0 引言
由于冲压模具具有品种多、数量大、更新快和单件生产等特点，在制造业竞争越来越激烈的今天，传统的模具设计制造方法越来越难以胜任市场的挑战。随着计算机辅助技术应用的日益广泛，如何在冲压模具生产中充分利用计算机辅助技术，提高模具的生产效率，缩短生产周期，全面提升模具生产技术水平，已成为近年来研究的重要课题之一。
1985年NISSAN公司开发了冲裁模CAD/CAM系统，可完成几何造型、排样图设计、凹模和凸模设计、标准件设计以及生产线切割纸带等功能。同时，日本微型模具中心开发了一个冲模CAD/CAM系统，可完成从产品图输入到输出标准件清单、模具总装图、零件图及NC代码的全过程。德国SREPPER模具制造公司的KIWI系统和PROFICAM系统集模具设计和制造于一体，能完成模具设计的全过程，并且能根据设计数据自动生成多种加工方式的加工程序，如线切割、磨削加工等加工方式的程序。国内冲模CAD/CAM技术研究虽然起步较晚，但发展很快，华中科技大学、浙江大学、上海交通大学等高校和企业都开展了相关研究。
近些年来，随着AutoCAD、NX、Pro/E等商品软件的推广应用，基于这些平台开发冲模CAD专用模块更具实际应用价值。由于模具的绝大部分零部件都可以标准化，因此，标准零部件的设计是一项费时费力且带有很大重复性的工作。为了提高设计效率，国内外许多企业、高校纷纷在不同的CAD平台上研究建立参数化的标准件库。但能够方便地嵌入不同的CAD平台，并且集标准件快捷检索、CAD建模、零件装配定位和BOM表自动生成等功能于一体的零件库系统尚不多见。因此，研究开发能方便嵌入各CAD平台的冲压模具用零部件智能CAD系统，对共享资源，减少模具设计过程中的重复性工作，提高模具设计质量与生产效率，快速响应动态多变的市场需求，具有紧迫性与重要的实际应用价值。
为了满足企业快速设计需求，本文基于前人研究成果，根据冲压模具用零件的特点以及企业的个性化需求，研究系统的设计方案和流程，以完成智能CAD系统的开发。
1 系统设计方案
本文拟开发可以嵌在AutoCAD、NX、Pro/E等主流CAD平台运行的冲压模具用零部件智能CAD系统。为了便于使用，要求可以通过图文并茂的“产品类别-型号-规格参数”选择界面，以及我的收藏夹、历史记录、按图索骥和高级检索等多种途径快速、方便地选择、检索所需各型号与规格参数的零部件，动态进行参数合法性校核，自动创建CAD模型、辅助装配，并生成BOM表等。
根据系统需求，本文提出图1所示系统总体框架。实现方式采用Kernel/Shell技术，即核心服务单独作为Kernel模块实现，与CAD相关的功能在Shell模块中实现。Kernel中实现零件查询、参数选择与校验、BOM表生成等功能。同时，提供接口、支持与其他系统的集成。Shell中实现参数建模、装配定位和遍历装配树/块表等功能。该方法有2个优势：
(1)易于扩展。内核功能脱离CAD软件系统，扩展到新的CAD平台时，只需开发对应的Shell模块；
(2)界面形式统一。无论在哪种CAD软件上运行，客户界面几乎完全相同，使得用户上手方便。
图1 标准件系统的总体框架
2 关键技术的实现
2.1 选型界面的动态生成
由于冲压模具用零部件种类繁多，如Misumi手册中就涵盖数10个大类、一万多个型号的标准件，因而用户界面的开发工作量相当的大。若采用基于类型树和固定界面的方式实现，不仅界面单调功能有限，不利于客户化定制开发。而且用户选型操作过程繁琐，使用不方便。参数选择界面如果不能实现参数约束与校核，任由用户随意选择/输入数值，有可能得不到正确的标准件，甚至会导致模型生成错误。为此，本文提出基于自定义用户控件的开发方式，能根据标准件对象更换界面布局，使用户操作更加简洁、方便。
界面模块主要实现3个功能：用户选择逻辑、各控件的布局和控件间关联。如图2所示，界面采用(BaseClass)产品类别选择→(TypeSelect)型号选择→(ParameterSelect)尺寸规格选择三个基类实现了三级界面的整体框架。ClassSelect界面类实现了产品群的选择，派生自TypeSelect的各界面类实现了相应产品类别下零件型号的选择，派生自ParameterSelect的各界面类负责实现各型号零件尺寸参数的选择。
图2 基于控件的自动化界面的实现结构图
图2还描述了该类界面的实现结构。控件群是针对不同的参数类型（离散、范围约束等）实现的一组基本控件(UserControl)。参数选择界面群是根据所选零件类型动态生成的一组用于具体规格参数选择的用户控件。当用户操作时，UserControlManager根据上级界面用户选择，在数据表尺寸明细中查询该零件的所有参数名称及类型，并根据类型到对应的数据表中查询具体的数据，创建参数对应的控件，填充数据，将其布置到界面上。最后，由主参数初值初始化主控件。同时，根据参数的约束关系，将相应的控件更新代理(delegate)加入到Updated事件委托中。该事件在用户输入或改变参数值时向其他与之关联的控件发出消息，告知其更新数据，即根据相关的约束表达式计算刷新候选参数。
