茹龍，章志兵，張希磊

應(yīng)用技術(shù)

基于CATIA的汽車(chē)覆蓋件修邊鑲塊自動(dòng)化設(shè)計(jì)輔助系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

茹龍，章志兵，張希磊

（華中科技大學(xué) 材料成形與模具技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430074）

基于CATIA平臺(tái)，開(kāi)發(fā)汽車(chē)覆蓋件修邊鑲塊自動(dòng)化設(shè)計(jì)輔助系統(tǒng)。對(duì)修邊鑲塊的設(shè)計(jì)流程進(jìn)行分析，先采用滾圓算法對(duì)修邊工藝線進(jìn)行光順前處理，再將修邊工藝線進(jìn)行類(lèi)型劃分，以矢量計(jì)算的方式獲取輪廓方向，開(kāi)發(fā)了基于無(wú)向加權(quán)圖的最小輪廓識(shí)別算法，以串并行結(jié)合的建模方案對(duì)鑲塊進(jìn)行自動(dòng)化建模。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了修邊鑲塊的自動(dòng)化設(shè)計(jì)，并可同步更新。系統(tǒng)集成修邊鑲塊的設(shè)計(jì)制作流程，顯著提高了設(shè)計(jì)效率，縮短了設(shè)計(jì)周期。

修邊鑲塊；類(lèi)型判斷；輪廓識(shí)別；參數(shù)化造型

汽車(chē)覆蓋件主要指覆蓋汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)和底盤(pán)、構(gòu)成駕駛室和車(chē)身的一些零件[1]，具有材料薄、曲面尺寸復(fù)雜、結(jié)構(gòu)形狀多變、表面質(zhì)量要求高等特點(diǎn)[2]，一般需要落料、沖孔、修邊、翻邊、整形等多道工序才能實(shí)現(xiàn)從毛坯到成品的成形過(guò)程。其中修邊工序是將沖壓件周?chē)蛢?nèi)部存在的工藝補(bǔ)充部分沖裁、剪切的沖壓工序，是保證汽車(chē)覆蓋件成形尺寸的重要工序[3]。

修邊鑲塊的設(shè)計(jì)與沖壓件的質(zhì)量密切相關(guān)，現(xiàn)階段，修邊鑲塊設(shè)計(jì)存在很多問(wèn)題，如修邊工藝線輪廓形狀復(fù)雜，鑲塊數(shù)量多，工作量大，造型困難，成品鑲塊修改調(diào)整繁瑣等。為了解決這些難題，需要開(kāi)發(fā)一套修邊鑲塊自動(dòng)化設(shè)計(jì)輔助系統(tǒng)，在保證系統(tǒng)穩(wěn)定性和高效性的同時(shí)，快速生成滿足實(shí)際工藝需求的修邊鑲塊模具實(shí)體，減少設(shè)計(jì)周期，提高設(shè)計(jì)效率，降低設(shè)計(jì)人員的工作量。

1 修邊鑲塊自動(dòng)化設(shè)計(jì)總體流程

整個(gè)修邊鑲塊設(shè)計(jì)流程以提供的工藝零件為基礎(chǔ)，首先通過(guò)工藝檢查模塊保證所需工藝元素的可靠性，其次構(gòu)建完整的工藝裝配結(jié)構(gòu)樹(shù)為模具設(shè)計(jì)做準(zhǔn)備，獲取鑲塊設(shè)計(jì)所需要的工藝型面、基準(zhǔn)坐標(biāo)系等定位基準(zhǔn)，再次獲取修邊工藝線等輸入元素，針對(duì)修邊工藝線不同的類(lèi)型，繪制鑲塊基礎(chǔ)輪廓，然后導(dǎo)入對(duì)應(yīng)的鑲塊模板并進(jìn)行工藝替換，針對(duì)不同的控制參數(shù)進(jìn)行修改，最后以布爾運(yùn)算的方式將修邊鑲塊的實(shí)體結(jié)合起來(lái)，生成整個(gè)修邊鑲塊模具。

