三維鈑金模型的加工特征識(shí)別

2013-05-23 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來(lái)源:仿真在線(xiàn)

二維圖紙能夠清楚地表示出鈑金零件的邊界、輪廓等,但是對(duì)于鈑金零件的折彎特征,二維視圖只能反映出折彎線(xiàn)而不能反映折彎的角度,通常必須根據(jù)多個(gè)視圖進(jìn)行表示.隨著三維 CAD的廣泛應(yīng)用,鈑金零件以三維零件模型形式進(jìn)行后續(xù)的加工或分析等應(yīng)用已是趨勢(shì),其中關(guān)鍵技術(shù)是如何識(shí)別鈑金模型的可加工特征.在三維零件模型可銑削加工特征的識(shí)別與提取研究和商業(yè)應(yīng)用中已有大量的報(bào)道.如美國(guó)TEKSOFT公司的CAMWorks軟件,采用自動(dòng)識(shí)別技術(shù)(Automatic feature recognition,IFR)和交互特征識(shí)別技術(shù)(Interactive feature recognition,IFR),可以從已知的實(shí)體模型中識(shí)別出面向不同應(yīng)用領(lǐng)域的特征模型,包括設(shè)計(jì)特征、加工特征和分析特征等,其中的加工特征包括孔、槽、臺(tái)階倒角和過(guò)渡等幾類(lèi)二維半加工特征.AFR和FIR能夠快捷、智能化的識(shí)別和提取零件幾何特征,為實(shí)現(xiàn)CAD/CAPP/CAM的有效集成提供了智能轉(zhuǎn)換接口,但針對(duì)鈑金零件的切割加工和折彎加工的研究卻幾乎是空白。

鈑金三維零件模型中隱含鈑金加工的完整信息,直接基于鈑金三維零件模型進(jìn)行加工成本估算,可以獲取更為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù),同時(shí)適應(yīng)市場(chǎng)的快速響應(yīng)要求,這是對(duì)鈑金三維模型特征分析的另一重要應(yīng)用.特征識(shí)別的方法從整體上可以分為基于邊界匹配的特征識(shí)別和基于體分解的特征識(shí)別兩大類(lèi).基于邊界匹配的特征識(shí)別方法是基于零件的邊界表示,通過(guò)邊界匹配識(shí)別出零件所包含的特征,是研究比較多的一類(lèi)特征識(shí)別方法,它提供特征的面表示。

本文研究了鈑金加工特征的識(shí)別與提取的方法,為鈑金模型的后續(xù)深入應(yīng)用提供參考.

    1 鈑金零件的加工特征及其分類(lèi)

    就一般而言,機(jī)械零件的主要特征分類(lèi)應(yīng)包括幾何形狀特征、精度特征、技術(shù)特征、材料特征和管理特征.這種分類(lèi)方法能比較完善地描述出零件的信息.鈑金零件與一般的機(jī)械零件相比,是由金屬板料經(jīng)沖壓、折彎加工制造而成,一般視為厚度均勻,且沒(méi)有內(nèi)體素.由于鈑金零件主要用于產(chǎn)品部件的外覆蓋件,相應(yīng)地這類(lèi)零件只是在裝配的配合部分有較嚴(yán)格的公差要求,而且對(duì)材料也不要求作特別的技術(shù)處理(熱處理等),所以確定其特征時(shí)可將精度及技術(shù)特征視為不變。

    1.1 幾何形狀特征

如果將鈑金零件抽象為零厚度的話(huà),則鈑金零件的形狀就可看成為一些有界表面的集合.這些表面包括一般平面、連接面、成形面等,所以鈑金零件的主要幾何形狀特征就是面特征(不考慮自由曲面).它描述鈑金零件的各個(gè)面板的外輪廓,而平面與平面之間的連接特征(如折彎面、焊接面)確定了平面特征之間的關(guān)系及連接方式,這是由加工方式所決定的.零件的平面特征中有各種內(nèi)輪廓特征(孔、矩形槽、長(zhǎng)圓槽等)、缺口特征(矩形缺口、不規(guī)則缺口等)和沖壓特征(球形沖壓、垂直沖壓等),這些特征形狀、加工方法都有所不同,從屬于平面特征.另外在鈑金零件中常常存在多個(gè)相同的內(nèi)輪廓特征,并按照一定的規(guī)則分布在板面上,如直線(xiàn)均布和圓周均布。

