田富君，張紅旗，陳興玉，張祥祥

(中國電子科技集團(tuán)公司 第三十八研究所，合肥 230088)

0 引言

目前，我國大部分制造企業(yè)的機(jī)加工藝設(shè)計(jì)仍然采用傳統(tǒng)的二維工藝設(shè)計(jì)方法，二維工藝設(shè)計(jì)方法通常是在計(jì)算機(jī)輔助工藝設(shè)計(jì)（Computer Aided Process Planning，CAPP）系統(tǒng)中填寫工藝卡片的過程，工序、工步通常以自然語言來描述，并輔以二維工序簡圖，最后將工藝卡片打印成紙質(zhì)工藝文件在制造現(xiàn)場應(yīng)用。隨著三維計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（Computer Aided Design，CAD）系統(tǒng)在企業(yè)中的廣泛應(yīng)用，傳統(tǒng)的二維CAPP系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足企業(yè)的需求。

DELMIA是達(dá)索公司推出的數(shù)字化制造軟件，廣泛應(yīng)用于國內(nèi)的航空、航天、汽車和船舶等復(fù)雜產(chǎn)品制造行業(yè)。DELMIA中的DPM（Digital Process for Manufacturing）模塊的machining process planning是面向三維機(jī)加工藝設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)工序的定義、加工特征識別、加工操作的生成及工序模型的自動生成等功能。本文對通過DELMIA在三維機(jī)械加工工藝設(shè)計(jì)中的應(yīng)用進(jìn)行分析，建立了產(chǎn)品-工藝-資源對象模型，并分析了基于工序模型的三維工藝設(shè)計(jì)過程。

1 產(chǎn)品-工藝-資源對象模型的建立

機(jī)械加工工藝設(shè)計(jì)過程中主要涉及三類對象：產(chǎn)品（Product）、工藝（Process）、資源（Resource），這三類信息貫穿于整個工藝設(shè)計(jì)過程當(dāng)中。產(chǎn)品對象定義了工藝設(shè)計(jì)的對象，即“What”；工藝對象定義了如何實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的加工，即“How”；資源對象定義了采用什么資源來實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品對象的加工，即“By What”。通過對工藝設(shè)計(jì)過程中涉及到的信息進(jìn)行分析，建立了如圖1所示產(chǎn)品-工藝-資源對象模型。

1）產(chǎn)品對象

針對機(jī)械加工工藝設(shè)計(jì)，產(chǎn)品對象指所要加工的零件以及工藝設(shè)計(jì)過程中產(chǎn)生的工序模型[1,2]。零件信息包括零件編號、零件名稱、產(chǎn)品代號、數(shù)量和零件版次等。工序模型表達(dá)了加工工序的加工結(jié)果，與傳統(tǒng)的二維工藝設(shè)計(jì)中的工序圖相對應(yīng)。工序模型下面包含本道工序所要加工的加工特征，加工特征是指工序模型上一個具有語義的幾何實(shí)體，它描述了模型上的材料切除區(qū)域，表達(dá)一個加工過程的結(jié)果[3,4]。

2）工藝對象

工藝對象指零件加工的工藝設(shè)計(jì)信息，工藝設(shè)計(jì)信息描述零件從毛坯模型到設(shè)計(jì)模型的加工過程。工藝對象主要包括工藝規(guī)程、工序、工步，一個零件對應(yīng)一份工藝規(guī)程，工序是指采用一臺設(shè)備連續(xù)完成的加工集合，工步是指采用一把刀具連續(xù)完成的切削過程。加工操作是指一個或多個相同的加工特征的一次切削過程。

3）資源對象

資源對象是指制造資源信息，針對加工工藝設(shè)計(jì)，制造資源主要包括機(jī)床、夾具、刀具和量具等。

圖1 產(chǎn)品-工藝-資源對象模型

在產(chǎn)品-工藝-資源模型當(dāng)中，工藝是其中的核心，它將產(chǎn)品對象、工藝對象和資源對象聯(lián)系起來。特征的加工操作將產(chǎn)品對象與資源對象關(guān)聯(lián)起來，而工序?qū)?yīng)機(jī)床，工步對應(yīng)刀具，從而將工藝和資源關(guān)聯(lián)起來。

