杜晨曉,劉金鋒,2,李純金,2+,周宏根,2,劉曉軍,董 磊,康 超,2

(1.江蘇科技大學 機械工程學院,江蘇 鎮(zhèn)江 212028;2.江蘇科技大學 江蘇省船海機械裝備先進制造重點實驗室,江蘇 鎮(zhèn)江 212028;3.東南大學 機械工程學院,江蘇 南京 211100;4.金航數碼科技有限責任公司,北京 100020)

0 引言

近年來,隨著智能制造理念在產品設計與制造等環(huán)節(jié)的不斷深入推進,計算機輔助工藝設計技術(Computer Aided Process Planning,CAPP)得到了廣泛的應用與研究。傳統(tǒng)的基于二維工程圖的工藝設計方法已經難以與上游的全三維數字化設計和下游的先進制造工藝及裝備相適應[1]。為此,基于模型定義(Model Based Definition,MBD)技術應運而生[2-4]。加工特征作為表達工藝信息的載體,可以幫助工藝人員直觀地了解產品生產加工的動態(tài)演變過程,清晰地揭示工藝設計意圖,是指導產品加工制造過程的唯一依據[5]。因此,如何快速創(chuàng)建產品在加工過程中的動態(tài)演變特征模型,是現代制造企業(yè)保證產品加工質量,提升工藝規(guī)劃效率的關鍵。

機械零件制造通常以減材方式實現,由毛坯加工至零件產品的過程中始終伴隨著加工特征的動態(tài)演變。因此,目前三維工藝模型的構建主要以三維工序模型和去除特征為研究對象[6-8],劉金鋒等[9]將加工特征分為凹陷、凸起和過渡3類,基于特征識別技術與半空間思想,以交互獲取特征面組的方式提出了快速創(chuàng)建工序模型的方法;徐同明等[10]基于特征切削體參數化構造方法與型腔特征深度優(yōu)先模型構建技術,提出了工序模型的自動生成方法;唐健鈞等[11]基于MBD技術將三維工序間模型應用于數控加工并創(chuàng)建了數控加工工藝模型;SUBIRON等[12]提出了基于特征的檢驗工藝規(guī)劃框架,運用于產品與檢驗系統(tǒng)中交互組件的建模,促進了產品設計與制造過程的集成開發(fā)與協(xié)作。除了上述基于特征的三維工藝模型構建方法,基于工藝知識與工藝語義[13-15]的建模方法也得到廣泛應用。如LI等[16]構建了多層次多因素的工藝知識圖,通過基于規(guī)則的推理方法保證工藝知識圖的統(tǒng)一性,并基于工藝知識圖提出異構CAM模型的結構化建模方法,提高了數控加工工藝規(guī)劃效率;石云飛等[17]將零件設計信息引入三維建模,提出基于工藝語義的工序模型快速創(chuàng)建方法,實現了毛坯到設計零件加工過程的可視化。

在探究加工過程工藝模型的變遷機制,揭示加工特征的演變規(guī)律方面,高曉兵等[18]提出虛擬加工基準概念,利用模型表面基準屬性識別工序模型中加工表面的演變序列,并基于特征表面NURBS參數表達式變化識別加工特征的幾何演變過程;胡淑慧等[19]基于向量構建工序幾何演變模型,通過體素的幾何變化構建工序模型之間的幾何演變屬性鄰接圖。毛貝等[20]歸納了工藝模型基本屬性,以參數化的方式規(guī)范定義工藝設計過程中不同環(huán)節(jié)的關聯(lián)數據,提出幾何元素引用等方法輔助工藝模型的表達與組織。

綜上所述,目前的建模方法僅表達加工前過加工后的形態(tài)。然而,在機械產品設計制造過程中,隨著訂單插入及工藝改進等情況發(fā)生,難以避免零件工藝需求更改的問題。當工藝需要精確到某個時間節(jié)點進行更改時,上述建模方法將無法滿足工藝設計更新快速響應的需求。此外,在加工特征演變信息的獲取與表達方面,多局限于工序特征,所表達的幾何信息相對固化且粒度大,難以滿足工藝設計動態(tài)決策對幾何數據的頻繁調用與反饋。因此,有必要將模型創(chuàng)建的思路由靜態(tài)轉向動態(tài),基于時間維度獲取相關工藝數據對演變特征進行建模,以提高工藝設計準確性。

