压铸模CAD系统开发实例及其应用.docx

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压铸模CAD系统开发实例及其应用

第5章压铸模CAD系统开发及其应用

随着压铸件向着大型化、精密化、复杂化的方向发展，压铸模具的设计也越来越复杂。

为此，压铸模具行业广泛采用了CAD技术，并相继从国外引进了一些大型的通用CAD软件，如Pro/E、UG、CATIA等。

但在实用性方面，它们一般为机械设计通用软件，不能做到专业化，这样也就不能真正地做到压铸模的计算机辅助设计，通常只能停留在计算机辅助绘图上，仍需人工翻阅大量的设计手册查找、处理相关数据，这与传统模具设计并没有本质上的区别。

为此有必要在通用CAD软件平台上开发专门的压铸模CAD系统以解决上述问题。

本章以作者所开发的压铸模CAD系统（以Pro/E为开发平台）为例详细叙述该系统的开发与应用。

5.1压铸模CAD技术概述

压铸模CAD技术方面的研究始于20世纪70年代末期，相对而言，压铸模CAD系统的研究起步较晚，但由于可借鉴其它模具CAD的经验，其发展速度相当快，经历了由低级到高级、由研究到应用的过程。

5.1.1国外发展概况

国外的压铸模CAD系统发展主要分为以下几个阶段。

1）第一阶段

早期的压铸模CAD系统只对压铸工艺参数进行选择，仅利用计算机的计算功能以减轻设计人员的工作强度，如美国贝特里研究所在1981年开发的锌合金压铸CAD系统，主要对薄壁锌压铸件进行浇注系统设计。

运行时要求输入压铸机基本参数、铸件相关尺寸，并选择浇道系统的类型和压铸温度等，可设计出横浇道、内浇道和溢流槽的尺寸。

该系统主要功能是简化了浇注系统中繁冗的计算，没有图形的输入和输出。

德国的科研人员用计算机采取人机对话的方法设计直浇道、内浇口、横浇道的几何尺寸。

在P-Q2图的基础上，建立程序的数学模型，运用这种程序可简化所需压铸机的选择，并能保证充填型腔的最佳条件。

2）第二阶段

第二阶段出现了压铸模充型过程及对压铸模应力场和温度场进行模拟和分析的压铸模CAE软件。

对于大型模具，还可运用有限元法求出模具温度分布并以等温线或温度云图等形式表现出来。

如意大利比萨大学机械技术研究所开发的Preheat就是这类软件的代表，它用二维数字方法由计算机求解二维方程得到稳定的系统结点温度以及模具温度分布，不过这种模拟和分析通常仅限于二维。

3）第三阶段

第三阶段即近几年，形成了较高水平的CAD/CAE/CAM集成系统。

它以统一数据库为基础，以实现三维设计为特征，把以CAD、CAE、CAM三者有机的结合起来，形成一个真正一体化的计算机辅助系统。

具有代表性的如日本丰田公司开发的压铸模设计专家系统CADDES，该系统建立在将设计标准和技术信息数据库化的专家系统基础上，根据零件图进行压铸模结构设计、压铸模草图设计、压铸模型腔设计、铸造工艺设计、装配图设计、压铸模构件设计，能进行三维操作，具有通用、特殊和标准件三维设计和制图等功能。

其他类似的系统还有澳大利亚联邦科学与工业研究机构（CSIRO）开发的“Metlflow”软件，SharpPrecisionMachinery公司的ScioureCAD/CAM软件等。

5.1.2国内发展概况

国内压铸模CAD系统的研究多采用二次开发手段，主要在PC机上运行。

辅助设计的内容包括：

在输入铸件具体形状、尺寸、合金种类后，可估算出铸件体积与质量、选择压铸机、设计浇注系统、型腔、抽芯机构、模板、推出机构、定位装置、选择材质，最后绘制出模具图纸。

国内很多相关机构开展了压铸模辅助设计软件的开发与研究工作。

如华南理工大学和东南大学开发的压铸工艺参数设计及缺陷判断的专家系统软件；武汉交通科技大学与东风集团公司化油器厂合作研制的压铸模设计专家系统；机械科学研究院和广州型腔模具厂合作进行的“铝合金压铸工艺及模具CAD技术研究”项目；台湾国立成功大学开发的ANVIL_5000CAD/CAE/CAM系统等。

