基于MBD技術(shù)的零件參數(shù)化工藝設(shè)計(jì)及應(yīng)用

蔣華鋒

一、引言

近年來(lái)，我國(guó)制造業(yè)迅速發(fā)展，特別是航空工業(yè)，廣泛采用了MBD技術(shù)用于產(chǎn)品研發(fā)和制造。隨著產(chǎn)品零件的標(biāo)準(zhǔn)化程度越來(lái)越高、精度越來(lái)越高、生產(chǎn)批量越來(lái)越大，以及工藝周期不斷縮短，如何提高三維設(shè)計(jì)及生產(chǎn)效率成了企業(yè)關(guān)心的問(wèn)題。

根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)，企業(yè)如果能在產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造過(guò)程中重用已有成熟的設(shè)計(jì)及制造資源，就可以提高設(shè)計(jì)速度和產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量。特別是在那些產(chǎn)品及其零部件系列化、標(biāo)準(zhǔn)化程度較高，生產(chǎn)批量較大的企業(yè)，設(shè)計(jì)和制造資源重用是一種提高工藝準(zhǔn)備工作質(zhì)量、減少工藝準(zhǔn)備工作量、縮短工藝準(zhǔn)備周期的有效方法。

本文基于西門(mén)子NX軟件平臺(tái)，開(kāi)發(fā)了一種基于MBD技術(shù)的零件參數(shù)化工藝系統(tǒng)，來(lái)實(shí)現(xiàn)零件設(shè)計(jì)及制造資源的快速重用。下文將介紹具體的原理及實(shí)現(xiàn)方法。

二、零件參數(shù)化工藝設(shè)計(jì)的原理

經(jīng)過(guò)分析，企業(yè)內(nèi)部的系列化零件一般都由各類相對(duì)固定的結(jié)構(gòu)組合而成，如圖1所示。該實(shí)例零件由外圓圓柱、軸向孔、環(huán)槽、徑向圓孔、徑向長(zhǎng)條孔、偏心斜孔和倒角/圓角等特征構(gòu)成，這些特征均對(duì)應(yīng)了一種典型成熟的加工方法，則可視這些特征為典型特征。即該實(shí)例零件為典型特征組合而成。因此，設(shè)計(jì)人員可通過(guò)典型特征組合的建模方法來(lái)完成零件設(shè)計(jì)。

由典型特征組合而成的零件，就使得在工藝設(shè)計(jì)階段可通過(guò)特征識(shí)別技術(shù)，將每個(gè)典型特征定義為一道典型工序，則一個(gè)零件可快速分解成為多道工序，再通過(guò)工序模型的參數(shù)化驅(qū)動(dòng)，快速創(chuàng)建工序模型，進(jìn)而完成MBD工藝編制工作。本文基于MBD技術(shù)的參數(shù)化工藝設(shè)計(jì)流程如圖2所示。

圖2中涉及到了如下幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)，這些技術(shù)均通過(guò)軟件開(kāi)發(fā)的方法得以實(shí)現(xiàn)。

（l）梳理出同系列零件的典型結(jié)構(gòu)，建立典型結(jié)構(gòu)特征庫(kù)和工藝資源庫(kù)。

（2）使用面向制造的設(shè)計(jì)方法（DFM），開(kāi)發(fā)特征建模工具，使同類零件設(shè)計(jì)和工藝標(biāo)準(zhǔn)化，減少重復(fù)勞動(dòng)，并使設(shè)計(jì)零件具備加工性能。

（3）采用特征識(shí)別和參數(shù)化工藝方法，快速識(shí)別出零件最適合的工藝，實(shí)現(xiàn)相似零件工藝的快速設(shè)計(jì)。

三、典型結(jié)構(gòu)特征庫(kù)和加工資源庫(kù)

通過(guò)產(chǎn)品梳理，將形狀和工藝路線相似的典型結(jié)構(gòu)特征加以整理，形成典型特征庫(kù)。特征庫(kù)分為三維MBD模型庫(kù)及工藝加工資源庫(kù)。每個(gè)典型特征均對(duì)應(yīng)了一個(gè)典型工序，并且為每個(gè)典型工序建立了配套的加工方法和工藝資源，保證后期快速調(diào)用。如圖3所示。