1 基本概念與方法概述

1.1 基本概念

在過去的加工特征演變研究中,主要解決了如何表達零件在加工完成前或完成后所產生的幾何變化問題。以加工軸類零件為例,如圖1a所示(銀白色部分為工序模型,淡藍色部分為去除體模型)。但在時間維度上,工序完成時作為一個時刻,可以認為其是加工過程中某個離散的靜態(tài)節(jié)點,無法動態(tài)地描述整個加工特征的演變過程。因此,本文將毛坯與工序模型這類基于靜態(tài)時間節(jié)點構建的模型歸類為靜態(tài)模型,將基于時間維度構建,能夠反映任意時刻加工特征幾何演變情況的模型歸類為動態(tài)模型。

圖1 零件加工過程特征演變

定義1加工特征演變模型(Machining Feature Evolution Model,MFEM)。用于描述加工特征在時間維度上動態(tài)演變的幾何特征模型。具體來說,工序以某個特征為加工對象,在這道工序的加工過程中,加工特征隨著刀具切削不斷被去除材料,其幾何形態(tài)始終在變化。為具體描述這個加工過程,基于加工時間構建了加工特征的幾何演變模型MFEM。

定義2零件演變模型(Evolution Model,EM)。用于描述零件在加工過程中動態(tài)演變的幾何模型。EM基于工序模型構建,在幾何意義上,EM是上一道工序模型與本道工序的MFEM之和。

定義3去除體模型(Removal Model,RM)。用于描述切削去除材料部分的動態(tài)演變幾何模型。與MFEM不同,MFEM在一道工序中是減材的過程,而RM隨加工時間去除的材料不斷增多,從無到有,是增材的過程。

基于上述3個定義,可以總結出以下3個幾何關系表達式：

(1)

(2)

(3)

為闡述本研究內容的必要性,以加工零件上一孔特征為例進行說明。如圖2所示,在原定的工藝設計中需要加工一個半徑為3 mm的孔,但由于訂單插入,對零件的制造需求發(fā)生改變,實際加工的孔半徑減小為2.8 mm,比設計時多預留0.2 mm余量。因此,需要對下一道工序模型進行修改,即在原有3 mm半徑的孔特征上構建一個增量為0.2 mm的薄壁。面對上述工藝設計與實際加工不一致的情況,必須對原有的靜態(tài)工序模型進行動態(tài)調整,以實現工藝的快速重構與NC代碼的實時更新。因此,本文以加工時間、切削參數等工藝數據為驅動,提出能夠對工藝更改進行動態(tài)響應的加工特征快速建模方法。

圖2 研究內容必要性樣例

1.2 方法概述

工藝數據驅動的加工特征演變模型快速創(chuàng)建系統(tǒng)框架如圖3所示,該框架包括加工特征演變信息模型構建、工藝數據的組織與管理、加工截面參數化構建和數據驅動的特征演變模型快速創(chuàng)建4個部分。

圖3 加工特征演變模型快速創(chuàng)建的系統(tǒng)框架

構建加工特征幾何演變模型的前提是獲取與加工特征相關的演變信息,主要基于特征識別技術、數控程序與工藝樹三方面進行提取。特征識別可以從零件的三維模型中提取加工特征的拓撲結構、幾何參數和屬性等信息[21],通過屬性鄰接圖與特征面組拓撲關系矩陣可以表達加工特征面邊的演變關系,是實現加工特征信息模型構建的關鍵技術之一。此外,STEP-NC的出現使得CNC系統(tǒng)能夠與其他系統(tǒng)間進行信息集成與共享[22],通過數控程序可以獲取刀具運動軌跡、刀具的軸線方向與坐標,反饋刀具與加工特征之間的相對加工位置信息。三維工藝設計軟件中的工藝樹則體現了整個零件的加工工藝方案,主要獲取加工操作、機床、刀具和切削參數等工藝信息,最后通過XML文件輸出。工藝數據的組織與管理主要內容包括去除體與加工截面映射機制、加工截面與驅動數據的關聯(lián)關系及工藝數據分類。

