定制化零件集成設(shè)計(jì)的幾何特征與可制造模型構(gòu)建＊

陳 垚，張國(guó)淵，衛(wèi)軍朝，閆秀天，3

（1．西北工業(yè)大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，西安710072；2．西安電子科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，西安710071；3．英國(guó)思克萊德大學(xué) 設(shè)計(jì)制造工程管理系，格拉斯哥G1 1XJ）

傳統(tǒng)的機(jī)械產(chǎn)品開(kāi)發(fā)流程中，將設(shè)計(jì)和制造環(huán)節(jié)分割為相對(duì)獨(dú)立的兩個(gè)部分，產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過(guò)程通常不會(huì)全面考慮制造的可實(shí)現(xiàn)性、經(jīng)濟(jì)性、加工周期、質(zhì)量保證條件等生產(chǎn)要素和生產(chǎn)條件所限［1-2］．隨著機(jī)械產(chǎn)品精密化、功能集成化的發(fā)展，考慮制造因素對(duì)產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)集成設(shè)計(jì)的需求越來(lái)越重，尤其對(duì)于航空航天領(lǐng)域特殊單件定制化的產(chǎn)品表現(xiàn)地更為突出［3-4］．考慮可制造性的產(chǎn)品集成設(shè)計(jì)研究思路已逐漸被設(shè)計(jì)人員所接受，并處在快速的發(fā)展過(guò)程中．文獻(xiàn)［5］指出在概念設(shè)計(jì)階段發(fā)展即需要考慮制造因素；文獻(xiàn)［6］給出了概念設(shè)計(jì)階段含有制造因素的設(shè)計(jì)模型；文獻(xiàn)［7］等分析了可制造性的粉末冶金產(chǎn)品幾何因素影響規(guī)律．在國(guó)內(nèi)徐宣國(guó)等針對(duì)產(chǎn)品的可制造性給出模糊評(píng)價(jià)方法［8］；茅健等發(fā)展了基于制造資源的公差可制造性模糊評(píng)價(jià)，給出了一個(gè)評(píng)價(jià)方法［9］．已有的關(guān)于可制造性的研究主要針對(duì)不同的對(duì)象展開(kāi)，如胡志卷等研究了設(shè)計(jì)版圖和輪廓之間的關(guān)系的可制造性模型［10］；裴玉玲等發(fā)展了PCB板工程電子系統(tǒng)工藝布線可制造設(shè)計(jì)思路［11］；田建平等針對(duì)機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)討論了特征與制造資源、工藝知識(shí)的關(guān)聯(lián)關(guān)系［12］．文中針對(duì)航天運(yùn)載工具內(nèi)的定制化類零件的設(shè)計(jì)制造特性，發(fā)展其設(shè)計(jì)過(guò)程的關(guān)鍵幾何特征提取技術(shù)和可制造性評(píng)估方法，研究成果將為此類的零件設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)．

1 幾何特征的描述和定義

一類在航天運(yùn)載工具中普遍存在的定制化零件如圖1所示．對(duì)于此對(duì)象在單個(gè)特征可制造性分析的基礎(chǔ)上，需要考慮孔類和腔類特征在零件整體結(jié)構(gòu)當(dāng)中的可制造性分析問(wèn)題．

為此，對(duì)于此類零件的基于可制造性因素的幾何特征定義可以從以下幾方面進(jìn)行：

1）確定刀具庫(kù)包括必要的工具，具有的加工能力如何．主要考慮鉆頭、球銑刀和立銑刀刀具直徑的縱橫比限制和局限性．對(duì)于立銑刀、鉆頭、球磨機(jī)和其他工具的加工深度過(guò)大時(shí)，會(huì)導(dǎo)致變形或無(wú)合適的工具實(shí)現(xiàn)預(yù)定的加工功能．

2）確定空間關(guān)系，刀具、卡柄等機(jī)械部件無(wú)干涉碰撞．需要加工的位置如果距離表面太多，則不能完成加工處理，同時(shí)如果需要加工的部分與刀具結(jié)構(gòu)出現(xiàn)干涉或者碰撞，則需要處理．例如在處理盲孔的加工時(shí)，如果需要加工的對(duì)象尺寸較大，就必須考慮是否會(huì)發(fā)生套筒和鉆深腔內(nèi)壁的碰撞．

