（机械电子工程专业论文）基于制造过程的钣金cad系统的研究与开发.pdf

摘要 摘要 多通管接头类的钣金件广泛用于石油、天然气、电力等行业。其展开的传统 方法有图解法和计算法。这些方法存在有展开过程复杂、工作量大、重复工作多、 效率低、绘制的展开图精度低等的缺点。而利用c a d 软件系统来完成钣金件的 展开设计是提高钣金设计效率和缩短产品开发周期的有效方法。钣金件展开的最 终目的是获得加工钣金件所需板材坯料的形状和尺寸。而板材坯料的尺寸，不仅 与钣金件的结构形式和几何尺寸有关，还与钣金件制造过程中的工艺技术和经验 知识等密切相关。因此，本文以多通管接头类的钣金件为主要研究对象，进行了 基于制造过程的钣金c a d 原型系统的研究与开发。本文的主要工作可概括为以下 几个方面： 第一章首先介绍了课题的研究背景。然后综述了钣金c a d 系统的国内外发 展现状，并分析了存在的问题。最后介绍了本课题的研究目标、研究方法和创新 点。 第二章首先在分析对比了两种钣金c a d 系统的展开方法的基础上，确立了 本钣金c a d 系统的展开方法。接着简要介绍了本系统所采用的开发方式与开发 工具，探讨了本系统总体结构的设计思想和方法，并对钣金件的分类作了说明。 在此基础上，设计了钣金c a d 系统的总体结构，并分别叙述了各组成部分所完成 的功能。 第三章首先解释了基于制造过程的钣金展开的含义，接着深入研究了钣金 制造过程的相关理论知识、技术和经验知识，包括板厚处理、焊缝的选择与处理 和加工余量的确定等，为实现基于制造过程的钣金展开提供了理论基础和指导。 第四章首先分析研究了曲面的展开原则及方法，从而确立了本系统钣金件 的展开方法，然后以本文第三章所研究的内容为指导理论依据，设计了基于制造 过程的钣金件的展开算法，并以三种钣金件为例进行了说明。 第五章以实例的方式介绍了系统的主要功能和特色。 最后总结了本文的主要研究工作，并给出了今后研究工作的方向。 该系统只需输入设计参数，计算机就可以代替人自动地计算和画出展开图， 广东工业大学- t 学硕士学位论文 并输出展开计算的数据。通过实践验证，本系统具有展开图形参数化、操作使用 简单、展开图精度高等优点。 关键词：c a d 系统，钣金展开，制造过程，算法 i i a b s t r a c t a b s tr a c t t h es h e e tm e t a lp a r t so fm u l t i i n t e r s e c t e dd u c t sa n dp i p e sa r ew i d e l y u s e di ns u c hi n d u s t r i e sa sr o c ko i l ，n a t u r a lg a s ，e l e c t r i cp o w e r ，e t e i t s t r a d i t i o n a lm e t h o df o rt h e u n f o l d i n g o fs h e e tm e t a l p a r t s o f m u l t i i n t e r s e c t e dd u c t sa n dp i p e si st h eg e o m e t r yd r a w i n gm e t h o da n dt h e n u m e r a t i o nm e t h o d ，w h o s ed i s a d v a n t a g e sl i ei nc o m p l e x ，t i m et a k i n g ，m u c h o v e r l a p p e dw o r k ，l o we f f i c i e n c y ，l o wp r e c i s i o no ft h ed e v e l o p e dc u r v e ，e t c i t i sa ne f f e c t i v et e c h n i c a lm e t h o du s i n gc o m p u t e r - a i d e dd e s i g ns o f t w a r et o c o m p l e t et h ed e s i g np r o c e s so fs h e e tm e t a lc o m p o n e n t ，w h i c hc a ni n c r e a s e t h ee f f i c i e n c ya n ds h o r t e nt h ep e r i o do fp r o d u c td e v e l o p m e n t t h eu l t i m a t e a i mo fu n f o l d i n gas h e e t m e t a lp a r ti st oo b t a i ns h a p ea n ds i z eo ft h es h e e tm e t a l b ym a c h i n i n gs h e e t m e t a lp a r t s t h e s i z e so ft h es h e e tm e t a la r en o to n l