级进模的自动化结构设计系统开发
Bor-Tsuen Lin amp; Kun-Min Huang amp; Kuan-Yu Su amp; Cheng-Yi Hsu
摘要 级进模的设计是知识非常密集，复杂的，和耗时的过程。本文描述了一个用于拉伸，弯曲，和冲压操作的级进模的计算机辅助结构设计的体系。利用预先构建的设计知识和数据库的优势，该系统能够根据用户输入的一组最低限度的设计信息输出级进模的主要部件和标准件的设计。我们的系统是在CATIA V5软件的基础上实现，并使用其内置的模块，包括零件设计，装配设计和知识顾问。我们的系统还包括推理引擎和用户接口。实验结果表明，我们的系统成功地为一个手机上盖级进模的主要和标准件的结构设计，减少了设计时间从约七个工作日到少于2小时，它可以显着地节省设计时间和成本，并且还提供优秀的设计质量。
关键词 级进模 自动化的结构设计系统 细节设计 装配设计 知识库
1引言
冲压件广泛应用于高度复杂和精密的产品，如汽车，计算机，通信和电子消费相关产品，因为他们的具有竞争力的性能和效率。冲压工艺已被认定为最重要的制造工艺之一。然而，设计冲压模具是整个开发过程的关键部分之一。除了高度复杂的模具结构，各种设计参数之间的干扰也使设计任务非常困难和耗时。普遍认为，设计模具是一门艺术而不是一门科学。
近年来，计算机技术和三维计算机辅助设计（CAD）软件都得到了迅速发展，并且3D CAD软件已经被广泛地应用于设计冲压模具。实体模型为用户提供了模具设计的直观和具体的视图，从根本上减少了设计时间。大多数3D CAD软件只提供了一个简单的几何造型功能。然而，他们无法为用户提供足够的设计知识，在大多数设计任务中，设计知识是很大的帮助。
因此，自动化，智能化系统的设计一直是全世界积极研究的课题。对于专用系统的建设，Sharma和Gao[1]提出集成设计和制造规划系统，支持概念设计和重置行为。 Nahm和Ishikawa[2]利用基于集合的参数化建模技术设计方法来处理设计早期阶段的固有不确定性。Myung和Han[3] 基于配置的设计方法构建了一个专家系统来设计机械产品。 Lee等人[4] 为采用自动LISP的冷锻开发了一个参数化计算机辅助工具设计系统。Kong等[5]采用了一种基于实体工作，使建模过程更高效的一个Windows原生3D注塑模具设计系统。 Chu等人[6]在CATIA 中使用CAA开发了3D轮胎模具生产的计算机辅助参数化设计系统。
在冲压模具设计领域，Pilani等[7]提出了一种基于模面成形性能参数自动生成最优模面设计的神经网络方法。基于钣金作业，Singh 和 Sekhon [8] 基于AutoCAD和使用AutoLISP开发了一种冲孔机专家选择系统。Lin和Kuo[9] 为冲压行李箱盖外板的模具开发了一个集成CAD / CAE / CAM的系统。Lin等人[10-12]利用集成经验公式的CAD软件为汽车拉伸模结构开发自动化设计系统。
在一个级进模中，工件在多个冲压位置产生的。在每个位置，一个或多个冲模的操作是在金属带材上进行。这个完成的工件在每个压力的冲击下完成生产。Cheok和Nee [13] 在AutoCAD开发了一种基于知识的条料布局设计系统。 Chang等人[14]建立了遗传算法来解决级进模工作步骤排列的问题。 Kim等人[15] 为带有弯曲和冲孔操作的电动产品开发了工艺设计系统的。Ismail等人[16]利用廉价的CAD软件开发了基于特征的交互式带料布局设计系统。 Ghatrehnaby和 Arezoo[17]引入了基于集合论，使用工位的最小数和扭矩平衡标准来优化条料布局的数学模型。Tor等人[18]为冲压工艺规划提出了以知识为基础的黑板框架，去通过自动化带布局设计，加快进模设计过程。 Jiang等人[19] 提出了使用面向对象的，基于特征的方法，针对级进模的嵌入自动化设计的系统的表示方法。 Giannakakis和Vosniakos [20] 为模具设计的工艺计划和板材切割和冲孔操作开发了一个专家系统。 Jia等人[21]开发了级进模自动板孔设计系统。Jia等人 [22]提出级进模凹凸模自动化的结构设计。
虽然设计金属模具是知识非常密集，复杂的，耗时的过程，在整个过程中使用的技术是成熟的，这形成了整个加工规程。为了使设计过程更加高效和更优质的，本文针对拉伸，弯取，冲压级进模介绍了一种自动化的结构设计系统。设计人员只需输入一组最小的设计信息，系统将自动完成级进模的结构设计。
