基于特征的三維工序模型自動生成技術(shù)的研究與應(yīng)用＊

曾芬芳 鄭志鎮(zhèn)

（①華中科技大學(xué)機械科學(xué)與工程學(xué)院，湖北武漢 430073；②武漢開目信息技術(shù)股份有限公司，湖北武漢 430000）

計算機輔助工藝規(guī)劃設(shè)計,一直是制造業(yè)信息化的重要技術(shù)之一。隨著以產(chǎn)品3D模型為基礎(chǔ)的數(shù)字化設(shè)計與制造技術(shù)的廣泛應(yīng)用，基于產(chǎn)品3D模型進行工藝設(shè)計與優(yōu)化、工藝過程可視化表達已成為企業(yè)的迫切需求[1]。在三維零件加工工藝規(guī)劃系統(tǒng)中三維工序模型的自動生成是一項非常重要的技術(shù)，它在3D產(chǎn)品設(shè)計與生產(chǎn)制造之間轉(zhuǎn)化和傳遞信息，是數(shù)字化制造技術(shù)的關(guān)鍵內(nèi)容。工序模型的生成方法主要有基于CAD的逆序生成法和正序生成法，基于CAD的三維工序模型逆序生成法的原理是根據(jù)加工工藝過程，以零件模型作為最后一道工序的工序模型，逐步添加余量體積逆序生成工序模型，最終形成毛坯模型[2-3]，工序模型生成過程中余量體積一般通過參數(shù)驅(qū)動源模型或手動建模方式完成，工序模型與工藝內(nèi)容的一致性靠建模者保證；基于CAD的工序模型正序生成是按加工順序依次生成每道工序的工序模型[4-5]。近年來基于切削體的研究取得了一些成果：如張焱提出了一種基于加工特征分類與映射的三維工序模型生成方法和面向加工特征的數(shù)控自動編程方法,開發(fā)了三維工序模型自動生成及NC自動編程系統(tǒng)[6]。吳康祥提出了基于切削體分解與優(yōu)化組合的加工特征識別技術(shù),構(gòu)建了車削加工特征分類方案并提出了基于車削特征描述子的車削特征匹配方法[7]。趙鵬提出一種切削體分解組合策略,探討特征識別過程中設(shè)計、工藝信息轉(zhuǎn)換,以實現(xiàn)工藝特征智能化識別[8]。張賀等采用毛坯與零件模型的布爾運算獲取切削體和加工單元體組，通過加工特征映射方法實現(xiàn)加工單元體與加工工序的關(guān)聯(lián)，最后生成三維工序模型[9]。本文在上述研究成果基礎(chǔ)上，以提高三維工序模型的質(zhì)量和效率為目標(biāo)，提出了“前道工序模型減去特征切削體模型”的方法來自動創(chuàng)建三維工序模型，并采用實際零件對此技術(shù)進行了應(yīng)用驗證。

1 三維零件加工工藝表達

特征是能夠根據(jù)其幾何信息或其他關(guān)聯(lián)信息來定義設(shè)計和制造的一種元素，當(dāng)前人們習(xí)慣將能夠在一次加工中不改變刀具和裝夾方式而完成的切削實體定義為制造特征[10]，它是連接CAD系統(tǒng)與CAPP系統(tǒng)的橋梁，是智能化工藝設(shè)計的基礎(chǔ)。如何在三維模型中提取加工特征，國內(nèi)外有很多研究成果，在此不做介紹，本文研究基于特征的三維零件加工工藝表達和三維工序模型生成技術(shù)。

特征的加工方法與特征的形狀、尺寸、加工精度和加工要求密切相關(guān)，如7級精度的孔用“粗鏜-半精鏜-粗鉸-精鉸”加工，本文稱之為特征加工工步（feature work step，F(xiàn)WS），一個特征的加工工步可能是一個工步，也可能是多個工步。零件加工工藝是零件加工總的方法路線，工序是為減少零件加工過程中裝夾次數(shù),在一次裝夾中所完成的那部分工作；工步是工序的組成單位，它是當(dāng)被加工的表面其切削用量和切削刀具均保持不變的情況下所完成的那部分工序工作，而工步加工的對象即為零件的加工特征。當(dāng)特征的加工工步為多步時，特征的加工工步分布在多個工序的多個工步中，特征加工工步與零件加工工藝中工步的對應(yīng)關(guān)系如圖1所示，在三維零件加工工藝規(guī)劃系統(tǒng)中特征加工工步與零件工藝的對應(yīng)關(guān)系如圖2所示。