四、典型特征建模工具

利用特征建模技術(shù)實(shí)現(xiàn)參數(shù)化工藝設(shè)計(jì)，是目前DFM的實(shí)現(xiàn)途徑之一。有學(xué)者認(rèn)為：“特征建模技術(shù)被認(rèn)為是CAD/CAM集成的關(guān)鍵技術(shù)，它的應(yīng)用分為兩大類：一類是特征造型，以特征為一特定單位參與幾何造型；另一類是特征識(shí)別和提取，即從已有的CAD模型中用一定手段提取特征信息。采用特征技術(shù)可建立完善的零件信息模型，為CAD/CAPP/CAM和CIMS的集成奠定基礎(chǔ)?！北疚膹膶?shí)際應(yīng)用的角度出發(fā)，基于NX平臺(tái)開(kāi)發(fā)了典型特征建模工具，如圖4所示，所有的特征資源從典型結(jié)構(gòu)特征庫(kù)中提取，方便設(shè)計(jì)人員快速進(jìn)行典型特征建模。當(dāng)?shù)湫吞卣鲙?kù)擴(kuò)充之后，特征建模工具也能實(shí)時(shí)顯示新的內(nèi)容。由特征建模工具創(chuàng)建的模型，在參數(shù)化工藝設(shè)計(jì)階段可以實(shí)現(xiàn)特征無(wú)縫識(shí)別。該工具使得設(shè)計(jì)人員可以通過(guò)簡(jiǎn)單的特征組合得到完整的零件模型，且設(shè)計(jì)人員所使用的對(duì)象不再是簡(jiǎn)單的幾何圖素，而是具有功能要素和攜帶工藝信息的特征。

五、零件MBD參數(shù)化工藝設(shè)計(jì)

由特征建模工具創(chuàng)建的設(shè)計(jì)模型，其每個(gè)特征均在數(shù)據(jù)庫(kù)中對(duì)應(yīng)了相應(yīng)的加工方法，可以通過(guò)特征識(shí)別的方式進(jìn)行提取，即每個(gè)特征均為一個(gè)典型工序。工藝人員通過(guò)對(duì)典型工序進(jìn)行編排，可以生成一整套工藝規(guī)程。通過(guò)不斷的積累，可以將具有代表性的工藝規(guī)程定義為典型工藝。因此，基于典型特征的典型工藝是參數(shù)化工藝工作的基礎(chǔ)。

1 特征識(shí)別及對(duì)比

用典型特征建模工具創(chuàng)建的零件，使用典型特征識(shí)別功能，可以快速將所有的典型特征識(shí)別出來(lái)。從零件模型中識(shí)別典型特征后，軟件自動(dòng)與加工資源庫(kù)庫(kù)中該典型特征的優(yōu)選參數(shù)進(jìn)行比對(duì)，對(duì)于非優(yōu)選參數(shù)或超出現(xiàn)有加工極限的特征顯示出來(lái)，引導(dǎo)設(shè)計(jì)確認(rèn)是否更改。當(dāng)特征對(duì)比完全通過(guò)后，說(shuō)明當(dāng)前所設(shè)計(jì)的零件具有成熟的加工方法，可保證精度要求（圖5）。

2 由典型特征編排工藝路線

根據(jù)特征識(shí)別結(jié)果，與典型加工資源庫(kù)中的典型工藝類型進(jìn)行比對(duì)，若存在典型工序，則進(jìn)行分析。某一類特征可能對(duì)應(yīng)多個(gè)加工方法，通過(guò)某一特征（如總長(zhǎng)或長(zhǎng)徑比）限定，自動(dòng)優(yōu)選適宜的加工方法。在工藝資源庫(kù)中的每一工序配備有對(duì)應(yīng)的工藝參數(shù)（數(shù)控設(shè)備：程序、刀具清單、裝夾方案、檢測(cè)要素；手動(dòng)設(shè)備：裝夾方案、加工方式及一般性要求），并提供列表（刀具清單表、工裝清單表、檢驗(yàn)表、程序包），對(duì)比后可快速添加入當(dāng)前工序中，并支持修改。

本文開(kāi)發(fā)了由參數(shù)化工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)根據(jù)識(shí)別出的典型特征和對(duì)應(yīng)的典型工序來(lái)搭建工藝路線，如圖6所示。

對(duì)話框中可以對(duì)工序進(jìn)行編排，對(duì)于特種工藝或其他不涉及到工序模型的工藝，可以在中間添加新工序。完成編排后，系統(tǒng)自動(dòng)在NX中生成工藝結(jié)構(gòu)，并對(duì)工序的模型文件進(jìn)行編碼指派，如圖7所示。

