基于MBD 的全三維工藝技術(shù)在機(jī)床行業(yè)的應(yīng)用

胡之有，馬 偉

（江蘇亞威機(jī)床股份有限公司 加工工藝部，江蘇 揚(yáng)州225200）

隨著數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展，基于模型定義技術(shù)得以應(yīng)用，以三維模型為信息載體取代傳統(tǒng)的二維圖紙成為現(xiàn)代制造業(yè)數(shù)字化制造的發(fā)展趨勢。三維工藝作為支撐數(shù)字化設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、制造的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，以三維模型為載體，傳遞產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制造等信息，是連接產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造的橋梁。

三維CAD 系統(tǒng)目前已成為企業(yè)數(shù)字化設(shè)計(jì)制造的基礎(chǔ)平臺(tái)，基于三維CAD 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)已非常普及。開展三維環(huán)境的工藝設(shè)計(jì)，將尺寸、公差和幾何精度等多種類型信息集成到三維模型中，形成全三維工藝MBD 模型已成為目前數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造的研究熱點(diǎn)，其旨在利用三維手段實(shí)現(xiàn)機(jī)加工工藝的設(shè)計(jì)與應(yīng)用，取消二維圖紙和工藝卡片，以三維工藝模型作為生產(chǎn)制造的唯一依據(jù)，指導(dǎo)加工。機(jī)加工三維工藝設(shè)計(jì)大體上可分為三維工藝設(shè)計(jì)、三維工藝信息管理和三維工藝現(xiàn)場應(yīng)用三個(gè)階段，涉及到工藝信息標(biāo)識(shí)與標(biāo)注、動(dòng)態(tài)工藝模型構(gòu)建、設(shè)計(jì)工藝數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)存儲(chǔ)和集成工藝模型可視化發(fā)布等關(guān)鍵技術(shù)。國內(nèi)已有眾多學(xué)者對全三維工藝實(shí)施過程中的工藝信息標(biāo)識(shí)與標(biāo)注、動(dòng)態(tài)工藝模型構(gòu)建進(jìn)行了研究，已有部分企業(yè)將三維工藝在工程機(jī)械行業(yè)上得到應(yīng)用，但未在機(jī)床制造行業(yè)得以應(yīng)用。

基于此，本文基于MBD 技術(shù)，通過應(yīng)用開發(fā)三維工藝系統(tǒng)，動(dòng)態(tài)生成工藝設(shè)計(jì)過程中各工序/工步所包含的可視輕量化模型和過程參數(shù)標(biāo)識(shí)信息，并分類有序存儲(chǔ)到PDM平臺(tái)中。并通過實(shí)例應(yīng)用到機(jī)床的制造和裝配過程中，通過構(gòu)建全三維工藝規(guī)程樹，調(diào)用PDM 平臺(tái)后臺(tái)模型和相關(guān)參數(shù)信息，實(shí)時(shí)生成規(guī)程卡實(shí)例，使制造車間工人能基于IE 瀏覽器，快速直觀地獲取待制造信息。

1 全三維工藝應(yīng)用流程

全三維工藝應(yīng)用流程如圖1 所示。該過程主要包括三維可視輕量化模型生成、信息的存儲(chǔ)以及全三維工藝規(guī)程卡的網(wǎng)頁化生成三個(gè)步驟：①三維可視輕量化模型生成，主要是在工藝設(shè)計(jì)端，將Creo 平臺(tái)中的集成工藝模型通過一定的算法發(fā)布生成面向加工制造過程序列的可視輕量化工序/工步模型；②信息存儲(chǔ)，主要是將發(fā)布生成的可視輕量化模型、工藝模型屬性參數(shù)信息等保存在PDM 平臺(tái)相應(yīng)的文件夾和數(shù)據(jù)表中；③全三維工藝規(guī)程卡生成，通過數(shù)據(jù)接口從PDM 平臺(tái)中讀取輕量化工序/工步模型、工藝模型屬性參數(shù)信息，并加載到基于IE 瀏覽器開發(fā)的三維工藝規(guī)程卡模板相應(yīng)區(qū)域，進(jìn)而生成全三維工藝規(guī)程卡實(shí)例。

