羅俊， 柳玉起， 章志兵， 孔海驕

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

0 引 言

隨著互聯(lián)網技術的普及，家電行業(yè)進入了產品定制時代，家電產品個性化定制對家電模具技術提出了更高的要求。企業(yè)需要建立自動化的模具設計流程以降低設計中的異常，縮短設計周期，提高市場反應速度和企業(yè)市場競爭力。家電鈑金件的工序排布是工藝設計中最關鍵也是最耗時的環(huán)節(jié)，其主要目的是根據產品形狀逆向設計各個中間工序的幾何構型。目前成形產品工序排布以手工設計為主，當進行產品設計變更時，需要設計人員對每個工序進行手動修改，導致設計變更無法快速實現(xiàn)。

在家電鈑金件成形特征識別技術基礎上，提出面向設計變更的工藝設計方案，并基于NX平臺開發(fā)一套面向設計變更的家電級進模工藝設計系統(tǒng)，以提升設計變更效率。

1 料帶設計

1.1 料帶設計流程

鈑金件級進模工藝設計是從產品幾何形狀開始到毛坯的逆向過程，該過程對每個中間工序構型進行建模，然后進行廢料輪廓和落料位置的設計。工藝設計輸出的工藝模型是模具結構設計的輸入，從產品到毛坯的工序設計過程如圖1所示。

圖1 產品到毛坯工序設計過程

整個工藝設計流程如圖2所示，系統(tǒng)的裝配樹結構如圖3所示。

圖2 級進模工藝設計流程

圖3 級進模工藝設計裝配樹結構

級進模工藝設計具體流程內容如下。

（1）工藝初始化：定義產品工藝類型，生成對應的裝配節(jié)點。

（2）產品導入：生成新的節(jié)點，并將指定的產品模型導入該節(jié)點。

（3）特征識別：自動識別產品上的所有成形特征，未識別的成形特征可手動指定。

（4）工藝預排：初步確定每一工序中產品體的位置。

（5）工藝定義：定義工序數(shù)目，創(chuàng)建工序節(jié)點，并將工序模型鏈接到工序中。

（6）工序創(chuàng)建：分配成形特征，創(chuàng)建每一工序的工序模型。

（7）工藝排樣：設定排樣參數(shù)，生成原始料帶模型。

（8）工序鏈接：將展開前、后的工序模型體鏈接至料帶。

（9）工序調整：在完成所有工序的創(chuàng)建后，利用工序創(chuàng)建編輯調整各工序之間的成形特征，更新工序模型，用以支持設計變更。

（10）廢料設計：創(chuàng)建廢料草圖，指定廢料類型，并將廢料線分配對應工序中，拉伸廢料線，生成廢料體后，與工序模型或料帶體進行相應處理。

（11）工序發(fā)布：基于工藝結構一體化的思想，將工序模型發(fā)布，用以輔助結構設計。

現(xiàn)重點討論在設計變更的場景下，工序創(chuàng)建及工序編輯的實現(xiàn)。

1.2 設計變更分析

家電鈑金件的設計變更分為工藝變更和產品變更。工藝變更是工序排布完成后，根據評審意見或試模階段出現(xiàn)的缺陷，如處理開裂、起皺、回彈等問題，需要進行工序數(shù)目的增減或工序構型的修改；產品變更是指客戶對產品的結構進行修改，如增減孔、增加凸包及加強筋、彎曲移位、增加彎曲、通孔改為翻孔等。

工序數(shù)目的增減包括新工序的插入和工序的刪除2種情況，圖4（a）所示為工序插入，圖4（b）所示為工序刪除。

圖4 設計變更場景

工序構型的修改分以下3種情況。

（1）存在部分成形特征漏成形的情況，需要增加某個成形特征到指定工序上進行成形，該情況定義為“成形特征增加”，如圖4（c）所示，因為是逆向設計工序構型，M2工序漏成形孔特征，圖4（c）中矩形處所示，導致出現(xiàn)漏成形孔特征的M1。

