功能组件在级进模模板孔关联设计中的应用研究

方明财  李红林  陈博杰  贾志欣

摘要：在对SolidWorks库特征技术研究的基础上，采用功能组件的设计方法，基于SolidWorks开发了级进模组件孔关联设计模块，应用于级进模辅助机构的组件孔关联设计。该模块面向用户开放，可方便添加新的功能组件，提高了级进模设计的自动化程度。
关键词：库特征；功能组件；级进模；关联设计

引言

级进模在压力机的一次冲程中可以完成多达几十个工步的不同冲压工序，在提高生产效率、降低成本、提高质量和实现冲压自动化方面具有显著优点[1]。这类模具与普通冲压模具相比，具有精密、复杂、设计经验要求高、设计周期长的特点[2]。
级进模中存在大量、不同形式典型结构件，如浮料机构、导正销机构、误送检测机构、弹压卸料机构等，为了安装这些零件及避免干涉，需要在多块模板上设计相应的安装孔和让位孔；孔的形状类型多、数量大；并且这些孔与关联零件之间存在着结构相关性。如何利用CAD技术提高级进模上各类孔的设计效率，缩短设计周期是级进模设计中亟待解决的难题。针对这一问题，文献[3]~[6]研究了在二维环境下孔关联设计的方法，文献[7,8]从装配的角度讨论了零件之间的约束关系。文献[9]提出了功能组合件的概念，基于UG平台做了相关内容的研究，并应用于级进模结构设计。文献[10]总结了级进模板件上的孔有6种类型，即通孔、螺纹孔、盲孔、台阶孔、型孔、非圆孔和复合孔；并按照板件孔与所关联零件的关系可以分为一对一、一对多、多对多3种关系。其中最复杂的是多对多关系，即多个零件组成的关联组件与多个板件之间的关系，如何实现组件与相关板件孔的关联设计是难点，也是本文要解决的问题。本文结合模具企业设计的实际情况，在文献[10]基础上的进一步深入拓展，采用功能组件的方法对级进模组件关联孔设计问题进行了研究和开发。
2.1 功能组件的描述
功能组件是级进模设计过程中相对独立、表达特定功能、具有一定几何和拓扑属性的子装配体，功能组件由两部分组成，分别是组件模型和组件信息描述。功能组件可表示为：
F={M, D}
式中，F表示功能组件；
M表示构成功能组件的组件模型；
D表示与组件模型相对应的组件信息描述。

 (1) 组件模型
功能组件的模型由两部分组成，即组件及与组件相关的一组开孔库特征。组件是一个装配体，为避免概念混淆，本文称之为组件子装配；库特征是SolidWorks软件提供的一个造型特征，可将一组特征生成用户化的特征，特征的参数由用户定义。通过开孔库特征可以在实体模型上创建孔。

以导向浮料销组件为例，它包括由导向浮料销、圆柱销、矩形弹簧、螺塞构成的组件子装配模型（如图1所示）和3个位置相关的开孔库特征模型，开孔模型如表1所示。导向浮料销组件既有导料功能，又有顶出功能，它自下而上依次穿过下模座、下垫板和凹固板，因此需要在这三块板上设计相应的板孔。
表1 导向浮料销组件开孔模型

因此功能组件又可表示为：
F={(A, Li), D}
式中，A表示功能组件模型的组件子装配，
Li表示功能组件模型的一组孔库特征。

（2）组件信息描述
组件信息描述主要指功能组件的各种信息的集合，包括功能组件的分类、库特征对应的开孔板件、库特征的放置面、组件子装配和库特征的参数、模型的路径。应用Excel建立功能组件的信息描述模型，采用关键字来代表相应信息内容，如表2所示。

1. 应用Excel建立组件信息描述模型时，以行数自上到下的顺序输入信息内容，由关键字开始，以END作为结束，如表3所示。

表2关键字及其含义

表3组件模型的参数表内容

2.2组件模型的规划
(1) 配置的使用
SolidWorks提供了“配置”功能对模型进行管理，结构相同但尺寸不同的模型，可以通过建立不同的配置，共享一个模型。在模具设计中，对顶料机构、导正销机构等这些结构加以总结，采用配置的方式对模型进行分类管理。表3中的参数就是导向浮料销组件及其在下模座、下垫板、凹固板上开孔库特征的配置。
(2) 取向设计
为便于组件在模架中的自动装配，简化程序编写的难度，组件子装配的取向以“前视基准面”为基准，以Z轴正方向为标准方向。
(3) 定位设计
在组件子装配模型中建立用于配合的基准，这些配合基准与模架中的配合基准成组使用。如图2所示，以“前视基准面”为基准，建立与“前视基准面”平行的“配合基准面”，两个基准面之间的距离根据实际情况而定。另外还需要建立一个“配合基准轴”。
(4) 配合间隙
级进模结构中组件与相关的孔之间存在着配合间隙的问题，在创建开孔库特征时，把间隙的数值设置在开孔库特征的参数中。

