基于过渡特征和特征边界的工序几何模型建立

基于过渡特征和特征边界的工序几何模型建立

0工序几何建模过渡特征识别正确的加工过程模型是实现加工过程和控制鱼类测量的关键。提前预测和控制加工质量，可以在实际加工活动中发挥主导作用。加工工序模型由工序几何模型、工装模型和工艺标注组成,其中工序几何模型是加工工序模型的基础。加工特征的边界模型提取是工序几何建模的基础,如果能够准确提取加工特征边界模型中包含的加工特征边界,便能建立准确的工序几何模型。但在产品设计时为了满足安全性、实用性、可加工性和美观性等要求,通常会用圆角取代加工特征边界,例如为了避免在零件的台和肩等转折处因应力集中而产生裂纹,常用圆角取代尖边,由于圆角对应尖边的加工特征边界不能被有效提取,在工序几何建模过程中需要必要的尺寸补偿才能建立准确的工序几何模型。上述圆角便是过渡面,过渡面通过一定的规则形成过渡特征。目前,与过渡特征相关的研究工作主要集中在过渡特征的识别和抑制方面。现有文献中提到的过渡特征识别方法主要分为两种:①根据几何特征识别出过渡面,再通过一定规则识别出过渡特征;②建立三维模型的面边图,从图的角度对过渡特征进行识别。过渡特征的抑制包括删除过渡面,并根据模型结构变化重建三维模型,主要方法有边界修改法和体重构法。上述过渡特征抑制方法主要面向三维模型的重构,而工序几何建模过程只需要提取加工特征边界,由此提出应用过渡特征简化的工序几何建模方法。该方法的主要特点是在不改变设计模型的前提下生成真实的加工特征边界,在工序几何建模过程中利用该加工特征边界,从而为工序几何模型的准确建立奠定基础。1过渡属性简化方法1.1工序几何模型过渡特征简化是指在工序几何建模过程中,通过对工序涉及的加工特征中的过渡特征进行处理,在不改变该过渡特征的基础上生成表征该过渡特征的几何元素。图1所示为设计模型和第m-1道工序的工序几何模型的组合体。假设第m道工序第j工步加工IJKK′J′I′表面,使其与设计表面EFF′E′之间的余量为α,与设计表面CDD′C′之间的余量为β。K点坐标为(x1,y1),D点坐标为(x2,y2),E点坐标为(x3,y3),过渡特征DEE′D′的半径为r。为了建立工序几何模型,需求得第m道工序切除的第j个加工体积特征Fmj,几何元素的提取策略有如下两种:(1)在工序几何模型上提取KK′,在设计模型上提取DD′,求得Fmj=f((x1,y1),(x2+β,y2-r+α))。(2)在工序几何模型上提取KK′,在设计模型上提取EE′,求得Fmj=f((x1,y1),(x3-r+β,y3+α))。虽然现有方法可以得到Fmj,从而建立工序几何模型,但是需要利用过渡特征的半径r,容易出现人为的遗漏或错误。如果能够提取加工特征边界E0E′0,则求得Fmj的公式便能简化为Fmj=f((x1,y1),(x2,y3))。1.2基本总结为叙述方便,本节列出与过渡特征简化有关的基本概念。(1)过渡区指在建模过程中,通过过渡操作产生的光滑曲面。(2)边境转换点指通过过渡操作产生的用于代替尖边的过渡面。(3)点转换表面指两个或两个以上边过渡面相交形成的、用于代替尖边交点的过渡面。(4)过渡区的支持区指通过过渡面上的光滑边与过渡面邻接的非过渡面。(5)过渡区的结束区指通过过渡面上的尖边与过渡面邻接的非过渡面。(6)过渡功能指过渡面和与其相互邻接的面组成的具有一定加工特征意义的表面区域。(7)过渡特征线封闭指过渡特征支持面经过延展相交形成的曲线。