钣金零件的特征设计
http://www.51xue.org.cn 2007/6/26 源自:中华职工学习网 【字体：
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钣金零件是一种被广泛应用于机电、轻工、汽车等行业的零件，过去传统的生产方法，由于周期长、效率低、质量差等缺点已经越来越不适应现代的设计要求。因此，在微机上开发钣金件CAD系统是非常有意义的。
0 引言
钣金零件是一种被广泛应用于机电、轻工、汽车等行业的零件，过去传统的生产方法，由于周期长、效率低、质量差等缺点已经越来越不适应现代的设计要求，为了克服这些弊端，人们开发出一些先进的CAD系统，如Parametric Technolog公司的Pro/SHEETMETAL、Integraph公司FlatPatternand Nesting等，这些专门的钣金零件设计系统，虽然功能十分强大，但是由于大多运行在工作站上，无论软件还是硬件都显得很昂贵，因此，在微机上开发钣金件CAD系统是非常有意义的。
1钣金件特点和造型要求
1.1钣金零件的特点钣金零件一般可分为三类：
（1）平板类指一般的平面冲裁件。（2）弯曲类由弯曲或弯曲加简单成形构成的零件。（３）成形类由拉伸等成形方法加工而成的规则曲面类或自由曲面类零件。这些零件都是由平板毛坯经冲切及变形等冲压方式而加工出来的，它们与一般机加工方式加工出来的零件存在着很大差别。在冲压加工方式中，弯曲变形是使钣金零件产生复杂空间位置关系的主要加工方式。而其它加工方法一般只是在平板上产生凸起或凹陷以及缺口、孔和边缘等形状。这一特点是在建立钣金零件造型系统时所必须注意的。
1.2钣金零件产品造型要求在模具设计过程中，钣金零件的形状是模具设计的主要依据，它决定了模具的总体结构和形状。而钣金零件的尺寸公差则影响着模具工作部分（如凸凹模等）形状的尺寸及公差。另外，钣金零件的材料、形位公差及技术要求等对模具的工作部件有较大的影响。因此，钣金零件模型除应包含形状信息外，还必须包含零件的尺寸公差、精度、材料以及技术要求等信息，这样才能保证模具设计结果的准确性。钣金零件模型是后续模具设计应用程序所需各种信息的载体，这就要求零件模型能够反映出钣金零件的特点，具体地说就是要反映出钣金零件的工程语义，使模具设计应用程序可以理解方便地提取出所需要的信息。另一方面，３维钣金零件一般具有复杂的空间位置关系，只有根据钣金零件的形状特点进行构造，才可能简化用户操作。
2钣金件特征设计
2.1现有钣金造型方法
目前，已有针对钣金零件特点而提出来的几何造型方法，主要有2D钣金零件的几何造型和３D钣金零件的几何造型。前者包括编码法、面素拼合法和交互尺寸输入法等；后者有弯曲变换拼合法、体素拼合法等方法。上述所有造型方法存在的共同缺点是当定义出错时，修改非常麻烦，甚至可能需要重新输入。所建立的零件模型，包含的信息也不完备，特别是缺少有关工程语义信息。当零件复杂时，造型过程也非常繁琐。
2.2钣金件特征描述
通过以上对钣金零件特点以及零件模型要求的分析，以及对现有的几种钣金零件的几何造型方法的介绍，可以看到，要建立一个既反映钣金零件特点又能满足CAD燉CAM系统要求的钣金零件模型，采用特征造型技术是一个有效的办法。它除了能提供钣金零件的完整的信息模型外，而且还可以较好地解决现有一些几何造型方法所存在的问题。目前一些商用的造型系统如Pro/ Engineering等都是采用特征造型方法来建立模型进行零件的表达。
特征是产品描述信息的集合，它不仅具有按一定拓扑关系组成的特定形状，而且反映特定的工程语义，适宜在设计、分析和制造中使用。特征是实现CAD/CAPP/CAM集成的关键。特征可以分为：形状特征、精度特征、材料特征等，其中形状特征是关键，是其它特征的载体或基体，也是实现参数化特征造型的核心，它可以定义为具有一定工程意义的几何形体或实体。零件的结构与形状是产品定义的主要内容之一，如何用形状特征及其相互关系来描述一个产品的结构与形状，是特征建模的首要问题，每个钣金零件都可以分解为一个或多个形状特征，显而易见，从特征构型的角度来看，钣金件是由一系列特征构成，它们之间的相互联系便构成一个完整的零件。根据钣金件特点，可以归纳出如下特征：