基于上述框架前兩部分對工藝數據的獲取與組織管理,將不同加工工藝的加工截面類型分類為矩形、圓形和圓環(huán),構建刀具的等效轉化模型,以切削參數及關聯(lián)特征幾何公差驅動加工截面參數化構建。然后依據去除體與加工截面之間的一一映射關系,以加工時間與切削速度為驅動元素對去除體參數化建模,實現對特征演變幾何模型的快速創(chuàng)建。

2 演變信息模型構建與數據組織管理

2.1 加工特征演變信息模型構建

一般構建的三維工序模型表達的是零件在某道工序加工完成時的靜態(tài)形態(tài),忽略加工特征在工序中連續(xù)、動態(tài)的演變過程。為彌補上述不足,基于時間維度構建加工特征演變信息模型,以加工時間關聯(lián)并驅動動態(tài)的幾何信息與工藝信息,為幾何特征模型的快速創(chuàng)建提供支撐。加工特征演變信息模型(Dynamic Evolution Information Model,DEIM)如圖4所示,表示如下：

圖4 加工特征演變信息模型

DEIM=(Geo,Pro)。

(4)

其中：Geo(geometry)表示加工特征演變過程的幾何信息,Pro(process)表示加工特征演變過程的工藝信息。

(1)幾何信息表示如下：

Geo=(SM,DM)。

(5)

幾何信息的描述對象為三維工藝模型,根據第1章的定義劃分為靜態(tài)模型(Static Model,SM)與動態(tài)模型(Dynamic Model,DM)。靜態(tài)模型的幾何信息包括特征的拓撲結構(Topological Structure,TS),如共面、垂直、平行、同軸、相切等約束關系,通過構建特征面組拓撲關系矩陣表示;以及特征的尺寸與公差(Dimension and Tolerance,DAT),如長度、半徑、直徑、角度等尺寸參數,公差信息則可以確保工藝設計時建模的精度。動態(tài)模型的幾何信息以加工時間(Processing Time,PT)為主要驅動元素而實時變化,包括刀具與加工特征的相對加工位置(Relative Machining Position,RMP),與工藝信息中的刀具軸線坐標、進給方向和加工表面關聯(lián);以及去除材料體積(Removal Material Volume,RMV),基于時間維度由切削參數驅動,SM與DM表示如下：

SM=(TS,DAT);

(6)

DM=(PT,RMP,RMV)。

(7)

(2)工藝信息表示如下：

Pro=(MT,CT,TA,FD,Sur,Met,CP)。

(8)

其中：MT(machine tool)表示加工機床;CT(cutting tool)表示加工刀具;TA(tool axis)表示刀具軸線相對于加工表面的運動軌跡;FD(feed direction)表示刀具進給方向;Sur(surface)表示加工表面;Met(method)表示加工方法,如車銑刨磨鉆拉等,對其進一步分類,如銑削可以細化到周銑或端銑,車削可以細化到橫向進給或縱向進給等;CP(cutting parameters)表示切削參數,

CP=(Vel,Wid,Dep)。

(9)

其中：Vel(velocity)表示切削速度,Wid(width)表示切削寬度,Dep(depth)表示切削深度。

2.2 工藝數據的組織與管理

一般來說,加工特征可以被定義為一組具有幾何拓撲關系的表面集合。因此,加工特征面f與去除體RM之間存在映射關系,根據特征的復雜程度可以將映射關系分類為一對一、多對一及多對多三類。如圖5a所示,表示特征面與去除體之間一對一的映射關系,即與去除體RM1所關聯(lián)的特征面f1有且僅有一個;如圖5b所示表示特征面與去除體之間多對一的映射關系,即與去除體RM1所關聯(lián)的特征面有f1、f2、f3、f4和f5;如圖5c所示表示特征面與去除體之間多對多的映射關系,即與去除體RM1所關聯(lián)的特征面為f1和f2,與去除體RM2所關聯(lián)的特征面為f3和f4。

圖5 加工特征面與去除體映射關系

上述的映射關系適用于加工前或加工后的靜態(tài)模型。然而,對于動態(tài)演變特征而言,其幾何形態(tài)每時每刻都在發(fā)生變化,故加工特征面的空間位置與幾何參數也會實時發(fā)生改變,通過上述的映射關系難以快速且簡便地建模。例如圖5c中,隨著鉆孔加工進行,RM1對應的特征面f1圓周面的高度不斷增高,特征面f2的空間位置不斷沿著刀具軸線向下下沉。因此,演變特征模型構建的關鍵是創(chuàng)建與去除體存在一一映射關系的加工截面,將對應的切削參數與之動態(tài)關聯(lián)。

