汽車覆蓋件模具結構并行設計摘要：分析了并行設計的全過程，介紹了新型CAD軟件如何在技術上對并行設計進行支持，并建立覆蓋件拉深模結構并行設計過程模型。 1前言 汽車覆蓋件模具具有精度高、形狀復雜、結構尺寸大、配合協調性要求高等特點。在實際設計過程中，一個復雜覆蓋件的設計任務往往由一個設計組合作完成。傳統的模具設計采用“串行”順序設計方法，導致各個設計環節相互孤立，再加上二維圖紙表達的局限性和手工設計的低效率，造成設計組中設計人員之間難以準確、及時地交流信息，也不能及時發現模具設計中的缺陷，有時還會造成返工，延長了模具設計的周期，影響了設計質量。而包括模具在內的一般通用機械CAD軟件，大多采用自底向上的設計過程，即先對組成概念設計模型的零件進行詳細幾何結構設計，然后確定零件之間的裝配關系，對與結構直接相關的裝配協調和功能保證等總體性問題卻難以或無法解決，因此，同樣影響了結構設計的質量和效率。在這種情況下，人們開始研究自頂向下并行設計過程的新型CAD軟件，從而為設計者提供了產品裝配級的設計支持，并充分保證設計人員之間的并行協同工作能力。所謂并行設計就是多學科設計人員協調交換信息、并行地設計產品，以大大縮短傳統的串行設計所需要的時間，提高產品質量和企業競爭力。并行設計作為并行工程的一個重要環節，已成為當今設計領域的研究熱點。 2 并行設計過程實現 2.1并行設計過程分析 汽車覆蓋件模具結構并行設計過程分為概念設計、布局設計和詳細設計等階段。 2.1.1 概念設計階段 通過對設計要求的分析，建立覆蓋件模具的功能模型，生成對模具布局及結構的設計約束。概念設計的結果以覆蓋件模具功能模型圖表示，見圖1 模具功能模型圖的意義是:通過模具功能的分解得到模具功能結構樹，樹根的功能單元表示模具的總功能；每個功能單元可以進一步分解為下一級子功能單元結構，直至每個功能單元的結構最終被分解為特征或零件為止。同一層次上的屬于同一功能單元的兄弟單元結點間，通過功能特征結點構成局部功能單元網絡圖；功能結構樹中的全部結點及相關的功能特征結點構成產品最終的全局功能結構網絡。通過網絡圖，相關的功能單元彼此發生聯系。 2.1.2 布局設計階所 建立了汽車覆蓋件模具的功能模型之后，通過“功能一作用原理一結構”的對照關系，建立模具的總體布局，確定關鍵作用型面及各主要零/部件間的關系。布局設計的結果是覆蓋件模具總體裝配圖。 覆蓋件模具的裝配次序是先由零件組裝成子裝配(即部件)，再參與整體模具的裝配。模具的裝配模型，從拓撲意義上也可用樹結構表示，見圖2。 2. 1. 3 詳細設計階段 根據覆蓋件模具的總體裝配圖，將設計任務分解給設計組的每個成員，各自同時完成若干個模具零/部件的詳細設計，得到完整的模具零件圖。大型汽車覆蓋件模具結構復雜，零件多達上百個，詳細設計的工作量極大，所以并行設計的工作主要體現在詳細設計階段。在這種分階段的設計過程中，設計活動自頂向下進行。就覆蓋件模具結構整個設計過程中的每一階段而言，功能模型、總裝配體、零/部件又都有一個從粗到精、從簡單到復雜、從籠統到精確的逐步細化過程。每一階段的工作都不是一次完成，而需要作循環往復的修改。由于可以準確、及時地交換設計信息，加上有良好的工作協調機制，應用并行設計方法所需要的修改工作量顯著減少，設計質量明顯提高。覆蓋件模具并行設計的全過程如圖3所示。 2.2 軟件技術支持 模具設計人員在設計過程中分工協作，通過交換設計信息來達到模具設計的高質量和高效率。Pro/Enginee軟件為汽車覆蓋件模具結構并行設計提供了技術上的支持。 2.2.1 三維參數化設計 三維設計形象直設計全過程觀，設計的模具結構是否合理一目了然；通過三維模型，設計人員之間可準確理解別人的設計意圖；三維設計可以確定模具零/部件的空間位置以及進行干涉檢查，滿足覆蓋件高協調配合的要求；有了三維模型可講行零件的各種應為分析和成形樟擬。 2.2.2 裝配設計環境 裝配設計環境是新型CAD軟件區別于一般CAD軟件的核心部分。在裝配環境下進行覆蓋件模具設計，可以讓總體設計人員充分考慮模具的整體性能，提高整體設計質量和效率；下層設計人員在上層形成粗略設計要求后可同時展開工作，縮短設計時間；零/部件之間通過裝配關系約束成為一個有機的整體，易于保證設計的一致性和完整性，支持設計組并行協同工作。裝配設計環境提供了“虛零件”的設計功能。所謂虛零件指的是零/部件僅以一個名字或一個坐標系來表示，與幾何形狀無關。