應用基于模型的定義技術建立三維工序模型研究

□ 呂昆侖 □ 李顯君 □ 劉召君

1.上汽通用汽車有限公司 上海 201206

2.清華大學 車輛與運載學院 北京 100084

3.蘇州同鑠智能科技有限公司 江蘇蘇州 215500

1 三維工序建模技術

隨著數字化和智能化技術的不斷提高,基于模型的定義(MBD)技術逐漸由設計領域向制造領域發展,越來越多的企業逐步以MBD為核心進行設計制造數字化、智能化、一體化工作[1]。三維工序建模是數字化工藝設計系統的關鍵組成部分,中間工序模型指產品從毛坯到成品的過程中,零件中間加工過程對應的模型形態,表征了零件在生產制造過程中各工序的演變。根據工藝路線,結合三維工序模型創建規則,可以實現零件孔、全銑面、規則銑面等特征的中間工序模型的創建。中間工序模型與工藝路線編排的數據能夠自動銜接,實現三維工序自動生成和動態重構,三維工藝信息的組織、表達和管理,動態展示整個產品加工過程,并能夠自動校核產品工藝設計的完整性。根據工藝文件創建規則,可以自動輸出工藝文件,實現三維工序模型的輕量化及應用等?；贛BD的中間工序模型改變了以二維工程圖紙為主的工藝設計方法,實現了數據來源及工藝過程的三維化、信息載體的唯一化、工藝規程的可視化等。

2 三維工序模型創建流程

為了更好地說明三維工序模型的創建流程,構建了三維工藝設計系統的技術路線,包括數據源導入、制造特征模型建立、三維工序模型建立、工藝信息組織與表達、輕量化工藝文件輸出等,如圖1所示。同時搭建了關聯設計模型與關聯工序模型的框架[2-3],如圖2所示。

3 三維工序模型結構

以三維工藝系統中的工序清單為基礎,搭建類似于Unigraphics NX軟件特征樹形式的信息樹,并創建中間工序模型。

為了使三維工序模型不但具備傳統機加工工藝信息,而且能夠實現數據來源及工藝過程三維化、信息載體唯一化、工藝規程可視化,在三維工序模型中包含工序號、設備型號、工藝基準、定位夾緊方式、孔號/面號、特征尺寸信息、刀具信息、加工方式、加工參數、刀具路徑、切削液等工藝信息[4-5]。

▲圖1 三維工藝設計系統技術路線

▲圖2 關聯設計模型與關聯工序模型框架

三維設計模型與工序清單是三維工序模型的數據源。以工步刀具為最小單元,搭建中間工序模型結構樹。基于工序清單內的刀具、加工工藝參數、特征尺寸信息等,應用Unigraphics NX軟件參數化生成刀具模型,并采用Unigraphics NX軟件的幾何信息識取功能來識別三維數模產品制造信息,由系統自動確認特征位置和方向[6-7]?；赨nigraphics NX軟件的布爾運算功能,將刀具模型與產品毛坯數模自動關聯,并獲得三維工序模型[8]。

4 中間工序模型創建

根據已有的毛坯模型、成品模型、制造特征模型、工序清單,創建一個新的項目并進行初始化,以實現三維工序模型的創建。毛坯和成品零件模型通過絕對坐標系,即空間向量坐標系的方式調用,并進行位置固定。將TEMP文件作為臨時操作文件,中間工序模型在TEMP文件中生成。通過工序清單路徑調用加工工藝信息等,并通過制造特征庫調用加工元,與毛坯模型進行布爾運算,生成中間工序特征。

5 孔三維工序模型

在包括某道或某幾道孔加工工步的成形三維工序模型中,每道工序都關聯鉆孔刀具。從工序清單的空間向量坐標庫或表格中提取產品制造信息,獲取孔深度、孔位置、鉆孔方向,構建刀具模型庫,為生成孔三維工序模型提供工藝數據基礎[9]。

系統從工序清單的空間向量坐標庫或表格獲取特征號、孔深度、孔位置,基于工序清單內的刀具信息、加工工藝參數、特征尺寸信息等,參數化生成孔加工刀具模型,如圖3所示?？准庸さ毒吣Ｐ陀稍O計模型孔端面圓心定位,加工深度為從加工工序清單中讀取的加工深度,孔的底部錐角與倒角會在孔加工刀具模型上有相應體現?？紫的Ｐ腿鐖D4所示。通過導入的孔加工刀具模型一次或多次修改毛坯模型,由布爾運算得到中間工序模型實體,從工序清單的空間向量坐標庫或表格中獲取特征號、孔位置、刀具代號、加工工藝信息等,并對孔加工工藝信息進行組織與表達,包含孔號、特征尺寸信息、刀具信息、加工方式、加工參數、刀具路徑等?？兹S工序模型如圖5所示。