    1.2 材料特征

鈑金零件的材料特征主要描述了板材的品牌、材料、相關(guān)的機(jī)械性能指標(biāo)(折彎系數(shù)、最大剪切力等)這些數(shù)據(jù)是鈑金展開(kāi)、工藝分析以及材料成本估算的主要依據(jù)。

    1.3 管理特征

鈑金零件管理特征描述的是零件的管理信息,如設(shè)計(jì)者、設(shè)計(jì)日期、設(shè)計(jì)圖號(hào)、零件名稱(chēng)等.它是產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理(PDM)從設(shè)計(jì)圖中提取的必要信息.

根據(jù)鈑金零件的特征分類(lèi)建立的特征類(lèi)體系結(jié)構(gòu)如圖 1所示.

三維鈑金模型的加工特征識(shí)別autocad應(yīng)用技術(shù)圖片圖片1

    2 鈑金模型的 FE拓?fù)鋱D

    在鈑金數(shù)控折彎加工中,系統(tǒng)需要根據(jù)鈑金材料、板厚、折彎角度、長(zhǎng)度等確定折彎所需的模具以及各數(shù)控軸的位置.由于零件的幾何形狀,折彎過(guò)程中零件與模具或機(jī)床存在干涉的可能,這就需要決定折彎的次序.采用機(jī)器夾鉗進(jìn)行折彎操作,則每個(gè)折彎的最佳抓取位置,機(jī)器夾鉗精確的重定位以及折彎次序和模具都要預(yù)先確定.在折彎加工模擬時(shí),機(jī)器夾鉗抓取和重定位會(huì)產(chǎn)生許多額外的約束.

一種可以采用的方法是采用鈑金連通圖來(lái)確定折彎次序中的約束向題,連通圖采用折彎邊、折彎面來(lái)定義.折彎次序的確定是一個(gè)優(yōu)化排列組合的問(wèn)題,可能的折彎次序很多,即使是一個(gè)中等復(fù)雜的零件,要列舉所有可能的折彎次序需要大量的計(jì)算.

研究如圖 2和圖 3所示的鈑金零件,如果將面設(shè)為"面節(jié)點(diǎn)(FACE)",邊設(shè)為"邊節(jié)點(diǎn)(EDGE)",假定只關(guān)心折彎的邊.折彎邊與面在零件結(jié)構(gòu)中相互連接,即可以通過(guò)一個(gè)鈑金 FE連通圖來(lái)表示連續(xù)的折彎邊與面.

三維鈑金模型的加工特征識(shí)別autocad應(yīng)用技術(shù)圖片圖片2

三維鈑金模型的加工特征識(shí)別autocad應(yīng)用技術(shù)圖片圖片3

這樣的鈑金FE圖簡(jiǎn)單體現(xiàn)了鈑金零件中折彎邊與面的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)關(guān)系.從圖4中可見(jiàn),面與面之間至少存在一個(gè)折彎的E節(jié)點(diǎn);F節(jié)點(diǎn)之間不存在相鄰的關(guān)系;而 E節(jié)點(diǎn)存在虛相鄰的關(guān)系(圖中用虛線(xiàn)連接).鈑金FE圖只能表現(xiàn)一個(gè)需要折彎的鈑金零件的各個(gè)面與折彎單元的拓?fù)潢P(guān)系,并不能反映具體的面單元與其他面單元存在的幾何約束關(guān)系.因此對(duì)每一個(gè) E節(jié)點(diǎn)可以定義含下列基本屬性:

    ·右相鄰E節(jié)點(diǎn)-E-Right
    ·左相鄰 E節(jié)點(diǎn)-E-Lfet
    ·折彎角度-E-Anlge
    ·E節(jié)點(diǎn)的長(zhǎng)度-E-Lentgh
    ·相鄰的上F節(jié)點(diǎn)-T-Fcae
    ·相鄰的下F節(jié)點(diǎn)-B-Fcae

