盤套類零件鑄造毛坯及工序模型自動(dòng)生成方法

張 賀，張 玲，葛曉波+，邵曉東

(1.西安電子科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，陜西 西安 710071；2.北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094)

0 引言

隨著數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展，基于模型驅(qū)動(dòng)的產(chǎn)品研發(fā)模式被越來越多的企業(yè)所采用[1-3]，基于模型的定義(Model Based Definition, MBD)[4]是其核心技術(shù)之一。三維毛坯模型和工序模型作為MBD的信息載體[5-6]，其自動(dòng)生成技術(shù)是推動(dòng)MBD技術(shù)在工藝設(shè)計(jì)和加工制造中應(yīng)用的關(guān)鍵。在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)模式中，毛坯模型和工序模型需要由工藝設(shè)計(jì)人員手動(dòng)創(chuàng)建[7]，其準(zhǔn)確度和效率難以得到保證，且不利于CAD/CAPP的集成。因此，如何自動(dòng)生成合理的毛坯模型和工序模型，是MBD技術(shù)研究的熱點(diǎn)問題。

張賀等[8]提出一種軸類零件三維工序模型自動(dòng)生成方法，解決了軸類零件工序模型的自動(dòng)生成問題。盤套類零件是工程中另一種常見零件，通常以圓柱、圓臺(tái)等回轉(zhuǎn)類特征為基體，輔以孔、槽、螺紋、倒角等特征，其徑向尺寸多大于軸向尺寸，主要有導(dǎo)正、限位、止轉(zhuǎn)、定位等功能，同時(shí)兼具密封作用。由于其與軸類零件在幾何結(jié)構(gòu)、工藝要求等方面存在差異，同時(shí)盤套類零件往往采用鑄造毛坯[9]，需要考慮毛坯模型自動(dòng)生成問題，致使文獻(xiàn)[8]所提方法無法很好地適用于盤套類零件。因此，本文在此前研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提出一種面向盤套類零件的鑄造毛坯模型和工序模型自動(dòng)生成方法。

在毛坯模型生成方面，MAYER[10]在其IMPA(integrated manufacturing planning assistant)系統(tǒng)中，針對(duì)不同類型的零件，分別采用最小包圍盒、主方向包圍盒以及任意方向包圍盒作為零件的毛坯模型，其構(gòu)建方式簡單，且適用于形狀復(fù)雜的零件，但只能生成棱柱類型的毛坯模型；LEONARD等[11]提出從標(biāo)準(zhǔn)毛坯庫中選擇棒料毛坯的方法，基于零件的主要特征和特征之間的關(guān)系，采用輪廓投影與四叉樹匹配的方法選擇棱柱形工件的毛坯模型，并采用關(guān)鍵面拓延的方法選擇旋轉(zhuǎn)類零件的毛坯模型；張帥等[12]為減少后期機(jī)加過程中粗加工階段的加工量，針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣的旋轉(zhuǎn)類型零件，提出了基于輪廓搜索的旋轉(zhuǎn)類毛坯模型構(gòu)建方法，采用離散的方法獲取復(fù)雜凸臺(tái)特征的回轉(zhuǎn)輪廓，并將其旋轉(zhuǎn)投影到草圖平面，然后結(jié)合工藝信息進(jìn)行毛坯輪廓搜索，生成接近零件形狀的旋轉(zhuǎn)類毛坯模型。上述方法主要生成形狀規(guī)則的毛坯模型，對(duì)于形狀復(fù)雜的鑄造毛坯模型無法適用。針對(duì)鑄件毛坯模型，KIM等[13]將加工特征分為表面加工特征和體積加工特征，針對(duì)不同特征，分別采用加工面偏移和半空間包圍的方法獲取加工特征體，對(duì)零件設(shè)計(jì)模型進(jìn)行補(bǔ)償，進(jìn)而獲得零件鑄造毛坯模型；陳善國等[14-17]在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步將體加工特征分為簡單特征和相交特征，利用圖匹配、體分解等方法，識(shí)別出零件中的簡單特征和相交特征，通過設(shè)置尺寸閾值過濾掉不可鑄的簡單特征，然后通過半空間包圍、加工面偏移、修改草圖等方法，獲取復(fù)雜特征和表面加工特征的加工體，進(jìn)行機(jī)加余量補(bǔ)償，進(jìn)而生成零件的鑄造毛坯模型；常智勇等[9]為解決因存在非正交表面加工面而導(dǎo)致生成的毛坯模型出現(xiàn)失效或失敗的情況，對(duì)半空間方法進(jìn)行改進(jìn)，采用構(gòu)造最小包絡(luò)輔助面的方法生成其補(bǔ)償體積，從而生成零件毛坯模型。然而，上述方法都無法對(duì)復(fù)雜相交特征的可鑄性進(jìn)行判斷。

