郭明春，郝永平，曾鵬飛，許世璞

(沈陽(yáng)理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 遼寧 沈陽(yáng) 110159)

基于MBD的葉片泵建模與工藝信息集成一體化研究

郭明春，郝永平，曾鵬飛，許世璞

(沈陽(yáng)理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 遼寧 沈陽(yáng) 110159)

為了實(shí)現(xiàn)MBD技術(shù)在葉片泵裝配工藝設(shè)計(jì)中全面應(yīng)用，擺脫以二維圖紙為主、三維模型為輔助的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)制造模式，利用UG二次開(kāi)發(fā)技術(shù)對(duì)UG進(jìn)行相應(yīng)模塊功能開(kāi)發(fā).產(chǎn)品工藝信息與三維實(shí)體建模相結(jié)合，建立了面向工藝信息的MBD模型.通過(guò)葉片泵裝配工藝設(shè)計(jì)過(guò)程分析，用開(kāi)發(fā)的UG連接車(chē)間裝配管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)三維建模工藝信息集成一體化，使產(chǎn)品生產(chǎn)真正達(dá)到無(wú)紙化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、協(xié)同化制造.并以泵軸工藝信息為實(shí)例做了應(yīng)用說(shuō)明.

MBD；UG二次開(kāi)發(fā)；建模；工藝信息；信息集成系統(tǒng)

隨著數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化設(shè)計(jì)與制造技術(shù)(CAD/CAM/CAE)在產(chǎn)品研制過(guò)程的廣泛應(yīng)用，基于模型定義(Model-Based Definition, MBD)技術(shù)已成為制造業(yè)信息化的發(fā)展趨勢(shì).MBD技術(shù)是一種將產(chǎn)品幾何和非幾何信息、相關(guān)設(shè)計(jì)定義、工藝描述屬性以及管理等信息集中表達(dá)于產(chǎn)品三維模型中的先進(jìn)數(shù)字化定義方法[1-2].MBD技術(shù)將三維實(shí)體模型作為企業(yè)生產(chǎn)制造過(guò)程的唯一依據(jù)，改變了傳統(tǒng)以二維圖紙為主、三維模型為輔助的設(shè)計(jì)制造方法[3].

MBD技術(shù)的應(yīng)用以美國(guó)波音787飛機(jī)為代表，其研制生產(chǎn)過(guò)程全面采用MBD技術(shù)，實(shí)現(xiàn)過(guò)程制造數(shù)字化、協(xié)同化、無(wú)紙化作業(yè)，使飛機(jī)的研制周期減少50%，成本降低，工作量大大減少，在管理水平和效率提升方面取得了巨大進(jìn)步[4].國(guó)內(nèi)MBD技術(shù)的研究應(yīng)用已在航空企業(yè)取得很多成果，在其他大型裝備制造業(yè)也逐漸推行開(kāi)來(lái)，但與國(guó)外先進(jìn)企業(yè)相比仍有不小差距，主要表現(xiàn)在：MBD技術(shù)沒(méi)有貫穿于產(chǎn)品的全生命周期；工藝設(shè)計(jì)部門(mén)所發(fā)放的三維數(shù)字模型僅包含部分工藝信息；基于三維模型的工藝信息獲取主要還是手動(dòng)錄入方式；沒(méi)有建立工藝信息與幾何信息之間的關(guān)聯(lián)；效率低，易出錯(cuò)[5].

為了實(shí)現(xiàn)MBD技術(shù)的深化應(yīng)用，本文以葉片泵裝配作為研究對(duì)象，提出面向裝配工藝設(shè)計(jì)過(guò)程的MBD模型，并以泵軸工藝規(guī)劃為實(shí)例進(jìn)行應(yīng)用驗(yàn)證.

1 葉片泵裝配工藝MBD模型

1.1 葉片泵裝配設(shè)計(jì)

葉片泵是現(xiàn)代液壓系統(tǒng)的重要組成部分，其功能是將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為液體的壓力能，向系統(tǒng)提供壓力油從而驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn).與其他泵類(lèi)相比，葉片泵具有尺寸小、結(jié)構(gòu)緊湊、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于工程機(jī)械的壓力系統(tǒng).葉片泵裝配是對(duì)其工藝設(shè)計(jì)和加工的一次總檢驗(yàn).

當(dāng)前，企業(yè)的葉片泵建模工藝設(shè)計(jì)過(guò)程如圖1所示.首先，根據(jù)企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)情況，對(duì)產(chǎn)品模型進(jìn)行裝配單元?jiǎng)澐?，形成裝配特征結(jié)構(gòu)樹(shù)；然后，進(jìn)行基準(zhǔn)定位信息確定，選取最優(yōu)裝配方案和組織方式，明確裝配過(guò)程信息以及工藝流程信息，確定加工設(shè)備、工裝等資源；最后，確定物料供給和工作場(chǎng)地的工藝布置.