2.2 标准件参数化建模
参数化设计主要有程序驱动法和尺寸驱动法2种。程序驱动法是将设计过程的所有关系式融入应用程序中，然后在程序的控制下，顺序执行那些设计表达式，通过与用户的交互完成设计工作。尺寸驱动是采用三维模型与程序控制相结合的方式，通过手工方式建立好模板模型，并建立一组能够控制三维模型和拓扑关系的设计参数，然后通过程序检索去读取这些参数，同时，通过用户界面对话框的返回值，以改变参数值，进而生成所需要的模型。本系统对于AutoCAD标准件库，采用程序驱动法，将用户界面传递的尺寸参数转化为数字，驱动程序修改变量值，生成新的图形，如图3所示。另外，AutoCAD还包含有如公差标注，材质、硬度等在三视图右下角显示的相关信息，因此还包括一个附加数据库用于存放上述信息。NX和Pro/E的标准件库采用尺寸驱动法，即先在NX和Pro/E平台上以手工方式．按照正确的拓扑关系建立标准件模板库和模板型号对应表，再通过程序控制生成新模型，如图4所示。
2.3 零件追加加工的实现
在CAD三维设计软件中一般都有通过间接的抑制特征的方法来抑制CAD模型过渡特征。这种对零件特征进行特殊的隐藏处理方法可以改变零件的拓扑结构，但被抑制的特征完全不会影响零件的3D模型使用效果。可以释放被抑制的特征，使被抑制的特征恢复到原来的建模环境。
在模具设计中，标准零件的类型很多，形状各异，而且所需要的追加加工各有不同，如果通过程序逐一控制特征的隐含和恢复，需要的工作量很大，丽且检查和调试上也要花费很多时间。所以单纯想通过程序抑制的方法，实现零件的追加加工，无法满足模具设计的需求。
图3 AutoCAD平台下标准件库的系统结构
图4 Pro/E和NX平台下标准件库的系统结构
本文通过Pro/TOOLKIT与Pro/Program结合的方式实现利用参数控制特征的隐含和恢复，实现Pro/E建模特征的参数化，从而完成零件的追加加工。具体方法如下。
(1)建立不同类型零部件追加加工的数据库，用于追加加工型号相对应的参数来表示追加加工。
(2)根据特定的追加加工参数规范，在Pro/E模板中编辑Pro/Program程序，在关系式部分中，编辑零件阵列特征的控制参数，建立参数与阵列的数量、选择的角度等关系。再在模型创建部分，结合“ADD FEATURE...ENDADD”结构编辑Pro/Program程序，建立参数与用于追加加工的特征之间的关系。
(3)在基于Pro/TOOLKIT的系统程序中根据零件的型号判断零件可能的追加加工型号，根据追加加工数据库，在选型界面显示供用户选择追加加工的型号及设置带参数的追加加工的参数。根据用户的选择，Pro/TOOLKIT的API函数会给零件模板中的所有追加加工参数传递值并再生模型，再生后Pro/Program会再次执行，通过参数的值对特定的特征进行控制。
通过以上方法便可以最大限度地减少模板量，实现对零件模型的追加加工。
3 运行实例
该冲压模具用零件智能CAD系统集零部件选型、规格参数动态计算、模型预览、CAD建模与装配定位以及工程图、统计表自动输出等功能于一体，用户只需根据所设计的模具选择各需要零部件参数及追加加工，即可快速生成零部件三维模型和工程图，其三维模型可在特定的CAD平台上装配。
下面以一简单落料模设计来说明系统的实际应用。在Pro/E软件上安装该系统后，其主菜单上将会加载该系统菜单，并根据用户选择弹出相应交互界面。如用户根据设计需求，检索或选择模架（座）用导柱，系统弹出图5所示导柱的参数选择界面。当用户选择合适的尺寸参数及追加加工，即可浏览其三维模型。一旦用户确认，系统将生成该导柱的三维模型，并提示选择合适的装配定位，将其装配到模架上，如图6所示。与此类似，用户可以选择其他的零部件，重复以上操作，直到完成整副模具设计。
图5 系统界面
图6 落料模装配模型
4 结论
标准化是实现模具快速、准确及高效设计的必要条件，标准件库已成为模具CAD的重要组成部分。标准件库的建立对提高模具设计的效率、质量和缩短产品开发周期都将起到重要的作用。本文以冲压模具中涉及的标准件为对象，研究开发冲压模具用零部件智能CAD系统。采用VC++语言，开发了友好的人机交互界面，并将开发的界面模块制作成标准的COM接口，从而不受CAD平台限制，实现用户界面与各CAD模块的独立开发，控件参数实现动态约束和校核。在后续研究中，将注重于进一步融合模具设计知识与流程，向模具智能设计系统拓展。
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本文标题：冲压模具用零件智能CAD系统的开发
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