管类钣金件参数化设计与展开系统的 开发与实现

何 薇， 毛 昕

（东北大学机械工程与自动化学院，辽宁 沈阳 110004）

钣金结构在航空航天、汽车、船舶、机械、化工、轻工等工业中有着广泛的应用。为提高钣金零件的生产质量和效率，开发与实现钣金零件参数化设计和坯料计算机辅助展开系统，已成为钣金生产行业的发展方向。

当前钣金件的CAD系统大概可以分为两类。第一类是直接利用商品CAD软件中包含的钣金设计模块，如Catia、Pro/E、UG、SolikWorks等。但这类软件中的钣金设计模块一般只包括平板冲压件的辅助设计，而没有弯曲成形的管类钣金构件的设计与展开功能。第二类是专门开发的钣金展开软件。但从国内目前情况看，一方面数量很少，更主要的是功能有限。这些系统多只包含构件的参数化展开功能，而没有构件的参数化设计功能，且多忽略板厚处理、坡口形式等工艺需求，应用受到限制[1-3]。国外虽有较好的钣金构件参数化设计与展开软件系统，但往往价格昂贵，且很多表达方法与我国的国家标准不相一致[4]。

针对目前钣金行业生产对计算机辅助方面越来越高的需求，在CAD软件平台上通过二次开发，实现了一个管类钣金构件参数化设计与展开的计算机辅助系统。该系统所包含的管类构件种类丰富；实现了具有准确的真实接口结构的钣金构件三维设计，也由于接口的结构准确，在此基础上得到的展开图具有较高的精度；另外系统界面友好，使用方便，操作过程处于三维环境当中，设计对象形象直观。开发工作在造型与展开功能集成、基于中性层的造型策略、接口几何信息提取、提高展开精度和界面设计等方面具有创新或体现特色。

1 系统结构与功能

系统面向生产中常见的十六大类管类钣金构件作为设计对象（见图1），其结构主要包括参数化建模和表面展开两大模块。参数化建模模块实现构件三维模型的参数化生成，模型在接口处具有真实的结构，为准确的表面展开提供了基础。表面展开模块实现三维模型曲面的即时展开，输出展开图形和文本数据以及样板的质心、重量等几何和物理信息。

图1 系统的设计对象

图2 是系统的工作流程简图。参数化建模模块可以单独使用，完成构件的形状设计；表面展开模块则有赖于构件三维模型的建立，然后根据需求完成构件表面的展开。在实现形状设计和表面展开主要功能的基础上，系统在功能设计时还着重考虑了诸如板料厚度设置与处理、曲面展开时的素线数目设置、曲面展开时切开位置的选择等工艺处理问题。由于系统的参数化功能，由十六大类构件可以演化出形状繁多的各类具体设计对象。

系统以UG NX4.0 软件作为开发平台，使用UG/Open API 所提供的接口命令和C++语言函数开发系统主体功能，利用其二次开发工具UG/Open MenuScript 进行工具栏和下拉菜单的制作，而操作界面是利用 VC++和 UG/Open UIStyler 联合开发[5]。使用Visual C++开发的应用程序可以直接嵌入到UG 内部，加载成功后，应用程序菜单直接出现在UG 主菜单上，如同UG自带功能一样进行工作，而且操作界面风格同UG 完全一致，能够真正做到和UG 软件的无缝融合。

图2 系统工作流程简图

2 系统开发中的若干技术问题

2.1 三维模型的构型策略

为真实反映构件在接口处的实际结构，在三维参数化模型生成中采用了基于中性层曲面的造型方法。图3 是渐缩圆锥弯头两节间的接口情况。这里把两节管间的实际结合线称为接口曲线，过接口曲线的板料端面称为接口曲面。接口曲面可看作是一环状的直纹曲面，它的素线是过接口曲线上一点且垂直于圆管过该点的素线，长度等于板料厚度的直线段。中性层曲面是在板料弯曲时，既不被拉伸也不被压缩的材料层所在的曲面，这里近似取为板料的中心层曲面[6]。基于中性层曲面的造型方法首先要求出接口处的接口曲线，然后把接口曲线沿接口曲面素线方向映射到中性层曲面上，形成中性层曲面的端口曲线，最后再把中性层曲面向内外方向各增加二分 之一的板料厚度，从而形成具有真实形状的构件接口结构。端口形状准确的中性层曲面不但是构件模型的生成基础，同时也是板料展开时的放样曲面，即同时解决了构件展开时的板厚处理问题。

