模具零件毛坯尺寸的自动导出方法

毛坯尺寸是零件的基本属性之一，为模具、工装和机加产品等的结构设计、干涉分析、材料准备、成本分析、确定加工周期等方面提供了重要的参考作用。目前主流的三维设计软件均提供测量零件包络体的功能，主要有2种测量模式^[1]，一种为轴对齐包围盒AABB（axis-aligned bounding box），另一种为最小包围盒MBB（minimum bounding box），如图1所示。最小包围盒MBB尺寸加上适当的加工余量（机加零件一般为10 mm），即可得到零件的毛坯尺寸。

图1   零件的AABB和MBB包围盒

对于最小包围盒MBB的算法，不少学者和专家对其进行了大量研究工作。G BAREQUET等^[2]提出利用三维点集来近似求解最小包围盒的算法，首先对实体模型进行离散化，但想要获得较高精度的计算结果，必须使得离散化程度更高，从而降低了运行效率；陈柏松等^[3]提出一种基于非线性主成分分析的最小包围盒计算方法，首先计算顶点区域面积，然后用每个顶点区域面积对顶点进行调制，再使用传统主成分分析得到目标正交坐标系，从而得到最小包围盒，该方法计算稳定，但处理较多顶点时速度较慢，且无法处理设有连接关系的点集数据；陈华等^[4]提出一种确定任意形状物体最小包围盒的方法，利用实体模型分别绕3个坐标轴旋转一定角度时计算一次方向包围盒OBB（oriented bounding box），最后找出体积最小的OBB作为最小包围盒，但该方法计算速度慢、效率低；孔垂品等^[1]提出一种零件的最小包围盒生成算法，根据旋转投影的外轮廓确定最小包围盒，采用逐步细分法，通过2轮旋转来提高计算效率，但处理单个复杂零件耗时已超过100 s，不适合一次性处理较多零件。

对于一般机加工产品，目前测量最小包围盒的方法为：利用三维设计软件，采用手动方式逐个对零件进行测量，再将测量结果逐一手动记录。但对于大型的模具、工装和机加工产品，零件数量可能成百上千，如果再采用手动测量和记录的方式，工作量巨大且容易出错，影响工作效率。王孟等^[5]基于CATIA/CAA对三维型材的毛坯模型生成技术进行了研究，龙军等^[6]将UG二次开发技术用于铸件毛坯三维实体自动生成，该方法主要用于识别孔、凹槽、倒角等加工特征，并将零件模型恢复到机加工前状态，无法准确用于测量零件的最小包围盒。针对该问题，需要编制一套高效可靠的程序，快速自动测量和输出最小包围盒尺寸，并最终获得零件的毛坯尺寸，提高工作效率。

1 开发工具

CATIA是一款CAD/CAE/CAM一体化软件^[7]，广泛应用于机械设计、航空航天、汽车制造、造船、电子电器等行业。为了满足用户个性化和专业化需求，CATIA为用户提供了多种二次开发接口^[8]，其中包括基于构件的应用编程接口（CAA）^[5]和自动化对象编程接口（VBA）^[9]。CAA是CATIA已有组件的定制开发，主要为Visual C++和Java语言，并要具备连接端口等方面的知识，入门相对困难；VBA是交互式的定制开发，主要为Visual Basic语言^[10]，虽在功能上不及CAA强大，但简单实用，可以满足一般专业化需求。现主要介绍在CATIA中采用VBA二次开发接口，使用VB语言进行编程，实现自动批量导出零件毛坯尺寸的功能。

2 程序设计方法

2.1 设计思路和原理

程序设计应简单实用、稳定运行和计算正确，主要从以下2个方面进行考虑。

（1）可对某文件夹中的所有零件进行自动批量处理，并将结果输出到Excel表中，方便后续操作。采用递归算法遍历某文件夹及其子文件夹中的全部零件，程序执行的主要流程如图2所示。

