侯增選，張 焱，黃 磊，李 林

(大連理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連 116024)

0 引言

計(jì)算機(jī)輔助工藝設(shè)計(jì)(Computer Aided Process Panning，CAPP)是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造集成的核心技術(shù)[1]，三維CAPP更是未來(lái)制造業(yè)發(fā)展的方向，利用三維 CAPP能保證工藝設(shè)計(jì)的科學(xué)性并能高質(zhì)高效的完成設(shè)計(jì)。三維工序模型生成技術(shù)則是實(shí)現(xiàn)三維CAPP的關(guān)鍵技術(shù)，當(dāng)前生成三維工序模型的方式更多的是工藝設(shè)計(jì)人員理解已完成的零件設(shè)計(jì)模型后，再人機(jī)交互建模完成的。并且由于設(shè)計(jì)人員與工藝人員對(duì)零件模型的理解不一樣，導(dǎo)致設(shè)計(jì)與加工存在一定程度脫節(jié)。面向生產(chǎn)過(guò)程的三維工序模型的構(gòu)建是實(shí)現(xiàn)三維CAPP的關(guān)鍵[2]。三維工序模型作為制造環(huán)節(jié)的信息依據(jù)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造過(guò)程的數(shù)據(jù)更加連貫，提高加工效率和質(zhì)量。萬(wàn)能等[3]提出基于特征映射的生成三維工序模型的方法，采取正向建模的方式，在構(gòu)建模型時(shí)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)模型特征和加工特征的映射，通過(guò)特征的添加再進(jìn)行布爾運(yùn)算去除毛坯材料，從而實(shí)現(xiàn)三維工序模型的生成。田富君等[4]提出了基于模型定義的工藝信息建模，以基于模型定義技術(shù)描述的模型為基礎(chǔ)，構(gòu)建面向加工的基于模型定義技術(shù)的模型。但是以上生成方法的效率較低，人機(jī)交互較多，自動(dòng)化程序不高，影響后續(xù)NC自動(dòng)編程工作的效率。

為了解決三維工序模型生成的效率低下、自動(dòng)化程度不高的問(wèn)題，本文提出基于加工特征分類與映射的三維工序模型生成方法，此方法也符合傳統(tǒng)工藝編制的習(xí)慣，生成的工序模型作為信息傳遞的中間模型，可以為制造環(huán)節(jié)的數(shù)控加工編程提供加工信息，并根據(jù)此數(shù)據(jù)信息，構(gòu)建工藝知識(shí)庫(kù)，制定標(biāo)準(zhǔn)的工藝模板，實(shí)現(xiàn)加工工藝與加工特征的對(duì)應(yīng)匹配，完成零件數(shù)控編程，從而實(shí)現(xiàn)零件設(shè)計(jì)制造一體化，對(duì)于實(shí)現(xiàn)三維CAPP具有很重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 加工特征的構(gòu)建

1.1 加工特征的定義

特征是通過(guò)一系列成型加工的具有某種實(shí)際意義的幾何拓?fù)湫螤?。特征?yīng)用在不同的領(lǐng)域，其具有的實(shí)際意義也會(huì)有所區(qū)別[5]，設(shè)計(jì)制造領(lǐng)域就可分為設(shè)計(jì)特征與加工特征。

設(shè)計(jì)特征是從設(shè)計(jì)模型中所繼承下來(lái)的特征，由成型加工命令得到的模型特征或者由拉伸、拔模等造型命令實(shí)現(xiàn)的幾何形狀特征[6]。零件設(shè)計(jì)特征與制造環(huán)節(jié)的加工工藝方法沒(méi)有對(duì)應(yīng)關(guān)系，很難直接對(duì)應(yīng)映射到加工特征。加工特征表述的是零件結(jié)構(gòu)的幾何拓?fù)湫螤?，是通過(guò)一系列特定的加工工藝方法得到的。這樣基于加工方法定義的加工特征便于實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)模型中形狀特征向加工特征的映射。

通過(guò)定義加工特征，利用定義中所涉及的參數(shù)信息構(gòu)造和表述產(chǎn)品模型信息，從而提取模型特征的尺寸、精度、工藝等產(chǎn)品的設(shè)計(jì)及制造信息，并設(shè)計(jì)產(chǎn)品加工工藝[7]。加工特征主要關(guān)注該特征的幾何拓?fù)湫螒B(tài)是如何加工出來(lái)的，不同于設(shè)計(jì)特征和建模特征，其關(guān)注的是該幾何形狀的建立過(guò)程，加工特征同時(shí)也不關(guān)注該特征在零件中所起的用途，它是以加工為目標(biāo)來(lái)描述和定義形態(tài)特征的方法?；诩庸ぬ卣鞫x的零件表面信息還可以傳遞到其他的集成制造系統(tǒng)中，用于數(shù)控加工。

