粉末冶金拉下式成形模CAD系統(tǒng)的開發(fā)

本文首先介紹了基于SolidWorks的參數(shù)化設(shè)計思想，然后針對粉末冶金模具的特點，開發(fā)了一套粉末冶金拉下式成形模CAD軟件系統(tǒng)。文中還闡述了該系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵開發(fā)技術(shù)，并給出了系統(tǒng)運行實例。 

一、引言 

   目前，三維CAD軟件在機械設(shè)計、制造等各個領(lǐng)域的應(yīng)用已越來越普及，而且在各種CAD軟件基礎(chǔ)上進行的二次開發(fā)更是不勝枚舉，雖然計算機輔助設(shè)計的專業(yè)軟件已遍布沖壓、鍛造、注塑、建筑、裝飾等諸多行業(yè)，但是粉末冶金模具卻較少有專業(yè)CAD系統(tǒng)涉足。由于粉末冶金零件制造工藝的特殊性，其工裝（模具、夾具、量具等）更具有特殊性，根據(jù)粉末冶金專業(yè)特點開發(fā)一套符合自身要求的智能化模具CAD系統(tǒng)，不僅可把廣大粉末冶金設(shè)計技術(shù)人員從繁雜的重復(fù)勞動中解脫出來，更可縮短粉末冶金制品的開發(fā)周期，提高其設(shè)計制造水平，從而使粉末冶金行業(yè)的整體勞動生產(chǎn)率得到提高。 

二、SolidWorks及其參數(shù)化設(shè)計方法簡介 

   SolidWorks是一套應(yīng)用在Windows系統(tǒng)下的3D實體模型構(gòu)建軟件，與眾多三維CAD軟件比較，它的三維設(shè)計功能強大，界面友好，能讓使用者以簡單的操作方式進行高效的產(chǎn)品設(shè)計，其提供的基于特征選型的參數(shù)化造型功能更是為開發(fā)者提供了良好的開發(fā)環(huán)境。 

   三維模型的參數(shù)化設(shè)計是通過改動圖形的某一部分或某幾部分的尺寸，或修改已定義好的零件參數(shù)，自動完成對圖形中相關(guān)部分的改動，從而實現(xiàn)對圖形的驅(qū)動。它以約束造型為核心，以尺寸驅(qū)動為特征。在SolidWorks中實現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計的方法歸納起來有兩大類： 

   (1)利用SolidWorks軟件本身提供的參數(shù)化造型方法。包括方程式驅(qū)動、系列零件設(shè)計表、配置、庫特征這些功能。 

   (2)利用SolidWorks提供的API函數(shù)進行二次開發(fā)。SolidWorks提供了豐富的API函數(shù)用以二次開發(fā)，任何支持OLE（對象的鏈接與嵌入）和COM（組件對象模型）的編程語言都可以作為SolidWorks的開發(fā)工具。SolidWorks二次開發(fā)分兩種，一種是基于自動化技術(shù)的，此種技術(shù)只能開發(fā)EXE形式的程序；另一種開發(fā)是基于COM的，這種技術(shù)可以使用最多的SolidWorks API（運用程序界面）。SolidWorks的二次開發(fā)工具較多，比如VC、VB、Delphi、VBA等，開發(fā)者可以根據(jù)自身的條件、工具的特點，選擇一種合適的開發(fā)工具。開發(fā)者通過編程建立用戶界面，接受用戶的參數(shù)輸入與指令輸入，通過API函數(shù)實現(xiàn)零件造型、尺寸驅(qū)動等一系列自動化工作，使用一種交互的、程序的方式實現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計。 

   比較而言，第一類方式簡單易行，無需編寫代碼，但自動化程度不高，對于大量零件設(shè)計的管理不便。第二類方式建立了交互式用戶界面，用專用數(shù)據(jù)庫管理軟件管理數(shù)據(jù)，通過出錯處理和輸入數(shù)據(jù)合法性校驗?zāi)苡行ПＷC參數(shù)化驅(qū)動的穩(wěn)定可靠，并能建立符合專業(yè)人員設(shè)計習(xí)慣的界面，以方便專業(yè)人員使用。 
因此，本CAD系統(tǒng)綜合以上兩類方法，采用Visual Basic 6.0作為開發(fā)工具，用Access2003作為設(shè)計參數(shù)數(shù)據(jù)庫管理工具，以SolidWorks2004為平臺進行二次開發(fā)。
三、系統(tǒng)總體設(shè)計 

