肖怡寧，鄭國(guó)磊，于謀雨，萬(wàn)睿喆，鄭祖杰

（1.北京航空航天大學(xué) 機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，北京 100191；2.上海航天精密機(jī)械研究所，上海 201600）

0 引言

航天型號(hào)復(fù)雜結(jié)構(gòu)件具有尺寸大、外形型面復(fù)雜、加工特征數(shù)量多、制造精度要求高等特點(diǎn)［1］，隨著整體性能要求的提升，結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)制造呈整體化、薄壁化的發(fā)展趨勢(shì)［2］，導(dǎo)致加工過(guò)程中零件極易出現(xiàn)變形、過(guò)切或欠切，給零件的數(shù)控加工工藝規(guī)劃和加工過(guò)程中的質(zhì)量管控提出更高要求［3-4］。

工序模型作為三維工藝設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的輸出和后期加工制造的基礎(chǔ)，可直觀反映零件在加工過(guò)程中的幾何形狀、工藝狀態(tài)、加工質(zhì)量等信息及其變化情況［5-6］，可作為工藝信息載體并驅(qū)動(dòng)加工藝設(shè)計(jì)優(yōu)化以及工裝智能設(shè)計(jì)［7-9］，其信息層次結(jié)構(gòu)如圖1 所示。工序模型的準(zhǔn)確構(gòu)建對(duì)于提高復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的三維工藝設(shè)計(jì)質(zhì)量與效率具有重要意義：①針對(duì)薄壁結(jié)構(gòu)件加工變形問(wèn)題，以工序模型為有限元分析的輸入數(shù)據(jù)，可避免因缺少精確輸入模型導(dǎo)致的分析誤差，此外，結(jié)合加工現(xiàn)場(chǎng)采集的測(cè)量數(shù)據(jù)，工序模型幾何數(shù)據(jù)還可作為實(shí)時(shí)檢測(cè)各工序加工質(zhì)量的基準(zhǔn)值，便于及時(shí)發(fā)現(xiàn)加工質(zhì)量缺陷并調(diào)整優(yōu)化加工參數(shù)；② 動(dòng)態(tài)演變的工序模型序列可準(zhǔn)確再現(xiàn)工藝設(shè)計(jì)意圖，便于工藝人員明確后續(xù)工藝規(guī)劃目標(biāo)和優(yōu)化工藝參數(shù)；③工序模型包含余量等加工信息，可驅(qū)動(dòng)數(shù)控程序編制及優(yōu)化［10］。

圖1 三維工序模型Fig.1 Three-dimensional process model

目前，我國(guó)航天制造業(yè)整體仍采用“二維為主、三維為輔”的制造模式［11］，盡管產(chǎn)品設(shè)計(jì)方面基本實(shí)現(xiàn)了基于模型定義（Model-Based Definition，MBD）的應(yīng)用，但工藝設(shè)計(jì)仍依賴二維圖紙［12］，工藝人員基于對(duì)二維圖紙、加工工藝規(guī)劃等信息的個(gè)人理解及工藝經(jīng)驗(yàn)，使用現(xiàn)有CAD 軟件系統(tǒng)原生實(shí)體建模功能模塊、相關(guān)命令來(lái)定義和構(gòu)建工序模型，該過(guò)程極易產(chǎn)生理解歧義并制約工藝設(shè)計(jì)效率的提升。采用成熟的商用建模軟件手動(dòng)構(gòu)建工序模型雖可降低操作難度，但存在以下問(wèn)題：①航天結(jié)構(gòu)件等零件加工特征種類多、數(shù)量大，且存在相交特征、復(fù)合特征，手動(dòng)建模效率低；② 人工操作易出錯(cuò)，建模準(zhǔn)確度低；③模型構(gòu)建規(guī)范性差；④ 受限于三維模型嚴(yán)格的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其約束規(guī)則，模型難以修改；⑤ 未關(guān)聯(lián)工藝流程，模型無(wú)法隨工藝更改自動(dòng)更新［13］；⑥ 無(wú)法預(yù)估和定義加工余量及其分布情況，易導(dǎo)致加工過(guò)程中出現(xiàn)空走刀或撞刀現(xiàn)象［3］；⑦ 工藝數(shù)據(jù)未結(jié)構(gòu)化，知識(shí)復(fù)用性差。因此，手動(dòng)建模方法已無(wú)法滿足當(dāng)前工序模型構(gòu)建需求及順應(yīng)工藝規(guī)劃的自動(dòng)化、智能化發(fā)展趨勢(shì)。

