工藝數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的加工演變特征快速建模方法

杜晨曉,劉金鋒,2,李純金,2+,周宏根,2,劉曉軍,董 磊,康 超,2

(1.江蘇科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,江蘇 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,江蘇 鎮(zhèn)江 212028;3.東南大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,江蘇 南京 211100;4.金航數(shù)碼科技有限責(zé)任公司,北京 100020)

0 引言

近年來(lái),隨著智能制造理念在產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造等環(huán)節(jié)的不斷深入推進(jìn),計(jì)算機(jī)輔助工藝設(shè)計(jì)技術(shù)(Computer Aided Process Planning,CAPP)得到了廣泛的應(yīng)用與研究。傳統(tǒng)的基于二維工程圖的工藝設(shè)計(jì)方法已經(jīng)難以與上游的全三維數(shù)字化設(shè)計(jì)和下游的先進(jìn)制造工藝及裝備相適應(yīng)[1]。為此,基于模型定義(Model Based Definition,MBD)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生[2-4]。加工特征作為表達(dá)工藝信息的載體,可以幫助工藝人員直觀地了解產(chǎn)品生產(chǎn)加工的動(dòng)態(tài)演變過程,清晰地揭示工藝設(shè)計(jì)意圖,是指導(dǎo)產(chǎn)品加工制造過程的唯一依據(jù)[5]。因此,如何快速創(chuàng)建產(chǎn)品在加工過程中的動(dòng)態(tài)演變特征模型,是現(xiàn)代制造企業(yè)保證產(chǎn)品加工質(zhì)量,提升工藝規(guī)劃效率的關(guān)鍵。

機(jī)械零件制造通常以減材方式實(shí)現(xiàn),由毛坯加工至零件產(chǎn)品的過程中始終伴隨著加工特征的動(dòng)態(tài)演變。因此,目前三維工藝模型的構(gòu)建主要以三維工序模型和去除特征為研究對(duì)象[6-8],劉金鋒等[9]將加工特征分為凹陷、凸起和過渡3類,基于特征識(shí)別技術(shù)與半空間思想,以交互獲取特征面組的方式提出了快速創(chuàng)建工序模型的方法;徐同明等[10]基于特征切削體參數(shù)化構(gòu)造方法與型腔特征深度優(yōu)先模型構(gòu)建技術(shù),提出了工序模型的自動(dòng)生成方法;唐健鈞等[11]基于MBD技術(shù)將三維工序間模型應(yīng)用于數(shù)控加工并創(chuàng)建了數(shù)控加工工藝模型;SUBIRON等[12]提出了基于特征的檢驗(yàn)工藝規(guī)劃框架,運(yùn)用于產(chǎn)品與檢驗(yàn)系統(tǒng)中交互組件的建模,促進(jìn)了產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造過程的集成開發(fā)與協(xié)作。除了上述基于特征的三維工藝模型構(gòu)建方法,基于工藝知識(shí)與工藝語(yǔ)義[13-15]的建模方法也得到廣泛應(yīng)用。如LI等[16]構(gòu)建了多層次多因素的工藝知識(shí)圖,通過基于規(guī)則的推理方法保證工藝知識(shí)圖的統(tǒng)一性,并基于工藝知識(shí)圖提出異構(gòu)CAM模型的結(jié)構(gòu)化建模方法,提高了數(shù)控加工工藝規(guī)劃效率;石云飛等[17]將零件設(shè)計(jì)信息引入三維建模,提出基于工藝語(yǔ)義的工序模型快速創(chuàng)建方法,實(shí)現(xiàn)了毛坯到設(shè)計(jì)零件加工過程的可視化。

在探究加工過程工藝模型的變遷機(jī)制,揭示加工特征的演變規(guī)律方面,高曉兵等[18]提出虛擬加工基準(zhǔn)概念,利用模型表面基準(zhǔn)屬性識(shí)別工序模型中加工表面的演變序列,并基于特征表面NURBS參數(shù)表達(dá)式變化識(shí)別加工特征的幾何演變過程;胡淑慧等[19]基于向量構(gòu)建工序幾何演變模型,通過體素的幾何變化構(gòu)建工序模型之間的幾何演變屬性鄰接圖。毛貝等[20]歸納了工藝模型基本屬性,以參數(shù)化的方式規(guī)范定義工藝設(shè)計(jì)過程中不同環(huán)節(jié)的關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù),提出幾何元素引用等方法輔助工藝模型的表達(dá)與組織。

