基于NX平台的汽车覆盖件模具干涉检查系统开发

摘 要

　　近年来随着三维造型软件如 UG、CATIA 等越来越多的应用到汽车覆盖件模具的设计中，解决了传统的二维设计图中尺寸多，对复杂模具的形状表达不直观，对工人识图要求较高等问题。但是模具三维设计又会带来新的问题，如很多隐性干涉不容易被发现。再加上铸造过程中存在铸造偏差，使铸造出的模具尺寸与设计的尺寸存在一定的偏差，这也会导致干涉问题。而现有 NX 上的静态干涉检查模块计算时间很长，计算结果不直观。因此，研究可以考虑铸造偏差的静态干涉检查算法，解决汽车覆盖件模具设计过程中存在的干涉问题是十分必要的。

　　本文结合国家重大科技专项“C 级轿车覆盖件整体侧围、翼子板和新型环保材料内饰件冲压成形模具”（2009ZX04013-031），并深入模具设计企业进行研究，了解当前设计人员对汽车覆盖件模具干涉检查软件的需求与 NX 平台上干涉检查功能的使用现状，在此基础上完成了基于 NX 平台的汽车覆盖件模具干涉检查系统的开发。

　　论文重点研究了基于空间格和三角形面片的干涉检查方法，提出了三角形相交计算坐标转换算法。算法的基本思想是采用三角形单元面片对干涉检查实体进行网格单元的划分，将传统的实体与实体间的干涉检查转换为三角形单元面片空间位置关系的计算，并将空间格算法引入计算过程，再配以多种方式减少计算过程中的冗余计算，极大的提高了干涉检查的计算效率。

　　本文基于该算法开发的静干涉检查系统包含三个模块，其中干涉检查模块用于对模具整体进行干涉分析，硬干涉检查模块用于快速分析模具中存在的硬干渉，软干涉模块用于快速分析实体间是否存在软干涉。

　　干涉检查模块进行模具整体的静干涉检查后，计算结果采用颜色分布图的形式，将硬干渉区、软干涉区、接触干涉区以及安全区标上不同的颜色，使用户能够直观地了解模具中存在的干涉情况。硬干涉检查模块采用 WAVE 功能将需要进行干涉检查的实体关联到新建的 NX 部件中进行干涉分析，能够快速地找到其中存在的硬干渉并生成结果列表供用户查看。用户能够根据生成的干涉实体的大小及位置来判断实体间的干涉情况以及干涉的程度。

　　本文通过在汽车覆盖件模具实例中应用开发的系统进行干涉检查分析，验证了系统的高效性和可靠性。

　　关键词：干涉检查, NX 二次开发, 汽车覆盖件模具, 空间格, 三角形单元面片

Abstract

　　Recent years, 3D modeling softwares, such as UG and CATIA, are more and more used in auto cover mold design. It solved the problems existed in traditional 2D design, for example dimensions are disorder, workload for design is heavy, it requires high for workers to analyze drawing because of the complex mold structure and so on. But it brings new trouble such as some hiden interferences are difficult to be found. At the same time, due to the casting deviation, the mold size is not the same as it is designed. Currently the interference checking module on NX platform have some shortcomings, the computing time is long and the result is not intuitive. So it is meaningful to develop a system to solve the interference during mold design which taken casting deviation into consideration.

　　The research of this paper was supported by Major national science and technology projects(2009ZX04013-031). After in-depth study in mold design enterprises, this paper grasps the requirements of what mold designers need about auto mold interference checking. On basis of all of these, a interference checking system named Auto Mold Interference Checking was developed on NX platform.

　　The paper focus on research about interference checking method based on Spatial Grid and Triangle Facet. The basic idea of the algorithm is shelling the solids into triangle facets and converting traditional interference checking between solid and solid to compute the spatial positional relationship of triangular facets. It brings spatial grid algorithm into calculation process, also with some other methods to reduce the redundant computation, greatly improves the computational efficiency.

　　The system based on research method contains three sub-modules. Interference checking module is used to analyze the entire mold; the hard interference checking module is used to rapidly analyze if there exists hard interference between the mold solids;the soft interference checking module is used to rapidly analyze if there exists soft interference between the solids.

　　The result of Interference checking module uses color maps by marking hard interference zone, soft interference zone, touching interference zone and safe zone with different color, s that the user can intuitively notice the interference during the mold.Hard interference checking module uses WAVE function to associate checking solids to the new NX part which used to interference checking. This module can quickly find the hard interference during the mold and generate result list. User can notice not only if there exists hard interference but also the extent of interference.After using this system in auto mold interference checking, it is proved to be efficient and reliable.