（1）平面特征构成零件的平面形状，是零件的基本部分，是连接弯曲的部分，也是局部成形和冲孔的母体。平面特征的几何形状由一个图形元素（直线、圆弧等）链loop来表示。
（2）弯曲特征它是由弯曲加工工序产生的形状，这里以简单弯曲特征为例，即由圆柱面表示的弯曲区。弯曲特征由组成该特征的几何元素和弯曲属性来表示。其数据结构为：
typedefstructbend
｛
doublebang；
doublebrad；
doublebwidth；
……
｝BEND
（3）孔特征它作为一般子特征而依附于其它特征，如在平面或弯曲特征上冲孔。孔的数据结构与平面特征基本相同。
（4）局部成形特征由局部成形工序在冲压件上产生的形状。通常它的形状固定，尺寸不同，因此可以用参数来表达。
（5）用户自定义特征由于钣金件种类繁多，往往会用到一些新的特征，因此特征建模系统有必要为用户提供自定义的手段。
其中，钣金件是以平面和弯曲面为主特征，而冲孔和局部成形特征作为主特征的附属特征来描述。每个平面特征可以与多个弯曲特征相连，而每个弯曲特征只能在两端与两个平面特征相连，根据特征在钣金件展开中的作用，每个钣金件都定义了一个基准特征，通过主特征之间的关系，可将零件按多*特征树形式分解（图1a），该特征树的根就是基准形状特征，由于多*树（图1b）的操作处理比较麻烦，因而以二*树（图1c）的形式表达和处理多*树。
2.3特征信息描述
现状特征不仅是低层次设计信息的抽象，而且是其它非几何特征信息的载体，因此是产品信息模型中最重要的部分。目前，还没有一种关于特征的广为人们接受的定义及其描述方法。人工辅助特征识别是将特征的识别和映射任务交给人来完成，自动化程度低；特征自动识别算法复杂，至今只对简单形状的识别比较有效。更合理的方法是使设计人能够按形状来建立模型并储存其信息，而不是事后识别形状特征。因此，本文进行基于特征设计方法的研究，提出特征描述方法，该方法根据集成化制造系统的要求，统一规划产品描述的多级抽象结构，以提高系统的时间效率和空间效率。
形状特征的描述分为三层。顶层是特征关系树，它描述产品的总体形状如何由各特征元素组成，特征间的关系用连接来表达，如邻接关系反应了特征间的连接关系，父子关系反应了特征的从属关系。特征关系树将物体分解成低级元素，并显示表达特征间的相互关系和相互作用，这种分解给产品模型增加一定程度的智能，给用户提供了符合人们思维形式的高级环境。第二层是每个形状特征的定义，包括工程关键词和有关参数，各基本特征的参数表描述了各特征元素的属性参数，如弯曲角的特征参数是弯曲角度和半径，这是一种隐式表达数据实体的方法，它将形状信息参数化地而不是几何地组织进数据结构中，相对来说，隐式表达更易为应用操作所控制和利用。第三层是简化对称边界图，它描述组成物体的面、边、点及其相互关系，面的存在为精度特征的描述提供了依据，而且在计算机绘图等应用中，也需要产品的拓扑和几何数据。
由于形状特征的建模既具备高层次的形状特征信息，又具备对形状特征进行分解产生的低层次几何要素信息。因此，精度特征和材料特征表达所依据的形状信息是完备的，可以分别精度特征和材料特征的描述框架，然后通过指针与形状特征联成网络。
2.4特征造型的实现
在本文中，选用AutoCAD作为特征造型建立钣金零件产品模型的设计平台，并且引进参数化技术，特征具有参数化的性质，其属性以参数的形式来表达。设计师预先建立特征库，其中包含常用钣金零件的特征，如平板、孔以及各种形式的槽等，设计是首先输入零件的总体信息，选择特征库中基体类特征，生成基体特征，以此为基础，进行特征装配造型。然后循环从特征库中选择所需要的特征，通过特征参数表和定位参数表给出特征参数和定位参数，并进行特征装配，建立形状特征模型。最后输入其它特征信息，建立产品特征模型。
3结论
利用这种思想建立的特征零件模型具有以下特点：（1）集成性特征造型系统为下游应用的各环节提供了一个具有几何、属性和知识的信息完备的产品模型，从而为CAD、CAPP和CAM各应用模块的集成提供了实现的基础。（2）表达信息的丰富性相对于几何造型软件，基于特征建模提供了一种更自然方便表达设计者意图的方法，允许设计者直接用工程术语描述零件。（3）信息描述的多层次性产品模型既有高层次的特征参数和特征关系，又有低层次的几何拓扑元素，一方面为后续的特征评价提供了高层次的语义信息，另一方面为尺寸和精度特征的表示提供了依据实体。
