英语原文共 13 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
Journal of Materials Processing Technology 75 (1998) 240 plusmn; 252
关于金属冲压件工装自动化设计及制造的发展与趋势
B.T. Cheok a,*, A.Y.C. Nee b
新加坡肯特港湾十号新加坡国立大学工学部CAE、CAD、CAM研究中心0511，新加坡国立大学工学部机械与生产工程系1997二月二十收。
摘要
金属冲压件在日常生活中有着至关重要的作用。与塑料模具一起，成为了所有电子电器设备中最重要的结构部件。全世界的研究者们花费了大量的时间和精力努力开发更好的计算机辅助模具来制造所需的金属冲压件。本文旨在在模具设计师的模具设计及规划上添砖加瓦。在学术角度下，对金属冲压模具自动化设计的未来发展和趋势展开讨论。值得一提的是，过去各种智能软件（AI）用来解决专业领域的设计问题。基于以开发一款完整的关于级进模的设计与规划软件为目标，1998年Elsevier科学有限公司成立了。
关键词：金属冲压件; 工具和模具; 级进模; 人工智能;知识库;精密工程
1简介
目前，金属冲压件被广泛用于需求大批量生产的零部件上。美国的一项研究调查显示，在上个世纪八十年代，每个美国家庭平均都有大约十万件金属冲压件[1]。金属冲压制造工艺是适合当下时代潮流的，是因为在生产需求复杂、精准、耐用且需要大批量生产的工件上有着经济、快速的优点。金属冲压件的成型模具结构主要分为简单模、复合模、级进模。级进模中，工件由一个工位前推到另一个工位。在每个工位，板材上有一道或者多道工序，例如冲孔、开槽、落料、切边、切削、拉深、压花、成型。通过压力机的每一个行程来最后成型成品组件。在金属冲压操作流程和相关的模具设计及制造讨论方面已经有相当多的著作都提到了[2~7]。
2目的及意义
在发展中国家和发达国家中，制造业已经逐渐成为了最重要的经济支柱。在新加坡，制造业在GDP中的占比超过了25％，总产值超过了240亿美元。同时制造业也创造了多达四十万个就业岗位[8]。在这个大背景下，新加坡的精密加工产业在经济建设中也是一个重要的蜘蛛，精密加工主要提供用于生产高精度的机械与电子产品的模具。在新加坡，冲压技术是一种主要的下游支撑产业。在1992年，精密加工方面的总技术人员约4600人，年产值为6亿新币，产出增长率超过10％[9]。
在金属冲压件的大批量生产方面最有技术要求的任务之一便是对级进模的模具设计。利用现代CAD、CAM技术，连同新的工装模具设计与制造工艺和对压力机速度和刚度的参数要求三管齐下在生产越来越精密的产品上有着得天独厚的优势。然而，这些技术发展在技术人员的要求上有着近乎苛刻的要求。在新加坡，有两个因素主要影响着高技术人员的基数建设：
①在一个充满活力并且高速增长的经济体中，新进的人员没有足够的耐心去进行长时间的学徒培训来获得相关的模具设计专业技巧，因此，越来越少的人加入该行业。
②在新加坡，精密加工模具制造行业主要涉及计算机、远程通信及电子行业如电器市场。在不断变化且无序的消费者市场上，这些产业的生命周期都很短。也就是说，需要我们做出更复杂的金属冲压件和塑料件。为了满足市场需求，模具设计师在开发最新的模具制造工艺及模具设计时一直处于高压的状态。
为了克服这些困难同时保持核心竞争力，我们迫切地需要为模具设计师提供一个智能（AI）平台援助来缩短整体的模具设计和制造时间，同时提高金属冲压件的质量并降低生产成本。
3研究（设计）的基本内容
传统意义上，材料加工研究一直专注于利用实验和数值模拟来解决在各种应力和应变下的材料特性的相关问题。同时发表的文章期刊可用于帮助模具设计师来模拟预测工件和工具的各种行为。然而，模具仍然是手工设计。随着引用计算机图形和计算机辅助设计软件（CAD、CAM）,一些研究人员已经开始利用交互式计算机图形学和数控技术方面的进步来设计金属冲压模具，尤其是级进模方面。
