壁板類零件MBD制造模型的建立技術(shù)研究*

張瑞廷，秦慧斌，黃登高，鄭智貞，張余升

(1.中北大學(xué) 機(jī)械與動力工程學(xué)院，太原　030051；2．上海航天設(shè)備制造總廠，上?！?00245)

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壁板類零件MBD制造模型的建立技術(shù)研究*

張瑞廷1，秦慧斌1，黃登高1，鄭智貞1，張余升2

(1.中北大學(xué) 機(jī)械與動力工程學(xué)院，太原030051；2．上海航天設(shè)備制造總廠，上海200245)

摘要：對航空航天典型壁板類零件進(jìn)行分析，提出了制造模型的表達(dá)公式。利用特征，視圖，配置，剖視圖，注釋層，表格，自定義屬性對壁板類零件的設(shè)計(jì)信息與制造信息進(jìn)行綜合表達(dá)。采用Solid Works軟件建立了某薄壁板零件的MBD制造模型，完成了MBD制造模型在生產(chǎn)下游的適應(yīng)性加工試驗(yàn)。為MBD制造模型在生產(chǎn)下游的深入應(yīng)用提供了技術(shù)參考。

關(guān)鍵詞：壁板類零件；基于模型定義技術(shù)；制造模型；工序模型

0引言

產(chǎn)品的設(shè)計(jì)定義技術(shù)發(fā)展大致經(jīng)歷了“二維設(shè)計(jì)、二維出圖”，“三維設(shè)計(jì)、二維出圖”，“基于三維模型全面定義”三個階段[1-2]。MBD(Model Based Definition，基于模型的定義)技術(shù)在當(dāng)前航空、航天、汽車等裝備制造行業(yè)中有強(qiáng)烈的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用需求，恰逢當(dāng)前產(chǎn)品定義設(shè)計(jì)的軟硬件技術(shù)發(fā)展到一定階段時，而產(chǎn)生的一種全新的產(chǎn)品定義技術(shù)體系。目前，數(shù)字化巨頭，Siemens, PTC、Dassault等CAD/CAM/CAE集成平臺中緊跟相關(guān)技術(shù)需求，提供逐步完善的MBD技術(shù)功能模塊，使MBD模型作為產(chǎn)品全生命周期的唯一依據(jù)成為可能。

現(xiàn)代航空、航天工業(yè)中廣泛使用壁板整體結(jié)構(gòu)零件來減輕自重，提高各項(xiàng)機(jī)械性能。壁板類整體結(jié)構(gòu)零件，具有大量復(fù)雜槽腔、壁薄、易變形、材料去除率大、形狀復(fù)雜多樣等特點(diǎn)[3]。零件具有側(cè)耳，孔徑公差要求嚴(yán)格的精度孔等高精度結(jié)構(gòu)；具有同軸度、垂直度、平行度等工藝要求。二維工藝規(guī)劃方法與上游的全三維數(shù)字化設(shè)計(jì)和下游的先進(jìn)制造工藝及裝備已不相適應(yīng)，設(shè)計(jì)與制造的協(xié)同性不強(qiáng)，逐漸成為數(shù)字化制造的瓶頸[4-5]。本文在分析壁板零件的制造模型信息表達(dá)的基礎(chǔ)上，基于MBD技術(shù)利用SolidWorks平臺建立了壁板零件的制造模型和工序模型，可為三維模型在生產(chǎn)下游的深入應(yīng)用提供技術(shù)參考。

1MBD制造模型

1.1零件MBD制造模型的定義

MBD技術(shù)是用集成的三維模型完整地表達(dá)產(chǎn)品定義信息，將設(shè)計(jì)、工藝、制造、檢驗(yàn)、銷售等信息共同定義到產(chǎn)品的三維模型中，使三維模型成為產(chǎn)品生命周期各階段信息的唯一載體，保證產(chǎn)品數(shù)據(jù)源的唯一性；產(chǎn)品全生命周期的每個階段的產(chǎn)品信息數(shù)據(jù)可很好地實(shí)現(xiàn)繼承和共享[6-7]。

制造模型是相對于設(shè)計(jì)模型而提出的，是產(chǎn)品制造周期工藝過程階段工序間信息的描述。制造模型是以零件設(shè)計(jì)模型為基礎(chǔ)，在綜合考慮制造工藝過程和工藝資源的基礎(chǔ)上，所定義出的控制零件制造過程的數(shù)字模型。

1.2零件MBD制造模型的信息構(gòu)成

制造模型是帶有標(biāo)注的三維CAD模型，包括幾何形狀特征、尺寸公差、注釋以及與制造、管理相關(guān)的屬性。零件MBD制造模型信息主要包括設(shè)計(jì)信息和制造信息。零件設(shè)計(jì)信息主要包括尺寸、尺寸公差、形位公差、表面結(jié)構(gòu)等信息。零件制造信息主要是指產(chǎn)品生產(chǎn)加工過程中所涉及到的加工設(shè)備類型、設(shè)備數(shù)量、刀具參數(shù)和加工工藝等信息，如技術(shù)要求、表面處理、加工信息、工藝基準(zhǔn)、夾緊定位等信息。制造模型、毛坯模型、工序模型、零件模型及其信息構(gòu)成關(guān)系如圖1所示。