国内压铸模CAD技术虽已取得较大进展，但与工业发达国家相比，在应用和开发的广度和深度上还存在较大差距。

主要问题表现在以下几个方面：

•自主版权软件的商品化程度低，可靠性差；

•压铸模CAD技术的推广应用还不普遍；

•对引进的CAD软件使用效率低下，二次开发不够等。

国内由于研究起点相对较低，因此非常适合选择高起点的CAD技术作为开发平台，利用已有的技术成果，在更高的起点上进行二次开发，开发出自己的CAD系统，这样可以加快我国传统压铸模技术的改造，缩短系统开发周期并提高系统的质量和可靠性。

随着CAD技术的不断向前发展，压铸模CAD技术的应用研究趋势也必将朝着标准化、智能化、参数化、集成化等方向发展。

5.1.3压铸模CAD系统开发的主要工作内容

以本书所开发的压铸模CAD系统为例，其开发过程所涉及的主要工作内容包括：

1）工程数据库的建立与共享

已有的研究表明应用商用数据库软件创建压铸模设计系统的工程数据库，并设计专用的数据库访问接口程序，进行CAD软件二次开发，可实现压铸模CAD系统与工程数据库间的快速、高效访问。

2）CAD系统主体程序设计

压铸模具设计是一个建立在设计专家经验与知识基础上的创造性的思维过程，伴随着许多依赖于经验性知识的判断与决策，很难用简单的算法加以描述，因此如何科学地规划压铸模CAD系统的整体构架，协调各个子模块间的逻辑关系，实现压铸模设计的自动化与智能化是压铸模CAD系统开发的技术难点。

在系统开发过程中应根据实际生产中压铸模设计的具体流程，进行系统的总体设计，并详细设计CAD系统的各个子模块，使之具备完善的压铸模计算机辅助设计功能，并根据工程技术人员的设计习惯，设计系统的用户菜单及交互式对话框，实现压铸模CAD系统可视化界面的设计。

3）CAD/CAE/CAM一体化

实现CAD/CAE/CAM一体化、集成化的关键在于将CAD、CAE与CAM有机地联系起来，而实现这种联结的基础是基于统一的三维数据模型。

这部分开发的主要内容为设计标准化的数据结构及数据传输接口，并通过接口在系统CAD、CAE、CAM模块间进行数据转换与数据传递。

5.2压铸模CAD系统开发环境及相关技术

本书所开发的压铸模CAD系统，其开发平台为Pro/E，开发环境为VC++6.0。

在系统开发过程中通过Pro/TOOLKIT二次开发工具实现压铸模的参数化设计，并对Pro/E进行系统定制，设计用户菜单及对话框，开发过程中所涉及的相关技术如下。

5.2.1Pro/E二次开发技术

一般来说，大型的CAD/CAM软件都留有供用户进行二次开发的接口，如IDEAS的OpenArchitecture（OA）AutoCAD的AutoCADDevelopmentSystem（ADS）等，用户可以利用这些接口来编写自己的应用程序，从而扩展这些软件的功能，提高使用效率。

Pro/E也提供了强大的二次开发功能。

用户可以选择开发工具对其进行二次开发，主要有以下几种。

1）基于C语言的Pro/TOOLKIT二次开发工具。

2）基于VB和AtltornationGATEWAY的二次开发工具。

3）基于Javascript和HTML语言的Web.Link二次开发工具。

4）基于Java语言的J-Link二次开发工具。

其中Pro/TOOLKIT是Pro/ENGINEER软件自带的二次开发模块：

可以直接访问Pro/ENGINEER软件的最底层数据库资源，这是进行Pro/ENGINEER二次开发最根本的方法，但要求开发人员具有相当的C语言的编程能力，它是PTC公司为Pro/ENGINEER提供的用户化工具箱。

