随着三维计算机辅助设计技术的深化应用,基于MBD(Model-Based Definition,基于模型定义)技术开展三维工艺设计已经成为研究热点。
MBD技术是一个用集成的三维实体模型来完整表达产品定义信息的方法体,通过一个完整的三维实体模型表达产品信息中的几何形状信息、尺寸、公差和工艺等信息。国内航空企业逐步开展基于MBD技术的产品设计制造,将MBD模型作为制造的唯一依据并取得一定进展,但仍然存在许多技术瓶颈。目前工艺部门仍以基于图样的二维工艺设计方法为主,以二维图样为主要的信息传递媒介,具体体现在基于二维视图的工艺设计知识的表达、获取、组织与管理比较困难,不能有效地总结设计经验和设计方法;复杂产品以及零部件的关键特征属性难以在二维视图中表现,这使得工艺性评价以及审查流于形式;三维CAD/CAM系统往往建立在统一信息平台上,而基于二维CAPP平台的工艺设计无法共享统一的三维产品模型,无法在统一的数据管理平台下进行数据管理。
可以说,传统的工艺设计逐渐与上游的全三维数字化设计和下游的先进制造工艺及装备不相适应,存在着无法有效利用设计模型信息、数据共享困难、设计知识获取和管理混乱等问题,成为数字化制造瓶颈司题。
实现工艺信息的表达及管理是三维工艺设计的关键目标之一。目前国内的研究主要集中在三维工序模型构建、工艺信息表达方法和CAD/CAPP系统集成等方面,这些研究为三维工艺设计过程中工艺信息的表达和管理奠定了基础。
一、机加工零件工艺模型逻辑结构
传统的二维工艺设计过程中,三维模型仅表达零件的几何形状信息,而面向制造过程的尺寸、公差、几何精度和表面粗糙度等非几何信息则通过图样传递,不能与三维模型特征直接关联,制造人员需要花费大量时间去消化图样和工艺卡片。
MBD模式下,面向制造过程的零件工艺模型是生产制造的唯一依据,尺寸、公差、表面粗糙度以及工艺设计信息等与三维模型紧密关联,制造人员可以直接在模型上获得对应特征的工艺信息用于加工制造,取代图样和工艺卡片,实现无纸化制造。基于模型的工艺信息规范表达是其中的关键技术之一,如图1所示。
图1 机加工零件工艺模型逻辑结构
零件工艺模型作为工艺信息载体,是以零件工序模型为基础,工艺规程为主线,附加零件的属性信息而构成。
一个工序模型由工序、标注和模型三部分构成。工序对应着零件本道工序的编号、名称、加工特征的名称及编号、单/多工步、工装及工时定额等信息(若工序仅包含一个工步,工序信息等同于工步信息)。工序节点下,工步包含本道工步名称、工装、工艺符号及工时定额等工步信息;工艺符号表达了本道工步需要加工特征的数量及区域、采用的加工设备、加工方法类型、刀具类型、刀具几何参数、加工参数、切削液以及工步序列号,并通过三维标注实现工艺信息与特征、工步节点的关联;将工步名称、工艺符号等工步信息与模型关联特征封装成工步模型,并在此基础上聚合成工序节点。
工序模型的标注信息包括设计信息和工艺信息两大类。设计信息指本道工序的加工尺寸、公差、几何精度和基准等信息;工艺信息包括工艺符号和工序技术要求等信息,标注信息与模型的特征紧密关联。
在工序模型的基础上,以工艺规程为主线串联各个工序模型,同时附加零件的属性信息形成工艺模型。工艺规程描述了零件加工过程中各道工序/工步之间的先后顺序关系,根节点代表零件的工艺规程,一级子节点和二级子节点分别表示工艺规程中的工序和工步,层次结构关系代表了工艺设计的具体过程。通过工艺规程可以很方便地查看工艺模型各节点信息,对相应的信息进行分析审核。
