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冲模CAD中非圆凸模和凹模的自动生成
作者:栾贻国 贺连芳 李辉平
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摘要:介绍了在冲模CAD系统中,采用圆弧多边形化的方法,对非圆凸模和凹模形状进行处理,提出了一种根据俯视图自动生成主视图的方法。
关键词:模具;CAD;圆弧;多边形

一、引言

在设计冲压模具时,若模具的凸模和凹模刃口形状为圆形或矩形等简单形状,凸模和凹模都比较容易设计,而且刃口尺寸的计算也非常简单。但是,并不是所有冲压模具的凸模和凹模刃口形状都是规则的,也有许多冲压模具凸模和凹模的刃口形状是不规则的,它们是由多段线段组成,或者由多段线段和多段圆弧组成,或者完全由多段圆弧组成,此类凸模和凹模的刃口计算和设计都很麻烦。

由于非圆凸模和非圆凹模形状复杂,为了便于加工,在设计时均把非圆凸模和非圆凹模的内腔设计成直柱状,这为使用计算机进行自动设计提供了方便。如果使用计算机实现此类凸模和凹模的自动生成,并且结合CAM,不仅可减轻设计人员的劳动强度,而且可以大幅度提高模具的设计和加工效率及质量。

二、非圆凸模的自动生成

各种非圆凸模可分为两种情况:第一种,非圆凸模的俯视图轮廓完全由线段组成;第二种,非圆凸模的俯视图轮廓由线段和圆弧或者完全由圆弧组成。对于第二种情况,在生成凸模主视图之前,必须对俯视图中的圆弧进行适当处理,也就是根据圆弧的情况,考虑圆弧在主视图中的投影效果,用一段或几段线段取代俯视图中的圆弧,这种方法称为“圆弧多边形化”。

1.圆弧的多边形化处理

分析各种类型的圆弧,根据投影原理,圆弧的替代可分为三种情况:(1)若有圆弧段AB,只要圆弧与圆的水平直径无交点,就可用线段AB替代圆弧AB,如图1a所示。(2)若有圆弧段AB,只要圆弧与圆的水平直径存在两个交点C和D,可用三条线段AC、CD、DB替代圆弧AB,如图1b所示。(3)若有圆弧段AB,只要圆弧与圆的水平直径存在一个交点C,则可用两条线段AC、CB来替代圆弧AB,如图1c所示。

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图1圆弧多边化

2.多边形点集的处理

若两个圆弧或圆弧与线段连接点为切点,在主视图中可能没有与此切点对应的棱线,为了正确地生成主视图,在对俯视图进行“多边形化”处理后,必须对所有的切点进行判断,确定哪些切点要删除以及哪些切点应保留。具体的判断方法如下:(1)若两圆弧相切,设圆心分别为O1、O2,半径分别为R1、R2,切点为P,O1x、O2x、Px分别为两圆心和切点的X坐标值,当|O1x-O2x|=|R1-R2|时,切点需要保留,否则切点要删除。(2)若竖直线段与圆弧相切,则切点要保留,其余的线段与圆弧相切时,切点要删除。包含圆弧段的非圆凸模俯视图在进行“多边形化”处理后,便转化为非圆凸模俯视图完全由线段组成的情况,因而以后处理第一种情况和第二种情况的方法是相同的。

图2是某冲压件的零件图,若要自动生成此零件的冲裁凸模,首先要根据零件的要求及板料的厚度对零件图进行适当的偏移,然后再对偏移后的图形进行“多边形化”处理,并且计算各个圆弧的圆心,算出圆弧与水平直径的各个交点。根据上述的三种情况,将图中的各段圆弧用适当的线段替代,替代后的多边形如图3b所示。

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图2冲压件的零件图

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图3生成凸模的示意图

图3b是由多段线段组成的多边形轮廓,其顶点集为V:{A,B,C,D,E,F,G,H,I,J,K,L,M,N,O,P},V中的许多顶点属于原来的切点集U:{B,C,D,E,F,G,J,K,M,N}。在生成主视图时,U中的切点有的要产生棱线,如:E、F、K等,有的不产生棱线,如:B、C、D等,因而要从U中去除产生棱线的切点,处理后的点集为U1:{B,C,D,G,J,M,N},再将V与U1求差(即V1=V-U1)得到新的点集V1:{A、E、F、H、I、K、L、O、P}。在生成图3b所对应的主视图时,多边形顶点集V1中的每个顶点在主视图中都对应着一条棱线(可见或被隐藏),棱线的位置由对应顶点的X坐标确定,棱线的可见与隐藏由对应顶点的Y坐标及此顶点与投影面的关系决定。

3.凸模的生成

要想生成非圆凸模的主视图,只需对顶点集V1进行处理。在V1中任取一点,根据此点的X坐标确定一条过此点且平行于Y轴的直线,求此直线与图3b中所有线段的交点,并根据交点的数目及交点与点集中相应点的关系,确定棱线的可见与不可见性。例如,对于点集V1中的P点,过P点且平行于Y轴的直线L1与图3b中各线段的交点只有P点,在投影生成图3a时,没有投影面会阻挡此棱线,因而,此棱线在图3a中是实线;对于点集V1中的L点,过L点且平行于Y轴的直线L2与图3b中各线段的交点有J1、K、L、J2点,在此情况下,若要确定棱线是可见还是隐藏,必须比较J2、K、J2三个交点与L点的关系,即比较这四点的Y坐标值的大小,若L点的Y坐标值不小于其它三个交点的Y坐标值(即YL≤YJ1) and (YL≤YK) and (YL≤YJ2),则这条棱线在图3a中应为实线(可见的);只要其它三个交点中有一个点的Y值坐标值不小于L点的Y坐标值,如图3中:YL≥YJ1,YL≥YK,YJ2≥YL,则此棱线在图3a中应为虚线(不可见的)。采用相同的方法,依次对点集V1中的各点进行计算和比较,并给定凸模的高度尺寸,即可得到图2中零件的冲裁凸模,如图3a所示。在生成凸模后,将用于生成凸模的多边形图3b删除,把根据零件图偏移后的图形调入,再用尺寸标注命令即可得到各图素的精确尺寸。用计算机自动处理此过程的流程图如图4所示。

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图4凸模生成的流程图

三、凹模的自动生成

对于非圆凹模,首先需要确定凹模的外围尺寸,在确定了凹模的大小后,其内腔的生成方法与非圆凸模基本相同,只是在生成前需选定一剖切线,求出剖切线与各实体的交点,重新生成封闭线,然后再用与生成非圆凸模相同的方法,即可生成非圆凹模。

四、结论

针对设计非圆凸模和非圆凹模的复杂性,利用“圆弧多边形化”方法,对圆弧进行离散,并找到了一种利用计算机生成非圆凸模和非圆凹模的方法,实现了非圆凸模和非圆凹模的自动设计,提高了设计效率和设计质量。

作者单位:栾贻国山东工业大学(250061)
贺连芳李辉平鲁得贝车灯公司

参考文献
1孙胜.计算机在金属塑性成形中的应用技术.广州:广东科技出版社.
2李志刚.模具CAD/CAM.北京:机械工业出版,1994.
3于沪平.冲裁模CAD中凹模外形的自动生成.金属成形工艺,1997,(2).(end)
文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者,请点击此处) (4/24/2007)
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