CN103801776B

CN103801776B - 一种电火花加工特征识别方法

Info

Publication number: CN103801776B
Application number: CN201410065431.6A
Authority: CN
Inventors: 耿维忠; 陈正鸣; 何坤金; 蒋俊锋; 吴云燕
Original assignee: Changzhou Campus of Hohai University
Current assignee: Changzhou Campus of Hohai University
Priority date: 2014-02-26
Filing date: 2014-02-26
Publication date: 2016-06-08
Anticipated expiration: 2034-02-26
Also published as: CN103801776A

Abstract

本发明公开了一种电火花加工特征识别方法，其特征在于，包括步骤如下：步骤一：载入零件CAD模型和工序毛坯模型；步骤二：确定B-rep模型中边的类型；步骤三：识别加工区域并确定其类型；步骤四：确定加工方向和加工坐标系；步骤五：分解加工区域，提取加工特征。在模具镶块件的复杂产品的EDM加工过程中，通过本发明的一种电火花加工特征识别方法能够有效地解决EDM加工特征获取，为电极设计、加工工艺优化提高技术支持，实现EDM加工的CAD/CAM集成，提高加工效率。

Description

一种电火花加工特征识别方法

技术领域

本发明涉及一种电火花加工特征识别方法，具体涉及一种利用零件CAD模型的B-rep信息进行电火花加工特征识别的方法。

背景技术

电火花加工（EDM）技术作为一种特种加工技术，已广泛应用于模具镶块件等复杂产品的窄缝、内清角、复杂型腔的加工中，制定合理的EDM加工工艺对于提高加工效率和控制加工成本有着至关重要的影响。虽然EDM设备已经具备了较高的自动化水平，但EDM电极设计和工艺参数的制定还是由工艺人员依据其经验以交互的方式完成，还没能实现CAD/CAM有效集成。

为了实现EDM的CAD/CAM有效集成，必须从零件CAD模型中自动识别并分解EDM加工区域（以下简称加工区域），提取EDM加工特征（以下简称加工特征），实现电极自动生成和加工工艺优化设计，因此加工特征的识别是实现EDM的CAD/CAM有效集成，提高加工效率、控制加工成本的关键技术。由于EDM工艺的特殊性及加工区域中存在有复杂型腔、窄缝、内清根等复杂加工区域，采用现有的加工特征识别方法很难识别并分解加工区域，提取满足工艺要求的加工特征。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种电火花加工特征识别方法。

为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：

一种电火花加工特征识别方法，其特征在于，包括步骤如下：

步骤一：载入零件CAD模型和工序毛坯模型；

步骤二：确定B-rep模型中边的类型；

步骤三：识别加工区域并确定其类型；

步骤四：确定加工方向和加工坐标系；

步骤五：分解加工区域，提取加工特征。

前述的一种电火花加工特征识别方法，其特征在于，所述步骤二包括：根据边拓扑邻接面的法向量夹角和边的底层几何元素类型将B-rep模型中的边分为直线凹边、直线凸边、曲线凹边和曲线凸边四种类型。

前述的一种电火花加工特征识别方法，其特征在于，所述步骤三包括：

步骤3a：剔除非加工区域边；

步骤3b：识别加工区域；

步骤3c：确定加工区域类型。

前述的一种电火花加工特征识别方法，其特征在于，所述步骤3a包括：首先识别CAD模型上与工序毛坯模型边共线的拓扑边，然后对所述拓扑边做删除标记，将CAD模型的B-rep模型分解为RB-rep，所述RB-rep为所述加工区域的B-rep模型。

前述的一种电火花加工特征识别方法，其特征在于，所述步骤3b包括：首先根据RB-rep中拓扑边类型及其拓扑结构提取加工区域的凸边环，然后利用凸边环的拓扑信息识别EDM加工区域。

