（机械电子工程专业论文）面向工艺设计的材料去除形素体积模型及其推理和评价研究.pdf

面向工艺设计的材料去除形素体积 模型及其推理和评价研究 摘要 在加工金属零件时，通常需要执行连续的切削操作，每一步操作都 将从毛坯上去除一部分原材料体积。因此就需要有一种方法来详细地 描述每一种加工操作将会从毛坯上去除什么样的原材料体积。通常是 使用零件的设计特征来确定为了加工出成品而需要从毛坯中去除怎样 _ - _ ，一一 的原材料体积。但是在加工实践中，往往会出现设计中没有的临时特 征或与设计特征不完全对应的特征。为了解决这一问题，本文提出了 一种方法来描述独立于设计之外的被加工操作所去除的材料体积形 状。所去除的材料体积形状在工艺设计中生成并用于n c 编程。本文 建立了一个比较完备的材料去除形素体积库，对库中的材料去除形素 体积也进行了详细地描述。本文同时建立了材料去除形索体积模型的 推理和评价系统并提出了从模型中识别材料去除形素体积的算法。 关键词：材料去除形素体积；工艺设计j 特征识别，评你疋 m o d e lo fm a t e r i a lr e m o v a lv o l u m e sa n d i t si n f e r e n c ea n d e v a l u a t i o nf o rp r o c e s sp l a n n i n g a b s t r a c t i nm a c h i n i n gam e t a lp a r t ，s u c c e s s i v ec u t t i n go p e r a t i o n sa r eg e n e r a l l yc a r r i e do u t ， e a c ho f w h i c hr e m o v e sm a t e r i a lf r o mt h ew o r k p i e c e am e t h o do f s p e c i f y i n gw h a tt o r e m o v ei ne a c ho p e r a t i o ni sr e q u i r e d i ti ss o m e t i m e sf e a s i b l et ou s ef e a t u r e so nt h e d e s i g no f t h ep a r tt od e t e r m i n e w h a tm a t e r i a lt om a c h i n ea w a y i no r d e rt om a k et h e p a r t v e r yo f t e n ，h o w e v e r ，i tw i l lb e d e s i r a b l et om a c h i n et h ew o r k p i e c es ot h a ti th a s t e m p o r a r y f e a t u r e sw h i c hd on o ta p p e a ro nt h ed e s i g n o rw h i c hd on o tc o r r e s p o n d e x a c t l yt od e m g n f e a t u r e s t oh a n d l et h i ss i t u a t i o n ，t h ed i s s e r t a t i o np u t sf o r w a r da m e t h o df o r d e s c r i b i n g t h es h a p eo f m a t e r i a lt ob er e m o v e db ym a c h i n i n go p e r a t i o n s w h i c hi si n d e p e n d e n to f t h ed e s i g n s h a p e so f v o l u m e st ob er e m o v e da r eg e n e r a t e d d u r i n gp r o c e s sp l a n n i n g a n du s e df o r n c - p r o g r a m m i n g t h ed i s s e r t a t i o n c o n s t r u c t sa r e l a t i v e l yc o m p l e t e dl i b r a r y o f m a t e r i a lr e m o v a lv o l u m e sa n dd e s c r i b e st h ee l e m e n t s o fi ti nd e t a i l t h ed i s s e r t a t i o na l s oc o n s t r u c t st h ei n f e r e n c ea n de v a l u a t i o ns y s t e mo f t h em o d e lo f m a t e r i a lr e m o v a lv o l u m