基于三維數(shù)字化模型的加工工時(shí)計(jì)算方法

韓志仁 林曉磊 尹海軍 孟祥韜

(①沈陽(yáng)航空航天大學(xué)航空航天工程學(xué)部，遼寧沈陽(yáng)110136；②沈陽(yáng)航空航天大學(xué)航空制造工藝數(shù)字化國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，遼寧沈陽(yáng)110136；③沈陽(yáng)飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，遼寧沈陽(yáng)，110136)

工時(shí)定額是指在一定生產(chǎn)組織和技術(shù)條件下，生 產(chǎn)單位合格產(chǎn)品所必須消耗的工時(shí)[1]。工時(shí)定額是企業(yè)生產(chǎn)管理任務(wù)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)之一，是企業(yè)制定計(jì)劃方案、組織生產(chǎn)的基礎(chǔ)，也是企業(yè)內(nèi)部進(jìn)行資本核算，評(píng)估經(jīng)濟(jì)效益的重要參照[2]。工時(shí)定額制定的品質(zhì)直接影響了設(shè)備使用率、產(chǎn)品生產(chǎn)周期、企業(yè)勞動(dòng)人員的薪資等方面，對(duì)企業(yè)的持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要[3]。

在國(guó)內(nèi)的航空制造企業(yè)的零件加工過(guò)程中，如何快速獲取三維模型中的工藝信息，如何準(zhǔn)確快速地計(jì)算加工工時(shí)顯得尤為重要。在零件的制造加工過(guò)程中，工藝信息的管理工作十分繁重，實(shí)際生產(chǎn)活動(dòng)中工時(shí)定額的制定，還沒(méi)有完全實(shí)現(xiàn)自動(dòng)快速獲取，而是通常由企業(yè)專門的工時(shí)定額員工或工藝設(shè)計(jì)人員進(jìn)行計(jì)算[4]。開展此項(xiàng)工作需要計(jì)算人員掌握工時(shí)定額標(biāo)準(zhǔn)和擁有豐富的工藝經(jīng)驗(yàn)，并且不同的計(jì)算人員可能會(huì)造成工時(shí)定額的偏差過(guò)大，效率低下而且難以保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性[5]。因此在企業(yè)生產(chǎn)中如何快速有效地獲取加工工藝信息、計(jì)算每個(gè)工步的耗時(shí)是亟待處理的問(wèn)題。

1 基于MBD的加工工藝信息表達(dá)

隨著航空數(shù)字化技術(shù)的推廣，MBD模型成為了實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工藝設(shè)計(jì)信息一體化的載體[6]。數(shù)字化制造的終極目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)無(wú)紙化制造，工藝信息載入產(chǎn)品模型中，在模型中產(chǎn)品信息和工藝信息有明顯的界限，分為兩個(gè)不同的區(qū)域，即產(chǎn)品設(shè)計(jì)區(qū)和產(chǎn)品加工工藝信息區(qū)。產(chǎn)品加工工藝信息區(qū)在結(jié)構(gòu)樹上描述了產(chǎn)品制造的工藝工程和工藝模型，包括工藝說(shuō)明、工序操作說(shuō)明、加工參數(shù)、刀具設(shè)備、定位基準(zhǔn)及工藝說(shuō)明等詳細(xì)的工藝過(guò)程數(shù)據(jù)。零件工藝信息在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)數(shù)的工藝信息區(qū)按規(guī)范進(jìn)行表達(dá)，以某盤類零件為例，說(shuō)明零件工藝信息模型表達(dá)形式如圖1所示。

2 加工特征識(shí)別技術(shù)研究

為了快速獲取加工工藝信息，首先需要提取三維模型環(huán)境下零部件產(chǎn)品的加工特征信息及其基本屬性信息，為加工工時(shí)計(jì)算提供數(shù)據(jù)依據(jù)。產(chǎn)品制造的加工工藝信息在結(jié)構(gòu)樹上可以直接提取，如何在三維環(huán)境下提取產(chǎn)品加工特征信息、如何識(shí)別產(chǎn)品加工特征以方便工時(shí)計(jì)算成為解決問(wèn)題的關(guān)鍵。

