基于MBD的數(shù)控工藝設(shè)計及快速編程方法研究*

（北京航空航天大學工業(yè)與制造系統(tǒng)工程系，北京 100191）

隨著計算機輔助設(shè)計系統(tǒng)的推廣及數(shù)控機床的廣泛應(yīng)用，對數(shù)控工藝設(shè)計及數(shù)控編程提出了新的要求。但是在目前數(shù)控加工應(yīng)用中，存在數(shù)控工藝設(shè)計自動化程度低、編程周期長等問題，迫切需要建立高效率、高質(zhì)量的數(shù)控工藝設(shè)計及快速編程方法。已有一些學者從提高工藝設(shè)計效率的角度對數(shù)控工藝設(shè)計的方法進行了研究，文獻[1-2]建立CAD/CAPP/ CAM集成系統(tǒng)，并以特征信息為工藝設(shè)計的輸入，用于提高零件生產(chǎn)技術(shù)準備工作的自動化程度；文獻[3]提出了基于三維模型的工藝設(shè)計方法及其三維應(yīng)用模式，以三維工藝模型為基礎(chǔ)進行工藝設(shè)計。文獻[4]研究了數(shù)控加工程序的可重用性問題，建立了一種基于刀具驅(qū)動的特征動態(tài)分解策略，以加工特征為基礎(chǔ)實現(xiàn)數(shù)控程序的參數(shù)化生成；文獻[5]研究了基于加工特征的數(shù)控刀具軌跡自動生成技術(shù)，并利用產(chǎn)品加工特征對CAD與CAM系統(tǒng)進行集成，這些工作都為數(shù)控工藝的深化研究奠定了基礎(chǔ)。

另一方面，數(shù)字化產(chǎn)品定義技術(shù)的發(fā)展使基于模型定義（Model Based Definition，MBD）的相關(guān)標準和規(guī)范成為數(shù)字化設(shè)計與制造中產(chǎn)品和制造工藝信息定義的重要依據(jù)?；贛BD的產(chǎn)品定義技術(shù)改變了傳統(tǒng)的由三維實體模型來描述幾何信息而用二維工程圖紙來定義尺寸公差和工藝信息的產(chǎn)品描述方法，使得三維模型成為生產(chǎn)制造過程中產(chǎn)品信息定義的唯一依據(jù)[6]，也對零件加工工藝過程的設(shè)計提出了更高要求。本文針對MBD在產(chǎn)品研發(fā)中的應(yīng)用，從提高數(shù)控加工工藝設(shè)計及編程效率出發(fā)，提出基于MBD的數(shù)控工藝設(shè)計及快速編程方法，建立符合MBD規(guī)范的產(chǎn)品制造特征信息表達結(jié)構(gòu)，分析了三維模型關(guān)聯(lián)的數(shù)控工藝信息模型內(nèi)容，構(gòu)建工藝設(shè)計結(jié)果與數(shù)控編程信息的參數(shù)化映射機制，以提高工藝設(shè)計的自動化程度及編程效率，從而滿足快速數(shù)控工藝編程的需求。

1 制造特征信息的表達與構(gòu)造

1.1 基于MBD的制造特征信息描述

制造特征從制造角度看是一種可用于描述零部件上與加工或裝配等制造有關(guān)的形狀的抽象幾何體，能夠表達加工制造要求與意圖。因此，制造特征既包含用于約束和描述特征形狀的幾何要素信息，又包含用于描述制造活動相關(guān)要求的產(chǎn)品制造信息[7]，是確定加工方案、制造資源、工藝參數(shù)等的依據(jù)。本文討論與加工制造特征（簡稱加工特征）相關(guān)的應(yīng)用問題。

