（机械制造及其自动化专业论文）面融合原理及其在钣金cadcam中的应用.pdf

华中理工大学博士学位论文 摘要 钣金c a d c a m 技术一直是机械c a d c a m 领域中重要的研究内容，传统的钣 金c a d c a m 系统都是建立在三维实体造型平台的基础上的，因为三维造型平台价 格昂贵，因此影响了钣金c a d c a m 软件在国内钣金行业的普及和应用。针对这种 情况，本文提出并实现了一种新的钣金零件设计方法面融合方法，该方法摆脱了 对三维实体造型平台的依赖，只需要二维绘图模块作为其基础模块。用该方法不但能 完成三维钣金零件结构的设计，而且可以方便地实现展开操作，并可进一步生成二维 展开图，可直接用打印机输出图样，也能够以数据信息的形式提供给后续的c a m 模 块，从而实现从c a d 到c a m 的集成。f 本文取得以下几方面的研究成果： 在零厚度假设下，提出了一整套相应的面融合算法，研究了用面融合方法设计钣 金零件结构的具体过程和采用的技术，探讨了钣金零件的数据表达采用边界表示法 f b r e p ) 及其实现的数据结构。 深入地分析了在o p e n g l 支持下实现钣金零件交互程序设计的具体方法和主要困 难，提出了相应的解决办法和相应算法，如“步进三角划分”算法，不但从理论上证 明了它的充分性，而且给出了它实现时的具体精度控制方法以及时间和空间复杂性分 析。 探讨了面融合方法中的正则性问题，仿照“欧拉操作”给出了一套基于面融合方 法的基本操作算子，构造了基本造型函数，从而为面融合方法的实现提供了方便。为 简化基于面融合方法设计的钣金零件结构的修改过程，提出了钣金零件结构的“历史 重构法”和“驱动包”技术。 研究了钣金零件展开过程的工艺问题，并根据面融合设计方法设计了展开数学模 型和相应的三维面展开算法，给出了生成二维展开图的具体处理方法。 针对钣金设计中经常遇到的各种典型零件结构，设计了参数化展开图库，研究和 讨论了参数化图库的接口设计方法，给出了两种解决方案动态链接图库和动态解 释图库。 研究了数控冲床可视化图形编程系统的关键技术，其中包括可视化技术、智能化 技术和数控指令的虚拟执行技术等。设计了针对工程中普遍使用的m a p 一1 0 0 0 和 f a c p 系统的可视化图形编程软件，并且实现了与基于面融合方法的钣金c a d 软件的无缝集成。 通过数据交换接口，基于面融合方法的钣金c a d c a m 软件系统可以与其它排样 软件、线切割软件等实现集成，软件已经商品化，并在福州第一开关厂等哆家单位应 用，情况良好。卜一 关键词：面融合方法了钣金jc a 莎，数控，图形编程。，冲床，几何造型， 边界表示法 一一 ，j j i 华中理工大学博士学位论文 a b s t r a c t c a d c a mf o rs h e e tm e t a li sa l w a y sa ni m p o r t a n ta r e ao fc a d c a m u s u a l l y ，t h e s h e e tm e t a lc a d c a m s o f t w a r ei sb a s e do nt h e3 - ds o l i dm o d e l i n gp l a t f o r m ，o f w h i c hp r i c e i ss oe x p e n s i v et h a ts e l d o mf a c t o r yc a r la f f o r d t os o l v et h i sp r o b l e m ，an e w k i n do fs h e e t m e t a ld e s i g ns t r a t e g y ，f a c ef u s i o nm e t h o d ( f f m ) ，i sp r o p o s e di nt h i sd i s s e r t a t i o n o nt h e b a s i so f2 。dd r a f t i n gs y s t e mf f m c a r lc o m p l e t es h e e tm e t a ld e s i g nw i t h o u tt h es u p p o r to f 3 ds o l i dm o d e l i n gp l a t f o r m t h es h e e tm e t a lp a r td e s i g n e dw i t hf f mm a yb ee a s i l y u n f o l d e d a n dt h el a y o u tm a yb eg e n e r a t e dt h r o u g hf u r t h e rp r o c e s s i n g t h el a y o u tm a y b e p r i n t e do nap a p e ro rs e n tt oc a m m o d u l a rd i r e c t l yi no r d e rt oi m p l e m e n tc a d c a m i n t e g r a t i o nf o l l o w i n g r e s e a r c hr e s u l t sl i s t e di nt h ed i s s e r t a t i o n t h ed e s i g n p r o c e s s j nd e t a i l sa n dt h e t e c h n i q u e sa d o p t e d j nf f mu n d e rz e r o t h i c k n e h y p o t h e s i si sc a r e f u l l ys t u d i e d n o to n l yt h ed a t as t r u c t u r eo fd e s i g nm o d e li s d e f i n e d b u ta l s ot h ew h o l es e to f a l g o r i t h mo f f f mi sp r o p o s e d t oe l i m i n a t et h eb a r r i e r s i nt h ei n t e r a c t i v e p r o g r a md e s i g n w i t ho p e n g ls u p p o r t ，an e wt r i a n g l et e s s e l l a t i o n a l g o r i t h m ，s t e pt r i a n g l et e s s e l l a t i o n ( s t t ) ，i sp u tf o r w a r d t h ea c c u r a c yc o n t r o lm e t h o d ， t i m ec o m p l e x i t i e sa n ds p a c ec o m p l e x i t yo fs t ta r ed i s c u s s e d ，w j t ht h ec a r e f u 】r e s e a r c ho f t h er e g u l a rp r o p e r t ya n d e u l a ro p e r a t o r s ，as e to fb a s i cm o d e l i n go p e r a t o r sa n df u n c t i o n s a r ec o n s t r u c t e d ，w h i c hm a k et h e m o d e l i n gp r o g r a mi m p l e m e n t a t i o nm o r ee a s i l y t o s i m p l i f yt h em o d i f y i n gp r o c e s so fs h e e tm e t a lp a r t h i s t o r yr e c o n s t r u c t i o nm e t h o da n d d r i v i n gp a c k e tt e c h n o l o g ya r ep r e s e n t e d t h r o u g h t h ed i s c u s s i o no ft h es h e e tm e t a lu n f o l d i n g t h eu n f o l d i n gp r o c e s sm o d e la n d u n f o l d i n ga l g o r i t h ma r eg i v e n p a r a m e t r i cu n f o l d i n gl i b r a r yf o rv a r i o u sk i n do f s h e e tm e t a l p a ni sd e s i g n e d ，a n dt w ok i n do f i n t e r f a c e so ft h el i b r a r y ，d y n a m i cl i n kl i b r a r y ( d l l ) a n dd y n a m i ci n t e r p r e t a t i o nl i b r a r y a r ei n t r o d u c e d t h ek e yt e c h n i q u e si nv i s u a l g r a p h i cp r o g r a m m i n gf o rn u m e r i c a lc o n t r o lp u n c h i n g m a c h i n e ，w h i c hi n c l u d ev i s u a 】t e c h n i q u e s i n t e l l i g e n tt e c h n i q u e sa n di n s t r u c t i o nv i r t u a l e x e c u t i o nt e c h n i q u e s a r es t u d i e di nd e t a i l s t h ec a ms o f t w a r ef o rm a p ，1 0 0 0 s y s t e ma n d f a n u c ps y s t e ma r e d e s i g n e dr e s p e c t i v e l y a n d i t ss e a m l e s si n t e g r a t i o nw i t hc a i d s o f t w a r eb a s e do nf f mi si m p l e m e n t e ds u c c e s s f u l l v c a d c a ms o f t w a r eb a s e do nf f mc a na l s ob ei n t e g r a t e dw i t ho t h e r n e s t i n gs o f t w a r e o rs o t b , v a r ef o re d m w i t hw i r ec u tt h r o u g hd a t ae x c h a n g ej n t e r f a c e s a n dn o w t h es o f t w a r e i sr u n n i n gv e r yw e l li ns e v e r a ls h e e tm e t a lm a n u f a c t u r i n ge n t e r p r i s e s k e y w o r d s ：f a c e f u s i o nm e t h o d ，s h e e tm e t a l ，c a d ，n u m e r i c a lc o n t r o l ，g r a p h i cp r o g r a m m i n g ， p u n c h i n gm a c h i n e ，g e o m e t r ym o d e l i n g ，b o u n d a r yr e p r e s e n t a t i o n 一 儿 华中理工大学博士学位论文 1 1 引言1 8 3 自从电子计算机诞生以来，计算机的硬件系统有了突飞猛进的发展，其晶体管集 成度按“摩尔规律”每过1 8 个月便提高一倍。在计算机速度不断提高的同时，它的 体积却在不断地缩小，价格也大幅度下跌。尤其是在微型计算机出现后，使得计算机 得到了更为广泛的应用，如今计算机技术已经渗透到各行各业和人们的生活中，从人 们同常使用的家用电器到登上月球的宇宙飞船，都可见到计算机的身影。正如恩格斯 所说，人区别于动物的本质就在于他能制造和使用工具，计算机正是人类制造和使用 的最得力的工具之一，它将人们从许多重复性的脑力劳动中解放了出来，使人们能将 更多的时间和精力投入到创造性的思维和工作中，从而大大推进了社会生产力的发 展。 机械设计和制造领域是计算机技术应用的最重要的领域之一，计算机辅助设计 c a d ( c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ) 和计算机辅助制造c a m ( c o m p u t e r a i d e d m a n u f a c t u r i n g ) 的含义就是使用计算机技术辅助人们进行产品的设计和制造，也就是 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 制造着的综合分析及逻辑判断能力结合起来，从而加快设计进程、缩短制造周期和提 高产品质量。由于产品的设计、分析、制造等是一个完整的过程，因此c a d 与c a m 的集成对于取得经济效益致关重要。 1 9 8 9 年美国国家工程科学院将c a d c a m 技术评为( 1 9 6 4 1 9 8 9 ) 十项最杰 出的工程技术成就之一。c a d c a m 技术的开端是美国麻省理工学院( m i t ) 的i e v e n 华中理工大学博士学位论文 s u t h e r l a n d 在他的博士论文中提出的s k e t c h p a d 系统，该系统用的是t x 2 型计算 机和阴极射线管式图形显示器，可以用光笔在图形显示器上实现选择、定位等交互功 能。在这系统中引入了分层存储符号和图素的数据结构，因而一幅完整的图可以通 过分层调出若干子图来产生。 三十年来，c a d c a m 技术有了突飞猛进的发展，c a d c a m 技术的应用及普 及取得了长足的进步，并实现了从军用到民用的扩展。其中c a d 技术的发展大体经 历了以下几个阶段： ( 1 ) 计算机图形系统( c o m p u t e rg r a p h i c ss y s t e m ) 该类系统用来绘制或显示由直线、圆弧或曲线组成的二维或三维图形，具有代表 性的系统有早期美国的p l o t 1 0 、英国的g i n o f 系统。后来这些系统都向标准化 方向发展，最终形成了g k s 、p h i g s 和g l 等图形显示标准，有的已经被集成到操 作系统等系统软件中。 ( 2 ) 工程绘图系统( d r a f t i n gs y s t e m ) 该类系统可以交互地绘制各种工程图纸，从而实现用计算机来代替图板。发展最 早也最有影响力的是美国洛克希德公司开发的c a d a m 系统和后来由美国a u t o d e s k 公司在微机上开发的a u t o c a d 系统。另外由c v 、i n t e r g r a p h 、a p p l i c o n 、c a l m a 、 a u t o t o o l 、u n i g r a i h i c s 、g e r b e r 等公司开发的早期c a d 产品也主要用于绘图。 ( 3 ) 几何造型系统( g e o m e t r i cm o d e l i n gs y s t e m ) 随着c a d 技术的发展，为了使产品的表达更加直观，具有三维显示功能的c a d 系统出现了，这就是几何造型系统。几何造型系统一般包括线框( w i r e f r a m e ) 、表面 ( s u r f a c e ) s t l 实体( s o i d ) 模型，近年来又增加了基于特征的三维模型。在进入8 0 年代中 期后，一些公司重新设计了新的c a d 系统，这些系统借鉴了以前系统的经验，并在 系统结构、集成化程度、特征造型和参数化设计方面作了很多改进，有代表性的主要 有以下系统： t h r e es p a c e 公司开发的a c i s 系统； c i m p l e xi n c 公司开发的c i m p l e x 系统； a r i e st e c h n o l o g y 公司开发的c o n c e p ts y s t e m 系统； i c a di n c 公司开发的i c a d 系统： i n t e r g r a p h 公司开发的i e m s 系统； p a r a r n e t e r i ct e c h 公司开发的p r o e n g i n e e r i n g 系统； e d s ，u g 公司的p a r a s o l i d 系统 ( 4 ) 产品模型系统( p r o d u c tm o d e l i n gs y s t e m ) 华中理工大学博士学位论文 该系统所描述的对象包括了形状特征、尺寸公差和其他所有工艺参数，是一个统 一完整的产品模型，采用产品数据管理p d m ( p r o d u c td a t am a n a g e m e n t ) 技术，支 持产品在全生命周期内统一的数据模型。 在c a d c a m 技术上，美国迄今为止一直处于世界领先的地位，在某些大型机械 制造企业已经实现了从设计到制造完全的数据信息交换，整个过程没有一张图纸。例 如波音公司在波音7 7 7 飞机的设计中采用了法国达索i b m 公司的c a t i a 三维设计与 仿真系统，整个设计过程不再制作实物模型，实现了真正意义上的“无图纸”飞机。 我国的c a d c a m 技术起步较晚，比发达国家存在着较大的差距。国内自主开发 的c a d 系统大多数是二维辅助绘图系统，个别基于国外a c t s 造型系统开发的三维 c a d 系统在技术水平上、在功能和软件稳定性上与国外的同类产品还有较大的差 距。目前国内还没有自主版权的且在功能和稳定性上可以与国外a c i s 系统、 p a r a s o i d 系统等相抗衡的三维造型核心系统。但是从另一方面讲，我国的c a d c a m 技术的发展速度是迅速的，在1 9 9 0 年以前，国内的二维c a d 软件市场基本上被 a u t o c a d 所垄断，进入九十年代后，一大批国内自主版权的c a d 软件相继出现，如 华中理工大学的开目c a d 、华中理工大学的凯图c a d 、华中理工大学的i n t e c a d 、 北京中科院的p i c a d 、深圳的j c a d 等等，这些c a d 软件是直接针对国内企业开 发的，有着鲜明的特色，在操作方法和软件功能方面已有许多方面超过了同类的国外 软件，并且由于其价格较低，这些c a d 软件在国内各企业得到了广泛的普及，使得 许多企业真正实现了“甩图板”，设计效率和设计质量都大大提高。 1 2 钣金c a d c a m 的研究概况 8 0 年代的c a d c m 系统主要是基于几何造型上的，尽管这些系统都以实体造 型核心模块为基础平台，但表达的零件信息都十分有限，其中的一些几何造型问题至 今仍然未能完全解决。另外，实体造型系统基础上建立的许多c a d c a m 系统在加 工工艺和制造信息的表达能力方面是很弱的，即使采用变量几何造型或参数化几何造 型，也只能解决部分问题。 为了克服纯几何造型的局限性，特征造型的概念被提了出来。在特征造型的过程 中，设计者可以从更抽象的层次上定义和表达零件信息。例如，对于某一个圆柱面， 设计者可以直接将其定义为“孑l ”。 