基于切削體分解的角盒類零件工藝模型參數(shù)化

王國(guó)慶，張生芳,2，馬付建，季彬，王紫光，沙智華

(1.大連交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧大連 116028；2.大連交通大學(xué)復(fù)雜零件精密制造遼寧省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧大連 116028)

0 前言

柔性制造系統(tǒng)具有運(yùn)行靈活、設(shè)備利用率高的特點(diǎn)，已成為多品種小批量生產(chǎn)模式的主要解決方案。由于產(chǎn)品品種多樣性、設(shè)計(jì)生產(chǎn)復(fù)雜、管理動(dòng)態(tài)等特點(diǎn)，增加了模塊化生產(chǎn)設(shè)備利用及生產(chǎn)規(guī)劃的難度。將三維計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)從產(chǎn)品設(shè)計(jì)擴(kuò)展到工藝設(shè)計(jì)領(lǐng)域，可重用制造企業(yè)已有工藝資源、加快零件生產(chǎn)響應(yīng)及零件規(guī)范化管理，對(duì)降低柔性化制造系統(tǒng)構(gòu)建及設(shè)備布局規(guī)劃難度、提高柔性生產(chǎn)效率具有重要意義。

目前，針對(duì)工藝知識(shí)的重用主要有兩種思路：(1)基于典型加工特征識(shí)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(shù)化設(shè)計(jì)。加工工藝模型參數(shù)化是指將模型幾何定量參數(shù)進(jìn)行變量化，借助計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)模型形狀隨參數(shù)改變的效果，以達(dá)到將固定設(shè)計(jì)自動(dòng)化的目的，提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)效率，相較于特征識(shí)別具有實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。羅振波等對(duì)系列化煙草機(jī)械產(chǎn)品工藝進(jìn)行了參數(shù)化設(shè)計(jì)，建立了基于參數(shù)關(guān)聯(lián)的模板工藝與零件工藝映射，提高了工藝設(shè)計(jì)的效率與規(guī)范性。李陽(yáng)等人基于鈑金零件點(diǎn)云數(shù)據(jù)，采用參數(shù)化技術(shù)對(duì)零件進(jìn)行了逆向建模以提高設(shè)計(jì)效率。米小珍等建立了基于骨架自頂向下、模塊化的動(dòng)車組車體參數(shù)化模型，采用函數(shù)調(diào)用的優(yōu)化方法開(kāi)發(fā)了車體快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)。王東海等推導(dǎo)了漸開(kāi)線標(biāo)準(zhǔn)齒廓和變位齒廓曲線的參數(shù)方程，建立了基于齒數(shù)、模數(shù)、變位系數(shù)及刀具半徑等齒輪參數(shù)的參數(shù)化方案。李艷等人提取關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)，建立了起重機(jī)參數(shù)化模型，實(shí)現(xiàn)了系列化起重機(jī)的輕量化快速自動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)。蔣傳鴻等提出了某款2 MW商業(yè)葉片葉根連接型式葉根連接參數(shù)化建模的方法，并對(duì)連接部件進(jìn)行了強(qiáng)度校核分析，為葉片葉根連接設(shè)計(jì)優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)。

本文作者針對(duì)角盒類零件柔性制造系統(tǒng)工藝模型的參數(shù)化建模，解決其工藝模型的參數(shù)化設(shè)計(jì)與三維精確造型的相關(guān)技術(shù)問(wèn)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(tǒng)將角盒類零件的參數(shù)化設(shè)計(jì)、三維實(shí)體造型和工藝生成等多種功能集成為一體，能夠?qū)崿F(xiàn)角盒類零件工藝設(shè)計(jì)及數(shù)控編程的重用自動(dòng)化，使工藝設(shè)計(jì)人員從繁瑣、低效的手工設(shè)計(jì)工作中解放出來(lái)，提高產(chǎn)品的生產(chǎn)質(zhì)量和效率。

1 零件參數(shù)化工藝設(shè)計(jì)

零件是指由一系列特征按照特定規(guī)則形成的結(jié)合體，其工藝流程在特定條件下是由某幾個(gè)特征決定的。多品種小批量結(jié)構(gòu)件通常具有相同的幾何形狀及相關(guān)尺寸，其工藝同時(shí)具有相似性及相關(guān)性。如圖1所示，參數(shù)化工藝設(shè)計(jì)即將固定特征的實(shí)際零件進(jìn)行分析與歸類，將特征進(jìn)行參數(shù)化定義，結(jié)合特定零件形成典型零件模型；結(jié)合刀具參數(shù)與工藝參數(shù)對(duì)典型零件進(jìn)行工藝定制，形成典型零件工藝模型；將實(shí)際零件參數(shù)與典型工藝模型結(jié)合實(shí)例化為實(shí)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(guī)劃、工藝模型參數(shù)化構(gòu)建是實(shí)現(xiàn)參數(shù)化工藝設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

