铸造零件毛坯模型生成方法研究.pdf

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1、铸造零件毛坯模型 生成方法研究陈善国黄正 东“田韶鹏“1.重庆工商大学,机械与包装工程学院,重庆 F 2.华中科技大学,机械科学与工程学院,湖北武汉摘要机械零件分抽类、盘类 和箱体类,在制造过程中,箱体类零件由于其结构复杂、体积大、型腔与孔多等特点,在生产工艺中首先要安排铸造工序,以生成 零件的初始毛坯形状,再经过 多次机械加工形成最后的零件形状和达到功能要求。在零件设计阶段,设计者是按功能要求和结构属性进行设计的,形成的3D零件 模型是零件的最后形状 和功能结构,没有考虑生产工艺。在机械零件传统设计制造中,须铸造的零件要经技术人 员按 零件图重新设计 毛坯图,再制模铸造。现在零件模型3维C

2、AD设计技术已广泛推广,如何将设计好的零件模型利用计算机技术快速生成 毛坯模型是一 重要研究内容。本文在总结 了特征识别 与生成和设计特征转换为制造特征领城研究成果后,系统地提出了铸造零件毛坯模型设计的完整过程和系统结构,并提出以制造工艺知识和规则为工具对铸后加工面的 重构进行推 理,改变了其 他人员研究中由用户指定的方 法,提高了自动化程度,在毛坯模型重构方法部分详细介绍 了预定加工特征的滤出、铸后加工面的识别及其毛坯面的重构、交 叉特征的处理等关健技术及方法,并指出了该领城 存在的问题,提出了解决 方案。关健词毛坯模型特征识 别与生成设计 特征制造特征一、毛坯模型生成技术研究现状从日前的研

3、究情况看,国内外在这方面的研究热点主要集中在零件制造特征 的识别 与生成、设计特征到 制造特征的转换研究方面,并已取得了很 多成果;而在零件毛坯模型 的生成技术(方法)方面的研究很少,国外只有美国的E r ic.Wan梦和韩国的Yo ng.S e.K im对铸造件的加工特征识别进行了较深人的研究,国内目前只有华北 工学院在这一领域做了一些研究,其具体技术的研究对象仅局限在简单几何形状的零件上。在制造特征识别领域早期的研究通常只考虑零件的所有形状和功能结构完全从原材料开始经过多次机械加工而形成最终的零件的情况。而现实中许多机械零件是由铸件、焊件或锻件毛坯 加工 而成,而且毛坯的几何形状与生成方式

4、对制造过程规划有显著的影响。如箱体类零件,其铸造毛坯 的几何模型与零件的儿何模型密切相关,一个零件模型设计完成后,根据模型的非儿何信息,该零件哪些部分通过铸造,哪些部分采用机械加上或其他工艺完成就被确定下来,形状特征和加工特征都取决于最初的毛坯模型丁:。事实上,在产品设计至制造整个过程中,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。因此,如何合理地将零件设计模型转换 为毛坯模型是必须考虑的问题。特征识别 与生成技术为从零件设计模型得到毛坏模型提供了技术基 础。它表达的产品信息完备且含有丰富的语义信息,也是C A D/CAM集成的关键技术。从C A

5、 D模型识别特征的问题最.早可迫溯到基金 项 目:国家 自然科学基金项 日(50275060)。231198 0年KyP ri anou在剑桥大学的一个先期工作报告,在报告中提出了为开发 自动工艺过程规划系统而设想应用零件G T码描述,为了给出零件GT码描述而提出从片re P模型识别一些凹陷和拉伸特征 l。从那以后,关于解决特征识别问题的许多研究工作被广泛开展起来。目前,国内外许多研究单位和学者在进行这方面的研究。1 9 8 2年,Ar bab首次提出 了特征分解 造型,其主导思 想 是在毛坯上 应用 一 系列布尔减操作来生成零件;二。英国Cr an fi el d理工学院的Pr at t和

6、Wi ls on为cAM一l提出了一个按形状和构造特点对形状特征分类的模式;意大利热亚那 应用数学研究所 的Fa lc id ie n。等人提出了边界模型表示特征 对象的描述方法、特征识别方法,并开发了相应 的系 统;德国柏林技术大学的Be itz开发了基于特征的造型系统G E K O;D ou gl as等人研究了用凸多面体分解法进行加工特征儿何推理技术;Turn er等人研究了公差特征模型建立的问题;Ro y等人研究了尺寸及公差表示处理的问题;Ja rosl aw等人研究了特征编辑与夜询技术。严格地说,对处理多工序的 加工特征识别还 没有人尝试过。B oo thr oyd:4二等描述了一种

