0 引言

    由于數(shù)字化制造技術(shù)的快速發(fā)展，復(fù)雜的產(chǎn)品零件對三維工藝模型的需求及其更新替代頻率增強(qiáng)，目前三維模型的設(shè)計、制造、仿真數(shù)字樣機(jī)技術(shù)已成為制造業(yè)的主流，三維模型貫穿了整個產(chǎn)品全生命周期。但是大多數(shù)設(shè)計軟件以三維建模為主，工藝圖樣還在使用二維圖，操作人員需要花費時間理解圖樣內(nèi)容，有時產(chǎn)生歧義。而且產(chǎn)品的二維工序圖與三維模型沒有關(guān)聯(lián)性，當(dāng)設(shè)計模型發(fā)生改變時，下游的工藝設(shè)計部門有可能使用舊的工序圖樣指導(dǎo)生產(chǎn)加工，從而造成加工零件的報廢。

    為了便于加工操作者識圖，提高理解圖形的效率，同時縮短產(chǎn)品的加工時間，加工制造過程中引人三維工藝模型。西北工業(yè)大學(xué)的黃瑞采用基于子圖同構(gòu)的方式，在當(dāng)前二維工序圖與三維模型的各個方向投影相對比，重構(gòu)當(dāng)前工序的三維模型。陳剛應(yīng)用本體理論，將工藝信息模型和建模信息模型相映射，生成三維工序模型。石云飛提出一個工藝語義驅(qū)動的三維模型構(gòu)建系統(tǒng)框架，以數(shù)字化工藝卡片為研究對象，將工藝語義映射到工序圖中，完成三維工序模型的構(gòu)建。有些研究基于MBD技術(shù)生成了零件工藝模型，在三維模型上添加尺寸從而消除了使用二維圖，但是比標(biāo)注尺寸到工序工程圖，沒有減少制圖時間，反而引發(fā)了三維模型圖樣的“刺猬”現(xiàn)象。

    本文采用同步建模技術(shù)，快速地生成產(chǎn)品的三維工藝模型并且與設(shè)計模型有很好的關(guān)聯(lián)性。首先從三維設(shè)計模型中提取的設(shè)計特征將其轉(zhuǎn)化為加工特征，實現(xiàn)模型間的數(shù)據(jù)統(tǒng)一;再根據(jù)工藝規(guī)則將加工特征歸類、排序生成加工零件的工藝過程路線；然后以該路線的逆過程中每道工序的加工特征和加工余量設(shè)計工序模型及毛坯模型，實現(xiàn)三維工藝模型的快速生成。

    1 工藝過程路線規(guī)劃

    工藝過程路線規(guī)劃的最有效方式是利用零件設(shè)計模型，將基于特征設(shè)計的建模方法與加工方法相關(guān)聯(lián)，將設(shè)計特征映射為加工特征并用于規(guī)劃工藝路線。

    1.1 加工特征的提取

    設(shè)計特征是幾何、拓?fù)浜凸δ芑�元組合的一個實體，在設(shè)計、分析和加工過程中使用，也是產(chǎn)品的局部形狀[5]，它也是幾何形狀及功能的抽象，包括幾何尺寸、材料特征、公差、表面粗糙度和精度等;而加工特征是幾何形狀與加工相關(guān)的信息集，包括了該幾何特征的加工方法、加工設(shè)備、加工屬性等。

    為了將設(shè)計特征轉(zhuǎn)化為加工特征，需要從設(shè)計零件模型中提取產(chǎn)品的幾何信息確定零件的加工區(qū)域，判斷構(gòu)成零件的基本幾何要素：曲面（圓柱面、圓錐面等）、平面等;并識別幾何特征類型(孔、槽、倒角、鍵槽、螺紋等）。根據(jù)零件模型的設(shè)計過程表示出的特征樹，在設(shè)計零件時，先畫主特征，然后在此基礎(chǔ)上添加輔特征，如倒角、圓角、鍵槽等。將零件設(shè)計過程中拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃略等建模方法與工藝設(shè)計中的加工方法相映射，例如:拉伸可以對應(yīng)車、銑、鉆、磨等加工方法，旋轉(zhuǎn)對應(yīng)車和磨，在建模過程掃略通常為非規(guī)則幾何體，在制造加工過程中作為非加工表面。表1說明了將車削加工方法與旋轉(zhuǎn)建模方法的映射關(guān)系。

