冲压模具三维设计系统 CADCEUS/Press Design

　　CADCEUS/Press Design作为冲压模具专用设计系统，从1998年发表以来，被以汽车厂家和大型模具厂家为首的很多企业使用。这期间，加速了设计制造工业的自动化，实现了以三维实体模型为核心的冲压模具设计制造。模具制造以缩短制造周期、降低成本、提高品质作为目标，成了汽车厂家的主导。乘着汽车界的改造和制造业的国际化之风，变的越来越重要。

　　另一方面，模具具有越来越复杂和多功能化的倾向，如果不用Solid模型就不能设计的情况。因此，包含产品质量的冲压模具固有形状的简易制作功能和从各种观点的设计评价功能是必要的。还有为了实现模具设计制造工程的效率化有必要进行生产流程改革，这不是模具设计工程和模具制造工程等单一工程的改革，而是跨数个工程的改革。因此，冲压模具的三维Solid模型不止需要形状数据，还需要和后续工程相联系的信息。例如，改革与CAM相链接的加工信息和与装配相链接的产品信息等。加上模具的形状数据，让这些非形状数据流通，可以降低后续工程的工时，也可以检查前续工程。

　　另外，由于最近模具产业的亚洲转移，可能会产生技术空洞化。并且伴随熟练技术者的高龄化，可能会出现技术丧失和国际竞争力降低的情况。因此，需要在CAD/CAM系统中插入经验和技术，对于插入知识的系统或者容易插入知识的系统有很大的期待。日本UNISYS公司适应这些变化，发展了CADCEUS/Press Design。

　　关于冲压模具设计

　　冲压模具设计是满足挤压机械的规格，按照型构造规格设计满足要求的模具设计工作。模具设计使用的零件是在市场出售的零部件和自己公司专用的个别零部件；模具设计者根据产品的质量、成本、周期，找到满足各种制约的最优解。并且，在模具设计中，以设计的效率化作为目标，采用编辑已有的存储数据的设计方法和活用标准数据的流用设计设计。

　　另外，模具设计工作采取螺旋工作方式，通常进行多个方面的评价。在某种程度上使设计一些后，就要进行评价，决定是那样设计下去还是返回重新设计。通常设计者就根据这个评价和判断，决定接下来做什么。为了支持这样的设计工作，需要满足以下条件。

　　⑴ 正确并且快速的做成冲压模具的三维Solid模型。

　　因为产品的表面通常都是曲面，所以需要操作曲面数据。特别的考虑到成型曲面的曲面变形是重要的工作。通常模具设计首先是面孔设计工程，要发生弹性变形和塑性变形等。

　　冲压模具有固定的形状，就需要能简单的做成这些形状的功能。这些形状由两部分组成。分别是由产品形状决定的精度部分和准确的实现链接的部分。

　　⑵ 有些个别零件不止与形状有关。

　　这样的“零件”不只需要形状情报，还需要购买费用、安装形状、加工等情报。也就是说要和订货、加工链接起来。

　　另外，因为模具使用很多零件，所以有必须选择规格合适的零件并对其简单的分配。

　　⑶ 设计改变时，能够做出柔性的并且简单的改变。

　　设计改变时，重新做形状的话，完成工时就会增加。因此通过参数变形是必不可少的功能。

　　近来都在使用降低工时的做法。如果在产品设计完成前，考虑模具设计的话，就可以在模具设计之初置换产品形状，那么之前的设计并没有白费，如果能够改变模具模型的话就变得更有效。另外，产品置换功能在汽车厂家等能够通用雏形数据的场合，也是很有效的功能。

　　⑷ 能够进行各种设计评价

　　三维实体模型与二维图面相比可视性好。上下型的间隙和断面等目测就能进行一定程度的检查。可是对于实际冲压的干涉和功能评价，需要由上下型运动状态来评价，这时目测就受到限制了。另外，对复杂模具，用目测的方法进行评价受到了限制，因此就需要进行仿真。
另外把模具三维实体模型化，要使模型内的加工情报和后续工程的加工相匹配，也需要事先检测。

　　⑸ 简单的做成图纸数据

　　三维实体设计完成了，可是需要最终成果和各种修改用的图纸的场合很多。因此要求具有从三维模型自动的生成图纸的功能。图纸要保持和三维实体模型的关系，三维实体模型改变时能够自动的再生成图纸。

　　⑹ 能够保持和后续工程有关的各种情报。

　　让附加了加工情报和零件情报的三维实体模型在后续工程流通，能够产生更大的效果。加工情报和零件情报是和CAM、和零件装配等相关的重要情报。

　　⑺ 图纸化

　　通过上面的叙述，图纸是重要的情报传达媒体。可是伴随着模具三维实体化，实体数据本身就能够流通。这些数据都是VRML和XVL等轻量数据。通过流通，传达的不止是形状数据，还有设计意图。为了实现这一功能，要附加尺寸和注释等。并且能够减少符合加工信息和产品信息的图纸张数。

