专利名称：设计板金零件的装置与方法
技术领域：
本发明涉及利用计算机辅助设计(CAD)系统设计板金零件的装置与方法。更具体地说，本发明涉及设计平板板金零件的装置与方法，该平板板金零件将被折成或弯成订货方提出规格的、具有光滑完善的弯角，折弯后在相邻的平面之间没有平面的交叠或间隙的零件(三维零件)。
通常，为了由平板板金零件生产(平板)成品折弯板金零件，用户在计算机上开发所要求的成品板金零件的三维(3-D)模型。二维模型(平板板金零件)可以由三维模型确定。二维模型示出将平板板金零件利用如压模和冲床折弯成要求的三维零件所需的折弯线，以及在折弯之前平板应剪切成的形状。然后，利用作为蓝图的二维模型，将平板板金零件(平板)剪切成规定的形状。随后，将平板沿规定的折线折弯制造成品零件。
然而，通常由于零件在折弯后将成为相邻平面的平面之间会产生相互影响和冲突，所以将平板设计成折弯后能具有平滑、完善的弯角非常困难。由订货方提出规格的三维零件是复杂的，为进行几何成型和平面计算增加了难度。复杂的一个原因是在引起相邻的折弯平面之间产生冲突／相互影响的折弯期间，板金会产生延展或收缩。不同的材料表现出不同的延展性／收缩性的事实增加了复杂性。因此，冲突的结果是零件不能适当折弯，或者，如果金属板是薄板，它能折弯，但是在邻近弯角处会产生翘曲。另一个问题是在折弯期间零件的表面(即凸缘)会交叠并导致表面之间的粗糙过渡。
为了解决这些问题，传统的板金零件设计师会设计用于折弯成所要求的最终零件的初步平板，经过试验和差错处理，设计师会重新设计该零件直到最终零件具有平滑完善的弯角为止。换句话说，折弯零件之后，可以修整冲突或交叠的部分。然而，由于计算内容很复杂，所以计算修整量就困难。
图1至图8示出了有关该问题的简单实例。注意，示于图1至图8的简单问题无需设计实际零件所需的复杂计算。这几张图只是为了解释问题。图1示出所要求的用户选择的三维板金零件10。根据所规定的三维零件，如图2所示，可以设计用于折弯成三维零件10的简单平板板金零件11。为了能够将平板折弯成图1所示的要求形状，确定折弯线12和折弯线14。
然而，由于金属板在折弯操作期间会收缩或延展，所以在弯角处会产生冲突并可能引起金属板的翘曲，从而导致产生不符合要求的最终零件。为了消除翘曲，传统上，如果金属板是薄板，可以将冲突部分16磨削掉获得光滑弯角。另一个传统的解决翘曲的方案是在平板11上提供(即剪切)圆辅助孔18。然而，通常在平板11上开的圆辅助孔18会太大，以致在折弯成型的弯角处会留有间隙。如果不要弯角处的间隙，就需要附加的焊接步骤以便补齐折弯零件留下的间隙。如果用户认为该间隙无关紧要，可以将它留在最终零件10上。因此，很明显需要一种能够将平板板金零件11设计成在折弯时其弯角无需额外处理操作就是光滑完善的技术。
对该问题的另一个传统的解决方案需要初步试验和差错处理。板金零件设计师设计平板11时，通过初步试验和差错处理过程实现使折弯的零件10具有光滑完善的弯角。然而，试验和差错处理具有多个缺陷，最明显地是，每次试验使用多种平板，一次使用后平板就被废弃，并且需要花费过多的时间。因此，为了防止交叠或冲突以获得平滑完善的三维板金零件，需要一种快速有效的方法来设计平板板金零件。
图3和图4说明了在由金属板11制作箱子10时遇到的平面交叠问题。对于待制作的箱子10，当平板11沿折弯线20、折弯线22折弯又不产生任何交叠部分24时，平面21、平面23应准确地沿单独一条线接合在一起。然而，由于如何将平板11设计成能使平面21，23接合而又没有交叠部分24的计算是复杂的，所以通常设计师先让平面交叠然后确定对平面21、平面23的修整量。因此，当折弯平板11并存在交叠24时，传统的解决方法要求不折弯零件而是修整产生交叠的平面21、平面23。然后，折弯成箱子看是否交叠消失了。如果交叠没有消除，则重复该处理过程直到成品箱子没有交叠部分24为止。然而，该试验和差错处理很花费时间。因此，存在对快速有效设计能消除平面交叠的平板的系统的需要。
图5和图6示出金属板设计中遇到的另一个问题。当沿折弯线12和折弯线14折弯示于图6的平板板金零件11时，如果平面26、平面28(如图5所示)相互不平行并且因此在折弯后不会接触，平面26和平面28之间产生了间隙由此在弯角处留下不希望的间隙。传统上，解决该问题的方法是通过设计师计算二维平板11的形状来弥补该间隙。然而，如果设计师对间隙弥补过度，就会产生必须修整的冲突。或者，如果作为例子，冲突太大了以致妨碍到折弯，则必须制作另一个平板11。另一方面，如果设计师对间隙欠补偿，仍会存在一个非要求的间隙。因此，必需用于设计具有能够弥补非接触的适当形状的平板的计算是决定性的。然而，这样的计算相当复杂。考虑金属板的厚度时，计算会变得更加复杂，如果要求平面接触，在弯角处平面接触多少。不仅计算需要大量时间和工作，而且适当计算要求设计师全部输入三维零件的准确几何结构。这很困难而且很花费时间。因此，当具有非平行平面的板金零件被折弯时，为了产生紧闭的弯角，需要一种不要求零件设计人员花费大量努力的用于设计平板板金零件的设计方法。
另一类板金设计中遇到的问题在图7和图8中得到说明。当图7所示的板金零件10沿着弯折线12、14和32被弯折时，尤其是沿着弯折线32产生弯折时，表面26和30相互阻碍。这种阻碍或压叠妨碍了两个平面间的平滑过渡，生产出一种非完善产品或外观粗糙的、非专业的成品。传统上，与前述问题类似，此问题通过对两个平面或其中任一平面的进行试凑调整予以解决。或者，为了得到平滑的弯角，需要进行复杂计算以确定平板零件的最佳形状。与上述相同，计算十分复杂，并且花费过多的时间和努力。因此，为了产生平滑的、三维用户指定的板金零件成品，需要一种可以设计平板零件的系统。
根据前述观点，本发明目的在于，通过本发明的各个方面的一个或多个方面、实施例和／或具体特征或子部件，产生如下具体说明的一个或多个优点。
