沖壓模具CAD/CAE/CAM一體化系統的研究對制造業的發展起著至關重要的作用， CAD技術越來越廣泛而深入地運用在制造業的各個方面。與此同時目前工程設計中所出現的大量的重復性勞動和繁復的工程計算，已經逐漸成為各個工程設計中的常見問題。實踐證明，三維設計是CAD應用發展的必然趨勢，為了更有效發揮CAD系統的作用，必須對系統進行二次開發，對其進行零件標準化，部件通用化，以及典型零部件參數化，實現CAD/CAE/CAM系統的專業化和用戶化。

一、沖裁模三維標準件庫的建立

1.二次開發工具概述

(1)CATIA/Open CAA

它是C A T I A軟件包中的一個模塊， 是達索公司提供的用于CATIA的二次開發軟件工具。使用CATIA/Open CAA語言可以創建類似FORTRAN一樣的程序，并與CATIA系統集成。由于CAA與CATIA緊密集成，所以利用CAA程序，可以完成與CATIA的各種交互操作。

(2)Visual C

它是美國Microsoft公司推出的Windows操作系統下的編程環境，是深受廣大程序員和用戶歡迎的功強大的、具有吸引力的Windows應用程序開發系統。

2.三維標準件庫開發方法的比較與確定

(1)程序參數化建模

運用開發工具編制若干具有獨立功能的程序模塊，用戶可以進行交互選擇，只需要輸入少量的信息和參數，就能起動相應的程序模塊，使系統自動完成數據訪問、數據運算、構造和編輯實體等操作，從而生成所需規格的標準件圖形。

(2)直接系統建模法

利用C A D系統提供的建模功能，將標準零件分類，并分規格地建立起模型，供設計人員在設計過程中使用。這種建庫過程即為建模過程。與其他建模過程相比，這種方法的優勢是明顯的。

◎建庫的過程就是利用系統的建模工具來建模的過程，方法簡便直觀，可以由CAD系統的使用人員來進行，不需要專業的開發人員來進行二次開發。

◎對系統的要求較低，系統不具備參數化的功能也可完成。

但這種方法的缺點是工作量巨大，且存儲量巨大。將每個規格的標準件均建立起模型，其工作量和存儲量是可想而知的。

直接系統建模可以采用建模之后用軟件管理的辦法，使查找和調用都自動進行，這樣就可以集大家的力量共同攻克參數化繪制中所遇到的困難，例如結構復雜的標準件等。

(3)參數化系統建模法

結合標準零件的數據特點以及軟件的參數化功能，可以有效地克服直接系統建模法缺陷，因此利用系統建模的較為可行的辦法是利用參數化技術，這就是我們所說的參數化系統建模法。這種方法比較適用于建立三維標準件庫。利用這種方法建庫的基本步驟為建模、參數化和管理。

1)建模 建立標準零件模型的過程就是利用系統提供的建模工具建模的過程，大多數CAD系統均提供了高性能的二維、三維設計及通用幾何造型工具，包括特征造型、體素造型和參數化造型等技術，因此可以較為方便地設計出標準件實體模型。

2)模型參數化 參數化設計的關鍵是建立一套描述設計參數和尺寸參數間的約束方程組，然后根據一組新的尺寸求新的設計參數。用這類系統設計的特征均已定義好約束并都已參數化，修改模型尺寸可通過系統直接進行，即可以用具體的參數驅動該模型來生成不同尺寸系列的標準件。用這種系統設計的標準建庫的優點是用戶自由度較大，不但可以生成不同尺寸系列的標準件，而且可以獲得不同形狀系列的標準件。

3)管理 大多數CAD/CAM軟件都提供了一套完善的存儲管理機制，從而為建立標準件庫提供了基礎。但是標準件庫的建立僅僅為存放標準件模型提供了一個場所，而CAD/CAM系統提供的管理機制一般也只提供按標準件模型名調用的方式，這種管理方法不便于用戶使用標準件庫中的標準件。因此，要想方便地使用標準件庫內的標準件模型，就需要設計開發出一套標準件庫管理軟件。

