NX在工程机械行业的应用 — 工装及模具设计

上期我们介绍了NX在工程机械产品的详细设计阶段的主要应用，本期将介绍NX在工程机械行业工艺与仿真阶段的主要应用—工装及模具设计。

3.    工装及模具设计

使用先进的NX工装及模具设计与验证工具，可实现工程机械行业整个工艺开发过程的自动化，包括工装设计、注塑/压铸/冲压模具设计和验证。通过分步指导和与零件设计的关联性，用户可以快速实现工装及模具的设计与验证。

图16 — NX工装及模具设计与验证解决方案

3.1.        工装设计

工程机械行业通常的工装设计业务的典型流程如下图所示：

§  在进行工艺设计时，如果需要工装，首先需要查询是否有可借用的工装；

§  如果有，则直接借用；

§  如果没有，提出工装申请；

§  工装设计人员接到申请后，进行工装设计。在设计时需要参考产品设计、工艺设计需求，也要查询以往是否有类似工装可借鉴；

§  工装设计完成后，加入工装库中，供后续查询应用，并将工装设计结果（例如工装号）返回工艺设计；

§  工艺设计完成后，进行数据发放。

图 17 — 工装设计业务流程

工装设计是产品研制过程中的重要环节，目前工装设计面临的业务挑战主要是：

§  工装种类多、需求量大。

§  工装开发的进度直接影响产品制造。

§  工装的设计模式，目前主要还是沿用传统的习惯进行，已经不能适应对产品制造快速反应的要求。

§  工装设计与工艺设计、产品设计脱节，工装设计未能充分利用三维产品模型，工装设计完成后没有及时给工艺反馈信息，在零件投产时不能确定工装是否准备好。

为此，需要采用数字化的手段，以产品数据管理软件和三维数字化设计软件为基础，搭建数字化工装设计系统；确定工艺工装设计业务协同管理方案，实现单一数据源的工艺工装设计并行工作模式；将数据管理和流程管理推广到工装设计的各环节，实现工装设计流程及更改流程的有效管理；将全三维数字化产品研发技术MBD应用于工装设计，通过工装设计知识经验的积累和重用，以及工装设计的模块化应用，实现工装快速设计，达到设计的标准化和规范化。

数字化工装设计解决方案的实现目标是基于MBD的全三维数字化研发模式，将模块化设计的理念应用到工装设计中，通过对工装的模块化分类应用，实现工装设计知识和经验的积累和重用，促进工装的创新设计；实现工装上游数据的有效管理和状态控制，实现工艺工装设计的快速并行协同作业；实现工装数据全面管理，工装设计结果在资源库中的管理，便于工装数据查询、参考和重用；从而达到缩短周期、改进质量、减少成本的目的，同时，数字化工装设计的应用还可帮助企业：

§  提高工装标准化、系列化程度。针对产品零件的分类，把常用工装扩充为企业标准，减少工装设计工作量，简化工装制造工艺；

§  建立企业级工装资源库。建立统一的企业级工装数据库，产品设计、工装设计、工艺编制、数控加工、工具管理等部门可以方便地对工装数据查询和重用，提高效率，节省成本；

§  实现工装的基于MBD的全三维协同设计和可视化验证。工装设计人员、工艺人员、数控编程人员等可以在统一的数字化平台中协同、同步工作，直接应用数字化产品或工序模型进行装夹、检测、加工等工装的设计和验证，从而可以检验和改进工艺方法。

另外，数字化工装设计的应用，还可提升工装技术人员的三维设计水平和创新能力，实现：

§  工装设计知识和经验的积累和重用。形成工装设计知识和经验积累与重用的机制，不断丰富和完善工装设计知识库，促进技术人员设计水平的提高。同时，将部分工装设计知识通过二次开发的形式置入工装设计软件应用系统，提高工装创新设计的能力。

§  工装设计的标准化、规范化。将标准和规范引入工装设计软件应用系统中，通过标准和规范的强制执行，保证设计数据质量，增强数据的可读性，为数据共享提供有利条件。

西门子工程机械行业数字化工装设计解决方案的系统构架如下图所示。

图18 — 基于NX/TC的工装设计解决方案框架

该系统由三个层次组成，分别是底层以Teamcenter为基础的工程协同管理环境、中间层的NX三维应用软件系统，以及针对具体工装设计应用的应用规范和三维工装客户化设计环境的应用层。

§  底层— 以Teamcenter为基础的工程协同管理平台

底层是工程协同管理的基础构架，为实现工艺工装的协同作业提供保障。它建立在西门子的Teamcenter软件平台上，通过Teamcenter的数据管理功能，使与工装设计有关的设计数据，例如典型工装模板数据、工装标准件库、典型设计形状库，以及工装产品数据等，都将统一管理在Teamcenter平台上，实现单一数据源的工装设计；通过Teamcenter的过程管理等功能，实现对数字化工装设计的过程控制，包括设计变更的有效管理。

§  中间层— NX三维应用软件系统

中间层是NX三维应用软件系统，它由工装三维设计所需的基本功能和专业模块组成，包括基本的NX文件处理、三维建模、装配、设计验证等方面的功能，以及针对各种模具工装设计所需功能模块，同时提供二次开发的工具如OPEN/API，Block Style以及KF等功能模块，用于开发专用的工装设计应用工具。

§  应用层— 三维工装设计客户化环境

应用层构建于底层的Teamcenter和中间层NX三维应用软件系统基础之上，为面向最终使用人员的工装设计提供技术保障和专门工具，它主要由应用规范、工装设计资源库、工装设计应用工具等三部分组成。

