第５卷第１期 ２０１３年１月 精密成形工程 ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＮＥＴＳＨＡＰＥ ＦＯＲＭＩＮＧ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ 考虑铸件加工属性的汽车车身模具干涉检查软件开发 陈蔚，章志兵，柳玉起 （华中科技大学材料成形与模具技术国家重点实验室，武汉４３００７４） 摘要：基于ＮＸ平台，开发了一种考虑铸件加工属性的汽车模具干涉检查功能。在汽车车身模具结构 设计中，对于凸模、压边圈等铸件实体，由于存在铸造偏差，铸造过程中需在设计的型面上增加一定厚度的加 工余量，后续再对该部分型面上进行ＮＣ加工。开发的功能在对整个模具结构进行间隙检查时，可以综合分 析铸件与铸件，铸件与ＮＣ加工型面以及ＮＣ加工型面与ＮＣ加工型面等３种间隙类型。最后以一结构设计 实例．演示了间隙检查功能。 关键词：干涉检查；ＮＸ二次开发；空间格；三角形面片 ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７４－６４５７．２０１３．０１．０１２ 中图分类号：ＴＰ３９１．７ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７４．６４５７（２０１３）０ｌ－００４７－０４ ＮＸ－ｂａｓｅｄ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ Ｍｏｌｄ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ Ｃｈｅｃｋｉｎｇ Ｓｏｆｔｗａｒｅ ＣＨＥＮ Ｗｅｉ，ＺＨＡＮＧ Ｚｈｉ—ｂｉｎｇ，ＬＩＵ Ｙｕ—ｑｉ （Ｓｔａｔｅ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ａｎｄ Ｄｉｅ＆Ｍｏｕｌｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｈｕａｚｈｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｗｕｈａｎ ４３００７４，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｎ ａｕｔｏ ｍｏｌｄ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ｃｈｅｃｋｉｎｇ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｉｎ ｗｈｉｃｈ ｃａｓｔ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｗｅｒｅ ｔａｋｅｎ ｉｎｔｏ ｃｏｎｓｉｄｅｒａｔｉｏｎ ｗａｓ ｄｅ— ｖｅｌｏｐｅｄ ｂａｓｅｄ ＯＦｔ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ Ｕｎｉｇｒａｐｈｉｃｓ ＮＸ ３ Ｄ ｄｅｓｉｇｎ ｐｌａｔｆｏｒｍ。Ｄｕｒｉｎｇ ａｕｔｏ ｍｏｌｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｄｅｓｉｇｎ，ｃａｓｔｓ，ｓｕｃｈ ａｓ ｐｕｎｃｈ，ｂｌａｎｋ ｈｏｌｄｅｒ ａｎｄ ＳＯ ｏｎ，ｎｅｅｄ ｔｏ ａｄｄ ｍａｒｇｉｎ Ｏｆｆ ｓｐｅｃｉｆｉｃ ｓｕｒｆａｃｅｓ ｄｕｒｉｎｇ ｃａｓｔｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｂｅｃａｕｓｅ ｏｆ ｃａｓｔ ｄｅｖｉａｔｉｏｎ，ｔｈｅｎ ｎｕ— ｍｅｒｉｃａｌ ｃｏｎｔｒｏｌ ｉｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｐｒｏｃｅｓｓ ｔｈｅｓｅ ｓｕｒｆａｃｅｓ．Ｉｎ ｃｈｅｃｋｉｎｇ ｔｈｅ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ｏｆ ａｌｌ ｔｈｅ ｍｏｌｄ ａｓｓｅｍｂｌｙ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，ｔｈｉｓ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｃａｎ ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅｌｙ ｃｏｎｓｉｄｅｒａｔｅ ｔｈｅ ｃｌｅａｒａｎｃｅ ｂｅｔｗｅｅｎ ｃａｓｔ ａｎｄ ｃａｓｔ，ｃａｓｔ ａｎｄ ＮＣ ｐｒｏｃｅｓｓ ｓｕｒｆａｃｅ，ＮＣ ｐｒｏｃｅｓｓ ｓｕｒｆａｃｅ ａｎｄ ＮＣ ｐｒｏｃｅｓｓ ｓｕｒｆａｃｅ．