汽车覆盖件模具中活动凸模的参数化设计
对于汽车覆盖件模具，工作区间设计是模具设计的重点和难点，由于设计理论的不完备性和造型结构的复杂性，以往的方式难以实现对它的参数化设计。在综合传统的参数化技术和模板技术的基础上，采用UG/WAVE技术，实现造型结构的关联设计，并通过UG的二次开发方法，将大量的设计知识和设计标准融合到程序中，实现了对活动凸模的快速设计。在实际应用中，不仅有效提高了设计效率，缩短了设计周期，还降低了对设计人员的技术要求，保证了设计的准确性和可靠性，为加强企业的市场竞争力提供了有力保障。随着汽车工业高速发展，车型更新速度越来越快，在汽车新车型的开发过程中，很大一部分工作来自于汽车覆盖件模具的设计与制造。作为生产汽车覆盖件的主要工艺设备，汽车覆盖件模具具有结构繁复、工作型面形状复杂、加工精度要求高、对专家经验依赖性强等特点，其开发过程是制约汽车更新换代的瓶颈。因此，缩短设计周期对缩短整个汽车的开发周期具有重要意义。
模具CAD参数化技术在汽车行业中的广泛应用有效提高了模具设计的效率和质量，但它主要应用于标准化、通用化程度较高的零件，具有一定的局限性。对于覆盖件模具，主要集中在对非工作区间中标准件或机构的参数化设计，想实现对工作区间的参数化设计则比较困难。而现代的许多先进设计方法如模块化设计和自顶向下设计等却要求能够实现工作区间的三维参数化设计。
活动凸模是覆盖件模具工作区间中一种常见的重要机构，区别于传统固定在模座上的凸模，它在工作时能根据实际需要灵活地调整位置，常用来完成覆盖件的翻边、修边、整形等冲压工艺，并能通过运动传递完成自动送料、脱料过程，其设计开发是覆盖件模具设计的重要内容。由于汽车覆盖件往往具有复杂的空间曲面结构，并且对加工工艺有严格要求，决定了活动凸模设计的复杂性和重要性。以往的活动凸模设计对设计人员的要求比较高，设计人员需要具备丰富的设计经验，并且设计还需要经过反复的修改，存在设计周期长、效率低和难以快速响应市场需求等问题。
为此，以下从企业的实际需要出发，在融合了大量设计实践经验的基础上，以UG软件为平台，综合运用参数化技术、WAVE技术、UG/OPEN技术，为其量身开发符合使用习惯的活动凸模快速设计系统。
UG/WAVE参数化技术
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UG/WAVE（What-If Alternative Value Engineer）是一种实现产品装配的各部件间关联建模的技术，可以基于一个部件的几何信息及其空间位置设计另一个部件。UG/WAVE技术为大型产品设计中设计更改控制问题提供了一种有效的解决方案，是真正的自顶向下的、全相关的产品级设计技术，利用它可以简单地通过关键的工程准则来驱动和控制高级结构化的产品布局，极大地提高产品设计效率。它主要应用于以下几个方面。
相关部件间建模
在装配中，利用已有的零件，通过使用WAVE几何链接器关联复制几何体的方法来建立另一个组件或在另一个组件上建立特征。
自顶向下设计
通过在装配中建立产品的总体参数或整体造型，并将控制几何对象关联性复制到相关组件，用于控制产品的细节设计。
系统工程
类似于自顶向下的设计方法，但采用模块化设计技术，将一个大型复杂产品分解为总体控制结构和若干具有关联性的子系统，避免了过于庞大的装配结构。WAVE技术通过顶层结构管理功能，如WAVE图表、链接对应关系图等更好地控制结构和管理子系统与总体控制结构间的链接。
传统的参数化设计只在单个零件内通过定义几何约束和尺寸约束建立特征间的相关性，或在结构层次简单的部件间通过部件间表达式实现尺寸关联，是面向零件级的参数化技术。
但在面对大型复杂的产品设计或无法简单用表达式表述的关联关系时，以往的参数化技术无法满足设计要求，而UG/WAVE的引入有效弥补了这些不足，将参数化建模技术提升到更高级的系统和产品设计的层面，其本质可看成是数据的流动或数据的传递，这些数据既可以是复杂的公式或表达式这样的数值变量，也可以是像曲线或空间曲面这样的几何实体，它们间的关联性使装配位置和精度得到严格的技术保证（甚至可以不需要建立配对约束），从根本上支持了自顶向下的设计思想。
采用UG/WAVE参数化设计时，将驱动产品变化的关键设计变量放入顶层控制结构中，可严格控制子部件和零件的尺寸和形状，当这些变量发生变化时，能自动更新相应零部件的设计，可用于从产品初步设计到详细设计的各阶段。这样既保证了设计的完整性和可靠性，又保持了设计人员意图的一致性，使得详细设计可以在概念设计完成之前进行实施，大大缩短了设计周期。
活动凸模参数化设计的实现
