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                    鈑金成形模具快速設計技術

                    添加時間:2019/07/11 來源:南京航空航天大學 作者:楊艷洲
                    本文重點分析了鈑金成形模具的凸、凹?焖僭O計以及標準模架庫的快速建模及自動裝配的關鍵技術和實現方法。重點研究了凸、凹?焖僭O計技術以及標準模架庫的快速建模及自動裝配技術,實現了鈑金成形凸、凹模型面的快速設計以及標準模架的快速選擇與調用。
                    以下為本篇論文正文:

                    摘要

                      本文以提高鈑金成形模具設計速度、質量和降低設計成本,充分利用和保存企業模具設計的自身資源為目的,研究了鈑金成形模具快速設計中的基于特征和知識的凸、凹模參數化快速設計技術以及標準模架快速建模的關鍵技術,建立了工藝快速設計、凸模與凹?焖僭O計、標準模架庫的快速建模與自動裝配及選擇調用、二維工程圖的快速生成、鈑金成形模具基礎庫五大模塊。主要研究內容如下:

                      1. 設計了鈑金成形模具系統總體框架,分為工藝設計、模具結構設計、二維工程圖生成、模具基礎庫幾大功能結構,奠定了鈑金成形模具各個模塊實現快速設計的基礎。

                      2. 分析了鈑金成形的凸、凹模型面特征的成形特點,用特征和知識描述凸模與凹模型面,定義型面特征的幾何定位信息和約束關系,進行參數化特征造型,通過特征和知識的融合來構建存儲凸、凹模型面特征的特征庫和知識庫,進行特征實例化并參數化驅動,實現鈑金成形模具的凸模與凹模的快速設計。

                      3. 研究了標準件的參數化建模以及構建了具有參數化裝配特征的標準件庫,使用了自下而上和模塊化方法進行標準模架建模及選擇尺寸參數配置來驅動模架,提取并發布模架的裝配特征實現標準模架的自動裝配,建立具有屬性和參數的標準模架庫便于選擇與調用。

                      4. 利用以上研究成果,開發了鈑金成形模具快速設計系統,減輕了鈑金成形模具設計人員的工作負擔,提高了設計效率和規范性。

                      關鍵詞:成形,凸模,凹模,參數化設計,標準模架,快速設計

                    ABSTRACT

                      In order to improve the design speed and quality, reduce design cost of forming die, and to make full use of and preserve enterprise’s own resources in die design, concave-convex die parametric design technology base on features and knowledge and key technologies about fast modeling of standard mould base in the design system of forming die for sheet metal are studied.The process rapid design, concave-convex die, fast modeling of standard mould base library and automatic assembly to selective preload, 2D engineering drawing fast generation, fundamental library of forming die are established. The main research contents are as follows.

                      1. General design frame of forming die system for sheet metal is designed, it is divided into process design, die structure design, 2D engineering drawing generation, mold database, which have laid a foundation to realize rapid design of modules.

                      2. The paper analyzes the forming characteristics of concave-convex die surface features, and concave-convex die surface is descriped with features and knowledge.Then geometric positioning information and constraint relation are defined to implement the parametric feature model, with the integration of features and knowledge to build the librarys which store the concave-convex die surface feature.And, finish instantiation of features and parametric driving, realizing rapid design of concave-convex die.

                      3. The parameterized modeling of the standard parts and the standard part library with assembly feature are researched and build.Then, with bottom-up and the modular methods to build standard mould bases, which is driven through changing size and parameters configuration, assembly features are extracted and published to realized automatic assembly.Finally, attributes and parameters of standard mould base library is established in order to select and preload it.

                      4. Base on the achievements above, rapid design system of forming die for sheet metal have been developed, reducing the mold design personnel’s work load, improving design efficiency and standardability of forming die.

