基于NX 平臺的級進模工藝自動化設(shè)計中的關(guān)鍵技術(shù)與軟件系統(tǒng)研發(fā)

王玉龍，章志兵，孔海驕，黃云艷

（1.華中科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，武漢 430074；2.格力電器股份有限公司，廣東 珠海 519000）

隨著家電模具產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，級進模在家電產(chǎn)品加工中得到了越來越廣泛的應(yīng)用[1—2]。雖然，多工位級進模的生產(chǎn)效率與自動化程度較高，但由于要在一套模具中完成沖裁、彎曲、拉延、成形和翻孔等多道工序，模具結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜、開發(fā)周期長，因此，多工位級進模設(shè)計是其生產(chǎn)制造中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

多工位級進模設(shè)計包括工藝設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計。其中，工藝設(shè)計包括工序排配、毛坯排樣和廢料設(shè)計等多個復(fù)雜步驟。高效的模具設(shè)計需要基于工藝結(jié)構(gòu)一體化[3]的思想，通過工藝設(shè)計提供完善的工藝信息，以大大縮短結(jié)構(gòu)設(shè)計周期。目前行業(yè)內(nèi)應(yīng)用較廣的三維級進模設(shè)計軟件包括：Progressive Die Wizard（簡稱PDW）[4]、3DQuickPress 和VISI-Process 等[5]。雖然，這些軟件實現(xiàn)了較高程度的結(jié)構(gòu)自動化級進模設(shè)計，但還存在一些問題，如工藝設(shè)計流程自動化程度低，需要手動進行工序排配等操作；模具設(shè)計發(fā)生變更，如產(chǎn)品新增或者減少特征、工序排配結(jié)果發(fā)生修改時，無法實現(xiàn)自動化編輯，花費時間長；工序排配時，未自動對工藝面染色并生成工藝線，不利于后續(xù)進行自動化的結(jié)構(gòu)設(shè)計。文中基于自動化的特征識別、工序排配等技術(shù)，提出了“局部特征形狀記憶”模型，研發(fā)了一套級進模工藝自動化設(shè)計輔助子系統(tǒng)，并與已開發(fā)的結(jié)構(gòu)自動化設(shè)計子系統(tǒng)無縫集成，形成了工藝結(jié)構(gòu)一體化系統(tǒng)。系統(tǒng)可以有效縮短模具設(shè)計變更周期，提升設(shè)計變更自動化程度。

1 自動化工藝設(shè)計系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)分析

基于NX 平臺，采用NXOpen 二次開發(fā)技術(shù)實現(xiàn)的模具工藝設(shè)計系統(tǒng)可與NX 無縫集成，最終實現(xiàn)高效的模具設(shè)計。為了實現(xiàn)自動化設(shè)計，降低系統(tǒng)模塊之間的耦合性，提升系統(tǒng)的健壯性，工藝設(shè)計系統(tǒng)采用Model-View-Controller（簡稱MVC）模式實現(xiàn)[6]?；谀Ｐ?、視圖和控制器相分離的思想，整個系統(tǒng)采用分層設(shè)計的方法，劃分為界面顯示層、業(yè)務(wù)邏輯層和數(shù)據(jù)管理層，各層之間的關(guān)系如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)分層架構(gòu)Fig.1 Layered architecture of system

1.2 系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)的工作流程如圖2 所示，主要有8 個步驟。

圖2 系統(tǒng)工作流程Fig.2 Workflow of system

1）首先進行產(chǎn)品的導(dǎo)入或替換，產(chǎn)品替換時繼承原先產(chǎn)品保存的特征信息。

2）進行自動化的產(chǎn)品特征識別，可以識別通孔、盲孔、壓印、凸包和折彎等多種復(fù)雜類型的鈑金特征。

3）進行工序參數(shù)定義及初始化工作，在裝配樹上生成對應(yīng)工序節(jié)點。工序按照逆序進行初始化，每一序工序體wave 后一序工序體，最后一序wave 產(chǎn)品體。

