CN112035976A - 一种轴类机加工零件三维工序模型自动生成方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于计算机辅助工艺规划领域，特别是一种轴类机加工零件三维工序模型自动生成方法,它通过零件三维模型的分割和布尔运算等操作，将切削体直接分解为工序切削体，进而快速准确的生成轴类零件三维工序模型，以克服现有技术中分割与组合算法复杂，操作步骤繁琐，效率低下，准确度不高的问题。

Description

一种轴类机加工零件三维工序模型自动生成方法
技术领域
本发明属于计算机辅助工艺规划领域，特别是一种轴类机加工零件三维工序模型自动生成方法。
背景技术
在机械加工(简称“机加”)领域，三维CAD和CAM系统已经在工程中得到广泛应用，但与之相比，大多数CAPP系统仍然停留在二维图纸为主、三维模型为辅的情况，导致CAD与CAM信息脱节，成为制约三维CAD/CAPP/CAM集成的瓶颈。工序模型是每道加工工序完成后所形成的中间模型，能够反映零件几何结构的加工演变状态。以三维工序模型作为机加工艺信息载体，能够直观、高效地辅助工艺人员进行工艺规划和指导加工生产。因此，准确、快速的创建三维工序模型成为解决这一问题的关键。
体分解法以三维实体模型的分割和布尔运算为基础，通过毛坯模型与零件设计模型的布尔减运算，获取实际加工过程中将要切除掉的体积(称作“切削体”)，然后通过分割、组合等操作，将切削体分解成为能够映射加工特征的工序切削体(每道工序中切除的体积)，最终通过毛坯模型与工序切削体的依次布尔减运算，实现工序模型的生成。
现有的基于体分解的三维工序模型生成方法，分割面选择算法大多数忽略了设计模型中所蕴含的信息，只以切削体为研究对象，但完整的切削体中不含有任何加工信息，从而导致分割结果与模型相关性不强、甚至产生大量无意义的分割。并且现有方法分割产生的单元体在实际加工中不能给出合理的加工解释，需要后续通过布尔运算对其进行组合操作，才能获得工序切削体，然而组合结果的理想程度通常与算法复杂度成正比，对于较复杂特征的加工解释甚至出现“组合爆炸”的问题。另外，现有方法通用性不强，针对轴类零件目前没有准确、高效的方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种轴类机加工零件三维工序模型自动生成的方法，通过零件三维模型的分割和布尔运算等操作，将切削体直接分解为工序切削体，进而快速准确的生成轴类零件三维工序模型，以克服现有技术中分割与组合算法复杂，操作步骤繁琐，效率低下，准确度不高的问题。
为实现以上目标，本发明的技术方案是：一种轴类机加工零件三维工序模型自动生成方法，其特征是：
1)至少包括轴类零件三维设计特征模型，和该零件模型对应的毛坯模型；
2)通过对零件三维设计特征模型进行预处理，得到候选分割面序列和各主加工面的加工方法链；
3)将零件设计特征模型与毛坯模型进行布尔减运算，得到切削体；
4)通过映射分割操作，将切削体分割为工序切削体；
5)通过加工特征映射操作，将工序切削体映射为加工特征，再通过排序、布尔运算等操作，实现工序模型的生成。
所述的轴类零件三维设计特征模型包含该零件的三维设计模型、模型中的各设计特征和特征面的几何拓扑信息及表面加工质量要求等制造信息；毛坯模型可由用户直接提供，也可由系统通过建立包络体的方式自动生成；
所述的对零件设计特征模型进行预处理包含候选分割面序列的生成和各特征主加工面加工方法链的生成两部分。首先结合设计特征库，从零件模型中提取出各设计特征及特征组成面的几何拓扑和加工要求等信息；然后分别利用分割面、截止面选择规则和加工方法链生成规则，生成候选分割面序列和各特征主加工面的加工方法链；
