基于特征的鈑金零件計算機輔助設計研究

劉總漢

（浙江物產(chǎn)光華民爆器材有限公司，浙江 衢州324400）

0 引言

鈑金工藝在家電以及汽車制造方面都應用較多，它是保證這些機械結(jié)構的高效率及優(yōu)良性能的重要前提之一。以油煙機制造為例，在油煙機的整體構造中，板材組成的薄殼仍然是主要部分，所以鈑金工藝設計必不可少。相關數(shù)據(jù)顯示，油煙機零件中約70%為鈑金零件，其制造的工作量約為整機的3/4，鈑金零件在油煙機制造中的地位可想而知。然而，現(xiàn)有的設計系統(tǒng)未能有效地與設計知識進行融合，在信息處理過程中還有相當一部分工作需人工處理，重復建模及反復查閱標準使得設計效率較低。所以在鈑金設計制造中，研究基于鈑金特征的計算機輔助建模技術意義重大。

1 基于特征設計的優(yōu)點

所謂基于特征的設計，就是指在進行零件設計時可以直接使用已經(jīng)定義好的特征，這便避免了大量重復的工作。在零件設計模塊中，特征含有零件所有高層次的信息，這就使得如CATIA系統(tǒng)、Pro/E系統(tǒng)等的智能化進一步彰顯出來。所以，基于特征的設計是鈑金零件設計的主要建模方式。設計環(huán)境不同需要考慮的設計特征也不盡相同，所以在進行特征設計時一定要充分考慮零件的信息，例如設計對象的尺寸、外形、功能、精度、裝配因素甚至使用壽命以及價格。與傳統(tǒng)的設計方法相比，基于特征設計的優(yōu)點主要有：

（1）在進行設計時，對于零件要求的條件能進行充分的考慮，從而盡量避免影響零件質(zhì)量的缺陷。

（2）由于計算機輔助設計是面向制造的，所以在設計時能夠為制造提供充足的信息。

（3）能夠增強產(chǎn)品設計過程的規(guī)范性。

特征設計的作用想要得到充分的發(fā)揮，特征的定義、表達與約束等都是需要具體考慮的問題。隨著計算機輔助設計軟件的不斷優(yōu)化與升級，特征設計的應用越來越能發(fā)揮其優(yōu)勢。

2 計算機輔助軟件應用現(xiàn)狀以及存在的問題

對于鈑金結(jié)構的計算機輔助設計軟件市場上主要有Pro/E、UG、CATIA、Solid Works以及 AutoCAD等，其中CATIA、UG更是開發(fā)了通用的家電、航空、汽車的鈑金設計環(huán)境及工具，本文主要以家電產(chǎn)品鈑金零件設計為例進行分析。

（1）家電產(chǎn)品上鈑金零件的設計規(guī)范以及結(jié)構種類非常多，設計時涉及的行業(yè)標準也較多，現(xiàn)有的設計軟件大多側(cè)重于集合形狀的設計，而對于與設計知識的融合方面則相對薄弱，因此計算機輔助設計的局限性就十分突出了?；诖?，我們下一步的工作重點應放在鈑金特征自動化建模系統(tǒng)上，使得產(chǎn)品的設計突破幾何設計的局限，實現(xiàn)產(chǎn)品設計與行業(yè)知識相融合的局面。

（2）首先要明確，基于特征設計的目的主要是實現(xiàn)產(chǎn)品工藝規(guī)劃及制造，并使其設計的規(guī)范性有所增加。但是在實際進行設計制造時，由于系統(tǒng)不能為基于特征的設計提供有效的支持，現(xiàn)有的計算機軟件無法實現(xiàn)自由的特征搭接。

（3）對于設計變更速度的提高可以通過參數(shù)化設計來實現(xiàn)，并且這些更改具有知識的繼承性，但在鈑金設計中，參數(shù)化本身是有局限性的，這就使得鈑金設計的推廣受到了一定的制約。例如，參數(shù)化過程會因設計人員的不同而不同，這就使得協(xié)同設計工作不能有效進行。當主約束數(shù)量較多時，修改參數(shù)的頻率就將加大，但這僅適用于產(chǎn)品的相似設計等，當約束元素差異較大時，設計更改就不太“中用”了。

不管是在汽車還是家電產(chǎn)品的制造中，鈑金設計都是知識密集的過程，所以若能在計算機輔助功能中結(jié)合設計知識，將會使得輔助設計效果及智能化程度大大提高，在鈑金設計的過程中，知識繼承的實現(xiàn)可使設計更規(guī)范、效率更高。

