基于特征的車床鈑金外殼快速設(shè)計系統(tǒng)

陶軍，閆棟

（201620 上海市 上海工程技術(shù)大學(xué)）

0 引言

鈑金外殼是車床的重要組成部分，可看作包含多個零件的裝配體，既有焊接結(jié)構(gòu)，又有拼裝結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)設(shè)計建模過程繁復(fù)，存在重復(fù)勞動，且三維模型特征識別較困難，不利于與CAPP/CAM 系統(tǒng)集成[1]。本文通過對各種車床鈑金外殼進行特征分析，建立實例特征庫，再基于AutoCAD 和.net 平臺進行二次開發(fā)，開發(fā)出車床鈑金外殼快速設(shè)計系統(tǒng)。設(shè)計時按條件檢索相似特征，直接進行選擇或修改部分參數(shù)，即可得出車床鈑金外殼零件圖，同時相關(guān)參數(shù)和特征信息保存至數(shù)據(jù)庫，簡化了設(shè)計過程，便于與車床鈑金外殼CAPP 系統(tǒng)集成。

1 車床鈑金外殼特征分析

1.1 零件拆解

車床鈑金外殼是由推拉門和側(cè)邊門等多個部分組成的，若直接對整體進行分析，則不便于對車床鈑金外殼的特征進行描述，需要先進行零件拆解。又因為車床鈑金外殼類似箱體零件，故采用方位特征描述法[2]，從多個方位對車床鈑金外殼進行零件拆解分類。如圖1 所示，分析各主零件和附屬零件，及其相互之間的聯(lián)接關(guān)系，再對拆解之后的零件分別進行特征分析。

圖1 車床鈑金外殼按方位進行零件拆解Fig.1 Lathe sheet metal shell disassembled according to position

1.2 特征分析

對上述拆解的零件，分析各部分的主特征和輔助特征。

1.2.1 推拉門特征分析

（1）推拉門主體

對每個車床鈑金外殼的推拉門主體的主特征按從上到下依次編號，總結(jié)分析結(jié)果可知：

①如圖2 所示，不同推拉門主體的主特征個數(shù)可能不同，主要有3、5、7、9 個，其中主特征個數(shù)為9 在分析樣本中占比最大，最為常見；

圖2 推拉門主體不同主特征個數(shù)及在樣本中占比Fig.2 The number of different main features of sliding door body and its proportion in the sample

②推拉門主體的主特征為平面特征、曲面特征和折彎特征。其中平面特征和曲面特征一般出現(xiàn)在第1、3、5、7、9 個特征，折彎特征則一般出現(xiàn)在第2、4、6、8 個特征。主特征個數(shù)相同，折彎參數(shù)和特征組合不同，也會導(dǎo)致呈現(xiàn)出的形狀有所區(qū)別，如圖3 所示為主特征個數(shù)為7，第3 個特征分別為平面和曲面的情況。較大折彎曲面會增加加工制造的成本和難度，所以曲面比較少見。

圖3 主特征個數(shù)為7 的不同情況Fig.3 Different cases with 7 main features

③推拉門的窗戶一般設(shè)置在第3 或第5 個特征上，當(dāng)?shù)? 個特征平面或者曲面比較小時，推拉門窗口會設(shè)在第5 個特征上面。

（2）推拉門其他部位

①推拉門頭尾部。如圖4 所示，在推拉門頭尾部通常有90°折彎，外面或里面再焊接一塊鈑金件，通過在其上安裝的滑塊或滾輪與固定在殼體上的導(dǎo)軌之間產(chǎn)生滑動聯(lián)接或滾動聯(lián)接。該部分的主特征是平面特征和折彎特征，輔助特征是圓孔，用于安裝滑塊或滾輪的螺栓孔。

②推拉門側(cè)邊。如圖4 所示，側(cè)邊有2 種形式，都是兩道90°折彎特征，門與殼體或兩個門相接觸的側(cè)邊會考慮向外還是向內(nèi)折彎，便于配合。

