基于NX 平臺的級進模工藝自動化設計中的關鍵技術與軟件系統研發

王玉龍，章志兵，孔海驕，黃云艷

（1.華中科技大學材料科學與工程學院，武漢 430074；2.格力電器股份有限公司，廣東 珠海 519000）

隨著家電模具產業的發展，級進模在家電產品加工中得到了越來越廣泛的應用[1—2]。雖然，多工位級進模的生產效率與自動化程度較高，但由于要在一套模具中完成沖裁、彎曲、拉延、成形和翻孔等多道工序，模具結構非常復雜、開發周期長，因此，多工位級進模設計是其生產制造中的關鍵環節。

多工位級進模設計包括工藝設計和結構設計。其中，工藝設計包括工序排配、毛坯排樣和廢料設計等多個復雜步驟。高效的模具設計需要基于工藝結構一體化[3]的思想，通過工藝設計提供完善的工藝信息，以大大縮短結構設計周期。目前行業內應用較廣的三維級進模設計軟件包括：Progressive Die Wizard（簡稱PDW）[4]、3DQuickPress 和VISI-Process 等[5]。雖然，這些軟件實現了較高程度的結構自動化級進模設計，但還存在一些問題，如工藝設計流程自動化程度低，需要手動進行工序排配等操作；模具設計發生變更，如產品新增或者減少特征、工序排配結果發生修改時，無法實現自動化編輯，花費時間長；工序排配時，未自動對工藝面染色并生成工藝線，不利于后續進行自動化的結構設計。文中基于自動化的特征識別、工序排配等技術，提出了“局部特征形狀記憶”模型，研發了一套級進模工藝自動化設計輔助子系統，并與已開發的結構自動化設計子系統無縫集成，形成了工藝結構一體化系統。系統可以有效縮短模具設計變更周期，提升設計變更自動化程度。

1 自動化工藝設計系統

1.1 系統分析

基于NX 平臺，采用NXOpen 二次開發技術實現的模具工藝設計系統可與NX 無縫集成，最終實現高效的模具設計。為了實現自動化設計，降低系統模塊之間的耦合性，提升系統的健壯性，工藝設計系統采用Model-View-Controller（簡稱MVC）模式實現[6]。基于模型、視圖和控制器相分離的思想，整個系統采用分層設計的方法，劃分為界面顯示層、業務邏輯層和數據管理層，各層之間的關系如圖1 所示。

圖1 系統分層架構Fig.1 Layered architecture of system

1.2 系統設計

系統的工作流程如圖2 所示，主要有8 個步驟。

圖2 系統工作流程Fig.2 Workflow of system

1）首先進行產品的導入或替換，產品替換時繼承原先產品保存的特征信息。

2）進行自動化的產品特征識別，可以識別通孔、盲孔、壓印、凸包和折彎等多種復雜類型的鈑金特征。

3）進行工序參數定義及初始化工作，在裝配樹上生成對應工序節點。工序按照逆序進行初始化，每一序工序體wave 后一序工序體，最后一序wave 產品體。

4）將識別的特征分配到不同工序，進行工序創建。工序創建時將當前工序特征進行還原，如折彎特征進行展平，沖孔特征進行填充，同時生成工藝線等工藝信息。

5）工序設計若發生變動，則可以采用工序創建編輯調整特征被分配到的工序，并可以通過工序編輯新增或減少工序數目。

6）工序設計完成后，第一序工序體是完全展開的毛坯，可以使用毛坯排樣功能，根據用戶輸入參數進行排樣，最后生成料帶節點。

7）在生成的料帶節點內使用廢料設計工具設計沖裁廢料，包括沖孔廢料和切邊廢料等。

8）根據工藝設計生成的工藝信息進行自動化的結構設計和二維圖設計。

為了實現標準化設計，系統在項目初始化時便會按照規則統一生成裝配樹，整個工藝設計過程中的裝配樹如圖3 所示。其中CP_ASM 節點用于裝配產品節part，單件排樣時產品數目為1 個，多件排樣時為2 個。PROCESS_ASM 節點用于裝配工序part，節點數目等于工序數目，STRIP_ASM 節點用于裝配排樣時生成的料帶part。

