鈑金零件的特征設計
http://www.dcyhziu.cn 2007/6/26 源自:中華職工學習網 【字體：
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鈑金零件是一種被廣泛應用于機電、輕工、汽車等行業的零件，過去傳統的生產方法，由于周期長、效率低、質量差等缺點已經越來越不適應現代的設計要求。因此，在微機上開發鈑金件CAD系統是非常有意義的。
0 引言
鈑金零件是一種被廣泛應用于機電、輕工、汽車等行業的零件，過去傳統的生產方法，由于周期長、效率低、質量差等缺點已經越來越不適應現代的設計要求，為了克服這些弊端，人們開發出一些先進的CAD系統，如Parametric Technolog公司的Pro/SHEETMETAL、Integraph公司FlatPatternand Nesting等，這些專門的鈑金零件設計系統，雖然功能十分強大，但是由于大多運行在工作站上，無論軟件還是硬件都顯得很昂貴，因此，在微機上開發鈑金件CAD系統是非常有意義的。
1鈑金件特點和造型要求
1.1鈑金零件的特點鈑金零件一般可分為三類：
（1）平板類指一般的平面沖裁件。（2）彎曲類由彎曲或彎曲加簡單成形構成的零件。（３）成形類由拉伸等成形方法加工而成的規則曲面類或自由曲面類零件。這些零件都是由平板毛坯經沖切及變形等沖壓方式而加工出來的，它們與一般機加工方式加工出來的零件存在著很大差別。在沖壓加工方式中，彎曲變形是使鈑金零件產生復雜空間位置關系的主要加工方式。而其它加工方法一般只是在平板上產生凸起或凹陷以及缺口、孔和邊緣等形狀。這一特點是在建立鈑金零件造型系統時所必須注意的。
1.2鈑金零件產品造型要求在模具設計過程中，鈑金零件的形狀是模具設計的主要依據，它決定了模具的總體結構和形狀。而鈑金零件的尺寸公差則影響著模具工作部分（如凸凹模等）形狀的尺寸及公差。另外，鈑金零件的材料、形位公差及技術要求等對模具的工作部件有較大的影響。因此，鈑金零件模型除應包含形狀信息外，還必須包含零件的尺寸公差、精度、材料以及技術要求等信息，這樣才能保證模具設計結果的準確性。鈑金零件模型是后續模具設計應用程序所需各種信息的載體，這就要求零件模型能夠反映出鈑金零件的特點，具體地說就是要反映出鈑金零件的工程語義，使模具設計應用程序可以理解方便地提取出所需要的信息。另一方面，３維鈑金零件一般具有復雜的空間位置關系，只有根據鈑金零件的形狀特點進行構造，才可能簡化用戶操作。
2鈑金件特征設計
2.1現有鈑金造型方法
目前，已有針對鈑金零件特點而提出來的幾何造型方法，主要有2D鈑金零件的幾何造型和３D鈑金零件的幾何造型。前者包括編碼法、面素拼合法和交互尺寸輸入法等；后者有彎曲變換拼合法、體素拼合法等方法。上述所有造型方法存在的共同缺點是當定義出錯時，修改非常麻煩，甚至可能需要重新輸入。所建立的零件模型，包含的信息也不完備，特別是缺少有關工程語義信息。當零件復雜時，造型過程也非常繁瑣。
2.2鈑金件特征描述
通過以上對鈑金零件特點以及零件模型要求的分析，以及對現有的幾種鈑金零件的幾何造型方法的介紹，可以看到，要建立一個既反映鈑金零件特點又能滿足CAD燉CAM系統要求的鈑金零件模型，采用特征造型技術是一個有效的辦法。它除了能提供鈑金零件的完整的信息模型外，而且還可以較好地解決現有一些幾何造型方法所存在的問題。目前一些商用的造型系統如Pro/ Engineering等都是采用特征造型方法來建立模型進行零件的表達。
特征是產品描述信息的集合，它不僅具有按一定拓撲關系組成的特定形狀，而且反映特定的工程語義，適宜在設計、分析和制造中使用。特征是實現CAD/CAPP/CAM集成的關鍵。特征可以分為：形狀特征、精度特征、材料特征等，其中形狀特征是關鍵，是其它特征的載體或基體，也是實現參數化特征造型的核心，它可以定義為具有一定工程意義的幾何形體或實體。零件的結構與形狀是產品定義的主要內容之一，如何用形狀特征及其相互關系來描述一個產品的結構與形狀，是特征建模的首要問題，每個鈑金零件都可以分解為一個或多個形狀特征，顯而易見，從特征構型的角度來看，鈑金件是由一系列特征構成，它們之間的相互聯系便構成一個完整的零件。根據鈑金件特點，可以歸納出如下特征：