在MBD技術(shù)環(huán)境下，產(chǎn)品信息以集成的三維實體模型來完整表達產(chǎn)品，特征信息的描述也基于三維來表達和傳遞包括設(shè)計與制造在內(nèi)的工程信息?？紤]到三維模型在設(shè)計、工藝、制造、檢驗、銷售、維修等全生命周期中的各個階段的應(yīng)用，為便于產(chǎn)品模型信息的傳遞和共享，建立制造特征信息的描述，如圖1所示。

圖1 制造特征信息的描述Fig.1 Manufacturing feature information description

制造特征信息結(jié)構(gòu)從內(nèi)容上可劃分為3個層次：產(chǎn)品層主要用來描述產(chǎn)品的整體信息，包括特征信息、技術(shù)信息、材料信息、熱處理信息、管理信息等；特征層是對零件層中特征信息的擴展，主要用來描述零件所包含的特征類型；特征信息規(guī)范層是對不同種類特征的信息規(guī)范約束，將特征信息劃分為特征屬性信息、特征幾何信息、特征標注信息3類。其中，特征屬性信息包括特征描述信息、特征定位信息，特征標注信息包括尺寸公差信息、形位公差信息、粗糙度信息等。制造特征信息的表達結(jié)構(gòu)為特征信息的提取與組織建立了標準化依據(jù)，便于信息的傳遞和利用。

1.2 特征信息的提取與構(gòu)造

加工特征是設(shè)計與制造間信息傳遞的載體，其信息完整性是影響工藝設(shè)計及工藝決策結(jié)果的重要因素。如何準確、高效地從產(chǎn)品設(shè)計模型中獲得零件的加工特征信息一直是CAD/CAM領(lǐng)域的一個研究熱點。基于MBD產(chǎn)品定義技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用使產(chǎn)品設(shè)計模型中包含了產(chǎn)品制造信息PMI( Product and Manufacturing Information），本文利用產(chǎn)品模型中存在的產(chǎn)品制造信息建立了零件加工特征信息的實例化方法（圖2），根據(jù)MBD三維模型信息，以制造特征信息表達結(jié)構(gòu)為特征信息建?；A(chǔ)，通過將基于域[8]的特征識別方法及PMI信息獲取相結(jié)合進行實例加工特征信息的構(gòu)造。

圖2 加工特征信息的實例化方法Fig.2 Feature information instantiation method

基于域的特征識別方法從加工的角度出發(fā)，根據(jù)零件主要特征方向，將產(chǎn)品模型分成一系列不同的加工域，通過查找域的主面，并圍繞主面確定與主面凹邊相連的側(cè)面，進而識別和構(gòu)建加工域，最后再通過域的分解，獲得具體的加工特征。

在加工特征信息實例化時，根據(jù)基于域的特征識別方法對加工特征進行構(gòu)造，提取得到幾何信息，然后通過PMI的獲取得到加工特征非幾何信息，最終得到完整的特征信息支持下游數(shù)控工藝活動。

利用加工特征信息的實例化方法得到產(chǎn)品加工特征信息集合，能夠有效地支持數(shù)控工藝決策，最終實現(xiàn)以加工特征為單元的數(shù)控制造過程。此外，該實例化方法保證了特征信息的完整性，通過適當?shù)奶卣餍畔⒔M織與結(jié)構(gòu)化傳遞，為后續(xù)工藝設(shè)計提供決策依據(jù)。

