专利名称：切削加工工序中间实体生成方法
技术领域：
本发明涉及一种进行三维工艺设计中进行工序中间实体模型自动生成的方法，属于计算机集成制造技术领域。
背景技术：
采用切削加工的机械零件，零件的加工是从毛坯开始经历一系列的去除材料的切削加工工序完成的。按照加工工艺路线，零件的形状从毛坯开始到最终加工完成的整个过程中，将形成一系列的中间状态的形状，每个中间状态的零件具有规定的尺寸和公差要求。在三维工艺设计中，将零件从毛坯开始，按照去除材料的工艺路线，在各个工序后都形成一个处于工序加工完成状态零件三维模型，包括形状和尺寸公差的三维标注，定义为工序中间实体模型，如图I所示。工序中间实体模型对工序图、数控编程、加工变形分析、夹具设计等都具有重要的作用。 目前的零件三维模型设计中，采用的CAD系统都是建立在设计特征模型之上的。基于设计特征的模型的生成过程与实际的加工过程没有直接的对应关系。商用CAD软件都是采用对模型进行手工修改的方式，人工建立工序中间实体模型。这样的方式效率低，模型的正确性难以保证。对于采用数控加工的零件，CAM软件一般可以按照NC程序完成对零件加工过程的仿真，同时形成工序中间实体模型。但是，采用NC仿真程序生成的中间实体模型一般难以保留和输出，无法作为工序设计依据用以生成三维工序简图并进行工序设计中的一些分析。在该领域的研究中，目前一般都是结合制造特征的识别技术，通过对制造特征的变换来实现中间工序实体模型的生成。
发明内容
在进行三维工艺设计中，零件的三维模型应当能够实现根据加工工艺路线，从毛坯到最终零件形状的自动生成和变换。本发明专利提出了一种基于制造特征模型和特征工艺信息的工序中间实体的自动生成方法。本发明专利所采用的技术方案是通过特征识别技术，在三维实体模型的Brep表达上，建立面向加工的制造特征模型，构造制造特征的表达模型，对制造特征的几何面及其拓扑关系、几何尺寸等进行描述；根据零件毛坯类型，定义零件的毛坯的形状和边界；对每个制造特征添加工艺属性，描述其加工的工艺方法、工序步骤和工艺参数，包括刀具、工艺类型、切削用量等参数；根据不同的切削工艺去除材料的方式，定义了不同工艺方法对特征几何面的变换方法，采用了包括面偏移、面移除、面重构等方法，实现制造特征按照工序的自动变换；在零件完整的工艺路线基础上，对工序实体变换过程进行定义，实现按照工艺路线中定义的工序、工步，对零件三维模型的自动变换，逐步生成零件的中间工序实体模型。
图I中间工序实体示意2过渡特征的边界重构示意图
具体实施例方式中间工序实体，是指零件从毛坯状态开始到加工完成形成最终成型状态的整个过程中，每一步工序后所形成的制造中间实体。零件的中间工序实体一般有多个，与每步工序一一对应。中间工序实体的生成需要以识别出的特征面和毛坯面为基础，来实现中间工序实体的生成。
具体实施例方式
中间工序实体的生成，主要是以加工的工艺信息为生成参数，特征面为变化面，毛坯面为约束面，来实现中间工序实体的逐步生成。模型变换过程采用了三维实体模型内核软件为支撑，以三维实体Brep模型为表达模型。首先通过特征识别获取零件所有的加工特征；然后将特征面按照对应加工工步的加工工艺信息(如切削方法、加工尺寸，加工方向等)进行变化，将每个特征恢复至此特征未加工时的零件状态；最终恢复至毛坯状态。这样就实现了所有的中间工序实体的生成。中间工序实体的生成方法，按照加工特征面几何结构的变化与否分为三类面偏移法、面移除法和面重构法。I.面偏移法面偏移法，即中间工序实体的生成是通过特征面的偏移实现的。首先获取特征面，将特征关键面设置为偏移面；然后通过工艺信息得到加工方向和加工尺寸，面的偏移方向设置为加工方向，面的偏移量设置为加工尺寸；进而生成中间工序实体。其数学模型为
0(ii, V) = S (U5 V) +d N (u, V)其中0(u，v)代表偏移之后面，S(u，v)代表偏移之前面，d为偏移量，H(u, V)为偏移之前面的法向量。从上述面偏移技术的原理可知，面偏移技术适用于在加工过程中面的几何结构未发生变化的情况。如平面经过偏移仍是平面，柱面仍是柱面，曲面仍是几何形状相同的曲面。这也正符合一般加工的加工过程。面偏移法只能实现特征面在加工方向上的位置偏移，其几何结构并未发生变化。如果遇到加工过程中，零件加工面的几何结构发生了变化，例如平面加工成曲面，零件棱边的圆角的加工等，特征面偏移技术就不能实现中间工序实体的生成，这时就要用到面移除法和面重构法。2、面移除法面移除法，即中间工序实体的生成是通过特征面的移除实现的。首先获取特征面，将特征关键面设置为移除面，然后移除面，再通过延伸相邻面的拓扑结构来重构模型，生成中间工序实体。面移除法只能实现特征面的消亡，适用于在加工过程中加工特征在毛坯上首次出现的情况。如在轴上加工键槽，在面上打孔，在面上加工腔体等。这符合特征第一次加工(即粗加工)时的加工过程。面移除技术中，移除特征面后，通过延伸相邻面来重构模型。在选取移除面的时，由三维实体内核计算其相邻面信息，并自动按照所相邻面的类型进行面的延伸，形成封闭的实体几何。3、面重构法对于许多用于模型编辑的操作来说，当对一个面进行某些轻微改动(例如进行变形)时，该面的边界要按照下述方式进行重新计算，这个过程称为模型的边界重构。(I)将新的曲面(即变形过的面)与每一个相邻面所在的曲面求交。
