（机械制造及其自动化专业论文）面向工艺的钣金展开cadcam集成系统开发.pdf

摘要本文提出并实现了一种新的钣金零件展开设计方法，该算法充分考虑了钣金加工全过程的各种工艺与制造因素，实现了“面向工艺”的展开建模。在此基础上研制开发了用于钣金展开切割下料的软件系统，该系统可以准确完成各构件的展开，实现展开对象的三维建模，并可生成切割下料的工艺单及数控程序，打印输出施工图，实现了钣金展开下料c a d c a m 集成。本文主要涉及的研究内容及创新点包括以下几个方面：l 、提出并实现了面向工艺的钣金展开算法；探讨了展开计算对焊缝边界约束条件，板厚处理，坡口型式对钣金加工制造工艺的影响，并采用合理的方法进行处理和设计。2 、依据钣金构件的几何特征，采用曲面造型、实体造型及混合造型的方法实现了钣金构件的三维造型；研究了多管接头钣金构件蓝面、实体造型有机结合的原理和方法。3 、针对钣金件的加工制造特征，深入的分析了钣金加工前后置处理功能及特点，实现了面向工艺的钣金展开系统c a d c a m 一体化的紧密集成。本文的相关成果及技术已经在全国十多个企业单位应用，取得了很好的社会经济效益。关键词：钣金，展开，算法，c d c a m一i量堕型堂垫垄盔堂婴塞生隧堂垡笙兰- 一a b s t r a c tt h i sp a p e rp u t sf o r w a r dan e wm e t h o df o rd e p l o y m e n ta n dd e s i g no fs h e e tm e t a lf a b r i c a t i o n s t h em e t h o ds u f f i c i e n t l yc o n s i d e r sa l lt h ef a c t o r so fs h e e tm e t a lm a n u f a c t u r ep r o c e s si nt e r mo fe n t i r ed e s i g n ，p e r f o r m i n gp r o c e s s 0 r i e n t e dd e p l o yo fs h e e tm e t a l ( p o d ) ac a d c a ms o f t w a r es y s t e ma v a i l a b l ef o rs h e e tm e t a ld e p l o y i n ga n db a i t i n gi sd e v e l o p e db a s e do nt h em e t h o d s t h es y s t e mc a nc a l c u l a t et h ed e p l o y i n gd a t a ，g e n e r a t e3 d i m e n s i o nm o d e l ，o u t p u tb l u ep r i n t sf o rs h e e tm e t a lf a b r i c a t i o na sw e l la sp r o d u c e sp r o c e s sl i s t sa n dn cp r o g r a mf o rc u t t i n ga n db a i t i n g t h em a i nc o n t e n t sa n di n n o v a t i o n sa r ea sf o l l o w s 1 、p r o c e s s - o r i e n t e da l g o r i t h m sf o rs h e e tm e t a ld e p l o y m e n t a ni n v e s t i g a t i o ni sm a d eo nt h ec o n s t r a i n st ow e l d e ds e a m ，s h e e tt h i c k n e s s ，s l o p et y p ea n dt h e i ri n f l u e n c e st os h e e tm e t a lm a n u f a c t u r ep r o c e s s ，a n dar a t i o n a lm e t h o di sa d o p t e dt ot r e a td e s i g na n dc a l c u l a t i o n 2 、3 一d i m e n s i o nm o d e l i n gt e c h n o l o g yo fs h e e tm e t a lf a b r i c a t i o n t h et e c h n o l o g i e so fs o l i dm o d e l i n g ，s u r f a c em o d e l i n ga n dh y b r i dm o d e l i n gf o rs h e e tm e t a lf a b r i c a t i o n si ss t u d i e da c c o r d i n gt og e o m e t r i cc h a r a c t e r i s t