参数化设计在模具设计中应用研究

刘占峰

摘 要：本文论述了参数化设计的主要界定、设计观念和方式，并提供了参数化设计设计在模具不动板设计中的运用。该方式的运用可以大大缩短模具型壳的设计时间，对提升模具的市场竞争能力具备重要和实际意义。

关键词：参数化设计;模具设计;应用研究

引言

伴随着现代工业生产的迅速发展，产品的基本功能和构造更加繁杂，新品的发布时间愈来愈短。设计阶段在生产系统的生产率中起着关键的作用。工程图是具体项目中表述设计观念的方法，提升工程图的制作品质和效果是提升设计品质、减少设计周期的重要环节之一。

一、传统CAD绘图技术

传统式的CAD绘图技术使用固定的尺寸值定义集合元素，每条输入线都是有一个明确的部位。在改动方式时，只需改动一个原素，随后通过反复的删除以及重画操作。因而，在某种程度上，通用性CAD系统只有保证绘图员的工作环境从绘图板迁移到计算机。传统式CAD在几何造型和工程图的发展中起到了关键作用。但是实际中，依旧存在一部分问题，主要表现在以下几个方面：（1）无法支持快速的设计修改以及有效使用之前的设计结果。传统式的CAD只记录产品的形状坐标信息。（2） 不能完全支持维护设计完整性的工作。传统的 CAD 系统不记录设计对象的内部元素之间的关系。当设计更改时，特定部分的更改不能自动反映在相关部分的更改中，必须由设计人员手动更改。在很多情况下，不能保证设计要求包含在设计中。重复时的可靠保证。（3）不符合工程设计者的习惯。在工程设计中，经常会出现将结构草图定义为原型，不断定义约束，通过一些高级设计指令调整参数值，随着时间的推移进行改进以达到最佳设计效果的情况。传统的CAD系统面向特定的几何图形，只处理图形元素的几何信息，只记录几何图形的精确坐标信息，大量的几何图形拓扑、尺寸约束信息、功能需求信息与实际工程意义被抛弃，应用受到限制到产品的详细设计阶段。自1990年代初以来，CAD 技术已发展到第五阶段，以参数化设计、功能建模等新技术为主要核心，成功解决了CAD技术前一阶段CAD系统的缺陷。

二、参数化设计的基本概念

（一）参数设计与变量设计的区别

参数化设计一般是指设计对象的结构和形状比较定型，可以用一組参数来定义大小-数量关系。参数的求解比较简单，参数明确对应设计对象的控制尺寸，设计结果的变化由尺寸决定。变分法是指设计对象的修改顺序需要更多的自由度，通过求解一系列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或工程计算条件，设计结果的变化是由约束方程驱动的。可变设计可应用于公差分析、运动机构调整、设计优化、初步设计和选择等。从设计方法的角度来看，可变设计 CAD 系统的体系结构仍有许多问题需要解决。

（二）参数模型

所谓参数模型，就是用形式参数表示的模型，包括参数之间的关系。可以获取一组特定的数字来获得相应的设计模型。要实现参数化设计，首先需要建立零件的参数化模型。一般来说，模型的结构（即拓扑信息）没有改变，每个参数的值都是可变的。但是，在某些情况下，拓扑结构也可能发生变化。

（三） 约束

约束是多个对象之间必须满足的关系 R （a， b， c ...）。解决约束是找到约束为真的每个对象的值。可以用一阶谓词逻辑来描述它们，以便统一几何模型和约束的表示，便于集合的推理。例如，平行线 L1 和 L2 可以表示为 Parallels （L1， L2），两条线在点 P 的交点可以表示为交点。（L1，L2，P），圆C与多边形的包含关系可以用Inside（C，PL）来表示。约束的类型很多，但最常见的是数据完整性约束、代数约束、逻辑约束、函数约束和几何约束等。几何约束基本上可以分为结构约束和尺寸约束。结构约束是拓扑约束，例如不可变对象的对称性、垂直度、平行度和切线。尺寸约束是确定几何相关元素的大小及其相对位置的约束，例如对象之间的距离。圆的半径（或直径）、直线的长度、两条直线之间的夹角等都可能发生变化。

三、模具设计

模具设计是指型腔模具、冷冲压模具等企业模具进行数字化设计的人员。在传统模具设计的基础上，充分应用数字化设计工具，提高模具设计质量，缩短模具设计周期。模具是一种以特定方式形成特定结构形式的材料的工业产品，也是可以批量生产具有特定形状和尺寸要求的工业产品零件的生产工具。几乎所有的工业产品，从飞机和汽车到小杯子和钉子，都必须在模具中成型。模制零件的精度、一致性和生产率是任何其他加工方法无法比拟的。模具对产品质量、效率和新产品开发能力有重大影响，因此，模具享有“工业之母”的美誉。以电脑机箱为例，对设计的模具产品进行可行性分析。首先，使用设计软件对每个组件的产品图纸进行分析，即正在处理的一系列图纸，并且每个产品的图纸在模具设计之前都是准确的。另一方面，可以了解整个底盘中每个组件的重要性，并确定对模具设计合适尺寸，产品分析后进行的工作、产品分析中使用的模具结构、产品工序等进行组织的设计软件，确定各工序的冲压内容，随后进行设计。

四、参数化设计的基本原则

参数化设计一般是指设计对象的结构和形状比较定型。可以使用一组参数来定义大小关系。参数明确对应设计对象的控制尺寸，设计结果由尺寸决定。参数化约束设计使用自由度分析和理想结构矩阵的概念为机械产品建立基于约束的几何描述。可以根据现有图形准确有效地建立几何约束依赖关系并实现几何约束。参数约束设计中的中心关系是：模板图 + 几何约束或参数 = 可变模板，模板图是同一 CAD 环境中的任何绘图：（1） 使用常用命令交互式创建的模板图，（2） 使用现有图形文件作为模板图，以及 （3） 由参数约束命令生成或修改的图形。该参数是指写入维度实体的维度值。这将是以下尺寸文本之一：它由图中的设计变量通过：尺寸测量值、设计者输入值和、方程、计算得出。从包含尺寸设计变量的图形文件中获得的输入值。几何约束一般指平行、垂直、相切等形状约束。变量映射是基于模板映射的大小相关变化的图形表示，其形状和大小与其包含的维度相同。变化图表可以修改和编辑，也可以用作其他图表的模板图表。

五、应用实例

根据注塑模具的结构设计，可分为几个主要模块：标准件、动、定模固定板、动模、定模。每个零件在零件结构形状和图纸表示上都有自己的特点，您可以根据用户的需要创建模板图纸或使用现有的图形文件。参数化设计在模具设计中的应用越来越成熟。以注塑模具固定板为例，采用尺寸驱动的方法在CAD中完成参数化设计。首先，运行 CAD 编程的 VBA 参数化设计程序，如图 2 所示。用户输入注塑模具固定板的基本尺寸公差并单击“生成图形”按钮。如图4所示，在CAD绘图区自动生成完整的注塑模具固定板零件图。使用该程序设计一个零件每人大约需要 15 分钟，如果不实施参数化设计，每人需要 2 天，大大减少了设计时间。

结束语

通过将参数化设计技术应用到模具设计中，可以快速设计模具零件，快速更改设计，有效利用之前的设计成果。参数化设计广泛应用于模具设计行业，对提高模具设计效率、缩短模具开发周期、降低模具开发成本具有一定的积极作用。

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