y s t r u c t u r ea n ds i z e so fs h e e t m e t a lp a r t s ，b u ta l s ot e c h n o l o g ya n de x p e r i e n c e o nt h em a n u f a c t u r i n gp r o c e s s t h i sa r t i c l et a k e st h es h e e tm e t a lp a r t so fm u l t i - i n t e r s e c t e dd u c t sa n d p i p e sa s t h er e s e a r c ho b je c t ，a n dd e v e l o p st h ep r o t o t y p ec a ds y s t e mf o r s h e e tm e t a lp a r t sb a s e do nm a n u f a c t u r i n gp r o c e s s t h em a j o rw o r k sb yt h i s p a p e ri n c l u d et h ef o l l o w i n ga s p e c t s ： c h a p t e r1i n t r o d u c i n gar e v i e wo ft h er e s e a r c h e s ，s u m m a r i z i n gt h e d o m e s t i ca n df o r e i g nd e v e l o p m e n tp r e s e n ts i t u a t i o no fs h e e tm e t a lp a r t s c a ds y s t e ma n d a n a l y z i n g t h i s t o p i c r e s e a r c h g o a l a n dr e s e a r c h s i g n i f i c a n c e c h a p t e r2b r i e f l yi n t r o d u c e st h ee x p l o i t a t i o nm a n n e ra n dd e v e l o p m e n t t o o lo fs y s t e m ，e s t a b l i s h i n gw a y so fs h e e tm e t a lu n f o l d i n gs y s t e m ， d i s c u s s i n gt h ed e s i g ni d e a a n dm e t h o do fw h o l es t r u c t u r e ，p r o v i d i n g i i i 广东工业人学工学硕十学位论文 c l a s s i f i c a t i o no fs h e e tm e t a lp a r t o nt h i sb a s i s ，t h et o t a lc o n s t r u c t i o no f c a ds o f t w a r ei sd e s i g n e df o rs h e e tm e t a lp a r t s a n dd e s c r i b e dc o n s t i t u e n t f u n c t i o n i nc h a p t e r3 ，f i r s t l ye x p l a i n st h ec o n c e p to ft h es h e e t - m e t a lu n f o l d i n g b a s e do nt h em a n u f a c t u r i n gp r o c e s s s e c o n d l y ，d e e p l yr e s e a r c h e dt h e t e c h n o l o g ya n de x p e r i e n c ek n o w l e d g eb a s e do nm a n u f a c t u r i n gp r o c e s so f t h es h e e t m e t a lp a r t s ，i n c l u d ep l a t eo ft h i c k n e s st r e a t m e n t ，w e l d so f s e l e c t i n ga n ds oo n t h et h e o r yp r o v i d e sat h e o r e t i c a lb a s i sa n dg u i d i n gf o r t h es h e e t m e t a lu n f o l d i n gb a s e do nt h em a n u f a c t u r i n gp r o c e s s i nc h a p t e r4 ，a n a l y s i sa n ds t u d ym e t h o do fs p r e a d