2 三維關(guān)聯(lián)的數(shù)控工藝信息模型內(nèi)容

三維關(guān)聯(lián)的數(shù)控工藝信息模型包含3方面的信息內(nèi)容：一是基于MBD的特征信息；二是數(shù)控工藝信息；三是數(shù)控資源信息。基于MBD的特征信息與圖1所示的特征信息結(jié)構(gòu)相對應(yīng)，從面向制造的角度，建立加工特征與產(chǎn)品信息的關(guān)聯(lián)。例如加工特征與幾何信息、定位信息、特征描述信息、粗糙度及尺寸、形位公差信息的關(guān)聯(lián)，是基于零件MBD模型的加工特征信息提取的基礎(chǔ)。數(shù)控工藝信息中包含工藝分工、工藝（規(guī)程）、工序及工步信息，也包含數(shù)控加工的加工操作信息。加工操作是組成工藝的最基本單元，若干個加工操作可以構(gòu)成加工工藝過程中的一個工步。加工操作以加工特征為核心，關(guān)聯(lián)對應(yīng)加工特征的全部信息，例如特征的加工方法、加工余量、切削參數(shù)及其加工所需的機床、刀具、夾具等資源信息；此外，加工操作與其所屬的數(shù)控編程系統(tǒng)也存在關(guān)系，該關(guān)系是實現(xiàn)工藝結(jié)果與數(shù)控加工系統(tǒng)參數(shù)化映射驅(qū)動的基礎(chǔ)。通過加工操作將特征信息與數(shù)控工藝相關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)基于加工特征的數(shù)控工藝設(shè)計及參數(shù)化映射驅(qū)動的數(shù)控編程。數(shù)控資源信息描述數(shù)控加工使用的制造資源，如機床、夾具、刀具、量具等。

三維關(guān)聯(lián)的數(shù)控工藝信息模型從集成化的角度出發(fā)，根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計、工藝設(shè)計及加工過程對信息的不同需求，對產(chǎn)品制造過程中所涉及的各種信息進行建模，為不同系統(tǒng)間快捷的信息流轉(zhuǎn)和共享提供支持，不僅是進行數(shù)控工藝設(shè)計的基礎(chǔ)，也是實現(xiàn)快速數(shù)控編程的關(guān)鍵。

3 數(shù)控加工操作信息的參數(shù)化映射生成

3.1 數(shù)控工藝過程設(shè)計

從產(chǎn)品制造的角度來考慮，待加工零件是由若干個加工特征組成的結(jié)構(gòu)體，基于加工特征進行數(shù)控工藝過程設(shè)計是工藝設(shè)計模塊化的基礎(chǔ)，圖3所示為基于特征的數(shù)控工藝設(shè)計方法。

圖3 基于特征的數(shù)控工藝設(shè)計方法Fig.3 Feature-based CNC process design method

數(shù)控工藝過程設(shè)計時，加工環(huán)境與制造數(shù)據(jù)庫同時支撐工藝設(shè)計，其中制造數(shù)據(jù)庫作為支撐工藝設(shè)計及決策的重要依據(jù)，其知識的種類及容量對決策有重要的影響。同時，工藝約束，例如零件整體約束、工藝規(guī)則約束及排序規(guī)則約束等也是工藝設(shè)計的重要影響因素，控制工藝設(shè)計活動的進行。

基于加工特征信息，根據(jù)三維關(guān)聯(lián)的數(shù)控工藝信息模型進行工藝設(shè)計，其內(nèi)容包括加工方法決策、面向數(shù)控加工的資源選擇及工藝參數(shù)決策、零件工序排序劃分等。通過規(guī)則庫中的數(shù)控加工方法與加工特征對應(yīng)關(guān)系匹配形成基于特征的數(shù)控加工方法鏈，依據(jù)特征類型、幾何參數(shù)、精度及粗糙度等信息進行特征工藝決策。根據(jù)加工方法鏈中的加工方法與數(shù)控制造數(shù)據(jù)庫的匹配選擇制造資源及加工參數(shù)。按照加工階段、工序集中等原則進行工藝排序劃分，在此基礎(chǔ)上，插入熱處理等中間工序形成完整的工藝路線。