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的主要功能有：① 快速讀取修邊工藝線，并自動(dòng)判斷類(lèi)型；②智能判斷鑲塊輪廓方向，繪制對(duì)應(yīng)的鑲塊輪廓；③基于圖論的輪廓快速識(shí)別；④導(dǎo)入對(duì)應(yīng)參數(shù)化模板，求解計(jì)算、優(yōu)化控制參數(shù)輸入，生成修邊鑲塊實(shí)體。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 修邊工藝線光順調(diào)整

修邊工藝線是修邊鑲塊的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。修邊工藝線一般由多條曲線通過(guò)接合命令生成，曲線輪廓不規(guī)則，自身曲率不均勻，起伏和波動(dòng)較大，生成的修邊鑲塊外輪廓存在凸起、銳變等缺陷，難以成功進(jìn)行偏置。為了解決上述問(wèn)題，對(duì)修邊工藝線進(jìn)行光順前處理，以生成曲率連續(xù)的修邊工藝線，便于實(shí)際模具的生產(chǎn)制造。

曲線的光順?biāo)惴ㄒ蕴瘴牡萚4]提出的滾圓算法為基礎(chǔ)，先對(duì)修邊工藝線采用等弦法，同時(shí)結(jié)合弦長(zhǎng)及曲率等因子作為輸入控制參數(shù)，將曲線進(jìn)行離散分段，以半徑為的圓如圖1所示在離散后的分段線進(jìn)行滾動(dòng)，圓周與離散線的接觸點(diǎn)形成了輪廓軌跡連線，稱為光順曲線，其中圓心的軌跡連線即為曲線偏置后的結(jié)果。對(duì)復(fù)雜曲線經(jīng)過(guò)滾圓算法光順處理后，既能夠很好地解決三維曲線的自相交、尖角缺陷等問(wèn)題，又能成功完成復(fù)雜曲線的偏置處理[5]。

2.2 修邊工藝線自動(dòng)識(shí)別

為了更好地滿足工藝和自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求，在鑲塊設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)添加了類(lèi)型自動(dòng)識(shí)別算法，對(duì)修邊工藝線進(jìn)行快速類(lèi)型劃分?；阼倝K結(jié)構(gòu)要求和工藝特點(diǎn)，修邊工藝線分為短半包凸型（A型）、基準(zhǔn)型（B型）、長(zhǎng)半包凸型（C型）、內(nèi)凹型（D型）、半凸半凹型（E型）和特殊矩形（F型），如圖2所示。在實(shí)際修邊鑲塊設(shè)計(jì)過(guò)程中，B型基準(zhǔn)鑲塊是修邊工藝中造型最簡(jiǎn)單，使用最普遍的類(lèi)型之一，也是其他類(lèi)型鑲塊的基礎(chǔ)造型。

圖1 滾圓算法

圖2 鑲塊輪廓

修邊線類(lèi)型劃分主要取決于修邊工藝線的狀態(tài)。區(qū)分F型鑲塊的方法是修邊工藝線拐點(diǎn)的數(shù)量。對(duì)于其余鑲塊類(lèi)型，其初始分類(lèi)依據(jù)為修邊線首尾連線所處的位置和連線與修邊工藝線的最大距離，具體類(lèi)型以首尾連線與端點(diǎn)處切線的夾角區(qū)分，整體算法流程見(jiàn)圖3。

圖3 類(lèi)型判斷

2.3 鑲塊輪廓方向判斷

修邊工藝線是產(chǎn)品面和廢料面的分割線，其中上模分布在廢料面上，下模和壓料板分布在產(chǎn)品面上，如圖4所示。修邊鑲塊輪廓分為投影輪廓和繪制輪廓，投影輪廓由修邊工藝線直接投影生成，繪制輪廓均為直線輪廓。其中，繪制輪廓的關(guān)鍵是側(cè)向基準(zhǔn)線方向，除C型鑲塊以外，其余類(lèi)型的鑲塊都需以B型鑲塊為基準(zhǔn)，計(jì)算出如圖2所示的側(cè)向基準(zhǔn)線方向，然后按照工藝規(guī)則依次計(jì)算出輪廓點(diǎn)的正確坐標(biāo)。