i n go ft h e s u r f a c e t h e nas h e e tm e t a lu n f o l d i n ga l g o r i t h mb a s e do nm a n u f a c t u r i n g p r o c e s si sp u tf o r w a r d i nc h a p t e r5 ，w i t ht h ek e yf u n c t i o n sa n ds p e c i a l t i e so ft h es y s t e ma r ed e s c r i b e d b yt h ee x a m p l e f i n a l l y ， c o n c l u s i o n i sd r a w nf r o mt h i sd i s s e r t a t i o nw i t h r e c o m m e n d a t i o nf o rf u t u r er e s e a r c h t h ep r a c t i c es h o w st h a tt h es y s t e mh a st h e a d v a n t a g e s o f h i g h e f f i c i e n c y ，e a s yo p e r a t i o n ，h i g ha c c u r a c yo fu n r o l l e dd i a g r a m ，e t c k e yw o r d s ：c a ds y s t e m ，t h eu n f o l d i n go fs h e e t m e t a lp a r t s ，m a n u f a c t u r i n g p r o c e s s ，a l g o r i t h m i v 广东t 业大学工学硕f ：学位论文 独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以 标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，不包 含本人或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 在论文中都做了明确的说明，并表示了谢意。 本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期间在导师的指导下取得的，论 文成果归广东工业大学所有。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任，特此声明。 7 4 啡厂月日 第一章绪论 1 1 本文的研究背景 第一章绪论 利用金属的塑性变形，将板材按预定的设计加工成所需要的零件称为板金零 件，又称钣金件【1 1 。钣金件的重量轻、体积小、结构强度高，而且板金成型比机 械切削加工具有更高的材料利用率和生产效率，因此钣金件被广泛应用于航空航 天、机床、汽车、船舶、食品机械、电器、仪器仪表、化工、建筑等众多工业领 域行业中。据统计，市场上的钣金零件占全部金属制品的8 5 以上 2 1 。 钣金件的制造包括展开、下料、成形、连接和装配等过程【1 1 。其中，展开就 是在不改变构件表面积的情况下，将它们依次摊开在一个平面上的工艺过程，以 获得加工所需板材坯料的形状和尺寸，为后续工序一一下料做准备。合理的毛坯 料，不仅可以节省材料，减少成型后的修边工作量，而且是改善成型条件和提高 成型质量的有效手段。因此，展开是制作钣金件的第一道工序，也是最重要的一 道工序，它将直接影响到钣金件的质量。但据调查，由于技术、资金等的原因， 在国内还有6 0 的企业对钣金构件的设计展开仍采用传统的展开方法 3 1 。 钣金展开的传统方法有图解法和计算法。图解法是根据画法几何的投影原 理，用几何作图的方法画出钣金件的展开图，叫几何放样。所谓计算法，就是根 据所建立的钣金零件的数学模型，然后通过计算获得展开图中若干个点的坐标， 最后用曲线将其依次光滑连接起来，便得到零件的展开图，叫做“数值放样”。 多年来，这两种方法己发展成为一项比较成熟的专门技术，但它们存在着以下几 点问题： 1 工作量大。手工设计展开钣金件时，技术人员大量的时间都花费了在繁 杂的运算与图纸的绘制中。当展开图精度要求较高时，由于等分点数的增加，工 程技术人员的计算量会更大。 2 重复工作多，效率低。当钣金零件的尺寸、形状具有系列性时，在零件 的设计展开过程中存在着大量的重复性计算，这些工作用手工来完成，效率很低。 广东工业大学工学硕士学位论文 3 展开过程复杂，对技术人员的水平要求较高。若用图解法，需要有高度 的空间想象能力和作图技巧，作图者若没有多年的制图经验，是很难做到这一点 的；若用计算法，则需要解析几何、空间立体几何和制图等的知识来推导复杂的 计算公式。对于复杂的构件，这个问题将更加凸显。 4 绘制的展开图精度低，容易出错，废品率高。 随着工业的发展，钣金件的应用会越来越广泛多样化，不但其形状日趋复杂， 而且精度要求越来越高。传统的钣金展开方法由于存在上述缺点，已越来越难以 处理该类复杂的展开问题，已不能满足社会生产的需求。