　　CADCEUS/Press Design的现有功能和课题

　　CADCEUS/Press Design是在CADCEUS标准的实体参数功能上追加冲压模具专用的功能群，支持冲压模具专用的三维设计系统。冲压专用功能群从大的方面分为冲压模具专用造型功能、标准零件关联功能、设计评价功能、产品表和图纸关联功能以及产品属性和加工特征关联功能。

　　3.1 冲压模具专用造型功能

　　造型功能被分为产品表面的变形、产品表面和结构部分的连接物部分以及结构部分用的造型功能。

　　⑴ 产品表面变形

　　对于制品估计其冲压成型条件进行变形的功能，有以下变形功能。这些也适用于复合表面的变形，并与参数相对应。

　　·弹性变形回复

　　·塑性变形

　　·扭转、弯曲估计

　　·带状渐变偏移等

　　⑵ 产品表面和结构部分的连接部分

　　代表性的例子是扇形和内侧面形状。扇形做成功能不止做成侧棱部分，还要做成具有凸凹表面的基座。另外，内侧面是做成产品内侧形状的功能，也可以做成轻型面。

　　⑶ 结构部分形状

　　结构部分以肋等平面形状为主体。对于三角肋提供了可以通过参数实现变形和移动的专用功能。

　　3.2 标准零件的关联性功能

　　标准零件有标准零件的做成、选择、分配功能。标准零件数据像图示那样，除了零件本身外，还附加了装配形状和各种属性。把这样的标准零件装配到模具上，进行集合运算，能设定产品的属性和加工特征等，和后续工程的连接也变得很容易。从标准产品的选择到装配，如果事先考虑好功能，就能用简单的操作完成装配工作。标准零件的装配要事先设定标准零件的装配情报，根据约束条件（线线一致，面面一致）装配到正确位置，由下型箱进行预分配后，一边观察周围形状和周围零件，一边进行微调整。

　　另外，关于弹簧和工艺孔有专用的选择和分配功能。弹簧根数越多，设计者选择的时间就越长。为了缩短选择时间，能够从外形线长和承受的压力自动计算出根数。工艺孔分配功能是一边调整各个零件的整合性，一边简单的选择和分配的功能。

　　3.3 设计评价功能

　　设计评价是伴随着设计工作进行的。本系统的评价是把断面作为中心，利用三维模型特征的立体评价，以及考虑模具运动状态的动态评价。

　　断面评价功能是事先登录想要检查的断面，进行瞬间断面评价。可以随时改变位置和切断平面来改变断面。另外，还可以在任意断面位置进行干涉评价。

　　利用立体的评价有一种间隙干涉功能，它是评价上下型间间隙和零件间间隙的。

　　动态评价是添加一般的分配解析功能，提供冲压模具特有的动态解析功能。考虑了大幅度的简化输入和搬运，可以进行仿真。另外利用干涉曲线，也能确认和输送装置之间的干涉。

　　3.4 零件表和图纸做成功能

　　根据模型内的情报，能自动的生成零件表。因为零件表的形式各个公司的都不相同，零件表的形式和项目要事先登录。

　　对于图纸做成功能，添加了CADCEUS标准的自动图纸功能（从三维模型生成图纸数据的功能），能够方便的生成零件图。因为图纸的标题栏各个公司的不同，所以有专用的可能。另外，作为加工用图纸生成功能，具有以下功能：从加工特征自动的生成高度尺寸，自动的生成孔的情报。

　　并且还具有在设计阶段估计模具制造费用的功能。因为模具制造费用的估计方法也不相同，所以有专用的可能。估计数据用.csv形式文件输出，能够利用表计算SW等外部应用程序编辑。

　　3.5 产品属性和加工特征相关联的功能

　　通过标准零件的分配、集合运算，零件属性和加工特性被自动的附加在模具模型内，能个别附加，也能改变已经设定的零件属性和加工特征。另外，产品属性以.csv文件输出，改变后也能以.csv文件形式输入使用。例如，把自己公司的零件号码变为其他公司的零件号码，用这个功能就能简单的完成。

　　3.6 模具同步设计功能

　　为了支持产品设计和模具设计的并行作业，要有产品形状置换功能。产品表面由多个面组成，把这些面全部置换是很重要的。另外为了置换后能生成正确的参数，置换前后的参数对应是很重要的。为此需要这样的功能，同时表示置换前后的形状，按顺序重复置换后形状所参照的要素，使置换前后相对应的导航功能。

