□ 呂昆侖 □ 李顯君 □ 劉召君

1.上汽通用汽車有限公司 上海 201206

2.清華大學(xué) 車輛與運載學(xué)院 北京 100084

3.蘇州同鑠智能科技有限公司 江蘇蘇州 215500

1 三維工序建模技術(shù)

隨著數(shù)字化和智能化技術(shù)的不斷提高,基于模型的定義(MBD)技術(shù)逐漸由設(shè)計領(lǐng)域向制造領(lǐng)域發(fā)展,越來越多的企業(yè)逐步以MBD為核心進行設(shè)計制造數(shù)字化、智能化、一體化工作[1]。三維工序建模是數(shù)字化工藝設(shè)計系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分,中間工序模型指產(chǎn)品從毛坯到成品的過程中,零件中間加工過程對應(yīng)的模型形態(tài),表征了零件在生產(chǎn)制造過程中各工序的演變。根據(jù)工藝路線,結(jié)合三維工序模型創(chuàng)建規(guī)則,可以實現(xiàn)零件孔、全銑面、規(guī)則銑面等特征的中間工序模型的創(chuàng)建。中間工序模型與工藝路線編排的數(shù)據(jù)能夠自動銜接,實現(xiàn)三維工序自動生成和動態(tài)重構(gòu),三維工藝信息的組織、表達和管理,動態(tài)展示整個產(chǎn)品加工過程,并能夠自動校核產(chǎn)品工藝設(shè)計的完整性。根據(jù)工藝文件創(chuàng)建規(guī)則,可以自動輸出工藝文件,實現(xiàn)三維工序模型的輕量化及應(yīng)用等?；贛BD的中間工序模型改變了以二維工程圖紙為主的工藝設(shè)計方法,實現(xiàn)了數(shù)據(jù)來源及工藝過程的三維化、信息載體的唯一化、工藝規(guī)程的可視化等。

2 三維工序模型創(chuàng)建流程

為了更好地說明三維工序模型的創(chuàng)建流程,構(gòu)建了三維工藝設(shè)計系統(tǒng)的技術(shù)路線,包括數(shù)據(jù)源導(dǎo)入、制造特征模型建立、三維工序模型建立、工藝信息組織與表達、輕量化工藝文件輸出等,如圖1所示。同時搭建了關(guān)聯(lián)設(shè)計模型與關(guān)聯(lián)工序模型的框架[2-3],如圖2所示。

3 三維工序模型結(jié)構(gòu)

以三維工藝系統(tǒng)中的工序清單為基礎(chǔ),搭建類似于Unigraphics NX軟件特征樹形式的信息樹,并創(chuàng)建中間工序模型。

為了使三維工序模型不但具備傳統(tǒng)機加工工藝信息,而且能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)來源及工藝過程三維化、信息載體唯一化、工藝規(guī)程可視化,在三維工序模型中包含工序號、設(shè)備型號、工藝基準(zhǔn)、定位夾緊方式、孔號/面號、特征尺寸信息、刀具信息、加工方式、加工參數(shù)、刀具路徑、切削液等工藝信息[4-5]。

▲圖1 三維工藝設(shè)計系統(tǒng)技術(shù)路線

▲圖2 關(guān)聯(lián)設(shè)計模型與關(guān)聯(lián)工序模型框架

三維設(shè)計模型與工序清單是三維工序模型的數(shù)據(jù)源。以工步刀具為最小單元,搭建中間工序模型結(jié)構(gòu)樹?；诠ば蚯鍐蝺?nèi)的刀具、加工工藝參數(shù)、特征尺寸信息等,應(yīng)用Unigraphics NX軟件參數(shù)化生成刀具模型,并采用Unigraphics NX軟件的幾何信息識取功能來識別三維數(shù)模產(chǎn)品制造信息,由系統(tǒng)自動確認(rèn)特征位置和方向[6-7]?；赨nigraphics NX軟件的布爾運算功能,將刀具模型與產(chǎn)品毛坯數(shù)模自動關(guān)聯(lián),并獲得三維工序模型[8]。

