王 寧， 席 平， 張寶源

（北京航空航天大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，北京 100191）

隨著數(shù)控加工技術(shù)水平的不斷提高，采用數(shù)控加工的整體結(jié)構(gòu)件被廣泛采用在機(jī)械制造行業(yè)中。制造企業(yè)迫切需要提高制造車間的數(shù)字化水平，在優(yōu)化資源配置、優(yōu)化生產(chǎn)過程的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)車間執(zhí)行、控制過程的有效管理和控制，實(shí)現(xiàn)由上至下的信息集成。實(shí)現(xiàn)車間的數(shù)字化管理是制造業(yè)企業(yè)面向未來市場競爭的有力武器。工藝規(guī)劃，加工成本估算是數(shù)字化車間管理的必備關(guān)鍵技術(shù)，而通過數(shù)控加工結(jié)構(gòu)件進(jìn)行特征識別，可以為實(shí)現(xiàn)工藝規(guī)劃提供依據(jù)；統(tǒng)計(jì)提取相關(guān)特征參數(shù)信息，再結(jié)合機(jī)床加工參數(shù)信息，則可以實(shí)現(xiàn)零件加工工時(shí)估算，為零件加工成本估算提供了依據(jù)。

特征識別的方法從整體上可以分為兩大類[1]：一類是基于邊界匹配的特征識別方法[2-3]，另一類是基于立體分解的特征識別方法。具有代表性的基于邊界匹配的特征識別方法，主要有3種：基于規(guī)則的特征識別方法，基于圖的特征識別方法[4-5]和基于痕跡的特征識別方法[6]。這些方法都在一定程度上解決了特征識別中的一些問題，其中基于圖的特征識別方法一直被廣泛采用。但是數(shù)控加工的結(jié)構(gòu)件有其自身的特點(diǎn)，構(gòu)成結(jié)構(gòu)件特征的特征面數(shù)目是不定的，特征面的面類型也是多樣的，并呈現(xiàn)復(fù)雜的多樣性，無法有效建立預(yù)定義的特征庫，基于邊界匹配的方法難以進(jìn)行此類結(jié)構(gòu)件的特征識別?；诹Ⅲw分解的特征識別方法[7-9]，無需建立特征庫，但識別效率不高，應(yīng)用在該類結(jié)構(gòu)件上識別效果更不理想。

鑒于上述特征識別方法一定程度上存在識別效率不高、識別效果不理想的問題，同時(shí)為了能更好的提取特征的幾何參數(shù)信息，便于對零件加工工時(shí)進(jìn)行估算，本文提出了基于面鄰接關(guān)系的特征識別方法，并在數(shù)控加工結(jié)構(gòu)件上進(jìn)行了驗(yàn)證，根據(jù)統(tǒng)計(jì)得到的特征幾何參數(shù)，再結(jié)合機(jī)床的加工參數(shù)，對生產(chǎn)零件的加工工時(shí)進(jìn)行了估算，從而可以更好地指導(dǎo)車間生產(chǎn)調(diào)度。

1 數(shù)控加工結(jié)構(gòu)件特征

特征定義與其應(yīng)用領(lǐng)域相關(guān)，不同領(lǐng)域所考慮產(chǎn)品的基本元素不同，從加工的角度看，特征被定義為與加工操作和工具有關(guān)的零部件形狀、技術(shù)特性和工藝參數(shù)等。數(shù)控加工結(jié)構(gòu)件有其自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，經(jīng)過歸納，將數(shù)控加工結(jié)構(gòu)件的典型特征分為槽、孔、筋、輪廓4類，典型結(jié)構(gòu)件及特征如圖1所示，過渡特征對零件加工工時(shí)影響較小，故本文沒有考慮過渡特征的識別。

