王連坤， 武步健， 邵曉東， 王云鋒， 吳松洋

（1.江蘇徐工國(guó)重實(shí)驗(yàn)室科技有限公司， 江蘇徐州 221002； 2.西安電子科技大學(xué)， 陜西西安 710071；3.中機(jī)生產(chǎn)力促進(jìn)中心有限公司， 北京 100044）

0 引言

傳統(tǒng)的鈑金工藝設(shè)計(jì)模式難以滿足工程機(jī)械高效精準(zhǔn)設(shè)計(jì)的需求，一是“自動(dòng)孤島”。 工藝設(shè)計(jì)時(shí)，需將三維模型轉(zhuǎn)成二維圖紙， 費(fèi)時(shí)費(fèi)力且容易返工； 二是指導(dǎo)性差。工件有折彎、展平等形狀變化，需工人主觀想象，容易出現(xiàn)理解偏差；三是結(jié)構(gòu)化程度低，難以滿足“機(jī)器可讀”和“精準(zhǔn)推送”的需求。

三維工藝設(shè)計(jì)是解決途徑， 也是研究熱點(diǎn)。 美國(guó)CAM-I 公司最早開(kāi)始了三維工藝研究[1]，達(dá)索和西門(mén)子分別開(kāi)發(fā)了三維工藝設(shè)計(jì)軟件Delmia 和Tecnomatiox。三維鈑金工藝設(shè)計(jì)方面只有一些零星的研究報(bào)道， 例如：Zhang[2]提出了一種基于設(shè)計(jì)模型的工藝過(guò)程模型生成方法；吳翔宇[3]提出了工序模型逆向生成法，通過(guò)鈑金設(shè)計(jì)特征識(shí)別獲得工序模型；黃斌達(dá)[4]將工序模型創(chuàng)建歸納為資源—工序、零件—工序、余量圖、直接創(chuàng)建等四種方法。

本文研究了三維鈑金工藝設(shè)計(jì)技術(shù)：首先，提出了基于設(shè)計(jì)特征逐級(jí)構(gòu)建工藝模型的方法， 實(shí)現(xiàn)了鈑金件的快速構(gòu)建；其次，提出了一種面向工序工步的標(biāo)注方法，實(shí)現(xiàn)了工藝標(biāo)注的所見(jiàn)所得；最后，開(kāi)發(fā)了三維鈑金工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)。

1 鈑金工藝模型構(gòu)建

1.1 基于特征的鈑金工藝模型

鈑金工藝模型如圖1 所示， 該模型是根據(jù)工藝加工過(guò)程中鈑金件幾何形狀和特征變化， 圍繞工藝規(guī)程樹(shù)構(gòu)建的面向工序和工步的遞進(jìn)演變模型。 工藝規(guī)程樹(shù)包括三類(lèi)節(jié)點(diǎn)：①根節(jié)點(diǎn)。存儲(chǔ)工藝規(guī)程信息；②一級(jí)節(jié)點(diǎn)。代表工序節(jié)點(diǎn)，如“10 氣割”。 節(jié)點(diǎn)排序加工順序，節(jié)點(diǎn)屬性包括加工設(shè)備、工裝夾具等；③二級(jí)節(jié)點(diǎn)。代表工步節(jié)點(diǎn)，是一級(jí)節(jié)點(diǎn)的加工步驟。

圖1 鈑金工藝規(guī)程樹(shù)及工序工步模型

1.2 鈑金工藝模型構(gòu)建

鈑金工藝模型的構(gòu)建過(guò)程如圖2 所示，步驟包括：①設(shè)計(jì)模型處理。 包括PMI、BOM、設(shè)計(jì)特征等的結(jié)構(gòu)化提取，特征關(guān)聯(lián)關(guān)系和順序建立，建立從設(shè)計(jì)狀態(tài)還原成板料狀態(tài)的模型特征序列；②面向工序工步的工藝模型構(gòu)建?；诠に囈?guī)程， 逐級(jí)構(gòu)建工藝規(guī)程樹(shù)及其對(duì)應(yīng)的工藝模型，實(shí)現(xiàn)工藝規(guī)程的結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)，以及工序/工步與三維模型的關(guān)聯(lián)。

圖2 鈑金工藝模型的構(gòu)建過(guò)程

核心技術(shù)包括PMI 提取、變形特征展開(kāi)、去除材料特征處理、孔特征添加和折彎特征構(gòu)建。 篇幅關(guān)系，此處只對(duì)PMI 信息提取和變形特征展開(kāi)進(jìn)行介紹。

1.2.1 PMI 信息提取

從設(shè)計(jì)模型獲取PMI 信息的算法如圖3 所示： 遍歷設(shè)計(jì)模型，獲取其PMI 特征，根據(jù)PMI 特征類(lèi)型，讀取其定義信息，最后輸出為JSON 文件，供工藝設(shè)計(jì)軟件使用。

圖3 PMI 信息提取算法

1.2.2 變形特征處理

變形特征（折彎和展平）處理是鈑金工藝建模的重點(diǎn)內(nèi)容，而變形特征順序確定是關(guān)鍵。本文提出“試展開(kāi)”方法，根據(jù)變形特征空間位置確定其順序，基本思想如圖4所示：①確定基準(zhǔn)平面。 一般情況下，基準(zhǔn)面為建模時(shí)第一壁所在平面。 將基準(zhǔn)面及位于基準(zhǔn)面的展開(kāi)特征稱(chēng)為展開(kāi)層；②變形特征展開(kāi)。根據(jù)變形特征位置確定展開(kāi)優(yōu)先順序并逐個(gè)展開(kāi)；③變形特征遞歸展開(kāi)。對(duì)新出現(xiàn)的展開(kāi)層遞歸進(jìn)行步驟②操作，直到所有層處理完成。

圖4 變形特征展開(kāi)順序確定的基本思想

圖5 是試展開(kāi)算法確定展開(kāi)特征順序的實(shí)例：

圖5 試展開(kāi)算法確定展開(kāi)特征順序的實(shí)例

（1）確定基準(zhǔn)面，本例中為模型第一壁。

（2）遍歷平面變形特征集合，確定優(yōu)先順序。 有3 處變形特征，其中①夾角45°，而②和③則為90°，優(yōu)先級(jí)為：②=③〉①。 再根據(jù)距離判斷。 ②到中心點(diǎn)距離大于③，順序?yàn)棰凇耽邸耽佟?/p>

（3）根據(jù)試展法確定順序正確性。試展過(guò)程中發(fā)現(xiàn)②和③干涉（圖5（b）），調(diào)整順序?yàn)椋孩邸耽凇耽?，此時(shí)沒(méi)有干涉，效果如圖5（d）。

（4）遞歸獲取③、②、①基準(zhǔn)面，重復(fù)執(zhí)行步驟2 和3，確定各特征展開(kāi)順序。 如圖5（d）所示，獲得特征④和⑤，由于⑤角度大于④，且試展開(kāi)不干涉，確定優(yōu)先為⑤〉④。

（5）遞歸執(zhí)行步驟2 和3，直到全部變形特征確定順序，鈑金件處于平整狀態(tài)，如圖5（f）所示。

（6）確定最后變形特征展開(kāi)順序?yàn)棰邸耽凇?①〉⑤〉④〉⑥。

2 面向工序工步的三維標(biāo)注

三維工藝設(shè)計(jì)時(shí)， 由于模型可自由轉(zhuǎn)動(dòng)， 容易出現(xiàn)“刺猬現(xiàn)象”（圖6），PMI 混雜后可讀性極差。因此需對(duì)PMI進(jìn)行管理，為每一個(gè)工序和工步創(chuàng)建獨(dú)立的視圖空間。

圖6 三維工藝標(biāo)注“刺猬”現(xiàn)象

圖7 為面向工序/工步的PMI 管理實(shí)現(xiàn)效果：工步2創(chuàng)建兩個(gè)視圖（1 和2），工序3 創(chuàng)建視圖3。 點(diǎn)擊工步2，系統(tǒng)激活視圖1， 顯示對(duì)應(yīng)的視圖方向、特征和PMI。 設(shè)計(jì)者也可以選擇切換到視圖2；當(dāng)點(diǎn)擊工序3 時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)切換到視圖3。

圖7 面向工序/工步的PMI 管理效果

3 鈑金工藝系統(tǒng)驗(yàn)證

論文以配電箱為案例（見(jiàn)圖8），對(duì)本文開(kāi)發(fā)的三維鈑金工藝系統(tǒng)進(jìn)行了驗(yàn)證，其基本的過(guò)程如下：

圖8 配電箱設(shè)計(jì)模型

（1）鈑金特征重構(gòu)：在設(shè)計(jì)模型欄中遍歷變形特征和PMI，將其加載到工藝特征列表中，并按照設(shè)計(jì)特征的優(yōu)先級(jí)順序完成模型樹(shù)重構(gòu)，如圖9 所示。

圖9 特征重構(gòu)

（2）工藝規(guī)程樹(shù)構(gòu)建：如圖10 所示，創(chuàng)建工藝規(guī)程的工序和工步，設(shè)置工藝屬性。 屬性信息新增和編輯時(shí)，調(diào)取工藝資源界面進(jìn)行選擇。

圖10 工藝規(guī)程設(shè)計(jì)

（3）去除材料特征構(gòu)建：去除材料特征構(gòu)建包括鈑金件完全展開(kāi)時(shí)的外形輪廓以及開(kāi)孔產(chǎn)生內(nèi)輪廓的處理。圖11（a）和（b）分別對(duì)沖孔特征和下料特征的構(gòu)建過(guò)程。

圖11 基于輪廓的去除材料特征構(gòu)建

（4） 折彎特征構(gòu)建：如圖12 所示，選擇基準(zhǔn)平面，計(jì)算相關(guān)折彎面并列表。對(duì)折彎特征進(jìn)行排序。點(diǎn)擊“確定”后，根據(jù)選中折彎面順序自動(dòng)創(chuàng)建特征。

圖12 折彎特征構(gòu)建

（5） 鈑金工藝信息標(biāo)注： 根據(jù)行業(yè)標(biāo)注 “SJ 21307-2018 電子裝備鈑金工藝方法圖形符號(hào)”開(kāi)發(fā)了編輯工藝符號(hào)標(biāo)注程序， 其界面如圖13 所示鈑金工藝符號(hào)標(biāo)注界面所示。

圖13 鈑金工藝符號(hào)標(biāo)注界面

圖14 工藝信息標(biāo)注實(shí)現(xiàn)效果圖

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)鈑金工藝模型構(gòu)建和面向工序工步的三維標(biāo)注信息處理，解決了工藝模型構(gòu)建慢、工藝信息表達(dá)難的問(wèn)題。 通過(guò)對(duì)三維鈑金工藝系統(tǒng)設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)與應(yīng)用，統(tǒng)一數(shù)據(jù)源為三維標(biāo)注模型，工藝信息表達(dá)模型化、集成化，打通設(shè)計(jì)-工藝-制造孤島，實(shí)現(xiàn)工藝數(shù)據(jù)向現(xiàn)場(chǎng)可視化、交互發(fā)布，大大提高了工藝的指導(dǎo)性。