0 引言
钣金零件是一种被广泛应用于机电、轻工、汽车等行业的零件，过去传统的生产方法，由于周期长、效率低、质量差等缺点已经越来越不适应现代的设计要求，为了克服这些弊端，人们开发出一些先进的CAD系统，如Parametric Technolog公司的Pro/SHEETMETAL、Integraph公司FlatPatternand Nesting等，这些专门的钣金零件设计系统，虽然功能十分强大，但是由于大多运行在工作站上，无论软件还是硬件都显得很昂贵，因此，在微机上开发钣金件CAD系统是非常有意义的。
1钣金件特点和造型要求
1.1钣金零件的特点钣金零件一般可分为三类：
（1）平板类指一般的平面冲裁件。（2）弯曲类由弯曲或弯曲加简单成形构成的零件。（３）成形类由拉伸等成形方法加工而成的规则曲面类或自由曲面类零件。这些零件都是由平板毛坯经冲切及变形等冲压方式而加工出来的，它们与一般机加工方式加工出来的零件存在着很大差别。在冲压加工方式中，弯曲变形是使钣金零件产生复杂空间位置关系的主要加工方式。而其它加工方法一般只是在平板上产生凸起或凹陷以及缺口、孔和边缘等形状。这一特点是在建立钣金零件造型系统时所必须注意的。
1.2钣金零件产品造型要求在模具设计过程中，钣金零件的形状是模具设计的主要依据，它决定了模具的总体结构和形状。而钣金零件的尺寸公差则影响着模具工作部分（如凸凹模等）形状的尺寸及公差。另外，钣金零件的材料、形位公差及技术要求等对模具的工作部件有较大的影响。因此，钣金零件模型除应包含形状信息外，还必须包含零件的尺寸公差、精度、材料以及技术要求等信息，这样才能保证模具设计结果的准确性。钣金零件模型是后续模具设计应用程序所需各种信息的载体，这就要求零件模型能够反映出钣金零件的特点，具体地说就是要反映出钣金零件的工程语义，使模具设计应用程序可以理解方便地提取出所需要的信息。另一方面，３维钣金零件一般具有复杂的空间位置关系，只有根据钣金零件的形状特点进行构造，才可能简化用户操作。
2钣金件特征设计
2.1现有钣金造型方法
目前，已有针对钣金零件特点而提出来的几何造型方法，主要有2D钣金零件的几何造型和３D钣金零件的几何造型。前者包括编码法、面素拼合法和交互尺寸输入法等；后者有弯曲变换拼合法、体素拼合法等方法。上述所有造型方法存在的共同缺点是当定义出错时，修改非常麻烦，甚至可能需要重新输入。所建立的零件模型，包含的信息也不完备，特别是缺少有关工程语义信息。当零件复杂时，造型过程也非常繁琐。
2.2钣金件特征描述
通过以上对钣金零件特点以及零件模型要求的分析，以及对现有的几种钣金零件的几何造型方法的介绍，可以看到，要建立一个既反映钣金零件特点又能满足CAD燉CAM系统要求的钣金零件模型，采用特征造型技术是一个有效的办法。它除了能提供钣金零件的完整的信息模型外，而且还可以较好地解决现有一些几何造型方法所存在的问题。目前一些商用的造型系统如Pro/ Engineering等都是采用特征造型方法来建立模型进行零件的表达。
特征是产品描述信息的集合，它不仅具有按一定拓扑关系组成的特定形状，而且反映特定的工程语义，适宜在设计、分析和制造中使用。特征是实现CAD/CAPP/CAM集成的关键。特征可以分为：形状特征、精度特征、材料特征等，其中形状特征是关键，是其它特征的载体或基体，也是实现参数化特征造型的核心，它可以定义为具有一定工程意义的几何形体或实体。零件的结构与形状是产品定义的主要内容之一，如何用形状特征及其相互关系来描述一个产品的结构与形状，是特征建模的首要问题，每个钣金零件都可以分解为一个或多个形状特征，显而易见，从特征构型的角度来看，钣金件是由一系列特征构成，它们之间的相互联系便构成一个完整的零件。根据钣金件特点，可以归纳出如下特征：
（1）平面特征构成零件的平面形状，是零件的基本部分，是连接弯曲的部分，也是局部成形和冲孔的母体。平面特征的几何形状由一个图形元素（直线、圆弧等）链loop来表示。
（2）弯曲特征它是由弯曲加工工序产生的形状，这里以简单弯曲特征为例，即由圆柱面表示的弯曲区。弯曲特征由组成该特征的几何元素和弯曲属性来表示。其数据结构为：
