鈑金零件的特征設(shè)計
http://m.dcyhziu.cn 2007/6/26 源自:中華職工學(xué)習(xí)網(wǎng) 【字體：
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鈑金零件是一種被廣泛應(yīng)用于機(jī)電、輕工、汽車等行業(yè)的零件，過去傳統(tǒng)的生產(chǎn)方法，由于周期長、效率低、質(zhì)量差等缺點(diǎn)已經(jīng)越來越不適應(yīng)現(xiàn)代的設(shè)計要求。因此，在微機(jī)上開發(fā)鈑金件CAD系統(tǒng)是非常有意義的。
0 引言
鈑金零件是一種被廣泛應(yīng)用于機(jī)電、輕工、汽車等行業(yè)的零件，過去傳統(tǒng)的生產(chǎn)方法，由于周期長、效率低、質(zhì)量差等缺點(diǎn)已經(jīng)越來越不適應(yīng)現(xiàn)代的設(shè)計要求，為了克服這些弊端，人們開發(fā)出一些先進(jìn)的CAD系統(tǒng)，如Parametric Technolog公司的Pro/SHEETMETAL、Integraph公司FlatPatternand Nesting等，這些專門的鈑金零件設(shè)計系統(tǒng)，雖然功能十分強(qiáng)大，但是由于大多運(yùn)行在工作站上，無論軟件還是硬件都顯得很昂貴，因此，在微機(jī)上開發(fā)鈑金件CAD系統(tǒng)是非常有意義的。
1鈑金件特點(diǎn)和造型要求
1.1鈑金零件的特點(diǎn)鈑金零件一般可分為三類：
（1）平板類指一般的平面沖裁件。（2）彎曲類由彎曲或彎曲加簡單成形構(gòu)成的零件。（３）成形類由拉伸等成形方法加工而成的規(guī)則曲面類或自由曲面類零件。這些零件都是由平板毛坯經(jīng)沖切及變形等沖壓方式而加工出來的，它們與一般機(jī)加工方式加工出來的零件存在著很大差別。在沖壓加工方式中，彎曲變形是使鈑金零件產(chǎn)生復(fù)雜空間位置關(guān)系的主要加工方式。而其它加工方法一般只是在平板上產(chǎn)生凸起或凹陷以及缺口、孔和邊緣等形狀。這一特點(diǎn)是在建立鈑金零件造型系統(tǒng)時所必須注意的。
1.2鈑金零件產(chǎn)品造型要求在模具設(shè)計過程中，鈑金零件的形狀是模具設(shè)計的主要依據(jù)，它決定了模具的總體結(jié)構(gòu)和形狀。而鈑金零件的尺寸公差則影響著模具工作部分（如凸凹模等）形狀的尺寸及公差。另外，鈑金零件的材料、形位公差及技術(shù)要求等對模具的工作部件有較大的影響。因此，鈑金零件模型除應(yīng)包含形狀信息外，還必須包含零件的尺寸公差、精度、材料以及技術(shù)要求等信息，這樣才能保證模具設(shè)計結(jié)果的準(zhǔn)確性。鈑金零件模型是后續(xù)模具設(shè)計應(yīng)用程序所需各種信息的載體，這就要求零件模型能夠反映出鈑金零件的特點(diǎn)，具體地說就是要反映出鈑金零件的工程語義，使模具設(shè)計應(yīng)用程序可以理解方便地提取出所需要的信息。另一方面，３維鈑金零件一般具有復(fù)雜的空間位置關(guān)系，只有根據(jù)鈑金零件的形狀特點(diǎn)進(jìn)行構(gòu)造，才可能簡化用戶操作。
2鈑金件特征設(shè)計
2.1現(xiàn)有鈑金造型方法
目前，已有針對鈑金零件特點(diǎn)而提出來的幾何造型方法，主要有2D鈑金零件的幾何造型和３D鈑金零件的幾何造型。前者包括編碼法、面素拼合法和交互尺寸輸入法等；后者有彎曲變換拼合法、體素拼合法等方法。上述所有造型方法存在的共同缺點(diǎn)是當(dāng)定義出錯時，修改非常麻煩，甚至可能需要重新輸入。所建立的零件模型，包含的信息也不完備，特別是缺少有關(guān)工程語義信息。當(dāng)零件復(fù)雜時，造型過程也非常繁瑣。