前述的一种电火花加工特征识别方法，其特征在于，所述步骤3c包括：将获取的加工区域分为凹槽型和凹槽孤岛型，凹槽型加工区域分为封闭型和开放型两种类型。

前述的一种电火花加工特征识别方法，其特征在于，所述步骤四包括：

步骤4a：根据与加工区域起始凸边环的凹边方向为不同类型的加工区域选择加工方向；

步骤4b：以确定的加工方向为Z轴，起始凸边所在方向为Z轴正方向，加工区域内的任一点为原点建立当前加工区域坐标系。

前述的一种电火花加工特征识别方法，其特征在于，所述步骤五包括：从所述步骤三确定的加工区域的起始凸边环开始按照广度优先和凸边优先规则沿Z轴负方向搜索加工区域内的拓扑边，并按照边的拓扑结构对加工区域逐层分解，提取加工特征，直至加工区域内所有边都被访问。

本发明的有益之处在于：在模具镶块件的复杂产品的EDM加工过程中，通过本发明的一种电火花加工特征识别方法能够有效地解决EDM加工特征获取，为电极设计、加工工艺优化提高技术支持，实现EDM加工的CAD/CAM集成，提高加工效率。

附图说明

图1是本发明一种电火花加工特征识别方法的流程示意图；

图2是本发明基于图1的进一步的流程示意图；

图3是本发明B-rep模型中拓扑边的类型示意图；

图4是本发明一种零件的B-rep模型示意图；

图5是图4零件的工序毛坯B-rep模型示意图；

图6是图4零件的加工区域B-rep模型示意图；

图7是本发明加工区域凸边环的示意图；

图8是本发明加工区域一凸边环的示意图；

图9是本发明加工区域二凸边环的示意图；

图10是本发明获取凸边环结束时的示意图；

图11是本发明单环凸边环和多环凸边环的示意图；

图12是本发明邻接型凸边环的示意图；

图13是本发明嵌套型凸边环的示意图；

图14是本发明凸边环分解中共享凸边集和非共享凸边集示意图；

图15是本发明嵌套型凸边环分解为邻接型凸边环的示意图；

图16是本发明起始凸边环的示意图；

图17是本发明过程凸边环的示意图；

图18是本发明加工区域的示意图；

图19是本发明凹槽型加工区域的示意图；

图20是本发明凹槽孤岛型加工区域的示意图；

图21是本发明开放型加工区域的示意图；

图22是本发明闭合型加工区域的示意图；

图23是本发明闭合凹槽型加工区域确定加工方向示意图；

图24是本发明确定闭合凹槽型加工区域的加工方向示意图；

图25是本发明确定开放凹槽型加工区域的加工方向示意图；

图26是本发明闭合凹槽型加工区域的加工特征识别中边搜索的示意图；

图27是本发明闭合凹槽型加工区域的加工特征识别中中凸边延伸的示意图；

图28是本发明闭合凹槽型加工区域的加工特征的示意图；

图29是本发明闭合凹槽型加工区域的加工特征识别中起始凸边环的示意图；

图30是本发明闭合凹槽型加工区域的加工特征识别中边搜索的示意图；

图31是本发明闭合凹槽型加工区域的加工特征识别中凸边延伸的示意图；

图32是本发明闭合凹槽型加工区域的加工特征的示意图；

图33是本发明闭合凹槽型加工区域的加工特征识别中起始凸边环的示意图；

图34是本发明闭合凹槽型加工区域的加工特征识别中边搜索的示意图；

图35是本发明闭合凹槽型加工区域的加工特征识别中凸边延伸的示意图；

图36是本发明闭合凹槽型加工区域的第一个加工特征的示意图；

图37是本发明闭合凹槽型加工区域的第二个加工特征的示意图；

图38是本发明开放凹槽型加工区域的加工特征识别的示意图；

图39是本发明开放凹槽型加工区域的第一个加工特征的示意图；

图40是本发明开放凹槽型加工区域的第二个加工特征的示意图；

图41是本发明开放凹槽型加工区域的第三个加工特征的示意图；

图42是本发明开放凹槽型加工区域的第四个加工特征的示意图；

图43是本发明开放凹槽孤岛型加工区域的加工特征识别中干涉检测的示意图；

图44是图43加工区域的加工特征示意图；

图45是本发明开放凹槽孤岛型加工区域的加工特征识别中干涉检测的示意图；

图46是图45加工区域的第一个加工特征示意图；