i e so fs h e e tm e t a lf a b r i c a t i o n3 、c a d c a m i n t e g r a t i o n t e c h n o l o g y f o rs h e e t m e t a ld e s i g n p r a c t i c e w i t h p r i n c i p l eo f s h e e tm e t a lc a d c a ms y s t e mi sa c c o m p l i s h e di n d e t a i lt h r o l l g ha n a l y s i so fs h e e tm e t a l s m a n u f a c t u r i n gp r o c e s s t h ea c h i e v e m e n t sa n da n n e x e so ft h i sp a p e ri sw i d e l yu s e da n db e n e f i tm a n ye n t e r p r i s e sa n dp r o v er a t h e rg o o d k e y w o r d s ：s h e e tm e t ai ，d e v eio p m e n t aig o tit h m c a d c a mi i独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意学位论文题目：叠塑兰圣! 鱼返金鏖玉啦趔塞盛叠选童发学位论文作者签名：壬堑1 31 斌日期：2 2 年一月? 6 日学位论文版权使用授权书本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定本人授权国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档，允许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文( 保密学位论文在解密后适用本授权书)学位论文题目：瑟! 望圣垂! 塑返玺璧立必建! 盏歪i 赵盘煞学位论文作者签名：茹域0 一储舯刻獬：舷日期：p 2 年o 月) 名日日期：z z 年归月；护e 鉴定意见广东省科技厅组织专家对由广州凯恒程控科技有限公司和国防科技大学共同完成的“钣金展开下料c a d c a m 集成系统”进行科技成果鉴定。鉴定委员会专家认真听取和审查了该项目的研究报告、技术报告、查新报告、用户报告、测试报告，对项目进行抽样测试和质询，经认真讨论，提出鉴定意见如下：1 、项目组提交的文档资料齐全、完整、规范、可信，可以指导系统的研制开发和用户使用，符合提交鉴定的要求。2 、“钣金展开下料c a d c a m 集成系统”的研制面向焊接工艺、基于3 d 建模，融切割工艺知识、拓扑集合信息与图形变换技术于一体，可自动生成三视图、2 d 展开图、3 d 图形、工艺清单、数控切割指令，可进行切割指令仿真与传输、实时监控。3 、该软件系统运用面向对象可视化编程语言，从底层开发集c a d c a m 于一体，不依赖除操作系统以外的支撑系统，便于升级，具有先进性、实用性和易用性，具有独立自主的知识产权。鉴定委员会一致认为，“饭金展开下料c a d c a m 集成系统”是一项研制工作量大，软件工程化程度、技术含量和集成度高，产学研结合好的重要科技成果并已经开始应用于机电、化工、船舶等领域，可显著提高工作效率和产品质量，节约材料，降低生产成本，具有显著的社会经济效益。鉴定委员会一致同意通过鉴定，并认为该成果居国内领先水平，其中基于3 d 钣金下料、面向工艺的设计等技术方面具有创新，达到国际先进水平。建议项目组进一步开发考虑工艺和材料等因素的优化排料功能，尽快推进软硬件集成的产业化进程，以取得更加显著的经济与社会效益。鉴定委员会主任：焦确佑2 002堑丛年皇月丝日譬些垒兰鏊望羹堡垒叁墼塑鐾姜竺! 燃= 黑篁=第一章绪论l + l 弓l 害叁获亳子计算凝诞垒叛来，诗舞辊的磺锌系统簿了突飞猛进懿发震，蒸螽俸警集成度按“摩尔规律，每过1 8 个月便提高一倍，在计算机速度不断提高的同时，它的体积却在不凝的缩小，价格也大幅下跌。【1 1 咒其是谯微型计算枧出现后，使得计算机褥到更广泛的应粥，鲡今讦算梳技术已缀渗入戮各行吾渡和入 f 】的生活巾。杭械设计帮臻造领域建计算机技术应用的最萤要领域之一，计算机辅助设计c a d 计算机辅助制造c a m 的含义就是使震谤算瓠技术辏劲入髑递移产燕豹浚诗与露l 造，也藏是擦诗算枧褰遮瑟耱确豹计冀裁力、大辑量的数据存储芹处理能力与产品设计者、产品制造者的中和分析及逻辚判断能力结合起来，从加快设计进程、缩短制造周期和掇高产品质量。1 2 】由于产品的设计、分析、制造是一个完熬鹃遥稷，困扰c a d 、c a m 貔集成对予毅褥经济效薤至关重要。翻近年来，c a d c a m 技术有了突飞猛进鲍发展，c a d c a m 技术有了突飞猛进的发展，c a d c a m 援术的应用及酱及取褥了长冠的透步，并实瑷了扶军掰蓟民用豹扩震。