4 中間工序模型創(chuàng)建

根據(jù)已有的毛坯模型、成品模型、制造特征模型、工序清單,創(chuàng)建一個新的項目并進行初始化,以實現(xiàn)三維工序模型的創(chuàng)建。毛坯和成品零件模型通過絕對坐標(biāo)系,即空間向量坐標(biāo)系的方式調(diào)用,并進行位置固定。將TEMP文件作為臨時操作文件,中間工序模型在TEMP文件中生成。通過工序清單路徑調(diào)用加工工藝信息等,并通過制造特征庫調(diào)用加工元,與毛坯模型進行布爾運算,生成中間工序特征。

5 孔三維工序模型

在包括某道或某幾道孔加工工步的成形三維工序模型中,每道工序都關(guān)聯(lián)鉆孔刀具。從工序清單的空間向量坐標(biāo)庫或表格中提取產(chǎn)品制造信息,獲取孔深度、孔位置、鉆孔方向,構(gòu)建刀具模型庫,為生成孔三維工序模型提供工藝數(shù)據(jù)基礎(chǔ)[9]。

系統(tǒng)從工序清單的空間向量坐標(biāo)庫或表格獲取特征號、孔深度、孔位置,基于工序清單內(nèi)的刀具信息、加工工藝參數(shù)、特征尺寸信息等,參數(shù)化生成孔加工刀具模型,如圖3所示?？准庸さ毒吣Ｐ陀稍O(shè)計模型孔端面圓心定位,加工深度為從加工工序清單中讀取的加工深度,孔的底部錐角與倒角會在孔加工刀具模型上有相應(yīng)體現(xiàn)?？紫的Ｐ腿鐖D4所示。通過導(dǎo)入的孔加工刀具模型一次或多次修改毛坯模型,由布爾運算得到中間工序模型實體,從工序清單的空間向量坐標(biāo)庫或表格中獲取特征號、孔位置、刀具代號、加工工藝信息等,并對孔加工工藝信息進行組織與表達,包含孔號、特征尺寸信息、刀具信息、加工方式、加工參數(shù)、刀具路徑等。孔三維工序模型如圖5所示。

▲圖3 孔加工刀具模型

▲圖4 孔系模型

▲圖5 孔三維工序模型

6 規(guī)則凸臺面三維工序模型

對于規(guī)則外形的凸臺面,如零件凸臺或圓臺特征的頂面,應(yīng)用參數(shù)化建?？梢钥焖賱?chuàng)建中間工序模型。從TEMP文件模型庫、工序清單、加工工藝信息庫等數(shù)據(jù)庫中自動獲取面特征和空間位置等,建立銑刀刀具模型,如圖6所示。對銑刀刀具模型與毛坯模型進行布爾運算,得到中間工序模型實體,并對面加工工藝信息進行組織與表達,包含面號、特征尺寸信息、刀具信息、加工方式、加工參數(shù)等。規(guī)則凸臺面三維工序模型如圖7所示。將中間工序模型關(guān)聯(lián)復(fù)制至中間工序模型文件,并從工序清單中獲取銑刀代號、面加工工藝信息等。

7 三維工序模型動態(tài)重構(gòu)

對產(chǎn)品數(shù)?；蚬ば蜻M行更改后,對工序清單進行更新?？兹S工序模型、面三維工序模型等按照新加工工藝清單進行排序,自動動態(tài)重構(gòu)三維工序模型和加工工藝信息。

▲圖6 銑刀刀具模型

▲圖7 規(guī)則凸臺面三維工序模型

以更新的工序清單為數(shù)據(jù)源,識別工序清單的刀具及加工工藝參數(shù),參數(shù)化動態(tài)生成新刀具模型,搭建新中間工序模型結(jié)構(gòu)樹。系統(tǒng)自動確認(rèn)更新的特征位置和方向,刀具模型與產(chǎn)品毛坯數(shù)模自動關(guān)聯(lián),并進行布爾運算,自動生成新中間工序模型。根據(jù)工序清單中的加工順序和加工工藝信息等,自動動態(tài)重構(gòu)三維加工工藝信息的組織與表達[10]。

