基于CATIA的汽車覆蓋件修邊鑲塊自動化設(shè)計輔助系統(tǒng)開發(fā)

茹龍，章志兵，張希磊

應(yīng)用技術(shù)

基于CATIA的汽車覆蓋件修邊鑲塊自動化設(shè)計輔助系統(tǒng)開發(fā)

茹龍，章志兵，張希磊

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

基于CATIA平臺，開發(fā)汽車覆蓋件修邊鑲塊自動化設(shè)計輔助系統(tǒng)。對修邊鑲塊的設(shè)計流程進行分析，先采用滾圓算法對修邊工藝線進行光順前處理，再將修邊工藝線進行類型劃分，以矢量計算的方式獲取輪廓方向，開發(fā)了基于無向加權(quán)圖的最小輪廓識別算法，以串并行結(jié)合的建模方案對鑲塊進行自動化建模。系統(tǒng)實現(xiàn)了修邊鑲塊的自動化設(shè)計，并可同步更新。系統(tǒng)集成修邊鑲塊的設(shè)計制作流程，顯著提高了設(shè)計效率，縮短了設(shè)計周期。

修邊鑲塊；類型判斷；輪廓識別；參數(shù)化造型

汽車覆蓋件主要指覆蓋汽車發(fā)動機和底盤、構(gòu)成駕駛室和車身的一些零件[1]，具有材料薄、曲面尺寸復(fù)雜、結(jié)構(gòu)形狀多變、表面質(zhì)量要求高等特點[2]，一般需要落料、沖孔、修邊、翻邊、整形等多道工序才能實現(xiàn)從毛坯到成品的成形過程。其中修邊工序是將沖壓件周圍和內(nèi)部存在的工藝補充部分沖裁、剪切的沖壓工序，是保證汽車覆蓋件成形尺寸的重要工序[3]。

修邊鑲塊的設(shè)計與沖壓件的質(zhì)量密切相關(guān)，現(xiàn)階段，修邊鑲塊設(shè)計存在很多問題，如修邊工藝線輪廓形狀復(fù)雜，鑲塊數(shù)量多，工作量大，造型困難，成品鑲塊修改調(diào)整繁瑣等。為了解決這些難題，需要開發(fā)一套修邊鑲塊自動化設(shè)計輔助系統(tǒng)，在保證系統(tǒng)穩(wěn)定性和高效性的同時，快速生成滿足實際工藝需求的修邊鑲塊模具實體，減少設(shè)計周期，提高設(shè)計效率，降低設(shè)計人員的工作量。

1 修邊鑲塊自動化設(shè)計總體流程

整個修邊鑲塊設(shè)計流程以提供的工藝零件為基礎(chǔ)，首先通過工藝檢查模塊保證所需工藝元素的可靠性，其次構(gòu)建完整的工藝裝配結(jié)構(gòu)樹為模具設(shè)計做準備，獲取鑲塊設(shè)計所需要的工藝型面、基準坐標系等定位基準，再次獲取修邊工藝線等輸入元素，針對修邊工藝線不同的類型，繪制鑲塊基礎(chǔ)輪廓，然后導(dǎo)入對應(yīng)的鑲塊模板并進行工藝替換，針對不同的控制參數(shù)進行修改，最后以布爾運算的方式將修邊鑲塊的實體結(jié)合起來，生成整個修邊鑲塊模具。

系統(tǒng)實現(xiàn)的主要功能有：① 快速讀取修邊工藝線，并自動判斷類型；②智能判斷鑲塊輪廓方向，繪制對應(yīng)的鑲塊輪廓；③基于圖論的輪廓快速識別；④導(dǎo)入對應(yīng)參數(shù)化模板，求解計算、優(yōu)化控制參數(shù)輸入，生成修邊鑲塊實體。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 修邊工藝線光順調(diào)整

修邊工藝線是修邊鑲塊的設(shè)計基礎(chǔ)。修邊工藝線一般由多條曲線通過接合命令生成，曲線輪廓不規(guī)則，自身曲率不均勻，起伏和波動較大，生成的修邊鑲塊外輪廓存在凸起、銳變等缺陷，難以成功進行偏置。為了解決上述問題，對修邊工藝線進行光順前處理，以生成曲率連續(xù)的修邊工藝線，便于實際模具的生產(chǎn)制造。

