三維工藝設(shè)計(jì)中的工藝模型創(chuàng)建方法

黃豐云，劉小磊，徐勁力，劉偉騰

（武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430070）

1 引言

近年來(lái)，隨著三維CAD 和基于模型定義（Model Based Definition，MBD）數(shù)字化制造技術(shù)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)的二維工藝設(shè)計(jì)方法因其設(shè)計(jì)效率低、不可視、易出錯(cuò)、不穩(wěn)定等問(wèn)題，已無(wú)法適應(yīng)數(shù)字化發(fā)展的大環(huán)境，而基于MBD 的三維工藝設(shè)計(jì)已成為數(shù)字化制造發(fā)展的新趨勢(shì)[1]。三維計(jì)算機(jī)輔助工藝設(shè)計(jì)（Computer Aided Process Planning，CAPP）用集成的設(shè)計(jì)MBD 模型來(lái)完整表達(dá)產(chǎn)品設(shè)計(jì)信息，并將其作為工藝設(shè)計(jì)中的唯一數(shù)據(jù)來(lái)源；同時(shí)為工藝設(shè)計(jì)人員展現(xiàn)了一個(gè)可視化的三維工藝設(shè)計(jì)環(huán)境，這將大大提高工藝設(shè)計(jì)的質(zhì)量和效率，實(shí)現(xiàn)工藝設(shè)計(jì)模式由二維向三維的轉(zhuǎn)型[2]。

工序MBD 模型作為三維工藝設(shè)計(jì)最終輸出的工藝參考文件，學(xué)者們提出了一系列工序模型創(chuàng)建方法。文獻(xiàn)[3]通過(guò)NXWAVE 技術(shù)，以時(shí)間戳為標(biāo)記，實(shí)現(xiàn)工序模型自頂向下參數(shù)化建模，但是工序的順序難以實(shí)現(xiàn)柔性化調(diào)整。接著文獻(xiàn)[4]通過(guò)NX/CAM 數(shù)控加工仿真模塊來(lái)建立工序MBD 模型，但該方法未實(shí)現(xiàn)工序模型的參數(shù)化創(chuàng)建，創(chuàng)建效率低下。文獻(xiàn)[5]采用體分解的識(shí)別方法獲取最大加工特征，包括含有復(fù)雜曲面的筋特征的識(shí)別，進(jìn)而獲取工序模型，但其無(wú)法自動(dòng)獲取工藝信息與切削參數(shù)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的工藝規(guī)劃。文獻(xiàn)[6]在建立加工工藝信息與建模信息之間的映射關(guān)系的基礎(chǔ)上，對(duì)模型特征及其關(guān)聯(lián)的工藝設(shè)計(jì)信息進(jìn)行分組，研究了中間工序模型的定義與逆向生成技術(shù)；但該方法中特征分類繁瑣，未實(shí)現(xiàn)建模方法的通用，模型創(chuàng)建效率較低。

前人將創(chuàng)建的工序MBD 模型作為最終的工藝參考文件，普遍存在工序模型可讀性及建模通用性差，生成效率低的問(wèn)題。因此，針對(duì)機(jī)械加工零件，將制造特征體和工序MBD 模型的集合體即工藝MBD 模型作為工藝參考文件，提出一種基于半空間相交法的工藝模型創(chuàng)建方法，詳細(xì)闡述了工藝MBD 模型的定義及創(chuàng)建方法，并進(jìn)行了示例驗(yàn)證。

2 工藝MBD 模型的相關(guān)定義與求解

機(jī)械加工零件的制造過(guò)程由一系列連續(xù)的加工工序組成，工序模型是指機(jī)械產(chǎn)品從最初的毛坯形態(tài)到最終成品過(guò)程中反映零件模型中間加工過(guò)程的模型狀態(tài)，工序模型形象地表達(dá)了零件在生產(chǎn)制造過(guò)程中各工序變化的情況。各工序的共同特點(diǎn)是從上一個(gè)工序模型中切除材料并生成加工特征，各道工序去除的材料體積即為制造特征體。制造特征體能夠清楚地表達(dá)所切除材料模型的幾何信息，工藝設(shè)計(jì)人員可以方便地標(biāo)注所去除材料體積的參數(shù)、位置與方向等信息，這對(duì)加工人員快速獲取加工信息，縮短零件的制造周期有積極意義。