在工序模型生成方面，可以將主要研究方法總結(jié)為基于知識(shí)的方法和基于特征的方法兩類[18]。基于知識(shí)的方法[19-21]主要采用語義挖掘、本體構(gòu)建等方法，實(shí)現(xiàn)工藝知識(shí)與建模知識(shí)的采集和轉(zhuǎn)換，將機(jī)加工藝知識(shí)映射為三維建模知識(shí)，實(shí)現(xiàn)三維工序模型的生成?；谥R(shí)的工序模型構(gòu)建方法注重工藝知識(shí)的收集、轉(zhuǎn)換和利用，忽略了對(duì)零件模型中幾何拓?fù)湫畔⒌睦靡约敖５南嚓P(guān)操作，且知識(shí)庫需要長期積累構(gòu)建；基于特征的方法[22-25]主要利用體分解、模式匹配等方法進(jìn)行加工特征的映射或識(shí)別，然后利用毛坯模型與加工特征體的布爾運(yùn)算，正序或逆序生成工序模型。基于特征的工序模型構(gòu)建方法難點(diǎn)在于加工特征的獲取、排序等方面，尤其是對(duì)復(fù)雜相交特征的處理。且上述兩種方法都是基于圓柱或棱柱等規(guī)則幾何形狀的毛坯模型，對(duì)于形狀不規(guī)則的鑄造毛坯模型，是否能夠生成合理的工序模型有待驗(yàn)證。

由于毛坯的幾何形狀對(duì)工藝路線的制定以及后續(xù)工序模型的生成有很重要的影響，但相互獨(dú)立的毛坯模型生成系統(tǒng)和工序模型生成系統(tǒng)，不但在模型信息提取、特征處理等方面存在大量重復(fù)的工作，導(dǎo)致效率低下，而且還會(huì)因?yàn)樘幚碓瓌t不統(tǒng)一等問題，導(dǎo)致兩系統(tǒng)難以有效集成。鑒于此，MAYER等[10]、王宗彥等[26]和ZHOU等[27]提出了在集成的系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)毛坯模型生成、工藝規(guī)劃以及工序模型生成等多種功能的思路。

本文提出一種適用于盤套類零件的鑄造毛坯模型與工序模型自動(dòng)生成方法，將毛坯模型視作第0個(gè)工序模型，采用體分解的方法，通過分割操作以及可鑄性分析，獲得鑄造單元體和機(jī)加單元體，然后從初始毛坯上逐步移除鑄造單元體以及機(jī)加單元體，實(shí)現(xiàn)毛坯模型和工序模型的自動(dòng)生成。

1 方法概述

1.1 定義

定義1初始毛坯模型(BMinitial)對(duì)零件設(shè)計(jì)模型(DM)的最小包圍盒[10]添加適當(dāng)?shù)募庸び嗔慷纬傻拿髂Ｐ?。初始毛坯模型通常為長方體或圓柱體，是零件的最大合理毛坯模型[16]。鑄造毛坯模型(BMcasting)介于DM和BMinitial之間。

定義2材料移除體(MRV)通過鑄造和機(jī)械加工的方法從初始毛坯模型中移除的體積之和，即

(1)