加工截面的構建方法將在第3章中詳細闡述,對于加工截面類型、加工工藝與工藝數據組織管理之間的關系如圖6所示。本文考慮了在這些工藝下形成的加工截面類型,將其分為矩形面,圓面和圓環(huán)面。然后進一步將截面幾何參數分為矩形長l1,矩形寬l2,內圓半徑r及外圓半徑R,與不同工藝下的切削參數關聯(lián)。例如銑削與刨削的加工截面為矩形,驅動截面參數l1與l2的工藝數據分別為切削深度與切削寬度;車削徑向進給的加工截面同樣為矩形,但由軸向進給量與徑向進給量驅動截面參數;車削軸向進給的加工截面為圓或圓環(huán),驅動截面參數r與R的工藝數據分別為切削形成的工件內圓半徑與外圓半徑;鉆孔時加工截面為圓形,由鉆刀半徑驅動;擴孔時加工截面為圓環(huán),由鉆孔半徑與擴孔刀具半徑驅動圓環(huán)截面的內外圓半徑r與R。

圖6 工藝數據的組織與管理

3 工藝數據驅動的加工演變特征快速建模方法

3.1 加工特征面組拓撲關系演變表達

零件在加工過程中始終伴隨著特征的演變,為表述加工特征在拓撲關系上的變化,需要分析特征各面組之間存在的約束關系并構建相應的拓撲關系矩陣。特征面之間的約束關系按幾何學中分類為共面、垂直、平行、同軸、相切及不垂直6類,并進一步根據兩特征面相交或相離的關系進行賦值,其中由于不存在兩特征面相交且平行的情況,故平行時只賦一種值,具體如表1所示。

表1 特征面拓撲關系賦值表

通過特征識別技術可以獲取構成加工特征的所有面組,從中篩選出與工藝活動相關的特征面進行標記,兩特征面之間的約束關系具體由平面的法向量、圓柱面的軸線與半徑確定。如,若兩平面法向量垂直,則其約束關系為垂直;若平面法向量與圓柱面軸線重合或平行,則其約束關系為垂直;若平面法向量與圓柱面軸線垂直且間距為圓柱面半徑,則其約束關系為相切;若兩圓柱面軸線重合,則其約束關系為同軸等。

通常零件在一道工序或工步前后,加工特征面會新增或消失,也可能會在原有特征面基礎上變更。以加工平面為例,如圖7a所示,其中新增面為f6,消失面為f1,其余特征面f2,f3,f4及f5發(fā)生變更,以f2′,f3′,f4′與f5′表示。圖例中各面組間存在垂直與平行兩種約束關系,然后判斷相交或相離并按照表1進行賦值,輸出加工前后相應的特征面拓撲關系演變矩陣。由此可以便于表達加工特征的屬性信息與幾何信息,也進一步確定了加工截面的空間位置。一般而言,加工截面一般與消失面或變更面相關聯(lián),例如圖7b銑刀沿著特征面f2法線向量加工槽,則加工截面與變更面f2′存在共面關系;如圖7c沿著特征面f1法線向量向下鉆孔,則加工截面與變更面f2′共面,對于這類一而貫之單次走刀形成的特征,具體而言,其加工截面在幾何意義上即為變更面f1′與f1之差;圖7d同理。

圖7 加工特征面組拓撲關系矩陣

3.2 加工截面參數化構建

加工特征在加工過程中的動態(tài)演變可以看作由刀具類型及切削參數驅動形成的加工截面,以與刀具相同的切削速度,在時間維度上改變相對于加工特征位置進行偏移的過程,由截面偏移所經過的部分即為去除體模型,且所構建的加工截面與去除體存在一對一的映射關系。截面的類型基于不同的加工工藝分類為矩形面、圓環(huán)面和圓面。

為保證工藝設計準確性,截面的幾何尺寸參數由切削基本尺寸及公差兩部分構成,以切深、切寬、進給量等加工參數為驅動元素,按照工藝數據的組織與管理方法將模型公差信息同步至關聯(lián)的截面各邊,取上下偏差中值與切削基本尺寸參數之和作為加工截面參數。如圖6中,根據“矩形面—端銑—切削深度—l2--矩形截面寬”之間的關聯(lián)關系,則同步關聯(lián)的公差值為切削深度方向上即加工特征高度尺寸的公差,若其上偏差為ES,下偏差為EI,切削深度的基本尺寸為l2′,則