4）將識別的特征分配到不同工序，進行工序創(chuàng)建。工序創(chuàng)建時將當(dāng)前工序特征進行還原，如折彎特征進行展平，沖孔特征進行填充，同時生成工藝線等工藝信息。

5）工序設(shè)計若發(fā)生變動，則可以采用工序創(chuàng)建編輯調(diào)整特征被分配到的工序，并可以通過工序編輯新增或減少工序數(shù)目。

6）工序設(shè)計完成后，第一序工序體是完全展開的毛坯，可以使用毛坯排樣功能，根據(jù)用戶輸入?yún)?shù)進行排樣，最后生成料帶節(jié)點。

7）在生成的料帶節(jié)點內(nèi)使用廢料設(shè)計工具設(shè)計沖裁廢料，包括沖孔廢料和切邊廢料等。

8）根據(jù)工藝設(shè)計生成的工藝信息進行自動化的結(jié)構(gòu)設(shè)計和二維圖設(shè)計。

為了實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計，系統(tǒng)在項目初始化時便會按照規(guī)則統(tǒng)一生成裝配樹，整個工藝設(shè)計過程中的裝配樹如圖3 所示。其中CP_ASM 節(jié)點用于裝配產(chǎn)品節(jié)part，單件排樣時產(chǎn)品數(shù)目為1 個，多件排樣時為2 個。PROCESS_ASM 節(jié)點用于裝配工序part，節(jié)點數(shù)目等于工序數(shù)目，STRIP_ASM 節(jié)點用于裝配排樣時生成的料帶part。

圖3 系統(tǒng)裝配樹Fig.3 Assembly tree of system

2 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 自動化特征識別

特征識別是產(chǎn)品自動化展平的基礎(chǔ)和關(guān)鍵[7—10]，鈑金零件的主要特征分類如圖4 所示，常見特征有通孔、盲孔、平板沙拉、半剪凸出、剪切凸出、凸包、抽空翻邊和折彎等。在識別時，特征需要基于面和邊的類型進行區(qū)分，常見類型如圖5 所示。以通孔特征為例，其主要識別流程如下所示。

圖4 鈑金特征分類Fig.4 Classification of sheet metal features

圖5 面和邊類型Fig.5 Types of surfaces and edges

1）獲取產(chǎn)品體上的所有平面，作為待識別種子面。

2）獲取種子面的內(nèi)環(huán)，篩選出所有邊都是凸邊的內(nèi)環(huán)。

3）在內(nèi)環(huán)區(qū)域內(nèi)任取3 個點，沿著種子面法向和法向反向分別發(fā)射射線，篩選出2 個方向和產(chǎn)品均無碰撞的內(nèi)環(huán)。

4）從種子面開始，沿著內(nèi)環(huán)方向通過廣度優(yōu)先搜索查找相鄰面[11]，直到找到下一個平面結(jié)束。判斷所有找到面的法向是否和種子面法向垂直，垂直則識別到一個通孔特征。

產(chǎn)品特征類型復(fù)雜多樣，為了方便存儲和管理，需要對不同特征進行編碼。編碼時將特征分為通孔、盲孔、凸包和折彎等父類型，每種父類型特征又細分子類型，如通孔可以細分為圓形通孔、方形通孔和雙D 孔等。識別完成后以屬性賦予方式將特征信息存儲在對應(yīng)面上，如以GreeDA_GPType（整型屬性）記錄特征編碼類型，GreeDA_GPID（字符串屬性）記錄每個特征獨有的ID，GreeDA_GPDimension（字符串屬性）記錄序列化后的特征尺寸信息。以圓孔為例，則記錄圓孔高度和直徑。