式中：n為材料移除體中包含的體積塊數(shù)量，mrvi表示第i個(gè)體積塊。

定義3鑄造體(CV)與加工體(MV)鑄造體是材料移除體中通過鑄造移除的體積；加工體是材料移除體中通過機(jī)械加工移除的體積。故可將材料移除體表示為：

(2)

式中：m、n分別表示鑄造體和加工體的數(shù)量;CVUi和MVUj分別表示第i個(gè)鑄造單元體(CVU)和第j個(gè)機(jī)加單元體(MVU)。

利用分割面將材料移除體分割為鑄造單元體和機(jī)加單元體，并將機(jī)加單元體按照機(jī)加順序排序，即可利用布爾運(yùn)算實(shí)現(xiàn)鑄造毛坯模型及工序模型的生成。生成鑄造毛坯模型的數(shù)學(xué)求解表達(dá)式為：

(3)

正序生成第k道工序模型的數(shù)學(xué)求解表達(dá)式為：

(4)

1.2 基本思想

由式(3)和式(4)可知，鑄造毛坯模型及工序模型生成的核心內(nèi)容為鑄造單元體和機(jī)加單元體的獲取。本文以此為指導(dǎo)思想，并結(jié)合盤套類零件的結(jié)構(gòu)特征，以設(shè)計(jì)模型最小包圍盒為初始毛坯，將鑄造毛坯模型視作第0個(gè)工序模型，采用體分解的方法，進(jìn)行鑄件毛坯模型和工序模型求解。

以圖1所示的盤套類零件為示例，鑄件毛坯模型和工序模型生成流程如圖2所示，步驟如下：

步驟1設(shè)計(jì)特征模型預(yù)處理。從零件設(shè)計(jì)特征模型中提取設(shè)計(jì)特征相關(guān)信息，并進(jìn)行特征簡化、拆分、還原等處理，利用相應(yīng)規(guī)則生成候選分割面序列及加工方法鏈，最終利用MBD技術(shù)得到集成的信息模型。

步驟2材料移除體的獲取及分割。對(duì)零件設(shè)計(jì)模型創(chuàng)建最小包圍盒并添加加工余量，生成初始毛坯模型，然后通過初始毛坯模型和零件設(shè)計(jì)模型的布爾運(yùn)算獲得材料移除體，最后通過分割面映射及分割操作，將材料移除體分割為單元體。

步驟3單元體映射及分類。通過主加工面的對(duì)應(yīng)關(guān)系，在單元體與設(shè)計(jì)特征之間建立匹配映射關(guān)系，通過可鑄性分析，將單元體分為鑄造單元體和機(jī)加單元體。

步驟4機(jī)加余量分離及鑄造毛坯生成。根據(jù)單元體和設(shè)計(jì)特征的對(duì)應(yīng)關(guān)系，獲取各鑄造單元體的加工方法鏈，計(jì)算并分離加工余量得到鑄造體，最后通過布爾運(yùn)算生成鑄造毛坯。

步驟5加工特征映射及工序模型生成。根據(jù)單元體和設(shè)計(jì)特征的對(duì)應(yīng)關(guān)系，獲取各機(jī)加單元體和機(jī)加余量體的加工方法鏈，通過加工特征映射得到加工特征，最終通過加工特征排序、布爾運(yùn)算等操作，逐個(gè)生成工序模型。

2 零件設(shè)計(jì)特征模型預(yù)處理

本文采用特征建模系統(tǒng)構(gòu)建的設(shè)計(jì)特征模型作為輸入，通過對(duì)其進(jìn)行預(yù)處理，得到如圖2所示的包含設(shè)計(jì)特征參數(shù)、候選分割面和加工方法鏈等信息的集成信息模型，用以輔助毛坯模型和工序模型的生成。圖中：實(shí)線框中為設(shè)計(jì)特征的編號(hào)、類型、參數(shù)、組成面和主加工面(帶下劃線標(biāo)識(shí)的面)等特征基本信息，虛線框中為加工方法鏈和候選分割面等特征拓展信息。