圖1 參數(shù)化工藝設(shè)計(jì)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(gè)相互垂直的薄壁結(jié)構(gòu)(底板和側(cè)壁)，且通過(guò)這2個(gè)壁的外表面與其他零件和結(jié)構(gòu)進(jìn)行連接的零件。圖2所示為3類角盒類零件模型，依據(jù)筋板數(shù)目可分為單面開(kāi)口、雙面開(kāi)口和三面開(kāi)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(dú)出現(xiàn)或組合出現(xiàn)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(shí)現(xiàn)工藝參數(shù)化的核心基礎(chǔ)，其參數(shù)化程度越高所能映射的零件工藝數(shù)目越多。但隨著零件參數(shù)化程度的增大，其參數(shù)數(shù)目及復(fù)雜性必然增加。零件參數(shù)是實(shí)現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)要素，建模過(guò)程中需考慮尺寸參數(shù)間的關(guān)聯(lián)和制約對(duì)建模及參數(shù)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(shí)應(yīng)在特征不干涉的情況下盡可能多地包含工藝特征，同時(shí)由典型件映射的零件參數(shù)數(shù)值變化不宜過(guò)大。

圖3(a)所示為僅帶型腔內(nèi)側(cè)圓角特征的原始雙面開(kāi)口角盒,圖3(b)所示為一類側(cè)壁斜邊裁切的雙面開(kāi)口角盒,圖3(c)所示為一類側(cè)壁斜邊裁切、底板平行裁切及底板雙側(cè)件重凹陷的復(fù)雜雙面開(kāi)口角盒。結(jié)合角盒類零件特點(diǎn)，將其特征組合狀態(tài)分為干涉狀態(tài)和非干涉狀態(tài)兩類；同時(shí)將干涉狀態(tài)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(xiàn)在不同薄壁結(jié)構(gòu)上稱為非干涉狀態(tài)，如圖3(c)所示的為側(cè)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(xiàn)在同一壁面上稱為干涉狀態(tài)，如圖3(c)側(cè)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(cè)壁結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為圖3(a)的單圓角特征僅需將斜邊裁切高度方向參數(shù)變?yōu)?即可，而由圖3(c)的組合側(cè)壁結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為圖3(b)的單斜邊裁切則僅需將圓角參數(shù)變?yōu)?即可，此類干涉狀態(tài)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(gòu)建典型件的過(guò)程中需遵循兩項(xiàng)原則：(1)干涉不可疊加特征作為典型件區(qū)分主界限；(2)同時(shí)需保證在工藝允許范圍內(nèi)修改一定數(shù)量范圍的特征即可獲得實(shí)際零件。

圖3 雙面開(kāi)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(wú)內(nèi)部缺陷的方形鋁合金毛坯。為適應(yīng)柔性單元加工，采用毛坯留邊框的自適應(yīng)裝夾方法：將毛坯尺寸放大，加工過(guò)程中在毛坯材料中留框，使加工過(guò)程中的零件不與夾具發(fā)生接觸，而是通過(guò)毛坯框?qū)崿F(xiàn)在液壓虎鉗中的定位和夾緊；零件加工完成后通過(guò)鉗工去除零件與邊框相連的搭臺(tái)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(tái)3部分組成。零件體處于外圍邊框中心，工藝搭臺(tái)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(tái)的位置應(yīng)盡量選取零件體平面特征位置且呈對(duì)稱分布，其數(shù)量以保證加工過(guò)程中零件體的穩(wěn)定性為標(biāo)準(zhǔn)。

圖4 角盒類零件工藝模型

3.2 加工工藝

為實(shí)現(xiàn)角盒類零件柔性生產(chǎn)加工過(guò)程的數(shù)字化、柔性化，需要遵循以下幾個(gè)原則：(1)基準(zhǔn)統(tǒng)一原則。工件在各個(gè)工位加工所選用的工件坐標(biāo)系原點(diǎn)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(fù)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(shù)控加工中心上一般有反面加工和正面加工兩個(gè)工位，僅反面有與底板外側(cè)圓角特征或倒角特征時(shí)需要進(jìn)行反面加工，否則，外輪廓加工統(tǒng)一在正面加工。(4)加工過(guò)程穩(wěn)定和工件變形最小原則。在工序安排和工藝參數(shù)選取時(shí)，要考慮加工過(guò)程穩(wěn)定和工件變形最小，兼顧加工效率。