（2）某個成形特征的成形次序不符合工藝規(guī)范，需要在其所在工序上移除，該情況定義為“成形特征刪除”，如圖4（d）所示，M3進行四周彎曲展開的同時成形了孔特征，圖4（d）中矩形處所示，導致M3不符合工藝規(guī)范。

（3）原工序排布不符合工藝規(guī)范，需要成形特征從某一工序移到另一工序，該情況定義為“成形特征移動”，如圖4（e）中矩形處所示，將其從M1移至M2成形更為合理。

針對產品變更，分2類情況處理。

（1）產品結構出現(xiàn)較大變動情況下，需要重新進行工藝設計。

（2）產品結構只涉及少量成形特征的增加、刪除、修改時，通過“成形特征移動”實現(xiàn)。

2 面向設計變更的工藝設計方案

將“工序插入”、“工序刪除”、“成形特征增加”、“成形特征刪除”和“成形特征移動”統(tǒng)稱為“成形特征工序編輯”。為應對上述設計變更，需要解決如何實現(xiàn)各個工序之間的關聯(lián)更新、如何協(xié)調工序創(chuàng)建和工序編輯之間的關系等關鍵問題，為解決這些問題，提出以下方案：通過逐個工序創(chuàng)建成形特征得到各個工序構型，將各個工序成形內容統(tǒng)一用創(chuàng)建的成形特征描述，實現(xiàn)通過對成形特征的工序編輯完成各個工序構型的修改，最終將各個工序構型輸出為料帶模型。方案的關鍵在于如何創(chuàng)建各類成形特征以及如何實現(xiàn)成形特征的工序編輯。

從產品開始設計的逆序成形意味著整個工藝設計是成形特征從有到無的過程，該過程稱為“創(chuàng)建成形特征”，另外將“成形特征創(chuàng)建”的撤銷稱為“成形特征撤銷”，如圖5所示。

圖5 四周彎曲創(chuàng)建和撤銷

基于設計變更分析，如果工序節(jié)點只包含該工序成形后的幾何構型，一方面無法描述當前工序的成形內容；另一方面無法實現(xiàn)各個工序之間的關聯(lián)更新，難以實現(xiàn)成形特征的增加、刪除和移動。因此工序節(jié)點用成形前、成形后2個實體描述當前工序的成形內容。

以3道工序的空調屏蔽蓋為例，對工序節(jié)點采用成形前、后實體描述方式進行工序創(chuàng)建的步驟，如圖6所示。

圖6 屏蔽蓋工序創(chuàng)建

（1）最后工序首先進行工序初始化，生成最后工序的工序節(jié)點M3。

（2）將初始導入的產品復制到M3節(jié)點2次，復制后的實體分別命名為“成形前”、“成形后”。

（3）對M3節(jié)點中“成形前”實體進行四周彎曲成形特征的成形，M3節(jié)點中“成形后”實體不變。

（4）重復（1）、（2）步驟生成后續(xù)的工序節(jié)點，對節(jié)點中“成形前”實體進行成形特征的創(chuàng)建，直至完成所有工序的創(chuàng)建。

2.1 成形特征工序創(chuàng)建

目前家電鈑金件成形特征的主要分類如圖7所示，不同于非彎曲類成形特征，彎曲類成形特征存在局部變形，創(chuàng)建彎曲類成形特征和撤銷不能影響其隨動區(qū)域上的成形特征。因此將創(chuàng)建成形特征和撤銷分非彎曲類、彎曲兩大類進行處理。

圖7 家電鈑金件成形特征分類

2.1.1 非彎曲類成形特征的創(chuàng)建和撤銷

創(chuàng)建成形特征和撤銷屬于一對互逆的操作，創(chuàng)建成形特征時需要同步考慮撤銷的流程。創(chuàng)建非彎曲類成形特征和撤銷的步驟如下。