　　提供了表示再生的任意点在置换前后差别的功能，支持有再生错误时的恢复。

　　能支持移用相同结构的雏形设计，有做成雏形的各种履历的控制功能。图五是用一个雏形表示各种模型的履历控制功能。这个例子形成了做成通孔和阶梯孔的履历，用立体的高度控制一个方向，解除其它方向的控制，用一个雏形表现两个孔。

　　3.7 关于课题

　　如上所述，CADCEUS/Press Design具有从冲压模具开始设计到完成的全面支持功能。使用这些功能可以快速的做成冲压模具的三维立体模型。可是还存在几个课题。主要的课题如下所述。

　　⑴ 自动化水平

　　关于自动化，存在造型和标准零件装配的课题。

　　·典型的冲压模具专用形状等单一的形状用简单的指示就能做成，可是像凸轮等复杂的形状是不能简单就做成的。还有，即使是肋等简单的形状，要满足复杂的设计条件也是很困难的。

　　·关于标准零件的装配，现状是一部分产品需要手工进行。从装配的周边形状上，存在着某种程度的半自动装配功能和多个产品一起装配等课题。

　　⑵ 设计评价功能

　　设计评价功能，在某种程度上可以进行形状正当性评价，可是不能进行包含属性的整体性评价。

　　·希望形状评价具有这样的功能，即除了形状评价是设计者进行各种评价以外，在设计过程中进行的自然评价，要出现警告框。特别是复杂的模具，设计者容易出现检查遗漏。

　　·关于属性要做出这样的判断，与装配相关的零件属性是否正确和是否会发生没有加工特征的加工等。

　　 ⑶ 与图纸传递相关的课题

　　三维设计得到了普及，三维数据可以流通。可是流通的图纸数据不只是形状，还包括各种文字信息。考虑三维数据的流通，就出现了怎样把这些形状以外的信息传递给Viewer的课题。并且也需要具有参照功能，参照的对象是包含属性的CAD数据以外的文件。

　　⑷ 知识、经验的利用

　　模具设计中明文化的设计基准已被系统化。可是没被明文化的知识和经验被认为是设计者的能力。怎样抽出这些知识和经验生成支持设计的系统是今后的大课题。

　　⑸ 前后工程紧密的连接

　　如果只是单一工程的效率化，那么模具设计制造的效率化还存在限制，前后工程要实现数据共享就需要事先考虑质量。使设计工作一次完成，不用返回重做。

　　关于今后的系统结构

　　现在所有的结构充实了制作冲压模具三维实体模型的功能。早期考虑质量是为了缩短工时、周期以及降低成本，更快的制造更高质量的模具。这个能用加入实用化知识框架解决。

　　4.1 模拟和连动形状的制作

　　产品形状变形功能是现在最重要的功能之一。今后要进行成形性仿真前后的形状比较以及和制作的实际模具的比较，把这些比较和现在的变形功能连接起来是很重要的。变形部位、变形量或者变形方法是每个公司特有的。要是能把其系统化，成果会很大。另外，变形位置和变形方法能够实现参数化，把这些做成系统，增加变化功能，使操作简便化。

　　还有，对于凸轮等结构复杂的零件，要开发其专用功能。从断面形状的检查到各种基本的标准零件的装配，这一连串的工作也要变得简单化。

　　4.2 设计评价和最优化

　　关于设计评价，各个评价功能都很重要，同步评价更为重要。现在，同步评价由设计者完成。这就是设计者经常产生设计差错的原因，设计的质量也会降低。为了解决这个问题，把各个公司的评价基准系统化，生成自动评价系统是有效的做法。另外，由于评价基准改变了，设计评价功能也必须发生柔性改变。这个功能在利用知识和经验的框架中实现会具有更好的效果。

　　还有，把设计——设计评价——设计变更——再评价——……的流程图系统化，由此可以实现最优设计。

　　4.3 图纸多功能化

　　为了用三维实体模型代替以前的图纸，需要把图纸上用3D标注的各种文字情报传递给Viewer。在某种程度上可以代替检查图用的图纸。可是不能代替零件装配和加工用的图纸。为了实现这些用途，要使零件属性和加工特征伴随形状流通，从形状上查看这些属性。

　　4.4 设计知识和经验的结合

　　现在，被明文化的知识和经验已经用一定程度的系统结合起来了。可是不能明文化的知识和经验，因为在设计工作中时刻发生变化，所以不能系统化。但最近的知识平台系统开始具有这样的功能，即对一时无效的知识进行柔性的动态变化，利用这个知识平台系统的功能，可以把不能形式化的知识和经验系统化的结合起来。

　　结束

　　在冲压模具设计方面，3D实体化在某种程度上得到了普及，并且效果也有所提高。在当前，3D设计需要更高的飞跃。CADCEUS/Press Design是这个领域的先驱。近年来其他公司也开发出了具有相同功能的SW系统。

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