基于MBD技術的零件參數化工藝設計及應用

蔣華鋒

一、引言

近年來，我國制造業迅速發展，特別是航空工業，廣泛采用了MBD技術用于產品研發和制造。隨著產品零件的標準化程度越來越高、精度越來越高、生產批量越來越大，以及工藝周期不斷縮短，如何提高三維設計及生產效率成了企業關心的問題。

根據以往的經驗，企業如果能在產品設計和制造過程中重用已有成熟的設計及制造資源，就可以提高設計速度和產品生產質量。特別是在那些產品及其零部件系列化、標準化程度較高，生產批量較大的企業，設計和制造資源重用是一種提高工藝準備工作質量、減少工藝準備工作量、縮短工藝準備周期的有效方法。

本文基于西門子NX軟件平臺，開發了一種基于MBD技術的零件參數化工藝系統，來實現零件設計及制造資源的快速重用。下文將介紹具體的原理及實現方法。

二、零件參數化工藝設計的原理

經過分析，企業內部的系列化零件一般都由各類相對固定的結構組合而成，如圖1所示。該實例零件由外圓圓柱、軸向孔、環槽、徑向圓孔、徑向長條孔、偏心斜孔和倒角/圓角等特征構成，這些特征均對應了一種典型成熟的加工方法，則可視這些特征為典型特征。即該實例零件為典型特征組合而成。因此，設計人員可通過典型特征組合的建模方法來完成零件設計。

由典型特征組合而成的零件，就使得在工藝設計階段可通過特征識別技術，將每個典型特征定義為一道典型工序，則一個零件可快速分解成為多道工序，再通過工序模型的參數化驅動，快速創建工序模型，進而完成MBD工藝編制工作。本文基于MBD技術的參數化工藝設計流程如圖2所示。

圖2中涉及到了如下幾個關鍵技術，這些技術均通過軟件開發的方法得以實現。

（l）梳理出同系列零件的典型結構，建立典型結構特征庫和工藝資源庫。

（2）使用面向制造的設計方法（DFM），開發特征建模工具，使同類零件設計和工藝標準化，減少重復勞動，并使設計零件具備加工性能。

（3）采用特征識別和參數化工藝方法，快速識別出零件最適合的工藝，實現相似零件工藝的快速設計。

三、典型結構特征庫和加工資源庫

通過產品梳理，將形狀和工藝路線相似的典型結構特征加以整理，形成典型特征庫。特征庫分為三維MBD模型庫及工藝加工資源庫。每個典型特征均對應了一個典型工序，并且為每個典型工序建立了配套的加工方法和工藝資源，保證后期快速調用。如圖3所示。

四、典型特征建模工具

利用特征建模技術實現參數化工藝設計，是目前DFM的實現途徑之一。有學者認為：“特征建模技術被認為是CAD/CAM集成的關鍵技術，它的應用分為兩大類：一類是特征造型，以特征為一特定單位參與幾何造型；另一類是特征識別和提取，即從已有的CAD模型中用一定手段提取特征信息。采用特征技術可建立完善的零件信息模型，為CAD/CAPP/CAM和CIMS的集成奠定基礎。”本文從實際應用的角度出發，基于NX平臺開發了典型特征建模工具，如圖4所示，所有的特征資源從典型結構特征庫中提取，方便設計人員快速進行典型特征建模。當典型特征庫擴充之后，特征建模工具也能實時顯示新的內容。由特征建模工具創建的模型，在參數化工藝設計階段可以實現特征無縫識別。該工具使得設計人員可以通過簡單的特征組合得到完整的零件模型，且設計人員所使用的對象不再是簡單的幾何圖素，而是具有功能要素和攜帶工藝信息的特征。

五、零件MBD參數化工藝設計

由特征建模工具創建的設計模型，其每個特征均在數據庫中對應了相應的加工方法，可以通過特征識別的方式進行提取，即每個特征均為一個典型工序。工藝人員通過對典型工序進行編排，可以生成一整套工藝規程。通過不斷的積累，可以將具有代表性的工藝規程定義為典型工藝。因此，基于典型特征的典型工藝是參數化工藝工作的基礎。