2.2鈑金件特征描述
通過以上對鈑金零件特點(diǎn)以及零件模型要求的分析，以及對現(xiàn)有的幾種鈑金零件的幾何造型方法的介紹，可以看到，要建立一個既反映鈑金零件特點(diǎn)又能滿足CAD燉CAM系統(tǒng)要求的鈑金零件模型，采用特征造型技術(shù)是一個有效的辦法。它除了能提供鈑金零件的完整的信息模型外，而且還可以較好地解決現(xiàn)有一些幾何造型方法所存在的問題。目前一些商用的造型系統(tǒng)如Pro/ Engineering等都是采用特征造型方法來建立模型進(jìn)行零件的表達(dá)。
特征是產(chǎn)品描述信息的集合，它不僅具有按一定拓?fù)潢P(guān)系組成的特定形狀，而且反映特定的工程語義，適宜在設(shè)計、分析和制造中使用。特征是實(shí)現(xiàn)CAD/CAPP/CAM集成的關(guān)鍵。特征可以分為：形狀特征、精度特征、材料特征等，其中形狀特征是關(guān)鍵，是其它特征的載體或基體，也是實(shí)現(xiàn)參數(shù)化特征造型的核心，它可以定義為具有一定工程意義的幾何形體或?qū)嶓w。零件的結(jié)構(gòu)與形狀是產(chǎn)品定義的主要內(nèi)容之一，如何用形狀特征及其相互關(guān)系來描述一個產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)與形狀，是特征建模的首要問題，每個鈑金零件都可以分解為一個或多個形狀特征，顯而易見，從特征構(gòu)型的角度來看，鈑金件是由一系列特征構(gòu)成，它們之間的相互聯(lián)系便構(gòu)成一個完整的零件。根據(jù)鈑金件特點(diǎn)，可以歸納出如下特征：
（1）平面特征構(gòu)成零件的平面形狀，是零件的基本部分，是連接彎曲的部分，也是局部成形和沖孔的母體。平面特征的幾何形狀由一個圖形元素（直線、圓弧等）鏈loop來表示。
（2）彎曲特征它是由彎曲加工工序產(chǎn)生的形狀，這里以簡單彎曲特征為例，即由圓柱面表示的彎曲區(qū)。彎曲特征由組成該特征的幾何元素和彎曲屬性來表示。其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為：
typedefstructbend
｛
doublebang；
doublebrad；
doublebwidth；
……
｝BEND
（3）孔特征它作為一般子特征而依附于其它特征，如在平面或彎曲特征上沖孔。孔的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與平面特征基本相同。
（4）局部成形特征由局部成形工序在沖壓件上產(chǎn)生的形狀。通常它的形狀固定，尺寸不同，因此可以用參數(shù)來表達(dá)。
（5）用戶自定義特征由于鈑金件種類繁多，往往會用到一些新的特征，因此特征建模系統(tǒng)有必要為用戶提供自定義的手段。
其中，鈑金件是以平面和彎曲面為主特征，而沖孔和局部成形特征作為主特征的附屬特征來描述。每個平面特征可以與多個彎曲特征相連，而每個彎曲特征只能在兩端與兩個平面特征相連，根據(jù)特征在鈑金件展開中的作用，每個鈑金件都定義了一個基準(zhǔn)特征，通過主特征之間的關(guān)系，可將零件按多*特征樹形式分解（圖1a），該特征樹的根就是基準(zhǔn)形狀特征，由于多*樹（圖1b）的操作處理比較麻煩，因而以二*樹（圖1c）的形式表達(dá)和處理多*樹。
2.3特征信息描述