其中c a d 技术的发展大致经历了以下几个阶段：( 1 计算搬图形系绫( c o m p u t e rg r a p h i c ss y s t e m )该类系统用来绘制或殿示由赢线、圆弧获曲线维成的纛维或三维图形，有代表往的系统有早期美国的p l o t - 1 0 、英阐的g i n o f 系统。这些系统不断完善最终形成了g k s ，p h i g s ，g l 等潮形显承标准。( 2 ) 工程绘图系统( d r a f t i n gs y s t e m )该类系统可以交互式的绘制各种工程嬲纸，从黼实现了用计算机来代搭圈扳。发展最翠l 嚣虽最有影响力的是美溅a u t o d e s k 公霹在檄辊上开发瀚a u t o c a d 系统。( 3 ) 几何造型系统( g e o m e t r i cm o d e l i n gs y s t e m )随着c a d 技术豹发展，必了搜产品豹袭达更趣藏理，感骥了其露三维基零珐熊熬c a d系统，称之为尼何造型系统，他一般分为线框模型、实体模型、表面模型，近年来与出现了基于特征的三维模型。( 4 ) 产嚣模型系绞( p r o d u c tm o d e l i n gs y s t e m )该系统所描述的对象包括了形妖特征、尺寸公差和其他工艺参数，是一个统一完整的产鼹模型，采用产晶数据管理p d m ( p r o d u c td a t am a n a g e m e n t ) 技术，支持产品在全生命周麓内统一豹数据穰整。我国的c a d c a m 技零起步较瞧，比发达晷家蠢羞较大靛差距，滔蠹鑫生开发麴c a d系统大多怒二维辅助绘图系统，个剐基于国外a c i s 造型系统开发的三维c a d 系统在技术水平上、农功能和软件稳定性上与国外的同类产品相比仍裔较大的差距。膊前国内还没有可以窝嚣终a c i s 系统、p a r as o l i d 系统善摭麓懿三缀遥型核心系统。僵霹露像罨叛麓蔓| 进入九十年代以来，我国的c a d c a m 技术发展时非常迅速的，一大批国内自主版权的c a d c a m 软件相继出现，这些c a d 软件是直接针对国虎企业开发的有繁鲜明豹特色，在镣俸方法强软俸翡能等诲多方面汪达菇或超过国黼先逶承平，这魏系统程国内各企韭己得到泛莆及，使得国内许多企业真正实现了“甩阁板”，设计效率和设计质量都大大提第1 页里堕型兰垫查盔兰婴塞兰堕兰垡笙塞1 2 钣金展c a d c a m 集成系统研究的现状钣金件广泛应用于机电、化工、石油、汽车、造船等行业。与一般机械零件相比，钣金件在设计、工艺、制造等方面都有特殊的特点：例如，钣金件不属于标准件，只能通过形状的相似和相近对其进行分类描述：在设计与制造精度上，钣金件没有严格的公差配合等规范制约，允许误差范围较广；就制造手段而言钣金件的制作通常是通过冲压、拉伸、弯折、焊接，属于成型工艺。因此，合理的设计钣金件在成形前的基本参数、规划制造工艺过程，来生产钣金件是非常重要的。p 1多管接头的放样展开是钣金制造行业专业性强、复杂度高的个领域，它涉及到复杂曲面的相贯线计算、曲面的展开计算、焊接工艺、数控加工工艺等制造领域中的高难问题。由于历史原因，多管接头的放样展开、设计、制作一直以手工为主体，周期长、效率低，成本高。因此，许多专业工程技术人员致力于开发先进的设计制造工具，一批各有特色的钣金设计与制造辅助系统应运而生。比较典型的有华中理工的“开目钣金系统”，清华的“艾科斯特钣金系统”，澳大利亚的“f a s tc a m ”，北航的“红地钣金开发系统”以及国防科大的“银河c a d 钣金系统”等。这些系统在缩短钣金件设计周期、提高设计效率等方面产生了积极的效益。 6 , 7 , 8 1然而，不难发现现在的钣金展开系统大体上有以下三种：1 、基于设计的展开系统，即在从事展开时以中性面为基础而不考虑焊缝和板厚处理、坡口形式，单纯按照中性面对接来建立模型进行展开。由于没有考虑实际制造的工艺特点，其计算结果往往与实际应用有出入。例如，由于没有考虑焊缝对接处的边界约束条件导致焊缝端部出现连接处间隙过大；如图1 1 所示：图1 1 弯板对接没有考虑坡口处理的使整条焊缝对接不当。如图1 2 ，直角三节弯头在不开坡口时施工，弯头在组装时，若从外部焊接，在内口接口处，将在弯头内部残留缝隙，削弱弯头强度。在接口处进行v 型坡口处理后情况如图1 3 所示，每两节相邻圆柱管间接口图1 2 直角坡口图1 3v 型坡口第2 页国防科学技术大学研究生院学位论文的内侧和外侧都是里皮与里皮接触，它不仅有利于旖工，还提高了焊接强度。p j另外在展开过程中还要避免十字焊缝等问题，以上这些问题如处理不采用科学的方法进行处理则不能保证构件的整体尺寸符合要求，而且其误差很难通过修整使之得到纠正，在操作中既耗时又耗料，达不到使用要求。l l o l2 展开计算设计与制造分离的系统，即通常将c a d 与c a m 分离。据资料显示，目前只有澳大利亚的f a s tc a m 可以实现钣金加工c a d c a m 一体化。c a d 与c a m 分离是与当前科技高度集成化发展相悖的，现代的c a d c a m 系统中，综合应用人工智能、专家系统等前沿技术，将人类的智慧与计算机智能技术有机的融合一体，在人工干预较少的情况下设计出设计者想要的构件，并且具有评估功能，大大提高了自动化设计的程度，形成设计管理制造评估于一体的大规模集成系统，因此，那种将设计与制造分离的系统一定会被淘汰。