陳積翠，郭建勛，席東

中車株洲電力機(jī)車有限公司 湖南株洲 412001

1 序言

隨著市場(chǎng)對(duì)電力機(jī)車外觀的要求越來越高，電力機(jī)車外型不斷創(chuàng)新，新車均采用流線型構(gòu)造，復(fù)雜三維曲面蒙皮大量出現(xiàn)在車體結(jié)構(gòu)中。由于采購專用模具非常昂貴，目前在小批量項(xiàng)目中，一般制造企業(yè)采用薄板成型機(jī)配合手工調(diào)修的方法實(shí)現(xiàn)蒙皮成形，使用鋼模進(jìn)行蒙皮檢驗(yàn)。由于鋼模繪制極其復(fù)雜且費(fèi)時(shí)，一套鋼模從三維造型到二維出圖，一位工程師可能需花費(fèi)一天的時(shí)間來完成。隨著蒙皮數(shù)量的增大，改善鋼模的繪制方法勢(shì)在必行。

2 鋼模設(shè)計(jì)現(xiàn)狀分析

鋼模三維模型如圖1所示，鋼模設(shè)計(jì)要求由鋼模插板組合而成的上表面與三維蒙皮外形完全吻合。設(shè)計(jì)流程為“設(shè)立基準(zhǔn)面→三維曲面投影→繪制草圖→拉伸→剪切→插板開槽→提取插板特征生成獨(dú)立零件→繪制零件草圖→繪制鋼模裝配圖……”。

圖1 鋼模三維模型

此方法存在較大缺陷：①初步統(tǒng)計(jì)，1位工藝員完成上述任務(wù)約需8h，耗費(fèi)大量的時(shí)間。②鋼模設(shè)計(jì)要求高且設(shè)計(jì)過程中需要使用的NX命令繁多，導(dǎo)致鋼模繪制的方法無法推廣。

3 UG二次開發(fā)實(shí)現(xiàn)鋼模自動(dòng)設(shè)計(jì)

本文利用UG軟件平臺(tái)上UG/OPEN提供的UG/Open API（應(yīng)用程序接口）、UG/OPEN GRIP（圖形交互程序）、UG/OPEN UIStyle（用戶界面制作工具）和UG/OPEN MenuScript（界面菜單編制語言）等二次開發(fā)工具，結(jié)合鋼模繪制的需求以及鋼模設(shè)計(jì)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，基于C++語言設(shè)計(jì)程序算法，采用Ufun與NXOpen結(jié)合的方式對(duì)UG進(jìn)行二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)鋼模設(shè)計(jì)的全過程自動(dòng)化、規(guī)范化和高效化[1，2]。

3.1 鋼模自動(dòng)設(shè)計(jì)交互界面

采用UG自帶的UG/OPEN UIStyle制作出圖2所示的鋼模自動(dòng)設(shè)計(jì)操作界面，操作步驟如圖3所示。本文開發(fā)程序中的鋼模自動(dòng)設(shè)計(jì)界面包含兩個(gè)部分：一是零件處理，實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換、鏈接面、草圖和拉伸體自動(dòng)生成；二是數(shù)據(jù)顯示與輸入，實(shí)現(xiàn)三維曲面尺寸自動(dòng)計(jì)算與顯示以及插板間距交互輸入[3]。

圖2 鋼模自動(dòng)設(shè)計(jì)操作界面

圖3 鋼模自動(dòng)設(shè)計(jì)操作步驟

3.2 鋼模自動(dòng)設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)

（1）三維曲面前處理 圖4所示為某車型關(guān)鍵部件的外部蒙皮。在設(shè)計(jì)過程中，三維曲面的坐標(biāo)系為工作坐標(biāo)系（WCS），為了便于后續(xù)草圖搭建和算法設(shè)計(jì)，需在鋼模設(shè)計(jì)前，將三維曲面零件坐標(biāo)轉(zhuǎn)換至與絕對(duì)坐標(biāo)系（ACS）重合。

根據(jù)線性代數(shù)理論，二維坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換分為旋轉(zhuǎn)變換和平移變換。三維空間內(nèi)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換都可以由兩個(gè)二維旋轉(zhuǎn)矩陣的乘積來表示。在UG二次開發(fā)中，裝配件零件的移動(dòng)可以通過調(diào)用UF_ASSEM_repositon_instance來完成。

首先通過交互界面由用戶按逆時(shí)針選擇3個(gè)點(diǎn)（見圖4），調(diào)用NXOpen中的DatumPlaneBuilder命令創(chuàng)建基準(zhǔn)面，通過UF_CSYS_create_csys創(chuàng)建WCS坐標(biāo)系，再調(diào)用UF_CSYS_set_wcs設(shè)置實(shí)體對(duì)象的坐標(biāo)系，使整個(gè)實(shí)體對(duì)象沿著基準(zhǔn)面擺平。通過UF_ASSEM_repositon_instance將實(shí)體對(duì)象移動(dòng)至絕對(duì)坐標(biāo)系。

