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 來源:仿真在線

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)階倒角和過渡等幾類二維半加工特征.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.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

    就一般而言,機(jī)械零件的主要特征分類應(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,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、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建立的特征類體系結(jié)構(gòu)如圖 1所示.

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    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確定折彎次序中的約束向題,連通圖采用折彎邊、折彎面來定義.折彎次序的確定是一個(gè)優(yōu)化排列組合的問題,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,即可以通過一個(gè)鈑金 FE連通圖來表示連續(xù)的折彎邊與面.

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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,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),或稱之為基準(zhǔn) F節(jié)點(diǎn),如圖 4中的 F3.

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    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說,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來說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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