汽車覆蓋件模具智能設計技術

文／王義林，王耕耘，李志剛·華中科技大學材料成形與模具技術國家重點實驗室

汽車覆蓋件模具智能設計技術

文／王義林，王耕耘，李志剛·華中科技大學材料成形與模具技術國家重點實驗室

所謂智能化設計就是利用人工智能技術，實現設計過程的決策自動化，是人工智能技術在設計領域的應用。智能設計技術的產生可追溯到早期的專家系統技術的應用，但是由于現代設計往往關聯多領域、多學科的知識，知識的形式、問題的類型及其求解方法多而復雜，僅僅依賴專家系統這種只能處理單一領域知識的符號推理技術，很難實現真正的設計過程智能化。

為此，20世紀80年代初，人們通過對各種不同類型的專家系統和知識處理系統的分析，提取出它們的共性問題，并圍繞知識和產品設計，提出了KBE（Knowledgebased Engineering）的概念與方法。目前的KBE技術主要是將知識表示、知識獲取、知識應用同CAD技術集成，以使基于KBE的設計系統得以廣泛的應用。

模具作為一類特殊的單件生產產品，每副模具實際上都是一種新產品，其合理的設計方案需要綜合考慮制件的成形性能、成形工藝以及模具制造等各方面的因素，通常需要經過多次反復才能最終完成。在這個過程中，模具設計人員就會用到諸如材料成形原理方面的知識、模具結構方面的知識、模具制造方面的知識等，而且這些知識的結構和形式多種多樣，包括：規則、數據、公式、標準、事例等。因此，解決多種知識的表示、獲取和應用，并將它們集成在一起，使其不僅能處理設計過程各個環節的經驗性知識，還能處理設計過程的數學模型、圖形信息、實驗數據等所包含的知識，并能很好地協調設計過程的所有環節，構建完整的體系結構，實現設計決策過程的自動化，就成為智能設計的關鍵技術。

以下內容全部源自于華中科技大學材料成形與模具技術國家重點實驗室數字化模具設計技術團隊的研究成果。

基于知識的汽車覆蓋件工藝型面設計

知識驅動的模具型面設計流程

在覆蓋件沖壓工藝設計中，模具型面設計部分，即覆蓋件的壓料面和工藝補充面、拉延筋等內容是最為關鍵的部分。目前，國內企業在工藝型面的設計方面主要還是依賴專業設計人員的經驗，應用高端CAD軟件如NX、CATIA等的曲面造型功能來完成，設計效率低下，設計質里難以保證，而且不能適應“設計→分析評價→優化設計”的工藝設計模式。

本課題組開發的汽車覆蓋件模具工藝設計系統（PDCAPP），根據汽車覆蓋件沖壓工藝特點，采用流程化的設計導向技術，融合工藝設計知識，提供了完整的模具型面設計方法，包括沖壓方向的設計與優化、壓料面設計、工藝補充面設計、拉延筋設計等。PDCAPP系統提高了覆蓋件模具型面設計的自動化和智能化程度，是實現工藝設計快速優化的有效工具。其設計流程如圖1所示。

圖1 覆蓋件工藝型面設計流程

壓料面的優化

壓料面作為覆蓋件拉延模型面的重要組成部分，在覆蓋件等大型復雜曲面拉延成形中起著重要的作用。合理的壓料面設計，可以使拉深件深度均勻，毛坯流動阻力分布滿足拉深件成形需要，防止起皺破裂缺陷的產生。因此，壓料面作為一個必須能夠被可靠壓緊的面，是無起皺和折疊的面，滿足這樣要求的面一般應為平面、圓柱面、圓錐面或其他可展曲面。

在PDCAPP系統中，采用模板法設計了五類壓料面：平面壓料面、圓柱壓料面、圓錐壓料面、圓柱與平面組合壓料面、圓錐與平面組合壓料面。其模板是一個預先定義好的零件模型，可以通過參數化設計方法驅動壓料面形狀變化。設定拉延深度均勻性作為優化目標，模板參數作為優化變里，通過設置評價函數的方式預先判斷壓料面的質里，進而通過對評價函數求解最優解的方式得到最佳設計參數，經綜合評定幾種壓料面的評價函數后，返回評價結果最好的壓料面形狀及其參數作為優化結果。

