0 引言
由于沖壓模具具有品種多、數量大、更新快和單件生產等特點，在制造業競爭越來越激烈的今天，傳統的模具設計制造方法越來越難以勝任市場的挑戰。隨著計算機輔助技術應用的日益廣泛，如何在沖壓模具生產中充分利用計算機輔助技術，提高模具的生產效率，縮短生產周期，全面提升模具生產技術水平，已成為近年來研究的重要課題之一。
1985年NISSAN公司開發了沖裁模CAD/CAM系統，可完成幾何造型、排樣圖設計、凹模和凸模設計、標準件設計以及生產線切割紙帶等功能。同時，日本微型模具中心開發了一個沖模CAD/CAM系統，可完成從產品圖輸入到輸出標準件清單、模具總裝圖、零件圖及NC代碼的全過程。德國SREPPER模具制造公司的KIWI系統和PROFICAM系統集模具設計和制造于一體，能完成模具設計的全過程，并且能根據設計數據自動生成多種加工方式的加工程序，如線切割、磨削加工等加工方式的程序。國內沖模CAD/CAM技術研究雖然起步較晚，但發展很快，華中科技大學、浙江大學、上海交通大學等高校和企業都開展了相關研究。
近些年來，隨著AutoCAD、NX、Pro/E等商品軟件的推廣應用，基于這些平臺開發沖模CAD專用模塊更具實際應用價值。由于模具的絕大部分零部件都可以標準化，因此，標準零部件的設計是一項費時費力且帶有很大重復性的工作。為了提高設計效率，國內外許多企業、高校紛紛在不同的CAD平臺上研究建立參數化的標準件庫。但能夠方便地嵌入不同的CAD平臺，并且集標準件快捷檢索、CAD建模、零件裝配定位和BOM表自動生成等功能于一體的零件庫系統尚不多見。因此，研究開發能方便嵌入各CAD平臺的沖壓模具用零部件智能CAD系統，對共享資源，減少模具設計過程中的重復性工作，提高模具設計質量與生產效率，快速響應動態多變的市場需求，具有緊迫性與重要的實際應用價值。
為了滿足企業快速設計需求，本文基于前人研究成果，根據沖壓模具用零件的特點以及企業的個性化需求，研究系統的設計方案和流程，以完成智能CAD系統的開發。
1 系統設計方案
本文擬開發可以嵌在AutoCAD、NX、Pro/E等主流CAD平臺運行的沖壓模具用零部件智能CAD系統。為了便于使用，要求可以通過圖文并茂的“產品類別-型號-規格參數”選擇界面，以及我的收藏夾、歷史記錄、按圖索驥和高級檢索等多種途徑快速、方便地選擇、檢索所需各型號與規格參數的零部件，動態進行參數合法性校核，自動創建CAD模型、輔助裝配，并生成BOM表等。
根據系統需求，本文提出圖1所示系統總體框架。實現方式采用Kernel/Shell技術，即核心服務單獨作為Kernel模塊實現，與CAD相關的功能在Shell模塊中實現。Kernel中實現零件查詢、參數選擇與校驗、BOM表生成等功能。同時，提供接口、支持與其他系統的集成。Shell中實現參數建模、裝配定位和遍歷裝配樹/塊表等功能。該方法有2個優勢：
(1)易于擴展。內核功能脫離CAD軟件系統，擴展到新的CAD平臺時，只需開發對應的Shell模塊；
(2)界面形式統一。無論在哪種CAD軟件上運行，客戶界面幾乎完全相同，使得用戶上手方便。
圖1 標準件系統的總體框架
2 關鍵技術的實現
2.1 選型界面的動態生成
由于沖壓模具用零部件種類繁多，如Misumi手冊中就涵蓋數10個大類、一萬多個型號的標準件，因而用戶界面的開發工作量相當的大。若采用基于類型樹和固定界面的方式實現，不僅界面單調功能有限，不利于客戶化定制開發。而且用戶選型操作過程繁瑣，使用不方便。參數選擇界面如果不能實現參數約束與校核，任由用戶隨意選擇/輸入數值，有可能得不到正確的標準件，甚至會導致模型生成錯誤。為此，本文提出基于自定義用戶控件的開發方式，能根據標準件對象更換界面布局，使用戶操作更加簡潔、方便。
界面模塊主要實現3個功能：用戶選擇邏輯、各控件的布局和控件間關聯。如圖2所示，界面采用(BaseClass)產品類別選擇→(TypeSelect)型號選擇→(ParameterSelect)尺寸規格選擇三個基類實現了三級界面的整體框架。ClassSelect界面類實現了產品群的選擇，派生自TypeSelect的各界面類實現了相應產品類別下零件型號的選擇，派生自ParameterSelect的各界面類負責實現各型號零件尺寸參數的選擇。
圖2 基于控件的自動化界面的實現結構圖
圖2還描述了該類界面的實現結構。控件群是針對不同的參數類型（離散、范圍約束等）實現的一組基本控件(UserControl)。參數選擇界面群是根據所選零件類型動態生成的一組用于具體規格參數選擇的用戶控件。當用戶操作時，UserControlManager根據上級界面用戶選擇，在數據表尺寸明細中查詢該零件的所有參數名稱及類型，并根據類型到對應的數據表中查詢具體的數據，創建參數對應的控件，填充數據，將其布置到界面上。最后，由主參數初值初始化主控件。同時，根據參數的約束關系，將相應的控件更新代理(delegate)加入到Updated事件委托中。該事件在用戶輸入或改變參數值時向其他與之關聯的控件發出消息，告知其更新數據，即根據相關的約束表達式計算刷新候選參數。