隨著數(shù)字化設(shè)計(jì)制造技術(shù)的發(fā)展以及MBD 技術(shù)的深入應(yīng)用，三維模型取代二維圖紙成為產(chǎn)品設(shè)計(jì)與加工、信息表示和傳遞的唯一載體成為制造業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)［14-16］。以自動(dòng)化方法高效、準(zhǔn)確地構(gòu)建可視化的三維工序模型，不僅可以解決手動(dòng)建模方法局限，也是提高工藝設(shè)計(jì)質(zhì)量、貫通產(chǎn)品設(shè)計(jì)與生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)的關(guān)鍵支撐技術(shù)，開(kāi)發(fā)高精度、高效率、高應(yīng)用價(jià)值的工序自動(dòng)建模技術(shù)具有重要應(yīng)用價(jià)值：①直觀展示零件加工過(guò)程和加工意圖，避免工藝設(shè)計(jì)中出現(xiàn)特征遺漏；② 促進(jìn)工藝參數(shù)自動(dòng)優(yōu)化和工藝知識(shí)有效作用；③極大提升結(jié)構(gòu)件等復(fù)雜零件的結(jié)構(gòu)特征設(shè)計(jì)和工藝設(shè)計(jì)優(yōu)化效率；④ 對(duì)今后發(fā)展智能工藝決策系統(tǒng)、實(shí)現(xiàn)全三維數(shù)字化制造具有重要意義［17-18］。為推動(dòng)三維工序模型自動(dòng)構(gòu)建技術(shù)在航天制造領(lǐng)域的推廣應(yīng)用，本文總結(jié)目前工序模型自動(dòng)構(gòu)建技術(shù)的研究成果，綜述基于特征、工藝信息兩類建模方法及其具體技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，對(duì)比分析其技術(shù)特點(diǎn)，并在此基礎(chǔ)上展望工序模型自動(dòng)構(gòu)建技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，為今后針對(duì)實(shí)用化、通用化的自動(dòng)建模技術(shù)的研究提供借鑒和參考。

1 工序模型自動(dòng)構(gòu)建技術(shù)

切削加工流程是一個(gè)不斷去除毛坯材料以獲得符合給定幾何形狀、表面質(zhì)量和尺寸公差等要求的零件產(chǎn)品的過(guò)程，在CAD/CAPP/CAM 集成研究背景下，對(duì)零件模型的加工過(guò)程可表示為以去除的材料域?qū)γ髂Ｐ筒粩嘧霾紶柌钸\(yùn)算的過(guò)程［19］，將該過(guò)程記為

式中：Pn為零件設(shè)計(jì)模型；P0為毛坯模型；n為工序總數(shù)；Ci為第i道工序各工步刀具去除的材料域，稱為工序切削體，簡(jiǎn)稱切削體。

由此可知，切削體是描述刀具去除材料域幾何形狀及尺寸的幾何體。單個(gè)切削體可包括一個(gè)或多個(gè)切削體素c，通常將切削體表示為

由式（1），相鄰兩道工序?qū)?yīng)工序模型可構(gòu)成序偶(Pm-1，Pm)，其中，Pm-1、Pm分別為第m道工序的工序前件模型/前驅(qū)工序模型和工序后件模型/后驅(qū)工序模型。

