王拴繪，李夢(mèng)群

（中北大學(xué)，山西 太原 030051）

0 引言

現(xiàn)有很多類型的鈑金專業(yè)設(shè)計(jì)軟件，如RADAN、FASTCAM、Topsolid、Inventor、MDT 和 AutoCUT等，但是這類專業(yè)軟件存在價(jià)格高、與我國(guó)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)不匹配等問(wèn)題。現(xiàn)有的三維軟件，如Pro／E、UG、Solid Works、CATIA都具有鈑金模塊，但也只能實(shí)現(xiàn)一些簡(jiǎn)單鈑金件的展開(kāi)，要實(shí)現(xiàn)復(fù)雜鈑金件展開(kāi)以及展開(kāi)件的排樣，則需要對(duì)相應(yīng)軟件的API（應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)接口）函數(shù)進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)?，F(xiàn)階段相關(guān)的研究只完成了鈑金的部分工藝，如華中科技大學(xué)郝明等人利用自主研制的FASTAMP求解器，以Pro／E為平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜鈑金件的展開(kāi)；南京航空航天大學(xué)洪晴等人以CATIA為平臺(tái)通過(guò)Automation及CAA二次開(kāi)發(fā)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了飛機(jī)復(fù)雜鈑金件的展開(kāi)；華中科技大學(xué)秦宇等人在Solid Works平臺(tái)上，開(kāi)發(fā)了一套面向沖壓工藝的坯料展開(kāi)模擬系統(tǒng)SW－BEX。

本文在上述已有技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行深入研究，實(shí)現(xiàn)了鈑金件的參數(shù)化展開(kāi)，以及鈑金展開(kāi)件的自動(dòng)排樣，很好地解決了鈑金下料前的設(shè)計(jì)計(jì)算工作。

1 鈑金件參數(shù)化展開(kāi)及排樣系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

三維軟件建立的鈑金模型是經(jīng)過(guò)一系列加工步驟之后的最終產(chǎn)品，所以不能直接用于生產(chǎn)，要對(duì)鈑金模型進(jìn)行展開(kāi)、排樣以及工藝決策之后才能符合生產(chǎn)設(shè)備的要求。主流三維軟件都具有鈑金模塊，并且能夠?qū)崿F(xiàn)簡(jiǎn)單鈑金件的展開(kāi)，對(duì)于復(fù)雜鈑金件（如相貫鈑金件）則無(wú)法展開(kāi)。因此，本文應(yīng)用三維軟件自帶的API函數(shù)對(duì)三維軟件進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜鈑金件的展開(kāi)和展開(kāi)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，利用Pro／E自帶的二次開(kāi)發(fā)工具編制后臺(tái)程序，便于信息的調(diào)用和存儲(chǔ)。

1.1 鈑金件的參數(shù)化展開(kāi)

圖1為鈑金件參數(shù)化展開(kāi)原理。根據(jù)鈑金的功能和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)本文將可展鈑金分為6種類型：異徑異口三通管、圓錐管及其組合件、等徑圓管鈑金件、棱錐管及其組合件、圓方過(guò)渡接頭和其他可展開(kāi)板金件。首先對(duì)其中一類鈑金的具體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，確定各幾何要素的位置關(guān)系和長(zhǎng)度關(guān)系，從中提取出模型所需要的參數(shù)，建立該鈑金件的展開(kāi)圖，然后圍繞模型參數(shù)設(shè)計(jì)鈑金件展開(kāi)對(duì)話框。鈑金件設(shè)計(jì)對(duì)話框的內(nèi)容有：展開(kāi)參數(shù)數(shù)值的輸入、展開(kāi)圖的顯示、鈑金件二維展開(kāi)示意圖、三維圖形的顯示。實(shí)現(xiàn)這個(gè)過(guò)程主要用到了以下4個(gè)Pro／Toolkit庫(kù)函數(shù)（其具體用法參閱PTC公司的 Pro／Toolkit用戶手冊(cè) Pro／Toolkit User’s Guide）：

ProParameterInit（）；／／設(shè)置初始化參數(shù)

Pro UIInputpanelDoubleGet（）；／／對(duì)話框輸入?yún)?shù)的獲取

ProParameter ValueSet（）；／／參數(shù)設(shè)置

ProSolid Regenerate（）；／／新零件生成

圖1 鈑金件參數(shù)化展開(kāi)原理

具體實(shí)現(xiàn)步驟如下：①以三維軟件Pro／E為平臺(tái)，結(jié)合軟件自帶的二次開(kāi)發(fā)函數(shù)Pro／Toolkit和函數(shù)支持的開(kāi)發(fā)語(yǔ)言C＋＋，編制后臺(tái)鈑金展開(kāi)相關(guān)程序；②在三維軟件界面創(chuàng)建鈑金件展開(kāi)菜單、參數(shù)對(duì)話框，建立鈑金模板庫(kù)鏈接窗口；③用戶點(diǎn)擊鈑金模板庫(kù)鏈接窗口中鈑金模型圖標(biāo)鏈接，通過(guò)鏈接調(diào)用先前編制好的后臺(tái)程序，最終生成三維鈑金件模型參數(shù)對(duì)話框、三維模型和對(duì)應(yīng)展開(kāi)件共存的界面窗口。