根据本发明的优选实施例，提供一种装置用于解决由三维模型表示的板金零件的第一平面和第二平面间的冲突。当由CAD系统设计的二维模型的平板板金零件被折弯为显示于CAD系统上的三维模型时，平面与平面之间产生此冲突。此装置包括一个检测系统、一个分析系统，以及一个消除系统。检测系统用于检测与二维模型折弯为三维模型相联系的相邻平面之间的各种冲突。消除系统用于通过设计一种可以无冲突折弯的修正平板板金零件的二维模型来消除冲突。
根据优选实施例，分析系统包括一个用于计算与冲突区域对应的复线(polyline)的复线计算系统。而且，分析系统进一步包括一个用于从复线计算切割区(cut-loop)的切割区计算系统。消除系统包括一个使用切割区除去平板板金零件的二维模型部分的去除系统。复线计算系统可以对弯折操作期间零件的伸／缩量进行补偿。计算系统可以通过将一条弯折线模拟为一个虚构的柱面以分析冲突平面上的交会点来计算复线。
根据本发明的另一优选实施例，分析系统包括一个边界箱(baundingbox)计算系统用于为对应于各表面的冲突区域计算边界箱。分析系统还包括一个用于从边界箱计算扩展边界箱的扩展的边界箱计算系统。此外，消除系统可以包括一个修整环区(frim-loop)计算系统用于根据扩展的边界箱和与剪切型式选择有关的用户输入参数计算修整环区。消除系统可以进一步包括一个计算系统，用于计算在第一平面与第二平面的修整环区间的第一交会区(intersection)域并且从第一平面除去第一交会区域，以及用于计算在第二平面与第一平面的修整环区间的第二交会区域并且从第二平面除去第二交会区域。
根据本发明的另一优选实施例，分析系统将冲突至少划分为平面交叠、后缩(setback)和三维修整(3-D trim)中的一种并根据分类控制消除系统。如果冲突分类为三维修整或后缩，则修整环区计算系统计算包括冲突区域边界箱和到冲突区域边界箱一侧的区域的修整环区。此外，提供一个用于剪切具有修整环区的各个面的剪切系统，以产生切下切片(cut out piece)，并提供了用于是否与三维另件模型上的孔和折弯线交会而测试切下切片的测试系统。如果修整环区接近折弯线，消除系统可以进一步包括用于调整修整环区的调节系统。
如果冲突被分类为后缩，比较系统将此切下切片与多个预定的金属板厚度进行比较。如果冲突被分类为三维修整，则放大系统放大修整环区，使修整环区的一个尺寸大于此平面的最大尺寸。
根据本发明的另一个实施例，当在CAD系统上设计的平板板金零件的二维模型被折弯成在CAD系统上显示的三维模型时，提供一种能使由三维模型表示的板金零件平面之间平滑过渡的装置。该装置可以包括分析系统和消除系统。该分析系统对关系到二维模型折弯为三维模型时相互接近的平面间的间隙进行分析。该消除系统通过设计一种不产生间隙地弯折的修正的平板板金零件的二维模型来消除间隙。
根据本发明的另一优选实施例，分析系统可以进一步包括一个用于选择第一平面用以延展的边缘、第一平面将被延展到达的目标平面、以及第一平面边缘沿此方向将被延伸展到目标平面的延展方向的选择系统。此外，消除系统可以包括一个计算系统，用于根据第一平面边缘的端点计算环区、延展方向以及目标平面，并且用于计算一个包括第一平面和环区的新平面。延展方向可以为第一平面的切线方向或为第一平面的法线方向。
根据本发明的另一实施例，提供一种使由在CAD系统上设计的平板板金零件的二维模型产生的、被折弯为显示于CAD系统上的三维模型表示的板金零件平面之间能够平滑过渡的方法。此方法包括对二维模型折弯为三维模型时成为相邻的三维模型的平面间的冲突进行检测，分析冲突，以及消除冲突。消除冲突是通过设计一个不出现冲突即能折弯为三维模型的修正的平板板金零件的二维模型实现的。
根据本发明的优选实施例，分析包括计算对应于冲突区域的、对于弯折操作期间零件的伸／缩量进行补偿的复线。复线是通过使用虚构的柱面对交会弯折线进行模拟以分析冲突面上的交会点进行计算的。分析进一步包括从复线计算切割区。消除包括使用切割区以去除平板板金零件的二维模型的一部分。
根据本发明另一优选实施例，分析包括为每个平面计算边界箱、对应于各个平面围出冲突区域，以及从各个边界箱为各平面计算延展的边界箱。消除包括根据各自的延展边界箱对各平面计算修整环区，并且用户输入有关选择剪切型式的参数。消除进一步包括计算第一平面与第二平面的修整环区之间的第一交会区域、从第一平面去除第一交会区域、计算第二平面与第一平面的修整环区之间的第二交会区域以及从第二平面去除第二交会区域。
根据本发明的另一个优选实施例，分析包括将冲突至少分类为平面交叠、后缩和三维修整中一种并根据分类控制消除。如果冲突分类为三维修整或后缩，则分析进一步包括对包括边界箱冲突区域加上各平面到边界箱冲突区域某侧的区域的各平面计算修整环区；剪切具有修整环区的平面以产生切下切片以及为了是否与三维零件模型中的孔和折弯线交会测试切下切片。如果修整环区接近折弯线，消除进一步包括调整修整环区。
如果冲突被分类为后缩，分析进一步包括对切下切片与预定的多个金属板厚度进行比较。如果冲突被分类为三维修整，分析进一步包括放大各平面的修整环区以使修整环区的某个尺寸大于平面的长度和宽度。
以下将对上述所列的本发明的特征和优点作更充分的说明。
以下通过附图以及根据本发明优选实施例的非限定性的实例，进一步详细说明本发明。其中在附图的几个视图中，相同的标号代表相同的部分，这些附图是图1说明根据现有设计技术的在平面的交会部分存在翘曲问题的零件模型；图2说明利用现有系统设计的用于折弯成图1所示的零件的平板板金零件；图3说明根据现有设计技术的在平面的交会部分存在交叠问题的零件模型；图4说明利用现有系统设计的用于折弯成图3所示的零件的平板板金零件；