綜上所述,目前的建模方法僅表達(dá)加工前過加工后的形態(tài)。然而,在機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造過程中,隨著訂單插入及工藝改進(jìn)等情況發(fā)生,難以避免零件工藝需求更改的問題。當(dāng)工藝需要精確到某個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)進(jìn)行更改時(shí),上述建模方法將無(wú)法滿足工藝設(shè)計(jì)更新快速響應(yīng)的需求。此外,在加工特征演變信息的獲取與表達(dá)方面,多局限于工序特征,所表達(dá)的幾何信息相對(duì)固化且粒度大,難以滿足工藝設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)決策對(duì)幾何數(shù)據(jù)的頻繁調(diào)用與反饋。因此,有必要將模型創(chuàng)建的思路由靜態(tài)轉(zhuǎn)向動(dòng)態(tài),基于時(shí)間維度獲取相關(guān)工藝數(shù)據(jù)對(duì)演變特征進(jìn)行建模,以提高工藝設(shè)計(jì)準(zhǔn)確性。

1 基本概念與方法概述

1.1 基本概念

在過去的加工特征演變研究中,主要解決了如何表達(dá)零件在加工完成前或完成后所產(chǎn)生的幾何變化問題。以加工軸類零件為例,如圖1a所示(銀白色部分為工序模型,淡藍(lán)色部分為去除體模型)。但在時(shí)間維度上,工序完成時(shí)作為一個(gè)時(shí)刻,可以認(rèn)為其是加工過程中某個(gè)離散的靜態(tài)節(jié)點(diǎn),無(wú)法動(dòng)態(tài)地描述整個(gè)加工特征的演變過程。因此,本文將毛坯與工序模型這類基于靜態(tài)時(shí)間節(jié)點(diǎn)構(gòu)建的模型歸類為靜態(tài)模型,將基于時(shí)間維度構(gòu)建,能夠反映任意時(shí)刻加工特征幾何演變情況的模型歸類為動(dòng)態(tài)模型。

圖1 零件加工過程特征演變

定義1加工特征演變模型(Machining Feature Evolution Model,MFEM)。用于描述加工特征在時(shí)間維度上動(dòng)態(tài)演變的幾何特征模型。具體來(lái)說(shuō),工序以某個(gè)特征為加工對(duì)象,在這道工序的加工過程中,加工特征隨著刀具切削不斷被去除材料,其幾何形態(tài)始終在變化。為具體描述這個(gè)加工過程,基于加工時(shí)間構(gòu)建了加工特征的幾何演變模型MFEM。

定義2零件演變模型(Evolution Model,EM)。用于描述零件在加工過程中動(dòng)態(tài)演變的幾何模型。EM基于工序模型構(gòu)建,在幾何意義上,EM是上一道工序模型與本道工序的MFEM之和。

定義3去除體模型(Removal Model,RM)。用于描述切削去除材料部分的動(dòng)態(tài)演變幾何模型。與MFEM不同,MFEM在一道工序中是減材的過程,而RM隨加工時(shí)間去除的材料不斷增多,從無(wú)到有,是增材的過程。

基于上述3個(gè)定義,可以總結(jié)出以下3個(gè)幾何關(guān)系表達(dá)式：

(1)

(2)

(3)

為闡述本研究?jī)?nèi)容的必要性,以加工零件上一孔特征為例進(jìn)行說(shuō)明。如圖2所示,在原定的工藝設(shè)計(jì)中需要加工一個(gè)半徑為3 mm的孔,但由于訂單插入,對(duì)零件的制造需求發(fā)生改變,實(shí)際加工的孔半徑減小為2.8 mm,比設(shè)計(jì)時(shí)多預(yù)留0.2 mm余量。因此,需要對(duì)下一道工序模型進(jìn)行修改,即在原有3 mm半徑的孔特征上構(gòu)建一個(gè)增量為0.2 mm的薄壁。面對(duì)上述工藝設(shè)計(jì)與實(shí)際加工不一致的情況,必須對(duì)原有的靜態(tài)工序模型進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整,以實(shí)現(xiàn)工藝的快速重構(gòu)與NC代碼的實(shí)時(shí)更新。因此,本文以加工時(shí)間、切削參數(shù)等工藝數(shù)據(jù)為驅(qū)動(dòng),提出能夠?qū)に嚫倪M(jìn)行動(dòng)態(tài)響應(yīng)的加工特征快速建模方法。

圖2 研究?jī)?nèi)容必要性樣例

1.2 方法概述

工藝數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的加工特征演變模型快速創(chuàng)建系統(tǒng)框架如圖3所示,該框架包括加工特征演變信息模型構(gòu)建、工藝數(shù)據(jù)的組織與管理、加工截面參數(shù)化構(gòu)建和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的特征演變模型快速創(chuàng)建4個(gè)部分。

