基于模型的定義技術(shù)工藝應(yīng)用研究

□ 楊林平

中國(guó)船舶重慶華渝電氣集團(tuán)有限公司 重慶 400021

1 工程語(yǔ)言的變革

語(yǔ)言、文字和圖形是人們進(jìn)行交流的主要方式。在工程界,準(zhǔn)確表達(dá)一個(gè)物體形狀的工具主要是圖形,如二維圖紙、三維模型等,這種產(chǎn)品定義方式通常被稱(chēng)為工程語(yǔ)言。工程語(yǔ)言在發(fā)展過(guò)程中經(jīng)歷不同階段的演變,主要包括三個(gè)階段。

第一階段為二維工程圖紙。二維工程圖紙通過(guò)幾何投影將工程圖紙的表達(dá)高度規(guī)范化,且唯一化。

第二階段為計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)繪圖。在計(jì)算機(jī)屏幕上進(jìn)行圖紙繪制,大大提高了設(shè)計(jì)效率。

第三階段為基于模型的定義技術(shù)?；谀Ｐ偷亩x技術(shù)將產(chǎn)品制造信息集成至三維模型中,不再使用二維圖紙,模型成為制造的唯一依據(jù)。

2 基于模型的定義技術(shù)

基于模型的定義技術(shù)是一種將產(chǎn)品的所有相關(guān)工藝描述、屬性、管理等信息都附著在產(chǎn)品三維模型中的先進(jìn)數(shù)字化定義方法,其核心思想是用一個(gè)集成的三維實(shí)體模型完整地表達(dá)產(chǎn)品的定義信息?；谀Ｐ偷亩x技術(shù)詳細(xì)規(guī)定了三維模型中產(chǎn)品尺寸、公差的標(biāo)注規(guī)則和工藝信息的表達(dá)方法,實(shí)現(xiàn)面向制造、檢驗(yàn)的設(shè)計(jì),將設(shè)計(jì)信息和制造信息共同定義到產(chǎn)品的三維模型中,保證設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的唯一性。通過(guò)基于模型的定義技術(shù)中數(shù)據(jù)集的定義,使設(shè)計(jì)與制造之間的信息交換保持有效連接,能夠有效解決設(shè)計(jì)、制造的一體化問(wèn)題。

3 基于模型的定義工藝應(yīng)用

3.1 工序模型

在工藝系統(tǒng)中定義零件工藝后,可以基于工藝要求來(lái)創(chuàng)建每個(gè)工序的工序模型。通過(guò)Unigraphics NX軟件的同步建模技術(shù),用戶(hù)可以方便快速地由產(chǎn)品模型一步步逆推,如增大加工余量、刪除加工孔和槽等,得到零件的每一個(gè)工序模型,并對(duì)每一個(gè)工序模型進(jìn)行三維標(biāo)注。當(dāng)設(shè)計(jì)模型發(fā)生變更時(shí),相關(guān)的工序模型及其標(biāo)注的產(chǎn)品加工信息均會(huì)隨之更新。

通過(guò)工序模型,用戶(hù)可以對(duì)每個(gè)工序的加工工藝進(jìn)行詳細(xì)定義,如毛坯為鑄造件時(shí),可以基于毛坯模型進(jìn)行模具設(shè)計(jì);工序?yàn)闄C(jī)加工時(shí),可以基于工序模型進(jìn)行加工編程。通過(guò)三維標(biāo)注工序模型,可以針對(duì)每個(gè)工序定義檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn),保證每個(gè)工序的制造正確性。工序模型實(shí)例如圖1所示。

3.2 工裝夾具設(shè)計(jì)

對(duì)模型進(jìn)行加工或裝配時(shí),往往需要用到一些特定的工裝夾具對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行定位、裝夾或測(cè)量。一些產(chǎn)品可以使用通用工裝夾具,另一些產(chǎn)品則外形復(fù)雜,需要設(shè)計(jì)專(zhuān)用的工裝夾具。在工裝夾具的設(shè)計(jì)過(guò)程中,需要應(yīng)用Unigraphics NX軟件的部件間建模技術(shù),參考設(shè)計(jì)模型或工序模型進(jìn)行快速設(shè)計(jì),同時(shí)保持工裝夾具和模型間的關(guān)聯(lián)性。

