基于MBD的數(shù)控加工工藝設計系統(tǒng)*

（南京航空航天大學機電學院，南京 210016）

隨著三維計算機輔助設計（Computer Aid-ed Design，CAD）技術的深入應用，基于模型定義（Model Based Definition，MBD）的數(shù)字化設計與制造技術已逐步成為航空制造業(yè)的發(fā)展趨勢[1]。MBD技術是將制造信息和設計信息（三維尺寸標注及各種制造信息和產(chǎn)品結構信息）共同定義到產(chǎn)品的三維數(shù)字化模型中，用三維MBD模型取代二維工程圖，指導產(chǎn)品的設計制造全過程。在MBD模式下零件的設計、制造和檢驗過程明顯加快，然而尚未完全應用到整個產(chǎn)品生命周期中，妨礙其進一步發(fā)展的關鍵因素在于三維計算機輔助工藝規(guī)劃（Computer Aided Process Planning，CAPP）技術的研究和應用。工藝設計是連接產(chǎn)品設計與制造的橋梁，對產(chǎn)品的質(zhì)量起到非常關鍵的作用。為實現(xiàn)產(chǎn)品全生命周期內(nèi)的MBD應用，本文探索了基于MBD的三維加工工藝設計方法，并開發(fā)實現(xiàn)了基于MBD的數(shù)控加工工藝設計系統(tǒng)[2-4]。

基于MBD的工藝信息模型

1 工藝信息MBD模型定義

工藝信息MBD模型由最終狀態(tài)的MBD設計模型、最初狀態(tài)的毛坯模型、中間狀態(tài)的多工序MBD模型，以及工藝屬性信息共同組成。一個零件工藝對應著一個工藝信息MBD模型。因此，工藝信息MBD模型可表示如下：

式中：Mgy表示工藝信息MBD模型；Md表示MBD設計模型；Mb表示毛坯模型；Migx表示第i道工序所對應的工序MBD模型；n表示工序數(shù)；AjM表示第i道工序所對應的工序MBD模型中所屬的工藝屬性信息[5]。

其中，

式中，Gd表示MBD設計模型的三維幾何體，由簡單的三維幾何元素構成，主要包括了模型幾何元素和輔助幾何元素；Ai表示MBD設計模型包含的功能定義的工藝信息集，如材料、尺寸、表面精度和熱處理要求等信息。

式中，Gigx表示第i道工序的三維幾何模型；Fij表示第i道工序所需要加工的第j個特征；Aik M表示與該道工序所對應的工序?qū)傩孕畔?；Sit表示本道工序下面的一個工步內(nèi)容。

通常來說，一道工序?qū)粋€工序MBD模型，但是對于簡單的零件而言，可以通過一個工序模型來表達多道工序，即多個工序共同對應一個工序模型[5]。

2 工藝信息MBD模型的表達

工藝信息MBD模型上所表達的工藝屬性信息以工藝路線的方式組織在各道工序和工步節(jié)點下。以每道工序下的工序MBD模型為單元節(jié)點，主要表達3個方面的信息：本道工序MBD模型的幾何形狀信息、尺寸標注信息和與本道工序相關的工藝屬性信息。幾何形狀信息主要是指產(chǎn)品零件在制造過程中的每道工序MBD模型自身的形狀信息，包括本道工序需要加工的特征幾何形狀、特征所在位置和特征間的拓撲結構等。尺寸標注信息主要包括產(chǎn)品零件的總體尺寸及工序MBD模型的加工特征尺寸、公差（形狀公差、位置公差和尺寸公差）、表面粗糙度、定位基準和技術要求等信息。工藝屬性信息主要指工序和工步下加工該特征所要用到的機床、刀具、工藝裝備（夾具、量具等）以及切削參數(shù)等。通過自動創(chuàng)建的工序MBD模型來表達從最初狀態(tài)的毛坯模型到最終狀態(tài)的設計模型在加工過程中零件形狀的演化過程，并按照工藝路線逐步建立工序、工步信息結構。

因此，工藝信息MBD模型主要是以工序MBD模型為載體，并將各道工序相關的工藝信息（基準、表面粗糙度、公差和注釋等）定義在各工序MBD模型中，從而構成多工序MBD模型，再與設計模型和毛坯模型共同組成工藝信息MBD模型。工藝路線中每道工序?qū)粋€工序MBD模型，該道工序下又對應著一個或多個工步信息，各道工步下又包含了多個加工特征，并將加工該特征所要用到的加工方法、機床、刀具、工藝裝備和切削參數(shù)等信息綁定在該特征上，從而獲得一個完整規(guī)范的工藝信息MBD模型。

