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(jì)思想，然后針對(duì)粉末冶金模具的特點(diǎn)，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(yùn)行實(shí)例。 

一、引言 

   目前，三維CAD軟件在機(jī)械設(shè)計(jì)、制造等各個(gè)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(jìn)行的二次開發(fā)更是不勝枚舉，雖然計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)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(diǎn)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(jì)技術(shù)人員從繁雜的重復(fù)勞動(dòng)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(jì)制造水平，從而使粉末冶金行業(yè)的整體勞動(dòng)生產(chǎn)率得到提高。 

二、SolidWorks及其參數(shù)化設(shè)計(jì)方法簡介 

   SolidWorks是一套應(yīng)用在Windows系統(tǒng)下的3D實(shí)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(jì)功能強(qiáng)大，界面友好，能讓使用者以簡單的操作方式進(jìn)行高效的產(chǎn)品設(shè)計(jì)，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(jì)是通過改動(dòng)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(dòng)完成對(duì)圖形中相關(guān)部分的改動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)圖形的驅(qū)動(dòng)。它以約束造型為核心，以尺寸驅(qū)動(dòng)為特征。在SolidWorks中實(shí)現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計(jì)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(dòng)、系列零件設(shè)計(jì)表、配置、庫特征這些功能。 

   (2)利用SolidWorks提供的API函數(shù)進(jìn)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(duì)象的鏈接與嵌入）和COM（組件對(duì)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(dòng)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(yùn)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(diǎn)，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(shí)現(xiàn)零件造型、尺寸驅(qū)動(dòng)等一系列自動(dòng)化工作，使用一種交互的、程序的方式實(shí)現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計(jì)。 

   比較而言，第一類方式簡單易行，無需編寫代碼，但自動(dòng)化程度不高，對(duì)于大量零件設(shè)計(jì)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(cuò)處理和輸入數(shù)據(jù)合法性校驗(yàn)?zāi)苡行ПＷC參數(shù)化驅(qū)動(dòng)的穩(wěn)定可靠，并能建立符合專業(yè)人員設(shè)計(jì)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(jì)參數(shù)數(shù)據(jù)庫管理工具，以SolidWorks2004為平臺(tái)進(jìn)行二次開發(fā)。
三、系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 

   計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(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(jì)各階段的工作。本系統(tǒng)主要是針對(duì)粉末冶金拉下式成形模的輔助設(shè)計(jì)，仔細(xì)分析拉下式成形模的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)過程，可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于同種類型壓坯的模具，在設(shè)計(jì)過程中有許多雷同之處，即使不同類型壓坯的模具設(shè)計(jì)也有共用的部分，比如壓坯件工藝分析準(zhǔn)則、成形零件尺寸計(jì)算公式、通用零件（如模架）的選用、各種強(qiáng)度校核與壓力計(jì)算公式等，如能將這些設(shè)計(jì)過程中的通用部分程序化、規(guī)程化，讓設(shè)計(jì)人員只是簡單地輸入?yún)��?shù)和選擇參數(shù)，交由計(jì)算機(jī)完成一些重復(fù)的工作，便能大大減輕設(shè)計(jì)人員的重復(fù)勞動(dòng)，提高設(shè)計(jì)效率，達(dá)到計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的目的。值得特別注意的是，對(duì)于那些受現(xiàn)場(chǎng)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(duì)話方式直接在設(shè)計(jì)平臺(tái)中修正，這就使得設(shè)計(jì)系統(tǒng)的靈活性大大增強(qiáng)。 

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

   本系統(tǒng)共分工藝分析模塊，計(jì)算模塊，零件設(shè)計(jì)模塊，模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模塊，繪圖模塊幾部分。模塊獨(dú)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(yàn)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(jì)。 

四、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù) 

1.標(biāo)準(zhǔn)件庫建立及參數(shù)化設(shè)計(jì) 

   建立模具零件和結(jié)構(gòu)的通用化和系列化的圖形庫，對(duì)提高模具結(jié)構(gòu)的零件設(shè)計(jì)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(jì)還沒有一個(gè)統(tǒng)一的國家標(biāo)準(zhǔn)，但通用化、標(biāo)準(zhǔn)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(zhǔn)件。標(biāo)準(zhǔn)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(zhǔn)件做成三維零件模型，將其存儲(chǔ)于模型庫中，并把相關(guān)尺寸參數(shù)系列用Access存儲(chǔ)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(shí)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(jì)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(jì)。模具通用零件參數(shù)化設(shè)計(jì)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(tái)板標(biāo)準(zhǔn)件。  
 
