基于模板的汽車覆蓋件交互式模具設計系統的研究

張智霞，章志兵，柳玉起，武朋飛

（1.華中科技大學材料成形與模具技術國家重點實驗室，武漢430074;2.上海大眾規劃部模具中心，上海 201805）

隨著汽車產品生產周期的不斷縮短和用戶需求個性化的增強，汽車企業面臨更加快速開發新產品的挑戰，汽車覆蓋件模具的設計與制造是制約整車更新換代的主要因素［1］。在汽車覆蓋件產品設計中，存在大量具有相似結構特征的零部件［2］，這決定了汽車覆蓋件模具雖種類繁多，但每一類都有很大的相似性和繼承性，使得在通用CAD軟件支持下，建立汽車覆蓋件模具模板庫具有實際的工程意義。

目前美國通用公司的模板庫已包含3000多個模板，日本豐田公司選擇模板化設計方法實現了模具設計自動化的重大突破［3］。參數化模板庫使設計人員可以利用以前的模型方便地進行模型重建，并在遵循原設計意圖的情況下，生成系列化產品。

國內對創建參數化模板庫的方法已有很多探索，如王志峰等人應用零件家族表和自定義特征創建了標準件庫和標準結構庫［3］，孟冠軍等人研究了模具結構中各零件的幾何造型和尺寸規格庫的創建［4］。這類研究重點集中在如何建立參數化模板庫，對模板庫的使用多是進行匹配調用后，手工更改參數進行模型重建。一套完整的模具，其組成零件數量龐大，手動修改不僅耗費大量的時間，造成繁雜的重復工作，而且易出現操作失誤，導致模型更新失效。

文中利用CATIA平臺強大的參數化建模功能，采用CAA技術開發了基于模板的汽車覆蓋件交互式模具設計系統，將模板化與參數化的思想相結合，著重研究在已有模板上，利用與模板參數匹配的參數文件，通過適當的人機交互快速進行模具參數更新，同時提供了新產品型面導入、標準件定位和模具結構檢查的功能，實現在已有模板基礎上全流程完整的模具“再設計”方案，有效地減少設計人員的重復性工作，提高模具的設計速度和質量。

1 系統設計

1.1 系統分析

實現模具結構參數化，在設計一套新的模具時就不需每一次都重新開始，只需利用已有的模板經過簡單的型面替換和參數修改，即可得到一套新的模具，極大縮短設計周期。如圖1是在已有模板上進行模具設計的一般步驟。

圖1 基于模板的模具設計一般步驟Fig.1 The general mold design steps based on template

其中關鍵步驟是模具結構設計，根據新產品型面特點對模板的各類參數進行合理調整。實際工程中，一套完整的模具包含幾百個零部件，如果僅靠設計人員手動在模型上更改各零件的參數值，不僅花費大量時間進行重復性的查找修改工作，而且龐大復雜的特征樹會使手動更改出現誤操作、漏操作的可能。如果用戶將模具參數進行分類，寫成與模板匹配的參數文件，不僅可以對需要修改的參數一目了然，而且能夠批量快速地更改目標節點下的參數值，實現特征更新。

另一個主要步驟是標準件定位。由于主體結構的一些改變，某些標準件的位置需進行微小的調整。在定位過程中，設計人員最關心的是其與一些相鄰面之間的距離，既能避免與其他零件之間的干涉，又能滿足其支撐面的制造要求。因此在標準件移動過程中，能夠時時自動測量并顯示其與相鄰面之間的距離十分必要。

基于以上分析，本系統需解決三項關鍵技術。

1）新產品數模自動替換。將用戶提供的三維工藝數模中的模具設計必需元素，包括工藝曲線（如分模線）、曲面等，按照已導入模板的要求，自動更新各個外部引用節點下的信息，實現產品型面的自動替換，為模具設計做好準備。

2）參數快速批量更新。根據用戶提供的參數文件及文件中各參數在模板中相應的數值，構建模具參數設計的動態交互界面。用戶在交互界面中一次性對多個參數值進行更改，程序自動反饋到相應參數節點，實現參數的快速批量更新。

3）動態測量。根據用戶設定的與標準件相鄰的面，在標準件移動過程中，程序自動時時測量并動態顯示幾組面之間的距離，方便用戶快速判斷其位置的合理性，實現標準件的準確定位。

