基于成形過程的鈑金特征識(shí)別與工序排配

李正旭，章志兵，張勛，李斌，黃維邦

（1.華中科技大學(xué)，武漢 430074；2.美的集團(tuán)制造技術(shù)研究院，廣東 佛山 528000）

鈑金件的工序排配是根據(jù)最終的產(chǎn)品零件設(shè)計(jì)出各中間工序模型，是鈑金沖壓模具工藝設(shè)計(jì)的核心環(huán)節(jié)。目前工序排配大多以手工設(shè)計(jì)為主，限制了模具設(shè)計(jì)周期。部分學(xué)者采用邊界匹配的方式對(duì)鈑金特征識(shí)別進(jìn)行了研究[1]，但這些方法都是從產(chǎn)品模型中提取特征，沒有考慮成形過程。鈑金零件是多工序成形的零件，由于切邊和變形等原因，中間工序中的特征可能無法在最終的產(chǎn)品模型中體現(xiàn)，僅從最后的產(chǎn)品模型中，難以正確識(shí)別出所有的特征。

文中提出了一種基于成形過程的鈑金特征識(shí)別與工序排配的方法，從最終的產(chǎn)品模型開始，識(shí)別當(dāng)前工序中基本的鈑金特征，并根據(jù)工藝設(shè)計(jì)規(guī)則對(duì)部分特征進(jìn)行計(jì)算展平，得到上一步的模型，如此自后向前地完成全工序的特征識(shí)別與工序排配。

1 基于成形過程的鈑金特征識(shí)別與工序排配

特征識(shí)別是將特征從實(shí)體模型中自動(dòng)識(shí)別出來的過程，從方法上主要分為基于邊界的特征識(shí)別方法和基于立體分解的特征識(shí)別方法兩大類[2—3]。鈑金成形工序包括沖孔、切邊、拉延、壓印、翻孔等多道工序[4]。一個(gè)鈑金零件是由多個(gè)工序成形出來的，每一序中都會(huì)成形出不同的特征來，有的組合特征需要在多個(gè)工序中成形。由于成形工序的先后順序不同，中間工序中的成形特征可能無法在最終的產(chǎn)品模型中體現(xiàn)。以下圖1 微波爐門體零件為例，先后經(jīng)歷了拉延、切邊、沖孔、折彎等7 個(gè)成形工序，第4 序的切邊會(huì)切掉第3 序的沖孔特征，第7 序的折彎會(huì)使第4序的沖孔變形。

圖1 微波爐門體零件的工序排配圖Fig.1 Process arrangement of microwave oven door

從產(chǎn)品零件開始，首先識(shí)別出當(dāng)前工序中已經(jīng)存在的特征，然后根據(jù)每一種特征對(duì)應(yīng)的規(guī)則，對(duì)在當(dāng)前工序中成形的特征進(jìn)行計(jì)算處理，便可將其恢復(fù)到上一序的模型，逐步反向在上一序模型上進(jìn)行特征識(shí)別和成形特征設(shè)計(jì)，便可恢復(fù)到上上一序的模型，最終得到全工序的特征識(shí)別和工序排配。

圖2 全工序特征識(shí)別與工序排配流程Fig.2 Full process feature recognition and process arrangement

在這個(gè)流程中有兩個(gè)重要的點(diǎn)：一是要能夠準(zhǔn)確識(shí)別出當(dāng)前工序中的典型鈑金特征，例如沖孔、折彎、壓印、拉延、翻邊等；二是對(duì)每一種特征要能夠根據(jù)成形的過程建立起正確的處理規(guī)則。另外實(shí)際的鈑金件是復(fù)雜的，不可能全部由典型鈑金特征組成，對(duì)于一些非典型特征，可以提供人機(jī)交互式的工具，給用戶進(jìn)行定義和處理。典型特征識(shí)別的規(guī)則庫、處理的規(guī)則庫、以及非典型特征交互式處理的工具，是實(shí)現(xiàn)全工序特征識(shí)別與工序排配的基礎(chǔ)。

2 典型鈑金特征的識(shí)別方法

2.1 鈑金特征識(shí)別的流程

整體上可以將鈑金特征劃分為內(nèi)特征和外特征兩大類[5]，內(nèi)特征是指特征通過平面的內(nèi)環(huán)連接到模型的主體，外特征是多個(gè)面通過一定規(guī)則圍成一個(gè)特征。常見內(nèi)特征有平板孔類、平板臺(tái)階類、平板色拉類、壓印凸包類、抽孔翻邊類、拉延類等，常見的外特征有折彎類、加強(qiáng)筋類等。

