本發(fā)明涉及一種鈑金雕塑型面鋼架的智能設計系統(tǒng)以及設計方法技術，屬于智能化、自動化技術領域。

背景技術：

鈑金雕塑建筑總體上可以認為是由三部分組成，第一部分是復雜型面，就是人們看到的雕塑的精美外觀；第二部分是復雜型面附著的型面鋼架，這一部分既起著造型功能，又有型面曲面加強肋板的作用；第三部分為承重鋼架，是雕塑的主要承力部件。在鈑金雕塑的設計工作中，型面鋼架的設計最為復雜，為了能夠保證型面鋼架正確配合，以及型面鋼架與雕塑型面和承重主結構的安裝，型面鋼架上需要設計不同規(guī)格的槽孔結構，這些結構數(shù)量往往很大，因此型面鋼架的設計是工作量最大的部分。

目前大型鈑金雕塑型面鋼架的傳統(tǒng)設計方式有很大的局限性，完全依賴設計者進行繪圖操作，這種設計方式工作效率低，要占用大量的人力資源，設計速度依賴設計人員的熟練程度，而且設計過程中容易出錯，嚴重制約了生產(chǎn)效率。

技術實現(xiàn)要素：

為解決上述問題，本發(fā)明公開了一種鈑金雕塑型面鋼架的智能化、自動化的設計系統(tǒng)和設計方法方法，設計速度快，工作效率高。

為達到上述目的，本發(fā)明的技術方案如下：

本發(fā)明所涉及的一種鈑金雕塑型面鋼架的智能設計系統(tǒng)，包括cad支撐平臺、型面曲面分層分塊模塊，型面相交線設計與處理模塊、型面鋼架建模設計模塊，型面鋼架切槽設計模塊、型面鋼架自動裝配模塊、型面鋼架干涉檢查模塊、型面鋼架裝配環(huán)境裁剪模塊、工程圖輸出模塊，其中：

所述設計系統(tǒng)通過cad支撐平臺，通過型面曲面分層分塊模塊，型面相交線設計與處理模塊、型面鋼架建模設計模塊、型面鋼架自動裝配模塊、型面鋼架干涉檢查模塊、型面鋼架裝配環(huán)境裁剪模塊、工程圖輸出模塊完成鈑金雕塑型面鋼架的設計、裝配、檢查與工程圖輸出；

所述型面自動分層分塊模塊利用型面相交線設計與處理模塊得到型面特征位置數(shù)據(jù)，通過曲面裁剪的方式自動完成鈑金雕塑型面曲面的分層分塊設計；

所述型面相交線設計與處理模塊完成型面曲面與設計基準面相交線的設計，并通過廣度優(yōu)先遍歷算法完成相交線的處理，得到型面相交線的主曲線，采用插值法將曲線轉化成為多段線；

所述型面鋼架建模設計模塊利用多段線偏置完成型面鋼架界面圖形設計，并采用拉伸建模的方式完成型面鋼架實體模型設計，對實體模型進行分析，完成型面鋼架接頭偏差修正，以此為基礎，通過對數(shù)學模型的計算獲得型面鋼架槽空的位置信息和形狀信息，完成槽孔的截面圖形設計并完成切除設計；

所述型面鋼架自動裝配模塊將完成設計的型面鋼架在三維環(huán)境中完成虛擬裝配工作；

所述型面鋼架干涉檢查模塊在型面鋼架裝配環(huán)境中對型面鋼架進行干涉檢查，自動檢查出未能完配合切槽設計的位置，并輸出檢查結果；

所述型面鋼架裝配環(huán)境裁剪模塊完成裝配環(huán)境下型面鋼架的修改設計工作，可以在裝配環(huán)境下通過簡單的草圖設計即可完成型面鋼架的各種槽孔的裁剪設計工作；