3.2 參數(shù)驅(qū)動的快速數(shù)控編程

數(shù)控編程時需要利用零件三維模型、中間工序模型并根據(jù)工藝設(shè)計信息進行加工要素預(yù)定義、加工操作參數(shù)設(shè)置及后處理等操作。為了達到減少編程人員工作量、提高編程效率的目的，本文建立工藝設(shè)計信息與數(shù)控加工參數(shù)的映射關(guān)系，實現(xiàn)數(shù)控加工參數(shù)與CAM系統(tǒng)中的加工操作匹配，達到自動生成數(shù)控編程所需信息的目的。本文的數(shù)控加工參數(shù)是指與CAM編程系統(tǒng)密切相關(guān)的可以參數(shù)化表示的加工方法、刀具信息、切削參數(shù)、加工余量等。圖4所示為參數(shù)化映射驅(qū)動的快速數(shù)控編程方法。

在基于加工特征的數(shù)控工藝設(shè)計中，程序編制是以“加工操作”作為基本單元進行構(gòu)造的。如果零件工藝復(fù)雜，在數(shù)控系統(tǒng)中對應(yīng)的加工操作節(jié)點多，而且每一個加工操作節(jié)點都需要進行加工方法、刀具類型、刀具參數(shù)、切削參數(shù)及加工余量等設(shè)置，相比數(shù)控編程過程中對加工要素預(yù)定義與后處理階段的人工交互量，對加工操作的參數(shù)設(shè)置工作量更大。為減少數(shù)控編程中的人工干預(yù)量，建立加工特征及工藝信息與數(shù)控加工操作的參數(shù)化映射關(guān)系。根據(jù)所屬數(shù)控編程系統(tǒng)，匹配加工特征中幾何要素與數(shù)控加工操作中的幾何對象以及工步節(jié)點與數(shù)控加工操作，關(guān)聯(lián)工藝信息中的數(shù)控加工參數(shù)與數(shù)控編程中加工操作所需驅(qū)動參數(shù)，從而達到在數(shù)控編程系統(tǒng)中自動設(shè)置數(shù)控相關(guān)參數(shù)、自動添加操作信息的目的。

圖4 參數(shù)化映射驅(qū)動的快速數(shù)控編程方法Fig.4 Rapid CNC programming method driven by parameter mapping

4 應(yīng)用實例

本文提出的基于MBD的數(shù)控工藝設(shè)計及快速編程方法通過本研究所開發(fā)的系統(tǒng)進行了驗證。利用產(chǎn)品特征信息提取模塊從產(chǎn)品模型上提取零件的加工特征信息，在此基礎(chǔ)上，利用工藝知識庫及工藝規(guī)則等進行數(shù)控加工方案、加工資源及工藝分組排序等決策，生成工藝過程信息及數(shù)控加工操作所需的工藝參數(shù)信息。利用這些加工操作的工藝參數(shù)進一步映射到數(shù)控編程系統(tǒng)中，在編程系統(tǒng)中自動創(chuàng)建加工操作，并實現(xiàn)刀具類型、刀具參數(shù)、切削參數(shù)、加工余量等數(shù)控編程所需參數(shù)信息的自動映射，通過數(shù)控刀軌的交互生成，最終進行刀軌仿真驗證。主要驗證過程如圖5所示。

圖5 基于MBD的數(shù)控工藝設(shè)計及快速編程方法應(yīng)用Fig.5 Application of CNC process design and rapid programming method based on MBD

5 結(jié)論

本文從提高工藝設(shè)計的靈活性、適應(yīng)現(xiàn)代制造模式發(fā)展的需要出發(fā)，提出了一種基于MBD的數(shù)控工藝設(shè)計及快速編程方法，并開發(fā)了相應(yīng)的使能系統(tǒng)。通過對三維零件特征信息的提取與組織，很好地滿足了工藝決策系統(tǒng)的需求；利用工藝設(shè)計結(jié)果與CAM系統(tǒng)數(shù)控加工操作的自動參數(shù)化映射匹配，實現(xiàn)了工藝設(shè)計系統(tǒng)與數(shù)控編程系統(tǒng)的有效集成，簡化了數(shù)控程序的設(shè)計過程，提高了數(shù)控編程的效率，為數(shù)控工藝設(shè)計的自動化及智能化提供了一個新途徑。

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