2 基于工序模型的三維工藝設(shè)計(jì)過程

三維加工工藝設(shè)計(jì)以加工特征為核心，通過特征加工操作的定義來生成每道工序的工序模型，其工序模型的生成是一個從毛坯模型到設(shè)計(jì)模型的正向生成過程。通過對三維加工工藝設(shè)計(jì)過程進(jìn)行分析，建立了三維機(jī)械加工工藝設(shè)計(jì)功能模型，主要包括工序定義、加工特征定義、加工操作定義與排序、工序模型生成與工序尺寸標(biāo)注、公差分析與二維工序圖生成和NC程序生成/刀軌仿真五部分。

1）工序定義

定義零件的加工工序，確定本道工序所使用的機(jī)床，以及本道工序的參考模型。參考模型是指進(jìn)行本道工序設(shè)計(jì)所需要的設(shè)計(jì)模型和工序模型（毛坯模型）。第一道工序設(shè)計(jì)的參考模型是設(shè)計(jì)模型和毛坯模型，之后每道工序的工序參考模型是設(shè)計(jì)模型和前一道工序的工序模型。每道工序的參考模型和工序模型的對應(yīng)關(guān)系如圖3所示。

2）加工特征定義

系統(tǒng)能夠識別出零件上的加工特征，但識別的加工特征并不是完全意義上的加工特征，而是零件上的設(shè)計(jì)特征。因此，系統(tǒng)提供了自定義加工特征的功能。系統(tǒng)可以檢查是否有加工特征定義的遺漏，并將沒有進(jìn)行加工特征定義的幾何形面高亮顯示。對于多個相同的加工特征，可以定義加工模式，使多個相同的加工特征在一次加工操作中完成。

3）加工操作生成與排序

加工特征定義完成之后，定義特征的加工操作。加工操作分為以下四類：軸向加工操作、銑削加工操作、車削加工操作和通用加工操作。加工操作的定義包括走刀方式的定義、加工特征幾何信息的定義、刀具信息的定義、以及切削參數(shù)的定義等。加工操作定義完成之后，對加工操作進(jìn)行排序。加工操作排序可以采用甘特圖來進(jìn)行排序，同時能夠進(jìn)行工序平衡。

4）工序模型生成與標(biāo)注

按照定義的加工操作以及加工操作之間的順序，從毛坯模型上面切除加工操作所加工的材料來生成每道工序的工序模型。工序模型生成之后，切換到尺寸公差標(biāo)注模塊，按照GB/T24734[5]，對工序模型進(jìn)行工序尺寸的標(biāo)注。

5）公差分析與二維工序圖的生成

圖2 DELMIA三維機(jī)加工藝設(shè)計(jì)過程

圖3 工序和工序參考模型的關(guān)系

當(dāng)工藝設(shè)計(jì)完成之后，可以對每道工序的工序尺寸進(jìn)行分析。公差分析的主要目的是當(dāng)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)和工藝基準(zhǔn)不重合時，自動進(jìn)行工藝尺寸鏈的換算，從而保證零件加工后的尺寸符合設(shè)計(jì)的要求。系統(tǒng)提供了二維工序圖生成功能，直接將工序模型及標(biāo)注信息投影成二維圖，以便后續(xù)工藝發(fā)布的應(yīng)用。

6）NC程序編制/刀軌生成

工藝設(shè)計(jì)過程產(chǎn)生的工序模型可以用于NC程序的編制，刀軌的生成等。

3 三維機(jī)械加工工藝設(shè)計(jì)應(yīng)用

下面以某零件為例，對DELMIA平臺下的三維機(jī)械加工工藝設(shè)計(jì)過程進(jìn)行說明。

3.1 工序定義

三維工藝設(shè)計(jì)的輸入是由一個零件設(shè)計(jì)模型和毛坯模型組成的裝配體模型，并且零件設(shè)計(jì)模型和毛坯模型的建模坐標(biāo)系相同。因此，在進(jìn)行三維工藝設(shè)計(jì)之前，需要先對毛坯模型進(jìn)行設(shè)計(jì)。三維工藝設(shè)計(jì)的第一個過程是工序的定義，加工工序的定義包括機(jī)床的選擇，機(jī)床坐標(biāo)系的定義，零件設(shè)計(jì)模型的選擇以及毛坯模型的選擇，如圖4所示。