圖4 鑲塊結(jié)構(gòu)

曲線具有固有的方向?qū)傩?，以離散直線指向的方向?yàn)榕袛嘁罁?jù)，即可判斷出該曲線的旋轉(zhuǎn)方向。對(duì)每條修邊工藝線進(jìn)行離散，獲取一定數(shù)量的離散點(diǎn)，獲取該點(diǎn)在修邊線上的垂線方向，以廢料面為判斷基準(zhǔn)，實(shí)線箭頭的方向?yàn)橹赶驈U料面的方向。若廢料面在曲線的左側(cè)，則修邊工藝線標(biāo)記為1，反之標(biāo)記為?1，即形式一和形式四的標(biāo)記為1，形式二和形式三的標(biāo)記為?1，如圖5所示。

圖5 曲線定義性質(zhì)

對(duì)于上模鑲塊而言，側(cè)向基準(zhǔn)線方向指向廢料面，在下模和壓料板中，該方向指向產(chǎn)品面。以矢量的Z值為判斷基準(zhǔn)，若Z值大于0則為1，反之則為?1，與修邊線的標(biāo)記相比較，如果是上模方向，則該值應(yīng)該與修邊線的初始標(biāo)記相同，否則應(yīng)該取相反方向，如圖6所示。

2.4 鑲塊輪廓獲取

經(jīng)過(guò)初始篩選后的修邊鑲塊輪廓已經(jīng)能夠滿足基本工藝需求，然而在某些特殊情況下，輪廓繪制方法需要經(jīng)過(guò)人工調(diào)整，人為編輯位于修邊工藝線上的分刀點(diǎn)位置，減少或者增加鑲塊的數(shù)量等，因此系統(tǒng)需要獲取調(diào)整后的修邊鑲塊輪廓。

傳統(tǒng)方案主要是針對(duì)所有輪廓，手動(dòng)選擇標(biāo)記，進(jìn)行分類(lèi)區(qū)分，然而由于輪廓線數(shù)量眾多，結(jié)構(gòu)關(guān)系復(fù)雜，還可能存在工藝線重復(fù)、斷開(kāi)等問(wèn)題，依賴于人工的方式準(zhǔn)確性不高且易出錯(cuò)。在修邊鑲塊自動(dòng)化設(shè)計(jì)輔助系統(tǒng)中，CATIA的Sketch特征保存了完整的鑲塊輪廓信息，通過(guò)Sketch接口可以獲取到所有的特征邊和特征點(diǎn)。系統(tǒng)的核心設(shè)計(jì)理念是以每條修邊工藝線為主的單獨(dú)模塊化設(shè)計(jì)，所以需要找到每條修邊工藝線對(duì)應(yīng)鑲塊輪廓。

修邊鑲塊輪廓是由多條特征線首尾相連組成的封閉輪廓線，獲取修邊工藝線對(duì)應(yīng)的輪廓線關(guān)鍵在于獲取一系列連通的輪廓點(diǎn)，所以獲取最小輪廓，本質(zhì)上可以抽象為在一個(gè)帶權(quán)的無(wú)向圖中，獲取輪廓路徑權(quán)值和最小的環(huán)。將所有輪廓線端點(diǎn)抽象為圖的頂點(diǎn)，輪廓線抽象為圖的邊，輪廓線的長(zhǎng)度抽象為邊的權(quán)值，使用無(wú)向加權(quán)圖即可模擬整個(gè)鑲塊草圖，如圖7所示。

