面向三維零件工藝智能設(shè)計(jì)的工藝尺寸快速標(biāo)注方法

劉金鋒 盛蘇山 董 磊 周宏根 劉曉軍 曹旭武 李 磊

1.江蘇科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，鎮(zhèn)江，212028 2.江蘇科技大學(xué)江蘇省船海機(jī)械裝備先進(jìn)制造重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，鎮(zhèn)江，212028 3.金航數(shù)碼科技有限責(zé)任公司，北京，1000204.東南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，南京，211100

0 引言

近年來，基于模型定義(model based definition，MBD)技術(shù)的發(fā)展，使得模型的工藝信息從設(shè)計(jì)階段貫穿到加工制造階段，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品信息的集成化表達(dá)，保證了數(shù)據(jù)的一致性與繼承性[1]。在未來全三維工藝設(shè)計(jì)環(huán)境下，以特征面組為研究對(duì)象的三維工藝數(shù)字模型技術(shù)將進(jìn)一步發(fā)展[2-9]。在三維工藝信息表達(dá)過程中，尺寸信息是完整高效地表達(dá)數(shù)字化定義的基礎(chǔ)和關(guān)鍵；同時(shí)工藝尺寸的智能標(biāo)注是實(shí)現(xiàn)工藝信息智能創(chuàng)建的重要環(huán)節(jié)，是實(shí)現(xiàn)工藝智能設(shè)計(jì)的技術(shù)基礎(chǔ)。當(dāng)前，在工藝信息創(chuàng)建過程中，設(shè)計(jì)尺寸已實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化標(biāo)注，然而加工過程中的尺寸信息還無法準(zhǔn)確表達(dá)，且現(xiàn)有的設(shè)計(jì)尺寸標(biāo)注方法無法復(fù)制到工藝尺寸的智能標(biāo)注過程中，工藝尺寸標(biāo)注仍需設(shè)計(jì)人員手工交互完成，導(dǎo)致標(biāo)注效率低，無法確保標(biāo)注信息的完整性。

為實(shí)現(xiàn)三維工藝尺寸的智能標(biāo)注，學(xué)者們進(jìn)行了大量的研究，文獻(xiàn)[10-12]分析了國內(nèi)外尺寸工程的研究狀況，并論證了尺寸在工程中的重要性。對(duì)于設(shè)計(jì)尺寸的自動(dòng)標(biāo)注，許璟琳等[13]、安恒等[14]基于GB/T 24734標(biāo)準(zhǔn)，采用表面分組和垂直投影的方法獲取零件尺寸信息，但對(duì)尺寸檢查沒有進(jìn)一步說明。SUN等[15]重新定義了輸出圖元的特征并組建案例庫，實(shí)現(xiàn)了二維設(shè)計(jì)尺寸的自動(dòng)標(biāo)注。余建利等[16]通過兩兩基元體的關(guān)系，建立了模式引導(dǎo)下的三維尺寸網(wǎng)格，實(shí)現(xiàn)了工程尺寸的自動(dòng)創(chuàng)建。對(duì)于工藝尺寸的標(biāo)注，ZHOU等[17]通過研究特征間的約束關(guān)系實(shí)現(xiàn)了工藝尺寸的快速生成，但是并未對(duì)生成的工藝尺寸進(jìn)行尺寸完備性檢查。王勃等[18]針對(duì)產(chǎn)品功能特性，從產(chǎn)品設(shè)計(jì)意圖出發(fā)，提出基于產(chǎn)品功能特征的三維工藝尺寸自動(dòng)標(biāo)注算法。易聲耀等[19]通過分析回轉(zhuǎn)體類零件特征得出一種基于特征尺寸的機(jī)械零件圖樣尺寸的標(biāo)注方法，但該方法只適用于二維環(huán)境下工藝尺寸的標(biāo)注，不適應(yīng)于多體疊加型零件。申閆春等[20]采用Auto CAD開發(fā)組件，通過編制模式，創(chuàng)建各類型尺寸標(biāo)注模式，并利用模式匹配實(shí)現(xiàn)了二維尺寸的智能生成。陸國棟等[21]將分治思想引入工藝尺寸標(biāo)注中，研究了基于特征模型的三維環(huán)境與二維環(huán)境下尺寸智能生成。倪健紅等[22]從功能語義出發(fā)，根據(jù)模式庫創(chuàng)建零件的定形尺寸創(chuàng)建總體尺寸，實(shí)現(xiàn)了尺寸的智能創(chuàng)建。侯增選等[23]在提取標(biāo)注元素的基礎(chǔ)上，確定了6種不同類型標(biāo)注尺寸的權(quán)值，以確定標(biāo)注次序，并采用圖論法相關(guān)理論實(shí)現(xiàn)集中冗余尺寸的消除，最終構(gòu)造出完整的標(biāo)注尺寸集，實(shí)現(xiàn)了三維工藝尺寸的構(gòu)造。上述文獻(xiàn)中工藝尺寸的創(chuàng)建并未關(guān)聯(lián)到加工特征，并且研究的思路仍是基于設(shè)計(jì)尺寸，并沒有真正將尺寸落實(shí)到加工環(huán)節(jié)。對(duì)于尺寸完備性檢查方面的研究，ZOU等[24]研究了一種通過2D工程圖構(gòu)造3D模型的可修改方法，通過基于擬牛頓的優(yōu)化算法檢測(cè)并消除冗余約束。LIU等[25]提出了一種基于剛體識(shí)別的3D尺寸完整性檢查方法，建立了位置元組選擇機(jī)制。張樹有等[26]引入空間基坐標(biāo)的概念，提出了將多視圖各投影點(diǎn)統(tǒng)一轉(zhuǎn)換到空間基坐標(biāo)，完成對(duì)尺寸檢驗(yàn)的方法。羅磊等[27]提出一種基于參數(shù)化建模映射關(guān)系的尺寸完備性自動(dòng)檢查算法，分析尺寸完備性與映射矩陣之間的關(guān)系，完成尺寸完備性檢查。

