参数化设计在模具设计中应用研究_汪列隆

机械 2006年第7期 总第33卷 计算机应用技术 ·27·——————————————— 收稿日期：2006－03－24基金项目：国家自然科学基金资助项目（50375026） 作者简介：汪列隆（1972－），男，安徽池州市人，池州师专机电工程系讲师，东南大学在读硕士，研究方向为机械结构的动态优化设计、参数化设计在模具设计中应用研究汪列隆1，2，朱壮瑞2（1.池州师范专科学校 机电工程系，安徽 池州 247000；2.东南大学，江苏 南京 210096）摘要：介绍了参数化设计的基本原理 ，设计思想和实现方法 ，并给出了参数化设计在模具固定板设计中的应用。

使用该方法可以大大缩短模具设计时间，对提高模具的市场竞争力具有重要意义。

关键词：CAD ；参数化设计；模具设计中图分类号：TH112 文献标识码：A 文章编号：1006－0316（2006）07－0027－03Appling research on parametric design in mould designWANG Lie-long 1，2，ZHU Zhuang-rui 2（1.Department of Mechanical and Electrical Engineering ，Chizhou Teachers College ，Chizhou 247000，China;2.Southeast University ，Nanjing 210096，China ）Abstract ：In this paper ，the fundamental ，design idea and realization method of parametric design are introduced. The parametric design is applied to design of the board fixed on injection mould. This method can shorten greatly for design of mould ，and has important signification to improve competitive ability in mould industry. Key words ：CAD ；parametric design ；mould design随着现代化工业的高速发展，产品的功能、结构日趋复杂，新产品的更新换代周期不断缩短，设计阶段对于生产系统的整个生产率起着举足轻重的作用。

工程图是工程实际中表达设计思想的重要手段，提高工程图的制图质量和效率是提高设计质量和缩短设计周期的重要途径之一。

传统的CAD 绘图技术用固定的尺寸值定义几何元素，输入的每一条线都有确定的位置，在修改、编辑已有图形时，只能一个图元一个图元地修改，反复进行大量的删除和重画操作。

因此，从某种意义说，一般的CAD 系统只是做到了将制图员的工作环境从图板上移到了计算机上。

传统的CAD 在几何造型和工程图的发展中起了相当大的作用，但在实际应用中，人们逐渐发现它们存在着某些严重不足，主要表现在以下几个方面：（1）无法支持快速的设计修改和有效地利用以前的设计结果。

传统的CAD 只记录了产品的形状坐标信息，这样一来，即使一个很小的设计修改也往往会导致对以前大量设计努力的放弃。

因为设计的局部改动常常会引起整个图形的删除和重画，不仅效率低而且难以保证设计约束的前后一致性。

（2）无法很好地支持设计的一致性维护工作。

传统的CAD 系统没有记录下设计对象内部元素相互之间的关系，在设计修改时，某一局部的改动不能自动反映到相关部分的变动，需要设计人员手工修改，这样往往不能保证设计要求在设计反复时得到可靠的保证。

（3）不符合工程设计人员的习惯。

工程设计往往是通过定义一个结构草图作为原型，通过一些高层次的设计指令不断定义约束和调整参数值，逐步细化以达到最佳的设计结果，而传统CAD 系统面向具体几何形状，所能处理只是图形元素的几何信息，仅仅记录了几何形体的精确坐标信息，而大量丰富的具有实际工程意义的几何拓扑、尺寸约束信息和功能要求信息均被丢弃，其应用仅局限于产品的详细设计阶段[1]。

进入20世纪90年代后，CAD 技术发展到了第5阶段，以参数化设计和特征造型等新技术为主要·28·计算机应用技术机械2006年第7期 总第33卷核心，成功地解决了CAD技术发展到了前几阶段CAD系统的不足。

1 参数化设计的基本概念1.1参数化设计及变量设计的区别参数化设计（Parametric design）一般是指设计对象的结构形状比较定型，可以用一组参数来约定尺寸、数量关系。

参数的求解较简单，参数与设计对象的控制尺寸有显式的对应关系，设计结果的修改受到尺寸驱动。

变量化设计（Variational design）是指设计对象的修改秩序需要更大的自由度，通过求解一组约束方程来确定产品的尺寸和形状。

约束方程可以是几何关系，也可以是工程计算条件，设计结果的修改受到约束方程驱动。

变量化设计可以应用于公差分析，运动机构协调、设计优化、初步方案设计选型等。

从设计方法学的角度考虑，变量化设计CAD系统的体系结构还有很多问题有待解决[2]。

1.2 参数化模型所谓参数化模型，是指形式参数表示的模型，包含有参数之间的关系（Relation）信息，当给定参数的一组具体数值，就可以得到相应的一个设计模型。

要实现参数化设计，必须先建立零件的参数化模型。

一般情况下，模型的结构（即拓扑信息）是不变的，各个参数值是可变的。

但在某些情况下，拓扑结构也可改变。

1.3 约束约束（Constraint）是若干个对象之间应满足的关系R（a、b、c……）。

对约束求解就是找出约束为真的各个对象的值。

为了统一表示几何模型和约束条件，并有利于集合推理，可采用一阶谓词逻辑来描述。

例如，线段L1和L2平行可表示为Parallel （L1，L2），两直线相交于P点可表示为Intersection （L1，L2，P），圆C和多边形的包含关系可表示为Inside（C，PL），等等。