在工裝夾具設(shè)計(jì)完成后,可以將模型保存在TCM(Teamcenter Manufacturing)系統(tǒng)中,形成工裝夾具模板庫(kù),以供后續(xù)調(diào)用。典型的工裝夾具模板庫(kù)包括典型夾具庫(kù)、典型模具庫(kù)、典型刀具庫(kù)、典型量具庫(kù)等。工裝夾具設(shè)計(jì)流程如圖2所示。

▲圖1 工序模型實(shí)例

3.3 加工編程

針對(duì)需要進(jìn)行數(shù)控加工的工序,Unigraphics NX軟件計(jì)算機(jī)輔助制造技術(shù)提供了三軸及五軸機(jī)床的數(shù)控加工編程功能,用戶(hù)可以基于工序模型直接創(chuàng)建加工程序。在對(duì)工序模型創(chuàng)建加工刀軌時(shí),可以采用加工模板技術(shù)和基于特征加工的自動(dòng)化編程手段,進(jìn)而提高編程效率和程序的標(biāo)準(zhǔn)化程度。Unigraphics NX軟件計(jì)算機(jī)輔助制造技術(shù)提供基于特征的自動(dòng)化加工編程技術(shù),基于自動(dòng)識(shí)別的加工對(duì)象特征,通過(guò)系統(tǒng)的內(nèi)置規(guī)則引擎識(shí)別產(chǎn)品加工信息,創(chuàng)建合適的加工刀具軌跡。

完成加工編程后,Unigraphics NX軟件計(jì)算機(jī)輔助制造技術(shù)還可以對(duì)所創(chuàng)建的刀具軌跡進(jìn)行仿真,以確保刀具軌跡的正確性。在進(jìn)行仿真時(shí),以當(dāng)前工序的工序模型為零件對(duì)象,以上一道工序的工序模型為毛坯對(duì)象。仿真加工提供了刀具軌跡可視化驗(yàn)證功能,用于模擬切削運(yùn)動(dòng)和材料去除,同時(shí)提供了機(jī)床運(yùn)動(dòng)模擬功能,用于檢查加工過(guò)程中的干涉碰撞。加工編程如圖3所示。

3.4 工藝輸出

工藝編制完成以后,可以創(chuàng)建工藝卡片并下發(fā)生產(chǎn)。Unigraphics NX軟件支持三維PDF格式文件輸出,能夠?qū)⒐ば蚰Ｐ彤a(chǎn)品加工信息輸出為三維PDF格式文件,或者將JT格式文件保存在TCM系統(tǒng)中。用戶(hù)可以在TCM系統(tǒng)中直接瀏覽在Unigraphics NX軟件中定義的所有視圖,包括制造信息標(biāo)注、產(chǎn)品加工信息剖視圖等。Unigraphics NX軟件支持對(duì)模型的旋轉(zhuǎn)、剖切、縮放、測(cè)量等操作,同時(shí)支持由帶有產(chǎn)品加工信息的三維模型直接生成二維圖紙,以滿(mǎn)足審批或打印的需求。

如果有檢驗(yàn)工序,檢驗(yàn)條目以TXT格式文件輸出至工序中,工藝審批發(fā)放后下傳至制造執(zhí)行系統(tǒng)。工藝輸出如圖4所示。

▲圖2 工裝夾具設(shè)計(jì)流程

▲圖3 加工編程▲圖4 工藝輸出

3.5 檢測(cè)編程

當(dāng)零件加工制造完成后,需要對(duì)零件進(jìn)行尺寸檢驗(yàn),以保證符合設(shè)計(jì)要求。尺寸檢驗(yàn)一般可以采用卡尺、三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x等。Unigraphics NX軟件三坐標(biāo)測(cè)量技術(shù)可以通過(guò)模型上的產(chǎn)品加工信息自動(dòng)生成三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x的檢測(cè)程序,縮短最長(zhǎng)80%的編程檢查時(shí)間。通過(guò)機(jī)床仿真與程序驗(yàn)證,同時(shí)可以避免檢測(cè)過(guò)程中發(fā)生干涉。