然而上述方法大都聚焦于設(shè)計(jì)過程的MBD模型，并未將尺寸下放到生產(chǎn)車間中，無法指導(dǎo)零件的加工生產(chǎn)及檢驗(yàn)等過程。同時(shí)，以MBD技術(shù)為基礎(chǔ)進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)時(shí)，三維設(shè)計(jì)模型中提出的全面標(biāo)注不能體現(xiàn)加工前后的尺寸變換，也不利于單工序加工后的檢查。工藝尺寸涉及零件加工的各個(gè)過程，而三維工序間模型之間具有嚴(yán)格的工藝約束、尺寸約束等關(guān)系，因此實(shí)現(xiàn)工藝尺寸的智能標(biāo)注需要構(gòu)建大量的三維工序間模型，以加工去除體為各工序間模型中間媒介，分析加工特征與工序間模型的約束關(guān)系，從而快速準(zhǔn)確地獲得工序間模型的工藝尺寸。設(shè)計(jì)模型中給出的設(shè)計(jì)尺寸僅能表達(dá)零件最終加工后的尺寸，無法體現(xiàn)尺寸在加工過程中的工藝要求等加工信息，它主要存在以下問題：①當(dāng)前工藝尺寸標(biāo)注，工序間加工去除材料的體積無法直接獲取，需要交互計(jì)算以獲取去除材料的體積；②由于設(shè)計(jì)尺寸只能表示最終加工后的尺寸，因此無法滿足單工序下零件的加工檢驗(yàn)。

1 基本定義及方法概述

為形象表達(dá)機(jī)械加工過程中各工序模型的尺寸，凝煉了工藝尺寸、尺寸完備性與規(guī)范化等基本概念如下。

1.1 基本概念

定義1 工藝尺寸(process dimension，PD)：用于表達(dá)每道工序下材料去除的定形尺寸與形成特征位置尺寸。加工后形成的特征即為工序特征，故工藝尺寸由加工去除體的定形尺寸(shaping dimension，SD) 與工序特征的定位尺寸(location dimension，LD) 組成，其表達(dá)模型如下：