以雙面開(kāi)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(gè)工位。反面加工主要有外輪廓、側(cè)面減重凹陷、底面圓角3個(gè)特征。正面加工主要有內(nèi)腔粗、精加工，內(nèi)、外側(cè)減重凹陷及搭臺(tái)加工5類。粗加工用于零件加工時(shí)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(yīng)小于或等于工件內(nèi)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(tái)厚度在1～2 mm之間，且盡量使搭臺(tái)留在高度方向的對(duì)稱位置。搭臺(tái)開(kāi)槽加工可選用與輪廓加工相同的刀具進(jìn)行。

圖5 典型工藝流程

4 工藝模型體分解參數(shù)化及實(shí)例化

4.1 工藝模型參數(shù)化

為形成滿足要求的零件表面，機(jī)械加工過(guò)程是通過(guò)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(guò)程。體分解過(guò)程即按照固定規(guī)則提取加工過(guò)程中被去除的材料單元體構(gòu)成負(fù)實(shí)體特征。由負(fù)實(shí)體和零件毛坯按照位置約束進(jìn)行裝配，經(jīng)過(guò)布爾減運(yùn)算模擬材料去除獲得工藝模型?；隗w分解的工藝模型參數(shù)化即將材料毛坯與體分解負(fù)實(shí)體進(jìn)行參數(shù)化建模。采用體分解的方式將零件整體參數(shù)拆分成部分特征參數(shù)，同時(shí)融入工藝過(guò)程參數(shù)構(gòu)成加工負(fù)實(shí)體特征參數(shù)。此種方式化解了復(fù)雜零件的多參數(shù)約束關(guān)系及變形沖突問(wèn)題，且增加了工藝參數(shù),實(shí)現(xiàn)了零件設(shè)計(jì)與工藝設(shè)計(jì)的融合，有助于工藝參數(shù)化。圖6所示為工藝搭臺(tái)裝配，工藝搭臺(tái)的位置參數(shù)與零件尺寸參數(shù)相關(guān)，搭臺(tái)寬度與加工搭臺(tái)所選刀具參數(shù)相關(guān)。

圖6 工藝搭臺(tái)裝配

4.2 工藝模型實(shí)例化

工藝模型實(shí)例化即查找變化量最小的典型零件工藝模型，將零件實(shí)際參數(shù)更新驅(qū)動(dòng)相應(yīng)模型參數(shù)，實(shí)現(xiàn)典型件至實(shí)際零件的變化。由第2.2節(jié)零件歸類可知，在尋找典型工藝模型時(shí)應(yīng)遵循無(wú)干涉不可重疊特征為主，以特征變化量小為輔，參數(shù)變化量少次之的原則。圖7所示為兩個(gè)實(shí)例模型，其相關(guān)參數(shù)如表1所示。其中,、、與、、分別為毛坯與零件長(zhǎng)、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(shí)例1與實(shí)例2零件特征的差別在于其筋板內(nèi)側(cè)有無(wú)減重凹陷，可選用同一工藝模型。

圖7 實(shí)例模型

如圖8所示，結(jié)合CATIA的CAM模塊可實(shí)現(xiàn)模型數(shù)據(jù)的輸入輸出、工藝參數(shù)設(shè)置、加工軌跡計(jì)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(dòng)參數(shù)化，有效重用現(xiàn)有工藝人員編程規(guī)則，保證了數(shù)控規(guī)劃及基準(zhǔn)統(tǒng)一，減少了重復(fù)勞動(dòng)。

表1 工藝模型實(shí)例化參數(shù)及結(jié)果模型 單位：mm

圖8 加工仿真參數(shù)變換實(shí)現(xiàn)

5 結(jié)論

針對(duì)一類典型角盒類零件參數(shù)化問(wèn)題，對(duì)加工特征進(jìn)行了定義及分析，提出了基于干涉狀態(tài)及特征疊加的歸類方法，可實(shí)現(xiàn)典型零件的分析與歸類，最大化典型零件的適應(yīng)范圍。提出了適用于自適應(yīng)裝夾方案的工藝模型，設(shè)定了工藝原則，并設(shè)計(jì)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?；诩庸んw分解原理，將零件整體參數(shù)拆分成部分特征參數(shù)，利用CATIA軟件建立了典型工藝模型及其數(shù)控加工源文件，實(shí)現(xiàn)了典型零件至實(shí)際零件的變化，驗(yàn)證了參數(shù)化方案的可行性。