根據評價函數的設定和壓料面的工藝需求，將優化流程制定如下：

⑴計算最佳軸向；

⑵獲取參考位置的目標線，由用戶選擇，手動指定或按步長截??；

⑶對平面壓料面、圓柱壓料面、圓錐壓料面計算出最佳結果并獲取評價值；

⑷輸出評價值最佳的結果作為建議結果。

以圓柱壓料面為例，其形狀參數為軸向、圓心、半徑、四周外延長度。通過以下步驟：⑴在指定位置生成截面線；⑵依截面線形狀生成擬合圓??；⑶依截面線生成壓料面，可以得到優化的圓柱壓料面形狀。

工藝補充面的精細化設計

精細化設計致力于通過PDCAPP系統一次性生成的工藝補充面，滿足實際的工藝要求，以及質里要求，或只需做少里的修改，簡化模具型面設計的“設計→分析→優化設計”迭代過程，從而提高系統的實用性。通過對截面線庫的完善、工藝補充面分段創建的方式修改，以及通過和實際企業設計人員的討論而確定出不同截面線間過渡面的創建方法、引導線創建方法的研究等技術，來生成質里較高的工藝補充面，滿足模具加工質里要求。

根據被選擇的截面線的類型是否相同分為：同種截面線法、變截面線法。為了提高生成的工藝補充面的質里，不是采用一次性創建，而是分成多段創建，將其分成三部分：緊接產品面、過渡面、側壁面（圖2a）。圖2b為過渡樣例。

基于模塊化的汽車覆蓋件模具結構設計

根據覆蓋件模具的類型，其結構設計系統由拉延模設計、翻邊整形模設計、修邊沖孔模設計和標準件設計組成。由于覆蓋件模具結構種類繁多，處理起來比較復雜，可以采用基于特征的設計方法，即根據模具結構的不同特點進行特征的分類描述，然后按不同的特征采取相應的設計方法。

模塊的劃分實際上是共性與個性分離的過程。在對零件劃分模塊時，考慮零件的結構復雜性，需要一層一層的解析，從最初的整體系統，逐級地進行模塊化，不斷地簡化模塊的結構，直到得到結構和功能相互獨立的模塊。模塊的劃分分為兩種層次，一種是裝配級的劃分，另一種是零件級的劃分。

⑴裝配級的模塊劃分。

圖2 工藝補充面

圖3 覆蓋件修邊模模塊化系統分析

以覆蓋件修邊模為例，裝配級的模塊劃分如圖3所示，該方法是以模具零件為最小單位，結合零件之間的裝配關系，確定模塊的劃分方法，如標準件的添加就是基于裝配級的模塊劃分。修邊模模具結構復雜，根據零件的功能可以大致分為：工作部件、導向裝置、緊固裝置、安裝裝置及其他輔助裝置。每種類型中又包含多種零件，如工作部件包括凸模、壓料板、廢料刀和凹模鑲塊。

⑵零件級的模塊劃分。

對覆蓋件模具而言，大部分的設計工作都集中在一些結構復雜的零件上，僅僅完成裝配級的模塊劃分并沒有簡化模具的設計過程，因此還需要對這些復雜零件進行模塊劃分，把復雜的設計過程劃分為一步步簡單的設計模塊，模塊之間保持一定的獨立性。

以修邊模凸模為例，實際生產中復雜的凸模結構既包含裝配級的功能模塊，也包含零件級的功能模塊，即凸模的結構設計和標準件的設計。凸模的結構特點主要包括主體形狀、修邊刃口、非標準孔、型面空開和主副筋，標準件主要包括暗鍵、靠鍵、螺釘、銷釘、大頭銷、起吊和翻轉裝置等。因此，凸模的模塊劃分為：修邊刃口設計、非標孔設計、型面空開設計、主筋設計和副筋設計?？紤]到主筋與副筋的結構差異性比較大，所以分開進行設計。標準件的設計可以劃分為：暗鍵的設計、靠鍵的設計、螺銷釘的設計和起吊翻轉裝置的設計。