2.2 標準件參數化建模
參數化設計主要有程序驅動法和尺寸驅動法2種。程序驅動法是將設計過程的所有關系式融入應用程序中，然后在程序的控制下，順序執行那些設計表達式，通過與用戶的交互完成設計工作。尺寸驅動是采用三維模型與程序控制相結合的方式，通過手工方式建立好模板模型，并建立一組能夠控制三維模型和拓撲關系的設計參數，然后通過程序檢索去讀取這些參數，同時，通過用戶界面對話框的返回值，以改變參數值，進而生成所需要的模型。本系統對于AutoCAD標準件庫，采用程序驅動法，將用戶界面傳遞的尺寸參數轉化為數字，驅動程序修改變量值，生成新的圖形，如圖3所示。另外，AutoCAD還包含有如公差標注，材質、硬度等在三視圖右下角顯示的相關信息，因此還包括一個附加數據庫用于存放上述信息。NX和Pro/E的標準件庫采用尺寸驅動法，即先在NX和Pro/E平臺上以手工方式．按照正確的拓撲關系建立標準件模板庫和模板型號對應表，再通過程序控制生成新模型，如圖4所示。
2.3 零件追加加工的實現
在CAD三維設計軟件中一般都有通過間接的抑制特征的方法來抑制CAD模型過渡特征。這種對零件特征進行特殊的隱藏處理方法可以改變零件的拓撲結構，但被抑制的特征完全不會影響零件的3D模型使用效果。可以釋放被抑制的特征，使被抑制的特征恢復到原來的建模環境。
在模具設計中，標準零件的類型很多，形狀各異，而且所需要的追加加工各有不同，如果通過程序逐一控制特征的隱含和恢復，需要的工作量很大，麗且檢查和調試上也要花費很多時間。所以單純想通過程序抑制的方法，實現零件的追加加工，無法滿足模具設計的需求。
圖3 AutoCAD平臺下標準件庫的系統結構
圖4 Pro/E和NX平臺下標準件庫的系統結構
本文通過Pro/TOOLKIT與Pro/Program結合的方式實現利用參數控制特征的隱含和恢復，實現Pro/E建模特征的參數化，從而完成零件的追加加工。具體方法如下。
(1)建立不同類型零部件追加加工的數據庫，用于追加加工型號相對應的參數來表示追加加工。
(2)根據特定的追加加工參數規范，在Pro/E模板中編輯Pro/Program程序，在關系式部分中，編輯零件陣列特征的控制參數，建立參數與陣列的數量、選擇的角度等關系。再在模型創建部分，結合“ADD FEATURE...ENDADD”結構編輯Pro/Program程序，建立參數與用于追加加工的特征之間的關系。
(3)在基于Pro/TOOLKIT的系統程序中根據零件的型號判斷零件可能的追加加工型號，根據追加加工數據庫，在選型界面顯示供用戶選擇追加加工的型號及設置帶參數的追加加工的參數。根據用戶的選擇，Pro/TOOLKIT的API函數會給零件模板中的所有追加加工參數傳遞值并再生模型，再生后Pro/Program會再次執行，通過參數的值對特定的特征進行控制。
通過以上方法便可以最大限度地減少模板量，實現對零件模型的追加加工。
3 運行實例
該沖壓模具用零件智能CAD系統集零部件選型、規格參數動態計算、模型預覽、CAD建模與裝配定位以及工程圖、統計表自動輸出等功能于一體，用戶只需根據所設計的模具選擇各需要零部件參數及追加加工，即可快速生成零部件三維模型和工程圖，其三維模型可在特定的CAD平臺上裝配。
下面以一簡單落料模設計來說明系統的實際應用。在Pro/E軟件上安裝該系統后，其主菜單上將會加載該系統菜單，并根據用戶選擇彈出相應交互界面。如用戶根據設計需求，檢索或選擇模架（座）用導柱，系統彈出圖5所示導柱的參數選擇界面。當用戶選擇合適的尺寸參數及追加加工，即可瀏覽其三維模型。一旦用戶確認，系統將生成該導柱的三維模型，并提示選擇合適的裝配定位，將其裝配到模架上，如圖6所示。與此類似，用戶可以選擇其他的零部件，重復以上操作，直到完成整副模具設計。
圖5 系統界面
圖6 落料模裝配模型
4 結論
標準化是實現模具快速、準確及高效設計的必要條件，標準件庫已成為模具CAD的重要組成部分。標準件庫的建立對提高模具設計的效率、質量和縮短產品開發周期都將起到重要的作用。本文以沖壓模具中涉及的標準件為對象，研究開發沖壓模具用零部件智能CAD系統。采用VC++語言，開發了友好的人機交互界面，并將開發的界面模塊制作成標準的COM接口，從而不受CAD平臺限制，實現用戶界面與各CAD模塊的獨立開發，控件參數實現動態約束和校核。在后續研究中，將注重于進一步融合模具設計知識與流程，向模具智能設計系統拓展。
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本文標題：沖壓模具用零件智能CAD系統的開發
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