基于過渡特征和特征邊界的工序幾何模型建立

基于過渡特征和特征邊界的工序幾何模型建立

0工序幾何建模過渡特征識別正確的加工過程模型是實現(xiàn)加工過程和控制魚類測量的關(guān)鍵。提前預(yù)測和控制加工質(zhì)量，可以在實際加工活動中發(fā)揮主導(dǎo)作用。加工工序模型由工序幾何模型、工裝模型和工藝標(biāo)注組成,其中工序幾何模型是加工工序模型的基礎(chǔ)。加工特征的邊界模型提取是工序幾何建模的基礎(chǔ),如果能夠準(zhǔn)確提取加工特征邊界模型中包含的加工特征邊界,便能建立準(zhǔn)確的工序幾何模型。但在產(chǎn)品設(shè)計時為了滿足安全性、實用性、可加工性和美觀性等要求,通常會用圓角取代加工特征邊界,例如為了避免在零件的臺和肩等轉(zhuǎn)折處因應(yīng)力集中而產(chǎn)生裂紋,常用圓角取代尖邊,由于圓角對應(yīng)尖邊的加工特征邊界不能被有效提取,在工序幾何建模過程中需要必要的尺寸補償才能建立準(zhǔn)確的工序幾何模型。上述圓角便是過渡面,過渡面通過一定的規(guī)則形成過渡特征。目前,與過渡特征相關(guān)的研究工作主要集中在過渡特征的識別和抑制方面?，F(xiàn)有文獻中提到的過渡特征識別方法主要分為兩種:①根據(jù)幾何特征識別出過渡面,再通過一定規(guī)則識別出過渡特征;②建立三維模型的面邊圖,從圖的角度對過渡特征進行識別。過渡特征的抑制包括刪除過渡面,并根據(jù)模型結(jié)構(gòu)變化重建三維模型,主要方法有邊界修改法和體重構(gòu)法。上述過渡特征抑制方法主要面向三維模型的重構(gòu),而工序幾何建模過程只需要提取加工特征邊界,由此提出應(yīng)用過渡特征簡化的工序幾何建模方法。該方法的主要特點是在不改變設(shè)計模型的前提下生成真實的加工特征邊界,在工序幾何建模過程中利用該加工特征邊界,從而為工序幾何模型的準(zhǔn)確建立奠定基礎(chǔ)。1過渡屬性簡化方法1.1工序幾何模型過渡特征簡化是指在工序幾何建模過程中,通過對工序涉及的加工特征中的過渡特征進行處理,在不改變該過渡特征的基礎(chǔ)上生成表征該過渡特征的幾何元素。圖1所示為設(shè)計模型和第m-1道工序的工序幾何模型的組合體。假設(shè)第m道工序第j工步加工IJKK′J′I′表面,使其與設(shè)計表面EFF′E′之間的余量為α,與設(shè)計表面CDD′C′之間的余量為β。K點坐標(biāo)為(x1,y1),D點坐標(biāo)為(x2,y2),E點坐標(biāo)為(x3,y3),過渡特征DEE′D′的半徑為r。為了建立工序幾何模型,需求得第m道工序切除的第j個加工體積特征Fmj,幾何元素的提取策略有如下兩種:(1)在工序幾何模型上提取KK′,在設(shè)計模型上提取DD′,求得Fmj=f((x1,y1),(x2+β,y2-r+α))。(2)在工序幾何模型上提取KK′,在設(shè)計模型上提取EE′,求得Fmj=f((x1,y1),(x3-r+β,y3+α))。雖然現(xiàn)有方法可以得到Fmj,從而建立工序幾何模型,但是需要利用過渡特征的半徑r,容易出現(xiàn)人為的遺漏或錯誤。如果能夠提取加工特征邊界E0E′0,則求得Fmj的公式便能簡化為Fmj=f((x1,y1),(x2,y3))。1.2基本總結(jié)為敘述方便,本節(jié)列出與過渡特征簡化有關(guān)的基本概念。(1)過渡區(qū)指在建模過程中,通過過渡操作產(chǎn)生的光滑曲面。(2)邊境轉(zhuǎn)換點指通過過渡操作產(chǎn)生的用于代替尖邊的過渡面。(3)點轉(zhuǎn)換表面指兩個或兩個以上邊過渡面相交形成的、用于代替尖邊交點的過渡面。(4)過渡區(qū)的支持區(qū)指通過過渡面上的光滑邊與過渡面鄰接的非過渡面。(5)過渡區(qū)的結(jié)束區(qū)指通過過渡面上的尖邊與過渡面鄰接的非過渡面。(6)過渡功能指過渡面和與其相互鄰接的面組成的具有一定加工特征意義的表面區(qū)域。