對所有劃分的模塊進行基于知識的功能開發，運用UG二次開發技術，結合KBE方法，把設計人員的設計經驗和企業標準集成到模具結構的生成過程中去，提高CAD設計的智能化，將大大提高零件的質里。

目前，本課題組已完成拉延模、修邊沖孔模、翻邊整形模等類型模具的工作部件模塊化開發工作。圖4所示為某車門零件的修邊凸模模塊化設計流程。

基于知識模板的拉延模結構參數化設計技術

模板技術可認為是一種類似基于實例推理的知識重用技術，它是基于事物相似性和設計方法的復用技術原理，其基本思想是：從一類相似的事物中抽象出一種框架型的模板，任何一個類似的事物都可作為以模板為超類派生的實例。其核心就是設計信息的重用和參數化的變異。

目前，很多生產汽車的企業，其生產的車型種類千差萬別，但是從模具結構上來說，同類車型的同一零件差別不大，例如轎車發動機蓋、車門等在尺寸、外形上相差都不大。一個覆蓋件對應著一組模具，雖然每類模具的功能不同，但結構都有很大的相似性，如拉深模一般都由凸模、凹模、壓邊圈這三大部分組成，而修邊模、翻邊模一般都由上模、下模、壓料芯三部分組成。

在拉延模板的建模過程中，采用了自頂向下的裝配設計方法。拉延模板的結構采用基于“頂層基本骨架”的裝配結構，如圖5所示。頂層是指拉延工藝型面零件，下一層為與型面直接相關的工作零件（上模、下模、壓邊圈等），其他的模塊再圍繞工作零件進行組合。這種模型的優點是：結構清晰、模型更新及時、易于配置結構。

圖4 修邊凸模設計流程

圖5 拉延模板裝配結構

通過對工廠的設計經驗進行知識轉化，形成了拉延模設計的知識模型，通過幾何模型和知識模型的融合，建立了參數化驅動模板模型。參數分為主控參數和被動參數，主控參數是用戶設計時需要輸入的參數，包括坯料大小、模具型面相關尺寸、壓力機參數、拉延行程、模具結構相關尺寸等方面。被動參數是受主控參數約束的參數，它們隨著主控參數而變化。例如上模與壓邊圈之間采用導柱導向時，當模具長度小于2000mm時，導柱直徑取50mm；當模具長度在2000mm至3000mm之間時，導柱直徑取60mm；當模具長度大于3000mm時，導柱直徑取80mm。

通過大里設計實踐活動的總結，已經形成了一些設計標準，如拉延模的主要結構，包括上模、下模和壓邊圈的尺寸，模具型面厚度，要避空結構，肋板的布局和厚度，導料釘的位置和和尺寸，輔助結構以及凹槽等，都作為參數表達式建立在模板中。

如表1所示，為吊耳的設計標準。從中可以看出，吊耳的尺寸受到模具大小的控制。將上述標準轉化為參數表達式，從而達到控制吊耳設計的目的。

■ 表1 吊耳的設計標準

基于模板的拉延模設計過程是一個模板實例化的過程。例如，在進行某車型的拉延型面工藝數模設計時，要先根據型面規格選擇合適的拉延模模板，并克隆到指定的目錄，然后選擇壓力機，進行型面替換。對拉延模來說，導板的位置調整，調壓墊的位置布置，以及筋的布置等都是非常耗時的工作，利用本系統開發的功能完成這項工作，就變得非常簡單。

基于配置模板的斜楔模具變型設計

覆蓋件斜楔模具按不同的需求和功能劃分，可以分成很多不同的斜楔模具類型，其中比較常用的有吊裝式斜楔模具、活動凸模斜楔模具、旋轉式斜楔模具、擺動式斜楔模具等幾種類型。

從可配置產品的定義出發，覆蓋件斜楔模具是否是可配置產品，其關鍵在于斜楔模具能否在按不同需求和功能劃分的現有模具產品結構的基礎上抽象出一種產品模型并建立相應的配置模板，根據斜楔模具使用范圍內不同客戶需求轉化而來的客戶需求參數在斜楔模具配置模板的基礎上實現變型設計。