內(nèi)特征識(shí)別時(shí)，首先獲取到平面上的內(nèi)環(huán)，每一個(gè)內(nèi)環(huán)都有可能對(duì)應(yīng)著一個(gè)局部特征，然后在規(guī)則庫中進(jìn)行匹配，如果滿足規(guī)則，則該內(nèi)環(huán)為一個(gè)有效的內(nèi)特征入口。外特征識(shí)別時(shí)需要從特征中找出一個(gè)特征面當(dāng)作種子面，然后去匹配該種子面的相鄰面是否滿足構(gòu)成該外特征的規(guī)則，如果滿足規(guī)則，種子面便為一個(gè)有效的外特征入口。在找到特征入口后，只需要進(jìn)行局部搜索便可獲取到所有的特征面。

2.2 特征識(shí)別的拓?fù)潢P(guān)系

圖3 典型鈑金特征分類Fig.3 Classification of typical sheet metal features

在進(jìn)行特征識(shí)別時(shí)，需要建立面、環(huán)、邊的拓?fù)潢P(guān)系，具體包括獲取面上的環(huán)、獲取組成環(huán)的邊、獲取邊連接的面、獲取與邊相鄰的邊等。邊界表示法（Brep）中的拓?fù)潢P(guān)系如圖5 所示，從上到下依次為實(shí)體、面、環(huán)、邊。這些信息是按照多叉樹的方式組織起來的，按照多叉樹遍歷的深度優(yōu)先算法[6]，從根節(jié)點(diǎn)開始向下遍歷，對(duì)于面（Face）類型節(jié)點(diǎn)進(jìn)行遞歸遍歷，若子節(jié)點(diǎn)類型為環(huán)（Loop），則遞歸獲取環(huán)中的每一條邊，這樣便可以建立起面上包含的環(huán)的信息，以及每個(gè)環(huán)中包含的邊（Edge）的信息，對(duì)于邊類型的節(jié)點(diǎn)，獲取到其端點(diǎn)的坐標(biāo)并根據(jù)哈希函數(shù)進(jìn)行哈希，將共享端點(diǎn)的邊映射到一個(gè)集合之中，便可建立起邊之間的相鄰關(guān)系。

圖4 鈑金特征的識(shí)別流程Fig.4 Recognition process of sheet metal features

圖5 邊界表示法中的拓?fù)潢P(guān)系Fig.5 Topological relations in boundary representation

2.2.1 特征面類型

在曲面建模過程中，特征面有很多自由曲面，需要通過多點(diǎn)采樣的方法來識(shí)別曲面的類型和特征參數(shù)。為便于特征識(shí)別，可以從需要識(shí)別的鈑金特征中，抽出典型的特征面，作為識(shí)別的種子面：①平面，在面隨機(jī)取一定數(shù)量的點(diǎn)，如果這些點(diǎn)的法向均一致，則認(rèn)為面是平面；② 圓柱面，圓柱面上一點(diǎn)處的最小曲率半徑為圓柱面的半徑，最大曲率半徑為無窮大，在面上隨機(jī)取一定數(shù)量的點(diǎn)，若曲面在這些點(diǎn)處的最小曲率半徑相等，并且最大曲率半徑均為無窮大，則認(rèn)為面是圓柱面；③圓錐面，圓錐面是一根母線繞軸旋轉(zhuǎn)的結(jié)果，面上任意一點(diǎn)的法向與中心軸的夾角相同，在面上隨機(jī)取3 點(diǎn)，根據(jù)3 個(gè)法向可以確定出中心軸的方向，再在面上隨機(jī)取一些點(diǎn)，計(jì)算法向與中心軸的夾角，若均相等則認(rèn)為面是圓錐面；④ 環(huán)面，環(huán)面是圓弧繞著自由曲線掃掠后所得的曲面，在面上隨機(jī)取一定數(shù)量的點(diǎn)，若面上任意一點(diǎn)處的2 個(gè)曲率半徑，均有1 個(gè)值相等，則認(rèn)為該面是環(huán)面；⑤ 球面，在面上隨機(jī)取一定數(shù)量的點(diǎn)，若曲面在這些點(diǎn)處的2 個(gè)曲率半徑均相等，則該面是球面；⑥ 其他Nurbs 曲面。

