何 釗，李 林，陳 彬，王孟君

1．中南大學(xué)有色金屬材料科學(xué)與工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙410083；2．廣州有色金屬研究院材料加工與成形研究所，廣東 廣州510650

基于Pro/E的鋁型材擠壓模CAD系統(tǒng)的設(shè)計(jì)＊

何 釗1，李 林2，陳 彬1，王孟君1

1．中南大學(xué)有色金屬材料科學(xué)與工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙410083；2．廣州有色金屬研究院材料加工與成形研究所，廣東 廣州510650

利用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)思想，在Pro/E三維軟件平臺(tái)上，采用Pro TOOLKIT二次開(kāi)發(fā)工具及VC＋＋編程語(yǔ)言，開(kāi)發(fā)了鋁型材擠壓模CAD系統(tǒng)及其結(jié)構(gòu)框架，定義了CAD系統(tǒng)的各個(gè)組成模塊的功能作用，并設(shè)計(jì)出人機(jī)交互式的界面開(kāi)發(fā)窗口．

鋁型材；擠壓模CAD系統(tǒng)；Pro/E；Pro/TOOLKIT；二次開(kāi)發(fā)

擠壓模具是生產(chǎn)鋁型材的重要工具，它對(duì)擠壓力、金屬流動(dòng)的均勻性、制品尺寸的穩(wěn)定性和表面質(zhì)量都有很大的影響．采用CAD（計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)）設(shè)計(jì)擠壓模具可顯著縮短設(shè)計(jì)周期，降低成本，減輕設(shè)計(jì)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，已成為模具設(shè)計(jì)的發(fā)展方向．國(guó)外科研工作者[1－4]在CAD模具設(shè)計(jì)方面已經(jīng)做了大量的工作，國(guó)內(nèi)也有一些CAD二次開(kāi)發(fā)的研究成果[5－7]，但基于 Pro/E 平臺(tái)采用 Pro/TOOLKIT二次開(kāi)發(fā)工具對(duì)鋁型材擠壓模的研究卻不多．本文以Pro/E軟件為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，采用Microsoft Visual C＋＋6．0編程軟件和Pro/TOOLKIT二次開(kāi)發(fā)工具，構(gòu)建了鋁型材擠壓模CAD系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)共享，完成了人機(jī)交互界面的設(shè)計(jì)，建立了模具設(shè)計(jì)以及制造過(guò)程中相關(guān)技術(shù)參數(shù)的數(shù)據(jù)庫(kù)．

1 CAD系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)環(huán)境

本型材擠壓模CAD系統(tǒng)主要的目的是建立擠壓模具的三維模型，所以必須選擇具有三維建模功能的集成軟件作為系統(tǒng)的圖形支撐軟件．

一般來(lái)說(shuō)，大型CAD/CAM軟件都留有供用戶進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)的接口，用戶可以利用這些接口來(lái)編寫(xiě)自己的應(yīng)用程序，從而擴(kuò)展這些軟件的功能，提高使用效率，而Pro/E就提供了強(qiáng)大的二次開(kāi)發(fā)功能．該軟件具有基于C語(yǔ)言的Pro/TOOLKIT二次開(kāi)發(fā)工具，Pro/TOOLKIT是Pro/E軟件自帶的二次開(kāi)發(fā)模塊，可以直接訪問(wèn)Pro/E軟件的最底層數(shù)據(jù)庫(kù)資源，這是進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)的最基本的條件．因此，本系統(tǒng)在Pro/E平臺(tái)上采用Pro/TOOLKIT二次開(kāi)發(fā)工具構(gòu)建鋁型材擠壓模CAD系統(tǒng)．

Pro/TOOLKIT的工作模式包括同步模式（Synchronous Mode）和異步模式（Asynchronous Mode）兩種[8]．

同步模式有標(biāo)準(zhǔn)的DLL模式和多進(jìn)程模式（Multi－process Mode）．多進(jìn)程模式比 DLL模式涉及更多的通信開(kāi)銷，尤其是當(dāng)應(yīng)用程序需頻繁地調(diào)用Pro/TOOLKIT的庫(kù)函數(shù)時(shí)．因此，在應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)階段一般采用多進(jìn)程模式以提高程序的調(diào)試效率；當(dāng)程序開(kāi)發(fā)完成后在實(shí)際運(yùn)行時(shí)則一般采用DLL模式，以提高程序的運(yùn)行速度．