圖3 系統裝配樹Fig.3 Assembly tree of system

2 系統關鍵技術

2.1 自動化特征識別

特征識別是產品自動化展平的基礎和關鍵[7—10]，鈑金零件的主要特征分類如圖4 所示，常見特征有通孔、盲孔、平板沙拉、半剪凸出、剪切凸出、凸包、抽空翻邊和折彎等。在識別時，特征需要基于面和邊的類型進行區分，常見類型如圖5 所示。以通孔特征為例，其主要識別流程如下所示。

圖4 鈑金特征分類Fig.4 Classification of sheet metal features

圖5 面和邊類型Fig.5 Types of surfaces and edges

1）獲取產品體上的所有平面，作為待識別種子面。

2）獲取種子面的內環，篩選出所有邊都是凸邊的內環。

3）在內環區域內任取3 個點，沿著種子面法向和法向反向分別發射射線，篩選出2 個方向和產品均無碰撞的內環。

4）從種子面開始，沿著內環方向通過廣度優先搜索查找相鄰面[11]，直到找到下一個平面結束。判斷所有找到面的法向是否和種子面法向垂直，垂直則識別到一個通孔特征。

產品特征類型復雜多樣，為了方便存儲和管理，需要對不同特征進行編碼。編碼時將特征分為通孔、盲孔、凸包和折彎等父類型，每種父類型特征又細分子類型，如通孔可以細分為圓形通孔、方形通孔和雙D 孔等。識別完成后以屬性賦予方式將特征信息存儲在對應面上，如以GreeDA_GPType（整型屬性）記錄特征編碼類型，GreeDA_GPID（字符串屬性）記錄每個特征獨有的ID，GreeDA_GPDimension（字符串屬性）記錄序列化后的特征尺寸信息。以圓孔為例，則記錄圓孔高度和直徑。

2.2 “局部特征形狀記憶”模型

基于識別的產品特征，可以進行自動化的工序排配。級進模工序排配時，對于折彎特征會進行展平，對于非折彎特征會進行移除，并且根據模具實際生產情況還會對工序排配結果進行變更。在模具設計過程中，變更情況時有發生，為了快速進行設計變更，系統提出了“局部特征形狀記憶”模型。模型主要思想是在對折彎特征進行展平和非折彎特征進行移除時，以工具體的形式保留原始特征的幾何信息，在設計變更時，便可用工具體還原出特征。以凸包和折彎特征為例，對應工具體如圖6 所示。在凸包特征被移除后，若發生設計變更需要還原特征時，只需用產品與求差工具體布爾求差，再與求和工具體布爾求和，即可還原特征。折彎特征被展平后，還原方法為先將產品用拆分工具體拆分，刪除拆分下的展平部分，再將隨著折彎展開的隨動部分進行重定位，最后將產品與求和工具體以及隨動部分求和，即可還原特征。