因此可將工序模型和制造特征體兩者結(jié)合，共同來(lái)定義各道工序的加工信息，定義工序間模型（In-Process Model，IPM）由該工序的工序模型（Working Procedure Model，WPM）與制造特征體（Manufacturing Feature Volume，MFV）兩部分組合而成，根據(jù)工序加工內(nèi)容的不同，一道工序可能包含有多個(gè)制造特征體。因此，工序間MBD 模型可表示如下：

工序間MBD 模型的創(chuàng)建方法有修訂式和創(chuàng)成式兩種。采用修訂式中的逆向創(chuàng)建方法，即將設(shè)計(jì)模型反補(bǔ)形成毛坯，本道工序的工序模型由后一道工序的工序模型通過(guò)建模操作得到。對(duì)于具有n道工序的機(jī)加工過(guò)程，將工序模型和制造特征體定義如下：

定義基于逆向生成的三維工序模型表示（n+1）元序組WPM，制造特征體為n元序組MFV

式中：1≤k≤n；WPMn—零件最終設(shè)計(jì)模型；WPMk—第k 道工序的工序模型；WPM0—毛坯模型；WPVk—第k道工序的制造特征體集合。

在幾何建模上，第j道工序的工序模型WPMj為設(shè)計(jì)模型與該工序之后所有制造特征體的布爾加運(yùn)算，即：

將最終需要輸出的工藝參考文件即工藝MBD 模型（Process Model，PM）定義為最終狀態(tài)的設(shè)計(jì)MBD 模型（DM）、最初狀態(tài)的毛坯模型（BM）、工序間MBD 模型（IPM）以及工藝信息（PI）的集合。一個(gè)零件的加工工藝對(duì)應(yīng)著一個(gè)工藝MBD 模型，工藝MBD模型可表示如下：

式中：1≤i≤n，1≤j≤n，1≤k≤m，n—工序數(shù)；m—每道工序的制造特征體數(shù)；PM—工藝MBD 模型；DM—設(shè)計(jì)MBD 模型；BM—毛坯模型；IPMi—第i道工序所對(duì)應(yīng)的工序間MBD 模型；PIi—第i道工序所對(duì)應(yīng)的工序MBD 模型中所屬的工藝信息。

3 工藝MBD 模型的創(chuàng)建

工藝MBD 模型的創(chuàng)建即是制造特征體和工序模型的創(chuàng)建過(guò)程，以設(shè)計(jì)MBD 模型為數(shù)據(jù)源頭，對(duì)各道工序中的加工特征，進(jìn)行特征識(shí)別與工藝信息提取，結(jié)合參數(shù)化建模、改進(jìn)的半空間相交法和布爾運(yùn)算，依次創(chuàng)建制造特征體和工序模型，兩者的集合體即為最終的工藝MBD 模型。

3.1 特征分類與識(shí)別

方便快速地識(shí)別加工特征是創(chuàng)建工藝MBD 模型的前提，此次提出交互式和非交互式特征兩個(gè)概念。根據(jù)STEP 格式文件（一種由邊界表示（B-Rep）的中性文件）生成加工面鄰接圖（Manufacturing Face Adjacency Graph，MFAG），抑制過(guò)渡特征，生成新的加工面鄰接圖（New Manufacturing Face Adjacency Graph，NMFAG）。能夠從NMFAG 中直接配合預(yù)定義特征庫(kù)，根據(jù)圖同構(gòu)算法能識(shí)別出的特征即為非交互特征（Non-interacting Feature，NIF），如簡(jiǎn)單的孔、槽等特征。而需要對(duì)NMFAG 進(jìn)一步屬性分解，生成特征子圖（Feature Subgraph，F(xiàn)SG），再配合預(yù)定義特征庫(kù)，才能識(shí)別出的特征，即為交互特征（Interacting Feature，IF），這類特征相互作用，不直接與任何的特征模式匹配。

對(duì)于非交互特征利用參數(shù)化建模創(chuàng)建制造特征體，對(duì)于交互特征通過(guò)改進(jìn)的半空間（half-space）相交方法獲得其制造特征體[7]。接著將制造特征體與設(shè)計(jì)MBD 模型進(jìn)行布爾加運(yùn)算，獲得該道工序的工序模型，依此逆向建模方法實(shí)現(xiàn)所有工序模型的創(chuàng)建，最后通過(guò)NX 軟件中的PMI 標(biāo)注模塊將工藝信息附著于三維模型，從而獲得零件的工藝MBD 模型，創(chuàng)建流程，如圖1 所示。從圖中可以看出，工藝模型創(chuàng)建的數(shù)據(jù)源頭都是唯一的設(shè)計(jì)MBD模型，如此可保證工藝設(shè)計(jì)過(guò)程中數(shù)據(jù)的唯一性和準(zhǔn)確性。