2.1 加工特征及其分類

零件幾何特征由幾何拓?fù)湓亟M成，包含最基本的點(diǎn)、線、面。加工特征是點(diǎn)線面的有機(jī)組合，并不是所有的零件幾何特征都是加工特征，但是所有的加工特征都含有零件的幾何特征[7]。如表1所示，是幾種常見的加工特征。

2.2 加工特征識(shí)別方法概述

提取加工特征信息的關(guān)鍵是特征識(shí)別。目前，國(guó)內(nèi)外研究較多的方法是基于圖匹配的特征識(shí)別方式[8]。而其中屬性鄰接圖(attributed adjacency graph)法更為常見。

表1 幾種常見的加工特征

屬性鄰接圖(attributed adjacency graph，AAG)的概念最早是由Joshi和Chang提出[9]。AAG可被定義為一個(gè)三元組G(graph)

其中，N為節(jié)點(diǎn)集(set of nodes)，A為弧線集(set of arcs)，T為弧線集中的弧線所擁有屬性的集合(set of attributes to arcs in A)。

但是該方法只能識(shí)別槽、方孔等由平面組成的且不包含凸節(jié)點(diǎn)的加工特征，并不能識(shí)別凸臺(tái)、圓孔以及圓柱特征，所以不少學(xué)者結(jié)合其他算法對(duì)屬性鄰接圖法進(jìn)行了拓展[10-12]。

2.3 拓展屬性鄰接圖特征識(shí)別方法

由于屬性鄰接圖存在一定的局限性，為解決該問(wèn)題，基于MBD的定義規(guī)范，結(jié)合CATIA二次開發(fā)技術(shù)進(jìn)行相對(duì)應(yīng)的拓展，在Visual Studio的CAA環(huán)境中以數(shù)組來(lái)表達(dá)面與面之間的凹凸關(guān)系，其中:

(1)n表示構(gòu)成特征的面的數(shù)量，整數(shù)1表示兩個(gè)面的凸關(guān)系，0表示兩個(gè)面不相交或者凹關(guān)系。

(2)對(duì)于數(shù)組元素A[i，j]，如果i≠j，則表示i面與j面之間的關(guān)系:如果相交，則為凹關(guān)系或者凸關(guān)系，如果不相交，則兩者沒(méi)有關(guān)系。如果用一個(gè)二位數(shù)來(lái)表示不同類型面之間的凹凸關(guān)系，那么可以在個(gè)位上用0和1來(lái)表示凹關(guān)系和凸關(guān)系，在十位上用數(shù)字1，2，3……分別表示平面與平面相交、平面與柱面相交、柱面與柱面相交等關(guān)系，例如，可以以用10表示兩個(gè)具有凹關(guān)系的相交平面，11則來(lái)表示兩個(gè)具有凸關(guān)系的相交平面，21則表示具有凸關(guān)系的相交柱面和平面(孔)，以此類推。如果i=j，則數(shù)組元素A[i，j]表示面的類型，則此時(shí)二位數(shù)中的個(gè)位數(shù)即表示外表面和內(nèi)表面，對(duì)于平面而言，不存在內(nèi)外表面之分；而對(duì)于柱面，如果是外表面，那就是圓柱面，如果是內(nèi)表面，那就是組成圓孔的面，比如此時(shí)21即表示第i個(gè)面是柱面，20則表示第j個(gè)面是組成圓孔的面。

使用該方法可以構(gòu)建加工特征唯一的屬性鄰接圖矩陣。如圖2所示，左邊幾何模型顯示的是一個(gè)通孔-方，傳統(tǒng)的屬性鄰接圖表示方法如中間圖所示，由四個(gè)節(jié)點(diǎn)連接而成，右邊的矩陣則是拓展屬性鄰接圖矩陣。

CATIA二次開發(fā)技術(shù)給MBD的研究提供了不少便利，它不僅能夠提取幾何模型中的加工特征，也能提取這些加工特征的相關(guān)信息[13]。

3 工時(shí)定額的計(jì)算方法

3.1 工時(shí)計(jì)算特征

通常在制定工時(shí)定額時(shí)，系統(tǒng)所需要的參數(shù)稱為“工時(shí)計(jì)算特征”，它包括兩類內(nèi)容，一類是與零件設(shè)計(jì)有關(guān)的特征信息，如零件的形狀特征、零件的輪廓尺寸、零件的材料類別、熱處理等技術(shù)要求以及毛坯形狀和輪廓尺寸等；另一類是與工藝設(shè)計(jì)有關(guān)的特征信息，包括工藝路線、工種、使用設(shè)備和工裝、裝夾方式、加工內(nèi)容、加工尺寸以及粗糙度和精度要求等[14]。

