三維工藝設計中的工藝模型創建方法

黃豐云，劉小磊，徐勁力，劉偉騰

（武漢理工大學機電工程學院，湖北 武漢 430070）

1 引言

近年來，隨著三維CAD 和基于模型定義（Model Based Definition，MBD）數字化制造技術的快速發展，傳統的二維工藝設計方法因其設計效率低、不可視、易出錯、不穩定等問題，已無法適應數字化發展的大環境，而基于MBD 的三維工藝設計已成為數字化制造發展的新趨勢[1]。三維計算機輔助工藝設計（Computer Aided Process Planning，CAPP）用集成的設計MBD 模型來完整表達產品設計信息，并將其作為工藝設計中的唯一數據來源；同時為工藝設計人員展現了一個可視化的三維工藝設計環境，這將大大提高工藝設計的質量和效率，實現工藝設計模式由二維向三維的轉型[2]。

工序MBD 模型作為三維工藝設計最終輸出的工藝參考文件，學者們提出了一系列工序模型創建方法。文獻[3]通過NXWAVE 技術，以時間戳為標記，實現工序模型自頂向下參數化建模，但是工序的順序難以實現柔性化調整。接著文獻[4]通過NX/CAM 數控加工仿真模塊來建立工序MBD 模型，但該方法未實現工序模型的參數化創建，創建效率低下。文獻[5]采用體分解的識別方法獲取最大加工特征，包括含有復雜曲面的筋特征的識別，進而獲取工序模型，但其無法自動獲取工藝信息與切削參數，無法實現進一步的工藝規劃。文獻[6]在建立加工工藝信息與建模信息之間的映射關系的基礎上，對模型特征及其關聯的工藝設計信息進行分組，研究了中間工序模型的定義與逆向生成技術；但該方法中特征分類繁瑣，未實現建模方法的通用，模型創建效率較低。

前人將創建的工序MBD 模型作為最終的工藝參考文件，普遍存在工序模型可讀性及建模通用性差，生成效率低的問題。因此，針對機械加工零件，將制造特征體和工序MBD 模型的集合體即工藝MBD 模型作為工藝參考文件，提出一種基于半空間相交法的工藝模型創建方法，詳細闡述了工藝MBD 模型的定義及創建方法，并進行了示例驗證。

2 工藝MBD 模型的相關定義與求解

機械加工零件的制造過程由一系列連續的加工工序組成，工序模型是指機械產品從最初的毛坯形態到最終成品過程中反映零件模型中間加工過程的模型狀態，工序模型形象地表達了零件在生產制造過程中各工序變化的情況。各工序的共同特點是從上一個工序模型中切除材料并生成加工特征，各道工序去除的材料體積即為制造特征體。制造特征體能夠清楚地表達所切除材料模型的幾何信息，工藝設計人員可以方便地標注所去除材料體積的參數、位置與方向等信息，這對加工人員快速獲取加工信息，縮短零件的制造周期有積極意義。

因此可將工序模型和制造特征體兩者結合，共同來定義各道工序的加工信息，定義工序間模型（In-Process Model，IPM）由該工序的工序模型（Working Procedure Model，WPM）與制造特征體（Manufacturing Feature Volume，MFV）兩部分組合而成，根據工序加工內容的不同，一道工序可能包含有多個制造特征體。因此，工序間MBD 模型可表示如下：

工序間MBD 模型的創建方法有修訂式和創成式兩種。采用修訂式中的逆向創建方法，即將設計模型反補形成毛坯，本道工序的工序模型由后一道工序的工序模型通過建模操作得到。對于具有n道工序的機加工過程，將工序模型和制造特征體定義如下：

定義基于逆向生成的三維工序模型表示（n+1）元序組WPM，制造特征體為n元序組MFV

式中：1≤k≤n；WPMn—零件最終設計模型；WPMk—第k 道工序的工序模型；WPM0—毛坯模型；WPVk—第k道工序的制造特征體集合。

在幾何建模上，第j道工序的工序模型WPMj為設計模型與該工序之后所有制造特征體的布爾加運算，即：

將最終需要輸出的工藝參考文件即工藝MBD 模型（Process Model，PM）定義為最終狀態的設計MBD 模型（DM）、最初狀態的毛坯模型（BM）、工序間MBD 模型（IPM）以及工藝信息（PI）的集合。一個零件的加工工藝對應著一個工藝MBD 模型，工藝MBD模型可表示如下：