檢測(cè)編程如圖5所示。

▲圖5 檢測(cè)編程

3.6 裝配過(guò)程仿真

通過(guò)裝配過(guò)程仿真,可以在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)早期驗(yàn)證產(chǎn)品的工藝性,獲得完善的產(chǎn)品設(shè)計(jì)和裝配制造方案,并能夠建立交互式裝配路徑,動(dòng)態(tài)分析裝配干涉情況。

在裝配過(guò)程仿真中,除定義拆裝順序外,還可以使系統(tǒng)自動(dòng)尋找組件無(wú)干涉的拆卸路徑,進(jìn)而大大縮短復(fù)雜裝配線(xiàn)和繁雜裝配工藝的分析時(shí)間。通過(guò)TCM系統(tǒng),現(xiàn)場(chǎng)工人可以直接查看產(chǎn)品的裝配過(guò)程及裝配技術(shù)要求,同時(shí)可以將裝配過(guò)程導(dǎo)出為動(dòng)畫(huà)文件,供現(xiàn)場(chǎng)工人離線(xiàn)查看。裝配過(guò)程仿真如圖6所示。

3.7 人因工程

對(duì)于復(fù)雜產(chǎn)品的裝配過(guò)程,需要充分考慮人對(duì)裝配過(guò)程的影響。通過(guò)使虛擬人體參與裝配過(guò)程,分析人體在裝配過(guò)程中的可裝配性、可操作性、可達(dá)性和舒適性等問(wèn)題。

Unigraphics NX軟件過(guò)程模擬技術(shù)中提供了多種人體建模標(biāo)準(zhǔn),能夠詳細(xì)仿真人體在特定工作環(huán)境下的行為表現(xiàn),如動(dòng)作的時(shí)間評(píng)估、工作姿態(tài)的優(yōu)劣評(píng)估、工作的疲勞強(qiáng)度評(píng)估等,進(jìn)而可以詳細(xì)仿真人體在特定工作環(huán)境下裝配產(chǎn)品的動(dòng)作問(wèn)題。應(yīng)用虛擬人機(jī)仿真工具,可以分析人工裝配產(chǎn)品的合理性,研究復(fù)雜的裝配動(dòng)作,以便對(duì)工時(shí)進(jìn)行分析和研究。

3.8 生產(chǎn)線(xiàn)設(shè)計(jì)

在進(jìn)行復(fù)雜產(chǎn)品的裝配仿真過(guò)程中,需要考慮生產(chǎn)線(xiàn)對(duì)裝配過(guò)程的影響,以及產(chǎn)能是否能夠達(dá)到要求。傳統(tǒng)的生產(chǎn)線(xiàn)設(shè)計(jì)主要以二維設(shè)計(jì)為主,很多設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)在二維環(huán)境下難以表達(dá)和分析。Unigraphics NX軟件的生產(chǎn)線(xiàn)設(shè)計(jì)技術(shù)可以幫助用戶(hù)快速構(gòu)建生產(chǎn)線(xiàn)的三維模型,以供后續(xù)工廠(chǎng)仿真使用。通過(guò)統(tǒng)一、參數(shù)化的結(jié)構(gòu)單元和設(shè)備庫(kù),在工藝規(guī)劃、生產(chǎn)線(xiàn)設(shè)計(jì)、工藝仿真、工裝設(shè)計(jì)等環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)共享,減少了庫(kù)管理工作,簡(jiǎn)化了數(shù)據(jù)同步的煩瑣流程。

