CN105426590A - 一种机加工艺特征树及其构建方法 - Google Patents

一种机加工艺特征树及其构建方法 Download PDF

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Abstract

一种机加工艺特征树，假设一个零件的加工工序数为n，毛坯模型包含的特征数为M0，第i道工序所要加工的加工特征数及标注特征数之和为Mi，机加工艺特征树是由个节点组成的有穷集合D以及D上的关系集合R构成的有序树，记为IPM，IPM的根节点IPMn∈D，IPMn仅包含一个分支节点IPMn-1，以及Mn个叶节点，其中分支节点IPMn-1是根节点的第一个节点，且分支节点本身又构成一颗机加工艺特征树，Mn个叶节点中的加工特征按照加工顺序从左到右依次排列。本发明还提供了上述机加工艺特征树的构建方法。本发明的优点在于：该机加工艺特征树通过工序对加工特征进行重新组织，能够反映零件的实际切削加工过程，并将工艺信息定义在模型当中，实现了基于模型的工艺信息表达。

Description

一种机加工艺特征树及其构建方法
技术领域
本发明涉及一种生产工艺，尤其涉及的是一种机加工工艺。
背景技术
基于模型的定义(Model-BasedDefinition,MBD)技术是将产品所有相关的工艺描述、属性、管理等信息都附着在三维模型中的数字化定义方法。它使三维数模作为生产制造过程中的唯一依据，改变了传统的由三维实体模型来描述几何信息，而用二维图纸来定义尺寸、公差和工艺信息的产品数字化定义方法。MBD技术是面向产品生命周期的数字化定义技术。然而，从目前企业的应用情况来看，仅设计部门实现了基于三维模型的设计，工艺部门仍然采用传统的二维工程图。因此，就目前来说，仅仅实现了基于模型的设计信息表达，工艺信息如何基于模型去表达还不是很明确。随车三维计算机辅助设计(ComputerAidedDesign,CAD)软件在企业中的广泛应用及MBD技术的实施，传统的二维工艺设计已不能满足企业的需求。首先是数据“断层”，二维工艺设计不能够直接应用三维CAD软件产生的三维模型数据，需要将三维模型转换为二维工程图；其次，由于缺乏工序三维模型的支持，难以对工装设计的合理性和可行性进行验证；再次，工艺文件审签通常以纸质文件为主，难以对工艺过程进行有效的控制；最后，二维工艺文件的指导性差，工人通常不按照工艺文件进行生产。
在工艺信息表达方面，传统的工艺信息一般以工艺对象为核心，存储在数据库中，如西北工业大学的CAPPFramework和华中科技大学的开目CAPP，其工艺信息都是存储在关系数据库当中。此外，【蔡长韬.基于STEP/XML的集成化工艺信息描述方法研究[J].计算机集成制造系统,2008,14(5):912-917.】提出了基于(eXtensibleMarkupLanguage,XML)的集成化工艺信息描述方法。传统的通过数据库或XML来表达的机加工艺设计信息，难以实现工艺设计信息与三维模型的关联。
在基于模型的设计信息表达方面，GB/T24734.2-2009《技术产品文件数字化产品定义数据通则第2部分：数据集识别与控制》中规定了模型的内容，包括标注、设计模型和属性，如图1所示，并将零件设计过程中的标注、属性等非几何信息通过特征树来组织，并与几何模型相关联。然而，GB/T24734.2-2009定义的设计模型是面向设计信息表达的，难以实现工艺信息的表达，其根本原因在于：缺乏面向工艺设计的三维模型，及一种面向工艺设计过程的特征树来记录工艺设计信息。
基于模型的定义技术要求产品定义的各类信息按照模型的方式组织，要求工艺设计信息直接定义在模型当中。在零件的机加工艺设计过程当中，由于缺乏机加工艺设计对应的三维模型，且缺乏记录机加工艺信息的特征树，导致难以实现基于模型的机加工艺信息表达。为此，本发明提出了一种机加工艺特征树及其构建方法，将机加工艺设计过程中产生的加工特征、注释特征等信息通过工序节点进行组织，并将工艺设计信息以属性的方式记录在工序节点当中，从而实现了基于模型的机加工艺信息表达。
发明内容
针对以上问题，本发明提出了一种机加工艺特征树及其构建方法，将机加工艺设计信息存储在模型当中，并与几何信息紧密关联，实现了基于模型的工艺信息表达。