③推拉門窗戶。如圖4 所示，窗戶有2 種類型，與推拉門主體通過焊接相連，區(qū)別在于是直接在門上沖孔還是在窗戶上單獨沖孔。主特征表現(xiàn)為平面特征，90°折彎特征；輔助特征為陣列方孔特征或者單個方孔特征，形狀為圓角矩形，異形孔較為少見，陣列孔特征較多為5 乘4 的陣列。

圖4 推拉門其他部位Fig.4 Other parts of sliding door

1.2.2 側(cè)邊門特征分析

側(cè)邊門主要在車床左、右及后方。側(cè)邊門的結(jié)構(gòu)較簡單，有門和內(nèi)門框。其中，門與殼體通過鉸鏈聯(lián)接，內(nèi)門框焊接在殼體內(nèi)，門和內(nèi)門框通過螺栓聯(lián)接。主特征為平面特征和側(cè)邊的90°折彎特征；平面特征形狀主要有矩形、五邊形，其中矩形更為常見，在分析樣本中占比達到80%。內(nèi)門框上會焊接三角形的小平面；輔助特征為圓孔，主要是螺栓孔，用于安裝把手和鉸鏈以及門與內(nèi)門框相聯(lián)，如圖5 所示。

圖5 側(cè)邊門Fig.5 Side door

1.2.3 油泵放置臺特征分析

車床鈑金外殼需預(yù)留位置放置潤滑油泵，通常在殼體左側(cè)開孔，再在殼體內(nèi)焊接油泵放置臺，如圖6 所示。主特征為平面特征和折彎特征，5 個面為平面，形狀為矩形和梯形，一面留空，邊緣向外折彎，便于焊接；輔助特征為圓孔特征，用于通油管。

圖6 油泵放置臺Fig.6 Oil pump placement platform

1.2.4 數(shù)控操作箱特征分析

數(shù)控操作箱主要有3 種樣式，如圖7 所示。放置位置有2 種：一種是直接焊接或鉚接在推拉門上，可以隨門移動；另一種是直接焊接或通過支撐架固定在殼體前方。分析各個面的特征。

圖7 數(shù)控操作箱的樣式Fig.7 The style of CNC operation box

如圖8 所示，上下面及后面為矩形平面，部分有圓孔，用于走線；左右面為平面，形狀有矩形、梯形或平行四邊形，其中以梯形居多。不同車床的數(shù)控操作箱主要區(qū)別在前方，開孔位置和數(shù)量不同。

圖8 數(shù)控操作箱各方位特征示意圖Fig.8 Schematic diagram of all aspects of CNC operation box

1.2.5 殼體特征分析

將上述零件拆解下來之后，剩下的殼體屬于類箱體的焊接結(jié)構(gòu)，需再采用方位特征分析法[3]從不同的方位分析各個面的特征，對各個面的特征進行編號，如圖9 所示?？偨Y(jié)各種車床鈑金外殼殼體特征分析結(jié)果可知：上面為矩形平面特征；后面主特征為矩形平面特征、折彎特征，輔助特征為方孔和圓孔特征；前面主特征為矩形平面特征、折彎特征，部分參數(shù)和推拉門相關(guān)。側(cè)面看，形狀一樣，兩者在空間上是前后平行分布；左右面的部分（如圖10 橢圓部分）與推拉門相關(guān)，樣本中有20%的車床鈑金外殼左側(cè)沒有圖9 所示虛線部分。

圖9 對殼體按方位進行特征編號Fig.9 Characteristic numbering of the shell according to orientation

圖10 殼體左右方位示例Fig.10 Example of left and right orientation of the shell

1.3 建立實例特征庫

根據(jù)從大量車床鈑金外殼的數(shù)據(jù)中分析總結(jié)得出，不同車床外殼的零件差異化較小，且相同的零件都具有幾乎相同或相似的特征。對匯總所得的常見零件或特征繪制成只有形參的示意圖。圖11所示為主特征個數(shù)為9 的推拉門主體示意圖，這些參數(shù)中，C，E，G，I為折彎角度，A為推拉門的寬度，B，D，F(xiàn)，H，J為各個矩形平面特征的長度。

