劉金鋒，倪中華，劉曉軍，程亞龍，尹 強

（東南大學 機械工程學院，江蘇 南京 211189）

0 引言

目前，我國以軍工和汽車行業(yè)為代表的三維產品建模技術應用普及率已分別達到91.3% 和86.5%［1］。隨著產品設計建模領域三維數字化技術的研究和應用日趨成熟，如何基于三維產品模型進行計算機輔助工藝規(guī)劃，已成為企業(yè)的迫切需求。三維工序間的模型作為機加工工藝信息的載體，是進行計算機輔助工藝規(guī)劃的重要環(huán)節(jié)，因此如何快速創(chuàng)建三維工序間模型是工藝設計的關鍵。

面向機加工工序間模型的研究主要以加工特征識別及工藝知識復用為主，如Xu等［2］依靠工藝知識與加工資源的集成提出一種新的工藝推理機制，解決了工藝設計中的自動工藝推理問題，該方法將工藝知識映射到加工資源并創(chuàng)建工序間模型，指導零件加工生產；Tang 等［3］提出一種特征映射的算法，將設計特征映射作為制造特征，創(chuàng)建沖壓工藝過程模型，并成功運用到沖壓成型工藝中；Emad等［4］提出運用智能特征識別方法，將提取零件的設計特征信息轉化為制造特征信息，并創(chuàng)建工序間模型指導生產加工；石云飛等［5］介紹了一個面向工藝語義的三維工序模型自動生成系統(tǒng)，并實現了切削加工工藝過程可視化仿真，反映了零件毛坯模型向設計模型演變的過程。

以上文獻沒有考慮運用已有的三維建模知識，且規(guī)避了工序間模型之間的相關性，使創(chuàng)建工序模型過程繁瑣，影響了快速零件的工藝規(guī)劃過程。工藝設計是產品設計和產品制造的橋梁［6］，對于機加工零件，工序間模型與零件模型密切相關，且工序間模型的快速創(chuàng)建對快速工藝規(guī)劃和指導加工生產具有決定性的影響。為輔助工藝設計人員對機加工零件進行快速工藝規(guī)劃，該論文研究了快速創(chuàng)建機加工零件三維工序間模型的方法，通過分析機加工零件模型的加工特征，將加工特征進行分類，運用特征識別技術識別所需特征的面組，結合相應的方法快速獲取制造特征體及相應順序，最后完成創(chuàng)建工序間模型。由此可知，快速識別獲取特征面組及獲取制造特征體，是快速創(chuàng)建三維工序間模型的關鍵問題。

1 制造特征體的定義

機加工零件的加工制造過程由一系列連續(xù)的加工工序組成，各工序的共同特點是從上一步工序模型中去除材料并生成加工特征，各工序去除的材料集合即為制造特征體。

定義1 總制造特征體（VM）。VM指為獲得零件模型，從選定毛坯上去除的特征集合。在幾何關系上，總制造特征體的體積就是毛坯的三維模型與零件成品的三維模型體積之差。

式中：M 為選定的毛坯模型；MD為零件模型。

定義2 工序制造特征體（VMi）。VMi指為獲取零件的某一加工特征，從上一步工序模型中去除的特征體。在幾何關系上，制造特征體的體積就是上一步工序模型與下一步工序模型的體積之差。

式中：Mi為第i步工序模型；Mi-1為第i-1步工序模型。

總制造特征體與工序制造特征體的關系為：

定義3 三維工序間模型（Mj）。Mj指以三維建模技術為手段，用集成化三維模型直觀顯示工藝要求及工序過程結果。在幾何關系上，某工序的工序間模型為零件模型與該工序之后所有制造特征體的體積之和，

式中：j≤i≤n，0≤j≤n。

2 制造特征體獲取

機加工零件模型由具有相互依賴關系的加工特征疊加組成，而制造特征體是通過識別加工特征然后再根據2.2節(jié)中提供的相應方法獲取的。因此快速識別零件的加工特征是獲取制造特征體的關鍵。零件的加工過程特點是從毛坯上不斷切除制造特征體，形成零件的工序間模型。通過分析基本加工特征，并根據文獻［7］的思想，將加工特征歸納為凹陷特征、凸起特征和過渡特征三類，所包含的具體加工特征如圖1所示。

