基于软件设计模式的客车件冲模三维CAD系统研究与实现

【摘要】： 冲压是一种重要的塑性成形工艺，冲压模具在现代工业中占有非常重要的地位，其应用也日益广泛。在铁路制造业中，冲模作为客车件成型的重要制造装备和现代先进制造设备，其设计和制造备受关注。要提高模具设计和制造水平和效率，缩短生产周期，开发模具CAD／CAM是必由之路。本文围绕铁道部重点投入项目“客车件冲模三维CAD系统开发”，对基于软件设计模式的CAD系统设计和实现的关键技术进行了研究。 本文首先研究了客车件冲模三维CAD系统的体系结构。在分析冲模的实际设计过程和内容的基础上，建立了一个基于IDEF0的冲模CAD系统功能模型，并提出了基于层次化功能-结构单元的冲模结构设计模式，综合系统需要满足的功能性和非功能性要求，提出并建立了一个基于构件-接口控制总线模式的客车件冲模三维CAD系统的体系结构。作为软件设计中系统级的设计模式，该体系结构定义了冲模CAD系统设计开发所应涵盖内容、系统功能实现的流程和各部分之间的交互方式，为该领域不同类型冲模CAD系统的开发提供了系统级的重用支持。基于该体系结构建立的冲模CAD系统，符合冲模的实际设计过程，支持自下而上和自上而下综合的设计过程，在合理的产品模型支持下，可以实现冲模产品的全相关设计；由于构件之间的交互通过接口总线实现，避免了构件间的直接数据交换，大大降低了构件间的耦合度，方便了系统的扩充、升级和维护工作，同时，可以实现冲模CAD系统的并行开发，提高系统的开发效率和质量。 然后对客车件冲模的产品模型进行了研究。在分析冲模产品模型的基本要求基础上，结合客车件冲模CAD开发的实际情况，给出了其产品模型的逻辑结构；以特征技术为基础，以面向对象技术为手段，实现了各类信息的高度集成，建立了包含知识的客车件冲模三维智能化集成产品模型。该模型不但能完整地表达冲模的设计结果，同时还表达和存储了冲模设计的知识信息，能较好地为冲模的设计过程提供规则和约束，支持产品的智能设计过程以及冲模的数字化预装配规划和仿真；而模型中冲压件信息的集成则扩大了冲模产品模型的信息内涵和应用外延，便于建立冲模智能设计过程的信息关联，从而使集成信息模型成为产品设计过程上、下游活动实现信息共享的基础。此外，模型的开放式结构还使其易于升级、扩充和维护。 在冲模CAD系统的实现中，本文分析了冲模CAD系统领域设计中的变异性和共性，对客车件冲模CAD系统软构件开发中的构件功能划分、实现和管理等内容进行了研究；研究了基于设计模式的冲模CAD系统实现方法；针对现行机械行业CAD系统的发展趋势，提出了基于特征造型过程分析和现有CAD系统设计经验提炼的设计模式创建策略，在此基础上，创建了基于特征造型的三维冲模CAD系统开发的若干设计模式，对其中的凸模自动设计实现的软件设计模式进行了详细描述。基于这种方法的设计模式提炼，从一开始就注重设计过程的重用，有助于发掘初期的设计思想，克服了单纯从已开发成功的软件提取设计模式的难度，不仅方便软件设计模式的创立，还有助于加强软件重用 的力度。 此外，本文还对冲模的数字化预装配规划和仿真进行了研究。提出了一种基于子装 配体划分和冲模结构知识的装配序列规划方法，这种方法主要依据冲模构成零部件的几 何约束信息和冲模结构知识对装配设计产生的模型进行子装配体识别和划分，将整个模 具的装配序列规划问题分解为若干子装配体内部及子装配体之间的序列规划。研究了基 于子装配体的装配序列生成算法和装配过程实现的二又树模型，并从可视化角度出发， 对装配过程仿真中的位姿变换、装配路径的离散化和装配干涉等相关问题进行了深入研 究。