图5说明根据现有设计技术的存在平面延展问题的零件模型；图6说明利用现有系统设计的用于折弯成图5所示的零件的平板板金零件；图7说明根据现有设计技术的存在平面之间后缩／三维修整型冲突的零件模型；图8说明利用现有系统设计的用于折弯成图7所示的零件的平板板金零件；图9说明根据本发明的系统设计的具有平滑的双半径弯角的零件；图10说明根据本发明的系统设计的用于折弯成图9所示的零件的平板板金零件；图10a示出图10所示的弯角的放大图并示出根据本发明的优选实施例计算的剪切环区；图11示出根据本发明确定能够实现具有双半径弯角的零件的剪切环区的优选处理过程的流程图；图12示出根据本发明计算三维复线的优选处理过程的流程图；图12a示出根据本发明用于确定交会点是否位于实际的柱体之内的平面的俯视图；图13示出根据本发明将三维复线换算为剪切环区的优选处理过程的流程图；图14示出根据本发明的分类并消除冲突的优选处理过程的流程图；图14a示出根据本发明的原理构建的具有虚拟修整环区的平面的正视图；图14b示出根据本发明的开口弯角的平面图；图14c示出根据本发明的封闭弯角的平面图；图15示出解决平面交叠冲突问题的优选处理过程的流程图；图16说明根据本发明的优选实施例解决了平面交叠问题的零件；图17说明利用本发明系统设计的折弯成图16所示的零件的平板板金零件。
图18示出根据用于本发明冲突分类的优选处理过程的流程图19a至图19j列出根据本发明说明可能的平面交叠排列以及对应的起点和对角点；图20说明根据本发明解决后缩／三维修整问题的零件模型；图21说明利用本发明系统设计的用于折弯成图20所示的零件的平板板金零件；图22示出根据本发明解决平面延展问题的优选过程的流程图；图23说明根据本发明解决了平面延展问题的零件模型；以及图24说明利用本发明系统设计的用于折弯成图23所示的零件的平板板金零件。
根据本发明的优选实施例，根据订货规格，采用计算机辅助设计(CAD)系统设计由订货方提出规格的零件。尽管优先选用了日本AmadaMetrecs公司设计的AP100系统，但是可以使用任何CAD系统。零件的计算机模型设计完成之后，诸如美国专利申请No．08／700，671、No．08／690，671、No．08／688，860以及No．60／016，958所披露的折弯软件系统计算用于折弯成成品零件的平板板金零件(平板)的初步形状，在此全文引用上述美国专利申请供参考。CAD系统和折弯软件系统优先在奔腾(Pentium)类处理器系统上运行在微软公司开发的Windows NT操作系统。现根据本发明的特征说明如何计算能获得与订货规格一致的、并具有视觉满意外观的成品零件的平板的精确形状。为了生产这种成品零件，成为本发明一部分的计算结果将产生平板板金零件的规格以用于剪弯装置。
参考图9，可以看到具有满意平滑弯角(以下简称“双半径弯角”)的板金零件的三维模型。图10说明为了实现图9所示的要求的三维板金零件而使用的平板板金零件的二维模型。因此，当零件沿折弯线12、14折弯时，沿剪切线40、40’剪切能获得平滑双半径弯角。很明显当使用术语剪切、去除或类似术语时，实际并未进行剪切，只是进行了计算机模拟剪切。根据本发明开发的规范，实际剪切发生在待折弯成要求的三维形状的板金零件的制造过程。
现参考图11至图13说明确定剪切线40的几何结构的过程。最初，在步骤S10，获得描述按要求折弯的、包括折弯线的零件和平板形状的几何结构及其它信息。在步骤S12，校验各折弯线以检查是否与其它折弯线交会。可以确定交会的发生并利用已知的方法，如通过比较各折弯线的三维坐标吻合性进行计算。在步骤S14，如果确定不存在折弯线交会，则在步骤S16返回调用程序。然而，如果至少发现一个折弯线交会，则在步骤S18利用如下参考图12说明的过程计算一对三维复线。计算了三维复线之后，在步骤S20，展开三维零件并将该复线转换为如下参考图13描述的二维复线。当计算二维复线时，将零件进行收缩／延展以弥补零件折弯时可能发生的延展／收缩。尽管根据折弯的材料零件既可以收缩也可以延展，为了简化以下讨论，假设零件在折弯时延展。因此，展开期间，零件必须收缩。接着，在步骤S23，从二维复线中确定剪切环区，并且修正平板或使平板精确以包括剪切线40、40’。最后，在步骤S16，流程返回调用操作。因此，就完成了建立三维零件的全部反过程(即利用三维零件定义平板)，确定制造双半径弯角所需的剪切线40、40’。
为了确定零件的收缩量，使用在折弯时用于延展零件的换算系数的倒数。尽管在折弯技术中可以使用任何已知技术，现在利用折弯折扣(deduction)来描述计算换算系数的优选实施例。为了计算延展，首先从查用表中获得所分析的折弯线的折弯折扣。折弯折扣依赖于折弯角和所折弯的材料。查用表中的信息是经过试验确定的，并且确实可用。事实上，多数折弯机将这些信息录制在机器内。根据本发明，将折弯折扣值存储在计算机内的查用表中。因此，折弯折扣表示零件在二维平板和三维之间转换时，零件尺寸的变化量。
根据折弯折扣，可用对所分析的折弯线计算示于图10的折弯区域13。折弯区域13表示冲床与金属板之间的接触区域，即折弯过程零件的变换区域。折弯区域13的形状依赖于所完成的特定折弯操作。通常，如图10所见，当零件为弯曲状时，折弯区域13具有柱体形状，当零件为平板时，折弯区域13具有矩形形状。根据折弯角和金属板厚度，可以定义平板折弯区域13。平板折弯区域的宽度等于以下讨论的柱体的中心线的弧长。利用折弯折扣，求得延展折弯区域的延展系数以得到延展的折弯区域。
