基于MBD的葉片CAPP-NC系統(tǒng)研究

趙 霞，劉永華，宋 猛，陳月芳，丁 玉，王 霄，劉會(huì)霞

(1.江蘇農(nóng)林職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 句容 212400)(2.江蘇大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)(3.常州市金壇騰遠(yuǎn)機(jī)械配件有限公司，江蘇 常州 213000)

葉片是現(xiàn)代工業(yè)的重要產(chǎn)品之一，國(guó)內(nèi)外眾多專家、學(xué)者對(duì)葉片CAD/CAPP/CAM系統(tǒng)做了大量研究，并取得了一些成果。賈薪宇[1]開(kāi)發(fā)的汽輪機(jī)CAD/CAM系統(tǒng)，能夠提高葉片造型和磨削數(shù)控編程的效率。楊洋等[2]利用NX二次開(kāi)發(fā)工具集NX/Open開(kāi)發(fā)的針對(duì)汽輪機(jī)葉片鍛模的快速結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)系統(tǒng)，縮短了葉片鍛模的設(shè)計(jì)周期。江鵬[3]開(kāi)發(fā)的汽輪機(jī)葉片工藝知識(shí)推薦系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了工藝知識(shí)的快速獲取，提升了工藝設(shè)計(jì)效率。于文靖[4]在VS2013開(kāi)發(fā)平臺(tái)上開(kāi)發(fā)的汽輪機(jī)模鍛葉片加工質(zhì)量系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)汽輪機(jī)葉片加工質(zhì)量的控制。為了提高葉片制造在工藝設(shè)計(jì)和數(shù)控編程方面的數(shù)字化水平，本文引入MBD(model based definition)技術(shù)，構(gòu)建葉片MBD設(shè)計(jì)模型作為唯一數(shù)據(jù)來(lái)源，利用基于擴(kuò)展屬性鄰接圖的特征識(shí)別方法、PMI信息提取技術(shù)以及基于改進(jìn)遺傳算法的加工元排序方法，開(kāi)發(fā)出一套基于MBD的葉片CAPP-NC系統(tǒng)。

1 基于MBD的葉片CAPP-NC系統(tǒng)總體框架

MBD技術(shù)是美國(guó)波音公司在飛機(jī)研制過(guò)程中提出的新一代數(shù)字化產(chǎn)品定義技術(shù)[5]。其內(nèi)涵是：用一個(gè)集成的三維實(shí)體模型來(lái)表達(dá)產(chǎn)品設(shè)計(jì)信息和制造信息(包括產(chǎn)品所有相關(guān)的尺寸、形位公差、粗糙度、工藝信息、技術(shù)要求、屬性和管理信息等)，摒棄二維工程圖，保證產(chǎn)品在設(shè)計(jì)制造過(guò)程中數(shù)據(jù)的統(tǒng)一[6]。只需一個(gè)MBD模型就可獲得產(chǎn)品全部的設(shè)計(jì)制造信息，這讓數(shù)據(jù)管理和傳遞變得相當(dāng)方便。

本文基于MBD的葉片CAPP-NC系統(tǒng)分為五大模塊：系統(tǒng)管理模塊、模型導(dǎo)入模塊、CAPP模塊、NC模塊、數(shù)據(jù)庫(kù)管理模塊。其中系統(tǒng)管理模塊包含用戶定義和用戶登錄兩個(gè)子模塊，主要用于控制不同角色用戶的模塊使用權(quán)限；模型導(dǎo)入模塊主要用于接收葉片設(shè)計(jì)部門下發(fā)的葉片MBD設(shè)計(jì)模型，后續(xù)工藝設(shè)計(jì)的進(jìn)行全部依賴于此模型；CAPP模塊主要對(duì)葉片進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)，包含葉片加工特征識(shí)別和信息提取、加工元生成、加工元排序、工序創(chuàng)建、三維工藝發(fā)布等5個(gè)子模塊；NC模塊主要用于對(duì)葉片的數(shù)控編程，包含4個(gè)子模塊，分別為加工元信息讀取、加工模板調(diào)用、刀軌生成、加工仿真；數(shù)據(jù)庫(kù)管理模塊主要用于對(duì)工藝數(shù)據(jù)庫(kù)的管理，包括數(shù)據(jù)新增、數(shù)據(jù)更改、數(shù)據(jù)刪除、數(shù)據(jù)保存。