圖1 特征加工工步與零件加工工藝中工步的對應(yīng)關(guān)系

圖2 特征加工工步與零件加工工藝中工步的對應(yīng)關(guān)系

2 特征切削體

加工特征可以視為零件切削加工過程所去除的部分材料體的體積形狀[11]，零件從毛坯到成型的過程，就是將一個個加工特征按照一定的操作順序進行操作實現(xiàn)的。人們可以用一個體積塊模型來表達加工特征成形過程中去除的體積，這個體積塊稱為特征切削體（feature cutter volume，F(xiàn)CV），特征切削體（FCV）是實現(xiàn)根據(jù)加工工藝自動生成工序模型的重要因素。

從物理表示來看，切削體實際上代表的是被切除的那部分材料；從幾何表示來看，它代表的是毛坯模型或零件模型通過布爾減運算獲得的幾何實體。以零件模型和加工工藝過程為輸入，采用從毛坯模型上依次“減去”切削體模型生成工序模型的方案，設(shè)Mi為第i工序的工序模型，Mi可表示為

式中：Mi為當(dāng)前工序的模型；Mi-1為前一工序加工后的工序模型；FCV1，F(xiàn)CV2，···，F(xiàn)CVn是當(dāng)前工序下工步對應(yīng)的特征加工工步對應(yīng)的切削體，當(dāng)i=1時，則Mi-1為毛坯模型，當(dāng)i為最后一個工序時，則Mi為零件模型。

三維零件加工工藝規(guī)劃系統(tǒng)中將加工特征根據(jù)形狀進行分類，建立特征庫，如孔、鍵槽、外圓柱面等，每類特征有對應(yīng)的參數(shù)，如孔有直徑D和深H；特征切削體與特征有嚴(yán)格的對應(yīng)關(guān)系，因此也建立特征切削體庫，切削體也有參數(shù)，特征與特征切削體的對應(yīng)關(guān)系如表1。在工序模型生成過程中，因特征切削體需適應(yīng)不同尺寸的特征，因此切削體需定義定形參數(shù)；因切削體需要與零件模型做布爾運算，所以需要定位參數(shù)。

表1 特征切削體庫

3 三維工序模型創(chuàng)建生成技術(shù)

毛坯模型、工序模型和零件模型三者關(guān)系相輔相成。在零件模型基礎(chǔ)上還原余量形成毛坯模型，再根據(jù)工藝過程，在毛坯模型上一步一步布爾減運算生成工序模型，這種過程模型生成模式是符合實際加工過程的。毛坯模型可由零件模型反推得到或手工創(chuàng)建得到，在此不做介紹，本文介紹的三維工序模型自動生成技術(shù)是基于已有毛坯模型和已有加工工藝（含有加工參數(shù)）。

由式（1）可知，當(dāng)前工序模型為前一工序加工完成后的模型“減去”切削體模型（以工步僅有一個特征加工工步為例來介紹），這個過程按以下描述來實現(xiàn)：首先，從零件加工工藝解析出當(dāng)前工序/工步的信息，包括加工特征類型，以及特征定形尺寸、定位信息和加工余量；然后，根據(jù)特征類型在切削體庫匹配得到切削體，并根據(jù)加工特征的屬性和加工余量自動計算出切削體的定形數(shù)據(jù)和定位數(shù)據(jù)；接著，根據(jù)切削體的參數(shù)值將切削體實例化，得到切削體模型；最后，按加工特征的定位屬性在上一道工序模型中載入特征切削體模型，與前一序的工序模型做布爾減運算，即得到當(dāng)前工序模型，這個過程如圖3所示。

圖3 工序模型自動生成過程

根據(jù)圖3所示的工序模型生成過程，以階梯軸小端外圓柱面加工后工序模型的生成為例來進行說明，過程如圖4所示描述。

圖4 工序模型生成過程示例

（1）如圖4a所示為前道工序加工后的模型為?19×31的圓柱體，當(dāng)前工序加工階梯軸小端的外圓柱面?8±0.01 mm即圖4b所示，加工工步的信息為“粗車外圓柱面，留余量0.5 mm”。

