隨著三維計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)的深化應(yīng)用,基于MBD(Model-Based Definition,基于模型定義)技術(shù)開展三維工藝設(shè)計(jì)已經(jīng)成為研究熱點(diǎn)。
MBD技術(shù)是一個(gè)用集成的三維實(shí)體模型來(lái)完整表達(dá)產(chǎn)品定義信息的方法體,通過(guò)一個(gè)完整的三維實(shí)體模型表達(dá)產(chǎn)品信息中的幾何形狀信息、尺寸、公差和工藝等信息。國(guó)內(nèi)航空企業(yè)逐步開展基于MBD技術(shù)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造,將MBD模型作為制造的唯一依據(jù)并取得一定進(jìn)展,但仍然存在許多技術(shù)瓶頸。目前工藝部門仍以基于圖樣的二維工藝設(shè)計(jì)方法為主,以二維圖樣為主要的信息傳遞媒介,具體體現(xiàn)在基于二維視圖的工藝設(shè)計(jì)知識(shí)的表達(dá)、獲取、組織與管理比較困難,不能有效地總結(jié)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和設(shè)計(jì)方法;復(fù)雜產(chǎn)品以及零部件的關(guān)鍵特征屬性難以在二維視圖中表現(xiàn),這使得工藝性評(píng)價(jià)以及審查流于形式;三維CAD/CAM系統(tǒng)往往建立在統(tǒng)一信息平臺(tái)上,而基于二維CAPP平臺(tái)的工藝設(shè)計(jì)無(wú)法共享統(tǒng)一的三維產(chǎn)品模型,無(wú)法在統(tǒng)一的數(shù)據(jù)管理平臺(tái)下進(jìn)行數(shù)據(jù)管理。
可以說(shuō),傳統(tǒng)的工藝設(shè)計(jì)逐漸與上游的全三維數(shù)字化設(shè)計(jì)和下游的先進(jìn)制造工藝及裝備不相適應(yīng),存在著無(wú)法有效利用設(shè)計(jì)模型信息、數(shù)據(jù)共享困難、設(shè)計(jì)知識(shí)獲取和管理混亂等問(wèn)題,成為數(shù)字化制造瓶頸司題。
實(shí)現(xiàn)工藝信息的表達(dá)及管理是三維工藝設(shè)計(jì)的關(guān)鍵目標(biāo)之一。目前國(guó)內(nèi)的研究主要集中在三維工序模型構(gòu)建、工藝信息表達(dá)方法和CAD/CAPP系統(tǒng)集成等方面,這些研究為三維工藝設(shè)計(jì)過(guò)程中工藝信息的表達(dá)和管理奠定了基礎(chǔ)。
一、機(jī)加工零件工藝模型邏輯結(jié)構(gòu)
傳統(tǒng)的二維工藝設(shè)計(jì)過(guò)程中,三維模型僅表達(dá)零件的幾何形狀信息,而面向制造過(guò)程的尺寸、公差、幾何精度和表面粗糙度等非幾何信息則通過(guò)圖樣傳遞,不能與三維模型特征直接關(guān)聯(lián),制造人員需要花費(fèi)大量時(shí)間去消化圖樣和工藝卡片。
MBD模式下,面向制造過(guò)程的零件工藝模型是生產(chǎn)制造的唯一依據(jù),尺寸、公差、表面粗糙度以及工藝設(shè)計(jì)信息等與三維模型緊密關(guān)聯(lián),制造人員可以直接在模型上獲得對(duì)應(yīng)特征的工藝信息用于加工制造,取代圖樣和工藝卡片,實(shí)現(xiàn)無(wú)紙化制造;谀P偷墓に囆畔⒁(guī)范表達(dá)是其中的關(guān)鍵技術(shù)之一,如圖1所示。
圖1 機(jī)加工零件工藝模型邏輯結(jié)構(gòu)
零件工藝模型作為工藝信息載體,是以零件工序模型為基礎(chǔ),工藝規(guī)程為主線,附加零件的屬性信息而構(gòu)成。
一個(gè)工序模型由工序、標(biāo)注和模型三部分構(gòu)成。工序?qū)?yīng)著零件本道工序的編號(hào)、名稱、加工特征的名稱及編號(hào)、單/多工步、工裝及工時(shí)定額等信息(若工序僅包含一個(gè)工步,工序信息等同于工步信息)。工序節(jié)點(diǎn)下,工步包含本道工步名稱、工裝、工藝符號(hào)及工時(shí)定額等工步信息;工藝符號(hào)表達(dá)了本道工步需要加工特征的數(shù)量及區(qū)域、采用的加工設(shè)備、加工方法類型、刀具類型、刀具幾何參數(shù)、加工參數(shù)、切削液以及工步序列號(hào),并通過(guò)三維標(biāo)注實(shí)現(xiàn)工藝信息與特征、工步節(jié)點(diǎn)的關(guān)聯(lián);將工步名稱、工藝符號(hào)等工步信息與模型關(guān)聯(lián)特征封裝成工步模型,并在此基礎(chǔ)上聚合成工序節(jié)點(diǎn)。
