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摘　要： 沖模典型結(jié)構(gòu)，是指由標(biāo)準(zhǔn)模架、模具的固定和定位裝置及導(dǎo)向裝置、卸料裝置等組成的一個(gè)有機(jī)裝配體，它是進(jìn)行模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。在以往的模具CAD系統(tǒng)中，進(jìn)行模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，往往預(yù)先定義好幾種典型的模具結(jié)構(gòu)供用戶設(shè)計(jì)時(shí)選擇

沖模典型結(jié)構(gòu)，是指由標(biāo)準(zhǔn)模架、模具的固定和定位裝置及導(dǎo)向裝置、卸料裝置等組成的一個(gè)有機(jī)裝配體，它是進(jìn)行模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。在以往的模具CAD系統(tǒng)中，進(jìn)行模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，往往預(yù)先定義好幾種典型的模具結(jié)構(gòu)供用戶設(shè)計(jì)時(shí)選擇，然后再在此基礎(chǔ)上進(jìn)行模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。這雖然大大地減少了設(shè)計(jì)者的工作量，提高了設(shè)計(jì)效率，但由于沖模結(jié)構(gòu)的復(fù)雜與多變性，又限制了系統(tǒng)的實(shí)用范圍，也不能讓用戶進(jìn)行設(shè)計(jì)修改，從而降低了設(shè)計(jì)的靈活性。

為了滿足不同用戶的需求，使他們能夠方便地自定義所需要的模具結(jié)構(gòu)，并能在設(shè)計(jì)過程中進(jìn)行動(dòng)態(tài)的設(shè)計(jì)修改。本文研究了在參數(shù)化技術(shù)的基礎(chǔ)上，利用變量裝配設(shè)計(jì)方法，建立一個(gè)支持層次功能劃分，并能方便用戶進(jìn)行動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)修改的模具裝配模型，并以Auto CAD R14為平臺(tái)，利用面向?qū)ο蟮腛bjectARX為二次開發(fā)工具，結(jié)合MFC庫(Microsoft Fundamental Library)予以實(shí)現(xiàn)

1  動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)

動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)是在設(shè)計(jì)變量、設(shè)計(jì)變量約束、裝配約束驅(qū)動(dòng)下的一種可變的裝配設(shè)計(jì)，其中設(shè)計(jì)變量是定義產(chǎn)品功能要求和設(shè)計(jì)者意圖的產(chǎn)品整體或其零部件的最基本的功能參數(shù)和形狀參數(shù)，設(shè)計(jì)變量約束即設(shè)計(jì)約束或變量約束，設(shè)計(jì)變量和設(shè)計(jì)變量約束控制裝配體中的零部件的形狀。裝配約束是裝配體內(nèi)各個(gè)零部件的配合關(guān)系，它確定了零部件的位置。

動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)的過程是正向設(shè)計(jì)與反向設(shè)計(jì)相互結(jié)合的過程，所謂正向設(shè)計(jì)是指從概念設(shè)計(jì)到詳細(xì)設(shè)計(jì)，從而得到裝配設(shè)計(jì)方案的自上而下的設(shè)計(jì)過程。而反向設(shè)計(jì)是指對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案中的一些不滿意的地方提出要求或限制條件，結(jié)合原有的裝配功能要求，通過約束求解對(duì)原有的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行設(shè)計(jì)修改的過程。

實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)主要有如下兩點(diǎn)：

(1)參數(shù)化技術(shù)。參數(shù)化設(shè)計(jì)為設(shè)計(jì)者提供了一個(gè)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)的環(huán)境。近幾年來，零件圖的參數(shù)化設(shè)計(jì)已經(jīng)比較成熟，這使將參數(shù)化方法引入裝配設(shè)計(jì)成為可能。利用參數(shù)化技術(shù)，不僅可以實(shí)現(xiàn)裝配圖中零部件的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)修改，還可以通過裝配模型定義裝配關(guān)系，以一組變量的某種特定的形式或裝配特征來表達(dá)裝配關(guān)系，通過尺寸的驅(qū)動(dòng)，在裝配圖模型的基礎(chǔ)上參數(shù)化生成裝配圖。

(2)變量裝配設(shè)計(jì)理論。變量裝配設(shè)計(jì)理論是一種支持產(chǎn)品功能的裝配設(shè)計(jì)理論，其主要特點(diǎn)有：①支持從上到下的產(chǎn)品形狀和功能構(gòu)想；②支持面向功能的產(chǎn)品設(shè)計(jì)；③支持動(dòng)態(tài)裝配設(shè)計(jì)。在裝配設(shè)計(jì)中，概念設(shè)計(jì)、裝配設(shè)計(jì)、零件設(shè)計(jì)是三個(gè)相互交叉的過程。變量裝配設(shè)計(jì)對(duì)概念設(shè)計(jì)產(chǎn)生的設(shè)計(jì)變量和設(shè)計(jì)變量約束進(jìn)行記錄、表達(dá)、轉(zhuǎn)播，使各個(gè)階段設(shè)計(jì)主要是在產(chǎn)品功能和設(shè)計(jì)者意圖的基礎(chǔ)上進(jìn)行，它始終是在產(chǎn)品的功能約束下進(jìn)行和完成的。其設(shè)計(jì)過程如圖1。