由此可以簡(jiǎn)化原先的折彎FE圖,即去除圖中的虛線(xiàn)連接,例如圖4中的ES,其右相鄰折彎節(jié)點(diǎn)為EZ,左相鄰折彎節(jié)點(diǎn)為 E6,相鄰的上面節(jié)點(diǎn)為F3,下面節(jié)點(diǎn)為FS.圖4中的El和EZ的上下面單元相同,因此需要判斷El和EZ是否共享同一個(gè)折彎邊,這需要通過(guò)相鄰 F節(jié)點(diǎn)所含的幾何屬性進(jìn)行判斷.從FE圖可以看到,原則上F節(jié)點(diǎn)只存在兩條連接路徑,即為 2.如果大于兩條連接路徑,則可能是基本 F節(jié)點(diǎn),或稱(chēng)之為基準(zhǔn) F節(jié)點(diǎn),如圖 4中的 F3.

三維鈑金模型的加工特征識(shí)別autocad資料圖片4

    3 FE圖的應(yīng)用舉例

在鈑金折彎中,內(nèi)邊與外邊折彎由當(dāng)前的夾鉗抓取位置所決定.通常為了避免模具與工件的干涉或者工件自我干涉,先進(jìn)行外邊折彎.這里將鈑金折彎類(lèi)型定義為槽形和帽形,如圖5所示.槽形是最簡(jiǎn)單的折彎特征,對(duì)于模具選擇和確定折彎次序來(lái)說(shuō),也是一個(gè)特殊的特征,在進(jìn)行折彎時(shí)夾鉗不需要重定位.

鈑金折彎FE圖反映了各個(gè)面與折彎單元的拓?fù)潢P(guān)系,如果將基準(zhǔn) F節(jié)點(diǎn)定義為根節(jié)點(diǎn),根節(jié)點(diǎn)通常表示為抓取面,即夾鉗抓取的位置.從根節(jié)點(diǎn)開(kāi)始,向下搜尋,直至相應(yīng)的折彎邊。這就獲得了一系列的折彎邊,一系列的折彎邊的集合d(ej)=[ei,ej,……]定義為折彎邊與折彎面之間的拓?fù)渚嚯x,如果d(ej)是d(ei)的一個(gè)子集,對(duì)于折彎邊ei和ej來(lái)說(shuō)ei的拓?fù)渚嚯x就要比ej長(zhǎng).對(duì)于槽形折彎特征的提取,首先從根節(jié)點(diǎn)開(kāi)始建立鈑金連通圖的4個(gè)節(jié)點(diǎn)的子圖,并向下搜索,直到第 4個(gè)節(jié)點(diǎn)為末節(jié)點(diǎn);然后將獲得的子圖通過(guò)相關(guān)的折彎角度與槽形折彎模型進(jìn)行匹配。槽形折彎模型的 3個(gè)折彎角度方向?yàn)?-,-,+)或者(+,-,-).如果通過(guò)上述方法識(shí)別出了2個(gè)或者更多的槽形特征,內(nèi)部的槽形特征應(yīng)先進(jìn)行折彎.如圖5(a)所示的槽形特征可行的折彎次序?yàn)?E2,E1,E3).如果槽形特征折彎邊的外部存在另外一條折彎邊,那么這條折彎邊就應(yīng)當(dāng)在折彎槽形特征最后一條折彎邊之前進(jìn)行折彎.這個(gè)原則對(duì)于確定其他特征的折彎次序同樣適用.如圖5(b)所示的帽形特征,鈑金連通圖的子圖[Fl,F2,F3,F4]識(shí)別為槽形特征,雖然折彎次序?yàn)?E2,El,E3),但是第 4條邊E4應(yīng)當(dāng)先與E3進(jìn)行折彎,因此,帽形特征的折彎次序?yàn)?E2,El,E4,E3).

    4 結(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)鈑金零件特點(diǎn),研究了基于三維鈑金模型基礎(chǔ)上識(shí)別鈑金加工特征信息的相關(guān)方法,所提出的方法可以用于鈑金加工中折彎次序的優(yōu)化,為鈑金零件的加工成本估算提供了有價(jià)值的研究和參考.

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