▲圖6 裝配過(guò)程仿真

生產(chǎn)線(xiàn)設(shè)計(jì)如圖7所示。

▲圖7 生產(chǎn)線(xiàn)設(shè)計(jì)

3.9 工廠(chǎng)仿真

工廠(chǎng)運(yùn)行效率低往往始于工廠(chǎng)設(shè)計(jì)的早期階段,尤其是設(shè)施與車(chē)間布置階段,原因是有關(guān)人員和部門(mén)在早期階段無(wú)法進(jìn)行有效充分的溝通。另一方面,對(duì)已經(jīng)存在的生產(chǎn)線(xiàn)或生產(chǎn)車(chē)間,如何提高生產(chǎn)效率,如何基于最少的投入獲得最大的生產(chǎn)效率提升,也是當(dāng)前的熱點(diǎn)問(wèn)題。應(yīng)用數(shù)字化手段,可以解決以上問(wèn)題,并可以提高設(shè)備利用率,優(yōu)化多品種生產(chǎn)計(jì)劃,合理對(duì)生產(chǎn)線(xiàn)生產(chǎn)計(jì)劃進(jìn)行調(diào)度。

工程仿真可以為生產(chǎn)車(chē)間中的各種生產(chǎn)設(shè)備、生產(chǎn)線(xiàn)、生產(chǎn)過(guò)程建立結(jié)構(gòu)層次清晰的模型,包括供應(yīng)鏈、輸送系統(tǒng)、存儲(chǔ)系統(tǒng)、生產(chǎn)資源、控制策略、生產(chǎn)過(guò)程、管理過(guò)程等。用戶(hù)通過(guò)各種分析工具、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和圖表,可以評(píng)估不同的解決方案,并在生產(chǎn)計(jì)劃的早期階段做出迅速而可靠的決策。

在工廠(chǎng)仿真模型中,可以分析生產(chǎn)線(xiàn)進(jìn)行生產(chǎn)時(shí)生產(chǎn)計(jì)劃的執(zhí)行能力,驗(yàn)證生產(chǎn)任務(wù)能否在規(guī)定的計(jì)劃時(shí)間內(nèi)完成,并可以?xún)?yōu)化生產(chǎn)批量,特別是對(duì)于混線(xiàn)生產(chǎn)線(xiàn)而言,可以?xún)?yōu)化生產(chǎn)品種的投產(chǎn)順序。工廠(chǎng)仿真如圖8所示。

▲圖8 工廠(chǎng)仿真

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)基于模型的定義技術(shù)在工藝上的應(yīng)用,可以有效減少工藝更改,縮短工藝準(zhǔn)備時(shí)間,減低成本,提高制造能力,優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在三個(gè)方面。

第一,提高產(chǎn)品數(shù)字化協(xié)同研制能力、執(zhí)行效率和產(chǎn)品質(zhì)量,使生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)具備三維下廠(chǎng)的條件,實(shí)現(xiàn)新一代產(chǎn)品三維設(shè)計(jì)模型下廠(chǎng)制造,提高設(shè)計(jì)效率和制造響應(yīng)速度,減少生產(chǎn)返工,縮短制造周期。

第二,提高產(chǎn)品數(shù)字化工藝能力,實(shí)現(xiàn)三維工藝和三維制造的全新技術(shù)準(zhǔn)備及現(xiàn)場(chǎng)管理。三維設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)于三維工藝和三維制造,可以通過(guò)三維化和信息化構(gòu)建企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新的平臺(tái),提高工藝水平和制造質(zhì)量,減少試制和試裝的次數(shù),進(jìn)而縮短新產(chǎn)品的研制周期。

第三,提高制造的管理效率和知識(shí)積累,構(gòu)建完整的制造過(guò)程電子檔案,縮短90%的查詢(xún)時(shí)間,實(shí)現(xiàn)質(zhì)量的可視化和快速追溯,同時(shí)實(shí)現(xiàn)制造知識(shí)的挖掘、分析和積累,快速提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)的質(zhì)量,使軟硬件生產(chǎn)系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。