Pi=Si∪Li

(1)

(2)

其中，i為工序號(hào)，N為工序號(hào)總數(shù)；Pi、Si、Li分別為第i道工序下的工藝尺寸、定形尺寸以及定位尺寸；P為所有工藝尺寸的集合。

工序特征(procedure feature，PF)為零件在每道工序下經(jīng)過機(jī)加工形成的特征。工序特征直接體現(xiàn)零件加工過程中幾何特征的變化，一般包含幾何尺寸信息(geometry information，GI)，特征屬性信息(attribute information,AI)，約束信息(constraint information,CI)。其表達(dá)模型如下：

Pf=Gi+Ai+Ci

(3)

式中，Pf、Gi、Ai、Ci分別為工序特征、幾何尺寸信息、特征屬性信息、約束信息。

加工去除體(machining removal volume，MRV)：為獲取工藝模型的某一加工特征，由工序間模型(working procedure model，WPM)經(jīng)過刀具切削去除后形成的制造特征體。在幾何關(guān)系上，本道工序下的加工去除體與加工后所形成的工序間模型通過布爾運(yùn)算，即為上一道工序間模型。同時(shí)，去除材料形成的特征稱為去除體特征，其表達(dá)式如下：

WN-1=RN+WN

(4)

式中，WN-1、RN、WN分別為第N-1道工序下的工藝模型、第N道工序下的加工去除體及工藝模型。

定義2 工藝尺寸完備性與規(guī)范化(process dimensional completeness and standardization，PDCS)：完備性檢查就是檢查特征之間是否約束完全，規(guī)范化處理就是基于幾何元素優(yōu)先級(jí)選取標(biāo)注元素的優(yōu)先級(jí)。完備性檢查通過特征之間的約束，判斷形成特征的定位尺寸約束狀態(tài)；規(guī)范化處理是對(duì)加工去除體的定形尺寸標(biāo)注幾何元素優(yōu)先級(jí)進(jìn)行處理。工藝尺寸完備性與規(guī)范化表達(dá)模型如下：

PCS=PSD∪PLD

(5)

式中，PCS、PSD、PLD分別表示工藝尺寸完備性與規(guī)范化、定形尺寸規(guī)范化處理、定位尺寸約束狀態(tài)。

1.2 方法概述

面向機(jī)械加工工藝模型創(chuàng)建的工藝尺寸智能生成方法系統(tǒng)框架如圖1所示，包括面向加工去除體及其定形尺寸的組織與管理、基于“特征-尺寸-去除體”約束機(jī)制的工藝尺寸標(biāo)注和基于約束的工藝尺寸智能檢查。首先，分析加工去除體及其定形尺寸的組織與管理，建立去除體參數(shù)化建模方法，分析去除體驅(qū)動(dòng)尺寸類型，為工藝尺寸智能創(chuàng)建奠定基礎(chǔ)；然后，通過構(gòu)建特征、尺寸、去除體之間的關(guān)聯(lián)機(jī)制，創(chuàng)建“特征-尺寸-去除體”(feature-dimension-removal model，F(xiàn)D-RM)約束模型，將工藝尺寸的創(chuàng)建轉(zhuǎn)變?yōu)閯?chuàng)建加工去除體的定形尺寸與工序特征的定位尺寸，實(shí)現(xiàn)工藝尺寸的快速標(biāo)注；最后，基于標(biāo)注元素優(yōu)先級(jí)，創(chuàng)建對(duì)定形尺寸規(guī)范化處理的方法，并研究工序特征間的約束，創(chuàng)建定位尺寸完備性檢查方法，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)工藝尺寸的智能生成。本文以兩個(gè)典型板腔類復(fù)雜加工零件的工藝尺寸標(biāo)注為研究對(duì)象，驗(yàn)證方法的可行性。

圖1 工藝尺寸智能生成方法系統(tǒng)框架Fig.1 System framework of intelligent generation method for technological dimension