而计算机辅助设计 ( c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ，简称c a d ) 技术正是解决这些问题的有效手段。c a d 技术是指利用计算机硬、软件系统辅助人们对产品或工程进行设计的方法与技 术，包括设计、绘图、工程分析与文档制作等设计活动。它是将计算机高速而精 确的计算能力、大容量的数据存储和处理能力与产品设计者、产品制造者的中和 分析及逻辑判断能力结合起来，从加快设计进程、缩短制造周期和提高产品质量 【4 】 o 把c a d 技术应用到对钣金件的设计展开中来，具有高速、准确、自动化等 优点，不仅可以大大提高产品的质量和精度，而且可以缩短设计周期，减轻技术 人员的劳动强度，提高生产率 3 - 6 1 。因此，将c a d 技术应用到钣金设计展开领域 中来，是对钣金加工技术进行改造的必由之路，是钣金制造业发展的必然趋势。 1 。2 国内外钣金展开0 a d 系统的研究现状 1 2 1 应用0 a d 软件展开钣金件的方法 c a d 软件已成为现代钣金设计必不可少的工具。应用c a d 软件来实现对钣 金件的设计和展开可以有以下三种方法： 1 利用通用的c a d 软件( 如a u t o c a d 、c a x a 电子图板等) 来实现对钣 金件的设计展开。这种方法其实与图解法类似，只是它的作图环境完全改变了。 它是用计算机屏幕代替了原有的钢平台或样板料作为1 ：1 的放样平台，利用c a d 软件提供的各种画图命令代替了划规、钢尺、划针等工具，从而求得钣金件的展 2 第一章绪论 开图。这种方法相比图解法有了很大的改进，提高了精度和效率。但是其计算和 展开同样不能自动完成，工作量大，不能满足当今钣金件多样化和复杂化的需要， 未能在专业领域内很好的发挥c a d 技术的优势。 2 利用一些通用的c a d 软件中包含的钣金设计模块来实现对钣金件的设计 展开。这类软件国外有代表性的包括u g 、p r o e n g i n e e r 、s o l i dw o r k s 、s o l i de d g e 等，国内有代表性的包括c a x a m e 等，它们都可以实现对钣金件进行三维造型 设计，从造型得到的零件再对其进行展开，从而获得钣金展开图。以p r o e n g i n e e r 进行钣金展开为例，首先需要根据钣金件的几何结构特征，应用p r o e n g i n e e r 的 钣金设计模块来建立钣金件的三维实体模型，然后进行钣金件的自动展开放样， 最后对展开放样图进行查询，获得钣金件展开放样图的几何参数。显然，采用这 种方法获得放样图的几何参数是可行的。但把这类软件应用到钣金加工业来，具 有以下不足之处： ( 1 ) 钣金设计的专业化和高效性不够好。钣金行业具有高度的专业性和复 杂性，而这类通用型软件由于存在产品主要功能定位的不同，只能满足其中的一、 两项功能，很难做到钣金设计的专业化和高效性。 ( 2 ) 在展开计算的灵活性和准确性方面存在一些问题。 ( 3 ) 价格昂贵。钣金加工的工厂一般为中小型工厂，没有能力也没有必要 买这么高档的软件。 ( 4 ) 对操作者的专业技术水平有较高的要求。这类软件操作复杂，对于使 用者来说需要熟练掌握三维建模技术以及非常复杂的c a d 软件，很难做到易学 易用。 因此在现阶段，这种钣金展开的方法还难以推广使用。 3 利用专业的钣金c a d 软件来实现对钣金件的设计展开。由于上述两种方 法的不足，许多工程技术人员致力于开发专门针对钣金设计与加工的c a d 软件， 一批各有特色的钣金c a d c a m 系统应运而生。下面就专业钣金c a d 软件来谈 谈其国内外的研究现状。 1 2 2 国内专业钣金c a d 系统的研究现状 我国目前钣金c a d c a m 技术水平与发达国家相比，无论是在深度和广度方 3 广东- 丁业大学t 学硕十学位论文 面都有较大的差距。国内的专业钣金c a d c a m 系统主要有： 1 南华大学的廖卫献等开发的钣金展开c a d 系统【7 】，是基于c a x a 电子图 板2000 平台进行二次开发的软件，主要实现了钣金件展开图曲线上各点坐标 值的计算和计算数据的存储等功能。 2 北京清华艾克斯特的s s f a bp r o f e s s l o n a l 专业钣金c a d c a m 集 成软件包，包含有专业的钣金设计和加工模块，主要是针对成形件，提供从3 d 或2 d 零件生成展开图的功能，能进行折弯部位和模压及滚压成型部位的展开计 算。 3 华中理工大学的张冬等开发的开目钣金c a d c a m 系统( k m s m ) i s ， 主要是针对平板件的设计与加工，能实现钣金件的设计、展开、展开后开孔图绘 制、编制数控冲压指令等功能。 4 沈阳华凯公司开发的钣金产品c a d c a p p 系统，其c a d 子系统主要解 决零件的展开问题，而c a p p 子系统主要是自动生成在数控转塔冲床和数控直角 剪床上加工板材的数控( nc ) 指令。 5 泰兆机械软件开发小组开发的钣金展开软件b j c a dv 2 0 。它是基于 a u t o c a d 平台进行二次开发的软件，主要实现了钣金曲面的自动展开放样和绘 制等功能。 