                      Keywords: Forming, Punch, Concave Die, Parametric Design, Standard Mould Base, Rapid Design

                      模具是一種技術密集型的產品,在我國國民經濟中的地位非常重要,模具生產具有質量好、成本低、效率高等諸多優點,在機械工業領域里,模具已成為使用最廣泛的最主要的工業化生產工藝裝備。模具設計制造技術水平的高低,影響著產品質量、生產效益、產品更新換代的速度、新產品的開發能力,決定著企業的前途與發展,已成為衡量一個國家制造水平高低的重要標志[1]。

                      航空產品以航空鈑金為例,具有多品種、小批量生產的特點,這就要求模具生產具有短周期、低成本和高質量等特點,而當前傳統的模具設計制造周期長、依靠經驗設計、結果出現不可預測性以及沖壓工藝效率低等問題,成形質量的要求難以得到保證,阻礙了新產品的開發創新[2];趥鹘y模具設計的種種缺陷,利用先進的 CAD 技術快速進行模具設計已成為當今市場的趨勢[3]。

                      模具 CAD 技術是改造傳統模具生產的關鍵技術,它是一種高科技、高效益的系統計算機軟件形式,給企業提供一種有效的輔助工具。在模具 CAD 技術中,模具設計工程師在 CAD 系統的輔助下,對成形工藝、模具結構、數控加工及生產管理進行設計及優化并能夠指導制造過程,對于傳統模具設計來說,是一次很大的技術飛躍[4]。

                      現代模具 CAD 設計具有精度高、壽命長、生產制造效率高等優點[5]。我國目前很大部分企業已采用了模具 CAD 技術,因為隨著產品對形狀、尺寸精度和零件整體要求的提高,以及廣泛使用新材料和新工藝,日益復雜的模具結構和型面形狀,一些沖壓件的成形模具不但其型面復雜,而且模具的配套性要求極高,加工中必須保證模具之間幾何形狀的協調一致,傳統的模具加工方法無法保證其質量要求,所以應用模具 CAD 技術已是當務之急。例如,從波音公司引進的 CATIA 及其他 CAD 軟件已經在模具行業中普遍應用,國內的一批大、中型企業陸續從國外引進了相當數量的 CAD 系統,并配置了一些設計、分析的專用軟件,取得了很好的經濟效益[6][8]。

                      由于模具技術是制造業中發展最快的技術之一,所以 CAD 技術在模具設計中最能發揮它的優越性。在提高生產率、改善質量、降低成本、降低勞動強度方面,現代模具 CAD 技術的優越性是傳統的模具設計制造方法無法比擬的。

                      現代模具 CAD 技術發展的新階段是智能化 CAD 階段,是高度集成化、智能化、柔性化和網絡化,它是結合傳統 CAD 技術的繪圖功能、計算和人工智能技術中知識的推理功能,發展起來的知識驅動的現代 CAD 技術[10]。它能把模具設計的經驗、技能、知識、原理、規范等融入到 CAD 系統中,充分利用和保存企業長期積累的設計知識和經驗,同時能夠進行設計數據管理,從而提高設計速度和質量,降低成本,縮短模具研發周期,加快產品的開發進度。

                      由于沖壓產品品種多且形狀復雜,建立沖壓模系統時難度較大,所以目前國內外還沒有功能完善、自動化程度很高的沖壓模設計軟件,目前的一些系統都需用戶根據企業自身條件進行二次開發。企業中 CAD 的實際應用大多是針對某個模塊特征的工程應用軟件,即在通用 CAD軟件(UG、CATIA、Pro/E)平臺上進行二次開發。國內也在進行 CAD 軟件上的二次開發,取得了不少的成績,并結合企業自身的需求,開展了有關設計知識表達、獲取、基于實例推理等技術的研究,積累了不少寶貴的經驗。

                      本文研究的對象是鈑金件,主要是框肋類鈑金零件,其數量多,體積小,是組成大組件的主要單元,設計質量的好壞直接影響產品的性能和壽命[15]。

                      成形是指通過局部塑形變形的方式來改變坯料的形狀,如彎邊減輕孔,彎曲,翻邊,縮口,起伏成形等。成形用于指出裝配的部位,或者制出提高制品剛度的特定形狀,在鈑金成形時,也可作為防破裂或防折皺的手段[16]。鈑金成形模具屬于沖壓成形模,如圖 1.1 所示的是彎邊減輕孔的成形模型。傳統的鈑金成形模具是由設計人員通過一些三維繪圖軟件進行設計,當遇到形狀復雜的鈑金成形工藝件時,其沖壓成形模具型面為復雜的三維曲面,不能用簡單的數學解析來表達,為成形模具的凸模與凹模型面的設計和制造帶來困難。