（1）平面特征構成零件的平面形狀，是零件的基本部分，是連接彎曲的部分，也是局部成形和沖孔的母體。平面特征的幾何形狀由一個圖形元素（直線、圓弧等）鏈loop來表示。
（2）彎曲特征它是由彎曲加工工序產生的形狀，這里以簡單彎曲特征為例，即由圓柱面表示的彎曲區。彎曲特征由組成該特征的幾何元素和彎曲屬性來表示。其數據結構為：
typedefstructbend
｛
doublebang；
doublebrad；
doublebwidth；
……
｝BEND
（3）孔特征它作為一般子特征而依附于其它特征，如在平面或彎曲特征上沖孔。孔的數據結構與平面特征基本相同。
（4）局部成形特征由局部成形工序在沖壓件上產生的形狀。通常它的形狀固定，尺寸不同，因此可以用參數來表達。
（5）用戶自定義特征由于鈑金件種類繁多，往往會用到一些新的特征，因此特征建模系統有必要為用戶提供自定義的手段。
其中，鈑金件是以平面和彎曲面為主特征，而沖孔和局部成形特征作為主特征的附屬特征來描述。每個平面特征可以與多個彎曲特征相連，而每個彎曲特征只能在兩端與兩個平面特征相連，根據特征在鈑金件展開中的作用，每個鈑金件都定義了一個基準特征，通過主特征之間的關系，可將零件按多*特征樹形式分解（圖1a），該特征樹的根就是基準形狀特征，由于多*樹（圖1b）的操作處理比較麻煩，因而以二*樹（圖1c）的形式表達和處理多*樹。
2.3特征信息描述
現狀特征不僅是低層次設計信息的抽象，而且是其它非幾何特征信息的載體，因此是產品信息模型中最重要的部分。目前，還沒有一種關于特征的廣為人們接受的定義及其描述方法。人工輔助特征識別是將特征的識別和映射任務交給人來完成，自動化程度低；特征自動識別算法復雜，至今只對簡單形狀的識別比較有效。更合理的方法是使設計人能夠按形狀來建立模型并儲存其信息，而不是事后識別形狀特征。因此，本文進行基于特征設計方法的研究，提出特征描述方法，該方法根據集成化制造系統的要求，統一規劃產品描述的多級抽象結構，以提高系統的時間效率和空間效率。
形狀特征的描述分為三層。頂層是特征關系樹，它描述產品的總體形狀如何由各特征元素組成，特征間的關系用連接來表達，如鄰接關系反應了特征間的連接關系，父子關系反應了特征的從屬關系。特征關系樹將物體分解成低級元素，并顯示表達特征間的相互關系和相互作用，這種分解給產品模型增加一定程度的智能，給用戶提供了符合人們思維形式的高級環境。第二層是每個形狀特征的定義，包括工程關鍵詞和有關參數，各基本特征的參數表描述了各特征元素的屬性參數，如彎曲角的特征參數是彎曲角度和半徑，這是一種隱式表達數據實體的方法，它將形狀信息參數化地而不是幾何地組織進數據結構中，相對來說，隱式表達更易為應用操作所控制和利用。第三層是簡化對稱邊界圖，它描述組成物體的面、邊、點及其相互關系，面的存在為精度特征的描述提供了依據，而且在計算機繪圖等應用中，也需要產品的拓撲和幾何數據。
由于形狀特征的建模既具備高層次的形狀特征信息，又具備對形狀特征進行分解產生的低層次幾何要素信息。因此，精度特征和材料特征表達所依據的形狀信息是完備的，可以分別精度特征和材料特征的描述框架，然后通過指針與形狀特征聯成網絡。
2.4特征造型的實現
在本文中，選用AutoCAD作為特征造型建立鈑金零件產品模型的設計平臺，并且引進參數化技術，特征具有參數化的性質，其屬性以參數的形式來表達。設計師預先建立特征庫，其中包含常用鈑金零件的特征，如平板、孔以及各種形式的槽等，設計是首先輸入零件的總體信息，選擇特征庫中基體類特征，生成基體特征，以此為基礎，進行特征裝配造型。然后循環從特征庫中選擇所需要的特征，通過特征參數表和定位參數表給出特征參數和定位參數，并進行特征裝配，建立形狀特征模型。最后輸入其它特征信息，建立產品特征模型。
3結論
利用這種思想建立的特征零件模型具有以下特點：（1）集成性特征造型系統為下游應用的各環節提供了一個具有幾何、屬性和知識的信息完備的產品模型，從而為CAD、CAPP和CAM各應用模塊的集成提供了實現的基礎。（2）表達信息的豐富性相對于幾何造型軟件，基于特征建模提供了一種更自然方便表達設計者意圖的方法，允許設計者直接用工程術語描述零件。（3）信息描述的多層次性產品模型既有高層次的特征參數和特征關系，又有低層次的幾何拓撲元素，一方面為后續的特征評價提供了高層次的語義信息，另一方面為尺寸和精度特征的表示提供了依據實體。
