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第 48 卷第 8 期 2012 年 4 月 机 械 工 程 学 报 JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING Vol.48 No.8 Apr.2012 DOI：10.3901/JME.2012.08.060 铸件毛坯模型生成方法研究*常智勇 卫海峰 杨建新 姚 都 赵 杰(西北工业大学现代设计与集成制造技术教育部重点实验室 西安 710072)摘要：设计模型向制造模型的转换是实现 CAD/CAPP/CAM 集成的关键技术，而依据设计模型生成毛坯模型是其中关键环节，提出一种针对先铸造后机加零件的铸造毛坯模型生成方法。根据制造要求对模型表面进行分类；构造改进的扩展邻接属性图进行简单特征识别，依据铸造方法、铸件材质以及生产批量构造可铸造性判定算法，进行简单特征过滤；通过构造最小包络辅助面，并引入人工干预机加面分类机制，实现对包含非正交的表面加工边界面的零件模型的体加工特征包络，最终生成铸造毛坯模型。实例分析验证了算法的有效性与正确性。关键词：铸造毛坯 扩展属性邻接图 非正交边界 最小包络辅助面 中图分类号：TP391 Generation of Casting Model for Cast-then-machined Parts CHANG Zhiyong WEI Haifeng YANG Jianxin YAO Du ZHAO Jie (The Key Laboratory of Contemporary Design and Integrated Manufacturing Technology of Ministry of Education,Northwestern Polytechnical University,Xian 710072)Abstract：The transformation from part design model to manufacturing model is the key technique to realize the integration of CAD/CAPP/CAM,and the key factor is the transformation from design model to blank model.A method of generating casting model for cast-then-machined part is proposed.The methodology is composed of classifying the part surfaces according to manufacturing requirements,constructing an improved extended attributed adjacency graphs(EAAG)to recognize simple features,filtering the castable simple features,enveloping the volumetric machining features containing nonnormal surfaces by means of constructing minimal enveloped auxiliary planes.An example is demonstrated to verify the validity and the effectiveness of the method.Key words：Casting model Extended attributed adjacency graphs Nonnormal surface Minimal enveloped auxiliary plane 0 前言1 典型的机械零件的制造过程是由一系列连续的加工步骤组成的。在进行计算机辅助工艺规划过程中，需要进行制造特征识别，而零件毛坯的形态与制造特征识别密切相关，以往的研究大都假设零件都是从规则毛坯经过加工而成的1-2。但对于现实的机加零件来说，其毛坯形状分为两大类，一类为圆形棒料、方形棒料等原材料，另一大类为预先处理过的毛坯，如铸造毛坯、锻造毛坯或者焊接毛坯，称之为预成形毛坯。对于机加零件，其毛坯形状与零件形状之间密切相关，且毛坯形状对于机加特征 *工信部中国民用航空高级研究计划(20102013)和西北工业大学研究生创业种子基金(Z2011082)资助项目。20110712 收到初稿，20120121 收到修改稿 与机加过程的工艺规划有着决定性的影响。制造企业对于 CAD、CAPP、CAM 无缝、高效集成的需求越来越迫切。为了实现这一需求，就必须在 CAD 与 CAPP 之间搭建一个智能的接口。由于 CAPP 希望采用制造特征来描述零件，而 CAD则采用设计特征对零件进行描述。