圖1　制造模型關(guān)系圖

從制造角度來觀察，工序模型可看成是由一系列加工活動逐步對毛坯模型進(jìn)行切削最終形成零件模型的過程。設(shè)Mp表示最終零件模型，Ms表示毛坯模型，Mi代表第i道工序模型，Vij表示第i道工序切除的第j個體積，l為總工序數(shù)，m為第i道工序切除的體積數(shù)。零件MBD模型、零件MBD工序模型可用公式(1)、(2)來表示[8-10]；零件MBD制造模型的信息表達(dá)可用公式(3)來表示。

零件MBD模型表達(dá)公式：

(1)

零件MBD工序模型表達(dá)公式：

(2)

(3)

(i=1,2,…l)(j=1,2,3 …m)(K=1,2,3 …n)

公式(3)中：Y表示制造模型；l表示零件的工序模型個數(shù)；o表示第i個工序模型設(shè)計(jì)信息的個數(shù)，q表示第i道工序模型制造信息的個數(shù)，Aid表示第i道工序模型的第d個設(shè)計(jì)信息；Bic表示第i個工序模型的第c個制造信息。

2零件MBD制造模型的信息表達(dá)

為了消除零件MBD制造模型信息表達(dá)時的“刺猬”現(xiàn)象，可以采用合理的特征信息表達(dá)、視圖信息管理、工程信息分層、工序配置模型、制造信息表格、自定義屬性等功能來完成對零件MBD制造模型信息的正確、有效表達(dá)。

2.1視圖信息表達(dá)

這種顯示方式的基本思路是：首先通過模型設(shè)計(jì)軟件平臺提供的模型視圖管理器建立導(dǎo)視圖，然后基于導(dǎo)引視圖在三維模型上進(jìn)行詳細(xì)信息的三維標(biāo)注。圖2所示為某典型板類零件的正面俯視圖信息表達(dá)，顯示了板類零件的主要腔槽、筋、孔等特征的設(shè)計(jì)信息。

圖2　典型板類零件的正面俯視圖表達(dá)法

2.2剖視模型視圖表達(dá)

對于內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜零件需要利用剖視模型視圖對其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)信息、制造信息進(jìn)行表達(dá)。圖3板類零件的縱向剖視圖重點(diǎn)表達(dá)了板類零件中間的槽深、筋高、板厚、底面形位公差、粗糙度等有關(guān)信息。

圖3　剖視圖的表達(dá)

2.3特征信息表達(dá)

板類零件的制造特征主要有輪廓、面、凸臺、腔槽、孔系、曲壁、筋、肋等制造特征；板類零件的信息表達(dá)，可以通過特征與模型注解視圖相結(jié)合來實(shí)現(xiàn)。圖3所示為板類零件側(cè)耳特征信息的表達(dá)。

圖4　側(cè)耳特征的信息表達(dá)

2.4注釋層的表達(dá)

注釋層也稱過濾器?；贛BD的模型過濾器可以過濾其他不相關(guān)的信息，從而獲取自己需要的信息。注釋層可以顯示或隱藏某一類信息，使對三維模型的觀察更加簡潔明了，有利于消除零件模型三維標(biāo)注的“刺猬”現(xiàn)象。圖5所示為板類零件各加工特征表面粗糙度的信息表達(dá)。

圖5　粗糙度信息的表達(dá)

2.5加工工藝信息的表達(dá)

三維模型如果完全下車間，必須消除二維工藝卡的依賴?？梢栽谌S制造模型文件中，插入工藝設(shè)計(jì)表格，這樣三維CAD/CAM環(huán)境下，工序配置模型與工藝設(shè)計(jì)表格共同表達(dá)了每一工序的制造信息。

圖6　加工工藝信息的表達(dá)

2.6零件整體管理信息的表達(dá)

零件的整體管理信息有：零件圖號、版本號、材料、毛坯種類、零件重量、設(shè)計(jì)者、設(shè)計(jì)時間，工藝設(shè)計(jì)者、標(biāo)準(zhǔn)化審查、校對等信息。可以通過在零件的自定義屬性中添加相應(yīng)信息來實(shí)現(xiàn)對零件整體管理信息的表達(dá)。

圖7　零件的整體管理信息

3MBD工序模型的生成

MBD工序模型是帶有設(shè)計(jì)和制造完整信息，能夠指導(dǎo)本工序加工的三維數(shù)字化實(shí)體模型。MBD工序模型正確建立后可以擺脫二維工藝卡，直接用于數(shù)控編程、數(shù)控加工以及檢測等下游生產(chǎn)檢驗(yàn)環(huán)節(jié)。