基于前述原理，當(dāng)前主要的工序模型自動(dòng)構(gòu)建研究思路可分為兩類：一是正向減材法自動(dòng)建模；二是逆向增材法自動(dòng)建模［20］。正向減材法從工序前件/毛坯模型出發(fā)，與計(jì)算得到的各切削體做布爾差運(yùn)算，與零件機(jī)加工藝流程一致；逆向增材法則從工序后件/設(shè)計(jì)模型出發(fā)，根據(jù)工藝流程的逆過(guò)程，通過(guò)切削體布爾差運(yùn)算等方法反推計(jì)算工序前件/毛坯模型［21］，如圖2 所示。

圖2 工序模型自動(dòng)構(gòu)建技術(shù)方法Fig.2 Automatic construction technology for the process model

以上2 種技術(shù)思路的主要區(qū)別在于零件毛坯模型與設(shè)計(jì)模型間幾何實(shí)體要素的關(guān)聯(lián)過(guò)程［22］。正向減材法建模的輸入數(shù)據(jù)除毛坯模型外，一般還應(yīng)有工藝規(guī)劃、設(shè)備及刀具參數(shù)、NC 代碼或刀軌數(shù)據(jù)等工藝過(guò)程規(guī)劃信息。另外，由于各工序模型與切削體間已無(wú)關(guān)聯(lián)，須在重新識(shí)別定位基準(zhǔn)并與輸入模型上相應(yīng)基準(zhǔn)建立對(duì)應(yīng)關(guān)系后，才能進(jìn)行幾何實(shí)體布爾運(yùn)算或特征幾何要素的修改操作。而逆向減材法基于設(shè)計(jì)模型反推各工序模型，各工序切削體間關(guān)系及與工序后件模型/設(shè)計(jì)模型間的定位關(guān)系可依托現(xiàn)有模型數(shù)據(jù)自動(dòng)創(chuàng)建。

2 常用建模方法

2.1 特征法

特征法以特征識(shí)別技術(shù)為基礎(chǔ)，首先識(shí)別零件三維幾何模型的特征，提取特征的面、邊界等幾何元素；然后結(jié)合機(jī)加工藝流程及參數(shù)，進(jìn)行工序模型的自動(dòng)構(gòu)建。由于加工特征存在于工序輸出的工序模型上，故特征法主要面向逆向增材建模開(kāi)展研究［23］。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)特征識(shí)別進(jìn)行多年深入研究，提出了基于圖、規(guī)則、痕跡、立體分解、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，以及基于混合方法等多種識(shí)別方法［24］。特征法是當(dāng)前工序模型自動(dòng)構(gòu)建領(lǐng)域研究最深入、成果最豐富、應(yīng)用最廣泛的技術(shù)路徑之一。研究方法和技術(shù)路徑包括：①切削體造型，利用實(shí)體建模技術(shù)構(gòu)建特征對(duì)應(yīng)的切削體模型；② 特征幾何與拓?fù)渲貥?gòu)，對(duì)特征面、邊界環(huán)等幾何元素做空間變換操作或?qū)δＰ屯負(fù)浣Y(jié)構(gòu)信息進(jìn)行修改［25］。

2.1.1 切削體造型

切削體可展示刀具去除材料域的幾何形狀及尺寸，直觀表明去除材料域與工序模型的相對(duì)關(guān)系［26］。切削體造型技術(shù)是指通過(guò)實(shí)體建模方法創(chuàng)建當(dāng)前工序/工步對(duì)應(yīng)切削體，對(duì)零件模型做布爾運(yùn)算以抑制加工特征、構(gòu)建工序前件模型的一種方法。具體實(shí)現(xiàn)方法主要有切削體參數(shù)化庫(kù)及實(shí)例化、基于圖的切削體識(shí)別與構(gòu)建以及切削體分解與組合建模這3 類。