2.1 設(shè)計(jì)特征信息獲取與處理

零件設(shè)計(jì)特征模型中包含的幾何信息和非幾何信息需要經(jīng)過提取和處理，轉(zhuǎn)換為工藝模型生成過程中能夠直接利用的特征基本信息，過程如圖3所示。

首先讀取設(shè)計(jì)特征樹，獲取各設(shè)計(jì)特征。為提高零件三維模型構(gòu)建效率，一些設(shè)計(jì)特征通常會(huì)采用基于草圖的變換、復(fù)合特征以及關(guān)聯(lián)復(fù)制特征等方式構(gòu)建，需要在第二步對(duì)此類特征進(jìn)行簡化還原，具體包含如下幾類：①草圖特征還原，獲取基于草圖拉伸、旋轉(zhuǎn)以及掃略等操作得到的特征，按照文獻(xiàn)[16]中的方法，將其歸類還原為圓柱、凸臺(tái)、孔、槽等基礎(chǔ)特征；②特征抑制，將螺紋特征等對(duì)分割結(jié)果無影響的特征抑制；③特征簡化，如將盲孔特征底面的錐面簡化為平面；④復(fù)合特征拆分，如將沉頭孔等復(fù)合特征拆分為兩個(gè)簡單孔；⑤關(guān)聯(lián)復(fù)制特征還原，將陣列、鏡像等關(guān)聯(lián)復(fù)制特征中的每個(gè)特征還原，并刪除關(guān)聯(lián)復(fù)制特征。

然后執(zhí)行第三步，根據(jù)設(shè)計(jì)特征依附關(guān)系，對(duì)設(shè)計(jì)特征樹進(jìn)行重構(gòu)。檢測各圓柱、圓錐特征，若其軸線與零件主軸線重合，則為根特征；然后根據(jù)特征建模過程中創(chuàng)建的特征依附關(guān)系，依次查找其子特征；最終按照各特征的父子關(guān)系，重構(gòu)出包含特征拓?fù)潢P(guān)系的設(shè)計(jì)特征結(jié)構(gòu)樹。

最后，結(jié)合參數(shù)化設(shè)計(jì)特征庫獲取各特征的基本信息。各類特征的基本信息定義在如圖4所示的參數(shù)化設(shè)計(jì)特征庫中，根據(jù)特征類型，將各設(shè)計(jì)特征與庫中的特征模板匹配，然后結(jié)合產(chǎn)品制造信息(Product Manufacturing Information, PMI)，提取其參數(shù)信息。其中，主加工面為零件的工作面、基準(zhǔn)面，以及設(shè)計(jì)特征的成型面等決定零件形狀、質(zhì)量的表面，通常與加工方向垂直，包含以下4類：①零件的基準(zhǔn)面、工作面等重要表面，基準(zhǔn)面通常在PMI標(biāo)注中，通過檢索PMI信息自動(dòng)獲取，零件工作面等其他面由模板匹配獲取或用戶交互指定；②特征的成型面，每種特征的成型面標(biāo)注在參數(shù)化設(shè)計(jì)特征庫中，通過特征匹配獲?。虎塾休^高加工要求的面，通過PMI提取分析，獲取除上述兩類面以外，其他有較高加工要求的面；④用戶指定的其他面。

基于上述方法，如圖4所示以沉頭孔陣列特征為例，展示了設(shè)計(jì)特征信息獲取及處理過程。

2.2 候選分割面序列生成

本文采用文獻(xiàn)[8]中的分割面選擇方法，并針對(duì)盤套類零件進(jìn)行優(yōu)化，包含分割面選擇與排序兩步。

候選分割面是從零件設(shè)計(jì)特征組成面中選擇的分割面，需要經(jīng)過3.2節(jié)中的映射操作才能用來分割材料移除體。本文通過為候選分割面設(shè)置截止面，限制其分割范圍，保證將設(shè)計(jì)特征對(duì)應(yīng)的材料移除體單獨(dú)分離。該方法能夠還原設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)意圖，且能直接將材料移除體分割為包含語義的單元體，而不需要后續(xù)的合并操作。如圖5所示工藝信息庫中包含盤套類零件常用設(shè)計(jì)特征的分割面選擇模板庫。按照模板為每個(gè)設(shè)計(jì)特征選擇分割面及其截止面，其中：被選作零件基準(zhǔn)面的分割面為全局分割，無需設(shè)置截止面；由于特征交互導(dǎo)致特征面被破壞時(shí)，通過添加虛連接[28]的方法將其補(bǔ)全。