式中：1≤i≤n，1≤j≤n，1≤k≤m，n—工序數；m—每道工序的制造特征體數；PM—工藝MBD 模型；DM—設計MBD 模型；BM—毛坯模型；IPMi—第i道工序所對應的工序間MBD 模型；PIi—第i道工序所對應的工序MBD 模型中所屬的工藝信息。

3 工藝MBD 模型的創建

工藝MBD 模型的創建即是制造特征體和工序模型的創建過程，以設計MBD 模型為數據源頭，對各道工序中的加工特征，進行特征識別與工藝信息提取，結合參數化建模、改進的半空間相交法和布爾運算，依次創建制造特征體和工序模型，兩者的集合體即為最終的工藝MBD 模型。

3.1 特征分類與識別

方便快速地識別加工特征是創建工藝MBD 模型的前提，此次提出交互式和非交互式特征兩個概念。根據STEP 格式文件（一種由邊界表示（B-Rep）的中性文件）生成加工面鄰接圖（Manufacturing Face Adjacency Graph，MFAG），抑制過渡特征，生成新的加工面鄰接圖（New Manufacturing Face Adjacency Graph，NMFAG）。能夠從NMFAG 中直接配合預定義特征庫，根據圖同構算法能識別出的特征即為非交互特征（Non-interacting Feature，NIF），如簡單的孔、槽等特征。而需要對NMFAG 進一步屬性分解，生成特征子圖（Feature Subgraph，FSG），再配合預定義特征庫，才能識別出的特征，即為交互特征（Interacting Feature，IF），這類特征相互作用，不直接與任何的特征模式匹配。

對于非交互特征利用參數化建模創建制造特征體，對于交互特征通過改進的半空間（half-space）相交方法獲得其制造特征體[7]。接著將制造特征體與設計MBD 模型進行布爾加運算，獲得該道工序的工序模型，依此逆向建模方法實現所有工序模型的創建，最后通過NX 軟件中的PMI 標注模塊將工藝信息附著于三維模型，從而獲得零件的工藝MBD 模型，創建流程，如圖1 所示。從圖中可以看出，工藝模型創建的數據源頭都是唯一的設計MBD模型，如此可保證工藝設計過程中數據的唯一性和準確性。

圖1 工藝MBD 模型逆向創建流程Fig.1 Reverse Generation Process of Process MBD Model

3.2 制造特征體MFV 的創建

針對交互式與非交互式特征不同的屬性特點及生成方式，選取不同的方法獲取制造特征體。

某機加工零件P，根據其設計MBD 模型的設計意圖，如圖2所示。規定任何注有一定幾何公差、粗糙度等制造要求的面都是機加工面，未注工藝要求的都是鑄造面。同時定義兩種加工特征，面加工特征和體加工特征。對于單獨平面定義為面加工特征，其加工面為面加工特征面；對于臺階、槽等多面形成的特征，為體加工特征，組成面為體加工特征面。

以零件P為例，其制造特征體的創建步驟如下：

（1）對于非交互式特征，運用基于屬性鄰接圖的特征識別方法[8]，快速識別非交互加工特征NIF，并通過參數化建模創建其4個制造特征體（模型1、2、3、4），如圖2（b）所示。

（2）過濾移除非交互式特征，得到簡化的后續計算半零件模型FP，如圖2（c）所示。

（3）針對半零件模型FP，僅剩下交互式特征，獲得其加工面集MFi及鄰接面集AFj，并根據半空間相交方法，分別獲得半空間體H｛MFi｝和H｛AFj｝，則制造特征體（圖2（c）中模型5、6、7、8）為兩個半空間體的布爾交運算，即MFVij=H｛MFi｝?H｛AFj｝。將獲得的制造特征體與半零件模型FP做布爾加運算，即可獲得半毛坯模型HBM，即HBM=MFVij⊕FP。

（4）針對半毛坯模型HBM 的面加工特征面，沿其面的外法向偏置一個加工余量，獲得原始鑄造面及偏置體OV，最終的毛坯模型BM視為偏置體OV與半毛坯模型HBM 的布爾加運算，即BM=HBM⊕OV，并獲得2 個制造特征體（偏置體9、10），如圖2（d）。最終制造特征體的集合，如圖2（f）所示。而且各制造特征體的創建過程是機加工的逆過程，即最先創建的制造特征體（如模型1、2、3、4）最后加工，最后創建的制造特征體（如偏置體9、10）最先加工，這就是制造特征體的逆向生成過程。

