基于MBD和數(shù)控編程控制的智能化農(nóng)機制造技術(shù)研究

張衛(wèi)衛(wèi)

(洛陽職業(yè)技術(shù)學院，河南 洛陽 471000)

0 引言

目前，國內(nèi)外機械制造業(yè)的數(shù)字化技術(shù)發(fā)展迅猛，三維數(shù)字化產(chǎn)品和工藝的數(shù)字化設計更是得到了廣泛的應用，但在農(nóng)機設計制造行業(yè)采用數(shù)字化設計方案的還不多，三維數(shù)字化模型沒有貫穿于整個農(nóng)機的設計制造過程中。在設計制造過程中，由于大量采用二維圖紙，三維模型的變化將導致繁瑣的二維數(shù)據(jù)的更新和發(fā)布，從而降低設計制造效率，延長設計周期。而如果采用基于MBD的數(shù)字化設計管理方案，可以利用三維數(shù)字化技術(shù)將設計制造一體化集成，利用三維數(shù)字化模型貫穿于整個設計制造過程中，避免了繁瑣的二維數(shù)據(jù)變更，從而提高農(nóng)機的設計效率和設計水平。

1 基于MBD的農(nóng)機數(shù)字化設計

隨著數(shù)字化設計制造技術(shù)的飛速發(fā)展，特別是CAD三維設計技術(shù)的普及，農(nóng)機的研發(fā)模式正在發(fā)生根本性的變化，數(shù)字化設計方法開始逐步取代傳統(tǒng)的設計方法，成為新型農(nóng)機研制的技術(shù)依據(jù)。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展和三維CAD技術(shù)的成熟和普及，數(shù)字化產(chǎn)品定義經(jīng)歷了二維到三維模型發(fā)展的3個階段。

如圖1所示：基于MBD的數(shù)字化發(fā)展歷程主要經(jīng)歷了4個階段，包括2D圖紙、2D圖紙+3D模型、3D模型+簡化標注圖紙及3D獨立模型。3D獨立模型是新一代的產(chǎn)品定義技術(shù)，包含產(chǎn)品的形狀和制造特征的三維注釋標注。基于MBD的農(nóng)機數(shù)字化設計方法主要包括4個步驟：首先是模型的設計和建立，在建模之前首先需要分析設計需求；然后，創(chuàng)建幾何模型和控制器分析與集成；第3步是離線仿真和實時仿真；最后，根據(jù)仿真結(jié)果對工藝路線進行優(yōu)化，進行加工制造。

圖1 基于MBD的數(shù)字化發(fā)展歷程Fig.1 Digital development process based on MBD

2 基于MBD和數(shù)控編程技術(shù)的農(nóng)機制造流程和平臺設計

傳統(tǒng)的農(nóng)機制造過程一般都是階段性的設計，包括產(chǎn)品的概念設計、模型設計、工藝設計、加工制造，以及銷售服務等，采用過墻式的序列號設計思路，各部門按部就班的工作，把本部門工作做好后很少考慮其他部分的工作需求。如果農(nóng)機設計制造采用這種流程的話只能滿足設計初期的設計需求，不能顧及整個設計生命周期，從而會使設計的產(chǎn)品缺陷較多，設計方案會反復被修改，最終導致產(chǎn)品的設計周期加長。農(nóng)機設計制造長期以來采用的便是如圖2所示的產(chǎn)品研發(fā)模式，利用這種研發(fā)模式會導致產(chǎn)品的設計只能從主體單向的傳遞，下游的設計開發(fā)和主體之間的聯(lián)系較少，很容易造成設計產(chǎn)品的返工，使得產(chǎn)品研發(fā)過程得不到統(tǒng)一的管理，最終導致農(nóng)機產(chǎn)品設計研發(fā)的周期加長。

圖2 農(nóng)機傳統(tǒng)方式制造流程Fig.2 The traditional manufacturing process of agricultural machinery

為了提高設計效率，改進傳統(tǒng)的制造工藝，利用MBD和數(shù)控編程技術(shù)對農(nóng)機制造流程進行了改進，將設計模型直接導入到數(shù)字化協(xié)同應用平臺中。設計人員通過人機交互的方式對工藝進行規(guī)劃和仿真，利用仿真過程提出修改意見，然后傳送經(jīng)驗數(shù)據(jù)庫，并根據(jù)已有的設計經(jīng)驗對加工制造過程進行修改，其流程如圖3所示。

傳統(tǒng)農(nóng)機制造流程的改進將有效提高農(nóng)機的設計效率，依據(jù)產(chǎn)品的MBD模型和工藝仿真軟件，可以對產(chǎn)品進行可視化工藝仿真。以裝配工藝為例，工藝設計人員可以根據(jù)需求對不同的階段進行不同的工藝內(nèi)容仿真，利用這種方案可以實現(xiàn)并行設計和異地設計部門的協(xié)同交流交互，對于工藝信息的輸入和規(guī)劃及工藝仿真等提出了更高的要求。

