盘套类零件铸造毛坯及工序模型自动生成方法_张贺.pdf

第 卷第期计算机集成制造系统 年月 ：收稿日期：；修订日期：。；基金项目：陕西省重点研发计划资助项目（）。：，（）盘套类零件铸造毛坯及工序模型自动生成方法张贺，张玲，葛晓波，邵晓东（西安电子科技大学 机电工程学院，陕西西安 ；北京空间飞行器总体设计部，北京 ）摘要：针对盘套类零件三维工序模型构建问题，提出一种盘套类零件铸造毛坯模型和工序模型自动生成方法。首先将零件设计模型转化为包含候选分割面序列和加工方法链等信息的集成信息模型；然后对设计模型的最小包围盒添加机加余量生成初始毛坯模型，并通过布尔运算获得材料移除体；将材料移除体分割为单元体，对各单元体执行映射和分类操作，获得铸造单元体和机加单元体；最终通过机加余量分离及加工特征映射等操作，生成铸造毛坯模型和工序模型。以典型盘套类零件为案例对所提方法的有效性进行了验证。关键词：盘套类零件；体分解；加工特征；工序模型；铸件毛坯模型中图分类号：文献标识码：，（，；，）：（），：；引言随着数字化技术的发展，基于模型驱动的产品研发模式被越来越多的企业所采用，基于模型的定义（，）是其核心技术之一。三维毛坯模型和工序模型作为 的信息载体，其自动生成技术是推动 技术在工艺设计和加工制造中应用的关键。在传统的设计模式中，毛坯模型和工序模型需要由工艺设计人员手动创建，其准确度和效率难以得到保证，且不利于 的集 成。因 此，如 何自动生成合理的毛坯模型和工序模型，是 技术研究的热点问题。张贺等提出一种轴类零件三维工序模型自动第期张贺 等：盘套类零件铸造毛坯及工序模型自动生成方法生成方法，解决了轴类零件工序模型的自动生成问题。盘套类零件是工程中另一种常见零件，通常以圆柱、圆台等回转类特征为基体，辅以孔、槽、螺纹、倒角等特征，其径向尺寸多大于轴向尺寸，主要有导正、限位、止转、定位等功能，同时兼具密封作用。由于其与轴类零件在几何结构、工艺要求等方面存在差异，同时盘套类零件往往采用铸造毛坯，需要考虑毛坯模型自动生成问题，致使文献 所提方法无法很好地适用于盘套类零件。因此，本文在此前研究的基础上，进一步提出一种面向盘套类零件的铸造毛坯模型和工序模型自动生成方法。在毛坯模型生成方面，在其 （）系统中，针对不同类型的零件，分别采用最小包围盒、主方向包围盒以及任意方向包围盒作为零件的毛坯模型，其构建方式简单，且适用于形状复杂的零件，但只能生成棱柱类型的毛坯模型；等 提出从标准毛坯库中选择棒料毛坯的方法，基于零件的主要特征和特征之间的关系，采用轮廓投影与四叉树匹配的方法选择棱柱形工件的毛坯模型，并采用关键面拓延的方法选择旋转类零件的毛坯模型；张帅等 为减少后期机加过程中粗加工阶段的加工量，针对航空发动机机匣的旋转类型零件，提出了基于轮廓搜索的旋转类毛坯模型构建方法，采用离散的方法获取复杂凸台特征的回转轮廓，并将其旋转投影到草图平面，然后结合工艺信息进行毛坯轮廓搜索，生成接近零件形状的旋转类毛坯模型。上述方法主要生成形状规则的毛坯模型，对于形状复杂的铸造毛坯模型无法适用。针对铸件毛坯模型，等 将加工特征分为表面加工特征和体积加工特征，针对不同特征，分别采用加工面偏移和半空间包围的方法获取加工特征体，对零件设计模型进行补偿，进而获得零件铸造毛坯模型；陈善国等 在此基础上，进一步将体加工特征分为简单特征和相交特征，利用图匹配、体分解等方法，识别出零件中的简单特征和相交特征，通过设置尺寸阈值过滤掉不可铸的简单特征，然后通过半空间包围、加工面偏移、修改草图等方法，获取复杂特征和表面加工特征的加工体，进行机加余量补偿，进而生成零件的铸造毛坯模型；常智勇等为解决因存在非正交表面加工面而导致生成的毛坯模型出现失效或失败的情况，对半空间方法进行改进，采用构造最小包络辅助面的方法生成其补偿体积，从而生成零件毛坯模型。然而，上述方法都无法对复杂相交特征的可铸性进行判断。在工序模型生成方面，可以将主要研究方法总结为基于知识的方法和基于特征的方法两类。