2.2.2 邊的凹凸性判定

邊的凹凸性是邊的一個(gè)重要特征[7]，在建立特征識(shí)別的規(guī)則庫時(shí)經(jīng)常用到這一特性，根據(jù)幾何關(guān)系可以將邊分為相切邊、混合邊、凸邊和凹邊。如圖6，兩個(gè)相鄰面F1和F2，其公共邊為E，兩個(gè)面在公共邊中點(diǎn)處的法向分別為N1和N2，當(dāng)N1與N2的方向相同時(shí)，E為相切邊。當(dāng)兩個(gè)面都不是平面時(shí)，E為混合邊。若兩個(gè)面中至少有一個(gè)平面（不妨假設(shè)為F1），由N1和N2可以計(jì)算出一個(gè)叉乘向量V，由Brep中環(huán)的方向性，可以計(jì)算出F1上邊E的方向Ne，設(shè)V與Ne所成的夾角為α，當(dāng)α∈(0,π/2)時(shí)，E為凸邊，當(dāng)α∈(π/2,π)，時(shí)，E為凹邊。

確定邊凹凸性的算法如下：①步驟1，計(jì)算兩個(gè)面在公共邊中點(diǎn)處的法向N1與N2，若N1與N2方向相同，則E為相切邊，否則執(zhí)行步驟2；② 步驟2，如果F1和F2都不是平面，則公共邊E為混合邊，否則執(zhí)行步驟3；③步驟3，設(shè)F1為平面，根據(jù)右手定則，計(jì)算一個(gè)矢量V，其中：V=N1×N2；④ 步驟4，計(jì)算F1在公共邊E處的方向Ne，注意F1為步驟3中叉乘的左側(cè)向量，邊的方向定義為在面上沿著該方向走，面在左手側(cè)；⑤ 步驟5，計(jì)算V與Ne所成的夾角α，若α＜π/2，E為凸邊，若α＞π/2，E為凹邊。

圖6 邊的凹凸性判斷Fig.6 Concavity determination of edge

3 中間工步鈑金特征設(shè)計(jì)

3.1 局部特征移除

局部特征移除是鈑金特征的一種常見的處理方式。對(duì)于平板孔類特征而言，只要能夠找到?jīng)_孔特征的邊界和所處的基準(zhǔn)平面，便可拉伸出一個(gè)幾何體，將該拉伸體與模型主體進(jìn)行布爾和，便可將沖孔特征移除。局部特征移除也可用于處理平板臺(tái)階類特征和壓印凸包類特征，這些特征的特點(diǎn)是只會(huì)在局部成形，主要通過材料的變薄實(shí)現(xiàn)，可以忽略掉材料流動(dòng)的影響。處理時(shí)先找到特征最大的外邊界并拉伸，將特征區(qū)域剪掉，而后再拉伸一個(gè)與鈑金模型等厚度的體并與模型求和，便可將這類局部特征恢復(fù)到成形之前的狀態(tài)。

3.2 折彎展開

折彎展開是一個(gè)比較復(fù)雜的過程，大變形復(fù)雜的折彎可以采用基于有限元逆算法的多步展開方法[8]，較規(guī)則的折彎可以通過現(xiàn)有的鈑金展開模塊處理。目前NX 平臺(tái)上現(xiàn)有的鈑金展開模塊可以很好地展開直的折彎面，但不能處理彎曲的折彎面[9]。文中提出了一種化曲為直的方式來處理彎曲的折彎，具體處理的步驟如下：①步驟1，將轉(zhuǎn)角處的折彎邊以一定的步長(zhǎng)離散成點(diǎn)，如圖7 所示，計(jì)算點(diǎn)P1在折彎基準(zhǔn)面的投影點(diǎn)P0，將P0往外側(cè)偏移得到P1'，偏移方向?yàn)檎蹚澾叺耐队扒€在P0處的切線方向Ne與P0、P1連線方向Np叉乘的方向，偏移距離根據(jù)點(diǎn)到折彎基準(zhǔn)面的距離、材料的厚度和收縮系數(shù)計(jì)算，計(jì)算公式為：P0P2=P0P1+λt，其中P0P1為點(diǎn)到下表面的距離，λ為收縮系數(shù)，t為板厚；② 步驟2，對(duì)步驟1 中求出的所有的點(diǎn)進(jìn)行光順處理，刪除產(chǎn)生回環(huán)的點(diǎn)，將這些點(diǎn)通過樣條曲線擬合，并根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置邊界的位置約束或相切約束，最后得到一條樣條曲線作為拉伸折彎展開塊體的外邊界；③步驟3，根據(jù)樣條曲線和投影的內(nèi)邊界曲線創(chuàng)建輔助線，形成封閉輪廓，將封閉截面拉伸板厚得到折彎展開塊體，將拉伸的折彎展開塊體與用鈑金功能展開的模型進(jìn)行布爾和。

