零件的设计模型向毛坯模型转换技术研究.

第10卷第6期计算机集成制造系统

Vol.10No.6文章编号:1006-5911(2004)06-0620-05

零件的设计模型向毛坯模型转换技术研究

王宗彦,吴淑芳,秦慧斌

(华北工学院机械工程系,山西太原 030051)

摘要:为了实现CAD/CAPP/CAM的集成,提出了一种由设计模型向毛坯模型转换、进而向制造模型转换的思想。文章重点研究了由设计模型向毛坯模型转换的技术。具体研究了毛坯模型的定义与生成技术,包括毛坯建模、毛坯模型的生成、切削区域的定义、分解性实体几何造型思想,以及结构实体几何特征模型向分解性实体造型的转化。还研究了设计模型向毛坯模型转换的实现方法。给出了实现这一转换的具体步骤为:识别零件表面、余量补偿、体加工面的识别和立体形状的构建、采用半空间法构建被移去的体特征和偏移量补充。

关键词:设计模型;制造模型;毛坯模型;面加工特征;体加工特征中图分类

号:TP391.72 文献标识码:A

0 引言

长期以来,人们普遍认为CAPP是连接CAD和CAM的桥梁,许多学者都在努力搭建这座桥梁,但迄今为止还没有一套完整的CAD/CAPP/CAM商用集成系统。从表面上看,CAPP是CAD/CAM断流的关键,似乎是它制约了CAD/CAM乃至CIMS的集成,但笔者认为,真正的原因则是设计模型到制造模型的转换理论没有解决。

目前的CAD/CAM系统采用的造型方法是面向设计的

CSG(ConstructiveSolidGeometry)树表示特征造型,它与面向制造并体现加工顺序的特征建模还存在很大差异,在语义表达上也不一致,如设计特征的增加凸台,与制造过程可能完全不符[1]。因此,现在的CAD/CAM系统的工作方式与集成化和自动化所要求的目标尚有一定距离,主要表现为在产品特征模型设计完毕之后,需要大量的人机交互,选择单一几何特征以确定加工区域,再选择加工方式和刀具类型参数,还不能智能决策工艺过程,不能自动地从设计信息中获取加工信息并完成工艺过程

收稿日期:2003-06-06;修订日期:2003-09-27。基金项目:国防柔性制造技术重点实验室基金资助项目。

规划[2]。

1982年,Arbab在他的博士论文中首次提出了特征分解造型,分解性实体几何造型De-structiveSolidGeometryModeling,DSGM。使用这种方法的原型系统已在Stanford和Purdue展示过,商品化系统Pro/Engineer也支持这种系统。Purdue系统中的毛坯是一个方形块,Stanford系统中的毛坯是一个凸起的形状(由平移扫掠形成)。Pro/Eng-ineer系统中,毛坯可以是由平移扫掠或者旋转扫掠在Purdue和

Stanford系统中,工艺规划随每次设计改动而生成并检测。遗憾的是他们采用的毛坯模型都是比较简单的形状,与实际情况差距较大。此外,先知道毛坯再通过布尔减运算获得零件,虽然与实际加工过程相符合,但却与传统的设计过程不一致,这是该方法没有流行的根本原因[4]。

本文提出一种思想,保证现行的基于特征的设计造型方法不变,并称其结果为设计模型,然后由设计模型求解毛坯模型,再由毛坯模型还原设计模型,两者属于互逆的过程,在还原设计模型的过程实现

3]

作者简介:王宗彦(1963-),男,河北晋州人,华北工学院机械工程系副教授,博士,主要从事现代集成制造与反求工程等研究。

E-mail:zzzxz@。

n

S

i

工艺规划。该方法更加符合和贴近传统零件设计与编制工艺的过程,因而对实现CAD/CAPP/CAM的真正集成具有重要研究意义。本文重点研究设计模型求解毛坯模型。

MP=MS-

i=1j=1

EEFij。

n

S

(1)

,式中Fij必须按顺序排列。此式实际上反映了毛坯与零件的关系,

因此,

MS=MP+

且第K道工序的毛坯为

MSK=MP+

i

1 毛坯模型的定义与生成技术

一般情况下,机械零件是由毛坯经过再加工而生成的,该毛坯可能是铸造毛坯、焊

接毛坯或锻件毛坯,也可能是原材料,毛坯模型为研究对象。毛坯的几何形状与生

成方式对制造过程规划和NC计算有重要影响,如箱体类零件,其铸造毛坯的几何模型与零件的几何模型密切相关,零件设计完成后,该零件哪些部分通过铸造、哪些

部分采用机械加工或其他工艺,就被确定下来了,机械特征和工艺规程都取决于最

初的毛坯模型。事实上,在产品设计到制造整个过程中,当给定一个产品的设计模

型后,产品生产的后继工作都应理解为对该设计模型到毛坯模型的逆变换。

一是当零件上加工面不多、结构较简单时,如长方体以简单的规则形体作为其毛坯;二是当零件结构复杂时,如箱体件,需建立与零件结构相同、局部尺寸有变化的毛坯。显然,后一种毛坯的几何模型和零件的几何模型密切相关。但从目前查阅到的文献来看,研究如何建立它们之间的关系、减少数据的冗余和重复建模的工作尚未引起重视。由于零件,尤其是复杂零件,不是一次装夹就能加工完的,一般需要多道工序进行装夹,毛坯模型,以真实反映材料切除过程及实际的定位装夹方式、毛坯

受力受热变形等对加工精度的影响,以便为虚拟加工奠定基础。因此,如何借助零

件模题。毛坯模型的生成要解决如何增加设计模型的加工余量,并将设计模型转化为毛坯模型,这种转化称,本[5,6]

i=1j=1

EEFij,EEFij。

n

S

i

(2)

i=kj=1

(3)

由此可以看出,毛坯建模过程是零件建模过程的逆过程。零件建模时是从毛坯减去特征,型的基础上,根据零件的技术要求确定毛坯的制造方法,,以生成所111 毛坯建模

从制造角度观察,零件模型可看成是由一组加工活动逐步对毛坯模型进行切除操作后形成的。设MP代表最终零件模型,MS代表毛坯模型,Fij代表

第i道工序切除的第j个体积(特征),n为工序总数,Si为第i组工序切除体积数,则零件建模过程可112 毛坯模型的生成

在采用参数化特征造型技术建立毛坯模型时,: