基于制造特征的三維工序模型構建方法

邵 立，張樹生，白曉亮，李 亮

SHAO Li, ZHANG Shu-sheng, BAI Xiao-liang, LI Liang

(西北工業大學，西安 710075）

0 引言

近年來數字化制造技術發展迅速，三維數模替代二維工程圖紙成為唯一的制造依據已經成為我國十二五規劃中制造業發展的重要目標[1]。三維數模定義的主要方法是MBD（Model Based Definition，即基于模型的工程定義）。MBD是一個用集成的三維實體模型來表達完整產品定義信息的方法體，它在三維實體模型上附加了產品的尺寸、公差和工藝等各種制造語義信息，它可以充分利用三維模型的表現力，是一種更便于用戶理解且更具效率的產品信息定義方法[2,3]。它使三維數模作為生產制造過程中的唯一依據，改變了傳統的由三維實體模型來描述幾何信息，而用二維圖紙來定義尺寸、公差和工藝信息的產品數字化定義方法。

全三維工序模型的構建技術是三維集成化CAPP系統研究的重要內容之一，是實現CAD/CAPP/CAM集成的關鍵技術之一。工序模型也稱工藝間模型，零件由毛坯狀態向最終狀態的演變過程中，需經過一個個不同的加工狀態，逐步去掉自身多余的材料而最終完成零件全部加工狀態，這些不同的加工狀態用三維立體圖形來反映就是各加工工序的工序模型。相關的三維工序模型構建技術還包括以下三種方法：1）基于特征回退技術建立工序模型[4]，利用特征回退技術生成工序模型的前提是面向制造的特征設計。該方法的缺點是在設計時不僅要考慮到零件模型本身，而且要考慮到制造過程中工藝設計的問題，不然就難以得到合適的工序模型。2）基于三維CAD軟件的關聯復制功能建立工序模型[5]，在零件發生變化時，它的后續工藝的零件的幾何信息也隨之發生改變，因此可以很方便的進行全局的修改。但是當工序的順序需要改變時，后續工序需要重新構建，不利于工序順序的調整。3）基于反推法的工序模型的建立方法[6～8]，由零件向毛坯進行推進，采用增材設計，由復雜零件到簡單毛坯，方向明確，但是逆推不能很好地模擬現實中的零件加工情況。

本論文為了實現零件由毛坯狀態向最終狀態的演變，提出了基于制造特征的三維工序模型構建方法。首先，依據制造特征的表達方法、加工元的表達方法及彼此的關聯關系，構建制造特征庫；接著，依據構建的制造特征庫，從零件的幾何信息中獲取制造特的定位參數和定形參數；然后，給定刀具半徑和余量值，實現加工元的定位與實例化；最后，與毛坯做布爾運算，實現制造毛坯動態演變。

1 整體思路

本論文的三維工序數模構建總體思路如圖1所示，1）構建制造特征庫；2）交互配準MDB模型和毛坯；3）采用子圖匹配技術提取MBD模型上的制造特征；4）基于制造特征庫構建三維工序模型；5）依據MBD模型信息實現工藝信息三維標注；6）輸出三維工序數模。本論文主要研究特征特征庫構建方法和工序模型構建方法。

圖1 三維工序數模構建總體框架

2 制造特征庫的構建

制造特征是指工件上一個具有語義的幾何實體，它描述了一個工件的材料切除區域，表達一個加工過程的結果，可以由實體特征和幾何特征來定義。體特征用來描述制造特征在加工過程中切除的材料，可用三維實體模型表達；幾何特征用來描述制造特征在加工過程中切除的區域，可用屬性零件圖表達。制造特征是由一個順序排列的加工元序列構成，制造特征、加工元與工序、工步存在對應關系，是工序、工步等工藝信息的載體，其中加工元的實體形狀受余量值和刀具半徑影響。