约束有很多种，常见的有数据一致性约束、代数约束、逻辑约束、功能约束、和几何约束等。

几何约束从性质上可分为结构约束和尺寸约束两种。

结构约束是指拓朴结构方面的约束，如对称、垂直、平行、相切等，为不变对象；尺寸约束为确定几何关系元素的大小及彼此间相对位置的约束，如对象间的距离、圆的半径（或直径）、直线长度、两直线夹角等，是变动的对象。

2 参数化设计的基本原理参数化设计一般是指设计对象的结构形状比较定型，可以用一组参数来约定尺寸关系，参数与设计对象的控制尺寸有显式的对应，设计结果的修改受到尺寸驱动。

而参数化约束设计用自由度分析和理想结构矩阵的概念，建立了一种基于约束的机械产品几何形位描述，能准确高效地在已有图形基础上自动建立起几何约束依赖关系，实现对复杂工程图形的几何约束驱动[3]。

参数化约束设计核心关系是：样板图+几何约束或参数=变图样板图是在同一CAD环境中的任何图形，可以是：（1）利用普通命令交互式地创建的样板图；（2）利用现有图形文件作为样板图；（3）通过参数化约束命令生成或修改后的图形。

参数是指写在尺寸标注实体上的尺寸标注值，可以是以下任何尺寸文本：（1）尺寸标注测量值；（2）设计者输入值；（3）通过表达式从图中设计变量计算得到的值；（4）通过包含尺寸设计变量的图形文件得到的输入值。

几何约束一般是指平行、垂直、相切之类的形体约束。

变图是基于样板图而随尺寸变化的图形表示，它的形状大小与所含尺寸标注相等。

变图可以被修改和编辑，亦可以成为其他图形的样板图。

3 应用实例按注射模结构设计可分为：标准件、动定模固定板、动模、定模等几大模块。

各部分的零件结构形状和图样表达都有其相应特征，样板图可根据用户需要自己创造或利用现有的图形文件。

参数化设计在模具设计中的应用日趋成熟，下面以注射模固定板为例，在CAD中利用尺寸驱动的方法来完成其参数化设计。

首先运行在CAD中已编好的VBA参数化设计程序，如图2所示。

在图1中请用户在文本框输入该工程图在整个机械2006年第7期 总第33卷计算机应用技术·29·模具装配图纸中的位置坐标值，U为X向坐标值，V为Y向坐标值，输完后请单击下一步按扭。

就会出现如图2所示，在该对话框中请用户输入注射模固定板必要的尺寸值，输完后请单击下一步按扭。

就会出现如图3所示。

图1 输入坐标对话框图2 输入基本尺寸对话框图3 输入基本尺寸公差对话框用户输入注射模固定板基本尺寸公差，单击生成图形按扭。

如图4所示，就是在CAD绘图区自动生成完整注射模固定板零件图。

应用该程序对该零件的设计只需要15分钟/人左右，如果不实行参数化设计则需要2天/人，大大缩短设计时间。

图4 生成零件工程图4 结论参数化设计技术在模具设计中的应用，它可以快速设计模具零件、快速对其设计进行修改，还可以有效地利用以前的设计结果。

参数化设计对提高模具设计效率、缩短模具开发周期和降低模具开发成本有一定的积极作用，在模具设计行业将会得到广泛的应用。

参考文献：[1]张佑生，等. 塑料模具计算机辅助设计[M]. 北京：机械工业出版社，1999：24-26.[2]周济. CAD基础及应用[M]. 北京：机械工业出版社，1995：67-70.[3]王钰. 用VBA开发Auto CAD2000应用程序[M]. 北京：人民邮电出版社，2000：34-36.片底部的材料冲下形成一个成品零件，模具上行，上模的件18、19、21组成的打件机构将零件从上模打下，件20将冲孔至件12孔中的废料打下，件10将板料从件12上卸下。

3.5模具设计注意事项（1）件12在制作时，其落料凸模圆、冲孔凹模圆与拉延凹模圆有同轴度要求，其同轴度不小于φ0.01。

（2）件7与件12在拉延时，其间隙值取1.05 t 为宜。

间隙太大，拉延后垫片的臂部会不竖直，产生倾斜；间隙太小（如选在1 t），则因件7是直壁刃口，制件还没拉延到5 mm就容易产生断裂。

（3）件7、件8、件12人工装配时其相配合内外圆周边间隙均匀。

4两种模具对比（1）改进后上模减少了一个过渡配合，降低了制造及安装难度。

（2）上下模配合时，由原来的四件刃口件内外圆相配变为三件刃口件内外圆相配，降低了装配难度。

（3）件7因减少了一个同轴度要求，其制造难度降低。

（4）改进后件7由原来的壁厚5 mm的环形空心件变为φ33实心体件，其热处理时变形减小，可淬性提高，冲裁刃口强度提高。

基于此优点，模具在运行时返修率大大降低，可靠性提高，可延长模具的使用寿命2倍以上。