（1）創(chuàng)建非彎曲類成形特征時，需要將特征面進行刪除，刪除前需要將成形特征的局部形狀進行保存。

（2）獲取成形特征面集合的外輪廓，為保證不影響產品上其它成形特征，將外輪廓進行適當偏置后沿板厚方向拉伸，拉伸后得到的體（拉伸體）和產品求交得到成形特征的局部形狀。

（3）將拉伸體作為成形特征撤銷的求差工具體，成形特征的局部形狀作為求和工具體。2個工具體和成形特征之間通過唯一的標識進行關聯(lián)，撤銷時通過標識獲取成形特征對應的工具體。

創(chuàng)建非彎曲類成形特征的流程如圖8所示。對非彎曲類成形特征的撤銷流程如圖9所示。

圖8 創(chuàng)建非彎曲類成形特征流程

圖9 非彎曲類成形特征撤銷流程

工序節(jié)點創(chuàng)建凸包成形特征的節(jié)點導航樹及實體如圖10所示。

圖10 工序節(jié)點導航樹及實體

2.1.2 彎曲類成形特征的創(chuàng)建和撤銷

彎曲類成形特征根據圖11（a）中虛線分為固定區(qū)域、變形區(qū)域和隨動區(qū)域。當隨動區(qū)域上存在其它成形特征時，創(chuàng)建彎曲成形特征和撤銷會改變隨動區(qū)域上成形特征的空間位置?；谝陨戏治?，選擇變形區(qū)域的實體作為求和工具體，將變形區(qū)域展平后的體作為求差工具體，具體創(chuàng)建過程如圖11（b）所示，工具體如圖11（c）所示。

圖11 創(chuàng)建彎曲類成形特征過程

創(chuàng)建彎曲類成形特征的步驟如下。

（1）首先需要從圖11（a）所示虛線處將變形區(qū)域切開，得到固定區(qū)域、變形區(qū)域、隨動區(qū)域3個實體。

（2）變形區(qū)域可以按照中性層規(guī)則展開，得到的展平體作為求差工具體。

（3）隨動區(qū)域的變換是平移加旋轉的組合，變換信息用旋轉點、旋轉軸、旋轉角度、平移向量通過屬性的方式記錄在求差工具體上，用于彎曲成形特征的撤銷。

創(chuàng)建彎曲類成形特征的流程如圖12所示。對彎曲類成形特征的撤銷流程如圖13所示。

圖12 創(chuàng)建彎曲類成形特征流程

圖13 彎曲類成形特征撤銷流程

2.2 成形特征的工序編輯

對于整個成形特征的工序編輯，定義前工序、后工序的概念，而對于成形特征的移動，定義當前工序、中間工序和目標工序的概念 ，如圖14所示。

圖14 工序編輯中的工序關系

2.2.1 工序數(shù)目調整的工序編輯

基于工序創(chuàng)建和撤銷，針對工序數(shù)目增減的變更情況，給出以下處理方法。

針對新工序插入的處理。

（1）插入工序前各工序節(jié)點如圖15（a）所示，新增1個工序節(jié)點，對新增工序節(jié)點和其它工序節(jié)點進行重命名。

圖15 工序插入過程

（2）將其后工序節(jié)點中“成形前”實體復制到新增節(jié)點2次，作為當前新增工序的“成形前”、“成形后”實體，表示當前工序目前還未進行任何成形特征的創(chuàng)建，如圖15（b）所示。

（3）將M2成形后和M3成形前實體用新的實體替換，完成整個插入過程，如圖15（c）所示。

針對工序刪除的處理。

（1）刪除工序前各工序節(jié)點如圖16（a）所示，考慮刪除的工序可能存在成形特征的創(chuàng)建，需要先將其所有后工序節(jié)點中“成形前”和“成形后”實體待刪除工序中已創(chuàng)建的成形特征撤銷，如圖16（b）所示。