3 工序模型自動(dòng)生成

在進(jìn)行零件MBD工藝設(shè)計(jì)時(shí)，工序模型的生成是非常耗時(shí)的一個(gè)環(huán)節(jié)。由于設(shè)計(jì)人員建模水平參差不齊，就使得工藝人員無(wú)法使用自動(dòng)化方法快速完成工序模型修改，這對(duì)工藝人員的NX使用水平也提出了較高的要求。而使用典型特征建模工具完成零件設(shè)計(jì)后，就使得利用軟件開(kāi)發(fā)快速生成工序模型成為了可能。

本文通過(guò)開(kāi)發(fā)，在原有設(shè)計(jì)模型的基礎(chǔ)上，用軟件來(lái)完成對(duì)工序模型的修改和創(chuàng)建。過(guò)程如下。

（l）將設(shè)計(jì)特征導(dǎo)入所有的工序part文件中。

（2）利用在工藝路線設(shè)計(jì)中的工序號(hào)來(lái)判斷哪些典型特征屬于哪道工序。

（3）當(dāng)前工序只保留當(dāng)前工序號(hào)及前面所有工序的特征，其后所有的特征自動(dòng)刪除。

例如，15工序的模型，需要?jiǎng)h除l5工序以后所有的特征。由于使用特征建模工具創(chuàng)建的各典型特征之間沒(méi)有父子關(guān)系，所以可以方便地刪除與本工序無(wú)關(guān)的特征，而不會(huì)影響零件的正常更新。圖8所示為利用軟件快速生成的工序模型。

4 加工余量及PMI標(biāo)注

零件的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)和加工基準(zhǔn)無(wú)法從特征級(jí)別獲取到，均需要設(shè)計(jì)人員和工藝人員依據(jù)自己的知識(shí)和零件的實(shí)際形狀進(jìn)行定義。工藝人員定義好每道工序的加工基準(zhǔn)后就可以對(duì)工序模型進(jìn)行三維PMI標(biāo)注和加工余量設(shè)置。本文在特征建模階段已經(jīng)預(yù)埋了加工余量的值，并將值設(shè)為0。在工藝數(shù)據(jù)資源庫(kù)中，每類典型特征均對(duì)應(yīng)了若干優(yōu)選的加工余量，設(shè)計(jì)人員只需要結(jié)合毛坯尺寸值，從數(shù)據(jù)庫(kù)中選擇優(yōu)選加工余量，將加工余量的值賦給工序模型，即可完成工序模型的重新生成（圖9）。

5 NX CAM加工仿真

由于每道工序所使用的工藝資源信息，如設(shè)備、刀具及切削參數(shù)等信息已經(jīng)在工藝路線設(shè)計(jì)階段從工藝資源庫(kù)中自動(dòng)獲取，故在使用NX CAM在進(jìn)行加工仿真時(shí)，可以直接調(diào)用這些工藝資源。在加工仿真階段，本文開(kāi)發(fā)的參數(shù)化工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)表現(xiàn)了如下的優(yōu)點(diǎn)。

（l）系統(tǒng)自動(dòng)錄入與典型特征對(duì)應(yīng)的工藝資源和加工參數(shù)，減少數(shù)據(jù)的重復(fù)輸入，提高編程效率。

（2）典型工藝加工資源庫(kù)中固化了被實(shí)踐驗(yàn)證過(guò)的最佳工藝參數(shù)的應(yīng)用，提升了加工品質(zhì)。

（3）提取加工資源庫(kù)中的信息，也提高了數(shù)控編程的標(biāo)準(zhǔn)化。

使用NX CAM生的成NC代碼，可以通過(guò)企業(yè)的DNC系統(tǒng)傳遞給現(xiàn)場(chǎng)加工中心，進(jìn)而完成基于MBD技術(shù)的零件加工（圖10）。

六、結(jié)語(yǔ)

本文提出的基于MBD技術(shù)的零件參數(shù)化工藝設(shè)計(jì)方法，其核心在于利用以往的最佳實(shí)踐和經(jīng)驗(yàn)來(lái)解決新問(wèn)題。在NX平臺(tái)下開(kāi)發(fā)的特征建模工具和參數(shù)化工藝系統(tǒng)經(jīng)過(guò)實(shí)際使用后，提高了系列化零件的設(shè)計(jì)、工藝和加工效率。今后通過(guò)對(duì)企業(yè)典型特征庫(kù)的不斷積累和擴(kuò)充，還可形成企業(yè)內(nèi)部的典型零件工藝數(shù)據(jù)庫(kù)，將更能縮短零件的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)周期。