現(xiàn)狀特征不僅是低層次設(shè)計信息的抽象，而且是其它非幾何特征信息的載體，因此是產(chǎn)品信息模型中最重要的部分。目前，還沒有一種關(guān)于特征的廣為人們接受的定義及其描述方法。人工輔助特征識別是將特征的識別和映射任務(wù)交給人來完成，自動化程度低；特征自動識別算法復(fù)雜，至今只對簡單形狀的識別比較有效。更合理的方法是使設(shè)計人能夠按形狀來建立模型并儲存其信息，而不是事后識別形狀特征。因此，本文進(jìn)行基于特征設(shè)計方法的研究，提出特征描述方法，該方法根據(jù)集成化制造系統(tǒng)的要求，統(tǒng)一規(guī)劃產(chǎn)品描述的多級抽象結(jié)構(gòu)，以提高系統(tǒng)的時間效率和空間效率。
形狀特征的描述分為三層。頂層是特征關(guān)系樹，它描述產(chǎn)品的總體形狀如何由各特征元素組成，特征間的關(guān)系用連接來表達(dá)，如鄰接關(guān)系反應(yīng)了特征間的連接關(guān)系，父子關(guān)系反應(yīng)了特征的從屬關(guān)系。特征關(guān)系樹將物體分解成低級元素，并顯示表達(dá)特征間的相互關(guān)系和相互作用，這種分解給產(chǎn)品模型增加一定程度的智能，給用戶提供了符合人們思維形式的高級環(huán)境。第二層是每個形狀特征的定義，包括工程關(guān)鍵詞和有關(guān)參數(shù)，各基本特征的參數(shù)表描述了各特征元素的屬性參數(shù)，如彎曲角的特征參數(shù)是彎曲角度和半徑，這是一種隱式表達(dá)數(shù)據(jù)實(shí)體的方法，它將形狀信息參數(shù)化地而不是幾何地組織進(jìn)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，相對來說，隱式表達(dá)更易為應(yīng)用操作所控制和利用。第三層是簡化對稱邊界圖，它描述組成物體的面、邊、點(diǎn)及其相互關(guān)系，面的存在為精度特征的描述提供了依據(jù)，而且在計算機(jī)繪圖等應(yīng)用中，也需要產(chǎn)品的拓?fù)浜蛶缀螖?shù)據(jù)。
由于形狀特征的建模既具備高層次的形狀特征信息，又具備對形狀特征進(jìn)行分解產(chǎn)生的低層次幾何要素信息。因此，精度特征和材料特征表達(dá)所依據(jù)的形狀信息是完備的，可以分別精度特征和材料特征的描述框架，然后通過指針與形狀特征聯(lián)成網(wǎng)絡(luò)。
2.4特征造型的實(shí)現(xiàn)
在本文中，選用AutoCAD作為特征造型建立鈑金零件產(chǎn)品模型的設(shè)計平臺，并且引進(jìn)參數(shù)化技術(shù)，特征具有參數(shù)化的性質(zhì)，其屬性以參數(shù)的形式來表達(dá)。設(shè)計師預(yù)先建立特征庫，其中包含常用鈑金零件的特征，如平板、孔以及各種形式的槽等，設(shè)計是首先輸入零件的總體信息，選擇特征庫中基體類特征，生成基體特征，以此為基礎(chǔ)，進(jìn)行特征裝配造型。然后循環(huán)從特征庫中選擇所需要的特征，通過特征參數(shù)表和定位參數(shù)表給出特征參數(shù)和定位參數(shù)，并進(jìn)行特征裝配，建立形狀特征模型。最后輸入其它特征信息，建立產(chǎn)品特征模型。
3結(jié)論
利用這種思想建立的特征零件模型具有以下特點(diǎn)：（1）集成性特征造型系統(tǒng)為下游應(yīng)用的各環(huán)節(jié)提供了一個具有幾何、屬性和知識的信息完備的產(chǎn)品模型，從而為CAD、CAPP和CAM各應(yīng)用模塊的集成提供了實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)。（2）表達(dá)信息的豐富性相對于幾何造型軟件，基于特征建模提供了一種更自然方便表達(dá)設(shè)計者意圖的方法，允許設(shè)計者直接用工程術(shù)語描述零件。（3）信息描述的多層次性產(chǎn)品模型既有高層次的特征參數(shù)和特征關(guān)系，又有低層次的幾何拓?fù)湓兀环矫鏋楹罄m(xù)的特征評價提供了高層次的語義信息，另一方面為尺寸和精度特征的表示提供了依據(jù)實(shí)體。