所述的候选分割面序列是多个分割面-截止面对的有向序列。每个分割面-截止面对包含1个分割面以及0到多个截止面，分割面用来分割切削体，以模拟实际加工过程中的切削操作，截止面用来限定该分割面的分割范围。分割面-截止面对中的各面来自于设计特征面，从零件模型中逐个提取设计特征，根据该特征的类型、尺寸、拓扑关系等信息，按照分割面选取规则，生成该特征的分割面-截止面对。然后按规则将其排序，对于同一分割面对应多组截止面的情况，应将各组截止面的限定范围合并，即求出多个范围的并集，得到新的限定范围，并更新序列，最终得到候选分割面、截止面序列；
所述的加工方法链是根据特征主加工面的加工要求，为其选择合适的加工方法和加工顺序，得到的一组加工方法有向序列。主加工面指该特征在加工过程中首先要考虑成型的表面，以及整个零件的重要工作面和设计基准面等决定零件质量的表面。根据每个主加工面的形状、尺寸、拓扑关系和加工要求等信息，从加工方法链模板库中为其选择生成加工方法链；
所述的将零件设计特征模型与毛坯模型进行布尔减运算可在包括但不限于UG、Pro/E、CATIA、SolidWorks等三维实体建模软件中，通过布尔运算指令实现。得到的切削体即为实际加工中要切除的体积；
所述的通过映射分割操作，将切削体分割为工序切削体的过程包含分割面映射、去除无效分割面和依次分割等操作。首先将来自于设计模型的候选分割面序列中的所有面映射到切削体中，形成切削体中的分割面序列，即分割面映射；然后依次检测映射后的每个分割面在其截止面组所限定的分割范围内有没有产生有效分割，将没有产生分割的分割面从序列中去除，即得到切削体中的分割面序列；最后用其按序依次分割切削体，得到的各个实体即为工序切削体；
所述的加工特征映射操作，是将各工序切削体与加工工艺信息相关联，从而得到具有合理加工解释的工序切削体，即加工特征。具体操作如下：工序切削体的组成面包括毛坯面、特征接触面和分割截面三种，从各工序切削体的组成面中提取出特征接触面，并将其映射到零件模型中，如果特征接触面所对应的零件面为主加工面，则将此主加工面的加工方法链与该工序切削体匹配，实现加工特征的映射；
所述的工序模型生成，是指将各加工特征按照其映射关系中的主加工面的顺序进行排序，得到加工特征序列，然后将毛坯模型依次与序列中各加工特征所对应的工序切削体进行布尔减操作，实现工序模型的生成。
本发明的优点是：
(1)从设计特征面中选择出候选分割面，能有效利用设计模型中的信息，解决了分割操作与设计模型之间存在的信息断层问题；(2)截止面的设定，能够保证将切削体直接分割为工序切削体，减少了大量无意义的分割，从而避免了因分割粒度过小而产生大量无加工意义的单元体、以及对单元体的布尔组合操作，在降低算法复杂度的同时提升了准确度和效率；
(3)主加工面的设定，避免了对工艺规划过程无利用价值的次加工面产生的干扰，从而简化操作流程，提升效率；
(4)根据企业实际生产状况，预先建立加工方法链模板库，从而实现加工方法链的快速选择，在提升效率的同时，实现了工艺知识的固化，方便工艺知识的采集、利用及传播；
(5)将主加工面作为加工工艺信息传递的载体，进行工序切削体与加工特征的关联映射，降低加工特征映射时的匹配难度。
附图说明
下面结合实施例及附图对本发明实施过程进行说明：
图1是本发明一种轴类机加工零件实施例的三维工序模型自动生成方法流程说明图；
图2是实施例所采用的轴类零件模型图；
图3是零件模型预处理时提取的各设计特征和特征面示意图；
图4是候选分割面序列生成方法流程图；
图5是生成的候选分割面示意图；
图6是孔类设计特征内圆面的加工方法链模板；
图7是切削体生成过程示意图；
图8是映射分割操作的方法流程图；
图9是映射分割操作过程示意图；
图10是加工特征映射及工序模型生成的流程图；
图11是加工特征映射过程示意图；
图12最终生成的工序模型示意图。
附图标记说明：