e s t h er e c o g n i t i o na l g o r i t h mo f m a t e r i a l r e m o v a lv o l u m e si sa d v a n c e d k e yw o r d s ：m a t e r i a lr e m o v a lv o l u m e s p r o c e s sp l a n n i n gf e a t u r er e c o g n i t i o n e v a l u a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得金肥工业盍堂或其他教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：新t 。j ；1 签字日期：如，5 年易月；日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金肥王业太堂有关保留、使用学位论文的规 定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查 阅和借阅。本人授权金肥工业太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有 关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者毕业后去向： 工作单位 通讯地址 翩签名：珑 签字日期穸妒胸 电话 邮编 甜 十“ f 日 舌?； 酩 细 睹 咖 文 期 沦 目 位 字 学 签 致谢 值此论文完成之际，首先要衷心地感谢我尊敬的导师王治森教授 和褚学宁教授! 在三年的研究生学习期间，无论是在科研工作中，还 是生活中，王老师和褚老师都给予了热心的指导和悉心的照顾。特别 是在本论文的撰写过程中，导师不厌其烦、不遗余力地给予指导和教 诲，我所取得每份成绩都是和导师的辛勤工作分不开的。导师严谨 的治学态度、一丝不苟的工作作风和渊博的学识时刻激励着我奋发向 上；导师对人的平和、亲切，教会了我平易近人的待人处事方式。 此外，在课题的研究过程中，承蒙以下教授提供了大量的宝贵资 料和给与的热情关怀，没有他们的帮助，课题就不会有如此迅速的进 展。他们是合肥工业大学刘志峰教授，香港大学y h c h e n 教授，香 港城市大学r i c h a r dy k f u n g 教授，新加坡国立大学a n d r e wy e h c h i n gn e e 教授，美国匹兹堡大学a n d r e wj s c h a e f e r 教授，美国依阿 华大学a n d r e wk u s i a k 教授。 感谢c i m s 所韩江教授和杜晓荣教授在科研中对我的支持和关 怀。 还要特别感谢我的同学段刚，郭亚，白艳眉、唐炜对本文的鼎力 相助。同时对c i m s 所的汤阳，刘俊，谈勇，谭平，何高清等同学的无 私帮助在此一并表示诚挚的谢意。 最后，谨以此文献给我深爱的父母。 作者：郭志成 2 0 0 3 年4 月 第一章绪论 1 1简介 尽管c a d 与c a m 可能会有相容的目标和功能，但是特定应用的细节往往 差别很大以至于不能将它们集成在一起。其中的一个主要问题就是如何将c a d 模型中的信息提取出来并以对c a m 有意义的方式来加以解释。本文研究解决 这一问题的方法，其目标是建立一个可以被多种c a d 和c a m 所使用的特征模 型。 本文提出的方法能够将零件的c a d 模型解释成一个对实际加工应用有意 义的特征集合。这些加工应用包括工艺设计，n c 编程，夹具设计与选择、可制 造性评价等。本文的方法包括从c a d 模型中提取多个可选的特征解释方案，这 里的解释方案是指将毛坯实体与零件实体相减后的体积分解成与加工操作相对 应的体积特征的集合。本文的方法还包括如何评价这些解释方案以确定哪一个 解释方案更加符合具体的应用。 尽管已有一些方法能将零件解释成一系列特征的集合，本文更加强调那些 没有被其它方法所充分重视的问题，即： 1 为了将c a d 与c a m 集成在一起，能够获得与加工操作直接对应的特 征是非常重要的，但是现有的方法却很少提供这样的特征。此外，还 没有标准的表达特征的方案。因此，这些系统的输出并不能够直接被 下游计算机辅助制造所采用。为了解决这一问题，本文使用了以材料 去除形素体积为基本表达方式的特征类。材料去除形素体积是与3 坐 标铣床相对应的体积特征。材料去除形素体积可以通过 e x p r e s s ( s t e p 信息建模语言) 和s t e p 形状特征来定义。 2 尽管存在许多识别零件实体模型中的特征的方法，但是由于缺乏针对 问题的明确的数学表示，很难弄清各种现存的方法究竟能处理什么样 的零件类和特征交互。例如，当特征之间以任意方式交互时，就很难 捕捉到这些特征在拓扑和几何上的变化。 为了解决这些问题，本文提出了一种识别任何实体模型的规范， 这一规范表达为基体毛坯的实体模型与材料去除形素体积集合的差。 本文概述了一种直接从c a d 模型的几何信息中构建多种孔和型腔材 料去除形素体积的方法，同时也概述了如何检验这些特征的可达性约 束。