工序MBD模型的參數(shù)化驅(qū)動(dòng)生成方法*

周秋忠，郭具濤，徐萬(wàn)洪

(1.沈陽(yáng)理工大學(xué) 汽車與交通學(xué)院，沈陽(yáng) 110159；2.上海航天精密機(jī)械研究所，上海 201600；3.浙江萬(wàn)里揚(yáng)變速器股份有限公司，浙江 金華 321000)

工序MBD模型的參數(shù)化驅(qū)動(dòng)生成方法*

周秋忠1，郭具濤2，徐萬(wàn)洪3

(1.沈陽(yáng)理工大學(xué) 汽車與交通學(xué)院，沈陽(yáng) 110159；2.上海航天精密機(jī)械研究所，上海 201600；3.浙江萬(wàn)里揚(yáng)變速器股份有限公司，浙江 金華 321000)

針對(duì)當(dāng)前工序MBD(Model Based Definition，基于模型的定義)模型生成中存在的問(wèn)題，提出了一種基于參數(shù)化驅(qū)動(dòng)的自動(dòng)生成方法。首先分析了工藝MBD模型與工序MBD模型的相互關(guān)系。結(jié)合三維工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)與三維產(chǎn)品設(shè)計(jì)系統(tǒng)，詳細(xì)闡述了參數(shù)化驅(qū)動(dòng)生成工序MBD模型的操作流程；在此基礎(chǔ)上，提出了按逆序方式驅(qū)動(dòng)生成各道工序的工序MBD模型時(shí)對(duì)應(yīng)驅(qū)動(dòng)參數(shù)值的計(jì)算流程。同時(shí)，論述了三維工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)的功能框架及其信息模型。最后用實(shí)例證明工序MBD模型可以通過(guò)參數(shù)化驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)生成。

工藝MBD模型；參數(shù)化驅(qū)動(dòng)；工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)

0 引言

MBD技術(shù)使三維模型成為產(chǎn)品幾何信息與非幾何信息的唯一表達(dá)載體，實(shí)現(xiàn)了真正意義上的全三維數(shù)字化定義[1-6]，在航空航天企業(yè)的工程實(shí)踐中得到了廣泛而深入地應(yīng)用。產(chǎn)品定義方式的改變推動(dòng)了工藝設(shè)計(jì)方式的改變，傳統(tǒng)基于二維的工藝設(shè)計(jì)方式將被基于全三維模型的計(jì)算機(jī)輔助工藝設(shè)計(jì)與規(guī)劃技術(shù)所取代，從而實(shí)現(xiàn)全三維數(shù)字化設(shè)計(jì)制造。全三維計(jì)算機(jī)輔助工藝設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)二維CAPP的最大區(qū)別之一是用三維工序模型，即工序MBD模型替代二維工序圖，這是全三維數(shù)字化工藝設(shè)計(jì)的基本要求。

當(dāng)前企業(yè)在生產(chǎn)實(shí)際過(guò)程中建立工序MBD模型時(shí)普遍采用的方法有兩種：一是采用當(dāng)前三維設(shè)計(jì)系統(tǒng)的Wave Link或同步建模功能，通過(guò)關(guān)聯(lián)引用設(shè)計(jì)模型或其他工序模型等建模技術(shù)手段快速構(gòu)建工藝模型；二是采用數(shù)控加工工藝設(shè)計(jì)與仿真系統(tǒng)的IPM生成功能，生成數(shù)控加工零件的各工序的IPM模型，再采用PMI標(biāo)注功能完成工藝信息的標(biāo)注與表達(dá)，從而形成工序MBD模型[5-6]。但是這兩種建立工序MBD模型的方法都比較繁鎖、工作量大、耗費(fèi)時(shí)間，要求工藝人員具備較高的軟件操作能力，而且工序MBD模型的后續(xù)更改過(guò)程也麻煩。在當(dāng)前學(xué)術(shù)研究中普遍采用的技術(shù)思路是運(yùn)用自上而下或自下而上的方法，根據(jù)加工工藝順序要求對(duì)零件各個(gè)加工特征進(jìn)行重構(gòu)，從而動(dòng)態(tài)生成工序MBD模型[7-10]。這種建立工序MBD模型的方法自動(dòng)化程度高，雖然取得了一定的研究成果，但在通用性與實(shí)用性方面還有較大差距。