如果过渡特征线Ψ封闭,则Ψ就是过渡特征简化后表示真实加工特征边界的曲线;如果Ψ不封闭,则Ψ就是表示加工特征边界线方向的曲线。(8)过渡函数段指用终止面剪切不封闭的Ψ形成的、表示真实加工特征边界的曲线线段。1.3过渡特征片段重建原则过渡特征简化方法包括过渡特征识别和过渡特征简化两部分。现有的过渡特征识别方法大致相同,而过渡特征简化有别于过渡特征抑制,因此过渡特征简化是本文研究的重点。过渡特征简化的主要目的是实现过渡面对应的过渡特征线段的重建。过渡包括边过渡和点过渡两类,过渡特征常出现边过渡和点过渡同时存在的现象。因为过渡特征中常出现支持面丢失、褪化过渡等情况,对边过渡的简化有一定影响,所以通过构建虚拟支持面来实现。从点过渡拓扑边界的变化来看,不管拓扑边界如何复杂,其周围支持面上与其相关的边的延长线总交于一点。基于该原则,对点过渡的简化,主要通过延长与其相邻的边过渡对应的过渡特征线段至相交实现。实现过渡特征简化是工序几何建模的基础,因此在工序几何建模过程中将主要应用过渡特征简化生成的能够真实反映加工特征的边界模型。2终止平面剪切过渡特征线非封闭的结合,其主要分为3个层次的线过渡特征简化的目的是获取能够表达加工特征边界的过渡特征线段ψ。过渡特征线段ψ可以分为两种形式:①由一条首尾相连的三维曲线形成的封闭曲线,它与过渡特征线Ψ相同;②非封闭的直线或曲线,由终止平面剪切过渡特征线Ψ形成。根据点过渡面和边过渡面的定义和特性,过渡特征线段的重建算法遵循以下原则:①只有点过渡面、没有边过渡面的情况不存在;②边过渡面与边过渡面邻接的情况下必然有支持面丢失;③通过光滑边与过渡面邻接的是过渡面或支持面;④通过尖边与过渡面邻接的是终止面。过渡特征线段的重建过程由主算法、虚拟支持面构造算法和复合过渡简化算法组成。(1)执行复合过渡算法主算法的具体步骤如下:步骤1在图2a所示的初始模型中选择需要进行简化的边过渡面。步骤2如果该边过渡面的支持面丢失,则执行虚拟支持面构造算法;如果该边过渡面的支持面完整,则执行步骤3。步骤3将该边过渡面对应的支持面延展至相交,形成的交线为过渡特征线Ψ,如图2b所示。步骤4如果Ψ为封闭曲线,则ψ=Ψ,执行步骤7;如果Ψ为非封闭的直线或曲线,则执行步骤5。步骤5如果与该边过渡面邻接的面中有点过渡面,则执行复合过渡简化算法;如果与该边过渡面邻接的面中无过渡面,则执行步骤6。步骤6用终止面的延展面截取过渡特征线Ψ,形成过渡特征线段ψ:φ(x,y,z),如图2c所示。步骤7返回步骤1,如此循环,得出所有过渡特征线段。(2)虚拟支持面的面法佐虚拟支持面构造算法的具体步骤如下:步骤1选取该边过渡面上用于构造虚拟支持面的基准边界,如图3a中的边e1和e2。步骤2如图3b所示,根据过渡面在边e上任一点的面法矢即为过渡面在边e的支持面的面法矢,且该法矢必过过渡面对应滚动球的球心,确定出虚拟支持面的面法矢n。步骤3如图3c所示,利用虚拟支持面的基准边界e和面法矢n构造丢失的支持面,返回主算法。(3)所有边过渡面的生成复合过渡简化算法的具体步骤如下:步骤1获取与该边过渡面邻接的所有点过渡面。步骤2获取与上述点过渡面邻接的所有边过渡面,如图4a所示。步骤3对所有边过渡面执行主算法中的步骤2和步骤3,获得所有过渡特征线Ψ。结合点过渡面的定义可知,所有Ψ相交于一点,如图4b所示。步骤4将该点作为初始选择的边过渡面对应的过渡特征线段的端点,返回主算法。