圖3 加工特征演變模型快速創(chuàng)建的系統(tǒng)框架

構(gòu)建加工特征幾何演變模型的前提是獲取與加工特征相關(guān)的演變信息,主要基于特征識(shí)別技術(shù)、數(shù)控程序與工藝樹三方面進(jìn)行提取。特征識(shí)別可以從零件的三維模型中提取加工特征的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、幾何參數(shù)和屬性等信息[21],通過屬性鄰接圖與特征面組拓?fù)潢P(guān)系矩陣可以表達(dá)加工特征面邊的演變關(guān)系,是實(shí)現(xiàn)加工特征信息模型構(gòu)建的關(guān)鍵技術(shù)之一。此外,STEP-NC的出現(xiàn)使得CNC系統(tǒng)能夠與其他系統(tǒng)間進(jìn)行信息集成與共享[22],通過數(shù)控程序可以獲取刀具運(yùn)動(dòng)軌跡、刀具的軸線方向與坐標(biāo),反饋刀具與加工特征之間的相對(duì)加工位置信息。三維工藝設(shè)計(jì)軟件中的工藝樹則體現(xiàn)了整個(gè)零件的加工工藝方案,主要獲取加工操作、機(jī)床、刀具和切削參數(shù)等工藝信息,最后通過XML文件輸出。工藝數(shù)據(jù)的組織與管理主要內(nèi)容包括去除體與加工截面映射機(jī)制、加工截面與驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)關(guān)系及工藝數(shù)據(jù)分類。

基于上述框架前兩部分對(duì)工藝數(shù)據(jù)的獲取與組織管理,將不同加工工藝的加工截面類型分類為矩形、圓形和圓環(huán),構(gòu)建刀具的等效轉(zhuǎn)化模型,以切削參數(shù)及關(guān)聯(lián)特征幾何公差驅(qū)動(dòng)加工截面參數(shù)化構(gòu)建。然后依據(jù)去除體與加工截面之間的一一映射關(guān)系,以加工時(shí)間與切削速度為驅(qū)動(dòng)元素對(duì)去除體參數(shù)化建模,實(shí)現(xiàn)對(duì)特征演變幾何模型的快速創(chuàng)建。

2 演變信息模型構(gòu)建與數(shù)據(jù)組織管理

2.1 加工特征演變信息模型構(gòu)建

一般構(gòu)建的三維工序模型表達(dá)的是零件在某道工序加工完成時(shí)的靜態(tài)形態(tài),忽略加工特征在工序中連續(xù)、動(dòng)態(tài)的演變過程。為彌補(bǔ)上述不足,基于時(shí)間維度構(gòu)建加工特征演變信息模型,以加工時(shí)間關(guān)聯(lián)并驅(qū)動(dòng)動(dòng)態(tài)的幾何信息與工藝信息,為幾何特征模型的快速創(chuàng)建提供支撐。加工特征演變信息模型(Dynamic Evolution Information Model,DEIM)如圖4所示,表示如下：

圖4 加工特征演變信息模型

DEIM=(Geo,Pro)。

(4)

其中：Geo(geometry)表示加工特征演變過程的幾何信息,Pro(process)表示加工特征演變過程的工藝信息。

(1)幾何信息表示如下：

Geo=(SM,DM)。

(5)

幾何信息的描述對(duì)象為三維工藝模型,根據(jù)第1章的定義劃分為靜態(tài)模型(Static Model,SM)與動(dòng)態(tài)模型(Dynamic Model,DM)。靜態(tài)模型的幾何信息包括特征的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(Topological Structure,TS),如共面、垂直、平行、同軸、相切等約束關(guān)系,通過構(gòu)建特征面組拓?fù)潢P(guān)系矩陣表示;以及特征的尺寸與公差(Dimension and Tolerance,DAT),如長(zhǎng)度、半徑、直徑、角度等尺寸參數(shù),公差信息則可以確保工藝設(shè)計(jì)時(shí)建模的精度。動(dòng)態(tài)模型的幾何信息以加工時(shí)間(Processing Time,PT)為主要驅(qū)動(dòng)元素而實(shí)時(shí)變化,包括刀具與加工特征的相對(duì)加工位置(Relative Machining Position,RMP),與工藝信息中的刀具軸線坐標(biāo)、進(jìn)給方向和加工表面關(guān)聯(lián);以及去除材料體積(Removal Material Volume,RMV),基于時(shí)間維度由切削參數(shù)驅(qū)動(dòng),SM與DM表示如下：

SM=(TS,DAT);

(6)

DM=(PT,RMP,RMV)。

(7)

(2)工藝信息表示如下：

Pro=(MT,CT,TA,FD,Sur,Met,CP)。

(8)

其中：MT(machine tool)表示加工機(jī)床;CT(cutting tool)表示加工刀具;TA(tool axis)表示刀具軸線相對(duì)于加工表面的運(yùn)動(dòng)軌跡;FD(feed direction)表示刀具進(jìn)給方向;Sur(surface)表示加工表面;Met(method)表示加工方法,如車銑刨磨鉆拉等,對(duì)其進(jìn)一步分類,如銑削可以細(xì)化到周銑或端銑,車削可以細(xì)化到橫向進(jìn)給或縱向進(jìn)給等;CP(cutting parameters)表示切削參數(shù),

