基于模型的工藝及其在零件加工工藝設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

田富君，張紅旗，陳興玉，張祥祥

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088）

0 引言

早在1997年，美國(guó)機(jī)械工程師協(xié)會(huì)（American Society of Mechanical Engineers，ASME）就開(kāi)始進(jìn)行有關(guān)數(shù)字化產(chǎn)品定義技術(shù)的研究和制定工作，并于2003年發(fā)布標(biāo)準(zhǔn) ASME Y14．41《Digital Product Definition Data Practices》。作為該項(xiàng)技術(shù)的發(fā)起者之一，波音公司在波音787項(xiàng)目中首次應(yīng)用了該項(xiàng)技術(shù)，并將它命名為基于模型的定義（Model－Based Definition，MBD）技術(shù)，制定了MBD技術(shù)應(yīng)用規(guī)范BDS－600系列。2006年，ISO 組織借鑒ASME Y14．41，制定了ISO 16792《Technical Product Documentation——Digital Product Definition Data Practices》。2009年，國(guó)內(nèi)相關(guān)技術(shù)人員根據(jù)ISO 16792，制定了GB/T 24734《技術(shù)產(chǎn)品文件 數(shù)字化產(chǎn)品定義數(shù)據(jù)通則》［1］。

MBD技術(shù)是將產(chǎn)品所有相關(guān)的工藝描述、屬性、管理等信息都附著在產(chǎn)品三維模型中的數(shù)字化定義方法［2］。它使三維數(shù)模作為生產(chǎn)制造過(guò)程中的唯一依據(jù)，改變了傳統(tǒng)的由三維實(shí)體模型來(lái)描述幾何信息，而用二維圖紙來(lái)定義尺寸、公差和工藝信息的產(chǎn)品數(shù)字化定義方法［3－7］。MBD技術(shù)是面向產(chǎn)品生命周期的數(shù)字化定義技術(shù)。然而，從目前企業(yè)MBD技術(shù)的應(yīng)用情況來(lái)看，僅設(shè)計(jì)部門(mén)實(shí)現(xiàn)了基于三維模型的設(shè)計(jì)，工藝部門(mén)仍然采用傳統(tǒng)的二維工程圖。因此，就目前來(lái)說(shuō)，MBD技術(shù)僅僅實(shí)現(xiàn)了基于模型的設(shè)計(jì)（model－based design），是 MBD技術(shù)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，但MBD技術(shù)在工藝設(shè)計(jì)中應(yīng)用的模式還不是很明確。本文提出基于模型的工藝的概念，并以零件的加工工藝為研究對(duì)象，建立了基于模型的零件工藝管理體系，分析了基于模型定義的零件工藝信息模型，并提出了一種三維加工方法標(biāo)注符號(hào)。

1 基于模型的工藝及基于模型的零件工藝管理體系

為實(shí)現(xiàn)MBD技術(shù)在工藝設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，本文提出了基于模型的工藝（Model－Based Process，MBP）的概念，它是指與工藝設(shè)計(jì)相關(guān)的各類(lèi)信息都定義在三維產(chǎn)品模型中，主要包括產(chǎn)品制造信息（Product Manufacture Information，PMI）（尺寸公差、幾何公差、表面粗糙度、注釋、裝夾定位基準(zhǔn)等）和工藝設(shè)計(jì)信息（工藝基本信息、工序信息、工步信息等）。從內(nèi)容上來(lái)分，MBP主要包含基于模型的加工工藝和基于模型的裝配工藝。本文以零件的加工工藝為研究對(duì)象，對(duì)MBP在零件加工工藝設(shè)計(jì)中的應(yīng)用進(jìn)行研究。

在傳統(tǒng)的二維機(jī)械加工工藝設(shè)計(jì)過(guò)程中，每道工序一般都有對(duì)應(yīng)的二維工序圖，并在工序圖上標(biāo)注本道工序的定位基準(zhǔn)、加工尺寸、加工余量等信息。在三維環(huán)境下，每道工序同樣都有對(duì)應(yīng)的工序模型［8－9］，并在工序模型上標(biāo)注本道工序的加工要求。加工特征是工序模型上具有語(yǔ)義的幾何實(shí)體，它能夠同時(shí)表達(dá)幾何信息和非幾何信息（如尺寸公差、幾何公差、表面粗糙度等）。為此，本文以工序模型為載體，通過(guò)加工特征對(duì)工序MBD模型信息進(jìn)行組織，建立了基于模型的零件工藝管理體系，如圖1所示。

（1）幾何層

幾何層由工序模型的幾何信息組成，是其他非幾何信息（尺寸公差、幾何公差、表面粗糙度、注釋等）的載體，是尺寸公差、幾何公差、表面粗糙度標(biāo)注的幾何要素。工序模型的幾何信息由模型幾何和輔助幾何組成，其中模型幾何分為幾何特征、幾何形面和幾何區(qū)域。幾何特征是建模過(guò)程中對(duì)加工特征形狀進(jìn)行描述所使用的特定形狀，如螺紋、倒角等；幾何形面是構(gòu)成加工特征形狀的基本幾何要素，如平面、柱面、曲面等；幾何區(qū)域是幾何形面上具有特定要求的部分區(qū)域，如平面上具有特殊剛度的部分區(qū)域［10－11］。輔助幾何是指建模、標(biāo)注過(guò)程中所使用的一些輔助幾何信息，如建模過(guò)程中建立的輔助平面。

