1 引言

特征造型不僅能表達(dá)機(jī)械零件的底層幾何信息免趋，而且可從具有工程意義的較高層次上對產(chǎn)品進(jìn)行表達(dá)和建模择葡，有效支持產(chǎn)品整個生命周期內(nèi)的各個環(huán)節(jié)肴茄。因此纯丸，特征造型是將設(shè)計(jì)與質(zhì)量計(jì)算偏形、工程分析、數(shù)控加工編程等環(huán)節(jié)聯(lián)結(jié)起來的紐帶觉鼻。

大多數(shù)特征造型系統(tǒng)均采用邊界表示法(B-rep)和構(gòu)造幾何法(CSG)相結(jié)合的方法來描述零件的形狀特征俊扭。邊界表示法主要用于描述構(gòu)成幾何體的幾何元素(頂點(diǎn)、線坠陈、面等)之間的拓?fù)潢P(guān)系，并可輔助用戶選取特定的幾何元素；構(gòu)造幾何法則通過樹形操作完成實(shí)體體素的拼合皮卸，形成最終設(shè)計(jì)特征俭宁。本文主要討論構(gòu)造幾何法的擴(kuò)展及其在數(shù)控鏜刀特征造型系統(tǒng)中的應(yīng)用。該方法對于其它數(shù)控刀具同樣適用冬溯。

2 輔助面切割法的引入

由于數(shù)控刀具的形體為不規(guī)則的棱柱體缰伶，而構(gòu)造幾何法采用的拼合體素為規(guī)則形體，因此录教，單純采用構(gòu)造幾何法對數(shù)控刀具進(jìn)行造型壮煎，既不靈活效率又低。如引入輔助面切割法字瘫，則可簡化造型過程触迄，提高造型效率，在某些情況下還可降低造型難度借街。試舉二例：

例1 圖1所示為數(shù)控刀具造型過程中構(gòu)造后刀面的抽象圖形惦参。為獲得形體Ⅰ，采用構(gòu)造幾何法的步驟如下：

圖1

1) 構(gòu)造原始長方體伶丐；
2) 構(gòu)造直棱柱Ⅱ悼做，并從原始長方體中減去直棱柱Ⅱ疯特，得到中間形體；
3) 由于棱柱Ⅲ為非直棱柱肛走，經(jīng)處理補(bǔ)齊為直棱柱漓雅，再從第2步所得中間形體中減去處理后的直棱柱。

由上述步驟可見朽色，為得到形體Ⅰ邻吞，需構(gòu)造三個體素、進(jìn)行兩步拼合才能實(shí)現(xiàn)葫男，并且還需對不規(guī)則體素進(jìn)行處理抱冷，形成體積比原體素大的規(guī)則體素后方能拼合，過程復(fù)雜梢褐。

若采用輔助面切割法解決上述問題旺遮，則只需構(gòu)造原始長方體和輔助面P，然后用 P面切割原始長方體盈咳，即可達(dá)到目的耿眉。

例2 圖2所示為數(shù)控刀具造型過程中構(gòu)造刀槽和前刀面的部分操作步驟的抽象圖形。為獲得形體Ⅰ淳某，采用構(gòu)造幾何法需構(gòu)造三個體素溅鞠，即原始長方體、直棱柱Ⅱ和Ⅲ馍上，且直棱柱Ⅱ和Ⅲ中總有一個直棱柱需被構(gòu)造為比實(shí)際需要的體素大仙茴，這也增加了不必要的存儲空間。并且哑暮，如要保證圖2中Pt點(diǎn)的空間位置签梭，則需提高原始長方體和直棱柱Ⅲ的造型要求，精確設(shè)計(jì)原始體素的尺寸掘鱼，才能得到符合要求的Pt點(diǎn)翠蓄。

圖2

若采用輔助面切割法，為獲得形體Ⅰ鸣拦，則只須構(gòu)造一個基本體素——原始長方體抢纹，然后構(gòu)造切割輔助面P1和P2，如需保證Pt點(diǎn)的位置葱妒，只要保證P1和P2平面均過Pt點(diǎn)即可谚剿，而這一點(diǎn)不難做到。

為敘述方便和清楚连锯，以上所舉二例都是經(jīng)化簡的模型归苍，實(shí)際造型中所遇到的問題要復(fù)雜得多，而且用構(gòu)造幾何法構(gòu)造一個空間形體可以經(jīng)由不同的拼合路徑运怖。與所有拼合方法相比拼弃，采用輔助面切割法都具有明顯的優(yōu)越性夏伊。

3 輔助面切割法的實(shí)現(xiàn)

雖然采用輔助面切割法可大大簡化構(gòu)造幾何法，但并非在所有情況下都能實(shí)現(xiàn)吻氧。如圖3所示情況溺忧，為獲得形體Ⅰ，必須在原始長方體上減掉長方體Ⅱ盯孙，在此情況下輔助面切割法就無法使用鲁森。因此，輔助面切割法只能作為構(gòu)造幾何法的補(bǔ)充和擴(kuò)展振惰，而無法完全取代構(gòu)造幾何法歌溉。