3.2.        模具设计与验证

NX完整的注塑模及冲压模研制解决方案能够帮助模具企业提高模具设计与制造的效率，缩短模具研制周期。通过使用系统提供的柔性和自动化的电子数据表，用户还可以在模架及标准件库中添加企业自己定制的模架或标准零件。NX完整的模具研制解决方案还提供了零件模型和模具设计之间的完整关联性，对零件模型做出的变更会被自动传递给型芯和型腔，而下游的任何变更都会自动反馈到模具设计中。用户还可以在西门子的Teamcenter全生命周期管理平台进行在线模具设计与制造，并对标准设计进行管理。在设计和制造之间共享并同步产品和过程信息。

利用NX注塑模设计向导能够快速实现注塑模的自动化设计与仿真验证。该向导提供了一个创建相关注塑模设计的完整工作环境。在整个设计过程中，每个功能都能最大限度地提升效率。按照模具设计思路组织开发出来的关键功能，将更有效地帮助完成注塑模设计工作。这种设计思路包括简化设计工具，并自动引导用户完成注塑模设计的各项工作。该向导完全集成在NX之中，因此它能够实现零件模型和模具之间全相关。零件模型的变更自动传递到型芯和型腔。对于嵌件、模板或标准件的变更将自动修正模架。NX注塑模设计向导提供了执行下列任务所需的所有工具，包括：初始化项目、模具设计验证、检查区域、检查壁厚、模流分析、多腔模设计、模具坐标系、收缩、工件、型腔布局、注塑模工具、分型工具、模架库、标准件库、设计顶杆、顶杆后处理、滑块斜顶库、子镶件库、设计填充、流道、冷却工具、腔、模具图纸、视图管理器、模具验证。

图19 — NX MoldWizard注塑模设计解决方案

NX还提供了全面系统的冲压模产品研制解决方案，包括冲模结构设计、冲模工程、冲模验证和级进模设计等系列解决方案。

图20 — NX全面的冲压模研制解决方案

NX冲模结构设计向导提供了创建冲模结构的专用工具。生产一个典型的钣金件需要落料模、拉伸模、修边模、翻边模以及相关的传输设备。NX冲模结构设计向导提供了创建这些模具的所有功能。这些功能包括标准件，比如冲孔设备、压力系统和气缸。其它主要部件带有反应制件形状的复杂型曲。传统建模工具通常很难对这些部件进行建模。冲模结构设计提供了特殊功能来创建这些部件，并把它们表示为整体特征，以方便修改。NX冲模工程向导包装在一个类似向导的环境之中，是为模具型面设计而提供的专用工具。

图21 — NX Die Structure Design冲模结构设计解决方案

NX冲模工程提供了定义和创建各工序模型的功能。NX冲模验证工具为冲模设计人员提供了对冲模装配进行检查的功能，用于检查冲模装配的无冲突操作。用户不仅能够增加冲压线模型，把冲模部件附在冲压线模型上，而且还能够通过识别驱动器和滑块来定义斜契，仿真整个冲模装配的运动。利用NX级进模设计向导，能够快速实现级进模的设计。级进模向导的用户界面集合了行业最佳实践，引导用户完成构建级进模所需要的工作。它嵌入了以前只存在于级进模高级设计人员头脑中的知识，从而使更多的人有机会访问这些知识。缺乏经验的用户能够利用这些向导来完成设计过程；经验丰富的设计人员能够迅速达到最高的熟练水平。在规划成型过程时，设计人员能够定义工艺参数、展开零件、排列毛坯（毛坯排样）、设计边角料和确定带料布局，这几乎涵盖了整个过程。在设计冲模装配时，带料布局已经准备就绪，设计人员能够从模架库中选择合适该带料的模架，为带料中的每一个工序设计镶件组，并创建孔和让位槽，列出物料清单。该解决方案具有开放性，使用灵活且可以客户化，设计人员能修改或者扩充相关的库，比如模架库、镶件组库、工艺库和标准件库。该解决方案提供了一组设计工具和流程，使级进模设计中所涉及的困难而耗时的工作实现自动化。因此，它在整个设计过程中节约了大量时间，同时为制造提供了完整的三维模型。如果产品设计变更，则相关设计结果自动更新。

NX冲模工程向导包装在一个类似向导的环境之中，是为模具型面设计而提供的专用工具。NX冲模工程提供了定义和创建各工序模型的功能。

图22 — NX Die Engineering冲模工程解决方案

NX Die Validation冲模验证工具为冲模设计人员提供了对冲模装配进行检查的功能，用于检查冲模装配的无冲突操作。用户不仅能够增加冲压线模型，把冲模部件附在冲压线模型上，而且还能够通过识别驱动器和滑块来定义斜契，仿真整个冲模装配的运动。所有这些操作都在NX环境里面进行。

图23 — NX Die Validation冲模验证解决方案

利用NX电极设计向导，可以实现电极的自动化设计。NX 电极设计工具是一个高效、省时、向导式的解决方案，用于简化电极的设计和制造过程。利用该解决方案，能够自动、有效地设计、验证、创建文档、制造和管理从设计到生产的整个EDM过程。NX电极设计支持并行设计、放电区域设计、夹头设计、电极设计检查、电极工程制图创建/自动化、电极BOM 创建/自动化、电极加工自动化。

图24 — NX电极设计与验证解决方案

（本文由李作坤编写）