刘总汉

（浙江物产光华民爆器材有限公司，浙江 衢州324400）

0 引言

钣金工艺在家电以及汽车制造方面都应用较多，它是保证这些机械结构的高效率及优良性能的重要前提之一。以油烟机制造为例，在油烟机的整体构造中，板材组成的薄壳仍然是主要部分，所以钣金工艺设计必不可少。相关数据显示，油烟机零件中约70%为钣金零件，其制造的工作量约为整机的3/4，钣金零件在油烟机制造中的地位可想而知。然而，现有的设计系统未能有效地与设计知识进行融合，在信息处理过程中还有相当一部分工作需人工处理，重复建模及反复查阅标准使得设计效率较低。所以在钣金设计制造中，研究基于钣金特征的计算机辅助建模技术意义重大。

1 基于特征设计的优点

所谓基于特征的设计，就是指在进行零件设计时可以直接使用已经定义好的特征，这便避免了大量重复的工作。在零件设计模块中，特征含有零件所有高层次的信息，这就使得如CATIA系统、Pro/E系统等的智能化进一步彰显出来。所以，基于特征的设计是钣金零件设计的主要建模方式。设计环境不同需要考虑的设计特征也不尽相同，所以在进行特征设计时一定要充分考虑零件的信息，例如设计对象的尺寸、外形、功能、精度、装配因素甚至使用寿命以及价格。与传统的设计方法相比，基于特征设计的优点主要有：

（1）在进行设计时，对于零件要求的条件能进行充分的考虑，从而尽量避免影响零件质量的缺陷。

（2）由于计算机辅助设计是面向制造的，所以在设计时能够为制造提供充足的信息。

（3）能够增强产品设计过程的规范性。

特征设计的作用想要得到充分的发挥，特征的定义、表达与约束等都是需要具体考虑的问题。随着计算机辅助设计软件的不断优化与升级，特征设计的应用越来越能发挥其优势。

2 计算机辅助软件应用现状以及存在的问题

对于钣金结构的计算机辅助设计软件市场上主要有Pro/E、UG、CATIA、Solid Works以及 AutoCAD等，其中CATIA、UG更是开发了通用的家电、航空、汽车的钣金设计环境及工具，本文主要以家电产品钣金零件设计为例进行分析。

（1）家电产品上钣金零件的设计规范以及结构种类非常多，设计时涉及的行业标准也较多，现有的设计软件大多侧重于集合形状的设计，而对于与设计知识的融合方面则相对薄弱，因此计算机辅助设计的局限性就十分突出了。基于此，我们下一步的工作重点应放在钣金特征自动化建模系统上，使得产品的设计突破几何设计的局限，实现产品设计与行业知识相融合的局面。

（2）首先要明确，基于特征设计的目的主要是实现产品工艺规划及制造，并使其设计的规范性有所增加。但是在实际进行设计制造时，由于系统不能为基于特征的设计提供有效的支持，现有的计算机软件无法实现自由的特征搭接。

（3）对于设计变更速度的提高可以通过参数化设计来实现，并且这些更改具有知识的继承性，但在钣金设计中，参数化本身是有局限性的，这就使得钣金设计的推广受到了一定的制约。例如，参数化过程会因设计人员的不同而不同，这就使得协同设计工作不能有效进行。当主约束数量较多时，修改参数的频率就将加大，但这仅适用于产品的相似设计等，当约束元素差异较大时，设计更改就不太“中用”了。

不管是在汽车还是家电产品的制造中，钣金设计都是知识密集的过程，所以若能在计算机辅助功能中结合设计知识，将会使得辅助设计效果及智能化程度大大提高，在钣金设计的过程中，知识继承的实现可使设计更规范、效率更高。

