基于切削體分解的角盒類零件工藝模型參數化

王國慶，張生芳,2，馬付建，季彬，王紫光，沙智華

(1.大連交通大學機械工程學院，遼寧大連 116028；2.大連交通大學復雜零件精密制造遼寧省重點實驗室，遼寧大連 116028)

0 前言

柔性制造系統具有運行靈活、設備利用率高的特點，已成為多品種小批量生產模式的主要解決方案。由于產品品種多樣性、設計生產復雜、管理動態等特點，增加了模塊化生產設備利用及生產規劃的難度。將三維計算機輔助技術從產品設計擴展到工藝設計領域，可重用制造企業已有工藝資源、加快零件生產響應及零件規范化管理，對降低柔性化制造系統構建及設備布局規劃難度、提高柔性生產效率具有重要意義。

目前，針對工藝知識的重用主要有兩種思路：(1)基于典型加工特征識別的特征工藝推理與匹配；(2)基于典型加工工藝的模型參數化設計。加工工藝模型參數化是指將模型幾何定量參數進行變量化，借助計算機設計實現模型形狀隨參數改變的效果，以達到將固定設計自動化的目的，提高產品的設計效率，相較于特征識別具有實現簡單的優點。羅振波等對系列化煙草機械產品工藝進行了參數化設計，建立了基于參數關聯的模板工藝與零件工藝映射，提高了工藝設計的效率與規范性。李陽等人基于鈑金零件點云數據，采用參數化技術對零件進行了逆向建模以提高設計效率。米小珍等建立了基于骨架自頂向下、模塊化的動車組車體參數化模型，采用函數調用的優化方法開發了車體快速設計系統。王東海等推導了漸開線標準齒廓和變位齒廓曲線的參數方程，建立了基于齒數、模數、變位系數及刀具半徑等齒輪參數的參數化方案。李艷等人提取關鍵設計參數，建立了起重機參數化模型，實現了系列化起重機的輕量化快速自動優化設計。蔣傳鴻等提出了某款2 MW商業葉片葉根連接型式葉根連接參數化建模的方法，并對連接部件進行了強度校核分析，為葉片葉根連接設計優化奠定了基礎。

本文作者針對角盒類零件柔性制造系統工藝模型的參數化建模，解決其工藝模型的參數化設計與三維精確造型的相關技術問題；以CATIA作為支撐軟件，提出一種角盒類零件的工藝模型快速生成方法。該系統將角盒類零件的參數化設計、三維實體造型和工藝生成等多種功能集成為一體，能夠實現角盒類零件工藝設計及數控編程的重用自動化，使工藝設計人員從繁瑣、低效的手工設計工作中解放出來，提高產品的生產質量和效率。

1 零件參數化工藝設計

零件是指由一系列特征按照特定規則形成的結合體，其工藝流程在特定條件下是由某幾個特征決定的。多品種小批量結構件通常具有相同的幾何形狀及相關尺寸，其工藝同時具有相似性及相關性。如圖1所示，參數化工藝設計即將固定特征的實際零件進行分析與歸類，將特征進行參數化定義，結合特定零件形成典型零件模型；結合刀具參數與工藝參數對典型零件進行工藝定制，形成典型零件工藝模型；將實際零件參數與典型工藝模型結合實例化為實際零件工藝模型。其中，零件特征歸類、典型件提取、典型件工藝規劃、工藝模型參數化構建是實現參數化工藝設計的關鍵。

圖1 參數化工藝設計框架

2 角盒類零件特征分析及歸類

2.1 角盒類零件特征

角盒類零件是指具有2個相互垂直的薄壁結構(底板和側壁)，且通過這2個壁的外表面與其他零件和結構進行連接的零件。圖2所示為3類角盒類零件模型，依據筋板數目可分為單面開口、雙面開口和三面開口,包含的零件特征主要有圓角特征、平行裁切特征、弧形裁切特征、減重凹陷特征和斜角裁切特征5類，其特征可單獨出現或組合出現在某一薄壁上。

