并行工程在冲模CAD系统设计中的应用研究

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并行工程在冲模 CAD 系统设计中的应用研究

1 前 言
模具技术是本世纪下半叶制造业中发展最快的技术之一，从理论上说，它是 CAD 技术最能发挥其优越性的领域。由于模具的设计和制造是一个非常复杂的过程，并且是一个不断反复的过程，其中包括根据试模结果对实际模具的反复修改。为了使产品质量高、成本低、周期短，正确的模具设计与制造方法应该是并行工程的方法 [1] 。

目前，采用具有三维参数化特征造型功能的 CAD 支撑软件，在模具设计中应用并行工程原理，实现模具管理、工艺分析与设计及模具结构设计的一体化是一种较有代表性也很有应用前景的模具 CAD 系统开发方法。

2 并行工程的概念

并行工程（ Concurrent Engineering ）或并行设计（ Concurrent Design ）实际是一种系统工程的方法，实行动态优化地处理问题 [2] 。

传统的产品开发多采用串行方法，各个阶段都具有较强的独立性，这种工程方法由于在产品的设计阶段不能有效地评价产品的可制造性、可装配性、可维护性以及产品质量等诸多因素，造成在产品的制造阶段或实际组装阶段才有可能发现问题，形成产品开发过程制造到设计的大反馈，改动面广，改动量大，促使产品开发周期增长，成本提高，质量得不到保证。

并行工程以 CIMS 信息集成技术为基础，通过组成多学科产品开发队伍，改进产品开发流程，利用各种 DFX 工具等手段，把重点放在产品开发的早期——设计阶段，使产品开发的早期阶段就能及早考虑到其后阶段的各种因素，达到缩短产品开发周期、提高产品质量、降低产品成本的目标 [3] 。

面向制造的设计方法（ Design For Manufacturability ）与面向装配的设计方法（ Design For Assembly ）是并行工程思想体现的重要方法。

3 冲模 CAD 系统设计中应用并行工程原理

3.1 冲模设计的基本流程

冲模设计的基本流程主要包括以下内容 [4] ：

(1) 输入工件图及原始设计数据。

(2) 分析制件的冲压工艺性。

(3) 确定合理的冲压工艺方案。主要包括设计毛坯图、排样图以及中间工序图等。

(4) 进行力的计算。计算冲压力、顶件力、压边力等，以选用压力机。

(5) 模具结构设计。结构设计包括选择模具典型结构，选择相应的模具标准零部件，设计非标准件等。

冲压模具设计 CAD 系统的基本流程是模拟手工设计模具的基本流程建立的。

3.2 冲模设计过程中的并行

冲模的并行设计包括两个方面的含义：一是冲模设计过程本身的并行，指的是冲模设计各阶段任务之间的并行；二是指冲模设计与制造之间的并行，指的是在冲模设计进行到某一阶段，就开始进行工装准备，包括采购原材料和标准件、零件加工所需刀具、夹具和量具的装备等。

3.2.1 设计过程本身的并行

冲模设计过程分为工艺分析计算和冲模结构设计二大阶段。冲模设计过程可分为 7 个并行任务组，如图 1 所示。 

图 1 冲模设计过程中的并行任务模型

在第一个并行任务组中，冲压件设计实际上是产品设计部门所做的工作，而工艺性分析虽是冲模设计部门的工作，但是工艺性分析对于产品设计来说，它属于 DFM ，实际上是产品设计部门在设计该冲压件时要考虑的内容。因此从系统集成的角度来看，工艺性分析应作为一个 DFM 工具，供产品设计部门分析用。