所述工程圖輸出模塊以型面鋼架切槽設計模塊的結果為基礎，完成型面鋼架的二維加工工程圖設計，并完成批量導出。

所述型面相交線設計與處理模塊根據(jù)雕塑型面曲面進行型面鋼架特征曲線的設計與處理，包括型面相交線設計子模塊、主曲線提取子模塊、復雜曲線多段線轉換子模塊、轉換精度分析子模塊，其中：

所述型面相交線設計子模塊，以鈑金雕塑型面曲面和型面曲面分層分塊結果為基礎，通過按照設計規(guī)則建立的一系列設計基準面與之相交，求得型面相交線曲線，此結果作為主曲線提取子模塊的設計基礎；

所述主曲線提取子模塊，對型面相交線設計子模塊的設計結果進行處理，使用廣度優(yōu)先遍歷算法對型面相交曲線進行處理，對相交曲線所有組成元素進行遍歷搜索，依據(jù)鈑金雕塑的外形特征，對組成元素進行分析，將無用分支以及孤立圖形剔除，保留主曲線作為型面鋼架設計特征曲線；

所謂復雜曲線多段線轉換子模塊，將主曲線提取子模塊之處理結果，采用插值法，將復雜曲線轉換成為由直線段和圓弧段組成的多段線；

所謂轉換精度分析子模塊，將特征曲線轉換成為的多段線與原曲線進對比，分析轉換產(chǎn)生的誤差，并統(tǒng)計出誤差最大值，以備轉換結果分析。

所述型面鋼架設計模塊以型面特征曲線為基礎，完成型面鋼架的實體建模設計，型面鋼架接頭誤差修正設計，配合槽切除設計，種釘孔切除設計，端面螺栓孔切除設計，型面鋼架分割與刻字設計；包括型面鋼架拉伸建模設計子模塊、型面鋼架接頭誤差修正與端面螺栓孔設計子模塊、型面鋼架配合槽與種釘孔設計子模塊、型面鋼架分割與刻字設計子模塊，其中：

所述型面鋼架實體拉伸建模設計子模塊，以特征曲線轉換成為的多段線為基礎，將之進行偏置處理，完成型面鋼架的截面草圖設計，通過拉伸建模的方式完成型面鋼架的實體建模設計，并輸出型面鋼架端面數(shù)據(jù)以用來對端面誤差進行修正設計；

所述型面鋼架接頭誤差修正與端面螺栓孔設計子模塊，以端面數(shù)據(jù)為設計基礎，對產(chǎn)生端面誤差的型面鋼架自動進行誤差修正設計，并依據(jù)修正設計結果完成端面連接螺栓孔設計；

型面鋼架配合槽與種釘孔設計子模塊，依據(jù)型面鋼架的數(shù)學模型，計算出型面鋼架配合槽與種釘孔的位置數(shù)據(jù)以及形狀主句，完成配合槽與種釘孔的界面草圖設計，通過拉伸切除的方法完成型面鋼架配合槽與種釘孔設計；

所述型面鋼架分割與刻字子模塊，完成對尺寸較大的型面鋼架的分割與刻字設計，將尺寸過大不易進行加工的型面鋼架切割成為較小尺寸的型面鋼架，并依據(jù)型面鋼架的位置規(guī)則對型面鋼架進行編號設計。

本發(fā)明通過xml數(shù)據(jù)文件和excel文件保存和交換數(shù)據(jù)。

本發(fā)明所涉及的鈑金雕塑型面鋼架智能設計方法，包括以下步驟：

第一步，鈑金雕塑型面曲面導入，在設計系統(tǒng)cad支撐平臺中導入鈑金雕塑的型面曲面模型；

第二步，依據(jù)型面分塊設計規(guī)則，通過型面分層分塊設計模塊，將第一步得到的曲面文件分割成為較小的曲面文件集合，并保存設計信息至xml數(shù)據(jù)文件中；具體步驟如下：

(1)建立型面分塊設計數(shù)學模型

以status{face，edge，vertex}來表示雕塑型面曲面，其中face為其拓撲面對象，edge為其邊線對象；vertex為其頂點對象；以s{s1,s2,s3……}表示曲面塊集合；以p{p1,p2,p3……}表示基準面集合；