圖7 彎曲折彎面的展開方法Fig.7 Unbending method of curved bent surface

圖8 彎曲折彎的展開結(jié)果Fig.8 Unbending result of bend

3.3 切邊廢料補(bǔ)齊

切邊時(shí)會(huì)根據(jù)切邊線的位置對(duì)模型進(jìn)行剪切，可能會(huì)破壞其他特征。處理切邊特征時(shí)首先應(yīng)該根據(jù)切邊端面和切邊規(guī)則快速生成切邊線[10]，作為后續(xù)模具設(shè)計(jì)的工藝輸入，其次應(yīng)該將切邊廢料補(bǔ)齊，以便恢復(fù)上一序，另外如果切邊過程破壞了原有的特征，則還應(yīng)還原被破壞的特征。以圖9 所示的齒形切邊為例，圖9a 是當(dāng)前序的結(jié)果，在處理切邊時(shí)，不僅應(yīng)該補(bǔ)齊切掉的廢料，還應(yīng)該重新生成齒形切邊孔。處理的一般步驟如下：①步驟1，首先抽取切邊端面相應(yīng)的邊，根據(jù)一定的規(guī)則擬合出切邊線，作為模具設(shè)計(jì)的工藝線；② 步驟2，創(chuàng)建相應(yīng)的截面線并拉伸，與當(dāng)前序的模型求和，補(bǔ)齊切邊廢料；③步驟3，標(biāo)記新產(chǎn)生的齒形切邊孔，作為在中間工序中生成的特征。

圖9 齒形切邊處理前后的示意圖Fig.9 Before and after processing of toothed trimming

圖10 翻孔特征處理前后示意圖Fig.10 Before and after processing of hole flanging

3.4 回彈收縮補(bǔ)償

成形時(shí)會(huì)對(duì)坯料的外形產(chǎn)生影響的特征，在處理時(shí)應(yīng)對(duì)坯料外形根據(jù)相應(yīng)的系數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償。一個(gè)典型的例子是翻孔特征，翻孔特征是需要兩步才能成形的特征，首先沖出一個(gè)孔，然后進(jìn)行翻邊形成豎邊。處理翻孔特征同樣也應(yīng)該分為兩步，首先根據(jù)翻孔外形和補(bǔ)償系數(shù)計(jì)算出翻孔前應(yīng)該沖孔的大小[11]，然后通過3.1 節(jié)中的方法將翻孔特征去掉，留下一個(gè)沖孔特征，在上上一步處理時(shí)，再將孔補(bǔ)上。

4 多工序特征識(shí)別應(yīng)用實(shí)例

以微波爐門體零件為例，在NX11 平臺(tái)上，對(duì)模型進(jìn)行特征識(shí)別，所得結(jié)果如圖11 所示，在此基礎(chǔ)之上根據(jù)每種特征對(duì)應(yīng)的規(guī)則進(jìn)行特征設(shè)計(jì)，還原上一序，最終得到的工序排配圖如圖12 所示。使用的計(jì)算機(jī)主要參數(shù)為 Intel(R)Core(TM)i5-6400 CPU@2.70 GHz、8 G 內(nèi)存[12]，整個(gè)工序排配過程耗時(shí)約5 min左右，最后所得的結(jié)果可以直接用于設(shè)計(jì)每一序的參數(shù)化模具，較傳統(tǒng)方式而言，設(shè)計(jì)效率有了明顯的提升。

圖11 微波爐門體的特征識(shí)別結(jié)果Fig.11 Feature recognition result of microwave oven door

圖12 最終的工序排配圖Fig.12 Result of process arrangement

5 結(jié)論與展望

提出了一種基于成形過程的鈑金件特征識(shí)別與工序排配的方法。該方法能夠考慮各工序成形的過程，能夠很好地處理中間工序中成形的特征在最終產(chǎn)品模型中沒有體現(xiàn)的情況。每一工序所得的模型能直接用于輔助模具設(shè)計(jì)，顯著提高了模具設(shè)計(jì)的周期。后期可以對(duì)鈑金特征識(shí)別的規(guī)則庫和中間工步處理的規(guī)則庫進(jìn)行拓展，提高該方法的適用性。