3 、功能不完备的，具有实验特点的，以设计和成本核算为目的的系统。虽然考虑了一体化要求，但由于该行业的高度专业性和复杂性，使得这些实验性的产品都只是一个雏形，很不完备，迄今为止，此类软件来没有哪一个可以囊或钣金展开手册上的全部型号与类别。因此，开发面向工艺的钣金展开c a d c a m 集成系统时非常必要的。1 3 课题来源及研究意义“面向工艺的钣金展开集成c a d c a m 系统开发”是我院横向合作开发项目。具有国内领先软件开发实力和长期开发经验国防科大自动化学院与广州凯恒企业集团合作，在进行充分的市场分析和用户调研后，利用强大的人力物力，率先开发研制领先国内的钣金展开c a d c a m 一体化的集成开发系统，主要要针对多管接头钣金件，采用面向工艺的钣金展开设计思想，实现c a d c a m 一体化要求。传统的钣金展开思想均是基于设计的展开，在展开过程中没有考虑工艺要求和制造要求，废品率高，耗时耗料，本文提出的“面向工艺的”展开思想的含义就是在展开计算时就考虑工艺制造要求，针对钣金行业特点，对于手工操作的单件小批量钣金件，根据不同精度采用不同分点数，对于批量切割机下料，采用合理的前后置处理，达到提高工作效率，减少生产成本的目的。1 4 课题研究的内容和要解决的问题本课题只要研究以下内容：1 、面向工艺与制造的展开计算数学模型的建立。2 、以v c + + o o p 程序设计为基础，依据数学模型编制自动参数化设计展开的软件系统平台，根据选择自动生成钣金件展开图，三视图以及完整的尺寸标注，技术要求，生成工艺清单、数控加工代码以及加工仿真实现。3 、通过钣金件的外观形状，建立空间立体模型，对于规则的回转体，采用实体布尔运算的方法处理，对于不规则的复杂型体，则采用曲线到曲面的的方式，由n u r b s 样条曲面构造。并实现三维图的空间变换如平移、旋转、缩放等功能。4 、完成钣金展开手册上所有构件以及手册上没有而生产实践中需要的各类展开件的设计、下料处理。第3 页5 、以软件为基础，开发新型数控切割控制系统，实现c a d c a m 一体化的集成。针对以上研究内容，本课题主要解决以下几个方面的问题：1 、面向工艺的钣金展开算法。在进行展开计算时，考虑焊缝边界约束条件，板厚处理，坡口型式。应用合理的展开计算方法进行设计，根据不同种类的多管接头钣金件，进行合理的规划和处理，找出解决该问题的一般规律和方法，并把这种算法用程序实现，实现面向工艺的钣金展开集成系统，这与传统的钣金展开系统相比有着很大的先进型和实用性。2 、钣金件的计算机实体建模及三维造型技术。由于多管接头钣金件的复杂性和高度专业性，其三维造型的实现需要较强的三维立体造型技术支持，目前国内的钣金展开系统很少涉及到这个功能模块，本课题要研究和探索复杂管道立体模型的计算机可视化实现的方法和理论。3 、c a d c a m 一体集成开发系统的工程实践。c a d c a m 一体化是当代c a d 系统发展的潮流和趋势，考虑当前国内外钣金展开一体化系统的现状，从事c a d c a m 一体化研究是本课题需要解决的问题，也是该系统的一大特色之一。4 、新型数控系统的研制与改造。目前数控系统基本上分为传统数控以及基于新型运动控制器的新型数控系统两大类。本项目希望在数控切割系统中嵌入本项目开发的软件系统，就需要进行系统改造。数控系统的改造涉及到软硬件两方面的问题，是一个关键点。i 5 课题研究的关键技术本项目有如下难点和关键技术：1 面向工艺与制造的钣金展开算法是本课题的重点和难点所在，它牵涉到展开工艺、数控加工工艺、焊接工艺等方面。目前又缺乏系统理论，这是本课题的难点之处。2 复杂钣金件的三维建模。由于多管接头钣金件的复杂性和高度专业性，其三维造型的实现需要较强的三维立体造型技术支持，其中复杂相贯线的的表示，二三维参数化映射、三维变换等问题都是融计算机造型技术、图形变换技术、拓扑几何与一体的高难问题。3 从底层开发独立平台的系统。国内钣金展开系统都是基于二次开发。例如，“艾科斯特钣金系统”是基于a u t o d c s k 的a u t o c a d 。在底层开发的背景下，许多关键技术如尺寸标注、打印设置、图形比例设置等方面还有待作深入的研究和试验，需要在工作中不断总结和优化。 1 1 1i 6 本章小结本章简单阐述了c a d c a m 技术的产生和发展的历史，概述了钣金c a d c a m 的发展状况。说明了课题来源目的和意义，并简单介绍的论文主要的研究工作、创新点和关键技术。第4 页型塑些垡娄垄兰望鳖些垡垒垒圣= = 一第二章钣金c a d c a m 系统的构成框架及其功能2 1 钣金c a d c a m 软件系统的总体结构根据国内外钣金领域c a d c a m 发展的现状，以及征求广大钣金企业厂家的意见，本系统有如下需求：1 采用面向制造工艺的钣金展开算法：2 实现c a d c a m 一体化的紧密集成；3 要具有良好的可视化环境( 二三维显示平台) 。