CP=(Vel,Wid,Dep)。

(9)

其中：Vel(velocity)表示切削速度,Wid(width)表示切削寬度,Dep(depth)表示切削深度。

2.2 工藝數(shù)據(jù)的組織與管理

一般來(lái)說(shuō),加工特征可以被定義為一組具有幾何拓?fù)潢P(guān)系的表面集合。因此,加工特征面f與去除體RM之間存在映射關(guān)系,根據(jù)特征的復(fù)雜程度可以將映射關(guān)系分類為一對(duì)一、多對(duì)一及多對(duì)多三類。如圖5a所示,表示特征面與去除體之間一對(duì)一的映射關(guān)系,即與去除體RM1所關(guān)聯(lián)的特征面f1有且僅有一個(gè);如圖5b所示表示特征面與去除體之間多對(duì)一的映射關(guān)系,即與去除體RM1所關(guān)聯(lián)的特征面有f1、f2、f3、f4和f5;如圖5c所示表示特征面與去除體之間多對(duì)多的映射關(guān)系,即與去除體RM1所關(guān)聯(lián)的特征面為f1和f2,與去除體RM2所關(guān)聯(lián)的特征面為f3和f4。

圖5 加工特征面與去除體映射關(guān)系

上述的映射關(guān)系適用于加工前或加工后的靜態(tài)模型。然而,對(duì)于動(dòng)態(tài)演變特征而言,其幾何形態(tài)每時(shí)每刻都在發(fā)生變化,故加工特征面的空間位置與幾何參數(shù)也會(huì)實(shí)時(shí)發(fā)生改變,通過上述的映射關(guān)系難以快速且簡(jiǎn)便地建模。例如圖5c中,隨著鉆孔加工進(jìn)行,RM1對(duì)應(yīng)的特征面f1圓周面的高度不斷增高,特征面f2的空間位置不斷沿著刀具軸線向下下沉。因此,演變特征模型構(gòu)建的關(guān)鍵是創(chuàng)建與去除體存在一一映射關(guān)系的加工截面,將對(duì)應(yīng)的切削參數(shù)與之動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)。

加工截面的構(gòu)建方法將在第3章中詳細(xì)闡述,對(duì)于加工截面類型、加工工藝與工藝數(shù)據(jù)組織管理之間的關(guān)系如圖6所示。本文考慮了在這些工藝下形成的加工截面類型,將其分為矩形面,圓面和圓環(huán)面。然后進(jìn)一步將截面幾何參數(shù)分為矩形長(zhǎng)l1,矩形寬l2,內(nèi)圓半徑r及外圓半徑R,與不同工藝下的切削參數(shù)關(guān)聯(lián)。例如銑削與刨削的加工截面為矩形,驅(qū)動(dòng)截面參數(shù)l1與l2的工藝數(shù)據(jù)分別為切削深度與切削寬度;車削徑向進(jìn)給的加工截面同樣為矩形,但由軸向進(jìn)給量與徑向進(jìn)給量驅(qū)動(dòng)截面參數(shù);車削軸向進(jìn)給的加工截面為圓或圓環(huán),驅(qū)動(dòng)截面參數(shù)r與R的工藝數(shù)據(jù)分別為切削形成的工件內(nèi)圓半徑與外圓半徑;鉆孔時(shí)加工截面為圓形,由鉆刀半徑驅(qū)動(dòng);擴(kuò)孔時(shí)加工截面為圓環(huán),由鉆孔半徑與擴(kuò)孔刀具半徑驅(qū)動(dòng)圓環(huán)截面的內(nèi)外圓半徑r與R。

圖6 工藝數(shù)據(jù)的組織與管理

3 工藝數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的加工演變特征快速建模方法

3.1 加工特征面組拓?fù)潢P(guān)系演變表達(dá)

零件在加工過程中始終伴隨著特征的演變,為表述加工特征在拓?fù)潢P(guān)系上的變化,需要分析特征各面組之間存在的約束關(guān)系并構(gòu)建相應(yīng)的拓?fù)潢P(guān)系矩陣。特征面之間的約束關(guān)系按幾何學(xué)中分類為共面、垂直、平行、同軸、相切及不垂直6類,并進(jìn)一步根據(jù)兩特征面相交或相離的關(guān)系進(jìn)行賦值,其中由于不存在兩特征面相交且平行的情況,故平行時(shí)只賦一種值,具體如表1所示。