(7)過渡特征線封閉指過渡特征支持面經(jīng)過延展相交形成的曲線。如果過渡特征線Ψ封閉,則Ψ就是過渡特征簡化后表示真實加工特征邊界的曲線;如果Ψ不封閉,則Ψ就是表示加工特征邊界線方向的曲線。(8)過渡函數(shù)段指用終止面剪切不封閉的Ψ形成的、表示真實加工特征邊界的曲線線段。1.3過渡特征片段重建原則過渡特征簡化方法包括過渡特征識別和過渡特征簡化兩部分?，F(xiàn)有的過渡特征識別方法大致相同,而過渡特征簡化有別于過渡特征抑制,因此過渡特征簡化是本文研究的重點。過渡特征簡化的主要目的是實現(xiàn)過渡面對應(yīng)的過渡特征線段的重建。過渡包括邊過渡和點過渡兩類,過渡特征常出現(xiàn)邊過渡和點過渡同時存在的現(xiàn)象。因為過渡特征中常出現(xiàn)支持面丟失、褪化過渡等情況,對邊過渡的簡化有一定影響,所以通過構(gòu)建虛擬支持面來實現(xiàn)。從點過渡拓撲邊界的變化來看,不管拓撲邊界如何復(fù)雜,其周圍支持面上與其相關(guān)的邊的延長線總交于一點?；谠撛瓌t,對點過渡的簡化,主要通過延長與其相鄰的邊過渡對應(yīng)的過渡特征線段至相交實現(xiàn)。實現(xiàn)過渡特征簡化是工序幾何建模的基礎(chǔ),因此在工序幾何建模過程中將主要應(yīng)用過渡特征簡化生成的能夠真實反映加工特征的邊界模型。2終止平面剪切過渡特征線非封閉的結(jié)合,其主要分為3個層次的線過渡特征簡化的目的是獲取能夠表達加工特征邊界的過渡特征線段ψ。過渡特征線段ψ可以分為兩種形式:①由一條首尾相連的三維曲線形成的封閉曲線,它與過渡特征線Ψ相同;②非封閉的直線或曲線,由終止平面剪切過渡特征線Ψ形成。根據(jù)點過渡面和邊過渡面的定義和特性,過渡特征線段的重建算法遵循以下原則:①只有點過渡面、沒有邊過渡面的情況不存在;②邊過渡面與邊過渡面鄰接的情況下必然有支持面丟失;③通過光滑邊與過渡面鄰接的是過渡面或支持面;④通過尖邊與過渡面鄰接的是終止面。過渡特征線段的重建過程由主算法、虛擬支持面構(gòu)造算法和復(fù)合過渡簡化算法組成。(1)執(zhí)行復(fù)合過渡算法主算法的具體步驟如下:步驟1在圖2a所示的初始模型中選擇需要進行簡化的邊過渡面。步驟2如果該邊過渡面的支持面丟失,則執(zhí)行虛擬支持面構(gòu)造算法;如果該邊過渡面的支持面完整,則執(zhí)行步驟3。步驟3將該邊過渡面對應(yīng)的支持面延展至相交,形成的交線為過渡特征線Ψ,如圖2b所示。步驟4如果Ψ為封閉曲線,則ψ=Ψ,執(zhí)行步驟7;如果Ψ為非封閉的直線或曲線,則執(zhí)行步驟5。步驟5如果與該邊過渡面鄰接的面中有點過渡面,則執(zhí)行復(fù)合過渡簡化算法;如果與該邊過渡面鄰接的面中無過渡面,則執(zhí)行步驟6。步驟6用終止面的延展面截取過渡特征線Ψ,形成過渡特征線段ψ:φ(x,y,z),如圖2c所示。步驟7返回步驟1,如此循環(huán),得出所有過渡特征線段。(2)虛擬支持面的面法佐虛擬支持面構(gòu)造算法的具體步驟如下:步驟1選取該邊過渡面上用于構(gòu)造虛擬支持面的基準(zhǔn)邊界,如圖3a中的邊e1和e2。步驟2如圖3b所示,根據(jù)過渡面在邊e上任一點的面法矢即為過渡面在邊e的支持面的面法矢,且該法矢必過過渡面對應(yīng)滾動球的球心,確定出虛擬支持面的面法矢n。步驟3如圖3c所示,利用虛擬支持面的基準(zhǔn)邊界e和面法矢n構(gòu)造丟失的支持面,返回主算法。(3)所有邊過渡面的生成復(fù)合過渡簡化算法的具體步驟如下:步驟1獲取與該邊過渡面鄰接的所有點過渡面。步驟2獲取與上述點過渡面鄰接的所有邊過渡面,如圖4a所示。步驟3對所有邊過渡面執(zhí)行主算法中的步驟2和步驟3,獲得所有過渡特征線Ψ。結(jié)合點過渡面的定義可知,所有Ψ相交于一點,如圖4b所示。步驟4將該點作為初始選擇的邊過渡面對應(yīng)的過渡特征線段的端點,返回主算法。