钣金件的设计与展开

摘要简要介绍钣金系统的功能,并结合一些简单的例子,着重分析系统实现三维设计及工艺展开的思路和方法,并对所涉及到的原理和概念以及数据结构、葬法进行了说明。



一、钣金件的设计与展开


对于钣金件,传统的设计与制造过程首先是要完成钣金件的设计,然后将其展开,得到平面的展开图,再根据展开图的尺寸来下料进行加工。正确完成钣金件的设计工作以及由工件的设计尺寸准确得到展开图尺寸是加工钣金件的前提条件。仅对平板制件来说,由于材质、板厚、圆角半径等参数的工艺性影响,板件的展开尺寸并不等于设计尺寸的简单加减,而是要经过一系列考虑工艺的尺寸换算。传统方法是手工进行,劳动强度大,效率低,而且特别容易出错。



目前在钣金行业中,CAD技术应用还处于探索与起步阶段,工件的三维设计及由三维到二维的工艺展开则是进行钣金软件开发时所要着重进行处理的环节。现有的少数几种钣金软件系统一般都是需要高性能的软硬件支持,投资比较大。因此,如何充分利用计算机强大的数据处理与计算功能,结合人的智力与经验,开发出经济、实用、适合我国国情的软件产品,是一项紧迫而实际的问题。而如何圆满地实现三维设计与工艺展开功能则成了软件开发中重点需要解决的问题。


二、钣金系统概述


1.系统功能介绍


钣金系统主要针对平板件的设计加工,可完成工件的三维设计与工艺展开、板件上开孔图的设计与生成以及加工代码的自动生成等功能,特别适合于开关柜、控制柜柜板等工件的设计加工。具体如下:


(1)有完善的机械工程图绘制和尺寸驱动功能。


(2)系统提供方便的交互式输入输出方式,保证使用人迅速高效地完成工件三维设计和工艺展开工作。


(3)板料上开孔图的设计功能。


(4)孔系加工代码的自动生成、优化、加工仿真以及由代码文件生成图形功能。


(5)提供常用典型工件包括含复杂曲面工件的参数化展开图库。



2.系统功能结构


系统的功能结构如图1所示。




三、三维设计功能的实现


1.三维信息的描述


表达钣金系统中描述三维信息所用到的基本概念有以下几种:


(1)体(SOLID):是由封闭表面所围成的有效空间,也就是形体的边界。



(2)面(FACE):是三维体表面的一部分,且具有方向性,其法矢量始终指向体外。面由环构成。



(3)环(LOOP):是在三维体中,山有序、有向边构成的封闭边界。环中各边不能自交,丰日邻的两条边共享一个端点。面的最大外边界为外环,面的内边界构成的环为内环。外环的环向和所在面的法矢符合右手法则,内环则相反。


(4)边(LINE):是构成环的元素。一条边山两个端点定界,分别称为该边的起改和终点。边的方向山起点指向终.版。一组边首尾相接构成的封闭区域就是环。



2.空间位置信息的建立与处理


由以上对三维信息的描述,建立了相应的层次化数据结构来表达三维信息。数据结构山实体表、面表、环表、边表、边实体表、顶点表组成。



三维设计时,是逐而进行而的形状定义、位置定义、来生成空间而的,直至最终完成整个体的设计。在对系统而言,这一过程实际上是对这些数据结构的单元进行申请与赋值的过程。




对于三维设计,系统采用局部坐标系(Xf,Yf,Zf,)、实体坐标系(Xb,Yb,Zb)、空间坐标系(Xk,Yk,Zk)和视线坐标系(Xa,Ya,Za)来表达零件的三维信息。物体表而土的顶点、边等信息是相对于所在表面的局部坐标系来定义的;空问每个物体都有一个实体坐标系,物体中姆个面的信息是相对于实体坐标系来定义的;物体是在空问坐标系下进行描述的,在显示时需要转换到视线坐标系下。



3.钣金件的三维设计


钣金件的三维设计不同于一般工件的三维设计,这是山饭全件结构的特殊性所决定的。钣金件一般是山一块均匀厚度的母料板材经过折弯、焊接、咬边等工艺处理所得到的工件,仅从三维实现的角度来说,把钣金件整个肴成一个实体来定义其三维信息并且充分表达钣金件结构上的特殊性并不容易。


所以钣金系统中将实体(钣金件)的三维设计分解为组成实体的各个而的设计,简言之就是二维设计三维生成,即所谓“而生长”的方法:定义而的空问位找,这一步山使用者在三维空间中指定:定义而的形状,这一步通过在二维绘图区画出而的形状来完成。从程序的角度右,这两步实际上是确定了而的坐标转换矩阵和面在u、v参数而内的(u,v)坐标值。因此,整个三维设计是一个二维与三维相互指定、相互作用的过程。


