熊 毅,孫育竹,王 蕾

（1.河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 南陽(yáng) 473009；2.河南省材料成形裝備智能技術(shù)工程研究中心，河南 南陽(yáng) 473009）

0 引言

模具零件的坯料尺寸、體積及表面積等數(shù)據(jù)是制造中的重要信息[1,2]。在求取零件信息中，基于最小包圍盒坯料尺寸的快速、準(zhǔn)確計(jì)算是關(guān)鍵。一般可利用CAD軟件中的計(jì)算功能人工獲取，隨著模具零件的種類和數(shù)量增多，工作量急劇增加，人工方法步驟多、效率低、易遺漏，制約了模具生產(chǎn)周期。

包圍盒在零件下料、物流包裝、圖像處理、模式識(shí)別、碰撞檢測(cè)、模具分型等方面都有廣泛應(yīng)用[3-8]。CAD軟件自帶的計(jì)算工具依賴于零件在坐標(biāo)系中的形態(tài)，需要人工反復(fù)調(diào)整零件的空間位置，才能得到準(zhǔn)確的結(jié)果，耗時(shí)費(fèi)力。現(xiàn)有的最小包圍盒算法主要有兩類：①基于點(diǎn)云或三角面片模型的包圍盒算法[9-14]；②迭代旋轉(zhuǎn)算法：旋轉(zhuǎn)物體或坐標(biāo)系，將其AABB（axis-aligned-bounding-box）包圍盒的最小值作為最小包圍盒[15,16]。雖然上述算法計(jì)算精確，但其復(fù)雜度高，一般在O(n3/2)～O(n3)，計(jì)算時(shí)間通常在幾十秒到幾百秒不等，并且有些算法需要先對(duì)模型進(jìn)行離散，工程應(yīng)用困難。

現(xiàn)提出一種基于零件特征快速計(jì)算包圍盒的方法，在三維CAD軟件siemens NX中，基于NX Open二次開發(fā)接口，以C++編程實(shí)現(xiàn)零件包圍盒、體積、表面積等制造信息的批量自動(dòng)計(jì)算并輸出到Excel表格。

1 總體方案及界面設(shè)計(jì)

1.1 總體框架

總體框架如圖1所示，計(jì)算工具包括用戶界面、批量計(jì)算模塊、輸出模塊和顯示模塊。用戶界面主要接收用戶拾取部件、輸入的約束條件、Excel電子表格輸出路徑。批量計(jì)算模塊包括根據(jù)ID分組、求解包圍盒、計(jì)算零件屬性、格式化屬性信息。輸出模塊包括調(diào)用顯示模塊、將屬性信息逐條寫入Excel文件。顯示模塊主要負(fù)責(zé)在指定的屏幕位置顯示零件及包圍盒。

圖1 功能總體框架

1.2 菜單及UI界面設(shè)計(jì)

界面設(shè)計(jì)包括菜單設(shè)計(jì)和對(duì)話框設(shè)計(jì)，在NX二次開發(fā)中，通過NX Open Menu Script制作菜單，一般用記事本編寫代碼，另存為*.men的腳本文件，將*.men文件放在二次開發(fā)的startup目錄。系統(tǒng)的菜單腳本代碼如下：

UI界面如圖2所示，對(duì)話框分3個(gè)部分，“選擇對(duì)象”用于用戶選擇待求解的批量組件，定義包圍盒放置點(diǎn)?！昂凶娱g距”用于設(shè)置包圍盒間距?！拜敵龊凶有畔ⅰ敝饕糜谥付‥xcel文件存放路徑，文件名為“box_info.xlsx”。

圖2 UI界面

2 零件識(shí)別及數(shù)量統(tǒng)計(jì)

完全相同的零件具有相同的幾何信息，只需計(jì)算其中一個(gè)即可，避免重復(fù)計(jì)算，浪費(fèi)時(shí)間。NX中，零件的幾何模型稱為部件（或組件），其ID是其唯一識(shí)別號(hào)，將相同ID的零件分為一組，建立屬性數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：

每組零件用一個(gè)結(jié)構(gòu)體partBoxInfo數(shù)據(jù)記錄，成員變量包含零件及其包圍盒的信息，其中part-Number記錄零件數(shù)量。

零件分組的基本方法：將用戶拾取的部件ID收集到容器1，定義partBoxInfo類型的容器2；逐條讀取容器1中的ID，與容器2中的ID匹配，若匹配成功，容器2中相應(yīng)數(shù)據(jù)項(xiàng)的零件數(shù)量加1；匹配失敗，新建一個(gè)partBoxInfo數(shù)據(jù)，零件數(shù)量置為1。分組算法如下：