針對(duì)以上情況，本文在現(xiàn)有成熟的三維參數(shù)化設(shè)計(jì)技術(shù)基礎(chǔ)上，提出一種采用參數(shù)化驅(qū)動(dòng)的工序MBD模型自動(dòng)生成技術(shù)，并結(jié)合三維工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)，詳細(xì)闡述其實(shí)現(xiàn)方法。

1 三維工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)框架及工藝信息組織

三維數(shù)字化工藝設(shè)計(jì)過(guò)程是工藝設(shè)計(jì)人員以零件設(shè)計(jì)MBD模型為依據(jù)，借助于集成的三維工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)與三維產(chǎn)品設(shè)計(jì)系統(tǒng)，在可視化環(huán)境下完成零件工藝的規(guī)劃與設(shè)計(jì)。三維工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)通過(guò)集成三維數(shù)字化設(shè)計(jì)系統(tǒng)，從零件設(shè)計(jì)MBD模型中提取材料、熱處理方式、結(jié)構(gòu)特征、設(shè)計(jì)尺寸公差、特征參數(shù)等基本信息，通過(guò)工藝路線規(guī)劃、資源定義與選擇、工序尺寸計(jì)算、工序MBD模型驅(qū)動(dòng)生成、工時(shí)定額計(jì)算等操作，最終將生成的工藝信息寫入MBD模型，形成工藝MBD模型作為后續(xù)生產(chǎn)操作的指導(dǎo)依據(jù)；同時(shí)，也可定制輸出工藝規(guī)程卡片，以實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)有生產(chǎn)制造方式、習(xí)慣的自然對(duì)接。三維工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)的功能框架如圖1所示[4]。

圖1 三維工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)框架

體現(xiàn)零件加工工藝過(guò)程和詳細(xì)操作說(shuō)明的工藝信息，總體上可歸納分為基本信息、工序信息、工步信息、尺寸公差信息四類。其中，每個(gè)零件工藝規(guī)程包括多道嚴(yán)格按串行順序排列的工序組成，每道工序又由多個(gè)嚴(yán)格按串行順序排列的工步組成，而每個(gè)工步又由多個(gè)不分先后順序的加工尺寸組成。在三維工藝設(shè)計(jì)過(guò)程中，工序MBD模型所反映的零件加工表面及其工序尺寸通過(guò)三維模型中的工序視圖定義。因此，在工序?qū)ο笾行枰ば蛞晥D屬性。工序尺寸的自動(dòng)計(jì)算采用工藝尺寸式法實(shí)現(xiàn)，從而在每個(gè)尺寸對(duì)象中需要有加工表面代號(hào)、表面余量、尺寸編碼、尺寸公差屬性。同時(shí)，為實(shí)現(xiàn)參數(shù)化驅(qū)動(dòng)工序MBD模型的生成，尺寸對(duì)象中需要有各加工表面、加工余量及其引發(fā)的驅(qū)動(dòng)參數(shù)變化信息。三維工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)的工藝信息組織結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 工藝信息組織結(jié)構(gòu)

2 工藝MBD模型與工序MBD模型

在三維數(shù)字化工藝設(shè)計(jì)中，工藝設(shè)計(jì)結(jié)果將由三維工藝模型，即工藝MBD模型表達(dá)。工藝MBD模型是采用MBD技術(shù)建立的能表達(dá)零件加工技術(shù)要求和加工技術(shù)狀態(tài)的三維集成模型。它是在設(shè)計(jì)MBD模型的基礎(chǔ)上，通過(guò)屬性表達(dá)法將可直接提供給加工、裝配等制造過(guò)程使用的、能完整描述產(chǎn)品零件制造工藝過(guò)程的工藝信息包含在模型中。因此，工藝MBD模型不僅可直觀地為加工過(guò)程的提供操作指導(dǎo)，更重要的是可為生產(chǎn)制造執(zhí)行過(guò)程提供完整的結(jié)構(gòu)化工藝信息。圖3所示為在CATIA環(huán)境中針對(duì)圖7零件工藝信息建立的工藝MBD模型實(shí)例。