该工具箱为用户程序、软件及第三方程序提供了与Pro/ENGINEER的无缝联接。

用户程序和第三方程序是用C语言编写的，Pro/TOOLKIT提供了大量的C语言的库函数，能够使外部应用程序安全有效地访问Pro/ENGINEER的数据库和应用程序。

通过C语言编程及应用程序与Pro/ENGINEER的无缝集成，用户和第三方能够在Pro/ENGINEER系统中增加所需的功能。

目前，在对Pro/ENGINEER的二次开发中，Pro/TOOLKIT的同步模式应用最为广泛。

AutomationGATEWAY是RAND公司开发的针对Pro/ENGINEER软件的二次开发工具，与Pro/ENGINEER系统自带的二次开发工具Pro/TOOLKIT相比，具有简单易用的优点。

应用AutomationGATEWAY可以自动实现Pro/ENGINEER任务，创建用户界面，完全实现自动设计任务；应用AutomationGATEWAY可以把任何支持ActiveX的应用程序和Pro/ENGINEER建立直接联系。

利用VB可以使MicrosoftOffice产品（如Word，Excel等）和Pro/ENGINEER对象之间进行数据交换。

在这个过程中，AutomationGATEWAY在VB和Pro/ENGINEER之间起到桥梁和纽带的作用。

通过它就可以利用VB访问Pro/ENGINEER的大部分底层资源文件。

基于Javascript的Web.Link开发工具的优势在于具有良好的适应性，在不同的操作系统（NT、Linux、Unix）下使用时只需简单修改配置文件，并且可以和PDM管理软件Windchill方便集成。

在我国，对这种Pro/ENGINEER的开发工具鲜有论述，使用这种开发工具对Pro/ENGINEER进行二次开发，用户将不得不查阅大量的英文资料，而实际上这也限制了它的发展。

5.2.2Pro/E自建模方法

1．族表（FamilyTable）

标准模架都是由一些标准零件所组成的，在实际设计中，对这些标准零件其形状及设计尺寸虽然可以依表去查，但该过程涉及一些繁琐的计算，耗时费力，效率较低，因此针对这些标准零件，如果可以利用尺寸去直接驱动它，就可以节省许多宝贵的设计时间。

在Pro/E中，有一个功能模块FamilyTable，它实际上也就是Pro/E中的参数化设计模块，它主要适用于那些外形基本一致，但尺寸不一样的系列零件的设计。

它的主体思想就是利用一个原始零件作为派生零件，派生出一系列的示例零件。

这些示例零件相对于派生零件来说，主要改变的是几个尺寸值，或者是有没有某个派生零件中存在的特征。

这样，用户可以先建立一个实体零件，然后启动族表功能，加入要修改的尺寸项或特征项，然后在一个表格内，按照顺序依次输入示例零件的名称，要修改的尺寸项所对应的尺寸值，以及是否存在所加入的特征项等，输入完一个零件信息后，可以依照上面的步骤，再输入一个对应的示例零件信息，通过这样的方法，就可以在表格中存入一系列的零件信息，然后可以通过打开派生零件后选中其中一个示例零件名将其打开，这样系统就会依照表格上的尺寸值及信息自动生成该示例零件。

但在Pro/ENGINEER系统中，其自身提供的族表表格并不理想，主要表现在尺寸项很容易混淆，尺寸值的输入上也存在很多不便，而且表格不够直观。

当零件比较复杂，尺寸值比较多时，就很不方便了。

2．用户自定义特征（UserDefinedFeature）

用户自定义特征是集合数个特征使其成为一个群组特征，并给予名称，完整定义该群组特征的放置参考、可变尺寸、可变尺寸的符号等，形成为特殊情况而生成的独特特征，并且系统将这些信息以一个后缀“.gph”的文件保存在UDF特征库中，供用户随时调用产生衍生件，并允许像加入标准特征一样将其添加到以后的设计中去。

