參數化設計在模具設計中應用研究

劉占峰

摘 要：本文論述了參數化設計的主要界定、設計觀念和方式，并提供了參數化設計設計在模具不動板設計中的運用。該方式的運用可以大大縮短模具型殼的設計時間，對提升模具的市場競爭能力具備重要和實際意義。

關鍵詞：參數化設計;模具設計;應用研究

引言

伴隨著現代工業生產的迅速發展，產品的基本功能和構造更加繁雜，新品的發布時間愈來愈短。設計階段在生產系統的生產率中起著關鍵的作用。工程圖是具體項目中表述設計觀念的方法，提升工程圖的制作品質和效果是提升設計品質、減少設計周期的重要環節之一。

一、傳統CAD繪圖技術

傳統式的CAD繪圖技術使用固定的尺寸值定義集合元素，每條輸入線都是有一個明確的部位。在改動方式時，只需改動一個原素，隨后通過反復的刪除以及重畫操作。因而，在某種程度上，通用性CAD系統只有保證繪圖員的工作環境從繪圖板遷移到計算機。傳統式CAD在幾何造型和工程圖的發展中起到了關鍵作用。但是實際中，依舊存在一部分問題，主要表現在以下幾個方面：（1）無法支持快速的設計修改以及有效使用之前的設計結果。傳統式的CAD只記錄產品的形狀坐標信息。（2） 不能完全支持維護設計完整性的工作。傳統的 CAD 系統不記錄設計對象的內部元素之間的關系。當設計更改時，特定部分的更改不能自動反映在相關部分的更改中，必須由設計人員手動更改。在很多情況下，不能保證設計要求包含在設計中。重復時的可靠保證。（3）不符合工程設計者的習慣。在工程設計中，經常會出現將結構草圖定義為原型，不斷定義約束，通過一些高級設計指令調整參數值，隨著時間的推移進行改進以達到最佳設計效果的情況。傳統的CAD系統面向特定的幾何圖形，只處理圖形元素的幾何信息，只記錄幾何圖形的精確坐標信息，大量的幾何圖形拓撲、尺寸約束信息、功能需求信息與實際工程意義被拋棄，應用受到限制到產品的詳細設計階段。自1990年代初以來，CAD 技術已發展到第五階段，以參數化設計、功能建模等新技術為主要核心，成功解決了CAD技術前一階段CAD系統的缺陷。

二、參數化設計的基本概念

（一）參數設計與變量設計的區別

參數化設計一般是指設計對象的結構和形狀比較定型，可以用一組參數來定義大小-數量關系。參數的求解比較簡單，參數明確對應設計對象的控制尺寸，設計結果的變化由尺寸決定。變分法是指設計對象的修改順序需要更多的自由度，通過求解一系列約束方程來確定產品的尺寸和形狀。約束方程可以是幾何關系或工程計算條件，設計結果的變化是由約束方程驅動的。可變設計可應用于公差分析、運動機構調整、設計優化、初步設計和選擇等。從設計方法的角度來看，可變設計 CAD 系統的體系結構仍有許多問題需要解決。

（二）參數模型

所謂參數模型，就是用形式參數表示的模型，包括參數之間的關系?？梢垣@取一組特定的數字來獲得相應的設計模型。要實現參數化設計，首先需要建立零件的參數化模型。一般來說，模型的結構（即拓撲信息）沒有改變，每個參數的值都是可變的。但是，在某些情況下，拓撲結構也可能發生變化。

（三） 約束

約束是多個對象之間必須滿足的關系 R （a， b， c ...）。解決約束是找到約束為真的每個對象的值。可以用一階謂詞邏輯來描述它們，以便統一幾何模型和約束的表示，便于集合的推理。例如，平行線 L1 和 L2 可以表示為 Parallels （L1， L2），兩條線在點 P 的交點可以表示為交點。（L1，L2，P），圓C與多邊形的包含關系可以用Inside（C，PL）來表示。約束的類型很多，但最常見的是數據完整性約束、代數約束、邏輯約束、函數約束和幾何約束等。幾何約束基本上可以分為結構約束和尺寸約束。結構約束是拓撲約束，例如不可變對象的對稱性、垂直度、平行度和切線。尺寸約束是確定幾何相關元素的大小及其相對位置的約束，例如對象之間的距離。圓的半徑（或直徑）、直線的長度、兩條直線之間的夾角等都可能發生變化。