（2）加工特征層

加工特征層由工序模型上需要加工的加工特征組成。加工特征是指工序模型上一個(gè)具有語(yǔ)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(gè)加工過(guò)程的結(jié)果［11］。加工特征包括特征基本信息、形狀特征、精度特征和表面熱處理特征。其中：①特征的基本信息包括特征名稱、特征的類(lèi)型等。②形狀特征描述了組成加工特征的幾何元素及其之間的關(guān)系。③精度特征包括尺寸（公差）、幾何公差、表面粗糙度信息。尺寸（公差）包括加工特征的定形尺寸（公差）和定位尺寸（公差）；幾何公差包括形狀公差（直線度、平面度、圓度、圓柱度）、方向公差（垂直度、平行度、傾斜度）、輪廓度公差（線輪廓度、面輪廓度）、位置度公差（同軸度、同心度、對(duì)稱度）、跳動(dòng)公差（圓跳動(dòng)、全跳動(dòng)）。④表面熱處理特征是指加工特征表面不同于工序模型上其他特征的、需要進(jìn)行特殊工藝處理的特征，例如外圓表面的滲碳工藝。

加工特征的基本信息通過(guò)特征的屬性進(jìn)行存儲(chǔ)，屬性是指產(chǎn)品模型特征所需要的不可見(jiàn)信息，這些信息與三維模型相關(guān)聯(lián)，可以通過(guò)查詢得到。加工特征層的精度特征和表面熱處理特征通常以三維標(biāo)注的形式存儲(chǔ)在三維模型中，三維標(biāo)注的類(lèi)型包括尺寸（公差）、幾何公差、表面粗糙度、注釋和標(biāo)記。

（3）工藝信息層

工藝信息層描述了零件的工藝設(shè)計(jì)信息，主要指每個(gè)工序模型的加工工序信息和輔助工藝信息。其中加工工序信息包括工序號(hào)、工序名稱、加工設(shè)備以及工序包含的工步信息；輔助工藝信息指工序模型的裝夾、定位基準(zhǔn)信息。由于一次切削加工的最基本要素是加工特征以及加工特征所使用的刀具，同時(shí)為了便于加工工藝的符號(hào)化，本文提出了加工元的概念。加工元指以特征為核心的、有關(guān)特征加工所需要的信息實(shí)體，其內(nèi)容包括加工特征、該特征的加工方法、加工該特征所需要的機(jī)床和刀具等制造資源以及特征的加工參數(shù)信息［8］。工步與加工元的區(qū)別在于：加工元是以特征為核心的，而工步是采用一把刀具連續(xù)完成的切削加工過(guò)程，一次切削過(guò)程有可能完成多個(gè)特征的加工，因此，工步可能包含多個(gè)加工元。工序模型的加工工序信息一般通過(guò)模型的屬性進(jìn)行存儲(chǔ)，屬性是指表達(dá)產(chǎn)品定義或產(chǎn)品模型特征所需要的不可見(jiàn)信息，這些信息與三維模型相關(guān)聯(lián)，可以通過(guò)查詢得到。輔助工藝信息通過(guò)符號(hào)標(biāo)記的形式標(biāo)注在工序模型上。

2 基于模型定義的零件工藝信息模型建立

在傳統(tǒng)的二維工藝設(shè)計(jì)中，零件工藝信息以工藝對(duì)象（工藝、工序、工步）為核心，存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中。在MBD模式下，零件工藝信息以三維幾何模型為載體，工藝設(shè)計(jì)過(guò)程中的產(chǎn)品制造信息（尺寸公差、幾何公差、表面粗糙度）和工藝設(shè)計(jì)信息（工序信息、工步信息等）都存儲(chǔ)在三維模型中，并與幾何信息緊密關(guān)聯(lián)。通過(guò)對(duì)零件加工工藝設(shè)計(jì)過(guò)程中涉及到的各類(lèi)信息（零件、工藝、資源）進(jìn)行分析，以三維工序模型為核心，建立了基于模型定義的零件MBD信息模型，如圖2所示。

基于模型定義的零件MBD信息模型以工序模型為載體，產(chǎn)品制造信息（尺寸公差、幾何公差、表面粗糙度等）以及工藝設(shè)計(jì)信息都定義在工序模型中。工序模型以加工特征為基本單位進(jìn)行組織，加工特征對(duì)應(yīng)多個(gè)加工元，加工元是組成零件工藝的最基本單元，它是以特征為核心的、有關(guān)特征加工所需要的信息實(shí)體。工序模型中的工藝設(shè)計(jì)信息包括工序信息和工步信息，這些信息通過(guò)模型的屬性來(lái)進(jìn)行存儲(chǔ)。

3 一種三維加工方法標(biāo)注符號(hào)