圖3

輔助面切割法的應(yīng)用條件為：

1) 構(gòu)造幾何法中兩體素必須作差拼合運(yùn)算；
2) 拼合形成的最終形體必須位于輔助面一側(cè)骑晶。

因此痛垛，為了最大限度地應(yīng)用輔助面切割法，在形成最終形體時梁促，應(yīng)盡量采用差拼合方法修扁。凡是能經(jīng)機(jī)械加工得到的零件，均可通過精心設(shè)計(jì)基本體素而以差拼合方法實(shí)現(xiàn)其特征造型榔况。

實(shí)現(xiàn)輔助面切割法的關(guān)鍵是輔助面的構(gòu)造及體素被切割后兩部分的取舍。

平面的幾何定義為：通過空間一固定點(diǎn)且垂直于一空間向量的曲面勃拢。即由一空間固定點(diǎn)和一空間向量可唯一地確定一個平面钩榄，其中固定點(diǎn)位于平面上，空間向量為平面的法向量后涛。因此武也，平面可由其點(diǎn)法式方程確定，即

A(X-X0)+B(Y-Y0)+C( Z-Z0)=0 (1)

其中 P0(X0口愁，Y0耿逐，Z0)為一固定點(diǎn)，而V={A鸿挠，B醇舶，C}為平面的法向量。

根據(jù)定義宋梧，可用平面上一點(diǎn)和平面的法向量來構(gòu)造平面匣沼。在某些情況下，如平面的法向量不易確定捂龄，但能較容易地找到平面上的三個點(diǎn)P0释涛、P1、P2倦沧，則可通過構(gòu)造向量V1=P0P1和V2=P0P2唇撬，然后求V1和V2的叉積而得到平面的法向量V0=V1×V2它匕。

輔助面構(gòu)造完成后，切割后的形體如何取舍窖认？在此作如下規(guī)定：凡切割后得到的兩個形體豫柬，位于法向量正方向的形體為所需形體，位于法向量負(fù)方向的形體為舍棄形體耀态。在構(gòu)造平面時轮傍，一定要仔細(xì)處理法向量的方向，使其指向所需形體首装。

4 數(shù)控刀具造型設(shè)計(jì)實(shí)例

圖4所示為一數(shù)控鏜刀抱典，現(xiàn)利用輔助面切割法結(jié)合構(gòu)造幾何法來實(shí)現(xiàn)其造型設(shè)計(jì)。

圖4 圖5

圖 5為鏜刀桿部赊偿，采用輔助面P切割原始長方體后得棱臺體Ⅰ绵另，然后從棱臺體Ⅰ上減去一大一小兩個圓柱體形成沉孔結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)用于裝夾固定鏜刀绅鉴。

圖 6a為鏜刀頭部姨莽，其造型過程如下：首先構(gòu)造圖6b所示形體。構(gòu)造原始體素長方體(由于前角有正負(fù)既蛙，且在銑制前刀面時要保證刀尖點(diǎn)的高度仲侈，因此構(gòu)造的原始長方體應(yīng)留出切割余量，如圖6b蓖社，然后用輔助面ABCD秆惑、EPFG切割該長方體。上述兩個輔助面均采用確定面上三點(diǎn)后計(jì)算法向量的方法產(chǎn)生衍止，因?yàn)槊嫔宵c(diǎn)的位置較易確定哗蛋。輔助面PHIJ、 JKLM和RSTQ用于切割出刀具的后角和前角园担，由于Pt點(diǎn)為位置保證點(diǎn)(Pt點(diǎn)與刀槽的產(chǎn)生有關(guān)届谈，決定刀尖高度的大小，而刀尖高度為保證值)弯汰，且刀具前角和后角已知艰山，因此這三個輔助面采用點(diǎn)和法向量形式構(gòu)造。

(a) (b)
圖6

通過構(gòu)造輔助面蝙泼，完成對圖6b所示形體的切割后程剥，將剩余形體與一長方體體素和一圓柱體體素作差拼合運(yùn)算，即得到圖6a的實(shí)體汤踏。

最后利用構(gòu)造幾何法將圖5和圖6a所示實(shí)體進(jìn)行拼合织鲸，即可完成圖4所示數(shù)控鏜刀的造型設(shè)計(jì)。

由上述造型設(shè)計(jì)過程可見溪胶，對于單純采用構(gòu)造幾何法造型時相當(dāng)復(fù)雜甚至難度很大的造型問題搂擦，若輔以輔助面切割法稳诚，則可使造型過程變得簡煉、有效瀑踢。

5 結(jié)語

構(gòu)造幾何法是實(shí)體造型中廣泛應(yīng)用的方法扳还，但單純采用構(gòu)造幾何法進(jìn)行造型設(shè)計(jì)有時難度相當(dāng)大。本文提出應(yīng)用輔助面切割法對構(gòu)造幾何法進(jìn)行擴(kuò)展并應(yīng)用于數(shù)控刀具的特征造型過程咱茂，大大降低了造型設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度和難度掰废，具有較好的應(yīng)用價值。

（吳睿 劉華明）

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