曲線的光順算法以陶文等[4]提出的滾圓算法為基礎(chǔ)，先對修邊工藝線采用等弦法，同時結(jié)合弦長及曲率等因子作為輸入控制參數(shù)，將曲線進行離散分段，以半徑為的圓如圖1所示在離散后的分段線進行滾動，圓周與離散線的接觸點形成了輪廓軌跡連線，稱為光順曲線，其中圓心的軌跡連線即為曲線偏置后的結(jié)果。對復(fù)雜曲線經(jīng)過滾圓算法光順處理后，既能夠很好地解決三維曲線的自相交、尖角缺陷等問題，又能成功完成復(fù)雜曲線的偏置處理[5]。

2.2 修邊工藝線自動識別

為了更好地滿足工藝和自動化系統(tǒng)設(shè)計需求，在鑲塊設(shè)計的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)添加了類型自動識別算法，對修邊工藝線進行快速類型劃分?；阼倝K結(jié)構(gòu)要求和工藝特點，修邊工藝線分為短半包凸型（A型）、基準型（B型）、長半包凸型（C型）、內(nèi)凹型（D型）、半凸半凹型（E型）和特殊矩形（F型），如圖2所示。在實際修邊鑲塊設(shè)計過程中，B型基準鑲塊是修邊工藝中造型最簡單，使用最普遍的類型之一，也是其他類型鑲塊的基礎(chǔ)造型。

圖1 滾圓算法

圖2 鑲塊輪廓

修邊線類型劃分主要取決于修邊工藝線的狀態(tài)。區(qū)分F型鑲塊的方法是修邊工藝線拐點的數(shù)量。對于其余鑲塊類型，其初始分類依據(jù)為修邊線首尾連線所處的位置和連線與修邊工藝線的最大距離，具體類型以首尾連線與端點處切線的夾角區(qū)分，整體算法流程見圖3。

圖3 類型判斷

2.3 鑲塊輪廓方向判斷

修邊工藝線是產(chǎn)品面和廢料面的分割線，其中上模分布在廢料面上，下模和壓料板分布在產(chǎn)品面上，如圖4所示。修邊鑲塊輪廓分為投影輪廓和繪制輪廓，投影輪廓由修邊工藝線直接投影生成，繪制輪廓均為直線輪廓。其中，繪制輪廓的關(guān)鍵是側(cè)向基準線方向，除C型鑲塊以外，其余類型的鑲塊都需以B型鑲塊為基準，計算出如圖2所示的側(cè)向基準線方向，然后按照工藝規(guī)則依次計算出輪廓點的正確坐標。

圖4 鑲塊結(jié)構(gòu)

曲線具有固有的方向?qū)傩?，以離散直線指向的方向為判斷依據(jù)，即可判斷出該曲線的旋轉(zhuǎn)方向。對每條修邊工藝線進行離散，獲取一定數(shù)量的離散點，獲取該點在修邊線上的垂線方向，以廢料面為判斷基準，實線箭頭的方向為指向廢料面的方向。若廢料面在曲線的左側(cè)，則修邊工藝線標記為1，反之標記為?1，即形式一和形式四的標記為1，形式二和形式三的標記為?1，如圖5所示。

圖5 曲線定義性質(zhì)

對于上模鑲塊而言，側(cè)向基準線方向指向廢料面，在下模和壓料板中，該方向指向產(chǎn)品面。以矢量的Z值為判斷基準，若Z值大于0則為1，反之則為?1，與修邊線的標記相比較，如果是上模方向，則該值應(yīng)該與修邊線的初始標記相同，否則應(yīng)該取相反方向，如圖6所示。

2.4 鑲塊輪廓獲取

經(jīng)過初始篩選后的修邊鑲塊輪廓已經(jīng)能夠滿足基本工藝需求，然而在某些特殊情況下，輪廓繪制方法需要經(jīng)過人工調(diào)整，人為編輯位于修邊工藝線上的分刀點位置，減少或者增加鑲塊的數(shù)量等，因此系統(tǒng)需要獲取調(diào)整后的修邊鑲塊輪廓。