如何依據MBD模型上制造特征的幾何特征驅動制造特征的實體特征和實現制造特征的定位，基于給定的余量值、刀具半徑構建加工元的實體特征，是制造特征庫構建的難點。

2.1 制造特征的表達

本論文以MF(V,G,P,M)來表示制造特征，V表示制造特征的參數化體積特征圖(2(a))，由LL1，LL2，HD1和TR1四個參數變量驅動；G表示制造特征的幾何屬性鄰接圖(圖2(b))，節點表示面，弧表示邊；P表示制造特征體積特征的參數變量和定位信息(圖2(c))，對于不同含義的變量給與不同的變量名，其中LL代表兩平面距離，TR代表轉角半徑，HD代表拉伸高度；M表示參數變量與屬性鄰接圖的關聯關系(圖2(d))。從而依據制造特征的屬性鄰接圖，就可以計算該制造特征的定位信息和參數變量值，實現制造特征的實例化。

2.2 加工元的表達

加工元是依據制造特征的粗加工、半精加工和精加工依次生成的，其中加工元的實體形狀受余量值和刀具半徑影響，應將余量值和刀具半徑作為加工元實體特征的參數變量。本論文以E(V,P)表示加工元，V表示加工元的參數化實體特征(圖3(a))；P表示加工元實體特征的參數變量(圖 3(b))，相對于制造特征增加了Va側面余量，Vb底面余量，Tr指定的刀具半徑。

圖2 制造特征的表示方法

2.3 制造特征與加工元的關聯

以M(MFID,EID,M')表示制造特征與加工元的關聯關系，MFID表示為制造特征ID，EID表示為加工元ID，M'表示制造特征與加工元之間的定位參數與定形參數關聯關系（如圖4所示）。其中加工元的變量LL1'=LL1-2×Va，制造特征的參數變量LL1通過MBD模型的幾何屬性信息即可計算出來，Va是給定的側面余量值；加工元的轉角變量TR'=Max{TR1-Va,Tr}在兩數值中取最大值。

圖3 加工元的表示方法

圖4 制造特征與加工元的關聯關系

3 三維工序模型的構建

三維工序模型的構建其實就是實例化的加工元與毛坯做布爾運算，從而轉換成如何從MBD模型的幾何信息計算加工元的定位參數和定形參數，實現加工元的定位和實例化。如圖5所示，首先從MBD模型上推理制造特征在毛坯上的放置面，接著通過放置面及制造特征的定位面A、定位面B，計算出制造特征的定位原點及坐標系XYZ軸的方向；然后依據制造特征庫中參數變量與屬性鄰接圖的關聯矩陣、參數變量名稱的含義，可以計算出自在特征的定形參數；最后基于給定的余量值、刀具半徑、加工元與制造特征的關聯關系，實現加工元的定位和實例化。

圖5 三維工序模型構建實例

3.1 制造特征放置面的獲取

放置面的獲取分為2步，先推理獲取特征F在CAD模型上的放置面f，然后獲取放置面F在毛坯面的映射面f '作為特征F在毛坯上的放置面。

由制造特征識別技術可以獲得特征F的面集合S，由CAD模型上獲取與特征F相鄰的面，并且不屬于特征F的面集合S'。面集合S'會存在以下情況：如果集合S'只存在一個面，則唯一的面f為特征F的放置面；如果面集合S'存在多個面，則判斷是否與基面平行，并且取與基面距離最大值作為特征F的放置面；基于這兩種情況獲取特征F在CAD模型上的放置面f。

獲取毛坯面集合，判斷與放置面f的面類型一致，平面法向量一致，并且放置面f的面中心點沿面法向量的投影點在毛坯面內，從而滿足條件的面集合S''。接著計算放置面f與集合S''的距離，取距離最小值的面，作為放置面f在毛坯上的映射面f '。