異步模式有簡(jiǎn)單異步模式（Simple Asynchronous Mode）和全異步模式（Full Asynchronous Mode）．在簡(jiǎn)單異步模式中，Pro/TOOLKIT應(yīng)用程序包括本身自帶的 Main（）函數(shù)，定義程序的控制流，在程序中調(diào)用函數(shù)ProEngineerStart（）來(lái)啟動(dòng)Pro/E進(jìn)程．全異步模式是簡(jiǎn)單異步模式的擴(kuò)展，在全異步模式下，不僅Pro/TOOLKIT應(yīng)用程序可以向Pro/E發(fā)送消息，而且Pro/E進(jìn)程也可以發(fā)送信息到Pro/TOOLKIT進(jìn)程．

綜上所述，當(dāng)Pro/TOOLKIT程序與Pro/E之間只存在單向消息傳遞時(shí)，也就是說(shuō)只有應(yīng)用程序向Pro/E發(fā)送消息時(shí)，宜采用簡(jiǎn)單異步模式；當(dāng)存在雙向通信時(shí)，宜采用全異步通信模式．本系統(tǒng)是通過(guò)菜單、對(duì)話框向Pro/E發(fā)送消息的，因此采用同步DLL模式．

2 型材擠壓模CAD系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

型材擠壓模CAD系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求是：三維模型可以根據(jù)不同的條件，以交互的方式將設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)思想表達(dá)出來(lái)，對(duì)模具的結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)態(tài)修改，直至獲得所需的模具．該CAD系統(tǒng)的設(shè)計(jì)內(nèi)容包括系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模型的設(shè)計(jì)以及交互式用戶界面的開(kāi)發(fā)．

2．1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模型

采用面向?qū)ο蠓椒ㄖ械膶?duì)象模型技術(shù)（Object Modeling Technique）來(lái)構(gòu)建型材擠壓模CAD系統(tǒng)．OMT從三個(gè)視角描述系統(tǒng)，提供了三種模型，即對(duì)象模型、動(dòng)態(tài)模型和功能模型．由OMT確定了鋁型材擠壓模具CAD的總體結(jié)構(gòu)（圖1）．由圖1可知，鋁型材擠壓模具CAD系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)庫(kù)和CAD設(shè)計(jì)兩大模塊組成．?dāng)?shù)據(jù)庫(kù)包含合金資料庫(kù)、型材圖紙庫(kù)、模具圖庫(kù)以及模具標(biāo)準(zhǔn)件圖庫(kù)等，可有效地管理現(xiàn)有資源，避免重復(fù)設(shè)計(jì)，提高了設(shè)計(jì)效率．CAD模塊主要包括圖形分析、工藝設(shè)計(jì)以及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等功能模塊，模塊之間輔以用戶交互界面，可設(shè)計(jì)出完整的模具CAD模型．

圖1 鋁型材擠壓模具CAD系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)Fig．1 The CAD system overall structure of aluminum extrusion die

2．1．1 對(duì)象模型

根據(jù)幾種不同類型的擠壓模具的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和設(shè)計(jì)原理，利用對(duì)象模型構(gòu)造模具對(duì)象類的主要信息．

（1）歸納模具的對(duì)象類

鋁型材的擠壓模具主要有平面模、導(dǎo)流模和分流組合模三種類型．平面模主要是設(shè)計(jì)模具的工作帶和模孔；導(dǎo)流模則增加了導(dǎo)流腔的設(shè)計(jì)；平面分流組合模，由上模和下模兩部分組成，上模有分流孔、分流橋和模芯，下模上有焊合室、?？缀凸ぷ鲙У龋虼耍＞叩慕Y(jié)構(gòu)可歸納為如下對(duì)象類：截面圖形類、工藝參數(shù)類、模具外形類、分流孔類、分流橋類、模芯類、焊合室類、?？最?、區(qū)段類、工作帶類以及空刀類等．

