基于零件三維模型的可制造性分析技術(shù)研究

張 軍 邰艷芳

（首都航天機(jī)械公司，北京 100076）

引言

產(chǎn)品生命周期的源頭是設(shè)計(jì)模型，因此，產(chǎn)品設(shè)計(jì)模型的結(jié)構(gòu)往往決定著制造過程的組織方式和實(shí)施難度，一個(gè)經(jīng)過制造性分析和優(yōu)化的設(shè)計(jì)模型往往能大大降低產(chǎn)品的制造成本和周期。然而在傳統(tǒng)的產(chǎn)品開發(fā)過程中，設(shè)計(jì)和制造經(jīng)常是分離的，設(shè)計(jì)人員往往主要考慮產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和功能方面的要求，而對(duì)于產(chǎn)品在后續(xù)制造過程中可能出現(xiàn)的問題并未或者無法進(jìn)行全面分析。

在設(shè)計(jì)建模過程中直接進(jìn)行工藝性分析或者制造性分析一直存在技術(shù)難題，主要原因有以下兩方面。一方面，由于在實(shí)際制造過程中，取得同一制造結(jié)果的工藝過程和方法的實(shí)現(xiàn)具有多種途徑，而選擇最優(yōu)、最合適的方法則需要一定的工藝經(jīng)驗(yàn)。因此，對(duì)于同一個(gè)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，不同的工藝人員依賴于個(gè)人經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)有制造資源條件可能得出不同的制造工藝方案。另一方面，在進(jìn)行產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)模型的基本組成元素是點(diǎn)、線、面等幾何拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，即使是三維模型也是采用拉伸、旋轉(zhuǎn)等建模特征，這都與制造工藝的出發(fā)點(diǎn)——制造特征（如車加工外圓面、磨加工平面、鉆孔等）相差甚遠(yuǎn)。

為解決上述問題，本文提出一種在設(shè)計(jì)三維模型上進(jìn)行制造特征識(shí)別，然后進(jìn)行可制造性分析的方法，即以三維設(shè)計(jì)模型為對(duì)象，通過一些計(jì)算機(jī)算法和檢索規(guī)則，自動(dòng)識(shí)別出模型上所有可能存在的制造特征，從而建立工藝模型，再根據(jù)可制造性知識(shí)庫和規(guī)則庫，對(duì)模型進(jìn)行分析，找出結(jié)構(gòu)缺陷和優(yōu)化建議，從而便于設(shè)計(jì)修改和優(yōu)化模型，提高產(chǎn)品的可制造性。

1 制造特征分類

進(jìn)行制造特征的定義與分類，既要考慮特征識(shí)別所需要的幾何拓?fù)湫畔⒁约熬鹊刃畔?，又要考慮實(shí)際加工條件。本文中將制造特征分為基礎(chǔ)特征和復(fù)合特征兩個(gè)層次?；A(chǔ)特征形狀簡單，無需人工定義，便于在識(shí)別過程中提高效率；復(fù)合特征需要考慮各種復(fù)雜形狀（如圓角、臺(tái)階、特征相交情況等），需要人工進(jìn)行擴(kuò)展定義，便于識(shí)別復(fù)雜特征和實(shí)現(xiàn)柔性化。

（1）基礎(chǔ)特征層?；A(chǔ)特征是通過一種或一系列加工方法加工出來并具有相對(duì)簡單形狀的基礎(chǔ)特征，包括通孔、盲孔、開闊平面、非開闊平面、圓柱曲面、自由曲面、簡單腔與簡單槽八種，其分類如圖1所示。

圖1 基礎(chǔ)特征分類

（2）復(fù)合特征層。復(fù)合特征層中分為三大類特征類型：腔槽類、孔類和輪廓類。每一大類特征將采用統(tǒng)一識(shí)別算法。每種大類特征下面的具體特征的區(qū)別在于對(duì)特征的參數(shù)定義不同。腔槽類通過對(duì)參數(shù)的定義，可以擴(kuò)展出復(fù)雜腔特征、鍵槽特征、臺(tái)階特征、T型槽特征等具有相似幾何拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的特征；孔類特征可以擴(kuò)展出多段通孔、多段盲孔、沉頭孔、埋頭孔、孔系等具有孔形狀的相似特征；輪廓特征可以擴(kuò)展出外輪廓、內(nèi)輪廓、通槽、通腔等具有相似幾何拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的特征。其分類如圖2所示。

圖2 復(fù)合特征分類

2 基于多種信息的特征識(shí)別過程

為了進(jìn)行徹底的特征識(shí)別和得到完整的工藝模型，需要在以下兩方面進(jìn)行技術(shù)突破：（1）特征識(shí)別過程中必須在幾何拓?fù)湫畔⒒A(chǔ)上，識(shí)別設(shè)計(jì)模型中附屬的尺寸精度、形位公差等信息，完整地保留設(shè)計(jì)的意圖；（2）在完整保留設(shè)計(jì)信息的基礎(chǔ)上再融入制造信息，比如回轉(zhuǎn)體一般用車床，而如果精度較高且條件具備還可以采用外圓磨床，再比如內(nèi)孔可以根據(jù)尺寸精度和設(shè)備資源，采用鉆床或銑床進(jìn)行加工。這樣建立的加工特征模型，不僅更加符合現(xiàn)有制造條件，而且在此基礎(chǔ)上還可以方便地進(jìn)行工藝性分析和評(píng)價(jià)。

