首饰模具CAD系统的设计与实现

模具行业是工业的基础行业，汽车、电子、通讯器材等许多产品中的零部件是依靠模具来制造的，其技术水平决定着产品质量和市场的开发能力。在模具设计的过程中，利用先进的CAD技术会省时、省力，可以保证成型后制品的合格率，减少试模的次数，从而缩短模具设计及生产的周期。本文将要讨论的是，CAD技术在首饰模具设计领域的应用。众所周知，千百年来首饰行业大都是靠手工作业来完成的，效率极低。随着科学技术的进步，我们没有理由忽略CAD技术在这一领域的应用。现在，越来越多的人留意到这个问题，并逐步开始运用现代化的科技手段来促进这方面的技术进步。    
    1背景知识    
    市场上的金银首饰和其它常见金属流行饰品，例如:戒指、项链、吊坠、耳环，制作精良、花式品种繁多。它们的加工方法也很多，首饰制作的传统工艺有手造法和铸造法两种。手造法加工是最原始的首饰制作方法，就是纯手工作业，靠师傅用特制工具敲打成型;一件作品往往需要较长的时间才能完成。铸造法现在用得比较多，它的流程是起板、压胶、注蜡、浇铸等。   
    近年来，由于采用先进技术工艺装备，我国首饰行业开始由传统手工艺加工转向精密铸造方向发展，出现了许多专业制作首饰模具的企业。所谓首饰模具，就是利用CNC电脑雕刻机、高速电火花加工机床、精密线切割机床等各种设备进行模具制造，使用油压机和冲床等生产设备生产首饰制品。运用先进的电脑辅助设计和CNC雕刻精加工，将人工技能与先进的技术设备完美结合，具有操作简便、成型快捷、图案精致、光泽度好、成功率高等特点。   
    1.1什么是首饰模具:   
    首饰的冲压，适用于某些结构复杂但外型比较对称或没有曲面相交盲区的款式。模冲自然离不开模具，所以模具的设计十分重要，需要考虑贵金属板材的塑性、拉伸压缩极限以及模具组合和工作方式等因素。此外，模具本身的材质、制作和热处理等需要较高的技术知识和技巧以及较高的制造条件(如数控机床等)。   
    首饰模具大多是采用冷冲压成形技术，用铂金、黄金、K金、纯银等金属以及其它常用首饰金属材料进行产品的生产。和其他模具生产一样，要历经产品的零件造型、冲压工艺分析、模具结构设计、工艺设计、模具制造、装配、试模等一系列开发过程。由于首饰零件的千差万别，因而首饰模具的特点是单件小批量生产。
    1. 2首饰模具CAD系统   
    传统的模具设计需要经过"概念设计-分析-样品生产叶分析-设计-分析-生产"这样繁杂的过程后才最终确定那些复杂的模具原形。随着计算机的发展，CAD技术逐渐取代了传统的模具设计理念和设计方法。应用相应的CAD软件，可以根据要实现的功能、外观和结构要求，先设计草图，然后生成相应的实体，接着子装配和总体装配，仿真模具开模过程，检查干涉情况，并进行真实渲染。整个过程也可以从上到下进行修改，每个过程的参数都可以改变，并可以设定参数间的关联性。 
    为了适应产品更新换代的加快以及高质量、高效益的要求，在统一的软硬件平台上，需要建立计算机辅助设计系统，使首饰模具设计实现自动化;对快速、准确地完成整套模具的生产，意义十分重大。    
    2首饰模具CAD系统的开发    
    首饰模具属单件小批量生产，制品形状复杂、品种繁多，对冷冲模的需求量最大。冲裁时，落料凹模，凸模与凸凹模作用对坯料进行冲孔落料。在冲压模设计过程中，需要考虑其可加工性与装配问题，要预测模具与条料运动时可能产生的各种干涉。另外，冲压模具按工艺性质可分为冲裁模、弯曲模、拉伸模、成形模等，无论何种模具，基本上都需要上、下模体、导向装置、压料装置、定位装置等等。   
    本文所研究的首饰模具CAD系统主要是面向冲压模的首饰模具设计。   