2.1 加工特征面組獲取

特征識別技術能夠為計算機輔助設計（Computer Aided Design，CAD）提供應用于其他工程領域的接口，并提供工程語義信息，被認為是模型交換的重要工具。文獻［8］認為特征識別就是從產品的實體模型出發(fā)，自動識別出其中具有一定工程意義的幾何形狀即特征，進而生成產品的特征模型。

快速識別以上三種特征是快速獲取制造特征體的先決條件。充分運用特征識別的基本技術，以組成特征的面為研究對象，以識別出構成特征的面組為最終目的，其特征識別工作流程如下：①工藝人員根據工藝知識的需求，判斷所需三類加工特征的某一特征類型，并交互選擇該特征的某組成面；②根據加工特征的形成方式和組成該特征面組的屬性特點，自動搜索到一組連續(xù)的面組；③保存該特征面組并在窗口中高亮顯示，如圖2所示。

若零件的加工特征是由單個面組成的孤立特征，如單孔、某邊的倒圓或倒邊等，則需用戶自己選??；若零件的加工特征是由某孤立特征構成的陣列特征，則系統(tǒng)提供用戶選擇其中一個特征，即可獲得陣列特征的所有面組。

2.2 制造特征體提取

方便快速地識別加工特征是獲取制造特征體的前提。根據加工特征分類的三種特征特點及生成方式，選取不同的方法獲取制造特征體。

2.2.1 凹陷特征的處理

機加工零件模型上的加工特征大多以凹陷特征為主，主要包括孔、槽、腔等基本特征類型。凹陷特征（圓孔除外）的主要特點為：①至少由三個平面構成；②至少存在一個底面；③側面與底面的鄰接邊為非凸邊；④側面與底面的非鄰接邊為非凹邊。

凹陷特征大多為不規(guī)則特征，根據基本建模理論方法，很難快速獲取該特征的制造特征體。由工藝知識可知，每一個凹陷特征只需要安排一個工序即可加工完成。因此利用半包圍空間思想［9］能夠快速獲取該制造特征體，其工作流程如圖3所示，具體步驟如下：

步驟1 獲取凹陷特征面組，如圖3a所示，FS=｛FS1，FS2，FS3，FS4，FS5，FS6｝。

步驟2 根據凹陷特征面組的非凹邊尋找相鄰的面，如圖3a所示，FX=｛F1，F2，F3，F4，F5，F6｝。

步驟3 延展各相鄰面并相交，如圖3b所示。

步驟4 各延展面相交后與凹陷特征面所包圍的最小特征體即為所求凹陷特征的制造特征體，如圖3c所示，則V1=FS∩FX。

孤立的圓孔特征是凹陷特征的特例，圓孔由圓弧面或錐面組成，通過簡單的特征識別技術能夠快速搜索出該特征，通過基本的建模手段即可獲取圓孔制造特征體。

2.2.2 凸起特征的處理

凸起特征可以看作面上生長出的凸起，且與相鄰接面的邊為非凸邊，凸起特征的上表面由凸邊組成。機加工零件上的凸起特征包括凸臺、肋板、腔槽中的凸臺等，分為以下兩類：①毛坯（鑄件）自身帶有的凸起特征，如肋板等特征；②切除周邊材料后加工形成的凸起特征，如腔槽中的凸臺等特征。

（1）鑄造凸起特征處理

對于①類凸起特征，根據工藝知識分析該特征的哪些面是零件裝配接觸面，需要對該裝配接觸面進行加工處理，如磨削或銑削平面等操作。獲得①類凸起特征的制造特征體就等于去除接觸面的材料體積集合，對零件上的該面進行簡單建模操作即可獲得，如面平移等操作。

（2）加工形成的凸起特征處理

②類中的凸臺可以分為平面上孤立的凸臺和腔槽中的凸臺。平面上孤立的凸臺可以通過平移平面或者運用半包圍空間方法獲取制造特征體。腔槽中的凸臺是復合特征，可以看作在凹陷特征底面上生長的凸起，根據獲取方式將該特征細分為兩類：①凸臺在凹陷特征底面上的高度大于凹陷特征的最小深度；②凸臺在凹陷特征底面上的高度等于或小于凹陷特征的最小深度。