1）切削體參數(shù)化庫(kù)及實(shí)例化。劉金鋒等［26］針對(duì)加工、裝夾、測(cè)量、裝配這4 類典型工藝輔助特征進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)并建庫(kù)，以特征的關(guān)聯(lián)準(zhǔn)則、添加方法驅(qū)動(dòng)切削體建模。徐同明等［27］將切削體分為規(guī)則切削體、非規(guī)則切削體這兩類，對(duì)圓柱體、長(zhǎng)方體等規(guī)則切削體采用參數(shù)化庫(kù)方式快速建模定位，以草圖輪廓拉伸方法分層創(chuàng)建型腔、槽等非規(guī)則切削體。LI等［28］在特征切削體參數(shù)化庫(kù)基礎(chǔ)上建立了加工特征與加工工藝間映射關(guān)系，基于分層加工提取復(fù)雜特征輪廓，而后進(jìn)行輪廓補(bǔ)全、輪廓線偏置等操作構(gòu)建切削體。

綜上所述，切削體參數(shù)化庫(kù)實(shí)例化方法直接利用加工特征與加工工藝間映射關(guān)系，對(duì)結(jié)構(gòu)與工藝相似的典型特征對(duì)應(yīng)切削體具有方便快捷的優(yōu)勢(shì)，但難以實(shí)現(xiàn)對(duì)幾何拓?fù)浜蜋C(jī)加工藝復(fù)雜的非規(guī)則特征的完全預(yù)定義，需進(jìn)行輪廓識(shí)別與計(jì)算。

2）基于圖的切削體識(shí)別與構(gòu)建。屬性鄰接圖（Attribute Adjacency Graph，AAG）是一種常用的特征識(shí)別工具［9］，具有特征定義簡(jiǎn)單、識(shí)別效率高、可準(zhǔn)確描述特征面鄰接屬性等優(yōu)點(diǎn)，故可利用零件AAG 中加工面作為切削體面以構(gòu)造切削體。工序模型及其AAG 示例如圖3（a）和圖3（b）所示，其中邊屬性：凸邊記為1，凹邊記為0。萬(wàn)能等［29］將特征分為簡(jiǎn)單、體積和表面3 類，通過(guò)遍歷AAG 的凹鄰接子圖集Gs識(shí)別各類特征，并分別通過(guò)補(bǔ)特征法與半空間法［30］構(gòu)建切削體，如圖3（c）和圖3（d）所示。同樣基于半空間法，劉金鋒等［31］通過(guò)延展特征面的鄰接面組創(chuàng)建凹凸特征及過(guò)渡特征的切削體。邵立等［32-33］采用凸邊分解和基面匹配算法從預(yù)先定義的特征庫(kù)中檢索特征類型并計(jì)算相應(yīng)的形位參數(shù)，實(shí)現(xiàn)切削體定位定形。

圖3 基于AAG 的切削體造型Fig.3 Delta volume modeling based on AAG

前述基于圖的方法采用批處理和模式匹配方式識(shí)別特征，對(duì)于特征數(shù)量較多的復(fù)雜零件，在構(gòu)建AAG 及進(jìn)行子圖分離、匹配時(shí)效率較低，且難以有效識(shí)別相交特征。

3）切削體分解與組合建模。LITTLE等［34］提出了切削體分解的建模思路，原理如圖4 所示，毛坯模型與零件模型布爾差得到復(fù)雜切削體C，表面延伸將其分解為(c1，c2，c3，c4，c5)數(shù)個(gè)切削體素，逐個(gè)建模、合并創(chuàng)建工序切削體。

圖4 基于體分解的切削體造型Fig.4 Delta volume modeling based on volume decomposition

WOO等［35］提出基于最大體積的切削體分解準(zhǔn)則及方法，以加工工藝規(guī)劃制定合并規(guī)則驅(qū)動(dòng)構(gòu)建加工特征切削體。在切削體分解策略方面，ZHENG等［36］和HOUSHMAND等［37］基于邊界環(huán)分解，通過(guò)提取特征基面環(huán)對(duì)特征做空間分解運(yùn)算，可較好滿足三軸加工的工序建模需求，但該方法要求基面環(huán)完整封閉。趙鳴等［38］和趙鵬等［39］則分別使用基于凹邊、凸邊定義的分割面對(duì)復(fù)雜相交特征的切削體做分解和簡(jiǎn)化。張賀等［40］基于設(shè)計(jì)特征創(chuàng)建和選擇分割面，通過(guò)加工方法鏈與加工特征映射構(gòu)建切削體及加工單元體，提高了建模效率。