2级进模设计
手机外壳是由级进冲压工艺制造的。级进冲压件的设计由两部分组成：条状金属片的排版设计和级进模的结构设计。
2.1金属带料排版
手机壳的冲压过程中，如图1所示，由以下九个子任务：在第一和第二工位是用于冲导向孔和原料轮廓。第三工位是用于绘制的外壳形状。第四工位是压出外壳造型和冲试点孔。第五到第八工位是弯曲耳机和充电器孔，冲出键盘和屏幕孔，侧冲压耳机和充电器孔。最后的工位用于从条料上分离产品。级进过程包括在单个模具的所有子任务。这种冲模被称为级进模。每个级进模内执行的操作被称为一个工位。
图1 手机上盖的条料布局
因为条状金属片应连续供给到级进系统，金属板卷材被送入进模之前会通过整平机，矫直机，和进料器，在那里它们被每个工位处理。条料不仅提供用于冲压工艺原料而且还携带工件从一个工位到另一个。用于工件相邻工位连接的部分称为承载架，承载架和工件之间的部分称为桥。长条料每向前移动一次，称为一个工步。在每个工位的正确定位的工件，有若干在承载架和工件上的基准孔，我们称之为定位孔。
2.2级进模配置
一个典型的渐进模的设计结构中，如图2所示，可分为两大类部分组成。第一类被称为主部分，其中包括上模，下模，模具板，冲头板，压边板，打孔后板，上浮升销，下浮升销，凸轮机构，冲裁冲头，弯曲冲头，和模具所需的每个过程站。这些部件的设计完全取决于进模的说明书和客户的要求。第二类是所谓的标准件，如内六角螺钉，定位销，卸料螺钉，导柱，和滑动导套。这些标准件可以从市场中不同的尺寸。
图2用于手机上盖的级进模结构图
级进模开发手机壳包括以下基本工位：冲孔，落料，拉伸，弯曲，二次冲压，侧面打孔和分离。这些工位应该定位在基础上，逐渐间隔相等的距离。我们可能还需要为每个工位设计一些结构部件。定位销被用来确保所述条料稳定地在级进模里向前移动。复位器被用来每个工位完全分离产品与模具的接触面。为了改进冲压精度，使用了大量的导向和定位部件，包括分别设置在上，下模的导套和导柱。当相邻工位之间没有有足够的空间或者存在一些薄弱环节，我们需要在两者之间添加一个空工位。
2.3设计进模的结构部分
大多数级进模是一次性的。因此，设计人员必须考虑的技术要求和预算提供最佳的模具设计，以满足客户的期望。大多数模具结构非常复杂，级进模的设计过程包括三个阶段：模具设计的信息，主要部件的设计和标准件的设计。
设计系统所需模具设计信息是最低限度的一组的信息，包括条料布局功能线，板材厚度，行进间距。
条料的功能性表面和线条布局：如图3所示，条料布局落料线，模具表面，冲孔线，弯曲线，侧冲线和切割线空出原料轮廓，拉伸和再拉伸外壳形状，冲键盘和屏幕的孔，弯曲和侧冲压耳机和充电器孔，并且切断壳轮廓。
图3 手机上盖的功能面和线的带料布局
板厚和渐进间距：板厚用于为穿孔，落料，拉伸，弯曲，再起弧，边冲压和切割过程确定两个匹配部件的间隙和公差。逐行间距是每个冲压工艺的距离。
级进模的尺寸是基于功能表面和线条，板材厚度，其带料布局上方的间距决定的。模具设计工程师能够一次完成模具固定部分的尺寸设计。
在主体部件设计阶段，主要部分被确定，其中包括上模，下模，模具板，冲头板，压边板，打孔后板，上部复位，下部复位，凸轮机构，落料凹模，弯曲凸模的形状和尺寸。
取的凸轮机构作为一个例子的设计，它的设计准则，给出如下：
工作行程不得超过20毫米。
凸轮机构的工作方向应是垂直于侧冲孔。
最大冲孔力应不得超过10000 N。
图4示出它的设计规格。
图4 凸轮机构的设计规格
在标准件的设计阶段，标准件被确定，其中包括内六角螺钉，定位销，卸料螺钉，导柱，和导套的类型，数量和大小。同时，设计工程师需要将标准件装配到主要部分里。
以六角螺丝的设计为例，其设计原则示于图5。
图6表示出它的设计规格。
图5 内六角螺钉的设计导则
图6 内六角螺钉的设计规格
3系统组件
从用户接收的所有所需的设计信息后，这个系统能够根据设计准则和规格完成级进模的设计。所提出的系统的设计中，如图7所示，包括用户界面，推理引擎，设计知识的基础，设计数据库和CAD软件。每个部分在以下小节介绍。
图7 系统组成
3.1用户接口