工序模型的標(biāo)注信息包括設(shè)計(jì)信息和工藝信息兩大類。設(shè)計(jì)信息指本道工序的加工尺寸、公差、幾何精度和基準(zhǔn)等信息;工藝信息包括工藝符號(hào)和工序技術(shù)要求等信息,標(biāo)注信息與模型的特征緊密關(guān)聯(lián)。
在工序模型的基礎(chǔ)上,以工藝規(guī)程為主線串聯(lián)各個(gè)工序模型,同時(shí)附加零件的屬性信息形成工藝模型。工藝規(guī)程描述了零件加工過(guò)程中各道工序/工步之間的先后順序關(guān)系,根節(jié)點(diǎn)代表零件的工藝規(guī)程,一級(jí)子節(jié)點(diǎn)和二級(jí)子節(jié)點(diǎn)分別表示工藝規(guī)程中的工序和工步,層次結(jié)構(gòu)關(guān)系代表了工藝設(shè)計(jì)的具體過(guò)程。通過(guò)工藝規(guī)程可以很方便地查看工藝模型各節(jié)點(diǎn)信息,對(duì)相應(yīng)的信息進(jìn)行分析審核。
二、工藝信息集成管理
在傳統(tǒng)研發(fā)模式下,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師在三維CAD環(huán)境下開展結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)信息以三維CAD模型和圖樣形式表達(dá),并檢入到PDM系統(tǒng)進(jìn)行管理;而工藝設(shè)計(jì)活動(dòng)集中在二維環(huán)境,工藝信息的表達(dá)及管理均在二維CAPP系統(tǒng)中完成,以二維工藝卡片和工藝簡(jiǎn)圖為主要介質(zhì)。常用的工藝知識(shí)如典型工藝、制造資源、標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)等也存儲(chǔ)于二維CAPP系統(tǒng)。由于采用不同的表達(dá)形式和介質(zhì),導(dǎo)致設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)與工藝數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)性差、工藝更改難以快速響應(yīng)設(shè)計(jì)更改,同時(shí)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的異構(gòu)性也給數(shù)據(jù)交流、數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理造成很大的困難。
在MBD環(huán)境下,工藝設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)統(tǒng)一在CAD平臺(tái)下進(jìn)行,工藝信息也應(yīng)集成在統(tǒng)一平臺(tái)下進(jìn)行管理。工藝設(shè)計(jì)以三維設(shè)計(jì)模型為輸入,主要完成工藝參考模型構(gòu)建、工藝規(guī)程規(guī)劃、工序模型構(gòu)建、工藝信息表達(dá)、工藝信息與特征關(guān)聯(lián)等工作。工藝參考模型指面向數(shù)控工藝設(shè)計(jì),基于設(shè)計(jì)模型變型設(shè)計(jì)后得到的模型,其尺寸取設(shè)計(jì)模型中對(duì)應(yīng)尺寸公稱中值、最小值或最大值,是三維工藝設(shè)計(jì)的依據(jù)。
目前的主流CAD商業(yè)軟件中大多內(nèi)置了一些工藝信息數(shù)據(jù)庫(kù),如加工數(shù)據(jù)庫(kù)或制造資源庫(kù)等,同時(shí)也內(nèi)置了一些經(jīng)過(guò)二次開發(fā)的工藝信息庫(kù)。這些為在三維環(huán)境下開展工藝設(shè)計(jì)的應(yīng)用實(shí)施奠定了基礎(chǔ)。工藝設(shè)計(jì)過(guò)程中,可以借用軟件中的工藝信息數(shù)據(jù)庫(kù)中已有的典型工藝、制造資源等,快速實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的工藝設(shè)計(jì)。然而此種方式依然是保留有兩個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù),因此存在兩個(gè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)同步和一致性的問(wèn)題。如圖2所示。