f1～f4-圆柱特征，f5-通孔特征，f6-键槽特征，f7-退刀槽特征，f8～f12-倒角特征，s1～s22-各特征面，s1’～s22’-各切削体面，v1～v14-各工序切削体。
具体实施方式
如图1所示，一种轴类机加工零件三维工序模型自动生成方法，其特征是：
1)输入轴类零件三维设计特征模型，和该零件模型对应的毛坯模型；
2)通过对零件三维设计特征模型进行预处理，得到候选分割面序列和各主加工面的加工方法链；
3)将零件设计特征模型与毛坯模型进行布尔减运算，得到切削体；
4)对切削体执行映射分割操作，得到各工序切削体；
5)通过加工特征映射操作，将工序切削体映射为加工特征，再通过排序、布尔运算等操作，实现工序模型的生成。
图2为实施例中所采用的零件模型。根据图1所示，步骤1)以零件设计特征模型和毛坯模型作为输入，步骤2)结合设计特征库对零件模型进行预处理，根据分割面、截止面选取规则和加工方法链生成方法分别得到候选分割面序列和各主加工面的加工方法链；步骤3)通过毛坯模型与零件模型的布尔减运算得到切削体；步骤4)结合候选分割面、截止面序列，对切削体执行映射分割操作，生成工序切削体组；最后步骤5)将工序切削体和加工方法链映射为加工特征，并通过布尔运算得到工序模型。
图3是步骤2)中对零件设计特征模型进行预处理时，结合设计特征库提取出的各设计特征和特征组成面，其参数如表1所示：
表1：实施例零件模型各设计特征及参数表
Figure BDA0002659197570000071
表1：实施例零件模型各设计特征及参数表
Figure BDA0002659197570000081
图4所示为步骤2)中候选分割面序列生成方法流程图，流程从步骤100开始进入后依次执行步骤101，提取设计特征列表中的下一个设计特征；执行步骤102，设计特征是否为空(即是否所有设计特征都已经处理完毕)，不为空，转步骤103，为该设计特征生成分割面-截止面对，并存入分割面-截止面组；为空，则继续执行以下步骤：步骤104，对分割面-截止面组中存在的同一分割面对应多组截止面的情况执行合并去冗余操作；步骤105，对所有特征面进行排序，并按此顺序将候选分割面排序，生成候选分割面序列；步骤106，结束。
其中，轴类零件常用特征分割面、截止面选取规则如表2所示。最终生成的候选分割面如图5所示。这种实施方式能充分利用零件模型中的信息，同时以设计特征为对象进行分割面选取能够将设计特征对应的特征切削体从完整的切削体中分离出来，截止面的设置也能够保证分割时不破坏其它设计特征所对应的特征切削体。保证特征切削体的完整性是实现将切削体直接分解为工序切削体的必要条件。
表2：轴类零件常用特征分割面、截止面选取规则表
Figure BDA0002659197570000091
表2：轴类零件常用特征分割面、截止面选取规则表
Figure BDA0002659197570000101
图6所示是步骤2)中生成加工方法链时，以孔类设计特征内圆面为例，根据工艺知识和企业生产能力制定的加工方法链模板，多种特征面的加工方法链模板构成加工方法链模板库。表3所示为根据加工方法链模板为实施例零件生成的各特征主加工面加工方法链列表。
表3：实施例零件各特征主加工面的加工方法链列表
Figure BDA0002659197570000102
表3：实施例零件各特征主加工面的加工方法链列表
Figure BDA0002659197570000111
图7所示是步骤3)将毛坯模型与零件设计模型进行布尔减运算，得到切削体的过程。该操作可在三维实体建模软件中通过布尔运算指令实现。