6 北京航空航天大学的红地钣金开发系统，主要是针对航空航天行业的液 压成形结构钣金件的设计。 国内的专业钣金c a d c a m 系统虽然具有符合本国国情、遵循国家标准、价 格便宜等的特点，在缩短钣金件设计周期、提高设计效率等方面产生了积极的效 益，但它们一般最少具有以下问题之一： 一是基于设计的展开系统 9 1 ，即在展开时不考虑焊缝、板厚和坡口形式等钣 金制造因素的影响，以基于中间层的计算模型来进行展开计算，其计算结果往往 与实际应用有出入。导致在展开钣金件后进行加工时，构件的尺寸出现较大的误 差，精度较低，甚至出现次品或废品。例如：不考虑焊缝对接处边界的约束会导 致焊缝端部的连接处出现三角形空白区；不考虑坡口处理将使整条焊缝对接不 当；不考虑板厚将导致板料弯曲成形后内层和外层产生盈和欠配合，使钣金件对 接出现问题。 二是基于a u t o c a d 、c a x a 电子图板等c a d 软件的二次开发的钣金件展 4 第一章绪论 开软件，如廖卫献等开发的钣金展开c a d 系统等，开发者自身没有系统自主 版权，不利于在钣金行业的大规模推广。 1 2 3 国外专业钣金c a d 系统的研究现状 国外的c a d 技术与国内相比，发展更为迅速，技术日益成熟，普及更加广 泛。国外典型的专业钣金c a d c a m 系统有：英国r a d a n 公司的r a d a n c a d c a m 。r a d a nc a d c a m 是英国r a d a n 公司于1 9 7 6 年开发研制的专业钣 金c a d c a m 系统，经过2 0 多年的不断开发和改进，日趋成熟而完善。它不仅 具备两、三维的设计环境，专业的自动展开计算，方便快捷的数控编程功能，更 重要的是针对钣金件的生产特点用独特的方法连贯了从钣金设计到加工的整个 产品制造环节。 除此之外，国外其他比较有名的专业钣金加工软件有澳大利亚的f a s t c a m 、 德国s p i 公司的s p i s h e e tm e t a l 、美国m e r r y 公司的s m p 8 1 、比利时l y d 公司 的c a d m a n 、瑞典f c cs o f t w a r ea b 公司的a u t o p o l 等等。从这些软件的功能 和使用情况来看，通常都能较好地满足钣金设计和加工的要求，即能自动连接起 从产品图设计到c n c 程序生成的整个过程。 国外的专业钣金c a d c a m 系统能较好地连贯从钣金设计到加工的所有环 节，解决钣金设计和加工等的问题。然而应用这类国外专业的软件往往具有以下 问题： 1 价格高，一般企业难以支付。据统计，中小型企业在我国占8 0 左右， 它们是制造业的主力军。中小企业由于受到资金等方面所限，没有能力也没有必 要购买功能齐全、价格昂贵的高档软件。与大型企业相比，中小企业更重视提高 经济效益，会特别关注软件或应用系统能够帮助他们解决什么具体的问题。 2 与我国的标准不匹配。 3 需要设备和软件配套引进，对我国钣金加工业的发展非常不利，特别是 对中小型钣金加工企业，由于资金及技术原因，将受到更多的限制。 广东r t 业大学t 学硕七学位论文 1 3 本文主要工作 1 3 1 课题来源 本课题来源自广州凯恒程控科技有限公司。 1 3 2 本文主要研究目标 多通管接头类的钣金件广泛用于石油、天然气、电力等行业，市场需求量很 大。它是由板材卷焊而成，属弯曲类的钣金件。在现代钣金制造业中，随着数控 激光切割机、数控折弯机等数控钣金加工设备应用的日益广泛，钣金加工工艺有 了质的飞跃。现代弯曲钣金件的加工，以精确展开加工和零机械切削为特点，即 首先按展开图全部切割出外形、孔和槽，然后折弯成形。这种工艺具有钣金零件 的单元封闭加工、工艺路线简化、效率高、加工质量好等优点，但同时对钣金展 开图的精度要求很高。显然，采用传统的钣金展开方法来获得钣金展开图已不能 满足现代钣金加工的要求。 多通管接头的放样展开是钣金制造行业专业性强、复杂度高的一个领域，涉 及到复杂曲面的相贯线计算、曲面的展开计算和焊接工艺等的专业性问题。但由 于历史原因，多通管接头的放样展开、设计和制作一直以手工为主，周期长、效 率低、成本高f l o - 1 2 。而据查新资料显示，在国内还没有针对多通管接头、融合了 钣金零件制造过程的经验知识与专业技术的专业钣金c a d 系统。 因此，综合上述分析，拟定了本文的主要研究目标是：将钣金零件制造过程 中的经验知识和专业技术融入到钣金c a d 系统中，研究基于制造过程的、以管 接头类的钣金件为主的专业钣金c a d 原型系统的结构与流程设计。 要实现以上研究目标，需对以下内容进行研究和讨论： 1 钣金c a d 原型系统的结构与流程设计； 2 钣金制造过程的相关技术和经验知识，包括板厚处理、焊缝处理、加工 余量等； 3 面向制造过程的钣金展开算法。 6 第一章绪论 1 3 3 研究方法和思路 本论文采用理论研究与实际开发实施相结合的方法：通过调研考查目前现有 的同类产品和阅读大量相关文献，围绕基于制造过程的钣金展开设计的相关理 论、技术和实施方法等进行深入研究，在此基础上针对管接头类的钣金件，开发 面向制造过程的钣金c a d 原型系统。 