(2)建立型面分塊設計數(shù)學公式

曲面塊集合s{s1,s2,s3……}為設計目標，鈑金雕塑的型面曲面實體status{face，edge，vertex}，分塊邊界基準面集合p{p1,p2,p3……}為設計基本要素，約束條件即分塊邊界基準面為曲面塊邊界，約束方程式如下：

s{s1,s2,s3……}＝(status，p，c(status，p))

第三步，以第二步完成分割的小曲面文件為設計基礎，進行型面相交線設計與處理，并將完成處理的特證曲線輸出成為單獨的曲線文件；具體步驟如下：

(1)建立特征曲線設計數(shù)學模型

si{face，edge，vertex}來表示雕塑型面曲面塊，其中face為其拓撲面對象，edge為其邊線對象；vertex為其頂點對象；以pc{pc1,pc2,pc3……}表示基準面集合；以curve{curve1,curve2,curve3……}表示特征曲線集合；

特征曲線集合curve{curve1,curve2,curve3……}為設計目標，雕塑型面曲面塊si{face，edge，vertex}，特征曲線基準面集合pc{pc1,pc2,pc3……}為設計基本要素，約束條件為雕塑型面曲面塊與特征曲線基準面相交，約束方程式如下：

curve{curve1,curve2,curve3……}＝(si，pc，c(si，pc))

第四步，以第三步產(chǎn)生的單獨曲線文件為設計基礎，將曲線導入三維cad環(huán)境當中，進行曲線偏置，完成型面鋼架截面草圖設計，并記錄偏置曲線端點坐標，保存至xml數(shù)據(jù)文件中，完成型面鋼架實體拉伸建模設計；具體步驟如下：

(1)建立型面鋼架實體建模設計數(shù)學模型

framei來表示型面鋼架實體模型；curvei來表示特征曲線；curvei’來表示特征曲線偏置曲線；w來表示特征曲線偏置距離；h來表示型面鋼架厚度；

(2)建立特征曲線偏置設計數(shù)學公式

curvei’為設計目標，curvei和w為設計基本要素，約束條件為將特征曲線偏置w距離，約束方程如下：

curvei’＝{curvei,cd1(curvei,w,)}

(3)建立封閉截面封閉設計數(shù)學公式

line1和line2來表示特征曲線和偏置曲線兩端點連接直線段

line1和line2為設計目標，curvei和curvei’為設計基本要素，約束條件為連接特征曲線和偏置曲線兩端點，約束方程如下：

line1＝{curvei,curvei’,ct1(curvei,curvei’,)}

line2＝{curvei,curvei’,ct2(curvei,curvei’,)}

(4)建立實體拉伸建模設計數(shù)學公式

framei為設計目標，curvei、curvei’、line1、line2和h為設計基本要素，約束條件為將截面草圖拉伸h距離，具體約束公式如下：

framei＝{curvei,curvei’,line1,line2,cd2(h)}

(5)將端點數(shù)據(jù)寫入xml數(shù)據(jù)文件中；

第五步，將第四步中產(chǎn)生的型面鋼架實體模型進行裝配檢查，對于由于曲線默認偏置方向有誤而造成型面鋼架建模方向錯誤的型面鋼架，改變曲線偏置方向重新執(zhí)行第四步操作，并更新偏置曲線端點數(shù)據(jù)xml文件；

第六步，根據(jù)第四步中保存的偏置曲線端點位置坐標xml文件數(shù)據(jù)，對第四步中產(chǎn)生的型面鋼架實體拉伸模型進行位置干涉判斷，對需要形狀修補的端面位置進行修補；具體步驟如下

(1)根據(jù)型面鋼架實體模型的特征曲線端點坐標數(shù)據(jù)在偏置曲線端點數(shù)據(jù)xml文件中尋找相應的偏置曲線端點坐標數(shù)據(jù)；