候選分割面排序模擬實(shí)際加工操作中的順序約束，采用基于規(guī)則的方法，首先對(duì)設(shè)計(jì)特征排序，然后在此基礎(chǔ)上對(duì)各特征面排序，候選分割面的優(yōu)先級(jí)順序繼承于特征面。排序規(guī)則的制定受零件結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)類型等多種因素影響，如表1所示為設(shè)計(jì)特征及特征面排序基礎(chǔ)規(guī)則，實(shí)際規(guī)則由用戶基于基礎(chǔ)規(guī)則，并結(jié)合零件信息和生產(chǎn)信息制定。

表1 候選分割面排序優(yōu)先級(jí)基礎(chǔ)規(guī)則表

最終按照特征面的順序?qū)蜻x分割面排序。當(dāng)相鄰特征之間的公共面被其所屬的多個(gè)特征同時(shí)選作候選分割面時(shí)，在排序時(shí)只保留優(yōu)先級(jí)最高的候選分割面，并依次將其他冗余候選分割面的分割范圍與其合并。

2.3 加工方法鏈生成

加工方法鏈?zhǔn)且栽O(shè)計(jì)特征的主加工面為對(duì)象，根據(jù)其加工要求，為其選擇的一組具有工藝約束關(guān)系的加工方法序列。本文在文獻(xiàn)[8]中的加工方法鏈生成方法的基礎(chǔ)上，對(duì)加工元(MU)信息進(jìn)行拓展，進(jìn)一步提升匹配精度和生成結(jié)果的準(zhǔn)確性。

加工方法鏈模板是由加工元組成的，預(yù)先為每種類型加工面制定的，滿足其不同加工要求的加工方法鏈。加工方法鏈模板由工藝專家根據(jù)工藝知識(shí)預(yù)先制定，圖6a所示為加工方法鏈模板庫的示例，其中的每個(gè)組成單元稱為加工元。

拓展后的加工元結(jié)構(gòu)如圖6b所示，其拓展信息包含加工信息、加工能力及機(jī)加余量信息3部分。其中：①加工信息包含與該加工元相關(guān)聯(lián)的工藝裝備信息，以及加工階段、生產(chǎn)類型等適用范圍信息，此類適用范圍信息為彈性約束信息，可由用戶決定是否采用，目的是提升匹配效率；②加工能力信息為硬性約束信息，是采用該加工元時(shí)，對(duì)零件尺寸、材質(zhì)、結(jié)構(gòu)等方面的限制性要求；③機(jī)加余量信息是為保證加工質(zhì)量，為各個(gè)尺寸范圍的加工面設(shè)置的最小預(yù)留加工余量建議值，可用于初始毛坯生成及機(jī)加余量分離時(shí)的余量計(jì)算。

加工方法鏈生成實(shí)際上是主加工面的加工要求信息與加工元匹配的過程。首先根據(jù)主加工面的類型、加工要求等信息從模板中搜索加工元，然后根據(jù)加工元之間的約束關(guān)系得到加工方法鏈。若同時(shí)存在多條滿足要求的加工方法鏈，則可根據(jù)每個(gè)加工元調(diào)用的加工資源為其設(shè)置加工成本[7]，通過成本尋優(yōu)[29]的方法找到最優(yōu)加工方法鏈。

3 初始毛坯模型生成及材料移除體分割

3.1 初始毛坯模型生成

初始毛坯模型的體積是零件毛坯模型的最大合理體積，由式(3)可知，初始毛坯模型BMinitial的生成是鑄造毛坯模型BMcasting求解的關(guān)鍵之一。通過對(duì)零件設(shè)計(jì)模型的最小包圍盒補(bǔ)償加工余量得到初始毛坯模型，如圖7所示。

