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[摘 要]当前，国内自主版权的钣金CAD/CAM应用系统主要有两类，一类包含钣金的参数化造型展开功能，但造型设计只能通过设定模型的预定义的参数来定义钣金造型，不能设计造型；另一类系统既能进行参数化造型设计，也能进行钣金展开，但是造型设计功能基于国外的三维CAD系统平台，这些CAD平台售价昂贵，广泛推广有一定困难。所以一个能够进行钣金参数化造型设计与展开的国产CAD系统能够满足设计与广泛推广的需求。
[关键词]钣金 特征造型 CAD/CAM
中图分类号：V261.2+8 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）05-0019-01
传统上，钣金件的三维造型设计是靠工程人员直接在平面图纸上手工绘制出来。工程人员使用几何画法原理，将三维模型的投影图及辅助视图，在平面图纸中将三维模型的主要信息表达出来。使用这种方法，工作量大，工程人员不但要思考设计结果，还需要花费大量精力在绘制图形上，而且所出的视图不能用于全面的观察、理解钣金零件，在需要调整修改钣金件的时候会很不方便，生产效率很低。对此 研究分析钣金件特征设计及其关键技术有着深远意义。
一、传统的钣金设计方法存在的缺陷
传统上，钣金件的三维造型设计是靠工程人员直接在平面图纸上手工绘制出来。工程人员使用几何画法原理，将三维模型的投影图及辅助视图，在平面图纸中将三维模型的主要信息表达出来。使用这种方法，工作量大，工程人员不但要思考设计结果，还需要花费大量精力在绘制图形上，而且所出的视图不能用于全面的观察、理解钣金零件，在需要调整修改钣金件的时候会很不方便，生产效率很低。在获取钣金件的展开图方面，传统的钣金展开有两种算法，即手工图解法和解析法：
1、图解法。根据画法几何原理，用几何作图的方法绘制出展开图，也叫几何放样。
2、解析法。根据钣金造型建立几何数值模型，运用解析几何知识进行几何数值计算，计算出展开平面图。
图解法是同一类型的钣金造型对应一种几何放样方法，工程人员需要掌握多种类型的钣金几何放样方法，还需要查询大量的基本数据表和放样手册，知识和工作负担沉重，解析的精度不高，而且不能解决复杂钣金的精确展开问题。解析法的展开结果精确，但需要掌握大量的解析几何知识，对复杂钣金，解析过程相当复杂，甚至没法计算出结果，工作效率很低。
总之，传统的钣金设计方法工作量大，知识门槛较高，展开图精度低，出错率高，整体效率很低。
二、ZW3D特征造型系统关键支撑技术运用
造型特征的建立或编辑，需要先通过特征造型系统查询需要编辑处理的几何元素信息，然后进行几何计算，新建、修改或者删除相关的几何元素，完成造型，最后建立起特征对象，将该特征引用到的几何元素信息和特征对象关联起来，并能够相互查询[2]。整个过程需要了解特征造型系统的几何与拓扑结构的表示方式，特征的表示方式，几何元素与特征对象相互间的关系。
（一）特征表示
特征造型是以实体造型为基础，用具有一定设计或加工功能的特征作为造型的基本单元建立零部件的几何模型。它不仅含有产品的几何形状信息，而且将公差、粗糙度、孔、槽等工艺信息也保存在特征模型中。特征对象就是用来描述特征模型的，一个特征模型中，包含了一组若干数量的有序的特征对象。在ZW3D中，特征对象是系统和用户交互的对象。用户通过操作使用特征对象来完成造型，在造型完成的同时也建立了ZW3D系统识别的数学模型。ZW3D的特征表示及其与几何元素间的关系决定了特征和几何信息的查询方式。
（二）永久命名机制
当一个特征操作（如圆角）引用了实体（例如边），就会使用边永久命名作为对象选择的引用标识。在对引用边进行编辑过后，可能存在引用边被修改、删除或者增加的情况，在边界模型重生成时，系统会依据该引用标识来查询同样或者语义相近的边对象进行操作，从而尽可能的避免特征失效。因此，对于参数化特征造型系统中的特征失效的问题，永久命名机制应该从命名对象标识的唯一性和命名对象发生变化后的语义辨识能力两个方面来保障结果的有效性。
（三）选择路径
永久命名机制为每一个几何对象赋予了唯一标识符号，能够避免特征丢失问题，同时，永久命名的唯一特性，也为几何对象的查找识别建立了基础。参数特征造型的建立，参数值需要引用到其所依赖的几何对象，如钣金凸缘特征，就需要引用若干几何边来作为折弯边。为了在所有几何元素中找到该边，一种方法是遍历所有几何对象，判断永久命名是否匹配，但是这种方法对于具有大量几何元素的造型来说，显然是很低效的。