算法 按ID對(duì)零件進(jìn)行分組。

輸入 組件ID容器1。

輸出 分組后的partBoxInfo容器2。

（1）容器1為空或達(dá)到容器尾部，跳轉(zhuǎn)到（8）。

（2）讀取容器1的一個(gè)ID。

（3）遍歷容器2，找到與（1）中容器1的ID相等的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)中的partNumber加1，返回到（1）。

（4）新建一個(gè)partBoxInfo數(shù)據(jù)，將partNumber置為1。

（5）計(jì)算該零件的包圍盒信息、零件體積和表面積。

（6）將該零件的信息賦值給（4）中數(shù)據(jù)，part-Number加1。

（7）將該partBoxInfo數(shù)據(jù)存入容器2，迭代器加1，返回到（1）。

（8）結(jié)束。

某批模具零件分組前后的ID序列如表1所示，分組前，零件ID排列與用戶拾取順序一致，序列無規(guī)律，分組后，相同ID的零件被分為一組，零件數(shù)量更新。

表1 某批模具零件分組前后的ID序列

3 零件包圍盒及幾何信息計(jì)算

3.1 包圍盒快速求解

模具零件一般需要在銑床上加工，這類零件至少有一個(gè)基準(zhǔn)平面和一條直線邊。根據(jù)這些特征，構(gòu)造快速計(jì)算包圍盒的算法，該算法依據(jù)零件的平直面、直線邊特征確定3個(gè)主方向，并以此構(gòu)建空間直角坐標(biāo)系；在新建坐標(biāo)系下調(diào)用AABB算法，快速計(jì)算近似最小包圍盒，算法的時(shí)間復(fù)雜度為O(n)，計(jì)算時(shí)間通常在0.1 s以內(nèi)。算法如下：

算法 物體最小包圍盒計(jì)算。

輸入 部件ID。

輸出 包圍盒參數(shù)。

（1）打開部件，記錄工作坐標(biāo)系。

（2）遍歷部件的體，記錄最長(zhǎng)直邊ID、存儲(chǔ)平直面ID到鏈表。

（3）以最長(zhǎng)直邊構(gòu)造Z軸矢量。

（4）在鏈表中查找Z軸的垂直面，若找到，轉(zhuǎn)到（5），否則轉(zhuǎn)到（6）。

（5）遍歷面的最長(zhǎng)邊，以此構(gòu)造Y軸矢量，轉(zhuǎn)到（7）。

（6）以Z軸對(duì)應(yīng)邊的相鄰平面法向?yàn)閅軸矢量。

（7）創(chuàng)建坐標(biāo)矩陣和坐標(biāo)系。

（8）以新建坐標(biāo)系調(diào)用AABB函數(shù)，得到包圍盒尺寸及位置參數(shù)。

（9）結(jié)束。

圖3所示為幾種模具零件的包圍盒計(jì)算結(jié)果，求解時(shí)間在0.02～0.06 s，效率高，包圍盒的致密度好，精度滿足實(shí)際的工程需求。

3.2 零件體積和表面積的快速計(jì)算

NX二次開發(fā)中提供了3種計(jì)算體積和表面積的方式：①調(diào)用UF_MODL_ask_mass_props_3d函數(shù)，優(yōu)點(diǎn)是通用性好，編程容易，缺點(diǎn)是計(jì)算效率低，且計(jì)算前需要從體中抽取面；②利用UFUN調(diào)KF（知識(shí)熔接）中的函數(shù)，計(jì)算速度比①快，但KF中的函數(shù)格式復(fù)雜，編程困難；③利用NX Open C++中的MeasureManager測(cè)量類處理，其效率最高，代碼簡(jiǎn)單，可以通過NX日志的代碼錄制功能實(shí)現(xiàn)。

現(xiàn)采用方式③，通過NX中[分析]/[測(cè)量體]功能查詢零件的屬性，錄制過程代碼，并在Visual Studio中將代碼改成通用格式，修改后的關(guān)鍵代碼如下：

4 零件信息輸出

一些大型的應(yīng)用軟件有讀寫Excel表格的接口，針對(duì)Excel的數(shù)據(jù)讀寫也有一些具體方法[17,18]。NX可以調(diào)用KF中的函數(shù)讀寫Excel文件，KF是內(nèi)嵌于NX的知識(shí)工程應(yīng)用技術(shù)，用“規(guī)則”（Rule）表示零件的幾何參數(shù)和工程屬性之間的相互關(guān)系。用戶可使用KF語(yǔ)言建立自己的規(guī)則，并利用規(guī)則添加知識(shí)數(shù)據(jù)。

零件信息輸出到Excel的基本過程：在本地新建電子表格模板文件，通過NX Open的文件處理函數(shù)將模板文件另存到用戶指定目錄，讀取零件信息結(jié)構(gòu)體中的數(shù)據(jù)，通過KF語(yǔ)言創(chuàng)建規(guī)則將這些數(shù)據(jù)寫入表格中的指定區(qū)域，算法如下：