圖1為車削加工回轉(zhuǎn)體特征的示例，回轉(zhuǎn)體特征的表面形狀主要通過(guò)工件隨主軸的周向運(yùn)動(dòng)和刀具沿軸向的直線運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生，車削過(guò)程中所關(guān)涉的加工工藝參數(shù)主要有加工長(zhǎng)度、直徑等尺寸參數(shù)， 以及表面粗糙度等精度要求。

圖1 加工特征

1.2 設(shè)計(jì)特征到加工特征的映射

CAD模型與工藝系統(tǒng)之間幾何信息的傳遞需要實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)特征到加工特征的映射，即建立兩者的關(guān)聯(lián)[8]。設(shè)計(jì)模型表達(dá)的形態(tài)特征是不便于工藝人員解讀的，特征映射下將其轉(zhuǎn)化為基于制造與工藝的加工特征，并關(guān)聯(lián)工藝參數(shù)信息，為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)工序模型的生成打下基礎(chǔ)。

零件設(shè)計(jì)模型的特征有其特定的構(gòu)建方式，筆者設(shè)計(jì)一種設(shè)計(jì)模型特征映射為加工特征的算法。 該算法的基本思路： 設(shè)計(jì)者使用三維造型軟件創(chuàng)建模型時(shí)，在設(shè)計(jì)特征樹中體現(xiàn)某個(gè)特征的種類，比如表面形狀的凸凹性[9]，是成型特征(建立在已有的三維特征之上的特征， 主要用在三維特征上的增加或切除特殊形狀的三維特征體)還是關(guān)聯(lián)特征(與某個(gè)特征或者基準(zhǔn)有關(guān)聯(lián)， 前者發(fā)生變化時(shí)，該特征也會(huì)發(fā)生變化)，預(yù)先定義建模中特征創(chuàng)建的順序，即父特征與子特征的依托關(guān)系， 還有特征表面的拓?fù)湫螤钚畔ⅲㄟ^(guò)對(duì)表面信息的組織和定義便可以循環(huán)訪問(wèn)設(shè)計(jì)特征，并判斷出特征的種類和特征間的關(guān)聯(lián)信息，進(jìn)一步生成零件區(qū)域特征的屬性鄰接圖，利用映射特征庫(kù)通過(guò)匹配特征的方法構(gòu)建獲取加工特征， 進(jìn)而從輸出結(jié)果中提取到加工特征。 圖2為特征映射流程。 具體步驟為：①循環(huán)訪問(wèn)設(shè)計(jì)模型特征樹，獲取特征信息并對(duì)特征種類進(jìn)行判斷；②處理設(shè)計(jì)模型特征表面幾何信息，生成屬性鄰接圖；③與映射特征庫(kù)中的子特征進(jìn)行比對(duì)；④識(shí)別轉(zhuǎn)化為加工特征；⑤判斷特征遍歷是否完成，完成則輸出結(jié)果信息。

圖2 特征映射流程圖

屬性鄰接圖是一種表示特征表面拓?fù)潢P(guān)系的圖表，鄰接屬性為“0”表示兩個(gè)表面鄰接關(guān)系為凹類型，鄰接屬性為“1”表示兩個(gè)表面鄰接關(guān)系為凸類型。如圖3所示為盲臺(tái)階屬性鄰接圖的示例。

(a) 盲臺(tái)階模型 (b) 屬性鄰接圖 圖3 盲臺(tái)階特征屬性鄰接圖

航天零件頂蓋體零件鄰邊凸凹性判斷主要基于邊的判斷。兩個(gè)鄰接面的夾角為α，當(dāng)π/2<α<π時(shí)，兩邊鄰接關(guān)系為凹類型，當(dāng)0<α<π/2時(shí)，兩邊的鄰接關(guān)系為凸類型。鄰邊的凹凸性與倆鄰邊的法向量以及相交棱邊e的向量有關(guān)。如圖4所示。

圖4 頂蓋體邊凹凸性的判斷

鄰接面 F1、F2 的外法向矢量分別為n1、n2。取任一平面為基準(zhǔn)面，在這里取 F1 為基準(zhǔn)面。ne為相交棱的方向向量。則矢量n=ne×n2，n與n1之間的夾角為θ。當(dāng)|θ|<π/2時(shí)，e為凹邊；反之，當(dāng)|θ|>π/2時(shí)，e為凸邊。圖中，F(xiàn)1 與F2相交的棱邊為 e，矢量n與n1的夾角的絕對(duì)值大于，所以e凸邊，兩邊的屬性關(guān)系為凸關(guān)系類型。