2 加工去除體及尺寸的組織與管理

2.1 尺寸驅(qū)動(dòng)的去除體快速建模方法

在機(jī)械加工過程中，毛坯通過車銑削等機(jī)加工方式逐步加工為成品零件。在這一過程中，毛坯件的幾何特征發(fā)生改變，每道工序加工后所形成的特征都與加工去除體特征相對(duì)應(yīng)。加工去除體的尺寸直接體現(xiàn)材料去除的去除厚度，是直接對(duì)本道工序加工的定量描述。由于零件種類繁多，導(dǎo)致在加工過程中去除材料形成的加工去除體存在多樣性和復(fù)雜性等特征。去除體特征主要是簡(jiǎn)單特征與復(fù)雜特征的組合，對(duì)于復(fù)雜特征，在機(jī)加工過程中將其拆解為不同簡(jiǎn)單特征的組合。按照加工方向與特征方向的關(guān)系將上述所有特征歸為三類特征，分別是凹陷、凸起、平面，見圖2。

圖2 加工特征分類示意Fig.2 Classification of machining features

對(duì)于凹陷特征，由于其加工方向與特征方向保持一致，因此將凹陷特征主要分成腔槽特征與孔特征。對(duì)于孔特征去除體，一般采用拉伸圓面或是旋轉(zhuǎn)多邊形的方法獲取，因此其驅(qū)動(dòng)參數(shù)主要是由拉伸底面、旋轉(zhuǎn)截面與拉伸長(zhǎng)度確定。對(duì)于拉伸圓面構(gòu)造孔特征去除體，特征參數(shù)主要是拉伸圓面的直徑(D)和拉伸長(zhǎng)度，而拉伸長(zhǎng)度在孔特征上的表達(dá)為去除深度(H)。當(dāng)孔特征含有錐面時(shí)，驅(qū)動(dòng)參數(shù)增加一個(gè)錐度(γ)，見圖3。

圖3 孔特征去除體的驅(qū)動(dòng)尺寸類型Fig.3 Driven dimension of hole feature removal volume

對(duì)于腔槽特征，以三維建模的方法創(chuàng)建其特征去除體時(shí)，采用拉伸方式構(gòu)建腔槽特征去除體，因此其驅(qū)動(dòng)尺寸主要由拉伸截面和拉伸長(zhǎng)度參數(shù)確定。通過判斷拉伸截面是否規(guī)則，可將腔槽特征分為規(guī)則型特征和非規(guī)則型特征，對(duì)于規(guī)則型腔槽特征而言，其特征驅(qū)動(dòng)尺寸主要是拉伸截面的長(zhǎng)度(L)和拉伸長(zhǎng)度，拉伸長(zhǎng)度在去除體上體現(xiàn)為去除深度(H)。對(duì)于非規(guī)則拉伸截面，其幾何形狀通常是由弧線、角度等多因素構(gòu)成，因此非規(guī)則拉伸截面驅(qū)動(dòng)尺寸比規(guī)則拉伸截面多出半徑(R)和角度(θ)，如圖4所示。

圖4 腔槽特征去除體及其驅(qū)動(dòng)尺寸Fig.4 Groove feature removal volume and its driven dimension

對(duì)于凸起特征，由于其加工方向與特征方向相反，因此將凸起特征分為凸臺(tái)和圓弧特征。從三維建模的角度看，其去除體可以由拉伸截面或旋轉(zhuǎn)截面得到，故其去除體的驅(qū)動(dòng)尺寸由拉伸截面和旋轉(zhuǎn)截面確定。對(duì)于凸臺(tái)特征，按照凸起形狀可以分為回轉(zhuǎn)類凸臺(tái)和矩形凸臺(tái)。對(duì)于回轉(zhuǎn)類凸臺(tái)，通常采用旋轉(zhuǎn)截面的特征操作獲取加工去除體，因此其去除體驅(qū)動(dòng)尺寸類型主要是直徑(D)、長(zhǎng)度(L)、錐度(γ)等尺寸。對(duì)于矩形凸臺(tái)、圓弧特征，其加工去除體可以由拉伸截面方式獲取，其加工去除體是通過拉伸截面的建模方式來獲取的，因此驅(qū)動(dòng)尺寸主要是拉伸截面的幾何參數(shù)和長(zhǎng)度(L)，而對(duì)于拉伸截面，其尺寸主要由長(zhǎng)度(L)、半徑(R)驅(qū)動(dòng)參數(shù)組成，如圖5所示。