本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的：一种机加工艺特征树，假设一个零件的加工工序数为n，毛坯模型包含的特征数为M0，第i道工序所要加工的加工特征数及标注特征数之和为Mi，那么，机加工艺特征树是由N个节点组成的有穷集合D以及D上的关系集合R构成的有序树，记为IPM，IPM的根节点IPMn∈D，IPMn仅包含一个分支节点IPMn-1，以及Mn个叶节点，其中分支节点IPMn-1是根节点的第一个节点，并且分支节点本身又构成一颗机加工艺特征树，Mn个叶节点中的加工特征按照加工顺序从左到右依次排列。
进一步的，机加工艺特征树具有以下特点：
(1)机加工艺特征树是一颗有序树；
(2)一个机加工艺特征树由N个节点组成；
(3)假设工序数为n，那么机加工艺特征树的深度为n+2；
(4)除了最底层外，机加工艺特征树的每一层有且仅有一个分支节点，其余为叶子结点；
(5)第i个工序模型节点的度为Mi+1；
(6)第i个工序对应机加工艺特征树的第n-i+2层，并且该层节点数为Mi+1；
(7)除了第一层及最底层之外，第i层的节点数为Mn-i+2+1。
进一步的，机加工艺特征树以工序为主线，反映了零件的加工过程，即从机加工艺特征树的最底层开始，在毛坯模型上面，切除若干个加工特征，并进行工序尺寸的标注，形成一个新的工序模型，然后再在此工序模型的基础上，切除若干个加工特征，并进行尺寸的标注，从而形成一个新的工序模型，直到最后一道工序为止，最后形成的工序模型即设计模型。
进一步的，机加工艺特征树反映特征的加工顺序，首先，是不同层次间特征的加工顺序，底层的加工特征先于顶层的加工特征加工；其次是同一层次上特征的加工顺序，左侧节点的加工特征先于右侧节点的加工特征加工。
进一步的，工艺设计信息通过属性的方式保存到模型当中，如工序信息保存到工序节点的属性中，包括工序号、工序名称、设备、工装信息。。
本发明还提供了一种如上述任一项方案所述的机加工艺特征树的构建方法，包含以下几个步骤：
(1)毛坯模型设计
根据设计模型，确定零件的毛坯模型；
(2)工序模型定义
定义一个空的工序模型组件节点，并完善工序属性信息，包括工序号、工序名称、机床、工装，然后将毛坯模型或上一道工序的工序模型添加到新建的工序模型组件节点下面；
(3)加工特征定义与尺寸标注
在新建的工序模型组件节点下，定义本道工序所要加工的加工特征，并进行工序尺寸公差的标注；
(4)工艺设计信息输出
当所有工序模型定义完成之后，从模型当中提取出零件的工艺信息，生成结构化的工艺信息，并将工艺信息、工序模型以及轻量化工序模型保存到产品数据管理系统当中，车间通过工艺信息浏览器查看详细的工艺设计结果。
进一步的，所述步骤(1)中，对于简单的零件，其毛坯模型通过获得零件的最大包络尺寸来生成，对于复杂的零部件，通过对零件设计模型进行修改而获得。
进一步的，所述步骤(2)中，工序模型节点的定义是一个递归定义，每道工序模型都包含前一道工序模型和本道工序的加工特征和标注特征。
进一步的，所述步骤(3)中，加工特征根据实际采用的加工方法映射出其建摸特征，加工特征的草图特征通过对设计模型或上一道工序的工序模型的几何元素进行投影或投影偏移后获得，特征的建模参数与设计模型保持关联。
本发明相比现有技术具有以下优点：
1、通过机加工艺特征树，实现了基于模型的机加工艺信息表达，将机加工艺设计过程中的尺寸、几何公差、表面结构等标注信息和工艺设计信息都定义到模型当中，并与几何信息相关联。
2、在传统的三维工艺设计过程中，工艺设计和工序模型生成是串行的两个独立的过程。通过机加工艺特征树的构建，将使工艺设计过程以工序模型构建为核心，工艺设计过程融入到工序模型的构建过程中，而且工艺设计信息直接保存到工序模型当中。
3、避免了三维设计模型到二维工程图转换的“不增值”环节，提高了模型的投产效率，降低了成本，缩短了产品的研制周期；通过产生的工序模型来快速设计工装模型，并对工装的合理性和可行性进行验证，提高了工艺设计和工装设计的并行性；现场操作人员不仅能够看到工艺信息，而且能够看到零件加工的中间工序模型，提高了工艺设计的可指导性。
