汽车覆盖件冲压模辅助设计系统的开发外文翻译资料

Development of a Design Supporting System

for Press Die of Automobile Panels

Sang-Jun Lee1, Keun-Sang Park2, Jong-Hwa Kim3, and Seoung-Soo Lee3

1 Dept. of Automobile, Dongeui Institute of Technology, Busan, South Korea

leesj@dit.ac.kr

2 Dept. of Industrial Engineering, Konkuk University, Seoul, South Korea

ergpark@konkuk.ac.kr

3 CAESIT, Konkuk University, Seoul, South Korea

jhkim@konkuk.ac.kr,

sslee@konkuk.ac.kr

Abstract. This paper presents the development of a design supporting system for press die of automobile panels. The proposed system supports the design process of press die efficiently and systematically by utilizing standard data, and reflecting knowledge of press die design collected and accumulated through the interviews with design specialists working in a Korean motor company. This paper illustrates a methodology for systematic press die design, automatic checking of dimensions and implementation.In addition the rule-based design system is developed based on the product data. All components of the press die are regarded as product data and the omponents are regarded as the unit of press die. Parametric design using knowledge base and standard database is introduced to make it easier to deal with the complicated design knowledge easily. For implementation, the ule-based design system is programmed with C and Motif and the system can be linked with CATIA.

1 Introduction

Reducing manufacturing cycle time is an important issue in the recent automobile industry with changing customer needs. Although the industry has adopted various new technologies such as CAD/CAM and factory automation, the results do not meet the expected level. The main reason is that the new technologies must be adapted to the industryrsquo;s own know-how and knowledge workflow, as well as administrative traits of a particular company. [1]

In designing and manufacturing of trim die and draw die, the variety of car panel shapes and the complexity of the structures complicate the problem even more. A lack of consistency in the design may cause weak relationship between the design and manufacturing, and presents difficulties in finding out the errors of designer. Due to these problems, a lot of time and resources are wasted. [1]

In spite of the variety and the complexity of the car panel structure, some consistencies can be found in the rules, knowledge and the methods of design, although they are redundant sometimes. [2-3]

Hence, it is helpful to develop a design supporting system for trim die and draw die. The design supporting system can be developed by systematically converting the regulation of the design characteristics and the know-howrsquo;s of design specialists into the decision rules and knowledge bases. [4]

2 The Current Design Process

Since the dies are essential tools in manufacturing the body panel of an automobile,the design processes and the process plans of the dies determine the cost, quality,processing time and even the safety factors. [5]

In the stamping process many kinds of dies such as draw dies, trim dies, flange dies, cam dies, flanking and piercing dies and progressive dies are used. Among them the trim dies are used in the shear forming pressing process which cuts and removes the panel material by the force of fracture made with cast iron or steel die. [1] The main functions of the trim die are as follows: 1) trimming to cut the boundary of a body panel, 2) removing the scraps, 3) piercing to make holes on a body panel.

Until now, these three processes were performed manually due to the complexity of rules to determine various design variables even if the designers are experts of commercial CAD system. They use approximate work-piece sizes and tentative methods, and relied on past experience to layout the die sets. Also the resulting designs are prone to errors since it is difficult to figure out 3D free surface from the 2D draft and it is very complicated task to calculate the angles of normal and tangent vectors of the trim line and the heights of the inner shapes. To facilitate the die design process and perform the above three processes in a single step a design supporting system is proposed.

The draw die process is to force the flat blank into a cavity of the required shape, and at the same time to confine the metal between the drawing surfaces which is forced to change its form from a flat blank to the desired shape. This process is dependent on the thickness of the metal, depth of the draw, and height of the flange to be formed.

Specification of the die for a particular application must be governed by the engineer who has sufficient experience and knowledge about the operation and construction of the various die shapes. In the designing process of draw dies, the designer examines whether the panel geometry data has defects or not. If there is a defect, it should be rearranged. After this process, the designer points out the punch profile and blank curve among the surfaces and curves which consists the geometry of the panel.

The first step is to determine die face, offset line, design of wear plate, block lifter and gauge. Next important step is to determine the size and layout of die set. [1] Finally, several components such as balance block, cushion pin, and rib, etc. are designed.