圖2 面向MBD的工藝信息集成管理
工藝信息的傳遞和管理主要通過(guò)PDM系統(tǒng)和三維CAD軟件的集成接口進(jìn)行。
平臺(tái)層采用成熟CAD平臺(tái)作為三維工藝設(shè)計(jì)環(huán)境,通過(guò)二次開發(fā)提供三維工藝設(shè)計(jì)工具。
工具層基于CAD平臺(tái)開發(fā)工藝規(guī)程劃分、工序模型構(gòu)建、工藝符號(hào)構(gòu)建和三維工藝卡等工具,輔助工藝人員進(jìn)行工藝設(shè)計(jì),建立結(jié)構(gòu)化的工藝信息和工藝模型。
數(shù)據(jù)層基于PDM系統(tǒng)建立工藝信息庫(kù),工藝設(shè)計(jì)過(guò)程中涉及的信息全部通過(guò)CAD平臺(tái)從PDM系統(tǒng)中的相關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)中讀取,并將工藝設(shè)計(jì)結(jié)果關(guān)聯(lián)存儲(chǔ)到PDM系統(tǒng)中進(jìn)行管理。
支撐層基于PDM系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)管理功能,完成工藝數(shù)據(jù)管理、工藝流程審簽、流程觸發(fā)、權(quán)限管理和版本管理等基本工作。
在這種模式下,設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)和工藝數(shù)據(jù)統(tǒng)一在PDM系統(tǒng)中進(jìn)行管理,基于PDM系統(tǒng)進(jìn)行工藝數(shù)據(jù)檢入/檢出、工藝流程審簽、工裝申請(qǐng)、工藝任務(wù)的下發(fā)和接收,在CAD平臺(tái)進(jìn)行工藝規(guī)劃和編制,生成工藝模型和可視化模型,提交結(jié)構(gòu)化工藝數(shù)據(jù)審簽,并保存到PDM系統(tǒng)中,取消了二維CAPP系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù),保證數(shù)據(jù)的唯一性,可有效解決采用兩個(gè)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)中人工干預(yù)多、自動(dòng)更新困難等問(wèn)題,實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)化的工藝設(shè)計(jì)和信息管理。
三、基于PDM的工藝模型管理
MBD模式下,設(shè)計(jì)信息和工藝信息統(tǒng)一采用三維工藝模型為載體進(jìn)行表達(dá)。工藝設(shè)計(jì)師在三維環(huán)境下完成工藝規(guī)劃和工藝模型構(gòu)建等設(shè)計(jì)活動(dòng),將工藝模型和設(shè)計(jì)模型關(guān)聯(lián)存儲(chǔ),與PDM系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一管理,同時(shí)借助PDM系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理功能完成工藝審簽等工作,如圖3所示。
圖3 基于PDM的工藝模型管理流程
(1)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師在三維CAD平臺(tái)構(gòu)建設(shè)計(jì)MBD模型,并檢入到PDM系統(tǒng)。
(2)工藝設(shè)計(jì)階段,工藝設(shè)計(jì)師登陸PDM系統(tǒng),根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)下載設(shè)計(jì)MBD模型到本地,進(jìn)入三維工藝設(shè)計(jì)環(huán)境,在CAD平臺(tái)下依據(jù)設(shè)計(jì)MBD模型開展工藝設(shè)計(jì)。從工藝信息庫(kù)中讀取工藝信息,通過(guò)工藝路線劃分、工序模型構(gòu)建、工藝符號(hào)構(gòu)建、工裝夾具設(shè)計(jì)和附加工藝定額等工藝設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)創(chuàng)建生成工藝模型,并進(jìn)行可視化發(fā)布,生成*pvz可視化模型,通過(guò)檢入操作與設(shè)計(jì)模型檢入到PDM中的對(duì)應(yīng)位置,完成工藝設(shè)計(jì)。