圖1 葉片泵裝配工藝設(shè)計(jì)過(guò)程

1.2 裝配工藝信息MBD模型

根據(jù)裝配工藝屬性，參照國(guó)內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合葉片泵建模裝配工藝規(guī)程，創(chuàng)建的裝配工藝信息MBD模型結(jié)構(gòu)如圖2所示.

裝配工藝信息MBD模型由三維設(shè)計(jì)模型、裝配工藝信息集成模型和其他工藝特征模型三大模塊構(gòu)成[6].三維設(shè)計(jì)模型是設(shè)計(jì)者根據(jù)企業(yè)需要構(gòu)建的三維實(shí)體模型，是裝配工藝設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)和加工制造過(guò)程的重要依據(jù). 裝配工藝信息集成模型主要用以輔助裝配工藝規(guī)劃，是對(duì)三維實(shí)體建模進(jìn)行信息提取、規(guī)劃和補(bǔ)充的結(jié)果，是工藝信息集成的核心模塊[3].裝配工藝信息的其他工藝特征模型是對(duì)集成模型的補(bǔ)充和拓展.

裝配工藝信息集成模型由裝配結(jié)構(gòu)樹(shù)、裝配工藝特征和詳細(xì)工藝過(guò)程等組成.裝配結(jié)構(gòu)樹(shù)是三維裝配模型單元?jiǎng)澐趾脱b配順序劃分的結(jié)果，可以清楚地反映零部件之間的隸屬層次和配合關(guān)系，同時(shí)更便于訪問(wèn)零部件相關(guān)工藝信息[7].裝配工藝特征是實(shí)體層(幾何特征、幾何形面、集合區(qū)域)和擴(kuò)展層(尺寸公差、形位公差、表面粗糙度、工藝要求、工裝設(shè)計(jì)、標(biāo)注及注釋等)的結(jié)構(gòu)化定義和表示[8].

圖2 裝配工藝信息MBD模型結(jié)構(gòu)

2 基于MBD的工藝信息集成管理

2.1 裝配車(chē)間管理系統(tǒng)工藝信息功能設(shè)計(jì)

裝配車(chē)間管理系統(tǒng)是數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化制造技術(shù)集成應(yīng)用的人機(jī)交互系統(tǒng)，它以車(chē)間計(jì)劃調(diào)度管理為中心，通過(guò)各模塊系統(tǒng)集成，實(shí)現(xiàn)信息及時(shí)到達(dá)和共享，完成整個(gè)車(chē)間生產(chǎn)操作(圖3)[9].其中，工藝信息管理主要由產(chǎn)品信息查看、產(chǎn)品管理選擇集、工藝工裝信息查看和裝配視頻查看四部分組成.

產(chǎn)品信息查看主要包括產(chǎn)品零部件的名稱(chēng)、代號(hào)、設(shè)計(jì)人員、技術(shù)要求等相關(guān)信息.可隨時(shí)對(duì)這些信息進(jìn)行添加、修改和完善操作.工藝工裝信息查看包括裝配工藝過(guò)程卡、裝配工序卡、工裝明細(xì)表以及裝配體結(jié)構(gòu)樹(shù)及零件信息查看[10].其中，工裝明細(xì)表的內(nèi)容包括加工零件所需刀具、夾具、量具、模具等，主要是對(duì)零件加工所需工裝的規(guī)劃.

裝配視頻查看是把UG NX環(huán)境中制作的裝配視頻放置于Tomcat服務(wù)器中，通過(guò)管理系統(tǒng)供相關(guān)設(shè)計(jì)、裝配和加工人員查看，使裝配操作更加直觀，同時(shí)可提高裝配效率.

圖3 裝配車(chē)間管理系統(tǒng)模型構(gòu)成

2.2 MBD建模與工藝信息集成管理總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

采用上述建模技術(shù)，運(yùn)用UG/OpenMenuScript 、UG/API等函數(shù)功能模塊，結(jié)合VC++6.0中MFC類(lèi)庫(kù)對(duì)UG NX進(jìn)行相應(yīng)功能的開(kāi)發(fā)，利用ADO(AxtiveX Data Object)技術(shù)對(duì)SQL Sever2008數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行訪問(wèn)連接，以Tomcat7為服務(wù)器，采用JavaWeb語(yǔ)言設(shè)計(jì)裝配車(chē)間管理系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)UG和管理系統(tǒng)的工藝信息數(shù)據(jù)融合.基于MBD的工藝信息與管理系統(tǒng)集成框架如圖4所示.

整個(gè)集成系統(tǒng)由UG二次開(kāi)發(fā)模塊、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)

模塊和管理系統(tǒng)模塊組成.

(1)UG二次開(kāi)發(fā)模塊.在UG NX中設(shè)計(jì)或加載裝配體產(chǎn)品模型，在Visual C++6.0和UG API函數(shù)開(kāi)發(fā)的用戶(hù)可視化界面中進(jìn)行相關(guān)層次的操作(裝配樹(shù)信息建模、配套信息建模、工藝特征建模)，最后將信息存入對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)中，以便后續(xù)查看或修改使用.

