翻边成形是板料成形工艺中重要的成形方法,在汽车、航空、航天和家用电器等行业有着广泛的应用。由于装配和制品形状等的需要,经常要对板料进行翻边成形,实际生产中的翻边类零件存在着起皱、破裂和回弹等缺陷。为了提高成形性能,生产此类零件通常采用液压成形工艺。翼肋零件翻边液压成形时,合理的侧压块型面参数至关重要。为了获得合理的侧压块型面参数,往往采取传统的实验“试错法”或计算机“有限元模拟仿真”。不管是试错法,还是有限元模拟仿真,模具型面的设计是必经步骤。CATIA和NX等常用大型CAD软件都具有通用的曲面设计的功能,但是设计人员在设计时还是有一定的困难,而且在设计过程中会有大量的重复劳动。因此,为了提高设计效率,缩短产品的生产周期,充分发挥CAD软件的价值和增强软件的易用性,在现有CAD软件基础上进行二次开发就 显得尤为必要。

本文研究如何应用Visual C++编程语言和CATIA的应用组件构架(Component Application Architecture, CAA)实现翼肋零件翻边液压模具型面的参数化设计。

一、CATIA二次开发简介

CATIA作为专业的工程软件,具有很强的开放性,其提供了多种开放接口,用户可以根据需要选择合适的二次开发方式。目前主要的开发方式有两种:使用宏Macro对CATIA进行开发和使用组件应用架构CAA进行开发。

1.使用宏Macro对CATIA进行二次开发

大多数CAD软件都支持宏操作。使用宏开发时,可以采取自动录制代码和手工直接编写代码的方法。CATIA可以记录用户的操作过程,自动生成代码,这便是宏。然后对录制的宏文件修改或添加一些判断、循环和选择等条件,再重新运行,这便是一个开发过程。这种方法直接、容易,可以用来实现一些简单功能。但是,不是所有的操作都可以录制成宏文件,这时候,可以直接用Visual Basic作为编程工具,直接调用CATIA提供的自动化应用接口Automation API来实现相应的功能。不管是录制宏还是直接用VB语言手动编写,本质都是调用Automation API,Automation API具备了与任何OLE(对象的连接和嵌入)所兼容的平台进行通信的能力。这种开发容易上手,但实现的功能略显简单。

2.使用CAA进行开发

CAA开发是在快速应用研发环境(Rapid Application Development Environment, RADE)中进行的,RADE是一个可视化的集成开发环境,它提供完整的编程工具组。RADE以Microsoft Visual C++为载体,开发工具完全集成在VC++环境中,并且提供了一个CAA框架程序编译器,但同时也限制了VC++的部分功能。可以说CATIA CAA RADE是目前所有高端CAD/CAM开发环境中最为复杂,同时也是功能最为强大的一个。CAA是Dassault Systemes产品扩展和客户进行二次开发的工具,其采用面向对象的程序语言,开发过程可看作是其组件对象的组合和扩展。CAA采用组件对象模型(COM)和OLE技术。此外CAA开发涉猎广泛,从简单到复杂,几乎无所不能,而且和原系统 的结合非常紧密,如果没有特别的说明,无法把开发的功能从原系统中区分出来,这非常有利于用户的使用和集成。

二、翻边液压成形工艺简介

液压成形在管材和板材加工方面能克服常规工艺的不足,又具有制模简单、周期短、成本低而产品质量好、形状和尺寸精度高等特点,尤其适于在一道工序内成形具有复杂形状的零件。飞机翼肋零件大都是大曲率凸翻边成形零件,液压成形时一般会在轮廓线曲率半径最小处(即翼肋最尖端处)附近加上侧压块以防止板料起皱与破裂,从而提高成形极限。如图1所示。

图1

三、系统设计

本系统的目的是分析并提取待成形零件的特征参数,并将数据存放在数据库中,然后再结合实际工艺的需要,确定成形时是否需要侧压块支持,最终根据提取出的特征参数自动生成模具型面。系统的流程如图2所示。


1.翼肋零件特征描述

特征是在产品生命周期各阶段活动中,从一定抽象层次上描述产品的信息集或知识。一般认为,特征是产品上具有一定语义信息,能实现特定功能的一组几何实体及其相关信息的集合。翼肋零件是由平板翻边而成,其几何特征信息有:翻边方向、翻边角度、翻边高度、圆角半径及圆角处原始轮廓线。