图47是图45加工区域的第二个加工特征示意图；

图48是图45加工区域的第三个加工特征示意图；

图49是图45加工区域的第四个加工特征示意图；

图50是图45加工区域的第五个加工特征示意图；

图51是本发明开放凹槽孤岛型加工区域的加工特征识别中干涉检测示意图；

图52是图51加工区域的第一个加工特征示意图；

图53是图51加工区域的第二个加工特征示意图；

图54是图51加工区域的第三个加工特征示意图；

图55是图51加工区域的第四个加工特征示意图；

图56是图51加工区域的第五个加工特征示意图。

图中附图标记的含义：

1、曲线凸边，2、直线凸边，3、曲线凹边，4、直线凹边，5、多环凸边环，6、单环凸边环，7、共享凸边，8、共享凹边，9、非共享凸边，10、加工区域拓扑面，11、凸边延伸拓扑面，12、虚拓扑面。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。

本发明的目的在于提供一种EDM加工特征识别方法，该方法创造性地利用零件CAD模型的B-rep信息，从模具镶块件等复杂产品模型中识别并分解窄缝、内清角、复杂型腔等EDM加工区域，提取加工特征，该方法能为EDM的电极优化设计、工艺方案优化等关键问题解决提供技术支持，对于EDM的CAD/CAM集成有着极其重要的意义。

本发明输入是零件CAD模型和工序毛坯模型。本方法源于对EDM加工过程和电极可加工性的分析。从加工过程分析可知，B-rep模型上凸边是EDM加工过程中电极切入工序毛坯和不同EDM工步交叉残留的痕迹。B-rep模型内部与加工方向平行的直线凹边是EDM加工过程中电极进给残留的痕迹，其他所有凹边都是EDM加工结束时电极成型面残留的痕迹，因此拓扑边及其结构的识别与分析是加工区域识别和加工特征提取的关键。本实施例中用不同形状的阴影来在一张图中标识不同类型的拓扑面。

本发明的加工区域面又叫加工区域拓扑面10，其是需要采用EDM加工的面和由凹边与此面相邻的面的集合。本发明的凸边延伸拓扑面11又叫凸边延伸面，其是以边搜索到的凸边为扫掠线、过凸边任意端点且平行于X或Y轴的直线为准线，做扫掠平面截交于加工区域面所形成的面。本发明的虚拓扑面12是以开放凹槽型加工区域的开放侧的拓扑边为扫掠线和准线，做扫掠平面截交于加工区域面或另一虚面所形成的面。本发明用加深的点划线标识凸边或凹边，即标识线索边。

参照图1和图2所示，本发明一种电火花加工特征识别方法，包括步骤如下：

步骤一：载入零件CAD模型和工序毛坯模型；

步骤二：确定B-rep模型中边的类型；

步骤三：识别加工区域并确定其类型；

步骤四：确定加工方向和加工坐标系；

步骤五：分解加工区域，提取加工特征。

本发明步骤一中载入零件CAD模型和工序毛坯模型，即载入零件和工序毛坯的CAD模型到现有CAD/CAM系统中。

本发明步骤二中确定B-rep模型中边的类型即根据边拓扑邻接面的法向量夹角和边的底层几何元素类型确定边的类型。现有CAD模型中边有圆弧（CATCircle）、椭圆弧（CATEllipse）、B样条曲线（CATNurbsCurve）、直线（CATLine）等类型。这些边都是CATCurve的派生类，通过IsATypeOf函数可以确定边的类型。首先根据查询结果将B-rep模型中边分为直线边和曲线边两大类；然后用公式（For.1）计算边邻接面夹角，判断边的凸凹性。

θ = \cos^{- 1} (\frac{X_{1} X_{2} + Y_{1} Y_{2} + Z_{1} Z_{2}}{\sqrt{X_{1}^{2} + Y_{1}^{2} + Z_{1}^{2}} \sqrt{X_{2}^{2} + Y_{2}^{2} + Z_{2}^{2}}}) \times \frac{π}{180}

其中（X1、Y1、Z1）和（X2、Y2、Z2）分别是两相邻面在公共边上的单位法向量。从而将B-rep模型中边分为直线凸边、直线凹边、曲线凸边、和曲线凹边四种类型，如图3所示。