圖5 凸起特征去除體及其驅(qū)動(dòng)尺寸Fig.5 Convex feature removal volume and its driven dimension

對(duì)于平面特征，由于其加工方向與特征方向垂直，因此可將平面特征分為斜面特征和普通平面特征。對(duì)于平面特征及其去除體，因加工去除量需要與上一道工序相關(guān)聯(lián)，因此無法直接由拉伸等建模方式獲取。但根據(jù)平面特征幾何形狀及其去除材料可知其驅(qū)動(dòng)尺寸主要是長(zhǎng)度(L)、角度(θ)等，因此將長(zhǎng)度(L)、角度(θ)歸為驅(qū)動(dòng)尺寸。

2.2 去除體驅(qū)動(dòng)尺寸的組織與管理

尺寸的實(shí)質(zhì)就是約束，由分析尺寸驅(qū)動(dòng)的去除體建模過程可知，六種簡(jiǎn)單特征的驅(qū)動(dòng)尺寸主要是直徑、半徑、長(zhǎng)度、深度、角度、錐度等。定形尺寸通過約束幾何元素間相對(duì)位置關(guān)系構(gòu)建加工特征，因此加工特征的創(chuàng)建是由尺寸約束幾何元素得到。對(duì)于加工去除體特征定形尺寸中的直徑、半徑，通常用于約束特征中的圓弧面、圓柱面等特征的定形尺寸，因而將其歸結(jié)為圓弧尺寸(Arc)；長(zhǎng)度、深度通常用于約束幾何元素間線性距離，同時(shí)約束各特征間的相對(duì)位置，將這兩種尺寸歸為距離尺寸(DIS)。角度、錐度用來約束幾何元素角度間的關(guān)系，將其歸結(jié)為角度尺寸(ANG)。圓弧、距離、角度尺寸類型所需要標(biāo)注的幾何元素如表1所示，而特征是通過幾何元素之間的相互組合來實(shí)現(xiàn)特征之間的創(chuàng)建的，因此去除體及其尺寸管理模型如圖6所示。

表1 尺寸標(biāo)注元素分類

圖6 加工去除體及其定形尺寸組織與管理Fig.6 Machining removal volume and its dimension organization and management

3 基于FD-RM的工藝尺寸智能創(chuàng)建

3.1 FD-RM模型創(chuàng)建方法

零件機(jī)械加工過程體現(xiàn)為特征的不斷演變和模型材料不斷去除的過程，故工序特征(PF)即為去除體特征不斷演變和模型材料不斷去除的組合。通過將去除體特征分為凹陷、凸起以及平面特征，建立去除體參數(shù)化建模方法，可得到去除體驅(qū)動(dòng)尺寸類型。當(dāng)每道工序完成后，工序特征通過去除毛坯材料完成特征創(chuàng)建，當(dāng)去除體特征為凹陷特征中的孔特征時(shí)，所形成的工序特征(PF)即為凸起特征中的圓臺(tái)特征。因此在幾何特征集合方面，工序特征與加工去除體特征(RF)兩者互補(bǔ)。故基于去除體及其定形尺寸的組織與管理，得到的加工去除體特征分為凹陷、凸起、平面三大特征類型，則工序特征也可分為凹陷、凸起、平面等特征類型，因此PF與RF兩者直接關(guān)聯(lián)。

