英文翻譯譯文-級進模中嵌件的自動化設計

高級制造技術（2006）28：279285DOI 10.1007/s00170-004-2370-6原創(chuàng)文章R.D. Jiang · B.T. Lauw · A.Y.C. Nee級進模中嵌件的自動化設計收到：2004 年 6月 19日/接受：2004 年 8月 11日/網上公布：2005 年 4月 13日©施普林格出版社倫敦有限公司 2005年摘要 當沖床上下移動時，嵌件是生產鈑金零部件的真正工作部件。級進模的復雜程度、制造費用以及耐用性很大程度上決定于嵌件的數量及分布排列方式。此外，還極大地依賴于嵌件的結構及其裝配方式。因此，對一個設計師來說，在設計嵌件過程中的一個關鍵問題是對模具質量及其生產能力的設計。在這篇文章中，靈活完整的表達了一個嵌件設計方案。并對嵌件和其他部件之間復雜的裝配約束關系進行了分析。并介紹了所應用的自動化設計方法，基于知識庫的近似設計法。最后給出了利用該設計方法得到的一些結果。關鍵詞 嵌件設計；基于知識庫的系統(tǒng)；級進模1前言級進模是一種經濟、高效的生產工具，主要用于鈑金零件的大批量生產。一個級進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。隨著計算機技術的發(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。為了提高級進模設計師的設計能力，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輔助設計系統(tǒng)(CAD)和制造系統(tǒng)。在早期的研究工作中，這種系統(tǒng)主要是用于進行圖形繪制工作和數控程序的編制。大部分重要的決斷，例如對所設計零件的沖壓成形性的評估，以及棑樣設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 80年代后期以來，來自幾所大學和科研機構的學者開始利用人工智能系統(tǒng)創(chuàng)建級進模自動化設計系統(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計。這些系統(tǒng)需要由經驗高度豐富的設計師在設計過程中進行輸入操作。最近，一些研究報告報道了自動化的計算機輔助設計(CAD)系統(tǒng)、電氣產品的計算機輔助工藝規(guī)劃系統(tǒng)，以及計算機輔助設計/計算機輔助工藝規(guī)劃/計算機輔助制造(CAD / CAPP / CAM)系統(tǒng)集成在高級制造技術（2006）28：279285DOI 10.1007/s00170-004-2370-6一起的沖壓模具設計及制造系統(tǒng)。他們中的有些人已經開始致力于開發(fā)用于模具嵌件的表征和設計的自動化系統(tǒng)，以減少設計時間。設計一個高度自動化、高精度、高靈活性的級進模,必須要有一個從建模到最后成果輸出都能應用的一體化設計系統(tǒng)。此外，必須建立各個零件和裝配體的模型，以實現裝配及約束關系在整個設計和編輯過程中的自動化。這對于生產率的提高是特別重要的,因為設計方案的改變很多時候是由于產品的改變，或者模具結構以及布局的改變?；趯ο竽Ｐ汀⒁?guī)則和算法的設計必須納入這個系統(tǒng)，以促進設計自動化和裝配自動化。本文著重論述了嵌件的自動化設計，它在整個級進模設計過程中占有很大的比重。級進模的復雜程度、制造費用以及耐用性很大程度上決定于嵌件的數量及分布排列方式。此外，還極大地依賴于嵌件的結構及其裝配方式。因此，對一個設計師來說，在設計嵌件的過程中的一個關鍵問題是對模具質量及其生產能力的設計。在這篇文章中，靈活完整的表達了一個嵌件設計方案。并對嵌件和其他部件之間復雜的裝配約束關系進行了分析。并介紹了所應用的自動化設計方法，基于知識庫的近似設計法。最后給出了利用該設計方法得到的一些結果。2 嵌件的特征2.1 面向對象的嵌件設計面向對象的方法(OOM)是一種研究物體的內在狀態(tài)及運動形式的哲學系統(tǒng)。對象是由許多不同的組成部分構成的一個系統(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特性叫做“對象集”。它是我們所有研究與分析對象的構成信息及交互作用信息的集合。面向對象的方法有四個基本特點:封裝性、繼承性、多態(tài)和動態(tài)綁定。面向對象設計方法要達到的最終的目標是：從現有的組件建設新的業(yè)務解決方案。現有的組件采用不同的方式相結合的方法，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（2006）28：279285DOI 10.1007/s00170-004-2370-6 圖 1對 象 的 基 本 組 成 結 構按照其功能，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。基于不同的沖壓操作，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，這些嵌件的設計和裝配才能很容易的按計劃進行。從嵌件設計的角度來講，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。本質屬性所包含的內容是相當廣泛的，包括材料要求、硬度要求、數量要求、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系：并高級制造技術（2006）28：279285DOI 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系。圖 3表示了一個嵌件主體的構造方式。這個嵌件由基礎塊(實體 0)，沖孔（實體 1）和上端壓?。▽嶓w 3）構成。實體 0和實體 1之間的幾何關系是差集，實體 0和實體 2之間的關系是并集，基礎塊 0的上端面與實體2之間的關系是交集。 圖 3嵌 件 主 體 的 構 造 方 式2.2 嵌件的軸肩軸肩是一種基礎的主體部件，之所以被定義為一種專門的部件是因為它被廣泛的應用于嵌件的設計。因為引入軸肩的定義，許多設計方法和準則可以并入到軸肩的設計中，這可以使嵌件的設計更加容易、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。根據這種關系，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，這種軸肩結構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計：（1）軸肩的幾何結構；（2 ）軸肩的側向分型計算；（3）軸肩的開放式設計。 圖 4軸 肩 的 組 成 及 其 與 墊 板 的 關 系高級制造技術（2006）28：279285DOI 10.1007/s00170-004-2370-62.3 嵌件的螺栓 螺栓也是一種在級進模設計過程中經常使用的零件。在級進模裝配過程中，它是一種主要用于聯接和緊固不同部件的標準件。在一幅裝配圖中，螺栓的表達是比較簡單的。面向對象的螺栓表達方法見圖 5。圖 5面 向 對 象 的 螺 栓 表 達 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。“記錄設計法”主要用于設計緊固件，運用這種方法時需要一個叫做“選擇緊固件”的選擇程序，這個程序可以在設計過程中從零件庫調出合適的標準緊固件。