   計算機輔助設(shè)計(CAD)的功能在于能協(xié)助工程技術(shù)人員完成產(chǎn)品設(shè)計各階段的工作。本系統(tǒng)主要是針對粉末冶金拉下式成形模的輔助設(shè)計，仔細分析拉下式成形模的傳統(tǒng)設(shè)計過程，可以發(fā)現(xiàn)，對于同種類型壓坯的模具，在設(shè)計過程中有許多雷同之處，即使不同類型壓坯的模具設(shè)計也有共用的部分，比如壓坯件工藝分析準則、成形零件尺寸計算公式、通用零件（如模架）的選用、各種強度校核與壓力計算公式等，如能將這些設(shè)計過程中的通用部分程序化、規(guī)程化，讓設(shè)計人員只是簡單地輸入?yún)��?shù)和選擇參數(shù)，交由計算機完成一些重復(fù)的工作，便能大大減輕設(shè)計人員的重復(fù)勞動，提高設(shè)計效率，達到計算機輔助設(shè)計的目的。值得特別注意的是，對于那些受現(xiàn)場工藝條件影響較大的參數(shù)（如成形陰模的型腔尺寸），必須作人工干預(yù)處理。其方法是采用交互式對話方式直接在設(shè)計平臺中修正，這就使得設(shè)計系統(tǒng)的靈活性大大增強。 

   總之，通過分析粉末冶金拉下式成形模傳統(tǒng)手工設(shè)計流程，可將其中具有固定設(shè)計流程的部分提取出來，轉(zhuǎn)變?yōu)橛嬎銠C能自動完成其設(shè)計過程的模塊，而不能通用的設(shè)計流程的部分采用交互方式在三維環(huán)境下進行人工交互設(shè)計。本系統(tǒng)主要針對五類其本類型的壓坯進行模具設(shè)計。 

   本系統(tǒng)共分工藝分析模塊，計算模塊，零件設(shè)計模塊，模具結(jié)構(gòu)設(shè)計模塊，繪圖模塊幾部分。模塊獨立編程，模塊之間通過參數(shù)數(shù)據(jù)連接，并編制相應(yīng)的數(shù)據(jù)校驗接口，保證數(shù)據(jù)的一致性和正確性。圖中單箭頭表示數(shù)據(jù)流向以及數(shù)據(jù)調(diào)用，雙向箭頭表示關(guān)聯(lián)設(shè)計。 

四、系統(tǒng)實現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù) 

1.標(biāo)準件庫建立及參數(shù)化設(shè)計 

   建立模具零件和結(jié)構(gòu)的通用化和系列化的圖形庫，對提高模具結(jié)構(gòu)的零件設(shè)計效率起著至關(guān)重要的作用。盡管目前粉末冶金模具設(shè)計還沒有一個統(tǒng)一的國家標(biāo)準，但通用化、標(biāo)準化無疑是粉末冶金模具發(fā)展的方向。本系統(tǒng)將拉下式成形模中的常用零件（如上模板、陰模板、導(dǎo)柱、導(dǎo)套等）列為標(biāo)準件。標(biāo)準件事先建立模型庫，所謂模型庫，顧名思義就是某種樣式的模型，只有形狀而未賦予具體尺寸參數(shù)。分別在SolidWorks中將標(biāo)準件做成三維零件模型，將其存儲于模型庫中，并把相關(guān)尺寸參數(shù)系列用Access存儲于尺寸參數(shù)庫中。通過SolidWorks API 的調(diào)用和提取函數(shù)直接將尺寸參數(shù)賦給模型，如此一來，不但代碼量小，而且程序也穩(wěn)定可靠。這樣，三維造型工作就由編制繁雜的API函數(shù)程序轉(zhuǎn)變?yōu)槟Ｐ蛶斓慕�立，雖然建立過程需要花一定的時間，但模型庫一旦建立完備，后續(xù)編程工作就變得簡單輕松。 

   采用Visual Basic編制參數(shù)化設(shè)計界面，并調(diào)用SolidWorks提供的API函數(shù)，將通用零件的尺寸參數(shù)傳遞到模型庫中的相關(guān)尺寸，即可完成通用零件的三維參數(shù)化設(shè)計。模具通用零件參數(shù)化設(shè)計示例如圖2所示，輸入壓件外徑尺寸，則能在SolidWorks中生成已定義好的模臺板標(biāo)準件。  
 
2.模具結(jié)構(gòu)設(shè)計 

   模具的裝配結(jié)構(gòu)設(shè)計比較復(fù)雜，涉及很多零件以及裝配關(guān)系。筆者認為有兩條思路來進行設(shè)計：第一，將整個裝配體做成一個模型，裝配體中的零件均在SolidWorks中采用自頂向下的方式進行裝配建模，零件之間關(guān)聯(lián)特征，這意味著當(dāng)修改一個零件的尺寸時，其他零件與其相關(guān)聯(lián)的特征尺寸也會做相應(yīng)變動，達到一種聯(lián)動修改的效果。這樣的話，一旦建立好針對某一形狀壓坯的裝配體模型，那對于此類形狀的壓坯，只需輸入尺寸參數(shù)，其相應(yīng)的裝配體模型便能自動生成。這種方法雖然效率很高，但其明顯的缺點就是不夠靈活。一種形狀的壓坯對應(yīng)一種裝配模型，對應(yīng)的模型庫容量自然會相當(dāng)大，而且成形零件的連接方式、緊固件類型均已固定，不能選擇。 

