基于三维软件的钣金CAPP系统

1.引言

       现有的三维软件，例如Pro/E、UG、Solidworks、CATIA都具有钣金模块，但只能实现一些简单钣金件的展开，现阶段相关的研究也只完成了钣金的部分工艺，例如华中科技大学郝明等人利用自主研制的FASTAMP求解器，以Pro/E为平台实现了复杂钣金件的展开；南京航空航天大学洪晴等人以CATIA为平台通过Automation及CAA_次开发技术，实现了飞机复杂钣金件的展开；华中科技大学秦宇等人在Solidworks平台上，开发了一套面向冲压工艺的坯料展开模拟系统SW-BEX。因此开发出一套基于三维软件的钣金CAPP系统用来满足企业的需求是有必要的。

2.钣金CAPP系统框架设计

       将现有三维软件(Pro/E、CATIA、Solidworks)和二维CAPP系统相结合，系统允许用户基于三维软件的三维钣金模型输入和编辑工艺信息，并将完成的钣金工艺设计以表格的形式输出到CAPPFramework。工艺表格与三维模型的设计参数相关联，并能自动地动态刷新。应用三维软件自带的API函数对三维软件二次开发，实现复杂钣金件的展开和展开件的排样，并且在三维软件中建立钣金件特征信息交互窗口，完成三维软件和二维CAPP数据库的集成，便于信息的调用和存储。

3.钣金CAPP系统总体设计

       如图1所示，将系统分为前置处理子系统、后置处理子系统、文件管理子系统三个部分。前置处理完成了钣金件的三维建模、展开、优化排样和钣金件的工艺设计；后置处理完成了工艺文件的输出、数控代码的生成，通过数据集成接口完成三维软件调用或导入PDM部分和二维CAPP部分的信息；文件管理完成了企业制造资源和钣金工艺资源的管理，以便设计和生产部门调用。下面对系统的关键技术进行阐述。

       3.1 基于三维软件的钣金件展开

       3.1.1 可展钣金件的参数化展开

       根据钣金的功能和结构特点本文将可展钣金分为六大类。分别是：等径圆管钣金件、异径异口三通管、棱锥管及其组合件、圆锥管及其组合件、圆方过渡接头、其他可展开板金件。钣金参数化原理如图2所示。

       第一步，以三维软件(Pro/E，CATIA)为平台，结合软件自带的二次开发函数(protoolkit、AutomationAPI)和函数支持的开发语言(C++、VB、JAVA等)，编制后台钣金展开相关程序。第二步，在三维软件界而创建钣金件展开菜单、参数对话框，建立钣金模板库链接窗口。最后，用户点击钣金模板库链接窗口中钣金模型图标链接，通过链接调用先前编制好的后台程序，最终生成三维钣金件模型参数对话框、三维模型和对应展开件共存的界面窗口。文献利用Pro/E(protoolkit)和VC++，对相贯钣金件实现了参数化展开，可详见。

       3.1.2 不可展钣金件的近似展开

       南京航空航天大学谢兰生等人提出的“基于几何映射法的钣金展开有限元逆算法”，弥补了钣金件用有限元逆算法展开过程中出现的不足。

       系统设计的第一步相同，第二步需要在三维软件界面建立一些链接窗口来实现钣金展开：模型处理、接口程序、求解器、展开结果结果后处理和展开模型处理。各个模块通过三维软件及程序提供的特定接口，互相传递数据进行通信，协调合作实现在三维软件环境下的钣金展开功能。

       模型处理主要功能是对原始钣金零件进行网格划分，并根据划分好的网格生成后续处理所需要的信息。然后由接口程序提供三维软件与外部程序的数据通信接口。生成的网格数据通过该接口传输至求解器模块，在求解器中经过几何映射法的钣金展开有限元逆算法处理得到零件毛坯数据，包括零件毛坯形状、原始钣金零件的应力、应变、厚度分布信息等。再通过这个接口将数据传回至三维软件。

       保存三维模型、展开件和云图的快照，并录制成形动画为AVI格式，以便以后查看。将展开图以DXF、DWG、IGFS等多种图形文件格式输出，可以很方便地与数控设备进行图形文件的数据交换，将相应格式的展开文件直接输入到数控钣金加工机床进行编程切割，实现无纸化加工。

       3.2 基于三维软件的钣金展开件排样

       对钣金CAD系统而言，排样算法决定了钣金CAD系统的性能和实用性。对于矩形排样，梁利东等人在剩余矩形的匹配方法基础上提出了剩余矩形的动态匹配方法，经验证取得了较好的效果。对于不规则钣金件排样，提出了粒子群算法的优化方法。

       (1)信息库管理模块存储了板材信息和零件信息，零件信息管理的功能是设置即将入排的零件信息和所需的板料信息。(2)展开图输入模块功能是将前面展开步骤得到的图形导入到三维软件界面建立的钣金排样窗口中。(3)图形预处理模块利用粒子群优化算法程序将不规则图形进行自动组合和自动填充处理，最终组合成最小包络矩形。(4)优化排样模块将得到的矩形，利用剩余矩形动态匹配方法程序在给定的板料上自动排样，可以借助交互排样功能进行修改。(5)排样输出及存储模块输出排样图形，并保存排样结果信息。

       3.3 钣金工艺设计

       工艺设计主要是工艺规程的编制，需要根据企业现有的制造资源和工艺信息编写。如何从大量的文件中找到所需要的工艺信息，是工艺规程编制的关键。刘闯提出的“钣金CAPP中实例检索的灰色关联方法”很好地解决了这个问题。图3为工艺设计流程。

       首先，在二维CAPP中建立钣金零件的实例库、管理和材料特征库，并进行分类编码。然后，对二维CAPP进行二次开发，用VC++编制“灰色关联算法”的程序。最后，建立钣金工艺卡片模板库、企业制造资源库以及设置用户权限管理等。

       首先，在三维软件二次开发函数中用VC++编制调用程序，调用二维CAPP中的工艺信息。其次，在三维软件界面建立工艺信息交互窗口模块，这些窗口模块包括：钣金模型打开模块、钣金信息输入模块、钣金工艺生成模块、钣金工艺输出模块。窗口界面有：菜单控制部分、工艺流程显示部分、工序图显示部分、各命令控制部分。

       钣金工艺输出模块包括工序卡的生成和输出，工序卡包括：零件信息、加工工艺信息、工序图三部分，工序图可由钣金建模和展开过程的快照图片来代替，利用VC++编程调用二维CAPP中的模板实现工序卡的生成和输出。

4.后置处理和文件管理

       通过二维CAPP接口和PDM接口将前面展开、排样和工艺决策产生的图片、数据和工艺文件传送到二维CAPP系统和PDM系统中，实现信息的共享。根据二维CAPP系统的工艺信息，结合企业现有制造资源，生成NC加工代码并进行加工仿真，及早发现错误并纠正。文件管理部分包含了企业制造资源管理和钣金工艺信息管理，制造资源包含了生产设备和排样所需的板料资源，工艺信息部分包括钣金技术手册、进行分类编码的工艺实例和用户权限设置（防止工艺资源被乱修改）。

5.结论

       基于三维软件的钣金CAPP系统实现了钣金件由设计（建模、展开、优化排样）到工艺卡片输出的整个过程，通过对软件的二次开发技术完成了二维CAPP系统和三维软件的集成。系统对于钣金企业应用不同三维软件(Pro/E、CATIA、UG等)具有借鉴意义。