何 薇， 毛 昕

（東北大學(xué)機(jī)械工程與自動化學(xué)院，遼寧 沈陽 110004）

鈑金結(jié)構(gòu)在航空航天、汽車、船舶、機(jī)械、化工、輕工等工業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用。為提高鈑金零件的生產(chǎn)質(zhì)量和效率，開發(fā)與實現(xiàn)鈑金零件參數(shù)化設(shè)計和坯料計算機(jī)輔助展開系統(tǒng)，已成為鈑金生產(chǎn)行業(yè)的發(fā)展方向。

當(dāng)前鈑金件的CAD系統(tǒng)大概可以分為兩類。第一類是直接利用商品CAD軟件中包含的鈑金設(shè)計模塊，如Catia、Pro/E、UG、SolikWorks等。但這類軟件中的鈑金設(shè)計模塊一般只包括平板沖壓件的輔助設(shè)計，而沒有彎曲成形的管類鈑金構(gòu)件的設(shè)計與展開功能。第二類是專門開發(fā)的鈑金展開軟件。但從國內(nèi)目前情況看，一方面數(shù)量很少，更主要的是功能有限。這些系統(tǒng)多只包含構(gòu)件的參數(shù)化展開功能，而沒有構(gòu)件的參數(shù)化設(shè)計功能，且多忽略板厚處理、坡口形式等工藝需求，應(yīng)用受到限制[1-3]。國外雖有較好的鈑金構(gòu)件參數(shù)化設(shè)計與展開軟件系統(tǒng)，但往往價格昂貴，且很多表達(dá)方法與我國的國家標(biāo)準(zhǔn)不相一致[4]。

針對目前鈑金行業(yè)生產(chǎn)對計算機(jī)輔助方面越來越高的需求，在CAD軟件平臺上通過二次開發(fā)，實現(xiàn)了一個管類鈑金構(gòu)件參數(shù)化設(shè)計與展開的計算機(jī)輔助系統(tǒng)。該系統(tǒng)所包含的管類構(gòu)件種類豐富；實現(xiàn)了具有準(zhǔn)確的真實接口結(jié)構(gòu)的鈑金構(gòu)件三維設(shè)計，也由于接口的結(jié)構(gòu)準(zhǔn)確，在此基礎(chǔ)上得到的展開圖具有較高的精度；另外系統(tǒng)界面友好，使用方便，操作過程處于三維環(huán)境當(dāng)中，設(shè)計對象形象直觀。開發(fā)工作在造型與展開功能集成、基于中性層的造型策略、接口幾何信息提取、提高展開精度和界面設(shè)計等方面具有創(chuàng)新或體現(xiàn)特色。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能

系統(tǒng)面向生產(chǎn)中常見的十六大類管類鈑金構(gòu)件作為設(shè)計對象（見圖1），其結(jié)構(gòu)主要包括參數(shù)化建模和表面展開兩大模塊。參數(shù)化建模模塊實現(xiàn)構(gòu)件三維模型的參數(shù)化生成，模型在接口處具有真實的結(jié)構(gòu)，為準(zhǔn)確的表面展開提供了基礎(chǔ)。表面展開模塊實現(xiàn)三維模型曲面的即時展開，輸出展開圖形和文本數(shù)據(jù)以及樣板的質(zhì)心、重量等幾何和物理信息。

圖1 系統(tǒng)的設(shè)計對象

圖2 是系統(tǒng)的工作流程簡圖。參數(shù)化建模模塊可以單獨使用，完成構(gòu)件的形狀設(shè)計；表面展開模塊則有賴于構(gòu)件三維模型的建立，然后根據(jù)需求完成構(gòu)件表面的展開。在實現(xiàn)形狀設(shè)計和表面展開主要功能的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)在功能設(shè)計時還著重考慮了諸如板料厚度設(shè)置與處理、曲面展開時的素線數(shù)目設(shè)置、曲面展開時切開位置的選擇等工藝處理問題。由于系統(tǒng)的參數(shù)化功能，由十六大類構(gòu)件可以演化出形狀繁多的各類具體設(shè)計對象。