3 工藝信息MBD模型數(shù)據(jù)存儲結構

工藝信息MBD模型以工序MBD模型為信息載體，工序MBD模型上的PMI（Product Management Information）信息（公差、基準、表面粗糙度等）均標注在模型之上，以模型文件的形式將三維實體模型和非幾何屬性信息組織在一個文件中。然而工藝信息MBD模型是多工序MBD模型的幾何體，它不僅包含了幾何實體模型和一些非幾何工藝屬性信息，還包含了各加工工序、工序下的多個加工工步、該工步所要加工的特征、加工方法、機床、刀具、工藝裝備以及切削參數(shù)等信息，這些信息以.xml文件組織并與各工序MBD模型相關聯(lián)[6]。因此，工藝信息MBD模型在計算機中的存儲結構如圖1所示。

系統(tǒng)總體設計

1 系統(tǒng)總體框架

基于MBD的數(shù)控加工工藝設計系統(tǒng)作為連接上游CAD和下游CAM的中間環(huán)節(jié)，各子系統(tǒng)之間信息的有效傳遞是其首先要考慮的問題，本文依據(jù)基于模型定義的結構設計、基于模型定義的數(shù)控編程和基于模型定義技術的工藝設計之間的相互聯(lián)系和數(shù)據(jù)傳遞機制，并結合本系統(tǒng)的需求分析，構建了一個基于MBD的數(shù)控加工工藝設計系統(tǒng)，該系統(tǒng)的總體框架如圖2所示。

（1）應用層主要是面向用戶，為用戶提供良好的人機交互環(huán)境和數(shù)據(jù)集成接口，用戶通過該應用層可對本系統(tǒng)各功能模塊進行相應操作以實現(xiàn)數(shù)控加工工藝設計和數(shù)據(jù)應用。

（2）核心業(yè)務層是該系統(tǒng)的主要功能模塊，核心業(yè)務層連接著上游的CAD結構設計環(huán)節(jié)和下游的CAM數(shù)控編程環(huán)節(jié)。該業(yè)務層中包含了兩個子模塊。第一個是從上游三維CAD實體模型中得到數(shù)據(jù)進行特征識別、加工元定義、工序/工步編制、MBD工序模型生成和工藝規(guī)程和工藝模型的管理等子模塊；第二個則是向CAM環(huán)節(jié)傳遞數(shù)據(jù)的讀取工藝模型文件、提取工藝參數(shù)和導軌生成等子模塊。

（3）數(shù)據(jù)層是支撐著該系統(tǒng)成功運行的數(shù)據(jù)保證和基礎，包含了加工方法庫、機床庫、刀具庫、工裝庫和切削參數(shù)庫。

（4）平臺層即時運行該套系統(tǒng)的商業(yè)化CAD軟件，本系統(tǒng)所采用的平臺為UG/NX。無論是結構設計還是下游的數(shù)控編程，均是在該軟件平臺上完成的，通過對UG的二次開發(fā)，實現(xiàn)了CAD/CAPP/CAM的集成，保證了數(shù)據(jù)傳遞的唯一性。

2 系統(tǒng)功能模塊

系統(tǒng)各功能模塊（圖3）的具體功能如下：

（1）工藝設計模塊主要實現(xiàn)對導入進系統(tǒng)的MBD設計模型進行相應的處理，即首先對模型加工特征進行識別與提取[7-8]，再通過半交互的方式對特征進行加工元定義和工步/工序的規(guī)劃。該模塊主要包括特征識別、加工元定義和工藝規(guī)劃3個部分。

（2）工序模型生成模塊主要是用于生成每一道工序的工序MBD模型，它是以工藝設計模塊生成的工序順序為數(shù)據(jù)基礎的。該模塊主要包含了3個子模塊：工序MBD模型生成、工序模型圖層設置和工序模型批量導入。

（3）三維工藝發(fā)布模塊則是將前兩個模塊中的工藝設計文件進行整合，該模塊主要包括工藝發(fā)布和工藝瀏覽兩個部分。工藝發(fā)布是對工藝設計完畢的工藝信息的組織、存儲和管理，整個工藝發(fā)布是以·xml文件的形式呈現(xiàn)在樹形列表和基于圖層的方式嵌入在UG軟件平臺中的[8]。工藝瀏覽則是通過點擊每一個工序號結點，與該道工序相對應的工序MBD模型從相應的圖層中顯示到界面上，方便瀏覽和查看，該模塊主要由工序和工序MBD模型關聯(lián)映射、工藝可視化、工序文件和工步特征文件4個部分組成。