切削體的分解與組合建模方法可較好地解決了復(fù)雜加工特征切削體造型難度大等問(wèn)題，但切削體分解和組合過(guò)程中需進(jìn)行大量求交運(yùn)算，建模效率低?，F(xiàn)有方法多采用零件表面延伸的分割策略，故只適用于解析面。

2.1.2 特征幾何與拓?fù)渲貥?gòu)

特征的幾何與拓?fù)渲貥?gòu)方法在幾何、拓?fù)鋵用鎸?duì)模型的面、環(huán)等元素進(jìn)行變換和修改，其基本思路為：根據(jù)特征加工工藝及參數(shù)，對(duì)特征面或特征邊界環(huán)進(jìn)行偏移、掃掠、增刪等幾何操作，并實(shí)時(shí)更改模型的幾何和拓?fù)湫畔?，?shí)現(xiàn)特征抑制［41］。具體實(shí)現(xiàn)方法有特征面重構(gòu)、特征邊界環(huán)重構(gòu)這兩類。

1）特征面重構(gòu)。特征面重構(gòu)是一種基于加工工藝和參數(shù)對(duì)相應(yīng)特征面進(jìn)行偏移、重構(gòu)、增刪等操作以改變其幾何形狀的建模方法。如圖5（a）所示，以零件模型為例進(jìn)行簡(jiǎn)要說(shuō)明，對(duì)頂面f1和孔側(cè)面f2分別沿面法矢方向偏移相應(yīng)余量，即可構(gòu)建如圖5（b）所示的工序前件模型。

圖5 特征面偏置Fig.5 Offset of the feature faces

ZHOU等［42-43］基于特征識(shí)別結(jié)果，對(duì)特征加工面進(jìn)行偏置、移除、加厚或拓?fù)渲貥?gòu)操作，以構(gòu)造工序前件模型。張輝等［44］建立特征信息與建模操作的映射關(guān)系，對(duì)工序后件模型增加建模操作或修改模型參數(shù)。韓飛燕等［45-46］提出了復(fù)雜零件的變形映射建模方法，將工藝約束及工藝參數(shù)引入變形映射建模過(guò)程中，生成工序曲面族，其曲面造型精度和質(zhì)量?jī)?yōu)于等距偏置法，但收斂速度慢、求解效率低。

2）特征邊界環(huán)重構(gòu)：特征邊界環(huán)重構(gòu)方法首先提取特征基面環(huán)曲線，基于給定工藝參數(shù)進(jìn)行曲線偏置操作創(chuàng)建目標(biāo)曲線，隨后通過(guò)拉伸、旋轉(zhuǎn)等操作創(chuàng)建體域，最后進(jìn)行布爾運(yùn)算創(chuàng)建工序前件模型。

針對(duì)銑削類零件的型腔類加工特征，如圖6 所示，邵立等［47］采用基于余量值和刀具半徑值生成偏置曲線的方法，但可能出現(xiàn)曲線拓?fù)涓淖兓蚪徊鎲?wèn)題。辛宇鵬等［48］和唐健鈞等［49］分別簡(jiǎn)化了圓角特征和過(guò)渡特征用于提取特征邊界環(huán)。PARK［50］提取刀軌以構(gòu)造特征邊界環(huán)，創(chuàng)建刀具運(yùn)動(dòng)掃掠體，但過(guò)程繁瑣、效率低。

圖6 特征邊界環(huán)偏置Fig.6 Offsets of the feature loops

特征幾何與拓?fù)渲貥?gòu)方法忽略了工序模型間的遞推關(guān)系，未有效利用加工工藝規(guī)劃信息。另外，對(duì)于加工特征類型各異、特征面及邊界環(huán)的幾何拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜的情況，需考慮復(fù)雜圓角過(guò)渡特征的簡(jiǎn)化與抑制，且更新幾何拓?fù)鋾r(shí)易出錯(cuò)。