(2)根據(jù)xml文件中記錄的端點數(shù)據(jù)與型面鋼架實體模型中特征曲線端點和偏置曲線端點構成的三角形對型面鋼架實體進行切除操作，如果操作結果為true，則進行步驟(3)，如果操作結果為false則進行步驟(4)；

(3)對第(2)步中切除結果為true的結果，將xml文件中記錄的端點數(shù)據(jù)與型面鋼架實體模型中特征曲線端點和偏置曲線端點構成的三角形進行擴展繼續(xù)對型面鋼架實體模型進行切除；

(4)對于第(2)步中切除結果為false的結果，根據(jù)xml文件中記錄的端點數(shù)據(jù)與型面鋼架實體模型中特征曲線端點和偏置曲線端點構成的三角形對型面鋼架實體進行拉伸修補操作；

根據(jù)第五步中完成端面形狀修補的型面鋼架實體模型，對端面位置進行端面連接螺栓孔設計；具體步驟如下：

(1)建立端面連接螺栓孔設計數(shù)學模型

bolth來表示端面連接螺栓孔，p1、p2來表示端面頂點，l1、l2、l3表示端面螺栓孔中心坐標位置約束尺寸，l,d來表示端面連接螺栓孔形狀尺寸數(shù)據(jù)；

bolth為設計目標，p1、p2、l1、l2、l3、l、d為基本要素，設計約束為尺寸和形狀約束；具體設計公式如下：

bolth＝{p1,p2,c(p1,p2,l1,l2,l3,l,d)}

第八步，根據(jù)第七步完成端面螺栓孔設計的型面鋼架實體模型，進行型面鋼架切槽、分割與刻字設計，并將設計過程實時記錄于數(shù)據(jù)文件當中；具體步驟如下：

(1)建立型面鋼架切槽、分割與刻字設計數(shù)學模型

line為特征直線；curvei來表示特征曲線；curvei’來表示特征曲線偏置曲線；pz為水平基準面；w為偏置距離；h為種釘孔位置尺寸；l及d為種釘孔形狀尺寸；hl為分割位置尺寸；hl為刻字位置尺寸；

(2)特征點計算公式

pc(x,y,z)＝{curve,line,ct(curve,line)}

pc’(x,y,z)＝{curve’,,line,ct(curve’,,line)}

(3)特征向量計算公式

(4)種釘孔設計公式

bzz＝{curve,pz,c(curve,w/2),c(pz,h,l,d)}

(5)分割位置設計公式

{pl1,pl2}＝{curve,curve’,c(pz,curve,hl),c(pz,curve’,hl)}

6)刻字位置設計公式

{pt1,pt2}＝{curve,curve’,c(pz,curve,ht),c(pz,curve’,ht)}

中斷記錄；

第九步，將第八步完成的型面鋼架實體模型進行裝配，在裝配環(huán)境中進行干涉檢查，將檢查結果輸出至excel報表中；并可以在裝配環(huán)境測量安裝關鍵點坐標；

第十步，根據(jù)第九步干涉檢查結果，在裝配體環(huán)境中，對存在干涉情況的型面鋼架通過劃線切割的方式進行切槽設計，解決干涉問題，并將修改結果保存至零件；

第十一步，根據(jù)第十步中的修改結果，輸出零件二維工程圖文件，工作完成。

本發(fā)明的有益效果是：

本發(fā)明所述的一種鈑金雕塑型面鋼架的智能設計系統(tǒng)以及設計方法，能夠有效的提高設計速度，大大減輕設計者的設計工作量，出錯率低，工作效率高。

附圖說明

圖1是表示本發(fā)明鈑金雕塑型面鋼架智能設計系統(tǒng)的結構示意圖。

圖2是表示本發(fā)明鈑金雕塑型面鋼架設計方法的工作以及數(shù)據(jù)流程示意圖。

圖3是表示本發(fā)明應用實例裝配效果圖。

圖4是表示本發(fā)明應用實例型面鋼架設計結果圖。

圖5是表示本發(fā)明應用實例工程圖設計結果圖。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施方式，進一步闡明本發(fā)明，應理解下述具體實施方式僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍。