2  模具典型結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)交互設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)

2.1  設(shè)計(jì)變量及設(shè)計(jì)變量約束的表達(dá)

設(shè)計(jì)變量是實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，零件的參數(shù)化設(shè)計(jì)及變量裝配設(shè)計(jì)是通過各種設(shè)計(jì)變量來實(shí)現(xiàn)的。設(shè)計(jì)變量的類表示如下：

　　class Design Variable:{

　　char ＊m_name;　　//變量名稱

　　value_type m_type;//變量類型

　　double m_real;　　//變量值

　　int m_int;　　　　//變量值

　　Point3d m_point;　　//變量值 

　　char＊m_string;　　//變量含義

　　Design Variable　　＊next;}

在級(jí)進(jìn)模設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)變量約束有如下3種：①等式約束，如上、下模板的Z方向坐標(biāo)Z2=Z1＋H。②限制約束，常為不等式約束。③規(guī)則約束，模具設(shè)計(jì)中的一些經(jīng)驗(yàn)知識(shí)。

采用設(shè)計(jì)變量約束網(wǎng)絡(luò)(Variable Constraint Network,VCN)來管理設(shè)計(jì)變量及其表達(dá)式。VCN是在模具典型結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過程中逐步建立和完善的，用戶可交互的對(duì)設(shè)計(jì)變量和變量約束進(jìn)行增加、修改、刪除等。

2.2  零件信息的表達(dá)

裝配體中相同的零件會(huì)出現(xiàn)多次，它們的幾何信息、物理特性都相同，不同之處在于空間位置，利用面向?qū)ο蟮姆椒ǎ�可以將零件表達(dá)為各個(gè)類的一個(gè)個(gè)對(duì)象，這些類存儲(chǔ)零件的圖形(由塊組成)、位置(中心點(diǎn)的坐標(biāo)(x,y,z)用數(shù)學(xué)表達(dá)式表達(dá))、屬性(約束變量值及尺寸大小)。而設(shè)計(jì)一個(gè)零件的過程就是一個(gè)實(shí)例化的過程。零件的基類表示如下：

　　class Copart：public AcDbEntity{

　　Char ＊_instant;　　　//零件的名稱

　　Point3d mCenter;　　　//零件的定位點(diǎn)

　　AcGe Vector3d mRot;　//零件的方向矢量

AcDbHardPointerID mdef; //零件的信息，如尺寸變量、零件個(gè)數(shù)等，以CoParDef(見下文)類存儲(chǔ)，以對(duì)象ID標(biāo)識(shí)

AcDbObjectIDArray mEntIds;//組成零件的實(shí)體信息，從圖塊中獲得

AcDbObjectIDArray mHoles;//零件上的孔的信息，由于級(jí)進(jìn)模的裝配關(guān)系多為板孔關(guān)系，故此信息須記錄

AcDbObjectIDArray mCons;//零件的約束鏈，以CoCons類(見下文)存儲(chǔ)，以對(duì)象ID標(biāo)識(shí)　}

存儲(chǔ)零件信息(約束變量，尺寸變量等)的CoPartDef類封裝了該零件的零件編號(hào)、數(shù)量、標(biāo)識(shí)及變量表達(dá)式等。

2.3  裝配約束關(guān)系的表達(dá)

在級(jí)進(jìn)模中各零件的裝配約束關(guān)系主要有以下幾點(diǎn)：①接觸關(guān)系；②依附關(guān)系；③裝配尺寸關(guān)系。

在級(jí)進(jìn)模結(jié)構(gòu)中，接觸關(guān)系和裝配尺寸關(guān)系相對(duì)比較簡單，它們用不同的類進(jìn)行封裝，它們共同的基類CoCons表示如下：

　　class CoCons：public AcDbObject{

　　pointerID mBody1,mBody2;//裝配關(guān)系所約

　　束的兩個(gè)零件或子裝配體

　　pointerID mGeomRefl,mGeomRef2;//約束

　　關(guān)系的兩個(gè)圖形參考實(shí)體

　　}

而依附關(guān)系較復(fù)雜，在模具結(jié)構(gòu)中，依附關(guān)系主要為板件上孔、槽等的描述。因此可用特征的隱式表達(dá)的方法，通過約束類型以及用變量表達(dá)式表示的約束參數(shù)來描述依附約束關(guān)系。當(dāng)建立兩個(gè)零件之間的約束關(guān)系時(shí)，包括約束關(guān)系鏈的一方稱為擁有者(Owner)，另一方稱作連接者(Connector)。當(dāng)任一方被刪除后，它們的約束關(guān)系也被刪除。在模具結(jié)構(gòu)中，孔的類型主要有通孔、帶螺紋階梯孔、螺紋孔、盲孔、階梯孔、凸、凹模的型孔等。通過總結(jié)，可將這些建立成裝配約束關(guān)系庫，系統(tǒng)可根據(jù)裝配關(guān)系庫自動(dòng)建立零件間的約束關(guān)系。下面為約束關(guān)系的一個(gè)實(shí)例，通孔(如圖2)的描述：