表1 特征面拓?fù)潢P(guān)系賦值表

通過特征識(shí)別技術(shù)可以獲取構(gòu)成加工特征的所有面組,從中篩選出與工藝活動(dòng)相關(guān)的特征面進(jìn)行標(biāo)記,兩特征面之間的約束關(guān)系具體由平面的法向量、圓柱面的軸線與半徑確定。如,若兩平面法向量垂直,則其約束關(guān)系為垂直;若平面法向量與圓柱面軸線重合或平行,則其約束關(guān)系為垂直;若平面法向量與圓柱面軸線垂直且間距為圓柱面半徑,則其約束關(guān)系為相切;若兩圓柱面軸線重合,則其約束關(guān)系為同軸等。

通常零件在一道工序或工步前后,加工特征面會(huì)新增或消失,也可能會(huì)在原有特征面基礎(chǔ)上變更。以加工平面為例,如圖7a所示,其中新增面為f6,消失面為f1,其余特征面f2,f3,f4及f5發(fā)生變更,以f2′,f3′,f4′與f5′表示。圖例中各面組間存在垂直與平行兩種約束關(guān)系,然后判斷相交或相離并按照表1進(jìn)行賦值,輸出加工前后相應(yīng)的特征面拓?fù)潢P(guān)系演變矩陣。由此可以便于表達(dá)加工特征的屬性信息與幾何信息,也進(jìn)一步確定了加工截面的空間位置。一般而言,加工截面一般與消失面或變更面相關(guān)聯(lián),例如圖7b銑刀沿著特征面f2法線向量加工槽,則加工截面與變更面f2′存在共面關(guān)系;如圖7c沿著特征面f1法線向量向下鉆孔,則加工截面與變更面f2′共面,對(duì)于這類一而貫之單次走刀形成的特征,具體而言,其加工截面在幾何意義上即為變更面f1′與f1之差;圖7d同理。

圖7 加工特征面組拓?fù)潢P(guān)系矩陣

3.2 加工截面參數(shù)化構(gòu)建

加工特征在加工過程中的動(dòng)態(tài)演變可以看作由刀具類型及切削參數(shù)驅(qū)動(dòng)形成的加工截面,以與刀具相同的切削速度,在時(shí)間維度上改變相對(duì)于加工特征位置進(jìn)行偏移的過程,由截面偏移所經(jīng)過的部分即為去除體模型,且所構(gòu)建的加工截面與去除體存在一對(duì)一的映射關(guān)系。截面的類型基于不同的加工工藝分類為矩形面、圓環(huán)面和圓面。

為保證工藝設(shè)計(jì)準(zhǔn)確性,截面的幾何尺寸參數(shù)由切削基本尺寸及公差兩部分構(gòu)成,以切深、切寬、進(jìn)給量等加工參數(shù)為驅(qū)動(dòng)元素,按照工藝數(shù)據(jù)的組織與管理方法將模型公差信息同步至關(guān)聯(lián)的截面各邊,取上下偏差中值與切削基本尺寸參數(shù)之和作為加工截面參數(shù)。如圖6中,根據(jù)“矩形面—端銑—切削深度—l2--矩形截面寬”之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系,則同步關(guān)聯(lián)的公差值為切削深度方向上即加工特征高度尺寸的公差,若其上偏差為ES,下偏差為EI,切削深度的基本尺寸為l2′,則

(10)

(1)銑削

銑削存在端銑和周銑兩種加工方式,端銑由銑刀端面上的切削刃對(duì)加工表面進(jìn)行切削,而周銑以銑刀圓柱面上的切削刃對(duì)加工表面進(jìn)行切削。在銑削過程中,將銑刀等效轉(zhuǎn)化為圓柱體刀具模型,通過信息模型提取銑削刀具參數(shù)及特征相關(guān)各邊公差信息,將與銑刀旋轉(zhuǎn)半徑相關(guān)聯(lián)的圓柱半徑等效轉(zhuǎn)化,如圖8所示。

圖8 銑削加工過程加工截面構(gòu)建

1)端銑

端銑過程中為圓形的端面與加工表面接觸,其加工截面的構(gòu)建過程按以下步驟：首先在接觸面上過刀具軸線取一條垂直于進(jìn)給方向上唯一的直徑,作為矩形截面的一邊l1;然后于l1兩端點(diǎn)處沿刀具底端向刀具頂端的方向延伸,作垂直于加工表面,且長(zhǎng)度等同于切削深度的邊l2;最后連接兩邊頂端兩點(diǎn),構(gòu)成封閉的矩形截面。

2)周銑

周銑的加工過程可以視為圓柱的外圓面對(duì)加工表面進(jìn)行切削。外圓面與加工表面接觸的幾何是平行于刀具軸線的圓柱體上一條高。其刀具面的構(gòu)建過程按以下步驟：首先取外圓表面與加工表面上唯一接觸的一條高,作為矩形截面的一邊l1;然后于l1兩端點(diǎn)處分別沿兩側(cè)端面圓心的方向延伸,作垂直于加工表面,且長(zhǎng)度等同于切削深度的邊l2;最后連接兩邊頂點(diǎn),構(gòu)成封閉的矩形截面。