3 Development of Design Supporting System for Press Die

In developing the design supporting system the following criteria must be satisfied. First, the design process should be carried out according to the standardized design work flow. Second, the design variables are determined by the rules of design processes. Third, the complex geometry can be checked automatically.

For embodiment, the design rule base is

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汽车覆盖件冲压模辅助设计系统的开发

摘要 ：本篇论文主要介绍了汽车覆盖件冲压模辅助设计系统的开发。提出的这款辅助设计系统能够利用标准数据及反映冲压模设计的技术来高效系统地支持模具设计开发工序。那些技术和数据是通过对在韩国汽车制造业工作的设计专家采访而收集和积累的。这篇论文为冲压模的系统设计，尺寸规格的设定和供给工具的自动检测提供了一整套解决方案。除此之外，以规则为基础的设计系统是基于产品数据开发的，所有的冲压模元件都被当做产品数据。而且这些元件也被认为是冲压模具的单位。应用知识库和标准数据库的参数化设计的引进使得在处理复杂的技术时变得更加容易便捷。为了能够流畅运行，以规则为基础的设计系统应用C 和 Motif使其程式化，以便程序能够和CATIA进行链接。

1简介

随着近代汽车工业顾客需求的不断变化，缩短工业制造周期成为了一项重要的议题。尽管制造业已经采用了各种各样诸如CAD/CAM和工厂自动化的新技术，但结果并没有达到（缩短周期的）预期水平。主要原因在于新技术必须适用于企业自身的专有技术和知识的工作流程，而且还要适应一些特定公司的管理特性。

在修边模与拉延模的设计与制造过程中，汽车覆盖件的形状变化多样，结构的复杂性都使问题变得更加复杂。并且在设计过程中，缺乏（系统）连贯性也可能导致设计与生产之间的衔接变得薄弱，使得设计者在找出错误时出现困难。正是这些问题，浪费了大量的时间和资源。

虽然汽车覆盖件结构多样复杂，但是我们还是能够在一些标准、认识、设计方法中找到一些他们的一致性 ，虽然有些是多余的。

因此，开发一种汽车修边模与拉伸模辅助设计系统是十分有必要的。辅助设计系统的设计依赖于将设计特点的规则与设计专家的技术系统的转化为设计准则与知识基础。

2 现代覆盖件模具设计工序

由于在汽车车身覆盖件中模具是不可缺少的工具，因此模具设计程序以及模具的制造工序编制直接决定了模具的造价、质量、加工时间甚至安全因素。

很多种类的模具都应用了冲压工序例如 拉延模、修边模、凸缘模、斜楔模、冲裁冲孔模、级进模。在这些模具中修边模依靠铸铁或钢模的切削力，通过锥形变薄旋压来切除覆盖件材料。修边模的主要作用如下：1）切除覆盖件边缘2）移除废料3）在覆盖件上冲孔。

目前这三道工序通常还是要进行手工加工主要是因为规则的复杂性决定了多样的设计变数，即便设计者是商业CAD系统方面着专家也不能解决。他们通常根据近似加工件的尺寸并不断尝试方法，并按以往的经验来布局模具。还有由于很难解决由2D草图应用于3D自由面的问题，而且角度、切边线切线矢量长度、模具内部形状的高度的测量这些任务都非常复杂，导致设计好的模具出现错误，因此有必要设计一种单步执行的辅助系统以便于模具设计的进程和修边模三项工序的操作，拉延模工序就是将板料强制压制成所需的空腔形状，同时使金属被局限在拉伸表面以使板料在拉伸力的作用下得到所需要的形状。这道工序的成型取决于金属的厚度，拉伸的深度以及冲裁高度。

某些具有特殊用途的说明书必须交给对各类模具拥有丰富操作经验的工程师，在设计拉伸模的过程中，设计者要检查覆盖件几何数据是否出现偏差，如果出现偏差就需要进行调整。进行完这道工序后，设计者要在构成覆盖件几何要素的表面与曲线中指出。