2.2 工藝信息法

工藝信息法是指讀取二維工藝圖紙、工藝卡片、三維工藝模型或其他包含工藝信息的載體，以自然語(yǔ)言理解、二維圖形處理方法或三維模型重構(gòu)等為技術(shù)支持，從輸入的工序圖、注釋文本和模型數(shù)據(jù)信息中提取工藝語(yǔ)義、創(chuàng)建并存儲(chǔ)工藝知識(shí)，并以此驅(qū)動(dòng)實(shí)體建模操作，以實(shí)現(xiàn)三維工序模型自動(dòng)構(gòu)建的一種研究方法，具體實(shí)現(xiàn)方法包括二維工藝圖法、工藝知識(shí)法和MBD 模型法3 類。

2.2.1 二維工藝圖法

基于二維工藝圖的工序模型自動(dòng)構(gòu)建方法是指通過(guò)讀取二維工藝圖及其標(biāo)注內(nèi)容和制造資源信息、工裝參數(shù)等，以一定規(guī)則提取和理解加工語(yǔ)義，再以拉伸、旋轉(zhuǎn)、切除等實(shí)體建模方法構(gòu)建工序模型的一種研究方法。

黃瑞等［51-52］提出工序前件模型與工序圖映射匹配算法，如圖7 所示，將投影圖分割為圖元集并以AAM 表示圖元間鄰接關(guān)系，與工序圖進(jìn)行子圖同構(gòu)匹配處理，進(jìn)而獲取特征信息指導(dǎo)工序模型構(gòu)建。類似地，范海濤等［53］基于圖的相似度評(píng)估比較獲取工序前件模型投影視圖和加工基準(zhǔn)。WEN等［54-55］則進(jìn)一步引入剖視圖信息，有效提升了建模準(zhǔn)確度，但僅能處理拉伸類、回轉(zhuǎn)類等簡(jiǎn)單特征。ZHANG等［56-57］建立了工藝語(yǔ)義模型向工序圖形的映射關(guān)系，根據(jù)提取到的加工特征及其形位參數(shù)、加工方法驅(qū)動(dòng)創(chuàng)建工序模型。

圖7 圖元及其屬性鄰接矩陣Fig.7 Schematic diagram of the graphical element and its attribute adjacency matrix

該方法要求工程圖、工藝編制高度標(biāo)準(zhǔn)化，工藝圖紙有限的信息承載能力顯然難以滿足要求。此外，三維模型向二維投影的過(guò)程中會(huì)丟失空間拓?fù)湫畔?，由二維工藝圖重建三維模型時(shí)也會(huì)產(chǎn)生多義、多解和病態(tài)解等情況。

2.2.2 工藝知識(shí)法

工藝知識(shí)法的基本思路為：基于工藝知識(shí)建立工藝本體，以工序文本和機(jī)加工藝知識(shí)庫(kù)進(jìn)行語(yǔ)義分析，提取特征信息和加工參數(shù)等，以工藝語(yǔ)義驅(qū)動(dòng)工序模型的自動(dòng)構(gòu)建［58］。工藝知識(shí)的基本信息結(jié)構(gòu)如圖8 所示。

圖8 機(jī)加工藝知識(shí)樹(shù)Fig.8 Knowledge tree of the machining process

LIU等［59-60］建立了以加工特征為基本單元的集成化工藝路線規(guī)劃流程，以層次化檢索方法實(shí)現(xiàn)特征匹配和工序模型的自動(dòng)更新和局部修改，但未驗(yàn)證工藝知識(shí)的重用性。田桂中等［61］以產(chǎn)品對(duì)象對(duì)應(yīng)工藝知識(shí)列表和工藝知識(shí)表間的關(guān)聯(lián)關(guān)系模型為基礎(chǔ)構(gòu)建工藝知識(shí)庫(kù)。李春磊等［62］建立了描述加工過(guò)程幾何變化情況的幾何演變序列并進(jìn)行相似性度量，提取參與特征加工的幾何變更元素創(chuàng)建工序模型。WAN等［63-64］分別面向工藝知識(shí)和三維建模知識(shí)建立了結(jié)構(gòu)化語(yǔ)義模型，提出基于信息映射的三維工序模型輔助生成方法，以特征參數(shù)化方法構(gòu)建切削體和工序模型。