附图说明
图1是基于模型的设计信息表达原理示意图；
图2是本发明机加工艺特征树的原理图；
图3是本发明机加工艺特征树的构建方法流程图；
图4是本发明机加工艺特征树的工序模型的递归定义示意图；
图5是本发明实施例中的压板机结构示意图；
图6是本发明实施例中压板机装配工艺结构树建立示意图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
本发明提出了一种机加工艺特征树及其构建方法。
机加工艺特征树以加工工序为基本单位，通过工序对特征(包括加工特征和标注特征)进行重新组织而形成的一个能够反映加工过程和特征加工顺序的特征树。为了便于对机加工艺特征树进行表示与存储，本文通过图论中的树对其进行描述，如图2所示。
假设一个零件的加工工序数为n，毛坯模型包含的特征(包含加工特征和标注特征)数为M0，第i道工序所要加工的加工特征数和标注特征之和为Mi。
那么机加工艺特征树的定义如下：
机加工艺特征树是一颗有序树，是由N个节点组成的有穷集合(不妨用D来表示这个集合)以及D上的关系集合R构成，记为IPM。IPM的根节点IPMn∈D，IPMn仅包含一个分支节点IPMn-1，以及Mn个叶节点。其中分支节点IPMn-1是根节点的第一个节点，并且分支节点本身又构成一颗机加工艺特征树。Mn个叶节点中的加工特征按照加工顺序从左到右依次排列。
机加工艺特征树的定义是一个递归定义，因为它的分支节点也是机加工艺特征树。
机加工艺特征树除了具备树的一般特点外，还具有以下特点：
(1)机加工艺特征树是一颗有序树；
(2)一个机加工艺特征树由N个节点组成；
(3)假设工序数为n，那么机加工艺特征树的深度为n+2；
(4)除了最底层外，机加工艺特征树的每一层有且仅有一个分支节点，其余为叶子结点；
(5)第i个工序模型节点的度为Mi+1；
(6)第i个工序对应机加工艺特征树的第n-i+2层，并且该层节点数为Mi+1；
(7)除了第一层及最底层之外，第i层的节点数为Mn-i+2+1。
机加工艺特征树以工序为主线，反映了零件的加工过程，即从机加工艺特征树的最底层开始，在毛坯模型上面，切除若干个加工特征，并进行工序尺寸的标注，形成一个新的工序模型。然后再在此工序模型的基础上，切除若干个加工特征，并进行尺寸的标注，从而形成一个新的工序模型，直到最后一道工序为止，最后形成的工序模型即设计模型。
机加工艺特征树能够反映特征的加工顺序。首先，是不同层次间特征的加工顺序，底层的加工特征先于顶层的加工特征加工；其次是同一层次上特征的加工顺序，左侧节点的加工特征先于右侧节点的加工特征加工。
机加工艺特征树建立之后，工艺设计信息便可以通过属性的方式保存到模型当中。如工序信息可以保存到工序节点的属性中，包括工序号、工序名称、设备、工装等信息。
所述机加工艺特征树构建方法如图3所示，包含以下几个步骤：
(1)毛坯模型设计
根据设计模型，确定零件的毛坯模型，对于简单的零件，其毛坯模型可以通过获得零件的最大包络尺寸来生成。对于复杂的零部件，通过对零件设计模型进行修改而获得。
(2)工序模型定义
定义一个空的工序模型组件节点，并完善工序属性信息，包括工序号、工序名称、机床、工装等，然后将毛坯模型或上一道工序的工序模型添加到新建的工序模型组件节点下面。工序模型的定义是一个递归定义，每道工序模型都包含前一道工序模型和本道工序的加工特征和标注特征，如图4所示。
(3)加工特征定义与尺寸标注
在新建的工序模型组件节点下，定义本道工序所要加工的加工特征。加工特征根据实际采用的加工方法映射出其建摸特征，加工特征的草图特征通过对设计模型或上一道工序的工序模型的几何元素进行投影或投影偏移后获得，特征的建模参数应与设计模型保持关联，如拉伸特征，应拉伸到设计模型的某一个面。草图特征和建模参数都与设计模型保持关联，从而当设计模型发生变更时，各工序模型能实现关联变更。加工特征定义完毕之后，进行工序尺寸公差的标注。
(4)工艺设计信息输出
当所有工序模型定义完成之后，从模型当中提取出零件的工艺信息，生成结构化的工艺信息，并将工艺信息、工序模型以及轻量化工序模型保存到产品数据管理系统当中，车间通过工艺信息浏览器查看详细的工艺设计结果。