(10)

(1)銑削

銑削存在端銑和周銑兩種加工方式,端銑由銑刀端面上的切削刃對加工表面進行切削,而周銑以銑刀圓柱面上的切削刃對加工表面進行切削。在銑削過程中,將銑刀等效轉化為圓柱體刀具模型,通過信息模型提取銑削刀具參數及特征相關各邊公差信息,將與銑刀旋轉半徑相關聯(lián)的圓柱半徑等效轉化,如圖8所示。

圖8 銑削加工過程加工截面構建

1)端銑

端銑過程中為圓形的端面與加工表面接觸,其加工截面的構建過程按以下步驟：首先在接觸面上過刀具軸線取一條垂直于進給方向上唯一的直徑,作為矩形截面的一邊l1;然后于l1兩端點處沿刀具底端向刀具頂端的方向延伸,作垂直于加工表面,且長度等同于切削深度的邊l2;最后連接兩邊頂端兩點,構成封閉的矩形截面。

2)周銑

周銑的加工過程可以視為圓柱的外圓面對加工表面進行切削。外圓面與加工表面接觸的幾何是平行于刀具軸線的圓柱體上一條高。其刀具面的構建過程按以下步驟：首先取外圓表面與加工表面上唯一接觸的一條高,作為矩形截面的一邊l1;然后于l1兩端點處分別沿兩側端面圓心的方向延伸,作垂直于加工表面,且長度等同于切削深度的邊l2;最后連接兩邊頂點,構成封閉的矩形截面。

加工截面的構建如圖8所示,ti,tj,tk(i

(2)車削

車削主要通過車刀的徑向和軸向進給對回轉類工件進行加工。因此,該部分以徑向進給量、軸向進給量和工件回轉半徑驅動加工截面參數化構建,分析車削過程中不同時刻刀具進給情況,構建動態(tài)徑向進給矩形截面、靜態(tài)軸向進給圓環(huán)和圓形截面。

1)徑向進給

以徑向進給車端面為例,加工截面的構建與不同加工時刻下截面的幾何演變如圖9a所示,車刀刀頭雖然是多角度且不規(guī)則的幾何,但刀頭一端始終保持與工件端面平行,完成一次對工件端面的切削可以認為是刀尖從接觸工件外圓面至軸線的徑向推進過程。因此,雖然刀頭不規(guī)則,但去除體是規(guī)整的圓柱或圓環(huán)柱體,可以將徑向進給的截面等價視為由刀尖處向徑向和軸向兩側延伸構建而成的規(guī)整矩形面。

圖9 車削加工過程加工截面構建

其加工截面構建過程步驟如下：首先將車刀刀尖沿軸向延伸至端面并命名此線段為l1,l1長度等同于車刀走刀一次去除的軸向余量;然后于l1兩端點處沿進給反方向延伸,作垂直于工件旋轉軸線,且長度等同于此時徑向進給量的邊l2;最后連接兩邊頂端兩點,構成封閉的矩形截面。該截面特殊之處在于邊l2由徑向進給速度和切削時間兩參數驅動而實時變化。

2)軸向進給

區(qū)別于徑向進給的動態(tài)截面,軸向進給是由已確定的徑向進給量沿軸線切削加工,徑向進給量等同于刀尖至工件外圓的距離,因此是靜態(tài)截面。實際車削加工中,工件尺寸和精度要求等因素影響著切削余量選擇。例如加工大尺寸工件,分多次走刀,此時形成圓環(huán)截面,以軸線在工件端面的投影為圓心,軸線至刀尖距離作為加工截面內圓半徑r,工件外圓半徑作為加工截面半徑R;加工小尺寸工件可一次走刀去除端面余量時,形成圓形截面,工件外圓半徑作為加工截面半徑R,如圖9b所示。

(3)刨削

刨削是刨刀對工件作水平直線往復運動的切削加工。其加工截面構建過程按以下步驟：首先取刨刀與加工表面接觸的幾何,即一條長度與刨刀刀寬相等的線段命為l1;然后于l1兩端點處沿刀具底端指向刀具頂端的方向延伸,作垂直于加工表面,且長度等同于切削深度的邊l2;最后連接兩邊頂端兩點,構成封閉的矩形截面,如圖10a所示。