工藝知識(shí)法要求工藝知識(shí)具有標(biāo)準(zhǔn)化、結(jié)構(gòu)化的表達(dá)形式，目前的實(shí)用化程度有限，需對(duì)工藝數(shù)據(jù)挖掘與分析、工藝知識(shí)定義與理解和工藝智能化設(shè)計(jì)與推理等技術(shù)進(jìn)行更為深入的研究。

2.2.3 MBD 模型法

MBD 模型法以集成產(chǎn)品生產(chǎn)管理等信息的工序MBD 模型為唯一數(shù)據(jù)源，從中讀取零件幾何信息以及三維標(biāo)注、工程注釋等非幾何信息，生成可視化的三維工藝文件并進(jìn)行加工工序設(shè)計(jì)，驅(qū)動(dòng)構(gòu)建工序模型［65-66］。唐健鈞等［67］以細(xì)分工藝數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)創(chuàng)建可視化的三維工藝文件，提高了三維工藝設(shè)計(jì)效率。田富君等［68-69］建立了由幾何層、加工特征層和工藝信息層組成并以加工特征為基本組織單元的工序MBD 模型，驅(qū)動(dòng)面向工藝的建模。張瑞廷等［70-71］基于航天壁板結(jié)構(gòu)件MBD 模型建立了槽腔、筋、孔等特征的UDF 特征庫(kù)，以輸入模型的尺寸、形位約束實(shí)例化特征及其切削體。類似地，于勇等［72］根據(jù)工藝參數(shù)創(chuàng)建機(jī)加工序工藝信息庫(kù)，以XML 語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)模型幾何信息、非幾何信息的結(jié)構(gòu)化表達(dá)和傳遞，其系統(tǒng)框架如圖9 所示。HUANG等［73］提出一種基于加工特征的多層次結(jié)構(gòu)化工序MBD 模型，以之為加工語(yǔ)義載體并引入特征聚類分析驅(qū)動(dòng)工序模型的分層構(gòu)建?；贛BD 模型的工序建模技術(shù)可避免二維工藝信息提取和解析的局限性，提高工藝設(shè)計(jì)和工序模型構(gòu)建效率［72］，但不同算法的MBD 模型數(shù)據(jù)信息架構(gòu)不統(tǒng)一，數(shù)據(jù)交換通用性差。

圖9 基于MBD 模型的工序模型輔助構(gòu)建系統(tǒng)框架Fig.9 Frame of the process model construction system based on the MBD model

3 發(fā)展趨勢(shì)

綜上所述，針對(duì)工序模型自動(dòng)構(gòu)建技術(shù)的研究雖已取得較豐富的理論方法成果，不同方法的技術(shù)特點(diǎn)總結(jié)見(jiàn)表1。但當(dāng)前研究過(guò)程中仍存在以下不足與難點(diǎn)：①算法依賴特征識(shí)別，難以識(shí)別和處理相交特征、復(fù)雜曲面特征等；② 建模過(guò)程存在大量布爾運(yùn)算，計(jì)算量大、效率低；③系統(tǒng)開(kāi)發(fā)局限于商用三維建模軟件平臺(tái)，不具備通用性；④ 探索性理論研究多于應(yīng)用性實(shí)踐驗(yàn)證和技術(shù)推廣，技術(shù)方法實(shí)用化水平有待檢驗(yàn)。

表1 工序模型自動(dòng)構(gòu)建方法Tab.1 Automatic construction methods for the process model