圖6 特征工具體示例Fig.6 Examples of feature tool body

對通孔、沙拉孔、凸包等非折彎特征創建工具體時，需要基于特征的最大邊界進行拉伸，獲取特征最大邊界的算法如下。

1）遍歷特征的每一個face，作為種子面。

2）獲取種子面的所有edge，按照廣度優先算法獲取edge 的相鄰面，若相鄰面屬于特征面，則作為新的種子面繼續向外查找。

3）若相鄰面不是特征面，則說明該條edge 為特征的邊界。

4）找到所有邊界edge 后，按照連接環分組，周長最長的一組邊界即為最大邊界。

2.3 折彎中性層展開

折彎特征展平時要分為連接區、變形區和隨動區，如圖7 所示，其中變形區即為折彎特征面。系統根據最初在產品上定義的基準面自動找到連接區和隨動區，算法如下。

圖7 折彎特征示意Fig.7 Schematic diagram of bending feature

1）獲取折彎特征面的所有edge，找到2 條為直線的edge。

2）獲取折彎特征面在2 條edge 處的2 組相鄰面。

3）將基準面作為種子面，獲取基準面上所有edge，按照廣度優先搜索算法查找基準面在edge 處的相鄰面，并將相鄰面繼續作為種子面向外查找。

4）查找過程直到找到步驟（2）中的一組面為止，找到的面為連接區，另一組面為隨動區。

折彎特征展平時，采用了變形區展開長度與中性層處坯料長度相等的思想[12—14]。以最常見的90°折彎展開為例，如圖7 所示，其中λ為中性層偏移距離，d為產品厚度，R為變形區內徑，A和B為橫向和縱向長度。變形區中性層長度L=(R+λ)×π/2，其中λ為中性層偏移距離。系統中當R≥5d（產品厚度）時，λ=d/2；d≤R＜5d時，λ=d/3；0＜R＜d時，λ=d/4。數學計算得到變形區展開長度后，系統將連接區、變形區和隨動區通過邊界進行拆分，再根據展開長度創建出變形區展平以后的體，然后隱藏原始變形區作為求和工具體，并將隨動區沿著折彎中心旋轉90°后再移動展平長度，最后將連接區、變形區和隨動區求和，即完成了折彎展開。

圖8 90°折彎展開示意Fig.8 Schematic diagram of 90° bending unfolding

2.4 自動化設計變更分析

為了消除模具設計缺陷，滿足模具生產、制造和安裝的要求，經常需要對現有的工藝設計進行變更[15]。常見的設計變更種類有3 種。

1）工序排配發生變更，如將第3 序成形的沖孔特征移動到第5 序成形。

2）工序數目發生變動，如產品從共5 序成形改為6 序成形。

3）產品新增或者減少特征，如減少孔、新增加強筋等。

設計變更貫穿模具設計的整個周期，實現自動化的設計變更可以大大縮短設計周期，提升設計效率。系統通過以下幾方面保證設計變更的自動化。

1）工序排配進行產品到毛坯的倒推時，除了對折彎特征展平和非折彎特征移除外，還通過工具體記錄了特征幾何信息。

2）初始化某一序part 時，除了wave 后一序的產品體，還會wave 后一序的工具體。

3）某一序對折彎特征展平時，還會將與隨動區相交的工具體也重定位。

如圖9 所示，在設計第6 序時，將六邊形孔填平，生成了對應的還原工具體。工序初始化第5 序時，還原工具體被wave 到第5 序，并且在展開折彎特征時隨之重新定位。這樣在設計變更時，如果需要在第5序和第6 序重新創建出六邊形孔特征，只需要用該序的產品體和還原工具體求差即可正確還原。

圖9 工具體隨動調整Fig.9 Follow-up adjustment of tool body

3 應用實例

以格力空調外機右側板零件為例，在NX7.5 平臺上，進行工藝設計。產品特征識別結果如圖10 所示，主要有通孔、翻孔、凸包、壓筋、折彎、拉延和Z 折等幾類特征。基于特征識別結果，通過工序初始化、工序創建、工序創建編輯和工序編輯等功能進行工序設計，使用毛坯排樣和廢料設計工具生成最終料帶。格力空調外機右側板零件分為8 個工序成型，生成的料帶如圖11 所示。整套工藝設計流程耗時10 min 以內，傳統方式進行工藝設計時需耗時60 min 以上，效率得到明顯提升。最后，根據工藝設計信息可以進行自動化的結構設計，包括模板模架調用、標準件調用等，生成的三維結構如圖12 所示。

圖10 空調外機右側板特征識別結果Fig.10 Feature recognition result of right-side plate of air-conditioning unit

圖11 空調外機右側板料帶Fig.11 Strip of right-side plate of air-conditioning unit

圖12 空調外機右側板模具結構Fig.12 Mold structure of right-side plate of air-conditioning unit

4 結語

參考 NX 軟件 PDW 模塊和 Solidworks 3DQuickPress 插件等級進模設計軟件，并基于NX7.5平臺，設計完成了一套級進模工藝設計系統。整個系統包括工藝初始化、產品導入/替換、自動特征識別、工序設計、毛坯排樣和廢料設計等子功能模塊。系統提供的產品對比、工序創建編輯、工序編輯、廢料編輯等工具大大提高了設計過程的可編輯性，滿足了實際工業生產中紛繁復雜的設計變更需求，基本實現了自動化、智能化的家電級進模工藝設計。系統和NX無縫集成，并可以為后續的結構設計提供豐富的工藝信息，對縮短模具設計周期、提高設計的質量和效率具有重要意義。