基于知识的方法 主要采用语义挖掘、本体构建等方法，实现工艺知识与建模知识的采集和转换，将机加工艺知识映射为三维建模知识，实现三维工序模型的生成。基于知识的工序模型构建方法注重工艺知识的收集、转换和利用，忽略了对零件模型中几何拓扑信息的利用以及建模的相关操作，且知识库需要长期积累构建；基于特征的方法 主要利用体分解、模式匹配等方法进行加工特征的映射或识别，然后利用毛坯模型与加工特征体的布尔运算，正序或逆序生成工序模型。基于特征的工序模型构建方法难点在于加工特征的获取、排序等方面，尤其是对复杂相交特征的处理。且上述两种方法都是基于圆柱或棱柱等规则几何形状的毛坯模型，对于形状不规则的铸造毛坯模型，是否能够生成合理的工序模型有待验证。由于毛坯的几何形状对工艺路线的制定以及后续工序模型的生成有很重要的影响，但相互独立的毛坯模型生成系统和工序模型生成系统，不但在模型信息提取、特征处理等方面存在大量重复的工作，导致效率低下，而且还会因为处理原则不统一等问题，导致两系统难以有效集成。鉴于此，等、王宗彦等 和 等 提出了在集成的系统中实现毛坯模型生成、工艺规划以及工序模型生成等多种功能的思路。本文提出一种适用于盘套类零件的铸造毛坯模型与工序模型自动生成方法，将毛坯模型视作第个工序模型，采用体分解的方法，通过分割操作以及可铸性分析，获得铸造单元体和机加单元体，然后从初始毛坯上逐步移除铸造单元体以及机加单元体，实现毛坯模型和工序模型的自动生成。方法概述 定义定义初始毛坯模型（）对零件设计模型（）的最小包围盒 添加适当的加工余量而形成的毛坯模型。初始毛坯模型通常为长方体或圆柱体，是零件的最大合理毛坯模型。铸造毛坯模型（）介于和 之间。计算机集成制造系统第 卷定义材料移除体（）通过铸造和机械加工的方法从初始毛坯模型中移除的体积之和，即 。（）式中：为材料移除体中包含的体积块数量，表示第个体积块。定义铸造体（）与加工体（）铸造体是材料移除体中通过铸造移除的体积；加工体是材料移除体中通过机械加工移除的体积。故可将材料移除体表示为：。（）式中：、分别表示铸造体和加工体的数量；和 分别表示第个铸造单元体（）和第个机加单元体（）。利用分割面将材料移除体分割为铸造单元体和机加单元体，并将机加单元体按照机加顺序排序，即可利用布尔运算实现铸造毛坯模型及工序模型的生成。生成铸造毛坯模型的数学求解表达式为：。（）正序生成第道工序模型 的 数 学 求解 表 达式为：。（）式中：表示第道工序中包含的机加单元体数量，表示第道工序的第个机加单元体。基本思想由式（）和式（）可知，铸造毛坯模型及工序模型生成的核心内容为铸造单元体和机加单元体的获取。本文以此为指导思想，并结合盘套类零件的结构特征，以设计模型最小包围盒为初始毛坯，将铸造毛坯模型视作第个工序模型，采用体分解的方法，进行铸件毛坯模型和工序模型求解。以图所示的盘套类零件为示例，铸件毛坯模型和工序模型生成流程如图所示，步骤如下：步骤设计特征模型预处理。从零件设计特征模型中提取设计特征相关信息，并进行特征简化、拆分、还原等处理，利用相应规则生成候选分割面序列及加工方法链，最终利用 技术得到集成的信息模型。步骤材料移除体的获取及分割。对零件设计模型创建最小包围盒并添加加工余量，生成初始毛坯模型，然后通过初始毛坯模型和零件设计模型的布尔运算获得材料移除体，最后通过分割面映射及分割操作，将材料移除体分割为单元体。步骤单元体映射及分类。通过主加工面的对应关系，在单元体与设计特征之间建立匹配映射关系，通过可铸性分析，将单元体分为铸造单元体和机加单元体。步骤机加余量分离及铸造毛坯生成。根据单元体和设计特征的对应关系，获取各铸造单元体的加工方法链，计算并分离加工余量得到铸造体，最后通过布尔运算生成铸造毛坯。步骤加工特征映射及工序模型生成。根据单元体和设计特征的对应关系，获取各机加单元体和机加余量体的加工方法链，通过加工特征映射得到加工特征，最终通过加工特征排序、布尔运算等操作，逐个生成工序模型。