圖16 工序刪除過程

（2）將待刪除的工序節(jié)點刪除，對其它工序節(jié)點進行重命名，如圖16（c）所示。

2.2.2 非隨動區(qū)域成形特征的工序編輯

針對成形特征的工序編輯，關鍵在于編輯的工序能夠準確地將其節(jié)點中“成形后”和“成形前”實體通過創(chuàng)建成形特征和撤銷操作進行更新。

非隨動區(qū)域成形特征的工序編輯分成形特征的增加、刪除和移動3種情況。

成形特征的增加：在某一工序增加一個成形特征，在這個工序的所有后工序不變，增加的工序中成形后實體保持不變，成形前實體創(chuàng)建新增的成形特征，所有前工序中的成形前、后實體都進行創(chuàng)建新增的成形特征。

成形特征的刪除：在某一工序刪除一個成形特征，這個工序的所有后工序不變，當前工序節(jié)點中成形后實體保持不變，成形前實體進行成形特征的撤銷創(chuàng)建，所有前工序節(jié)點中的成形前、后實體都進行成形特征的撤銷。

非隨動區(qū)域成形特征的增加和刪除更新規(guī)則如表1所示。

表1 非隨動區(qū)域成形特征增加和刪除的更新規(guī)則

對于非隨動區(qū)域上成形特征的移動情況，需要考慮前后工序的關系。

（1）前工序移至后工序：因為在每個工序節(jié)點的成形前、后實體都能根據唯一的標識找到對應的成形特征面，在當前工序對成形后實體創(chuàng)建時需要把用于還原的工具體刪除，在中間工序只需對移動的成形特征面進行刪除即可完成創(chuàng)建工作，在目標工序對成形前實體創(chuàng)建時需要保留還原的工具體。

（2）后工序移至前工序：因為中間工序和目標工序的成形特征都還未被創(chuàng)建，在每個工序節(jié)點的成形前、后實體都無法找到移動的成形特征對應的特征面，需要把當前工序用于還原的工具體復制到目標工序和中間工序，對于目標工序保留復制的工具體，而中間工序和當前工序刪掉還原的工具體。

非隨動區(qū)域成形特征的移動更新規(guī)則如表2所示。

表2 非隨動區(qū)域成形特征移動的更新規(guī)則

2.2.3 隨動區(qū)域成形特征的工序編輯

隨動區(qū)域成形特征的工序編輯也分成形特征增加、刪除和移動3種情況。增加、刪除的規(guī)則與非隨動區(qū)域相同，以下分析成形特征的移動情況。

隨動區(qū)域上的成形特征移動時需要考慮彎曲變形的情況，即隨動區(qū)域成形特征的撤銷用到的工具體也需要根據創(chuàng)建彎曲成形特征時的變換矩陣進行變換或逆變換，才能準確地與工序節(jié)點中成形前、后實體進行布爾操作。另外當前工序、中間工序、目標工序如果存在彎曲類成形特征的創(chuàng)建都會對成形特征的移動產生位置上的影響，因此需要確定移動的成形特征是否位于這些工序所創(chuàng)建的彎曲成形特征隨動區(qū)域上。

針對前工序移到后工序的操作，以下結合簡單的3道工序工藝模型進行分析。

（1）目標工序的成形特征是否處于彎曲成形特征的隨動區(qū)域，對移動操作沒有影響。圖17所示為孔成形特征從第1工序移到第3工序創(chuàng)建的情況，在第3工序中，孔成形特征位于彎曲成形特征的隨動區(qū)域，因為彎曲成形特征是在第3工序進行創(chuàng)建，第3工序成形前實體沒有局部變形，可以直接進行刪除孔成形特征的特征面完成創(chuàng)建，孔成形特征撤銷所需的工具體從第1工序移至第3工序后，無需進行位置的變換。