(2)數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)模塊.本文選用SQL Server2008為系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù).其優(yōu)點(diǎn)是可以集成任何形式的數(shù)據(jù)，有效管理并存儲(chǔ)龐大的用戶(hù)信息和數(shù)據(jù)資料，并且可

圖4 基于MBD的工藝信息與管理系統(tǒng)集成框架

利用其全面審核功能來(lái)提高服務(wù)的安全性.數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)模塊一方面可以將UG環(huán)境中提取或添加的模型信息以報(bào)表(主要分為產(chǎn)品信息、配套信息和工藝特征信息三部分)的形式分塊存??；另一方面可以借助Tomcat7服務(wù)器連接管理系統(tǒng)，在管理系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)信息查看和共享.

(3)管理系統(tǒng)模塊是MBD建模與工藝信息集成一體化的系統(tǒng)平臺(tái)，也是企業(yè)內(nèi)各類(lèi)人員處理自身職責(zé)、企業(yè)內(nèi)部協(xié)同化、網(wǎng)絡(luò)化的平臺(tái)[11-13].

3 工藝信息建模集成實(shí)例

這里以UG8.0為環(huán)境平臺(tái)對(duì)某型號(hào)葉片泵進(jìn)行參數(shù)化建模.該裝配體模型由泵蓋、泵體、螺釘、偏心套、泵軸、葉片、彈簧、銷(xiāo)釘、平鍵、齒輪和擋圈裝配而成.

(1)加載已設(shè)計(jì)好的葉片泵裝配體模型，在創(chuàng)建的MBD信息功能菜單中選擇“工藝設(shè)計(jì)信息”，通過(guò)裝配模型結(jié)構(gòu)樹(shù)進(jìn)行組織劃分，并對(duì)每個(gè)零部件特征信息進(jìn)行關(guān)聯(lián)添加(圖5).

圖5 裝配體結(jié)構(gòu)樹(shù)及關(guān)聯(lián)信息實(shí)例

(2)在結(jié)構(gòu)樹(shù)提取單元欄下“設(shè)計(jì)信息”中雙擊泵軸，進(jìn)入零件泵軸環(huán)境中，對(duì)泵軸模型進(jìn)行三維幾何信息標(biāo)注.完成所有零部件幾何信息標(biāo)注后，可在工藝設(shè)計(jì)信息對(duì)話(huà)框中查看相關(guān)信息，并進(jìn)行相應(yīng)附加信息的添加.在單獨(dú)查看已標(biāo)注好的零件信息后，可實(shí)現(xiàn)尺寸/公差信息的自動(dòng)提取和入庫(kù)功能(圖6).

圖6 模型信息提取/入庫(kù)實(shí)例

(3)企業(yè)技術(shù)人員可以直接登錄管理系統(tǒng)，選擇“工藝信息查看”下的“裝配體結(jié)構(gòu)樹(shù)及零件信息”菜單，查看已存入數(shù)據(jù)庫(kù)的泵軸幾何信息(圖7).

圖7 建模集成信息查看實(shí)例

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)葉片泵產(chǎn)品裝配工藝過(guò)程，利用MBD技術(shù)和UG二次開(kāi)發(fā)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了工藝信息模型定義，建立了MBD工藝信息集成模型.采用管理系統(tǒng)對(duì)產(chǎn)品零部件工藝信息進(jìn)行統(tǒng)一表達(dá)和管理.通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)連接技術(shù)，UG與車(chē)間管理系統(tǒng)集成，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品工藝信息從建模到完成加工裝配的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化傳遞和共享.基于MBD的葉片泵建模與工藝信息集成管理技術(shù)為企業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、加工裝配等環(huán)節(jié)的數(shù)字化、信息化協(xié)同奠定了基礎(chǔ).

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MBD-based Vane Pump Modeling and Process Information for Integration Studies

GUO Ming-chun, HAO Yong-ping, ZENG Peng-fei, XU Shi-pu

(School of Mechanical Engineering, Shenyang Ligong University, Shenyang 110159, China)

In order to realize the comprehensive application of MBD technology in vane pump assembly process design to get rid of the traditional design and manufacture of the two-dimensional drawing and the three-dimensional model, we use UG secondary technology to develop UG corresponding module function, and combine product process information with 3D solid modeling to establish MBD model for process information. Through the process analysis of vane pump assembly process design and the combination of UG and shop assembly management system, to achieve three-dimensional modeling process information integration, so that products really achieve paperless, digital, network, collaborative manufacturing. Finally, process information of the pump spindle is taken as example to illustrate.

MBD; secondary development of UG; modeling; process planning; information integrated system

2017-04-05

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50975183)；遼寧省優(yōu)秀人才支持計(jì)劃資助項(xiàng)目(2012LJQ019)

郭明春(1990-)，男，山東濱州人，碩士研究生，研究方向?yàn)閿?shù)字化網(wǎng)絡(luò)化設(shè)計(jì)與制造技術(shù).

1006-3269(2017)02-0038-05

TP29

A

10.3969/j.issn.1006-3269.2017.02.009