    表1 三維建模方法與機(jī)械加工方法的映射

    根據(jù)上述方法得到的加工特征，將其分為可以加工的簡單特征和多個簡單特征相交的復(fù)合特征，實現(xiàn)了加工特征的提取。這種基于特征的建模方法描述了零件的幾何信息和拓?fù)鋷缀涡畔�，能夠快速轉(zhuǎn)換為加工特征[7]。

    1.2 工藝過程路線的生成

    根據(jù)提取加工特征類型、加工精度和材料特性，結(jié)合產(chǎn)品的生產(chǎn)質(zhì)量要求，參考現(xiàn)有的加工能力選擇加工設(shè)備，確定加工方法。然后以加工特征為核心對其歸類、合并生成包含加工該特征所需要的加工參數(shù)等信息的加工元，在工藝規(guī)則約束下制定工藝路線。

    工藝加工規(guī)則包括先粗后細(xì)，同一個特征需要不同的加工工序，才能達(dá)到設(shè)計的精度要求，如先粗加工，半精加工、精加工、磨削等;先基準(zhǔn)，確定加工基準(zhǔn)是保證零件的加工精度;先主后輔，先加工主要特征再加工依附在其上的倒角、圓角、鍵槽等。滿足上述工藝規(guī)則的加工排序，保證生產(chǎn)出合格的產(chǎn)品，生成宏觀指導(dǎo)生產(chǎn)的工藝路線，為快速建立三維工藝模型提供依據(jù)。

    2 三維工藝模型的建立

    零件的工藝過程是由多個工序按一定的順序組成的，在確定了加工路線后，就要逐步細(xì)化每一個工序的工藝內(nèi)容。按照每一個工序中加工特征類型所需要的加工方法確定加工余量、選擇機(jī)床和刀具，將整個加工過程離散為毛坯模型、工序模型、工步模型等各個加工階段所需要的模型。

    2.1 毛坯模型

    毛坯類型主要有鑄造和鍛造成型這兩大類，鑄造的毛坯一般為箱體零件，鍛造的毛坯通常為旋轉(zhuǎn)和連接件。應(yīng)用逆向生成毛坯模型的方法是根據(jù)加工工藝路線的逆過程，由零件到毛坯，將每道工序的加工特征，通過刪除、抑制設(shè)計模型上的特征，修改增添每道工序的加工余量，一步一步生成毛坯模型。每一個工序?qū)��?yīng)的工藝信息都有據(jù)可依，不會由于人為疏忽而出現(xiàn)設(shè)計余量不足，可以方便、快捷、準(zhǔn)確地設(shè)計出需要的毛坯模型。

    2.2 工序模型

    機(jī)械加工工藝過程中由毛坯到零件的每道工序都會形成一個中間狀態(tài)模型稱為工序模型。3D工序模型明確表達(dá)本道工序加工特征的類型、加工基準(zhǔn)、零件的裝夾方式以及加工參數(shù)等。根據(jù)加工特征上的幾何尺寸和加工精度，設(shè)置工藝參數(shù)，如車床轉(zhuǎn)速、刀具進(jìn)給量、下刀位置及刀具的走刀方向等，從而自動獲取加工信息生成工序模型。

    為了保證加工精度，在一次裝夾中加工多個特征，需要定義每個工步的加工內(nèi)容。由若干個工步構(gòu)成每道工序，識別加工特征類型，關(guān)聯(lián)建模位置，生成用于可視化加工的工步模型。在加工過程中有些特征在零件模型中不存在，但是為了加工裝夾或毛坯設(shè)計需要添加特征(凸臺、加強(qiáng)筋、冒口等），需要在工步模型中重構(gòu)該特征。將每一步的加工信息與建模方法相映射，自動獲取加工余量作為建模參數(shù)，以工藝信息驅(qū)動建模，通過偏移、抑制特征、重構(gòu)等方法生成工步模型，如表2所示。

    表2 工藝信息與建模信息相映射

    2.3 三維工藝模型的實現(xiàn)