然后，利用作为内柱体半径的接触金属板的冲床的半径以及作为外柱体半径的冲模的半径将延展的折弯区域13变换或换算成柱体。接着，计算两个柱体表面之间的交会(如在S14所确定的，表示交会折弯线的两个交会的折弯区域)。优先利用柱体的内表面，考虑金属板的厚度，计算两个柱体表面之间的交会。可以在Cornel Pokorny著的1994年出版的《Computer Graphics an Object Oriented Approach to the Art andScience》的第524页至第526页找到计算线与柱体之间交会的典型算法，在此一并引用供参考。对该算法作简单变更就可以应用到本发明以计算柱体之间的交会。要求的附加变更包括建立仿真柱体(以后作解释)以及将计算的柱体扩展到全360度柱体。
参考图12，现在说明对三维复线的计算。对各折弯线12、14重复以下过程以获得一对三维复线。在步骤S30，确定外柱体表面然后根据外柱体表面和金属板的厚度确定内柱体表面。
为了能够完成以下分析，在步骤S32，确定内柱体半径是否为0(例如，如果用户在零件规格中输入折弯半径=0)。在步骤S34，如果内柱体半径等于0，则用小内柱体半径取代以避免在计算中使用0。例如，在优选实施例中，用0．1乘外柱体半径代替0。
如果内柱体半径不等于0，或者在步骤S34用小内柱体半径取代之后，在干涉点建立接近真实柱体表面的仿真柱体(它可能由于翘曲或订货规格会具有粗糙的端部)以简化计算。通过查找(例如试验和差错处理)完全含有真实柱体表面的最小标准柱体来建立仿真柱体。
接着，确定真实柱体(表示折弯线)在什么地方交会。当然，如果没有发生交会，则不会发生翘曲也就不存在问题了。因此，在步骤S38，计算表示第一折弯线12的真实柱体与表示第二折弯线的延展的仿真柱体之间的交会以获得对第一折弯线的复线。除了具有无限长度之外，延展的仿真柱体与刚说明的仿真柱体相同。根据本发明的优选实施例，为了减少计算时间，而不分析真实柱体端上的各点，所分析的真实柱体端被分成短弧段并在短弧段的端点进行分析。
接着，在步骤S39，确定全部真实柱体是否对交会进行了分析。如果完成了该分析，在步骤S41，流程返回调用操作。否则，如果分析还未完成，则流程进入步骤S40。
一旦，在延展的仿真柱体与真实柱体之间发现交会，就必须确定在两个真实的柱体之间是否实际发生了交会。因此，在步骤S40，如果与延展的仿真柱体发生交会，确定交会点是否在仿真柱体(未延展的)之外。如果交会点位于仿真柱体(未延展)之外，由于在两个真实的柱体之间没有发生交会所以过程返回步骤S38。当在仿真柱体内发现交会点时，则在步骤S42确定交会点是否位于真实柱体之内。如果在步骤S42确定交会点不位于真实柱体之内，则过程返回步骤S38并按刚说明的那样继续。
然而，如果确定交会点位于真实柱体内，则将交会点设置为三维复线上的点。对柱体端的整个弧线长度重复该过程直到找到设置的点。然后，将设置的点相连以对各折弯线建立三维复线。然后，对其它折弯线重复该过程，获得一对三维复线。
如上所述，为了确定交会点是否位于真实柱体之内，建立一个包含了在交会点切向仿真柱体的点的平面。然后，表示真实柱体两端的弧段端点投影到该平面。图12a示出具有投影到其上的真实柱体端(示为线l1、l2)的示例平面P的俯视图。
真实柱体端的投影到平面P的过程可以被简化为向平面P投影四个点。为了决定这四个点，首先必须将各端分为几个弧段。在优选实施例中，用户说明了柱体端被分割的弧段的个数。然后，确定含有交会点X的弧段。接着，将该弧段的各端点投影到平面P并在这些端点之间绘出线l1。然后，确定柱体另一端上对应于含有交会点的弧段并且该弧段的端点也投影到该平面。最后，在这些点之间绘线l2。
为了确定交会点是否位于真实柱体内，从交会点X起始的一条新线l3平行于折弯线延伸。如果该新线l3与投影线l1、l2交会奇数次，则确定交会点位于真实柱体内。然而，如果新线l3与投影线l1、l2交会偶数次，则确定交会点位于真实柱体外。
参考图13说明二维复线的计算。首先，在步骤S50，三维复线上的各点(上述产生的)被展开(即为平面)并建立w型平面复线。三维复线的弧线长度与w型平面复线的长度相同，即平面收缩还没有完成。之后，在步骤S52，先前所述的收缩完成以确定二维复线。如上所述由折弯折扣计算收缩量。接着，在步骤S54，控制返回到调用操作。
根据二维复线，可以建立环区(辅助孔)以表示为了在折弯平板时建立平滑双半径弯角而必须从平板切除的区域。如图10a所示，利用四个边和四个端点定义该环区。两个端点41、43为二维复线上非交会的端点。通过各二维复线的端点41、43延伸出与折弯线12、14平行的线以获得延伸线48、49确定第三个端点42。将延伸线48、49的交会点设置为第三点42并且由端点(41、42)和端点(43、42)定义的延伸线48、49被设置为环区的前两个侧边。第四点45为二维复线的交会点。环区的后两个侧边为二维复线本身40、40’。
在优选实施例中，调整第四点(并因后两个侧边40、40’)以对计算中的可能的数值误差作补偿。如果由于上述还太小了、(可能数值误差导致)、仍产生冲突，则该调整提供一个比上述环更大的环区。因此，为了避免数值误差，复线的交会点45移到新点45’。在优选实施例中，以图10a中箭头47所示的方向移动折弯半径的1％至2％。箭头47的方向沿着二维复线的近似对称的线，以离开三维交会点42并指向第四交会点45的方向。更大的环区(辅助孔)的大小被用来冲辅助孔以构建订货方提出规格的具有双半径弯角的零件。
现在说明其它冲突的解决方法。为了消除平面之间的冲突，可以修整冲突平面中的一个平面也可以两个冲突的平面均修整。修整过程是首先对平面计算修整环区，然后利用修整环区修整平面。根据冲突类型(例如后缩(如图3所示)、三维修整(如图7所示)、或平面交叠(如图3所示))、用户定义的描述要求的平面与平面的接触的参数、以及冲突区域来计算修整环区。
根据本发明的优选实施例，检测两平面之间的冲突可以采用冲突检测算法。该算法具有三个目的检测两个平面是否冲突；对各平面计算冲突区域；以及检测冲突类型。为了检测两个平面是否冲突，必须对各平面计算冲突区域。如果冲突区域(它是环区)是空的，就没有冲突。平面的冲突区域被表示为平面的表面上的环区，以致共两个平面(即冲突点)任何一个点均落入环区内。