圖2 3類角盒類零件模型

2.2 角盒類零件歸類

典型件是實現工藝參數化的核心基礎，其參數化程度越高所能映射的零件工藝數目越多。但隨著零件參數化程度的增大，其參數數目及復雜性必然增加。零件參數是實現參數化設計的基礎要素，建模過程中需考慮尺寸參數間的關聯和制約對建模及參數變換可行性及工藝相似性的影響。因此，在零件特征集合至典型零件模型時應在特征不干涉的情況下盡可能多地包含工藝特征，同時由典型件映射的零件參數數值變化不宜過大。

圖3(a)所示為僅帶型腔內側圓角特征的原始雙面開口角盒,圖3(b)所示為一類側壁斜邊裁切的雙面開口角盒,圖3(c)所示為一類側壁斜邊裁切、底板平行裁切及底板雙側件重凹陷的復雜雙面開口角盒。結合角盒類零件特點，將其特征組合狀態分為干涉狀態和非干涉狀態兩類；同時將干涉狀態的特征分為可疊加特征和不可疊加特征兩類。其中，兩種特征或兩種以上特征組合出現在不同薄壁結構上稱為非干涉狀態，如圖3(c)所示的為側壁斜角特征及底板平行裁切特征；反之，兩種特征或兩種以上特征組合出現在同一壁面上稱為干涉狀態，如圖3(c)側壁特征分別由圖3(a)所示的圓角特征及圖3(b)所示的斜角裁切特征的組合特征。由圖3(c)的組合側壁結構轉換為圖3(a)的單圓角特征僅需將斜邊裁切高度方向參數變為0即可，而由圖3(c)的組合側壁結構轉換為圖3(b)的單斜邊裁切則僅需將圓角參數變為0即可，此類干涉狀態下的兩種特征稱為可疊加特征，否則為不可疊加特征。在零件歸類構建典型件的過程中需遵循兩項原則：(1)干涉不可疊加特征作為典型件區分主界限；(2)同時需保證在工藝允許范圍內修改一定數量范圍的特征即可獲得實際零件。

圖3 雙面開口角盒特征歸類

3 柔性制造工藝模型及加工工藝

3.1 工藝模型

為滿足角盒類零件加工需求，其毛坯通常為260 mm×260 mm×70 mm以下的45種尺寸、余量均勻無內部缺陷的方形鋁合金毛坯。為適應柔性單元加工，采用毛坯留邊框的自適應裝夾方法：將毛坯尺寸放大，加工過程中在毛坯材料中留框，使加工過程中的零件不與夾具發生接觸，而是通過毛坯框實現在液壓虎鉗中的定位和夾緊；零件加工完成后通過鉗工去除零件與邊框相連的搭臺以得到最終零件。如圖4所示為3類角盒類零件的工藝模型，模型主體由零件體、外圍邊框及工藝搭臺3部分組成。零件體處于外圍邊框中心，工藝搭臺作為零件體與邊框之間的連接體位于兩者之間。為方便后期鉗工處理，工藝搭臺的位置應盡量選取零件體平面特征位置且呈對稱分布，其數量以保證加工過程中零件體的穩定性為標準。

圖4 角盒類零件工藝模型

3.2 加工工藝

為實現角盒類零件柔性生產加工過程的數字化、柔性化，需要遵循以下幾個原則：(1)基準統一原則。工件在各個工位加工所選用的工件坐標系原點保持一致。(2)盡量避免五軸加工原則。在角盒類零件的加工工藝編制中，除非必須使用五軸的復雜曲面，否則盡量使所有加工工序在三軸加工中心上完成。(3)加工工位盡量少原則。小型角盒類零件在三軸數控加工中心上一般有反面加工和正面加工兩個工位，僅反面有與底板外側圓角特征或倒角特征時需要進行反面加工，否則，外輪廓加工統一在正面加工。(4)加工過程穩定和工件變形最小原則。在工序安排和工藝參數選取時，要考慮加工過程穩定和工件變形最小，兼顧加工效率。