有些規(guī)律是關于如何調取標準緊固件的，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構的關鍵參數。舉例來說，比如采用的是日本三住公司的產品目錄，螺栓類型為“CB”，那么系統(tǒng)將會在三住公司的產品目錄中搜索和自動匹配關鍵詞“CB”。還有許多方法，都可以用于調取螺栓標準件。根據螺栓與其他組件聯接方式的不同，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計及裝配是相當有用的。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是主要應用于通孔的聯接方式，類型 E與類型 F主要用于與其他組件的聯接。 圖 6螺 栓 的 幾 種 裝 配 類 型高級制造技術（2006）28：279285DOI 10.1007/s00170-004-2370-63 嵌件的裝配模型作為嵌件設計的最后一個部分，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系。這些完全約束關系可以分為兩種:（1）與墊板的約束關系。一個嵌件可能同時與若干個墊板存在約束關系，例如在一個典型的沖壓模設備中,凸模芯必須包含以下幾種約束關系，與支撐墊板的約束關系，與脫模板的約束關系，與玻璃器的約束關系，或者與這些組件上的一些部件的約束關系。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系。(2)與完成同一個動作的其他嵌件之間的約束關系。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，模具，剝離器和一個關鍵的嵌件。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。這種關系可以看作是一個嵌件群內所有嵌件的直接約束關系，如圖 7b所示。為了保持這些直接約束關系并對其進行關聯分析，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。當其中一個特征操作被修改或者移動后，與此特征相關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 系 b.嵌 件 群 內 所 有 嵌 件 的 直 接 約 束 關 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（2006）28：279285DOI 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準件墊板子裝配和非標準件墊板子裝配。非標準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系。圖 8模 具 裝 配 中 的 分 級 裝 配 關 系 示 意 圖4 基于知識庫的嵌件自動化設計嵌件設計的最基本要求是首先要確定模具的結構及運行方式。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構,其剪切沖頭的長度是由沖壓機支撐墊板，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。根據圖 2對嵌件的表述，slotd嵌件設計主要分為以下幾個部分：1. 把設計目標畫圖表達出來2. 根據特定的設計準則設計嵌件主體高級制造技術（2006）28：279285DOI 10.1007/s00170-004-2370-63. 根據嵌件所要實現的功能設計其他零件4. 嵌件的裝配設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，第二步是設計這些零件和墊板及其他零件的約束關系。同一個嵌件群內嵌件的分布序列設計描述如下：1.設計嵌件群的運轉方式2.設計沖床嵌件3.設計模具嵌件（如果需要）4.設計剝離器（如果需要）5.設計夾緊嵌件（如果需要）6.設計其他嵌件（如果需要）7.設計嵌件群的離合嵌件（如果需要）在各種嵌件的設計中，這個過程可以通過算法及設計規(guī)則實現設計自動化。這將大大的縮短設計周期，因為在整個模具設計中嵌件設計占有很大一部分。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 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（2006）28：279285DOI 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可以實現對作用區(qū)域的質心的控制；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計為例，所有這些嵌件的設計可以通過一定的規(guī)律和算法實現自動化。如上一部分所描述的一樣，這個設計過程包括全部約束關系的設計。在幾秒鐘之內可以實現對 50個嵌件的自動化設計。圖 11a表示在二維界面中所有嵌件的自動化設計的設計流程。圖 11b是幾個工位及其相應嵌件的放大圖。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制和編輯的設計模板來自動生成。高級制造技術（2006）28：279285DOI 10.1007/s00170-004-2370-6圖 1a嵌 件 的 自 動 化 設 計 流 程B幾 個 工 位 及 其 相 應 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，設計過程中所有自動生成的非標準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，所有非標準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、明細表來表示；其他一些 CAM系統(tǒng)及數控自動編程系統(tǒng)可以自動識別的形式在圖紙中表示出來。高級制造技術（2006）28：279285DOI 10.1007/s00170-004-2370-6圖 13非 標 準 嵌 件 的 圖 紙 自 動 輸 出 界 面6 結語本文系統(tǒng)的介紹一種面向對象，基于特征的嵌件自動化設計方案。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系，以及嵌件組件（軸肩、螺栓等）的外型輪廓和結構的設計方法及設計準則。利用這些特征表述和設計方法，開發(fā)了一種自動化的嵌件生成模塊。這個模塊能夠對多種組件進行自動設計，如凸模芯、模襯、脫料板等。把嵌件的自動生成系統(tǒng)與預設的設計模板配合使用，可以大大的縮短級進模的設計周期。另外，利用系統(tǒng)中各種信息和特征的支持，發(fā)展了尺寸自動標注模塊和數控加工自動編程模塊（完全整合在上文所述的嵌件自動設計系統(tǒng)中），以利于生產力的進一步提高。自動配置的模具板與預設的設計模板可以大大降低級進模的設計周期。此外，以支持各種信息和功能在系統(tǒng)中實現，自動標注模塊，工藝設計及數控代碼生成模塊(與本文所描述的設計系統(tǒng)完全整合)已經開發(fā)為進一步提高生產力。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。