基于Pro／E的钣金件参数化展开及排样

王拴绘，李梦群

（中北大学，山西 太原 030051）

0 引言

现有很多类型的钣金专业设计软件，如RADAN、FASTCAM、Topsolid、Inventor、MDT 和 AutoCUT等，但是这类专业软件存在价格高、与我国的行业标准不匹配等问题。现有的三维软件，如Pro／E、UG、Solid Works、CATIA都具有钣金模块，但也只能实现一些简单钣金件的展开，要实现复杂钣金件展开以及展开件的排样，则需要对相应软件的API（应用程序开发接口）函数进行二次开发。现阶段相关的研究只完成了钣金的部分工艺，如华中科技大学郝明等人利用自主研制的FASTAMP求解器，以Pro／E为平台实现了复杂钣金件的展开；南京航空航天大学洪晴等人以CATIA为平台通过Automation及CAA二次开发技术，实现了飞机复杂钣金件的展开；华中科技大学秦宇等人在Solid Works平台上，开发了一套面向冲压工艺的坯料展开模拟系统SW－BEX。

本文在上述已有技术的基础上进行深入研究，实现了钣金件的参数化展开，以及钣金展开件的自动排样，很好地解决了钣金下料前的设计计算工作。

1 钣金件参数化展开及排样系统总体设计

三维软件建立的钣金模型是经过一系列加工步骤之后的最终产品，所以不能直接用于生产，要对钣金模型进行展开、排样以及工艺决策之后才能符合生产设备的要求。主流三维软件都具有钣金模块，并且能够实现简单钣金件的展开，对于复杂钣金件（如相贯钣金件）则无法展开。因此，本文应用三维软件自带的API函数对三维软件进行二次开发，实现复杂钣金件的展开和展开件的排样，并且在三维软件中建立钣金件特征信息交互窗口，利用Pro／E自带的二次开发工具编制后台程序，便于信息的调用和存储。

1.1 钣金件的参数化展开

图1为钣金件参数化展开原理。根据钣金的功能和结构特点本文将可展钣金分为6种类型：异径异口三通管、圆锥管及其组合件、等径圆管钣金件、棱锥管及其组合件、圆方过渡接头和其他可展开板金件。首先对其中一类钣金的具体结构进行分析，确定各几何要素的位置关系和长度关系，从中提取出模型所需要的参数，建立该钣金件的展开图，然后围绕模型参数设计钣金件展开对话框。钣金件设计对话框的内容有：展开参数数值的输入、展开图的显示、钣金件二维展开示意图、三维图形的显示。实现这个过程主要用到了以下4个Pro／Toolkit库函数（其具体用法参阅PTC公司的 Pro／Toolkit用户手册 Pro／Toolkit User’s Guide）：

ProParameterInit（）；／／设置初始化参数

Pro UIInputpanelDoubleGet（）；／／对话框输入参数的获取

ProParameter ValueSet（）；／／参数设置

ProSolid Regenerate（）；／／新零件生成

图1 钣金件参数化展开原理

具体实现步骤如下：①以三维软件Pro／E为平台，结合软件自带的二次开发函数Pro／Toolkit和函数支持的开发语言C＋＋，编制后台钣金展开相关程序；②在三维软件界面创建钣金件展开菜单、参数对话框，建立钣金模板库链接窗口；③用户点击钣金模板库链接窗口中钣金模型图标链接，通过链接调用先前编制好的后台程序，最终生成三维钣金件模型参数对话框、三维模型和对应展开件共存的界面窗口。

1.2 钣金展开件自动排样

对钣金CAD系统而言，排样算法往往决定了钣金CAD系统的性能和实用性。钣金件排样研究的算法主要分为两大类：一是局部优化算法，此算法多用于预处理阶段，有矩形包络法、临界多边形法NFP（移动碰撞法、明可夫斯基矢量和法（Minkowski sum）及其派生算法、凹多边形凸化分割法、基于轨迹计算的NFP法）、平移算法；二是全局优化算法，用于初始排列之后的调整，使材料利用率尽可能高，有模拟退火算法、遗传算法、粒子群算法和蚁群算法。对于矩形排样，系统采用文献［1］在剩余矩形的匹配方法基础上提出的剩余矩形的动态匹配方法，经过验证取得了较好的效果；针对不规则钣金件排样，使用粒子群算法的优化方法，首先以零件的入排角度变异序列和交换序列作为粒子运动速度构造粒子群算法，之后使用剩余矩形动态匹配算法实现解码和局部寻优，并结合不规则件的正交靠接算法实现自动排样，具体计算方法见文献［2］。

系统中排样部分应用三维软件自带的二次开发函数编写粒子群优化算法程序，并在三维软件界面建立信息库管理模块、展开图输入模块、图形预处理模块、优化排样模块（自动排样和手动排样）、排样输出及存储模块，如图2所示。

（1）信息库管理模块存储了板材信息和零件信息，零件信息管理的功能是设置即将入排的零件信息和所需的板料信息。

（2）展开图输入模块功能是将前面展开步骤得到的图形导入到三维软件界面建立的钣金排样窗口中，将前面得到的展开件保存为dwg格式的文件，在开发排样窗口界面时，将dwg viewer嵌入到程序中，通过dwg viewer提供的函数可以方便地获取图形的几何信息，实现展开图的输入和排样结果的输出。

图2 基于三维软件的钣金排样

（3）由于由CAD生成的零件图形不能直接进行排样，故在进行排样之前，需要对待排零件进行预处理，简化图形的复杂度，提高算法的运算速度。预处理主要包括对零件图形的矢量化、零件轮廓的离散化、零件边界的光顺化、多边形的分类与凹凸性判断以及求多边形最小包络矩形，预处理对简化排样算法起到了重要的作用。图形预处理模块利用粒子群优化算法程序将不规则图形进行自动组合和自动填充处理，最终组合成最小包络矩形。

（4）优化排样模块将得到的矩形利用剩余矩形动态匹配方法程序在给定的板料上自动排样，当对所排结果不满意时，可借助手动排样功能进行修改。

（5）排样输出及存储模块输出排样图形，并保存排样结果信息。

排样操作流程如图3所示。

图3 排样操作流程图

2 实例

基于Pro／E的圆方件的参数化展开、自动排样如图4、图5所示。

图4 圆方件参数化展开

图5 圆方件展开件排样

3 结语

基于Pro／E的钣金件参数化展开及排样系统，在对Pro／E二次开发的基础上，实现了钣金件的参数化建模和智能排样，大大减轻了设计人员的工作量，避免了重复的计算过程，对于钣金企业的生产有很好的指导意义。

［1］ 陈婷，许超.钣金零件排样技术及其发展［J］.锻压装备与制造技术，2008（4）：13－17.

［2］ 梁利东，钟相强.粒子群算法在不规则件排样优化中的应用［J］.中国机械工程，2010（17）：2050－2052，2069.