基于特征分区的汽车覆盖件工艺补充智能模块化设计方法研究

张明杰，柳玉起，章志兵，韦 阳

（华中科技大学 材料成形与模具技术国家重点实验室，湖北 武汉 430074）

0 引言

汽车覆盖件一般为1次拉深成形[1]，拉深工艺决定了覆盖件的成形质量。拉深工艺设计包括冲压方向的确定及工艺补充面的创建，工艺补充面的设计质量影响覆盖件的拉深合格率以及后续修边、翻边工序的工艺设计[2]。传统的工艺补充面依靠通用CAD 平台，手工进行设计，存在设计效率低，难以应对设计变更等问题。刘玉琳等[3]提出建立可修改特征参数的截面线类型库，用双向NURBS蒙皮法分片生成工艺补充面的设计方法。刘阳明等[4]基于UG开发的汽车覆盖件智能化设计系统IDF（intelligent die face)，实现了利用参数化截面线模板快速进行工艺补充面的设计，同时实现了设计变更时的关联更新，提高了单件产品的设计效率。

工艺补充面的设计仍存在2 个方面的问题：一方面是对设计经验的依赖，虽然借助参数化截面线模板简化了设计流程，但合理的参数选择仍然依赖设计人员的经验；另一方面是设计效率低，设计知识无法复用，对每个新零件都需要重新开始设计，导致设计周期长。现在IDF 的基础上，提出一种基于特征分区的汽车覆盖件工艺补充智能模块化设计方法，以充分复用知识，降低设计人员技术门槛，提高设计效率。

1 分区模块

汽车覆盖件主要由覆盖发动机、底盘、驾驶室和车身薄板异形体的表面零件和内部零件[5]构成。相同位置的零件有较强的相似性，熊洋[6]提出将工艺补充面设计提取为知识文档，指导相似产品的设计，但在实际设计过程中，全盘继承旧产品设计的场景较少。图1 所示中2 款产品虽然在整体上相似，但A、B 处的造型相差较大，以A 处为例，板料在成形过程中会流动，由于拉深变薄并伴随加工硬化产生冲击线，若采用相同的工艺补充面设计，零件Ⅰ的冲击线会出现在废料区，而在零件Ⅱ中会出现在外观面，造成零件Ⅱ表面质量不合格，且由于两者修边、翻边区域的不同，相同的工艺补充也易导致修边角度差、修边余量不足等问题。

图1 局部特征不同的相似零件

现提出将零件依据边界特征进行分区，创建和应用分区模块，降低设计继承的粒度，以实现更小维度上的知识复用。如图2 所示，依据汽车覆盖件间的配合关系以及功能性，将侧围外板以及后门内板分为多个分区，每个分区与其它零件具备搭接关系，且边界几何造型平滑。依据分区进行设计继承，不同分区可以继承不同的模块零件。存在多个相似模块分区时，依据分区之间的相似度评价算法，选取相似度最高的分区模块进行设计数据的继承，避免继承单一产品设计的弊端，实现了以分区为单位的设计数据继承最优化。

图2 零件分区

1.1 基于分区模块的设计

基于分区模块的设计主要分为智能化推导和人机交互优化2 个子过程，与传统设计过程中依靠设计人员经验不同，智能化推导模块依靠由经验指导建立的模块库，自动计算不同零件分区间的相似度，检索最优继承数据，驱动目标分区补充面的设计，人机交互模块负责设计人员对驱动设计结果进行评价和局部优化，分区模块驱动设计系统如图3所示。

图3 分区模块驱动设计系统

基于分区模块的智能化设计流程如图4 所示。设计人员首先导入零件信息，完成零件原始数据的录入，然后系统对零件进行自动分区处理，并逐一对每一分区特征进行检索匹配，如模块库中有可以继承的模块数据，则通过自适应规则，将其继承至新零件的设计中，自动驱动工艺补充面的生成，最后设计人员对设计结果进行评估，对不满足设计要求的局部区域进行优化编辑，最终完成整个工艺补充面的设计。为了模块库的进一步扩充，可将设计成果提取至模块库，以指导其它相似零件的设计。

图4 基于分区模块的智能化设计

1.2 分区模块库

模块库的组织应以加快检索过程为原则，减少对相似性较差的无关零件进行相似度计算。模块库数据需要充分表达工艺补充面的设计要素，在复用模块时才能完成对新零件工艺补充面的驱动设计，同时也要提供足够的分区数据相关信息，以完成自动检索匹配。

由于不同企业之间的汽车零件差异较大，可继承性较差，而同企业同车型相同位置的零件可继承性较强，以“企业代号-车型名称-零件类型”为索引组织模块数据库，如图5所示。

图5 模块库组织

2 关键技术

为实现工艺补充的分区模块驱动设计，需要解决如何对零件进行合理的分区划分、如何进行分区模块数据的检索匹配、应用模块数据时如何协调一系列设计要素之间的关系等关键问题，为解决上述问题，提出以下方案。

2.1 基于D-P算法的边界分区

零件的自动分区主要依据零件边界特征，找到一系列分区特征点，将零件边界切分为一组边界分区，分区内的边界曲线为大曲率的平滑曲线或长直线。

常见的特征点提取算法如道格拉斯-普克（douglas-peucker，D-P）算法[7]，它是一种使用多边形去逼近轮廓线的算法，其原理为：找到轮廓上距离近似多边形最远的点，组成新的近似多边形，迭代使轮廓线上所有点到近似多边形的距离均小于给定误差值。图6（a）所示为某车型翼子板边界轮廓，采取该算法进行简化，获得一系列特征点集。