圖10 刨削和鉆擴孔加工截面構建與演變過程

(4)鉆孔

鉆孔加工只存在單一的由加工表面外至加工表面內的進給方向,加工截面為鉆刀刀頭與加工表面重疊部分。與銑刀類似,將鉆刀等效轉化為圓柱體刀具模型,圓柱體半徑為鉆刀切削刃旋轉半徑,鉆孔加工的截面即為圓柱體半徑為r的圓形面,鉆孔加工演變過程如圖10b所示。

(5)擴孔

擴孔是對工件的原有孔徑擴大,是在鉆孔基礎上進一步加工。擴孔時,刀具切削刃旋轉半徑R較鉆孔時半徑r增大。因此,擴孔加工的截面可以基于鉆孔截面構建,在鉆孔圓形面上再作半徑為R的同心圓。則擴孔截面是以半徑為R的外圓及半徑為r的內圓構成的圓環(huán)面,擴孔加工演變過程如圖10c所示。

3.3 去除體參數化建模

本文主要針對平面、槽和孔類加工特征演變研究,對這三類加工特征適用的工藝劃分?；谝褬嫿ǖ募庸そ孛?在不同工藝下的建模方式、生成去除體類型及參數化建模所包含參數的信息如表2所示。

表2 去除體參數化建模

(1)加工平面和槽

1)銑削和刨削

大部分平面和槽類特征可通過銑削和刨削完成,如圖11a所示,在一段加工時間內,加工截面與銑刀位置保持同步,隨刀具由初始的P1處沿著切削方向加工至P2處,沿途加工的路徑長度由切削時間t與切削速度v驅動。去除體中垂直于切削方向的平面即為加工截面,兩邊l1與l2分別表示切削寬度與切削深度,去除體的長度即為截面平移的路徑長度vt。隨時間t去除材料的體積RMVt表達為：

圖11 去除體參數化建模

RMVt=l1·l2·v·t。

(11)

2)車削(徑向進給)

在大部分回轉類零件中也包含平面特征與槽特征,通過車削徑向和軸向進給完成車外圓端面、車槽。

在徑向進給加工過程中,工件旋轉,車刀向工件旋轉軸線處進給。由于工件旋轉是高速,遠遠高于車刀進給速度,即車刀每進給一段距離,都在瞬間對工件完成了切削。因此,其去除體隨時間的變化,可以視為工件靜止不動,加工截面向軸線處保持水平平移拉伸的過程。同時,基于此時的截面位置,平面繞軸線作一周旋轉運動,工件上經過此刻截面覆蓋的部分即為去除體,如圖11b所示。在這個過程中,去除體端面由圓環(huán)面逐漸形成最后的圓面,且圓環(huán)面內圓半徑隨進給深度逐漸減小。徑向進給截面是由一次走刀在軸向去除的余量l1,以及隨時間動態(tài)變化的徑向進給量l2為參數驅動的矩形。設車刀徑向進給速度為vr,則在任意時刻t時車刀在徑向的進給量l2可以表示為vrt。當徑向進給車削一個外圓半徑為R的工件時,去除體首先形成內圓半徑逐漸減小的圓環(huán)柱體,RMVt表達為：

RMVt=π·[R2-(R-vr·t)2]·l1。

(12)

當車刀進給至軸線時,即t=R/vr,工件端面加工完畢,去除體為底面半徑與工件半徑相等,高度為l1的圓柱體,RMVt表達為：

RMVt=π·R2·l1。

(13)

3)車削(軸向進給)

軸向進給時根據徑向進給量存在圓環(huán)截面或圓形截面兩種。當車刀沒有徑向進給至軸線時截面為圓環(huán)面,進給至軸線時為圓面。與徑向進給不同的是,徑向進給去除的柱體圓環(huán)面內環(huán)半徑隨時間動態(tài)變化,柱體高度為定值。軸向進給去除的柱體高度隨時間動態(tài)變化,而圓環(huán)面內環(huán)為定值。如圖11c所示,去除面沿著軸線拉伸,形成柱體。設車刀軸向進給速度為va,則在任意時間切削形成的柱體高度為vat。當刀具在徑向方向進給至軸線距離r處,工件半徑為R,則軸向進給時RMVt表達為：