为了分类冲突类型，必须计算多个参数。一旦冲突类型被确实识别出来，这些参数将被存储以便之后调用适当的程序消除冲突，无需重新计算就可以使用相同的参数。分类冲突类型的算法的输出为下列四类之一平面交叠、后缩、三维修整或不属于上述任何一类。
现参考图14说明根据本发明的优选冲突分析过程。在步骤S60，分析三维折弯的零件模型以确定在平面之间是否产生冲突。诸如由SpatialTechnology开发的市售的ACIS的任何已知的冲突检测方法均可以被用于该分析过程。如果没有发现冲突，则在步骤S76，流程控制返回到调用程序。然而，如果发现冲突，则在步骤S62，对冲突进行分类。如果冲突的两个平面是互相平行的，则在步骤S64将冲突分类为平面交叠。在步骤S66，在下面参考图15开始说明用于解决平面交叠冲突的功能。如果两个平面发生冲突并且不平行，确定冲突是后缩冲突还是三维修整冲突。在步骤S68，确定冲突是否为后缩类冲突。如果确定冲突为后缩，则程序进入步骤S70，该步骤要求具有解决后缩冲突的功能。如果冲突不是后缩，则在步骤S72分析冲突确定冲突是否为三维修整。如果冲突为三维修整，则流程进入步骤S74，在步骤S74中要求具有解决冲突的功能。如果冲突不能按平面交叠、后缩或三维修整分类，则在步骤S76不对冲突类型进行定义并且控制返回调用程序。注意，如果冲突满足后缩和三维修整两种条件，则由于它是被优选分类的，所以冲突将被分类为后缩。
现在参考图18说明分类冲突类型的典型过程。在步骤S99，确定冲突平面是否平行。如果平面是平行的，则在步骤S101冲突被分类为平面交叠并且流程返回。如果平面是不平行的，则必须在步骤S100确定冲突区域，并且必须在步骤S102计算冲突区域边界箱。冲突区域边界箱为具有两个与冲突交会线平行的边的矩形(另两个边必须与前两个边垂直)并在矩形内含有冲突区域。冲突交会线为两个冲突平面下面的平面的交会线。根据四个向量，通过查找冲突区域末端的点，计算冲突区域边界箱。其中两个向量具有相反的方向并与冲突交会线平行。另外两个向量也具有相反的方向但与冲突交会线垂直。
接着，冲突区域边界箱的原边被规定为特定冲突区域边界箱。冲突区域边界箱的原边为平行于冲突交会线的边界箱的边。注意，冲突区域边界箱具有两条原边。原边宽度向量也必需对于冲突区域的原边而被定义。当给定冲突区域边界箱的原边时，可以将原边宽度向量定义为垂直于原边并指向冲突区域边界箱的其它原边。
当在步骤S103(如图18所示)校验冲突类型时，算法构建(即计算)虚拟修整环区200(如图14a所示)，在步骤S104利用虚拟修整环区200修整平面210，并在步骤S105测试切下的平面的切片是否满足某些条件。一般，虚拟修整环区200总是包括一个区域，该区域覆盖冲突区域220及或者从冲突区域220左侧或者右侧加上的平面区域，如从图14a所看到的那样。图14a的点P1-P4定义了虚拟修整环区。起先，它表现出只剪切冲突区域就足够(会在平面上留下孔)消除冲突。然而，由于冲突可能会发生在折弯零件过程，当在零件的最后折弯形态中没有冲突发生时，零件也可能制造不成具有平滑的面。所以，在冲突区域以外，或在其左面，或在其右面也必需修整。
为了对后缩或三维修整校验冲突类型，在步骤S105，根据下列条件分别对两个平面进行测试。如果两个平面通过适当测试(或者为后缩或者为三维修整)，则相应地对冲突进行分类。如果其中一个平面没有通过测试之一，则在步骤S108，流程返回调用程序并不进行任何修整。
首先，在步骤S103，必须构建两个虚拟修整环区，一个用于左区域200，另一个用于右区域。其次，在步骤S104，对于各虚拟修整环区200，通过计算用于计算平面210与虚拟修整环区200的交会的布尔函数“平面∩修整环区”，将切片材料从平面210切下。换句话说，切下的切片为由平面210和虚拟修整环区200覆盖的区域。再次，在步骤S105，先测试左侧切下切片的某些特性(以下说明)然后测试右侧切下切片的某些特性。最后，在步骤S107，如果切下切片满足要求的特性，则该平面通过冲突类型测试。然而，两个平面均必须通过同样的测试。然后，在步骤S110，存储用于计算虚拟修整环区200的参数以备之后使用。
当计算虚拟修整环区时(步骤S103)，对冲突为后缩还是三维修整进行推测。然后，计算相应的虚拟修整环区。对于三维修整，除一点不同之外，与对后缩用相同的方法(此后作说明)构建虚拟修整环区200。在三维修整中，当选择了冲突区域的原边时，将通过在两个方向延展原边使点P1和点P2跑出平面之外，计算角P1和角P2。另一方面，对于后缩，点P1和点P2将为已选原边的端点。
将对后缩说明虚拟修整环区的构建。尽管对图14a所示的冲突区域220的左、右侧构建虚拟修整环区200的算法是相同的，对各步所不同的是左侧和右侧是两个相反的方向，但以下说明假设是对图14a所示的冲突区域220的左侧构建虚拟修整环区200。
虚拟修整环区200为由四个弯角P1、P2、P3和P4定义的矩形。因此，矩形的边为直线(P1、P2)、(P2、P3)、(P3、P4)和(P4、P1)。
首先，选择冲突区域边界箱最右侧的原边。由于虚拟修整环区200必须覆盖冲突区域220以及冲突区域左侧的平面区域(由于对左侧构建虚拟修整环区200)，所以可以利用最右侧的原边。所选择的原边的端点将为角P1和P2。
接着，计算向量ν。向量ν与对选择的原边定义的原边宽度向量具有相同的方向。将向量ν的长度设置为等于数值d所以数值d大于平面的最大尺寸，即长度或宽度。利用比最大的平面尺寸大的数值d能保证修整环区的宽度足够大以确保能将边界箱左侧的区域从平面中去除。最后，计算角P3=P2+ν和角P4=P1+ν，并连接各角以建立虚拟修整环区200。