2.特征分析与提取

特征分析时,先检查零件底面与xoy平面是否平行,如果不平行,则先进行坐标变换,这样做的目的是为后续分析确定一个参照的基准。

分析翻边方向,先将零件整体生成一个曲面结合,然后用CAA的API函数GetCOG获取曲面结合的重心坐标,然后比较曲面结合重心Z坐标(设为)和零件底面Z坐标(设为)的关系。如果,则沿Z轴正向翻边;否则,沿Z轴负向翻边。分析翻边高度、翻边角度及圆角半径,切入点是翼肋特征线(反映翻边角度与高度的直线段)与特征圆弧(反映圆角半径的曲线段),如图3所示。用函数Distance To计算特征线两端点到底面的距离,取最大值得到翻边高度;用GetAngleTo计算特征线两端点的连线矢量与底面法矢的夹角,再取其余角得出翻边角度;用GetRadius获得特征圆弧半径,即翼肋零件圆角半径。

图3

上面的分析是在零件模型上存在现成的特征线和特征圆弧基础上进行的,如果不存在,则可以用参考平面和曲面结合求交的方法来构建。构建出来的是相交特征,不能直接从中获取需要的特征参数,得先从其中分离出需要的特征线与特征圆弧,然后再根据前述方法来获取。具体的思路如图4所示。


提取圆角处轮廓线特征时,用平行于底面的参考平面去和翻边曲面求交,用Create3DCurveOffset对交线执行等距偏置(如果翻边角度是90度,则无需偏置处理),用CreateTranslate平移到底面位置,将圆角处原始轮廓线构建出来,如图5。最后,在轮廓线上每1mm生成一个等距点,将这些点的坐标数据存放入指定的文本文件,文件保存在指定的路径中。

图5

最后,将翻边方向、翻边高度、翻边角度、圆角半径和轮廓线等距点文件路径这些参数值存入数据库,以备后续参数化建模调用。

3.生成模具型面

生成模具型面的关键是,首先生成反映型面走向趋势的轮廓线,然后再由这些轮廓线生成曲面。生成轮廓线时,先从数据库中获取轮廓线特征点文件存放位置,然后读取该文件,根据坐标值生成点,用样条曲线拟合生成曲线,执行偏置和平移,生成型面轮廓线,最后执行CreateFill、CreateBlend及CreateFillet完成曲面构建。

(1)模具主体型面。模具主体型面和翼肋零件型面是吻合的,首先生成圆角处原始轮廓线,记为Curve1,连接Curve1始末两端点生成直线记为Line,用CreateFill以Line和Curve1为界生成底面,然后将Curve1沿着翻边方向平移到翻边高度生成Curve2。如果是垂直翻边,就在Curve1和Curve2之间用CreateBlend生成翻边曲面Surface;如果是翻边角度小于90度,则需要将Curve1向外偏距,用Creat e3D Offset生成Curve3,将Curve3平移到翻边高度生成Curve4,然后在Curve1 和Curve4之间用CreateBlend生成翻边曲面Surface。最后在翻边曲面和底面间用CreateFillet生成圆角。至此,模具主体型面建模完成,如图6。


(2)侧压块型面。侧压块型面的轮廓线是由模具主体型面轮廓线上曲率半径最小处那一段偏置而来。在生成这一段曲线时,需要对先前提取出的等距点稍作取舍,把不符合侧压块两侧长度的那些点排除掉,将剩余的等距点用CreateSplineCurve生成样条曲线,再偏置、平移出侧压块型面轮廓线,然后按前述方法用Create Blend生成两个曲面,最后用CreateFillet在两个曲面间生成圆角,如图7。

图7

四、应用实例

以某翼肋零件为例,读取该零件模型后,进入翼肋特征分析如图8。设定好翼肋标识名称,选择翼肋底平面和翼肋特征点,执行分析,分析结果存入特征数据库,以备设计模具型面调用。

图8

设计模具型面时,直接调用分析得到的特征参数,并显示在程序界面上,如果需要对参数做适当调整,可以手工修改, 如果需要侧压块的,可以设定,并填入对应的参数,如图9。

图9

实践表明:整个设计过程中,人工干预的环节极少,无需专业的型面设计知识即可在很短时间内完成模具型面的设计工作。分析特征时,操作者所要做的只是一些点、线、面的选择;型面设计时,只需从数据库中调用参数即可。图10就是设计好的模具型面。

图10

五、总结

本文探索了飞机翼肋零件几何模型特征提取方法,并基于CATIA CAA设计出了对应的模具型面设计系统,该系统与CATIA 紧密结合在一起,使用该系统能够在较短时间内完成零件特征分析和模具型面的设计工作,从而极大地提高工作效率,提升产品数字化设计制造水平。