造技術(shù)（2006）28：279–285DOI 10.1007/s00170-004-2370-62.3 嵌件的螺栓 螺栓也是一種在級進(jìn)模設(shè)計過程中經(jīng)常使用的零件。在級進(jìn)模裝配過程中，它是一種主要用于聯(lián)接和緊固不同部件的標(biāo)準(zhǔn)件。在一幅裝配圖中，螺栓的表達(dá)是比較簡單的。面向?qū)ο蟮穆菟ū磉_(dá)方法見圖 5。圖 5面 向 對 象 的 螺 栓 表 達(dá) 方 法螺栓的屬性主要包括螺栓的類型、裝配方式、直徑、長度、安裝位置等?！坝涗浽O(shè)計法”主要用于設(shè)計緊固件，運用這種方法時需要一個叫做“選擇緊固件”的選擇程序，這個程序可以在設(shè)計過程中從零件庫調(diào)出合適的標(biāo)準(zhǔn)緊固件。有些規(guī)律是關(guān)于如何調(diào)取標(biāo)準(zhǔn)緊固件的，比如螺距，螺栓孔等。所采取的方法主要取決于螺栓的類型以及螺栓結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵參數(shù)。舉例來說，比如采用的是日本三住公司的產(chǎn)品目錄，螺栓類型為“CB”，那么系統(tǒng)將會在三住公司的產(chǎn)品目錄中搜索和自動匹配關(guān)鍵詞“CB”。還有許多方法，都可以用于調(diào)取螺栓標(biāo)準(zhǔn)件。根據(jù)螺栓與其他組件聯(lián)接方式的不同，裝配體被分為了若干種不同的類型。這對于緊固件及其裝配體的自動化設(shè)計及裝配是相當(dāng)有用的。圖 6表示了螺栓裝配方式的幾種類型，其中類型 A、B、E、F 是直接連接件帶有臺階孔的螺栓裝配方式，類型 B和類型 D是主要應(yīng)用于通孔的聯(lián)接方式，類型 E與類型 F主要用于與其他組件的聯(lián)接。 圖 6螺 栓 的 幾 種 裝 配 類 型高級制造技術(shù)（2006）28：279–285DOI 10.1007/s00170-004-2370-63 嵌件的裝配模型作為嵌件設(shè)計的最后一個部分，嵌件主體、螺栓、脫模器、定位銷等零件的裝配是整個設(shè)計的主要組成部分。這部分將列舉一些墊板和嵌件的裝配方式，嵌件和墊板的裝配對裝配水平的要求是很高的。為了確保所有沖壓制件具有較高的精度及表面粗糙度，每個嵌件與其他組件及墊板，還有完成同一個動作的其他嵌件之間必須保證完全的約束關(guān)系。這些完全約束關(guān)系可以分為兩種:（1）與墊板的約束關(guān)系。一個嵌件可能同時與若干個墊板存在約束關(guān)系，例如在一個典型的沖壓模設(shè)備中,凸模芯必須包含以下幾種約束關(guān)系，與支撐墊板的約束關(guān)系，與脫模板的約束關(guān)系，與玻璃器的約束關(guān)系，或者與這些組件上的一些部件的約束關(guān)系。如果這些嵌件含有頂出器的話，附加板塊是上模的備份。圖 7a表示了一個墊板和插入其中的嵌件之間的約束關(guān)系。(2)與完成同一個動作的其他嵌件之間的約束關(guān)系。舉例來說,完成一次沖壓操作可能需要若干個部件的參與，比如沖壓機(jī)，模具，剝離器和一個關(guān)鍵的嵌件。此外，某些嵌件和剝離器可能需要分成幾個小的嵌件以便于制造。因此，一個很小的鈑金特征可能需要好幾個嵌件的協(xié)同操作才能完成。這種關(guān)系可以看作是一個嵌件群內(nèi)所有嵌件的直接約束關(guān)系，如圖 7b所示。為了保持這些直接約束關(guān)系并對其進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，最好的辦法是在同一個特征操作下給這些嵌件建一個嵌件群。當(dāng)其中一個特征操作被修改或者移動后，與此特征相關(guān)的其他特征信息也會自動修改或者移動。