而目前尚未有商业化的 3C 集成系统的重要原因之一就是设计特征向制造特征的转换尚未解决。而设计模型向毛坯 模型的转换则是设计模型向制造模型转换的关键 步骤3。张凤军4提出以特征识别与知识推理为基础，以零件的包围盒或凸壳为初始毛坯，对初始毛坯进行逐步细化迭代求解的策略来生成零件的毛坯模型；ZHOU 等5将毛坯生成与特征提取以及机加工艺规划相结合，将机加余量向制造特征进行补偿来月 2012 年 4 月 常智勇等：铸件毛坯模型生成方法研究 61 生成零件的毛坯模型；杨英昌等6-7提出了模型递增转换的思想，解决了涡轮叶片由零件模型向铸造模型的转换，该方法主要应用于涡轮叶片精铸模型的设计；郭良刚等8提出了针对环件径轴向轧制时的毛坯设计方法；KIM 等9提出了采用半空间思想来包络体加工特征进而生成零件毛坯模型的思想，该方法中对简单特征的过滤并没有与具体的毛坯生成工艺相结合。本文提出了一种毛坯模型的生成方法，将毛坯的生成与铸造工艺相结合，涵盖了零件模型中简单特征的识别，简单特征可铸造性判断，不可铸简单特征过滤，给出了非正交的表面加工边界面的最小包络辅助面的生成，以该辅助面为基准，对体加工特征进行包络，最终生成零件的毛坯模型。1 算法概述 本文在进行零件铸造毛坯模型自动生成时，其算法流程如图 1 所示。图 1 毛坯自动生成算法流程 模型信息的预处理主要完成零件表面的识别与分类，为后续的简单特征的识别与零件毛坯模型的生成做准备；简单特征识别采用子图匹配的方式；在识别出零件模型中的简单特征后，对简单特征进行可铸造性判断，在这里，可铸造性指零件模型中的简单特征可否由铸造直接获得，把不可铸的简单特征过滤掉，获得一个过滤后的零件模型，对过滤后的零件模型进行毛坯的生成，这时的模型中往往会存在非正交的表面加工边界面，对非正交的表面加工边界面求解其最小包络辅助面，由该辅助面来包络体加工特征，进而生成零件的毛坯模型。2 铸件零件毛坯模型的生成 2.1 零件模型信息的预处理 模型信息的预处理完成零件模型表面的分类，其分类依据为零件表面的表面质量信息以及表面间关联边的凹凸性。在本文中零件表面被分为三类，其定义如下所述。铸造面：指零件模型中没有标注制造公差 与表面粗糙度等技术要求的表面，可由铸造直接 获得。表面加工边界面：指零件模型中标注制造公差与表面粗糙度等技术要求，且该表面与其他表面的关联边均为凸的表面。的加工方案是先铸造，再进行表面等厚度余量去除机加。体特征加工面：指零件模型中有公差与表面粗糙度等技术要求，且该表面与其他表面的关联边不全为凸的表面。这类表面需要进行体积去除加工来形成。在随后进行的简单特征匹配识别过程中，为了防止孔特征的遗漏，需要将零件模型中的孔特征的表面指定为非铸造面。2.2 简单特征的识别 本文应用扩展的图匹配的思想进行简单特征识别。JOSHI 等10-11提出了属性面邻接图(Attributed adjacency graphs，AAG)的思想，GAO 等12将这一思 想 发 展 为 扩 展 的 属 性 面 邻 接 图(Extended attributed adjacency graphs，EAAG)，董雁等13在研究装配结构时，也提出了零件属性集的思想，以存储更多的模型信息。本文中，在零件模型的属性面邻接图中引入了圆柱面的外法向信息，解决盲孔与柱特征的识别问题。采用子图匹配的方式，识别零件模型中的简单特征，其算法流程如下所述。(1)建立零件模型的 EAAG。(2)通过删除零件模型扩展属性邻接图中代表铸造面的节点以及代表该表面与其他表面关联边的圆弧，将零件模型的 EAAG 分解为若干独立的加工面邻接图(Manufacturing faces adjacency graphs,MFAG)。(3)删除 MFAG 中属性为凸的弧，将加工面邻接 图 进 一 步分 解 为凹 邻 接 图(Caved adjacency graphs,CAG)。(4)将 CAG 与简单特征的库特征进行匹配，就可识别出零件模型中的简单特征，记为 VS(P)。以图 2 所示的零件模型为例说明上述算法。铸后加工面为何不能是直接铸造出的凹陷+加工余量呢？机 械 工 程 学 报 第 48 卷第 8 期期 62 图 2 一个简单的零件模型 首先建立该零件的 EAAG，如图 3 所示，与简单特征识别有关的各表面的属性信息如下表所示。图 3 图 2 所示零件模型的 EAAG 表 邻接图的扩展属性 表面 表面类型 圆柱面外法向是否 指向其中心轴 f2 f3 f4 f5 f6 f7 P P P C P C 是 否 注：P 为平面，C 为圆柱面。图 2 中 f1、f9、f10、f11、f12为铸造面，对属性邻接图进行图分解可依次获得 MFAG 与 CAG，如图 4所示。图4b所示的CAG中，f2-f3、f4-f7与 f5-f6的EAAG虽然相同，但与采用扩展属性邻接图表示的简单特征的库特征相匹配后，可识别出其分别为台阶、圆柱和盲孔。