1.2 系統構架

采用CATIA平臺的CAA技術開發的系統，包括4個功能模塊，為了保證系統的功能明確、可擴展性強，采用3層系統結構，如圖2所示，依次為物理層、數據層和技術層。

圖2 系統總體設計方案Fig.2 The overall design method of the system

物理層:應用CAA提供的各種API接口程序，實現在CAITA平臺上系統的開發。

數據層:用戶提供包括新產品工藝數模、模具模板，模板匹配參數文件以及模具結構設計檢查表在內的必需數據，為新產品模具的快速設計做好數據準備。

技術層:系統以參數化模板為核心，采用向導式模具自動化設計工具，提供了以模具參數自動更新為核心的包括新產品數模導入、模具參數化設計、標準件定位和模具檢查在內的4個功能模塊，完整地實現了在已有模板基礎上快速進行模具“再設計”的流程。

其中，在新產品數模導入模塊，應用數模自動替換技術完成工藝數模的替換更新工作，為后續的參數化設計打好基礎;參數化設計模塊通過參數自動更新技術，利用用戶提供的參數文件和交互界面，對各類參數進行快速批量更新;在標準件定位模塊，應用動態測量技術，實現標準件的快速定位;在模具檢查模塊，根據用戶提供的模具檢查表，在CATIA環境中對模具逐項進行檢查，并自動輸出審核結果。

2 關鍵技術

2.1 新產品數模自動替換

數模自動替換功能基于CATIA的“發布”（Publication）命令，此命令主要用于參數化裝配建模（Parametric Assembly Modeling）［5］，使用發布命令可以智能地實現組件之間的替換。

發布元素的幾何特征可以根據用戶需求進行修改變化，但只要發布名稱不改變，其外部引用就會根據發布元素的變化而重新構建“發布”與“外部參考”之間的關聯關系。發布命令實現幾何元素之間的關聯，由發布的名稱和原幾何元素所在零件在裝配環境下的實例名稱共同決定。因此即使將整個Part文檔替換，只要保持新Part在裝配環境下的實例名稱和發布元素的名稱均與原Part一致，那么幾何元素之間依然有效關聯，并會根據當前發布幾何特征的變化智能地構建出全新的幾何特征。

基于發布命令的關聯原理，程序實現數模自動替換的過程如圖3所示。用戶將提供的新產品數模的模具設計必需元素（如板料輪廓線、分模線、曲面等），按照已導入模板的要求進行發布，保證發布元素名稱的一致。程序自動獲取數模在裝配體中的實例名稱，賦給替換后的新產品零件。各個外部參考節點根據新的發布元素幾何特征進行相關特征的關聯重構，完成模具產品型面的自動替換。對于已更新的型面模型，可以實現各個子節點的重復替換。

圖3 發布命令的關聯過程示意圖Fig.3 Correlation process of publication action

2.2 參數快速批量更新

2.2.1 構建動態交互界面

交互界面的動態構建基于用戶提供的與模板相匹配的參數文件。參數文件的格式如表1所示，依次為參數所屬類別、參數類別表示圖片、參數名稱及參數所在部件。參數類型和每一類型包含參數的個數由用戶自己確定，這種方法不受模具類型的限制，也為初級設計人員提供良好的引導。

表1 模板參數文件格式Table 1 Format of parameter file

一套完整的參數化模板擁有龐大的參數信息，用戶將模板中的參數進行分類整理，寫成與模板匹配的參數文件，程序根據文件驅動生成動態交互界面。即當用戶選擇不同特征類別時，程序自動在交互界面中顯示表示該類別的圖片和所包含的所有參數，并根據參數所在部件獲取其在特征樹上的數值，達到根據類別的不同，智能地動態構造交互界面的目的，方便用戶一次性修改某類別的所有參數。

例如，用戶提供如表1的參數文件，在構建的交互界面中分別選擇“特征類別一”和“特征類別二”時，動態參數區分別如圖4a和4b。

圖4 參數化設計模塊的動態界面Fig.4 Dynamic dialog of parametric design module

以拉延模為例，可以模具主控參數作為特征類別一，所屬2個參數為模具總體高度、總體長度;以導板參數作為特征類別二，所屬3個參數為導板長度、寬度、厚度。修改時以類為單位，每次批量修改此幾何特征類所屬參數的數值，方便快速有效更新。

2.2.2 參數批量修改

CATIA中參數化過程的實現基于知識工程顧問模塊提供的公式（Formulas）、規則（Rules）等方法，即用一組參數約束該幾何圖形的結構尺寸和零部件的特征。參數與設計對象的尺寸和特征有顯式對應關系，當賦予不同的參數值時，可通過函數關系公式和尺寸驅動達到新的目標幾何形狀和特征［6］。

