基于三維軟件的鈑金CAPP系統(tǒng)

中北大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院 王拴繪 李夢(mèng)群

1.引言

現(xiàn)有的三維軟件，例如Pro/E、UG、Solidworks、CATIA都具有鈑金模塊，但只能實(shí)現(xiàn)一些簡單鈑金件的展開，現(xiàn)階段相關(guān)的研究也只完成了鈑金的部分工藝，例如華中科技大學(xué)郝明等人利用自主研制的FASTAMP求解器，以Pro/E為平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜鈑金件的展開；南京航空航天大學(xué)洪晴等人以CATIA為平臺(tái)通過Automation及CAA二次開發(fā)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了飛機(jī)復(fù)雜鈑金件的展開；華中科技大學(xué)秦宇等人在Solidworks平臺(tái)上，開發(fā)了一套面向沖壓工藝的坯料展開模擬系統(tǒng)SW-BEX。因此開發(fā)出一套基于三維軟件的鈑金CAPP系統(tǒng)用來滿足企業(yè)的需求是有必要的。

2.鈑金CAPP系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

將現(xiàn)有三維軟件(Pro/E、CATIA、Solidworks)和二維CAPP系統(tǒng)相結(jié)合，系統(tǒng)允許用戶基于三維軟件的三維鈑金模型輸入和編輯工藝信息，并將完成的鈑金工藝設(shè)計(jì)以表格的形式輸出到CAPPFramework。工藝表格與三維模型的設(shè)計(jì)參數(shù)相關(guān)聯(lián)，并能自動(dòng)地動(dòng)態(tài)刷新。應(yīng)用三維軟件自帶的API函數(shù)對(duì)三維軟件二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜鈑金件的展開和展開件的排樣，并且在三維軟件中建立鈑金件特征信息交互窗口，完成三維軟件和二維CAPP數(shù)據(jù)庫的集成，便于信息的調(diào)用和存儲(chǔ)。

3.鈑金CAPP系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

如圖1所示，將系統(tǒng)分為前置處理子系統(tǒng)、后置處理子系統(tǒng)、文件管理子系統(tǒng)三個(gè)部分。前置處理完成了鈑金件的三維建模、展開、優(yōu)化排樣和鈑金件的工藝設(shè)計(jì)；后置處理完成了工藝文件的輸出、數(shù)控代碼的生成，通過數(shù)據(jù)集成接口完成三維軟件調(diào)用或?qū)隤DM部分和二維CAPP部分的信息；文件管理完成了企業(yè)制造資源和鈑金工藝資源的管理，以便設(shè)計(jì)和生產(chǎn)部門調(diào)用。下面對(duì)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行闡述。

圖1 基于三維軟件的鈑金CAPP系統(tǒng)

圖2 鈑金件參數(shù)化展開原理

3.1 基于三維軟件的鈑金件展開

3.1.1 可展鈑金件的參數(shù)化展開

根據(jù)鈑金的功能和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)本文將可展鈑金分為六大類。分別是：等徑圓管鈑金件、異徑異口三通管、棱錐管及其組合件、圓錐管及其組合件、圓方過渡接頭、其他可展開板金件。鈑金參數(shù)化原理如圖2所示。

第一步，以三維軟件(Pro/E、CATIA)為平臺(tái)，結(jié)合軟件自帶的二次開發(fā)函數(shù)(protoolkit、AutomationAPI)和函數(shù)支持的開發(fā)語言(C++、VB、JAVA等)，編制后臺(tái)鈑金展開相關(guān)程序。第二步，在三維軟件界面創(chuàng)建鈑金件展開菜單、參數(shù)對(duì)話框，建立鈑金模板庫鏈接窗口。最后，用戶點(diǎn)擊鈑金模板庫鏈接窗口中鈑金模型圖標(biāo)鏈接，通過鏈接調(diào)用先前編制好的后臺(tái)程序，最終生成三維鈑金件模型參數(shù)對(duì)話框、三維模型和對(duì)應(yīng)展開件共存的界面窗口。文獻(xiàn)[3]利用Pro/E(protoolkit)和VC++，對(duì)相貫鈑金件實(shí)現(xiàn)了參數(shù)化展開，可詳見。

3.1.2 不可展鈑金件的近似展開

南京航空航天大學(xué)謝蘭生等人提出的“基于幾何映射法的鈑金展開有限元逆算法”，彌補(bǔ)了鈑金件用有限元逆算法展開過程中出現(xiàn)的不足。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)的第一步和2.1.1的相同，第二步需要在三維軟件界面建立一些鏈接窗口來實(shí)現(xiàn)鈑金展開：模型處理、接口程序、求解器、展開結(jié)果結(jié)果后處理和展開模型處理。各個(gè)模塊通過三維軟件及程序提供的特定接口，互相傳遞數(shù)據(jù)進(jìn)行通信，協(xié)調(diào)合作實(shí)現(xiàn)在三維軟件環(huán)境下的鈑金展開功能。

模型處理主要功能是對(duì)原始鈑金零件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并根據(jù)劃分好的網(wǎng)格生成后續(xù)處理所需要的信息。然后由接口程序提供三維軟件與外部程序的數(shù)據(jù)通信接口。生成的網(wǎng)格數(shù)據(jù)通過該接口傳輸至求解器模塊，在求解器中經(jīng)過幾何映射法的鈑金展開有限元逆算法處理得到零件毛坯數(shù)據(jù)，包括零件毛坯形狀、原始鈑金零件的應(yīng)力、應(yīng)變、厚度分布信息等。再通過這個(gè)接口將數(shù)據(jù)傳回至三維軟件。