用户接口负责设计者和系统之间的通信。该系统的用户界面，允许用户输入数字字母和图形信息。用于输入字母数字信息的接口用来输入板材厚度，进步距离和存储的文件的路径，而输入的图形信息的接口是用来选择带料布局，落料线，模具表面，落料线，穿孔线，弯曲线，侧冲压线和切割线的3D绘图文件。
3.2推理引擎
推理引擎是我们系统的核心。它负责产生基于用户输入进模的结构部分的实体设计。推理引擎由四个单元：零件选择，形状计算器，模型生成，和推理协调器。设计信息是通过使用交互式方法的用户输入后，该类型的结构件及其实体模型的参数分别由基于设计程序的设计系统自动选择和计算的。因此，由3D CAD系统自动生成实体模型。一旦在建模过程中出现任何错误，系统将发送错误信息给使用者。
推理协调器的功能是中和其他三个单元中的推理引擎。从用户界面的设计信息的输入开始，推理协调器将在设计流程的基础上设计级进模的各结构部分。对于每个部分，种类，数量，位置，方向，以及部分的尺寸由部分选择器确定的。然后，形状运算开始计算各部件的形状并触发模型发生器来完成的零件的实体模型设计。
该部分选择器提供的类型，数量，位置，方向，和与该结构件的大小的数据。对于每个部分，部件的类型由用于主要零件或孔识别规则的部分选择器的标准件或者设计准则确定。所述部分选择器还负责确定数量，位置，和该部分的大小。因此，当系统在设计部分，该选择器将根据从设计信息，设计指南，以及孔识别规则导出的约束和公式选择的种类，数量，位置，方向，和各部分的大小。
形状计算器可以在根据结构部件的类型和尺寸提供结构件的形状的参数。此计算器将计算基于所述结构部件的设计规范下各形状参数的所有设计值。
该模型生成器可以为结构件进行三维实体建模过程。它可用于通过根据类型，数量，位置，方向和候选结构部件形状参数在建模过程中整合各个结构部分的所有几何运算来构造结构部分的实体模型。由于实体模型的参数由系统自动计算，而不是从与用户的相互作用产生的，对于这种实体模型建模过程是由三维CAD系统自动执行。
3.3知识库
知识库包含设计流程和设计指南。设计流程概述了各结构部件的设计和建模过程。设计准则被用来决定每个结构件的类型，大小，数量，方向，和位置。
在设计知识库，模具被系统地分为主要部件和标准件使用标准化的3D方式来构建级进模。各种主要和标准件之间的连接的把握对每个主要和标准件是必不可少去获得适当的设计过程。逐项建模过程的每个部分，以及在这些方法中所使用的几何运算，是在知识库获得。此外，主要部件的设计指南，标准件的孔识别规则，公式3D图的设计参数，逐项文字都被收集然后以电子书的形式提供参考，培训和调试任务。
3.4设计数据库
设计数据库提供设计规范的主要零件和标准件。设计规范指定每个主要零件和标准件的类别范畴。
每个主设备和标准件的设计规范以二维图表描绘。此外，各图后面是逐条列出相关的形状参数和标准尺寸的表格。在设计数据库中的所有信息以电子书的形式来方便收集。
3.5 CAD软件
该系统在CATIA CAD系统之上用它的“附加”零件设计，装配设计和知识工程顾问模块得到实施。零件设计模块是为收费指挥和执行构建3D模型的过程。因此，推断协调器被建立进这个模块中。部件选择器使用公式编辑器和规则编辑器模块，而形状计算器采用了创成式外形设计模块。该模型生成器使用的Visual Basic（VB）来开发用于生成实体模型的程序。装配设计模块用于标准件组装成的主要部分。 VB的也用于构造字母数字和图形用户界面。
4自动化结构设计系统建设过程
所提出的系统用基于Windows XP操作系统CATIA三维CAD软件来构造。这个系统被设计在一台PC中使用，并使用CATIA软件内置模块，包括零件设计，装配设计，与知识顾问显影。通过用户输入的设计信息，我们的系统能够自动地生成基于所述使用设计准则和级进模的主要和标准件的设计规格的设计程序来设计实体模型。有七个步骤来构造所提出的系统，这将在下面的章节进行说明。
4.1模具结构分析
lt;
剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
英语原文共 13 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[147117]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
