基于三維軟件的鈑金CAPP系統

中北大學機械工程與自動化學院 王拴繪 李夢群

1.引言

現有的三維軟件，例如Pro/E、UG、Solidworks、CATIA都具有鈑金模塊，但只能實現一些簡單鈑金件的展開，現階段相關的研究也只完成了鈑金的部分工藝，例如華中科技大學郝明等人利用自主研制的FASTAMP求解器，以Pro/E為平臺實現了復雜鈑金件的展開；南京航空航天大學洪晴等人以CATIA為平臺通過Automation及CAA二次開發技術，實現了飛機復雜鈑金件的展開；華中科技大學秦宇等人在Solidworks平臺上，開發了一套面向沖壓工藝的坯料展開模擬系統SW-BEX。因此開發出一套基于三維軟件的鈑金CAPP系統用來滿足企業的需求是有必要的。

2.鈑金CAPP系統框架設計

將現有三維軟件(Pro/E、CATIA、Solidworks)和二維CAPP系統相結合，系統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計以表格的形式輸出到CAPPFramework。工藝表格與三維模型的設計參數相關聯，并能自動地動態刷新。應用三維軟件自帶的API函數對三維軟件二次開發，實現復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數據庫的集成，便于信息的調用和存儲。

3.鈑金CAPP系統總體設計

如圖1所示，將系統分為前置處理子系統、后置處理子系統、文件管理子系統三個部分。前置處理完成了鈑金件的三維建模、展開、優化排樣和鈑金件的工藝設計；后置處理完成了工藝文件的輸出、數控代碼的生成，通過數據集成接口完成三維軟件調用或導入PDM部分和二維CAPP部分的信息；文件管理完成了企業制造資源和鈑金工藝資源的管理，以便設計和生產部門調用。下面對系統的關鍵技術進行闡述。

圖1 基于三維軟件的鈑金CAPP系統

圖2 鈑金件參數化展開原理

3.1 基于三維軟件的鈑金件展開

3.1.1 可展鈑金件的參數化展開

根據鈑金的功能和結構特點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。鈑金參數化原理如圖2所示。

第一步，以三維軟件(Pro/E、CATIA)為平臺，結合軟件自帶的二次開發函數(protoolkit、AutomationAPI)和函數支持的開發語言(C++、VB、JAVA等)，編制后臺鈑金展開相關程序。第二步，在三維軟件界面創建鈑金件展開菜單、參數對話框，建立鈑金模板庫鏈接窗口。最后，用戶點擊鈑金模板庫鏈接窗口中鈑金模型圖標鏈接，通過鏈接調用先前編制好的后臺程序，最終生成三維鈑金件模型參數對話框、三維模型和對應展開件共存的界面窗口。文獻[3]利用Pro/E(protoolkit)和VC++，對相貫鈑金件實現了參數化展開，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”，彌補了鈑金件用有限元逆算法展開過程中出現的不足。

系統設計的第一步和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現鈑金展開：模型處理、接口程序、求解器、展開結果結果后處理和展開模型處理。各個模塊通過三維軟件及程序提供的特定接口，互相傳遞數據進行通信，協調合作實現在三維軟件環境下的鈑金展開功能。

模型處理主要功能是對原始鈑金零件進行網格劃分，并根據劃分好的網格生成后續處理所需要的信息。然后由接口程序提供三維軟件與外部程序的數據通信接口。生成的網格數據通過該接口傳輸至求解器模塊，在求解器中經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據，包括零件毛坯形狀、原始鈑金零件的應力、應變、厚度分布信息等。再通過這個接口將數據傳回至三維軟件。

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，可以很方便地與數控設備進行圖形文件的數據交換，將相應格式的展開文件直接輸入到數控鈑金加工機床進行編程切割，實現無紙化加工。

3.2 基于三維軟件的鈑金展開件排樣

對鈑金CAD系統而言，排樣算法決定了鈑金CAD系統的性能和實用性。對于矩形排樣，梁利東等人在剩余矩形的匹配方法基礎上提出了剩余矩形的動態匹配方法，經驗證取得了較好的效果。對于不規則鈑金件排樣，提出了粒子群算法的優化方法。

(1)信息庫管理模塊存儲了板材信息和零件信息，零件信息管理的功能是設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入到三維軟件界面建立的鈑金排樣窗口中。(3)圖形預處理模塊利用粒子群優化算法程序將不規則圖形進行自動組合和自動填充處理，最終組合成最小包絡矩形。(4)優化排樣模塊將得到的矩形，利用剩余矩形動態匹配方法程序在給定的板料上自動排樣，可以借助交互排樣功能進行修改。(5)排樣輸出及存儲模塊輸出排樣圖形，并保存排樣結果信息。

3.3 鈑金工藝設計

工藝設計主要是工藝規程的編制，需要根據企業現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，是工藝規程編制的關鍵。劉闖提出的“鈑金CAPP中實例檢索的灰色關聯方法”很好地解決了這個問題。圖3為工藝設計流程。

圖3 鈑金件工藝設計流程

首先，在二維CAPP中建立鈑金零件的實例庫、管理和材料特征庫，并進行分類編碼。然后，對二維CAPP進行二次開發，用VC++編制“灰色關聯算法”的程序。最后，建立鈑金工藝卡片模板庫、企業制造資源庫以及設置用戶權限管理等。

首先，在三維軟件二次開發函數中用VC++編制調用程序，調用二維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圖片來代替，利用VC++編程調用二維CAPP中的模板實現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、排樣和工藝決策產生的圖片、數據和工藝文件傳送到二維CAPP系統和PDM系統中，實現信息的共享。根據二維CAPP系統的工藝信息，結合企業現有制造資源，生成NC加工代碼并進行加工仿真，及早發現錯誤并糾正。文件管理部分包含了企業制造資源管理和鈑金工藝信息管理，制造資源包含了生產設備和排樣所需的板料資源，工藝信息部分包括鈑金技術手冊、進行分類編碼的工藝實例和用戶權限設置(防止工藝資源被亂修改)。

5.結論

基于三維軟件的鈑金CAPP系統實現了鈑金件由設計(建模、展開、優化排樣)到工藝卡片輸出的整個過程，通過對軟件的二次開發技術完成了二維CAPP系統和三維軟件的集成。系統對于鈑金企業應用不同三維軟件(Pro/E、CATIA、UG等)具有借鑒意義。

[1]何小波.基于ProE的三維工藝設計系統[D].西安電子科技大學,2012:11-13.

[2]王紀清.三維鈑金展開與工藝規劃的研究[D].西安工業大學,2012:6-9.

[3]王宏旭,段明,王亞莉.鈑金零件庫及其參數化展開系統研究[J].機械設計與制造,2010(07):256-257.

[4]吳建軍,郭軍.鈑金零件毛坯展開計算方法研究進展[J].航空制造技術,2011(19):26-31.

[5]謝蘭生,楊晨,童國權,高霖.基于幾何映射法的鈑金展開有限元逆算法[J].中國機械工程,2004(09):80-83.

[6]洪晴.不可展鈑金展開的研究及軟件開發[D].南京航空航天大學,2011:31-33.