圖4 三維多曲率蒙皮

為了保證生成的鋼模貼合蒙皮下表面，需抽取蒙皮的下表面生成鏈接曲面，將鏈接曲面投影至上述生成的基準(zhǔn)面中。由于蒙皮的下表面可能是離散的，通常需要由用戶選擇多個(gè)面組合而成，因此需先構(gòu)建一個(gè)Face指針型Vector變量，來收集所有曲面。再通過NXOpen中WaveLinkBuilder、FaceDumbRule來生成鏈接曲面。

（2）鋼模設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)處理 為保證鋼模的可制造性，按現(xiàn)有工藝方法，將三維實(shí)體轉(zhuǎn)換為由X方向和Y方向板厚均勻的插板組合而成的裝配體，替代之前處理過程中生成的三維實(shí)體。為了合理設(shè)置插板間距，在程序運(yùn)行前，需要提取三維曲面的長、寬、高尺寸，在交互界面進(jìn)行展示[4]。

在UG二次開發(fā)中獲取蒙皮的長、寬、高尺寸通常有兩種方法。

1）通過UF_MODL_ask_bounding_box得到零件的最大包絡(luò)面。此函數(shù)獲取基于絕對(duì)坐標(biāo)系下的X、Y、Z3個(gè)方向的最大值及最小值。零件的長、寬、高表述如下。

2）通過遍歷體的點(diǎn)和點(diǎn)的空間距離獲取零件的三維尺寸。雖然UG中點(diǎn)的坐標(biāo)都是基于絕對(duì)坐標(biāo)系表達(dá)的，但由于之前已經(jīng)將零件的WCS坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為絕對(duì)坐標(biāo)系，因此通過對(duì)獲取的點(diǎn)進(jìn)行排序，即可求出零件X、Y、Z3個(gè)方向的尺寸，再在交互界面控制函數(shù)update_cb中調(diào)用Set函數(shù)即可，調(diào)用程序如下。

this->double0->GetProperties()->SetDouble(“Value”,dialog_xuanzeti->x);

this->double01->GetProperties()->SetDouble(“Value”,dialog_xuanzeti->y);

this->double02->GetProperties()->SetDouble(“Value”,dialog_xuanzeti->z);

（3）插板生成算法設(shè)計(jì) 三維鋼模主體由相互垂直的插板彼此組合而成，用插板上表面組成的包絡(luò)面來擬合三維曲面輪廓。鋼模自動(dòng)設(shè)計(jì)程序步驟如圖5所示。

圖5 鋼模自動(dòng)設(shè)計(jì)程序步驟

用戶輸入插板間距值并繪制X、Y方向的基準(zhǔn)線。為了保證由基準(zhǔn)線生成的實(shí)體能夠完整地切割由鏈接面投影后生成的實(shí)體，在拉伸前需對(duì)基準(zhǔn)線進(jìn)行延長，以Pt0（x0，y0，z0）、Pt1（x1，y1，z1）兩點(diǎn)構(gòu)成的X方向基準(zhǔn)線為例，延長算法如下。

1）先獲取基準(zhǔn)線的方向向量，其中Length為基準(zhǔn)線長度。

2）再沿著方向向量，對(duì)兩個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)延長距離L。

3）根據(jù)新坐標(biāo)，調(diào)用NXOpen內(nèi)函數(shù)CreateLine重新生成基準(zhǔn)線。

程序基于延長后的基準(zhǔn)線及用戶輸入的插板間距自動(dòng)陣列生成草圖后，對(duì)三維曲面前處理中生成的三維實(shí)體進(jìn)行反復(fù)求差。以X方向插板生成為例，進(jìn)行算法說明。

插板整體生成流程如下。

首先，對(duì)Y方向基準(zhǔn)線進(jìn)行偏置，對(duì)實(shí)體進(jìn)行剪切，生成插槽。

式中，Li為偏置間距（mm）；t為插板厚度（mm）；Length為X方向基準(zhǔn)線長度（mm）；Lx-space為用戶輸入的X方向間距（mm）；count為總列數(shù)。

其次，對(duì)X方向基準(zhǔn)線進(jìn)行偏置，對(duì)實(shí)體進(jìn)行剪切，生成插板。

插板生成算法如圖6所示，生成后X方向的插板和插槽如圖7所示。

圖6 插板生成算法

圖7 X方向的插板和插槽

（4）鋼模零件批量生成 上述生成的插板屬于拉伸體，為了使這些拉伸體變成單獨(dú)的零部件，程序在執(zhí)行過程中需自動(dòng)對(duì)全部拉伸體調(diào)用去除特征參數(shù)api接口，將拉伸體轉(zhuǎn)變?yōu)楠?dú)立的實(shí)體。

實(shí)體生成后，通過調(diào)用裝配模塊接口函數(shù)新建零件。將上述獨(dú)立的實(shí)體按裝配圖名稱順序保存為單獨(dú)的零件，在保存的過程中，對(duì)每個(gè)零件自動(dòng)賦予材料參數(shù)，并自動(dòng)計(jì)算該零件的長、寬尺寸，同時(shí)標(biāo)注序號(hào)，便于后面信息的導(dǎo)出。