图3 渐缩圆锥弯头的接口

2.2 接口曲线的求取

形状准确的中性层曲面是创建三维模型和生成展开样板的基础，而求取接口曲线则是得到准确中性层曲面的先决条件。接口曲线是两圆管间的实际结合线，由于板料的厚度，实际结合线可能是两圆管外皮或内皮的交线，也可能是一部分为外皮而另一部分为内皮相交，如果是后者，又涉及交线在内外皮过渡区间内的形状和位置，情况较复杂。

图4(a)是多节渐缩圆锥弯头端节与中间节管接口处的示意图，处理时将其简化为两管分别与一个过左侧外皮交点和右侧里皮交点的正垂面相接。图4(b)是求作端节管接口曲线的示意图，左侧大半（ae′ce′段）为外皮接触，右侧小半（ci′bi′段）为里皮接触。在ce′处，接口曲线沿直线CECI由外皮过渡到里皮，直线CECI是接口曲面的一条素线。图上部的粗线反映了接口曲线的实际形状。

图4 求渐缩圆锥弯头的接口曲线

2.3 接口曲线向中性层曲面的映射

求出接口曲线后，采用数值方法把接口曲线上的点沿端口接口曲面的素线方向映射到中性层曲面，再用自由曲线把它们拟合起来，形成中性层曲面的端口曲线。图4(b)中，映射后的中性层曲面端口曲线为两个部分椭圆，它们的正面投影均积聚为直线，左侧为线段a0′c0′，右侧为线段c0′b0′，c0′为素线ce′ci′的中点。应该注意的是，为提高展开的准确性，映射到中性层曲面上的点应取为展开时等分素线的端点。

2.4 中性层曲面的展开

映射后的中性层曲面具有了准确的端口曲线，相当于得到了经过板厚处理的放样曲面，对其进行展开即可获得构件的展开图（见图5）。展开时，通过UG 软件的二次开发函数可直接计算出放样曲面等分素线的实长，作为展开数据。

图5 四节直角圆锥弯管的展开图

2.5 界面设计

系统包括构件选型、参数输入、等分素线数目、展开数据输出等主要界面，界面的交互操作考虑使用者的方便，大多采用直观的图形和菜单方式。

3 系统应用

下面以圆－圆口变形接头为例，简要说明系统的应用过程。

Step 1选择构件。选型界面（见图6）通过工具栏或菜单触发，每一类构件设置为一个图标按钮，用鼠标左键单击第一行左起第二个按钮，即可选中圆－圆口变形接头构件。

Step 2输入参数。构件选型后出现相应的输入参数界面（见图7），这里可直观地在尺寸线上的数据框内输入参数值，确定构件形状和大小，同时还可以给出板料厚度和展开时的切开位置。

图6 构件选型界面

图7 输入参数界面

图8 生成三维模型

Step 3按确定按钮便生成构件的三维模型（见图8）。模型生成在UG 环境下，如需要可直接进行编辑。

Step 4选择要展开的曲面（见图9）并确定展开素线的数目（见图10）。对于多节管的场合，可选择要展开哪一节管。

Step 5获得展开图（见图11）并输出展开数据。

图9 选择展开曲面

图10 选择素线数目

图11 变形接头的展开图

4 结 束 语

钣金制件在现代生产中有着越来越广泛的应用，对性能优良、使用方便的计算机辅助钣金设计系统有着越来越大的需求，但由于诸多原因，国内这方面的工作还有着相当大的研究和开发空间。本文在UG 平台上经过二次开发，实现了管类钣金件参数化设计与展开的计算机辅助系统，其包含的构件种类较多，参数化程度较高，功能全面，使用方便，具有很好的应用价值。

[1] 乔立鹏. Solid Edge钣金零件库及其展开系统开发[J]. 哈尔滨理工大学学报, 2004, 9(3): 11-13.

[2] 廖 敏, 殷国富, 罗中先. 利用COM技术的钣金件展开系统的开发[J]. 机械设计, 2004, 21(10): 31-37.

[3] 吕庆莉, 陈 桦. 钣金展开系统的设计[J]. 陕西科技大学学报, 2005, 17(1): 10-15.

[4] Zimniak Z. Application of a system for sheet metal forming design [J]. Journal of Materials Processing Technology, 2000, 1-3(106): 159-162.

[5] 董正卫, 田立中, 付宜利. UG/OPEN API 编程基础[M]. 北京: 清华大学出版社, 2002. 83-103.

[6] 毛 昕, 李晓桥. 钣金展开技术与应用实例[M]. 北京: 机械工业出版社, 2007. 93-96.