基于MBD和數(shù)控編程控制的智能化農(nóng)機(jī)制造技術(shù)研究

張衛(wèi)衛(wèi)

(洛陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 洛陽 471000)

0 引言

目前，國內(nèi)外機(jī)械制造業(yè)的數(shù)字化技術(shù)發(fā)展迅猛，三維數(shù)字化產(chǎn)品和工藝的數(shù)字化設(shè)計更是得到了廣泛的應(yīng)用，但在農(nóng)機(jī)設(shè)計制造行業(yè)采用數(shù)字化設(shè)計方案的還不多，三維數(shù)字化模型沒有貫穿于整個農(nóng)機(jī)的設(shè)計制造過程中。在設(shè)計制造過程中，由于大量采用二維圖紙，三維模型的變化將導(dǎo)致繁瑣的二維數(shù)據(jù)的更新和發(fā)布，從而降低設(shè)計制造效率，延長設(shè)計周期。而如果采用基于MBD的數(shù)字化設(shè)計管理方案，可以利用三維數(shù)字化技術(shù)將設(shè)計制造一體化集成，利用三維數(shù)字化模型貫穿于整個設(shè)計制造過程中，避免了繁瑣的二維數(shù)據(jù)變更，從而提高農(nóng)機(jī)的設(shè)計效率和設(shè)計水平。

1 基于MBD的農(nóng)機(jī)數(shù)字化設(shè)計

隨著數(shù)字化設(shè)計制造技術(shù)的飛速發(fā)展，特別是CAD三維設(shè)計技術(shù)的普及，農(nóng)機(jī)的研發(fā)模式正在發(fā)生根本性的變化，數(shù)字化設(shè)計方法開始逐步取代傳統(tǒng)的設(shè)計方法，成為新型農(nóng)機(jī)研制的技術(shù)依據(jù)。隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和三維CAD技術(shù)的成熟和普及，數(shù)字化產(chǎn)品定義經(jīng)歷了二維到三維模型發(fā)展的3個階段。

如圖1所示：基于MBD的數(shù)字化發(fā)展歷程主要經(jīng)歷了4個階段，包括2D圖紙、2D圖紙+3D模型、3D模型+簡化標(biāo)注圖紙及3D獨立模型。3D獨立模型是新一代的產(chǎn)品定義技術(shù)，包含產(chǎn)品的形狀和制造特征的三維注釋標(biāo)注。基于MBD的農(nóng)機(jī)數(shù)字化設(shè)計方法主要包括4個步驟：首先是模型的設(shè)計和建立，在建模之前首先需要分析設(shè)計需求；然后，創(chuàng)建幾何模型和控制器分析與集成；第3步是離線仿真和實時仿真；最后，根據(jù)仿真結(jié)果對工藝路線進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)行加工制造。

圖1 基于MBD的數(shù)字化發(fā)展歷程Fig.1 Digital development process based on MBD

2 基于MBD和數(shù)控編程技術(shù)的農(nóng)機(jī)制造流程和平臺設(shè)計

傳統(tǒng)的農(nóng)機(jī)制造過程一般都是階段性的設(shè)計，包括產(chǎn)品的概念設(shè)計、模型設(shè)計、工藝設(shè)計、加工制造，以及銷售服務(wù)等，采用過墻式的序列號設(shè)計思路，各部門按部就班的工作，把本部門工作做好后很少考慮其他部分的工作需求。如果農(nóng)機(jī)設(shè)計制造采用這種流程的話只能滿足設(shè)計初期的設(shè)計需求，不能顧及整個設(shè)計生命周期，從而會使設(shè)計的產(chǎn)品缺陷較多，設(shè)計方案會反復(fù)被修改，最終導(dǎo)致產(chǎn)品的設(shè)計周期加長。農(nóng)機(jī)設(shè)計制造長期以來采用的便是如圖2所示的產(chǎn)品研發(fā)模式，利用這種研發(fā)模式會導(dǎo)致產(chǎn)品的設(shè)計只能從主體單向的傳遞，下游的設(shè)計開發(fā)和主體之間的聯(lián)系較少，很容易造成設(shè)計產(chǎn)品的返工，使得產(chǎn)品研發(fā)過程得不到統(tǒng)一的管理，最終導(dǎo)致農(nóng)機(jī)產(chǎn)品設(shè)計研發(fā)的周期加長。

圖2 農(nóng)機(jī)傳統(tǒng)方式制造流程Fig.2 The traditional manufacturing process of agricultural machinery

為了提高設(shè)計效率，改進(jìn)傳統(tǒng)的制造工藝，利用MBD和數(shù)控編程技術(shù)對農(nóng)機(jī)制造流程進(jìn)行了改進(jìn)，將設(shè)計模型直接導(dǎo)入到數(shù)字化協(xié)同應(yīng)用平臺中。設(shè)計人員通過人機(jī)交互的方式對工藝進(jìn)行規(guī)劃和仿真，利用仿真過程提出修改意見，然后傳送經(jīng)驗數(shù)據(jù)庫，并根據(jù)已有的設(shè)計經(jīng)驗對加工制造過程進(jìn)行修改，其流程如圖3所示。

傳統(tǒng)農(nóng)機(jī)制造流程的改進(jìn)將有效提高農(nóng)機(jī)的設(shè)計效率，依據(jù)產(chǎn)品的MBD模型和工藝仿真軟件，可以對產(chǎn)品進(jìn)行可視化工藝仿真。以裝配工藝為例，工藝設(shè)計人員可以根據(jù)需求對不同的階段進(jìn)行不同的工藝內(nèi)容仿真，利用這種方案可以實現(xiàn)并行設(shè)計和異地設(shè)計部門的協(xié)同交流交互，對于工藝信息的輸入和規(guī)劃及工藝仿真等提出了更高的要求。

