基于Pro／E的鈑金件參數(shù)化展開及排樣

王拴繪，李夢群

（中北大學，山西 太原 030051）

0 引言

現(xiàn)有很多類型的鈑金專業(yè)設計軟件，如RADAN、FASTCAM、Topsolid、Inventor、MDT 和 AutoCUT等，但是這類專業(yè)軟件存在價格高、與我國的行業(yè)標準不匹配等問題?，F(xiàn)有的三維軟件，如Pro／E、UG、Solid Works、CATIA都具有鈑金模塊，但也只能實現(xiàn)一些簡單鈑金件的展開，要實現(xiàn)復雜鈑金件展開以及展開件的排樣，則需要對相應軟件的API（應用程序開發(fā)接口）函數(shù)進行二次開發(fā)。現(xiàn)階段相關的研究只完成了鈑金的部分工藝，如華中科技大學郝明等人利用自主研制的FASTAMP求解器，以Pro／E為平臺實現(xiàn)了復雜鈑金件的展開；南京航空航天大學洪晴等人以CATIA為平臺通過Automation及CAA二次開發(fā)技術，實現(xiàn)了飛機復雜鈑金件的展開；華中科技大學秦宇等人在Solid Works平臺上，開發(fā)了一套面向沖壓工藝的坯料展開模擬系統(tǒng)SW－BEX。

本文在上述已有技術的基礎上進行深入研究，實現(xiàn)了鈑金件的參數(shù)化展開，以及鈑金展開件的自動排樣，很好地解決了鈑金下料前的設計計算工作。

1 鈑金件參數(shù)化展開及排樣系統(tǒng)總體設計

三維軟件建立的鈑金模型是經(jīng)過一系列加工步驟之后的最終產(chǎn)品，所以不能直接用于生產(chǎn)，要對鈑金模型進行展開、排樣以及工藝決策之后才能符合生產(chǎn)設備的要求。主流三維軟件都具有鈑金模塊，并且能夠實現(xiàn)簡單鈑金件的展開，對于復雜鈑金件（如相貫鈑金件）則無法展開。因此，本文應用三維軟件自帶的API函數(shù)對三維軟件進行二次開發(fā)，實現(xiàn)復雜鈑金件的展開和展開件的排樣，并且在三維軟件中建立鈑金件特征信息交互窗口，利用Pro／E自帶的二次開發(fā)工具編制后臺程序，便于信息的調用和存儲。

1.1 鈑金件的參數(shù)化展開

圖1為鈑金件參數(shù)化展開原理。根據(jù)鈑金的功能和結構特點本文將可展鈑金分為6種類型：異徑異口三通管、圓錐管及其組合件、等徑圓管鈑金件、棱錐管及其組合件、圓方過渡接頭和其他可展開板金件。首先對其中一類鈑金的具體結構進行分析，確定各幾何要素的位置關系和長度關系，從中提取出模型所需要的參數(shù)，建立該鈑金件的展開圖，然后圍繞模型參數(shù)設計鈑金件展開對話框。鈑金件設計對話框的內容有：展開參數(shù)數(shù)值的輸入、展開圖的顯示、鈑金件二維展開示意圖、三維圖形的顯示。實現(xiàn)這個過程主要用到了以下4個Pro／Toolkit庫函數(shù)（其具體用法參閱PTC公司的 Pro／Toolkit用戶手冊 Pro／Toolkit User’s Guide）：

ProParameterInit（）；／／設置初始化參數(shù)

Pro UIInputpanelDoubleGet（）；／／對話框輸入?yún)?shù)的獲取

ProParameter ValueSet（）；／／參數(shù)設置

ProSolid Regenerate（）；／／新零件生成

圖1 鈑金件參數(shù)化展開原理

具體實現(xiàn)步驟如下：①以三維軟件Pro／E為平臺，結合軟件自帶的二次開發(fā)函數(shù)Pro／Toolkit和函數(shù)支持的開發(fā)語言C＋＋，編制后臺鈑金展開相關程序；②在三維軟件界面創(chuàng)建鈑金件展開菜單、參數(shù)對話框，建立鈑金模板庫鏈接窗口；③用戶點擊鈑金模板庫鏈接窗口中鈑金模型圖標鏈接，通過鏈接調用先前編制好的后臺程序，最終生成三維鈑金件模型參數(shù)對話框、三維模型和對應展開件共存的界面窗口。