一旦建立了虚拟修整环区，虚拟修整环区就将被用于从平面剪切下金属片(步骤S104)。之后，测试此切下切片的某些特性(步骤S105)。为了在步骤S107确定切下切片是否通过了测试，切下切片必须满足下列特性1)切下切片不含有与折弯线相近的任何边，以使剩余平面不含有与相同的折弯线相近的边。满足特性1会保证修整时，不会完全切下折弯线。
2)切下切片中没有边是原平面中的孔的一部分。满足特性2会使修整时不会切下孔。校验切下切片的各边以查看它是否来自切片最初形态中的孔。
当在步骤S107对后缩校验时，切下切片必需满足前两个特性外还有一个附加条件3)在原边宽度向量方向上的切下切片的宽度可以不大于某个常数c与金属厚度的积。一般，当利用虚拟修整环区剪切平面时，获得的切下切片不必一定恰是一片切片。相反，它可以含有多个断开的切片。如果此种情况发生，不含任何与冲突区域相近的边的切片被丢弃。然后，剩余切片做满足这些特性的测试。在优选实施例中，数值c为2至3之间的数。
如果在步骤S107切下切片满足测试要求，则对冲突进行分类，在步骤S110存储某些参数，并且在步骤S111控制流程返回调用操作。如果在步骤S107切下切片测试未通过，则在步骤S108尝试将冲突分类为构建虚拟修整环区失败时选择的类并且控制流程返回调用操作。此时，在步骤S103可以构建另一个虚拟修整环区(对于事先未校验的冲突类型)并重复此过程。
一旦确定了冲突类型，为了在实际修整时使用，存储用于校验冲突类型的三个参数。首先，计算沿覆盖原边的线的切下切片(或多于一个切片)的两个端点，映射到覆盖线并存储以备之后使用。之后这些点被称为点P1和P2。此外，存储向量w(在步骤S110)。向量w与测试通过的原边的原边宽度向量具有相同的方向。关于原边宽度向量，w的长度为切下切片的宽度。
一旦冲突被分类为后缩或三维修整，则为了使折弯后的平面平滑过渡，需要修整对一个平面或两个平面的多余量。此外，为了在折弯后的平面的外侧表面之间留下间隙获得开口的弯角需要修整多余量。还有，如果剪切靠近折弯线，应移动剪切以使它与折弯线平行以产生更完美外观的零件。因此，为了对各平面解决冲突问题，需要在修整平面之前对虚拟修整环区进行调整。调整根据在冲突类型校验期间计算的参数P1、P2和w以及用户定义的参数进行。
用户定义的参数说明要求面与面的接触。可能的面与面的接触类型为示于图14b的开口弯角和示于图14c的闭合弯角。开口弯角是指两个平面在其平面的内表面相接触(即另一个平面的表面更靠近第一平面)。闭合的弯角是指一个平面接触另一个平面的内表面并且此另一个平面还接触第一平面的外表面。在优选实施例中，当建立闭合的弯角时，用户必须输入一个偏移值。该偏移值被用于说明平面的边由开口位置或闭合位置偏移的量。
如上所述，为了对平面进行修整，必须计算修整环区。修整环区为根据现在描述的算法计算的含有四条线的环区(不必为矩形)。
为了构建修整环区，必须详细说明四个弯角P1、P2、P3和P4。一旦已知P1、P2、P3和P4，就可以由线(P1、P2)、(P2、P3)、(P3、P4)和(P4、P1)构建修整环区。最初，修整环区的弯角P1和P2给设置为等于在步骤110利用冲突类型检测算法计算的点P1和P2。然后，校验用户定义的参数以确定要求的弯角的类型。如果用户选择封闭的弯角，需要一个略小一点的修整环区以建立要求的弯角。因此，P1和P2沿w的方向平移。平移量等于另一个平板的厚度。如果选择了开口弯角，则使用原始P1和P2。一旦已知修整环区的P1和P2，就可以计算弯角P3和P4:P3=P2+w及P4=P1+w。注意，线(P1、P2)和(P3、P4)均与冲突交会线平行。
接着，如果弯角P1或P2中的任一个弯角很靠近邻近此平面的折弯线。如果它离折弯线的间距不大于(b+ε)，其中ε为间距公差(通常在10-4-10-6零件单位，常规是毫米或英寸)，并且b为折弯线区域宽度的一半，则认为点Pi靠近折弯线。折弯线区域为在弯折过程中由弯折变形的金属区域。折弯线区域宽度是指在垂直于折弯线的方向上折弯线区域自身的尺寸。
如果出现上述定义的Pi靠近折弯线的现象，将Pi延展至平行于冲突交会线的折弯线。如果确定P1或者P2靠近折弯线并且被延展至折弯线，必须对线(P2，P3)(或者(P4，P1))进行移动以使其平行于折弯线。移动是通过将P3(或者P4)延展至平行于冲突交会线的同一条折弯线而产生的。
作为此过程的结果，平板板金零件可以如图21所说明的那样设计。注意剪切线50由本发明的此过程获得。由于如图21所示的剪切线，使得图20所示的精制三维零件可以由平滑的、精制的弯角构成。
参考图15，在此描述用于解决图3所示的平面交叠冲突的例示过程。首先，在步骤S80，将冲突平面从它们的三维零件坐标变换为二维屏坐标。随后在步骤S82，为每个平面找出冲突平面上的最长的折弯线。在步骤S84，将最长折弯线设置为与各平面的主边相等。
接着，在步骤S86，为每个平面构造一个边界箱。边界箱长度是通过延展平行于折弯线的主边得到的，这使得具有该长度的矩形包围了另一平面的整个宽度。边界箱的宽度是通过平移垂直于折弯线的主边得到的，这使得具有该宽度的矩形包围了另一平面上的所有交叠点以及在另一平面的长度方向上延展了交叠处的所有点。长度和宽度确定后，即可画出此边界箱。因此，简单地说，一个平面的边界箱就是完全包围了那个平面以及涉及冲突的另一平面的无用交叠区的最小矩形。使用边界箱的一个好处是，如果平面具有一种不规则形状，边界箱提供了一种方便简化计算的近似。
完成构造边界箱后，在步骤S88，找出各平面的次边。次边是通过观看平面的除主边以外的三条边并且将最靠近另一平面主边的边选择为次边。然后，在步骤S90，生成一个轴并且设置一个原点和对角点。对角点代表与原点对角的点。轴是通过将平行于相应的折弯线的两条主边延展而产生的。原点是已延展主边的交会点。