本发明步骤三中识别加工区域并确定其类型，即通过识别并分析B-rep模型上凸边及其拓扑结构，确定EDM加工区域及其类型。

作为进一步的优选，其包括如下步骤：

步骤3a：剔除非加工区域边，参见附图2中的S3；

步骤3b：识别加工区域，参见附图2中的S4；

步骤3c：确定加工区域类型，参见附图2中的S5。

进一步，所述的剔除非加工区域边（S3），即首先识别CAD模型上与工序毛坯模型边共线的拓扑边，然后对此类边做删除标记，从而将CAD模型的B-rep模型分解为若干个加工区域的B-rep模型(简称RB-rep)。具体方法是：首先获取边的拓扑顶点的坐标值（Xi、Yi、Zi）,i=1,2,…,n,其中n为拓扑顶点的个数；然后判断顶点是否在工序毛坯拓扑边上，快速排除不在毛坯模型边界上的拓扑边；最后对剩余的少量边逐个根据边类型做进一步判断。其中，直线边判断另一顶点、曲线边判断顶点和中点采样点是否在工序毛坯拓扑边上；然后对所识别出来的拓扑边做删除标记，将零件CAD模型分解为若干加工区域的B-rep模型（简称为RB-rep），如图4,图5,图6所示。

所述的识别加工区域（S4），即首先根据RB-rep中拓扑边类型及其拓扑结构提取加工区域的凸边环，然后利用凸边环的拓扑信息识别EDM加工区域；具体步骤包括1>凸边环获取（S4a）；2>凸边环分解（S4b）；3>凸边环类型确定（S4c）；4>加工区域识别（S4d）。

所述的凸边环获取（S4a），即按照深度优先规则遍历RB-rep模型中拓扑相连凸边，获取加工区域的拓扑凸边环，如图7、图8、图9、图10中加粗的点划线表示的拓扑凸边所示。具体方法为：首先以任一凸边为起始边开始搜索拓扑相连的凸边，直至所搜索的边形成环，如图8所示；然后沿搜索路径逆序回退至有未曾访问凸边相连的凸边，并以此凸边开始执行凸边搜索直至所搜索到边形成凸边环，如图9所示；之后重复执行边回退和边搜索操作直至回退至起始边，如图10所示。

按照上述说明，凸边环获取具体步骤如下：

<1>初始化，即将RB-rep模型凸边访问标记位置0、端点队列和凸边栈置空；

<2>边搜索，即首先以RB-rep模型的任一凸边为起始边，并执行访问标记位置1，边入栈、端点入队等操作；然后反复搜索与其拓扑相连的凸边，并执行访问标记位置1、判断端点是否在端点队列、端点入队、边入栈等操作；

<3>环检测，即若当前凸边的端点在队列中，则当前边栈中凸边可形成一凸边环；

<4>边回退，即当所访问边形成凸边环或不再有未访问的凸边与当前边相连，则检查是否有未访问凸边与栈顶元素拓扑相连，若没有，则栈顶凸边出栈，并再次执行边回退，若有，则再次执行<2>和<3>；

<5>结束，即当凸边栈重新为空且所有凸边访问标记都为1，则完成了对当前RB-rep模型的边搜索；

重复执行上述步骤，直至对零件B-rep模型上所有凸边完成搜索回退操作，从而获取不同加工区域的RB-rep模型中的凸边环。

根据凸边环拓扑关系的不同，S3a所获得的多个凸边环的拓扑结构分为单环型和多环型，其中单环型拓扑凸边是一个加工区域的痕迹、多环型凸边环是多个空间重叠或邻接的加工区域的痕迹，如图11中加粗的点划线所示。多环型凸边环又可以分为邻接型和嵌套型，其中，邻接型凸边环是指两凸边环只共享凸边，如图12中加粗的虚线所示；嵌套型凸边环是两凸边环除了有共享的凸边，两凸边环还共享与公共凸边相连的凹边，如图13中加粗线所示。