圖1 全三維工藝應(yīng)用流程

2 三維輕量化模型生成

三維可視輕量化模型的生成，是基于工藝模型逆向發(fā)布生成。首先在Creo 平臺(tái)中創(chuàng)建出集成工藝模型，具體創(chuàng)建過程見另文闡述。圖2 所示為由工藝模型通過動(dòng)態(tài)發(fā)布，生成輕量化工序/工步模型的過程。工藝模型包含有毛坯模型特征、各工序/工步的加工特征以及對應(yīng)工序/工步的加工屬性參數(shù)信息（通過三維標(biāo)注方式實(shí)現(xiàn)）。

圖2 工藝模型通過動(dòng)態(tài)發(fā)布

工藝規(guī)程設(shè)計(jì)主要包括工藝規(guī)程組織編輯和工藝特征關(guān)聯(lián)兩個(gè)模塊。工藝規(guī)程組織編輯按照工藝過程構(gòu)建工藝規(guī)程樹，工藝規(guī)程樹按照實(shí)際加工生產(chǎn) 的工藝流程以結(jié)構(gòu)樹形式表達(dá)三維機(jī)加工工藝過程。通過構(gòu)建工序/工步節(jié)點(diǎn)，將工藝規(guī)程樹與材料、工裝資源相關(guān)聯(lián)，明確每道工序/工步所需的制造資源，實(shí)現(xiàn)模型、工藝、資源的有效整合。同時(shí)也可從典型工藝規(guī)程庫中調(diào)用相應(yīng)工藝規(guī)程，快速完成工藝規(guī)程的組織與編輯。

3 三維機(jī)加工工藝方法應(yīng)用

3.1 工藝特征創(chuàng)建

建立零件的工藝模型首先需要構(gòu)建毛坯模 型，毛坯模型的快速構(gòu)建是采用基于設(shè)計(jì)模型的生成或基于三維軟件建模的方式來實(shí)現(xiàn)的。對于一些簡單的零件，可以直接由設(shè)計(jì)模型復(fù)制，參照設(shè)計(jì)模型添加加工余量后直接生成毛坯模型；對于不能進(jìn)行復(fù)制參照的復(fù)雜零件，可以通Creo3.0 的三維建模軟件進(jìn)行建模。利用Cre03.0 的標(biāo)準(zhǔn)建模功能，在工件模型的基礎(chǔ)上快速構(gòu)建工藝特征；也可使用三維機(jī)加工軟件的“零件間復(fù)制特征”功能完成工藝特征構(gòu)建，如圖3 所示。

3.2 三維工藝模型標(biāo)注

圖3 工藝特征創(chuàng)建

特征構(gòu)建完成后根據(jù)工藝過程完成對零件信息的三維標(biāo)注。通過構(gòu)建結(jié)構(gòu)化工藝規(guī)程樹，表達(dá)三維工藝過程數(shù)據(jù)組織形式，明確每道工序所用到的制造資源，建立工藝規(guī)程樹與工藝特征之間的關(guān)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品、工藝、資源的有效整合，如圖4 所示。

3.3 工藝結(jié)果發(fā)布

三維機(jī)加工工藝設(shè)計(jì)完后后，將Creo3.0 的MBD 模型發(fā)布為Product View輕量化模型，過程如圖5 所示。

3.4 機(jī)加工工藝發(fā)布結(jié)果查看

圖4 工藝信息標(biāo)注

圖5 機(jī)加工工藝結(jié)果發(fā)布

在Creo 設(shè)計(jì)環(huán)境下生成工藝模型后，工藝設(shè)計(jì)師通過掛接方式，將對應(yīng)的工藝加工特征和屬性參數(shù)信息掛接到工序/工步節(jié)點(diǎn)下，生成完整的工藝規(guī)程包。后續(xù)觸發(fā)“產(chǎn)生輕量化文件”，將工藝模型逆向發(fā)布生成輕量化的工序/工步模型，“寫入數(shù)據(jù)庫”將工藝模型屬性參數(shù)信息關(guān)聯(lián)存入到PDM 對應(yīng)的數(shù)據(jù)表中，“結(jié)果發(fā)布”按鈕是指將輕量化的模型信息和屬性參數(shù)信息發(fā)布并檢入存儲(chǔ)到PDM 中對應(yīng)的文件夾和數(shù)據(jù)表中。后續(xù)，觸發(fā)基于PDM平臺(tái)開發(fā)的“查看三維工藝信息”按鈕，系統(tǒng)將會(huì)基于三維工藝規(guī)程卡模板實(shí)時(shí)調(diào)取相應(yīng)的輕量化模型和過程參數(shù)信息，生成全三維工藝規(guī)程卡實(shí)例，如圖6 所示。用戶基于Web 化三維工藝規(guī)程卡，通過觸發(fā)工藝規(guī)程樹區(qū)相應(yīng)的工序/工步節(jié)點(diǎn)，實(shí)時(shí)瀏覽模型區(qū)待制造特征信息。