三、钣金CAD特征创新设计
（一）钣金件特点及造型要求
钣金零件是金属薄板经过钣金加工后生成的零件，它的一个显著特点是同一钣金的厚度是一致的。无论最终的钣金造型多么复杂，都是从一块厚度一致的平板板料开始，经过复杂的冲压、折弯等钣金加工制造而成。钣金件不属于标准件，在造型上没有标准，可以根据需要有不同的样式。在设计与制造精度上，钣金件也没有标准规范，其允许的误差范围也比较大。
（二）钣金设计
根据钣金设计初始结构和设计方法的不同，可以将钣金设计分为以下三种主要类型：1.先定义一个实体，然后将实体抽象成为壳，再将抽象出的壳进行展开。2.先定义一块母板或基板，然后根据需要添加凸缘，最后将设计完成的零件进行展开。3.首先导入一个零件，然后在导入的零件上标记折弯，最后将标记完折弯的零件进行展开。
（三）钣金特征
对于平板造型的建立，有两种方式，一种是直接使用ZW3D的六面体特征建立，但是这种方式只能建立方形平板，对于有一定形状的平板则需要另一种方式，即通过拉伸一个轮廓完成一个有一定形状的平板，可以称之为钣金拉伸特征。对于钣金折弯造型，有一个折弯面，但一般情况下弯曲面都会连接著另一个或多个平板面[3]。因此，可以将折弯面和一个平板面结合起来作为一个特征，称为凸缘。钣金的展开和折叠特征是钣金特有的，用来帮助设计者切换钣金展开模型和折叠模型，因此也是钣金零件的主要特征。
（四）钣金模型基本假设
实际中，虽然钣金母板是等厚度的，但钣金模型的三维结构，弯曲面情况根据材料和加工方式的不同，最终造型存在着复杂情况。为了便于计算，Shpitalni M.等在钣金件的构造方法上进行了探索性的研究，提出将钣金件的结构抽象成由一组零厚度的面构成的假设。该假设简化了钣金计算方法，值得借鉴。本章对钣金的本身进行的基本假设如下： 板，是薄的，平面的，表面积大的固体材料。 存在展开公差，指钣金零件在处于展平状态时所容许的平整度公差。对于真实零件，展开公差往往是变化的。假设在+/-0.01毫米之间。存在最小折弯半径，是指用户所添加的每一个凸缘的内缘半径，虽然ZW3D允许设计接近零的半径大小的凸缘，但是对大多数材料来说依然存在一个允许的最小折弯半径，从而避免应力的破坏。
本文针对钣金件造型的设计特点，以特征造型原理以及实现钣金特征造型的关键问题为目标，结合对国产ZW3D CAD特征造型系统的研究，设计并实现了钣金的主要特征造型功能模块。
参考文献
[1] 俞研，陶俐言，朱光宇，李钢.CAD/CAM集成系统中的特征分类与描述方法研究[J].制造业自动化.2010，（01）.
[关键词]钣金 特征造型 CAD/CAM
中图分类号：V261.2+8 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）05-0019-01
传统上，钣金件的三维造型设计是靠工程人员直接在平面图纸上手工绘制出来。工程人员使用几何画法原理，将三维模型的投影图及辅助视图，在平面图纸中将三维模型的主要信息表达出来。使用这种方法，工作量大，工程人员不但要思考设计结果，还需要花费大量精力在绘制图形上，而且所出的视图不能用于全面的观察、理解钣金零件，在需要调整修改钣金件的时候会很不方便，生产效率很低。对此 研究分析钣金件特征设计及其关键技术有着深远意义。
一、传统的钣金设计方法存在的缺陷
传统上，钣金件的三维造型设计是靠工程人员直接在平面图纸上手工绘制出来。工程人员使用几何画法原理，将三维模型的投影图及辅助视图，在平面图纸中将三维模型的主要信息表达出来。使用这种方法，工作量大，工程人员不但要思考设计结果，还需要花费大量精力在绘制图形上，而且所出的视图不能用于全面的观察、理解钣金零件，在需要调整修改钣金件的时候会很不方便，生产效率很低。在获取钣金件的展开图方面，传统的钣金展开有两种算法，即手工图解法和解析法：
1、图解法。根据画法几何原理，用几何作图的方法绘制出展开图，也叫几何放样。
2、解析法。根据钣金造型建立几何数值模型，运用解析几何知识进行几何数值计算，计算出展开平面图。
图解法是同一类型的钣金造型对应一种几何放样方法，工程人员需要掌握多种类型的钣金几何放样方法，还需要查询大量的基本数据表和放样手册，知识和工作负担沉重，解析的精度不高，而且不能解决复杂钣金的精确展开问题。解析法的展开结果精确，但需要掌握大量的解析几何知识，对复杂钣金，解析过程相当复杂，甚至没法计算出结果，工作效率很低。
总之，传统的钣金设计方法工作量大，知识门槛较高，展开图精度低，出错率高，整体效率很低。
