复杂零件三维机加工艺网络化发布方法研究_靳占林.pdf

第39卷第1期2023年2月Electro-Mechanical Engineering制造工艺DOI:10.19659/j.issn.10085300.2023.01.009复杂零件三维机加工艺网络化发布方法研究*靳占林，李申，曹鸽（西安电子科技大学，陕西 西安 710071）摘要：针对三维机加工艺在制造端轻量化的需求，文中研究了一种复杂零件三维机加工艺网络化发布方法。首先，以工序特征模型作为信息载体代替二维工序图纸。针对机加工艺模型的多工序的加工特性，给出了多工序模型的输出方式，并采用中间转换法对工序模型进行轻量化处理以满足Web端可视化需求，让工艺制造端显示更加直观可靠。其次，为了更好地体现复杂零件的加工面，分析了机加工艺工序模型加工特征轮廓的提取应用方法，包含边界曲线的格式定义以及网络显示方式。最后通过实例验证了文中所述机加工艺模型发布方法的可行性和有效性。关键词：机加工艺；轻量化；数据提取中图分类号：TP391.9文献标识码：A文章编号：10085300(2023)01004804Research on Network Publishing Method of 3D Machining Processof Complex PartsJIN Zhanlin,LI Shen,CAO Ge(Xidian University,Xian 710071,China)Abstract:Aiming at the requirement of lightweight 3D machining process at the manufacturing end,anetwork publishing method of 3D machining process for complex parts is studied in this paper.Firstly,the operation characteristics model is used as the information carrier to replace the two-dimensional processdrawing.According to the processing characteristics of multi-operation of the machining process model,theoutput mode of the multi-operation model is given,and the intermediate conversion method is used to lightenthe operation model to meet the visualization requirements of the web end,so that the display of the processmanufacturing end is more intuitive and reliable.Secondly,in order to better represent the machining surfaceof complex parts,the extraction and application method of machining feature contour of machining processoperation model is analyzed,including the format definition of boundary curve and network display mode.Finally,the feasibility and effectiveness of the publishing method of machining process model described in thispaper are verified by example.Key words:machining process;lightweight;data extraction引言传统的二维工艺无法有效地继承和利用三维工艺模型中的相关信息，在一定程度上造成结构设计和工艺脱节1。随着计算机智能制造系统的发展，三维工艺软件产业迅速发展，机加工艺设计已经从传统的二维图纸方式2转换为三维工艺软件统一设计。计算机辅助工艺规划（Computer Aided Process Planning,CAPP）系统顺势成为辅助工艺设计人员完成零件机加工艺规程化设计以及数据化管理3的有效方式之一。HTML5规范和WebGL技术的出现使得Web端成为一种三维模型加载显示的理想化平台，三维模型在Web端的无插件显示成为一种新的有效方式4。目前三维工艺在生产线Web端尚未普及，三维机加工艺模型的发布技术也尚未完善，因此通过三维机加工艺模型的网络化发布技术完成三维模型Web端浏览具有良好的应用前景。通过对复杂零件三维机加工艺模型以及Web端加载三维工艺模型所需文件信息进行数据分析可知，机加工艺模型Web端可视化5需要各工序模型6的*收稿日期：20220922基金项目：基础科研项目（FG11017040001）48第39卷第1期靳占林，等：复杂零件三维机加工艺网络化发布方法研究制造工艺网格化模型与工序模型的工艺数据两方面内容。依据轻量化技术7以及机加工艺模型自身的多工序的加工特性，提出一种机加工艺模型的网络化发布方式，使得三维工艺模型网页端可视化浏览成为可能。首先，依据三维机加工艺设计模型与发布模型的映射关系输出工序模型。其次，为了提高Web端浏览速率，减少卡顿，输出的工序模型需要轻量化处理。