參數化系統建模法的優勢在于能夠充分利用系統的參數化功能，并且不需要太多的額外開發工作，用戶便可按實際需求獲得適合的標準件系列，該方法具有一定代表性。缺點在于建庫的工作量大，而且由于三維尺寸標注不具有自動檢測功能，所以可能會出現過約束或欠約束的尺寸，從而使標準件庫中出現無法準確定位或無效的結構。

3.沖裁模具三維標準件庫的實現方法

根據前面對開發三維標準件庫方法的分析，結合具體要求，本系統中參數化標準件庫的構造過程是對不同的標準件進行分析，決定采用哪一種建模方法，對不同的方法采用不同的實現步驟。這里主要介紹參數化系統建模方法。

(1)程序參數化建模

程序參數化建模的工作流程如圖1所示。

圖1 程序參數化建模的工作流程

(2)直接系統建模

直接系統建模的工作流程如圖2所示。

圖2 直接系統建模的工作流程

(3)參數化系統建模

本系統中參數化標準件庫的構造過程分為如下幾步：

1)建立標準件參數化實體模型建立參數化模型的過程主要利用CATIA的功能來實現。在CATIA中，實體造型的過程如圖3所示。

圖3 參數化系統建模參數實體模型

模型驅動技術是模型參數化的關鍵技術，在零件驅動的前后只發生尺寸大小的變化，拓撲關系不變。在零件模型中，包含零件實體及其尺寸、驅動變量和參考變量等，分別對應于下面列出的CATIA的三種尺寸標注方式。

◎數值形式：以數值的形式表示尺寸；

◎變量名形式：給每個尺寸一個代號，按先后標注用d0,d1～dn表示；

◎方程形式：如d3=d1。

模型實體決定了零件的拓撲關系，常量尺寸為模型中不變的約束，驅動變量為取一定數值的可變約束，參考變量是驅動變量的運算組合。模型驅動只直接改變驅動變量的取值，參考變量根據驅動變量的變化自動更改。造型軟件根據模型實體造型過程和新的變量取值重新計算，從而得到新的零件。

2)讀入相關參數值 參數數據組織即根據標準件參數的特點，研究出合理的數據結構來描述標準零件的參數數據，可將參數數據分成下面兩大類。

◎主參數類(單參數類)：這類標準零件的參數數據中決定性參數只有一個，當其主參數確定下來之后，其他參數便全部都可以相應地確定下來了。

◎主參數、次主參數類(雙參數類)：這類零件除具有一個主參數之外，還存在一個與主參數系列相對應的次主參數組，在確定了主參數之后，次主參數只能確定一個取值的范圍，只有確定了次主參數的值之后，零件的所有組成參數才能全部確定下來。

3)調入模型進行裝配 把所有的模型都存放在一個路徑下，構成一個庫文件。此時程序應提供一個功能，自動搜索所需的零件，把它調入并安裝在相應位置。

4)輸出表達式文件 由于CATIA系統有調入的零件時表達式要在原表達式基礎上加“ ‘ ”和一個數字序號以區別的約定，所以更改表達式要自動提取這個數字序號。

5)按相關參數修改表達式 按新表達式修改模型。參數化系統建模的工作流程如圖4所示。

(4)系統集成

標準件的管理界面的功能用于實現用戶對需要的標準件的種類的選擇。因此，需要在界面中能夠根據用戶的選擇顯示出相應的標準件的系列、規格、參數及各參數等意義，以供用戶確認。把所有函數都集成起來這樣，就形成了一個功能強大的專業函數庫。

圖4 參數化系統建模的工作流程

主程序中列出了所有的標準件的名稱的按鈕，點擊按鈕后進入下一級對話框，如圖5所示。這時系統將顯示相應標準件的相關信息及各參數的相關信息，然后再根據具體情況，提示用戶輸入相關的參數或選擇相應的按鈕。

圖5 標準件選擇對話框

在CAA語言中，提供了功能強大的人機交互語句，用戶可以利用CAA程序提供與系統對話的功能，完成交互操作。所以這些管理界面可以用標準件庫操作，界面可以用CAA程序實現。Visual Basic對于編制應用程序界面方面有其獨到的優勢，所以標準件的相關信息用Visual Basic程序實現即可。