4 要具有良好的人机环境( 可操作性) ；基于以上需求，软件系统经过不断优化，设计总体结构时要具备以下功能：1 根据设计尺寸参数自动产生三视图；2 根据设计尺寸参数自动生成2 d 展开图；3 根据设计尺寸参数自动生成钣金件的三维立体图；4 根据尺寸参数与工艺参数自动生成辅助工艺清单数据；5 根据工艺参数及展开计算数据自动生成切割加工的数控程序；6 根据数控程序进行加工模拟；7 打印输出工程三视图及展开图的图纸、工艺清单等工程作业数据：8 图形数据输出功能：9 切割机加工通信功能。依据上述需求功能分析，系统架构的总体设计如下：1 采用m d m i 的程序结构，实现对象数据各功能模块自动关联的全过程设计；2 采用三维睦面、实体造型，实现三维立体显示与切割过程动态模拟；3 采用面向工艺的计算模型，实现工艺清单、数控程序的自动生成；4 研制专用数据通信卡，实现快速稳定的数据通信；整个系统结构如图2 1 所示，它充分考虑了用户使用的各种需求，在功能上具有全参数化设计、三维模型显示、工艺参数列表、前后置处理、串行通信，加工仿真以及打印工程图纸等功能模块。这些模块均是以v c + + 6 0 为开发平台从底层实现的，采用了多文档多视的软件结构。钣金展开图库是根据钣金展开手册上给出的典型展开件( 主要针对多管接头件) 而设计的全参数化零件库，选中某一个钣金件就进入数据处理阶段，并与以上几个功能模块相连，自动生成二维展开图，工艺参数单，三维实体模型，以及打印预览。在展第5 页国防科学技术大学研究生院学位论文开图计算模块中进行前置处理，后置处理模块主要针对深圳福斯特数控切割系统生成数控代码并实现加工仿真。图2 1 软件系统总体结构图第6 页一雪堕型堂垫垄盔堂婴瑟生哇堂垡鲨塞2 2 钣金c a d c a m 软件系统主要功能的实现下面对各模块功能实现进行说明：1 、参数输入处理模块参数输入模块是该系统的主要基础模块，他是由两个视i 羽类构成，分别是n c p l a n l i s t和d e p a r a l i s t 构成，他们都是继承t r e e v i e w 类的，分别实现零件特征尺寸输入和工艺加工参数输入，通过模式对话框去确定参数，进入参数预处理程序，计算该件展开图中几何参数的所有数据，该模块的核心是面向工艺的展开算法。2 、展开图显示模块该系统不是交互式图形编辑系统，针对钣金件的特点，用户输入特征尺寸，参数确认后，则生成其展开图，在该模块中，笔者基于v c 底层开发，定义了c k h b j b a s e 类，其成员函数包括各种基本几何像素的生成，标注，几何运算，基本几何像素包括，线段、圆弧、样条，圆，椭圆的等，标注包括直线标注，角度标注，直径标注、半径标注，连续标注、引出标注等，几何运算包括点于点的距离，点到圆弧的切线，直线和二次曲线的交点( 抛物线，双曲线、椭圆) 等。该模块的核心是几何图形的生成及标注。3 、三维造型显示模块系统基于o p e nc a s a s c d 软件包独立构建三维造型平台，通过钣金件的外观形状，建立空间立体模型，对于规则的回转体，采用实体求交求并的方法处理，对于不规则的复杂型体，则采用曲线到曲面的的方式，由b 样条曲面构造实体。并实现三维图的空间变换如平移、旋转、缩放等功能。该模块是系统的一大特色，由于国外三维平台造价高及专业性强等原因，国内同类系统实现该功能的很少。该模块的核心是三维造型算法。4 、打印输出模块在展开图确定以后，打印输出的主要工作就是比例的设定，针对不同的输出图纸选择合适的比例，技术要求及标题栏输出动过对话框的形式输入，并输入到图纸相应区域，该模块的核心是图纸比例的设定算法。5 、d x f 输出模块d ) 溥是国际通用的图形数据存储格式，该系统通过v c + + 中串化方式读写文件，生成该类格式文件( d x f ) ，可以在支持该格式的c a d 平台上进行编辑，该模块的核心是写d x f 的算法。6 、工艺单输出模块工艺单输出模块的功能是显示和输出钣金加工的工艺参数，如：总重，切割长度等，它的实现是通过一个文档类c k h b j d o c p l a n 和一个视图类c l m b j v i e w p l a n 实现。该模块的核心是工艺单打印输出时的换行和分页。7 、前后置处理模块该模块的作用是用来实现数控切割前后置处理，前置处理的作用是通过约定的格式记录钣金展开件的加工轮廓；后置处理的作用是根据用户要求生成不同机代码。该模块的核心是零件轮廓判定以及切割路径选择。8 、加工仿真模块该模块的功能是实现数控加工仿真，它的实现是通过一个文档类c k h b j d o c s i m u 和一个视图类c k h b j e w s i m u 实现。它也是基于文件操作的，它的入口数据流是前置处理后的文本文件，该模块的核心是三维几何造型的布尔运算。9 、串行通讯模块该模块的功能是实现g 代码的传输，系统采用i s a 接1 2 1 通过通讯卡进行通讯和加密。