圖11 主特征個數(shù)為9 的推拉門主體示意圖Fig.11 Schematic diagram of main body of sliding door with 9 main features

由上文分析可知，各零件特征數(shù)量不同，且推拉門形狀與殼體的前面和左右面相關(guān)，對這些實例特征圖參考柔性編碼[4]，將同一個車床鈑金外殼示意圖根據(jù)零件種類、主特征、輔助特征進行編號分類，例如，第1 個車床鈑金外殼的推拉門主體，主特征個數(shù)為9 的第1 張示意圖，取首字母大寫，編碼為LJ1TLMZ901，保存至數(shù)據(jù)庫，便于后續(xù)檢索。

2 車床鈑金外殼快速設(shè)計系統(tǒng)開發(fā)

2.1 系統(tǒng)開發(fā)原理及流程

根據(jù)前面建立的實例特征庫，設(shè)置檢索條件，比如對推拉門主體，可以根據(jù)主特征個數(shù)進行檢索，在檢索結(jié)果中選取所需的實例特征示意圖，參照示意圖上的形參進行參數(shù)修改，再通過AutoCAD 直接生成新的零件圖，流程如圖12 所示。

圖12 快速設(shè)計系統(tǒng)流程圖Fig.12 Flow chart of rapid design system

2.2 參數(shù)的保存與關(guān)聯(lián)

由于同一個車床鈑金外殼各零件存在相互關(guān)聯(lián)參數(shù)，比如殼體左右兩面的總高度須一致，因此在設(shè)計時，需要對參數(shù)設(shè)定約束，設(shè)計一個零件時，當(dāng)這些參數(shù)被確定之后，再設(shè)計另一個零件時就不能更改或只能在一定范圍內(nèi)修改，這就需要在存儲參數(shù)時將這些參數(shù)在數(shù)據(jù)庫中相互關(guān)聯(lián)。將這些參數(shù)與對應(yīng)的特征在數(shù)據(jù)庫中一一對應(yīng)綁定，這樣既能保證設(shè)計時參數(shù)的合理性，也能使得設(shè)計過程更加簡單高效。如圖13 所示為推拉門部分特征與殼體左面部分特征相互關(guān)聯(lián)的示例[5]。

圖13 數(shù)據(jù)庫中的參數(shù)與特征示例Fig.13 Examples of parameters and features in database

2.2 用戶界面

本系統(tǒng)基于.net 平臺，利用 Visual C#語言，構(gòu)建相關(guān)用戶界面，使系統(tǒng)操作盡可能簡單高效[6-7]。主要包括登錄頁、新建文件頁面、系統(tǒng)主界面及各零件的設(shè)計界面，部分界面如圖14、圖15 所示。

圖14 新建文件頁面與系統(tǒng)主界面Fig.14 New file page and system main interface

圖15 推拉門設(shè)計界面Fig.15 Sliding door design interface

3 總結(jié)

本文結(jié)合大量數(shù)據(jù)，對車床鈑金外殼進行了特征分析，得出車床鈑金外殼常見特征，建立了實例特征庫，接著基于特征及AutoCAD 和.net 平臺，進行了二次開發(fā)，經(jīng)實際測試所開發(fā)的系統(tǒng)，能夠滿足車床鈑金外殼的快速設(shè)計和零件信息的輸入，可以減少設(shè)計時間，提高設(shè)計效率，有利于與CAPP 系統(tǒng)集成，且對其他機床等鈑金外殼的設(shè)計也有參考和使用價值。隨著實例特征庫的增加和更多設(shè)計數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)保存，系統(tǒng)將更加完善，后期可增加自學(xué)習(xí)功能，實現(xiàn)智能設(shè)計。