為此，該技術(shù)可能的發(fā)展趨勢(shì)如下：

1）基于全工藝信息的工序模型構(gòu)建。當(dāng)前制造模式下對(duì)MBD 信息的利用程度有限，現(xiàn)有基于MBD 模型的工序模型構(gòu)建技術(shù)常將信息結(jié)構(gòu)中的幾何信息與非幾何信息區(qū)分管理和利用。統(tǒng)籌產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝、制造和管理信息以及零件在加工過(guò)程中的實(shí)際工藝狀態(tài)參數(shù)以驅(qū)動(dòng)工序模型構(gòu)建等有待進(jìn)一步研究。

2）基于仿真加工結(jié)果面片模型的工序模型自動(dòng)構(gòu)建。面向工程應(yīng)用需求，加工仿真結(jié)果的面片模型已包含構(gòu)建工序模型所需的全部幾何信息，基于仿真結(jié)果自動(dòng)構(gòu)建工序模型不僅可擺脫工藝人員編程對(duì)具體CAD/CAM 軟件平臺(tái)和具體工藝過(guò)程數(shù)字化形式的依賴，具有較好的通用性和適應(yīng)性，也無(wú)需進(jìn)行實(shí)體布爾運(yùn)算，可顯著改善建模效率。然而，該技術(shù)也帶來(lái)了面片模型的拓?fù)淙毕菘焖傩迯?fù)、加工仿真結(jié)果切削殘留處理等問(wèn)題，還需進(jìn)行巨量面片簡(jiǎn)化和基于面片模型的實(shí)體模型重構(gòu)等新算法研究。

3）復(fù)雜結(jié)構(gòu)件工序模型構(gòu)建技術(shù)的自動(dòng)化、智能化。當(dāng)前雖已對(duì)自動(dòng)建模技術(shù)方法進(jìn)行了系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與驗(yàn)證，但僅能滿足三軸機(jī)加件等簡(jiǎn)單零件及幾類簡(jiǎn)單特征的建模要求，難以完成具有加工特征種類多、機(jī)加工藝復(fù)雜等特點(diǎn)的航天產(chǎn)品復(fù)雜結(jié)構(gòu)件工序模型自動(dòng)構(gòu)建任務(wù)。為提升建模自動(dòng)化、智能化水平，可面向五軸加工制造資源以及零件設(shè)計(jì)和工藝要求，設(shè)定加工面可見(jiàn)性、刀具可達(dá)性、幾何參數(shù)和工藝參數(shù)匹配等可加工性判斷準(zhǔn)則，自動(dòng)進(jìn)行工藝預(yù)規(guī)劃，采用基于特征識(shí)別與抑制、復(fù)雜切削體分層造型等混合的方法快速構(gòu)建當(dāng)前工序去除的切削體域和相應(yīng)工序前件模型，以提升技術(shù)通用性。

4 結(jié)束語(yǔ)

三維工序模型自動(dòng)構(gòu)建技術(shù)是三維CAPP 的關(guān)鍵研究?jī)?nèi)容。結(jié)合航天制造技術(shù)背景開(kāi)展相關(guān)研究工作并開(kāi)發(fā)工序模型自動(dòng)構(gòu)建平臺(tái)，可全面提升航天復(fù)雜結(jié)構(gòu)件三維設(shè)計(jì)模型在工藝與制造等環(huán)節(jié)的綜合利用率，減少工藝人員重復(fù)性工作，對(duì)提高航天產(chǎn)品數(shù)控加工工藝設(shè)計(jì)過(guò)程的自動(dòng)化與智能化水平具有重要意義。本文介紹了工序模型自動(dòng)構(gòu)建方法的原理，根據(jù)目前的研究現(xiàn)狀和技術(shù)路徑，系統(tǒng)論述了當(dāng)前基于加工特征識(shí)別的切削體造型、特征幾何拓?fù)渲貥?gòu)以及基于二維工藝圖、工藝知識(shí)、MBD 模型等工藝信息的方法等幾類技術(shù)的最新研究成果，對(duì)比分析了幾類方法的優(yōu)劣，指出了當(dāng)前方法尚未解決的技術(shù)難點(diǎn)，展望了今后的發(fā)展趨勢(shì)，為相關(guān)研究工作提供參考和借鑒。