    2.1首饰模具CAD系统的参数化设计开发思想   
    首饰模具中既包含大量的标准件和常用件，也包含一些专用件。常用的首饰模具可以分成三类:单冲模、连续模(跳步模)、冷挤压模。单冲模常用于制作耳钉、吊坠、配件以及开料模，连续模常用于制作手链、项链、耳坠，冷挤压模常用于制作吊牌、男式方戒、女式蛇肚戒、耳环，等等。   
    在对首饰零件进行设计和应用时，每一种首饰零件按要求不同，有一组或多组尺寸系列，但同一种首饰零部件的结构基本相同。因此，在首饰模具设计数据库的建库过程中，常采用参数化方法。参数化设计主要有程序驱动法和尺寸驱动法两种。程序驱动法是在程序的控制下，顺序执行设计表达式，通过与用户的交互完成设计工作，应用程序输人不同值，便生成不同的图形;尺寸驱动法是指在保持首饰零件结构不变的情况下，将首饰零件的尺寸标注视为变量，给予不同的尺寸值，便能获得一系列结构相同而尺寸不同的相似零件，它允许用户在进行必要的尺寸参数标注后，通过尺寸参数值的变化来生成结构相同而参数不同的首饰零件族。通过人机交互或自动提取获得首饰零部件必需的主参数，然后从数据库中提取相应的图形模板文件、辅助参数，再经过程序调用API函数进行尺寸驱动，生成所需要的首饰零件。图1所示为首饰模具CAD系统的工作流程示意图。
   

2. 2首饰模具CAD系统的功能分析   
    开发所获得的首饰加工专用冷冲模设计软件能够完成简单模、复合模、弯曲模、连续模和拉伸模的设计，使首饰模具工程师在设计过程中能够实时查看模具设计结果，可以对设计成果进行及时的修改，从而缩短了设计周期并保证了产品的设计质量。
    综合来说，整个系统应具有如下一些功能:   
    (1)首饰模具结构的人机交互快速生成，可以生成用户所需的首饰模具结构。
    (2)通过智能化的菜单结构，设计者能快速地启动相应命令来绘制所需图形。
    (3)开放的首饰模具零件库，可以添加各种类型的首饰模具零件人库。
    (4)自动生成首饰模具零件图、装配图、明细表等等生产所需要的资料。   
    2. 3首饰模具CAD系统的模块分析   
    (1)模具标准件库:有定位元件、固定元件、导向元件、紧固元件、卸料、推顶元件等等，包含了用于创建弹簧、模架、紧固件等模具标准零件所需的信息。
    (2)常用首饰模具零部件库:有冲孔凸模、凹模镶套，包含了用于创建戒指、耳环、吊牌等用户自定义零件所需的信息，形状可以为圆形、椭圆形、方形、星形、水滴形等等。用户能够根据需要添加其他饰品款式信息人库。
    (3)常用首饰图案库:首饰表面的装饰图案，如:各种艺术字、吉祥图案及动植物图案等。
    (4)首饰模具辅助设计计算:包含了材料的剪切、曲伸和拉伸信息等。   
    2. 4系统开发平台的选择   
    通用型三维绘图平台-SolidWorks，是一套基于Windows平台的全参数化特征造型的三维机械CAD软件，它以参数化和特征建模的技术，为设计人员提供了良好的设计环境;图形界面友好，用户上手快。SolidWorks能够十分方便地实现复杂的三维零件实体造型、复杂装配和生成工程图。   
    本文采用的实现方法是:基于商用三维绘图软件SolidWorks 2005平台，结合Microsoft Access数据库技术，利用Vistual Basic编程环境以及SolidWorks 2005的API函数，进行二次开发，可以高效快速地进行首饰模具的设计。    
    3首饰模具CAD系统的实现    
    3.1首饰模具 CAD系统的实现方法   