在傳統(tǒng)的二維機(jī)械加工工藝設(shè)計(jì)過(guò)程中，二維工序圖上僅僅標(biāo)注了本道工序要加工的尺寸、定位基準(zhǔn)及加工要求，工藝信息都是以自然語(yǔ)言來(lái)描述的，現(xiàn)場(chǎng)操作人員不得不花大量的時(shí)間來(lái)理解具體的工藝過(guò)程。符號(hào)相對(duì)于自然語(yǔ)言來(lái)說(shuō)，直觀、描述統(tǒng)一、便于理解。因此，若將工藝信息符號(hào)化，則可以更為直觀、形象地表達(dá)工藝信息，便于操作人員更好地理解加工過(guò)程。為了實(shí)現(xiàn)工藝信息的符號(hào)化，本文提出一種三維加工方法標(biāo)注符號(hào)，如圖3所示。

（1）數(shù)量

指相同加工特征的個(gè)數(shù)。對(duì)于多個(gè)相同的加工特征，其加工方法也一樣，標(biāo)注時(shí)只標(biāo)注一個(gè)加工方法，但相同的特征應(yīng)該與加工方法標(biāo)注保持查詢關(guān)聯(lián)性。數(shù)量要求用“1×”、“2×”等來(lái)表示。當(dāng)加工特征數(shù)量為1時(shí)，“1×”可省略。

（2）加工方法標(biāo)志

指加工方法的符號(hào)化表示。此加工方法標(biāo)識(shí)欄框格中的內(nèi)容為加工方法的符號(hào)，從加工方法符號(hào)庫(kù)中獲取。本文參照GB/T 3167－1993《金屬切削機(jī)床 操作指示形象化符號(hào)》和 GB/T 16273．2－1996《設(shè)備用圖形符號(hào) 機(jī)床通用符號(hào)》，建立了加工方法符號(hào)庫(kù)，表1列出了幾種常用的加工方法符號(hào)。

（3）設(shè)備信息

指加工該特征所使用的加工設(shè)備。設(shè)備信息欄框格內(nèi)容為設(shè)備型號(hào)，從企業(yè)設(shè)備資源庫(kù)獲取。

（4）刀具信息

指加工該特征所使用的刀具類(lèi)型和刀具參數(shù)信息。其中：刀具類(lèi)型采用符號(hào)化表示；刀具參數(shù)包括刀具的前角、后角、副后角、主偏角和副偏角等；刀具信息從企業(yè)的資源庫(kù)中獲取。

（5）加工參數(shù)信息

指加工該特征所采用的切削參數(shù)信息。包括主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度、切削深度、切削寬度等信息。

（6）序號(hào)

指加工特征加工的先后順序。其中：M表示工步號(hào)，N表示該工步下的加工元加工順序。

表1 幾種常用的加工方法表示符號(hào)

4 三維工藝信息標(biāo)注實(shí)例

基于以上方法，依據(jù)GB/T 24734《技術(shù)產(chǎn)品文件 數(shù)字化產(chǎn)品定義數(shù)據(jù)通則》系列標(biāo)準(zhǔn)［9］，以及《機(jī)械加工工藝信息三維標(biāo)注規(guī)范》等三項(xiàng)機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，利用VC＋＋，對(duì)三維CAD軟件Pro/E進(jìn)行了二次開(kāi)發(fā)，開(kāi)發(fā)了機(jī)加工藝信息標(biāo)注模塊。該模塊包括尺寸公差的標(biāo)注、幾何公差的標(biāo)注、表面粗糙度的標(biāo)注、定位和裝夾符號(hào)的標(biāo)注（依據(jù)GB/T 24740－2009）以及加工方法的標(biāo)注等。如圖4所示為加工方法標(biāo)注結(jié)果。目前，該軟件已經(jīng)在某單位重點(diǎn)型號(hào)典型零件工藝設(shè)計(jì)中進(jìn)行了局部應(yīng)用，并通過(guò)與產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理（Product Data Management，PDM）系統(tǒng)Windchill進(jìn)行集成，將工藝設(shè)計(jì)信息直接保存到PDM系統(tǒng)中進(jìn)行管理，通過(guò)開(kāi)發(fā)專用的三維工藝信息瀏覽器，實(shí)現(xiàn)了三維工藝信息的現(xiàn)場(chǎng)發(fā)布。

5 結(jié)束語(yǔ)

基于模型定義的數(shù)字化工藝設(shè)計(jì)是目前制造領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)，也是難點(diǎn)之一。本文提出了基于模型的工藝的概念，并以零件加工工藝為研究對(duì)象，建立了基于模型的零件工藝管理體系。同時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)工藝信息的三維標(biāo)注，提出了一種三維加工方法標(biāo)注符號(hào)，該加工方法標(biāo)注符號(hào)直觀、形象，為三維環(huán)境下的工藝信息表達(dá)提供了一種新方法。隨著基于模型的定義技術(shù)在企業(yè)內(nèi)的深入應(yīng)用，基于模型的定義技術(shù)將被應(yīng)用于產(chǎn)品生命周期中的各個(gè)階段，因此，基于模型定義的產(chǎn)品生命周期管理將是下一步的研究重點(diǎn)和方向。

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