本系統(tǒng)所提出的工時(shí)計(jì)算是指基本作業(yè)時(shí)間的計(jì)算，即零件實(shí)際加工過(guò)程中由工人直接完成基本工藝加工，使加工對(duì)象的尺寸大小、形狀或內(nèi)在性質(zhì)發(fā)生變化所消耗的時(shí)間，如機(jī)械制造過(guò)程當(dāng)中的金屬切削、鑄鍛等作業(yè)時(shí)間[15]。

3.2 工時(shí)計(jì)算方法

系統(tǒng)通過(guò)將獲取到的零件工序的加工工藝相關(guān)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行儲(chǔ)存，然后與已經(jīng)給定的零件工時(shí)給定原則進(jìn)行匹配計(jì)算，求得零件材料加工過(guò)程中的去除率，從而獲得相對(duì)應(yīng)工序的基本加工工時(shí)。以鋼、鈦合金的通用銑切加工工時(shí)給定原則為例，從加工工藝信息結(jié)構(gòu)樹中獲得毛坯體積V，銑刀直徑φ，切削深度h，線速度v，由鋼的去除率計(jì)算公式x=φhv，即可求得相對(duì)應(yīng)的去除率，然后根據(jù)基本加工工時(shí)計(jì)算公式t=V/x(V指毛坯體積)，便可以得到鋼在常規(guī)銑切加工時(shí)的加工工時(shí)。常見的機(jī)械加工類零件加工工時(shí)計(jì)算公式如表2所示。

表2 機(jī)械加工類零件加工工時(shí)計(jì)算公式

4 應(yīng)用實(shí)例

結(jié)合CATIA/CAA平臺(tái)，以某盤類零件加工文件為例，拾取零件幾何體，點(diǎn)擊“獲取信息”可以在三維工藝結(jié)構(gòu)樹上獲取簡(jiǎn)單的工藝信息，點(diǎn)擊“特征識(shí)別”按鈕，所開發(fā)的系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)獲得零件的加工特征并且獲取CATIA里它所包含的工藝信息，并輸出顯示在用戶界面，如圖3所示。

在檢查工藝信息是否完整后，點(diǎn)擊“目標(biāo)文件夾”按鈕，選擇所獲得的信息存放路徑，最后點(diǎn)擊“確定”按鈕，將所得到的工藝信息與已知的零件工時(shí)給定原則計(jì)算公式進(jìn)行匹配計(jì)算，最終得到所需要的加工工時(shí)并顯示在目標(biāo)文件夾中。最終工藝信息加工工時(shí)Excel如圖4所示。

5 結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)研究了在三維模型中零件的加工特征識(shí)別與提取技術(shù)，通過(guò)對(duì)CATIA軟件進(jìn)行二次開發(fā)，建立零件加工工時(shí)定額計(jì)算平臺(tái)。運(yùn)用本軟件系統(tǒng)進(jìn)行加工工時(shí)定額計(jì)算所得的結(jié)果，與企業(yè)目前水平較為接近，滿足具體生產(chǎn)實(shí)際。本軟件系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)了以下兩大功能:

(1)實(shí)現(xiàn)了銑刀直徑、切削深度、主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度等工藝信息快速獲取的功能。

(2)實(shí)現(xiàn)了對(duì)常用零件加工特征的識(shí)別與信息提取。

(3)實(shí)現(xiàn)了加工工序工時(shí)的快速計(jì)算。

軟件系統(tǒng)采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和友好的人機(jī)交互環(huán)境，便于維護(hù)和開發(fā)，系統(tǒng)使用方便，操作簡(jiǎn)單，實(shí)用性較好，提高了工時(shí)定額效率，也提高了時(shí)間定額的準(zhǔn)確程度，在實(shí)際生產(chǎn)中具有一定的應(yīng)用價(jià)值。