圖1是顯示本發(fā)明的一個例子的鈑金雕塑型面鋼架只能設計系統(tǒng)的結構框圖。包括：cad支撐平臺、型面曲面分層分塊模塊，型面相交線設計與處理模塊、型面鋼架設計模塊、型面鋼架自動裝配模塊、型面鋼架干涉檢查模塊、型面鋼架裝配環(huán)境裁剪模塊、工程圖輸出模塊。

所述cad支撐平臺通過系統(tǒng)管理和型面曲面分層分塊模塊，型面相交線設計與處理模塊、型面鋼架設計模塊、型面鋼架自動裝配模塊、型面鋼架干涉檢查模塊、型面鋼架裝配環(huán)境裁剪模塊、工程圖輸出模塊控制各個模塊之間以及各個模塊和數(shù)據(jù)文件之間的數(shù)據(jù)傳遞。

所述型面分層分塊模塊，完成雕塑型面曲面的分層分塊設計，并將分塊信息記錄至xml數(shù)據(jù)文件中；

所述型面相交線設計與處理模塊，依據(jù)型面分層分塊模塊的設計結果，完成型面相交線的設計，并完成型面相交線的干涉項處理，復雜曲線向多段線轉換；其型面相交線子模塊以鈑金雕塑型面曲面和型面曲面分層分塊結果為基礎，通過按照設計規(guī)則建立的一系列設計基準面與之相交，求得型面相交線曲線；其主曲線提取子模塊，對型面相交線設計子模塊的設計結果進行處理，使用廣度優(yōu)先遍歷算法對型面相交曲線進行處理，對相交曲線所有組成元素進行遍歷搜索，依據(jù)鈑金雕塑的外形特征，對組成元素進行分析，將無用分支以及孤立圖形剔除，保留主曲線作為型面鋼架設計特征曲線；其復雜曲線多段線轉換子模塊，將主曲線提取子模塊之處理結果，采用插值法，將復雜曲線轉換成為由直線段和圓弧段組成的多段線；其轉換精度分析子模塊，將特征曲線轉換成為的多段線與原曲線進對比，分析轉換產(chǎn)生的誤差，并統(tǒng)計出誤差最大值，以備轉換結果分析。

所述型面鋼架設計模塊，依據(jù)型面相交線模塊的設計結果，采用偏置曲線的方式完成型面鋼架的截面圖形設計，通過拉伸建模的方式完成型面鋼架的實體模型設計，并將數(shù)據(jù)信息寫入xml數(shù)據(jù)文件當中，依據(jù)型面端面數(shù)據(jù)對型面鋼架進行端面偏差修正，根據(jù)數(shù)據(jù)模型計算結果完成型面鋼架的槽孔設計，完成型面鋼架的分割與刻字設計；其型面鋼架實體拉伸建模設計子模塊，以特征曲線轉換成為的多段線為基礎，將之進行偏置處理，完成型面鋼架的截面草圖設計，通過拉伸建模的方式完成型面鋼架的實體建模設計，并輸出型面鋼架端面數(shù)據(jù)以用來對端面誤差進行修正設計；其型面鋼架接頭誤差修正與端面螺栓孔設計子模塊，以端面數(shù)據(jù)為設計基礎，對產(chǎn)生端面誤差的型面鋼架自動進行誤差修正設計，并依據(jù)修正設計結果完成端面連接螺栓孔設計；其型面鋼架配合槽與種釘孔設計子模塊，依據(jù)型面鋼架的數(shù)學模型，計算出型面鋼架配合槽與種釘孔的位置數(shù)據(jù)以及形狀主句，完成配合槽與種釘孔的界面草圖設計，通過拉伸切除的方法完成型面鋼架配合槽與種釘孔設計；其型面鋼架分割與刻字子模塊，完成對尺寸較大的型面鋼架的分割與刻字設計，將尺寸過大不易進行加工的型面鋼架切割成為較小尺寸的型面鋼架，并依據(jù)型面鋼架的位置規(guī)則對型面鋼架進行編號設計。