通過研究加工去除體及其定形尺寸的組織與管理得到加工去除體的驅(qū)動(dòng)尺寸由距離、角度和圓弧三大尺寸類型組成。尺寸通過約束幾何元素驅(qū)動(dòng)工序特征創(chuàng)建，工序特征通過標(biāo)注幾何尺寸來量化幾何形狀。分析去除體特征RF與工序特征PF之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系得到：DIS、ANG、Arc這三種尺寸類型共同約束幾何元素實(shí)現(xiàn)工序特征PF的創(chuàng)建。如工序特征中的盲孔特征，按照PF與RF的關(guān)聯(lián)關(guān)系，得到RF為凸起特征中的圓臺(tái)特征，對(duì)于圓臺(tái)特征，其驅(qū)動(dòng)尺寸主要是Arc中的直徑D與DIS中的長(zhǎng)度L，又因PF中的孔特征驅(qū)動(dòng)尺寸主要為直徑D，DIS中的長(zhǎng)度L在特征方向上轉(zhuǎn)變?yōu)樯疃菻，故工序特征PF與去除體的驅(qū)動(dòng)尺寸直接關(guān)聯(lián)。創(chuàng)建FD-RM模型流程如圖7所示。

3.2 基于FD-RM的工藝尺寸創(chuàng)建

工藝尺寸的智能創(chuàng)建將尺寸分為定位尺寸的創(chuàng)建與定形尺寸的創(chuàng)建。定形尺寸的創(chuàng)建依賴加工去除體，定位尺寸的創(chuàng)建依賴加工后形成的工序特征。針對(duì)加工去除體的定形尺寸，研究加工去除體的參數(shù)化建模過程得到：不同特征下的加工去除體的驅(qū)動(dòng)尺寸類型主要是徑向、角度、距離尺寸等，因而加工去除體的定形尺寸類型為徑向、角度和距離等。

加工去除體的定形尺寸創(chuàng)建過程如圖8所示，在三維機(jī)械加工工藝設(shè)計(jì)環(huán)境下，通過拾取工藝模型中的加工特征，獲取當(dāng)前加工特征的幾何元素及其驅(qū)動(dòng)尺寸類型，構(gòu)建當(dāng)前工序下的加工去除體，實(shí)現(xiàn)去除體定形尺寸的標(biāo)注。

圖8 工藝尺寸創(chuàng)建流程Fig.8 The creation process of technological dimension

工序特征的定位尺寸是用來約束加工特征在工藝模型中的幾何位置和限制特征間的相對(duì)位置關(guān)系的，主要通過約束特征軸線、中心線、回轉(zhuǎn)中心等定位中心的位置關(guān)系實(shí)現(xiàn)特征的定位，故其尺寸類型主要由距離、角度等組成。對(duì)于工序特征定位尺寸的創(chuàng)建，在工藝設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)模型中包含的設(shè)計(jì)約束被繼承到工序特征中，通過拾取工序特征類型獲取其約束中心得到工序特征的約束關(guān)系，按照工序的逆向設(shè)計(jì)生成第N-1道加工特征的定位尺寸約束，并生成定位尺寸LN-1；將定位尺寸約束傳遞到第N-2道工序間模型，生成定位尺寸LN-2，按照工序逆序依次生成LN-i，從而創(chuàng)建定位尺寸，如圖8所示。

4 基于約束的工藝尺寸智能檢查方法

4.1 工藝尺寸完備性檢查方法

完備性檢查是指判斷定位尺寸下工序特征的約束狀態(tài)，檢查定位尺寸能否完全約束工序特征所處的空間幾何位置，其尺寸狀態(tài)主要包括尺寸缺失、冗余和完備三種狀態(tài)。從幾何約束求解思路來看，判斷尺寸完備性問題可以轉(zhuǎn)換成判斷工序特征所標(biāo)注的定位尺寸完備性問題。

工序特征通常以中心點(diǎn)、中心線、軸線和邊界線等為定位元，然后利用定位尺寸約束定位元之間的位置關(guān)系來實(shí)現(xiàn)特征的定位?；诹慵庸ろ樞?，當(dāng)零件從毛坯加工成為合格產(chǎn)品零件后，工序特征之間約束依次傳遞。當(dāng)工藝模型進(jìn)行三維工藝設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)模型包含的約束繼承到工藝模型中，基于定位尺寸的生成順序，定位尺寸的完備性檢查應(yīng)該與定位尺寸生成順序一致。通過獲得最后一道工序特征的約束狀態(tài)逆序推得其余工序特征約束狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)定位尺寸的完備性檢查。