(3)工藝審核階段,工藝審核員登陸PDM系統(tǒng),在ProductView中查看工藝設(shè)計(jì)師提交的部件的可視化模型,審核工藝規(guī)程、工裝夾具和工時(shí)定額等信息是否合理,若合理則通過(guò)審簽,完成工藝模型設(shè)計(jì)歸檔;若工藝設(shè)計(jì)需更改,則觸發(fā)設(shè)計(jì)更改,錄入對(duì)工藝改進(jìn)的建議,并通過(guò)截圖更直觀地反映工藝更改信息。工藝更改信息歸入工藝規(guī)程修改節(jié)點(diǎn)。工藝設(shè)計(jì)師根據(jù)工藝更改信息,返回到三維工藝設(shè)計(jì)環(huán)境進(jìn)行設(shè)計(jì)更改,并將新的工藝模型和可石化模型檢入到PDM系統(tǒng),提交工藝審核。
(4)生產(chǎn)制造階段,通過(guò)車間終端下載查看歸檔后的可視化模型,用于指導(dǎo)生產(chǎn)。
四、系統(tǒng)實(shí)例
38所以Pro/ENGINEER Wildfire 5.0為平臺(tái),ProductView為可視化工具開發(fā)了機(jī)加工三維工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng),提供了工序模型構(gòu)建、工藝符號(hào)構(gòu)建和工藝規(guī)程組織等工具,輔助工藝設(shè)計(jì)師在三維環(huán)境下開展工藝設(shè)計(jì)。
系統(tǒng)利用XML結(jié)構(gòu)化語(yǔ)言存儲(chǔ)工藝規(guī)程信息,并基于機(jī)加工零件工藝模型邏輯結(jié)構(gòu)在Windchill9.1系統(tǒng)中建立了工藝信息庫(kù),同時(shí)將生成的工藝模型、可視化模型與設(shè)計(jì)模型關(guān)聯(lián)存儲(chǔ)到Windchill9.1系統(tǒng)中。
具體為:工藝設(shè)計(jì)師啟動(dòng)Pro/ENGINEER,完成服務(wù)器注冊(cè)和系統(tǒng)設(shè)置,從Windchill中下載三維設(shè)計(jì)模型作為工藝設(shè)計(jì)輸入,在CAD平臺(tái)下選中三維工藝系統(tǒng)菜單,通過(guò)開發(fā)的工具進(jìn)行工藝規(guī)程編輯、工序模型構(gòu)建和特征關(guān)聯(lián)存儲(chǔ)等活動(dòng)。工藝設(shè)計(jì)過(guò)程中,工藝信息的獲取和管理全部從Windchill中建立的工藝信息庫(kù)中讀取,如圖4所示。工藝設(shè)計(jì)完成后,將生成的工藝模型與設(shè)計(jì)模型關(guān)聯(lián)檢入到Winchill系統(tǒng)中對(duì)應(yīng)的CAPP文件夾下,實(shí)現(xiàn)工藝信息的結(jié)構(gòu)化存儲(chǔ)和管理,工藝審核員基于Windchill系統(tǒng)完成根據(jù)工藝規(guī)程相應(yīng)節(jié)點(diǎn)審核工藝設(shè)計(jì),完成工藝審核工作。
圖4 工藝模型存儲(chǔ)及管理
五、結(jié)語(yǔ)
開展MBD模式下的工藝設(shè)計(jì)是當(dāng)前先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一。本文結(jié)合MBD技術(shù)對(duì)工藝信息表達(dá)及管理的需求,提出了面向三維工藝的工藝信息表達(dá)及集成技術(shù)方法,研究了機(jī)加工零件工藝模型邏輯結(jié)構(gòu),分析基于三維模型為工藝信息載體的工藝信息集成方法和管理流程,并結(jié)合我所實(shí)際開發(fā)了相應(yīng)的三維工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)。隨著MBD技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)工藝模型輕量化發(fā)布、車間工藝流程的自動(dòng)觸發(fā)將是下一步研究的重點(diǎn)和方向。
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本文標(biāo)題:面向三維工藝的工藝信息表達(dá)及技術(shù)研究
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