（2）從圖4b可獲得信息：加工特征為外圓柱面，直徑D=8 mm，長度L=15 mm，從切削體庫進行匹配，對應(yīng)的切削體為空心圓柱。

（3）根據(jù)外圓柱面尺寸、坐標(biāo)，以及加工余量，計算出空心圓柱的內(nèi)徑為?8.5 m為18 mm，中心點坐標(biāo)為(0,0,12)，方向dir(0,0,1)，見圖4c。

（4）將切削體模型4c加載到前道工序模型4a上，做布爾“減”操作，即模型4a-模型4c，如圖4d所示，則得到圖4e所示的當(dāng)前工序模型。

實例化特征切削體過程中，一定要確保參考坐標(biāo)系與零件模型所使用的參考坐標(biāo)系一致。加工特征的定位屬性取絕對坐標(biāo)系CSa，特征切削體實例化所用的定位參數(shù)引用了特征的定位屬性，因此工序模型中特征切削體模型也采用絕對坐標(biāo)系CSa。

在整個零件的加工工藝中，按上述過程依次完成每道工序中每個特征的加工過程模型設(shè)計，即可實現(xiàn)所有工序模型自動創(chuàng)建。

4 三維工序模型自動生成應(yīng)用與驗證

利用三維工序模型自動創(chuàng)建技術(shù)在三維零件加工工藝規(guī)劃系統(tǒng)加增加了功能模塊“工序模型生成”，界面如圖5所示，三維工序模型創(chuàng)建提供四個菜單：“引入”即手工創(chuàng)建工序模型；“全部”即一次把本加工工藝中所有工序的三維模型全部創(chuàng)建；“區(qū)間”創(chuàng)建指定工序區(qū)間的工序模型；“當(dāng)前”為創(chuàng)建當(dāng)前工序的工序模型。此系統(tǒng)在航空發(fā)動機某企業(yè)針對機匣零件進行了應(yīng)用驗證，此機匣零件的毛坯模型為鑄件毛坯，如圖6a，通過“全部”操作生成所有工序的三維工序模型如圖6b～6h共8個工序模型，工序模型中深色是當(dāng)前工序加工的部位。

圖5 工序模型生成過程示例

圖6 機匣零件加工工藝的工序模型

利用企業(yè)實際加工的機匣零件，對本文所提出的“前序模型減去特征切削體模型”來自動創(chuàng)建三維工序模型的方法進行了應(yīng)用驗證，自動創(chuàng)建的工序模型準(zhǔn)確，能夠用于指導(dǎo)工人加工，也可將模型上的信息傳遞給CAM系統(tǒng)進行編程和仿真，完全可以滿足制造企業(yè)的使用要求。這種正向的工序模型生成方法和現(xiàn)實的零件加工過程是一致的，從而更易于理解；而自動生成工序模型，大大減少了工藝人員的工作量，提高工藝設(shè)計的質(zhì)量效率。

5 結(jié)語

傳統(tǒng)二維工序模型由工藝人員逐個工序地繪制，當(dāng)設(shè)計采用三維CAD后，三維工序模型有多種生成方式，有人工創(chuàng)建的、有利用WAVE技術(shù)生成的，還有其他方式創(chuàng)建的，本文提出“前序模型減去特征切削體模型”的方式來自動創(chuàng)建工序模型，它以加工特征和特征切削體為核心、以毛坯模型為基礎(chǔ)，以工藝信息為依據(jù)，以余量尺寸為驅(qū)動，按實際加工順序正向生成各工序模型，這種正向的工序模型生成方法和現(xiàn)實的零件加工過程是一致的，經(jīng)過在企業(yè)的應(yīng)用驗證，完全能夠滿足企業(yè)的要求。這種方式使得工藝設(shè)計工作能夠在三維數(shù)字化環(huán)境下，直接依據(jù)三維實體模型開展工藝規(guī)劃，設(shè)計出合理的零件加工工藝，自動生成三維工序模型，充分利用三維模型中的信息和計算機技術(shù)，大大降低工藝人員的工作量，使其有更多的精力和時間進行工藝改進和工藝創(chuàng)新工作，提升我國制造企業(yè)工藝水平和工藝能力。