与族表类似，UDF也需要事先构建零件模型，零件创建完成后定义要包含的几何特征、参考基准、可变尺寸及其记号，然后将这些信息保存在后缀为“.gph”的文件中，之后就可以在程序中利用这个文件，通过给参数赋值来改变特征的尺寸，得到所需的衍生特征。

与族表不同的是，这种方法的编程过程与手工建模比较相似，易于理解且编程容易。

使用UDF的方法实现程序的自动建模的特点与族表类似，都需要预先设计好模板，参数直观意义不强，但UDF可作为下一个特征添加到现有的零件上，且其创建过程符合手工绘图习惯。

因此，跟后者相比，UDF的灵活性较强。

3．程序（Pro/Program）

在Pro/ENGINEER系统中，每建立一个模型，都会有一个宏文件记录模型的产生过程，如果能够对这个宏文件进行修改，则可以控制模型的建立过程，从而控制所生成的模型。

Pro/Program是Pro/ENGINEER提供的一个可编程序化的工具，有简单的使用语法，可利用它来修改模型设计的宏文件。

用户可以根据设计需要来编辑模型的Pro/Program，创建一个包含最近设计指令的文件，使其作为程序来工作。

通过运行该程序，系统可以以人机交互的方式控制系统参数、特征显示及特征的可变尺寸等，从而生成新的模型。

用户还可以通过Pro/Program模式菜单下的实例菜单，把在Pro/Program里设置的零件和变量，直接转化为族表中的零件与参数。

4．关系（Relations）

关系也称参数关系，是用户定义符号尺寸和参数之间的数学表达式。

关系捕捉特征之间、参数之间或装配元件之间的设计联系，它是捕捉设计意图的一种方式。

用户可用它驱动模型，改变关系也就是改变了模型。

关系类型主要有两种：

一种是等式关系，就是将等号右边的表达式值赋给左边的参数；另一种是比较关系，即比较左右两边关系式的值，这种关系一般用来作为一个约束或用于逻辑分支的条件语句。

从上述分析中可以看出，由于压铸模标准件结构比较简单，关系增加了标准化元件的用途。

而且关系的使用也比较简单，克服了程序工作量大和用户自定义特征不能用于组合件替换的缺点。

所以，本系统采用关系作为自动建模工具，使用的关系类型为等式关系。

5.2.3压铸模CAD系统数据库建立与共享

1．工程数据库的管理

压铸模CAD系统是一种小型CAD系统，其工程数据库规模较小，数据存储量相对较少，对数据库的操作也仅限于查询、添加、修改等简单操作，使用专业性较强的数据库技术如ODBC等访问数据库并不能体现其便捷性，反而会带来不必要的麻烦，而使用ADO、DAO等技术将大大增加系统开发的难度。

若是设计一种数据文件，实现直接访问与管理CAD系统工程数据库，将极大地降低系统的开发成本与难度。

在本系统中，用C语言设计一个DBF数据文件直接检索访问函数，直接对DBF数据文件进行分析、读取、查找等操作，并对外提供了统一的程序接口，使数据文件访问查找过程对用户透明，用户不再需要关心数据文件的读取过程，只需简单的调用该接口函数，即可从数据文件中获取相关的记录。

压铸模CAD系统的数据管理流程如图5-1所示。

SQL语句

图5-1压铸模CAD系统的数据文本管理方法

在压铸模CAD系统运行阶段，相应的Pro/TOOLKIT应用程序直接调用标准数据处理函数，实现压铸模CAD系统数据的实时读取与处理，而在CAD系统编制及维护阶段，则利用Foxpro数据库管理系统，进行数据的更新与维护。

该方法结合了文件管理系统与数据库管理系统的优点，既克服文件管理系统中数据冗余、数据缺乏对程序的独立性等缺点，又充分发挥数据库管理系统中数据共享、统一数据管理和控制、保持数据完整性等优点，并且直接对数据文件进行读取只需消耗极少的系统资源，且不必配置额外的数据库管理系统软件，既减少了系统成本，又提高了系统的运行效率。