7、在工艺规划高层来选择材料和加工工 艺的方法,但范围仅局限在简单的零件。He rrma nn灭等研究了高层工艺规划设想,从虚拟企业 的 角度,对普通零件和电加工零件又一次用简单几何形状的零件,他们认为几何形状简.单的零件足够叮以反映处 理通 用零件的能力。Wang和K im川描述了一个用凸体分解 的特征识别方法,这个方法从固有的零件几何 信息中识别形状特征,它提供了支持多工序处理的 局部和全局几何关系。其他的早期研究较少。D eng和Wo zny通过扩展零件的相邻面从面特征 生成体特征 5。他们的方法只考虑对简单儿何形状零件的特征识别,不能用来处理须经多道工序加工的零件。Xu和Hindu ja结

8、合特征识别和工件的增量修补技术从工件的中间状态来识别粗加工特征,但 他们假想毛坯或初始工件是作为零件模型的附加输入来提供的,他们的方法也不能保证识别出的特征间的正确几何关系,而这种关 系对支持加工工艺规划 工作是 重要的幻。在特征识别研究领域,目前的热点已转向到特征识别技术在制造领域的应用研究上几2。二、毛坯模型重构方法在制造过程中,箱体类零件山于其结构复杂、体积大、型腔与孔多等特点,在生产工艺中首先要安排铸造工序,以生成零件的初始毛坏形状,再经过多次机械加工形成最后 的零件形状和达到功能要求。在零件设计阶段.设计者是按功能要求和结构属性进行设计的,形成的3D零件模型是零件的最后形状和功能结构

9、,没有考虑生产工艺。在机械零件传统设计制造中,须铸造的零件要经技术人员按零件图重新设计毛坯图,再制模铸造。现在零件模型3维CAD设计技术已广泛推广,研究如何将设计好的零件模型快速生成毛坯模型 是很 重要的。从零件模型到毛坯模型必须 经过一个设计特征识别与制造特征 生成的过 程,这个过程 是不 可逾越的,它是从零件模型生成毛坯模型的 系统的核心部分。毛坯模型的生成过程如图1所示。图l中的虚线部分是 不同CAD系统的零件模型设计过程,其余部分是生成毛坯模型的各个阶段示意。下面主要就从零件模型生成毛坯模型的几个关键技术进行介绍。(一)加工特征的分类从大量关于加工特征识别与生成的研究成果文献 中发现,

10、大家公认的加工特征分类是面加工特征和体加工特征。几乎在所有相关的文献中,面加工特征定义为厚度小、横截面积不变可通 过机械加工获得的平面:,典型地对应 到零件的一次加工能形成单个平面的表面如零件的上、下底平面和 圆孔面。体加工特征是指加 工时刀具要切人到毛坯 的铸造面或己经加工 过的表面1,并形成立体的切除体积,典型232零零件实休休休面特 征征模模型型型体特征征零零 件设计计特特汇模 州州滤滤后二零件件模模形形零零.1毛坏模型型图1毛坯模型 的 生成过程的休加工特征对应一次加 工能形成两个或两个以卜的加工 面。(二)预定义加工特征的滤出根据机械加工工艺学知识.我们可以预定义一些不需铸造出来而又

11、必 须通 过 加 工来形成的形状特征,在许多研究文献中也有这方面的成果,在这些成果中,许多采用基于图案的特 征识别与匹配算法来获得非交义特征(详细资料可参考文献3,【58.11【15),这一算法非常有效,能识别出所有的面加工特征,但是他们的算法中在生成滤后零件模型时没有考虑铸造工艺的要求,将所有孔(包含孔径大于5 0的孔)都通通滤掉,这是这种算法 的一大缺陷。为了解决这个问题,我们在这个算法 的基础卜考虑了铸造工艺要求,为简明 阐述,我们在这里仅考虑 孔 的情况,在铸造工艺上,为了制造方便,当铸件上的孔径小于表1的尺寸时一般不铸出。因此,我们可以将孔(包括螺纹孔)特征作为预定义加工特征库的一个

12、成员。例如包含孔特征的预定义加工特征集合可定义为:S d=(hole(D=30,manufa etu ring一s e ale=“large”,。a st一method=“SMC,);hole(10D一20,manufa etu ring一s e ale一“large,e a st一method 一“M MC”);hole(5D=10,manufa etu rin兮sc ale=“la rge”,e a st一method=“PMC,);hole(D!=50,manuf aeturing一、e ale=“single,ea、t一method=“SMC).衰1铸件.小孔径尺寸铸造方法成批生产单件

13、生产砂砚铸造金 属型铸造压力铸造及熔模铸造30102051 0预定义加工特征 的滤 出算法为:我们设预定义加工特征集合Sd fd l,fd Z,fd 3 一f dm,零件的特征集合Sp一fpl,fpZ,fP 3一f Pn,零件模型为P,那么预定义加 工特征的滤出就是从Sp中提取一个特征fpi(i一1,2,3,一,n)与S d中预定义加工特征fd j(jl,2,3,m)逐个进行匹配,若匹配成功,则将fpi添加到滤除特征集合Sv中,最后将零件模型与Sv进行 U布尔操作来获得滤 后零件模型L(P)。即Sv=Sp门S d;L(P)=PUSv。(三)铸后加工面 4 j的识别及其毛坯面的重构K im等4在