2 基于MBD的葉片CAPP-NC系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 葉片MBD設(shè)計(jì)模型的建立

一般地，零件MBD 設(shè)計(jì)模型(design model，DM)是由零件的幾何模型和基本工藝信息(零件名稱、數(shù)量、尺寸、公差、材料、表面粗糙度以及熱處理方法等)構(gòu)成[7]。因此，可將其定義如下：

(1)

本文結(jié)合葉片結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及汽輪機(jī)葉片國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與行業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，利用NX軟件中的PMI模塊對(duì)葉片三維模型進(jìn)行三維標(biāo)注，并對(duì)統(tǒng)一定制的屬性模板中的葉片產(chǎn)品屬性信息值進(jìn)行定義，從而建立如圖1所示的葉片MBD設(shè)計(jì)模型。

2.2 基于葉片MBD設(shè)計(jì)模型的加工特征識(shí)別和信息提取

2.2.1加工特征識(shí)別

本文采用基于擴(kuò)展屬性鄰接圖的加工特征識(shí)別方法[8]，構(gòu)建擴(kuò)展屬性鄰接圖，并對(duì)其進(jìn)行分解，然后通過(guò)基于矩陣映射的子圖同構(gòu)匹配，實(shí)現(xiàn)對(duì)葉片MBD設(shè)計(jì)模型中的加工特征快速、精確識(shí)別。其主要識(shí)別流程如下：

1)提取零件的幾何/拓?fù)湫畔ⅲ?/p>

2)根據(jù)零件幾何/拓?fù)湫畔?gòu)建擴(kuò)展屬性鄰接圖，如圖2所示，并以矩陣形式保存；

圖2 叉槽葉根模型及其擴(kuò)展屬性鄰接圖

3)對(duì)擴(kuò)展屬性鄰接圖進(jìn)行屬性分解得到擴(kuò)展特征子圖；

4)搜索分解生成的擴(kuò)展特征子圖，利用基于矩陣映射的圖同構(gòu)算法將其與預(yù)定義加工特征庫(kù)進(jìn)行同構(gòu)匹配，若匹配成功，則完成該類特征識(shí)別。

2.2.2PMI信息的提取

葉片MBD設(shè)計(jì)模型的產(chǎn)品制造信息(product manufacturing information,PMI)一般包括尺寸、公差、基準(zhǔn)等，以三維標(biāo)注的方式標(biāo)注在模型上。NX軟件二次開(kāi)發(fā)接口NX/Open API中提供的封裝函數(shù)可實(shí)現(xiàn)各類PMI信息的提取。

2.3 基于產(chǎn)生式規(guī)則的加工元生成

加工元是表達(dá)特征加工方案的最小單元體，它是以特征為基礎(chǔ)的信息實(shí)體，反映了加工特征的某個(gè)工步的工藝信息，每個(gè)特征的加工過(guò)程都是由一組加工元組成[9]。本文定義的加工元內(nèi)容主要包含葉片加工特征、加工方法、加工設(shè)備以及刀具、夾具等。

葉片加工企業(yè)長(zhǎng)期以來(lái)總結(jié)出了大量的工藝經(jīng)驗(yàn)，為了便于加工元的生成，首先需要將企業(yè)的工藝經(jīng)驗(yàn)表示為計(jì)算機(jī)可以接受的工藝知識(shí)，也就是工藝規(guī)則。常見(jiàn)的知識(shí)表示方法有產(chǎn)生式規(guī)則表示法、一階謂詞表示法、語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)表示法等。其中產(chǎn)生式規(guī)則表示法廣泛應(yīng)用于人工智能領(lǐng)域，它形式簡(jiǎn)單，格式固定，推理方式單純，沒(méi)有復(fù)雜計(jì)算，適合處理簡(jiǎn)單的推理問(wèn)題[10]。本文利用產(chǎn)生式規(guī)則表示法制定一系列工藝規(guī)則，主要包括加工方法選擇規(guī)則、加工設(shè)備選擇規(guī)則、刀具選擇規(guī)則等。為了便于對(duì)規(guī)則進(jìn)行管理，將其用英文縮寫形式表示如下：

