基于Pro/E數字化三維工藝設計系統的研究

□ 曲令晉 □ 邰 鑫

河南工業職業技術學院 河南南陽 473000

隨著我國機械制造行業的迅猛發展以及數字化技術水平的不斷提高，利用三維CAD軟件進行產品的設計和研發已在我國制造企業中得到廣泛的推廣和應用。但長期以來，三維CAD模型僅僅應用于產品的研發設計階段，并沒有對企業的生產制造環節起到指導和數據支撐的作用，三維（3D）建模加二維（2D）發圖仍是當前制造企業的主導模式［1］。制造工藝信息、屬性信息、管理信息存儲于二維工程圖紙和其它技術文檔中，工作人員無法直觀明了地獲取相關制造信息，也無法直接利用產品三維設計模型指導生產制造［1］。

二維圖紙在指導生產過程中對操作工人的讀圖能力及工藝理解能力要求較高，加大了工人工作的復雜度。當產品設計模型發生變更時，工藝圖紙和文檔則需要手工更改，極易出錯且影響工作效率［2］。為了實現三維設計制造一體化，迫切需要一種新的方式將三維設計信息及制造工藝信息集成表達，并以單一信息載體的方式傳遞給各方使用。筆者源于某企業基礎研究課題，對三維數字化工藝設計方法進行了研究，并基于Pro/E平臺進行了二次開發，實現了基于三維實體模型的數字化定義、工藝設計和審閱，提高了工藝設計質量和效率，縮短了產品研發制造周期，降低了產品研制成本。

1 基于特征的三維數字化模型的表達

1.1 三維數字化模型定義

三維數字化工藝設計是以產品三維數字化模型為載體，在綜合考慮制造資源和產品制造工藝流程的基礎上定義的，用于控制和可視化表達零件制造過程的數字化模型［3］。從特征的角度出發，任何產品零件都可以看成是由一系列簡單的特征所組成的。零件的三維建模過程，實際上就是許多個特征疊加、相交或切割的過程。三維工藝模型的定義過程實質就是對加工特征的定義和特征間邏輯關系的組織控制過程［4］。

1.2 基于特征的加工元

加工元是以加工特征為核心、描述特征加工的信息載體，它包括該特征的加工方法以及加工該特征所需的所有制造資源信息，如圖1所示。一般描述性信息包括模型名稱、圖號、材料、生產類型等信息，以MGI(General Information about model)表示模型一般信息，以FC(Feature Concentration)表示特征集，以MI表示工藝模型信息，則工藝模型信息數學表達式為：

以f（feature）表示一個加工特征，則工藝模型的全部特征構成了該模型的特征集合，可表示為：

式中：n 表示工藝模型中的所有特征數。

特征加工元一般包括加工對象、加工工藝、加工資源三部分，可用MO(Manufacturing Object)表示加工對象，它表示三維模型中加工特征所包含的幾何形狀區域；MP(Manufacturing Process)表示加工方法，描述了該特征的工藝加工過程；MR(Manufacturing Resource)表示加工資源，包含了機床、刀具工裝信息［5］。綜上所述，用ME(Machining Element)表示特征加工元，加工元信息數學表達式為：

2 基于Pro/E的工藝系統設計

2.1 系統的結構體系

▲圖1 基于加工元的工藝決策過程

根據對三維工藝技術的研究分析，工藝設計系統主要包括的功能為：基于加工特征的三維工藝模型創建、三維工藝信息的可視化標注、三維數字化模型的可視化發布。筆者綜合考慮系統的實現功能、開發環境、開發工具等情況，建立本系統的結構體系，如圖2所示［6］。

三個功能模塊旨在滿足不同的系統功能需求：即人機交互的方式實現三維工藝模型的構建、三維數字化模型的信息標注以及三維模型的可視化發布。數據層存儲了工藝標識數據、模型數據、工藝資源和協同數據等，并應用Oracle Text的檢索和觸發引擎。支撐層是系統運行和數據管理的基礎平臺，系統通過對三維數據的集成管理為用戶提供協同的設計制造平臺。

2.2 工藝模型生成模塊

工藝模型模塊是借助Pro/NC平臺實現工藝模型的創建功能［7］。Pro/NC是Pro/E軟件關于數控加工的子模塊，它提供了車削、銑削、鉆削、線切割等多種仿真加工和編程功能，可以從簡單的2軸加工到以5軸聯動方式來加工極為復雜的零件，圖3所示為工藝模型創建界面。加工特征創建則是基于工藝決策，按照工序的先后順序構建加工特征，根據機械加工多屬于去除材料的特點，結合Pro/NC模塊的加工特征原則定義。特征創建完成后需要根據工藝過程按工步和工序對特征進行分組配置，實現加工特征節點與中間工序模型的有效對應。