本文的方法能够确保返回材料去除形素体积实例的完整集合，这 些实例出现在设计的多个可选解释方案中。此外，本文的方法还允许 特征之间以任意复杂的方式进行交互。 3对于相同的设计通常存在着许多不同的可加工特征集合解释方案，它 们对应于不同的零件加工方法。为了能够确定哪个方案更可取，需 要考虑零件的尺寸、公差、表面粗糙度、定位约束、机床和刀具的可 用性和能力等因素。然而，大部分c a d c a m 缺乏系统的方法来生成 和评价零件的解释方案。其中的一部分试图针对给定零件生成唯一的 解释，但是通常一个零件会有许多解释方案，其中的每一个郡应该针 对具体的c a m 应用而被生成和进行适宜性检验， 本文的方法步骤如下 第一步：针对具体的零件，识别可能出现在其材料去除形素体积模型中的 所有材料去除形素体积。材料去除形素体积模型是一个描述零件的去除形 素体积的非冗余集合。我们只考虑在一次定位中对应于最大实际可加工体 积的材料去除形素体积，这个材料去除形素体积生成了已加工零件的表面。 第二步：针对零件生成和评价可选的材料去除形素体积模型方案。为了评 价这些模型，评价指标依赖于具体的c a m 应用和目标。例如，如果给定 的c a m 应用是工艺设计，那么将着重于优化生产成本、生产时间和利润 率。此外，在某些c a m 应用中，材料去除形素体积也应满足某些额外的 约束( 例如，对于工艺设计而言，材料去除形素体积模型应该生成满足给定 公差和表面粗糙度要求的工艺) 。 第三步：根据第二步所作的评价返回最好的模型。 1 2 相关背景 基于特征的方法在c a d c a m 中非常普遍，但是不同的人利用这一名词指 代不同的含义【l ，2 ，3 , 4 1 。在定义形状特征集合上已经进行了大量的研究，这些形 状特征集合是作为设计与制造的信息交换媒介。但在目前，大多数研究者认为 单一的特征集台还不能同时满足这两个领域的需要。最近的研究趋势表明需要 为不同的特定应用领域( 例如加工、装配、检测等) 定义不同的特征集合。 1 2 1 特征识别 特征识别被认为是c a d c a m 集成的一个非常重要的研究领域并且在过去 的十几年里出现了各种不同的方法。【5 ，6 】中基于图论的方法主要面向多面体零 件和特征。 7 ，8 1 中的图一语义方法和一些基于子图匹配的方法更适合于大规模应 用中的复合闽题f 9 】。 1o 】中的最新研究描述了一个解决复合问题的很有前途的 技术，它首先提炼出实体模型中几何及拓扑信息的近似描述，然后再从近似描 述中提取特征。c o m e y 和c l a r k 1 1 ，1 2 】已经成功地将基于图的算法的适用范围延 伸到2 5 维零件。k r a m e r 1 3 提出了一种从具有平面和圆柱表面的2 5 维零件族 中提取非交互特征的方法。 s a k u r a i 【1 4 】将基手图的特征识别技术与用户定义的特征相结合。在更新的研 究中，s a k u r a i 和c h i n 1 5 1 提出了一种通过“空间分解和组合”来识别非常普通 的凸块和空腔的方法。h e n d e r s o n 的研究【1 6 首次将专家系统应用于特征识别问 题上。 在早期的关于特征提取的研究中，w o o l l 7 1 提出了一种通过分解实体模型凸 包来识别工件中普通凹陷和凸块特征的方法。但这种方法存在一些问题，诸如 它局限于多面体模型以及在有些多面体模型中特征识别过程并不收敛等。w o o 研究中存在的收敛性问题在由k i m 1 8 ，1 9 】所进行的最新研究中得以解决。k i m 的方法使用凸体积分解来产生可选的体积方案，它同时也采用了分解实体模型 技术来避免非收敛性问题。k i m 进一步通过将所识射的体积与特征模板相匹配 来改进其算法。 处理交互特征的能力已经成为评价特征识别系统的一个非正式的标准并已 成为众多研究的焦点。d o n g 2 0 的研究包含了特征描述语言的规范化和采用基 于框架的推理算法来为计算机辅助工艺设计提取制造特征。m a r e f a t 2 1 1 提出了 一种处理特征交互和合取的方法。这种方法建立在【6 】中的表达框架内并且创新 性地将专家系统与假设检测技术相结合来从多面体中提取表面特征。 v a n d e n b r a n d e 在1 2 2 1 q b 提出了一个在处理特征识别和特征交互方面比较全 面的方法。他的方法能够得出可选择的特征解释方案。 其它的特征识剐研究工作包括从二维工程图中1 2 3 , 2 4 ，通过神经网络技术 【2 5 和针对金属钣金件【2 6 】的特征识别。此外还有渐进式识别的特征建模技术等 2 7 1 。 1 2 2 生成可选择的特征模型方案 【2 8 1 中的a m p s 工艺设计系统包含了一个“特征改进”步骤，这一步骤采 用了启发式技术来将特征集合转换成一个更加复杂的特征或者将一个特征分解 为两个或更多的特征。因为这一技术在本质上是启发式的，因此当可选特征解 释方案产生时，我们并不知道它们的生成机理。 v a n d e n b r a n d e 2 3 提出了一个通过人工智能技术与实体建模者之间进行适 当交互来识别面向工艺设计的制造特征族的方法。