加工特征的建模過程如圖3所示，在獲得零件設(shè)計(jì)模型后，首先需要對(duì)模型進(jìn)行加工屬性的設(shè)置，包括零件的材料、批量等管理信息和機(jī)床設(shè)備、刀具方向等制造信息，并從模型中提取出加工面和非加工面等信息。接著在特征識(shí)別過程中，要充分結(jié)合識(shí)別規(guī)則和產(chǎn)品設(shè)計(jì)模型中的幾何結(jié)構(gòu)，以及尺寸精度、形狀位置精度、表面光潔度等信息，在特征識(shí)別過程中建立特征關(guān)系樹模型。特征識(shí)別完成后結(jié)合加工方法、加工參數(shù)等工藝信息對(duì)特征進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)，建立特征加工單元。最后在這些信息和數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上建立加工特征模型。

圖3 集合多種信息的特征識(shí)別過程

3 特征自動(dòng)識(shí)別技術(shù)

特征識(shí)別的過程就是利用一定規(guī)則對(duì)三維模型上的幾何拓?fù)湓剡M(jìn)行遍歷檢索，并將符合規(guī)則的幾何元素信息集合在一起，形成制造特征列表的過程。由于特征的自動(dòng)識(shí)別過程減少了人工參與，因此，如何減少特征誤識(shí)別和不必要的識(shí)別是必須注意的問題。在自動(dòng)識(shí)別算法中可以通過以下幾個(gè)手段來優(yōu)化程序的算法。

（1）自動(dòng)識(shí)別前定義產(chǎn)品可能的裝夾位置和方向，識(shí)別加工面和非加工面，例如一個(gè)正方形零件，在裝夾側(cè)面后，刀具就只能加工上表面和側(cè)表面，底面則為非加工表面，識(shí)別時(shí)自動(dòng)跳過底面而無需再進(jìn)行識(shí)別。

（2）自動(dòng)識(shí)別過程中采用逐面掃略搜索的方法，即先對(duì)所有表面搜索一遍，判定是否符合某種特征，若符合則將該面定義為起始面，同時(shí)將所有與起始面有關(guān)聯(lián)且符合同一特征的面搜索出來，共同組成該特征的所有表面。

（3）在搜索同一特征的面的過程中，需將起始面從同一特征的待搜索面列表中刪除，這樣可以減少不必要的搜索和判定，提高程序運(yùn)行的效率。

（4）在搜索同一特征的面的過程中，每當(dāng)一個(gè)面通過判定屬于特征面且屬于同一個(gè)特征面后，就將該面從待搜索的起始面列表中剔除，這樣可以避免重復(fù)計(jì)算。例如以f1為起點(diǎn)，識(shí)別出f2/f3均為同一個(gè)臺(tái)階特征后，避免再以f2為起點(diǎn)，識(shí)別出f1/f3為另一個(gè)臺(tái)階特征。

根據(jù)以上原則，本文采用的特征自動(dòng)識(shí)別算法的流程圖如圖4所示。

圖4 自動(dòng)識(shí)別算法流程

4 可制造性分析技術(shù)

在設(shè)計(jì)模型上進(jìn)行特征識(shí)別與可制造性分析的過程如圖5所示。從圖5中可以看出，輸入信息是經(jīng)過特征識(shí)別建立的零件工藝模型，而核心過程是對(duì)產(chǎn)品的可制造性分析，其主要依據(jù)來自兩方面：（1）利用制造工藝產(chǎn)生的規(guī)則庫，例如孔不宜在斜面打孔、圓柱曲面的長徑比不宜過大等；（2）企業(yè)制造資源形成的知識(shí)庫，主要是指企業(yè)的設(shè)備加工能力，例如刀具的最小加工半徑、最高加工精度等。在實(shí)際環(huán)境中，企業(yè)的制造資源是不斷變化的，而制造工藝也在不斷進(jìn)行革新。因此，可制造性分析系統(tǒng)必須具有相應(yīng)的柔性化和擴(kuò)展性特征，以適應(yīng)這些變化?？芍圃煨苑治龅慕Y(jié)果一方面可以將不合理結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)修改方案反饋到零件設(shè)計(jì)過程，另一方面可以將產(chǎn)品可制造性檢測(cè)中得到的加工難點(diǎn)向下游的工藝安排等環(huán)節(jié)進(jìn)行信息預(yù)發(fā)布，以便相關(guān)環(huán)節(jié)進(jìn)行相應(yīng)的制造資源準(zhǔn)備。

圖5 可制造性分析功能

可制造性分析規(guī)則是對(duì)制造特征進(jìn)行可制造性檢查的法則，每一類特征都有適用于自身的特征規(guī)則，例如針對(duì)通孔特征，孔的深徑比（深度和直徑的比例）不可過大、孔的直徑應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)尺寸、盲孔的底面不應(yīng)為平面等；針對(duì)平面特征，面積過大的平面加工精度不應(yīng)該過高等；針對(duì)腔體特征，腔的側(cè)壁與底面夾角不應(yīng)該為銳角等等。

零件可制造性規(guī)則有很多種，從其影響因素角度講，可以從材料知識(shí)、毛坯、工藝方法、結(jié)構(gòu)工藝性、尺寸與基準(zhǔn)、容差與設(shè)備制造能力等方面設(shè)立可制造性知識(shí)規(guī)則，如表1所示。

表1 可制造性影響因素

針對(duì)表1中每一類可制造性影響因素，都可以細(xì)化出很多詳細(xì)的可制造性規(guī)則，例如基于結(jié)構(gòu)工藝性的可制造性規(guī)則，如表2所示。

表2 基于結(jié)構(gòu)工藝性的可制造性規(guī)則

5 結(jié)論

在總結(jié)傳統(tǒng)特征識(shí)別方法的基礎(chǔ)上，提出了將制造特征分為基礎(chǔ)特征層和復(fù)合特征層的特征分類方法和集合多種信息的特征識(shí)別流程，通過特征自動(dòng)識(shí)別建立零件工藝模型，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行可制造性分析技術(shù)研究。

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