腔槽中的凸臺可以看作是由凹陷特征和凸起特征相交形成的具有復雜結構的相交特征，利用基本建模方法難以快速獲取該類型特征的制造特征體。因此，利用半空間方法與基本建模相結合的方法快速獲取該制造特征體，以①類為例進行闡述獲取制造特征體的方法流程，如圖4 所示，其工作流程如下：

步驟1 獲取該凸臺特征面組，如圖4a所示。

步驟2 根據2.2.1節(jié)的方法獲取該特征的制造特征體V1，則凹陷特征中凸臺的下部分得到抑制，如圖4b所示。

步驟3 獲取高于凹陷特征的凸臺并拾取該凸臺的面組，如圖4c所示，面組FT=｛TT1，FT2，FT3，FT4，FT5｝。

步驟4 根據凸起特征所在的底面及相鄰面組成面組FT并延展，如圖4d所示，FX=｛F1，F2，F3，F4，F5｝。

步驟5 獲取凸臺到底面最大距離的點，在該點作平行于底面的平面（FT1）并延展，與面組FT相交所包絡的最小特征體即為所求底面凸臺的制造特征體V2，如圖4d所示，則V2=FT1∩FT∩FX。

凹陷特征中的②類凸臺應屬于①類的中間過程，如圖4b所示，即在獲取凹陷特征制造體的過程中能夠抑制該類凸臺，并獲取相應的制造特征體。

2.2.3 過渡特征的處理

機加工零件的過渡特征大多是零件的附屬特征，其生成方式為：①刀具在加工時自動生成的圓角特征；②根據工藝要求加工的倒邊或圓角特征。

凹陷特征和凸起特征中的過渡特征在獲取凸起或凹陷特征制造特征體過程中能夠被抑制（如圖4a和圖4b），沒有必要單獨處理；根據工藝要求加工的過渡特征通過半空間包圍方法獲取制造特征體，工作流程如圖5所示。具體步驟如下：

步驟1 獲取過渡特征的面組FG，如圖5a所示，FG=｛FG1，FG2，FG3，FG4｝。

步驟2 根據過渡特征的面組的邊搜索相鄰面組FX=｛F1，F2，F3，F4，F5｝。

步驟3 延展各相鄰面并相交，得到過渡特征的制造特征體V1，如圖5b所示，V1=FG∩FX。

3 工序間模型獲取

制造特征體是通過前后兩道三維工序模型之間幾何特征的改變而獲得的，因此在工序間模型和制造特征體之間建立關聯關系。

3.1 工序間模型獲取方法

針對機加工工藝過程設計，工藝模型的基本模型特征是毛坯，零件設計模型可以認為是由一系列加工活動逐步對毛坯模型進行切削加工后形成的。從毛坯到最終產品，其加工過程由一系列加工步驟組成，毛坯從投入生產的第一道工序起，直到最后形成零件之前，每道工序會形成一個中間模型，將該中間模型稱為工序間模型，可見工序間模型是加工中間狀態(tài)的有向序列，生成過程是由毛坯狀態(tài)向設計結果狀態(tài)逐漸演變的過程。文獻［10］認為該工藝過程也可以看作根據工藝要求在毛坯模型上逐步添加加工特征的過程，而所添加的特征是基本特征的附加特征，每添加一個附加特征便是一個工序間模型。若FM為零件的所有加工特征，Mf為零件毛坯模型，Mp為某一工序間模型，則

根據對航天科研院所的調研可知，針對機加工零件設計工藝時，工藝人員從上游獲得的是零件設計模型，而不是零件的毛坯模型，難以快速進行工藝設計，也不能快速獲取工序間模型。本文從實際情況出發(fā)，利用特征識別技術識別零件模型的加工特征并獲取制造特征體及其順序，生成零件毛坯模型，再運用布爾操作生成工序間模型，其布爾差操作過程如圖6所示。圖中左側為零件工序間模型，右側為制造特征體，工序間模型可以看作是由毛坯模型和相應制造特征體之間運用布爾差操作獲取的。