2 三維工序模型自動(dòng)生成

2.1 三維工序模型的定義

在零件機(jī)械加工過(guò)程中，毛坯材料經(jīng)過(guò)一系列切削加工動(dòng)作去除材料，一步步形成得到設(shè)計(jì)形狀特征，從毛坯到零件加工完成，每一道工序完成后，零件材料都會(huì)存在一個(gè)模型狀態(tài)，從加工角度上來(lái)說(shuō)這個(gè)模型狀態(tài)為中間狀態(tài)模型，中間狀態(tài)模型表達(dá)了零件的加工狀態(tài)，此中間狀態(tài)模型、為零件的工序模型。零件工序模型的自動(dòng)生成技術(shù)是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化制造集成系統(tǒng)的關(guān)鍵。圖5為零件制造過(guò)程，經(jīng)過(guò)一道工序得到一個(gè)狀態(tài)模型，最終形成零件[10-11]。

成型零件 中間工序模型 毛坯 圖5 加工過(guò)程中的工序模型圖

2.2 三維工序模型自動(dòng)生成的方法

三維工序模型的生成方式可分為正反向生成。正向生成的過(guò)程類似于模型建模過(guò)程，通過(guò)特征的添加一步步得到相應(yīng)的工序模型。正向生成過(guò)程往往涉及更多的人機(jī)交互，難以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。而三維工序模型的逆向生成，通過(guò)特征識(shí)別和映射技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)模型的自動(dòng)構(gòu)建，提高了生成效率，能較好的達(dá)到計(jì)算機(jī)三維輔助工藝設(shè)計(jì)技術(shù)的要求[12-14]。

零部件三維工序模型反向生成的過(guò)程中，當(dāng)前的三維工序模型的創(chuàng)建是通過(guò)抑制后一道三維工序相關(guān)特征來(lái)實(shí)現(xiàn)的。用DesignModel表示零件設(shè)計(jì)模型，WorkBlank表示零件毛坯，F(xiàn)ij表示零件的第i道加工工藝工序去除的第j個(gè)設(shè)計(jì)特征，n為工序總數(shù)，mi為第i道加工工序需要去除的總的特征數(shù)。則零件建模過(guò)程可表達(dá)為：

用Mi表示零件中間的三維工序模型，Mn是對(duì)零件設(shè)計(jì)模型上相關(guān)特征進(jìn)行抑制后獲得的，毛坯模型則是三維工序模型M1特征抑制處理后獲得的。三維工序模型Mi加上第i-1道工序加工去除的特征就為Mi-1，對(duì)Mi這部分特征進(jìn)行抑制即可獲得第i-1道工序?qū)τ玫哪Ｐ蚆i-1。相鄰兩個(gè)工序之間的關(guān)系為：

在零件的加工制造工藝中，工藝模型包含了各個(gè)工序的加工特征，加工方式和加工參數(shù)，加工的過(guò)程就是材料去除的過(guò)程。筆者采用以上反向建模的思想基于UGNX開發(fā)三維工序模型生成插件，從產(chǎn)品成熟的設(shè)計(jì)模型伊始，反向生成三維模型。從人機(jī)交互建模的角度就是將對(duì)應(yīng)工藝中切除的實(shí)體增加到產(chǎn)品實(shí)體模型上，一步步恢復(fù)到毛坯材料模型，由此自動(dòng)生成三維工序模型。 恢復(fù)特征的操作沒(méi)有使用布爾運(yùn)算切削實(shí)體的方法，布爾運(yùn)算恢復(fù)特征算法效率低、算法復(fù)雜。 本文采用的抑制特征的方式恢復(fù)特征，把材料添加到模型上。 通過(guò)對(duì)零件表面特征的識(shí)別技術(shù)，根據(jù)屬性鄰接匹配算法確定特征面凸凹性后即可進(jìn)行中間工序模型的生成。零件三維工序模型自動(dòng)生成過(guò)程中采用了 WAVE技術(shù)[15]，使每個(gè)三維工序模型之間保持關(guān)聯(lián)，當(dāng)其中一個(gè)三維工序模型發(fā)生變動(dòng)之后，后面的模型也還是相應(yīng)的自動(dòng)更替。圖6為原理圖。