2.3 零件模型中简单特征的可铸造性判断 零件模型中的简单特征，部分可以由铸造直接获得，部分则需要由后续的机加工艺来生成，因此需要对简单特征做可铸造性分析。在本文中，特征 图 4 MFAG 和 CAG 的可铸造性被分为拓扑可铸造性与工艺可铸造性，特征的可铸造性分析也需要顺次地经历拓扑可铸造性分析与工艺可铸造性分析，只有同时满足拓扑可铸造性与工艺可铸造性的特征，才具有可铸造性。简单特征的拓扑可铸性判断的基本原则如下：孤立的简单特征可铸；与其他简单特征相关联的简单特征，其可铸性依赖于其相关联的简单特征的可铸性；与交叉特征关联的简单特征不 可铸。简单特征的工艺可铸造性与铸造方法、铸件材质以及生产批量等有关。如熔模铸造，一般的凸台以及直径大于 1.5 mm 的小孔可以直接铸出，压力铸造的最小可铸孔径则为 0.7 mm，而普通砂型铸造的最小可铸孔径则比较大，且随着材质、生产批量、孔深以及孔壁厚度的变化有较大的变化范围。在本文中，简单特征被记为 Sf。简单特征的拓扑可铸造性判断流程如下。(1)获取所有与某简单特征 Sf(i)相关联的表面集 S=f1，f2，f3，；如果 S 中没有一个表面 fi是体特征加工面，则该特征具备拓扑可铸造性，算法结束；否则，转入步骤(2)。(2)若 fi被包含在一个交叉特征中，则 Sf(i)不具备拓扑可铸造性；若 fi被包含在另一简单特征 Sf(j)中，则转至步骤(1)判断简单特征 Sf(j)的拓扑可铸造性，若 Sf(j)可铸，则 Sf(i)可铸，若 Sf(j)不可铸，则Sf(i)不可铸。对具备拓扑可铸造性的特征再进行工艺可铸造性分析，其判断算法如下：提取 Sf(i)的尺寸参数，根据特定的铸造工艺、材质和生产批量信息等确定简单特征最小可铸尺寸，如果 Sf(i)实际尺寸小于最小可铸尺寸，该 Sf(i)不具备工艺可铸造性；反之则具备工艺可铸造性。怎么识别的？这是人为定义的判别准则，即将拓扑上较复杂的特征视为不可铸月 2012 年 4 月 常智勇等：铸件毛坯模型生成方法研究 63 对于具备可铸造性的简单特征，需要获取 Sf(i)各个表面的质量要求。如果 Sf(i)各表面均无公差与表面粗糙度等要求，其表面质量可由铸造工艺保证，Sf(i)可以直接由铸造获得；如果 S f(i)的表面有公差和表面粗糙度等质量要求，可以给特征面增加一个机加余量，然后进行铸造。如图 5 所示，孔 1 的关联表面无体特征加工面，具备拓扑可铸造性，设其尺寸参数具备工艺可铸造性，可由铸造直接获得；孔 2 与孔 3 的关联表面中均有体特征加工面，与孔 2 关联的体特征加工面被包含在交叉特征中，由此孔 2 不可铸；与孔 3 关联的体特征加工面包含在简单特征台阶中，则其拓扑可铸造性依赖于台阶的拓扑可铸造性，经判断，台阶拓扑可铸，则孔 3 拓扑可铸，设该孔与台阶均满足工艺可铸造性，则孔 3 与台阶均可以直接由铸造获得。图 5 可铸造性示例 零件模型中可铸的简单特征记为()CSVP，则不可铸的简单特则可表达为()()CSSVPVP，过滤掉不可铸的简单特征后的零件模型记为 F(P)，有 ()()()CSSF PPVPVP 2.4 铸造毛坯模型的生成 KIM 等9提出的半空间思想可以较好地解决常规零件的毛坯生成，但其对零件模型中存在非正交的表面加工边界面的情况考虑不足，生成的毛坯模型会出现失效或失败的情况，如图 6 所示。图 6 失效实例 本文认为，对于包含非正交的表面加工边界面，首先应判断其与体加工特征的相交情况，根据相交性生成非正交的表面加工边界面的最小包络辅助面，并用该辅助面来包络体加工特征，从而生成零件的毛坯模型。2.4.1 非正交面与体特征加工面的相交性判断 首先求解非正的表面加工边界面所在曲面与零件模型中体特征加工面的相交情况。如图 7 所示，如果非正交面 fi所在曲面与体特征加工面相交，将 fi记为第一类非正交面；如果非正交面 fi所在曲面与体特征加工面不相交，且 fi与其关联的体特征加工面 fj间构成的二面角为锐角，将 fi记为第二类非正交面；若 fi与其关联的体特征加工面 fj间构成的二面角为钝角，将 fi记为第三类非正交面。图 7 非正交面分类 第一类与第二类非正交面 fi，不能用 fi直接去包络体加工特征，需要构造一个辅助面(Assistance face,AF)代替 fi去参与体加工特征的求解。而第三类非正交面则可以直接用来包络体加工特征。2.4.2 求解非正交面的最小包络辅助面 将非正交面 fi与其相关联的体特征加工面 fj间的关联边记为 lij。对于第一类非正交面 fi，其将空间分为两部分，在 fi外法向所指的半空间内搜索与 lij平行的体特征加工面边界线的集合 Si=lS1，lS2，lS3，；过 lij与 Si中每条边界线 lSj构建平面集合 S=Si1，Si2，Si3，；该集合中与体特征加工面不相交且半空间包络的体加工特征最小的表面即为所求的最小包络辅助面 fiaf。第二类非正交面 fi其辅助面 AF，是过 lij且与表 机 械 工 程 学 报 第 48 卷第 8 期期 64 面 fj相互垂直的表面。