管接头类的钣金件具有较强的系列性( 结构相似而尺寸不同) ，在其设计和 展开的过程中存在着大量的重复性计算，计算量大，因此本论文拟采用面向对象 和基于参数化模型的设计和展开方法，其思路是：采用形体分析和几何解析的数 学方法，构建钣金件参数化的数学模型，然后分别编制计算和绘图程序。当需要 获得某一具体的钣金件的展开图时，只需按系统要求输入一组参数值，计算机就 可以代替人自动地计算和画出展开图了。 这种方法虽然在系统开发时构建计算模型需要一定的工作量，但使用时对于 操作者来说却十分可靠、高效和操作简单。因为使用者在展开钣金件时只需输入 设计参数，计算机就可以代替人自动地计算和画出展开图了。这种方式不但减轻 了设计人员的计算工作量，还可以大大提高设计效率和计算精度( 可选用较大的 等分点数) 。 1 3 4 本文主要创新 本文具有以下的主要创新点： 1 基于制造过程的展开算法。 钣金件展开的最终目的是获得加工钣金件所需板材坯料的形状和尺寸。而板 材坯料的尺寸，不仅与钣金件的结构形式和几何尺寸有关，还与钣金件的制造过 程密切相关。因此，将钣金零件制造过程中影响钣金展开尺寸的专业制造技术和 经验知识融入到钣金c a d 系统中，实现基于制造过程的钣金展开，可有效地保 证钣金件的质量。 2 展开图形参数化 展开图形参数化使得使用者只需输入一组钣金构件的尺寸参数，计算机就可 以代替人自动地计算和画出展开图。若改变钣金构件的尺寸参数，其展开图图形 可随之变化，从而能通过方便地获得一系列形状相似的钣金零件的展开图。和 7 广东丁业入学r 丁学硕l j 学位论文 p r o e 、u g 等大型软件相比，本系统使用人员不需要掌握复杂的三维建模技术来 为管道构件建立三维模型，而只需输入一组钣金构件的尺寸参数就能自动获得其 展开图，具有可靠、高效和操作简单等的优点。 1 4 本章小结 本章首先介绍了课题的研究背景，然后综述了钣金c a d 系统的国内外发展现 状，并分析了存在的问题，最后介绍了本课题的来源、研究目标、研究方法和创 新点。 8 第二章基于制造过程的钣会c a d 系统的总体结构设计 第二章基于制造过程的钣金c a d 系统 的总体结构设计 2 1 钣金件计算机辅助设计和展开方法的选择 钣金零件一般可分为三类：平板类，即一般的平面冲裁件；弯曲类，即 板料经弯曲或弯曲加简单成形构成的零件；成形类，即板料由拉伸等成形方法 加工而成的规则曲面类或自由曲面类零件。 钣金件计算机辅助设计和展开方法可以简要划分为基于模型和基于造型两 种类型【1 3 - 15 1 。 2 1 1 基于造型的设计和展开 许多复杂的钣金件难以用简单的模型来表示，如多重折弯件和复杂曲面件 等。对这些钣金件多采用造型的方法来设计和展开。现有的针对钣金零件特点而 提出来的几何造型方法有2 d 钣金零件的几何造型和3 d 钣金零件的几何造型两 种。 基于造型的钣金件展开方法的基本原理是在设计造型的过程中，记录下各面 块与其相连面块之间的拓朴关系，以此为依据进行展开。功能较简单的系统可以 先指定一个基准面，再逐个指定待展开的面，一步步展开整个制件。高级 c a d c a m 系统可以一次操作展开多个表面。 9 广东工业大学工学硕：l 学位论文 2 1 2 基于模型的设计和展开 传统的绘制钣金件的展开图的方法有两种：图解法和计算法。图解法是根据 画法几何的投影原理，用几何作图的方法画出钣金件的展开图。所谓计算法，就 是根据所建立的钣金零件的数学模型，然后通过计算获得展开图中若干个点的坐 标，最后用曲线将其依次光滑连接起来，便得到零件的展开图。 用计算机来完成计算法绘制展开图的计算工作就是最基本的钣金件c a d 的 方法。该法的原理是：采用形体分析和几何解析的数学方法，构建钣金件参数化 的数学模型，然后分别编制计算和绘图程序。当需要获得某具体的钣金件的展 开图时，只需按系统要求输入一组参数值，计算机就可以代替人自动地计算和画 出展开图了。因此，这种方法可称为基于模型的钣金件计算机辅助设计和展开方 法。 2 1 3 本系统钣金件展开方法的选择 基于造型的设计和展开方法的特点是：钣金件的设计过程实际上是三维造型 的过程，从造型得到的零件再对其进行展开。目前一些大型的商用软件多采用此 法。以p r o e n g i n e e r 进行钣金计算机辅助设计为例，首先需要根据钣金件的几何 结构特征，应用p r o e n g i n e e r 的钣金设计模块建立钣金件的三维实体模型，然后 进行钣金件的自动展开放样，最后对展开放样图进行查询，获得钣金件展开放样 图的几何参数。基于造型的设计和展开方法解决了复杂钣金件的设计和展开问 题，但它需要使用者熟练掌握三维建模技术以及非常复杂的c a d 软件。在现阶 段，这种钣金展开放样方法难以推广应用。 管接头类钣金件的形状和尺寸具有较强的系列性，易于归纳出其特征参数， 非常适用于采用基于特征参数模型的展开法。虽然这种方法在系统开发时构建计 算模型需要一定的工作量，但使用时对于操作者来说却十分可靠、高效和操作简 单。因为使用者在展开钣金件时只需输入设计参数，计算机就可以代替人自动地 计算和画出展开图了，不仅减轻了使用人员的计算工作量，还可以大大提高设计 效率和计算精度( 可选用较大的等分点数) 。故本系统采用的是基于模型的钣金 l o 第二章皋于制造过程的钣金c a d 系统的总体结构设计 件c a d 展开方法。 2 2 系统的开发方式与开发工具的选择 2 2 1 系统开发方式的选择 通常c a d 系统的开发方式主要有两种：一是基于商品软件系统的二次开发； 二是用v c + + 、v b 等高级编程语言从底层进行整个软件所有模块的开发。本系 统选用第二种开发方式。 采用v c + + 、v b 等高级编程语言从底层开发钣金展开系统具有以下优点： 1 较强的灵活性。灵活性是利用v c + + 等高级编程语言开发钣金展开c a d 系统的最大优点，因为系统的所有流程和数据都可以在设计者的控制之下，可以 根据系统的具体要求实现具体的操作功能。 2 易于扩展成各种系统。 3 有系统版权。开发者自身具有系统版权，在一些行业的大规模推广中具 有无可比拟的优势。 2 2 2 系统开发工具的确立 目前用于可视化界面设计的编程工具很多，较为常用的有：v i s u a lc + + 、 v i s u a lb a s i c 等。 v i s u a lc + + 是由美国微软公司推出的目前使用极为广泛的基于w i n d o w s 平 台的可视化编程环境，同其他软件开发工具相比，具有以下优点 1 6 1 ： 1 面向对象和可视化开发：提供了面向对象的应用程序框架m f c ( m i c r o s o f t f o u n d a t i o nc l a s s ，微软基础类库) ，大大简化了程序员的编程工作，提高了模块 的可重用性。v i s u a lc + + 6 6 还提供了基于c a s e 技术的可视化软件自动生成和 a p p w i z a r d 、c l a s sw i z a r d 、v i s u a ls t u d i o 、w i z a r d b a r 等的维护工具，帮助用户直 观、可视地设计程序的用户界面，还可以方便地编写和管理各种类，并维护程序 源代码。 广东工业大学工学硕士学位论文 2 c + + 语言特有的高效性和灵活性于一身。 3 v i s u a lc + + 6 0 封装了w i n d o w s 的a p i ( 应用程序接口) 函数、u s e r 、 k e r n e l 、g d i 函数，帮助我们弄清了许多函数的组织方法，隐去了创建、维护 窗口的许多复杂的例行工作，简化了编程。 4 众多的开发商支持：m f c 类库已经成为事实上的工业标准类库，得到了 众多开发商和软件开发工具的支持。另外，由于众多的开发商都采用v i s u a l c + + 6 0 进行软件开发，这样用v i s u a lc + + 6 0 开发的程序就与别的应用软件有许 多相似之处，易于学习和使用。 由于国际商用c a d c a m 大多数采用v i s u a lc + + 开发平台，考虑到国际接轨 与接口的需要，本系统也选择v c + + 作为基本开发工具。 2 3 系统总体结构的设计思想和方法 c a d 软件的开发是一个高难度、高智力的项目，为保证所开发软件的质量， 在开发中应用软件工程学原理和方法是十分重要的。c a d 软件的基本要求有： 正确性，实现设计确定的功能，性能优良，结果正确：可靠性，软件性能稳 定，出错概率小：简明性，程序简明易读，模块结构化好，接口简单清晰： 易维护性，可方便实现软件的校正和完善维护。另外，构造c a d 系统的功能结 构应注意两点：c a d 系统中应尽可能完整地包含专业技术设计工作的各方面 内容及功能需求；构造的系统总体软件结构合理【2 5 1 。 设计基于制造过程的钣金展开c a d 系统的总体结构，首先需要解决的问题 是： ( 1 ) 确定系统实现的主要功能特点； ( 2 ) 确定本系统的总体结构设计思想。 2 3 1 钣金0 a d 系统主要功能特点的确定 与一般机械零件相比，钣金件在材料、结构、设计、工艺和制造等方面都有 特殊的特点。例如，钣金件的坯料是金属板材；钣金件不属于标准件，只能通过 形状的相似和相近对其进行分类描述；在设计与制造精度上，钣金件没有严格的 1 2 第- 二章基于制造过程的钣金c a d 系统的总体结构设计 公差配合等规范制约，允许误差范围较广；就制造手段而言，钣金件的制作通常 是通过冲压、拉伸、弯折、焊接等加工方法，属于成型工艺，这与其它通过切削 金属的加工方式有着质的差别。因此钣金c a d 系统相比通用c a d 系统，除了应 具有准确高效、良好的人机环境( 易学易用) 等的共同特点外，还应具有自己的 特点，归纳如下： 1 实际生产中使用的都是二维平面展开图，因此，二维c a d 模块已能基本 满足大多数板材零件设计的需要。 2 钣金零件的轮廓可近似为由直线段、圆或圆弧段组成，这可相应简化c a d 模块。钣金零件的轮廓具有一些共有的特征，因此c a d 模块需增加常用图形库。 3 钣金件的结构设计和加工工艺与采用的设备有关，零件设计必须考虑加 工的工艺参数，如加工余量、板材厚度等。 总之，在钣金c a d 系统中嵌入了钣金零件设计和制造过程中的专业技术和 经验知识，在专业功能上是一般通用的c a d 系统所难以代替的。 