本发明以如图5所示某压板机加工艺为例，对机加工艺特征树的建立过程进行说明。表1所示为某压板的机加工艺过程。
表1某压板机加工艺
请参阅图6，机加工艺特征树的构建过程是从第一道工序10开始，创建毛坯模型，记为Blank；然后创建20工序的工序模型节点，将毛坯模型复制到新建的工序模型节点下面，记为IPA1，并在该工序模型节点下面创建本道工序的加工特征并标注。以此类推，直到最后一道工序为止。为便于理解，将机加工艺特征树转化为右侧的表现形式。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种机加工艺特征树，其特征在于，假设一个零件的加工工序数为n，毛坯模型包含的特征数为M0，第i道工序所要加工的加工特征数及标注特征数之和为Mi，机加工艺特征树是由N个节点组成的有穷集合D以及D上的关系集合R构成的有序树，记为IPM，IPM的根节点IPMn∈D，IPMn仅包含一个分支节点IPMn-1，以及Mn个叶节点，其中分支节点IPMn-1是根节点的第一个节点，并且分支节点本身又构成一颗机加工艺特征树，Mn个叶节点中的加工特征按照加工顺序从左到右依次排列。
2.如权利要求1所述的机加工艺特征树，其特征在于，机加工艺特征树具有以下特点：
(1)机加工艺特征树是一颗有序树；
(2)一个机加工艺特征树由N个节点组成；
(3)假设工序数为n，那么机加工艺特征树的深度为n+2；
(4)除了最底层外，机加工艺特征树的每一层有且仅有一个分支节点，其余为叶子结点；
(5)第i个工序模型节点的度为Mi+1；
(6)第i个工序对应机加工艺特征树的第n-i+2层，并且该层节点数为Mi+1；
(7)除了第一层及最底层之外，第i层的节点数为Mn-i+2+1。
3.如权利要求1所述的机加工艺特征树，其特征在于，机加工艺特征树以工序为主线，反映了零件的加工过程，即从机加工艺特征树的最底层开始，在毛坯模型上面，切除若干个加工特征，并进行工序尺寸的标注，形成一个新的工序模型，然后再在此工序模型的基础上，切除若干个加工特征，并进行尺寸的标注，从而形成一个新的工序模型，直到最后一道工序为止，最后形成的工序模型即设计模型。
4.如权利要求3所述的机加工艺特征树，其特征在于，机加工艺特征树反映特征的加工顺序，首先，是不同层次间特征的加工顺序，底层的加工特征先于顶层的加工特征加工；其次是同一层次上特征的加工顺序，左侧节点的加工特征先于右侧节点的加工特征加工。
5.如权利要求1所述的机加工艺特征树，其特征在于，工艺设计信息通过属性的方式保存到模型当中。
6.一种如权利要求1至5任一项所述的机加工艺特征树的构建方法，其特征在于：包含以下几个步骤：
(1)毛坯模型设计
根据设计模型，确定零件的毛坯模型；
(2)工序模型定义
定义一个空的工序模型组件节点，并完善工序属性信息，包括工序号、工序名称、机床、工装，然后将毛坯模型或上一道工序的工序模型添加到新建的工序模型组件节点下面；
(3)加工特征定义与尺寸标注
在新建的工序模型组件节点下，定义本道工序所要加工的加工特征，并进行工序尺寸公差的标注；
(4)工艺设计信息输出
当所有工序模型定义完成之后，从模型当中提取出零件的工艺信息，生成结构化的工艺信息，并将工艺信息、工序模型以及轻量化工序模型保存到产品数据管理系统当中，车间通过工艺信息浏览器查看详细的工艺设计结果。
7.如权利要求6所述的机加工艺特征树的构建方法，其特征在于：所述步骤(1)中，对于简单的零件，其毛坯模型通过获得零件的最大包络尺寸来生成，对于复杂的零部件，通过对零件设计模型进行修改而获得。
8.如权利要求6所述的机加工艺特征树的构建方法，其特征在于：所述步骤(2)中，工序模型节点的定义是一个递归定义，每道工序模型都包含前一道工序模型和本道工序的加工特征和标注特征。
9.如权利要求6所述的机加工艺特征树的构建方法，其特征在于：所述步骤(3)中，加工特征根据实际采用的加工方法映射出其建摸特征，加工特征的草图特征通过对设计模型或上一道工序的工序模型的几何元素进行投影或投影偏移后获得，特征的建模参数与设计模型保持关联。
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