功能组件的实现

使用功能组件对各板件进行孔关联设计时，开孔库特征实现开孔功能。要实现功能组件的关联设计功能，需解决两个重要问题：首先，当不同的开孔库特征在各自相应的板件上生成孔时，其位置如何保证一致性；其次，如图3所示，扩展名为sldlfp的文件即库特征，某个开孔库特征需要放置在其相应板件的一个表面上，怎样保证开孔库特征与板件正确匹配，并准确地放置到相应的面上。

第一个问题可以通过SolidWorks提供的派生草图来解决，开孔库特征以草图点作为定位基准，因此在级进模模架中建立一个“位置点草图”作为原始草图，然后在各个板件的一个面（开孔库特征放置面）上生成派生草图，派生草图与原始草图保持位置的一致性；第二个问题相对复杂一些，首先需要合理规划功能组件的信息描述，本文采用Excel建立组件信息描述模型，其次通过编写程序二次开发来处理组件信息描述模型，以保证开孔库特征与板件的一致性。
3.1孔库特征与相应级进模模板准确匹配的程序处理方法
    (1) 读取数据并保存
表4为导向浮料销功能组件信息描述的部分内容，程序处理数据时，采用逐行读取的方式，程序通过判断关键字（表中RELATEDNAME、SURFACE、MODEL），并将数据内容按顺序保存在3个相应CStringArray型的变量中，分别定义为m_aRelatedBoard、m_aRelatedSurface、m_aLibFeatModel。即表4第一行数据 “凹固板”、“下表面”、“导向浮料销凹固板.sldlfp”分别是m_aRelatedBoard、m_aRelatedSurface、m_aLibFeatModel的第一个字符串值，其他数据的顺序值以此类推，如表5所示。
表4 开孔库特征与对应板件及放置面

表5 变量及其存储内容

(2) 孔库特征的与相应模板的正确匹配
利用SolidWorks软件的文件自定义属性获得需要的板件。图4为凹固板文件自定义属性。在模架装配体中插入功能组件时，程序对模架装配树中的子零件进行遍历，并读取子零件的“文件自定义属性”的属性名称。当该子零件的“文件自定义属性”的属性名称中含有“名称”（图中第3行）时，程序读取对应的值，即图中第3行的“凹固板”。

对m_aRelatedBoard中的字符串进行搜寻，找出其中是否有“凹固板”，如果没有，则程序继续对模型装配树中进行遍历，并重复以上操作；如果m_aRelatedBoard有字符串“凹固板”，则记录“凹固板”在m_aRelatedBoard中的顺序号k，然后根据k提取m_aRelatedSurface和m_aLibFeatModel中的值，即获得开孔库特征对应的放置面和开孔库特征的模型。程序执行流程如图5所示。

如果级进模设计中用到了多个完全相同的组件，那么可以在模架的“位置点草图”中绘制这些组件的定位点，然后通过程序对库特征孔进行“草图驱动的阵列”操作，这样不仅提高了自动化程度，而且降低了模型的特征数量和复杂程度。
3.2 应用实例
以SolidWorks为平台开发了电机铁芯级进模半标准组件孔设计模块，该模块集成了企业的设计规范，实现了板件孔的关联设计。图6所示为导正销组件孔设计的用户界面，通过选择模架中的位置点草图（图中为“导正销组件位置点”），再按“确定”按钮，该模块将在模架中自动装配导正销组件，并且在各个相应的板件上生成关联孔。

结语

本文在对级进模结构设计研究的基础上，提出了基于功能组件的设计方法。在三维软件SolidWorks环境下，应用库特征技术开发了电机铁芯级进模半标准组件孔设计模块，实现了组件及其孔的关联设计。该模块的应用提高了级进模设计的自动化程度和设计质量。

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