（2）對(duì)象類之間的關(guān)系

根據(jù)模具設(shè)計(jì)原理，所構(gòu)建的模具CAD系統(tǒng)對(duì)模具進(jìn)行設(shè)計(jì)的過(guò)程是：首先，輸入型材的截面圖形，由系統(tǒng)計(jì)算出型材的截面信息，如面積、周長(zhǎng)、質(zhì)心和外接圓直徑等；然后根據(jù)型材截面信息選擇相應(yīng)的模具結(jié)構(gòu)，并結(jié)合生產(chǎn)工藝參數(shù)選擇模具的外形；最后根據(jù)所選擇的模具外形選擇適當(dāng)?shù)哪＞呓Y(jié)構(gòu)，完成模具的整體設(shè)計(jì)．

2．1．2 動(dòng)態(tài)模型

擠壓模CAD系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型的建立主要是編寫(xiě)交互行為的腳本以及對(duì)象類之間的關(guān)系．利用Pro/E自帶的二次開(kāi)發(fā)模塊——Pro/TOOLKIT和VC語(yǔ)言編輯程序?qū)崿F(xiàn)腳本代碼．而各對(duì)象之間的關(guān)系是按照模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的順序，順序響應(yīng)、順序?qū)崿F(xiàn)的．各對(duì)象間的關(guān)系只是簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)和經(jīng)驗(yàn)選擇關(guān)系，對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的影響不大，而且在系統(tǒng)功能模型中也可體現(xiàn)出其動(dòng)態(tài)響應(yīng)關(guān)系．

2．1．3 功能模型

功能模型是在對(duì)象類模型的基礎(chǔ)上建立起來(lái)的，它明確了系統(tǒng)中發(fā)生的事件，描述了系統(tǒng)內(nèi)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)移，說(shuō)明了對(duì)象模型中操作的含義．各對(duì)象實(shí)質(zhì)上是通過(guò)自身的操作對(duì)相關(guān)事件作出相應(yīng)操作，最終生成由一組數(shù)據(jù)流圖組成的三維的鋁型材擠壓模具，該系統(tǒng)的功能模型數(shù)據(jù)流程如圖2所示．用戶可根據(jù)制品的截面信息，選擇合適的擠壓模類型進(jìn)行設(shè)計(jì)、檢驗(yàn)和修正，從而獲得合格的擠壓模具．

圖2 鋁型材擠壓模具CAD系統(tǒng)功能模型Fig．2 Function model of CAD system of aluminum extrusion die

2．2 用戶界面開(kāi)發(fā)

用戶界面是系統(tǒng)的最上層，體現(xiàn)了整個(gè)系統(tǒng)的流程，應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)的功能模型圖和模具設(shè)計(jì)流程來(lái)設(shè)計(jì)，由于擠壓模具的設(shè)計(jì)是從型材的截面圖形分析開(kāi)始的，型材的截面周長(zhǎng)與截面面積的比值是判斷型材擠壓難易程度的參數(shù)．因此，圖形分析界面包括型材的截面周長(zhǎng)、面積、質(zhì)心位置以及外接圓直徑和圓心位置等基本參數(shù)．可利用Pro/E的草圖模塊的參數(shù)化繪制功能，繪制出產(chǎn)品的截面圖形，也可通過(guò)接口，將其他繪圖軟件如AutoCAD、Solid Works等繪制的截面圖導(dǎo)入系統(tǒng)中．圖3為型材截面信息的計(jì)算窗口，其功能是將型材截面的二維截面信息輸入系統(tǒng)并完成相關(guān)參數(shù)的計(jì)算．