圖3 基于MBD的農(nóng)機(jī)傳統(tǒng)制造流程改進(jìn)Fig.3 Improvement of traditional manufacturing process of agricultural machinery based on MBD

如圖4所示：MBD技術(shù)的應(yīng)用是建立在產(chǎn)品三維模型基礎(chǔ)上的，裝配工藝規(guī)劃與仿真、工藝文件的生成與更改都是在三維環(huán)境中進(jìn)行的，各種數(shù)據(jù)之間可以利用交互工具進(jìn)行交流，其工藝規(guī)劃的總體流程如圖5所示。

圖4 基于MBD的農(nóng)機(jī)裝配工藝規(guī)劃與仿真平臺Fig.4 Agricultural machinery assembly process planning and simulation platform based on MBD

圖5 工藝規(guī)劃過程總體流程圖Fig.5 The general flow chart of process planning process

基于MBD和數(shù)控加工及仿真技術(shù)，可以建立基于PDM的UG/CAM系統(tǒng)、Vericut仿真優(yōu)化系統(tǒng)和DNC加工驗證系統(tǒng)，利用工藝規(guī)劃和仿真模塊對產(chǎn)品加工制造過程進(jìn)行修正，最終輸出加工效率和精度較高的工藝規(guī)劃文件。

3 農(nóng)機(jī)智能化制造驗證

MBD制造技術(shù)體系是一種集成的應(yīng)用體系，利用MBD和數(shù)控技術(shù)采用CAD系統(tǒng)借助產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)管理體系可以實現(xiàn)農(nóng)機(jī)的智能化制造，并可以納入PDM系統(tǒng)進(jìn)行管理，通過CAE、CAM系統(tǒng)實現(xiàn)農(nóng)機(jī)工藝設(shè)計、分析及虛擬制造。

隨著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的推進(jìn)，大馬力拖拉機(jī)被使用在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中(見圖6)，隨著拖拉機(jī)功率的增加，拖拉機(jī)的性能和零部件的要求也更高，許多零件都需要進(jìn)行重新的設(shè)計。如果采用傳統(tǒng)的設(shè)計方式，設(shè)計周期較長，而采用MBD智能化服務(wù)體系，可以有效地縮短設(shè)計周期，提高設(shè)計效率?；贑AD的MBD模型示意圖如圖7所示。

采用MBD進(jìn)行建模時需要依據(jù)農(nóng)機(jī)零部件的三維模型，特別是一些初步設(shè)計的幾何信息，可以采用機(jī)械類建模和編程軟件將所需要建立的模型可視化顯示出來。在進(jìn)行農(nóng)機(jī)設(shè)計制造時，可以利用MBD得到產(chǎn)品的幾何模型信息和備注信息，如模型的尺寸和公差、粗糙度及熱處理方法等。以零部件的MBD管理樹為例，其結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖6 重型拖拉機(jī)裝置示意圖Fig.6 The schematic diagram of a heavy tractor device

圖7 基于CAD系統(tǒng)的MBD模型示意圖Fig.7 The schematic diagram of MBD model based on CAD system

圖8 基于MBD的零件模型管理樹示意圖Fig.8 The schematic diagram of part model management tree based on MBD

零件模型管理樹的每一個節(jié)點都和零件制造過程的某個狀態(tài)相對應(yīng)，將制造模型按照樹狀結(jié)構(gòu)進(jìn)行管理后，通過一個節(jié)點對應(yīng)一個MBD零件模型可以有效解決不同制造階段對數(shù)據(jù)的使用，實現(xiàn)協(xié)同化和智能化制造過程。以刀具的智能化管理為例，如圖9所示。

圖9 刀具M(jìn)BD管理對話框Fig.9 The dialog box of tool MBD Management

刀具的信息也可以采用MBD樹型管理體系，將不同的刀具按照樹狀排列，并進(jìn)行編號；然后，每個編號都對應(yīng)相應(yīng)的刀具信息，采用這個模式和原理最后設(shè)計出了如圖10所示的智能化加工和仿真系統(tǒng)。

圖10 智能化數(shù)控加工和仿真優(yōu)化系統(tǒng)框架Fig.10 The system framework of Intelligent CNC machining and simulation optimization

工藝設(shè)計人員可以利用智能化數(shù)控加工仿真系統(tǒng)對農(nóng)機(jī)設(shè)計制造工藝進(jìn)行優(yōu)化，采用UG/CAM編程、加工仿真優(yōu)化和DNC系統(tǒng)/機(jī)床試切的模式，最終確定加工方案，實現(xiàn)農(nóng)機(jī)加工過程的自動化。

4 結(jié)論

為了提高農(nóng)機(jī)制造的智能化水平，將MBD和數(shù)控編程技術(shù)引入到了農(nóng)機(jī)設(shè)計制造數(shù)字一體化平臺，利用并行設(shè)計方案，將各個部門協(xié)同起來，通過設(shè)計方案和工藝修改意見反饋的方式，實現(xiàn)了農(nóng)機(jī)設(shè)計制造工藝方法的實時優(yōu)化，從而有效提高了農(nóng)機(jī)產(chǎn)品的研發(fā)效率。以拖拉機(jī)零部件的設(shè)計制造為例，對MBD數(shù)控編程智能化制造平臺進(jìn)行了驗證，并以零件樹、和刀具參數(shù)樹的形式設(shè)計了智能化數(shù)控加工和仿真優(yōu)化系統(tǒng)框架，旨在為農(nóng)機(jī)現(xiàn)代數(shù)字化技術(shù)的研究提供參考。