3）確定選擇的加工方法能不能滿足加工公差、要求的表面粗糙度及其它設(shè)計(jì)要求．特別地，對(duì)于深孔或者腔體零件加工特性，需要對(duì)每一類的加工特征進(jìn)行分析，制定具體的加工方案的特性的方法，如鉆孔、鏜、銑等功能都有各自不同的優(yōu)勢(shì)．一旦需要提取特定的加工特征的時(shí)候，就直接在建立的知識(shí)庫(kù)中進(jìn)行選取，綜合考慮尺寸、精度和特征間的相互影響，直接制定滿足要求的方案，以列表的形式顯示出來(lái)．

圖1 一類典型的定制化零件Fig．1 A kind of typical customized parts

2 特征參數(shù)的定義及其評(píng)估指標(biāo)

2．1 特征參數(shù)的定義

針對(duì)定制化零件的具體特點(diǎn)，在整體的加工過(guò)程中主要考慮零件對(duì)工藝的適應(yīng)性，考慮可制造性因素的產(chǎn)品特征參數(shù)可從以下幾個(gè)方面進(jìn)行定義．

1）相對(duì)最小曲率半徑r／t

該參數(shù)主要表征最小的加工曲率；r／t越小，零件需要的變形程度越大．但是如果彎曲半徑太小，必然會(huì)引起材料外表面產(chǎn)生裂紋．如果是鈑金成型材料要考慮應(yīng)力許可范圍，如果是機(jī)加工，需要考慮彎曲工藝受最小相對(duì)彎曲半徑（k與材質(zhì)和軋制方向有關(guān)）的限制．

2）臨界加工尺寸

對(duì)于拉伸成型過(guò)程，需要防止凸模折斷或壓彎和保證小曲率半徑部分的加工能順利進(jìn)行．應(yīng)保證出鉆孔尺寸必須大于最小孔徑，同時(shí)保證孔與孔的間距b或者孔與邊緣的間距b1能滿足預(yù)定要求，文中擬選取b為1．5t，b1為t（t為材料厚度）．此外對(duì)于臨界曲率的加工過(guò)程，為了保證零件彎曲質(zhì)量搭邊長(zhǎng)度、最小直邊高度與凹模開(kāi)口的約束關(guān)系，文中定義V為開(kāi)口結(jié)構(gòu)尺寸，彎曲時(shí)應(yīng)該防止孔的變形，因此要保證孔壁與彎曲處有一定的距離．

3）工藝參數(shù)的計(jì)算與檢驗(yàn)

對(duì)于多個(gè)曲率的零件，要計(jì)算其展開(kāi)尺寸與最小加工尺寸的限制．因?yàn)槿魏稳嵝约庸卧荒芗庸ひ欢ǔ叽绶秶墓ぜ?，毛坯尺寸過(guò)大或過(guò)小，都必然會(huì)造成部分或者全部的機(jī)構(gòu)動(dòng)作失靈，從而達(dá)不到預(yù)加工的能力．工藝參數(shù)的計(jì)算包括沖裁力、彎曲力等力學(xué)性能參數(shù)的計(jì)算以及工件尺寸參數(shù)的驗(yàn)算，同時(shí)通過(guò)檢驗(yàn)判斷出現(xiàn)有的設(shè)備資源能否加工出來(lái)．

4）精度保證及確認(rèn)

進(jìn)行現(xiàn)有加工設(shè)備資源同定制化零件設(shè)計(jì)需求的精度比較，確認(rèn)其加工可行性，滿足各指標(biāo)要求即可．

2．2 基于已有加工設(shè)備可制造性的評(píng)估指標(biāo)

基于加工設(shè)備的可制造性評(píng)估指標(biāo)的提出思路在于，充分利用現(xiàn)有的生產(chǎn)廠的每一臺(tái)設(shè)備，對(duì)其能夠承擔(dān)的每一種加工能力，分別針對(duì)尺寸、精度、形狀等特征參數(shù)的制造要求制定可制造性的模糊評(píng)價(jià)函數(shù)．常用的三類模糊評(píng)價(jià)函數(shù)定義如下．

1）線性平均法．取多個(gè)可制造性指標(biāo)的累加平均值作為合成后的可制造性指標(biāo)．例如，尺寸可制造性0．8和精度可制造性0．5，則

總體可制造性＝1／（2Y×0．5＋0．8×Y）＝0．65．2）幾何平均法．取多個(gè)可制造性指標(biāo)的乘積平均值作為合成后的可制造性指標(biāo)．例如，尺寸可制造性0．8和精度可制造性0．5，則