   基于以上不足，提出第二種思路，將裝配體細分為幾個子裝配體。子裝配體仍采用特征關(guān)聯(lián)的建模方式。從拉下式成形模裝配體特征不難看出，它實際上是一種板桿柱組合體（組成部分包括上模板、承壓板、陰模板、芯棒板、拉桿、導(dǎo)柱等）。因此可將各模板和與其相配合的零件做成子裝配體模型存儲于模型庫中，這種子裝配模型存儲的就是連接方式，可事先存儲很多種連接方式，當(dāng)設(shè)計時會彈出選擇對話框，供用戶選擇連接方式，并且結(jié)構(gòu)設(shè)計的每一步過程中都會與計算模塊交換數(shù)據(jù)，保證成形零件的配合關(guān)系，當(dāng)用戶選擇定制完所有子裝配體，則可以在主裝配體環(huán)境中人工拼裝，在拼裝的過程中能發(fā)現(xiàn)干涉或是設(shè)計不滿意的地方，則可以重新選擇或直接修改，由于子裝配體采用特征聯(lián)動建模，因此修改成形零件尺寸均不會改變連接方式。采用第二種思路進行模具裝配結(jié)構(gòu)設(shè)計大大地增加了靈活性，減少了模型存儲量，并且易于交互修改，因此，本CAD系統(tǒng)采用了這種方式。 

3.設(shè)計計算公式的程序化 

   在模具設(shè)計過程中，有大量的計算公式，將這些公式分類整理并進行程序設(shè)計，每個計算過程以函數(shù)的形式存儲于VB源代碼模塊中，從而構(gòu)建公式庫，在設(shè)計過程中只需設(shè)計人員輸入相關(guān)參數(shù)，計算過程交由計算機處理，有效地簡化了設(shè)計人員的設(shè)計過程，實現(xiàn)了設(shè)計計算的自動化。 

4.知識庫的構(gòu)建 

   工藝分析等設(shè)計步驟具有一定的靈活性，沒有固定的公式和原則，并且很大程度上依賴于設(shè)計人員的經(jīng)驗和一些根據(jù)經(jīng)驗得出的近似公式。筆者查閱相關(guān)資料整理成電子文檔，存入知識庫，供設(shè)計人員使用系統(tǒng)時隨時調(diào)用，以備參考。在設(shè)計過程中的一些經(jīng)驗積累可以隨時更新入庫，不斷擴充知識庫的參考價值。 

五、運行實例 

下面以Ⅰ類壓坯模具設(shè)計的設(shè)計為例演示本系統(tǒng)的運行情況。 

第一步：開啟主界面，選擇壓坯類型； 
 
第二步：輸入初始參數(shù)（包括壓坯尺寸參數(shù)、村料性能參數(shù)、相關(guān)系數(shù)等）； 
 
第三步：進行工藝分析，調(diào)用相應(yīng)設(shè)計知識庫，如果工藝參數(shù)不合理，則返回第二步； 

第四步：進行相關(guān)計算，包括模具尺寸計算、壓力計算、壓力校核以及壓機選擇等。此結(jié)果數(shù)據(jù)作為模具參數(shù)化設(shè)計的基本依據(jù)，在后續(xù)步驟可交互修改直至滿意； 
 
第五步：模具結(jié)構(gòu)設(shè)計。選擇成形零件結(jié)構(gòu)，選擇各子裝配體連接方式等。系統(tǒng)將根據(jù)前述步驟計算結(jié)果數(shù)據(jù)傳遞給相關(guān)驅(qū)動尺寸，進行尺寸選定，然后進入SolidWorks主裝配環(huán)境，同時調(diào)用自定義標(biāo)準件庫、模型庫以及SolidWorks自帶標(biāo)準件庫，以備在總裝配體環(huán)境中進行零件拼裝； 

第六步：裝配設(shè)計。在裝配體模塊下采用交互的方式完成拼裝。采用全關(guān)聯(lián)模式，對裝配體中的修改都將直接影響相關(guān)零件，用戶可以在各零件窗口以及裝配體窗口間相互切換，對比修改，將選定的各個子部件裝配起來； 
 
第七步：根據(jù)生成的總裝配體生成裝配圖以及各零件圖。 

六、結(jié)束語 

   三維CAD軟件在機械各領(lǐng)域的應(yīng)用已越來越普及，這極大地提高了機械設(shè)計的效率和合理性，而在此基礎(chǔ)上針對不同專業(yè)領(lǐng)域進行的有專業(yè)特點的二次開發(fā)能更進一步地提高設(shè)計人員的工作效率，縮短開發(fā)周期。經(jīng)過實踐，證明CAD技術(shù)能在粉末冶金模具設(shè)計領(lǐng)域得以應(yīng)用。一個完善的CAD系統(tǒng)將能很好地輔助工程人員進行工作設(shè)計，粉末冶金模具種類繁多，如能更進一步針對其他種類模具開發(fā)相應(yīng)的CAD系統(tǒng)模塊，則將能使本系統(tǒng)更加完備。