3.2 制造特征坐標系的計算

制造特征F的定位A和定位B存在3種情況，如圖6所示。1）孔類特征：定位面A和定位面B都屬于同一圓柱面，如圖6(a)所示。計算圓柱面軸線與放置面f '的交點，作為制造特征坐標系的原點O。獲取放置面f '的法向量Vz，計算Vx保證與Vz垂直，最后基于Vz、Vx計算Vy，以Vx、Vy、Vz作為制造特征坐標系的XYZ軸。2）定位面A為平面，頂面B為圓柱面，如圖6(b)所示。計算定位面A、定位面B與放置面f'的交點，作為制造特征坐標系的原點O。獲取放置面f '的法向量Vz和定位面A的法向量Vy，依據Vz、Vy計算Vx，并且要求保證Vx指向特征實體，否則將Vx進行反向處理，以Vx、Vy、Vz作為制造特征坐標系的XYZ軸。3）定位面A和定位面B都是平面，如圖6(c)所示。計算定位面A、定位面B與放置面f '的交點，作為制造特征坐標系的原點O。獲取放置面f '的法向量Vz、定位面A的法向量Vy和定位面B的法向量Vx，以Vx、Vy、Vz作為制造特征坐標系的XYZ軸。

3.3 參數變量的獲取

如圖2所示，從CAD模型上獲取制造特征F的幾何特征，并且與制造特征的屬性鄰接圖進行一一匹配，然后基于制造特征的屬性鄰接圖與參數變量的關聯關系，即可求得制造特征的所有參數變量的值。具體步驟：1）遍歷制造特征F的參數變量集P；2）通過參數變量Pi的名稱確定參數變量的含義；3）依據參數與屬性鄰接圖的關聯關系，獲取與參數變量關聯的幾何面；4）計算出參數變量Pi的值，對應參數變量HD是底面與放置面f '的距離值。

圖6 3種定位類型

3.4 加工元的實例化

如圖5所示，基于制造特征與加工元的關聯關系，在已知制造特征的坐標系和參數變量值的情況下，就可以獲取加工元的坐標系和參數變量值，用獲取的參數變量值驅動加工元的實體特征，坐標系定位加工元在毛坯的位置，進而與毛坯做布爾運算，生成工序模型。具體步驟：1）給定加工元的側面余量值Va、底面余量值Vb和刀具半徑Tr；2）基于制造特征與加工元的定位關聯關系，偏移計算加工元的坐標原點O'，其中XYZ軸方向不變；3）遍歷加工元參數變量集P'；4）基于制造特征與加工元的參數關聯關系，計算加工元的參數變量Pi'，其中對應參數變量名為TR’，需要在刀具半徑Tr與計算獲得的數值取最大值；5）由參數變量集P'驅動加工元實體特征，并實現加工元實體特征的定位，與毛坯做布爾運算。

4 系統實例驗證

本文以Microsoft visual studio 10和NX 8.0作為開發平臺，以C#和NXopen為開發語言。

首先，采用第二節所提出的制造特征和加工元的表達方法，構建了一個制造特征庫。為了獲得制造特征和加工元的存儲信息，需要在UG界面中構建由自定義變量驅動的實體模型，并且在自定義變量在實體模型進行標注，實現自定義變量與幾何面的關聯。實體特征通過NXopen提供的API函數，導出由自定義變量驅動的自定義(UDF)文件；參數變量從構建的實體模型獲取；參數變量與幾何面的關聯通過三維標注獲取；屬性鄰接圖從實體模型中獲取，面邊屬性的凹凸性進行反向處理。

接下來，本文以某一零件的為例，如圖7(a)所示，配準的MBD模型和毛坯模型。如圖7(b)所示，按照給定的工藝路線和工藝參數(刀具半徑、余量值)，實現了該零件的制造毛坯向最終零件的動態演變。其中，平面是通過指定毛坯面和余量值構建；刀具信息與工步關聯，即工步節點下的加工元使用同樣刀具信息，每一個加工元分別給定余量值；為了更加直觀地顯示加工元，對布爾運算后的工序模型進行高亮顯示。

圖7 三維工序模型的構建

5 結束語

本文提出了一種基于制造特征的三維工序模型構建方法，實現了零件的制造毛坯動態演變。該方法可以依據實際零件特征，可方便擴充制造特征庫；而且在三維工序模型構建中考慮了刀具信息，更加貼合實際加工過程。該方法的局限性在于制造特征與加工元的拓撲結構必須一致，否則無法實現加工元的實例化，并且在零件中存在大量的型腔類制造特征，這些制造特征千變萬化，全部定義該類特征是不可取的。在今后的研究中，會繼續研究型腔類制造特征的快速生成，以更好地構建三維工序模型。

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