3）最小值法．取多個(gè)可制造性指標(biāo)中的最小值作為合成后的可制造性指標(biāo)，即

3 考慮可制造性的定制化零件評(píng)估模型構(gòu)建

圖1所示的定制化零件特點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工序繁多，這給其設(shè)計(jì)制造過(guò)程帶來(lái)了較大的困難．為此文中提出的零件可制造性評(píng)估模型由制造資源模型、制造過(guò)程模型、特征關(guān)系模型和制造對(duì)象模型構(gòu)成．制造資源模型是制造資源的信息模型，它包括設(shè)備、刀具等信息描述；制造過(guò)程模型是制造工藝過(guò)程的信息模型，它描述制造特征的成型過(guò)程；特征關(guān)系模型是制造特征之間平行、垂直、重合關(guān)系的模型，描述制造特征如何組成一個(gè)零件；制造對(duì)象模型是制造特征的信息模型，描述制造特征的形狀、精度信息．四個(gè)模型的分析和具體構(gòu)建過(guò)程如下．

3．1 制造資源模型構(gòu)建

制造資源模型是制造資源的信息模型，它包括設(shè)備、刀具等信息描述．設(shè)備信息是指設(shè)備的加工精度和加工范圍，例如機(jī)床的信息模型是指它所能達(dá)到的尺寸公差、形位公差和表面粗糙度．刀具信息是指刀具的類型、刀具的結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)，以及刀具的干涉約束．制造資源模型采用分類＋實(shí)例的構(gòu)建方式．制造資源模型的定義如下．

定義1 制造資源模型是表達(dá)制造特征的資源信息模型，表示為

式中：ID為制造資源標(biāo)識(shí)名稱；Pa為描述參數(shù)；Re為約束．

文中以既有的車床為例，描述的制造資源模型見(jiàn)表1．

表1 制造資源模型Tab．1 Manufacturing resource model

3．2 制造過(guò)程模型構(gòu)建

制造過(guò)程模型是制造工藝過(guò)程的信息模型，它描述制造特征的成型過(guò)程．因材料和熱處理方式的差異，同一制造特征的工藝過(guò)程可能不同，由一個(gè)單工序來(lái)完成，或者由一個(gè)工序序列來(lái)完成．制造過(guò)程模型的構(gòu)造采用分類＋實(shí)例的方式．制造過(guò)程模型采用三級(jí)分類：一級(jí)分類是制造特征的主特征，例如孔加工、平面加工、曲面加工、內(nèi)螺紋加工、外螺紋加工等；二級(jí)分類是制造特征的細(xì)分，一般根據(jù)制造特征形狀劃分二級(jí)分類，例如孔加工劃分為通孔加工、盲孔加工、階梯孔加工等二級(jí)分類；三級(jí)分類為典型的加工工藝，例如通孔加工可采用先鉆孔、后鉸孔，其中鉆孔、鉸孔作為通孔加工的三級(jí)分類．制造過(guò)程實(shí)例包括毛坯材料、熱處理等參數(shù)，還包括車、銑、刨、磨、鉗等工序?qū)嵗?，以及各工序使用的設(shè)備、刀具等參數(shù)．制造過(guò)程模型定義如下．

定義2 制造過(guò)程模型是表達(dá)制造特征的成型過(guò)程信息模型，表示為

式中：Pr為工序；Pa為描述參數(shù)；ID為制造過(guò)程標(biāo)識(shí)名稱；Re為約束．

以文中零件構(gòu)建通孔為例描述制造過(guò)程模型，具體見(jiàn)表2．

表2 制造過(guò)程模型Tab．2 Manufacturing process model

3．3 制造特征關(guān)系模型構(gòu)建

零件是制造特征的有序集合，制造特征按特定的方式組合在一起．制造特征關(guān)系模型是描述制造特征間的組成關(guān)系，單個(gè)制造特征如何組成一個(gè)零件概念模型．制造特征粗略的分為回轉(zhuǎn)體和箱體．回轉(zhuǎn)體是柱特征或者孔特征的衍生物，箱體是面特征的組合物．簡(jiǎn)單地講，零件是柱特征（或者孔特征）衍生而來(lái)，或者面特征組合而成，或者柱特征與面特征混合而成．柱特征（或者孔特征）與面特征的組合方式，粗略地分為三種：平行、垂直、重合．制造特征關(guān)系模型采用分類＋實(shí)例的構(gòu)造方式．特征關(guān)系模型的分類僅有一級(jí)分類，它按照柱特征（或者孔特征）與面特征組合分類，例如柱與柱、柱與孔、柱與面等．特征關(guān)系模型實(shí)例是按照平行、垂直、重合的方式組合而成，例如柱與柱平行、柱與柱垂直、柱與柱重合等．制造特征關(guān)系模型的定義如下．