3.3 自動(dòng)出圖與信息輸出

（1）自動(dòng)出圖 一套鋼模在繪制完成后，通常由15～30個(gè)獨(dú)立的零件組成。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，先采用激光切割完成零件的下料，再通過組焊完成整個(gè)裝配過程。因此，需要繪制鋼模的零件圖樣以及鋼模的裝配圖。

為了提高鋼模整體完成效率，本文設(shè)計(jì)了自動(dòng)出圖模塊?；谏傻匿撃ＨS裝配圖，通過程序自動(dòng)循環(huán)遍歷裝配體中的每一個(gè)零件，同時(shí)通過坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換和零件最大表面比對(duì)輸出單個(gè)零件的三視圖，并導(dǎo)出DWG二維圖樣。

由于插板在實(shí)際生成過程中，是通過鏈接面對(duì)實(shí)體進(jìn)行剪切而獲得的，因而導(dǎo)致在蒙皮曲率較大處生成的插板經(jīng)常存在上、下兩個(gè)表面不一致的情況（見圖8）。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，生成插板草圖時(shí)，投影插板的最大平面用于激光切割下料，因此在生成零件草圖時(shí)，需進(jìn)行處理，方法如下。

圖8 插板上、下表面

1）獲取最大平面。通過UF_MODL_ask_body_faces、UF_MODL_ask_list_item函數(shù)循環(huán)遍歷獲取實(shí)體對(duì)象的所有平面，通過MeasureFaces函數(shù)獲取所有平面的面積，排序后得到面積最大的平面Face_max。

2）設(shè)置零件圖法向。通過UF_MODL_ask_face_data獲取Face_max的法向向量Dir（nx0，ny0，nz0），并設(shè)置為二維零件圖樣的法向。

3）設(shè)置零件圖X方向。由式（3）可獲得X方向基準(zhǔn)線的方向向量（xx，yy，zz），由于向量垂直則乘積為零，所以如果nx0×xx＋ny0×yy＋nz0×zz＝0，就可以將方向向量（xx，yy，zz）設(shè)置為零件圖樣的X方向。

由于在鋼模設(shè)計(jì)過程中，已經(jīng)賦予了鋼模中每個(gè)零件獨(dú)立的序號(hào)，因此可以同時(shí)生成鋼模的裝配圖，便于鋼模的組裝與焊接。鋼模自動(dòng)設(shè)計(jì)結(jié)果如圖9所示[5]。

圖9 鋼模自動(dòng)設(shè)計(jì)結(jié)果

（2）C++與KF語言結(jié)合信息輸出 通常在鋼模圖樣準(zhǔn)備完成后，需要編制相應(yīng)的工藝文件來指導(dǎo)車間進(jìn)行生產(chǎn)。工藝文件中包含鋼模零件圖號(hào)、最大長寬尺寸、零件厚度和數(shù)量等信息，采用人工編制以上文件極其繁瑣。

因此，在完成鋼模三維模型設(shè)計(jì)與二維圖樣輸出后，本文程序中也設(shè)計(jì)了鋼模零件信息批量輸出模塊。但UG本身對(duì)于數(shù)據(jù)導(dǎo)出至其他軟件保留了一定的權(quán)限，不太方便，因此可將UG與KF語言相結(jié)合，并通過預(yù)制模板的方式，將程序獲取到的數(shù)據(jù)輸出至鋼模設(shè)計(jì)工藝文件當(dāng)中，用戶可以直接使用，無需進(jìn)行修改。

4 結(jié)束語

本文基于UG二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了三維鋼模的自動(dòng)設(shè)計(jì)，完成了三維零件生成、零件屬性賦予、二維裝配圖樣和零件圖樣的自動(dòng)輸出以及零件信息自動(dòng)導(dǎo)出過程的全自動(dòng)化，主要價(jià)值包括以下幾個(gè)方面。

1）將設(shè)計(jì)鋼模過程中用到的全部UG功能集成到程序中并自動(dòng)執(zhí)行，用戶只需輸入少量參數(shù)，操作簡(jiǎn)便。

2）本文中所設(shè)計(jì)的程序算法可滿足任意類型的多曲率三維蒙皮鋼模設(shè)計(jì)。

3）本文提出的鋼模自動(dòng)設(shè)計(jì)方法規(guī)范了鋼模設(shè)計(jì)流程，用戶無需再思考鋼模設(shè)計(jì)過程，只需與軟件進(jìn)行交互。

4）極大地提高了工藝準(zhǔn)備效率。通過程序自動(dòng)化執(zhí)行，消除了諸如零件生成、圖樣輸出和零件信息輸出等重復(fù)性工作，大大提高了鋼模設(shè)計(jì)效率。以往專業(yè)的工程師繪制鋼模的時(shí)間長達(dá)8h，而采用本文中的程序來進(jìn)行鋼模設(shè)計(jì)，時(shí)間可以縮短至5min以內(nèi)，效率提升了95倍。