圖 7a.墊 板 和 嵌 件 的 約 束 關(guān) 系 b.嵌 件 群 內(nèi) 所 有 嵌 件 的 直 接 約 束 關(guān) 系因此，整個模具裝配可被看作兩個主要子裝配。一個是墊板子裝配，在模高級制造技術(shù)（2006）28：279–285DOI 10.1007/s00170-004-2370-6具裝配中被稱為嵌件和墊板的水平裝配。另一個子裝配是嵌件群子裝配，如圖7b 所示。墊板子裝配又可以分為標(biāo)準(zhǔn)件墊板子裝配和非標(biāo)準(zhǔn)件墊板子裝配。非標(biāo)準(zhǔn)件墊板子裝配和嵌件群的裝配可能用到同一個嵌件，這個嵌件將交替的用于兩種裝配。圖 8 表示了模具裝配中的這種分級裝配關(guān)系。圖 8模 具 裝 配 中 的 分 級 裝 配 關(guān) 系 示 意 圖4 基于知識庫的嵌件自動化設(shè)計嵌件設(shè)計的最基本要求是首先要確定模具的結(jié)構(gòu)及運行方式。這是因為嵌件和墊板以及其他組件之間都存在完全約束關(guān)系，正如我們上面所討論的一樣。舉例來說,對于一個典型的模具結(jié)構(gòu),其剪切沖頭的長度是由沖壓機(jī)支撐墊板，剝離器墊板及脫料板共同決定的，如下面的公式所示：字母 f表示該公式用于剪切沖頭的長度計算， Lp表示沖頭長度， 、PHT、 分別表示沖壓機(jī)支撐墊板、剝離器墊板及脫料板的厚度， 表示下BTPS BDCt死點， t表示金屬薄板的厚度， 表示卸料板的槽深。根據(jù)圖 2對嵌件的表述，slotd嵌件設(shè)計主要分為以下幾個部分：1. 把設(shè)計目標(biāo)畫圖表達(dá)出來2. 根據(jù)特定的設(shè)計準(zhǔn)則設(shè)計嵌件主體高級制造技術(shù)（2006）28：279–285DOI 10.1007/s00170-004-2370-63. 根據(jù)嵌件所要實現(xiàn)的功能設(shè)計其他零件4. 嵌件的裝配設(shè)計這些過程被稱為操作規(guī)程。對于每一個特定的操作規(guī)程，第一步都是創(chuàng)建這段規(guī)程中所需的零件，第二步是設(shè)計這些零件和墊板及其他零件的約束關(guān)系。同一個嵌件群內(nèi)嵌件的分布序列設(shè)計描述如下：1.設(shè)計嵌件群的運轉(zhuǎn)方式2.設(shè)計沖床嵌件3.設(shè)計模具嵌件（如果需要）4.設(shè)計剝離器（如果需要）5.設(shè)計夾緊嵌件（如果需要）6.設(shè)計其他嵌件（如果需要）7.設(shè)計嵌件群的離合嵌件（如果需要）在各種嵌件的設(shè)計中，這個過程可以通過算法及設(shè)計規(guī)則實現(xiàn)設(shè)計自動化。這將大大的縮短設(shè)計周期，因為在整個模具設(shè)計中嵌件設(shè)計占有很大一部分。圖 9所示為一個用于擠壓成型嵌件試樣的設(shè)計程序,這個程序用于確定擠壓成型嵌件的沖緣沖頭的類型及直徑。圖 9用 于 擠 壓 成 型 嵌 件 試 樣 的 設(shè) 計 程 序圖 10顯示了幾種用于計算嵌件輪廓的算法類型，與其他用于選擇的算法程序配合使用，可以自動生成嵌件輪廓。圖片中打剖面線的部分為作用區(qū)域。類高級制造技術(shù)（2006）28：279–285DOI 10.1007/s00170-004-2370-6型 A的算法是基于作用區(qū)域的安全的各向抵消；類型 B用于控制各種嵌件；類型 C可以實現(xiàn)對作用區(qū)域的質(zhì)心的控制；類型 D和類型 A相似。作用力 c和作用力 d主要作用于金屬薄板的邊緣。 圖 10幾 種 用 于 計 算 嵌 件 輪 廓 的 算 法 類 型另外，還有一個修正方法可以用于嵌件的各個部位的設(shè)計，如下所示： ),(ptfMij?在這個公式中 ， ij的組合方式有四種： LT、 LB、 RT、 RB),(),(BTjRLi?