(2)将求交得到的每条新曲线分别与它们的相邻曲线求交，则得到新边的顶点。从求交运算中得到的几何体可以用来更新原来的数据结构，从而产生一个新的几何体。新几何体的拓扑结构与原来对象的拓扑结构相同，但它们的几何定义不同。面重构法的原理就是模型的边界重构，它的实现利用的是三维实体BRep模型中拓扑与几何相分离的特点。这种分离使得一个面所在的曲面发生变化时，含有面的拓扑结构(如面的边界和面的邻接边)的记录保持不变。重新计算面的边界必须保证以下几点 计算得到的所有几何体与现有数据结构之间的正确连接； 正确处理求交运算中的多解问题； 正确处理退化问题(如面退化为边(点)或者边退化为点等情况)。在本发明专利中，面重构法主要用于特征面在加工前后的几何结构发生变化的情况。例如过渡特征的恢复含有圆角或倒角特征的工序实体如何恢复至圆角未加工之前的工序状态；或者曲面如何恢复至未加工之前的平面状态。如错误！未找到引用源。所示。图中过渡特征面圆角F，之前未加工为一棱角，面偏移法则不能使此圆角恢复至棱角状态。对过渡特征面圆角F进行边界的重构，首先获得两支持面fl和f2所在的几何曲面F1、F2，通过几何曲面F1、F2相交获得相交曲线E1，将支持面-I中与支持面f2相邻的圆角相邻的边所在曲线重新设置为新曲线E1，依次对底面每条边进行如上操作设置新曲线，完成边界中边界线的重构；将若干新曲线分别相交则获得交点，并将底边的顶点分别重新设置为这些顶点完成边界中所有顶点的重构，这样就完成了圆角面向棱角的重构，圆角面在重构之后退化，被所形成的新边所替代。利用面重构法，可以实现曲面按照指定参数转化为平面或其它类型几何形状，来解决中间工序实体生成过程中的过渡特征、曲面特征以及其它复杂特征恢复的问题。面偏移法、面移除法以及面重构法相互结合，相互补充，能够实现零件中间工序实体的生成。
权利要求
1.一种切削加工工序中间实体的生成方法，其特征在于，第一步、在三维实体模型的Brep表达上，建立面向加工的制造特征模型，构造制造特征的表达模型，对制造特征的几何面及其拓扑关系、几何尺寸进行描述；第二步、定义零件的毛坯的形状和边界；第三步、对每个制造特征添加工艺属性，描述其加工的工艺方法、工序步骤和工艺参数；第四步、定义不同工艺方法对特征几何面的变换方法；第五步、按照工艺路线中定义的工序、工步对工序实体变换过程进行定义，采用面偏移、面移除、面重构的方法，逐步生成零件的中间工序实体模型。
2.如权利要求I所述的切削加工工序中间实体的生成方法，其特征在于，第三步中的工艺参数包括刀具、工艺类型、切削用量。
3.如权利要求I所述的切削加工工序中间实体的生成方法，其特征在于，第五步中的面偏移的具体方法为首先获取特征面，将特征关键面设置为偏移面，然后通过工艺信息得到加工方向和加工尺寸，面的偏移方向设置为加工方向，面的偏移量设置为加工尺寸，最后生成中间工序实体，其数学模型为O (U，V) = S (U，V) +d N (u, V) 其中0(u，V)代表偏移之后面，S(U，V)代表偏移之前面，d为偏移量， (u，V)为偏移之前面的法向量； 面移除的具体方法为首先获取特征面，将特征关键面设置为移除面，然后移除面，再通过延伸相邻面的拓扑结构来重构模型，生成中间工序实体；面重构的具体方法为将变形过的面与每一个相邻面所在的曲面求交，将求交得到的每条新曲线分别与它们的相邻曲线求交，将从求交运算中得到的几何体用来更新原来的数据结构，生成一个新的几何体。
全文摘要
一种切削加工工序中间实体的生成方法，通过特征识别技术，在三维实体模型的Brep表达上，建立面向加工的制造特征模型，构造制造特征的表达模型，对制造特征的几何面及其拓扑关系、几何尺寸等进行描述；根据零件毛坯类型，定义零件的毛坯的形状和边界；对每个制造特征添加工艺属性，描述其加工的工艺方法、工序步骤和工艺参数；根据不同的切削工艺去除材料的方式，定义了不同工艺方法对特征几何面的变换方法，采用了包括面偏移、面移除、面重构等方法，实现制造特征按照工序的自动变换；在零件完整的工艺路线基础上，对工序实体变换过程进行定义，实现按照工艺路线中定义的工序、工步，对零件三维模型的自动变换，逐步生成零件的中间工序实体模型。
文档编号G06F17/50GK102938005SQ201210414740
公开日2013年2月20日 申请日期2012年10月26日 优先权日2012年10月26日
发明者张旭, 白书清, 李斌, 刘颖, 斯铁冬 申请人:北京航天新风机械设备有限责任公司, 北京理工大学