圖4 定義加工工序

3.2 加工特征定義

系統(tǒng)可以自動識別零件上的特征，但這些特征大部分是設(shè)計(jì)特征，如圖5所示為系統(tǒng)自動識別出來的加工特征。用戶也可以自定義加工特征，只需要從三維模型上選擇組成加工特征的形面即可。此為，對于陣列特征，可以定義特征的加工模式，使多個相同的加工特征組合在同一個加工操作中完成，如圖6所示為定義特征的加工模式。此外，系統(tǒng)提供了加工特征檢查工具，對于沒有定義加工特征的幾何形面高亮顯示。

圖5 自動特征識別

圖6 定義加工模式

3.3 加工操作生成與排序

加工操作的定義可以直接從加工特征樹上面選擇加工特征來生成該特征的加工操作，也可以在定義加工操作的過程中選擇所要加工的幾何形面。加工操作的定義內(nèi)容包括走刀方式的定義、加工幾何信息的定義、刀具信息的定義以及切削參數(shù)的定義，如圖7所示為定義加工操作所要加工的幾何信息。本道工序的加工操作定義完成之后，可以對加工操作進(jìn)行排序。當(dāng)所有工序的加工操作都定義完成之后，可以利用甘特圖進(jìn)行工序的平衡，使每道工序的加工工時相近，如圖8所示為工序平衡界面。

3.4 工序模型生成與標(biāo)注

加工操作生成并排序完畢之后，生成本道工序的工序模型，然后以該工序模型和設(shè)計(jì)模型為工序參考模型，進(jìn)行下一道工序的設(shè)計(jì)，直到完成最后一道工序的設(shè)計(jì)為止。如圖9所示為每道工序?qū)?yīng)的工序模型。所有工序模型生成之后，可以在尺寸與公差標(biāo)注模塊進(jìn)行尺寸與公差信息的標(biāo)注。

圖7 定義加工操作

圖8 工序平衡

3.5 公差分析與二維工序圖生成

工序尺寸標(biāo)注完成之后，可以對工序尺寸公差進(jìn)行分析。當(dāng)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)與工藝基準(zhǔn)不重合時，自動進(jìn)行工藝尺寸鏈的換算，從而保證零件加工后的尺寸符合設(shè)計(jì)的要求。如圖10所示，綠色表示加工公差在設(shè)計(jì)公差范圍之內(nèi)，藍(lán)色代表加工公差要求過嚴(yán)，會增加零件的制造成本，黃色代表制造公差超出了設(shè)計(jì)公差的要求。

圖9 工序模型

3.6 NC程序編制/刀軌生成

生成的工序模型可以導(dǎo)入NC加工模塊，利用工序模型進(jìn)行NC程序的編制?；诠ば蚰Ｐ途幹瞥鰜淼腘C程序更加符合真實(shí)的加工環(huán)境，可以減少程序錯誤產(chǎn)生的概率。如圖11所示為基于工序模型的刀軌仿真。

圖10 公差分析

圖11 刀軌仿真

4 結(jié)束語

三維環(huán)境下的加工工藝設(shè)計(jì)一直是制造領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，也是難點(diǎn)之一。本文通過對DELMIA平臺下的三維加工工藝設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，建立了產(chǎn)品-工藝-資源對象模型，分析了基于工序模型的三維工藝設(shè)計(jì)過程，并以一個零件為例，對三維加工工藝設(shè)計(jì)的應(yīng)用過程進(jìn)行了分析。本文的研究，對于國內(nèi)在三維CAPP的研發(fā)、應(yīng)用方面有一定的借鑒作用。

[1] 田富君,田錫天,耿俊浩等.工序模型驅(qū)動的工藝設(shè)計(jì)方法[J].計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng),2011,17(6):1128-1134.

[2] 萬能,常智勇,莫蓉.機(jī)加工藝設(shè)計(jì)的三維新模式研究[J].計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng),2011,17(9):1873-1879.

[3] 田錫天,仝春民,張振明,等.基于STEP-NC的工藝過程設(shè)計(jì)與優(yōu)化技術(shù)研究[J].西北工業(yè)大學(xué)學(xué)報,2007,25(2):261-265.

[4] 田富君,田錫天,耿俊浩等.基于模型定義的工藝信息建模及應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng),2012,18(5):913-919.

[5] GB/T 24734-2009,技術(shù)產(chǎn)品文件 數(shù)字化產(chǎn)品定義數(shù)據(jù)通則.