他提出了特征族集合以及每 个特征族的识别“线索”。线索从实体模型中提取并且根据它们对于建立特征 实例的潜能来对它们进行分类。和d o n g 2 1 - - 样，一个基于框架的推理系统将 作用于线索上并且完成一个特征框架，这一特征框架所含的信息能够建立特征 的最大实例并且表示它与其它特征的交互。尽管这种方法有着许多优点，但是 一旦线索被移除，某些特征就无法识别出来，此外，还不能控制所产生的可选 特征分解数目。 首先在生成可选特征解释方案上进行过系统研究的人是k a r i n t h i 和n a u 。他 们描述了一种以不同的体积特征集合为基础来对同个实体生成不同解释方案 的方法，这些体积特征集合是由作用于特征上的几何运算得来的。同时它们也 构建了一个执行这些几何操作以生成不同解释方案的系统。然而，这一系统并 不能够直接用于c a m 应用，因为这些特征与加工操作之间并没有必然的联系。 因此，由这一方法所产生的一些解释从加工的角度来说并不合理。而且，几何 运算并不足以产生加工中所感兴趣的所有解释方案。 1 2 3 评价特征模型 针对不同的c a m 应用已经研究出了不同的评价函数。在工艺规划评价的 各个方面也已进行了大量的研究。现有的机械学模型提供了从加工参数到各种 性能指标诸如表面粗糙度和加工精度等的量化匹配【2 9 ，3 0 ，3 l ，3 2 】。对于加工经 济性的研究得出了评价加工时间和成本的量化模型 3 3 ，3 4 1 。 研究者们已经提出了许多方法来评价可制造性f 3 5 ，3 6 ，3 7 ，3 8 ，3 9 ，4 0 1 。其中 些是针对特定的应用领域，而另些则面向大部分应用领域。这些方法中的大 多数都是基于规则的。用以改进和提升可制造性的设计特性都是以规则来表达。 这些规则被应用到给定的设计中以评价其可制造性。 4 2 1 导言 第二章材料去除形素体积 2 1 1s t e p 和数据描述 s t e p 是在国际标准化组织( i s 0 ) 的支持下发展起来的一种用于产品模型数 据交换的新的国际标准。i g e s p d e s 组织( i p o ) 是一个致力于推动s t e p 标准的 自发标准化组织。 数据描述在s t e p 中是通过为每一种数据类型定义一个基于 e x p r e s s 4 1 ，4 2 的信息模型来实现的。一旦信息模型建立后，描述特定产品的 数据将会根据s t e pp a r t2 1 中的规则被输入计算机中以便将e x p r e s s 与 s t e p 物理文件相匹配 4 3 ，4 4 , 4 5 1 。 2 1 2 材料去除形素体积 在加工金属零件时，经常利用零件的设计特征来决定为了从毛坯或半成品 中加工出零件所要切除的材料体积。然而，我们在加工实践中经常遇见的是并 不出现在设计中或不与设计特征完全对应的l 临时特征。为了解决这一问题，迫 切需要能有一种方法来描述加工操作中所要去除的材料形状。本文所定义的名 词“材料去除形素体积”就是针对这样一些形状。 2 2 背景 2 2 1 制造的概念模型 本文所描述的材料去除形素体积应该从加工制造的一个特定角度来理解。 这个特定的角度可以用图2 1 中的加工制造模型来表示。它主要是针对切削类零 件，其中包括个零件，- n 夹具和次定位。它并不针对某一特定的切削方 式，既可以用于铣削加工和车削加工，也可以用于加工车间里可能遇见的其它 切削方式。 在模型中，设计系统用来生成一个设计。这个设计包括通常意义上对形状 的指定以及公差和表面粗糙度等。名义形状可以通过线框表示法、边界表示法、 实体几何表示法、形状特征表示法等来表示。一般在工艺规划的第一步最好使 用形状特征表示法来表达设计。 工艺规划系统的输入是设计而输出是加工工艺规划、工件描述、材料去除 形素体积集合、定位描述和夹具描述。定位描述指定工件、夹具和材料去除形 素体积在全局坐标系下的位置。这里的全局坐标系也有可能就是n c 程序的编 程坐标系。 图2 1 加工的制造模型 n c 编程系统的输入是工艺规划的输出和原始设计，而它则输出n c 程序。 如果为了制造一个零件需要一台以上的机床或一次以上的装夹，那么工艺 规划将产生多个输出数据集合，n c 编程系统将为每一个集合编制n c 程序。在 这种情况下，就需要有一个用于高层控制的工艺规划以协调多个n c 程序的执 行。 工艺规划和n c 编程应该通过两种模式来完成，即交互式和自动式。在自 动模式中，系统应该处理其力所能及的工作并在遇到自身无法处理的情况下自 然地过渡到交互模式。由于在自动模式下，系统已有比较强大的处理能力，大 部分工作都可以在这一模式下完成。 2 2 2 工艺规划 工艺规划可以定义为“将原材料从一种状态转换到另一种状态所需的操作 过程”( a n s i ) 。工艺规划的核心是一个工序集合。为了完成工艺目标，它们中 的一部分或全部都需要被执行。工艺规划同时还需要提供信息以指出哪些工序 要执行以及以什么样的顺序执行。在简单的规划中，这信息可能是隐含的， 即默认加工顺序为工序在工艺中出现的先后顺序。此外，一个规划可能还包括 ( j ) 管理信息，例如工艺规划的名称和版本号( i j ) 所需物质资源的列图( i i i ) 规划中使 用的参数图或其它数据资源。 