所述的凸边环分解（S4b），即将S3a获取的嵌套型凸边环分解为邻接型凸边环，具体方法为：首先识别嵌套型凸边环中的内层凸边环和外层凸边环；然后获得内外层环的共享凸边集合和非共享凸边集合，如图14中加粗线所示，最后从外层凸边环中删除共享凸边后再添加非共享凸边，更新外层凸边环，如图15，从而将嵌套型凸边环分解为邻接型凸边环。

根据与凸边环其直接拓扑相连凸边数是否大于凹边数将凸边环分为起始凸边环和过程凸边环。若与凸边环直接拓扑相连的凹边数大于凸边环直接拓扑相连的凹边数，则该凸边环为起始凸边环；反之，该凸边环为过程凸边环，如图16、图17中加粗的点划线所示。

所述的凸边环类型确定（S4c），即区分起始凸边环和过程凸边环。具体方法为：首先统计与凸边环直接相连的凸边数和凹边数，然后根据上述定义确定凸边环的类型。

所述的加工区域识别（S4d），即获取与起始凸边环直接拓扑相连的拓扑面，其所围成的区域标识即为一个加工区域，如图18所示；

所述（3）确定加工区域类型（S5），即根据S4获取的凸边环的类型、数量和是否与非加工区域边相连确定加工区域的类型。根据凸边环的类型，加工区域分为凹槽型和凹槽孤岛型，如图19、图20所示；根据凸边环是否与非加工区域边相连，加工区域分为封闭型和开放型，如图21、图22所示。具体识别方法为：首先对加工区域的凸边环由外向内拓扑编号i（i=1,2,3…,n，n是凸边环的个数），其中奇数凸边环形成凹槽型加工区域、偶数凸边环形成孤岛加工区域。若当前加工区域只有奇数凸边环，则其为凹槽型加工区域，反之，则其为凹槽孤岛型加工区域；然后获取与凸边环直接拓扑相连的凸边，若其中包含有非加工区域边，则其为开放型加工区域，反之，则其为闭合型加工区域。

步骤四确定加工方向和加工坐标系，即确定加工区域的加工方向并建立加工区域坐标系，具体步骤如下：（1）确定加工方向（S6）；（2）建立加工区域坐标系（S7）；

所述的确定加工方向（S6），即根据与加工区域起始凸边环的凹边方向为不同类型的加工区域选择加工方向。根据加工区域类型的不同，具体方法如下：

闭合型凹槽加工区域，首先获取起始凸边环相连的凹边，若加工区域只存在唯一的凹边方向，则此方向即为该区域的加工方向；反之，则以凸边环所在平面的法线方向为该区域的加工方向，如图23、24所示；

开放型凹槽加工区域，首先获取起始凸边环相连的凹边并计算凹边长度，以最短凹边所在方向为该区域的加工方向，如图25所示；

孤岛凹槽型加工区域的加工方向由其凹槽区域的类型确定；

所述的建立加工区域坐标系（S7），即以S6确定加工方向为Z轴，起始凸边所在方向为Z轴正方向，加工区域内为任一点为原点建立当前加工区域加工坐标系；

所述步骤五分解加工区域，提取加工特征，即从与S4确定起始凸边环相连的最短凹边开始，按照广度优先和凸边优先规则，由近至远，依次访问与其拓扑相连拓扑边，逐步分解加工区域，提取加工特征。

所述广度优先和凸边优先规则如下：

广度优先规则：首先访问起始边；然后访问未曾访问过的邻接边；最后，从这些邻接边出发依次访问其邻接边，并使“先被访问的邻接边的邻接边”先于“后被访问的邻接边”被访问，直至加工区域的所有边都被访问。

凸边优先规则：在边搜索过程中，若有凸边和凹边同时拓扑相连与当前边，则优先访问拓扑凸边。

根据S4确定的加工区域类型，各种类型加工区域的特征识别方法如下：

闭合凹槽型加工区域的识别步骤包括（1）边搜索（S8）、（2）凸边延伸（S9）、（3）加工特征提取（S11）。具体步骤如下：

所述的边搜索（S8），即在加工区域内搜索加工特征的拓扑边。具体方法为：首先计算与加工区域起始凸边环拓扑相连的凹边在Z轴方向的投影深度；然后以深度最小凹边为起始边，按照广度优先和凸边优先规则搜索加工区域内拓扑相连的边，直至已访问边形成包含有凸边的环而暂停搜索，如图26中加粗的点划线所示，或加工区域内边都被访问而结束搜索；