华中理工大学博士学位论文 法国学者yg a r d a n 和c m i n i c h 在对基于特征造型的已有研究成果细致分析后指 出：特征造型也存在着局限性，原因是由于特征的种类的多样性，有许多特征是很难 在零件模型设计阶段给定的，而且即使对于同个特征对象，其在设计阶段和制造阶 段的内容也不尽相同。因此，他们提出特征造型过程应该按阶段进行9 。 事实上，正是因为特征定义自身的复杂性，所以在零件的设计阶段很难给出零件 的完整特征定义，于是许多研究特征的学者将注意力放到了特征抽取和特征识别的研 究领域，期望通过该领域的研究成果能扫清从c a d 到c a m 集成过程中数据连接的 障碍。经过这些学者的努力，目前已经取得了不少的研究成果。 r e g l i 等人对基于暗示( h i n t s ) 和线索( c l u e s ) 的特征抽取和识别方法作了仔细的研究 e 1 0 。具体而言，该方法是通过特征的规则定义，用从已有的线索或暗示中进行推理 和验证的方法进行特征抽取和识别，例如图1 1 ( b ) 所示的零件中的一组相对着的面f 1 和f 2 就是一个槽( s l o t ) 的暗示，于是首先完成从暗示( n ，f 2 ) 到“槽”的推理，然后用图 1 1 ( c ) 所示的以对立面为边界的最大实体来从几何上验证是否的确是槽。 ( a )一_ i，一j，、一 ( b ) 图1 1 从线索和暗示中推理识别特制 ( c ) t cw o o 等人研究了基于体积分解法的特征抽取和识别方法，提出了用分解凸 壳算法来分解机加工时去除的体积，最终，零件可以表达为一系列的凸壳体序列的 “并”或“差”的集合“。在其提出的c a m i 系统中，通过进行“差”的几何运 算获得从毛坯上去除的体积，然后将去除的体积分解为单元体积。先识别一些基本形 状的单元，对于形状复杂的单元可以用一系列平行的平面与零件求交的方法分割成简 单的形状，然后进步分解为单元体积。 由于c s g 模型的表达方法相对于b r e p 的表达方法更简单，并且更容易得到实体 信息，所以l e e 、p e m g 等人研究了如何基于c s g 模型的特征抽取和识别的方法。 l e e 等人采用的方法可以分为三个步骤： ( 1 ) 对于每个体元给定一条或几条轴线，并附加上体元的类型、尺寸和方向特 征： 一一 d 华中理5 - 大学博士学位论文 ( 2 j 将所有的体元放入树结构中，形成c s g 树； ( 3 ) 利用公式a 一( buc ) = ( a b ) 一c 将c s g 树化为无“交”算子的树，然 后将属于同一特征的c s g 节点组合在一起，并转换成特征的表达式。 p e r n g 等人通过集合运算的等效性将c s g 树转化为只含有差运算的c s g 树，即 d s g ( d e s t r u c t i v es o l i dg e o m e t r y ) 树的形式，然后再进行特征识别“。具体做法是： 每个体元v 都定义一个最小包围盒b ，并且令i p 是b 中v 的补集。于是，每个体元 v 可以表达为v - - 8 一i p ( 或i p = b v ) 。将所有的包围盒都移到同棵子树中，则该 子树就表达了毛坯料的体积，而另外棵子树则表达了从毛坯料中去除体积的加工操 作。 在二维面所表达的零件特征抽取和识别方面，p g i b s o n ，s m e e r a n 等人都作出了 创新性的研究。其中p g i b s o n 和h s i s m a i l 等人研究了运用c + + 和s t e p 标准中的 e x p r e s s 语言进行特征定义和特征抽取的方法“。其研制的系统为交互式特征识 别系统，可以接受c a d 系统生成的d x f 格式的数据，图12 所示为该系统的结构框 架。 输i 沁结果 i i ! 广上一一 语法检查卜堂譬执行过程l 一广 l 塑塑厂夏习鏊塑l 图1 2g i b s o n 系统的结构框架 g i b s o n 系统中的数据存储模块完成数据的存储和处理工作；语法检查模块负责接 收用户输入的字符串并检查其语法的正确性；执行过程分为两部分，第一部分是任务 队列，用于保存未来及处理的命令，另部分是执行控制模块，其作用是计算出执行 的结果并输出给用户。 s m e e r a n 和m j p r a t t 则提出了运用规则和启发式推理的方法从二维图提取和识 别特征的原理，他们以二维c a d 生成的d x f 格式的数据文件为基础，通过对三视 图投影关系的研究，建立了一套识别孔、通槽、矩形内槽、台阶和螺纹等孤立特征的 华中理工大学博士学位论文 产生式规则，然后用启发式推理的方法搜索和识别三视图中表达的特征”。另外， s m e r r a n 等人还进行了特征识别系统和c a p p 、n c 的集成研究。 特征抽取和特征识别技术在钣金c a d c a m 中的应用方法也得到了广泛的研 究，k h s e e 和 lt l o h 等人将特征抽取和识别过程应用于钣金零件的展开过程 中，通过对三维造型得到的钣金零件进行特征抽取和识别，得到了面与面的邻接关 系，然后基于该邻接关系完成对钣金零件展开图的计算u 。r e g g e n b a s s 和r e i s s n e r 针对平钣类钣金零件，采用专家系统来进行特征识别，并自动生成钣金零件的数控冲 裁与激光切割加工的数控程序j 。