圖7 無(wú)向加權(quán)圖

構(gòu)建圖的表示方法一般分為鄰接矩陣和鄰接鏈表兩種[6—7]。圖是由頂點(diǎn)元素集（Vertex）和邊集（Edge）定義構(gòu)成的二元關(guān)系組，即=(,)。圖中的每一條邊=(1,2)，其中1,2∈，當(dāng)且僅當(dāng)兩頂點(diǎn)構(gòu)成的邊∈時(shí)，標(biāo)記為頂點(diǎn)1和2聯(lián)通。算法的主要流程為從任意一個(gè)節(jié)點(diǎn)出發(fā)，獲取包含該頂點(diǎn)的最小權(quán)值輪廓路徑。沿邊界路徑搜索時(shí)，容易出現(xiàn)邊界輪廓重復(fù)訪問(wèn)或者遺漏，為了避免重復(fù)搜索，使用和邊數(shù)目相同的數(shù)組作為路徑的訪問(wèn)標(biāo)志位，對(duì)已訪問(wèn)和未訪問(wèn)的邊界進(jìn)行標(biāo)識(shí)。整個(gè)算法以廣度優(yōu)先搜索方式進(jìn)行，以迪杰斯特拉算法為基礎(chǔ)，選擇可達(dá)的相鄰頂點(diǎn)后，記錄源節(jié)點(diǎn)到當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的路徑總和，并且更新父節(jié)點(diǎn)數(shù)組。因?yàn)檩喞獔D中所有邊的權(quán)值均為正數(shù)，所以權(quán)值的變化趨勢(shì)一定是增大，將全局權(quán)重與當(dāng)前權(quán)重進(jìn)行判斷，及時(shí)舍棄權(quán)值相對(duì)較大的輪廓，減少迭代次數(shù)。通過(guò)父節(jié)點(diǎn)數(shù)組，以遞歸的方式獲取輪廓序號(hào)，逐步找到所有的最小封閉輪廓，最后根據(jù)頂點(diǎn)序號(hào)進(jìn)行排序去重，將節(jié)點(diǎn)還原為對(duì)應(yīng)的特征邊輪廓，總體輪廓識(shí)別算法流程見(jiàn)圖8。

圖8 輪廓識(shí)別流程

2.5 鑲塊自動(dòng)化建模

基于CAD的造型方法主要分為兩大類(lèi)：串行法和并行法[8—10]。鑲塊建模中使用串行法，類(lèi)似從起點(diǎn)到終點(diǎn)只有一條支路，從最初的基準(zhǔn)面和定位坐標(biāo)系獲取，到修邊工藝線的導(dǎo)入以及輪廓繪制，再到波浪刀、安裝面生成等，一步一步生成中間特征，最后創(chuàng)建三維實(shí)體。整個(gè)建模過(guò)程邏輯性強(qiáng)，思路清晰，易于設(shè)計(jì)，但是造型過(guò)程需要考慮正確的順序，設(shè)計(jì)流程耦合性強(qiáng)，難以修改調(diào)整。鑲塊建模中使用并行法，類(lèi)似起點(diǎn)到終點(diǎn)擁有多條支路，每條支路由單獨(dú)模塊構(gòu)成，各個(gè)支路獨(dú)立建模，最后通過(guò)布爾運(yùn)算將所有的模塊關(guān)聯(lián)起來(lái)。每個(gè)模塊造型簡(jiǎn)單，更新迅速，模塊功能劃分單一，方便查找錯(cuò)誤，耦合性較低，但是并行法的缺點(diǎn)也很明顯，通用化的模板設(shè)計(jì)困難，復(fù)雜模型的分解難度大，對(duì)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)要求較高，最終三維實(shí)體結(jié)果需要進(jìn)行復(fù)雜布爾運(yùn)算，布爾運(yùn)算失敗概率大，需要人工干涉。

綜合以上優(yōu)缺點(diǎn)，修邊鑲塊設(shè)計(jì)采用串并行相結(jié)合的設(shè)計(jì)方案，先對(duì)整個(gè)修邊鑲塊按照功能上的需要進(jìn)行模塊劃分，劃分為鑲塊主體、波浪刃口模塊，安裝面模塊、到底筋模塊等，模塊內(nèi)部明晰建模流程，采用串行化建模，最后將各個(gè)模塊組合起來(lái)，完成整體修邊鑲塊建模。