3工序几何建模利用过渡特征简化方法实现加工特征边界的重建后,在工序几何建模过程中利用该边界,便可以建立准确的工序几何模型。工序几何模型表达了工序加工后的模型状态,顺序方式工序的几何建模过程基于布尔差运算,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为工序几何模型,Ms为毛坯模型。建模的重点是求出第i道工序的第j个体积特征Fij。不同的加工方法对应的加工体积特征的成型方式不同,如图5所示。下面分别讨论三种成型方式中加工体积特征的构成因素,以及应用过渡特征简化完成工序几何建模的过程。(1)加工特征边界提取采用旋转成型的主要是轴类零件的车削和磨削工序的体积特征。如图6所示,设置加工的轴线方向为X轴,径向方向为Y轴。选择过渡特征面St,通过上述过渡特征简化方法获取对应的过渡特征线段ψ。通过提取ψ设置加工余量,创建加工体积特征F,F=f(ψ,φ,Ma,Mr)。(2)式中:ψ:ψ(y,z)=0表示设计模型上选取的加工特征边界;φ:φ(y,z)=0表示毛坯模型上选取的边界;Ma表示轴向加工余量;Mr表示径向加工余量。(2)加工特征边界创建拉伸成型主要用于建立平面磨削、钻削、刨削和不带弯曲的凹槽类零件的铣削工序形成的体积特征。如图6所示,设置刀具的轴线方向为z轴。选择过渡特征面St,通过上述过渡特征简化方法获取对应的过渡特征线段ψ。通过选取加工特征边界设置加工余量,创建加工体积特征F,F=f(ψ,F1,F2,Ms)。(3)式中:ψ:ψ(x,y)=0表示设计模型上选取的加工特征边界;F1:f(x,y,z1)=0表示加工特征的上边界面;F2:f(x,y,z2)=0表示加工特征的下边界面;z1和z2为常数;Ms表示沿加工特征边界的加工余量。(3)加工特征边界生成带有弯曲的凹槽类零件加工的铣削工序体积特征主要采用扫掠成型的方式。如图6所示,设置刀具轴线方向为z轴,选择过渡特征面St,通过上述过渡特征简化方法获取对应的过渡特征线段ψ(z)。通过选取加工特征边界设置加工余量,创建加工体积特征F,F=f(P,r,Mt)。(4)式中:P:P(x,y,z)=0表示选中的需要扫掠的型面,即加工特征边界;r:r(x,y)=0表示P扫掠时需要遵循的路径;Mt表示加工特征底部的加工余量。求得加工体积特征后,依据式(1)求出加工后的工序几何模型IPM2,IPM2=Ms-F。4过渡特征建模本文基于VC++平台,利用Delmia提供的开放的基于构件的应用编程接口(ComponentApplicationArchitecture,CAA),实现利用过渡特征简化生成加工特征边界的算法。在DelmiaDPMMachiningProcessPlanner模块中调用该算法实现带有过渡特征的工序几何建模。如图7所示,选用轴类零件进行工序几何建模,工序1和工序2为粗加工,工序2粗车特征A,轴向余量和径向余量为1mm,工序几何建模过程如图7a所示。通过过渡特征简化生产特征边界c,如图7b所示。通过三种不同特征边界的提取方式创建出三种不同尺寸的IPM2,如图7c所示。表1展示了图7中涉及的尺寸,结合设计尺寸和加工余量可知,IPM2的轴向目标尺寸为8mm,径向目标尺寸为ϕ9mm。提取特征边界a和b作为加工特征边界,由此带来的误差(0.5mm)来源于过渡特征的半径(0.5mm)。提取经过过渡特征简化生成的特征边界c作为加工特征边界,创建的IPM2满足设计要求。通过过渡特征简化生成的加工特征边界,对快速