2.模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 

   模具的裝配結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，涉及很多零件以及裝配關(guān)系。筆者認(rèn)為有兩條思路來進(jìn)行設(shè)計(jì)：第一，將整個(gè)裝配體做成一個(gè)模型，裝配體中的零件均在SolidWorks中采用自頂向下的方式進(jìn)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(gè)零件的尺寸時(shí)，其他零件與其相關(guān)聯(lián)的特征尺寸也會(huì)做相應(yīng)變動(dòng)，達(dá)到一種聯(lián)動(dòng)修改的效果。這樣的話，一旦建立好針對(duì)某一形狀壓坯的裝配體模型，那對(duì)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(dòng)生成。這種方法雖然效率很高，但其明顯的缺點(diǎn)就是不夠靈活。一種形狀的壓坯對(duì)應(yīng)一種裝配模型，對(duì)應(yīng)的模型庫容量自然會(huì)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(xì)分為幾個(gè)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(shí)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(chǔ)于模型庫中，這種子裝配模型存儲(chǔ)的就是連接方式，可事先存儲(chǔ)很多種連接方式，當(dāng)設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)彈出選擇對(duì)話框，供用戶選擇連接方式，并且結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的每一步過程中都會(huì)與計(jì)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(jì)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(dòng)建模，因此修改成形零件尺寸均不會(huì)改變連接方式。采用第二種思路進(jìn)行模具裝配結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大大地增加了靈活性，減少了模型存儲(chǔ)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(jì)計(jì)算公式的程序化 

   在模具設(shè)計(jì)過程中，有大量的計(jì)算公式，將這些公式分類整理并進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，每個(gè)計(jì)算過程以函數(shù)的形式存儲(chǔ)于VB源代碼模塊中，從而構(gòu)建公式庫，在設(shè)計(jì)過程中只需設(shè)計(jì)人員輸入相關(guān)參數(shù)，計(jì)算過程交由計(jì)算機(jī)處理，有效地簡化了設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)過程，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)計(jì)算的自動(dòng)化。 

4.知識(shí)庫的構(gòu)建 

   工藝分析等設(shè)計(jì)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(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)和一些根據(jù)經(jīng)驗(yàn)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(shí)庫，供設(shè)計(jì)人員使用系統(tǒng)時(shí)隨時(shí)調(diào)用，以備參考。在設(shè)計(jì)過程中的一些經(jīng)驗(yàn)積累可以隨時(shí)更新入庫，不斷擴(kuò)充知識(shí)庫的參考價(jià)值。 

五、運(yùn)行實(shí)例 

下面以Ⅰ類壓坯模具設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)為例演示本系統(tǒng)的運(yùn)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(jìn)行工藝分析，調(diào)用相應(yīng)設(shè)計(jì)知識(shí)庫，如果工藝參數(shù)不合理，則返回第二步； 

第四步：進(jìn)行相關(guān)計(jì)算，包括模具尺寸計(jì)算、壓力計(jì)算、壓力校核以及壓機(jī)選擇等。此結(jié)果數(shù)據(jù)作為模具參數(shù)化設(shè)計(jì)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(jì)。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(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)傳遞給相關(guān)驅(qū)動(dòng)尺寸，進(jìn)行尺寸選定，然后進(jìn)入SolidWorks主裝配環(huán)境，同時(shí)調(diào)用自定義標(biāo)準(zhǔn)件庫、模型庫以及SolidWorks自帶標(biāo)準(zhǔn)件庫，以備在總裝配體環(huán)境中進(jìn)行零件拼裝； 

第六步：裝配設(shè)計(jì)。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(duì)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(duì)比修改，將選定的各個(gè)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(jī)械各領(lǐng)域的應(yīng)用已越來越普及，這極大地提高了機(jī)械設(shè)計(jì)的效率和合理性，而在此基礎(chǔ)上針對(duì)不同專業(yè)領(lǐng)域進(jìn)行的有專業(yè)特點(diǎn)的二次開發(fā)能更進(jìn)一步地提高設(shè)計(jì)人員的工作效率，縮短開發(fā)周期。經(jīng)過實(shí)踐，證明CAD技術(shù)能在粉末冶金模具設(shè)計(jì)領(lǐng)域得以應(yīng)用。一個(gè)完善的CAD系統(tǒng)將能很好地輔助工程人員進(jìn)行工作設(shè)計(jì)，粉末冶金模具種類繁多，如能更進(jìn)一步針對(duì)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。