2.2 “局部特征形狀記憶”模型

基于識別的產(chǎn)品特征，可以進行自動化的工序排配。級進模工序排配時，對于折彎特征會進行展平，對于非折彎特征會進行移除，并且根據(jù)模具實際生產(chǎn)情況還會對工序排配結(jié)果進行變更。在模具設(shè)計過程中，變更情況時有發(fā)生，為了快速進行設(shè)計變更，系統(tǒng)提出了“局部特征形狀記憶”模型。模型主要思想是在對折彎特征進行展平和非折彎特征進行移除時，以工具體的形式保留原始特征的幾何信息，在設(shè)計變更時，便可用工具體還原出特征。以凸包和折彎特征為例，對應(yīng)工具體如圖6 所示。在凸包特征被移除后，若發(fā)生設(shè)計變更需要還原特征時，只需用產(chǎn)品與求差工具體布爾求差，再與求和工具體布爾求和，即可還原特征。折彎特征被展平后，還原方法為先將產(chǎn)品用拆分工具體拆分，刪除拆分下的展平部分，再將隨著折彎展開的隨動部分進行重定位，最后將產(chǎn)品與求和工具體以及隨動部分求和，即可還原特征。

圖6 特征工具體示例Fig.6 Examples of feature tool body

對通孔、沙拉孔、凸包等非折彎特征創(chuàng)建工具體時，需要基于特征的最大邊界進行拉伸，獲取特征最大邊界的算法如下。

1）遍歷特征的每一個face，作為種子面。

2）獲取種子面的所有edge，按照廣度優(yōu)先算法獲取edge 的相鄰面，若相鄰面屬于特征面，則作為新的種子面繼續(xù)向外查找。

3）若相鄰面不是特征面，則說明該條edge 為特征的邊界。

4）找到所有邊界edge 后，按照連接環(huán)分組，周長最長的一組邊界即為最大邊界。

2.3 折彎中性層展開

折彎特征展平時要分為連接區(qū)、變形區(qū)和隨動區(qū)，如圖7 所示，其中變形區(qū)即為折彎特征面。系統(tǒng)根據(jù)最初在產(chǎn)品上定義的基準(zhǔn)面自動找到連接區(qū)和隨動區(qū)，算法如下。

圖7 折彎特征示意Fig.7 Schematic diagram of bending feature

1）獲取折彎特征面的所有edge，找到2 條為直線的edge。

2）獲取折彎特征面在2 條edge 處的2 組相鄰面。

3）將基準(zhǔn)面作為種子面，獲取基準(zhǔn)面上所有edge，按照廣度優(yōu)先搜索算法查找基準(zhǔn)面在edge 處的相鄰面，并將相鄰面繼續(xù)作為種子面向外查找。

4）查找過程直到找到步驟（2）中的一組面為止，找到的面為連接區(qū)，另一組面為隨動區(qū)。

折彎特征展平時，采用了變形區(qū)展開長度與中性層處坯料長度相等的思想[12—14]。以最常見的90°折彎展開為例，如圖7 所示，其中λ為中性層偏移距離，d為產(chǎn)品厚度，R為變形區(qū)內(nèi)徑，A和B為橫向和縱向長度。變形區(qū)中性層長度L=(R+λ)×π/2，其中λ為中性層偏移距離。系統(tǒng)中當(dāng)R≥5d（產(chǎn)品厚度）時，λ=d/2；d≤R＜5d時，λ=d/3；0＜R＜d時，λ=d/4。數(shù)學(xué)計算得到變形區(qū)展開長度后，系統(tǒng)將連接區(qū)、變形區(qū)和隨動區(qū)通過邊界進行拆分，再根據(jù)展開長度創(chuàng)建出變形區(qū)展平以后的體，然后隱藏原始變形區(qū)作為求和工具體，并將隨動區(qū)沿著折彎中心旋轉(zhuǎn)90°后再移動展平長度，最后將連接區(qū)、變形區(qū)和隨動區(qū)求和，即完成了折彎展開。

圖8 90°折彎展開示意Fig.8 Schematic diagram of 90° bending unfolding

2.4 自動化設(shè)計變更分析

為了消除模具設(shè)計缺陷，滿足模具生產(chǎn)、制造和安裝的要求，經(jīng)常需要對現(xiàn)有的工藝設(shè)計進行變更[15]。常見的設(shè)計變更種類有3 種。