傳統(tǒng)方案主要是針對所有輪廓，手動選擇標記，進行分類區(qū)分，然而由于輪廓線數(shù)量眾多，結(jié)構(gòu)關(guān)系復(fù)雜，還可能存在工藝線重復(fù)、斷開等問題，依賴于人工的方式準確性不高且易出錯。在修邊鑲塊自動化設(shè)計輔助系統(tǒng)中，CATIA的Sketch特征保存了完整的鑲塊輪廓信息，通過Sketch接口可以獲取到所有的特征邊和特征點。系統(tǒng)的核心設(shè)計理念是以每條修邊工藝線為主的單獨模塊化設(shè)計，所以需要找到每條修邊工藝線對應(yīng)鑲塊輪廓。

修邊鑲塊輪廓是由多條特征線首尾相連組成的封閉輪廓線，獲取修邊工藝線對應(yīng)的輪廓線關(guān)鍵在于獲取一系列連通的輪廓點，所以獲取最小輪廓，本質(zhì)上可以抽象為在一個帶權(quán)的無向圖中，獲取輪廓路徑權(quán)值和最小的環(huán)。將所有輪廓線端點抽象為圖的頂點，輪廓線抽象為圖的邊，輪廓線的長度抽象為邊的權(quán)值，使用無向加權(quán)圖即可模擬整個鑲塊草圖，如圖7所示。

圖7 無向加權(quán)圖

構(gòu)建圖的表示方法一般分為鄰接矩陣和鄰接鏈表兩種[6—7]。圖是由頂點元素集（Vertex）和邊集（Edge）定義構(gòu)成的二元關(guān)系組，即=(,)。圖中的每一條邊=(1,2)，其中1,2∈，當(dāng)且僅當(dāng)兩頂點構(gòu)成的邊∈時，標記為頂點1和2聯(lián)通。算法的主要流程為從任意一個節(jié)點出發(fā)，獲取包含該頂點的最小權(quán)值輪廓路徑。沿邊界路徑搜索時，容易出現(xiàn)邊界輪廓重復(fù)訪問或者遺漏，為了避免重復(fù)搜索，使用和邊數(shù)目相同的數(shù)組作為路徑的訪問標志位，對已訪問和未訪問的邊界進行標識。整個算法以廣度優(yōu)先搜索方式進行，以迪杰斯特拉算法為基礎(chǔ)，選擇可達的相鄰頂點后，記錄源節(jié)點到當(dāng)前節(jié)點的路徑總和，并且更新父節(jié)點數(shù)組。因為輪廓圖中所有邊的權(quán)值均為正數(shù)，所以權(quán)值的變化趨勢一定是增大，將全局權(quán)重與當(dāng)前權(quán)重進行判斷，及時舍棄權(quán)值相對較大的輪廓，減少迭代次數(shù)。通過父節(jié)點數(shù)組，以遞歸的方式獲取輪廓序號，逐步找到所有的最小封閉輪廓，最后根據(jù)頂點序號進行排序去重，將節(jié)點還原為對應(yīng)的特征邊輪廓，總體輪廓識別算法流程見圖8。

圖8 輪廓識別流程

2.5 鑲塊自動化建模

基于CAD的造型方法主要分為兩大類：串行法和并行法[8—10]。鑲塊建模中使用串行法，類似從起點到終點只有一條支路，從最初的基準面和定位坐標系獲取，到修邊工藝線的導(dǎo)入以及輪廓繪制，再到波浪刀、安裝面生成等，一步一步生成中間特征，最后創(chuàng)建三維實體。整個建模過程邏輯性強，思路清晰，易于設(shè)計，但是造型過程需要考慮正確的順序，設(shè)計流程耦合性強，難以修改調(diào)整。鑲塊建模中使用并行法，類似起點到終點擁有多條支路，每條支路由單獨模塊構(gòu)成，各個支路獨立建模，最后通過布爾運算將所有的模塊關(guān)聯(lián)起來。每個模塊造型簡單，更新迅速，模塊功能劃分單一，方便查找錯誤，耦合性較低，但是并行法的缺點也很明顯，通用化的模板設(shè)計困難，復(fù)雜模型的分解難度大，對設(shè)計經(jīng)驗要求較高，最終三維實體結(jié)果需要進行復(fù)雜布爾運算，布爾運算失敗概率大，需要人工干涉。

