基于制造特征的三維工序模型構(gòu)建方法

邵 立，張樹生，白曉亮，李 亮

SHAO Li, ZHANG Shu-sheng, BAI Xiao-liang, LI Liang

(西北工業(yè)大學(xué)，西安 710075）

0 引言

近年來數(shù)字化制造技術(shù)發(fā)展迅速，三維數(shù)模替代二維工程圖紙成為唯一的制造依據(jù)已經(jīng)成為我國十二五規(guī)劃中制造業(yè)發(fā)展的重要目標[1]。三維數(shù)模定義的主要方法是MBD（Model Based Definition，即基于模型的工程定義）。MBD是一個用集成的三維實體模型來表達完整產(chǎn)品定義信息的方法體，它在三維實體模型上附加了產(chǎn)品的尺寸、公差和工藝等各種制造語義信息，它可以充分利用三維模型的表現(xiàn)力，是一種更便于用戶理解且更具效率的產(chǎn)品信息定義方法[2,3]。它使三維數(shù)模作為生產(chǎn)制造過程中的唯一依據(jù)，改變了傳統(tǒng)的由三維實體模型來描述幾何信息，而用二維圖紙來定義尺寸、公差和工藝信息的產(chǎn)品數(shù)字化定義方法。

全三維工序模型的構(gòu)建技術(shù)是三維集成化CAPP系統(tǒng)研究的重要內(nèi)容之一，是實現(xiàn)CAD/CAPP/CAM集成的關(guān)鍵技術(shù)之一。工序模型也稱工藝間模型，零件由毛坯狀態(tài)向最終狀態(tài)的演變過程中，需經(jīng)過一個個不同的加工狀態(tài)，逐步去掉自身多余的材料而最終完成零件全部加工狀態(tài)，這些不同的加工狀態(tài)用三維立體圖形來反映就是各加工工序的工序模型。相關(guān)的三維工序模型構(gòu)建技術(shù)還包括以下三種方法：1）基于特征回退技術(shù)建立工序模型[4]，利用特征回退技術(shù)生成工序模型的前提是面向制造的特征設(shè)計。該方法的缺點是在設(shè)計時不僅要考慮到零件模型本身，而且要考慮到制造過程中工藝設(shè)計的問題，不然就難以得到合適的工序模型。2）基于三維CAD軟件的關(guān)聯(lián)復(fù)制功能建立工序模型[5]，在零件發(fā)生變化時，它的后續(xù)工藝的零件的幾何信息也隨之發(fā)生改變，因此可以很方便的進行全局的修改。但是當(dāng)工序的順序需要改變時，后續(xù)工序需要重新構(gòu)建，不利于工序順序的調(diào)整。3）基于反推法的工序模型的建立方法[6～8]，由零件向毛坯進行推進，采用增材設(shè)計，由復(fù)雜零件到簡單毛坯，方向明確，但是逆推不能很好地模擬現(xiàn)實中的零件加工情況。

本論文為了實現(xiàn)零件由毛坯狀態(tài)向最終狀態(tài)的演變，提出了基于制造特征的三維工序模型構(gòu)建方法。首先，依據(jù)制造特征的表達方法、加工元的表達方法及彼此的關(guān)聯(lián)關(guān)系，構(gòu)建制造特征庫；接著，依據(jù)構(gòu)建的制造特征庫，從零件的幾何信息中獲取制造特的定位參數(shù)和定形參數(shù)；然后，給定刀具半徑和余量值，實現(xiàn)加工元的定位與實例化；最后，與毛坯做布爾運算，實現(xiàn)制造毛坯動態(tài)演變。

1 整體思路

本論文的三維工序數(shù)模構(gòu)建總體思路如圖1所示，1）構(gòu)建制造特征庫；2）交互配準MDB模型和毛坯；3）采用子圖匹配技術(shù)提取MBD模型上的制造特征；4）基于制造特征庫構(gòu)建三維工序模型；5）依據(jù)MBD模型信息實現(xiàn)工藝信息三維標注；6）輸出三維工序數(shù)模。本論文主要研究特征特征庫構(gòu)建方法和工序模型構(gòu)建方法。

圖1 三維工序數(shù)模構(gòu)建總體框架

2 制造特征庫的構(gòu)建

制造特征是指工件上一個具有語義的幾何實體，它描述了一個工件的材料切除區(qū)域，表達一個加工過程的結(jié)果，可以由實體特征和幾何特征來定義。體特征用來描述制造特征在加工過程中切除的材料，可用三維實體模型表達；幾何特征用來描述制造特征在加工過程中切除的區(qū)域，可用屬性零件圖表達。制造特征是由一個順序排列的加工元序列構(gòu)成，制造特征、加工元與工序、工步存在對應(yīng)關(guān)系，是工序、工步等工藝信息的載體，其中加工元的實體形狀受余量值和刀具半徑影響。