二、ZW3D特征造型系统关键支撑技术运用
造型特征的建立或编辑，需要先通过特征造型系统查询需要编辑处理的几何元素信息，然后进行几何计算，新建、修改或者删除相关的几何元素，完成造型，最后建立起特征对象，将该特征引用到的几何元素信息和特征对象关联起来，并能够相互查询[2]。整个过程需要了解特征造型系统的几何与拓扑结构的表示方式，特征的表示方式，几何元素与特征对象相互间的关系。
（一）特征表示
特征造型是以实体造型为基础，用具有一定设计或加工功能的特征作为造型的基本单元建立零部件的几何模型。它不仅含有产品的几何形状信息，而且将公差、粗糙度、孔、槽等工艺信息也保存在特征模型中。特征对象就是用来描述特征模型的，一个特征模型中，包含了一组若干数量的有序的特征对象。在ZW3D中，特征对象是系统和用户交互的对象。用户通过操作使用特征对象来完成造型，在造型完成的同时也建立了ZW3D系统识别的数学模型。ZW3D的特征表示及其与几何元素间的关系决定了特征和几何信息的查询方式。
（二）永久命名机制
当一个特征操作（如圆角）引用了实体（例如边），就会使用边永久命名作为对象选择的引用标识。在对引用边进行编辑过后，可能存在引用边被修改、删除或者增加的情况，在边界模型重生成时，系统会依据该引用标识来查询同样或者语义相近的边对象进行操作，从而尽可能的避免特征失效。因此，对于参数化特征造型系统中的特征失效的问题，永久命名机制应该从命名对象标识的唯一性和命名对象发生变化后的语义辨识能力两个方面来保障结果的有效性。
（三）选择路径
永久命名机制为每一个几何对象赋予了唯一标识符号，能够避免特征丢失问题，同时，永久命名的唯一特性，也为几何对象的查找识别建立了基础。参数特征造型的建立，参数值需要引用到其所依赖的几何对象，如钣金凸缘特征，就需要引用若干几何边来作为折弯边。为了在所有几何元素中找到该边，一种方法是遍历所有几何对象，判断永久命名是否匹配，但是这种方法对于具有大量几何元素的造型来说，显然是很低效的。
三、钣金CAD特征创新设计
（一）钣金件特点及造型要求
钣金零件是金属薄板经过钣金加工后生成的零件，它的一个显著特点是同一钣金的厚度是一致的。无论最终的钣金造型多么复杂，都是从一块厚度一致的平板板料开始，经过复杂的冲压、折弯等钣金加工制造而成。钣金件不属于标准件，在造型上没有标准，可以根据需要有不同的样式。在设计与制造精度上，钣金件也没有标准规范，其允许的误差范围也比较大。
（二）钣金设计
根据钣金设计初始结构和设计方法的不同，可以将钣金设计分为以下三种主要类型：1.先定义一个实体，然后将实体抽象成为壳，再将抽象出的壳进行展开。2.先定义一块母板或基板，然后根据需要添加凸缘，最后将设计完成的零件进行展开。3.首先导入一个零件，然后在导入的零件上标记折弯，最后将标记完折弯的零件进行展开。
（三）钣金特征
对于平板造型的建立，有两种方式，一种是直接使用ZW3D的六面体特征建立，但是这种方式只能建立方形平板，对于有一定形状的平板则需要另一种方式，即通过拉伸一个轮廓完成一个有一定形状的平板，可以称之为钣金拉伸特征。对于钣金折弯造型，有一个折弯面，但一般情况下弯曲面都会连接著另一个或多个平板面[3]。因此，可以将折弯面和一个平板面结合起来作为一个特征，称为凸缘。钣金的展开和折叠特征是钣金特有的，用来帮助设计者切换钣金展开模型和折叠模型，因此也是钣金零件的主要特征。
（四）钣金模型基本假设
实际中，虽然钣金母板是等厚度的，但钣金模型的三维结构，弯曲面情况根据材料和加工方式的不同，最终造型存在着复杂情况。为了便于计算，Shpitalni M.等在钣金件的构造方法上进行了探索性的研究，提出将钣金件的结构抽象成由一组零厚度的面构成的假设。该假设简化了钣金计算方法，值得借鉴。本章对钣金的本身进行的基本假设如下： 板，是薄的，平面的，表面积大的固体材料。 存在展开公差，指钣金零件在处于展平状态时所容许的平整度公差。对于真实零件，展开公差往往是变化的。假设在+/-0.01毫米之间。存在最小折弯半径，是指用户所添加的每一个凸缘的内缘半径，虽然ZW3D允许设计接近零的半径大小的凸缘，但是对大多数材料来说依然存在一个允许的最小折弯半径，从而避免应力的破坏。
本文针对钣金件造型的设计特点，以特征造型原理以及实现钣金特征造型的关键问题为目标，结合对国产ZW3D CAD特征造型系统的研究，设计并实现了钣金的主要特征造型功能模块。
参考文献
[1] 俞研，陶俐言，朱光宇，李钢.CAD/CAM集成系统中的特征分类与描述方法研究[J].制造业自动化.2010，（01）.