圖1 工藝MBD 模型逆向創(chuàng)建流程Fig.1 Reverse Generation Process of Process MBD Model

3.2 制造特征體MFV 的創(chuàng)建

針對(duì)交互式與非交互式特征不同的屬性特點(diǎn)及生成方式，選取不同的方法獲取制造特征體。

某機(jī)加工零件P，根據(jù)其設(shè)計(jì)MBD 模型的設(shè)計(jì)意圖，如圖2所示。規(guī)定任何注有一定幾何公差、粗糙度等制造要求的面都是機(jī)加工面，未注工藝要求的都是鑄造面。同時(shí)定義兩種加工特征，面加工特征和體加工特征。對(duì)于單獨(dú)平面定義為面加工特征，其加工面為面加工特征面；對(duì)于臺(tái)階、槽等多面形成的特征，為體加工特征，組成面為體加工特征面。

以零件P為例，其制造特征體的創(chuàng)建步驟如下：

（1）對(duì)于非交互式特征，運(yùn)用基于屬性鄰接圖的特征識(shí)別方法[8]，快速識(shí)別非交互加工特征NIF，并通過(guò)參數(shù)化建模創(chuàng)建其4個(gè)制造特征體（模型1、2、3、4），如圖2（b）所示。

（2）過(guò)濾移除非交互式特征，得到簡(jiǎn)化的后續(xù)計(jì)算半零件模型FP，如圖2（c）所示。

（3）針對(duì)半零件模型FP，僅剩下交互式特征，獲得其加工面集MFi及鄰接面集AFj，并根據(jù)半空間相交方法，分別獲得半空間體H｛MFi｝和H｛AFj｝，則制造特征體（圖2（c）中模型5、6、7、8）為兩個(gè)半空間體的布爾交運(yùn)算，即MFVij=H｛MFi｝?H｛AFj｝。將獲得的制造特征體與半零件模型FP做布爾加運(yùn)算，即可獲得半毛坯模型HBM，即HBM=MFVij⊕FP。

（4）針對(duì)半毛坯模型HBM 的面加工特征面，沿其面的外法向偏置一個(gè)加工余量，獲得原始鑄造面及偏置體OV，最終的毛坯模型BM視為偏置體OV與半毛坯模型HBM 的布爾加運(yùn)算，即BM=HBM⊕OV，并獲得2 個(gè)制造特征體（偏置體9、10），如圖2（d）。最終制造特征體的集合，如圖2（f）所示。而且各制造特征體的創(chuàng)建過(guò)程是機(jī)加工的逆過(guò)程，即最先創(chuàng)建的制造特征體（如模型1、2、3、4）最后加工，最后創(chuàng)建的制造特征體（如偏置體9、10）最先加工，這就是制造特征體的逆向生成過(guò)程。

圖2 某機(jī)加工零件P 制造特征體創(chuàng)建過(guò)程Fig.2 Generation Process of MFV for Machining Part P

針對(duì)前面提到的半空間相交方法，將其應(yīng)用于不同類型的復(fù)雜特征，典型的是各種復(fù)雜的凹陷特征（包括臺(tái)階、凹槽等交互特征），其制造特征體的創(chuàng)建流程闡述如下：