根据本发明的优选实施例，原点和对角点可以靠图形匹配进行确定。所有可能的交叠构造组在图19-a-19-j中示出。参考字符M1和M2分别表示基平面的主边和次平面的主边。参考字符m1和m2分别表示基平面的次边和次平面的次边。因此，将被分析的交叠平面的交叠构造确定之后，将此构造与图19a-19j中的表所示的相应构造匹配后，设置原点等于指定为0的交会点，并且设置对角点等于标记为D的点。
接着，选择剪切型式。例示剪切型式是对角的和45°角的。对角剪切是从原点向对角点延伸。45°剪切是从原点以相对于基平面的主边成45°角延伸。
然后在步骤S92，确定剪切环区。如果选择对角剪切，各平面的边界箱采用产生对角剪切环区的对角线进行修整。如果选择45°剪切，使用一条产生45°剪切的45°线修整两个边界箱。
在步骤S94，剪切环区被用于平面的剪切。首先，为了修整基平面，副平面的剪切环区被用于切剪基平面。接着，原剪切环区被用于修整副平面。最后，在步骤S96。流程的控制返回调用程序。因此，各平面均具有剪切环区并且一个平面与另一个冲突平面的剪切环区之间的交会就是被切除的部分。当然，这里可以采用计算平面之间交会的任何标准算法，所以此处未叙述算法。采用步骤S94的过程未从一平面去除全部交叠，而只从各平面上各去除了一部分。更具体地说，如图16所示，从各平面切下了近似三角形的部分以实现平面之间的平滑对接。
采用45°剪切线的零件的实例示于图16，这里去除了平面24(图3所示)之间的冲突并且在冲突平面留下更成品化的对角剪切线42。图17示出相应地未被折弯的板金零件的平板，它被适当剪切以获得图16所示的成品三维板金零件。注意，平板板金零件的切口44、46使平板板金零件被折弯成图16所示的成品板金零件。
在优选实施例中，流程会对零件上的所有冲突平面自动重复。因此，为了获得成品零件，用户可以简单选择根据本发明的要求的剪切和计算程序就可以对所有的冲突平面确定适当的切口。换句话说，在零件上，如果有两组平面交叠，会自动确定对两组平面的剪切，而不是使用户对交叠的各平面选择切口类型。
设计零件时，就使折弯零件中的两个非平行的平面不发生冲突并且不准确地接触，但为了生产平滑、严紧、有封闭的弯角(如果要求的话)而计算平板的形状会很困难。如图5所示的零件所具有的折弯角小于90°并且在两个弯角处均具有间隙。为了制造没有间隙的弯角，如图23所示，平面26、28中一个或两个均必须被延展。因此，目标就是延展平面使平面在交会线准确接触，即平面之间的间隙是闭合的。或者，用户可以选择在弯角之间留下选择尺寸的间隙。
现参考图22说明根据本发明的优选实施例延展平面的典型过程。在步骤S150，适当的函数获得折弯零件的三维几何结构。在步骤S152，用户在平面上(平面1)选择待延展的线。此时，用户可以在一个平面也可以在两个平面选择线。该线确定用户希望延展的平面的边。如果在两个平面上选择线，则对选择的各线重复下列过程。然而，以下说明假设仅选择一条线，即仅延展一个平面。
在步骤S154，用户选择平面1将延展到的目标平面。选择的目标平面确定目标表面。此时，完成三种可行性校验以确定用户选择的延展是否可行。在步骤S156，对平面1是否与目标平面平行进行校验。如果平面1与目标平面不平行，则在步骤S158确定选择的线是否与目标平面垂直。如果结果是否定的，则在步骤S160确定平面1是否与目标平面冲突。如果在步骤S156、S158和S160校验结果是肯定的，则不能进行平面延展并且控制流程返回步骤170调用功能。然而，如果对三种可行性的校验是否定的，则在步骤S162删除选择的线并开始建立三条新线的过程。
首先，在步骤S164，用户必须选择延展的方向。在优选实施例中，方向可以垂直于也可以正切于先前选择的线。在优选实施例中，缺省延展方向为切向。然而，如果切线与目标平面平行，则不可以采用切线的方向。接着，在步骤S166，计算延展长度。按从目标表面到先前选择的线的各端点之间的距离计算延展长度。因此利用延展方向和延展长度，可以计算两个位于目标平面的表面上的新点。如果选择的延展方向为正切方向，则新点为平面1的边29、30向目标平面的延续。否则，新点与用户选择的线垂直并位于目标平面的表面之内。
在步骤S168，利用这两个新点和初选的两条线的端点构建环区。如图23所示，将环区与平面1合并得到新平面1、获得无间隙的弯角。图24示出获得图23所示的零件所要求的平板形状。更具体地说，注意在刚说明过程处理中的剪切线60、62。环区与平面1合并之后，在步骤S170，控制流程返回调用操作。在图24所示的实例中，与上述的单个平面被延展相反，有两个平面被延展。
尽管参考几个优选实施例对本发明进行了说明，但是很明显所使用的用语均是描述和说明性的，而非限制性用语。在当前陈述以及修改陈述的所附权利要求所述的范围和本发明的各个方面内所做的变换均属于本发明实质范围。尽管参考特定装置、材料和实施例对本发明进行了说明，很明显本发明并不局限于在此特别披露的内容，相反，本发明可以扩大到所附权利要求所述范围内的所有同等功能的结构、方法以及应用。
本发明的优点在于可以迅速有效地设计专业使用的零件。对平板规格的计算迅速且花费低廉。
权利要求
1．一种用于解决由三维模型表示的板金零件的第一平面与第二平面之间冲突的装置，当在CAD系统设计的平板板金零件的二维模型被折弯成显示在CAD系统中的三维模型时平面之间互相冲突，其特征为，该装置包括用于检测将二维模型折弯为三维模型时变成相邻平面的各平面之间的冲突的装置；用于分析冲突的装置；以及用于消除冲突的装置，通过设计调整的平板板金零件的二维模型，而使平板板金零件在被折弯时不产生冲突。
2．根据权利要求1所述的装置，其特征为分析装置包括用于计算对应于冲突区域的复线的复线计算装置。
3．根据权利要求2所述的装置，其特征为分析装置进一步包括用于根据复线计算剪切环区的剪切环区计算装置。