2．DBF数据文件检索方法

根据DBF文件结构格式，对DBF数据文件进行解析。

首先读取文件头信息，计算文件头的长度和数据区的总长度；然后对每一个字段的信息进行分析，如字段的名称、类型、字段长度等。

根据这些信息，就可以方便、快速的对所需要查找的记录进行定位，并读出其中所需要的字段。

检索模块对外提供了一个方便的应用程序访问接口API，其它模块可直接调用该API进行数据库检索，在本系统中，针对压铸模CAD系统要求，定义了find接口。

其定义如下：

__EXTERN_Cintfind（FILE*fp，char*fieldName1，char*value，char*fieldName2，FILE*p）；

第一个参数是需要检索的数据文件指针；第二个参数是需要检索的字段名；第三个参数是所要查找的字段值；第四个参数是所期望返回的字段的字段名；第五个参数是包含返回值的文件指针；如果成功查找所需字段，find函数返回0，表示成功；如果失败，则返回一个非0的值。

DBF数据文件检索方法程序设计流程图如图5-2所示。

N

图5-2DBF数据文件检索流程图

5.3压铸模CAD系统开发总体设计

总体设计的内容包括设计CAD系统的组成及结构，用户界面的规划与设计等。

其设计思想及原则是力求系统的使用流程符合设计人员的设计习惯，操作起来简单、明了，并且确保设计结果正确规范，符合相关的标准。

5.3.1系统组成及总体结构

压铸模CAD系统主要由四部分组成：

三维参数化的零件模型库；用户管理界面；系统的主程序；系统工程数据库。

其组成如图5-3所示。

新生成的零件模型

图5-3压铸模CAD系统组成

用户通过用户管理界面（人机交互界面）将设计要求及基本的设计参数传递给主程序，主程序的相应子模块据此进行相关的设计计算，计算过程中涉及的相关数据通过系统数据库进行实时地读取与存储，最终的设计结果传递到零件模型库，通过参数化绘图生成模具零件图并完成装配，最终实现压铸模的计算机辅助设计。

压铸模的具体结构与压铸件种类、材料、形状及生产方式等有关，但无论哪种压铸模，其结构构成是大体相同的，都是由几大基本模块构成的，压铸模CAD系统的总体框架如图5-4所示。

数据库及其接口

图5-4压铸模CAD系统总体框架图

压铸模CAD系统功能模块包括以下几个部分：

1）系统初始化

2）原始数据输

3）压铸机选择

4）套板：

动-定模镶块、型芯、动模套板、定模套板、导柱和导套

5）支承板

6）座板：

动模座板和定模座板

7）推出机构：

推杆、推板、推板导柱、推板导套、推杆固定板、复位杆、限位钉和垫块。

8）浇注系统：

浇口套、直浇道、横浇道、内浇口、溢流槽和排气槽。

9）抽芯机构：

活动型芯、抽芯销、滑块和斜导柱。

5.3.2用户界面设计

Pro/E的命令都是通过菜单或一些控件按钮来执行的，本系统在对Pro/E进行二次开发时，用到菜单及对话框等用户管理界面，使开发的压铸模CAD系统操作更加方便，界面更加友好。

因此，用户管理界面是本系统的主要部分之一。

下面将具体介绍用户管理界面的开发与设计。

1系统菜单的整体规划

本系统按照压铸模具的结构组成来设计系统菜单，在Pro/E系统菜单栏中添加用户菜单，即在“工具”菜单条后添加一个新的菜单条——“压铸模设计”。

它的下拉菜单包括系统初始化、原始数据输入、压铸机选择、套板、支承板、座板、推出机构、浇注系统、抽芯机构九个下拉菜单。

其中套板、座板、推出机构、浇注系统和抽芯机构都含有下级子菜单。

如推出机构包括推杆、推板、推板导柱、推板导套、推杆固定板、复位杆、限位钉和垫块八个子菜单。

如图5-5所示。

a）b）

图5-5压铸模设计菜单

a）主菜单b）子菜单

2系统菜单的实现

修改Pro/E系统菜单栏时需要对菜单源文件进行修改和扩充。

可在系统菜单栏中增加自己定制的菜单项，建立新的菜单源文件以及对下拉菜单进行修改和补充，从而使系统的所有功能直接面向用户。

菜单的具体设计过程如图5-6所示。

压铸模CAD系统菜单系统

图5-6压铸模CAD系统菜单系统的开发过程

在Pro/ENGINEER系统中添加菜单所用的主要C函数如下：

status=ProMenubarMenuAdd（"MouldDesignCad"，"MDCad"，"Utilities"，PRO_B_TRUE，message_file）；