算法 NX信息寫入Excel。

輸入 存儲(chǔ)部件信息的容器。

輸出 Excel電子表格數(shù)據(jù)。

（1）復(fù)制本地模板文件到UI指定的路徑。

（2）打開電子表格文件。

（3）初始化容器迭代器。

圖3 幾種模具零件的包圍盒計(jì)算結(jié)果

（4）從容器中讀取一條信息并格式化為KF函數(shù)所需格式。

（5）調(diào)用KF寫Excel函數(shù)，在表格的指定區(qū)域?qū)懭敫袷交畔ⅰ?/p>

（6）強(qiáng)制需求，更新模型，刪除屬性。

（7）若迭代器未達(dá)到容器末尾，迭代器加1，轉(zhuǎn)到（4）。

（8）更新模型，關(guān)閉電子表格，刪除屬性。

（9）結(jié)束。

利用UF_KF_create_rule_no_update函數(shù)創(chuàng)建規(guī)則，分別實(shí)現(xiàn)對(duì)電子表格的打開、數(shù)據(jù)寫入及關(guān)閉電子表格。其中，寫入的信息需要格式化，存放在字符組數(shù)write_buf中，寫入的具體規(guī)則如下：

5 應(yīng)用案例

以某大型注射模中的斜推組件為例，如圖4所示，測(cè)試自動(dòng)工具的計(jì)算效果。在NX 10.0中啟動(dòng)系統(tǒng)菜單，設(shè)置零件間距、零件組間距及Excel輸出目錄。批量選擇斜推組件，該批零件共12種，91個(gè)零件，形態(tài)各異，計(jì)算總時(shí)間為3.776 s。圖5所示為計(jì)算結(jié)果，零件被分為12個(gè)組，如圖5（a）所示；系統(tǒng)自動(dòng)建立裝配目錄H289-BOX，零件按組被裝配12個(gè)目錄，如圖5（b）所示。表2所示為輸出的電子表格數(shù)據(jù)，表格中的A列數(shù)據(jù)是根據(jù)分組數(shù)動(dòng)態(tài)編號(hào)自動(dòng)生成，B～K列是零件屬性信息格式化后的輸出結(jié)果，L、M列是利用Excel自帶公式計(jì)算所得的派生數(shù)據(jù)，避免了在NX中編寫代碼，節(jié)省時(shí)間。

圖4 某模具的斜推組件

表3所示為圖4案例采用人工和自動(dòng)計(jì)算耗時(shí)比較。手工計(jì)算時(shí)，坐標(biāo)調(diào)整耗時(shí)最多，平均為30 s，調(diào)整時(shí)根據(jù)零件的形狀特征將其擺正，使零件最長(zhǎng)方向與Z軸平行，第二長(zhǎng)邊的方向與Y軸平行。其次是查詢零件表面積和體積的時(shí)間，平均為3 s，主要消耗在調(diào)用查詢命令窗口、拾取幾何對(duì)象。手工計(jì)算后的數(shù)據(jù)還需用戶記錄，而自動(dòng)計(jì)算時(shí)，用戶一次拾取所有零件，計(jì)算工具自動(dòng)調(diào)整零件姿態(tài)、計(jì)算零件信息，最后自動(dòng)輸出到Excel表格，提高計(jì)算效率和數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。自動(dòng)計(jì)算時(shí)間不到手工計(jì)算的1%，且計(jì)算規(guī)模越大，自動(dòng)計(jì)算的效率優(yōu)勢(shì)越明顯。

表2 批量信息輸出到Excel

圖5 自動(dòng)計(jì)算結(jié)果

表3 不同方式計(jì)算圖4案例信息的時(shí)間 s

6 結(jié)束語(yǔ)

通過實(shí)例驗(yàn)證，批量求解工具能在數(shù)秒內(nèi)實(shí)現(xiàn)大批量模具零件的快速分組、零件信息輸出到Excel表格，計(jì)算規(guī)模越大，自動(dòng)計(jì)算的效率越高。

（1）通過分組算法，以零件ID作為匹配項(xiàng)，對(duì)同種零件進(jìn)行了快速數(shù)量統(tǒng)計(jì)和分組，避免了零件信息的重復(fù)計(jì)算。

（2）以零件的幾何特征快速構(gòu)造主方向，在以主方向建立的坐標(biāo)系下調(diào)用AABB包圍盒算法，計(jì)算時(shí)間控制在0.1 s內(nèi)，算法的復(fù)雜程度降低到O(n)，結(jié)果準(zhǔn)確。

（3）利用NX中NX Open C++中的MeasureManager類和日志功能，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜零件體積和表面積的快速自動(dòng)計(jì)算。

（4）利用NX中的KF函數(shù)，完成了零件的ID、數(shù)量、體積、表面積及包圍盒等數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)輸出到Excel表格，實(shí)現(xiàn)了零件信息的批量輸出。