钣金ＣＡＤ系统的研究与开发华中理工大学ＣＡＤ中心吴镝，王建业，曹炬，周济一、引言在传统的 钣金行业，ＣＡＤ／ＣＡＭ技术应用得非常有限，且相关的商品化、实用化软件少之又少，目前仅 有ＳＤＲＣ公司的Ｉ－ｄｅａｓ和ＧｅｎｉｕｓＲ１２、Ｒ１３等少数软件系统有一定的饭金件处 理能力，但功能有限且使用操作相当繁琐。因此，开发出通用的商品化钣金ＣＡＤ设计系统已成为 这一工程领域发展的必然趋势。二、系统基本设计思想钣金设计、制造两个最主要的内容就是饭金 件的放样展开和排样下料。准确地绘制展开图是加工钣金件的前提条件，而构件展开后如何下料排 样又直接影响着生产成本的高低。而手工方式完成以上设计过程则周期长、效率低。为了进一步提 高报金件的设计与制造水平，解决当前该行业中一些亟待解决的技术难题，我们开发了一个基于微 机平台的板金ＣＡＤ设计系统ｌｕｔｅ－ｓｈｅｅｔＭｅｔａｌ。其目的在于：（１）具有完善的 机械工程图的绘制功能。（２）辅助完成工件的放样工作，并提供针对于饥金件的三维几何造型工 具。（３）根据工件的投影图（二维）或实体模型（三维）自动绘制其展开图。（４）自动完成在 矩形饭料上对不同形状、数量毛坯的下料排样。（５）提供与ＣＡＭ系统的接口，为ＮＣ加工提供 必要的数据和信息。（６）完善的数据管理功能。三、系统的总体结构１．软件开发平台本系统的 图形支撑平台选用ＡｕｔｏＣＡＤＲ１２ｆｏｒＷｉｎｄｏｗｓ。软件开发平台如图１所示。２． 系统的组成结构设计、制造板金件的“瓶颈”问题集中在放样、展开和下料排样三个过程。本系统 通过提供方便的交互输入输出方式，保证迅速高效地完成设计工作。采用分层结构、模块化设计。 可根据不同的实际需要对各个模块（功能）进行删、增、重组、扩充，体现了一定的可扩展性和开 放性。对于数据的管理和维护问题，提供了ＯＤＢＣ（开放数据库互联）接口，可根据需要选择适 当的数据库系统以满足数据管理的需要。四、报全件放样和展开槽块的处理！．基本一维图形的生 成所谓放样在绝大多数生产企业中是指根据图样中的构件形状和实际大小按１：１的比例画出构件 的投影图，且必须绘制准确，投影关系清晰。这实际上是一个二维绘图的过程。为此，在ＡＵｔｏ ＣＡＤ基本绘图功能的基础上．系统提供了一套多视图绘制工具，以画法几何学基本原理为基础， 遵循机械制图标准，符合工程制图习惯，使用简单方便。２．结合线的自动生成对于组合型饭盒构 件，由于是由多个平面（或由面）构成，各个面之间必定会产生交线即结合线。而结合线多为不规 则曲线，手工绘制相当困难；再则对于构件的展开，展开图上许多曲线均必须由结合线所确定，故 在二维上自动生成结合线是板金设计系统一个重要技术目标。（１）多视图中的相贯线工程制图中 由于体面相交，常需要在各个视图中产生相贯线。这种曲线首先遵循投影的基本规律；其次，它是 一种表面交线，具有共有性、闭合性两个特性。根据这些原则可以通过离散相应数量点的方法确定 曲线轮廓。（２）展开图中的结合线针对于常规体面相交和不规则体面相交的情况，结合线的生成 采取了不同的方法。常规体面的参数方程比较容易求得，故通过联立求解相交体面的参数方程可以 获得结合线的参数方程进而绘制出来。对于不规则体面相交，由于体面的参数方程很难确定，即便 确定了方程也不易求解，最好是利用三维几何造型的方法来解决。