如何依據(jù)MBD模型上制造特征的幾何特征驅(qū)動制造特征的實體特征和實現(xiàn)制造特征的定位，基于給定的余量值、刀具半徑構(gòu)建加工元的實體特征，是制造特征庫構(gòu)建的難點。

2.1 制造特征的表達

本論文以MF(V,G,P,M)來表示制造特征，V表示制造特征的參數(shù)化體積特征圖(2(a))，由LL1，LL2，HD1和TR1四個參數(shù)變量驅(qū)動；G表示制造特征的幾何屬性鄰接圖(圖2(b))，節(jié)點表示面，弧表示邊；P表示制造特征體積特征的參數(shù)變量和定位信息(圖2(c))，對于不同含義的變量給與不同的變量名，其中LL代表兩平面距離，TR代表轉(zhuǎn)角半徑，HD代表拉伸高度；M表示參數(shù)變量與屬性鄰接圖的關(guān)聯(lián)關(guān)系(圖2(d))。從而依據(jù)制造特征的屬性鄰接圖，就可以計算該制造特征的定位信息和參數(shù)變量值，實現(xiàn)制造特征的實例化。

2.2 加工元的表達

加工元是依據(jù)制造特征的粗加工、半精加工和精加工依次生成的，其中加工元的實體形狀受余量值和刀具半徑影響，應(yīng)將余量值和刀具半徑作為加工元實體特征的參數(shù)變量。本論文以E(V,P)表示加工元，V表示加工元的參數(shù)化實體特征(圖3(a))；P表示加工元實體特征的參數(shù)變量(圖 3(b))，相對于制造特征增加了Va側(cè)面余量，Vb底面余量，Tr指定的刀具半徑。

圖2 制造特征的表示方法

2.3 制造特征與加工元的關(guān)聯(lián)

以M(MFID,EID,M')表示制造特征與加工元的關(guān)聯(lián)關(guān)系，MFID表示為制造特征ID，EID表示為加工元ID，M'表示制造特征與加工元之間的定位參數(shù)與定形參數(shù)關(guān)聯(lián)關(guān)系（如圖4所示）。其中加工元的變量LL1'=LL1-2×Va，制造特征的參數(shù)變量LL1通過MBD模型的幾何屬性信息即可計算出來，Va是給定的側(cè)面余量值；加工元的轉(zhuǎn)角變量TR'=Max{TR1-Va,Tr}在兩數(shù)值中取最大值。

圖3 加工元的表示方法

圖4 制造特征與加工元的關(guān)聯(lián)關(guān)系

3 三維工序模型的構(gòu)建

三維工序模型的構(gòu)建其實就是實例化的加工元與毛坯做布爾運算，從而轉(zhuǎn)換成如何從MBD模型的幾何信息計算加工元的定位參數(shù)和定形參數(shù)，實現(xiàn)加工元的定位和實例化。如圖5所示，首先從MBD模型上推理制造特征在毛坯上的放置面，接著通過放置面及制造特征的定位面A、定位面B，計算出制造特征的定位原點及坐標系XYZ軸的方向；然后依據(jù)制造特征庫中參數(shù)變量與屬性鄰接圖的關(guān)聯(lián)矩陣、參數(shù)變量名稱的含義，可以計算出自在特征的定形參數(shù)；最后基于給定的余量值、刀具半徑、加工元與制造特征的關(guān)聯(lián)關(guān)系，實現(xiàn)加工元的定位和實例化。

圖5 三維工序模型構(gòu)建實例

3.1 制造特征放置面的獲取

放置面的獲取分為2步，先推理獲取特征F在CAD模型上的放置面f，然后獲取放置面F在毛坯面的映射面f '作為特征F在毛坯上的放置面。

由制造特征識別技術(shù)可以獲得特征F的面集合S，由CAD模型上獲取與特征F相鄰的面，并且不屬于特征F的面集合S'。面集合S'會存在以下情況：如果集合S'只存在一個面，則唯一的面f為特征F的放置面；如果面集合S'存在多個面，則判斷是否與基面平行，并且取與基面距離最大值作為特征F的放置面；基于這兩種情況獲取特征F在CAD模型上的放置面f。

獲取毛坯面集合，判斷與放置面f的面類型一致，平面法向量一致，并且放置面f的面中心點沿面法向量的投影點在毛坯面內(nèi)，從而滿足條件的面集合S''。接著計算放置面f與集合S''的距離，取距離最小值的面，作為放置面f在毛坯上的映射面f '。