工序模型的工艺信息主要提取加工特征轮廓使得加工工序的加工表面更加直观清晰。最后，在网页端加载各工序的网格轻量化模型与工序的加工特征轮廓来实现机加工艺模型的工序切换。1三维机加工序模型生成三维机加工艺模型包括零件在设计制造以及工艺制造过程中所需要的几何信息和工艺信息，而特征作为零件的基本单元8，本身就是一种信息载体，但是一些工序工艺信息并没有直观显示，这样就需要按照一定的转换规则使工艺模型变为工艺系统所识别的数据结构，即工序模型。1.1工艺模型特征映射三维机加工艺模型根据模型加工方法有车、刨、铣、孔和磨加工等多种，而不同的加工方法在模型上会以不同的特征体现，例如车加工和磨加工以拉伸或旋转特征体现，刨加工和孔加工以拉伸特征体现，而铣加工可以以扫掠的方式体现。工艺特征在模型上的体现实质上就是一种按照一定映射关系对应的具体设计特征，其依据模型的加工工艺构建，可以完成一定的模型特征编辑9以及工艺编辑。关键在于机加工艺模型设计特征的创建顺序、加工特征的加工顺序、工序特征模型的输出顺序以及设计特征和加工特征之间的映射关系处理，如图1所示。设计特征加工特征加工工序工序模型输出特征识别特征重组设计特征逆序dFeat1dFeat2dFeat3dFeat4dFeat5dFeat6.dFeatnpFeat1pFeat2pFeat3pFeat4.pFeatn工序1工序2工序3图 1模型特征与工序模型发布映射关系对于复杂零件，每个零件模型包含很多设计特征，但只有一部分设计特征属于加工特征，需要通过特征识别来区分。一个或多个加工特征组成一个加工工序，而加工工序的顺序与加工特征的创建顺序并无必然联系。每个加工特征都会输出特征模型，但是对于一些特征，如阵列、组、镜像以及其互相嵌套的情况，作为零件的基本单元无法完成其中单个成员特征的抑制，这样会导致输出大量相同的工序模型。针对这一情况，只输出父项特征即可，这样可以避免模型重复输出所造成的时间损失，其中的成员特征需要此时的特征轮廓来显示。1.2工序模型生成方法常见的两种三维机加工序模型生成方法为正向法和逆向法10。正向法采用“去材料”的方法由下料状态向最终设计状态依次生成工序模型，此方法对应设计特征与工艺特征之间没有确定映射关系的工艺模型。逆向法则正好相反，采取“加材料”的方法从模型的最终设计状态向下料状态依次生成工序模型，此种方法应用于设计特征与工艺特征具备确定映射关系的情况，一般通过对设计特征的删除或抑制操作以达到对工艺特征抑制的目的。本文的基于设计特征与工艺特征完成特征映射的机加工艺模型采用工序模型逆向生成方法生成工序特征模型。此方法可以保证工艺工序模型与零件设计模型的一致性，并减少工艺人员制作工艺信息文件的工作量。为尽量减小对原始工艺模型的影响，采用特征抑制的方式来生成工序模型。考虑工序模型的生成效率，在建模软件中，设计特征逻辑创建顺序，自下而上逆序抑制加工特征，模型不需要完成特征再生就可以生成。每次工序模型输出从底至顶抑制加工特征以下的设计特征，完成工序模型状态改变，在此状态完成工序模型输出。工序模型在网页端的显示采用多工序模型网页端切换完成不同工序模型的显示，而不同工序模型的发布则采用轻量化技术将其转换为Web端可视化所需的结构。2工序模型轻量化本文首先将工序模型输出为各大三维软件支持的中性几何文件格式STP文件，然后进行三角化网格处理，这里可以选取OBJ格式使其变成网格模型过渡，然后将OBJ文件转换为glTF格式文件11，这里可以使用AGI公司（Analytical Graphics Inc.）的obj2gltf转换工具完成批量格式转换。为了实现轻量化文件的更大压缩率，可以再对三角面片进行几何数据压缩，最后49制造工艺2023年2月采用二进制方式即glb格式文件进行数据存储。2.1模型轻量化技术本文的模型轻量化技术通过提取三维机加工序模型网络化显示所需的几何结构信息，把三维模型变为数据量小、可快速浏览和共享信息的轻量化文件格式。采用轻量化技术可以迅速地将三维模型显示所需的几何结构信息传递至Web端，然后在网络端完成模型渲染显示，以便用户更加快速方便地浏览模型的几何轮廓信息。在轻量化模型中丢弃模型的非几何信息，只采用一定格式的点线数据来表示必要的几何结构拓扑关系。这样轻量化文件的数据量相较于三维实体模型的数据量会大大降低，模型加载速度也会大幅度提升。随着智能制造产业的飞速发展，轻量化技术的应用越来越广泛，为了满足网络端的浏览需求，实现三维模型信息共享，各大三维工艺软件开发厂商推出了自主化的轻量化模型文件格式转换12和网络化浏览工具。国内主要有山大华天软件的SView轻量化浏览器、清软英泰的TiVue、武汉天喻的InteVue等。虽然这些浏览器所用轻量化文件的数据结构不都开源，但在原理上都是以网页OpenGL所能加载的数据结构来组织的，数据格式也是大同小异。2.2工序模型轻量化方法本文的轻量化方式采用中间交换格式法对工序模型进行轻量化处理。STP文件格式作为一种标准化三维模型文件格式，在各大三维软件中都可以完成导出，因此本文以STP格式作为转换起点。但是由于STP文件格式满足STEP模型交换标准13，其文件数据结构包含三维模型所需的几何拓扑结构、外观材质属性和公差配合关系等模型信息，因此，STP模型与原模型的文件数据相差较小，加载所需时间较长，为了实现快速浏览必需将STP模型网格化。obj文件是由Wavefront公司推出的一种标准的三维模型文件格式14，其数据格式支持直线、多边形等基础几何形状以满足网格化需求。同时由于obj文件的数据结构简便，在程序中易于读取，比较适合作为一种中间转换格式，所以本文选择导出obj格式来进行网格化处理。