0 引言
鈑金零件是一種被廣泛應(yīng)用于機(jī)電、輕工、汽車等行業(yè)的零件，過去傳統(tǒng)的生產(chǎn)方法，由于周期長、效率低、質(zhì)量差等缺點(diǎn)已經(jīng)越來越不適應(yīng)現(xiàn)代的設(shè)計要求，為了克服這些弊端，人們開發(fā)出一些先進(jìn)的CAD系統(tǒng)，如Parametric Technolog公司的Pro/SHEETMETAL、Integraph公司FlatPatternand Nesting等，這些專門的鈑金零件設(shè)計系統(tǒng)，雖然功能十分強(qiáng)大，但是由于大多運(yùn)行在工作站上，無論軟件還是硬件都顯得很昂貴，因此，在微機(jī)上開發(fā)鈑金件CAD系統(tǒng)是非常有意義的。
1鈑金件特點(diǎn)和造型要求
1.1鈑金零件的特點(diǎn)鈑金零件一般可分為三類：
（1）平板類指一般的平面沖裁件。（2）彎曲類由彎曲或彎曲加簡單成形構(gòu)成的零件。（３）成形類由拉伸等成形方法加工而成的規(guī)則曲面類或自由曲面類零件。這些零件都是由平板毛坯經(jīng)沖切及變形等沖壓方式而加工出來的，它們與一般機(jī)加工方式加工出來的零件存在著很大差別。在沖壓加工方式中，彎曲變形是使鈑金零件產(chǎn)生復(fù)雜空間位置關(guān)系的主要加工方式。而其它加工方法一般只是在平板上產(chǎn)生凸起或凹陷以及缺口、孔和邊緣等形狀。這一特點(diǎn)是在建立鈑金零件造型系統(tǒng)時所必須注意的。
1.2鈑金零件產(chǎn)品造型要求在模具設(shè)計過程中，鈑金零件的形狀是模具設(shè)計的主要依據(jù)，它決定了模具的總體結(jié)構(gòu)和形狀。而鈑金零件的尺寸公差則影響著模具工作部分（如凸凹模等）形狀的尺寸及公差。另外，鈑金零件的材料、形位公差及技術(shù)要求等對模具的工作部件有較大的影響。因此，鈑金零件模型除應(yīng)包含形狀信息外，還必須包含零件的尺寸公差、精度、材料以及技術(shù)要求等信息，這樣才能保證模具設(shè)計結(jié)果的準(zhǔn)確性。鈑金零件模型是后續(xù)模具設(shè)計應(yīng)用程序所需各種信息的載體，這就要求零件模型能夠反映出鈑金零件的特點(diǎn)，具體地說就是要反映出鈑金零件的工程語義，使模具設(shè)計應(yīng)用程序可以理解方便地提取出所需要的信息。另一方面，３維鈑金零件一般具有復(fù)雜的空間位置關(guān)系，只有根據(jù)鈑金零件的形狀特點(diǎn)進(jìn)行構(gòu)造，才可能簡化用戶操作。
2鈑金件特征設(shè)計
2.1現(xiàn)有鈑金造型方法
目前，已有針對鈑金零件特點(diǎn)而提出來的幾何造型方法，主要有2D鈑金零件的幾何造型和３D鈑金零件的幾何造型。前者包括編碼法、面素拼合法和交互尺寸輸入法等；后者有彎曲變換拼合法、體素拼合法等方法。上述所有造型方法存在的共同缺點(diǎn)是當(dāng)定義出錯時，修改非常麻煩，甚至可能需要重新輸入。所建立的零件模型，包含的信息也不完備，特別是缺少有關(guān)工程語義信息。當(dāng)零件復(fù)雜時，造型過程也非常繁瑣。
2.2鈑金件特征描述
通過以上對鈑金零件特點(diǎn)以及零件模型要求的分析，以及對現(xiàn)有的幾種鈑金零件的幾何造型方法的介紹，可以看到，要建立一個既反映鈑金零件特點(diǎn)又能滿足CAD燉CAM系統(tǒng)要求的鈑金零件模型，采用特征造型技術(shù)是一個有效的辦法。它除了能提供鈑金零件的完整的信息模型外，而且還可以較好地解決現(xiàn)有一些幾何造型方法所存在的問題。目前一些商用的造型系統(tǒng)如Pro/ Engineering等都是采用特征造型方法來建立模型進(jìn)行零件的表達(dá)。