▲圖3 孔加工刀具模型

▲圖4 孔系模型

▲圖5 孔三維工序模型

6 規則凸臺面三維工序模型

對于規則外形的凸臺面,如零件凸臺或圓臺特征的頂面,應用參數化建?？梢钥焖賱摻ㄖ虚g工序模型。從TEMP文件模型庫、工序清單、加工工藝信息庫等數據庫中自動獲取面特征和空間位置等,建立銑刀刀具模型,如圖6所示。對銑刀刀具模型與毛坯模型進行布爾運算,得到中間工序模型實體,并對面加工工藝信息進行組織與表達,包含面號、特征尺寸信息、刀具信息、加工方式、加工參數等。規則凸臺面三維工序模型如圖7所示。將中間工序模型關聯復制至中間工序模型文件,并從工序清單中獲取銑刀代號、面加工工藝信息等。

7 三維工序模型動態重構

對產品數模或工序進行更改后,對工序清單進行更新?？兹S工序模型、面三維工序模型等按照新加工工藝清單進行排序,自動動態重構三維工序模型和加工工藝信息。

▲圖6 銑刀刀具模型

▲圖7 規則凸臺面三維工序模型

以更新的工序清單為數據源,識別工序清單的刀具及加工工藝參數,參數化動態生成新刀具模型,搭建新中間工序模型結構樹。系統自動確認更新的特征位置和方向,刀具模型與產品毛坯數模自動關聯,并進行布爾運算,自動生成新中間工序模型。根據工序清單中的加工順序和加工工藝信息等,自動動態重構三維加工工藝信息的組織與表達[10]。

8 工藝設計完整性校核

零件毛坯通過所有工序去除材料后得到模型,通過與三維設計模型對比,驗證三維工序模型是否正確、完整。

通過對Unigraphics NX軟件模型比較功能進行二次開發,對比最后工步生成的工序模型與三維設計成品數模,自動校核數模輪廓等是否一致。用顏色高亮顯示差異點,提醒確認特征是否遺漏。

9 加工過程動畫

通過Unigraphics NX軟件裝配序列功能進行程序開發,自動編制動畫,實現加工過程的動畫演示。

根據工序,通過動畫顯示去除材料的過程。初始時,實體模型全部虛化,顯示正在去除的材料實體,并改變顏色,已加工特征顯示為紅色。視圖固定位置顯示當前動畫工序加工內容信息,根據程序設定的規則來自動執行動畫路線。動畫顯示具備速度可調、播放、暫停等基本功能。

10 輕量化工藝文件輸出

工藝工序模型及工藝信息確認無誤后,系統可按照工藝文件生成規則,自動輸出相應的工藝文件。為了便于工藝審批及指導現場生產等,可以生成多種格式文件,如超文本標記語言文件、三維可移植文件、在線質量檢查表等,建立三維工序卡片。使用訂制好的工藝卡片模板,從系統中提取產品、工藝、工序、工裝、設備等信息,添加至三維工藝卡片中[11]。

采用輕量化三維模型格式或其它格式輸出三維工藝視圖,在產品生命周期管理環境或系統外直接瀏覽計算機輔助設計所有視圖,包括制造信息標注、特征剖視圖,并支持對模型的旋轉、剖切、縮放、測量等操作。

工藝設計的結果最終以三維視圖、三維模型或動畫等數據形式發放至加工現場,以便于操作人員理解、規范操作過程,穩定產品質量。

基于實際需求,建立工藝文件標準體系模板。按照項目不同階段的需求,自動生成已標準模板化的工藝文件。梳理工藝文件數據信息的來源或推導邏輯,系統自動從產品三維圖紙或工序清單中獲取相關數據信息,進行文件內容自動填寫或推導相關數據,并可以應用編輯功能,如插入或刪除行等,進行工藝文件內容的更改。

11 結束語

筆者通過構建面向MBD的三維工序模型方案,實現了孔特征和規則凸臺面的機加工三維工序模型的快速生成。通過關聯設計MBD模型、工序MBD模型,以及刀具模型、工序清單、機加工工藝信息等,提出了一種基于參數化驅動建模的三維工序模型自動生成方法,并為后續工藝運動干涉仿真構建了刀具模型、中間工序模型等制造資源。結合構建的三維工藝設計系統,介紹了三維工序模型創建的技術路線和實現路徑,論述了三維工藝系統的功能框架和技術路線,并證明了通過參數化建模實現三維工序模型自動生成方案,確認了方法的可行性和有效性。