3 應(yīng)用實(shí)例

某汽車(chē)覆蓋件零件數(shù)模如圖9，其中以藍(lán)色修邊工藝線為代表，在CATIA平臺(tái)上進(jìn)行修邊鑲塊設(shè)計(jì)，并進(jìn)行應(yīng)用分析。

圖9 某覆蓋件修邊工藝數(shù)模

該系統(tǒng)使用時(shí)，自動(dòng)導(dǎo)入修邊工藝線并判斷類(lèi)型，因?yàn)樯夏?、下模和壓料板判斷流程基本一致，所以僅以上模類(lèi)型進(jìn)行分析。1#修邊工藝線上模類(lèi)型為C型，2#修邊工藝線上模類(lèi)型為分刀C型，3#修邊工藝線為分刀F型。繪制的鑲塊輪廓草圖如圖10a所示，白色的線為鑲塊輪廓線，帶顏色的線為螺釘、銷(xiāo)釘和定位銷(xiāo)外輪廓，可以在草圖中輪廓直接進(jìn)行人工干涉調(diào)整。輪廓繪制完成后，可以調(diào)整鑲塊控制參數(shù)，智能調(diào)用參數(shù)化模板，最后生成對(duì)應(yīng)的修邊鑲塊零件結(jié)果如圖10b—c，該系統(tǒng)與傳統(tǒng)建模方式的比較見(jiàn)表1。

圖10 修邊鑲塊設(shè)計(jì)結(jié)果

表1 效率比較

Tab.1 Comparison of efficiencies

4 結(jié)語(yǔ)

重點(diǎn)研究了汽車(chē)覆蓋件模具的修邊鑲塊自動(dòng)化設(shè)計(jì)方案?；贑ATIA平臺(tái)下的CAA二次開(kāi)發(fā)技術(shù)，開(kāi)發(fā)了完整的修邊鑲塊設(shè)計(jì)自動(dòng)化輔助工具，集成了修邊線光順調(diào)整、快速類(lèi)型判斷、智能輪廓繪制、標(biāo)準(zhǔn)模板造型、快速裝配等功能，有效解決了人工設(shè)計(jì)中復(fù)雜曲線光順偏置困難、效率低等問(wèn)題。該系統(tǒng)對(duì)于提高修邊鑲塊設(shè)計(jì)效率，縮短設(shè)計(jì)周期具有重要的意義。

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Development of Automated Design Auxiliary System for Auto Panel Trimming Block Based on CATIA

RU Long, ZHANG Zhi-bing, ZHANG Xi-lei

(State Key Laboratory of Material Forming and Mould Technology, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China)

The paper aims to develop an auxiliary system for the automatic design of automotive panel trimming inserts based on the CATIA platform. The design process of trimming inserts was analyzed. First, the spheronization algorithm was used to smooth the trimming process line, and then the trimming process line was divided based on types, and the outline direction was obtained byvector calculation. The minimum contour recognition algorithm of the weighted graph uses the serial and parallel modeling scheme to automate the modeling of the inserts. The system has realized the automatic design of trimming inserts and can be updated simultaneously. The design and production process of system integrated trimming inserts significantly improves the design efficiency and shortens the design cycle.

trimming inserts; type judgment; contour recognition; parametric modeling

10.3969/j.issn.1674-6457.2021.03.022

TG386.3

A

1674-6457(2021)03-0167-05

2021-03-02

國(guó)家自然科學(xué)基金（51805181）

茹龍（1996—），男，碩士生，主要研究方向?yàn)槠?chē)覆蓋件CAD開(kāi)發(fā)。

章志兵（1978—），男，博士，副教授，主要研究方向?yàn)榘辶铣尚畏抡婕澳＞呓Y(jié)構(gòu)自動(dòng)化設(shè)計(jì)。