    CAD软件的开发主要有两条途径:一个是开发自主版权的CAD软件;另一个是在现有的通用绘图软件基础上进行二次开发。任何一个比较成熟的自主版权CAD软件，都不是少数人能够在短时间内完成的，这必然要耗费大量的人力和物力。而采用二次开发技术开发软件则是一种便捷的方法。所谓二次开发，就是在现有通用绘图软件的基础上进行有针对性的软件开发;开发所得到的应用程序，一般是嵌人到某一特定的CAD系统中。通过调用该系统所提供的函数，实现对图形数据的读取和计算，避免了底层模块的开发。因此，这种嵌人式的软件开发方式具有周期短、投资少、效率高等特点。   
    本文所阐述的开发方法就属于二次开发，以Visual Basic 6.0为开发工具制作用户界面，采用VB访问数据库的技术访问模具标准件库、常用首饰模具零部件库和常用首饰图案库;再利用SolidWorks中提供的API函数(Application Programming Interface)进行链接，在SolidWorks 2005的平台上开发一个嵌人式模块。该模块可以在装配体环境下，被用户调用来进行首饰模具的设计。   
    任何支持OLE(对象链接与嵌人)和COM(组件对象模型)的编程语言都可以作为SolidWorks的开发工具。Solidworks的二次开发方式分为两种，一种是基于自动化技术的，开发形式的程序;另一种开发方式是基于COM的，可以通过API控制SolidWorks的会话方式，从而生成dll文件，作为SolidWorks的插件。VB作为开发环境是一个相对较好的选择。本文中，就采用了Visual Basic 6.0和SolidWorks提供的API二次开发工具相结合的方式来进行。   
    首饰模具的参数化设计是通过VB的界面及各种控件的功能来实现的，读人设计变量的步骤是VB通过调用SolidWorks提供的API对象来实现的，更新模型的步骤主要体现在VB的编程代码中，其设计过程如图2所示。
   

    一个简单实用的方法是:先在SolidWorks中录制宏，获得宏操作代码;将其复制添加到VB程序代码的相应部分，通过编辑修改调试以达到程序要求;然后通过程序驱动设计变量来实现模型的创建和更新。通过这种方法编程较简单，通用性好。
    3. 2系统运行的主要界面   
    进入SolidWorks 2005环境后，单击菜单栏上的"首饰模具设计"菜单，则弹出系统的主界面，选定模具类型(如单冲模、连续模、冷挤压模)后，就进入了相关的模具设计界面。接下来，从选项卡中选择零件类型后，然后从单选按钮中选择具体的形式，右边的图像框也会相应的改变，显出对应的模型预览图。   
    用户可以直接从参数列表中选择合适的参数记录，也可以在查询条件中输人数值进行查询，点击"生成"按钮。所对应零件的模板图形会由程序完成尺寸驱动，从而生成需要的三维冲模件。
    3. 3首饰模具CAD系统的使用   
    (1)设计者定义落料孔的式样后，通过人机对话输人必要的参数来选择模具标准件，凹模、垫板、凸模、模架等便可以自动产生。
    (2)生成了零件图的尺寸、材料、技术要求等信息后，与该零件相关的孔和凹槽的信息也会自动产生，凸模、弹簧和紧固件等零件可以根据相应的孔和凹槽自动修改。
    (3)最后能生成模具总装图的详细明细表，设计者还可以对明细表进行增减零件、修改描述等各种编辑，在编辑结束以后又可以自动重新排序生成新的明细表。
    (4)系统的设计图面清洁，提高了设计工作的效率。设计成果能够重复利用，对一些相近的、或相似的首饰模具设计，只要简单修改一下图纸就行了
    (5)软件提供丰富的分类图库、通用详图，设计师需要时可以直接调人。另外，模具设计方面的计算精度和设计速度也是手工计算所无法比拟的。