2 2 3 加工工艺规划 本文中的加工工艺规划专指工步规划。它主要包括加工操作集合的说明。 一个切削操作的说明至少包括两种数据类型： 1 操作描述操作的类型，所要使用刀具的类型，进给率，主 轴转速，水平步长，垂壹孔形深度以及其它可能与操作有关的信息。 2 所要去除材料的形状说明材料去除形素体积。 2 2 4n c 工艺信息模型 i p o 制造技术委员会在1 9 8 9 年曾经为n c 工艺制定了一个信息模型，但是 这个模型局限于那些从机械零件中去除材料的n c 工艺。 本文将材料去除形素体积定义为“在材料去除规划中特定的材料去除体积 单元”，它可以包括工件中许多并不毗连区域的材料。 本文还定义“n c 去除形素体积”为从一个材料去除形素体积到n c 可去除 形素体积的分解。每一个体积是其相关材料去除形素体积的子集。 这里给出一个去除体积的例子：一个材料去除形素体积可以是由单一钻孔 操作所加工出来的一系列孔，而一个n c 去除形素体积必须是一个体积，不能 同时对应于多个材料去除体。 22 5 形状特征信息模型 s t e p 形状特征信息模型( f f i m ) 4 6 , 4 7 将形状特征定义为它的最上层实体。 形状特征可以是一个单独的特征。也可以是一个特征组， f f l m 包含了一个由“特征扫掠”所定义的综合特征集合。有两种“特征扫 掠”类型：轴对称和顺沿。一个轴对称特征扫掠基本上是一个回转实体。顺沿 特征扫掠可以粗略地解释为沿着某一轨迹扫掠一些平面轮廓并始终保持平面与 轨迹相垂奁。特征扫掠伴随着许多边和端部的混成。 f f i m 需要使用者知道扫掠体积与现有零件体积的关系以便能够使用特征 扫掠来创建特征。每一个特征扫掠必须被用来描述一个凹陷、凸块或通道以便 成为特征的一部分。 2 2 6 公差信息模型 公差信息模型也用s t e p 来表示。公差实体与其它模型中的实体互相配合 来表达公差信息。 第三章3 坐标加工材料去除形素体积库 这一章定义了面向3 坐标加工中心中工艺设计的材料去除形素体积库。这 一材料去除形素体积库既适用于立式加工中心又适用于卧式加工中心。这两类 加工中心在本质上都执行相同的操作。 3 1 材料去除形素体积库的本质 从基本的运动层次上说，3 坐标加工中心能够驱动切削刀具沿着三种不同 的轨迹运动：( i ) - 维空间中两点间的直线运动，( 2 ) 以平行于机床三个坐标轴方 向中任一方向的直线为轴的弧或圆运动，( 3 ) 以平行于机床三个坐标轴方向中任 一方向的直线为轴的螺旋运动。本库包含了用来表示扫掠体积的材料去除形素 体积类型( 孔，斜面，槽) ，这些扫掠体积是由球头或平头刀具沿着上述的三种轨 迹运动而产生的。扫掠体积的顶部被切断成平面。圆或者螺旋的轴心线必须平 行于刀具的轴线。 在更高的层次上，零件上往往会出现更加复杂的形状。这些形状包括复杂的 槽、型腔、台阶和外轮廓。材料去除形素体积库提供了所有这些形状。在本库 中，“型腔”材料去除形素体积不仅被用来生成普通意义上的型腔还用于生成台 阶、外轮廓和背板。 所有的材料去除形素体积都被构建成闭合体积。所有的材料去除形素体积 的顶部都被构建成平面。每一个材料去除形索体积都有附于其上的本地坐标系。 当一个材料去除形素体积被构建时，本地坐标系会由定位器定位到基坐标系的 相应位置。 3 2 描述方法 本文中的材料去除形素体积库被表述成实体类型的层次结构。每一个实体 类型都有一系列的属性。这些属性的值必须满足特定的数据类型( 实数，字符串， 特殊符号，实体类型) 。有些属性是可选的，也就是说，这些属性可以通过实体中 的其它属性来体现。本章中将可选属性描述为可省略的，这应该理解为这一属 性值为空。一个实体可以有予实体。子实体继承父实体的所有属性并拥有其特 有的其它属性。只有那些没有子实体的实体类型才能成为工艺设计可参考的材 料去除形素体积。 本章将使用两类模型：( 1 ) 材料去除形素体积层次模型( 2 ) 单个材料去除形 素体积类型的描述。在许多情况下，对于属性值的限定是必要的。这些限定将 不会出现在层次模型中而只会出现在单个体积描述当中。 3 3 轮廓 材料去除形素体积库中的许多形状都借助于“轮廓”来表达。库中轮廓既 可以指用于在空间中扫掠或旋转以生成实体的二维形状，也可以指用以扫掠的 空间轨迹。 3 3 1 普通轮廓 “普通轮廓”定义成平面上圆弧和直线段的有序集合。轮廓中的几何单元( 圆 弧或直线段) 都以连续的正整数加以标识。一个轮廓至少要有一个几何单元。几 何单元首尾相连形成了一个连续的曲线。相邻的直线段除非它们的方向正好相 反。否则不共线。相邻的圆弧除非它们的走向相反，否则不同心。 如果轮廓中的几何单元超过两个，或者就是两个但它们只有一对端点相连， 这就形成了轮廓的正方向从几何单元1 到几何单元2 。如果轮廓中只有一个 几何单元，或者是两个几何单元但是它们的两对端点都已相连，这时的正方向需 要指定( 例如利用第一个几何单元的潜在曲线定义) 。轮廓的起点为第一个几何单 元负方向上的终点。轮廓的终点为最后一个几何单元正方向上的终点。 3 3 2 轮廓的其它类型 轮廓的其它类型是普通轮廓的子类型。如果轮廓的终点和起点重合，这一 轮廓就叫做闭合轮廓。