第7 页国防科学技术大学研究生院学位论文为达到以上功能，系统定义了七个d o c u m e n t v i e w 结构实现m d m i 程序结构文档类名视名窗口类作用k 删d o c 3 dk 聃j v i e w 3 dc c h i l d f r a m e 3 d显示立体模型k h b j d o c d e p lk h b j v i e w d e p lc c h i l d f r a m e d e p l显示展开图k h b j d o c d r a w i n gk h b j v i e w d r a w i n gc c h i l d f r a m e d r a w i n g显7 j - - _ 视图k h b j d o c p l a nk h b j e w p l a nc c h i l d f r a l l e p l a n显示处理工艺单k h b i d o c n ck h b j e w n cc c h i l d f r a m e n c显示处理n c 程序k h b j d o c s i m uk h b j v i e w s i m uc c h i l d f r a n a e s i m u加工过程仿真k h b j d o c d r a w d ck h b j v i e w d r a w d cc c h i l d f r a m e d r a w d c打印出图表2 2 软件系统l v l d m i 结构2 3 钣金c a d c a m 系统设计的特点软件系统从底层进行开发，有v c + + 编程实现。根据目前的c a d c a m 发展趋势，在开发中采用了诸多先进原理和算法，具有以下特色：1 、全参数化设计。系统采用完全参数化手段，用户只需再参数输入窗口属于钣金件设计参数和工艺参数，就可以得到展开图。2 、m d m i 程序结构。采用多文档多视结构，实现多窗口同步处理，可以同步观察对象的多种不同属性。3 、图形处理功能强。系统具有强大的图形处理功能，无论是三维还是二维图形，通过拖动鼠标就可以实现缩放、平移、旋转等功能。4 、数据交换系统提供了d x y 文件接口，可以于通用的c a d 系统接口，适应性强。5 、图纸输出。与二次开发不同，底层开发的打印出图是很难实现的，许多关键技术如尺寸标注、打印设置、图纸比例等方面不仅涉及到g d i 图形开发，还涉及到制图国标，本系统开发了一个通用标注类，能够实现此类功能。2 4 本章小结本章简要介绍了该系统的组成结构，并分别叙述了各组成结构所完成的功能：分析和阐述了该系统的特色。第8 页重堕型堂堇垄丕兰婴壅生隧堂垡笙塞第三章面向工艺的钣金展开及实现3 1 面向工艺的钣金展开设计方法的提出传统的钣金展开大都是基于设计的，即在从事展开时以中性面为基础而不考虑板厚处理、坡口形式，单纯按照中性面对接来建立模型进行展开。由于没有考虑实际制造的工艺特点，其计算结果往往与实际应用有出入，造成焊缝对接不当，焊接强度不够等问题。这些问题如处理不采用科学的方法进行处理则不能保证构件的整体尺寸符合要求，而且其误差很难通过修整使之得到纠正，在操作中既耗时又耗料，达不到使用要求，导致废品率高，生产效率低下。本文提出了一种新的设计思想，在展开计算时，考虑板厚处理、坡口型式。应用合理的展开计算方法进行设计。这与传统的钣金展开系统相比有着很大的先进型和实用性。这种思想最先由广州凯恒科技公司提出，本文通过分析总结，进行了归纳，根据不同种类的多管接头钣金件，进行合理的规划和处理，找出解决该问题的一般规律和方法，并把这种算法用程序实现，实现面向工艺的钣金展开集成系统，下面首先介绍钣金展开的工艺处理。3 2 钣金展开的工艺处理3 2 1 厚板构件形状的板厚处理传统的钣金展开系统是假设构件的厚度为零的，丽实际构件的板料都有一定厚度。板料较薄时，如果略去板料厚度，对于展开图的影响较小，所得构件的误差可以控制在工程允许的公差范围内，当板料较厚时，则必须按一定规律来处理板料的厚度，消除板厚对尺寸和形状产生的影响，这个过程就叫板厚处理。 9 , 1 2 11 、磕面板掏终形状板潭处理图3 1 板的弯曲当将厚度为t 的平板弯折为圆弧状时( 图3 1 ) ，板的外皮因拉伸而变长，里皮被压缩而变短，只有中性层仍保持原来的长度不变。所以对于曲面板构件，应以板的中性层尺寸为准绘制展开图。一般当构件里皮的弯曲半径i 与板厚t 的比大于5 时，可以认为板的中心层就是板的中性层，即经板厚处理后的弯曲半径r = r + 0 5 t 。当r 与t 的比小于0 5 时，处理后的弯曲半径应按公式r = r + x t 计算。公式中的系数x 由表2 1 中选取。第9 页国防科学技术大学研究生院学位论文表3 1中性层变化系数xi 小o 1o 2 5o 5o 812345ixo 3o 3 5o 3 80 4 1o 4 20 4 60 4 70 4 80 4 92 、平面板构饽形状状板厚处理当板厚为t 的平板弯折成斜角形板时( 图3 2 ) ，其里皮处为半径很小的圆角，可以认为其半径为零，外皮弯折处为半径近似等于板厚t 的圆角。既在弯折处虽然外皮长度有较大变化，但里皮长度没有变化，未被弯折的长度l 1 、l 2 也没有产生变形。所以，对于平面板构件，应以板的里皮尺寸为准展开。图3 2 板的弯折图2 3 中分别是矩形管的投影图、放样图和展开图。放样图是按矩形管里皮尺寸a 绘制的。展开图是从矩形管前侧板中间切开绘制的，其总宽为4 a 。图3 3 矩形管的板厚处理3 、平、曲面橛混台构件状板厚处理对于既包含平i i i 板，又包含曲面板的构件，其板厚处理仍按上述规律进行。既平面板部分按平面板的规律进行处理。曲面板部分按曲面板的规律进行处理。图3 4 为上圆下方变形接头的投影图和放样图。