图6 曲线特征点提取

由于D-P 算法仅考虑距离因素，算法得到的特征点集虽然能较为准确地反应轮廓形状，但若直接采用此点集创建分区，会导致连续的小曲率平滑曲线被分为多段，不符合分区原则。基于该算法，提出改进方案，增加筛选特征点的条件，依据曲率值进一步缩减特征点的规模，得到符合分区要求的特征点集。

对于给定的曲线：

其中，u为弧长参数，则该曲线上任一点的曲率计算公式为：

根据公式（1）计算各特征点的曲率值，筛选大于给定阈值的特征点，得到图6（b）所示的最终分区特征点集。

2.2 基于相似度计算的模块检索匹配

在进行驱动设计时，建立相似度评价机制可以避免由人工选择模块数据，进一步提高设计的智能化。为了更准确地评价分区之间的相似性，综合考虑边界曲线和零件曲面特征，提出基于加权相似度计算分区之间的总相似度，总相似度应为所有影响因子的加权和：

其中，Si为各个因素的相似度值；wi为其权重。

使用分区边界曲线的离散点集近似表示零件边界曲线，离散点对应处的零件曲面法矢集合表示零件曲面的几何特征，如图7所示，两分区之间的相似度即为评价上述两集合之间的匹配程度。

图7 分区特征量

两数据集之间的相似度可以通过如动态时间归整（dynamic time warping，DTW）算法[8]、Hausdorff距离[9]算法等进行评价，与分区的数据集规模不同，采取能更好应对此场景的DTW 算法进行评价，主要算法过程如下。

（1）取目标分区的边界离散点集，记为S={S1，S2，……，Sm}，去模块分区的边界离散点集，记为T={T1，T2，……，Tn}，其中，m，n为点集中点的个数。

（2）计算S的每一个点和T中的每一个点之间的距离，形成一个m×n的矩阵，此处距离可取欧式距离，如图8中以m=5，n=5为例。

图8 距离矩阵

（3）计算矩阵中距离之和最短的路径，该路径由一点集变换为另一点集的最小距离为代价，记为d，如图9所示，通过公式（4）将最小距离转换为两点集的相似度。

图9 最短路径与点对应关系

上述方法也适用于零件面法矢集合之间的相似度计算，得到目标分区与模块分区的边界和零件面的相似度之后，按加权求和得出总相似度值。

2.3 模块自适应

在检索得到匹配的模块数据后，需将模块设计数据与目标零件的特征结合，以驱动生成符合目标零件要求的工艺补充面。工艺补充面主要由零件边界、分模线、截面线组成的线框确定几何造型。自适应规则需处理好上述设计元素之间的关系，将自适应规则总结为以下3个方面。

（1）截面线在零件边界上插入位置的确定。依据模块分区数据中截面线插入位置以及模块分区边界曲线与目标零件边界曲线匹配计算得出的对应关系，便可以确定在目标零件边界上插入截面线的具体位置。

（2）截面线在压料面上位置的确定。该分区的分模线宽度以及截面线摆角的确定，图10（a）中p1为截面线在零件边界上的插入位置，p2、p2'为截面线在压料面上可能的位置，需要由分模线的位置以及截面线的摆角α确定。分模线的宽度L可由图10（b）中截面线插入点p1沿冲压方向到压料面的距离h以及p1处零件面的拔模角θ确定。根据实际生产经验，一般满足如下经验公式：

图10 确定截面线位置

其中，a，b，c是根据零件特性而确定的系数值。截面线摆角则通过分模线与零件边界建立点对映射关系，通过给定的插入点p1以及映射关系便可以查询得到在分模线上的对应点p2。

（3）截面线形状的自适应调整。图11 所示为IDF 系统提出的一种参数化截面线模板，标出了全部参数，在上述（1）（2）中确定了截面线在零件边界以及压料面上的位置，即图中P、Q点，依据参数约束关系及模块分区的截面线设计数据，调整相关参数，以适应目标分区的工艺补充造型设计。

图11 参数化截面线模块

3 应用实例

在汽车覆盖件模面智能化设计系统IDF 基础上，基于NX 平台，验证提出的分区模块驱动工艺补充面设计系统。以汽车覆盖件中的翼子板为例，进行工艺补充面的设计，将3 个已经完成的工艺补充面设计的翼子板数据提取至模块库，其分区位置如表1 所示。依据模块库，对图12 中待设计翼子板进行驱动设计。

表1 翼子板模块设计结果及分区

图12 待设计的翼子板分区特征点

（1）识别目标零件分区特征点，共有9 个分区，其分区特征点分布如图12所示。

（2）在模块库中依据相似度计算规则进行检索匹配，得到表2所示的设计继承关系。

表2 目标零件设计继承结果

（3）由模块数据自适应驱动设计，得到图13 所示的结果。

图13 继承结果及局部对比

4 结束语

针对汽车覆盖件工艺补充设计过程中存在的问题，提出了基于特征分区的汽车覆盖件工艺补充智能模块化设计方法，将零件依据边界进行分区，建立了分区之间的相似度评价机制，实现了模块数据的自适应继承，达到了分区模块库智能驱动零件进行工艺补充设计的目标。将该方法集成至汽车覆盖件模面智能化设计系统IDF 中，提高了工艺补充的设计效率，实现了知识复用，对汽车覆盖件的工艺补充设计具有重要意义。