图8所示为步骤4)映射分割操作的流程图，流程从步骤200开始进入后依次执行步骤201，将基于设计模型产生的候选分割面序列中的面映射到切削体中，形成切削体中的分割面序列；执行步骤202，提取分割面序列中的下一个分割面-截止面对；执行步骤203，分割面-截止面对是否为空，不为空，转步骤204，分割面-截止面对是否发生有效分割，否，则转至步骤205，从分割面序列中删除该分分割面-截止面对；然后执行转回步骤202，继续提取下一个分割面-截止面对；是，则跳过步骤205，直接转回步骤202；步骤203判断为空，则转至步骤206，用分割面序列中的分割面按序依次分割切削体，得到工序切削体组；执行步骤207，结束。
图9所示为步骤4)中图8流程的操作示意图，首先经过分割面映射，将设计模型中的候选分割面映射到切削体中；然后遍历检查切削体中的各分割面，去除其中的无效分割面，此步骤再一次减少分割面数量，从而减少分割次数，提高效率；最终按照分割面序列中的顺序，依次分割切削体，实现工序切削体组的生成。
图10所示为步骤5)加工特征映射及工序模型生成的流程图，流程从步骤300开始进入后依次执行步骤301，提取下一个工序切削体；执行步骤302，工序切削体是否为空，不为空，则依次执行下列步骤：步骤303，提取该工序切削体的下一个组成面；步骤304，该面是否为空为空，则转回步骤301，继续提取下一个工序切削体；不为空，则执行步骤305，该面为特征接触面且所对应的特征面是否为主加工面，是，则执行步骤306，将该主加工面的加工方法链与该工序切削体建立映射，形成加工特征；然后转回步骤303，继续提取该工序切削体的下一个组成面；否，则直接转回步骤303；步骤302若判断为空，则执行以下步骤：步骤307，按主加工面的顺序将加工特征排序；步骤308，将毛坯模型与各加工特征体按序依次进行布尔减运算，得到工序模型；步骤309，结束。
图11为步骤5)中图10流程中加工特征映射部分的操作过程示意图，采用图9分割结果中的工序切削体v2为例，首先遍历v2的组成面，从中提取出各特征接触面；然后在零件设计模型中找到各特征接触面的对应面，如果对应面为主加工面，则将该特征接触面与其对应的主加工面建立匹配关系；对于具有匹配关系的主加工面和特征接触面，将前者的加工方法链与后者所在的加工单元体建立映射，即实现加工特征映射。
上述实施过程通过将工序切削体面与加工方法链匹配，实现加工特征的生成；然后通过主加工面的匹配，实现加工特征的排序；最后通过布尔运算实现工序模型的生成。结果如图12所示。

Claims (10)

1.一种轴类机加工零件三维工序模型自动生成方法，其特征是：
1)输入轴类零件三维设计特征模型，和该零件模型对应的毛坯模型；
2)通过对零件三维设计特征模型进行预处理，得到候选分割面、截止面序列和各主加工面的加工方法链；
3)将零件设计特征模型与毛坯模型进行布尔减运算，得到切削体；
4)对切削体执行映射分割操作，得到各工序切削体；
5)通过加工特征映射操作，将工序切削体映射为加工特征，再通过排序、布尔运算等操作，实现工序模型的生成。
2.根据权利要求1所述的轴类机加工零件三维工序模型的生成方法，其特征是：所述的步骤1)轴类零件设计特征模型至少包含该零件的三维设计模型、模型中的各设计特征和特征面的几何拓扑信息及表面加工质量要求制造信息。
3.根据权利要求1所述的轴类机加工零件三维工序模型的生成方法，其特征是：所述的步骤2)对零件设计特征模型进行预处理至少包括：候选分割面-截止面序列的生成和各特征主加工面加工方法链的生成两部分：
首先结合设计特征库，从零件模型中提取出各设计特征及特征组成面的几何拓扑和加工要求信息；
然后分别利用分割面、截止面选择规则和加工方法链生成规则，生成候选分割面序列和各主加工面的加工方法链。
4.根据权利要求3所述的轴类机加工零件三维工序模型的生成方法，其特征是：所述的步骤2)候选分割面序列是多个分割面-截止面对的有向序列；
每个分割面-截止面对包含1个分割面以及0到多个截止面，分割面用来分割切削体，以模拟实际加工过程中的切削操作；截止面用来限定该分割面的分割范围；分割面-截止面对中的各面来自于设计特征面。