對(duì)于初始定位元，參照設(shè)計(jì)模型上特征的約束，分析最后一道工序特征Pf1與Pf2，O1與O2是其定位中心，對(duì)于Pf1的定位尺寸，首先是通過形成L1與L2確定整體位置，然后通過L4與L3確定Pf1的定位中心O1，根據(jù)L5的約束確定Pf2的定位中心O2，形成封閉約束尺寸鏈，此時(shí)約束完備。Pf1與Pf2作為初始定位元S1，將S1的約束傳遞到上一道工序，判斷形成的約束尺寸L6是否能夠與定位元S1形成封閉約束尺寸鏈，若能夠形成封閉約束尺寸鏈即為約束完備，若未形成封閉約束尺寸鏈，則為欠約束，定位尺寸缺失；若已形成封閉約束尺寸鏈，但仍有定位尺寸未被編入約束鏈中，即為冗余約束，則此尺寸為冗余尺寸，如圖9所示。

圖9 工序特征的定位尺寸完備性檢查過程Fig.9 Completeness checking process of procedure featurelocation dimension

4.2 工藝尺寸規(guī)范化處理方法

為滿足加工去除體的定形尺寸標(biāo)注規(guī)范化要求，在不改變其尺寸數(shù)字的前提下，對(duì)其所標(biāo)注的幾何元素進(jìn)行規(guī)范化處理。通過分析可知，加工去除體的定形尺寸主要是距離、徑向和角度三種類型，根據(jù)尺寸標(biāo)注所需的標(biāo)注對(duì)象集合如表2所示。對(duì)于圖中的孔特征去除體，其定形尺寸直徑1.50可以由標(biāo)注元素(O1，O2，O3)、E2和圓弧面F1實(shí)現(xiàn)約束(圖10)。但由于模型加工時(shí)是利用加工模型的主要特征面實(shí)現(xiàn)特征創(chuàng)建的，故通過面的約束實(shí)現(xiàn)特征的精準(zhǔn)創(chuàng)建，利用面的精度保證邊和點(diǎn)的精度，所以標(biāo)注的對(duì)象應(yīng)該選取面(face)作為第一優(yōu)先級(jí)，其次是線(edge)，最后是點(diǎn)(point)，即面優(yōu)先于邊，邊優(yōu)先于點(diǎn)。定義標(biāo)注幾何元素X的等級(jí)為M(X)，則面的優(yōu)先級(jí)屬于3，邊的優(yōu)先級(jí)屬于2，點(diǎn)的優(yōu)先級(jí)屬于1，具體表示如下：

圖10 定形尺寸規(guī)范化處理Fig.10 Standardization processing of shaping dimension

M(face)>M(edge)>M(point)

(6)

基于上述分析，提出尺寸規(guī)范化處理的規(guī)則如表2所示，列出在各類型尺寸下標(biāo)注對(duì)象與幾何元素之間對(duì)應(yīng)關(guān)系，即為標(biāo)注對(duì)象的規(guī)范化規(guī)則，示意圖見圖10。

5 工藝尺寸智能生成的實(shí)例驗(yàn)證

基于本團(tuán)隊(duì)開發(fā)的三維零件工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)MPD-Processer，運(yùn)用本文提出的基于FD-RM模型工藝尺寸智能生成方法，開發(fā)智能尺寸標(biāo)注模塊，實(shí)現(xiàn)工藝尺寸智能生成。標(biāo)注流程如圖11所示，定形尺寸依據(jù)加工去除體的定形尺寸，采用交互方式識(shí)別當(dāng)前工序下的加工特征，從而自動(dòng)構(gòu)建加工去除體及其定形尺寸；對(duì)于定位尺寸，依據(jù)特征之間的約束來實(shí)現(xiàn)定位尺寸的標(biāo)注，交互拾取加工特征，自動(dòng)識(shí)別特征之間的定位中心，創(chuàng)建工藝尺寸中的定位尺寸。在工藝尺寸完備性檢查階段，基于標(biāo)注元素優(yōu)先級(jí)、特征之間約束情況自動(dòng)對(duì)標(biāo)注的工藝尺寸進(jìn)行完備性檢查。