2.3 三維標注模塊

▲圖2 三維工藝系統的結構體系

▲圖3 工藝模型創建界面

三維標注模塊是在Pro/E三維標注的基礎上開發擴充實現的。Pro/E的注釋特征可以實現基本尺寸、表面粗糙度、幾何公差、基準標簽、文本注釋等相關信息的三維標注。

為了提高Pro/E環境下三維標注的效率及實現工藝組合符號的三維標注，筆者開發了三維標注模塊，其內容包含工藝組合符號標注和其它一些標準信息 （如尺寸、尺寸公差、基準、表面粗糙度、形位公差、文本等）的標注。三維信息標注在Pro/E標準功能的基礎上封裝，所有標注結果都可以使用Pro/E標準功能來完成，三維工藝系統的一些標準信息標注界面如圖4所示。

2.4 模型可視化發布模塊

▲圖4 三維工藝系統的標準信息標注界面

三維模型的可視化發布是將創建的動態工藝模型轉換為具備可視化瀏覽審閱功能的Product View格式文件，以方便系統信息集成應用。相鄰加工特征的隱含和恢復的邏輯關系是可視化發布技術的關鍵，加工特征要嚴格按照工序或工步分組，并且獨立的加工特征間不要有參照關系，以免部分特征隱含后導致工藝模型再生失敗。隱含方法是調用Toolkit的ProFeature Suppress函數，恢復方法是調用Toolkit的ProFeature Resume函數，圖5是系統的可視化發布界面。

3 實例驗證

本文以底板類零件為研究對象，具體闡述機加工零件的三維工藝設計流程。首先借助三維工藝系統，將實例零件調入工藝設計環境Pro/NC模塊，設置毛坯模型的尺寸、形狀，生成毛坯模型，如圖6所示。其次對零件進行工藝過程分析，定義零件的加工特征和特征加工元，見表1。

依據特征加工元信息，在Pro/NC模塊下依次創建工藝模型的加工特征，并基于當前加工特征進行工藝加工信息的三維標注。創建的幾何特征和注釋特征可以在工藝模型樹中查找和修改。完成整個零件制造過程特征創建和三維信息標注后，通過三維工藝系統配置工序或工步與特征的對應關系，創建零件工藝規程配置結構樹。配置結構樹中添加的工序、工步以零件實際加工中的名稱命名，每道工序、工步可以在工藝模型的模型樹中選取對應的加工幾何特征和注釋特征，實例零件的工藝規程配置結構樹如圖7所示。

根據工藝規程結構樹定義的加工特征、注釋特征與工序模型的邏輯關系進行模型的可視化發布。圖8為產品零件圖，其制造工藝見表1。通過本平臺，各加工工序操作人員均可以了解工藝詳情。

▲圖5 系統的可視化發布界面

▲圖6 實例零件設計模型及毛坯模型

▲圖7 實例模型工藝規程配置結構樹

表1 實例零件特征定義信息

▲圖8 實例模型零件圖

4 結束語

產品三維工藝模型是三維集成CAPP系統的重要組成環節，是實現CAD/CAPP/CAM集成的關鍵步驟。筆者提出了基于產品特征的三維數字化模型表達方法，描述了加工單元的工藝決策流程。基于Pro/E平臺構建了工藝設計系統，該系統主要有三個子功能模塊組成：三維工藝模型創建模塊、工藝信息的可視化標注模塊、三維數字化模型的可視化發布模塊，闡述了三個模塊的作用及彼此的結構。最后以底座為研究對象，實際驗證了該三維工藝系統的功能。結果表明：系統操作簡單，界面直觀，為3D-CAPP和加工車間的無紙化加工的進一步研究奠定了基礎。

［1］ 王俊彪，劉闖.飛機零件制造模型及數字化定義［J］.航空制造技術，2011（12）:38-41.

［2］ 唐林.全三維環境下的設計制造集成技術研究［D］.長沙：國防科學技術大學，2011.

［3］ 喬立紅，張金.三維數字化工藝設計中的關鍵問題及其研究［J］.航天制造技術，2012（1）：29-32.

［4］ 吳濤，張振明，耿俊浩.基于制造特征的工藝知識管理技術研究［J］.中國制造業信息化，2011,40（7）：5-7.

［5］ 胥利軍，張振明，田錫天，等.基于三維零件模型的工藝路線設計方法研究［J］.機械設計與制造，2010（1）：28-30.

［6］ 賈曉亮，丁曉宇，耿俊浩，等.面向PLM基于3D產品模型的航空產品數字化工藝技術研究［J］.航空精密制造技術，2011,47（3）：49-53.

［7］ 姜洪奎,張蔚波,蘇樹朋.Pro/ENGINEER Wildfire5.0數控加工行業應用實踐［M］.北京：機械工業出版社，2010.