3工序幾何建模利用過渡特征簡化方法實現(xiàn)加工特征邊界的重建后,在工序幾何建模過程中利用該邊界,便可以建立準(zhǔn)確的工序幾何模型。工序幾何模型表達了工序加工后的模型狀態(tài),順序方式工序的幾何建模過程基于布爾差運算,公式如下:IPM1=Ms?IPMi=IPMi?1?∑j=0SiFij?i=2,3,?,n?1。(1)ΙΡΜ1=Μs?ΙΡΜi=ΙΡΜi-1-∑j=0SiFij?i=2,3,?,n-1。(1)式中:IPM為工序幾何模型,Ms為毛坯模型。建模的重點是求出第i道工序的第j個體積特征Fij。不同的加工方法對應(yīng)的加工體積特征的成型方式不同,如圖5所示。下面分別討論三種成型方式中加工體積特征的構(gòu)成因素,以及應(yīng)用過渡特征簡化完成工序幾何建模的過程。(1)加工特征邊界提取采用旋轉(zhuǎn)成型的主要是軸類零件的車削和磨削工序的體積特征。如圖6所示,設(shè)置加工的軸線方向為X軸,徑向方向為Y軸。選擇過渡特征面St,通過上述過渡特征簡化方法獲取對應(yīng)的過渡特征線段ψ。通過提取ψ設(shè)置加工余量,創(chuàng)建加工體積特征F,F=f(ψ,φ,Ma,Mr)。(2)式中:ψ:ψ(y,z)=0表示設(shè)計模型上選取的加工特征邊界;φ:φ(y,z)=0表示毛坯模型上選取的邊界;Ma表示軸向加工余量;Mr表示徑向加工余量。(2)加工特征邊界創(chuàng)建拉伸成型主要用于建立平面磨削、鉆削、刨削和不帶彎曲的凹槽類零件的銑削工序形成的體積特征。如圖6所示,設(shè)置刀具的軸線方向為z軸。選擇過渡特征面St,通過上述過渡特征簡化方法獲取對應(yīng)的過渡特征線段ψ。通過選取加工特征邊界設(shè)置加工余量,創(chuàng)建加工體積特征F,F=f(ψ,F1,F2,Ms)。(3)式中:ψ:ψ(x,y)=0表示設(shè)計模型上選取的加工特征邊界;F1:f(x,y,z1)=0表示加工特征的上邊界面;F2:f(x,y,z2)=0表示加工特征的下邊界面;z1和z2為常數(shù);Ms表示沿加工特征邊界的加工余量。(3)加工特征邊界生成帶有彎曲的凹槽類零件加工的銑削工序體積特征主要采用掃掠成型的方式。如圖6所示,設(shè)置刀具軸線方向為z軸,選擇過渡特征面St,通過上述過渡特征簡化方法獲取對應(yīng)的過渡特征線段ψ(z)。通過選取加工特征邊界設(shè)置加工余量,創(chuàng)建加工體積特征F,F=f(P,r,Mt)。(4)式中:P:P(x,y,z)=0表示選中的需要掃掠的型面,即加工特征邊界;r:r(x,y)=0表示P掃掠時需要遵循的路徑;Mt表示加工特征底部的加工余量。求得加工體積特征后,依據(jù)式(1)求出加工后的工序幾何模型IPM2,IPM2=Ms-F。4過渡特征建模本文基于VC++平臺,利用Delmia提供的開放的基于構(gòu)件的應(yīng)用編程接口(ComponentApplicationArchitecture,CAA),實現(xiàn)利用過渡特征簡化生成加工特征邊界的算法。在DelmiaDPMMachiningProcessPlanner模塊中調(diào)用該算法實現(xiàn)帶有過渡特征的工序幾何建模。如圖7所示,選用軸類零件進行工序幾何建模,工序1和工序2為粗加工,工序2粗車特征A,軸向余量和徑向余量為1mm,工序幾何建模過程如圖7a所示。通過過渡特征簡化生產(chǎn)特征邊界c,如圖7b所示。通過三種不同特征邊界的提取方式創(chuàng)建出三種不同尺寸的IPM2,如圖7c所示。表1展示了圖7中涉及的尺寸,結(jié)合設(shè)計尺寸和加工余量可知,IPM2的軸向目標(biāo)尺寸為8mm,徑向目標(biāo)尺寸為?9mm。提取特征邊界a和b作為加工特征邊界,由此帶來的誤差(0.5mm)來源于過渡特征的半徑(0.5mm)。提取經(jīng)過過渡特征簡化生成的特征邊界c作為加工特征邊界,創(chuàng)建的IPM2滿足設(shè)計要求。通過過渡特征簡化生成的加工特征邊界,對快速