2.4.3 零件体加工特征的包络 对于第一类与第二类非正交面，采用其最小包络辅助面进行体加工特征的包络，而第三类非正交面可直接进行体加工特征的包络。求得体加工特征记为 D(P)，最终的毛坯模型记为 W(P)，且()()()W PF PD P=如图 8a 所示的零件模型，非正交面 f12所在的曲面与体特征加工面 f4相交，如图 8b 中虚线所示，f12为第一类非正交面。在 f12外法向方向上与 l11,12平行的体特征加工面边界线包括f1与f2的关联边l1,2以及 f3与 f4的关联边 l3,4。分别过 l1,2和 l3,4与 l11,12构建两个平面，其中过 l3,4与 l11,12构建的平面不与 图 8 铸造毛坯模型的生成 体特征加工面相交且包络的体加工特征最小，为所求的 f12的最小辅助加工面12aff，如图 8c 所示。随后可获得体特征加工面集合 F=f2，f3，f4，f5，f6，f7，f8，f9，f10，f11，以及相应的边界面集合 B=f1，f13，f15，12aff，由体特征加工面集合的半空间与相应的边界面集合的半空间求交，即可获得相应的体加工特征与零件的铸造毛坯模型，如图 8d 所示。2.4.4 毛坯模型生成中的人工干预 算法自动生成的零件毛坯模型未必是最佳的毛坯模型，在这种情况下，可以加入人工干预，一方面可以优化最终生成的零件毛坯模型，另一方面，体现了用户对最终生成的零件毛坯模型的控制，使之能生成使用者所期望的毛坯模型。在本文中，人工干预方式体现在用户对零件模型表面的显示指定，比如明确地指定某些表面为表面加工边界面。3 算法实例 对于如图 9 所示的零件模型，采用本文的算法对其进行铸造毛坯模型的自动生成。图 9 零件模型(1)对该零件模型进行预处理，预处理结果见图 10，在该零件模型中，用括号表示铸造面，用斜体字表示表面加工边界面，其余为体特征加工面。(2)建立该零件的扩展属性邻接图，并对其扩展属性邻接图进行图分解，依次生成其加工面邻接图与凹邻接图，分别如图 11、12 所示；将凹邻接图与简单特征的库特征进行匹配，可识别出 f9与 f10构成一盲孔，f18与 f19构成一盲孔，f14、f15、f16、f17构成一开口槽，如图 13 所示。(3)该领零件模型的简单特征中，两个盲孔的关联表面为包含体特征加工面，其中与盲孔 1 关联 月 2012 年 4 月 常智勇等：铸件毛坯模型生成方法研究 65 图 10 零件模型信息的预处理 图 11 MFAG 图 12 CAG 图 13 识别出的简单特征 的体特征加工面被包含在交叉特征中，于是盲孔 1不可铸；与盲孔 2 相关联的体特征加工面被包含在简单特征开口槽中，其可铸性依赖于开口槽的可铸性，而开口槽的关联表面无体特征加工面，于是开口槽可铸，由此盲孔 2 也可铸。将不可铸的简 单特征过滤掉，得到了过滤后的零件模型，如图 14 所示。(4)铸造毛坯模型的生成。零件模型中，f12为非正交面，与体特征加工面 f2相交，如图 15 中虚 图 14 过滤掉不可铸简单特征后的零件模型 线所示；过 f1与 f2的关联边 l1,2与 f12与 f11的关联边l11,12可获得 f12的最小包络辅助面12aff如图 16 所示；最后由体特征加工面集合 F=f2，f3，f4，f5，f6，f7，f8，f11，与其相应的边界面集合 B=f22，f23，12aff进行半空间包络体加工特征，得出最后的零件铸造毛坯模型如图 17 所示。图 15 非正交面 图 16 最小包络辅助面 图 17 零件的毛坯模型(5)人工干预对毛坯模型的影响。若使用者显示指定 f11为表面加工边界面，则体特征加工面集合F=f3，f4，f5，f6，f7，f8，与其相应的边界面集合 机 械 工 程 学 报 第 48 卷第 8 期期 66 B=f2，f11，f21，f23，由集合 F 与 B 进行半空间包络，最后得出的零件模型如图 18 所示。图 18 人工干预后的毛坯模型 图 17 与图 18 所示最终的零件毛坯模型的差异显示了人工干预的影响，由于人工干预的存在，可以使得生成的毛坯模型在形式上更加多样，满足用户对最终毛坯模型的控制，也可以使生成的毛坯模型更加有效，即实体更小。4 结论 本文提出的铸造毛坯模型生成方法具有如下特点。(1)可以有效识别零件模型中的简单特征，解决了传统基于邻接图算法不能区别盲孔和凸圆台的缺点。(2)在特征过滤前进行可铸性判断，增强了方法的实用性。(3)引入最小包络辅助面，解决了半空间毛坯生成方法不能处理非正交面的缺陷。实例分析说明了方法的有效性，但由于零件模型有着复杂性与多样性的特点，而铸造工艺设计又是一个强经验、弱理论的创新过程，有着十分复杂的过程。因此，铸造毛坯自动生成算法还有诸多问题需要解决，如圆角、拔模斜度、分型面、分型面的自动生成、工艺芯头的设计等，这也是作者后续的研究方向。