根据上述板厚处理原则，平面板部分以里皮尺寸，衄面板部分以中性层尺寸绘制展开图，因此，放样图上端圆直径应为中性层直径d o ，下端矩形的两边长度应为里皮尺寸a 和b 。第1 0 页1i蚓i互些垒兰鳖垡垡望垒竺些型垡垒= 一圆略图3 4 变形接头的板厚处理3 2 2 接口位置的板厚处理曲面板的厚度为零时，两板间的结合线只有一条。厚度不为零时，若按板料里皮、外皮结合，总能产生四条结合线。但根据构件上两板的实际衔接关系，真正接触的实际结合线只有一条。找出这条结合线，并按它绘制放样图和展开图，这就是接口处板厚处理的实质内容。在钣金行业，构件上两相邻部分对接处的接缝称为接口，接口处的板厚处理方法可分两种：一种是不开坡口，另一种是开坡口。若构件在施工中不铲坡口，沿着结合线与板料表面垂直方向进行切割所得的表面称为接口曲面，其中结合线是接口曲面的导线，与导线相交并垂直于曲面板表面的直线是接口曲面的素线。如果铲坡口，则接口曲面的素线于曲面板表面的夹角等于坡口于瞌面板表面的夹角。下面针对几类常见的曲面板衔接关系进行不同工艺处理。( 1 ) 不开坡口的接口位i 酌板厚链理l 、圆管、圆锥管的接口曲面s 平面板表强相交的板晕处理圆管、圆锥管的接口曲面与平面板表面相交的板厚处理的实质就是在接口处找出圆柱管的接口曲面和平板表面的实际接触线( 既结合线) ，并按它进行展开放样。图3 5 左侧为不开坡口时，圆柱管和斜置平面板相连接时的主、俯视图，从图中容易看出，经过圆柱管轴线的剖切平面和圆柱管表面相交于素线，和平面板相交于直线。当两交线的夹角大于9 0 0 时，例如割视图左半，圆柱管的里皮和平面板表面接触，所以这侧按里皮的半径；当两交线的夹角小于9 0 0 时，例如剖视图右半，圆柱管的里皮和平面板表面接触，所以这侧按外皮的半径；当两交线的夹角等于9 0 0 时，圆柱管的里皮、外皮和平面板表面同时，因此接触中心点按中径接触作放样展开计算。见“图3 5 幻”图3 5b ) 是圆柱管的投影图、放样图和展开图，按照前一节关于曲面板形状的板厚处理规律，应以圆柱管的中性层直径d 作为放样图直径，并将中性层周围按照精度要求进行等分，各分素线长按实际接触的里皮或外皮计算，在本例中1 、2 和8 点按外皮计算，4 、5 和6 点按里皮计算，3 、7 点按中径计算即可。第1 1 页垦堕堡鲨垒堇兰坠垒燮垡堡垒圣= = = = ! 一图3 5 圆柱管和平板接口的板厚处理2 。结合线为平面强线的接口藏面j c 孽接的板浮处理两曲面管的结合线为平面曲线，其接口曲面互相对接的构件可以设想沿结合线所在平面将两曲面管分开，将结合线所在平面看作是平板表面，既将一个构件分解为两个与平板表面接触的构件，于是此类构件的板厚处理与上以节相同，下面以两节直角弯头的板厚处理为例说明：弯头内侧按外皮的半径，外侧按里皮的半径。中间。点附近按圆管中径接触，作放样展开的计算。见“图3 6 ”立面图llr，t、r一渤ui；t6 一，li ialt 。lrl膨笏tl23456t8一n 血- t )萝h , i i 开图断面图1 巡d o，少彩；图3 , 6 圆管两节直角弯头接口板厚处理第1 2 页一旦堕型主垫查盔堂堑塞生堕堂垡笙塞：3 圆柱管、圆锥管的接口曲面和曲面板表面相交的板厚处理这种情形的规律与1 的情形类似，用经过轴线的剖切平面切割圆管，它的素线和曲面板表面外侧夹角大于9 0 度时，圆管里皮和曲面板表面接触，夹角小于9 0 度圆管外皮和曲面板表面接触。图3 7 是异径直角三通管的三视图、放样图和展开图，两圆管、在接1 ：3 处未铲坡口，采用等分剖切平面的方法，可以确定各剖面都是垂直圆管的里皮与水平圆管的外皮接触，所以，对于垂直圆管的展开图，应以中径为准来确定圆周方向的展开长度，以垂直圆管里皮与水平圆管的外皮的结合线来确定各分素线的长度。对于水平圆管，也是以中径为准来确定圆周方向的展开长度，以其轴线长度来确定展开图的宽，展开图上切孔形状由1 1 、2 1 、3 1 等点确定。由以上几例，可以归纳出一条接口处不铲坡口的板厚处理原则：在不铲坡口的情况下，要以两管件接触部位的有关尺寸，作为放样展开的尺寸标准，针对不同的钣金件，要具体情况具体分析，找出规律，进行展开设计。r 面圈娄i鹾mh l多纠丌r 一1 、ldx ii扎川iijfilf上一一、恒r 1 1 hc扣l守崎袖口- _坪! 爿l 一女一1 己i l 刊r 1p气肜。搿悄j1 。rq；云雷爻髻碾开图和4 主。管，gl0 、矗j及，ij ；1孔展l !困，开r a图3 7 异径直角三通管的接口板厚处理( 2 ) 开坡舀接口位差的板荤处理开坡口不仅能改善施工条件，提高焊接强度，而且也是取得吻合接1 ：3 的重要途径。坡口形式依据板厚和具体施工要求的不同而定，常用的有v 型和x 型等。角度一般为6 d l _ 7 0 0范围。1 、圆管弯头开坡口的板晕处理见“图3 8 ”，这是9 0 0 圆管弯头，开x 型坡口后，显然是板厚中心层接触，因此在放样图中只画出中心层即可，展开图的展开长和展开高度都以板厚中心层为标准。第1 3 页国防科学技术大学研究生院学位论文图3 8 圆管弯头开x 型坡口2 、方管弯头开坡日的扳覃处理见“图3 9 ”这是一个任意角度的方管弯头，板厚处理是开单面外v 型坡口，可以发现接口处里皮接触，因此作放样图和展开计算时，要以里皮的尺寸为准。