1）工序排配發(fā)生變更，如將第3 序成形的沖孔特征移動到第5 序成形。

2）工序數(shù)目發(fā)生變動，如產(chǎn)品從共5 序成形改為6 序成形。

3）產(chǎn)品新增或者減少特征，如減少孔、新增加強筋等。

設(shè)計變更貫穿模具設(shè)計的整個周期，實現(xiàn)自動化的設(shè)計變更可以大大縮短設(shè)計周期，提升設(shè)計效率。系統(tǒng)通過以下幾方面保證設(shè)計變更的自動化。

1）工序排配進行產(chǎn)品到毛坯的倒推時，除了對折彎特征展平和非折彎特征移除外，還通過工具體記錄了特征幾何信息。

2）初始化某一序part 時，除了wave 后一序的產(chǎn)品體，還會wave 后一序的工具體。

3）某一序?qū)φ蹚澨卣髡蛊綍r，還會將與隨動區(qū)相交的工具體也重定位。

如圖9 所示，在設(shè)計第6 序時，將六邊形孔填平，生成了對應(yīng)的還原工具體。工序初始化第5 序時，還原工具體被wave 到第5 序，并且在展開折彎特征時隨之重新定位。這樣在設(shè)計變更時，如果需要在第5序和第6 序重新創(chuàng)建出六邊形孔特征，只需要用該序的產(chǎn)品體和還原工具體求差即可正確還原。

圖9 工具體隨動調(diào)整Fig.9 Follow-up adjustment of tool body

3 應(yīng)用實例

以格力空調(diào)外機右側(cè)板零件為例，在NX7.5 平臺上，進行工藝設(shè)計。產(chǎn)品特征識別結(jié)果如圖10 所示，主要有通孔、翻孔、凸包、壓筋、折彎、拉延和Z 折等幾類特征。基于特征識別結(jié)果，通過工序初始化、工序創(chuàng)建、工序創(chuàng)建編輯和工序編輯等功能進行工序設(shè)計，使用毛坯排樣和廢料設(shè)計工具生成最終料帶。格力空調(diào)外機右側(cè)板零件分為8 個工序成型，生成的料帶如圖11 所示。整套工藝設(shè)計流程耗時10 min 以內(nèi)，傳統(tǒng)方式進行工藝設(shè)計時需耗時60 min 以上，效率得到明顯提升。最后，根據(jù)工藝設(shè)計信息可以進行自動化的結(jié)構(gòu)設(shè)計，包括模板模架調(diào)用、標(biāo)準(zhǔn)件調(diào)用等，生成的三維結(jié)構(gòu)如圖12 所示。

圖10 空調(diào)外機右側(cè)板特征識別結(jié)果Fig.10 Feature recognition result of right-side plate of air-conditioning unit

圖11 空調(diào)外機右側(cè)板料帶Fig.11 Strip of right-side plate of air-conditioning unit

圖12 空調(diào)外機右側(cè)板模具結(jié)構(gòu)Fig.12 Mold structure of right-side plate of air-conditioning unit

4 結(jié)語

參考 NX 軟件 PDW 模塊和 Solidworks 3DQuickPress 插件等級進模設(shè)計軟件，并基于NX7.5平臺，設(shè)計完成了一套級進模工藝設(shè)計系統(tǒng)。整個系統(tǒng)包括工藝初始化、產(chǎn)品導(dǎo)入/替換、自動特征識別、工序設(shè)計、毛坯排樣和廢料設(shè)計等子功能模塊。系統(tǒng)提供的產(chǎn)品對比、工序創(chuàng)建編輯、工序編輯、廢料編輯等工具大大提高了設(shè)計過程的可編輯性，滿足了實際工業(yè)生產(chǎn)中紛繁復(fù)雜的設(shè)計變更需求，基本實現(xiàn)了自動化、智能化的家電級進模工藝設(shè)計。系統(tǒng)和NX無縫集成，并可以為后續(xù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供豐富的工藝信息，對縮短模具設(shè)計周期、提高設(shè)計的質(zhì)量和效率具有重要意義。