否则叫做开放轮廓。如果一个闭合轮廓自身不相交，那 么它就叫做完全闭合轮廓。如果一个开放轮廓自身不相交并且具有下述特性， 那么它就称作完全开放轮廓：将轮廓的起点p 和终点q 用真线l 连接。轮廓与 直线除p 点和q 点外不再相交。 令直线m 与直线l 在任意点垂直相交，完全开放轮廓必须满足( 1 ) 如果m 与 l 的交点在p q 段以外，那么m 不与轮廓相交。( 2 ) 如果m 与l 的交点在p q 段 内，那么m 只与轮廓交于点或者它与轮廓中的某一直线段重合。 3 4 层次图和约定 图3 1 显示了库中材料去除形素体积的主要层次。 为了使图3 1 的布局便于理解。我们使用了如下约定： 1 每一个实体类型都定义在一个白矩形框中。 2 实体类型的名字用黑体字表示。 3 实体类型的属性名用斜庠孚表示。 4 每个属性的数据类型都在属性名后给出。 5 父实体类型位于其子类型的上部并与它的子类型用实线相连。库中每一 个实体类型的所有属性的完整集合都可以在图3 1 中通过向上检索实体 类型的父类型来得到。 图3 2 和图3 3 都使用相同的约定。图3 2 显示了可能存在于型腔中的岛的 层次图。图3 3 显示了可能用于材料去除形素体积的复制方法的层次。 图31 库中材料去除形素体积的主层次 3 5 主层次 如图31 所示，主层次中摄顶端的实体是材料去除形素体积。一个材料去除 形素体积有三个属性：( 1 ) 塞希筋祝其值是一个或更多材料去除形素体积的集合 ( 2 ) 复制器其值是一个可选的材料去除形素体积复制方法( 3 ) 材料去艨彤豢秘积 名j 敷其值为一个字符串。在定义材料去除形素体积集合的物理文件中，任意 两个材料去除形素体积的名称都不相同。 材料去除形素体积的复制方法将在3 7 中加以讨论。 图3 1 的剩余部分显示了材料去除形素体积的子类型。两个主要的子类型是 ( 1 ) 基本材料去除形素体积( 它有其自身的位置) ( 2 ) 辅助材料去除形素体积( 其位 置和与它相关的基本材料去除形素体积有关) 。库中唯一的辅助材料去除形素体 积是螺纹，它指孔内部的右旋螺纹。 每一种基本材料去除形素体积在全局坐标系中的位嚣由岔萱属性定义。其 值必须是“中心线位置”。 基本材料去除形素体积的子类型和它们的近似形状如下所示。在大多数情 况下，对这些形状会有更多的限制以使这些形状能够被加工出来。每一种形状 在其中一侧都有边界，这一边界由平面构成并形成材料去除形素体积的上表面。 当形状处于加工位置时，该平面与刀具轴线垂直。 1 槽将一横截面( 可以是参数可描述的标准形状或完全闭合轮廓) 沿 着普通轮廓轨迹扫掠并保持横截面与轨迹相垂直。通常情况下，横截 面为切削刀具的轮廓，轨迹位于工件的一个平面上。因此从工件上去 除这一形状就构成了通常所称的槽。 2 斜面将切削刀具沿着以下轨迹扫掠( i 】一条不在垂直于刀具轴线 的平面上的直线( i i ) 一条轴线平行于刀具轴线的螺旋弧。 3 线性扫掠沿着一条垂直于轮廓平面的直线扫掠一个完全闭合轮 廓。一般来说，这条直线垂直于工件的一个平面。线性扫掠的两个子 类型是孔和型腔。材料岛可以在某些型腔中存在。岛将在3 6 中讨论。 4 回转型腔以一条贯穿轮廓端点的直线为轴旋转一个完全开放轮 廓。对于水平回转型腔，这一形状的一部分被平行于轴的一个平面所 切断。 5 切边沿着一个普通轮廓轨迹扫掠一个直角三角形并保持三角形 与轨迹垂直。直角三角形的直角边可以是圆弧。这种类型的材料去除 形素体积主要用来将工件的一边倒平或倒圆。 3 6 岛 岛是一个从型腔材料去除形素体积中布尔减除的闭合体积。因为岛是从其 父型腔中布尔减除的，如果一个岛延伸出型腔的上表面，型腔外的部分没有实 际意义。 图3 2 定义了岛的三种子类型。每一种岛最好都被看作是一种材料去除形素 体积的对立物。岛可以看作是将其对立物填充原材料( 忽略边界情形) 后得到的形 状。 1 高台岛无岛型腔的对立物。一个高台岛看上去就像一个高台f 见图 3 5 、。 2 逆槽岛槽的对立物( 见图3 1 6 ) 。 3 回转岛一一回转型腔的对立物( 见图3 1 7 ，31 8 ) 图32 岛层次 3 7 组和复制方法 组在材料去除形素体积库中是通过将材料去除形素体积的基本筋痨属性定 为材料去除形素体积集合而不是单个的材料去除形素体积来实现的。这在图3 1 的上方表示出来。当然集合中也可能只有一个元素。集合中的材料去除形素体 积的类型可以不同a 例如，型腔和槽同时可以存在集合中。因为组是透过这种 方式定义的，因此就不再需要一个以“组”命名的实体。 复制方法包括模式和重复。图3 3 显示了复制方法的层次。 图3 3 材料去除形素体积复制方法 3 7 1 模式 模式是一个用来得到基本形状复制品的规则。库中所有的模式都是二维的 并应用于材料去除形素体积的x y 平面上。模式不包括任何的基本体积。模式 的本地坐标系就是材料去除形素体积的坐标系。有两种主要的模式，即“平行 等距阵列模式”和“圆环形状模式”，下文将采用它们的简称，即“平行阵列 模式”和“圆模式”。 这些模式包括特定模式元素的省孀和缩移j 是项。模式中的省略指省略其中 元素的一个索引( 对于圆模式) 或两个索引( 对于平行阵列模式) 。