綜合以上優(yōu)缺點，修邊鑲塊設(shè)計采用串并行相結(jié)合的設(shè)計方案，先對整個修邊鑲塊按照功能上的需要進行模塊劃分，劃分為鑲塊主體、波浪刃口模塊，安裝面模塊、到底筋模塊等，模塊內(nèi)部明晰建模流程，采用串行化建模，最后將各個模塊組合起來，完成整體修邊鑲塊建模。

3 應(yīng)用實例

某汽車覆蓋件零件數(shù)模如圖9，其中以藍色修邊工藝線為代表，在CATIA平臺上進行修邊鑲塊設(shè)計，并進行應(yīng)用分析。

圖9 某覆蓋件修邊工藝數(shù)模

該系統(tǒng)使用時，自動導(dǎo)入修邊工藝線并判斷類型，因為上模、下模和壓料板判斷流程基本一致，所以僅以上模類型進行分析。1#修邊工藝線上模類型為C型，2#修邊工藝線上模類型為分刀C型，3#修邊工藝線為分刀F型。繪制的鑲塊輪廓草圖如圖10a所示，白色的線為鑲塊輪廓線，帶顏色的線為螺釘、銷釘和定位銷外輪廓，可以在草圖中輪廓直接進行人工干涉調(diào)整。輪廓繪制完成后，可以調(diào)整鑲塊控制參數(shù)，智能調(diào)用參數(shù)化模板，最后生成對應(yīng)的修邊鑲塊零件結(jié)果如圖10b—c，該系統(tǒng)與傳統(tǒng)建模方式的比較見表1。

圖10 修邊鑲塊設(shè)計結(jié)果

表1 效率比較

Tab.1 Comparison of efficiencies

4 結(jié)語

重點研究了汽車覆蓋件模具的修邊鑲塊自動化設(shè)計方案。基于CATIA平臺下的CAA二次開發(fā)技術(shù)，開發(fā)了完整的修邊鑲塊設(shè)計自動化輔助工具，集成了修邊線光順調(diào)整、快速類型判斷、智能輪廓繪制、標準模板造型、快速裝配等功能，有效解決了人工設(shè)計中復(fù)雜曲線光順偏置困難、效率低等問題。該系統(tǒng)對于提高修邊鑲塊設(shè)計效率，縮短設(shè)計周期具有重要的意義。

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Development of Automated Design Auxiliary System for Auto Panel Trimming Block Based on CATIA

RU Long, ZHANG Zhi-bing, ZHANG Xi-lei

(State Key Laboratory of Material Forming and Mould Technology, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China)

The paper aims to develop an auxiliary system for the automatic design of automotive panel trimming inserts based on the CATIA platform. The design process of trimming inserts was analyzed. First, the spheronization algorithm was used to smooth the trimming process line, and then the trimming process line was divided based on types, and the outline direction was obtained byvector calculation. The minimum contour recognition algorithm of the weighted graph uses the serial and parallel modeling scheme to automate the modeling of the inserts. The system has realized the automatic design of trimming inserts and can be updated simultaneously. The design and production process of system integrated trimming inserts significantly improves the design efficiency and shortens the design cycle.

trimming inserts; type judgment; contour recognition; parametric modeling

10.3969/j.issn.1674-6457.2021.03.022

TG386.3

A

1674-6457(2021)03-0167-05

2021-03-02

國家自然科學(xué)基金（51805181）

茹龍（1996—），男，碩士生，主要研究方向為汽車覆蓋件CAD開發(fā)。

章志兵（1978—），男，博士，副教授，主要研究方向為板料成形仿真及模具結(jié)構(gòu)自動化設(shè)計。