8 工藝設(shè)計完整性校核

零件毛坯通過所有工序去除材料后得到模型,通過與三維設(shè)計模型對比,驗證三維工序模型是否正確、完整。

通過對Unigraphics NX軟件模型比較功能進行二次開發(fā),對比最后工步生成的工序模型與三維設(shè)計成品數(shù)模,自動校核數(shù)模輪廓等是否一致。用顏色高亮顯示差異點,提醒確認(rèn)特征是否遺漏。

9 加工過程動畫

通過Unigraphics NX軟件裝配序列功能進行程序開發(fā),自動編制動畫,實現(xiàn)加工過程的動畫演示。

根據(jù)工序,通過動畫顯示去除材料的過程。初始時,實體模型全部虛化,顯示正在去除的材料實體,并改變顏色,已加工特征顯示為紅色。視圖固定位置顯示當(dāng)前動畫工序加工內(nèi)容信息,根據(jù)程序設(shè)定的規(guī)則來自動執(zhí)行動畫路線。動畫顯示具備速度可調(diào)、播放、暫停等基本功能。

10 輕量化工藝文件輸出

工藝工序模型及工藝信息確認(rèn)無誤后,系統(tǒng)可按照工藝文件生成規(guī)則,自動輸出相應(yīng)的工藝文件。為了便于工藝審批及指導(dǎo)現(xiàn)場生產(chǎn)等,可以生成多種格式文件,如超文本標(biāo)記語言文件、三維可移植文件、在線質(zhì)量檢查表等,建立三維工序卡片。使用訂制好的工藝卡片模板,從系統(tǒng)中提取產(chǎn)品、工藝、工序、工裝、設(shè)備等信息,添加至三維工藝卡片中[11]。

采用輕量化三維模型格式或其它格式輸出三維工藝視圖,在產(chǎn)品生命周期管理環(huán)境或系統(tǒng)外直接瀏覽計算機輔助設(shè)計所有視圖,包括制造信息標(biāo)注、特征剖視圖,并支持對模型的旋轉(zhuǎn)、剖切、縮放、測量等操作。

工藝設(shè)計的結(jié)果最終以三維視圖、三維模型或動畫等數(shù)據(jù)形式發(fā)放至加工現(xiàn)場,以便于操作人員理解、規(guī)范操作過程,穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量。

基于實際需求,建立工藝文件標(biāo)準(zhǔn)體系模板。按照項目不同階段的需求,自動生成已標(biāo)準(zhǔn)模板化的工藝文件。梳理工藝文件數(shù)據(jù)信息的來源或推導(dǎo)邏輯,系統(tǒng)自動從產(chǎn)品三維圖紙或工序清單中獲取相關(guān)數(shù)據(jù)信息,進行文件內(nèi)容自動填寫或推導(dǎo)相關(guān)數(shù)據(jù),并可以應(yīng)用編輯功能,如插入或刪除行等,進行工藝文件內(nèi)容的更改。

11 結(jié)束語

筆者通過構(gòu)建面向MBD的三維工序模型方案,實現(xiàn)了孔特征和規(guī)則凸臺面的機加工三維工序模型的快速生成。通過關(guān)聯(lián)設(shè)計MBD模型、工序MBD模型,以及刀具模型、工序清單、機加工工藝信息等,提出了一種基于參數(shù)化驅(qū)動建模的三維工序模型自動生成方法,并為后續(xù)工藝運動干涉仿真構(gòu)建了刀具模型、中間工序模型等制造資源。結(jié)合構(gòu)建的三維工藝設(shè)計系統(tǒng),介紹了三維工序模型創(chuàng)建的技術(shù)路線和實現(xiàn)路徑,論述了三維工藝系統(tǒng)的功能框架和技術(shù)路線,并證明了通過參數(shù)化建模實現(xiàn)三維工序模型自動生成方案,確認(rèn)了方法的可行性和有效性。