1 特征識別及對比

用典型特征建模工具創建的零件，使用典型特征識別功能，可以快速將所有的典型特征識別出來。從零件模型中識別典型特征后，軟件自動與加工資源庫庫中該典型特征的優選參數進行比對，對于非優選參數或超出現有加工極限的特征顯示出來，引導設計確認是否更改。當特征對比完全通過后，說明當前所設計的零件具有成熟的加工方法，可保證精度要求（圖5）。

2 由典型特征編排工藝路線

根據特征識別結果，與典型加工資源庫中的典型工藝類型進行比對，若存在典型工序，則進行分析。某一類特征可能對應多個加工方法，通過某一特征（如總長或長徑比）限定，自動優選適宜的加工方法。在工藝資源庫中的每一工序配備有對應的工藝參數（數控設備：程序、刀具清單、裝夾方案、檢測要素；手動設備：裝夾方案、加工方式及一般性要求），并提供列表（刀具清單表、工裝清單表、檢驗表、程序包），對比后可快速添加入當前工序中，并支持修改。

本文開發了由參數化工藝設計系統根據識別出的典型特征和對應的典型工序來搭建工藝路線，如圖6所示。

對話框中可以對工序進行編排，對于特種工藝或其他不涉及到工序模型的工藝，可以在中間添加新工序。完成編排后，系統自動在NX中生成工藝結構，并對工序的模型文件進行編碼指派，如圖7所示。

3 工序模型自動生成

在進行零件MBD工藝設計時，工序模型的生成是非常耗時的一個環節。由于設計人員建模水平參差不齊，就使得工藝人員無法使用自動化方法快速完成工序模型修改，這對工藝人員的NX使用水平也提出了較高的要求。而使用典型特征建模工具完成零件設計后，就使得利用軟件開發快速生成工序模型成為了可能。

本文通過開發，在原有設計模型的基礎上，用軟件來完成對工序模型的修改和創建。過程如下。

（l）將設計特征導入所有的工序part文件中。

（2）利用在工藝路線設計中的工序號來判斷哪些典型特征屬于哪道工序。

（3）當前工序只保留當前工序號及前面所有工序的特征，其后所有的特征自動刪除。

例如，15工序的模型，需要刪除l5工序以后所有的特征。由于使用特征建模工具創建的各典型特征之間沒有父子關系，所以可以方便地刪除與本工序無關的特征，而不會影響零件的正常更新。圖8所示為利用軟件快速生成的工序模型。

4 加工余量及PMI標注

零件的設計基準和加工基準無法從特征級別獲取到，均需要設計人員和工藝人員依據自己的知識和零件的實際形狀進行定義。工藝人員定義好每道工序的加工基準后就可以對工序模型進行三維PMI標注和加工余量設置。本文在特征建模階段已經預埋了加工余量的值，并將值設為0。在工藝數據資源庫中，每類典型特征均對應了若干優選的加工余量，設計人員只需要結合毛坯尺寸值，從數據庫中選擇優選加工余量，將加工余量的值賦給工序模型，即可完成工序模型的重新生成（圖9）。

5 NX CAM加工仿真

由于每道工序所使用的工藝資源信息，如設備、刀具及切削參數等信息已經在工藝路線設計階段從工藝資源庫中自動獲取，故在使用NX CAM在進行加工仿真時，可以直接調用這些工藝資源。在加工仿真階段，本文開發的參數化工藝設計系統表現了如下的優點。

（l）系統自動錄入與典型特征對應的工藝資源和加工參數，減少數據的重復輸入，提高編程效率。

（2）典型工藝加工資源庫中固化了被實踐驗證過的最佳工藝參數的應用，提升了加工品質。

（3）提取加工資源庫中的信息，也提高了數控編程的標準化。

使用NX CAM生的成NC代碼，可以通過企業的DNC系統傳遞給現場加工中心，進而完成基于MBD技術的零件加工（圖10）。

六、結語

本文提出的基于MBD技術的零件參數化工藝設計方法，其核心在于利用以往的最佳實踐和經驗來解決新問題。在NX平臺下開發的特征建模工具和參數化工藝系統經過實際使用后，提高了系列化零件的設計、工藝和加工效率。今后通過對企業典型特征庫的不斷積累和擴充，還可形成企業內部的典型零件工藝數據庫，將更能縮短零件的設計和生產周期。