圖2 某機加工零件P 制造特征體創建過程Fig.2 Generation Process of MFV for Machining Part P

針對前面提到的半空間相交方法，將其應用于不同類型的復雜特征，典型的是各種復雜的凹陷特征（包括臺階、凹槽等交互特征），其制造特征體的創建流程闡述如下：

普通凹陷特征的制造特征體創建。針對圖3（a）所示普通凹陷特征，將其加工面標記為MFi（i=1，2，3，4，5）"，凹陷的鄰接面標記為AFj（j=1，2，3，4）"，通過共同的入射邊緣[9]構造凹陷特征的最大連通集，即通過延伸加工面和鄰接面，獲得半空間體Hi和Hj。圖3 中，實線邊框表示加工面的延伸面，其正向均為遠離材料側，虛線邊框表示鄰接面的延伸面，其正向均指向材料側，這樣可保證兩個半空間體相交為封閉空間。半空間體用面的集合來表示，形式為Hi=｛MFi|i=1，2，3，4，5｝，Hj=｛AFjj=1，2，3，4｝。兩個半空間體的相交部分即為特征的布爾交運算，表示為MFVij=Hi?Hj，即為制造特征體。帶凸臺的凹陷特征制造特征體創建。針對圖3（b）所示帶低凸臺的凹陷特征，其凸臺高度低于凹陷深度，稱為帶低凸臺的凹陷特征，運用前面所述的半空間相交法，可快速獲得制造特征體。而針對圖3（c）所示的凹陷特征，其凸臺高度高于凹陷深度，稱為帶高凸臺的凹陷特征，運用前面所述的半空間相交法，獲得制造特征體，但其無法完全包圍加工面MFi（i=6，7，8，9，10），所創建的制造特征體為不完全的。故提出一種改進的半空間相交法，對于高于鄰接面的加工面MF6，將其定義為凹陷特征的鄰接面AF7，而將鄰接面AF3、AF4定義為凹陷特征的加工面MF1、MF2，如圖3（d）所示。延伸加工面和鄰接面，獲得半空間體Hi=｛MFi|i=1，2，…，11｝和Hj=｛AFj|j=1，2，…，7｝，則可得到制造特征體MFVij=Hi?Hj。

圖3 制造特征體的創建Fig.3 Generationof MFV

3.3 工序模型與工藝模型的創建

根據前面提到的工序模型的逆向生成流程，將后一道工序的工序模型WPMi+1和制造特征體MFVi+1進行布爾加運算，可得到前一道工序的工序模型WPMi，即WPMi=WPMi+1⊕MFVi+1。據此，可從零件設計模型開始，逆向依次生成制造特征體和工序模型，直至毛坯模型創建完成。針對創建完成的制造特征體和工序模型，再將工藝設計信息附著在各個模型上，則可形成工藝MBD模型的集合體。相對于工序模型，工藝MBD 模型可實現加工參數、位置與方向的直觀表達，提高工藝模型的可讀性。

4 工藝模型創建實例分析

根據以上所述方法，基于Visual Studio 2012 和NX 10.0 開發平臺，利用NX/Open 開發工具及C++語言，開發了一個集成化的三維CAPP 系統，某汽車后橋差速器殼零件工藝MBD 模型創建界面，如圖4 所示。三維工藝設計系統主要由特征識別、加工元生成、加工元聚類與工序排序和工藝生成四個功能模塊組成。工藝生成模塊生成的工藝信息以工藝信息樹的形式展現，包括每道工序的工藝MBD 模型、工序模型、制造特征體、加工條件和工步信息等。其中圖4 展示的是最終形成的工藝信息樹及工藝MBD模型，從工藝MBD 模型可以準確快速獲取制造特征體、工序MBD 模型及其標注的加工參數、工藝設計信息等。

圖4 某汽車后橋差速器殼工藝模型創建Fig.4 Process Model Generation for Vehicle Rear Axle Differential Housing

5 結論

基于MBD 技術的機加工零件三維工藝設計方法是目前數字化制造領域研究的熱點，而工藝模型的創建則是三維工藝設計中的難點技術。提出采用基于半空間相交法的工藝模型創建方法，快速準確地逆向生成制造特征體和工序模型，達到生成可讀性更強的工藝MBD 模型的目的，并將其作為一種三維可視化的工藝參考文件輸出保存。該方法將大大提高工藝設計的質量和效率，實現工藝設計模式由二維向三維的轉型，為工程技術人員及研究者提供技術參考。而為了更好的驗證所生成工藝MBD 模型的可行性與準確性，需對工藝路線進行數字化仿真，反饋工藝設計的效果，因此如何實現CAD/CAPP/CAM 的高度集成，將是下一階段的研究方向。