張明杰，柳玉起，章志兵，韋 陽

（華中科技大學(xué) 材料成形與模具技術(shù)國家重點實驗室，湖北 武漢 430074）

0 引言

汽車覆蓋件一般為1次拉深成形[1]，拉深工藝決定了覆蓋件的成形質(zhì)量。拉深工藝設(shè)計包括沖壓方向的確定及工藝補充面的創(chuàng)建，工藝補充面的設(shè)計質(zhì)量影響覆蓋件的拉深合格率以及后續(xù)修邊、翻邊工序的工藝設(shè)計[2]。傳統(tǒng)的工藝補充面依靠通用CAD 平臺，手工進(jìn)行設(shè)計，存在設(shè)計效率低，難以應(yīng)對設(shè)計變更等問題。劉玉琳等[3]提出建立可修改特征參數(shù)的截面線類型庫，用雙向NURBS蒙皮法分片生成工藝補充面的設(shè)計方法。劉陽明等[4]基于UG開發(fā)的汽車覆蓋件智能化設(shè)計系統(tǒng)IDF（intelligent die face)，實現(xiàn)了利用參數(shù)化截面線模板快速進(jìn)行工藝補充面的設(shè)計，同時實現(xiàn)了設(shè)計變更時的關(guān)聯(lián)更新，提高了單件產(chǎn)品的設(shè)計效率。

工藝補充面的設(shè)計仍存在2 個方面的問題：一方面是對設(shè)計經(jīng)驗的依賴，雖然借助參數(shù)化截面線模板簡化了設(shè)計流程，但合理的參數(shù)選擇仍然依賴設(shè)計人員的經(jīng)驗；另一方面是設(shè)計效率低，設(shè)計知識無法復(fù)用，對每個新零件都需要重新開始設(shè)計，導(dǎo)致設(shè)計周期長。現(xiàn)在IDF 的基礎(chǔ)上，提出一種基于特征分區(qū)的汽車覆蓋件工藝補充智能模塊化設(shè)計方法，以充分復(fù)用知識，降低設(shè)計人員技術(shù)門檻，提高設(shè)計效率。

1 分區(qū)模塊

汽車覆蓋件主要由覆蓋發(fā)動機、底盤、駕駛室和車身薄板異形體的表面零件和內(nèi)部零件[5]構(gòu)成。相同位置的零件有較強的相似性，熊洋[6]提出將工藝補充面設(shè)計提取為知識文檔，指導(dǎo)相似產(chǎn)品的設(shè)計，但在實際設(shè)計過程中，全盤繼承舊產(chǎn)品設(shè)計的場景較少。圖1 所示中2 款產(chǎn)品雖然在整體上相似，但A、B 處的造型相差較大，以A 處為例，板料在成形過程中會流動，由于拉深變薄并伴隨加工硬化產(chǎn)生沖擊線，若采用相同的工藝補充面設(shè)計，零件Ⅰ的沖擊線會出現(xiàn)在廢料區(qū)，而在零件Ⅱ中會出現(xiàn)在外觀面，造成零件Ⅱ表面質(zhì)量不合格，且由于兩者修邊、翻邊區(qū)域的不同，相同的工藝補充也易導(dǎo)致修邊角度差、修邊余量不足等問題。

圖1 局部特征不同的相似零件

現(xiàn)提出將零件依據(jù)邊界特征進(jìn)行分區(qū)，創(chuàng)建和應(yīng)用分區(qū)模塊，降低設(shè)計繼承的粒度，以實現(xiàn)更小維度上的知識復(fù)用。如圖2 所示，依據(jù)汽車覆蓋件間的配合關(guān)系以及功能性，將側(cè)圍外板以及后門內(nèi)板分為多個分區(qū)，每個分區(qū)與其它零件具備搭接關(guān)系，且邊界幾何造型平滑。依據(jù)分區(qū)進(jìn)行設(shè)計繼承，不同分區(qū)可以繼承不同的模塊零件。存在多個相似模塊分區(qū)時，依據(jù)分區(qū)之間的相似度評價算法，選取相似度最高的分區(qū)模塊進(jìn)行設(shè)計數(shù)據(jù)的繼承，避免繼承單一產(chǎn)品設(shè)計的弊端，實現(xiàn)了以分區(qū)為單位的設(shè)計數(shù)據(jù)繼承最優(yōu)化。