（4）CAM數(shù)控編程集成模塊主要是充分利用三維工藝設計中所發(fā)布的三維工藝信息來指導后續(xù)的數(shù)控編程，主要包括：重用工序模型指定幾何體、讀取加工元信息、創(chuàng)建操作和刀軌自動生成4個部分。

系統(tǒng)實現(xiàn)方法

1 系統(tǒng)工藝規(guī)程設計流程

基于MBD的數(shù)控加工工藝設計采用從加工特征到加工工藝的生成過程。這一方式就是對識別的特征進行幾何信息和非幾何信息的提取，然后根據(jù)這些信息推斷出合適的加工方法，并根據(jù)特征類型和加工方法確定合適的機床、刀具、工藝裝備和切削參數(shù)，即針對每一個特征進行加工元的定義，最終根據(jù)特征加工元信息進行工步合并和工序創(chuàng)建，從而形成最終的工藝規(guī)程，工藝規(guī)程設計流程如圖4所示[9]。

圖1 工藝信息MBD模型的數(shù)據(jù)存儲結構Fig.1 Data storage structure of process information model of MBD

圖2 基于MBD的數(shù)控加工工藝設計系統(tǒng)總體框架Fig.2 Overall framework of NC machining process design system based on MBD

圖3 MBD數(shù)控加工工藝設計系統(tǒng)模塊組成Fig.3 Module of NC machining process design system of MBD

2 工序MBD模型創(chuàng)建

工序MBD模型的自動生成一直是MBD技術領域的研究熱點[6-7]。根據(jù)UG軟件平臺的同步建模功能和二次開發(fā)接口提出了一種基于面偏移的工序MBD模型快速生成方法。該算法的基本思路如下：首先對模型上的特征進行識別和分類，針對不同的特征采取不同的面偏移方法，以由5個面構成的腔特征為例，當銑削這個腔時，需要切除的面共有5個，每一個切除的方向均不一樣，底面是不斷向下，4個側面是不斷地擴大。但這些面的偏移方向均可通過它們的法向量來表示，因此腔特征的逆工序則是底平面沿著其法向量方向往上升，四側面沿著各自的法向量方向偏移一個加工余量的值即可。

三維工序MBD模型的生成始于最初狀態(tài)的毛坯模型，設計模型向毛坯模型的轉換是設計模型向工序模型轉換的第一步，從加工制作的角度來考慮，成品零件模型可以看作是由一系列加工操作對毛坯模型進行逐步切削加工后獲得的，因此工序MBD模型的生成可以看成是不斷向設計模型上添加材料獲得，工序MBD模型逆向生成流程圖如圖5所示[10]。

應用實例

基于上述研究，利用Visual Studio 2010并結合UG二次開發(fā)功能接口開發(fā)了一個基于MBD的數(shù)控加工工藝設計原型系統(tǒng)[11]。該系統(tǒng)通過應用層、核心業(yè)務層、數(shù)據(jù)層和平臺層的結合，實現(xiàn)了MBD設計模型的數(shù)控加工工藝設計。以某板類零件作為MBD設計模型來驗證系統(tǒng)的有效性，系統(tǒng)通過對該板類零件進行加工特征識別、加工元定義、工步工序規(guī)劃、工序MBD模型逆向生成等一系列操作后（工序MBD模型逆向創(chuàng)建的實際效果見圖6），最終實現(xiàn)了三維工藝的發(fā)布和可視化，如圖7所示。

圖4 系統(tǒng)工藝規(guī)程設計流程Fig.4 Process planning design flow of system

圖5 工序MBD模型逆向生成流程圖Fig.5 Reverse generation process diagram of MBD model

圖6 工序MBD模型實例圖Fig.6 Example diagrams of process model of MBD

圖7 板類零件三維工藝發(fā)布實例Fig.7 Example of 3D process release of plate parts

結束語

MBD技術的應用使三維實體模型成為制造過程中的唯一依據(jù)。本文在研究零件工藝信息MBD模型的基礎上，開發(fā)了基于MBD的數(shù)控加工工藝設計系統(tǒng)，將特征識別、加工元定義、工序MBD模型逆推和基于圖層的多工序MBD模型的存儲與管理等技術應用到系統(tǒng)中，其中基于圖層的多工序MBD模型的存儲和管理方法能夠方便地實現(xiàn)與CAD和CAM系統(tǒng)集成，且能夠快速生成刀軌。并最終通過某板類零件驗證了系統(tǒng)的有效性，能夠在實際的工藝設計工作中展開應用。

參 考 文 獻

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