0 引言
鈑金零件是一種被廣泛應用于機電、輕工、汽車等行業的零件，過去傳統的生產方法，由于周期長、效率低、質量差等缺點已經越來越不適應現代的設計要求，為了克服這些弊端，人們開發出一些先進的CAD系統，如Parametric Technolog公司的Pro/SHEETMETAL、Integraph公司FlatPatternand Nesting等，這些專門的鈑金零件設計系統，雖然功能十分強大，但是由于大多運行在工作站上，無論軟件還是硬件都顯得很昂貴，因此，在微機上開發鈑金件CAD系統是非常有意義的。
1鈑金件特點和造型要求
1.1鈑金零件的特點鈑金零件一般可分為三類：
（1）平板類指一般的平面沖裁件。（2）彎曲類由彎曲或彎曲加簡單成形構成的零件。（３）成形類由拉伸等成形方法加工而成的規則曲面類或自由曲面類零件。這些零件都是由平板毛坯經沖切及變形等沖壓方式而加工出來的，它們與一般機加工方式加工出來的零件存在著很大差別。在沖壓加工方式中，彎曲變形是使鈑金零件產生復雜空間位置關系的主要加工方式。而其它加工方法一般只是在平板上產生凸起或凹陷以及缺口、孔和邊緣等形狀。這一特點是在建立鈑金零件造型系統時所必須注意的。
1.2鈑金零件產品造型要求在模具設計過程中，鈑金零件的形狀是模具設計的主要依據，它決定了模具的總體結構和形狀。而鈑金零件的尺寸公差則影響著模具工作部分（如凸凹模等）形狀的尺寸及公差。另外，鈑金零件的材料、形位公差及技術要求等對模具的工作部件有較大的影響。因此，鈑金零件模型除應包含形狀信息外，還必須包含零件的尺寸公差、精度、材料以及技術要求等信息，這樣才能保證模具設計結果的準確性。鈑金零件模型是后續模具設計應用程序所需各種信息的載體，這就要求零件模型能夠反映出鈑金零件的特點，具體地說就是要反映出鈑金零件的工程語義，使模具設計應用程序可以理解方便地提取出所需要的信息。另一方面，３維鈑金零件一般具有復雜的空間位置關系，只有根據鈑金零件的形狀特點進行構造，才可能簡化用戶操作。
2鈑金件特征設計
2.1現有鈑金造型方法
目前，已有針對鈑金零件特點而提出來的幾何造型方法，主要有2D鈑金零件的幾何造型和３D鈑金零件的幾何造型。前者包括編碼法、面素拼合法和交互尺寸輸入法等；后者有彎曲變換拼合法、體素拼合法等方法。上述所有造型方法存在的共同缺點是當定義出錯時，修改非常麻煩，甚至可能需要重新輸入。所建立的零件模型，包含的信息也不完備，特別是缺少有關工程語義信息。當零件復雜時，造型過程也非常繁瑣。
2.2鈑金件特征描述
通過以上對鈑金零件特點以及零件模型要求的分析，以及對現有的幾種鈑金零件的幾何造型方法的介紹，可以看到，要建立一個既反映鈑金零件特點又能滿足CAD燉CAM系統要求的鈑金零件模型，采用特征造型技術是一個有效的辦法。它除了能提供鈑金零件的完整的信息模型外，而且還可以較好地解決現有一些幾何造型方法所存在的問題。目前一些商用的造型系統如Pro/ Engineering等都是采用特征造型方法來建立模型進行零件的表達。
特征是產品描述信息的集合，它不僅具有按一定拓撲關系組成的特定形狀，而且反映特定的工程語義，適宜在設計、分析和制造中使用。特征是實現CAD/CAPP/CAM集成的關鍵。特征可以分為：形狀特征、精度特征、材料特征等，其中形狀特征是關鍵，是其它特征的載體或基體，也是實現參數化特征造型的核心，它可以定義為具有一定工程意義的幾何形體或實體。零件的結構與形狀是產品定義的主要內容之一，如何用形狀特征及其相互關系來描述一個產品的結構與形狀，是特征建模的首要問題，每個鈑金零件都可以分解為一個或多個形狀特征，顯而易見，從特征構型的角度來看，鈑金件是由一系列特征構成，它們之間的相互聯系便構成一個完整的零件。根據鈑金件特點，可以歸納出如下特征：
（1）平面特征構成零件的平面形狀，是零件的基本部分，是連接彎曲的部分，也是局部成形和沖孔的母體。平面特征的幾何形狀由一個圖形元素（直線、圓弧等）鏈loop來表示。
（2）彎曲特征它是由彎曲加工工序產生的形狀，這里以簡單彎曲特征為例，即由圓柱面表示的彎曲區。彎曲特征由組成該特征的幾何元素和彎曲屬性來表示。其數據結構為：