typedefstructbend
｛
doublebang；
doublebrad；
doublebwidth；
……
｝BEND
（3）孔特征它作为一般子特征而依附于其它特征，如在平面或弯曲特征上冲孔。孔的数据结构与平面特征基本相同。
（4）局部成形特征由局部成形工序在冲压件上产生的形状。通常它的形状固定，尺寸不同，因此可以用参数来表达。
（5）用户自定义特征由于钣金件种类繁多，往往会用到一些新的特征，因此特征建模系统有必要为用户提供自定义的手段。
其中，钣金件是以平面和弯曲面为主特征，而冲孔和局部成形特征作为主特征的附属特征来描述。每个平面特征可以与多个弯曲特征相连，而每个弯曲特征只能在两端与两个平面特征相连，根据特征在钣金件展开中的作用，每个钣金件都定义了一个基准特征，通过主特征之间的关系，可将零件按多*特征树形式分解（图1a），该特征树的根就是基准形状特征，由于多*树（图1b）的操作处理比较麻烦，因而以二*树（图1c）的形式表达和处理多*树。
2.3特征信息描述
现状特征不仅是低层次设计信息的抽象，而且是其它非几何特征信息的载体，因此是产品信息模型中最重要的部分。目前，还没有一种关于特征的广为人们接受的定义及其描述方法。人工辅助特征识别是将特征的识别和映射任务交给人来完成，自动化程度低；特征自动识别算法复杂，至今只对简单形状的识别比较有效。更合理的方法是使设计人能够按形状来建立模型并储存其信息，而不是事后识别形状特征。因此，本文进行基于特征设计方法的研究，提出特征描述方法，该方法根据集成化制造系统的要求，统一规划产品描述的多级抽象结构，以提高系统的时间效率和空间效率。
形状特征的描述分为三层。顶层是特征关系树，它描述产品的总体形状如何由各特征元素组成，特征间的关系用连接来表达，如邻接关系反应了特征间的连接关系，父子关系反应了特征的从属关系。特征关系树将物体分解成低级元素，并显示表达特征间的相互关系和相互作用，这种分解给产品模型增加一定程度的智能，给用户提供了符合人们思维形式的高级环境。第二层是每个形状特征的定义，包括工程关键词和有关参数，各基本特征的参数表描述了各特征元素的属性参数，如弯曲角的特征参数是弯曲角度和半径，这是一种隐式表达数据实体的方法，它将形状信息参数化地而不是几何地组织进数据结构中，相对来说，隐式表达更易为应用操作所控制和利用。第三层是简化对称边界图，它描述组成物体的面、边、点及其相互关系，面的存在为精度特征的描述提供了依据，而且在计算机绘图等应用中，也需要产品的拓扑和几何数据。
由于形状特征的建模既具备高层次的形状特征信息，又具备对形状特征进行分解产生的低层次几何要素信息。因此，精度特征和材料特征表达所依据的形状信息是完备的，可以分别精度特征和材料特征的描述框架，然后通过指针与形状特征联成网络。
2.4特征造型的实现
在本文中，选用AutoCAD作为特征造型建立钣金零件产品模型的设计平台，并且引进参数化技术，特征具有参数化的性质，其属性以参数的形式来表达。设计师预先建立特征库，其中包含常用钣金零件的特征，如平板、孔以及各种形式的槽等，设计是首先输入零件的总体信息，选择特征库中基体类特征，生成基体特征，以此为基础，进行特征装配造型。然后循环从特征库中选择所需要的特征，通过特征参数表和定位参数表给出特征参数和定位参数，并进行特征装配，建立形状特征模型。最后输入其它特征信息，建立产品特征模型。
3结论
利用这种思想建立的特征零件模型具有以下特点：（1）集成性特征造型系统为下游应用的各环节提供了一个具有几何、属性和知识的信息完备的产品模型，从而为CAD、CAPP和CAM各应用模块的集成提供了实现的基础。（2）表达信息的丰富性相对于几何造型软件，基于特征建模提供了一种更自然方便表达设计者意图的方法，允许设计者直接用工程术语描述零件。（3）信息描述的多层次性产品模型既有高层次的特征参数和特征关系，又有低层次的几何拓扑元素，一方面为后续的特征评价提供了高层次的语义信息，另一方面为尺寸和精度特征的表示提供了依据实体。
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