对于多数求复杂结合线问题，可 以通过几何造型的方法获得解决。３．领全件的三维几何造型本系统采用了ＡＵｔｏＣＡＤ的ＡＭ Ｅ（高级造型扩展）几何造型软件作为平台，构成了一个饭金件三维造型工具，用以定义任意厚度 假类零件的三维几何形状；并以此为依据来完成复杂结构饭件的结合线生成、折弯、展开等操作。 当前实体模型常用的几何表示法有ＣＳＧ法和Ｂ－Ｒｅｐｓ法。ＡｕｔｏＣＡＤ／ＡＭＥ是一个混 合造型软件，采用ＣＳＧ造型技术来定义一个实体模型，用Ｂ－Ｒｅｐｓ方法显示该实体。通过这 两种方式的结合，使得实体在视觉和分析上都达到很高的精度。对于饭金件我们以一个板块作为基 本造型实体，同时它也是一个ＡＭＥ实体，而各个板块（实体）都是由多个实体经过布尔运算组成 复合实体，并在这个复合实体中加入相应的扩展数据，以完成对该饭盒件几何形状完整的定义和描 述。板块实体采用网格表示法．它实际就是一种Ｂ－Ｒｅｐｓ数据结构，包括了几何数据和拓扑数 据两部分，借助于ＡｕｔｏＣＡＤ的Ｐｆａｃｅ显示饭块。系统提供了四种基本体素：球体（ＳＰ ＨＥＲＥ）、圆柱体（ＣＹＬＩＮＤＥＲ）、圆锥体（ＣＯＮＥ）和立方体（ＣＵＢＥ），通过差 、交、并的布尔运算，组成复杂形状的饭块。当定义一个板块时，系统就向图形文件插入一个块， 并附加相应的扩展实体数据。根据这些扩展实体数据，可以在处理图形的同时提取系统信息，进行 造型操作。４．领全件的展开（１）基于Ｍ维图形的展开传统上饭金件的展开图都是通过图解法获 得的，但由于该方法从原理上就不可避免地产生一定的误差，故展开图绘制很不准确，且作图量大 ，效率低。而利用计算机强大的运算能力，采用解析法来获得展开图，则效果非常好。基于二维图 形的展开是指在二维图上定义若干体素及其相互间的关系，无需三维几何造型直接获得曲面的展开 图。首先求出体面之间的结合线；再根据实际被截体面展开后完整的边界轮廓。此外，作展开图不 仅要求形状和大小的准确，而且还要考虑展开料弯曲后是否符合原投影图要求，即涉及到正由、反 曲问题。在实际使用时系统通过要求定义接缝线的位置来确定相应展开曲线参数方程中各参数不同 的取值，以获得正确的展开。目前，系统可以处理的二维展开包括圆柱、圆锥（台）、球体、正棱 柱（台）以及一些较为简单且常用的组合型构件如三通管、四通管、蛇型弯管等；复杂构件展开则 通过几何造型方法实现。（２）基于三维几何造型的展开从根本上说，展开问题就是一个从三维到 二维的转化的过程，故最理想的是在三维系统上以几何造型为基础来解决这一问题。本系统着重解 决了平面形板金件的展开。其基本思想是在ＡＵｔｏＣＡＤ／ＡＭＥ的基础之上，首先完成构件的 三维设计，然后迅速地计算出该饭金件的展平状态并显示出来。用户可以从空间任意点观察展平结 果，发现不合理情况即可立刻退至原设计状态进行修改，再展开、校正…直到获得满意的设计方案 。进而在长宽方向上将该饭件在二维平面输出，以供下料排样和其他的相关过程使用。五、报全件 排样下料板块处理饭盒件的下料排样问题是板金设计、加工中的重点和难点。板金行业中的排样（ 下料）工作主要是形状各异的不规则零件或块在矩形母饭上进行优化排样，从而大幅度提高材料利 用率，降低生产成本。１．定义构件槽型进行优化排样（下料）的前提条件是必须完整地提取该饭 件的内外轮廓特征．