圖3 工藝MBD模型定義的工藝信息實(shí)例

工序模型是指在零件加工過(guò)程中，用三維結(jié)構(gòu)模型反映某道工序加工完成所應(yīng)達(dá)到的一種技術(shù)狀態(tài)。它只體現(xiàn)結(jié)構(gòu)形狀，而沒(méi)有其它工藝信息。工序MBD模型是利用MBD技術(shù)建立的三維集成工序模型，它不僅體現(xiàn)結(jié)構(gòu)特征、形狀尺寸和公差要求，而且還包含有詳細(xì)的工藝過(guò)程和操作方法等完整工藝信息，能夠用于指導(dǎo)工人完成本工序的操作。工序MBD模型由工藝MBD模型參數(shù)化驅(qū)動(dòng)生成，作為體現(xiàn)加工過(guò)程某工序技術(shù)狀態(tài)的一個(gè)工藝MBD模型快照。因此，工藝MBD模型與工序MBD模型之間是對(duì)象與實(shí)例的關(guān)系，可根據(jù)每道工序的不同技術(shù)狀態(tài)要求從工藝MBD模型中動(dòng)態(tài)生成，如圖4所示。各工序MBD模型之間相互獨(dú)立，不存在任何關(guān)聯(lián)關(guān)系。

圖4 工藝MBD模型驅(qū)動(dòng)生成工序MBD模型

3 工序MBD模型的參數(shù)驅(qū)動(dòng)生成過(guò)程

工序MBD模型的參數(shù)驅(qū)動(dòng)生成需要通過(guò)三維工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)及與之集成的三維數(shù)字化設(shè)計(jì)系統(tǒng)的互相配合完成，其過(guò)程如圖5所示。首先需要根據(jù)零件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)將零件表面按一定順序依次用順序字母編號(hào)，然后用這些表面字母代號(hào)建立自定義參數(shù)名稱，再與相應(yīng)結(jié)構(gòu)特征尺寸關(guān)聯(lián)實(shí)現(xiàn)模型的參數(shù)化(參數(shù)取值與特征尺寸值一致)，設(shè)計(jì)MBD模型也因此向工藝MBD模型轉(zhuǎn)變。接著在三維工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)端建立起按工序、工步、工序尺寸組織的工藝過(guò)程；工序尺寸由零件基準(zhǔn)表面與加工表面字母代號(hào)表示。任何一個(gè)表面的加工都會(huì)影響到與該表面有關(guān)的工藝尺寸變化(變化量由表面加工余量決定)，進(jìn)而影響到相關(guān)零件特征參數(shù)。因此，對(duì)每個(gè)工序尺寸與加工表面需要設(shè)置受其影響的驅(qū)動(dòng)參數(shù)及其與該加工表面工序余量之間的變化關(guān)系。

根據(jù)工藝過(guò)程設(shè)計(jì)結(jié)果，在工藝MBD模型中增加標(biāo)注缺少的工序尺寸，并定制具有每道工序特定顯示視角與工序尺寸的工序視圖，每個(gè)視圖只展示和體現(xiàn)本道工序加工完成后的結(jié)構(gòu)特征、形狀尺寸和公差要求等技術(shù)狀態(tài)。同時(shí)，在三維工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)中設(shè)定每道工序?qū)?yīng)的工序視圖名稱，并將所有工藝過(guò)程設(shè)計(jì)信息寫入工藝MBD模型中保存。最后，按尺寸式法完成工序尺寸、公差及加工表面余量的計(jì)算，并針對(duì)每道工序計(jì)算對(duì)應(yīng)的一組驅(qū)動(dòng)參數(shù)值。通過(guò)驅(qū)動(dòng)工藝MBD模型，在三維數(shù)字化設(shè)計(jì)系統(tǒng)中呈現(xiàn)出該工序指定視角、結(jié)構(gòu)形狀尺寸公差與計(jì)算工序尺寸公差相一致的工序MBD模型。