圖2 零件分區(qū)

1.1 基于分區(qū)模塊的設(shè)計

基于分區(qū)模塊的設(shè)計主要分為智能化推導(dǎo)和人機交互優(yōu)化2 個子過程，與傳統(tǒng)設(shè)計過程中依靠設(shè)計人員經(jīng)驗不同，智能化推導(dǎo)模塊依靠由經(jīng)驗指導(dǎo)建立的模塊庫，自動計算不同零件分區(qū)間的相似度，檢索最優(yōu)繼承數(shù)據(jù)，驅(qū)動目標(biāo)分區(qū)補充面的設(shè)計，人機交互模塊負(fù)責(zé)設(shè)計人員對驅(qū)動設(shè)計結(jié)果進(jìn)行評價和局部優(yōu)化，分區(qū)模塊驅(qū)動設(shè)計系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 分區(qū)模塊驅(qū)動設(shè)計系統(tǒng)

基于分區(qū)模塊的智能化設(shè)計流程如圖4 所示。設(shè)計人員首先導(dǎo)入零件信息，完成零件原始數(shù)據(jù)的錄入，然后系統(tǒng)對零件進(jìn)行自動分區(qū)處理，并逐一對每一分區(qū)特征進(jìn)行檢索匹配，如模塊庫中有可以繼承的模塊數(shù)據(jù)，則通過自適應(yīng)規(guī)則，將其繼承至新零件的設(shè)計中，自動驅(qū)動工藝補充面的生成，最后設(shè)計人員對設(shè)計結(jié)果進(jìn)行評估，對不滿足設(shè)計要求的局部區(qū)域進(jìn)行優(yōu)化編輯，最終完成整個工藝補充面的設(shè)計。為了模塊庫的進(jìn)一步擴充，可將設(shè)計成果提取至模塊庫，以指導(dǎo)其它相似零件的設(shè)計。

圖4 基于分區(qū)模塊的智能化設(shè)計

1.2 分區(qū)模塊庫

模塊庫的組織應(yīng)以加快檢索過程為原則，減少對相似性較差的無關(guān)零件進(jìn)行相似度計算。模塊庫數(shù)據(jù)需要充分表達(dá)工藝補充面的設(shè)計要素，在復(fù)用模塊時才能完成對新零件工藝補充面的驅(qū)動設(shè)計，同時也要提供足夠的分區(qū)數(shù)據(jù)相關(guān)信息，以完成自動檢索匹配。

由于不同企業(yè)之間的汽車零件差異較大，可繼承性較差，而同企業(yè)同車型相同位置的零件可繼承性較強，以“企業(yè)代號-車型名稱-零件類型”為索引組織模塊數(shù)據(jù)庫，如圖5所示。

圖5 模塊庫組織

2 關(guān)鍵技術(shù)

為實現(xiàn)工藝補充的分區(qū)模塊驅(qū)動設(shè)計，需要解決如何對零件進(jìn)行合理的分區(qū)劃分、如何進(jìn)行分區(qū)模塊數(shù)據(jù)的檢索匹配、應(yīng)用模塊數(shù)據(jù)時如何協(xié)調(diào)一系列設(shè)計要素之間的關(guān)系等關(guān)鍵問題，為解決上述問題，提出以下方案。

2.1 基于D-P算法的邊界分區(qū)

零件的自動分區(qū)主要依據(jù)零件邊界特征，找到一系列分區(qū)特征點，將零件邊界切分為一組邊界分區(qū)，分區(qū)內(nèi)的邊界曲線為大曲率的平滑曲線或長直線。