圖3 基于MBD的農(nóng)機傳統(tǒng)制造流程改進Fig.3 Improvement of traditional manufacturing process of agricultural machinery based on MBD

如圖4所示：MBD技術(shù)的應用是建立在產(chǎn)品三維模型基礎上的，裝配工藝規(guī)劃與仿真、工藝文件的生成與更改都是在三維環(huán)境中進行的，各種數(shù)據(jù)之間可以利用交互工具進行交流，其工藝規(guī)劃的總體流程如圖5所示。

圖4 基于MBD的農(nóng)機裝配工藝規(guī)劃與仿真平臺Fig.4 Agricultural machinery assembly process planning and simulation platform based on MBD

圖5 工藝規(guī)劃過程總體流程圖Fig.5 The general flow chart of process planning process

基于MBD和數(shù)控加工及仿真技術(shù)，可以建立基于PDM的UG/CAM系統(tǒng)、Vericut仿真優(yōu)化系統(tǒng)和DNC加工驗證系統(tǒng)，利用工藝規(guī)劃和仿真模塊對產(chǎn)品加工制造過程進行修正，最終輸出加工效率和精度較高的工藝規(guī)劃文件。

3 農(nóng)機智能化制造驗證

MBD制造技術(shù)體系是一種集成的應用體系，利用MBD和數(shù)控技術(shù)采用CAD系統(tǒng)借助產(chǎn)品標準管理體系可以實現(xiàn)農(nóng)機的智能化制造，并可以納入PDM系統(tǒng)進行管理，通過CAE、CAM系統(tǒng)實現(xiàn)農(nóng)機工藝設計、分析及虛擬制造。

隨著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的推進，大馬力拖拉機被使用在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中(見圖6)，隨著拖拉機功率的增加，拖拉機的性能和零部件的要求也更高，許多零件都需要進行重新的設計。如果采用傳統(tǒng)的設計方式，設計周期較長，而采用MBD智能化服務體系，可以有效地縮短設計周期，提高設計效率。基于CAD的MBD模型示意圖如圖7所示。

采用MBD進行建模時需要依據(jù)農(nóng)機零部件的三維模型，特別是一些初步設計的幾何信息，可以采用機械類建模和編程軟件將所需要建立的模型可視化顯示出來。在進行農(nóng)機設計制造時，可以利用MBD得到產(chǎn)品的幾何模型信息和備注信息，如模型的尺寸和公差、粗糙度及熱處理方法等。以零部件的MBD管理樹為例，其結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖6 重型拖拉機裝置示意圖Fig.6 The schematic diagram of a heavy tractor device

圖7 基于CAD系統(tǒng)的MBD模型示意圖Fig.7 The schematic diagram of MBD model based on CAD system

圖8 基于MBD的零件模型管理樹示意圖Fig.8 The schematic diagram of part model management tree based on MBD

零件模型管理樹的每一個節(jié)點都和零件制造過程的某個狀態(tài)相對應，將制造模型按照樹狀結(jié)構(gòu)進行管理后，通過一個節(jié)點對應一個MBD零件模型可以有效解決不同制造階段對數(shù)據(jù)的使用，實現(xiàn)協(xié)同化和智能化制造過程。以刀具的智能化管理為例，如圖9所示。

圖9 刀具MBD管理對話框Fig.9 The dialog box of tool MBD Management

刀具的信息也可以采用MBD樹型管理體系，將不同的刀具按照樹狀排列，并進行編號；然后，每個編號都對應相應的刀具信息，采用這個模式和原理最后設計出了如圖10所示的智能化加工和仿真系統(tǒng)。

圖10 智能化數(shù)控加工和仿真優(yōu)化系統(tǒng)框架Fig.10 The system framework of Intelligent CNC machining and simulation optimization

工藝設計人員可以利用智能化數(shù)控加工仿真系統(tǒng)對農(nóng)機設計制造工藝進行優(yōu)化，采用UG/CAM編程、加工仿真優(yōu)化和DNC系統(tǒng)/機床試切的模式，最終確定加工方案，實現(xiàn)農(nóng)機加工過程的自動化。

4 結(jié)論

為了提高農(nóng)機制造的智能化水平，將MBD和數(shù)控編程技術(shù)引入到了農(nóng)機設計制造數(shù)字一體化平臺，利用并行設計方案，將各個部門協(xié)同起來，通過設計方案和工藝修改意見反饋的方式，實現(xiàn)了農(nóng)機設計制造工藝方法的實時優(yōu)化，從而有效提高了農(nóng)機產(chǎn)品的研發(fā)效率。以拖拉機零部件的設計制造為例，對MBD數(shù)控編程智能化制造平臺進行了驗證，并以零件樹、和刀具參數(shù)樹的形式設計了智能化數(shù)控加工和仿真優(yōu)化系統(tǒng)框架，旨在為農(nóng)機現(xiàn)代數(shù)字化技術(shù)的研究提供參考。