圖5 生成工序MBD模型的三維工藝設(shè)計(jì)流程

工序MBD模型主要展示和體現(xiàn)了本道工序加工完成后的結(jié)構(gòu)特征、形狀尺寸和公差要求等技術(shù)狀態(tài)，它是工藝MBD模型中反映該工序加工技術(shù)狀態(tài)的一個(gè)快照。根據(jù)前述，每道工序?qū)?yīng)的一組驅(qū)動(dòng)參數(shù)值，其形狀尺寸通過(guò)驅(qū)動(dòng)工藝MBD模型后的相關(guān)特征尺寸決定。因此，工序MBD模型生成的關(guān)鍵是其對(duì)應(yīng)驅(qū)動(dòng)參數(shù)值的計(jì)算，而驅(qū)動(dòng)參數(shù)值的變化由各工序尺寸中設(shè)定的加工表面余量變化決定。

工序MBD模型的生成采用逆序方法，即從最后一道工序開(kāi)始逆加工順序計(jì)算出各道工序的驅(qū)動(dòng)參數(shù)值。最后一道工序?qū)?yīng)的零件結(jié)構(gòu)特征與形狀尺寸公差與零件設(shè)計(jì)值一致，所以最后一道工序的驅(qū)動(dòng)參數(shù)值取其對(duì)應(yīng)的零件設(shè)計(jì)特征尺寸值。從最后一道工序開(kāi)始，分別按逆序?qū)γ總€(gè)工步中的所有工序尺寸相關(guān)的影響驅(qū)動(dòng)參數(shù)及其值進(jìn)行計(jì)算，并對(duì)相應(yīng)驅(qū)動(dòng)參數(shù)值進(jìn)行替換，依次類推可得到每道工序的一組驅(qū)動(dòng)參數(shù)值，直到毛坯工序?yàn)橹?。在I道工序中計(jì)算第i道工序?qū)?yīng)的一組驅(qū)動(dòng)參數(shù)值的算法如圖6所示。

圖6 工序驅(qū)動(dòng)參數(shù)值的計(jì)算流程

4 工序MBD模型的生成實(shí)例

如圖7所示為一軸套類零件結(jié)構(gòu)尺寸及其軸向幾何表面編號(hào)(徑向尺寸及參數(shù)計(jì)算跟軸向尺寸一樣，為簡(jiǎn)化忽略徑向尺寸)。其加工工藝過(guò)程如下：

工序5 以D面定位，粗車A、C面，保證軸向尺寸D(D-A)，D(A-C)。

工序10 以A面定位，粗車B、D面，保證軸向尺寸D(A-B)，D(B-D)。

工序15 以B面定位，精車A、C面，保證軸向尺寸D(B-A)，D(A-C)。

工序20 靠火花磨端面B，保證軸向尺寸D(B-B)。

圖7 零件結(jié)構(gòu)尺寸及表面編號(hào)

首先根據(jù)零件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及建模方法，對(duì)MBD模型參數(shù)化，建立AB、AC、BD三個(gè)驅(qū)動(dòng)特征參數(shù)。其次，在三維工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)中建立起加工工藝過(guò)程數(shù)據(jù)，并根據(jù)工藝過(guò)程中的各加工方法，按尺寸式法確定加工公差及表面加工余量，并設(shè)置受加工表面影響的驅(qū)動(dòng)參數(shù)及其變化量。最后，在三維工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)中按照工藝過(guò)程可統(tǒng)計(jì)出每道工序加工完后的一組驅(qū)動(dòng)參數(shù)值和工序尺寸公差，驅(qū)動(dòng)工藝MBD模型中的對(duì)應(yīng)特征參數(shù)，即生成各工序MBD模型；而通過(guò)統(tǒng)計(jì)加工前的一組驅(qū)動(dòng)參數(shù)值和工序尺寸公差，驅(qū)動(dòng)工藝MBD模型中的對(duì)應(yīng)特征參數(shù)，即生成毛坯MBD模型。表1所示為三維工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)中按尺寸式法計(jì)算得到的該零件加工工序尺寸及特征參數(shù)變化。圖8所示是在CATIA系統(tǒng)中建立的工藝MBD模型及其由三維工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)計(jì)算結(jié)果驅(qū)動(dòng)生成的各工序MBD模型關(guān)系實(shí)例。