图2   零件毛坯尺寸自动导出流程

（2）装配状态包含零件、子装配、部件等多个对象，测量最小包围盒时容易出错，最好单独打开零件进行测量。

2.2 功能实现

2.2.1 查找零件

查找某文件夹及其子文件夹中的所有CATIA零件（*.CATPart），并将相关文件信息输出到Excel表。

查找零件的子程序代码如下。

Public n_File As Double '文件数量

Public FileName(1 To 65536) As String '文件名称

Public FilePath(1 To 65536) As String '文件路径

Public Sub SerachFile(ByVal Path1 As String)

For Each file In CreateObject('Scripting.FileSystemObject').GetFolder(Path1).Files

If InStr(file.Name, '.CATPart') <> 0 Then '判断是否为零件类文件

n_File = n_File + 1

FileName(n_File) = file.Name

FilePath(n_File) = Left(file.Path, InStrRev(file.Path, '\'))

End if

Next

If CreateObject('Scripting.FileSystemObject').GetFolder(Path1).SubFolders.Count > 0 Then

For Each Folder In CreateObject('Scripting.FileSystemObject').GetFolder(Path1).SubFolders '子文件夹中递归调用

SerachFile Folder.Path

Next

End If

End Sub

将文件信息输出到Excel表的代码如下。

Dim EXCEL1 As Workbook

Set EXCEL1 = Excel.Workbooks.Add '新建Excel表

EXCEL1.Application.Visible = True

Dim sheets1 As Worksheet

Set sheets1 = EXCEL1.Worksheets(1)

C_FileName = 'A' '文件名称所在列

C_FilePath = 'B' '文件路径所在列

For Each file In fils

n_File = n_File + 1

sheets1.Range(C_FileName & n_File + 1).Value = CStr(file.Name)

sheets1.Range(C_FilePath & n_File + 1).Value = FilePath1

Next

2.2.2 读取零件

读取Excel表中的文件信息，并使用CATIA软件依次打开零件模型，代码如下。

For i = 1 to n_File

Set Model1 = CATIA.Documents.Open(FilePath (i) & “\” & FileName (i))

Next

2.2.3 测量零件

CATIA软件未直接提供测量零件最小包围盒MBB的函数，但可以通过以下2种方法获得MBB尺寸。

（1）惯性主轴法。先使用GetPrincipalAxes函数获得零件实体的惯性主轴，然后使用AddNewExtremumPolar函数创建沿3个坐标轴方向的极点，极点沿坐标轴方向的跨度即组成了最小包围盒尺寸。但是该方法在创建极点时相当于对零件模型进行了更改，容易引起存储错误和文件关闭时弹出提示问题，不利于程序的稳定运行和模型安全，降低了运行效率，不适合批量处理多个零件。

（2）测量惯量法。利用CATIA软件的测量惯量功能（自定义中需勾选“主轴”），对零件实体进行测量，此时结构树上会出现测量参数，如图3所示。其中“BBLx”、“BBLy”、“BBLz”即为最小包围盒尺寸。该方法测量速度快、精度高，且未对零件模式进行更改，主要代码如下。

图3   结构树上的测量参数

Set sel = Model1.Selection

sel.Clear

Set part1 = Model1.Part

sel.Add part1.MainBody '选定零件实体

CATIA.StartCommand '调用测量惯量命令

C_RoughSize = 'C' '毛坯尺寸所在列

sheets1.Range(C_RoughSize & i).Value = Round(part1.Parameters.GetItem('BBLx').Value + 10, 1) & '*' & Round(part1.Parameters.GetItem('BBLy').Value + 10, 1) & '*' & Round(part1.Parameters.GetItem('BBLz').Value + 10, 1) '+10表示加工余量为10mm

2.3 实例验证

为验证该方法的使用效果，先对图1所示的单个标准零件GB/T 70.1 M10x50（内六角圆柱头螺钉）进行测试，在处理器2.4 GHz、内存8 GB的电脑上处理时间约4 s，测试结果如图4所示。然后对某复合材料产品的模压模具组件进行测试，如图5所示，处理12个零件用时约38 s，测试结果如图6所示。经过手动测试复核，表明了测试结果准确无误。

图4   单个零件毛坯尺寸测试结果

图5   某复合材料产品模压模具

图6   多个零件毛坯尺寸测试结果

▍原文作者:戈家荣姚子佳朱高良赵云李治举

▍作者单位：绍兴宝旌复合材料有限公司