Ａｔ ｌａｓｔ ａ ｍｏｌｄ ｅｘａｍｐｌｅ ｉｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｓｈｏｗ ｔｈｅ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ｃｈｅｃｋｉｎｇ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ｃｈｅｃｋｉｎｇ；ＮＸ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ；ｓｐａｔｉａｌ ｇｒｉｄ；ｔｒｉａｎｇｌｅ ｆａｃｅｔ 干涉是汽车模具设计中遇到的一个关键性难 题。模具中的干涉分为两大类，即静态干涉和动态 间隙，但不接触； ３）接触干涉。２个对象相互接触； ４）包容干涉。一个实体被另一个实体完全包 含。 干涉［１］。文中主要对模具中的静态干涉进行分析。 汽车覆盖件模具中的静态干涉主要分为以下几种。 １）硬干涉。２个对象相交，有公共的部分； ２）软干涉。２个对象问的最小距离小于合理 在模具的生产过程中，由于铸造偏差，需要在型 面上留出一定的加工余量用于后续工序的ＮＣ加 收稿日期：２０１２－０￣－０２ 作者简介：陈蔚（１９８８一），男，湖北黄石人，硕士研究生，主要研究方向为板料成形数值模拟及模具设计。 精密成形工程 ２０１３年１月 工。由于铸造工艺的，铸造体各表面之间的距 离有一定的，这就使得实际的模具尺寸与理论 上的模具尺寸存在偏差＿２］。即使设计在ＮＸ平台上 没有干涉，在实际生产中依然可能会产生干涉。此 外ＮＸ自身提供的干涉检查模块在设定间隙时需要 对相关实体两两设置，太过繁琐，检查报告也不直 观。 设计一套能在干涉检查时考虑铸造面与铸造 面、铸造面与ＮＣ加工型面、ＮＣ加工型面与ＮＣ加工 型面之间的加工余量，并提供直观的干涉检查分析 软件，对检查汽车车身模具之间的干涉，提高模具的 设计效率和准确性具有重要意义。 １模块功能设计 在汽车覆盖件模具设计中，模具的表面一般划 分为铸造面以及ＮＣ加工面，类型相同的面用同一 种颜色进行标识。此外，一般在同一套模具中，铸造 面与铸造面、铸造面与ＮＣ加工面、ＮＣ加工面与ＮＣ 加工面之间的间隙值是固定的，为在程序中根据面 的颜色自动设置干涉检查间隙值提供了依据。 开发的干涉检查模块界面如图１所示。先选择 图１软件界面 Ｆｉｇ．１ Ｓｏｆｔｗａｒｅ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ 需要进行干涉检查的部件，根据颜色确定部件中的 铸造面，并在参数设定栏中设置铸造面与铸造面、铸 造面与ＮＣ加工面、ＮＣ加工面与ＮＣ加工面之间的 间隙值。完成参数设定后，提交计算，最后显示计算 结果。 ２干涉检查算法 干涉检查算法主要分以下几个步骤进行，先将 实体表面离散成三角形面片，将实体之间的位置关 系计算转换为面片组之间的位置关系计算。 ２．１ 三角形面片之间的位置关系计算 如图２所示，根据三角形单元沿法向平移所需 Ｃ 艿 图２干涉原理 Ｆｉｇ．２ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ｃｈｅｃｋｉｎｇ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ 要的余量间隙ｄ可得到三棱柱ＡＢＣ．Ａ Ｂ Ｃ ，同样可 得到三棱柱Ｐ Ｐ Ｐ 一Ｐ Ｐ， Ｐ 。通过２个三棱柱是 否有交集可知２个三角形单元是否有干涉。 为了将问题简化，程序通过将三角形单元的节 点坐标进行坐标转换，以基准三角形ＡＢＣ的法向为 ｚ方向，ＡＢ为 方向，点 为原点新建一个坐标系， 将２个三角形的节点坐标均转换成新坐标系中的坐 标，如图３所示。同时得到目标三角形Ｐ Ｐ，Ｐ 在 图３局部坐标系 Ｆｉｇ．３ Ｌｏｃａｌ ｃｏｏｒｄｉｎａｔｏｒ ｓｙｓｔｅｍ ｄｉａｇｒａｍ 上的投影Ｐ Ｐ２ｔＰ。１ ０这就将三维空间的干涉 检查问题转换为了平面三角形是否有交集的问题． 而目标三角形单元Ｐ Ｐ Ｐ 到基准三角形ＡＢＣ的距 第５卷第１期 陈蔚等：考虑铸件加工属性的汽车车身模具干涉检查软件开发 离可以直接通过目标三角形单元节点的ｚ坐标得 到。 对于平面上２个三角形的位置关系，有如图４ ｂ 图４三角形投影关系 Ｆｉｇ．４ Ｔｒｉａｎｇｌｅ ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ 所示的几种可能关系：没有交集；一个三角形被另一 个三角形完全包含：交集由三角形顶点和线段交点 组成；交集由线段交点构成。程序只需要对三角形 有交集的情况进行分析，判断交集区域点的 坐标 是否满足间隙要求，即可判断２个三角形单元是否 产生干涉。 据此可知，如目标三角形单元Ｐ Ｐ，Ｐ 的投影与 基准三角形ＡＢＣ有相交的部分，同时Ｐ Ｐ Ｐ 三角 形的最小ｚ坐标小于设定的间隙值．