工序模型的建立方法有正向設(shè)計(jì)、反向設(shè)計(jì)兩種。正向設(shè)計(jì)是指初始狀態(tài)為毛坯，最終設(shè)計(jì)為零件的設(shè)計(jì)；正向設(shè)計(jì)可以用被加工表面的一種初始狀態(tài)和加工的一種后繼狀態(tài)來表征每一次加工的設(shè)計(jì)。正向設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)由毛坯設(shè)計(jì)特性到零件設(shè)計(jì)特性的改變。反向設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)過程與正向設(shè)計(jì)相反，反向設(shè)計(jì)從最終設(shè)計(jì)要求入手，選擇前級加工方法，并設(shè)計(jì)前序狀態(tài)模型。要把一個機(jī)械加工零件填充成一個未加工的毛坯模型。每一次加工均可看作是一個填充的過程，一次鉆加工可以加工一個孔，一次鉸加工可填充為一層薄壁圓柱體，直至最后生成毛坯模型為止。

對于正向設(shè)計(jì)，在每一次選擇加工以前，必須考慮到后繼表面的狀態(tài)，因?yàn)榈谝淮蔚暮罄^狀態(tài)將成為第二次加工的初始狀態(tài)。反向設(shè)計(jì)消除了這種制約因素，因?yàn)樗鼜淖罱K的表面形式開始，并選擇適當(dāng)加工方法來滿足原始需要。用填充過程產(chǎn)生的過渡表面(中間表面)。是一次加工所能承受的最壞的初始狀態(tài)。任何能適用于過渡表面加工的填充過程，都可以選此加工方法[3,5]。

正向設(shè)計(jì)適合于條、板、塊、棒狀毛坯的機(jī)械加工零件；反向設(shè)計(jì)適合于初步鍛、鑄造零件主要外形，再通過機(jī)械加工的零件。該板類零件的工序采用DFM正向設(shè)計(jì)的方法，基于SolidWorks軟件根據(jù)上述方法建立了工序模型。圖8～圖11所示為利用SolidWorks的配置功能建立的某板類零件MBD工序配置模型樹、粗銑腔槽MBD工序模型、銑筋肋槽MBD工序模型、MBD零件模型。

圖8　工序配置模型樹

圖9　粗銑腔槽MBD工序模型

4零件數(shù)控加工驗(yàn)證

基于MBD的制造模型，毛坯材料采用硬鋁合金材料，完成各工序模型的刀位文件生成、數(shù)控加工仿真、后處理生成數(shù)控代碼。在XD-40A加工中心上，通過加工試驗(yàn)(如圖12所示)，加工后的零件實(shí)物見圖13所示，經(jīng)檢測達(dá)到了零件的質(zhì)量要求，驗(yàn)證了MBD制造模型對生產(chǎn)下游各環(huán)節(jié)的適應(yīng)性。

圖10　銑筋肋槽MBD工序模型

圖11　MBD零件模型

圖12　薄壁板類零件的加工試驗(yàn)

圖13　薄壁板類零件

5結(jié)束語

本文研究了MBD板類零件制造模型的信息表達(dá)與建立方法，建立了基于MBD的制造模型及工序模型，并完成了MBD制造模型在生產(chǎn)下游環(huán)節(jié)的適應(yīng)性試驗(yàn)，可為三維模型在生產(chǎn)下游的深入應(yīng)用提供技術(shù)參考。下一階段將基于MBD技術(shù)對鑄鍛類毛坯零件MBD制造模型的建立、特征信息自動提取、工藝信息的自動檢測等方面開展研究。

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(編輯趙蓉)

Research on Creating MBD Manufacturing Model of Plate Parts

ZHANG Rui-ting1，QIN Hui-bin1， HUANG Deng-gao1, ZHENG Zhi-zhen1, ZHANG Yu-sheng2

(1.School of Mechanical and Power Engineering，North University of China，Taiyuan 030051，China;2．Shanghai Aerospace Equipments Manufacturer，Shanghai 200245，China)

Abstract：The characteristics of typical aerospace plate part were analyzed, and expression formulas of manufacturing model was proposed. These design and manufacturing information of plate part was expressed in combination with the help of the MBD function module in three dimensional design platform such as feature, main view, configuration, cutaway view, Comment layer, table, custom attribute. Blank model, process model and part model of plate part were set up based on model definition in Solid Works platform. Then, manufacturing model adaptive processing test was carried out in production downstream. This research will provide technical reference for the application of manufacturing model.

Key words：plate parts; model based definition; manufacturing model; process model

文章編號：1001-2265(2016)05-0032-04

DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.05.009

收稿日期：2015-07-06

*基金項(xiàng)目：中北大學(xué)第11、12屆研究生科技立項(xiàng)項(xiàng)目(20141109；201512181)；航空制造工藝數(shù)字化國防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室開放基金項(xiàng)目(SHSYS2015003)

作者簡介：張瑞廷(1992—)，男，山西靈石人，中北大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)閿?shù)字化制造技術(shù)，(E-mail) 631676639@qq.com；通訊作者：秦慧斌(1978—)，男，山西潞城人，中北大學(xué)講師，碩士研究生導(dǎo)師，博士，研究方向?yàn)閿?shù)字化設(shè)計(jì)與制造技術(shù)，(E-mail) qhbsss@163.com。

中圖分類號：TH166;TG506

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A