但即使我们明确了目的以及实现途径，在实际操作中还是会面临诸多问题，特别是对于一些设计任务较繁重、密集的情况，钣金设计的更改依然是个难题。

总而言之，虽然在钣金几何特征的设计上已有很多不同的方法，但设计中存在的很多问题仍然不能解决，所以我们应该尝试将不同设计方法的优势进行整合，实现钣金零件设计的突破。快速高效地实现知识的全面继承，是钣金零件设计研究的主要趋势。

3 钣金几何特征的参数化建模——以家电钣金零件设计为例

3.1 钣金零件特征的构建流程

图1 为传统钣金工艺的几何特征构建流程，从中可看出各个元素之间的从属关系。

基于计算机三维软件构建钣金几何特征主要流程为：根据钣金零件三维模型的技术要求和传统知识确定参考元素及基准元素—根据给定的技术要求定义钣金零件的几何外形—根据定义好的几何外形确定特征和元素的相互关系—建立模型。

3.2 钣金特征元素提取

钣金特征元素提取主要是获取参考元素和基准元素，其中参考元素可以是点、线、面或者是零件的某一平面，而基准元素只能是零件的型面。

零件中需要添加特征的几何位置主要参考产品的三维模型或标准手册，其次是提取的特征数据，最后是指定的基准元素对标识数据的提取。这是钣金特征建模的基础。

3.3 外形定义

家电产品对钣金零件外形是有要求的。特征外形定义的主要流程包括：根据产品的三维模型以及相关标准确定钣金零件的特征外形—综合考虑添加特征的位置定义特征外形所需参数—分析设计的合理性—分析各元素之间的相互关联，为建模提供理论基础。

图1 传统几何特征构建流程

3.4 参数化建模

参数化建模主要指基于特征的设计结合参数化设计，使得钣金特征能够用变量设计或者尺寸驱动的形式被描述，这样特征相关属性的修改就更加容易。基于特征的参数化建模可以参照以下步骤：

（1）定位基准的选取。所谓定位基准就是对钣金特征进行定位，并形成用户的定位信息，从而实现钣金特征在整体设计中的定位。

（2）几何模型的建立。定位后就可以进行建模，就我们所知，最终的几何模型应是全约束的。这里以平底弯边减轻孔为例进行介绍。

在CATIA中，该特征的建立需要2个步骤：首先是用冲压模块对板材进行冲压，然后是用孔特征对冲压特征进行冲孔，则该几何特征生成完成。

如上述过程，在建模过程中需选择2次基准元素，步骤过于繁琐，并且设计者要不断查阅标准规范和设计手册，会产生不确定的人为因素，造成一旦出现错误很难进行更正。所以，在几何模型建立伊始，就要将几何模型的几何信息和定位信息约束在一起，使得后期的钣金特征的导入有定位依据。

（3）集合信息的参数化。在钣金特征的参数化过程中，该特征几何元素的大小和位置等信息不是某些固定数值，而是一些变量或公式，这样一旦某个数值发生变化，特征参数也会相应改变。

在这里只有用户特征在CATIA中无原型存在，需进行参数化建模，而标准特征和典型特征在CATIA中均有原型存在，且其几何元素在CATIA中有固定的参数和其匹配，不需进行参数化建模。

4 结语

家电工业、汽车工业以及航空工业不断发展，对于钣金零件的设计要求也日益提高，新的设计任务日益艰巨。钣金设计的重要性日益凸显，其对机械整体的使用性能以及使用寿命影响十分明显，所以对于钣金零件设计的优化是机械设计中非常重要的任务。虽然计算机辅助设计技术的发展已十分迅速，但一些方法在使用上仍存在问题，解决这些问题将使得钣金零件的制造工艺更加出色。笔者认为，随着未来制造设计的不断完善，更多更优秀的设计平台将被开发出来。

［1］卫斌.钣金件特征设计及其关键技术研究［D］.长沙：中南大学，2008

［2］孟详旭，徐延宁.参数化设计研究［J］.计算机辅助设计与图形学学报，2002（11）