1.2 鈑金展開件自動排樣

對鈑金CAD系統(tǒng)而言，排樣算法往往決定了鈑金CAD系統(tǒng)的性能和實用性。鈑金件排樣研究的算法主要分為兩大類：一是局部優(yōu)化算法，此算法多用于預處理階段，有矩形包絡法、臨界多邊形法NFP（移動碰撞法、明可夫斯基矢量和法（Minkowski sum）及其派生算法、凹多邊形凸化分割法、基于軌跡計算的NFP法）、平移算法；二是全局優(yōu)化算法，用于初始排列之后的調整，使材料利用率盡可能高，有模擬退火算法、遺傳算法、粒子群算法和蟻群算法。對于矩形排樣，系統(tǒng)采用文獻［1］在剩余矩形的匹配方法基礎上提出的剩余矩形的動態(tài)匹配方法，經(jīng)過驗證取得了較好的效果；針對不規(guī)則鈑金件排樣，使用粒子群算法的優(yōu)化方法，首先以零件的入排角度變異序列和交換序列作為粒子運動速度構造粒子群算法，之后使用剩余矩形動態(tài)匹配算法實現(xiàn)解碼和局部尋優(yōu)，并結合不規(guī)則件的正交靠接算法實現(xiàn)自動排樣，具體計算方法見文獻［2］。

系統(tǒng)中排樣部分應用三維軟件自帶的二次開發(fā)函數(shù)編寫粒子群優(yōu)化算法程序，并在三維軟件界面建立信息庫管理模塊、展開圖輸入模塊、圖形預處理模塊、優(yōu)化排樣模塊（自動排樣和手動排樣）、排樣輸出及存儲模塊，如圖2所示。

（1）信息庫管理模塊存儲了板材信息和零件信息，零件信息管理的功能是設置即將入排的零件信息和所需的板料信息。

（2）展開圖輸入模塊功能是將前面展開步驟得到的圖形導入到三維軟件界面建立的鈑金排樣窗口中，將前面得到的展開件保存為dwg格式的文件，在開發(fā)排樣窗口界面時，將dwg viewer嵌入到程序中，通過dwg viewer提供的函數(shù)可以方便地獲取圖形的幾何信息，實現(xiàn)展開圖的輸入和排樣結果的輸出。

圖2 基于三維軟件的鈑金排樣

（3）由于由CAD生成的零件圖形不能直接進行排樣，故在進行排樣之前，需要對待排零件進行預處理，簡化圖形的復雜度，提高算法的運算速度。預處理主要包括對零件圖形的矢量化、零件輪廓的離散化、零件邊界的光順化、多邊形的分類與凹凸性判斷以及求多邊形最小包絡矩形，預處理對簡化排樣算法起到了重要的作用。圖形預處理模塊利用粒子群優(yōu)化算法程序將不規(guī)則圖形進行自動組合和自動填充處理，最終組合成最小包絡矩形。

（4）優(yōu)化排樣模塊將得到的矩形利用剩余矩形動態(tài)匹配方法程序在給定的板料上自動排樣，當對所排結果不滿意時，可借助手動排樣功能進行修改。

（5）排樣輸出及存儲模塊輸出排樣圖形，并保存排樣結果信息。

排樣操作流程如圖3所示。

圖3 排樣操作流程圖

2 實例

基于Pro／E的圓方件的參數(shù)化展開、自動排樣如圖4、圖5所示。

圖4 圓方件參數(shù)化展開

圖5 圓方件展開件排樣

3 結語

基于Pro／E的鈑金件參數(shù)化展開及排樣系統(tǒng)，在對Pro／E二次開發(fā)的基礎上，實現(xiàn)了鈑金件的參數(shù)化建模和智能排樣，大大減輕了設計人員的工作量，避免了重復的計算過程，對于鈑金企業(yè)的生產(chǎn)有很好的指導意義。

［1］ 陳婷，許超.鈑金零件排樣技術及其發(fā)展［J］.鍛壓裝備與制造技術，2008（4）：13－17.

［2］ 梁利東，鐘相強.粒子群算法在不規(guī)則件排樣優(yōu)化中的應用［J］.中國機械工程，2010（17）：2050－2052，2069.