14、他们的研究中提 出 了铸后加工 面的识别与生成算法,这种方法对识别零件的面加工23 3特征效果很好,详细资料可参考文献【5、s 和13、【15。下 面简要介绍这一算法的过程:(1)从滤后零件模型I(P)中搜索有公差或表面粗糙度要求的面组成加工面集合M(P)。(2)对M(P)中的每个面Fk(k 一1,2,3.二k)进行凸性 检验,若这个面的所有关联 边是凸的,就自动标识为铸后 加工面;关于面的凸性详细算法见参考文献【1 5,图2中 的特征例子解释了面的凸性,图2面 的 凸性解释图中的节点表示面,节点之间的弧表示 边,弧卜的数字表示边 的凸性(1一边是凸边,O一边是凹边)。通过凸性检验,可识别出该

15、零件的铸后加工面有f o,fl,f,f】:,f,:,f,3,f,4,f,5。(3)重构铸后加工面对应的毛坯面。关于铸后加工 面对应的毛坯面的加工余量补偿在文献 中是由用户人工指定的,实际上,铸后加工面对应的毛坯 面的加工余量补偿有其科学合理的计算方 法,本文提出用基于制造知识的推理机制生成其毛坯面。其算法过程如 下:根据铸后加 工面的公差与粗糙度值范围,在系统的制造知识规则库中检索出对应的经济加工方法及 加工工序;根据铸后加 工 面的尺寸范 围及加工方法,在制造知识规则库中检索出每一工序的余盆 及余最公差,并将所有工序余金汇总S1+2+3.二;将铸后加工 面按原外法向方向提高S厚度,生成铸后加

16、工面 对应的毛坯面;重复以上3个步 骤,将所有铸后加工面重构为对应的 毛坯面,生成提升后零件模型R(P)。(四)交叉特征的处理滤后零件经过2.3的处理后,还保留有4卜 凸性加工面在L(P)上.非凸性加工面组成的形状一般呈凹陷或阶梯状,如图2中山九,九,f.,f s,人组成的形状和由介,介,为。组成的形状,在特征识别与生成研究领域,这种特征 被称为交叉特征。交叉特征识别有许多方法,广泛使用且效果较好的技术主要有三种:基于图形的分析方法、体积分解方法、基于启发方法r s 1,这些方法 的详细算法可参考文献5、7、8、llj15,本文不在累述。在机械加工中,交叉特征一般是经过体加 工操作来获得,体加

17、工从工件毛坯(铸件)切除部分体积,产生一个或多个体加工 面相交,在零件上就会产生凹陷,组成凹陷的面称为体加工面,这 些凹陷的特征包含一个或多个凹边义。我们可以利用半空间方法封闭具有公共边的体加工面来生成零件被移去的体特征,并将该体特征V o与零件模型R(P)进行U 布尔操作来获得进一步的零件毛坯模型。体特征(凹陷部分)的每一个加工 面构成一个半空间,如图3中的面7、8、9。其中7、8两 面其有一个公共的凹陷边,8、9两面具有一个公共的凹陷边,其有公共的凹陷边的两个半空间叮以合并形成一个234半空间。半空间的合并遵循如下原则:如果两个半空间沿凸起的关联边相交,则取它们的交集;如果两个半空间沿凹陷

18、的关联边 相交,则取它们的并集;如果两个半空间的边界表面不相交,并且半空间是分离的,则取它们的并集;其他情况取它们的交集。因此,合并的半空间可以表示为联结 的析取项,这里每一个联结是一个 或 多个一平空间的交叉。所有联结被合并而成 为一个联合半空间二4二。_,召东、Oa)零件例子b)体加工特征图3交叉特征在图3中,假设面5、6、10是铸后加工 面,面1、2、3、4是铸造面,面7、8、9是体加工 面。则山加工面形成的半空问H(F)=H(F7)UH(凡)UH(F,),山加工 面的边界 面形成的半空问H(G)=(H(G。)UH(Gl。)门(H(Gl)UH(炕),联合半空I b J 为H(F)UH(G

19、),联合半空间 所形成的体积就是体加工特征如图3.b所示。将所有交叉特征处理后的体加工特征与前面 的提升后零件模型R(P)进行U布尔操作,形 成毛坯模型。三、铸造零件毛坯模型设计系统结构根据以上分析,铸造零件毛坯模型设计系统结构是以3维CAD系统设计出的零件CAD模型为处理对象(系统的摘人),以CAD建模系统为基础,以特征识别与生成技术为核心,以制造知识规 则和制造资源数据库为支撑,其有独立的用户界面及文件管理系统。考虑 到今 后 与C AM/C APP应 用 系统的集成,在铸造零件毛坏模型设计系统中应该设 计有 与CAM/C A PP应用系统 的接!,为此在系统中设 计有加工特征输出文件管理