圖1 典型結(jié)構(gòu)件及特征示意圖

數(shù)控加工結(jié)構(gòu)件4類典型特征的定義如下：

槽：有底部及與其近似垂直側(cè)壁的一種周邊封閉或者半封閉型腔結(jié)構(gòu)。

孔：零件上圓形或者非圓的封閉貫通部分。

輪廓：由曲面或者平面構(gòu)成的零件外形。

筋：槽及輪廓加工完成后頂部需加工或側(cè)面頂部獨(dú)立加工的一種結(jié)構(gòu)。

2 基于面鄰接關(guān)系的特征識別方法

2.1 基準(zhǔn)面、基礎(chǔ)面和約束面及相關(guān)概念

基準(zhǔn)是機(jī)械制造應(yīng)用十分廣泛的一個(gè)概念，機(jī)械產(chǎn)品從設(shè)計(jì)時(shí)零件尺寸的標(biāo)注、制造工件時(shí)工件的定位、校驗(yàn)時(shí)尺寸的測量、一直到裝配時(shí)零部件的裝配位置確定，都要用到基準(zhǔn)的概念?；鶞?zhǔn)就是用來確定生產(chǎn)對象上幾何關(guān)系所依據(jù)的點(diǎn)、線或面?；鶞?zhǔn)面是指以之為參考用來確定其他點(diǎn)、線、面等尺寸的表面?；鶞?zhǔn)面分為設(shè)計(jì)基準(zhǔn)面和加工基準(zhǔn)面。每個(gè)待加工的零件都有確定的基準(zhǔn)面（可由用戶指定，基準(zhǔn)面通常為一平面）。因?yàn)樵诩庸み^程中，工件必須有與機(jī)床工作臺貼合的平面。

以基準(zhǔn)面的外法線矢量作為零件的基準(zhǔn)方向，將零件三維模型中的所有面元素劃分為基礎(chǔ)面和約束面。劃分方法為與基準(zhǔn)方向近似垂直的定義為基礎(chǔ)面，與基準(zhǔn)方向近似平行的定義為約束面。在面對具體問題時(shí)，可將基礎(chǔ)面簡化定義為：與基準(zhǔn)方向垂直的為基礎(chǔ)面，與基準(zhǔn)方向不垂直的為約束面。

層由每一個(gè)基礎(chǔ)面及所有與其凹鄰接的約束面組成，則數(shù)控加工零件可以簡化為層的組合，在所有層中，按照槽、孔和輪廓特征的定義再組合相關(guān)的層，即可識別出零件的所有特征。

2.2 面凹凸鄰接的定義與判斷方法

兩個(gè)相鄰面之間的夾角小于180°，則稱這兩個(gè)面屬于凹鄰接關(guān)系；兩個(gè)相鄰面之間的夾角大于180°，則稱這兩個(gè)面為凸鄰接關(guān)系。

鄰接面之間的凹凸鄰接關(guān)系判斷，如圖2所示。面F1和面F2相交，面F1的外法向?yàn)閚，P1和P2分別為面F1和面F2上的一點(diǎn)，且點(diǎn)P2不在兩個(gè)面的公共邊上，則判斷這兩個(gè)面之間的凹凸鄰接關(guān)系準(zhǔn)則為：

圖2 判斷凹凸鄰接關(guān)系

若n?P1P2＞0，則稱面F1和面F2為凹連接關(guān)系；

若n?P1P2＜0，則稱面F1和面F2為凸連接關(guān)系。

2.3 特征識別算法流程

由于需要對結(jié)構(gòu)件加工工時(shí)進(jìn)行預(yù)估算，筋特征的加工對加工工時(shí)的影響較小，故本文僅識別了結(jié)構(gòu)件上的槽、孔和輪廓特征。

自動(dòng)識別算法以數(shù)控加工結(jié)構(gòu)件的STEP模型作為輸入，如圖3所示，算法步驟如下：

1）得到零件模型的所有面，按照基準(zhǔn)面的法向進(jìn)行劃分，將面分為基礎(chǔ)面與約束面，對基礎(chǔ)面的面集合進(jìn)行分組，把鄰接的基礎(chǔ)面視為一組。

2）對得到的基礎(chǔ)面和約束面，按照約束面和基礎(chǔ)面是否凹鄰接進(jìn)行分組，得到3個(gè)大的集合，分別為：無凹鄰接約束面的層集合，有凹鄰接的約束面的層集合和不與任何基礎(chǔ)面凹鄰接的約束面集合。