                    鈑金成形模具快速設計技術:

                    鈑金成形工藝快速設計流程圖
                    鈑金成形工藝快速設計流程圖

                    型面知識提取及尺寸參數化
                    型面知識提取及尺寸參數化

                    凸、凹模型面快速建模及特征操作
                    凸、凹模型面快速建模及特征操作

                    型面入庫及特征實例化
                    型面入庫及特征實例化

                    凸模特征實例化及尺寸修改
                    凸模特征實例化及尺寸修改

                    標準模架入庫
                    標準模架入庫

                    模架選擇調用及三維預覽
                    模架選擇調用及三維預覽

                    二維工程圖快速生成
                    二維工程圖快速生成

                    模具基礎庫
                    模具基礎庫

                    目 錄

                      第一章 緒論
                        1.1 模具 CAD 技術
                          1.1.1 模具 CAD 技術的特點
                          1.1.2 模具 CAD 技術的發展趨勢
                        1.2 鈑金成形模具設計技術現狀
                        1.3 項目來源與研究內容及構架安排
                      第二章 鈑金成形模具系統總體設計
                        2.1 概述
                        2.2 鈑金成形工藝快速設計
                          2.2.1 工藝分析
                          2.2.2 壓力中心及沖壓力計算
                        2.3 鈑金成形模具結構快速設計
                        2.4 鈑金成形模的二維工程圖快速生成
                        2.5 鈑金成形模具基礎庫設計
                        2.6 本章小結
                      第三章 鈑金成形凸模與凹?焖僭O計技術研究
                        3.1 概述
                        3.2 快速設計技術
                          3.2.1 特征設計技術
                          3.2.2 知識的融入技術
                          3.2.3 參數化設計技術
                          3.2.4 快速設計技術在鈑金成形凸模與凹模設計中的應用
                        3.3 基于特征的鈑金成形凸模與凹模參數化設計技術
                          3.3.1 鈑金成形凸模與凹模型面特征的參數化建模
                          3.3.2 鈑金成形凸模與凹模型面特征庫的構建技術
                          3.3.3 鈑金成形凸模與凹模型面特征入庫
                        3.4 基于知識的鈑金成形凸模與凹?焖僭O計技術
                          3.4.1 知識庫構建與運用技術
                          3.4.2 鈑金成形凸模與凹模型面特征與知識的融合
                        3.5 鈑金成形凸模與凹模型面特征與知識的參數化驅動
                        3.6 本章小結
                      第四章 鈑金成形模的標準模架快速建模技術研究
                        4.1 概述
                        4.2 模架的功能及其構成
                        4.3 鈑金成形模的標準模架快速建模
                          4.3.1 標準件參數化建模及標準件庫的構建
                          4.3.2 標準模架建模的關鍵技術
                          4.3.3 標準模架的參數化驅動技術
                        4.4 基于裝配特征的鈑金成形模的標準模架自動裝配
                        4.5 鈑金成形模的標準模架庫構建
                          4.5.1 鈑金成形模的標準模架庫屬性與參數建立
                          4.5.2 鈑金成形模的標準模架庫的建庫流程
                        4.6 本章小結
                      第五章 鈑金成形模具快速設計系統的實現
                        5.1 系統實現的環境與開發工具
                        5.2 系統框架結構
                          5.2.1 系統體系結構
                          5.2.2 系統功能及運行流程
                        5.3 系統運行應用
                          5.3.1 鈑金成形工藝快速設計
                          5.3.2 鈑金成形模具結構快速設計
                          5.3.3 鈑金成形模的二維工程圖快速生成
                          5.3.4 鈑金成形模具基礎庫設計
                        5.4 本章小結
                      第六章 總結與展望
                        6.1 工作總結
                        6.2 展望
                      參考文獻
                      致 謝
                      在學期間的研究成果及發表的學術論文

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