20、。完整的铸造零件毛坏模型设计系统结构如图4所示。用用户界面面面文们管理理特特征识别与生成成从从J几制造知识的推理理制制造 资源数据 库库库制造知 识规则库库图4铸造零件毛坯模型设计系统结构图23 5四、结论在制造特征识别与生成研究领域成果累累,许多算法已经通 过I以)标准零件的验证,技术上铸造零件从设计模型生成毛坯模型是完全能实现的,这个过程还可以实现自动化,只须少许的人工 干预。毛坯模型的 自动生成有助于C AD设计一体化,减少重复劳动,提高设计效率.节约设计成本;有助于实现3C集成。毛坯模型自动生成技术目前还有一些问题有待解决,如圆角、拔模斜度、分型面等的自动 处理还没有实现,在毛坯模型生

21、成过程 中形成的中间结果 即制造特征信息还没有统一的记录格式,加工特征 的几何信息 与4卜JL何信息的结构有待进一步研究,加工特征 与设11模型的自动关联技术需要研究,这是实现3C集成的关键。参考文献1吴淑芳,王宗彦.零件设计 模型向毛坯模型转 换技术研究【Jj.华北 工学院学报.200 4,2 5(2):1031052吴淑 芳,秦慧斌,杨金刚等.毛坯模型 的自动 形成技术研究J.机械管理开发.2004,(3):1 61 83HuangZhengDong,Yi介Hoi.H igh一level fe atu rere eognitio nusingfe aturerelationshiPgraP

22、hsJ.Computer-aided de sig、20 02,(34):5 615 824Y.S.Kim,E.Wan只.Re eognitionof ma ehiningfe ature、forc a、tthenma ehinedpart、J.Comput-er一aided de sign.20 02,(3 4):71一875JungHy一nHan,MikePratt,WillianC.Regli.Manufaeturingf eaturere eognitionfromsoIid models:A Statu sReportJ.IE E E Trans aerionsonRoboticsa

23、nd Automation.20 0 0,16(6):7 821966Yu卜MinC hen,ChiunC hengwen,C hengterTedHo.Extr aetio nofgc ometrieehara eteristie sformanufa etu rabilitya s s e s smentJj.Robotie sandComputerIntegratedManufa etu ring.20 03.(19):3713 857Y.Yang,H.T.Loh,J.Y.H.Fuh,ete.Fe atureextra etionandvolumede eompositio nforor

24、-thogon al layered manufa etu ringJ.Computer-aided de sign.20 03,(3 5):11191 1288W.D.Li,S.K.()ng,A.Y.C.Nee.Re eognizingmanufa eturingfeaturesfromade sign一b犷featuremodelJ.Computer-aided design.20 02,(34):84 9一8 6 89李克天,何汉武,陈洪军等.设计 域 到制造城的零件非几何形状特征映射 J j.机床与液压.20 02,(1):293 31 0张天兵,王 启付,钟毅 芳等.基于制造 过程的

25、产品建模研究【J.华中理工 大学学报.200 0,2 8(10):2 2241 1M.C.wu,C.R.Liu.Analysis()nma ehinedfe aturere eognitionte ehnique sBa s edon片r epJ.Compute卜aided de sign.1 9 9 6,2 8(8):6036 1612V.Sundarara jan,P.K.Wr ight.Volumetriefe atu rere eognitionforma ehin ingeomPo nentswithfre ef orm、u rfa e e、J.Computer-aided de s

26、ign.20 0 4,(3 6):1 1一2513J.Y.Le e,K.K im.Afeatu re-ba、edap proa ehtoextra。tingmaehiningfeaturesJ.Computer-ai-ded de sign.19 98,30(13):1019103514K.Jha,B.Gurumo orthy.Multiplefeatt,reinterpretationa eros sdomainsJ.Computersinindu s-try.2000,(42):13321 55.Gao,J.J.Shah.Automatiere eognitionofintera etingma ehiningfe atu re sba s edonminimal236eondition、ubgraphJj.Computer一Aided De、ign,19 98,30(9):727一7 3 91 6王 绍俊.机械制造工艺设计手册Mj.哈尔滨.哈尔滨工业大学出版社,1984作者简介陈善国,重庆工商大学机械与包装工程学 院副教 授、副院长,华 中科技 大学访问学者,主 要从事CAD/CAPP领域基础 应用研究。电话:023一627 6 9 5 6 9一709,13 3 9 9 8 1 8 8 7 8;E一mail:eh_shanguo126.eom。23 7