(1)在三维空间中指定的相邻面的连接边;


(2)寸台定欲生成而与指定的相邻而的夹角,系统山连接边的端点坐标和矢星方向以及两而火角即可确定该而相对实体坐标系的变换阵,从而确定该而在王维空间的位置;


(3)在平而绘图区设计出欲生成而的形状,系统由此步可得到该面中各条线端饭在uv参数平而内的坐标植;


(4)确认,生成该面。



四、工艺展开功能的实现


1.描述工艺信息的基本概念与基本原理


(1)基本概念


1)展开方法:做展开时逐而展开的顺序和方向。相同的工件,可有多种展开方法而得到不同的母料。这些母料经过不同方法和次序的折弯加工,都可最终得到该工件。



图2所示工件的线框图,由a、b、c三个互成90度的而组成。图中表示了两种展开方法:


(a):(1)→(2)b面展开至a面上;展开后b面在a面所在平面上;(2)→(3)C而展升至a面上;展开后c面所在平面上。



(b):(1)一(2)a面展开至c面上;展开后a面在c面所在平面上;(2)→(3b)面展开至c面上;展开后b面在。面所在平而上。




2)公共边:空间位置重合、方向相反、分属于两相邻的两条边互为公共边。在展开时,展开方法的不同,公共边可用做折弯边或打开边。图2中工件没展开前,a面与b面、c面与b面、a面与c面的交线处的边都是公共边。




(2)基本原理


如图3所示工件,由一块板料经折弯而成,a、b两面夹角为90度设计尺寸L1与L2为外表面尺寸。展开后相应的板料展开尺寸并不等于L1与L2之和,而是略短。这是由于板厚、圆角及材质的影响,折弯后板料中性层并不和中间层重合,而是向内移动了一个距离(如图3所示)。展开尺寸实际上等于中性层的相应尺寸。


2.工艺信息的处理及工艺展开


(1)中性层系数的确定


一般来说,中性层较中间层偏向内表面。中性层系数既是中性层到内表面的厚度与板厚的比值,因此它一般小于0.5。而直接决定中性层系数的则是圆角半径与板厚的比值σ。



中性层系数的确定受经验影响较大,并不是一组确定的理论值。不同的用户,由于所用设备、工艺、材料的不同,往往有其自己的经验系数。因此,为满足不同用户的要求,系统提供给用户一个文本文件(weihzi.txt)用户可以用任何一种文本编辑器写入对应于每一个σ的自己的中性层系数经验值,系统便可按照此组系数进行工艺展开。



(2)展开时折弯边外圆角区的工艺处理


如图3所示的工件做工艺展开。L1与L2是用户的设计尺寸,用户按照这两个尺寸生成两个面a面和b面。做展开前,系统提示用户指定板厚和圆角半径。此时系统将图3所示工件用两无厚度的平面表示,尺寸为L1和L2(工件外表面的设计尺寸),但板厚和圆角等信息已在系统内部记录下来。系统计算σ,进行工艺展开时,做如下处理:


1)按照用户指定的展开方法,重新计算欲展面a的法矢量,使其和另一面b的法矢量相等。此时两面便展开在b平面内,展开尺寸还是L1和L2;


2)按照计算出的工艺量,重新计算a、b面内坐标u、v值,使其相应尺寸分别为L3和L4;


3)在两面中间插入一面。,长度为L5,此面即是圆角区的展开面;



(3)展开时不同面的打开边的工艺处理


如图5所示,两个面结合时在不咬边的情况下,两个面的压边情况一般有3种。


在做展开时,一旦用户指定了要展开的面和展开时的折弯边,那么该面上除了此条作为折弯边的公共边以外的所有公共边都是打开边。系统会提示用户为侮一条打开边指定压边情况的代号。根据此处两面的结合情况系统便可计算出应向面内“缩进”或是向面外“长出”的长度。


例如图5a,板a与板b相结合时板a压着板b。在展开时,板a相应的打开边向外伸长一个板厚,板b相应的打开边则要向内缩进一个板厚;而对于图5c,则展开时两面相应的打开边都向内缩进半个板厚。



五、结论


本文仅仅是用一些简单的例子来说明御云钣金软件在进行三维设计与工艺处理时所采用的基本原理和方法。实际上,系统具有很强的实用性,运用了大量的先进算法,智能化程度较高。该钣金系统已在福州第一开关厂等多家企业使用证明,系统性能稳定,能够满足用户设计工作需要。



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