typedefstructbend
｛
doublebang；
doublebrad；
doublebwidth；
……
｝BEND
（3）孔特征它作為一般子特征而依附于其它特征，如在平面或彎曲特征上沖孔。孔的數據結構與平面特征基本相同。
（4）局部成形特征由局部成形工序在沖壓件上產生的形狀。通常它的形狀固定，尺寸不同，因此可以用參數來表達。
（5）用戶自定義特征由于鈑金件種類繁多，往往會用到一些新的特征，因此特征建模系統有必要為用戶提供自定義的手段。
其中，鈑金件是以平面和彎曲面為主特征，而沖孔和局部成形特征作為主特征的附屬特征來描述。每個平面特征可以與多個彎曲特征相連，而每個彎曲特征只能在兩端與兩個平面特征相連，根據特征在鈑金件展開中的作用，每個鈑金件都定義了一個基準特征，通過主特征之間的關系，可將零件按多*特征樹形式分解（圖1a），該特征樹的根就是基準形狀特征，由于多*樹（圖1b）的操作處理比較麻煩，因而以二*樹（圖1c）的形式表達和處理多*樹。
2.3特征信息描述
現狀特征不僅是低層次設計信息的抽象，而且是其它非幾何特征信息的載體，因此是產品信息模型中最重要的部分。目前，還沒有一種關于特征的廣為人們接受的定義及其描述方法。人工輔助特征識別是將特征的識別和映射任務交給人來完成，自動化程度低；特征自動識別算法復雜，至今只對簡單形狀的識別比較有效。更合理的方法是使設計人能夠按形狀來建立模型并儲存其信息，而不是事后識別形狀特征。因此，本文進行基于特征設計方法的研究，提出特征描述方法，該方法根據集成化制造系統的要求，統一規劃產品描述的多級抽象結構，以提高系統的時間效率和空間效率。
形狀特征的描述分為三層。頂層是特征關系樹，它描述產品的總體形狀如何由各特征元素組成，特征間的關系用連接來表達，如鄰接關系反應了特征間的連接關系，父子關系反應了特征的從屬關系。特征關系樹將物體分解成低級元素，并顯示表達特征間的相互關系和相互作用，這種分解給產品模型增加一定程度的智能，給用戶提供了符合人們思維形式的高級環境。第二層是每個形狀特征的定義，包括工程關鍵詞和有關參數，各基本特征的參數表描述了各特征元素的屬性參數，如彎曲角的特征參數是彎曲角度和半徑，這是一種隱式表達數據實體的方法，它將形狀信息參數化地而不是幾何地組織進數據結構中，相對來說，隱式表達更易為應用操作所控制和利用。第三層是簡化對稱邊界圖，它描述組成物體的面、邊、點及其相互關系，面的存在為精度特征的描述提供了依據，而且在計算機繪圖等應用中，也需要產品的拓撲和幾何數據。
由于形狀特征的建模既具備高層次的形狀特征信息，又具備對形狀特征進行分解產生的低層次幾何要素信息。因此，精度特征和材料特征表達所依據的形狀信息是完備的，可以分別精度特征和材料特征的描述框架，然后通過指針與形狀特征聯成網絡。
2.4特征造型的實現
在本文中，選用AutoCAD作為特征造型建立鈑金零件產品模型的設計平臺，并且引進參數化技術，特征具有參數化的性質，其屬性以參數的形式來表達。設計師預先建立特征庫，其中包含常用鈑金零件的特征，如平板、孔以及各種形式的槽等，設計是首先輸入零件的總體信息，選擇特征庫中基體類特征，生成基體特征，以此為基礎，進行特征裝配造型。然后循環從特征庫中選擇所需要的特征，通過特征參數表和定位參數表給出特征參數和定位參數，并進行特征裝配，建立形狀特征模型。最后輸入其它特征信息，建立產品特征模型。
3結論
利用這種思想建立的特征零件模型具有以下特點：（1）集成性特征造型系統為下游應用的各環節提供了一個具有幾何、屬性和知識的信息完備的產品模型，從而為CAD、CAPP和CAM各應用模塊的集成提供了實現的基礎。（2）表達信息的豐富性相對于幾何造型軟件，基于特征建模提供了一種更自然方便表達設計者意圖的方法，允許設計者直接用工程術語描述零件。（3）信息描述的多層次性產品模型既有高層次的特征參數和特征關系，又有低層次的幾何拓撲元素，一方面為后續的特征評價提供了高層次的語義信息，另一方面為尺寸和精度特征的表示提供了依據實體。
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