常見的特征點提取算法如道格拉斯-普克（douglas-peucker，D-P）算法[7]，它是一種使用多邊形去逼近輪廓線的算法，其原理為：找到輪廓上距離近似多邊形最遠(yuǎn)的點，組成新的近似多邊形，迭代使輪廓線上所有點到近似多邊形的距離均小于給定誤差值。圖6（a）所示為某車型翼子板邊界輪廓，采取該算法進(jìn)行簡化，獲得一系列特征點集。

圖6 曲線特征點提取

由于D-P 算法僅考慮距離因素，算法得到的特征點集雖然能較為準(zhǔn)確地反應(yīng)輪廓形狀，但若直接采用此點集創(chuàng)建分區(qū)，會導(dǎo)致連續(xù)的小曲率平滑曲線被分為多段，不符合分區(qū)原則?；谠撍惴ǎ岢龈倪M(jìn)方案，增加篩選特征點的條件，依據(jù)曲率值進(jìn)一步縮減特征點的規(guī)模，得到符合分區(qū)要求的特征點集。

對于給定的曲線：

其中，u為弧長參數(shù)，則該曲線上任一點的曲率計算公式為：

根據(jù)公式（1）計算各特征點的曲率值，篩選大于給定閾值的特征點，得到圖6（b）所示的最終分區(qū)特征點集。

2.2 基于相似度計算的模塊檢索匹配

在進(jìn)行驅(qū)動設(shè)計時，建立相似度評價機制可以避免由人工選擇模塊數(shù)據(jù)，進(jìn)一步提高設(shè)計的智能化。為了更準(zhǔn)確地評價分區(qū)之間的相似性，綜合考慮邊界曲線和零件曲面特征，提出基于加權(quán)相似度計算分區(qū)之間的總相似度，總相似度應(yīng)為所有影響因子的加權(quán)和：

其中，Si為各個因素的相似度值；wi為其權(quán)重。

使用分區(qū)邊界曲線的離散點集近似表示零件邊界曲線，離散點對應(yīng)處的零件曲面法矢集合表示零件曲面的幾何特征，如圖7所示，兩分區(qū)之間的相似度即為評價上述兩集合之間的匹配程度。

圖7 分區(qū)特征量

兩數(shù)據(jù)集之間的相似度可以通過如動態(tài)時間歸整（dynamic time warping，DTW）算法[8]、Hausdorff距離[9]算法等進(jìn)行評價，與分區(qū)的數(shù)據(jù)集規(guī)模不同，采取能更好應(yīng)對此場景的DTW 算法進(jìn)行評價，主要算法過程如下。

（1）取目標(biāo)分區(qū)的邊界離散點集，記為S={S1，S2，……，Sm}，去模塊分區(qū)的邊界離散點集，記為T={T1，T2，……，Tn}，其中，m，n為點集中點的個數(shù)。

（2）計算S的每一個點和T中的每一個點之間的距離，形成一個m×n的矩陣，此處距離可取歐式距離，如圖8中以m=5，n=5為例。

圖8 距離矩陣

（3）計算矩陣中距離之和最短的路徑，該路徑由一點集變換為另一點集的最小距離為代價，記為d，如圖9所示，通過公式（4）將最小距離轉(zhuǎn)換為兩點集的相似度。

圖9 最短路徑與點對應(yīng)關(guān)系

上述方法也適用于零件面法矢集合之間的相似度計算，得到目標(biāo)分區(qū)與模塊分區(qū)的邊界和零件面的相似度之后，按加權(quán)求和得出總相似度值。

2.3 模塊自適應(yīng)

在檢索得到匹配的模塊數(shù)據(jù)后，需將模塊設(shè)計數(shù)據(jù)與目標(biāo)零件的特征結(jié)合，以驅(qū)動生成符合目標(biāo)零件要求的工藝補充面。工藝補充面主要由零件邊界、分模線、截面線組成的線框確定幾何造型。自適應(yīng)規(guī)則需處理好上述設(shè)計元素之間的關(guān)系，將自適應(yīng)規(guī)則總結(jié)為以下3個方面。