在圖形編輯、實體造型方面CAA程序就顯得力不從心了。因此在本系統中可以采用CAA程序來進行數據的組織、界面的制作以及數據處理等工作；而對于實體造型，則在CATIA系統中進行，這樣就可以發揮各自的優勢，把三個系統集成，形成一個界面友好、功能強大的沖裁模具計算機輔助設計系統。系統結構如圖6所示。

圖6 模具CAD系統結構圖

二、沖裁模三維標準件庫的應用實例

1.實例說明

圖7是轎車控制臺左右側上橫梁加強板的產品數模，材料厚度為1mm。

圖7 零件產品數模

2.模具設計要求

整套工序為左右件同模制造，本實例為4/4沖孔工序。由于孔位及孔徑的精度要求，將沖壓方向進行調整，使得五個安裝孔正沖外，斜面上的兩個安裝孔需要吊沖來實現。因此，模具的結構為四大部分組成：

(1)吊沖裝置

吊沖裝置選用日本三協公司的標準件UCSMC50-30。

(2)下模組件

下模座采用鑄造形式，在其上直接鑄出定位型面。在沖孔位置安裝凹模鑲套、廢料盒，導向位置安裝導柱和導滑板（由標準件庫提供）。

(3)壓料板組件

壓料板組件采用基體鑄造、壓料面鑲塊形式。壓料板與上模座之間由導滑板導滑，并用側銷連接，彈性卸料元件采用彈簧預壓組件(由標準件庫提供)。

(4)上模座組件

上模座采用鑄造形式，在其導滑腿上安裝導向裝置導套及導板，在凸臺上安裝墊板、凸模、模夾及螺釘、銷釘（由標準件庫提供）等。

3.設計過程

(1)下模組件的設計

首先是定位型面及定位體的設計。將產品數模另存為下模零件設計的Part文件，利用CATIA的自由曲面建模功能，將產品數模型面按定位需要進行順延和剪切，然后進行縫合。用實體造型功能在需要位置給出定位體需要尺寸的方體，用縫合后的曲面將方體上部剪切掉，所需要的定位體實體就設計完成了。

然后利用CATIA的實體建模功能和特征建模功能設計出下模實體模型的基本形狀。

(2)標準件的選用

下模組件是由下模體和一些標準件組成。我們可以利用沖裁模CAD系統中的標準件庫直接生成實體模型，進行裝配。如果要在導向位置上安裝導滑板，應首先將當前工作坐標變換到安裝位置上，然后就可以在標準件庫中調用所需安裝的標準件了。

打開“F i l e”→“E x e c u t e CATIA/Open”→“CAA”選擇標準件的種類的系統界面，如圖8所示。單擊導滑板圖標后，進入標準件的參數選擇系統界面，如圖9所示。

圖8 選擇標準件種類的系統界面

圖9 選擇標準件參數的系統界面

單擊確定后，出現如圖10所示的輸入參數的對話框，輸入長為150、寬為100，再次單擊確定后，完成標準件導滑板的安裝。

圖10 輸入參數的系統界面

其他標準件的安裝過程與導滑的安裝過程一致。裝入標準件后的下模組件實體模型如圖11所示。

圖11 下模組件實體模型

三、結束語

從產品數字化定義到應用數字化裝配技術，模具產品設計正由2D輔助設計逐步走向3D主流設計的數字化時代。現在各種專業化的3D設計軟件越來越成熟和多樣化。遺憾的是，所有專業軟件對用戶均不能提供較為完整的標準件庫。而通用零部件和標準件的廣泛使用，使標準件庫的開發成為我們研究所實現數字化設計與制造技術應用的重點目標。該庫升級后將更加智能化，并可與國家標準、國家軍用標準和行業標準等全文數據庫集成，使二維信息與三維信息互通，并能夠查詢標準件的非參數化屬性等。本文所開發的沖裁模三維標準件庫只是模具CAD的一個重要的組成部分。