加工截面的構(gòu)建如圖8所示,ti,tj,tk(i

(2)車削

車削主要通過車刀的徑向和軸向進(jìn)給對(duì)回轉(zhuǎn)類工件進(jìn)行加工。因此,該部分以徑向進(jìn)給量、軸向進(jìn)給量和工件回轉(zhuǎn)半徑驅(qū)動(dòng)加工截面參數(shù)化構(gòu)建,分析車削過程中不同時(shí)刻刀具進(jìn)給情況,構(gòu)建動(dòng)態(tài)徑向進(jìn)給矩形截面、靜態(tài)軸向進(jìn)給圓環(huán)和圓形截面。

1)徑向進(jìn)給

以徑向進(jìn)給車端面為例,加工截面的構(gòu)建與不同加工時(shí)刻下截面的幾何演變?nèi)鐖D9a所示,車刀刀頭雖然是多角度且不規(guī)則的幾何,但刀頭一端始終保持與工件端面平行,完成一次對(duì)工件端面的切削可以認(rèn)為是刀尖從接觸工件外圓面至軸線的徑向推進(jìn)過程。因此,雖然刀頭不規(guī)則,但去除體是規(guī)整的圓柱或圓環(huán)柱體,可以將徑向進(jìn)給的截面等價(jià)視為由刀尖處向徑向和軸向兩側(cè)延伸構(gòu)建而成的規(guī)整矩形面。

圖9 車削加工過程加工截面構(gòu)建

其加工截面構(gòu)建過程步驟如下：首先將車刀刀尖沿軸向延伸至端面并命名此線段為l1,l1長(zhǎng)度等同于車刀走刀一次去除的軸向余量;然后于l1兩端點(diǎn)處沿進(jìn)給反方向延伸,作垂直于工件旋轉(zhuǎn)軸線,且長(zhǎng)度等同于此時(shí)徑向進(jìn)給量的邊l2;最后連接兩邊頂端兩點(diǎn),構(gòu)成封閉的矩形截面。該截面特殊之處在于邊l2由徑向進(jìn)給速度和切削時(shí)間兩參數(shù)驅(qū)動(dòng)而實(shí)時(shí)變化。

2)軸向進(jìn)給

區(qū)別于徑向進(jìn)給的動(dòng)態(tài)截面,軸向進(jìn)給是由已確定的徑向進(jìn)給量沿軸線切削加工,徑向進(jìn)給量等同于刀尖至工件外圓的距離,因此是靜態(tài)截面。實(shí)際車削加工中,工件尺寸和精度要求等因素影響著切削余量選擇。例如加工大尺寸工件,分多次走刀,此時(shí)形成圓環(huán)截面,以軸線在工件端面的投影為圓心,軸線至刀尖距離作為加工截面內(nèi)圓半徑r,工件外圓半徑作為加工截面半徑R;加工小尺寸工件可一次走刀去除端面余量時(shí),形成圓形截面,工件外圓半徑作為加工截面半徑R,如圖9b所示。

(3)刨削

刨削是刨刀對(duì)工件作水平直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)的切削加工。其加工截面構(gòu)建過程按以下步驟：首先取刨刀與加工表面接觸的幾何,即一條長(zhǎng)度與刨刀刀寬相等的線段命為l1;然后于l1兩端點(diǎn)處沿刀具底端指向刀具頂端的方向延伸,作垂直于加工表面,且長(zhǎng)度等同于切削深度的邊l2;最后連接兩邊頂端兩點(diǎn),構(gòu)成封閉的矩形截面,如圖10a所示。

圖10 刨削和鉆擴(kuò)孔加工截面構(gòu)建與演變過程

(4)鉆孔

鉆孔加工只存在單一的由加工表面外至加工表面內(nèi)的進(jìn)給方向,加工截面為鉆刀刀頭與加工表面重疊部分。與銑刀類似,將鉆刀等效轉(zhuǎn)化為圓柱體刀具模型,圓柱體半徑為鉆刀切削刃旋轉(zhuǎn)半徑,鉆孔加工的截面即為圓柱體半徑為r的圓形面,鉆孔加工演變過程如圖10b所示。

(5)擴(kuò)孔

擴(kuò)孔是對(duì)工件的原有孔徑擴(kuò)大,是在鉆孔基礎(chǔ)上進(jìn)一步加工。擴(kuò)孔時(shí),刀具切削刃旋轉(zhuǎn)半徑R較鉆孔時(shí)半徑r增大。因此,擴(kuò)孔加工的截面可以基于鉆孔截面構(gòu)建,在鉆孔圓形面上再作半徑為R的同心圓。則擴(kuò)孔截面是以半徑為R的外圓及半徑為r的內(nèi)圓構(gòu)成的圓環(huán)面,擴(kuò)孔加工演變過程如圖10c所示。