以雙面開口角盒為例，其典型工藝流程如圖5所示，主要包括反面加工和正面加工兩個工位。反面加工主要有外輪廓、側面減重凹陷、底面圓角3個特征。正面加工主要有內腔粗、精加工，內、外側減重凹陷及搭臺加工5類。粗加工用于零件加工時的大量去除，一般用10～16 mm的平底銑刀加工，其金屬去除率一般占總金屬去除率的80%以上。精加工用于保證零件的最終尺寸及公差要求，一般用6～10 mm的球頭銑刀或平底銑刀加工，注意刀具圓弧半徑應小于或等于工件內倒圓的半徑。正反兩面的輪廓加工一般用6～16 mm的平底銑刀加工，加工完成要保證毛坯框與工件之間的搭臺厚度在1～2 mm之間，且盡量使搭臺留在高度方向的對稱位置。搭臺開槽加工可選用與輪廓加工相同的刀具進行。

圖5 典型工藝流程

4 工藝模型體分解參數化及實例化

4.1 工藝模型參數化

為形成滿足要求的零件表面，機械加工過程是通過按照工藝需求，采用合適的加工方法與順序從毛坯去除特定單元體的減材成形過程。體分解過程即按照固定規則提取加工過程中被去除的材料單元體構成負實體特征。由負實體和零件毛坯按照位置約束進行裝配，經過布爾減運算模擬材料去除獲得工藝模型?；隗w分解的工藝模型參數化即將材料毛坯與體分解負實體進行參數化建模。采用體分解的方式將零件整體參數拆分成部分特征參數，同時融入工藝過程參數構成加工負實體特征參數。此種方式化解了復雜零件的多參數約束關系及變形沖突問題，且增加了工藝參數,實現了零件設計與工藝設計的融合，有助于工藝參數化。圖6所示為工藝搭臺裝配，工藝搭臺的位置參數與零件尺寸參數相關，搭臺寬度與加工搭臺所選刀具參數相關。

圖6 工藝搭臺裝配

4.2 工藝模型實例化

工藝模型實例化即查找變化量最小的典型零件工藝模型，將零件實際參數更新驅動相應模型參數，實現典型件至實際零件的變化。由第2.2節零件歸類可知，在尋找典型工藝模型時應遵循無干涉不可重疊特征為主，以特征變化量小為輔，參數變化量少次之的原則。圖7所示為兩個實例模型，其相關參數如表1所示。其中,、、與、、分別為毛坯與零件長、寬、高。與分別為所選用的去框刀具寬度與減重凹陷加工刀具寬度。實例1與實例2零件特征的差別在于其筋板內側有無減重凹陷，可選用同一工藝模型。

圖7 實例模型

如圖8所示，結合CATIA的CAM模塊可實現模型數據的輸入輸出、工藝參數設置、加工軌跡計算與編輯、加工仿真以及刀位文件與NC代碼后處理等主要功能的自動參數化，有效重用現有工藝人員編程規則，保證了數控規劃及基準統一，減少了重復勞動。

表1 工藝模型實例化參數及結果模型 單位：mm

圖8 加工仿真參數變換實現

5 結論

針對一類典型角盒類零件參數化問題，對加工特征進行了定義及分析，提出了基于干涉狀態及特征疊加的歸類方法，可實現典型零件的分析與歸類，最大化典型零件的適應范圍。提出了適用于自適應裝夾方案的工藝模型，設定了工藝原則，并設計了適用于留框加工的正反加工典型工藝路線，兼顧了加工效率。基于加工體分解原理，將零件整體參數拆分成部分特征參數，利用CATIA軟件建立了典型工藝模型及其數控加工源文件，實現了典型零件至實際零件的變化，驗證了參數化方案的可行性。