3）對得到的層的集合，依據(jù)槽、輪廓、孔的相關(guān)特征定義，便可識別出結(jié)構(gòu)件的典型特征。

2.4 特征識別過程中曲面法向量的選取

在進(jìn)行面凹凸鄰接關(guān)系判斷時(shí)，僅需要判斷基礎(chǔ)面同約束面之間的凹凸鄰接關(guān)系，而不需要判斷約束面之間的凹凸鄰接關(guān)系，基礎(chǔ)面為一平面，但約束面曲面類型不定，在判斷基礎(chǔ)面同約束面凹凸鄰接關(guān)系過程中，需要用到基礎(chǔ)面的法矢量，基礎(chǔ)面上中心點(diǎn)，和約束面上的一點(diǎn)，對于基礎(chǔ)面的法矢量可直接取其中心點(diǎn)的法矢量來代表基礎(chǔ)面的法矢量，對于約束面上點(diǎn)的選取，首先找到約束面與基礎(chǔ)面公共邊的中點(diǎn)，取該點(diǎn)在約束面上的法矢量，取該點(diǎn)在約束面與基礎(chǔ)面公共邊上的切矢量，中點(diǎn)的法矢量叉乘切矢量得到一個(gè)新的矢量，然后將約束面與基礎(chǔ)面公共邊上中點(diǎn)，沿著新得到的矢量方向進(jìn)行偏移，得到的點(diǎn)就是所需要的點(diǎn)，使用得到的點(diǎn)的法矢量來進(jìn)行凹凸鄰接關(guān)系判斷。另外，在CATIA V5平臺中，面的法矢量并不是默認(rèn)指向?qū)嶓w外部的，在進(jìn)行凹凸鄰接關(guān)系判斷時(shí)，需要判斷該面的法矢量是否指向?qū)嶓w外部，如果不是，則需要取其相反方向。

3 加工工時(shí)的估算

識別出加工特征后，根據(jù)特征識別之后統(tǒng)計(jì)的相關(guān)特征數(shù)目及相應(yīng)的特征幾何參數(shù)，如表1所示。

表1 特征參數(shù)信息

再結(jié)合機(jī)床的加工參數(shù)，則零件工時(shí)的估算公式可表達(dá)為

在這里，假定孔的加工工時(shí)僅與孔的個(gè)數(shù)有關(guān)，槽的加工工時(shí)與槽的個(gè)數(shù)、高度、底面積有關(guān)，而輪廓的加工工時(shí)則與輪廓的周長和平均高度有關(guān)。則相應(yīng)的加工工時(shí)可表達(dá)為：

1）孔的加工工時(shí)估算

k表示孔的個(gè)數(shù)，thole表示加工單個(gè)孔的時(shí)間。

2）槽的加工工時(shí)估算

如圖4所示，槽的底面積S，高度H，假定機(jī)床的切削速度為v，切削深度為h，刀具直徑d（以平面端銑刀為例），則槽的加工工時(shí)可近似表達(dá)為

n表示槽的數(shù)目，Si表示第i個(gè)槽的底面積，Hi表示第i個(gè)槽的高度。

3）外輪廓的加工工時(shí)估算

假定外輪廓的周長為L，平均高度為H，機(jī)床的切削速度為v，切削深度為h，

圖4 槽的尺寸示意圖

4 算法應(yīng)用實(shí)例

根據(jù)以上算法，使用CAA開發(fā)了特征識別系統(tǒng)，已經(jīng)在CATIA V5平臺上得到驗(yàn)證，圖5是示例零件1特征識別結(jié)果示意圖，圖6是其對應(yīng)工時(shí)估算結(jié)果示意圖，圖7是示例零件2特征識別結(jié)果示意圖，圖8是其對應(yīng)工時(shí)估算結(jié)果示意圖。表2是特征識別測試結(jié)果的統(tǒng)計(jì)。

對于給定的測試模型零件，系統(tǒng)已能準(zhǔn)確識別出槽、孔、輪廓特征，系統(tǒng)自動(dòng)識別出的特征數(shù)目與手動(dòng)統(tǒng)計(jì)的特征數(shù)目是一致的。在此基礎(chǔ)上，對零件加工工時(shí)進(jìn)行了估算。對于給定的測試模型零件，系統(tǒng)自動(dòng)識別加工特征，并進(jìn)行工時(shí)估算可以在2秒左右完成，提高了工時(shí)估算的效率。

圖5 示例零件1特征識別結(jié)果顯示

圖6 示例零件1加工工時(shí)估算

圖7 示例零件2特征識別結(jié)果顯示

圖8 示例零件2加工工時(shí)估算

表2 測試結(jié)果表

5 結(jié) 束 語

本文針對數(shù)控加工結(jié)構(gòu)件特點(diǎn)和便于工時(shí)估算的需要，提出了基于面鄰接關(guān)系的特征識別方法，對數(shù)控加工結(jié)構(gòu)件的加工特征進(jìn)行識別，并統(tǒng)計(jì)相關(guān)特征數(shù)目和特征幾何參數(shù)，再結(jié)合相關(guān)機(jī)床加工參數(shù)，對零件的加工工時(shí)進(jìn)行了估算。對給定測試零件，已經(jīng)可以正確識別出零件模型中的加工特征，且具有較快的執(zhí)行速度。目前對相交特征、過渡特征尚不能較好的識別，對這部分特征仍需要進(jìn)行后續(xù)的研究處理。本文所提出的特征識別和加工工時(shí)估算方法，可以初步為車間合理安排生產(chǎn)計(jì)劃、制定零件生產(chǎn)節(jié)點(diǎn)提供參考。

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