glTF代表一种图形语言传输格式应用于模型实时渲染15，它将三维模型几何拓扑结构、外观材质信息、动画场景相机等数据信息以JSON节点属性的形式分层次存储，相较于原始模型文件可以实现极大的数据压缩，完成在网络端的快速传输和高效率加载。综上所述，本文将最终格式确定为glTF二进制格式，以完成工序模型轻量化文件转换及模型的网络可视化加载。2.3轻量化方法压缩比测试通过本文所述的中间交换格式方法测试轻量化文件压缩效果，压缩比约为原始模型的5%，表1所示为3个模型转换压缩比测试实例。表 1模型转换压缩比测试实例文件名称原模型文件STP/MB轻量化文件glb/MB压缩比%Test197.304.4604.58Test220.701.1705.67Test34.070.0842.063特征轮廓数据提取对于工序模型，为了突出其加工特征，可以从原始模型提取工艺特征边界数据，在可视化加工特征面高亮显示，以凸显当前工序的加工表面，可以达到更直观的效果。数据格式可以采用JSON格式。特征边界数据由一些曲线组成，包括但不限于线段、圆弧线、样条曲线及椭圆线等。这里给出1种以上4种线的JSON数据格式定义，如图2所示。线段由两个端点的三维坐标组成；圆弧线由圆心坐标、半径、起始点和终止点的方向向量以及起始角度和终止角度的弧度值组成；样条曲线由1个样条曲线参数数组、1个样条插值点的坐标数组、每个插值点的切向量数组以及插值点数组大小组成；椭圆线由椭圆的中心坐标、长短轴半径、起始点和终止点的方向向量以及起始角度和终止角度的弧度值组成。end:0.0,-406.086700,65.995543,start:0.0,-370.275224,64.371760,type:Line,end_ang|e:0.037845,origin:-3.908893,0.0,0.0,radius:445.838190,start_ang|e:0.0,type:Arc,vector1:0.0,-1.0,0.141707,vector2:0.0,0.141707,1.0,num_points:3,par_arr:0.0,0.50,1.0,pnt_arr:-3.908893,-438.632612,79.831845,-3.612406,-437.517001,79.781854,-3.309008,-436.375384,79.730982,tan_arr:0.586035,2.205158,-0.098270,0.599890,2.257321,-0.101001,0.613712,2.309523,-0.102903,type:Sp|ine,center:-2.911892,2.645333,58.341091,end_ang:1.599587,major_axis_unit_vect:-0.258819,0.043752,0.964934,major_|en:390.827338,minor_|en:372.965528,norm_axis_unit_vect:0.965925,0.011723,0.258553,start_ang:1.541302,type:E|ipse,(a)直线(b)圆弧线(c)样条曲线(d)椭圆曲线图 2边界曲线JSON格式定义50第39卷第1期靳占林，等：复杂零件三维机加工艺网络化发布方法研究制造工艺不同状态下的工序模型的边界线是不同的，如果当前工序下包含多个特征且这些特征之间存在依赖关系，则需要找到当前工序最后创建的设计特征来生成工序模型，然后在此状态下提取当前工序下所有的特征边界线。考虑到提取效率，为了避免模型再生所消耗的多余时间，采用与工序模型并行的逆序输出方式，即在当前工序模型状态下提取工序中各工序边界线。4发布工具开发与模型验证本文选用Pro/E模型太阳轮作为机加工艺测试用例，基于Visual Studio软件开发平台以及Pro/E软件的protoolkit开发工具与API接口构建机加工艺模型发布平台，如图3所示。采用本文所述的网络化发布方式以基于WebGL技术的可视化页面进行验证，得到机加工艺特征模型的发布结果，如图4所示。当前显示的模型为此太阳轮的某个工序模型，高亮的红色线表示当前工序的加工特征表面。经过对比，在网页端显示的机加工艺特征模型与原模型在Pro/E三维软件中的显示一致，达到了机加工艺在Web端的可视化浏览要求。图 3机加工艺模型发布平台(a)Pro/E 10工序半精车模型(b)网页端10工序半精车模型(c)Pro/E 50工序磨齿修型模型(d)网页端50工序磨齿修型模型图 4太阳轮机加工艺模型发布测试5结束语传统的二维工艺通过绘制工序流程图来设计工艺，这样不仅过程繁琐不够直观，还容易产生表示歧义等问题。为了实现复杂零件三维机加工艺Web端可视化浏览，本文提出一种机加工艺模型发布方案，以三维机加工序模型作为工艺信息的载体来替代传统二维工艺简图，采用工序模型逆向生成方法生成工序特征模型，采用中间交换格式法对工序模型进行轻量化处理，以glTF文件的二进制格式作为轻量化特征模型。以高亮提取的网页端加载工序模型工序特征边界作为工序模型加工面显示机加工艺模型进行验证。最终使机加工艺设计生产时所需表达准确、高效、直观。参 考 文 献1 刘世涛.工程机械产品机加工三维工艺基础关键技术研究与应用D.北京:机械科学研究总院,2014.2 杨志波.三维装配现场可视化关键技术及应用的研究D.辽宁:东北大学,2014.3 AL-WSWASI M,IVANOV A,MAKATSORIS H.Asurvey on smart automated 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