偏移模式就是确 定要偏移的元素并给出提供偏移方向和大小的矢量。 材料去除形素体积中由模式确定的第一个位置就是其墓j 吞律袄嘱性中的第 一个材料去除形素体积。模式的属性将决定如何根据这个起始点来确定额外的 位置。材料去除形素体积基本鲈庆属性中的第一个去除体积的拷贝就位于这些 位置上。如果基本秘积属性中有多于一个的材料去除形素体积，那么在每一个 位置上，集合中其它去除体积的拷贝的位置将与第个体积有关，它们的关系 由材料去除形素体积的定义来确定。 注意到既然模式不包括基本形状，相同的模式可以用在许多材料去除形素 体积中。如果一个2 行3 列的孔阵需要打中心孔、钻孔和扩孔。所有1 8 个f 2 行 x 3 列x 3 道工序) 要去除的材料块可以通过定义三个材料去除形素体积来实现， 其中的每一个使用相同的模式不同的基本形状。 对于平行阵列模式： 1 万廊鸯给出了同一行相邻元素的方向和距离。 2 刃恂鸯给出了同一列相邻元素的方向和距离。 3 复制的方向与原始材料去除形素体积的方向是一致的。 对于圆模式： l ，圆的轴线平行于基本匀f ：舯第一个材料去除形素体积位置的z 轴，并 且继承了该z 轴的正方向。 2 拷贝将在圆环上等距放置。换句话说，拷贝n 和圆心的连线与拷贝n + 1 和圆心的连线之间的夹角相等 3 如果角度属性被省略，那么拷贝会在3 6 0 度圆环内被等距放置。 4 如果使用角度属性，那么其值必须小于3 6 0 、大于3 6 0 并且不等于0 。 5 元素爹裁属性是指总数，包括基本元素。 6 力俺属性指出拷贝的x 轴是否应该互相平行( 在这种情况下，力俺属性 的值为平行) ，或者x 轴是否应该旋转以使拷贝的x 轴与圆的半径之间 保持恒定的角度( 在这种情况下，力俺属性值为径向) 。 3 7 2 重复 重复是将一个材料去除形素体积集合复制到另外的位置。这可以通过指定 中心线位黄或镜像平面或两者的结合来确定。这里的中心线位置应被解释成集 合中第一个材料去除形素体积的中心线位置。 如果已经指定了岔置裙性并且集合中的材料去除形素体积多于一个，那么 集合中每一个其它材料去除形素体积的拷贝的位置将与第一个材料去除形素体 积的拷贝的位置有关，其位置关系在材料去除形素体积中定义。 平面镜像可以通过传统的方法来实现，即将材料去除形素体积中的某点p 通过与平面垂直直线延伸到等距的平面另一侧。 然而镜像螺纹材料去除形素体积并不意味着颠倒螺纹原先的特性。所有的 螺纹都是右旋螺纹。镜像将每一个材料去除形素体积匹配成与它类型相同的材 料去除形素体积。 如果一个重复既包括岔膏又包括赞缮，岔茗使在舒编菏应用。 3 8 材料去除形素体积详述 这一部分将详细例示材料去除形素体积的细节。在大部分情况下都会给出 所需属性的列表。图通常都显示为给定类型的材料去除形素体积的俯视图和主 视图。图中的本地坐标系都以粗箭头标示为x 轴，y 轴和z 轴。 本部分图中所显示的材料去除形素体积可以看成是原材料基体块中的空 穴，材料去除形素体积和原材料基体块的顶部重合。但是定要说明的是，材 料去除形素体积被定义成一个被布尔减除的闭合体积，所以如果材料去除形素 体积被放在不同的位置，剩余的材料形状也将不同。 4 3 8 1 线性扫掠型腔 线性扫掠的子类型中有四类型腔，这里只讨论其中的两类( 无岛矩形型腔和 无岛其它型腔) ，此外还有两类( 有岛矩形型腔和有岛其它型腔) 。 对于所有的线性扫掠型腔： 1 型腔本地坐标系的原点位于型腔的底平面上。 2 型腔本地坐标系的z 轴与型腔底平面垂直。 3 型腔的2 餮溲i 正实数) 应沿着z 轴测量。 4 如果型腔的底部与型腔壁有混成( 也包括底部与任何岛壁的混成) ，这 一混成必须留有从各个方位到达型腔底部的空间。 3 8 无岛矩形型腔 无岛矩形型腔的一个例子如图3 4 所示。 图3 4 无岛矩形型腔 矩形型腔的花 参是一个可能带有圆角的矩形。矩形的四壁( 倒圆前) 平行于本 地坐标系的x 轴和y 轴。用来描述轮廓的数据包括平行于x 轴的z 感正实数) ， 平行于v 轴的藏癫正实数) 以及描述倒角半径的角半缀非负实数) 。如果角半径 为0 ，那么四角就都没有进行倒圆。长度必须大于等于j 拨。 角半径不能够大于觉发韵一半，但是两者可以相等，这就意味着矩形四壁 中的两壁可以被全部倒圆。从而生成第一种情况下的跑道形和第二种情况下的 圆形。 3 8 1 2 有岛其它型腔 有岛其它型腔的例子如图3 5 所示。 有岛其它型腔的轮廓f 必须是完全闭合轮廓) 有其自身的二维本地坐标系。有 岛其它型腔本地坐标系的x 轴和y 轴从轮廓中继承而来，本地坐标系的z 轴根 据型腔的x 轴和y 轴以及右手原则确定。 3 8 2 孔 图3 6 中列举了孔的5 个例子。 一个孔就是一个具有可选端部条件的正圆柱体。孔的本地坐标系位于其底 部中心。与圆柱体共享z 轴，其轴指向顶端。 孔的端部条件包括锥端，倒直角，倒圆。孔的底部条件可以耗尽圆柱体的 整个长度，但是不能大于它。因此，一个孔完全可以是一个半球或圆锥。如果 端部条件是倒角，就不能将孔的整个底面倒完。 孔的冻i 复是指圆柱的深度。 孔可以用在打中心孔，麻花钻钻孔，扩孔，镗孔，打沉头孔以及其它涉及 圆柱或圆锥材料去除形素体积的加工操作。 