分別 表示嵌件輪廓的四個不同部位，左上面、左下面、右上面、右下面就是這種模型 S、 F、 C分別表示尖角，圓角和倒角。 p表示圓角或),(BFSt?倒角。5 案例探究以一個雙壓印的嵌件布局設(shè)計為例，所有這些嵌件的設(shè)計可以通過一定的規(guī)律和算法實現(xiàn)自動化。如上一部分所描述的一樣，這個設(shè)計過程包括全部約束關(guān)系的設(shè)計。在幾秒鐘之內(nèi)可以實現(xiàn)對 50個嵌件的自動化設(shè)計。圖 11a表示在二維界面中所有嵌件的自動化設(shè)計的設(shè)計流程。圖 11b是幾個工位及其相應(yīng)嵌件的放大圖。這些嵌件包括沖頭、模具、模板、銷釘，還有其他一些組件，如螺栓和軸肩等。在各種墊板和嵌件上的缺口，排料孔，減震器等組件也都是自動裝配，如圖所示。圖 12是這個案例的模具墊板和嵌件的三維模型。這個圖片中的模具墊板也是通過一個可以復(fù)制和編輯的設(shè)計模板來自動生成。高級制造技術(shù)（2006）28：279–285DOI 10.1007/s00170-004-2370-6圖 1a嵌 件 的 自 動 化 設(shè) 計 流 程B幾 個 工 位 及 其 相 應(yīng) 嵌 件 的 放 大 圖圖 12系 統(tǒng) 自 動 生 成 的 墊 板 和 嵌 件 的 三 維 模 型另外,所有嵌件和特征的圖紙都可以通過繪圖輸出模塊輸出。圖 13顯示了圖紙自動輸出的界面，設(shè)計過程中所有自動生成的非標(biāo)準(zhǔn)嵌件的圖紙都在這個界面中輸出。一些信息，例如每個嵌件的編碼和特征描述，可以從嵌件特征中直接取得。通過這個界面，所有非標(biāo)準(zhǔn)件的圖紙都可以通過菜單欄中的某些模塊自動生成。特征信息用文本、明細(xì)表來表示；其他一些 CAM系統(tǒng)及數(shù)控自動編程系統(tǒng)可以自動識別的形式在圖紙中表示出來。高級制造技術(shù)（2006）28：279–285DOI 10.1007/s00170-004-2370-6圖 13非 標(biāo) 準(zhǔn) 嵌 件 的 圖 紙 自 動 輸 出 界 面6 結(jié)語本文系統(tǒng)的介紹一種面向?qū)ο螅谔卣鞯那都詣踊O(shè)計方案。這個系統(tǒng)考慮了各個組件在垂直及水平方向上的全部關(guān)系，以及嵌件組件（軸肩、螺栓等）的外型輪廓和結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法及設(shè)計準(zhǔn)則。利用這些特征表述和設(shè)計方法，開發(fā)了一種自動化的嵌件生成模塊。這個模塊能夠?qū)Χ喾N組件進(jìn)行自動設(shè)計，如凸模芯、模襯、脫料板等。把嵌件的自動生成系統(tǒng)與預(yù)設(shè)的設(shè)計模板配合使用，可以大大的縮短級進(jìn)模的設(shè)計周期。另外，利用系統(tǒng)中各種信息和特征的支持，發(fā)展了尺寸自動標(biāo)注模塊和數(shù)控加工自動編程模塊（完全整合在上文所述的嵌件自動設(shè)計系統(tǒng)中），以利于生產(chǎn)力的進(jìn)一步提高。自動配置的模具板與預(yù)設(shè)的設(shè)計模板可以大大降低級進(jìn)模的設(shè)計周期。此外，以支持各種信息和功能在系統(tǒng)中實現(xiàn)，自動標(biāo)注模塊，工藝設(shè)計及數(shù)控代碼生成模塊(與本文所描述的設(shè)計系統(tǒng)完全整合)已經(jīng)開發(fā)為進(jìn)一步提高生產(chǎn)力。感謝 本文作者要感謝 Cheok B .T 博士以及參與此項目的所有來自智能設(shè)計系統(tǒng)計劃組的成員，感謝他們提出的建議及為這個研究計劃所作的貢獻(xiàn)。