3.3 去除體參數(shù)化建模

本文主要針對(duì)平面、槽和孔類加工特征演變研究,對(duì)這三類加工特征適用的工藝劃分?；谝褬?gòu)建的加工截面,在不同工藝下的建模方式、生成去除體類型及參數(shù)化建模所包含參數(shù)的信息如表2所示。

表2 去除體參數(shù)化建模

(1)加工平面和槽

1)銑削和刨削

大部分平面和槽類特征可通過銑削和刨削完成,如圖11a所示,在一段加工時(shí)間內(nèi),加工截面與銑刀位置保持同步,隨刀具由初始的P1處沿著切削方向加工至P2處,沿途加工的路徑長(zhǎng)度由切削時(shí)間t與切削速度v驅(qū)動(dòng)。去除體中垂直于切削方向的平面即為加工截面,兩邊l1與l2分別表示切削寬度與切削深度,去除體的長(zhǎng)度即為截面平移的路徑長(zhǎng)度vt。隨時(shí)間t去除材料的體積RMVt表達(dá)為：

圖11 去除體參數(shù)化建模

RMVt=l1·l2·v·t。

(11)

2)車削(徑向進(jìn)給)

在大部分回轉(zhuǎn)類零件中也包含平面特征與槽特征,通過車削徑向和軸向進(jìn)給完成車外圓端面、車槽。

在徑向進(jìn)給加工過程中,工件旋轉(zhuǎn),車刀向工件旋轉(zhuǎn)軸線處進(jìn)給。由于工件旋轉(zhuǎn)是高速,遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于車刀進(jìn)給速度,即車刀每進(jìn)給一段距離,都在瞬間對(duì)工件完成了切削。因此,其去除體隨時(shí)間的變化,可以視為工件靜止不動(dòng),加工截面向軸線處保持水平平移拉伸的過程。同時(shí),基于此時(shí)的截面位置,平面繞軸線作一周旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),工件上經(jīng)過此刻截面覆蓋的部分即為去除體,如圖11b所示。在這個(gè)過程中,去除體端面由圓環(huán)面逐漸形成最后的圓面,且圓環(huán)面內(nèi)圓半徑隨進(jìn)給深度逐漸減小。徑向進(jìn)給截面是由一次走刀在軸向去除的余量l1,以及隨時(shí)間動(dòng)態(tài)變化的徑向進(jìn)給量l2為參數(shù)驅(qū)動(dòng)的矩形。設(shè)車刀徑向進(jìn)給速度為vr,則在任意時(shí)刻t時(shí)車刀在徑向的進(jìn)給量l2可以表示為vrt。當(dāng)徑向進(jìn)給車削一個(gè)外圓半徑為R的工件時(shí),去除體首先形成內(nèi)圓半徑逐漸減小的圓環(huán)柱體,RMVt表達(dá)為：

RMVt=π·[R2-(R-vr·t)2]·l1。

(12)

當(dāng)車刀進(jìn)給至軸線時(shí),即t=R/vr,工件端面加工完畢,去除體為底面半徑與工件半徑相等,高度為l1的圓柱體,RMVt表達(dá)為：

RMVt=π·R2·l1。

(13)

3)車削(軸向進(jìn)給)

軸向進(jìn)給時(shí)根據(jù)徑向進(jìn)給量存在圓環(huán)截面或圓形截面兩種。當(dāng)車刀沒有徑向進(jìn)給至軸線時(shí)截面為圓環(huán)面,進(jìn)給至軸線時(shí)為圓面。與徑向進(jìn)給不同的是,徑向進(jìn)給去除的柱體圓環(huán)面內(nèi)環(huán)半徑隨時(shí)間動(dòng)態(tài)變化,柱體高度為定值。軸向進(jìn)給去除的柱體高度隨時(shí)間動(dòng)態(tài)變化,而圓環(huán)面內(nèi)環(huán)為定值。如圖11c所示,去除面沿著軸線拉伸,形成柱體。設(shè)車刀軸向進(jìn)給速度為va,則在任意時(shí)間切削形成的柱體高度為vat。當(dāng)?shù)毒咴趶较蚍较蜻M(jìn)給至軸線距離r處,工件半徑為R,則軸向進(jìn)給時(shí)RMVt表達(dá)為：

RMVt=π·(R2-r2)·va·t。

(14)

當(dāng)進(jìn)給至軸線處時(shí),加工截面為圓面,去除體為圓柱體,RMVt表達(dá)為：

RMVt=π·R2·va·t。

(15)

(2)加工孔

1)鉆孔

鉆孔時(shí),加工截面是以半徑等同于鉆刀切削刃旋轉(zhuǎn)半徑r,圓心在刀具軸線上的圓面。如圖11d所示,設(shè)鉆刀沿軸線向工件內(nèi)部鉆削的速度為v,截面沿軸線拉伸,得到去除體是柱體高度為vt,半徑為r的圓柱體,RMVt表達(dá)為：