DRule ={DRulePm，DRuleDev，DRuleTol，…}

(2)

式中：DRule為產(chǎn)生式規(guī)則；DRulePm為加工方法選擇規(guī)則；DRuleDev為加工設(shè)備選擇規(guī)則；DRuleTol為刀具選擇規(guī)則。

2.4 基于改進(jìn)的遺傳算法加工元排序

2.4.1改進(jìn)遺傳算法實(shí)現(xiàn)步驟

遺傳算法將問(wèn)題的求解過(guò)程轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)模擬生物進(jìn)化中的染色體選擇、交叉、變異的過(guò)程，比一般的優(yōu)化算法可以更快更好地得到組合優(yōu)化的結(jié)果[11-12]。但在遺傳算法進(jìn)行加工元優(yōu)化排序過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生大量的不滿足基本工藝約束的解，不僅影響程序運(yùn)行效率，還無(wú)法保證最終解的收斂性和可行性，故本文在傳統(tǒng)的遺傳算法的基礎(chǔ)上引入“染色體重組”概念，保證染色體有效性[13]。

2.4.2適應(yīng)度函數(shù)計(jì)算

葉片生產(chǎn)企業(yè)在接到客戶訂單后需要以最快速度完成交貨，因此葉片加工效率是衡量葉片工藝是否合理的重要指標(biāo)，但在生產(chǎn)過(guò)程中，更換機(jī)床、刀具、夾具卻花費(fèi)了大量的時(shí)間，故本文以更換機(jī)床、刀具、夾具次數(shù)最少為目標(biāo)對(duì)加工元進(jìn)行優(yōu)化排序。

T=ω1×Tmac+ω2×Ttol+ω3×Tfix

(3)

式中：T為機(jī)床、刀具、夾具更換總得分；Tmac為機(jī)床更換得分；Ttol為刀具更換得分；Tfix為夾具更換得分；ω1，ω2，ω3分別為Tmac，Ttol，Tfix的權(quán)重系數(shù)。通過(guò)咨詢企業(yè)經(jīng)驗(yàn)豐富的工藝工程師，依據(jù)三者的重要程度確定權(quán)重系數(shù)：ω1=0.6，ω2=0.1，ω3=0.3。本文采用Min-Max法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。

1)機(jī)床更換得分。

(4)

式中：n為加工元個(gè)數(shù)；kmac為機(jī)床數(shù)量；Nmac為機(jī)床變換次數(shù)。

2)刀具更換得分。

(5)

式中：ktol為刀具數(shù)量；Ntol為刀具變換次數(shù)。

3)夾具更換得分。

(6)

式中：kfix為夾具數(shù)量；Nfix為裝夾變換次數(shù)。

式(3)為適應(yīng)度函數(shù)，個(gè)體的適應(yīng)度越大則表明個(gè)體越優(yōu)越，即葉片的加工效率越高。通過(guò)減少機(jī)床、刀具、夾具更換次數(shù)進(jìn)行迭代優(yōu)化，獲得加工效率最高的加工元序列指導(dǎo)葉片加工，可以有效提高生產(chǎn)效率，縮短葉片生產(chǎn)周期。