三、模具設計

模具設計是指型腔模具、冷沖壓模具等企業模具進行數字化設計的人員。在傳統模具設計的基礎上，充分應用數字化設計工具，提高模具設計質量，縮短模具設計周期。模具是一種以特定方式形成特定結構形式的材料的工業產品，也是可以批量生產具有特定形狀和尺寸要求的工業產品零件的生產工具。幾乎所有的工業產品，從飛機和汽車到小杯子和釘子，都必須在模具中成型。模制零件的精度、一致性和生產率是任何其他加工方法無法比擬的。模具對產品質量、效率和新產品開發能力有重大影響，因此，模具享有“工業之母”的美譽。以電腦機箱為例，對設計的模具產品進行可行性分析。首先，使用設計軟件對每個組件的產品圖紙進行分析，即正在處理的一系列圖紙，并且每個產品的圖紙在模具設計之前都是準確的。另一方面，可以了解整個底盤中每個組件的重要性，并確定對模具設計合適尺寸，產品分析后進行的工作、產品分析中使用的模具結構、產品工序等進行組織的設計軟件，確定各工序的沖壓內容，隨后進行設計。

四、參數化設計的基本原則

參數化設計一般是指設計對象的結構和形狀比較定型。可以使用一組參數來定義大小關系。參數明確對應設計對象的控制尺寸，設計結果由尺寸決定。參數化約束設計使用自由度分析和理想結構矩陣的概念為機械產品建立基于約束的幾何描述?？梢愿鶕F有圖形準確有效地建立幾何約束依賴關系并實現幾何約束。參數約束設計中的中心關系是：模板圖 + 幾何約束或參數 = 可變模板，模板圖是同一 CAD 環境中的任何繪圖：（1） 使用常用命令交互式創建的模板圖，（2） 使用現有圖形文件作為模板圖，以及 （3） 由參數約束命令生成或修改的圖形。該參數是指寫入維度實體的維度值。這將是以下尺寸文本之一：它由圖中的設計變量通過：尺寸測量值、設計者輸入值和、方程、計算得出。從包含尺寸設計變量的圖形文件中獲得的輸入值。幾何約束一般指平行、垂直、相切等形狀約束。變量映射是基于模板映射的大小相關變化的圖形表示，其形狀和大小與其包含的維度相同。變化圖表可以修改和編輯，也可以用作其他圖表的模板圖表。

五、應用實例

根據注塑模具的結構設計，可分為幾個主要模塊：標準件、動、定模固定板、動模、定模。每個零件在零件結構形狀和圖紙表示上都有自己的特點，您可以根據用戶的需要創建模板圖紙或使用現有的圖形文件。參數化設計在模具設計中的應用越來越成熟。以注塑模具固定板為例，采用尺寸驅動的方法在CAD中完成參數化設計。首先，運行 CAD 編程的 VBA 參數化設計程序，如圖 2 所示。用戶輸入注塑模具固定板的基本尺寸公差并單擊“生成圖形”按鈕。如圖4所示，在CAD繪圖區自動生成完整的注塑模具固定板零件圖。使用該程序設計一個零件每人大約需要 15 分鐘，如果不實施參數化設計，每人需要 2 天，大大減少了設計時間。

結束語

通過將參數化設計技術應用到模具設計中，可以快速設計模具零件，快速更改設計，有效利用之前的設計成果。參數化設計廣泛應用于模具設計行業，對提高模具設計效率、縮短模具開發周期、降低模具開發成本具有一定的積極作用。

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