RMVt=π·(R2-r2)·va·t。

(14)

當進給至軸線處時,加工截面為圓面,去除體為圓柱體,RMVt表達為：

RMVt=π·R2·va·t。

(15)

(2)加工孔

1)鉆孔

鉆孔時,加工截面是以半徑等同于鉆刀切削刃旋轉半徑r,圓心在刀具軸線上的圓面。如圖11d所示,設鉆刀沿軸線向工件內部鉆削的速度為v,截面沿軸線拉伸,得到去除體是柱體高度為vt,半徑為r的圓柱體,RMVt表達為：

RMVt=π·r2·v·t。

(16)

2)擴孔

擴孔時,加工截面是以擴孔刀具切削刃旋轉半徑R作為外圓半徑,以鉆孔半徑r為內圓半徑構成的圓環(huán)面。如圖11e所示,與鉆孔同理沿軸線拉伸,去除體是柱體高度為vt,外圓半徑為R,內圓半徑為r的圓環(huán)柱體,RMVt表達為：

RMVt=π·(R2-r2)·v·t。

(17)

4 應用驗證

基于本團隊開發(fā)的三維零件工藝設計系統(tǒng)MPD-Processer,運用本文提出的基于工藝數據驅動的加工特征快速建模方法,開發(fā)相應的加工演變特征創(chuàng)建模塊,實現加工特征在任意加工時刻幾何形狀的表達。如圖12a和圖12b所示,以工藝設計人員A在工藝設計模塊中對導入零件模型的槽特征進行銑削加工為例,可以在左側輸入相關加工操作的工藝信息,包含工序名稱、工序內容、工序類型、切削液、設備類型等工藝信息以及切削深度與切削寬度參數,然后上傳工藝信息并以XML格式輸出。在后續(xù)需要進行工藝更改時,工藝設計人員B首先提取XML文件中的切深與切寬以確定加工截面參數,然后根據調整的生產需求重新選擇刀具轉速與切削速度。在確定上述參數后輸入或調整加工時間t,即實現了在一道工序中任意時刻的去除體模型快速創(chuàng)建。在參數化建模模塊中按加工方法分為銑削/刨削、車削與鉆擴孔,按照本文提出的建模方法形成立方體、圓柱體和圓環(huán)柱體,分別如圖12c～圖12e所示。

圖12 應用驗證

5 結束語

本文提出了工藝數據驅動的加工演變特征快速建模方法,能夠對加工過程中任意時刻的特征模型進行快速創(chuàng)建,打破了以往只針對工序模型進行創(chuàng)建的局限。當零件需求變更時能夠更快速地響應進行工藝更改,也為數控加工程序代碼的動態(tài)更新提供技術支持,對提升三維數字化工藝設計效率具有重要意義。主要內容包括：

(1)討論了加工特征演變的動態(tài)特性與時變特性,并對加工演變特征進行了定義,構建了動態(tài)與靜態(tài)模型之間的幾何關聯(lián)機制;

(2)構建了工藝數據的提取框架,創(chuàng)建以加工時間為驅動的加工特征演變信息模型,闡述了其附屬工藝數據的組織與管理方法,為加工特征幾何模型的快速創(chuàng)建提供支撐;

(3)提出了工藝數據驅動的加工演變特征快速建模方法。創(chuàng)建了加工特征面組間拓撲關系演變矩陣,以便于表達加工特征幾何信息及其演變過程;構建了加工截面與去除體之間的關聯(lián)機制,并以切削參數及關聯(lián)特征幾何公差驅動加工截面參數化構建;基于特征對加工截面的映射關系,以切削時間與切削速度驅動去除體參數化建模;

(4)基于本團隊開發(fā)的三維零件工藝設計系統(tǒng)MPD-Processer,進一步開發(fā)了相應的加工演變特征創(chuàng)建模塊并驗證了本文方法的有效性和可行性。

本文針對平面、槽和孔這3類由標準幾何元素構成的加工特征建模方法進行了研究,但由于非標準幾何難以通過數學通式表達,以參數化建模的方法存在局限,這也是幾何數學中存在已久的難點,因而沒有進一步對這類加工特征討論。此外,沒有考慮加工過程中走刀重疊或空走刀的情況,這些問題將是未來研究的主要方向。