具體步驟如下：

步驟1最小包圍盒創(chuàng)建。根據(jù)零件形狀，為其創(chuàng)建圓柱體或長方體的最小包圍盒。

步驟2零件邊界面信息提取。遍歷零件特征面，找出與最小包圍盒表面重合的面，即為零件邊界面，提取其加工質(zhì)量要求信息。

步驟3機(jī)加余量補(bǔ)償。對(duì)比鑄造精度與邊界面的加工質(zhì)量要求，若鑄造工藝不能保證其加工質(zhì)量，則按照4.2節(jié)中的方法計(jì)算并補(bǔ)償加工余量。

3.2 材料移除體獲取及分割

將材料移除體分割為鑄造單元體和機(jī)加單元體是體分解方法獲取毛坯模型和工序模型的核心。通過初始毛坯模型和零件設(shè)計(jì)模型的布爾運(yùn)算生成材料移除體，通過分割面映射分割等操作，將材料移除體分割為單元體。分割過程如圖8所示，具體步驟如下：

步驟1材料移除體獲取及分割面映射。通過初始毛坯模型與設(shè)計(jì)模型的布爾運(yùn)算，生成材料移除體，然后根據(jù)面的對(duì)應(yīng)關(guān)系，將候選分割面映射到材料移除體中[30]，得到材料移除體中的分割面序列。

步驟2無效分割面移除。遍歷所有分割面，檢測每個(gè)分割面在其截止面限定的分割范圍內(nèi)有沒有與其他分割面相交，若沒有則為無效分割面，將其從分割面序列中移除。

步驟3依次分割。依次提取分割面序列中的分割面對(duì)材料移除體進(jìn)行分割，當(dāng)有新的獨(dú)立體積塊生成，且其組成面中不包含未參與分割的分割面時(shí)，則該體積塊為單元體，將其存入單元體組中，并從材料移除體中刪除，然后進(jìn)行下一次分割，直至所有分割面提取完畢。

4 鑄造毛坯模型及工序模型生成

4.1 單元體映射與分類

4.1.1 單元體映射

單元體映射指利用單元體面與設(shè)計(jì)特征面的對(duì)應(yīng)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)單元體與設(shè)計(jì)特征的關(guān)聯(lián)，同時(shí)將設(shè)計(jì)特征相關(guān)信息映射到單元體，為下一步的單元體分類和排序提供依據(jù)。單元體映射流程如圖9所示。

以示例零件中的單元體UV4為例，圖10所示為單元體與設(shè)計(jì)特征映射過程圖示，主要包含以下兩步：

步驟1特征接觸面提取。單元體的組成面包含毛坯面、分割截面和特征接觸面3類，提取其中的特征接觸面。

步驟2單元體與設(shè)計(jì)特征信息映射。根據(jù)零件面與單元體面的對(duì)應(yīng)關(guān)系，找到單元體特征接觸面對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)特征面，若該面為設(shè)計(jì)特征的主加工面，則將單元體與該設(shè)計(jì)特征匹配，然后將設(shè)計(jì)特征的相關(guān)信息與單元體建立映射。

4.1.2 可鑄性分析

通過可鑄性分析，實(shí)現(xiàn)機(jī)加單元體和鑄造單元體的分類。可鑄性包含工藝可鑄性和拓?fù)淇设T性[9]，分別指所采用鑄造工藝和特征間拓?fù)潢P(guān)系對(duì)可鑄性結(jié)果的影響。如：當(dāng)孔特征直徑小于30 mm時(shí)，采用砂型鑄造工藝無法將其鑄出，此孔特征不滿足工藝可鑄性；當(dāng)盲孔特征位于槽特征底部，且槽特征不可鑄時(shí)，即使該盲孔特征滿足工藝可鑄性也無法鑄出，即不滿足拓?fù)淇设T性。若單元體同時(shí)滿足工藝可鑄性和拓?fù)淇设T性，則為鑄造單元體，否則為機(jī)加單元體。