2.5 基于加工模板的數(shù)控編程

基于MBD的葉片CAPP-NC系統(tǒng)最大的特點(diǎn)之一就是CAPP模塊中的工藝信息數(shù)據(jù)可以直接用于NC數(shù)控編程模塊。本文通過(guò)讀取加工元信息，根據(jù)加工元的加工特征類型和加工方法自動(dòng)調(diào)出對(duì)應(yīng)的自定義加工模板，并按加工元排序順序依次添加進(jìn)工序?qū)Ш狡髦?。通過(guò)NX軟件提供的二次開(kāi)發(fā)接口NX/Open API中的CreateCamSetup函數(shù)實(shí)現(xiàn)加工模板的調(diào)用。因此，在工藝加工特征識(shí)別技術(shù)和工藝決策技術(shù)的支持下，采用基于加工模板的NC數(shù)控編程對(duì)葉片進(jìn)行程序編制，可以有效提高數(shù)控編程效率。

3 基于MBD的葉片CAPP-NC系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)環(huán)境

基于UG NX豐富的產(chǎn)品工程解決方案，本文在NX10.0平臺(tái)上，利用NX提供的二次開(kāi)發(fā)工具集NX/Open進(jìn)行基于MBD的葉片CAPP-NC系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。數(shù)據(jù)庫(kù)為Microsoft Office Access 2013。本文在VS 2015的編譯環(huán)境下，利用C/C++語(yǔ)言進(jìn)行程序開(kāi)發(fā)，生成動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)文件(.dll)，通過(guò)NX10.0軟件中的定制菜單對(duì)其進(jìn)行加載，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功能要求。

3.2 系統(tǒng)實(shí)例運(yùn)行

本文以某葉片制造企業(yè)生產(chǎn)的叉槽動(dòng)葉片作為實(shí)例對(duì)象驗(yàn)證系統(tǒng)的有效性。通過(guò)用戶登錄模塊可以獲得進(jìn)入系統(tǒng)的權(quán)限。通過(guò)模型導(dǎo)入模塊可以獲得設(shè)計(jì)部門下發(fā)的葉片MBD設(shè)計(jì)模型，建立新任務(wù)。CAPP模塊先利用加工特征識(shí)別和信息提取子模塊識(shí)別出葉片MBD設(shè)計(jì)模型中的加工特征并提取對(duì)應(yīng)的PMI信息，然后基于產(chǎn)生式規(guī)則生成加工元；基于改進(jìn)的遺傳算法以加工時(shí)間最短對(duì)加工元序列進(jìn)行優(yōu)化排序，獲得適應(yīng)度值最佳的排序結(jié)果；最終發(fā)布三維工藝文件，以工藝結(jié)構(gòu)樹結(jié)合MBD工序模型的方式展示出來(lái)。NC模塊用于實(shí)現(xiàn)CAPP與CAM的集成，CAPP過(guò)程中的工藝信息數(shù)據(jù)可以傳遞到NC模塊中，如部件幾何體和毛坯幾何體的設(shè)置，加工策略、刀具、切削參數(shù)等信息的設(shè)定。本文采用基于加工模板的NC數(shù)控編程方法，定制針對(duì)葉片的加工模板，將一些參數(shù)信息固化，避免了大量重復(fù)勞動(dòng)，提高了工作效率和工作質(zhì)量。NC模塊通過(guò)讀取工藝XML文件，獲得加工特征及其加工方法，然后調(diào)用相應(yīng)的加工模板，自動(dòng)添加到工序?qū)Ш狡髦胁⑿薷某绦蛎Q。對(duì)加工模板進(jìn)行相應(yīng)的參數(shù)設(shè)定，再進(jìn)行后處理生成NC代碼。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文將MBD技術(shù)引入到葉片工藝設(shè)計(jì)中，在NX軟件平臺(tái)上開(kāi)發(fā)出一套基于MBD的葉片CAPP-NC系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)葉片工藝路線決策優(yōu)化，并為后續(xù)數(shù)控編程提供數(shù)據(jù)支撐。該系統(tǒng)可以有效提高葉片工藝設(shè)計(jì)和數(shù)控編程效率、縮短葉片生產(chǎn)制造周期，并且為企業(yè)實(shí)現(xiàn)基于MBD的全三維數(shù)字化制造提供新模式。