5.根据权利要求3所述的轴类机加工零件三维工序模型的生成方法，其特征是：所述的步骤2)候选分割面序列生成过程包括：
从步骤100开始进入后依次执行步骤101，提取设计特征列表中的下一个设计特征；执行步骤102，设计特征是否为空(即是否所有设计特征都已经处理完毕)，不为空，转步骤103，为该设计特征生成分割面-截止面对，并存入分割面-截止面组；为空，则继续执行以下步骤：步骤104，分割面-截止面组中存在的同一分割面对应多组截止面的情况执行合并去冗余操作；步骤105，对所有特征面进行排序，并按此顺序将候选分割面排序，生成候选分割面序列；步骤106，结束。
6.根据权利要求3所述的轴类机加工零件三维工序模型的生成方法，其特征是：所述的步骤2)加工方法链是根据特征主加工面的加工要求，为其选择合适的加工方法和加工顺序，得到的一组加工方法有向序列。主加工面指该特征在加工过程中首先要考虑成型的表面，以及作为整个零件的重要工作面和设计基准面决定零件质量的表面。
根据每个主加工面的形状、尺寸、拓扑关系和加工要求信息，从加工方法链模板库中为其选择生成加工方法链。
7.根据权利要求1所述的轴类机加工零件三维工序模型的生成方法，其特征是：所述的步骤3)将零件设计特征模型与毛坯模型进行布尔减运算可在包括但不限于UG、Pro/E、CATIA、SolidWorks三维实体建模软件中，通过布尔运算指令实现，得到的切削体即为实际加工中要切除的体积。
8.根据权利要求1所述的轴类机加工零件三维工序模型的生成方法，其特征是：所述的步骤4)对切削体执行映射分割操作包括如下步骤：
从步骤200开始进入后依次执行步骤201，将基于设计模型产生的候选分割面序列中的面映射到切削体中，形成切削体中的分割面序列；执行步骤202，提取分割面序列中的下一个分割面-截止面对；执行步骤203，分割面-截止面对是否为空，不为空，转步骤204，分割面-截止面对是否发生有效分割，否，则转至步骤205，从分割面序列中删除该分割面-截止面对；然后执行转回步骤202，继续提取下一个分割面-截止面对；是，则跳过步骤205，直接转回步骤202；步骤203判断为空，则转至步骤206，用分割面序列中的分割面按序依次分割切削体，得到工序切削体组；执行步骤207，结束。
9.根据权利要求1所述的轴类机加工零件三维工序模型的生成方法，其特征是：所述的步骤5)加工特征映射操作，是将各工序切削体与加工工艺信息相关联，从而得到具有合理加工解释的工序切削体，即加工特征。具体操作如下：工序切削体的组成面包括毛坯面、特征接触面和分割截面三种，从各工序切削体的组成面中提取出特征接触面，并将其映射到零件模型中，如果特征接触面所对应的零件面为主加工面，则将此主加工面的加工方法链与该工序切削体匹配，实现加工特征的映射。
10.根据权利要求1所述的轴类机加工零件三维工序模型的生成方法，其特征是：所述的步骤5)工序模型的生成过程包括：
从步骤300开始，进入后依次执行步骤301，提取下一个工序切削体；执行步骤302，工序切削体是否为空，不为空，则依次执行下列步骤：步骤303，提取该工序切削体的下一个组成面；步骤304，该面是否为空为空，则转回步骤301，继续提取下一个工序切削体；不为空，则执行步骤305，该面为特征接触面且所对应的特征面是否为主加工面，是，则执行步骤306，将该主加工面的加工方法链与该工序切削体建立映射，形成加工特征；然后转回步骤303，继续提取该工序切削体的下一个组成面；否，则直接转回步骤303；步骤302若判断为空，则执行以下步骤：步骤307，按主加工面的顺序将加工特征排序；步骤308，将毛坯模型与各加工特征体按序依次进行布尔减运算，得到工序模型；步骤309，结束。
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