3 冲压模辅助设计系统的开发

在辅助设计系统的开发中必须满足下述要求。

首先设计工序必须能够按照标准设计工作流程来执行，第二设计的可变因素由设计过程的规则决定。第三，能够自动检查复杂的几何特性。

为了使其具体化，通过CATGEO使设计规则实现程式化。CATGEO存在于CATIA 4.2.1版本的CATMSP。[13]这款程序是IBM RS/6000用C 和IUA为GUI开发的。设计规则和知识库是通过采访H Motor公司的冲压工程部门的设计专家收集到的。

辅助设计系统的构造如图例1所示

Fig. 1. 冲压模设计系统图系

3.1 冲压模辅助设计系统结构

修边模与拉伸模辅助设计系统的设计有用户接口模件、设计工艺模块 、规则库模块。用户接口模件能够帮助用户更快更简洁的去设计冲压模 设计工艺模块控制输入数据以及在设计过程中产生的数据以便他们能够系统的存储和检索。规则库模块用来描述设计专家们的专业技术以及气车制造业中的设计规则 开发系统的结构如图2. [6]所示

我们所推崇的设计系统是能够使设计程序变成可交互的并且可以在输入端检查错误从而防止在设计过程中产生错误。因此辅助系统既能作为设计工具也可以作为检查错误的工具。

3.2 设计规则的表示

当设计一个菱形或结构复杂的汽车覆盖件时，即使应用了相同的设计条件和设计工序最终的设计结果也会与原始设计不同。无论如何，没有人能够清楚地指出引起设计规则和结构内在复杂性的原因。[6-7]因此，建立健全的设计系统，特别是当设计和制造复杂的产品时，能够给我们提供符合要求个结果是十分重要的。

为了建立健全设计系统，有必要通过仔细的设计过程分析以各种各样的特殊细节分析包括设计过程中的细节，来提炼设计方法和规则。从而使设计工程标准化。

在开发冲压模设计系统时，设计信息和设计规则标准化是通过从专家那里收集信息和专门技术知识实现的，然后存储到信息数据库里，以便在需要的时候检索信息。

设计准则被归结为三类：

1) 历史性规则:一般的设计知识，设计方法的特征。如模具的组成部分，模具种类的选择，每一个组件材料的选择都要根据每一个组件的形状最大最小尺寸来确定。模具的位置，螺栓的位置，每一个组件中夹具零件的个数，尺寸布置，加强筋的数量及设计位置等等。

2）启发性规则：包括设计专家的设计方法和技术诀窍，在修边线上的每一个元件的位置，拉伸模的形状，位置决定因素，元件分离式时的禁止事项，加工余量，冲孔分离的方法，废料刀的宽度余量，模具的位置等等。

3）程序性规则：根据设计构想，设计规则，各部件的长度和宽度的相互关系每个部件分离时的长度，每个部件的高度测量长度来计算尺寸。

提出的设计系统有很多优点：存储的大量关于模具设计方面的特殊技术和经验可以使设计者减少在模具设计时的附庸关系。能够根据过去已经存储在数据库的设计准则，很快的设计出符合要求的新的设计方案。

3.3切边冲模形状设计工序设

模具的尺寸和位置是由产品的外部表面决定的（包括模具的特征）。并根据设计规则基础应用枚举的方法来执行设计任务。

在设计者设定在模样中设定高度缺陷检查后，模具的尺寸同样也由长宽高等一系列因素决定。

当设计者确定修边线和起始点的时候，首先要确定模具的位置及宽度。模具的位置和宽度能够通过将修边线分成相等的几分测量出来。模具的高度通过测量出的最大高度进行限制，以便最小的也能够匹配要求。最后模具的长度是由工作时的长度决定的。而且每一个模具都要考虑他所能够承受的最大限度，及所能承受的最大重量。

辅助系统包在数据库中存储的设计好的模具的外形特征和参数作为一种特征信息，以便系统能够在设计具有相似形状和参数的修边模时方便的调用这些信息。

3.4拉伸模形状设计工序

下一步就是根据前面提到的设计规则，在2D视图中应用网格线将模具布置好。然后选择基本数据库管理方法以便根据模具尺寸和覆盖件形状来决定拉伸模样式。

这在拉伸膜辅助设计系统中，主要有四个作用：1）从标准数据库中选择元件及他们的尺寸形状。2）决定模具的布局位置3）元件几何要素的相关结构关系4）确定以往设计的模具的尺寸和零部件的修改情况。这一程序覆盖了拉伸模四种不同的类型：三种单动和一种双动。