（1）截面線在零件邊界上插入位置的確定。依據(jù)模塊分區(qū)數(shù)據(jù)中截面線插入位置以及模塊分區(qū)邊界曲線與目標(biāo)零件邊界曲線匹配計算得出的對應(yīng)關(guān)系，便可以確定在目標(biāo)零件邊界上插入截面線的具體位置。

（2）截面線在壓料面上位置的確定。該分區(qū)的分模線寬度以及截面線擺角的確定，圖10（a）中p1為截面線在零件邊界上的插入位置，p2、p2'為截面線在壓料面上可能的位置，需要由分模線的位置以及截面線的擺角α確定。分模線的寬度L可由圖10（b）中截面線插入點p1沿沖壓方向到壓料面的距離h以及p1處零件面的拔模角θ確定。根據(jù)實際生產(chǎn)經(jīng)驗，一般滿足如下經(jīng)驗公式：

圖10 確定截面線位置

其中，a，b，c是根據(jù)零件特性而確定的系數(shù)值。截面線擺角則通過分模線與零件邊界建立點對映射關(guān)系，通過給定的插入點p1以及映射關(guān)系便可以查詢得到在分模線上的對應(yīng)點p2。

（3）截面線形狀的自適應(yīng)調(diào)整。圖11 所示為IDF 系統(tǒng)提出的一種參數(shù)化截面線模板，標(biāo)出了全部參數(shù)，在上述（1）（2）中確定了截面線在零件邊界以及壓料面上的位置，即圖中P、Q點，依據(jù)參數(shù)約束關(guān)系及模塊分區(qū)的截面線設(shè)計數(shù)據(jù)，調(diào)整相關(guān)參數(shù)，以適應(yīng)目標(biāo)分區(qū)的工藝補充造型設(shè)計。

圖11 參數(shù)化截面線模塊

3 應(yīng)用實例

在汽車覆蓋件模面智能化設(shè)計系統(tǒng)IDF 基礎(chǔ)上，基于NX 平臺，驗證提出的分區(qū)模塊驅(qū)動工藝補充面設(shè)計系統(tǒng)。以汽車覆蓋件中的翼子板為例，進(jìn)行工藝補充面的設(shè)計，將3 個已經(jīng)完成的工藝補充面設(shè)計的翼子板數(shù)據(jù)提取至模塊庫，其分區(qū)位置如表1 所示。依據(jù)模塊庫，對圖12 中待設(shè)計翼子板進(jìn)行驅(qū)動設(shè)計。

表1 翼子板模塊設(shè)計結(jié)果及分區(qū)

圖12 待設(shè)計的翼子板分區(qū)特征點

（1）識別目標(biāo)零件分區(qū)特征點，共有9 個分區(qū)，其分區(qū)特征點分布如圖12所示。

（2）在模塊庫中依據(jù)相似度計算規(guī)則進(jìn)行檢索匹配，得到表2所示的設(shè)計繼承關(guān)系。

表2 目標(biāo)零件設(shè)計繼承結(jié)果

（3）由模塊數(shù)據(jù)自適應(yīng)驅(qū)動設(shè)計，得到圖13 所示的結(jié)果。

圖13 繼承結(jié)果及局部對比

4 結(jié)束語

針對汽車覆蓋件工藝補充設(shè)計過程中存在的問題，提出了基于特征分區(qū)的汽車覆蓋件工藝補充智能模塊化設(shè)計方法，將零件依據(jù)邊界進(jìn)行分區(qū)，建立了分區(qū)之間的相似度評價機制，實現(xiàn)了模塊數(shù)據(jù)的自適應(yīng)繼承，達(dá)到了分區(qū)模塊庫智能驅(qū)動零件進(jìn)行工藝補充設(shè)計的目標(biāo)。將該方法集成至汽車覆蓋件模面智能化設(shè)計系統(tǒng)IDF 中，提高了工藝補充的設(shè)計效率，實現(xiàn)了知識復(fù)用，對汽車覆蓋件的工藝補充設(shè)計具有重要意義。