所述的凸边延伸（S9），即当S7搜索到的边形成了包含有凸边的环，以当前所搜索到凸边为扫掠线、过凸边任意端点且平行于X或Y轴的直线为准线，做扫掠平面截交于加工区域侧面形成虚凹边，对加工区域进行分解，如图27中加粗的点划线所示。

所述的加工特征提取（S11），即获取S6和S7得到的凹边拓扑相邻面围成的拓扑体，即提取加工特征，如图28所示。

反复执行S8、S9、S11，直至完成加工区域内拓扑边的访问，即完成加工特征的提取，如图29、图30、图31、图32、图33、图34、图35、图36、图37加粗的点划线所示。

开放凹槽型加工区域的识别，首先对凹槽开口侧补做虚面，其余步骤与闭合型凹槽加工区域方法相同，如图38中加粗的点划线、图39、图40、图41、图42所示；

孤岛凹槽型加工区域的识别步骤包括（1）边搜索（S8）、（2）凸边延伸（S9）、（3）干涉检查（S10）、（4）加工特征提取（S11）。具体方法如下：

所述的边搜索（S7），方法同前；

所述的凸边延伸（S8），方法同前；

所述的干涉检查（S9），即通过分析凸边延伸面与加工区域内侧面截交线是否为相互分离的两个环或链，判断扫掠面是否与加工区域中的孤岛发生干涉。

所述的加工特征提取（S10），根据S9干涉检查结果，加工特征提取步骤分为以下两种情况：

第一种：若截交线为单环或单链，即扫掠面没有与孤岛发生干涉，方法同前，如图43中加粗的点划线、图44所示；

第二种：若截交线为双环时，根据内环的拓扑结构对加工特征进行，再按照前述方法提取加工特征，如图45中加粗的点划线、图51中加粗的点划线、图46、图47、图48、图49、图50、图52、图53、图54、图55、图56所示。

重复执行上述步骤，直至加工区域内所有边都被访问，即可完成当前加工区域的分解和加工特征提取。

在模具镶块件的复杂产品的EDM加工过程中，通过本发明的特征识别方法有效地解决EDM加工特征获取，为电极设计、加工工艺优化提高技术支持，实现EDM加工的CAD/CAM集成，提高加工效率。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims

1.一种电火花加工特征识别方法，其特征在于，包括步骤如下：

步骤一：载入零件CAD模型和工序毛坯模型；

步骤二：确定B-rep模型中边的类型；

步骤三：识别加工区域并确定其类型；

步骤四：确定加工方向和加工坐标系；

步骤五：分解加工区域，提取加工特征；

所述步骤二包括：根据边拓扑邻接面的法向量夹角和边的底层几何元素类型将B-rep模型中的边分为直线凹边、直线凸边、曲线凹边和曲线凸边四种类型；

所述步骤三包括：

步骤3a：剔除非加工区域边；

步骤3b：识别加工区域；

步骤3c：确定加工区域类型；

所述步骤3a包括：首先识别CAD模型上与工序毛坯模型边共线的拓扑边，然后对所述拓扑边做删除标记，将CAD模型的B-rep模型分解为若干个RB-rep，所述RB-rep为所述加工区域的B-rep模型；

所述步骤3b包括：首先根据RB-rep中拓扑边类型及其拓扑结构提取加工区域的凸边环，然后利用凸边环的拓扑信息识别EDM加工区域；

所述步骤3c包括：将获取的加工区域分为凹槽型和凹槽孤岛型，凹槽型加工区域分为封闭型和开放型两种类型。

2.根据权利要求1所述的一种电火花加工特征识别方法，其特征在于，所述步骤四包括：

3.根据权利要求1或2所述的一种电火花加工特征识别方法，其特征在于，所述步骤五包括：从所述步骤三确定的加工区域的起始凸边环开始按照广度优先和凸边优先规则沿Z轴负方向搜索加工区域内的拓扑边，并按照边的拓扑结构对加工区域逐层分解，提取加工特征，直至加工区域内所有边都被访问。