RMVt=π·r2·v·t。

(16)

2)擴(kuò)孔

擴(kuò)孔時(shí),加工截面是以擴(kuò)孔刀具切削刃旋轉(zhuǎn)半徑R作為外圓半徑,以鉆孔半徑r為內(nèi)圓半徑構(gòu)成的圓環(huán)面。如圖11e所示,與鉆孔同理沿軸線拉伸,去除體是柱體高度為vt,外圓半徑為R,內(nèi)圓半徑為r的圓環(huán)柱體,RMVt表達(dá)為：

RMVt=π·(R2-r2)·v·t。

(17)

4 應(yīng)用驗(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)用本文提出的基于工藝數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的加工特征快速建模方法,開發(fā)相應(yīng)的加工演變特征創(chuàng)建模塊,實(shí)現(xiàn)加工特征在任意加工時(shí)刻幾何形狀的表達(dá)。如圖12a和圖12b所示,以工藝設(shè)計(jì)人員A在工藝設(shè)計(jì)模塊中對(duì)導(dǎo)入零件模型的槽特征進(jìn)行銑削加工為例,可以在左側(cè)輸入相關(guān)加工操作的工藝信息,包含工序名稱、工序內(nèi)容、工序類型、切削液、設(shè)備類型等工藝信息以及切削深度與切削寬度參數(shù),然后上傳工藝信息并以XML格式輸出。在后續(xù)需要進(jìn)行工藝更改時(shí),工藝設(shè)計(jì)人員B首先提取XML文件中的切深與切寬以確定加工截面參數(shù),然后根據(jù)調(diào)整的生產(chǎn)需求重新選擇刀具轉(zhuǎn)速與切削速度。在確定上述參數(shù)后輸入或調(diào)整加工時(shí)間t,即實(shí)現(xiàn)了在一道工序中任意時(shí)刻的去除體模型快速創(chuàng)建。在參數(shù)化建模模塊中按加工方法分為銑削/刨削、車削與鉆擴(kuò)孔,按照本文提出的建模方法形成立方體、圓柱體和圓環(huán)柱體,分別如圖12c～圖12e所示。

圖12 應(yīng)用驗(yàn)證

5 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了工藝數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的加工演變特征快速建模方法,能夠?qū)庸み^程中任意時(shí)刻的特征模型進(jìn)行快速創(chuàng)建,打破了以往只針對(duì)工序模型進(jìn)行創(chuàng)建的局限。當(dāng)零件需求變更時(shí)能夠更快速地響應(yīng)進(jìn)行工藝更改,也為數(shù)控加工程序代碼的動(dòng)態(tài)更新提供技術(shù)支持,對(duì)提升三維數(shù)字化工藝設(shè)計(jì)效率具有重要意義。主要內(nèi)容包括：

(1)討論了加工特征演變的動(dòng)態(tài)特性與時(shí)變特性,并對(duì)加工演變特征進(jìn)行了定義,構(gòu)建了動(dòng)態(tài)與靜態(tài)模型之間的幾何關(guān)聯(lián)機(jī)制;

(2)構(gòu)建了工藝數(shù)據(jù)的提取框架,創(chuàng)建以加工時(shí)間為驅(qū)動(dòng)的加工特征演變信息模型,闡述了其附屬工藝數(shù)據(jù)的組織與管理方法,為加工特征幾何模型的快速創(chuàng)建提供支撐;

(3)提出了工藝數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的加工演變特征快速建模方法。創(chuàng)建了加工特征面組間拓?fù)潢P(guān)系演變矩陣,以便于表達(dá)加工特征幾何信息及其演變過程;構(gòu)建了加工截面與去除體之間的關(guān)聯(lián)機(jī)制,并以切削參數(shù)及關(guān)聯(lián)特征幾何公差驅(qū)動(dòng)加工截面參數(shù)化構(gòu)建;基于特征對(duì)加工截面的映射關(guān)系,以切削時(shí)間與切削速度驅(qū)動(dòng)去除體參數(shù)化建模;

(4)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,進(jìn)一步開發(fā)了相應(yīng)的加工演變特征創(chuàng)建模塊并驗(yàn)證了本文方法的有效性和可行性。

本文針對(duì)平面、槽和孔這3類由標(biāo)準(zhǔn)幾何元素構(gòu)成的加工特征建模方法進(jìn)行了研究,但由于非標(biāo)準(zhǔn)幾何難以通過數(shù)學(xué)通式表達(dá),以參數(shù)化建模的方法存在局限,這也是幾何數(shù)學(xué)中存在已久的難點(diǎn),因而沒有進(jìn)一步對(duì)這類加工特征討論。此外,沒有考慮加工過程中走刀重疊或空走刀的情況,這些問題將是未來(lái)研究的主要方向。