工藝可鑄性采用尺寸閾值的方法比較判斷。圖5所示的工藝信息庫中給出了參數(shù)化的尺寸閾值設(shè)置方法，根據(jù)鑄造工藝、材料成本以及加工效率等因素，確定各參數(shù)的實(shí)際值。

拓?fù)淇设T性根據(jù)單元體的拓?fù)潢P(guān)系進(jìn)行分析判斷，單元體滿足如下條件之一則拓?fù)淇设T：

(1)單元體組成面中包含毛坯面：拓?fù)淇设T；(2)單元體組成面中不包含毛坯面，但包含分割截面：若存在鄰接單元體為鑄造單元體，則該單元體拓?fù)淇设T。鄰接單元體查找方法如下：根據(jù)單元體與設(shè)計(jì)特征的對(duì)應(yīng)關(guān)系依次查找該單元體的匹配特征、匹配特征的鄰接特征、鄰接特征的匹配單元體，即為鄰接單元體；(3)單元體組成面中只有特征接觸面(如封閉的腔體等)：拓?fù)淇设T。

對(duì)圖8中的單元體進(jìn)行可鑄性分析，得到鑄造單元體和機(jī)加單元體，如圖11所示。

4.2 機(jī)加余量分離及鑄造毛坯生成

當(dāng)鑄造工藝無法保證特征面加工質(zhì)量要求時(shí)，需要從鑄造單元體中分離出機(jī)加余量，對(duì)毛坯模型進(jìn)行補(bǔ)償。如圖12所示為機(jī)加余量分離流程圖，主要包含機(jī)加余量計(jì)算和機(jī)加余量分離兩個(gè)步驟。

以示例零件中鑄造單元體UV4為例，機(jī)加余量分離過程如圖13所示。機(jī)加余量計(jì)算時(shí)，首先根據(jù)單元體映射關(guān)系，找出鑄造單元體中特征接觸面所對(duì)應(yīng)特征面的加工精度要求，對(duì)比當(dāng)前鑄造工藝是否能滿足其要求，若不滿足，則需要計(jì)算并分離機(jī)加余量。總機(jī)加余量可以通過累加各加工元所需機(jī)加余量的方法計(jì)算，表示如下：

(5)

式中：ΔS表示需要從鑄造單元體中分離出的總機(jī)加余量，n為加工方法鏈中的加工元數(shù)量，Δsi表示第i個(gè)加工元預(yù)留的加工余量，其最小值可在圖6b所示的加工元拓展信息中獲取。

機(jī)加余量分離時(shí)，首先根據(jù)計(jì)算出的最小機(jī)加余量值，采用面偏置、修改參數(shù)等方法得到機(jī)加余量體，然后將鑄造單元體與機(jī)加余量體進(jìn)行布爾運(yùn)算，得到鑄造體。

對(duì)各鑄造單元體執(zhí)行上述操作，得到所有的鑄造體，最后根據(jù)式(3)，利用初始毛坯模型與鑄造體的布爾差運(yùn)算，獲得鑄造毛坯模型，如圖14所示。

4.3 加工特征映射及工序模型生成

加工特征映射[8]是將不包含加工語義的機(jī)加體積塊與工藝信息關(guān)聯(lián)，形成加工特征(MF)的過程。材料移除體中剩余的機(jī)加體積塊包含機(jī)加單元體和機(jī)加余量體兩類。在單元體映射的基礎(chǔ)上，通過設(shè)計(jì)特征重映射以及加工信息關(guān)聯(lián)等操作，將兩種加工體映射為加工特征。

圖15所示為加工特征映射過程示例，其中，針對(duì)機(jī)加單元體，可直接利用4.1.1節(jié)中單元體映射的結(jié)果，將關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)特征的主加工面加工方法鏈與之建立映射關(guān)系，得到加工特征；針對(duì)機(jī)加余量體，因其不存在關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)特征，因此，需要根據(jù)機(jī)加余量分離前鑄造單元體與設(shè)計(jì)特征的映射關(guān)系，進(jìn)行機(jī)加余量體與設(shè)計(jì)特征的重映射，進(jìn)而通過加工信息關(guān)聯(lián)得到加工特征。