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01
活动凸模结构与设计分析
活动凸模结构及运动示意图
如上图所示，活动凸模由滑块、驱动块和叉刀组成，其中叉刀安装在上模座中，驱动块安装在下模座上。工作时，上模座带动叉刀向下运动，叉刀与气缸共同使驱动块水平运动，同时驱动块通过斜导板作用驱动滑块完成对工件的翻边或整形，冲压结束后，叉刀与驱动块回到初始位置，滑块回退脱离工件，完成自动脱料过程，特别对于冲压后产生负角的冲压件，能方便取出。
活动凸模装配结构
活动凸模机构具有严格的装配关系和运动关系，在参数化设计前，需要明确它的整体装配结构及关键的设计变量。通过对以往设计过程的分析，采用自顶向下的装配结构进行设计，从产品的顶层（即功能要求）开始，选用或设计一系列的零部件来实现产品的功能。在活动凸模的设计中，顶层是指代表覆盖件产品的工艺数模，是控制产品结构与形状的重要设计变量，下一层是描述各零部件空间位置和装配关系的装配体，其他部件再围绕着装配体进行设计。这种方式的设计层次清晰、整体结构易于控制。
02
参数化模板的建立
在参数化设计中，模板是指在大量现有的一类具有相似结构或功能产品基础上抽象出的一种通用模型，而每一个设计实例只表达了模板的一种特殊形态。采用参数化方式构建模板，不仅使模板的适用性更为广泛，也方便设计人员在特殊情况下修改设计内容，以满足不同的设计需要。因此，参数化模板的建立是实现参数化设计的关键。
在活动凸模参数化模板的建模过程中，采用基于特征的参数化建模与基于草图的参数化建模相结合的方式。其中，特征是在较高层次对点、线、面等基本体素的定义和描述，是有特定意义的几何形状，如圆柱体、孔、凸台、倒角、拔模、抽壳等。在用UG进行特征建模时，系统会自动为特征建立驱动参数表达式，通过对这些表达式的编辑实现模型的随动。而草图是带有约束关系的二维图形，需要设计人员施加合适的尺寸约束和几何约束来建立参数表达式，再通过拉伸、旋转或扫掠操作得到相应的参数化模型。虽然工作量较大，但在建立截面形状复杂的模型时更灵活、实用。对活动凸模进行建模时，各部件的整体特征采用基于草图的建模方法，可以更加灵活、合理地建立需要的驱动参数；而局部特征关联于整体特征，采用特征建模的方式实现则更方便、快捷。
建模完成后，还需要在融合设计知识的基础上将模板的参数进行全关联。通过对企业的设计经验进行知识转化，归纳抽象出驱动模型的主控参数和被动参数，并在装配体中对它们进行定义，以方便参数的管理和更新，再利用部件间表达式技术，允许其他子部件对这些参数进行引用，实现部件间参数表达式的关联。
03
UG/WAVE应用的实现
参数化模板建立后，仅依靠尺寸参数驱动生成的模型还无法满足活动凸模造型设计的要求。由于工艺数模是由用户设计时才输入的信息，与之相关的结构参数化模型，如挖空型腔、凸模形状、偏置型面等都无法在模板中准确建立。为了解决这一问题，可以对这些结构进行抽象化建模，方便后面工艺数模对活动凸模造型的关联设计。
首先基于“化整为零”的思想，根据各个由工艺数模控制设计的结构特点，采用基于草图的建模方式建立对应的几何特征，这些特征在从属关系上与主体结构相互独立，但有严格的位置约束关系；然后通过程序，利用WAVE技术将工艺数模关联复制到需要的部件中，对各独立的几何特征模型进行修剪等操作，得到造型关联的各个结构；最后，通过合理的布尔运算，将这些“零散”的结构整合起来，最终生成符合要求的活动凸模。当对工艺数模进行修改时，相应的结构形状会自动更新，实现了对活动凸模造型的关联设计。
活动凸模设计实例
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为了能最大程度地利用参数化模板进行快速设计，结合UG/OPEN技术，在UGNX4.0上开发了一个活动凸模自动设计系统，用户只需输入滑块与叉刀的工作行程，并选择相应的工艺对象，系统会根据融合的相关设计知识自动计算变量参数、驱动模板更新、实现造型关联，并能智能化选择和装配标准件。由计算机完成这些繁琐的设计工作，既保证了设计的可靠性，又大大减少了设计人员的工作量。
工艺数模
上图某需要翻边的覆盖件的工艺数模，包括工艺型面、分模线等工艺对象，输入相关参数后自动设计的活动凸模如下图所示。
活动凸模设计实例
设计完成后，通过编辑功能模块，还能实现对活动凸模结构尺寸的调整和标准件型号的替换，以满足特殊的设计要求，提高设计的自由度。
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