系統(tǒng)以UG NX4.0 軟件作為開發(fā)平臺，使用UG/Open API 所提供的接口命令和C++語言函數(shù)開發(fā)系統(tǒng)主體功能，利用其二次開發(fā)工具UG/Open MenuScript 進(jìn)行工具欄和下拉菜單的制作，而操作界面是利用 VC++和 UG/Open UIStyler 聯(lián)合開發(fā)[5]。使用Visual C++開發(fā)的應(yīng)用程序可以直接嵌入到UG 內(nèi)部，加載成功后，應(yīng)用程序菜單直接出現(xiàn)在UG 主菜單上，如同UG自帶功能一樣進(jìn)行工作，而且操作界面風(fēng)格同UG 完全一致，能夠真正做到和UG 軟件的無縫融合。

圖2 系統(tǒng)工作流程簡圖

2 系統(tǒng)開發(fā)中的若干技術(shù)問題

2.1 三維模型的構(gòu)型策略

為真實反映構(gòu)件在接口處的實際結(jié)構(gòu)，在三維參數(shù)化模型生成中采用了基于中性層曲面的造型方法。圖3 是漸縮圓錐彎頭兩節(jié)間的接口情況。這里把兩節(jié)管間的實際結(jié)合線稱為接口曲線，過接口曲線的板料端面稱為接口曲面。接口曲面可看作是一環(huán)狀的直紋曲面，它的素線是過接口曲線上一點且垂直于圓管過該點的素線，長度等于板料厚度的直線段。中性層曲面是在板料彎曲時，既不被拉伸也不被壓縮的材料層所在的曲面，這里近似取為板料的中心層曲面[6]?；谥行詫忧娴脑煨头椒ㄊ紫纫蟪鼋涌谔幍慕涌谇€，然后把接口曲線沿接口曲面素線方向映射到中性層曲面上，形成中性層曲面的端口曲線，最后再把中性層曲面向內(nèi)外方向各增加二分 之一的板料厚度，從而形成具有真實形狀的構(gòu)件接口結(jié)構(gòu)。端口形狀準(zhǔn)確的中性層曲面不但是構(gòu)件模型的生成基礎(chǔ)，同時也是板料展開時的放樣曲面，即同時解決了構(gòu)件展開時的板厚處理問題。

圖3 漸縮圓錐彎頭的接口

2.2 接口曲線的求取

形狀準(zhǔn)確的中性層曲面是創(chuàng)建三維模型和生成展開樣板的基礎(chǔ)，而求取接口曲線則是得到準(zhǔn)確中性層曲面的先決條件。接口曲線是兩圓管間的實際結(jié)合線，由于板料的厚度，實際結(jié)合線可能是兩圓管外皮或內(nèi)皮的交線，也可能是一部分為外皮而另一部分為內(nèi)皮相交，如果是后者，又涉及交線在內(nèi)外皮過渡區(qū)間內(nèi)的形狀和位置，情況較復(fù)雜。

圖4(a)是多節(jié)漸縮圓錐彎頭端節(jié)與中間節(jié)管接口處的示意圖，處理時將其簡化為兩管分別與一個過左側(cè)外皮交點和右側(cè)里皮交點的正垂面相接。圖4(b)是求作端節(jié)管接口曲線的示意圖，左側(cè)大半（ae′ce′段）為外皮接觸，右側(cè)小半（ci′bi′段）為里皮接觸。在ce′處，接口曲線沿直線CECI由外皮過渡到里皮，直線CECI是接口曲面的一條素線。圖上部的粗線反映了接口曲線的實際形狀。

圖4 求漸縮圓錐彎頭的接口曲線

2.3 接口曲線向中性層曲面的映射

求出接口曲線后，采用數(shù)值方法把接口曲線上的點沿端口接口曲面的素線方向映射到中性層曲面，再用自由曲線把它們擬合起來，形成中性層曲面的端口曲線。圖4(b)中，映射后的中性層曲面端口曲線為兩個部分橢圓，它們的正面投影均積聚為直線，左側(cè)為線段a0′c0′，右側(cè)為線段c0′b0′，c0′為素線ce′ci′的中點。應(yīng)該注意的是，為提高展開的準(zhǔn)確性，映射到中性層曲面上的點應(yīng)取為展開時等分素線的端點。