在钣金零件的制造过程中，要想把金属板材加工成所要求的几何形状，就必 须按照一定的规律，在不改变零件表面积的前提下，将该零件的表面依次毗连地 画在平面上，也就是绘制展开图。因此，获得展开图及其几何参数是钣金展开 c a d 系统的最终目的。故确定本系统的主要功能是：展开计算、绘制展开图及 输出展开几何参数。 2 3 2 结构化设计方法 本钣金展开c a d 系统采用面向对象技术进行开发，系统总体结构设计应用 结构化程序设计方法，其基本思路是：在软件设计中建立一个具有良好结构的程 序系统，把这个软件所要完成的任务分成若干子任务，使每个子任务对应一个程 序模块。而每个程序模块是相对独立的，可以象积木一样按照一定的方式组织起 来，即程序结构与任务结构是对应的。实际上每个模块就是将要实现的某种特定 功能的程序段，各个模块间的组织关系称为程序结构。结构化程序设计方法的主 要原则：每个模块的功能要单一，具有较强的独立性，也就是说它可以独立地被 理解、被测试、排错和修改，当变更某一模块时，只涉及该模块本身，而不致引 起其它模块的变更，造成全局混乱；程序结构要与问题结构相对应；模块间的联 广东工业大学工学硕_ ：学位论文 系尽可能小；采用自顶向下( 由粗及细) 的设计流程【1 7 】。 2 。3 3 参数化设计方法 所谓参数化设计( p a r a m e t r i cd e s i g n ) ，就是将设计要求、设计原则、设计方 法和设计结果用灵活可变的参数来表示，以便在人机交互过程中根据实际情况随 时加以更改f l 引。参数化设计模型是以约束来表达产品模型的形状特征，以一组 参数来控制设计结果，从而能通过变换一组参数值方便地创建一系列形状相似的 零件 1 9 1 。把参数化技术应用到c a d 绘图中来，具有效率高、可靠性好等优点， 在定制标准化、系列化和通用化比较高的通用产品方面有很大的优势。 参数化设计的基本手段有程序驱动与尺寸驱动。程序驱动法是通过分析图形 几何模型的特点，确定模型的主参数以及各尺寸间的数学关系，将这种关系输入 程序中，进而在零件设计时只要输入几个参数就可生成所要求的模型。尺寸驱动 是对程序驱动的扩展，它的基本思想是由应用程序生成所涉及的基图，该图的尺 寸有一系列的标识，这些尺寸由用户在编程时输入或交互式输入，从而生成用户 的模型。 2 4 钣金件的分类 在钣金零件中，主要有以下几种基本形体：直圆管、矩形管、正棱锥( 台) 、 斜棱锥( 台) 、正圆锥( 台) 、斜圆锥( 台) 和球面等。根据实际需要，每种形体 除了自交外，还要与其它各种形体相交，形成各种相交构件。为了实现参数化的 设计思想，需对基本结构相似的钣金件进行规格、系列化的整理和分类，如表 2 1 所示。 表2 - 1 常用钣金件的分类 t a b 2 1c l a s s i f i c a t i o no fc o m m o ns h e e tm e t a lp a r t s 单件类钣 正圆锥管 金件斜圆锥管 圆管一端斜切 1 4 第二章基于制造过程的钣金c a d 系统的总体结构设计 正圆锥管斜切 圆顶矩形底连接管正心、偏心 长圆顶圆底连接管 圆椭圆连接管 异径圆管连接管互相垂直、同心偏心相交等 圆圆锥等宽螺旋叶片 锥形螺旋回转叶片 圆管任意角度任意节数弯头 圆锥管任意角度任意节数弯头 异径和等径；正心( 直交斜交) 圆管三通 和偏心( 直交斜交) 正圆锥管斜交正圆锥管 正圆锥管斜交圆管 圆管偏心平交圆锥管 圆管斜交斜圆锥管 组件类钣任意角度y 型等径三通管 金件v 型三通管 大圆主管小圆支管渐缩五通管 正圆锥管连接大小直径偏裤形三 通管 迂回直角的方管弯头 圆管斜交环形弯管 圆管斜插标准椭圆封头 圆管斜交球形封头 球体分块 广东丁业大学1 二学硕士学位论文 2 5 系统的总体结构设计 基于制造过程的钣金展开c a d 系统的总体结构设计的基本出发点就是要实 现系统的主要功能：展开计算、绘制展开图及展开几何参数的输出。根据结构化 的设计方法，把钣金展开c a d 系统所要完成的任务分成若干子任务，建立相应 的子模块，然后通过主控模块把这些子模块按系统的工作流程组织起来。系统总 体结构组成如图2 1 所示，包括钣金类型的选择、参数的输入及修改、展开计算、 绘图、数据输出等。 叵至堕 l 单件类ii 组件类f 厂 厂一1 【，。j 【，一，一 茜五垂产碴直毫亨运巨匦匦囹一圃匦叵醺塑 _ 1 二二二二二二三 ! 二二二二兰二 _ 一 匿剑 图2 一l 原型系统的总体结构框图 f i g 2 1t h et o t a lc o n s t r u c t i o no fp r o t o t y p es y s t e m 2 5 1 主控模块 钣金展开c a d 系统的主控模块的总体功能是合理组织系统子模块协调工 作，完成设计展开任务20 1 。它的主要功能是： 1 确定各子模块工作的逻辑顺序。 2 建立各子模块间的联系。 3 确定系统的工作流程。 1 6 第二章基于制造过程的钣会c f f ) 系统的总体结构设计 2 5 2 参数输入模块 本系统将管接头类的钣金零件分成了2 6 种，将其分解为易于采用一定固定 算法进行展开设计的钣金件基本体，以便于钣金展开设计的目录管理和基于参数 化特征的程序编