具體設計時，用戶根據新產品的數模型面特點，通過交互界面，對參數值按類別進行一次性批量修改，利用參數驅動重構原理實現模板相關幾何特征的更新。借助 CAA中 CATIProduct，CATIParmPublisher，CATICkeParm等幾個主要接口提供的函數，程序將用戶在對話框中輸入的目標參數值自動更新到模板特征樹上相應的參數節點下，參數值及引用到該參數值的外部參數值同步更新，通過相應的函數關系公式完成幾何特征重構（見圖5）。用戶根據需要，完成參數文件中所列出參數的更新，最終完成新產品模具的設計。

圖5 幾何特征更新過程示意圖Fig.5 The update process of geometric features

2.3 動態測量

測量距離時，用戶通過交互界面選擇幾組目標測量面，程序自動獲取這幾組面所在零件的位置矩陣。一般平面上的標準件，其局部坐標系與全局坐標系一致。對于斜面上的標準件，為了使移動功能更符合實際需要，使其可以沿斜面方向移動，程序將其局部坐標系從位置矩陣給出的坐標系原點O1，平移至標準件表面點W處（用戶選擇W），移動時的方向以該局部坐標系為準（圖6）。

移動時，程序根據用戶選擇的移動方向和設定的移動距離構造移動矩陣，與標準件當前的位置矩陣作CATMathTransformation函數的乘積運算，并以運算結果定位標準件的新位置。例如，將某標準件從其當前位置沿向量（a，b，c）移動iDis個單位，則:移動后位置矩陣=當前位置矩陣×移動矩陣，如式（1）:

圖6 斜面上零件局部坐標系的創建Fig.6 Local axis system creation of part on the inclined plane

移動過程中，程序時時獲取標準件當前位置矩陣，并分別測量幾組面當前最小距離顯示在屏幕上，以便用戶參考。在用戶選擇測量面之前，可根據經驗在交互界面設定每組面之間的最小距離值。移動過程中，程序動態測量幾組面的最小距離，如果測量的最小距離小于用戶設定的最小距離，則程序自動判斷后，以紅色顯示該距離以示提醒，方便用戶對標準件的位置及時做出調整。圖7為某型號平衡墊塊在移動時的距離顯示和相應的部分對話框界面。

圖7 標準件移動時動態測量數值的顯示Fig.7 Dynamic measuring numerical displayed of standard part

3 應用實例

利用本系統對某汽車的某覆蓋件零件數模（圖8a）進行模具設計。首先在新產品數模導入模塊，選擇合適的模具模板（圖8b），保證該產品與模板中型面零件的發布元素名稱保持一致的前提下，導入該產品數模零件，完成新產品型面替換工作。

在參數化設計模塊，導入用戶提供的與模板參數相匹配的參數文件（如圖9a），用戶根據新產品型面的特點，在交互界面中選擇類別列表中不同的類別，按類別合理修改界面下方參數區動態顯示出的參數值，完成模具參數化設計工作。如圖9b和9c分別是修改模耳吊座和導板參數時動態顯示的交互界面。

圖8 模具設計模板和數模Fig.8 Die template and the new structure part

圖9 參數文件和參數化設計模塊的動態界面Fig.9 Parameter files and dynamic dialog

在調整好的模具主體上對標準件進行重新定位，注意屏幕上紅色顯示的距離數值（如圖7），移動過程中避免與其他零件的干涉。最后在模具結構設計檢查模塊，導入用戶提供的模具結構設計檢查表，在CATIA環境中對模具進行逐項審查，并保存審查記錄，程序自動輸出審核結果。

經過以上4個模塊流程，在模具模板上快速完成相似結構數模的模具設計，有效減少設計人員的工作量和設計時間。

4 結語

重點研究了使用參數化模板快速進行模具“再設計”的方法。采用CATIA提供的參數化建模功能和CAA技術，開發了完整的全流程模具設計工具，集成了新產品數模導入、參數化設計、標準件定位、模具檢查4個功能模塊，可以有效地解決實際工程中大規模參數數據的讀取和更新問題，避免設計人員手工操作過程中可能存在的誤操作、漏操作現象，減少重復性工作。同時在標準件定位方面，提出了在移動過程中動態顯示測量距離的方法，可以有效地避免標準件與其他零件之間的干涉問題，為標準件的快速準確定位提出了一種新的方法。本系統的使用不受模具類型的限制，在實際工程中更具靈活性和實用性。

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