普通凹陷特征的制造特征體創(chuàng)建。針對(duì)圖3（a）所示普通凹陷特征，將其加工面標(biāo)記為MFi（i=1，2，3，4，5）"，凹陷的鄰接面標(biāo)記為AFj（j=1，2，3，4）"，通過(guò)共同的入射邊緣[9]構(gòu)造凹陷特征的最大連通集，即通過(guò)延伸加工面和鄰接面，獲得半空間體Hi和Hj。圖3 中，實(shí)線邊框表示加工面的延伸面，其正向均為遠(yuǎn)離材料側(cè)，虛線邊框表示鄰接面的延伸面，其正向均指向材料側(cè)，這樣可保證兩個(gè)半空間體相交為封閉空間。半空間體用面的集合來(lái)表示，形式為Hi=｛MFi|i=1，2，3，4，5｝，Hj=｛AFjj=1，2，3，4｝。兩個(gè)半空間體的相交部分即為特征的布爾交運(yùn)算，表示為MFVij=Hi?Hj，即為制造特征體。帶凸臺(tái)的凹陷特征制造特征體創(chuàng)建。針對(duì)圖3（b）所示帶低凸臺(tái)的凹陷特征，其凸臺(tái)高度低于凹陷深度，稱為帶低凸臺(tái)的凹陷特征，運(yùn)用前面所述的半空間相交法，可快速獲得制造特征體。而針對(duì)圖3（c）所示的凹陷特征，其凸臺(tái)高度高于凹陷深度，稱為帶高凸臺(tái)的凹陷特征，運(yùn)用前面所述的半空間相交法，獲得制造特征體，但其無(wú)法完全包圍加工面MFi（i=6，7，8，9，10），所創(chuàng)建的制造特征體為不完全的。故提出一種改進(jìn)的半空間相交法，對(duì)于高于鄰接面的加工面MF6，將其定義為凹陷特征的鄰接面AF7，而將鄰接面AF3、AF4定義為凹陷特征的加工面MF1、MF2，如圖3（d）所示。延伸加工面和鄰接面，獲得半空間體Hi=｛MFi|i=1，2，…，11｝和Hj=｛AFj|j=1，2，…，7｝，則可得到制造特征體MFVij=Hi?Hj。

圖3 制造特征體的創(chuàng)建Fig.3 Generationof MFV

3.3 工序模型與工藝模型的創(chuàng)建

根據(jù)前面提到的工序模型的逆向生成流程，將后一道工序的工序模型WPMi+1和制造特征體MFVi+1進(jìn)行布爾加運(yùn)算，可得到前一道工序的工序模型WPMi，即WPMi=WPMi+1⊕MFVi+1。據(jù)此，可從零件設(shè)計(jì)模型開始，逆向依次生成制造特征體和工序模型，直至毛坯模型創(chuàng)建完成。針對(duì)創(chuàng)建完成的制造特征體和工序模型，再將工藝設(shè)計(jì)信息附著在各個(gè)模型上，則可形成工藝MBD模型的集合體。相對(duì)于工序模型，工藝MBD 模型可實(shí)現(xiàn)加工參數(shù)、位置與方向的直觀表達(dá)，提高工藝模型的可讀性。

4 工藝模型創(chuàng)建實(shí)例分析

根據(jù)以上所述方法，基于Visual Studio 2012 和NX 10.0 開發(fā)平臺(tái)，利用NX/Open 開發(fā)工具及C++語(yǔ)言，開發(fā)了一個(gè)集成化的三維CAPP 系統(tǒng)，某汽車后橋差速器殼零件工藝MBD 模型創(chuàng)建界面，如圖4 所示。三維工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)主要由特征識(shí)別、加工元生成、加工元聚類與工序排序和工藝生成四個(gè)功能模塊組成。工藝生成模塊生成的工藝信息以工藝信息樹的形式展現(xiàn)，包括每道工序的工藝MBD 模型、工序模型、制造特征體、加工條件和工步信息等。其中圖4 展示的是最終形成的工藝信息樹及工藝MBD模型，從工藝MBD 模型可以準(zhǔn)確快速獲取制造特征體、工序MBD 模型及其標(biāo)注的加工參數(shù)、工藝設(shè)計(jì)信息等。

圖4 某汽車后橋差速器殼工藝模型創(chuàng)建Fig.4 Process Model Generation for Vehicle Rear Axle Differential Housing

5 結(jié)論

基于MBD 技術(shù)的機(jī)加工零件三維工藝設(shè)計(jì)方法是目前數(shù)字化制造領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)，而工藝模型的創(chuàng)建則是三維工藝設(shè)計(jì)中的難點(diǎn)技術(shù)。提出采用基于半空間相交法的工藝模型創(chuàng)建方法，快速準(zhǔn)確地逆向生成制造特征體和工序模型，達(dá)到生成可讀性更強(qiáng)的工藝MBD 模型的目的，并將其作為一種三維可視化的工藝參考文件輸出保存。該方法將大大提高工藝設(shè)計(jì)的質(zhì)量和效率，實(shí)現(xiàn)工藝設(shè)計(jì)模式由二維向三維的轉(zhuǎn)型，為工程技術(shù)人員及研究者提供技術(shù)參考。而為了更好的驗(yàn)證所生成工藝MBD 模型的可行性與準(zhǔn)確性，需對(duì)工藝路線進(jìn)行數(shù)字化仿真，反饋工藝設(shè)計(jì)的效果，因此如何實(shí)現(xiàn)CAD/CAPP/CAM 的高度集成，將是下一階段的研究方向。