保存三維模型、展開件和云圖的快照，并錄制成形動(dòng)畫為AVI格式，以便以后查看。將展開圖以DXF、DWG、IGES等多種圖形文件格式輸出，可以很方便地與數(shù)控設(shè)備進(jìn)行圖形文件的數(shù)據(jù)交換，將相應(yīng)格式的展開文件直接輸入到數(shù)控鈑金加工機(jī)床進(jìn)行編程切割，實(shí)現(xiàn)無紙化加工。

3.2 基于三維軟件的鈑金展開件排樣

對(duì)鈑金CAD系統(tǒng)而言，排樣算法決定了鈑金CAD系統(tǒng)的性能和實(shí)用性。對(duì)于矩形排樣，梁利東等人在剩余矩形的匹配方法基礎(chǔ)上提出了剩余矩形的動(dòng)態(tài)匹配方法，經(jīng)驗(yàn)證取得了較好的效果。對(duì)于不規(guī)則鈑金件排樣，提出了粒子群算法的優(yōu)化方法。

(1)信息庫管理模塊存儲(chǔ)了板材信息和零件信息，零件信息管理的功能是設(shè)置即將入排的零件信息和所需的板料信息。(2)展開圖輸入模塊功能是將前面展開步驟得到的圖形導(dǎo)入到三維軟件界面建立的鈑金排樣窗口中。(3)圖形預(yù)處理模塊利用粒子群優(yōu)化算法程序?qū)⒉灰?guī)則圖形進(jìn)行自動(dòng)組合和自動(dòng)填充處理，最終組合成最小包絡(luò)矩形。(4)優(yōu)化排樣模塊將得到的矩形，利用剩余矩形動(dòng)態(tài)匹配方法程序在給定的板料上自動(dòng)排樣，可以借助交互排樣功能進(jìn)行修改。(5)排樣輸出及存儲(chǔ)模塊輸出排樣圖形，并保存排樣結(jié)果信息。

3.3 鈑金工藝設(shè)計(jì)

工藝設(shè)計(jì)主要是工藝規(guī)程的編制，需要根據(jù)企業(yè)現(xiàn)有的制造資源和工藝信息編寫。如何從大量的文件中找到所需要的工藝信息，是工藝規(guī)程編制的關(guān)鍵。劉闖提出的“鈑金CAPP中實(shí)例檢索的灰色關(guān)聯(lián)方法”很好地解決了這個(gè)問題。圖3為工藝設(shè)計(jì)流程。

圖3 鈑金件工藝設(shè)計(jì)流程

首先，在二維CAPP中建立鈑金零件的實(shí)例庫、管理和材料特征庫，并進(jìn)行分類編碼。然后，對(duì)二維CAPP進(jìn)行二次開發(fā)，用VC++編制“灰色關(guān)聯(lián)算法”的程序。最后，建立鈑金工藝卡片模板庫、企業(yè)制造資源庫以及設(shè)置用戶權(quán)限管理等。

首先，在三維軟件二次開發(fā)函數(shù)中用VC++編制調(diào)用程序，調(diào)用二維CAPP中的工藝信息。其次，在三維軟件界面建立工藝信息交互窗口模塊，這些窗口模塊包括：鈑金模型打開模塊、鈑金信息輸入模塊、鈑金工藝生成模塊、鈑金工藝輸出模塊。窗口界面有：菜單控制部分、工藝流程顯示部分、工序圖顯示部分、各命令控制部分。

鈑金工藝輸出模塊包括工序卡的生成和輸出，工序卡包括：零件信息、加工工藝信息、工序圖三部分，工序圖可由鈑金建模和展開過程的快照?qǐng)D片來代替，利用VC++編程調(diào)用二維CAPP中的模板實(shí)現(xiàn)工序卡的生成和輸出。

4.后置處理和文件管理

通過二維CAPP接口和PDM接口將前面展開、排樣和工藝決策產(chǎn)生的圖片、數(shù)據(jù)和工藝文件傳送到二維CAPP系統(tǒng)和PDM系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)信息的共享。根據(jù)二維CAPP系統(tǒng)的工藝信息，結(jié)合企業(yè)現(xiàn)有制造資源，生成NC加工代碼并進(jìn)行加工仿真，及早發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤并糾正。文件管理部分包含了企業(yè)制造資源管理和鈑金工藝信息管理，制造資源包含了生產(chǎn)設(shè)備和排樣所需的板料資源，工藝信息部分包括鈑金技術(shù)手冊(cè)、進(jìn)行分類編碼的工藝實(shí)例和用戶權(quán)限設(shè)置(防止工藝資源被亂修改)。

5.結(jié)論

基于三維軟件的鈑金CAPP系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了鈑金件由設(shè)計(jì)(建模、展開、優(yōu)化排樣)到工藝卡片輸出的整個(gè)過程，通過對(duì)軟件的二次開發(fā)技術(shù)完成了二維CAPP系統(tǒng)和三維軟件的集成。系統(tǒng)對(duì)于鈑金企業(yè)應(yīng)用不同三維軟件(Pro/E、CATIA、UG等)具有借鑒意義。

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