n n a j i 和k a n g 等人以基于实体模型生成的钣金零 件为对象，采用欧拉公式、特征拓扑分层结构对零件的特征进行了识别，并给出了 组钣金零件特征抽取和识别的准则u 。j a g i r d i r 等人针对钣金零件的剪切加工的 方法，构造了一种剪切加工特征分类体系，研究了各类特征的识别方法“1 。 t r a p p y 等研究了钣金零件特征的层次表达方法，将零件特征的层次分为主特征、制 造特征和基本特征，每个钣金零件被定义为一组主特征的集合，制造特征是定义主特 征的元素；每个制造特征对应一个工艺过程，并由一个或几个形状特征所组成“。 由于特征造型技术和特征抽取与识别技术目前尚存在着许多不足之处，因此许多 学者将研究对象直接转到了零件的c a m 阶段。就钣金零件的c a m 而言，比较活跃 的研究领域包括：钣金零件的优化排样、钣金零件折弯工艺c a p p 、钣金零件的数控 加工等。b r y a n 等提出了一种基于知识的长条状钣金零件下料图的设计方法，并给出 了一个以e x p e r t e c h sx i p l u s 为专家系统平台的下科图设计原型系统u 。p r a s a d 等 对具有不规n - 维形状的钣金零件优化排样作了认真地研究，著提出了一种以启发式 推理为基础的优化排样方法比“。m i n g y a n gy a n g 等则提出了一种用r m a p 方法进行 线切割n c 代码校验的方法“。c l a u d e o l i v i e r 等人构造了套对钣金零件的加工过 程进行仿真的系统，该系统由三部分组成，分别完成钣金零件在毛坯钣料上的排样、 折弯加工仿真和冲压加工仿真1 2 b j 。 传统设计思想认为，钣金零件的三维结构的构造一定要有三维实体造型平台的支 持，但是因为钣金零件有其特殊性，三维造型平台并不是必需的。以色列学者m s h p i t a l n i 等在钣金件的构造方法上进行了探索性的研究，并在“a n n u a l so fc i r p ” 上撰文讨论了在零厚度假设下利用各种约束进行钣金零件结构设计的可能性比。因 为钣金零件的母钣是等厚度的，所以可以将钣金零件的结构抽象成由一组零厚度的面 构成，这就是零厚度假设。在钣盒零件的零厚度假设下，表达钣金零件的数据结构可 以大大简化，并且从数据结构中可以很容易地得到孔、折弯边等工艺特征，而不需要 设计复杂的特征抽取和识别算法，使得从c a d 到c a m 的集成更加容易和方便。 华中理工大学博士学位论文 但是m s h p i t a l n i 提出的具体实现方法是首先绘制出二维的展开图( l a y o u t ) ，然 后再通过定义约束的方法构造出钣金零件的结构，图1 3 是m s h p i t a l n i 给出的一个 实例，图1 3 ( a ) 所示为钣金零件的二维展开图，通过对a t 、e d 、g - 、e f 等边的 三维空间约束关系的定义，并利用三维造型程序的约束求解功能，构成图1 3 ( b ) 所示 钣金零件m y - 维结构。 a b f d c ( a ) ( b ) 图1 3 通过定义约束的方法构造钣金零件 这种方法存在着缺点，因为在没有设计出钣金零件三维结构之前，要直接画出二 维展开图是很困难的，尤其对于复杂的钣金零件结构更是如此；另外，通过定义约束 来设计钣金零件结构的方法很不直观，而且约束本身的确定也不容易。传统的钣金零 件设计方法中常采用三视图来表达钣金三维结构，但是由于三视图中存在大量的剖视 图、局部放大、简化画法等特殊表达方法，所以用计算机识别三视图非常困难。为更 容易实现c a d 到c a m 的集成，应首先构造出钣金零件的三维结构，本文提出的“面 融合技术”就是一种在零厚度假设下构造钣金三维结构的方法。 1 3 钣金c a d c a m 的应用概况2 8 嗡3 钣金零件被广泛地应用于机电、轻工、汽车等行业，它是由薄钣材料经冲压、剪 切、折弯和焊接等工序而加工完成，其典型特点是零件的毛坯为薄钣材料，并且零件 可以被展开到平面上。在工业生产中，钣会零件的设计与加工占有相当大的比例。掘 统计，市场上近百分之九十的会属制品是钣金件。市场需求的日益加大，需要钣金生 产的设计速度和质量进一步提高，而传统的钣会设计加工方法已经越来越不适应这 一一 7 华中理工大学博士学位论文 要求。 传统的钣金设计加工，从零件的设计开始，一直到钣金件的放样展开、加工工艺 的制定以及零件的加工过程都由手工完成。近年来，国内许多企业引进了许多先进的 饭金加工数控设备，但是这些设备的数控程序仍然需要人来手工编制。这种钣金的设 计和制造方式存在以下问题： ( 1 ) 对设计和制造者的要求过高。要求设计人员和钣金数控设备的操作者掌握 大量而深入的结构设计、加工工艺和数控编程方面的专业知识，并且要具有丰富的实 践经验。 ( 2 ) 设计和编程的工作量过大。当展开图精度要求较高时，由于分点数的增加， 设计人员的计算量会很大；另外数控机床的操作者对每一个零件进行手工编程也很费 时费力。 ( 3 ) 重复工作多。