在此基础上动态调整饭件的位置和姿态以达到最优。为此系统设计了一种二维 图形轮廓搜索算法，用它可以方便地提取所要排样板件的内外轮廓，同时还可根据需要添加合理的 搭边值，以方便毛坯下料。对于构件模型数据的管理，通过数据库来进行。用户可根据母板材料、 规格的不同对构件模型进行分类管理。这里所说的构件模型不仅仅是指或金件的外形轮廓信息，而 且还包括其数量、规格、材料种类，所有的这些相关信息都通过ＤＢＭＳ进行动态管理。采用这种 方法的好处在于可为以后整个企业生产调度的ＭＩＳ系统提供数据资源。２．饭件优化排样（下料 ）饭金行业中的排样可以归纳为是一种二维矩形件排样问题。即在ｎ个长Ｌ宽Ｗ的母饭上，对ｉ种 山个长ｈ宽Ｗｉ短形件进行不重叠的拓列，从而使母饭的使用面积最小；对于非矩形构件，也可以 通过相应的技术将其转化为矩形件来进行处理。我们设计用了一种动态启发式一般近似算法，即首 先构造出各构件的最小包络矩形，然后在母饭上动态地生成若干短形区域，同时用构件矩形去填充 这些矩形区域，直到矩形区域被添完为止，排样过程随之结束。这种方法的核心思想在于如何合理 构造矩形区域。构件矩形在母饭上的位置可以由该矩形的左下角、右上角坐标完全确定，因而在母 板上构造矩形区域的问题即可转化为对这些坐标点的求优问题。３．排样（下料）结果的调巴在自 动进行优化排样后，系统还提供了供用户方便地对排样结果进行调整的功能。它可以方便地将零件 板块搬移到指定的位置，或加以旋转、镜象等操作，并能够迅速地重新计算出材料利用率，从而帮 助用户手工地进行小部分调整，使得排样结果更加紧凑，材料利用率更高。六、与ＣＡＭ系统的接 国模块从ＣＡＤ／ＣＡＭ一体化考虑，本系统对下料过程中的ＮＣ加工也提供必要的支持，能够根 据排样结果以及加工内容自动生成相应的ＮＣ代码。针对饭盒件下料过程中常用的剪切、线切割、 火焰切割和激光切割等加工手段，系统配置了一个“ＮＣ代码自动生成器”，它实际上包含对若于 种数控机床的ＮＣ代码生成软件包，使用时只需选定合适的机床种类，系统便会方便而迅速地产生 该机床加工所需数控代码。七、结论设计开发通用的、开放的镀金ＣＡＤ系统有着重要的研究价值 和广泛的应用前景。本系统针对饭金行业中设计、制造过程提供了一个良好的解决方案。特别对于 饭金件的展开以及排样等若干关键技术问题的解决和实现做了许多新的尝试。提出了若干种新的算 法。系统在开发过程中严格遵循面向商品化、面向应用、面向用户的原则，经使用表明，本系统性 能稳定，功能较强，能够满足通用板金设计的实际需要。钣金CAD系统的研究与开发@吴镝，王 建业，曹炬，周济$华中理工大学ＣＡＤ中心一定的误差，故展开图绘制很不准确，且作图量大， 效率低。而利用计算机强大的运算能力，采用解析法来获得展开图，则效果非常好。基于二维图形的展开是指在二维图上定义若干体素及其相互间的关系，无需三维几何造型直接获得曲面的展开图。首先求出体面之间的结合线；再根据实际被截体面展开后完整的边界轮廓。此外，作展开图不仅要求形状和大小的准确，而且还要考虑展开料弯曲后是否符合原投影图要求，即涉及到正由、反曲
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