则２个三角形 单元产生了干涉。 ２．２空间格索引方法 在面片问位置关系判断时，很大一部分计算用 于搜索一定范围之内的邻近单元。为了提高计算效 率，采用了空间格索引方法。 先求得整体的包容盒，将该包容盒微量放大取 整后进行空间格的划分。空间格的尺寸由铸造面． 铸造面问隙值ｄ决定（如图５所示）。设定该值为 空间格尺寸的目的是在进行干涉检查计算时。对每 一个三角形单元来说．只用将其所在空间格的周边 空间格内的单元与其进行干涉检查计算即可。 进行空问格划分时，假设在 ，Ｙ，ｚ方向分别分 了 ， ， 份，整体包容盒的最下角坐标为 ， Ｙ ｉ ， ，最上角坐标为 …，）， ， …，然后对空间格 进行序号排布，假设按照先 方向，其次Ｙ方向，最 后ｚ方向进行排号，则包容盒中任一点所在的空间 格号码可以通过式（１）计算出来Ｉ３］： 图５单元格划分 Ｆｉｇ．５ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ ｏｆ ｓｐａｔｉａｌ ｇｒｉｄ Ｎｋ ＝ ［南］ ×＾ ×Ｎｙ ＋ ｌ Ｙ －Ｙｍｉｎ）＿Ｊ／Ⅳｖ× ＋ｌ Ｊ （１） 其中［］表示取整运算。空间格的总数／Ｖ＝Ｎ × Ｎ ×Ⅳ，。根据公式（１），对于剖分得到的每一个三角 形单元，根据三角形单元的节点坐标将其定位在某 一空间格中。对于每个三角形单元，通过节点所在 空间格序号计算得到其周围的空间格序号．获得周 围空间格中的单元面片。这种类似数据结构的 Ｈａｓｈ算法，将空间搜索问题转换成为了计算问题， 提高了计算效率。 ２．３模具干涉检查过程 汽车覆盖件模具整体干涉基础计算量较大。对 于一套中等规模的汽车覆盖件修边模，离散的三角 形面片数量会达到百万级＿４］。如果再加上每个单 元之间的循环计算，计算量很大。需要对干涉检查 过程进行优化， 具体干涉检查过程如下 １）若模具是基于实体设计的（如图１中实体选 项），则将用户所选的所有实体按照顺序编号；若模 具是基于小装配设计的．则将属于同一个部件的实 体编上相同的序号。在进行干涉检查时，只需对编 号不同的实体之间进行求解计算。根据设计规则， 在小装配中，同一个部件中要么只有一个实体，要么 就是标准件，而标准件是不需要进行内部干涉检查 的。 ２）对于２个编号不相同的实体，首先根据它们 自身的包容盒进行判断。由于在干涉检查中最大的 间隙距离是铸造面与铸造面之间的间隙。如果２个 实体的包容盒在 ，Ｙ或 方向上的最小距离都大于 精密成形工程 ２０１３年１月 这个间隙，则这２个实体不可能产生干涉，不需要进 行干涉检查。 ３）如果２个实体包容盒可能产生干涉。则对于 基准实体中的每一个单元，应计算目标实体中的所 有单元是否与其产生干涉。在计算之前，进行第２ 次判断．即目标实体中单元所在的空间格是否与基 准实体中单元所在的空间格相交。因为根据之前空 间格的划分方式，与某一单元可能产生干涉的单元 所在的空间格应当与该单元所在的空间格相邻。 图６干涉检查流程 Ｆｉｇ．６ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ｃｈｅｃｋｉｎｇ ｆｌｏｗ ３ 应用实例 汽车模具冲孔结构如图７所示。为了保证冲头 图７模具典型结构 Ｆｉｇ．７ Ｍｏｌｄ ｔｙｐｉｃａｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｄｉａｇｒａｍ （标准件）与压件器（铸造件）之间不产生干涉，需保 证二者之间的距离ｄ不小于１０ ｍｍ。如果ｄ＜１０ ｍｉｌｌ，则需要对冲头固定座侧壁进行加工，防止实际 生产中出现干涉。 应用开发的模块对模具该部分进行干涉检查。 冲头处的剖面图如图８所示，压件器表面为深色表 明该处间隙值小于设定的１０ ｍｍ，会产生软干涉，而 图８干涉区域剖面图 Ｆｉｇ．８ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ｚｏｎｅ ｄｉａｇｒａｍ 在模具中实际测得冲头与压件器最大距离ｄ＝８ ｍｍ，表明程序的计算结果是正确的。 ４ 结语 在ＮＸ平台下开发了汽车模具干涉检查模块。 采用空间格对实体网格数据进行标记并对网格节点 进行重构排序，在计算之前对计算量做了优化，并将 距离计算问题转换为空间数学求交问题，有效地减 少了干涉检查的计算量。对计算结果采用直观的颜 色标记，直观地了解模具中存在的干涉，提高了设计 效率。 参考文献： 『１］ 周瑾喻，王华昌，李建军．基于ＵＧ的注射模干涉检查 功能开发［Ｊ］．模具工业，２０１１，３７（２）：６—１０． 『２］韩华伟，张俊华，李春植．虚拟环境下车身焊装夹具干 涉的研究［Ｊ］．机械科学与技术，２００７，２６（３）：３９４— ３９８． 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