3 8 3 槽 如前所述，槽是将一个横截面( 可以是在参数上能定义的标准形状或完全闭 合轮廓) 沿着某个普通轮廓轨迹扫掠得来的形状。对于三种标准槽中的任意一 个，横截面是刀具的轮廓并且轨迹位于工件的平面上。因此从工件中移除这一 形状就会得到通常意义上的槽。 3 8 3 1 标准槽横截面 三种标准凹槽为矩形槽( 由平底立铣刀加工而成，铣刀的端部和侧面可能有 倒圆或倒角) ，圆槽( 由球头立铣刀加工而成) 和v 形槽( 锥项刀具加工而成) 。标 准槽的横截面如图37 所示。对于标准槽，不是采用完全闭合轮廓来描述槽的 横截面，而是由槽自身的2 到3 个属性来定义横截面。 如果矩形槽有一个底部混成，这一混成不能大于矩形的深度，并且不能够 使用掉槽的整个底端。 图3 5 有岛其它型腔 如果圆槽的底部是一个圆弧，那么圆弧的直径并不会在属性中给出，因为 它可以根据宽度和深度计算出来。如果深度大于或等于宽度的一半，直径就等 于宽度。如果深度小于宽度的一半，直径等于( d + ( w 2 4 d ) ) ，其中，w 是宽度，d 是直径。 槽的横截面有一个二维坐标系。对于标准槽，坐标原点位于横截面底部中 图36 孔 心并且其x 轴平行于横截面的宽度力- r a 。为了将这个二维坐标系与槽相关联， 加上了z 轴，从而形成一个右手坐标系。 3 8 3 2 轮廓 槽的彰l 廪横截面扫掠时走的轨迹) 是在其本地二维坐标系中描述的。槽的坐 标系的。槽的坐标系位置与毙席有关，当将z 轴加入筢：劈坐标系后，形成 一个右手坐标系。轮廓不一定是闭合的并且可以与自身相交。 本文没有为库中的槽彩席给出任何的标准形状( 例如圆和矩形) 。这里定义的 标准槽具有标准横截面而不是标准轮廓。 3 8 3 3 槽的生成 为了能够形成槽，横截面坐标系的原点将从花席轨迹的起点一直拉伸到终 点并在整个空间中扫掠横截面。扫掠体积就是槽。在拉伸过程中，横截面的y 轴平行于槽坐标系的z 轴并且横截面的z 轴始终指向运动的方向。这个方向是 由毙蒯l 迹的正方向和轮廓在横截面附着点上的轮廓切线所决定。如果轮料， 存在尖角，那么切线在尖角处无定义，附着点在以下情形将停止运动：当横截 宽度宽度 宽度宽度宽度宽度 ， ，一j 一 辟引剖vui 。 ， ， 无混成斜角混成圆角混成v 型槽 圆槽深度圆槽深度 矩形槽矩形槽矩形槽 1 2 宽度 1 2 宽度 图37 标准槽横截面 面旋转一个小于1 8 0 度的角以重新定位横截面的z 轴，即从平行于纪劈轨迹某 个元素终点切线到平行于下一个元素的起点的切线。 如果轮廓是开放的，那么横截面在轮廓轨迹的端部绕其v 轴旋转1 8 0 度所 得到的额外扫掠体积将计入槽中。 对于标准槽，上面描述的扫掠体积对应于加工中心驱动切削刀具沿着筢省彰 轨迹运动所产生的切削形状。 3 8 3 4 标准槽偏移 如果槽是一个具有偏移的标准槽，那么一个新的轮廓将会产生并按照先前 的方法生成槽。 如果偏移是“左”，那么新的轮廓就是由相应于无偏移轮廓正x 轴侧的点 所定的轨迹。如果原始轮廓有：( i ) 相左的突转( i i ) 向左弯的弧并具有小于横截面一 半宽度的半径，这个轨迹就变得十分复杂。为了避免这样的复杂度，在这种情 况下，我们将不允许使用左偏移。 相应地，如果偏移在“右”，那么新的轮廓就是由相应于无偏移轮廓负x 轴 一侧的点所定的轨迹。如果原始轮廓有：( i ) 相右的突转( i i ) 向右弯的弧并具有小于 横截面一半宽度的半径，这个轨迹就变得十分复杂。为了避免这样的复杂度， 在这种情况下，我们将不允许使用右偏移。 3 8 3 5 其它槽 对于其它槽，我们做了类似的限定：( 1 ) 轮廓不可以有尖角( 2 ) 向左弯的弧的 半径不能小于横截面所能达到的x 轴的最大值( 3 ) 向右弯的弧的半径不能小于横 截面所能达到的x 轴的最小值的绝对值。 此外，如果其它槽是开放的，横截面必须关于v 轴对称。 其它槽的横截面也是由槽的蘅或厕莴性所定义的完全闭合轮廓。我们需要 横截面所能达到的最小y 值为0 。在大多数情况下，横截面的上边界将是平行于 横截面x 轴的直线。 既然很难非常精确地加工出其它槽。这种类型的槽就应该有一个可选的袭 厨公羞属性。这一属性指出了槽定义时舶名义表面和加工后的实际表面的允许 差值。 3 8 3 6 槽的例子 图3 8 显示了矩形槽的例子，它使用了一个自身不相交的开放，务癍 图3 8 矩形槽 图3 9 显示了其它槽的例子。它使用一个自身不相交的闭合轮廓。 图3 9 其它槽 3 8 4 螺纹 螺纹材料去除形素体积用于攻丝加工操作，它在现有孔的内部生成螺纹。 一个螺纹材料去除形素体积是指螺钉拧入孔的那一部分体积。 螺纹是库中辅助材料去除形素体积的唯一的子类型。由于螺纹材料去除形 素体积没有属于自己的位置所以它是辅助体积。个螺纹的位置是由其所在的 基孔的位置决定的。但是螺纹有自己的深度。螺纹起始于孔的顶端并沿着负z 轴方向一直延伸到螺纹的艨l l 属性值处。 螺纹并不是在孔的基础之上再加上几个特有属性来定义的，因为在加工螺 纹孔的过程中至少需要两种加工操作：制孔操作和制螺纹操作。每一个操作都需 要一个适当的材料去除形素体积。 实际上，一个螺纹可以有许多不同的体积，这是因为螺纹材料去除形素体 积应用于孔的集合，螺纹采用这种方式定义就