零件设计特征模型预处理本文采用特征建模系统构建的设计特征模型作为输入，通过对其进行预处理，得到如图所示的包含设计特征参数、候选分割面和加工方法链等信息的集成信息模型，用以辅助毛坯模型和工序模型的生成。图中：实线框中为设计特征的编号、类型、参数、组成面和主加工面（带下划线标识的面）等特征基本信息，虚线框中为加工方法链和候选分割面等特征拓展信息。设计特征信息获取与处理零件设计特征模型中包含的几何信息和非几何信息需要经过提取和处理，转换为工艺模型生成过程中能够直接利用的特征基本信息，过程如图 所示。第期张贺 等：盘套类零件铸造毛坯及工序模型自动生成方法首先读取设计特征树，获取各设计特征。为提高零件三维模型构建效率，一些设计特征通常会采用基于草图的变换、复合特征以及关联复制特征等方式构建，需要在第二步对此类特征进行简化还原，具体包含如下几类：草图特征还原，获取基于草图拉伸、旋转以及扫略等操作得到的特征，按照文献 中的方法，将其归类还原为圆柱、凸台、孔、槽等基础特征；特征抑制，将螺纹特征等对分割结果无影响的特征抑制；特征简化，如将盲孔特征底面的锥面简化为平面；复合特征拆分，如将沉头孔等复合特征拆分为两个简单孔；关联复制特征还原，将阵列、镜像等关联复制特征中的每个特征还原，并删除关联复制特征。然后执行第三步，根据设计特征依附关系，对设计特征树进行重构。检测各圆柱、圆锥特征，若其轴线与零件主轴线重合，则为根特征；然后根据特征建模过程中创建的特征依附关系，依次查找其子特征；最终按照各特征的父子关系，重构出包含特征拓扑关系的设计特征结构树。最后，结合参数化设计特征库获取各特征的基本信息。各类特征的基本信息定义在如图所示的参数化设计特征库中，根据特征类型，将各设计特征与库中的特征模板匹配，然后结合产品制造信息（，），提取其参数信息。其中，主加工面为零件的工作面、基准计算机集成制造系统第 卷面，以及设计特征的成型面等决定零件形状、质量的表面，通常与加工方向垂直，包含以下类：零件的基准面、工作面等重要表面，基准面通常在 标注中，通过检索 信息自动获取，零件工作面等其他面由模板匹配获取或用户交互指定；特征的成型面，每种特征的成型面标注在参数化设计特征库中，通过特征匹配获取；有较高加工要求的面，通过 提取分析，获取除上述两类面以外，其他有较高加工要求的面；用户指定的其他面。基于上述方法，如图所示以沉头孔阵列特征为例，展示了设计特征信息获取及处理过程。候选分割面序列生成本文采用文献 中的分割面选择方法，并针对盘套类零件进行优化，包含分割面选择与排序两步。候选分割面是从零件设计特征组成面中选择的分割面，需要经过 节中的映射操作才能用来分割材料移除体。本文通过为候选分割面设置截止面，限制其分割范围，保证将设计特征对应的材料移除体单独分离。该方法能够还原设计者的设计意图，且能直接将材料移除体分割为包含语义的单元体，而不需要后续的合并操作。如图所示工艺信息库中包含盘套类零件常用设计特征的分割面选择模板库。按照模板为每个设计特征选择分割面及其截止面，其中：被选作零件基准面的分割面为全局分割，无需设置截止面；由于特征交互导致特征面被破坏时，通过添加虚连接 的方法将其补全。候选分割面排序模拟实际加工操作中的顺序约束，采用基于规则的方法，首先对设计特征排序，然后在此基础上对各特征面排序，候选分割面的优先级顺序继承于特征面。排序规则的制定受零件结构、生产类型等多种因素影响，如表所示为设计特征及特征面排序基础规则，实际规则由用户基于基础规则，并结合零件信息和生产信息制定。表候选分割面排序优先级基础规则表对象优先级规则设计特征特征结构树中具有父子关系的各特征，父特征优先级高于子特征特征结构树中同级特征之间，加工方式相同则优先级接近特征结构树中一级节点之间，按照刀具接近方向由近及远优先级依次降低阵列、镜像等关联复制特征优先级相同特征面零件基准面优先级高于其他面同一设计特征的组成面之间，主加工面优先级高于其他面不同设计特征的组成面之间，设计特征优先级越高，特征面