圖3 型材截面信息對(duì)話框Fig．3 Dialog box of section messages

計(jì)算出型材的截面信息后，還需指定相應(yīng)的工藝參數(shù)，包括坯料的加熱溫度、模具的預(yù)熱溫度、擠壓機(jī)規(guī)格、擠壓筒外徑、鑄錠尺寸等，這是設(shè)計(jì)模具所必需的條件．由于這些工藝參數(shù)的確定具有很強(qiáng)的經(jīng)驗(yàn)性，可通過(guò)調(diào)用系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)中的現(xiàn)有參數(shù)來(lái)完成，若數(shù)據(jù)庫(kù)中沒(méi)有相應(yīng)的工藝參數(shù)，設(shè)計(jì)者可通過(guò)自己的經(jīng)驗(yàn)采用交互選擇的形式來(lái)實(shí)現(xiàn)參數(shù)的確定．相應(yīng)的程序?qū)崿F(xiàn)窗口如圖4所示．

圖4 工藝參數(shù)對(duì)話框Fig．4 Dialog box of process parameters

不同截面形狀的型材，需采用不同的擠壓工藝和擠壓工具，在確定了型材的截面信息以及相關(guān)的工藝參數(shù)之后，進(jìn)入模具類型選擇界面，根據(jù)型材形狀的特點(diǎn)，選擇相應(yīng)的模具類型和擠壓機(jī)噸位，調(diào)用模具標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)中的標(biāo)準(zhǔn)件，設(shè)計(jì)出模具的外形，模具設(shè)計(jì)的重點(diǎn)主要包括模孔的布置和尺寸、工作帶的長(zhǎng)度、導(dǎo)流模導(dǎo)流腔的開(kāi)口寬度、深度和入口角度；分流模的分流孔、分流橋、焊合室的形狀和尺寸等．對(duì)于導(dǎo)流模，導(dǎo)流腔的形狀和深度是設(shè)計(jì)的重點(diǎn)．分流組合模上模的設(shè)計(jì)內(nèi)容包括布置分流孔、分流橋和模芯，分流孔模塊的參數(shù)包括分流孔的形狀、數(shù)目、最大外接圓直徑和分流比；分流組合模下模的設(shè)計(jì)內(nèi)容有焊合室、模孔、工作帶以及空刀等，焊合室的結(jié)構(gòu)特征參數(shù)包括焊合室的形狀、高度、入口角等，根據(jù)焊合室的結(jié)構(gòu)特征，按照擠壓筒的規(guī)格選擇焊合室的高度．模具強(qiáng)度的校核是模具設(shè)計(jì)中必不可少的環(huán)節(jié)，這些模具參數(shù)的確定均可采用相應(yīng)的程序?qū)υ捒騺?lái)實(shí)現(xiàn)．

3 結(jié) 語(yǔ)

運(yùn)用Pro/E繪圖軟件、VC＋＋編程軟件等工具開(kāi)發(fā)了鋁型材擠壓模具CAD系統(tǒng)．設(shè)計(jì)了型材擠壓模具CAD系統(tǒng)的基本組成模塊，并對(duì)各模塊進(jìn)行了簡(jiǎn)單的定義；采用VC＋＋編程工具編制了型材擠壓模具CAD系統(tǒng)各個(gè)設(shè)計(jì)模塊的對(duì)話框，實(shí)現(xiàn)了模具設(shè)計(jì)過(guò)程的人機(jī)交互處理；定義了型材擠壓模具CAD中各參數(shù)的設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)準(zhǔn)則．

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The design of CAD system of extrusion die of aluminum profile based on Pro/E

HE Zhao1，LI Lin2，CHEN Bin1，WANG Mengjun1
1．The Key Laboratory of Nonferrous Metal Materials Science and Engineering of Ministry of Education，Central South University，Changsha 410083，China；2．Institute of Materials Processing and Forming ，Guangzhou Research Institute of Non－Ferrous Materials，Guangzhou 510651，China

With the object－oriented design idea，a CAD system and its structural framework of the aluminum extrusion die are developed by adopting the secondary development technology of the Pro TOOLKIT and VC＋＋programming language on the platform of three－dimensional software Pro/E．Functions of the component modules of CAD system are defined，and a man－machine interactive window for interface development is designed as well．

aluminum profile；extrusion die CAD system；Pro/E；Pro/TOOLKIT；secondary development

TG375；TP31

A

1673－9981（2011）03－0194－04

2010－11－04

廣東省重大科技專項(xiàng)資助（2008A09030004）

何釗（1987—），男，湖南邵陽(yáng)人，碩士研究生．