3.2 制造特征坐標系的計算

制造特征F的定位A和定位B存在3種情況，如圖6所示。1）孔類特征：定位面A和定位面B都屬于同一圓柱面，如圖6(a)所示。計算圓柱面軸線與放置面f '的交點，作為制造特征坐標系的原點O。獲取放置面f '的法向量Vz，計算Vx保證與Vz垂直，最后基于Vz、Vx計算Vy，以Vx、Vy、Vz作為制造特征坐標系的XYZ軸。2）定位面A為平面，頂面B為圓柱面，如圖6(b)所示。計算定位面A、定位面B與放置面f'的交點，作為制造特征坐標系的原點O。獲取放置面f '的法向量Vz和定位面A的法向量Vy，依據(jù)Vz、Vy計算Vx，并且要求保證Vx指向特征實體，否則將Vx進行反向處理，以Vx、Vy、Vz作為制造特征坐標系的XYZ軸。3）定位面A和定位面B都是平面，如圖6(c)所示。計算定位面A、定位面B與放置面f '的交點，作為制造特征坐標系的原點O。獲取放置面f '的法向量Vz、定位面A的法向量Vy和定位面B的法向量Vx，以Vx、Vy、Vz作為制造特征坐標系的XYZ軸。

3.3 參數(shù)變量的獲取

如圖2所示，從CAD模型上獲取制造特征F的幾何特征，并且與制造特征的屬性鄰接圖進行一一匹配，然后基于制造特征的屬性鄰接圖與參數(shù)變量的關(guān)聯(lián)關(guān)系，即可求得制造特征的所有參數(shù)變量的值。具體步驟：1）遍歷制造特征F的參數(shù)變量集P；2）通過參數(shù)變量Pi的名稱確定參數(shù)變量的含義；3）依據(jù)參數(shù)與屬性鄰接圖的關(guān)聯(lián)關(guān)系，獲取與參數(shù)變量關(guān)聯(lián)的幾何面；4）計算出參數(shù)變量Pi的值，對應(yīng)參數(shù)變量HD是底面與放置面f '的距離值。

圖6 3種定位類型

3.4 加工元的實例化

如圖5所示，基于制造特征與加工元的關(guān)聯(lián)關(guān)系，在已知制造特征的坐標系和參數(shù)變量值的情況下，就可以獲取加工元的坐標系和參數(shù)變量值，用獲取的參數(shù)變量值驅(qū)動加工元的實體特征，坐標系定位加工元在毛坯的位置，進而與毛坯做布爾運算，生成工序模型。具體步驟：1）給定加工元的側(cè)面余量值Va、底面余量值Vb和刀具半徑Tr；2）基于制造特征與加工元的定位關(guān)聯(lián)關(guān)系，偏移計算加工元的坐標原點O'，其中XYZ軸方向不變；3）遍歷加工元參數(shù)變量集P'；4）基于制造特征與加工元的參數(shù)關(guān)聯(lián)關(guān)系，計算加工元的參數(shù)變量Pi'，其中對應(yīng)參數(shù)變量名為TR’，需要在刀具半徑Tr與計算獲得的數(shù)值取最大值；5）由參數(shù)變量集P'驅(qū)動加工元實體特征，并實現(xiàn)加工元實體特征的定位，與毛坯做布爾運算。

4 系統(tǒng)實例驗證

本文以Microsoft visual studio 10和NX 8.0作為開發(fā)平臺，以C#和NXopen為開發(fā)語言。

首先，采用第二節(jié)所提出的制造特征和加工元的表達方法，構(gòu)建了一個制造特征庫。為了獲得制造特征和加工元的存儲信息，需要在UG界面中構(gòu)建由自定義變量驅(qū)動的實體模型，并且在自定義變量在實體模型進行標注，實現(xiàn)自定義變量與幾何面的關(guān)聯(lián)。實體特征通過NXopen提供的API函數(shù)，導(dǎo)出由自定義變量驅(qū)動的自定義(UDF)文件；參數(shù)變量從構(gòu)建的實體模型獲??；參數(shù)變量與幾何面的關(guān)聯(lián)通過三維標注獲取；屬性鄰接圖從實體模型中獲取，面邊屬性的凹凸性進行反向處理。

接下來，本文以某一零件的為例，如圖7(a)所示，配準的MBD模型和毛坯模型。如圖7(b)所示，按照給定的工藝路線和工藝參數(shù)(刀具半徑、余量值)，實現(xiàn)了該零件的制造毛坯向最終零件的動態(tài)演變。其中，平面是通過指定毛坯面和余量值構(gòu)建；刀具信息與工步關(guān)聯(lián)，即工步節(jié)點下的加工元使用同樣刀具信息，每一個加工元分別給定余量值；為了更加直觀地顯示加工元，對布爾運算后的工序模型進行高亮顯示。

圖7 三維工序模型的構(gòu)建

5 結(jié)束語

本文提出了一種基于制造特征的三維工序模型構(gòu)建方法，實現(xiàn)了零件的制造毛坯動態(tài)演變。該方法可以依據(jù)實際零件特征，可方便擴充制造特征庫；而且在三維工序模型構(gòu)建中考慮了刀具信息，更加貼合實際加工過程。該方法的局限性在于制造特征與加工元的拓撲結(jié)構(gòu)必須一致，否則無法實現(xiàn)加工元的實例化，并且在零件中存在大量的型腔類制造特征，這些制造特征千變?nèi)f化，全部定義該類特征是不可取的。在今后的研究中，會繼續(xù)研究型腔類制造特征的快速生成，以更好地構(gòu)建三維工序模型。

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