特征是產(chǎn)品描述信息的集合，它不僅具有按一定拓?fù)潢P(guān)系組成的特定形狀，而且反映特定的工程語義，適宜在設(shè)計、分析和制造中使用。特征是實(shí)現(xiàn)CAD/CAPP/CAM集成的關(guān)鍵。特征可以分為：形狀特征、精度特征、材料特征等，其中形狀特征是關(guān)鍵，是其它特征的載體或基體，也是實(shí)現(xiàn)參數(shù)化特征造型的核心，它可以定義為具有一定工程意義的幾何形體或?qū)嶓w。零件的結(jié)構(gòu)與形狀是產(chǎn)品定義的主要內(nèi)容之一，如何用形狀特征及其相互關(guān)系來描述一個產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)與形狀，是特征建模的首要問題，每個鈑金零件都可以分解為一個或多個形狀特征，顯而易見，從特征構(gòu)型的角度來看，鈑金件是由一系列特征構(gòu)成，它們之間的相互聯(lián)系便構(gòu)成一個完整的零件。根據(jù)鈑金件特點(diǎn)，可以歸納出如下特征：
（1）平面特征構(gòu)成零件的平面形狀，是零件的基本部分，是連接彎曲的部分，也是局部成形和沖孔的母體。平面特征的幾何形狀由一個圖形元素（直線、圓弧等）鏈loop來表示。
（2）彎曲特征它是由彎曲加工工序產(chǎn)生的形狀，這里以簡單彎曲特征為例，即由圓柱面表示的彎曲區(qū)。彎曲特征由組成該特征的幾何元素和彎曲屬性來表示。其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為：
typedefstructbend
｛
doublebang；
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……
｝BEND
（3）孔特征它作為一般子特征而依附于其它特征，如在平面或彎曲特征上沖孔。孔的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與平面特征基本相同。
（4）局部成形特征由局部成形工序在沖壓件上產(chǎn)生的形狀。通常它的形狀固定，尺寸不同，因此可以用參數(shù)來表達(dá)。
（5）用戶自定義特征由于鈑金件種類繁多，往往會用到一些新的特征，因此特征建模系統(tǒng)有必要為用戶提供自定義的手段。
其中，鈑金件是以平面和彎曲面為主特征，而沖孔和局部成形特征作為主特征的附屬特征來描述。每個平面特征可以與多個彎曲特征相連，而每個彎曲特征只能在兩端與兩個平面特征相連，根據(jù)特征在鈑金件展開中的作用，每個鈑金件都定義了一個基準(zhǔn)特征，通過主特征之間的關(guān)系，可將零件按多*特征樹形式分解（圖1a），該特征樹的根就是基準(zhǔn)形狀特征，由于多*樹（圖1b）的操作處理比較麻煩，因而以二*樹（圖1c）的形式表達(dá)和處理多*樹。
2.3特征信息描述
現(xiàn)狀特征不僅是低層次設(shè)計信息的抽象，而且是其它非幾何特征信息的載體，因此是產(chǎn)品信息模型中最重要的部分。目前，還沒有一種關(guān)于特征的廣為人們接受的定義及其描述方法。人工輔助特征識別是將特征的識別和映射任務(wù)交給人來完成，自動化程度低；特征自動識別算法復(fù)雜，至今只對簡單形狀的識別比較有效。更合理的方法是使設(shè)計人能夠按形狀來建立模型并儲存其信息，而不是事后識別形狀特征。因此，本文進(jìn)行基于特征設(shè)計方法的研究，提出特征描述方法，該方法根據(jù)集成化制造系統(tǒng)的要求，統(tǒng)一規(guī)劃產(chǎn)品描述的多級抽象結(jié)構(gòu)，以提高系統(tǒng)的時間效率和空間效率。