圖6 機(jī)加工工藝結(jié)果查看

4 三維裝配工藝設(shè)計(jì)方法應(yīng)用

4.1 工藝規(guī)程創(chuàng)建

裝配工藝模型是在原始裝配模型上在構(gòu)建一級裝配，將原始模型按缺省坐標(biāo)系方式裝入，再補(bǔ)充工藝信息，如設(shè)備等工藝資源。所有與工藝相關(guān)的新信息均保存在頂級模型中，不改變原始設(shè)計(jì)模型任何數(shù)據(jù)。如圖7 所示。

圖7 工藝規(guī)程樹創(chuàng)建

4.2 工藝特征分配

根據(jù)工藝過程按工步和工序?qū)μ卣鬟M(jìn)行組織，并將工步及工序信息以參數(shù)形式表達(dá)。工步和工序分組定義嚴(yán)格遵循模型樹結(jié)構(gòu)關(guān)系，分組定義可以先于特征進(jìn)行，也可以晚于特征進(jìn)行。每個(gè)分組節(jié)點(diǎn)下可以定義參數(shù)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)下可以帶特征（通過選擇獲取）。如圖8 所示。

圖8 工藝特征分配

4.3 裝配動(dòng)畫定義

根據(jù)產(chǎn)線產(chǎn)品裝配特點(diǎn)，選擇合適的移動(dòng)參照。其中X、Y、Z 軸在平移時(shí)是相對于工藝模型坐標(biāo)系，在旋轉(zhuǎn)時(shí)相對于模型自身坐標(biāo)系；選擇參照可選定組件或元件的軸或直線邊；不指定的話是任意兩點(diǎn)。在移動(dòng)參照選項(xiàng)（不包括任意兩點(diǎn)）上點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵，會(huì)出現(xiàn)操作菜單，可更換移動(dòng)方向。以此方式完成對裝配件動(dòng)畫定義。如圖9 所示。

4.4 裝配工藝結(jié)果發(fā)布

完成工藝資源創(chuàng)建之后對裝配工藝結(jié)果進(jìn)行發(fā)布，發(fā)布產(chǎn)線工藝資源和產(chǎn)線裝配動(dòng)畫信息。產(chǎn)生輕量化模型和相關(guān)信息文件，并上傳到PDM 數(shù)據(jù)庫中。如圖10 所示。

4.5 裝配工藝發(fā)布結(jié)果查看

圖9 裝配動(dòng)畫定義

圖10 裝配工藝結(jié)果發(fā)布

在Creo 環(huán)境下對工藝結(jié)果發(fā)布之后，在Web 端查看工藝結(jié)果，在IE 瀏覽器可視化界面上點(diǎn)擊不同的工序名稱，在右側(cè)會(huì)顯示相應(yīng)的裝配仿真動(dòng)畫和過程信息。點(diǎn)擊“播放”按鈕，展示對應(yīng)工序相應(yīng)的裝配仿真動(dòng)畫和工藝信息。如圖11 所示。

5 結(jié)束語

圖11 裝配工藝發(fā)布結(jié)果查看

本文通過對三維工藝在機(jī)床制造行業(yè)的應(yīng)用，在工藝應(yīng)用和實(shí)施過程中應(yīng)用可視輕量化工序/工步模型生成、基于PDM平臺(tái)的設(shè)計(jì)工藝信息關(guān)聯(lián)存儲(chǔ)技術(shù)；三維機(jī)加工工藝設(shè)計(jì)方法和三維裝配工藝設(shè)計(jì)方法解決方案已在機(jī)床產(chǎn)品生產(chǎn)過程中得到了應(yīng)用。在實(shí)施過程中，通過組合工藝信息符號(hào)構(gòu)建工藝信息符號(hào)庫、設(shè)計(jì)工藝規(guī)程，明確各工序工步所需的制造資源，建立工藝規(guī)程樹與機(jī)加工藝模型特征之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、工藝、制造使用相同的數(shù)據(jù)源，突破設(shè)計(jì)、工藝、制造之間的信息孤島，對提升機(jī)加工工藝設(shè)計(jì)的直觀性和準(zhǔn)確性具有重要意義。本文對企業(yè)實(shí)施和應(yīng)用三維工藝系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)全面三維工程化具有一定的參考價(jià)值。