2.4 中性層曲面的展開

映射后的中性層曲面具有了準(zhǔn)確的端口曲線，相當(dāng)于得到了經(jīng)過板厚處理的放樣曲面，對其進(jìn)行展開即可獲得構(gòu)件的展開圖（見圖5）。展開時，通過UG 軟件的二次開發(fā)函數(shù)可直接計算出放樣曲面等分素線的實長，作為展開數(shù)據(jù)。

圖5 四節(jié)直角圓錐彎管的展開圖

2.5 界面設(shè)計

系統(tǒng)包括構(gòu)件選型、參數(shù)輸入、等分素線數(shù)目、展開數(shù)據(jù)輸出等主要界面，界面的交互操作考慮使用者的方便，大多采用直觀的圖形和菜單方式。

3 系統(tǒng)應(yīng)用

下面以圓－圓口變形接頭為例，簡要說明系統(tǒng)的應(yīng)用過程。

Step 1選擇構(gòu)件。選型界面（見圖6）通過工具欄或菜單觸發(fā)，每一類構(gòu)件設(shè)置為一個圖標(biāo)按鈕，用鼠標(biāo)左鍵單擊第一行左起第二個按鈕，即可選中圓－圓口變形接頭構(gòu)件。

Step 2輸入?yún)?shù)。構(gòu)件選型后出現(xiàn)相應(yīng)的輸入?yún)?shù)界面（見圖7），這里可直觀地在尺寸線上的數(shù)據(jù)框內(nèi)輸入?yún)?shù)值，確定構(gòu)件形狀和大小，同時還可以給出板料厚度和展開時的切開位置。

圖6 構(gòu)件選型界面

圖7 輸入?yún)?shù)界面

圖8 生成三維模型

Step 3按確定按鈕便生成構(gòu)件的三維模型（見圖8）。模型生成在UG 環(huán)境下，如需要可直接進(jìn)行編輯。

Step 4選擇要展開的曲面（見圖9）并確定展開素線的數(shù)目（見圖10）。對于多節(jié)管的場合，可選擇要展開哪一節(jié)管。

Step 5獲得展開圖（見圖11）并輸出展開數(shù)據(jù)。

圖9 選擇展開曲面

圖10 選擇素線數(shù)目

圖11 變形接頭的展開圖

4 結(jié) 束 語

鈑金制件在現(xiàn)代生產(chǎn)中有著越來越廣泛的應(yīng)用，對性能優(yōu)良、使用方便的計算機(jī)輔助鈑金設(shè)計系統(tǒng)有著越來越大的需求，但由于諸多原因，國內(nèi)這方面的工作還有著相當(dāng)大的研究和開發(fā)空間。本文在UG 平臺上經(jīng)過二次開發(fā)，實現(xiàn)了管類鈑金件參數(shù)化設(shè)計與展開的計算機(jī)輔助系統(tǒng)，其包含的構(gòu)件種類較多，參數(shù)化程度較高，功能全面，使用方便，具有很好的應(yīng)用價值。

[1] 喬立鵬. Solid Edge鈑金零件庫及其展開系統(tǒng)開發(fā)[J]. 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報, 2004, 9(3): 11-13.

[2] 廖 敏, 殷國富, 羅中先. 利用COM技術(shù)的鈑金件展開系統(tǒng)的開發(fā)[J]. 機(jī)械設(shè)計, 2004, 21(10): 31-37.

[3] 呂慶莉, 陳 樺. 鈑金展開系統(tǒng)的設(shè)計[J]. 陜西科技大學(xué)學(xué)報, 2005, 17(1): 10-15.

[4] Zimniak Z. Application of a system for sheet metal forming design [J]. Journal of Materials Processing Technology, 2000, 1-3(106): 159-162.

[5] 董正衛(wèi), 田立中, 付宜利. UG/OPEN API 編程基礎(chǔ)[M]. 北京: 清華大學(xué)出版社, 2002. 83-103.

[6] 毛 昕, 李曉橋. 鈑金展開技術(shù)與應(yīng)用實例[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2007. 93-96.