日本则是可能利用因特尔内部承包开发的CAD、CAM软件来提供工业用级进模。从七十年代中期起，就有日本日立集团[10~13]，日本电气公司[14],日本机械工程实验室[15],日本富士通公司和松下电器[16]，还有其余的公司[17]的研究员广泛地报导了他们的定制集成计算机辅助设计（系统）和系统性的冲压模具。日本日立集团的辅助系统由三个处理器组成。设计师用一种类似于APT（自动图像传输）的语言来将零件图输入到预处理器中。然后预处理器用空白平面布置图来生成嵌套装置。设计师必须手动地用类似于APT（自动图像传输）系统来将进度计划安排和模具设计图输入到主处理器中。接着处理器确定模具的结构和尺寸并生成零件图。最后，后处理器绘制零件装配图和零件图纸尺寸。该系统可以有效地减少模具设计的时间从五天到二十天不等。日本电气公司则是开发了一款关于小型金属薄板的计算机辅助设计系统。该系统在工艺规划，嵌套设计和数控冲压操作方面有所建树。而日本机械工程实验室研发的CAD辅助系统采用传统的二维级进模设计，这是一种以研发冲孔形状为核心发展理念并采用一套基础标准的设计操作的级进模设计。
这些早期的模具设计系统都努力试图去使用基本的计算机图形设备和程序。使用FORTRAN语言来提高模具设计师的工作效率。几何信息必须很费力地在键盘上通过使用类似于APT（自动图像传输）的命令语言来输入。大多数的设计由模具设计师拍案决定，电脑仅是用来在提高绘图的工作效率、进行特殊的设计运算和数控编程。然而，通过手动地操作设计师能使生产效率提高30％~400％。在二十世纪七十年代末和八十年代初对模具设计生产效率的尝试性提高更是表明了金属冲压制造业对电器及和电子元件及设备制造商的重要性。当时，日本是世界上最大的电器及电子家电和设备出口商。
早期的CAD、CAM级进模设计及制造系统照今天的标准来看是相当原始和简单的。然而，这些努力却为未来模具制造行业奠定了坚实的基础。那些例如使用标准冲头形状为基础冲头形状来进行冲头的选择和拆卸、标准化的零部件、计算机模拟模具部件和模具布局区域、设计的标准化步骤的理念都被后来的研究者们加以引用，经久流传。
广受欢迎的CAD、CAM模拟设备在二十世纪八十年代中期以级进模设计自动化的第二推力为代表。大多数的CAD、CAM设备能为用户提供变成语言，或者和一个高层次的编程语言如ROTTRAN语言接口。研究人员开始利用这些功能开发专业的级进模CAD、CAM系统。在芬兰，金属加工及热处理实验室[18]整合了FORTRAN计算自动化程序、三维自动控制绘图CAD、CAM系统、三维线框模型建立CAM系统。除此之外，使用一种基于体积的折叠和展开的CAD系统。
FORTRAN编程系统一方面是集成了CAD、CAM系统在计算脱模力、冲头力、弯曲力、弯曲半径和材料利用率的优点，另一方面在自动参数化模具零件参数尺寸和一部分已经上市的刀具尺寸上更为全面。在日本，富士通公司和松下电器[16]联合开发了一款综合自动化CAD、CAM系统，该系统在提高生产电子零件及精密机械零件所需的注塑模和级进模上尤为突出。该系统与另一款名为CADAM（基于CAD、CAM）的系统有着异曲同工之妙。
通过因特尔第一代在交互式图形和3D建模上的贡献，代表着第二代模具设计系统的一个巨大的进步。然而，它们仍是基于程序编程语言（例如：FORTRAN语言），仅能自动计算相对简单的计算和数据提取任务（例如：生成一个零件和工具尺寸清单）。大多数很重要的决定，例如冲头形状设计、板料成型性能研究及板料布局发展，则仍是由设计师们来决定。
上世纪八十年代中期也见证了许多商业性的CAD、CAM级进模设计系统。当下，许多例如Fanuc级进模CAD、CAM系统、Auto-trolrsquo;s级进模系统、ADMS模具设计系统、U-Graph辅助模具设计系统、Pro:SHEETMETAL系统、MetalCAD系统、EXCESS系统还有Striker Systems系统都可以买到现成的。对因特尔四个系统的回顾都可以在引用[19]中发现。大多数现有的商业定制CAD、CAM系统，例如：Fanuc、Auto-trol、Pro:ENGINEER、AutoCAD都提供有模具设计者所需要的特殊的附加功能。 它们本质上是互通的，对模具设计师来说只能是提高工作效率的辅助工具。这是因为这些系统想要达到专业的设计仍是需要大量专业的知识来增加基础。
级进模自动化设计系统的开发与研究在工程设计的智能开发技术上的腾飞帮助下于上世纪八十年代末和九十年代初达到了一层新的高度[20~23]。现如今，在金属冲压件生产设计系统方面人工智能技术被更广泛地应用于识别功能方面、基于理论和框架的生产工序、模糊化的推理、专业化的设计等等。然而，由于模具设计过程中的复杂性，大多数智能的模具设计自动化原型在实际应用中是相当严格的。