4．根据权利要求3所述的装置，其特征为消除装置包括使用环区去除平板板金零件的二维模型的一部分的去除装置。
5．根据权利要求2所述的装置，其特征为其特征为复线计算装置补偿折弯操作期间零件的延展／收缩量。
6．根据权利要求2所述的装置，其特征为复线计算装置通过将折弯线建模成虚构的柱体计算复线以分析冲突平面上的交会点。
7．根据权利要求1所述的装置，其特征为分析装置包括用于计算对应于第一平面的冲突区域的第一边界箱和对应于第二平面的冲突区域的第二边界箱的边界箱计算装置。
8．根据权利要求7所述的装置，其特征为分析装置进一步包括用于由第一边界箱计算第一延展边界箱和由第二边界箱计算第二延展边界箱的延展边界箱计算装置。
9．根据权利要求8所述的装置，其特征为消除装置包括用于根据各自的延展边界箱和涉及剪切类型选择的用户输入参数对各平面计算修整环区的修整环区计算装置。
10．根据权利要求9所述的装置，其特征为消除装置进一步包括用于计算第一平面与第二平面的修整环区之间的第一交会区域并从第一平面去除第一交会区域，以及计算第二平面与第一平面的修整环区之间的第二交会区域并从第二平面去除第二交会区域的计算装置。
11．根据权利要求9所述的装置，其特征为其中剪切类型包括45°剪切和对角线剪切其中之一。
12．根据权利要求1所述的装置，其特征为分析装置将冲突至少分类为交叠、后缩和三维修整之一并根据冲突分类控制消除装置。
13．根据权利要求12所述的装置，其特征为其中，如果冲突被分类为三维修整和后缩之一，则修整环区计算装置对包括各自冲突区域边界箱以及在各自的平面上到冲突区域边界箱一个边上的一个区域的各平面计算修整环区；剪切装置剪切修整环区与平面之间的交会以产生切下切片；测试各切下切片和三维零件模型的孔和折弯线交会的测试装置。
14．根据权利要求13所述的装置，其特征为消除装置进一步包括当修整环区接近折弯线时用于调整各修整环区的调整装置。
15．根据权利要求14所述的装置，其特征为其中如果冲突被分类为后缩，则比较装置将各切下切片与预定的多个金属板厚度进行比较。
16．根据权利要求14所述的装置，其特征为其中如果冲突被分类为三维修整，则放大装置放大各修整环区以致修整环区在一个尺寸上大于冲突平面的长度和宽度。
17．一种用于当在CAD系统设计的平板板金零件的二维模型被折弯成三维模型显示在CAD系统时，使由三维模型表示的板金零件的平面之间平滑过渡的装置，其特征为，该装置包括用于分析将二维模型转换为三维模型时互相接近的平面之间间隙的装置；以及用于通过设计调整的平板板金零件二维模型，其被折弯时不产生间隙的消除间隙装置。
18．根据权利要求17所述的装置，其特征为分析装置进一步包括用于选择待延展的第一平面的边、第一平面将延展到的目标平面以及第一平面的边将被延展到目标平面的延展方向的选择装置。
19．根据权利要求18所述的装置，其特征为分析装置进一步包括用于根据第一平面的端点、延展方向以及目标平面计算环区的计算装置，以及消除装置进一步包括用于计算包括第一平面和环区的新平面的合并装置。
20．根据权利要求18所述的装置，其特征为其中延展方向包括第一平面的切向和第一平面的法向之一。
21．一种用于使当在CAD系统设计的平板板金零件的二维模型被折弯成三维模型显示在CAD系统时，由三维模型表示的板金零件的平面之间平滑过渡的方法，其特征为，该方法包括检测二维模型被折弯成三维模型时变成相邻的三维模型的平面之间的冲突；分析冲突；以及消除冲突，通过设计调整的平板板金零件的二维模型，其被折弯成三维模型时不产生冲突。
22．根据权利要求21所述的方法，其特征为，其中的分析包括计算对应于冲突区域的复线，该复线用于补偿折弯期间零件的延展／收缩量，通过用虚构的柱体对交会的折弯线建模来分析冲突平面上的交会点来计算复线；根据复线计算剪切环区；以及其消除包括利用剪切环区去除平板板金零件的二维模型的一部分。
23．根据权利要求21所述的方法，其特征为其中的分析包括对包括对应于各自平面的冲突区域的各冲突平面计算边界箱；对各平面的各边界箱计算延展边界箱；其消除包括根据延展边界箱以及用户输入的涉及剪切类型选择的参数对各平面计算修整环区；以及计算第一平面与第二平面的修整环区之间的第一交会区域并从第一平面去除该第一交会区域，以及计算第二平面与第一平面的修整环区之间的第二交会区域并从第二平面去除该第二交会区域。
24．根据权利要求21所述的方法，其特征为，其中的分析包括将冲突至少分类为平面交叠、后缩和三维修整之一并根据分类控制消除；以及其中如果冲突被分类为三维修整和后缩之一，则分析进一步包括对包括冲突区域边界箱加上各自平面到冲突区域边界箱的一个边的区域的各平面计算修整环区；根据修整环区剪切平面产生切下切片；以及测试切下切片和三维零件模型的孔和折弯线交会；其消除进一步包括如果修整环区接近折弯线则调整修整环区；其中如果冲突被分类为后缩，则其分析进一步包括将切下切片与预定的多个金属板的厚度做比较；其中如果冲突被分类为三维修整，则其分析进一步包括放大各平面修整环区以致修整环区在一个尺寸上大于平面的长度和宽度。
全文摘要
提供了一种用于解决由三维模型表示的板金零件的第一平面与第二平面之间的冲突的装置。当在CAD系统中设计的平板板金零件的二维模型被折弯成在CAD系统显示的三维模型时,平面之间互相冲突。该装置包括检测装置、分析装置以及消除装置。检测装置用于检测将二维模型折弯成三维模型时变成相邻的平面之间的各冲突。消除装置消除冲突,通过设计调整的平板板金零件的二维模型使其在折弯时不产生冲突。
文档编号G06F17/50GK1292106SQ99803611
公开日2001年4月18日 申请日期1999年2月26日 优先权日1998年3月4日
发明者卡来乌·卡斯克, 琼－修·欧, 德米特瑞·莱什钦纳, 间贤介 申请人:株式会社阿玛达