重映射操作首先通過機(jī)加余量體與鑄造單元體的體積干涉檢測，查找機(jī)加余量體對(duì)應(yīng)的鑄造單元體；然后利用單元體映射的結(jié)果，將鑄造單元體對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)特征與該機(jī)加余量體關(guān)聯(lián)，即實(shí)現(xiàn)機(jī)加余量體與設(shè)計(jì)特征的重映射；最后將設(shè)計(jì)特征的主加工面加工方法鏈與機(jī)加余量體關(guān)聯(lián)，得到加工特征。

獲取加工特征后，按照特征面序列中主加工面的優(yōu)先級(jí)順序，對(duì)各加工特征排序，即得到加工特征序列，如圖16a所示。其中，優(yōu)先級(jí)相同的加工特征被劃分到同一工序中。最終，按照式(4)將鑄造毛坯模型與序列中的特征體依次進(jìn)行布爾差運(yùn)算，獲得各工序模型，如圖16b所示。

5 實(shí)例驗(yàn)證

基于上述方案，以Visual Studio 2015為開發(fā)環(huán)境，采用UG/Open API對(duì)NX10.0進(jìn)行二次開發(fā)，建立了盤套類零件三維工藝模型自動(dòng)構(gòu)建系統(tǒng)，系統(tǒng)用戶界面如圖17所示。采用某典型盤套類零件進(jìn)行鑄造毛坯模型與工序模型構(gòu)建驗(yàn)證。

首先在預(yù)處理階段，系統(tǒng)自動(dòng)提取零件相關(guān)信息，進(jìn)行分割面選擇與加工方法鏈生成，得到集成的信息模型；然后采用體分解方法進(jìn)行單元體分割與分類，得到鑄造體和加工體，如圖18a所示。最后，通過單元體映射、布爾運(yùn)算等操作，生成鑄造毛坯模型和工序模型，如圖18b所示。

同時(shí)，通過實(shí)驗(yàn)測量了鑄造毛坯模型和工序模型單獨(dú)生成以及同時(shí)生成的用時(shí)，結(jié)果如圖19所示。分析可知，同時(shí)生成鑄造毛坯模型和工序模型時(shí)，效率有明顯提升。

6 結(jié)束語

本文采用體分解的方法，實(shí)現(xiàn)盤套類零件鑄造毛坯模型和工序模型的生成，包含以下特點(diǎn)：

(1)利用MBD技術(shù)，將零件設(shè)計(jì)特征模型轉(zhuǎn)化為集成的信息模型，提升信息管理與利用的效率。

(2)基于設(shè)計(jì)特征進(jìn)行分割面選擇和加工方法鏈的生成，解決了傳統(tǒng)體分解方法中因分割操作與設(shè)計(jì)模型之間的信息斷層而導(dǎo)致的分割算法復(fù)雜、分割效率低下等問題。

(3)通過分割操作直接生成包含加工語義的單元體，無需后續(xù)合并算法，打破了傳統(tǒng)體分解方法“先分解—后合并”的模式。

(4)將主加工面作為信息載體，實(shí)現(xiàn)單元體的映射分類及加工特征的生成。

(5)將毛坯模型視作第0個(gè)工序模型，解決了毛坯模型生成系統(tǒng)和工序模型生成系統(tǒng)因特征處理原則不統(tǒng)一等原因?qū)е碌募衫щy甚至無法有效集成的問題，同時(shí)減少了毛坯模型生成和工序模型生成時(shí)的重復(fù)工作，提升了效率。

該方法也存在一定局限性，如鑄造模型的分型面與拔模斜度、工序模型的工步優(yōu)化等因素未考慮在內(nèi)，同時(shí)，對(duì)于包含超2.5維特征的盤類零件，以及其他非盤類零件，該方法的有效性未得到驗(yàn)證。這些將是下一步研究的重點(diǎn)與方向。