所述型面鋼架自動裝配模塊，依據(jù)型面鋼架設計模塊的設計結果，在三維環(huán)境中完成虛擬裝配工作，提供裝配環(huán)境以供設計者進行檢查與測量；

所述型面干架干涉檢查模塊，在總裝配體環(huán)境中，進行型面鋼架的裝配干涉檢查，并輸出檢查結果至excel報表中。

所述型面鋼架裝配環(huán)境裁剪模塊，依據(jù)干涉檢查結果，對未完成切槽的位置，通過劃線切割的方式完成修補工作。

所述工程圖輸出模塊以型面鋼架切槽設計模塊的結果為基礎，完成型面鋼架的二維加工工程圖設計，并完成批量導出。

本實例中，cad支撐平臺采用達索公司的三維cad建模軟件solidworks2012；數(shù)據(jù)文件為xml文件以及excel文件；工作站操作系統(tǒng)為微軟公司的windows7操作系統(tǒng)。

圖2是本實例的設計方法的工作以及數(shù)據(jù)流程示意圖，如圖所示：

第一步，將鈑金雕塑的型面曲面導入至cad支撐平臺中；

第二步，輸入型面分分層分塊設計規(guī)則，采用曲面裁剪的方式完成型面分層分塊設計，設計結果保存至零件數(shù)據(jù)庫中，數(shù)據(jù)文件保存至xml數(shù)據(jù)文件當中；

第三步，輸入型面相交線設計規(guī)則，以型面塊文件為設計基準，采用平面截取法完成型面相交線設計；

采用廣度優(yōu)先遍歷算法對型面相交線進行處理，剔除無用分支和孤立圖形；

采用多段線轉換的方式將復雜曲線轉換成為多段線；

第四步，輸入型面鋼架設計規(guī)則，包括型面鋼架尺寸規(guī)格，切槽設計規(guī)格，分割規(guī)則，刻字規(guī)格；采用偏置曲線的方法完成型面鋼架截面草圖設計，通過拉伸建模完成實體模型設計；并將端面數(shù)據(jù)記錄至xml數(shù)據(jù)文件；

通過讀取xml數(shù)據(jù)文件中端面數(shù)據(jù)，對型面鋼架接頭誤差進行修補，通過判斷誤差種類，分別對型面鋼架進行裁剪修補和補充修補；

通過對型面鋼架模型進行計算，得到端面連接螺栓孔的位置以及形狀尺寸，采用拉伸裁剪的方法完成端面連接螺栓孔設計；

通過對型面鋼架模型進行計算，得到配合槽的位置以及形狀尺寸，采用拉伸裁剪的方法完成配合槽設計；

通過對型面鋼架模型進行計算，得到型面鋼架分割槽的位置以及形狀尺寸，采用拉伸裁剪的方法完成型面鋼架分割設計；

通過對型面鋼架模型進行計算，得到型面鋼架刻字的位置以及形狀尺寸，采用拉伸裁剪的方法完成型面鋼架編號設計；

進行型面鋼架設計中斷記錄；

第九步，將完成初步設計的型面鋼架實體模型進行組裝，在裝配環(huán)境中進行干涉檢查，將檢查結果輸出至excel報表中；圖3為應用實例裝配效果圖；

第十步，根據(jù)第九步干涉檢查結果，在裝配體環(huán)境中，對存在干涉情況的型面鋼架通過劃線切割的方式進行切槽設計，解決干涉問題，并將修改結果保存至零件；圖4為應用實例型面鋼架設計結果圖；

第十一步，根據(jù)第十步中的修改結果，輸出零件二維工程圖文件，工作完成；圖5為應用實例工程圖設計結果圖。