由以上關系可知，后一道工序模型由前一道工序模型與該道工序的制造特征體進行布爾操作完成。因此，為實現航天院所對機加工零件的快速工藝設計要求，根據工藝知識及部分加工特征的依賴關系，首先識別零件模型的加工特征，交互判斷加工特征類型并獲取制造特征體及其順序，然后獲取所有制造特征體并生成零件毛坯，隨后對毛坯和制造特征體運用布爾差操作，生成工序間模型。

3.2 工序間模型的獲取

完整的機加工工藝由多道工序組成，相應地會有多個三維工序模型。獲取機加工零件毛坯模型的過程可以看作是完成一個零部件裝配的過程，零件設計模型看作裝配的母體，所有的制造特征體可以看作構成裝配體的零部件，最后形成的毛坯模型看作總裝配體，裝配過程中的模型看作零件的三維工序間模型。然而，零件的加工過程可以看作是總裝配體拆卸零部件的過程，該過程詳細描述了機加工的加工順序和三維工序間的模型。但是，因為加工工藝要求及加工條件不同，零件的加工工藝順序與零件從設計模型生成毛坯模型的順序可能不同，所以加工過程中的工序間模型與裝配過程中的模型不同，可以根據要求重新對獲取的制造特征體進行調整，運用布爾差操作生成相應的工序間模型。

在機加工工藝設計過程中，工序間模型上的幾何特征生成流程如圖7所示。

獲取工序間模型的過程為：

步驟1 通過識別零件模型加工特征，交互識別并獲取特征面組。

步驟2 根據第2章的理論方法獲取制造特征體并保存。

步驟3 根據工藝要求，對生成的零件毛坯和制造特征體進行布爾操作。

步驟4 對毛坯模型與最后一個制造特征體N進行操作，生成三維工序模型1。

步驟5 根據生成的工序模型1與第N-1個制造體特征生成工序模型2。

步驟6 根據生成的工序模型N-1與第1個制造體特征生成工序模型N。

步驟7 輸出所有三維工序間模型。

由以上流程可知，三維工序模型N 與三維設計模型雖然有相同的三維幾何形狀特征，但所包含的附屬信息不同，三維工序模型N 包含第N 道工序的工藝信息，而三維設計模型包含零件制造信息。

4 三維工序間模型的創(chuàng)建實例

基于上述算法，以Visual Studio 2008為開發(fā)環(huán)境，以ACIS為研發(fā)平臺，以某機加工零件為例，驗證了工序間三維模型的快速生成。圖8a所示為某機加工零件的設計模型，通過文中所述的算法快速識別零件加工特征，結合相關工藝知識獲取制造特征體及創(chuàng)建順序（如圖8b），一步一步地回溯到毛坯模型；工藝人員根據工藝要求及車間狀況創(chuàng)建工序間的三維模型（如圖8c和圖8d），對機加工零件進行快速工藝規(guī)劃。

5 結束語

三維工序間模型是當前三維工藝設計領域的熱點之一。本文在分析機加工零件基本加工特征的基礎上，把加工特征分為凹陷特征、凸起特征和過渡特征三大類。運用特征識別技術和半空間思想的建模方法，快速生成制造特征體并保存，根據制造特征體與工序間模型的關聯關系，通過布爾操作快速生成工序間模型。實例分析說明該方法操作簡單方便，可為快速工藝設計規(guī)劃提供保障。

由于在獲取加工特征面組時通過交互方式獲取，針對簡單的相交特征及過渡特征能夠方便地獲取組成面組和制造特征體，并創(chuàng)建該機加工零件的三維工序間模型，如2.2節(jié)的槽中凸臺特征的處理；但由于機加工零件模型具有復雜性與多樣性的特點，以及特征識別的局限性，部分具有復雜相交特征復雜表面過渡特征和復雜曲面特征（如螺旋錐齒輪、葉輪葉片等）組成的機加工零件，在識別加工特征面組時會出現誤差，甚至不能獲取其相應的特征面組，從而無法準確獲取制造特征體及零件的工序間模型，這將是下一步研究的重點和方向。

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