但即使我們明確了目的以及實現(xiàn)途徑，在實際操作中還是會面臨諸多問題，特別是對于一些設計任務較繁重、密集的情況，鈑金設計的更改依然是個難題。

總而言之，雖然在鈑金幾何特征的設計上已有很多不同的方法，但設計中存在的很多問題仍然不能解決，所以我們應該嘗試將不同設計方法的優(yōu)勢進行整合，實現(xiàn)鈑金零件設計的突破。快速高效地實現(xiàn)知識的全面繼承，是鈑金零件設計研究的主要趨勢。

3 鈑金幾何特征的參數(shù)化建模——以家電鈑金零件設計為例

3.1 鈑金零件特征的構建流程

圖1 為傳統(tǒng)鈑金工藝的幾何特征構建流程，從中可看出各個元素之間的從屬關系。

基于計算機三維軟件構建鈑金幾何特征主要流程為：根據(jù)鈑金零件三維模型的技術要求和傳統(tǒng)知識確定參考元素及基準元素—根據(jù)給定的技術要求定義鈑金零件的幾何外形—根據(jù)定義好的幾何外形確定特征和元素的相互關系—建立模型。

3.2 鈑金特征元素提取

鈑金特征元素提取主要是獲取參考元素和基準元素，其中參考元素可以是點、線、面或者是零件的某一平面，而基準元素只能是零件的型面。

零件中需要添加特征的幾何位置主要參考產(chǎn)品的三維模型或標準手冊，其次是提取的特征數(shù)據(jù)，最后是指定的基準元素對標識數(shù)據(jù)的提取。這是鈑金特征建模的基礎。

3.3 外形定義

家電產(chǎn)品對鈑金零件外形是有要求的。特征外形定義的主要流程包括：根據(jù)產(chǎn)品的三維模型以及相關標準確定鈑金零件的特征外形—綜合考慮添加特征的位置定義特征外形所需參數(shù)—分析設計的合理性—分析各元素之間的相互關聯(lián)，為建模提供理論基礎。

圖1 傳統(tǒng)幾何特征構建流程

3.4 參數(shù)化建模

參數(shù)化建模主要指基于特征的設計結(jié)合參數(shù)化設計，使得鈑金特征能夠用變量設計或者尺寸驅(qū)動的形式被描述，這樣特征相關屬性的修改就更加容易?；谔卣鞯膮?shù)化建?？梢詤⒄找韵虏襟E：

（1）定位基準的選取。所謂定位基準就是對鈑金特征進行定位，并形成用戶的定位信息，從而實現(xiàn)鈑金特征在整體設計中的定位。

（2）幾何模型的建立。定位后就可以進行建模，就我們所知，最終的幾何模型應是全約束的。這里以平底彎邊減輕孔為例進行介紹。

在CATIA中，該特征的建立需要2個步驟：首先是用沖壓模塊對板材進行沖壓，然后是用孔特征對沖壓特征進行沖孔，則該幾何特征生成完成。

如上述過程，在建模過程中需選擇2次基準元素，步驟過于繁瑣，并且設計者要不斷查閱標準規(guī)范和設計手冊，會產(chǎn)生不確定的人為因素，造成一旦出現(xiàn)錯誤很難進行更正。所以，在幾何模型建立伊始，就要將幾何模型的幾何信息和定位信息約束在一起，使得后期的鈑金特征的導入有定位依據(jù)。

（3）集合信息的參數(shù)化。在鈑金特征的參數(shù)化過程中，該特征幾何元素的大小和位置等信息不是某些固定數(shù)值，而是一些變量或公式，這樣一旦某個數(shù)值發(fā)生變化，特征參數(shù)也會相應改變。

在這里只有用戶特征在CATIA中無原型存在，需進行參數(shù)化建模，而標準特征和典型特征在CATIA中均有原型存在，且其幾何元素在CATIA中有固定的參數(shù)和其匹配，不需進行參數(shù)化建模。

4 結(jié)語

家電工業(yè)、汽車工業(yè)以及航空工業(yè)不斷發(fā)展，對于鈑金零件的設計要求也日益提高，新的設計任務日益艱巨。鈑金設計的重要性日益凸顯，其對機械整體的使用性能以及使用壽命影響十分明顯，所以對于鈑金零件設計的優(yōu)化是機械設計中非常重要的任務。雖然計算機輔助設計技術的發(fā)展已十分迅速，但一些方法在使用上仍存在問題，解決這些問題將使得鈑金零件的制造工藝更加出色。筆者認為，隨著未來制造設計的不斷完善，更多更優(yōu)秀的設計平臺將被開發(fā)出來。

［1］衛(wèi)斌.鈑金件特征設計及其關鍵技術研究［D］.長沙：中南大學，2008

［2］孟詳旭，徐延寧.參數(shù)化設計研究［J］.計算機輔助設計與圖形學學報，2002（11）