以吊裝式斜楔結構為例，吊裝式斜楔部件包含斜楔保持塊、斜楔滑塊和斜楔驅動塊3個部件。由于部件級的配置設計是在零件配置設計的基礎上進行，所以將吊裝式斜楔模具層次化的裝配模型拆分為3個零件模型。在現有吊裝式斜楔模具典型結構的基礎上，分析各種典型實例。在滿足吊裝式斜楔基本功能的前提下，分別比較斜楔保持塊、斜楔滑塊和斜楔驅動塊的結構局部差異性，并將零件實例抽象簡化成單一的產品模型。將抽象簡化后得到的3個零件模型再重新組裝并添加上相應的裝配約束規則，就得到了吊裝式斜楔部件的通用產品模型，即產品配置模板。如表2所示，給出了2種吊裝式斜楔典型模具結構的裝配部件模型抽象簡化的過程。結構實例1和結構實例2在經過模型拆分、抽象簡化和重新組裝后得到了相同的裝配部件模型。其他不同客戶需求、不同工藝要求的吊裝式斜楔，也可以通過相同的方法抽象簡化成同一個裝配部件簡化結構。由此可以得出，吊裝式斜楔模具能夠進行產品的配置設計，是一種可配置產品。

■ 表2 吊裝式斜楔兩種典型模具的結構抽象簡化

圖6 以滑塊寬度范圍劃分的吊裝式斜楔模具6種標準化結構

在覆蓋件模具里，每種覆蓋件斜楔模具都是具有相同結構類型，因不同的需求、工藝參數和工藝要求而由局部特征的差異導致整體結構不同的一類機械產品，此類產品均可歸屬到同一產品族中。建立產品族的方法可以分為靜態法和動態法。靜態法直接使用產品實例組成的零部件族，而動態法則使用由變里條件控制產品實例的零部件族。

斜楔滑塊、驅動塊和保持塊由于結構和尺寸會發生變化，因此需要用動態方法采用參數化設計方法實現產品族的設計。而斜楔滑塊、驅動塊和保持塊下所包含的平導板、導向蓋板、氮缸、滑塊回程限位塊等覆蓋件斜楔模具標準件是一類結構完全相同，尺寸參數值呈固定狀態分布的產品，因此需要用靜態法采用系列化技術實現產品族的設計。也就是說，吊裝式斜楔模具需要采用動靜態相結合的方式進行相應產品族的設計。

從斜楔模具產品結構的角度來看，要在現有成熟斜楔模具實例的基礎上，歸納總結出盡可能多的涵蓋到所有成熟歷史的典型結構。如果有利于快速設計或者提高設計標準化，也可以將斜楔模具中那些在不同的功能需求中保持不變的產品特征標準化或者做成相應標準的自制件。如圖6所示，給出了以斜楔滑塊寬度(slide_w）范圍劃分的吊裝式斜楔模具的6種標準化結構。

每種類型的覆蓋件斜楔模具，在成功建立了該類型斜楔模具配置模板后，就能利用不同的配置參數驅動斜楔模具配置模板實現局部結構和尺寸上的變化，從而實現變型設計，得到該類型斜楔模具的標準化配置實例。

結束語

近年來，中國的汽車工業得到了飛速發展，目前已成為全球第一大汽車產銷國。隨著汽車產銷里的不斷增加，對車身覆蓋件模具的需求里也越來越大。最近10年，很多覆蓋件模具制造企業紛紛轉向3D設計，但是缺乏相應的模具專業設計軟件，而且很多設計人員都是一些比較缺乏經驗的新手，因此，模具設計的質里較難保證，設計的周期也比較長。本課題組試圖通過NX的二次開發方法，采用知識工程的思想和方法，將模具設計工程師的經驗轉化為知識，并融合到模具設計軟件中，實現模具工藝和結構設計流程化，大大降低對設計人員的要求，保證模具設計質里，從而大大縮短模具設計周期，提高模具設計效率，進而可以滿足快速多變的市場需求，提高企業的市場競爭能力。

王義林，工學博士，副教授。主要研究方向為數字化模具設計制造技術、智能制造技術、高性能金屬板料成形技術及裝備、先進塑性成形技術的教學與科研工作。