参 考 文 献 1 SHAH J,NAU D S，MANTYLA M.Advances in feature based manufacturingM.Amsterdam：Elsevier，1994.2 PARIENT F，KIM Y S.Incremental and localized update of convex decomposition used for form feature recognitionJ.Computer-Aided Design，1996，28(8)：589-602.3 王宗彦，吴淑芳，秦慧斌.零件的设计模型向毛坯模型转换技术研究J.计算机集成制造系统，2004，10(6)：620-624.WANG Zongyan，WU Shufang，QIN Huibin.Transformation technology from part design model to blank modelJ.Computer Integrated Manufacturing Systems，2004，10(6)：620-624.4 张凤军.具有健壮性的加工特征识别系统研究及其应用D.杭州：浙江大学，2002.ZHANG Fengjun.Research and application of machining features recognition with robustnessD.Hangzhou：Zhejiang University，2002.5 ZHOU Xionghui，QIU Yanjie，HUANG Guangru，et al.A feasible approach to the integration of CAD and CAPPJ.Computer-Aided Design，2007，39：324-338.6 杨英昌.涡轮工作叶片精铸模型递增转换应用研究D.西安：西北工业大学，2006.YANG Yingchang.Research and application of model conversion for turbine bladeD.Xian：Northwestern Polytechnical University，2006.7 刘晓辉.涡轮导向叶片精铸模型递增转换应用研究D.西安：西北工业大学，2006.LIU Xiaohui.Application and research of model-conversion for turbine guide bladeD.Xian：Northwestern Polytechnical University，2006.8 郭良刚，杨合，金坚城.环件径轴向轧制毛坯尺寸设计方法J.机械工程学报，2010，46(24)：1-9.GUO Lianggang，YANG He，JIN Jiancheng.Design method of blank sizes for radial-axial ring rollingJ.Journal of Mechanical Engineering，2010，46(24)：1-9.9 KIM Y S，WANG E.Recognition of machining features for cast then machined partsJ.Computer-Aided Design，2002，34：71-87.10 JOSHI S，CHANG T C.Graph-based heuristics for recognition of machined features from a 3D solid model.Computer-Aided Design，1988，20(2)：58-66.11 高曙明.自动特征识别技术综述J.计算机学报，1998，21(3)：271-288.GAO Shuming.A survey of automatic feature recognitionJ.Chinese J.Computers，1998，21(3)：271-288.12 GAO S，SHAH J J.Automatic recognition of interacting machining features based on minimal condition subgraphJ.Computer-Aided Design，1998，30(9)：727-739.13 董雁，徐静.基于装配结果相似性的零件三维模型检索方法J.机械工程学报，2009，45(4)：273-280.DONG Yan，XU Jing.Part 3D model retrieval method based on assembly structure similarityJ.Journal of Mechanical Engineering，2009，45(4)：273-280.作者简介：常智勇，男，1971 年出生，博士，副教授，硕士研究生导师。主要研究方向为网络 CAD、CAGD、数字化制造等。E-mail：changzy 卫海峰：男，1986 年出生。主要研究方向为制造信息化技术。E-mail：