圖11 工藝尺寸標(biāo)注的實(shí)現(xiàn)流程Fig.11 The flow of technological dimension marking

圖12所示為該零件的加工工序及其設(shè)計(jì)尺寸，運(yùn)用本文提出的工藝尺寸標(biāo)注方法，實(shí)現(xiàn)該模型工藝尺寸的智能生成。工序6加工要求為鉆通孔4個(gè)，且保證直徑為1.50 cm。首先，通過拾取工序6下的工序特征，利用函數(shù)獲取幾何邊界的位置點(diǎn)并放置在數(shù)組，將所有位置點(diǎn)進(jìn)行組合獲取尺寸，并判斷尺寸類型，如果是距離尺寸，增加起點(diǎn)與終點(diǎn)，如果是徑向尺寸，通過函數(shù)獲取回轉(zhuǎn)中心位置，如果是角度尺寸，則通過函數(shù)獲取角度的頂點(diǎn)以及向量，從而創(chuàng)建加工去除體的定形尺寸。對(duì)于定位中心的獲取，通過獲取特征面組中的幾何邊界，識(shí)別需要限制位置的特征，判斷形成特征類型，根據(jù)定形尺寸類型判定的結(jié)果，從位置數(shù)組里獲取定位中心位置點(diǎn)當(dāng)前特征，從而實(shí)現(xiàn)定位尺寸的創(chuàng)建，如圖13所示，完成工藝尺寸的創(chuàng)建。

圖12 零件加工過程卡Fig.12 Process card of parts

(a)工序6下孔去除體創(chuàng)建過程 (b)工序6下孔的定位尺寸創(chuàng)建過程

如圖14所示，根據(jù)工序的加工順序，識(shí)別當(dāng)前工序下的加工特征，通過加工去除體及其尺寸管理，獲取該工序特征的幾何邊界，并存儲(chǔ)尺寸信息進(jìn)而獲取去除體的驅(qū)動(dòng)尺寸。通過FD-RM模型自動(dòng)創(chuàng)建當(dāng)前工序下的加工去除體并創(chuàng)建加工去除體的定形尺寸(圖14a)，其次通過工序模型的設(shè)計(jì)約束，獲取當(dāng)前工序特征的尺寸約束，交互式創(chuàng)建工序特征的定位尺寸(圖14b)，最后通過生成的定位尺寸是否形成封閉的約束尺寸鏈，檢驗(yàn)定位尺寸的完備性，通過尺寸標(biāo)注元素優(yōu)先級(jí)，對(duì)加工去除體的定形尺寸規(guī)范化處理(圖14c)，最終標(biāo)注各工序下的工藝尺寸(圖14d)。

(a)某工序下的定位尺寸 (b)某工序下的定形尺寸

6 結(jié)語

工藝尺寸的智能標(biāo)注是實(shí)現(xiàn)三維零件工藝智能設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。本文研究工藝模型逆向工藝設(shè)計(jì)過程中去除體、工序特征、工藝尺寸三者之間關(guān)聯(lián)機(jī)制，將工藝尺寸分解為加工去除體的定形尺寸與工序特征的定位尺寸；提出基于尺寸標(biāo)注元素優(yōu)先級(jí)的定形尺寸規(guī)范化處理方法和基于特征約束的定位尺寸完備性檢查方法，建立面向三維零件工藝智能設(shè)計(jì)的工藝尺寸快速標(biāo)注機(jī)制。將本文提出的工藝尺寸快速標(biāo)注方法集成到團(tuán)隊(duì)所開發(fā)的三維零件工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)(MPD-Processer)中，選用典型板腔類零件對(duì)工藝尺寸標(biāo)注功能進(jìn)行驗(yàn)證。驗(yàn)證結(jié)果表明，面向工藝模型的工藝尺寸快速標(biāo)注方法滿足三維加工工藝智能化設(shè)計(jì)要求，提高了零件智能化工藝設(shè)計(jì)水平。