豆面图展开嚣断面圈图3 9 方管弯头开v 型坡口3 、壳函管t 垂三通开放口的板殍处理一一第1 4 页如啊肌徽一一一讲一采珂一一一一一一一| 霎| 萋一眦一一一措跋舸炉蜘，营管纳型凯摧嘴蚴悝黼揪龇一下面谈一谈以上两类板厚处理的关系，对于厚板构件，如果按形状的板厚处理规律进行展开计算，则能保证得到符合设计尺寸的构件，否则不能保证构件的整体尺寸符合要求，而且这种误差是很难通过修整使之得到纠正的。按接口的板厚处理规律计算，绘制展开图能保证在接口处板料不重叠、不缺肉，出现误差。也比较容易地通过修整来获得合格产品。因此两种板厚处理，前者与构件整体有关、后者仅和接口局部有关。在计算绘制展开图时，首先应保证形状的板厚处理的实现，然后再考虑接口的板厚处理。1 9 】3 2 3 焊缝处理【1 0 】在设计过程中也要考虑焊缝的选择和处理，尤其是组合件，没有进行焊缝对接处的边界处理导致焊缝端部连接处出现三角形空白区，因此要根据构件的特征进行处理，如图3 1 0所示的圆管一端斜截的展开图，在焊缝端部采用圆弧连接，使焊缝两端光滑过渡：；焊缝选择不当会削弱焊接强度，还会增加施工难度，在展开设计是时的一个重要原则就是尽量避免“十字焊缝”，如图3 儿所示的正圆锥圆管弯头的焊缝选择，可以看出，这种开焊缝方式时圆管展开图不是中心对称的。蜱妇靖部图3 1 0 弯板对接时焊缝处的三角区及其处理图3 1 1 圆锥圆管弯头的焊缝选择警上焊缝处理原则要具体情况具体分析，圆锥、圆管等回转体大多数情况下需要进行得篓整墨竺理，棱锥类可以不进行边界处理，焊缝的选择要尽量选在便于展开计算的位置，针对多节弯头，采用合理的方法。其他的工艺处理包括加工余量、工艺流程与展开计算影响不大，可以再施工时灵活掌棼碧一奠握，在此不作具体说明。3 3 面向工艺的钣金展开设计方法具体实现3 3 1 面向工艺的钣金展开算法流程面向工艺的钣金展开算法是一种全新的设计思想，它的思路是首先确定某一钣金件的工艺特征：应用行业范围，一般加工方法，成型工艺等，并给出通用的工艺要求，如板厚推荐范围，坡口形式，加工方法，由用户酌情选择，在展开计算过程中，根据工艺绘制展开图并生成机代码，下料完毕后直接加工成型。具体流程如下图：3 3 2 面向工艺展开算法工艺类型的表达在系统中参数全局变量变量包括板厚为整型，并进否第1 6 页艺个式工几形了这口义。坡定理，里处型类行点架进浮框在为主后、在然厚，板句直中语的其量，2 ；变等n 个mq 剞髓麓瞅裁首坡开吼队旌膨据密：诧数0 定酊行料约飞进材下用在、以采，0 行坡口类型无v 型外侧v 型内侧x 型坡口p o k o u 值ol233 3 3 面向工艺的钣金展开设计实现1 异径铸交三通管的器开异径斜交三通管是化工行业最常用的一种接头，它的展开过程非常复杂，展开后的加工成型工艺也很繁琐，它的外观如图3 1 2 所示：图3 1 2 异径斜交三通管外观图该构件的三视图如图3 1 3 所示，它的基本特征尺寸有，主管直径( 中径) d ，支管直径( 中径) d ，板厚6 ，轴线交角d ，支管长1 ，主管长b ，支管定位尺寸a ，等分数l l 。卜莎厂默k。b图3 1 3 异径斜交三通管三视图该类构件按中径展开的计算公式在一般的钣金手册上都有说明，它的展开图如3 1 4所示，下面按照面向工艺的思想设计计算，先对其进行分析，该类构件为曲面板构件，需要滚板成型，因此首先进行构件形状板厚处理，按照表3 1 得到中性层直径，仍用d 、d表示，然后确定是否开坡口，先假设不开坡口，根据上一节的板厚处理方法，两管为外皮接触时则用外径求相贯线；里皮接触则用内径求相贯线，根据实物模型验证在支管展开图两虚线( 虚线在n 4 和3 n 4 等分点处) 内，为支管外皮与主管外皮接触，在两虚线区域第1 7 页外为支管里皮与主管外皮接触。在开坡口的情况下，不同坡口，形成不同接触面，此时分类计算展开；在焊缝处理时，为了方便设计计算和施工，一般在支管最短端和主管最底端开焊缝，并进行端部切线处理；在成型过程中，考虑到材料的变形，主管孔的加工要视现场施工条件来确定，可以选择先画线再滚板再切割的工艺路程，这些都在该系统中充分体现，下面给出计算展开程序算法，设r = d 2 ，r = d 2 ，两展开图的坐标原点为o ，水平向右为x轴正向，垂直向上为y 轴正向。l l 副o图3 1 4 异径斜交三通管展开图程序展开计算伪代码：1 1 4 1i f ( r 58 )r = d 2 ：e l s e m = i n i t ( r ，6 )r = ( d 一6 ) 2 + m6i f ( r 56 ) r = d 2 ：e l s e m = i n i t ( r ，6 )r = ( d 一6 ) 2 + m6 ：at = 3 6 0 0 nt = i x tf o r ( i = 0 ：i = n ：i + + ) s w it c h ( p o k o u ) c a s e0 ： i f ( i = 3 n 4 )r 2 r + 6 2 ；主、支管均以外皮为准主管以外皮为准第1 8 页国防科学技术大学研究生院学位论文r l = r 一6 2 ：支管以内皮为准 b r e a k ：c a s e1 ：开v 型外侧坡口( r l - r 一6 2 ；主管以里皮为准r i - r - 6 2 ：支管以里皮为准) b r e a