通過虛零件的裝配，可以確定覆蓋件模具的功能結構和裝配結構。在裝配環境中可以對虛零件進行設計、修改，通過產生幾何實體而使之變成“實零件”可對任何零件進行設計、修改、裝配和刪除。 2.2.3 設計任務處理 設計任務的分解和相關子任務關系的處理是并行設計的關鍵問題。這種分解和處理應以使設計任務盡可能被并行執行為原則，并盡可能一次成功，以提高模具質量，縮短開發周期。覆蓋件模具總體設計人員在裝配環境中通過對零/部件設計完善程度的把握，來決定總裝配體分解后每個子裝配、零件還有多少任務需其他設計人員完成。零/部件在總裝配體中的設計完善程度以能準確反映模具的功能及裝配關系、準確向下層設計人員傳遞信息為準。總裝配體既可隨時分解成部件、零件，進行詳細設計，又可隨時重新裝配起來，回到裝配環境下進行設計，并可進行各種檢查分析。 2.2.4 統一產品數據模型 在設計覆蓋件模具時，零/部件既可存在于部裝配體中，又可單獨存在，這就為并行設計的進行提供了極大的便利。零/部件在裝配體中應進行裝配性、協調性要求高的特征設計，單獨存在時則進行細化設計，兩方面的設計可交叉進行。由于有統一的產品數據模型，故可保證零/部件在兩種狀態中設計的一致性、同步性。另外，模具設計的修改是模具開發過程中必不可少的、最繁瑣和易出錯的環節。軟件的統一產品數據模型、全參數化、全相關等特點，使得模具在設計階段易于修改。在設計中一處修改，能擴展到整個設計中，同時自動更改所有的設計圖紙以及產品數據避免了人為疏忽造成的不一致性。 2.3 并行設計過程模型 2.3.1 動態模型概念 汽車覆蓋件模具結構的并行設計過程是一個動態過程，并行設計過程模型就是設計系統的動態模型。有了動態模型，每個設計人員才能在設計過程中根據各自當時的狀態，提出有關修改意見，通過協調交換信息和消除沖突，從而使整體的并行設計達到最優。動態模型既有上下級的層次關系，也有同層次的并行關系。并行關系對于描述并行設計過程是至關重要的，但也不可忽略層次關系的作用。因為整個動態模型是一個網絡模型，此單元層次關系解決的好壞直接影響到相鄰平行單元的設計。 2.3.2 設計評價協調機制 汽車覆蓋件模具的復雜性，導致了在并行設計時可能發生諸如配套性、幾何尺寸聯系、規格類型、動力設計以及工作時序等方面的沖突。我們在裝配環境下對整副汽車覆蓋件模具的功能、結構等技術指標進行評價、修改，以消除沖突，保證模具的整體性和協調性。盡管每個零件設計的好壞直接影響到整副模具的性能，但相對而言，在并行設計過程中就單個零件評價的意義不大。在汽車覆蓋件模具結構并行設計過程中，設計信息的溝通、設計質量的評價、設計流程的控制、設計人員之間的協調等問題的處理最為重要。對上述問題，可以通過以下機制解決： 總體設計人員進行覆蓋件模具的總裝設計，然后把零/部件拆開，分配給各個層次的下層設計人員同時進行詳細設計。 下層設計人員進行詳細設計時，如發現某設計意圖不明或某部位需要修改時，可向上層設計人員發出詢問或修改申請。 上層設計人員進行必要的計算、評價、協調后，發出設計意圖說明或同意修改指令；因為覆蓋件模具的多層次結構，如果上層設計人員無權處理下層設計中涉及的問題，可將該問題提交給更上層乃至總體設計人員處理。 下層設計人員根據上層發出的設計說明或修改指令，繼續進行詳細設計。 上層設計人員、總體設計人員將下層詳細設計后的零/部件裝配起來，進行功能、結構等方面的技術驗證，滿意后即結束全部設計，否則再將零/部件拆開進行修改。 存設計討程中，設計人沒可以乃時地看到設計和修改的整體效果，并檢查其正確性，從而使各部分的設計同步協調、齊頭并進。這種機制較好地解決了汽車覆蓋件模具結構設計中的并行性和層次性問題，有利于設計人員整個集體的并行協調作業。 2.3.3 拉深模并行設計過程模型 覆蓋件模具結構并行設計的初始信息主要是覆蓋件沖壓工藝方案、三維沖壓工藝CAD型面等。從三維沖壓工藝CAD型面得到凸模、凹模、壓邊圈型面，它們是覆蓋件模具設計的主要依據。以轎車行李箱后蓋拉深模(模具正裝、雙動壓力機)為例，建立汽車覆蓋件模具并行設計過程模型(圖4)。該模型克服了傳統“串行”順序設計的弊端，變設計過程為小循環多重復設計過程，并使設計過程的每個環節都能實現并行推進、協同配合、修改快速響應。 圖5是用Pro/Engineer軟件進行并行設計得到的轎車行李箱后蓋拉深模，與傳統手工設計及應用一般CAD軟件設計的相比，前者設計質量大