status=ProMenubarmenuMenuAdd（"MouldDesignCad"，"TaoBan"，"TaoBan"，NULL，PRO_B_TRUE，message_file）；

status=ProCmdActionAdd（"DongDingMo"，（uiCmdCmdActFn）dongmoxiangkuai_02_01，uiCmdPrioDefault，AccessDefault，PRO_B_TRUE，PRO_B_TRUE，&cmd_id02_01）；

status=ProMenubarmenuPushbuttonAdd（"TaoBan"，"DongDingMo"，"DongDingMo"，"DongDingMo"，NULL，PRO_B_TRUE，cmd_id02_01，message_file）；

对菜单的修改，还必须编写信息文件。

开发者可通过菜单资源文件来定义菜单，并指定菜单中各菜单项的名称及单行帮助信息，还可指定它们的其它语言的替代文本信息。

资源文件由描述各个菜单项的段落组成，每段一般由三行信息组成，其中第一行指定所添加菜单的标题，也即在编写源程序是用到的菜单名；第二行为该菜单的在线帮助信息，即将鼠标停留在这个菜单项时，在旁边提示该菜单用途的帮助的信息；第三行为替代文本信息，为最终显示在界面上的中文菜单名称。

3系统功能用户对话框的设计与实现

用户界面对话框（UI对话框）是Pro/TOOLKIT提供的一种交互界面。

设计对话框主要涉及两个方面：

一是按界面的布局编写资源文件；二是针对对话框的功能编写相应的控制程序。

资源文件是用来定义和描述UI对话框外观及属性的文本文件。

其主要内容包括UI对话框的组成部分元件或称控件、各元件的属性定义和元件的布局形式。

下面以原始数据输入模块的对话框设计为例，进行说明，“铸件参数输入”对话框的资源文件（部分）如下：

（Components

（SubLayoutLayout1）

（SubLayoutLayout2）

（SubLayoutLayout3）

（PushButtonOK）

（PushButtonCancel）

（Labellabel01）

（Labellabel02）

（Labellabel03）

）

这些元件包括：

容器类元件SubLayout：

子布局，Layout的下级元件，用于元件的分组布局，这里有3个子布局，分别是“铸件相关参数”、“铸件材料”、“铸件类型”。

普通元件PushButton：

按钮。

这里是定义为OK确定，Cancel取消的两个按钮；普通元件Label：

标签。

用于显示提示性信息，这里有3个标签，分别是“选择的材料是：

”、“选择的铸件类型是：

”、“最大的投影面积（mm^2）”。

资源文件中又通过资源段（Resources）分别定义了各元件的属性。

以按钮元件为例，其代码如下：

（Resources

（Cancel.Bitmap"cl_cancel"）

（Cancel.Label"Cancel"）

（Cancel.TopOffset5）

（Cancel.BottomOffset5）

（Cancel.LeftOffset5）

（Cancel.RightOffset5）

...…

）

各程序段说明如下：

1）（Cancel.Bitmap"cl_cancel"）　为Cancel按钮添加了一个Pro/E中自带的“取消”按钮图片。

2）（Cancel.Label"Cancel"）定义了该元件的名称。

3）其他语句如*.TopOffset，*.BottomOffset，*.LeftOffset，*.RightOffset则为定义了各自元件在UI对话框中的位置。

通过资源文件的编写，原始数据的输入对话框设计基本完成，其最终对话框效果如图5-7所示。

图5-7铸件参数的输入对话框

5.4压铸模CAD系统子模块设计

压铸模CAD系统子模块较多，本书只以其