圖17 目標工序彎曲成形特征對移動的影響

（2）中間目標工序的成形特征處于彎曲成形特征隨動區(qū)域時，需要對成形特征的工具體作用該彎曲成形特征創(chuàng)建時的逆變換。圖18所示為孔成形特征從第1工序移到第3工序創(chuàng)建的情況，在第3工序中，孔成形特征位于彎曲的隨動區(qū)，與圖17所示不同的是，因為在第2工序創(chuàng)建彎曲成形特征，第2工序節(jié)點中成形前的體存在局部變形，孔成形特征撤銷的工具體從第1工序移至第3工序后，需根據創(chuàng)建彎曲成形特征時的逆變換進行位置變換。

圖18 中間工序彎曲成形特征對移動的影響

（3）當前工序的成形特征處于彎曲成形特征隨動區(qū)域時，如果創(chuàng)建成形特征的時間先于彎曲，需要更新工具體的位置，反之無需更新。圖19所示中雖然工序節(jié)點成形前、后實體的幾何形狀一致，但是孔成形特征的工具體在位置上有差異。圖20所示為孔和彎曲成形特征在同一工序創(chuàng)建的情況。位于隨動區(qū)域上的孔成形特征在該彎曲成形特征之前創(chuàng)建時，當孔成形特征從前工序移動到后工序，孔成形特征的工具體從前工序移至后工序后不需要進行位置變換；而當位于隨動區(qū)域上的孔成形特征在該彎曲成形特征之后創(chuàng)建時，需要將孔成形特征的工具體進行彎曲成形特征創(chuàng)建的逆變換，完成位置的修正。

圖19 成形次序對成形特征移動的影響

圖20 當前工序彎曲成形特征對移動的影響

對于后工序移到前工序的情況，采取類似的方式進行分析，同樣分彎曲成形特征在目標工序、中間工序、當前工序創(chuàng)建3種情況進行討論，得出的結論如下。

（1）目標工序創(chuàng)建：對成形特征撤銷的工具體的位置無影響，只需將位于當前工序的工具體依次復制到中間工序和目標工序，根據表2所示的規(guī)則進行更新即可。

（2）中間工序創(chuàng)建：當前工序、中間工序、目標工序需要分別處理：①當前工序：成形前實體和中間工序節(jié)點中成形后實體可以直接通過成形特征對應的工具體完成更新；②中間工序：成形前實體因為已被展平，需要將復制的工具體進行彎曲成形特征創(chuàng)建時的變換，調整至展平位置然后進行布爾操作還原成形特征；③目標工序：成形前后實體的處理和中間工序節(jié)點中成形前實體相同。

（3）當前工序創(chuàng)建：移動的特征和彎曲成形特征都創(chuàng)建于當前工序時，同樣需要考慮成形次序的影響，如果先創(chuàng)建彎曲成形特征，則將移動成形特征的工具體和當前工序成形前、中間工序的成形前后、目標工序的成形后實體進行布爾操作前，都需要先將工具體先進行創(chuàng)建彎曲成形特征時的變換，完成位置修正；反之，無需將移動成形特征的工具體進行位置修正，可以直接進行布爾操作。

3 應用實例

為了驗證方案的有效性和準確性，選用空調的左側板模型進行測試工序創(chuàng)建和編輯的效果。初始工序排布和料帶模型如圖21所示，使用工序創(chuàng)建編輯功能進行設計變更后，第7工序至第1工序節(jié)點中成形前、后實體，得到變更后的最終料帶模型如圖22所示。結果表明，方案能根據設計變更的結果，自動對各個工序節(jié)點中的實體進行準確地更新，變更后生成的料帶模型符合預期效果。

圖21 設計變更前料帶模型

圖22 設計變更后料帶模型

4 結束語

提出了基于成形特征的工藝設計與編輯方法，該方法在面對各種設計變更情況時，通過實現(xiàn)成形特征的創(chuàng)建和撤銷，能夠對所有涉及變動的工序模型快速更新，解決家電鈑金件在工序設計階段遇到設計變更后設計效率低的問題，具有較好的工程實用性。