当钣金零件的尺寸、形状具有系列性时，在零件的设计和制 造过程中存在着大量的重复性劳动，这些工作用手工完成效率很低。 ( 4 ) 容易出错，废品率高。 正是由于传统的手工方法已不能满足市场和社会的需要，于是将c a d c a m 技术 运用于钣金零件的设计和加工制造过程就显得十分必要了。钣金件的c a d c a m 是 随着计算机图形学、几何造型等技术的发展而发展起来的，它一直是c a d c a m 技 术的一个重要的研究领域，而且该领域本身也十分广阔，它包括钣金件的设计、制造、 仿真、性能分析等诸多分领域，本文所涉及的主要是钣金零件的设计与制造。 随着c a d c a m 技术的成熟，国外许多软件开发者都先后推出了自己的钣金 c a d c a m 系统，其中比较著名的有：p r o e n g i n e e r i n g 钣金系统、i - d e a s 钣金系 统、u g i i 钣金系统、和微机平台上的s o l i d e d g e 钣金系统及s o l i d w o r k s 钣金系统。 这些钣金c a d c a m ( 有的只有c a d 系统) 都是以三维造型核心系统作为软件平台 开发的。 国内钣金c a d c a m 才刚起步，许多大学和研究所已经开发了一些钣金零件的辅 助设计和辅助制造软件，但是大部分是针对某企业开发的专用系统，不具有通用 性。由于受国外c a d c a m 设计思路的影响，许多c a d c a m 软件开发者认为钣金 c a d c a m 系统一定要有三维实体造型系统的支持，但是三维造型系统的造型过程十 分复杂，而且系统维护困难，因此大多数国内钣金c a d c a m 系统都是以已经展开 后的钣金件为研究对象，实现的功能主要有数控加工程序的辅助编程( 如线切割加工 等) 、钣料的排样、折弯过程辅助工艺规划等，但从钣金零件的c a d 到c a m 的一 体化集成方面还做得很不够。正是因为这个原因，本文研究了如何以二维绘图环境为 华中理工大学博士学位论文 支撑平台构造三维的钣金零件结构，并进步实现c a d 和c a m 的集成的方法。 1 4 课题的来源及意义 “基于面融合的钣金c a d c a m ”是经过广泛的市场调查和学术调研后确定的一 个自选课题，是开目集成技术有限公司开拓软件市场而选定的一个钣金软件产品的基 础课题，课题研究的对象主要是开关柜行业的各类钣金件。在开关柜行业中，绝大多 数的钣金件是平钣折弯件，也有少数的曲面钣金零件。无论是曲面钣金件还是平钣折 弯件，在设计和展开的过程中计算和画图的工作都很繁重，用手工完成时很容易出 错：即使得到了正确的展开图，当编制的加工程序发生错误时，一批钣金零件都会因 此而成为废品，造成巨大的损失。因此，研究如何利用计算机辅助技术实现钣金零件 的c a d c 舢订的集成，从而提高钣金零件的设计效率和产品质量有着重大的学术价 值和极大的社会经济效益。 所谓“面融合技术”是指在零厚度假设下，钣金零件的各面单独设计，第一个面 作为初始的三维结构，在后续面的设计过程中将所设计的面逐个地按一定要求融合到 已经设计好的三维结构中，最终形成表达钣金零件的三维结构的方法。面融合技术对 各个面的法向、边界环线的方向及各公共边之间的关系都有特殊的要求。因此，面融 合的过程不是各个面的简单拼凑，而是各个面及其他相关信息有机的融合。 因为面融合技术构造钣金零件的结构是以零厚度假设为基础的，所以不需要三维 实体造型平台的支持，而只要简单的二维绘图平台就可以了。首先利用二维c a d 平 台绘制出钣金零件中各个组成面的二维结构，然后通过给面附加一个三维的空间位置 信息，将该面变成三维面，即将设计好的面放到三维空间的指定的位置上，最后利用 面融合技术将三维空间中的各个面组织在一起就构成了钣金零件的三维结构。面融合 的设计方法使得设计者可以将精力放到每一个组成面的设计上，因此其设计过程比直 接用三维实体造型的方法设计要更加简洁和直观。另外，用面融合技术设计的钣金零 件进行展开操作的处理也远比用三维实体造型的方法简单。展开后生成的展开图可以 输出下料图，也可以直接提供给后续的c a m 模块，实现c a d c a m 的集成。 与面融合方法构造钣金零件的过程相比，基于三维实体造型的钣金c a d ，c a m 系 统要复杂得多，其原因是由于三维造型核心模块十分复杂，导致用户必须在设计过程 中顾及许多造型的细节，并输入许多附加的三维信息( 有些信息并不是零件本身所必 须的，如不断地定义和选择参考面) ，所以其使用和维护都比较困难。而面融合方法 构造钣舍零件的过程中从面的二维形状的设计到面的空间位置的定义十分简洁、直 华中理工大学博士学位论文 观，并且由于饭金零件制造过程的特殊性，以二维绘图系统为平台很容易实现从c a d 到c a m 的数据传递，从而为钣金零件的c a d c a m 集成提供了方便。 1 5 课题研究的内容和论文的主要工作 面融合技术主要研究以下问题： ( 1 ) 面融合技术的设计策略和设计方法 ( 2 ) 面融合技术的数据表达 ( 3 ) 面融合技术的实现算法 ( 4 ) 用面融合方法设计的钣金件的展开方法及算法 ( 5 ) 用面融合方法设计的钣金件结构的修改策略 针对以上的各项要研究的问题，本文主要做了以下工作： ( 1 ) 面融合技术设计策略的理论探讨 分析了在零厚度假设下，利用面融合技术构造钣金零件的可行性、优越性和局限 性，并讨论了实现的办法。 ( 2 ) 面融合技术设计方法的研究 研究了基于面融合技术的钣金零件设计方法、交互方式及融合算法，用v i s u a l c + + 在w i n d o w s 9 5 n t 环境下编写了基于面融合技术的钣金交互设计程序，实现了零 厚度假设下的面融合算法。 ( 3 ) 面融合技术下展开方法的研究 研究了如何将面融合技术设计的钣金零件的三维结构展开到平面上的方法和要 考虑的主要工艺问题。用程序实现了饭金零件的交互式展开算法，并最终在二维c a d 平台上生成了二维展开图的图形。 ( 4 ) 与其他软件的数据接口的研究 研制了与华中理工大学机械学院自动化所的排样软件a u t o c u t 的数据接口，讨 论了基于面融合技术的钣金零件数据与其他三维实体造型软件交换数据的可能性。 ( 5 ) 典型钣金零件结构参数化展开图库的研制 作为基于面融合技术的钣金零件造型系统的补充，研究和开发了数百个典型钣金 零件结构的参数化展开图库。 ( 6 ) 可视化数控冲床图形编程系统的研制 针对国内普遍采用的f a n u c p 和m a p 一1 0 0 0 等冲压数控指令系统，研究和丌发 o 华中理工大学博士学位论文 了可视化图形编程系统，并对其中的关键技术作了较为深入的探讨和研究。 1 6 本章小结 本章简单阐述了c a d c a m 技术的产生和发展的历史，概述了钣金c a d c a m 的发展状况，总结了我国的c a d c a m 发展水平。说明了课题的来源、目的和意义， 并简单介绍了论文主要的研究工作。 华中理工大学博士学位论文 2 1钣金c a d c a m 软件系统的总体结构 k m c a d 二维绘图系统 j jl 钣金设计及展开模块钣金展开图库 钣金数控冲压加工模块 l 钣钣钣 二 刀 加 指 金金金 维 展 展 展 具 工 令 数 结三结 展 开 开 开选 对 釉 控 构维构 开 图 参 图 择 象 图 代 设交展 图 接 数 计 釉 交 形 码 计互 开 生 口 输 算 管 互 对 优 程程程 成 程 入 程理 程 应 化 序序序 程 序 程 序 程 序 程 程 序 序 序序 序 图2 1 软件系统总体结构图 软件系统就功能而占可分为三大部分：钣金零件的设计及展开模块、钣金零件展 开图库、钣金零件的数控冲压加工。这三个模块都以开目c a d 二维设计模块作为底层 平台，其中钣金设计及展丌模块又包括有：钣金结构设计程序、钣金零件的三维交互 程序、钣会结构展开程序以及二维展开图生成程序；钣会零件展开图库是针对钣会展 丌手册上给出的典型饭会结构的展开图( 如弯管类展开图) 而设计的全参数化展丌图 华中理工大学博士学位论文 库，其软件结构主要包括：展开图库接口程序、展开参数输入程序和展开图计算程序。 钣金零件的数控加工模块是以国内现有的且使用最普遍的两类数控冲床控制系统 f a n u c p 和m a p 1 0 0 0 系统为例设计的c a m 系统，该系统包括：刀具选择和管理程序、 加工对象交互程序、指令和图形对应程序、数控代码优化程序等，另外软件系统还针 对其它软件( 如排样软件、三维造型软件) 设计了数据接口，图2 1 为系统总体结构 图。 2 2 钣金c a d c a m 软件系统的功能及数据流 零件类型选择 钣金结构设计 l l lli f ) 弧 零 件 il 模 旷) 型 i l 1 f 图库展开计算ff 三维展开计算 i 1 l 维 哑工 展 开 网 妙 数控图形编程 l i呤 1 数控代码1 ji 图2 2 钣金c a d c a m 系统的数据流 华中理工大学博士学位论文 本饭金c a d c a m 系统主要针对开关柜行业设计的，它可以完成对钣金零件结构的 设计、展开、排样( 与另外一个排样软件集成) 、数控冲压加工、数控线切割( 与另外 个加工软件集成) ，并且对于非开关柜行业中常遇到的典型钣金零件提供了有效的 展开图库，该图库中只要通过人机交互方式输入相应参数，软件就可以自动计算并生 成展丌图图样，该图样既可以打印输出，也可以直接作为输入数据提供给后续的辅助 加工程序。图2 2 为钣金c a d 系统的数据流。 2 3 钣金c a d c a m 软件系统的实现 3 6 叫1 2 3 1钣金设计模块的软件结构 钣金零件设计模块是软件系统的主要基础模块之一，采用两个视图类 ( c d r a f t v i e w 和c s h e e t m e t a l v i e w ) 与一个文档类( c s h e e t m e t a l d o c ) ，c d r a f t v i e w 类 主要完成二维图的绘制和修改，而c s h e e t m e t a l v i e w 则是利用o p e n g l 显示三维钣金 零件结构，与钣金c a d 相关的数据都记录在c s h e e t m e t a d o c 类中，图2 3 为钣金零 件设计模