形狀特征的描述分為三層。頂層是特征關(guān)系樹，它描述產(chǎn)品的總體形狀如何由各特征元素組成，特征間的關(guān)系用連接來表達(dá)，如鄰接關(guān)系反應(yīng)了特征間的連接關(guān)系，父子關(guān)系反應(yīng)了特征的從屬關(guān)系。特征關(guān)系樹將物體分解成低級元素，并顯示表達(dá)特征間的相互關(guān)系和相互作用，這種分解給產(chǎn)品模型增加一定程度的智能，給用戶提供了符合人們思維形式的高級環(huán)境。第二層是每個形狀特征的定義，包括工程關(guān)鍵詞和有關(guān)參數(shù)，各基本特征的參數(shù)表描述了各特征元素的屬性參數(shù)，如彎曲角的特征參數(shù)是彎曲角度和半徑，這是一種隱式表達(dá)數(shù)據(jù)實(shí)體的方法，它將形狀信息參數(shù)化地而不是幾何地組織進(jìn)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，相對來說，隱式表達(dá)更易為應(yīng)用操作所控制和利用。第三層是簡化對稱邊界圖，它描述組成物體的面、邊、點(diǎn)及其相互關(guān)系，面的存在為精度特征的描述提供了依據(jù)，而且在計算機(jī)繪圖等應(yīng)用中，也需要產(chǎn)品的拓?fù)浜蛶缀螖?shù)據(jù)。
由于形狀特征的建模既具備高層次的形狀特征信息，又具備對形狀特征進(jìn)行分解產(chǎn)生的低層次幾何要素信息。因此，精度特征和材料特征表達(dá)所依據(jù)的形狀信息是完備的，可以分別精度特征和材料特征的描述框架，然后通過指針與形狀特征聯(lián)成網(wǎng)絡(luò)。
2.4特征造型的實(shí)現(xiàn)
在本文中，選用AutoCAD作為特征造型建立鈑金零件產(chǎn)品模型的設(shè)計平臺，并且引進(jìn)參數(shù)化技術(shù)，特征具有參數(shù)化的性質(zhì)，其屬性以參數(shù)的形式來表達(dá)。設(shè)計師預(yù)先建立特征庫，其中包含常用鈑金零件的特征，如平板、孔以及各種形式的槽等，設(shè)計是首先輸入零件的總體信息，選擇特征庫中基體類特征，生成基體特征，以此為基礎(chǔ)，進(jìn)行特征裝配造型。然后循環(huán)從特征庫中選擇所需要的特征，通過特征參數(shù)表和定位參數(shù)表給出特征參數(shù)和定位參數(shù)，并進(jìn)行特征裝配，建立形狀特征模型。最后輸入其它特征信息，建立產(chǎn)品特征模型。
3結(jié)論
利用這種思想建立的特征零件模型具有以下特點(diǎn)：（1）集成性特征造型系統(tǒng)為下游應(yīng)用的各環(huán)節(jié)提供了一個具有幾何、屬性和知識的信息完備的產(chǎn)品模型，從而為CAD、CAPP和CAM各應(yīng)用模塊的集成提供了實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)。（2）表達(dá)信息的豐富性相對于幾何造型軟件，基于特征建模提供了一種更自然方便表達(dá)設(shè)計者意圖的方法，允許設(shè)計者直接用工程術(shù)語描述零件。（3）信息描述的多層次性產(chǎn)品模型既有高層次的特征參數(shù)和特征關(guān)系，又有低層次的幾何拓?fù)湓兀环矫鏋楹罄m(xù)的特征評價提供了高層次的語義信息，另一方面為尺寸和精度特征的表示提供了依據(jù)實(shí)體。
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