    根據(jù)工藝路線生成N道工序，應(yīng)用同步建模技術(shù)將每道工序模型的加工特征，映射為三維建模系統(tǒng)中的工藝模型，如果加工工序為0時生成毛坯模型，不為0時生成該道工序的三維模型如圖1所示。同步建模技術(shù)是在參數(shù)化、歷史記錄建模的基礎(chǔ)上的飛躍，不考慮模型是怎樣構(gòu)造的，主要是修改模型的三維實體建模技術(shù)，它包括移動面、抽取面、替換面、修改面的尺寸、刪除面、偏置區(qū)域等改變面的特征，調(diào)整倒角和圓角的大小等細(xì)節(jié)特征，幾何約束變換和尺寸約束，截面編輯等命令操作。

    在機(jī)械加工的過程中，零件的特征變化多為面的偏置和特征的布爾運(yùn)算，所以毛坯模型和工序模型與零件模型是相似的。依據(jù)設(shè)計模型創(chuàng)建每道工序模型并與其相關(guān)聯(lián)，當(dāng)設(shè)計模型發(fā)生更改時，其相關(guān)的工序模型也將發(fā)生相應(yīng)改變。應(yīng)用同步建模技術(shù)修改模型不需設(shè)計建模的經(jīng)驗，很適合機(jī)械切削加工的特性。

    3 應(yīng)用實例

    電動機(jī)的軸類零件，下料的毛坯模型均為一定尺寸的圓柱體，通過切削外圓表面，加工出符合設(shè)計要求的臺階面、倒角和鍵槽等。毛坯模型設(shè)計有兩種方法，一種是三維設(shè)計軟件按最大包容原則，設(shè)置合理加工余量，進(jìn)行零件加工毛坯設(shè)計，導(dǎo)人零件CAD模型，將毛坯模型與CAD模型進(jìn)行比對，識別待加工特征，按加工順序建立工序模型。另一種方法是由零件到毛坯的過程逆推，通過刪除、抑制零件模型的特征，應(yīng)用同步建模技術(shù)增添每個工序的加工余量，快速生成工序模型。本文采用后一種方法，通過零件模型的逆推過程，下一道工序模型在本道工序模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行修改，這樣由加工特征將零件模型、工序模型和毛坯模型相關(guān)聯(lián)。

    應(yīng)用VC6.0開發(fā)了三維工藝設(shè)計模塊，基于NX/OpenAPI遍歷建模特征，輸出設(shè)計特征和其定位尺寸和大小參數(shù)，將建模方法與加工方法相關(guān)聯(lián)。然后根據(jù)尺寸精度等技術(shù)要求將設(shè)計特征轉(zhuǎn)換為加工特征，依據(jù)工藝知識和加工經(jīng)驗添加熱處理等工序，可生成完整的工藝路線，如圖2所示。然后，工藝設(shè)計師以圖2生成工藝路線的逆過程為指導(dǎo)，確定該道工序加工的特征，選擇加工設(shè)備、設(shè)置加工參數(shù)和裝夾方式和定位基準(zhǔn)。應(yīng)用同步建模技術(shù)以工序的加工余量作為建模參數(shù)，在零件模型上偏移依次生成加工過程中的動態(tài)工步模型最終生成該道工序的工序模型，直至毛坯模型。如圖3是捶式破碎機(jī)軸加工的第一道工序，工序名稱為粗加工軸零件端面和外圓，以逆推的方式構(gòu)建工藝模型，該道工序包括的6個工步模型(1個端面和5個臺階軸)最終構(gòu)建了零件的毛坯模型。

    4 結(jié)語

    三維工藝設(shè)計的實現(xiàn)過程中，三維實體模型作為非幾何體信息的載體，尺寸、公差、標(biāo)注符號、裝夾標(biāo)記、加工基準(zhǔn)等信息均顯示在實體模型上。工藝設(shè)計的三維化，有利于將設(shè)計模型和工藝模型相關(guān)聯(lián)，以同步建模技術(shù)驅(qū)動的工藝過程路線，為用戶提供了一個強(qiáng)大的智能化三維工藝建模工具，快速建立產(chǎn)品的各個階段的相關(guān)聯(lián)的工序模型。該方法建模靈活，節(jié)約時間，方便工裝的設(shè)計、加工可視化仿真、檢驗信息及生成數(shù)控程序，促進(jìn)制造過程的上下游部門的協(xié)同工作，縮短產(chǎn)品的生產(chǎn)制造周期。

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本文標(biāo)題：基于同步建模的工藝設(shè)計

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