　　Keywords: Interference Checking, NX Application Development, Auto Mold, Spatial Grid, Triangle facet

 基于NX平台的汽车覆盖件模具干涉检查系统开发：

 
空间三角形异面相交描述

NX干涉检查模块

注塑模干涉检查模块

干涉检查模块界面

三角形划分示意图

空间格划分原理示意图

　　本课题来源于国家重大科技专项“C 级轿车覆盖件整体侧围、翼子板和新型环保材料内饰件冲压成形模具”（2009ZX04013-031），以三维 CAD 设计软件 NX 为平台，利用 NX 二次开发技术，设计并开发出车身覆盖件模具干涉检查软件，通过基于空间格算法的内置求解器进行求解计算，实现模具干涉情况的快速检查并提供对应的干涉区域分布图。

　　汽车覆盖件主要是指构成驾驶室和车身的表面零件，也包括覆盖发动机和底盘的某些表面零件，其在汽车制造过程中有着重要的地位。随着中国汽车行业的快速发展，各厂家为了尽可能早的抢占市场，对汽车模具的生产周期要求越来越短，精度要求越来越高，这就对模具设计以及制造等各个环节提出了更高的要求[1~3]。随着CAD/CAM 技术的深入应用，二维设计逐渐显现出越来越多的劣势，三维设计也就自然而然的成为国内汽车模具设计人员必须掌握的设计手段[4]。

　　三维实体设计还是存在其缺点的，例如很多隐性干涉不容易被发现。如果这些干涉遗留到了模具制造阶段，就会造成尺寸不达标而返工，甚至会造成模具的报废。

　　在汽车覆盖件模具中，实体主要包括铸件实体以及标准件。在铸件的生产过程中，由于铸造偏差的存在，使得实际生产出来的模具实体的尺寸与设计的尺寸存在一定的偏差，因此为了使模具尺寸与设计尺寸一致，需要对重要的表面，如基准面等进行后续的 NC 加工，这就需要在设计时就在这些表面上留出一定的加工余量。而且由于铸造工艺的限制，铸造体各表面之间的距离不能小于一定的值。这就使得实际的模具尺寸与理论上的模具尺寸存在偏差，即使在 NX 平台上设计时没有干涉，但是实际生产中依然可能会产生干涉。

　　因此，设计一套能在进行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图的软件，对解决汽车车身模具之间的干涉检查问题，提高模具的设计效率和准确性，具有重要意义。

　　目前存在多种算法能够计算三维空间中两个三角形是否相交，其中最原始的方法是brute-force方法，也叫蛮力法。其基本原理是通过检测一个三角形上的每一条边与另一三角形的每一条边是否相交，如果检测出有两条边相交，则这两个三角形相交。而且应用蛮力法来检测实体间的干涉时，需要对大量的三角形对进行相交计算，而且该算法在求解过程中会求解一系列的方程，使得计算的效率很低。很多学者对其进行了改进研究，使用层次数据结构以减少需要计算的三角形对的数量，主要的改进算法有两种，即标量判别法与矢量判别法。

　　NX本身为用户提供了用于干涉检查的模块，如图1.5所示，主要采用以下三种模式进形分析:Facet Based利用小平面进行分析，其特点是速度快。如果检查出相交，系统就建立许多交线和交点以表示干涉体积;Use Solids Where Available为模块默认方式，其特点是首先用小平面进行预处理，再用实体方式完成分析，再根据用户需要建立并保存干涉实体;Use Solids模式利用实体几何体计算精确的结果，这种方式精确但是慢。NX提供的干涉检查工具有其弊端，如需要用户自行选择目标实体;在设置间隙时需要实体间两两设置，繁琐而且容易出错;每组干涉检查只能针对2个组件间进行;干涉检查结果中采用点、线来表示接触干涉、实体线框来表示硬干涉，这些与原模具实体放在同一个界面中显示，使得干涉结果很不直观。如果使用NX的干涉检查模块对整套模具进行干涉检查，不仅在参数设置时耗费时间长，而且求解计算过程的时间也很长，而且在计算的过程中，用户不能对NX进行其他的操作，影响了用户的工作效率。

目录

　　摘 要
　　Abstract
　　1 绪论
　　　　1.1 课题来源
　　　　1.2 课题目的和意义
　　　　1.3 国内外研究现状及发展趋势
　　2 基于 NX 的干涉检查系统的开发
　　　　2.1 引言
　　　　2.2 系统设计思想
　　　　2.3 系统开发工具
　　　　2.4 系统的设计与实现
　　　　2.5 本章小结
　　3 干涉检查算法及关键技术
　　　　3.1 三角形单元面片的划分
　　　　3.2 空间格算法
　　　　3.3 空间三角形单元面片之间的位置关系判断算法
　　　　3.4 计算过程的优化
　　　　3.5 计算结果显示处理
　　　　3.6 WAVE 技术
　　　　3.7 本章小结
　　4 干涉检查系统实例应用
　　　　4.1 干涉检查模块的应用
　　　　4.2 硬干渉检查模块的应用
　　5 全文总结与展望
　　　　5.1 全文总结
　　　　5.2 课题展望
　　致 谢
　　参考文献

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