定義3 制造特征關(guān)系模型是表達(dá)制造特征關(guān)系的信息模型，表示為

式中：Pa為參數(shù)；ID為制造特征關(guān)系標(biāo)識(shí)名稱；Re為約束；Ty為關(guān)系類型．

以文中實(shí)例中的柱特征與孔特征為例說(shuō)明特征關(guān)系模型見(jiàn)表3．

表3 制造特征關(guān)系模型Tab．3 Manufacturing feature relational model

3．4 制造對(duì)象模型構(gòu)建

制造對(duì)象模型是制造特征的形狀、精度信息模型．采用分類＋實(shí)例的構(gòu)建模式．制造對(duì)象模型采用二級(jí)分類，以孔、平面、曲面、內(nèi)螺紋、外螺紋、凸臺(tái)等制造主特征作為一級(jí)分類，一級(jí)分類根據(jù)特征形狀或者精度再細(xì)分為二級(jí)分類．如孔分解為通孔、盲孔、階梯孔、深孔等．每一個(gè)二級(jí)分類均對(duì)應(yīng)一個(gè)制造特征的實(shí)例集合，如二級(jí)分類通孔，對(duì)應(yīng)一個(gè)或者若干個(gè)隸屬于通孔的實(shí)例．實(shí)例集合包括制造特征所需要的主要參數(shù)和關(guān)系，如通孔包括直徑、孔深、粗糙度等參數(shù)．制造對(duì)象模型定義如下．

定義4 制造對(duì)象模型是表達(dá)制造特征的信息模型，表示為

式中：Pa為參數(shù)；ID為制造對(duì)象標(biāo)識(shí)名稱；Re為關(guān)系；Au為輔助特征．

以通孔為例描述孔的制造對(duì)象模型見(jiàn)表4．

表4 制造對(duì)象模型Tab．4 Manufacturing object model

4 基于制造模型的可制造評(píng)估系統(tǒng)

結(jié)合上述可制造性模型，自行進(jìn)行評(píng)估系統(tǒng)的構(gòu)建，系統(tǒng)功能要求使用者可通過(guò)界面輸入必須的設(shè)計(jì)參數(shù)，由此得到零件設(shè)計(jì)模型，通過(guò)相應(yīng)的三維零件模型顯示出來(lái)，同時(shí)得到可制造性的分析及建議，實(shí)現(xiàn)可制造性的分析結(jié)果以及三維模型局部有效說(shuō)明截圖等分析信息，最后根據(jù)一定的格式形成可制造性分析報(bào)告，如html格式，并實(shí)現(xiàn)打印．在本軟件系統(tǒng)中設(shè)計(jì)的零件模型，可導(dǎo)出通用的三維模型文件格式，如stp、step等格式文件，以實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)與其他三維建模設(shè)計(jì)軟件的通用性．軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)機(jī)床信息的管理，將以前的機(jī)床信息全部導(dǎo)入到本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)中．機(jī)床信息主要分為3軸、4軸、5軸機(jī)床，機(jī)床信息由約200項(xiàng)信息組成．總體的系統(tǒng)界面如圖2所示．

圖2 系統(tǒng)總體界面Fig．2 The system interface

基于可制造性分析的面向典型宇航產(chǎn)品設(shè)計(jì)的工藝知識(shí)庫(kù)系統(tǒng)界面如圖3所示，執(zhí)行相應(yīng)的操作就可到對(duì)零部件的可制造性評(píng)價(jià)分析結(jié)果．

圖3 工藝知識(shí)庫(kù)檢索Fig．3 Retrieval of process knowledge base

5 結(jié) 論

1）針對(duì)定制化零件的特點(diǎn)，提出了其幾何特征和描述方式，依照其特點(diǎn)對(duì)其特征參數(shù)進(jìn)行定義，便于實(shí)現(xiàn)對(duì)其特征參數(shù)的提?。?/p>

2）構(gòu)建了考慮制造設(shè)備信息的發(fā)展可制造性評(píng)估模型，包括制造資源模型、制造過(guò)程模型、特征關(guān)系模型和制造對(duì)象模型．

3）通過(guò)具體實(shí)例給出了集成設(shè)計(jì)過(guò)程的可制造評(píng)估模型部分結(jié)果，結(jié)果顯示提出的方法能有效地兼顧設(shè)計(jì)和制造信息，能有效的提高設(shè)計(jì)效率和降低生產(chǎn)成本．

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