通過(guò)集成三維建模系統(tǒng)的三維工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)參數(shù)提取、工藝過(guò)程設(shè)計(jì)、尺寸公差計(jì)算、驅(qū)動(dòng)參數(shù)計(jì)算、工藝信息保存一體化，并通過(guò)參數(shù)驅(qū)動(dòng)工藝MBD模型實(shí)現(xiàn)工序MBD模型的自動(dòng)生成。相比于當(dāng)前工程實(shí)踐中應(yīng)用的方法，該方法工作效率高，人工操作量少，更改過(guò)程簡(jiǎn)單；相比于當(dāng)前學(xué)術(shù)研究中普遍采用的基于特征識(shí)別與特征重構(gòu)的方法，該方法適用于盤、軸、梁、框等各種具有簡(jiǎn)單或復(fù)雜結(jié)構(gòu)的所有零件，具有更好的通用性與實(shí)用性。

表1零件加工工藝過(guò)程特征參數(shù)及尺寸變化

圖8 各道工序及毛坯MBD模型

5 結(jié)論

在MBD技術(shù)條件下，工序MBD模型的生成是三維工藝設(shè)計(jì)過(guò)程中重要工作內(nèi)容。通過(guò)對(duì)工藝MBD模型的參數(shù)化，并按工序、工步、工序尺寸三個(gè)層次組織設(shè)計(jì)過(guò)程的工藝信息，以及建立起工序尺寸、余量與特征驅(qū)動(dòng)參數(shù)之間的映射與關(guān)聯(lián)關(guān)系，可找到每道工序?qū)?yīng)的一組驅(qū)動(dòng)參數(shù)值，從而驅(qū)動(dòng)工藝MBD模型實(shí)現(xiàn)工序MBD模型的生成。通過(guò)開(kāi)發(fā)集成三維建模系統(tǒng)的三維工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)參數(shù)提取、尺寸公差計(jì)算、工序尺寸與驅(qū)動(dòng)參數(shù)關(guān)聯(lián)設(shè)置，并最終實(shí)現(xiàn)參數(shù)驅(qū)動(dòng)工序MBD模型的自動(dòng)生成，提高了工作效率及數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，為實(shí)現(xiàn)基于MBD模型的數(shù)字化設(shè)計(jì)、工藝、生產(chǎn)一體化技術(shù)體系提供技術(shù)支撐，推動(dòng)數(shù)字化制造技術(shù)的變革。

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ParametricDrivenBasedGenerationMethodofJOBMBDModel

ZHOU Qiu-zhong1, GUO Ju-tao2, XU Wan-hong3

(1.School of Automotive & Transportation, Shenyang Ligong University, Shenyang 110159, China; 2. Shanghai Spaceflight Precision Machinery Institute, Shanghai 201600, China)

Aiming at the problems existing in the current JOB MBD model generation, an automatic generation method based on parametric driven was proposed. Firstly, the relationship between process MBD model and JOB MBD model was analyzed. Based on the three-dimensional process design system and the three-dimensional product design system, the operation flow of JOB MBD model generation based on parametric driven was expounded in detail. On this basis, the calculation flow of drive parameter values to generate corresponding JOB MBD model for each JOB in reverse manufacturing order was proposed. At the same time, the function framework and information model of 3D process design system was discussed. Finally, the automatic JOB MBD model generation method based on parametric driven was verified by an example.

process MBD model；parametric driven； process design system

TH166；TG506

A

1001-2265(2017)12-0129-04

10.13462/j.cnki.mmtamt.2017.12.032

2017-01-09；

2017-02-23

遼寧省高等學(xué)校優(yōu)秀人才支持計(jì)劃資助(LJQ2015096)；遼寧省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(20170540779)

周秋忠(1975—)，男，浙江嵊州人，沈陽(yáng)理工大學(xué)副教授，博士，研究方向?yàn)閿?shù)字化制造技術(shù)研究，(E-mail)zqz7@sohu.com。

(編輯李秀敏)