研究过程中，其中一个领域——基于板料成型过程中的特征研究已经引起了相当多的关注。下面有一些列子：
①The Sheet Metal Advisor 和Rule Tutor (SMAART) [24]是为模具设计师提供的一种基于CAD系统特征的板料成型信息相关软件。它用混合规则和以客观物体为基准的知识表示法在三种抽象层次和约65个成型违背定则下储存十个特征。SWAART被设计出来是不管在任何成型违背定则下都可以想模具设计师立即提供建议。这样的话，单就成型而言所设计的金属冲压件将不会产生任何设计问题。
②Lee et al. [25]开发了一款对几何模具进行分析的评估系统，同时还有有限元模拟分析功能和成型性能分析功能。其中中几何分析模块是指通过几何推理特征和特征识别功能来从二维成型中获得高层次高水平的几何模块信息。冲压模具设计的各种规则特征在知识库中都是可以查到的。如果成型特征信息不能通过几何特征来决定，那么将用一款能得到应变分布名为PAM-STAMP（一款CAE软件）的软件来进行详细的有限元模拟。在此之后，成形性分析功能都通过一种断裂能准则来进行成型工艺分析。该软件适合评估那种深成型零件的工艺性，例如汽车相关的板料。
③METEX (Metal Forming Expert System) [26]系统是一款将组合工艺学原理应用到多工位成型过程中工艺规划的软件。这款系统采用AutoCAD 和 AutoLISP软件来为深成型或者拉伸成型工艺过程中的专业问题提供相对应的解决方案，并且采用混合了几何特征和加工特征的系统对自动化零件成型编码组成部分进行规划。这款系统使用在当计算机判定无法做出有效地决定时来手动输入指令的半自动成型系统。
④ASFEX (Axisymmetric Sequence Forming Expert System) [27] 系统是由Engineering Research Center研究所为Net Shape Manufacturing(ERC/NSM)所开发的一款专业软件，这款软件主要是通过成型工艺来确定每个工位的刀具几何形状和多级杯状拉伸工序。
⑤ERC/NSM还开发了一款使用ProE来对金属板料在多个工位中复合材料成型分析功能的计算机辅助系统[28]。
同时，一些大学和研究机构都在通过种种人工智能（AI）和传统的计算机方法来发展计算机辅助模具自动化设计系统：
①在National Taiwan Institute of Technology[29~31]的研究人员已经开发了一款基于PC专业系统的剪切设计（落料冲孔）级进模系统。ESSCP [29]是利用FORTRAN、Micro Expert (模拟引擎)和AutoCAD 来规划和开发级进模的原始模型系统，主要设计非常简单的二维零件的落料和冲孔。与此同时，研究者们也在学习如何对模具结构设计中的详细特殊部件数据的不确定性进行模糊处理[30]，还开发了一种名为新组合结构法的模式识别知识库系统，这款系统是为开发毛坯料同时优化物料成本，另外还有一种按程序优化模具工位数量的匹配组合优化理论[31]。目前尚不清楚研究者们是否有将人工智能技术（AI）整合到冲裁级进模自动化设计系统中。
②中国Huazhong University of Science and Technology（华中科技大学）的研究人员也开发了一款小型金属冲压件级进模设计CAD、CAM软件[32~34]。利用这个软件功能，用户可以自行设计一个三维线框模型，然后系统会展开模拟成型过程。在手动进入空白布局界面后，用户就可以使用交互式命令来展开模型布局。这样用户就能使用并开始模具设计了。软件的另一个优点就是定向使用和对复杂模型自动成型剖分的分析图[32]。最初的系统是在微型VAX小型计算机上开发的，但是现如今却可以在电脑AutoCAD 环境下运行。
③利物浦大学工业研究系的研究人员也开发了一款级进模冲裁设计专业系统[35，36]。他们致力于形状编码和识别技术，特别是提高材料的有效使用率[36]。然而，他们的技术也仅仅局限于直边工
全文共6164字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[145888]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