　　Relation(彈簧、凹模墊板)

　　{

　　Owner:彈簧(ID6)

　　Connector:凹模墊板(ID3)

　　Type:通孔

　　Paremeters:{

Center=[rxof(ID6),xyof(ID6),rzof(ID3)];

Ndir=[0,0,1];D=max(D1∷ID5,D∷ID6);H=T∷ID3;}}

2.4  動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)及其約束求解

正向設(shè)計(jì)的過程為：先進(jìn)行概念設(shè)計(jì)，確定模具的總體結(jié)構(gòu)，從模具裝配圖庫中調(diào)出相應(yīng)的典型模架裝配圖，在此基礎(chǔ)上，對(duì)裝配圖上的零件進(jìn)行功能與形狀設(shè)計(jì)，同時(shí)進(jìn)行裝配關(guān)系的定義(即貼合、同心、依附等)及修改，對(duì)所選零件的各個(gè)視圖進(jìn)行參數(shù)化驅(qū)動(dòng)或其它操作，并求解約束，約束求解采用動(dòng)態(tài)變量約束求解。如設(shè)計(jì)方案中的一些不滿意，則須進(jìn)行反向設(shè)計(jì)，如涉及到增加或刪除約束，則對(duì)VCN進(jìn)行動(dòng)態(tài)變量約束求解；如只需要進(jìn)行修改零件的尺寸或設(shè)計(jì)變量，則選擇需要進(jìn)行修改的零件，然后根據(jù)所選擇零件的約束，進(jìn)行約束求解，并對(duì)相關(guān)零件進(jìn)行設(shè)計(jì)修改。

所謂動(dòng)態(tài)變量約束求解，即在建立VCN過程中，每輸入一個(gè)設(shè)計(jì)變量約束，如已知條件可以充分滿足該設(shè)計(jì)變量約束，就求解該約束。在此采用了分類分步分解的求解策略，將等式約束和其他約束分類進(jìn)行分步處理，依次求解部分可解約束、循環(huán)處理，并應(yīng)用序列分解方法選擇可解約束和決定約束求解的順序。等式約束的序列分解算法如下：

(1)把所有等式約束表達(dá)成一個(gè)鄰接矩陣M1，行表示等式約束，列表示設(shè)計(jì)變量，‘1’表示某設(shè)計(jì)變量出現(xiàn)在所有行的等式約束中，‘0’表示沒有出現(xiàn)。初始化一個(gè)堆棧S1。

(2)找出M1只含一個(gè)設(shè)計(jì)變量(對(duì)應(yīng)只有一個(gè)‘1’)的行，如果沒有，則不可順序求解，轉(zhuǎn)入(4)。

(3)對(duì)只含一個(gè)設(shè)計(jì)變量的行，讀取該行的等式約束指針，并壓入堆棧S1，從矩陣中去掉該行，去掉含此設(shè)計(jì)變量的列，繼續(xù)(2)。

(4)求解S1中的等式約束所組成的方程組，返回。

當(dāng)?shù)仁郊s束不可能再進(jìn)行序列分解處理時(shí)，則需要進(jìn)行方程組的聯(lián)立求解，其它類型的約束也可用以上類似的方法進(jìn)行處理。

而反向設(shè)計(jì)中，如涉及到約束的增加或減少，也可對(duì)VCN進(jìn)行動(dòng)態(tài)變量約束求解。如約束不變，只是變量值發(fā)生了變化，則采用的約束關(guān)系的求解算法如下(如圖3)：

(1)找到零件P1的約束鏈；

(2)依次取約束鏈中的約束關(guān)系，得到約束關(guān)系記錄的連接者Pc，如已到鏈尾則轉(zhuǎn)(5)；

(3)如Pc的約束鏈中存在P1，則約束有效，轉(zhuǎn)(4)，否則繼續(xù)(2)；

(4)根據(jù)約束中記錄的約束參數(shù)，求解變量表達(dá)式，得到相應(yīng)的圖形；

(5)依次取Pc中連接者ID鏈中每一個(gè)ID，取得零件PID，從PID的約束鏈中得到相應(yīng)的約束關(guān)系，同樣進(jìn)行(4)。

3  結(jié)束語

采用以上的裝配信息的表達(dá)方法，正、反向設(shè)計(jì)相應(yīng)的求解策略及面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)方法，在模具典型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，零件及子裝配體的定義、存

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