1.2 鈑金展開(kāi)件自動(dòng)排樣

對(duì)鈑金CAD系統(tǒng)而言，排樣算法往往決定了鈑金CAD系統(tǒng)的性能和實(shí)用性。鈑金件排樣研究的算法主要分為兩大類：一是局部?jī)?yōu)化算法，此算法多用于預(yù)處理階段，有矩形包絡(luò)法、臨界多邊形法NFP（移動(dòng)碰撞法、明可夫斯基矢量和法（Minkowski sum）及其派生算法、凹多邊形凸化分割法、基于軌跡計(jì)算的NFP法）、平移算法；二是全局優(yōu)化算法，用于初始排列之后的調(diào)整，使材料利用率盡可能高，有模擬退火算法、遺傳算法、粒子群算法和蟻群算法。對(duì)于矩形排樣，系統(tǒng)采用文獻(xiàn)［1］在剩余矩形的匹配方法基礎(chǔ)上提出的剩余矩形的動(dòng)態(tài)匹配方法，經(jīng)過(guò)驗(yàn)證取得了較好的效果；針對(duì)不規(guī)則鈑金件排樣，使用粒子群算法的優(yōu)化方法，首先以零件的入排角度變異序列和交換序列作為粒子運(yùn)動(dòng)速度構(gòu)造粒子群算法，之后使用剩余矩形動(dòng)態(tài)匹配算法實(shí)現(xiàn)解碼和局部尋優(yōu)，并結(jié)合不規(guī)則件的正交靠接算法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)排樣，具體計(jì)算方法見(jiàn)文獻(xiàn)［2］。

系統(tǒng)中排樣部分應(yīng)用三維軟件自帶的二次開(kāi)發(fā)函數(shù)編寫粒子群優(yōu)化算法程序，并在三維軟件界面建立信息庫(kù)管理模塊、展開(kāi)圖輸入模塊、圖形預(yù)處理模塊、優(yōu)化排樣模塊（自動(dòng)排樣和手動(dòng)排樣）、排樣輸出及存儲(chǔ)模塊，如圖2所示。

（1）信息庫(kù)管理模塊存儲(chǔ)了板材信息和零件信息，零件信息管理的功能是設(shè)置即將入排的零件信息和所需的板料信息。

（2）展開(kāi)圖輸入模塊功能是將前面展開(kāi)步驟得到的圖形導(dǎo)入到三維軟件界面建立的鈑金排樣窗口中，將前面得到的展開(kāi)件保存為dwg格式的文件，在開(kāi)發(fā)排樣窗口界面時(shí)，將dwg viewer嵌入到程序中，通過(guò)dwg viewer提供的函數(shù)可以方便地獲取圖形的幾何信息，實(shí)現(xiàn)展開(kāi)圖的輸入和排樣結(jié)果的輸出。

圖2 基于三維軟件的鈑金排樣

（3）由于由CAD生成的零件圖形不能直接進(jìn)行排樣，故在進(jìn)行排樣之前，需要對(duì)待排零件進(jìn)行預(yù)處理，簡(jiǎn)化圖形的復(fù)雜度，提高算法的運(yùn)算速度。預(yù)處理主要包括對(duì)零件圖形的矢量化、零件輪廓的離散化、零件邊界的光順化、多邊形的分類與凹凸性判斷以及求多邊形最小包絡(luò)矩形，預(yù)處理對(duì)簡(jiǎn)化排樣算法起到了重要的作用。圖形預(yù)處理模塊利用粒子群優(yōu)化算法程序?qū)⒉灰?guī)則圖形進(jìn)行自動(dòng)組合和自動(dòng)填充處理，最終組合成最小包絡(luò)矩形。

（4）優(yōu)化排樣模塊將得到的矩形利用剩余矩形動(dòng)態(tài)匹配方法程序在給定的板料上自動(dòng)排樣，當(dāng)對(duì)所排結(jié)果不滿意時(shí)，可借助手動(dòng)排樣功能進(jìn)行修改。

（5）排樣輸出及存儲(chǔ)模塊輸出排樣圖形，并保存排樣結(jié)果信息。

排樣操作流程如圖3所示。

圖3 排樣操作流程圖

2 實(shí)例

基于Pro／E的圓方件的參數(shù)化展開(kāi)、自動(dòng)排樣如圖4、圖5所示。

圖4 圓方件參數(shù)化展開(kāi)

圖5 圓方件展開(kāi)件排樣

3 結(jié)語(yǔ)

基于Pro／E的鈑金件參數(shù)化展開(kāi)及排樣系統(tǒng)，在對(duì)Pro／E二次開(kāi)發(fā)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了鈑金件的參數(shù)化建模和智能排樣，大大減輕了設(shè)計(jì)人員的工作量，避免了重復(fù)的計(jì)算過(guò)程，對(duì)于鈑金企業(yè)的生產(chǎn)有很好的指導(dǎo)意義。

［1］ 陳婷，許超.鈑金零件排樣技術(shù)及其發(fā)展［J］.鍛壓裝備與制造技術(shù)，2008（4）：13－17.

［2］ 梁利東，鐘相強(qiáng).粒子群算法在不規(guī)則件排樣優(yōu)化中的應(yīng)用［J］.中國(guó)機(jī)械工程，2010（17）：2050－2052，2069.