在决定原件外观高度前，使用者必须决定在拉伸表面形状拉伸模形状检测的时间间隔和根据选定的检测时间间隔，来分离表面形状和拉伸模高度。每一个元件的布置是由这些被分离的点和二维模具形状中的交点决定的。

每一个元件的外貌信息生成一个设计结果，这些设计要素被存储到数据库中，设计系统能够在遇到具有相似设计形状特征和因素的设计时及时地调取信息从而节省了重复相同设计工作的时间。

3.5 设计信息的显示

设计出的系统以一个设计者的角度观点去控制产品设计工序，并且通过对3D元件的计算来为2d 用户界面提供细节概念设计的支持。此外，系统能够通过图形和表格为用户提供友好的界面。能够检查因为粗心在设计过程中出现的设计错误。系统更能够在系统显示面板上显示设计规则和设计方法，通过内建的的工具系统能够自动的进行修正，内建工具能够通过设计对象，设计工序，用户界面引导设计控制模块。

而且设计好的模具的尺寸形状尺寸通过材料表展现成3D形状，材料表格包含了所有必需的设计信息以及产品步骤信息，以便产品的设计结果能够直接被传送到生产工序。

4 实例

在这一节，将通过应用CATIA软件进行汽车覆盖件实体建模的例子来展示“冲压模设计辅助系统”的有效性。所选用的模型是the H motor 公司设计和生产的一款汽车的'四分之一外板'。在既定辅助系统执行期间特征窗口显示的插图是从图例3到图例6，而且在最终设计显示在表格1后，会创建一个原料表格。这个原料表格是伴随着一个叫“PARTLIST”的随系统自动生成的。拉伸模的设计包含了大量的基于设计环境的可变因素。而且大多数设计过程也不是标准化的。这就使得设计者在设计工序时有时候去选择一些特殊的方法。图例7显示的特征窗口展示的是在冲压模设计过程中应用双动来实现冲压模设计自动化执行。

Fig. 3. 四分之一外板的形状作为输入模型

Fig. 4.用“CHECK”菜单确定覆盖件高度

Fig. 5.设计好的修剪块2D形状

Fig. 6. 设计好的修剪块3D实体形状

Table 1. Part-list output of designed trimming block

Fig. 7. Top view of drawing for upper die using double action

5 结论

在这篇论文中，详述了冲压模辅助设计系统的研发，研发后的系统包括的主要特征如下：

1能够减少和预防由复杂的几何特性引起的错误数量，而且能通过精确管理几何数据来提高设计的精确度。

2设计的特征信息能够被用来做为生产信息，比如原材料的订购。这些都能够缩短在设计和生产制造中的时间。

3初学者能够通过修改设计规则来设计模具，

4由于设计特征信息最重要表达为三维实体特征，因此他要消耗庞大的记忆容量和处理时间

5设计规则及技术并不是完美的，因此在设计工序中有些是可以不用考虑的。

尽管辅助设计系统有些缺陷而且也不完美，但是与传统的手工方法相比，在外形尺寸测量方面，辅助设计系统通过精确的计算模具内部形状复杂的几何数据改善了测量的精确性节省了时间。

除此之外，在设计阶段产生的设计信息能够被传递到生产阶段以便改善产品生产效率。在the H motor公司的冲压件生产过程中，研发成功的辅助设计系统目前主要应用于修边模和拉伸模上的设计工序中。

参考文献

1. Jeong, H.Y.: A Fundamental of Press Die Design. Press Engineering Department of Hyundai

Motor Co. (1996)

2. Durkin, J.: Expert Systems - Design and Development. Prentice Hall Intrsquo;l, Inc. (1994)

3. Coyne, R.D., Rosenman, M.A., Radford, A.D., Balachandran, M. and Gero, J.S.: Knowledge-

based Design Systems. Addison-Wesley Publishing Co. (1989)

4. Batini, C., Ceri, S. and Navathe, S.B.: Conceptual Database Design. The Benjamin/

Cummings Publishing Co. (1992)

5. Serrano, D. and Gossard, D.C.: Tools and Techniques for

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