圖6 工序模型自動(dòng)生成原理圖

3 面向特征的NC自動(dòng)編程

本文采用基于加工零件圖形信息的數(shù)控編程方法，基于屬性鄰域圖匹配的方法在UG/CAM平臺(tái)下開發(fā)插件模塊實(shí)現(xiàn)零件的工藝模板與加工特征的有效匹配，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)以工藝信息為導(dǎo)向的自動(dòng)匹配加工制造參數(shù)，同時(shí)生成數(shù)控刀具刀軌，并后處理成機(jī)床能使用的數(shù)控代碼，減少操作者的人工輸入，提高工藝人員的編程效率。該系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)主要分為3個(gè)步驟：加工特征映射識(shí)別、加工特征與工藝模板匹配、制造參數(shù)的設(shè)置，流程圖如圖7所示

圖7 自動(dòng)編程系統(tǒng)流程

3.1 工藝特征庫(kù)

特征子圖是否能夠被有效的識(shí)別出，關(guān)鍵在于工藝特征庫(kù)中存在這一特征子圖，所以工藝特征庫(kù)應(yīng)當(dāng)盡量做到特征數(shù)據(jù)完整、詳細(xì)，同時(shí)該庫(kù)應(yīng)該是開放開發(fā)式的，便于使用者能自主添加新的特征。表1中列舉了典型臺(tái)階、凹槽和孔類零件的工藝特征。

表1臺(tái)階、凹槽和凸臺(tái)零件的工藝特征

3.2 工藝模板的建立

模板技術(shù)是一種經(jīng)驗(yàn)技術(shù)范例化的技術(shù)，是基于相似的實(shí)例或相同研究方法的知識(shí)重用，其基本思想是：從一類具有相同特征的設(shè)計(jì)對(duì)象中提取出一個(gè)固定的框架。其核心就是設(shè)計(jì)信息的重用和參數(shù)化的變異[16]。在UG/CAM 平臺(tái)下，工藝模板是包含零件加工各種參數(shù)的文件。對(duì)于一種特定類型的零件，分型的工藝特征基本一致，對(duì)應(yīng)的加工特征的加工生成方法也相同，對(duì)于這一部分的加工可以生成固定的工藝模板。

零件特征通過(guò)基于加工特征分類與映射的工藝特征識(shí)別方法識(shí)別后，被分解成很多子特征。這樣將子特征添加到工藝模板中，使用屬性鄰域的子特征匹配技術(shù)，就可以用于同類型零件的特征匹配工作了。再通過(guò)加工參數(shù)的設(shè)置，實(shí)現(xiàn)特征的自動(dòng)匹配和數(shù)控代碼的自動(dòng)生成。

4 實(shí)例

為了驗(yàn)證本文方法的有效性，筆者以 VS2010為集成開發(fā)環(huán)境，調(diào)用UG/OPEN API函數(shù)在UG平臺(tái)上二次開發(fā)三維工序模型自動(dòng)生成的插件。圖8為實(shí)例零件，圖9為系統(tǒng)界面。

圖8 航天頂蓋體零件 圖9 工序模型生成系統(tǒng)

該零件為某航天產(chǎn)品的重要零件，在設(shè)備研制存在數(shù)量品種多，但批量小的特點(diǎn)，采用傳統(tǒng)中間工序模型的建立方法效率比較低下，自動(dòng)化程度低。圖10為使用本文開發(fā)的系統(tǒng)對(duì)以上工程圖零件處理的刀軌，圖11為處理后的工序模型。

圖10 刀軌可視化

圖11 對(duì)應(yīng)工序模型

5 結(jié)束語(yǔ)

本文以實(shí)現(xiàn)三維工藝為目標(biāo)，分析三維工藝系統(tǒng)技術(shù)要求，實(shí)現(xiàn)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，并實(shí)現(xiàn)面向加工特征的NC自動(dòng)編程。此方法充分利用零件模型的表面信息，建立模型表面屬性鄰接圖，基于鄰接圖匹配實(shí)現(xiàn)特征識(shí)別，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)三維工序模型的自動(dòng)生成。基于三維工序模型，構(gòu)建工藝知識(shí)庫(kù)，制定標(biāo)準(zhǔn)的工藝模板，實(shí)現(xiàn)加工工藝與加工特征的對(duì)應(yīng)匹配，實(shí)現(xiàn)NC自動(dòng)編程。并通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)軟件模塊驗(yàn)證該方法的有效性，完整實(shí)現(xiàn)的三維工藝過(guò)程中的數(shù)控加工刀軌可視、NC代碼自動(dòng)生成及三維工序模型的自動(dòng)生成，為現(xiàn)代三維工藝方法研究提供了一定的理論參考。此方法目前主要用于某航天零部件的設(shè)計(jì)制造工作中，已應(yīng)用于項(xiàng)目組與國(guó)內(nèi)一航天公司聯(lián)合開發(fā)的CAPP設(shè)計(jì)系統(tǒng)。