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3.2.2 设计与制造的并行

冲模设计的最终结果是生产出整套冲模，冲模设计结束后，企业还要组织生产，包括原材料采购，生产计划制订，加工工艺方案设计，刀具、夹具、量具的准备，标准件的采购等一系列过程。传统地，在冲模所有零件图、装配图绘制和技术文档编制等工作全部完成后，与冲模生产有关的工作才开始，这样不仅延长了冲模设计周期，而且一旦在制造中发现设计中存在的问题，需要修改冲模零件图或装配图，即回到设计部门进行重新设计。为了缩短冲模设计制造全过程的周期以及提高冲模生产的成功率，一方面要在冲模零件或装配设计时进行 DFX 分析，通过对可制造性、可装配性、成本、质量等因素的考虑，来减少设计中存在的问题；另一方面当某些零件基本确定下来后，就可以开始进行与制造有关的部分工作，如零件原材料、标准件、刀具、夹具、量具等的准备，以当冲模设计全部完成后，就可以立即组织生产。

3.3 并行设计的模型

冲模设计过程可分为几个阶段，各个阶段的任务之间存在着相互关联；同时，有些任务的执行需要通过与其它部门的协作才能完成，我们将冲模设计各任务之间的关联称为冲模 CAD 软件内的并行，而与其它部门之间的协作称为软件间的并行。冲模 CAD 系统通过冲模设计各阶段任务的软件内协作来完成冲模的设计，在计算机网络的基础上通过与制造、装配等部门的软件间协作来实现设计、制造、装配等过程的集成。

3.3.1 部门之间的并行

通过以上对冲模设计过程的分析，可以建立以下并行任务模型：

冲模设计过程中的许多阶段需要与企业其它部门的协作才能共同完成，如零件设计时，需要制造部门对该零件可制造性进行分析，如果零件的制造性较差，则要修改零件的设计；冲模装配设计需要与装配部门对冲模的可装配性进行分析；标准件选用需要考虑仓库中是否有该标准件的库存。由于随着计算机在企业中应用的普及，许多日常管理、分析计算等工作都可由计算机来实现，并开发了一些软件，因此冲模 CAD 系统可通过企业内部网络，与这些软件进行协作，共同完成冲模设计任务，以达到“一次成功”的目标。

冲模设计过程中需要与其它部门进行并行的阶段及其并行内容，图 2 所示。
图 2 冲模设计中与其它部门之间的并行模型

3.3.2 软件内的并行

冲模设计过程前面的分析计算阶段的各任务之间是相对独立的，其协作性不强；而结构设计阶段，由于各零件要装配成整套冲模，各零件的设计之间必然存在着密切的相互关系，如凸模与凸模固定板，凸模固定板与上模座，凹模与凹模固定板，凹模固定板与下模座等设计之间需要相互协作，才能设计出保持装配关系的零件。因此冲模设计过程内的并行主要体现在冲模零件的设计中，由于冲模的结构不同，冲模各零件之间的协作关系也将不同。

4 应用实例

作者在开发杭州市科委“中厚板冲压模 CAD 系统”项目中充分应用本文的思想，采用微机与工作站构建计算机网络。设计模具时，工作站完成零件的三维参数化特征造型及装配图形处理工作，而微机通过网络发送、接收消息，实时提供 DFX 分析、库存查询、产品数据管理等数据反馈。该系统可有效地将冲模设计与管理信息系统、工艺分析系统、计算机辅助制造系统融合起来，提高模具质量，提高设计效率。

5 结束语

并行工程是一种很好的思想，把它应用到冲压模具设计中可以有效地改善模具设计中面向装配和面向制造方面的不足，提高冲模 CAD 系统设计的可靠性和智能化程度。

参考文献

1 周雄辉等 . 并行工程环境下的模具制造 . 模具工业 .1996 ， (4) ： 7 ～ 11.

2 R I Winner. The role of concurrent engineering in weapons system acquisition. IDA Report R-338, AD ～ A203/615,1988,(12).

3 Duffy,Vincent G. Concurrent engineering diagnostic model integrating people, organization and technology. International Journal of Computer Integrated Manufacturing.1998.11(5) ： 461 ～ 474.

4 肖祥芷等 . 冲压工艺与模具计算机辅助设计 . 第 1 版，北京：国防工业出版社， 1996.