二、工艺信息集成管理
在传统研发模式下,结构设计师在三维CAD环境下开展结构设计,设计信息以三维CAD模型和图样形式表达,并检入到PDM系统进行管理;而工艺设计活动集中在二维环境,工艺信息的表达及管理均在二维CAPP系统中完成,以二维工艺卡片和工艺简图为主要介质。常用的工艺知识如典型工艺、制造资源、标准件库等也存储于二维CAPP系统。由于采用不同的表达形式和介质,导致设计数据与工艺数据的关联性差、工艺更改难以快速响应设计更改,同时数据管理系统的异构性也给数据交流、数据的统一管理造成很大的困难。
在MBD环境下,工艺设计和结构设计统一在CAD平台下进行,工艺信息也应集成在统一平台下进行管理。工艺设计以三维设计模型为输入,主要完成工艺参考模型构建、工艺规程规划、工序模型构建、工艺信息表达、工艺信息与特征关联等工作。工艺参考模型指面向数控工艺设计,基于设计模型变型设计后得到的模型,其尺寸取设计模型中对应尺寸公称中值、最小值或最大值,是三维工艺设计的依据。
目前的主流CAD商业软件中大多内置了一些工艺信息数据库,如加工数据库或制造资源库等,同时也内置了一些经过二次开发的工艺信息库。这些为在三维环境下开展工艺设计的应用实施奠定了基础。工艺设计过程中,可以借用软件中的工艺信息数据库中已有的典型工艺、制造资源等,快速实现产品的工艺设计。然而此种方式依然是保留有两个数据库,因此存在两个系统数据同步和一致性的问题。如图2所示。
图2 面向MBD的工艺信息集成管理
工艺信息的传递和管理主要通过PDM系统和三维CAD软件的集成接口进行。
平台层采用成熟CAD平台作为三维工艺设计环境,通过二次开发提供三维工艺设计工具。
工具层基于CAD平台开发工艺规程划分、工序模型构建、工艺符号构建和三维工艺卡等工具,辅助工艺人员进行工艺设计,建立结构化的工艺信息和工艺模型。
数据层基于PDM系统建立工艺信息库,工艺设计过程中涉及的信息全部通过CAD平台从PDM系统中的相关数据库中读取,并将工艺设计结果关联存储到PDM系统中进行管理。
支撑层基于PDM系统标准数据管理功能,完成工艺数据管理、工艺流程审签、流程触发、权限管理和版本管理等基本工作。
在这种模式下,设计数据和工艺数据统一在PDM系统中进行管理,基于PDM系统进行工艺数据检入/检出、工艺流程审签、工装申请、工艺任务的下发和接收,在CAD平台进行工艺规划和编制,生成工艺模型和可视化模型,提交结构化工艺数据审签,并保存到PDM系统中,取消了二维CAPP系统数据库,保证数据的唯一性,可有效解决采用两个数据管理系统中人工干预多、自动更新困难等问题,实现结构化的工艺设计和信息管理。
三、基于PDM的工艺模型管理
MBD模式下,设计信息和工艺信息统一采用三维工艺模型为载体进行表达。工艺设计师在三维环境下完成工艺规划和工艺模型构建等设计活动,将工艺模型和设计模型关联存储,与PDM系统进行统一管理,同时借助PDM系统的数据管理功能完成工艺审签等工作,如图3所示。
图3 基于PDM的工艺模型管理流程
(1)结构设计阶段,结构设计师在三维CAD平台构建设计MBD模型,并检入到PDM系统。
(2)工艺设计阶段,工艺设计师登陆PDM系统,根据设计任务下载设计MBD模型到本地,进入三维工艺设计环境,在CAD平台下依据设计MBD模型开展工艺设计。从工艺信息库中读取工艺信息,通过工艺路线划分、工序模型构建、工艺符号构建、工装夹具设计和附加工艺定额等工艺设计环节创建生成工艺模型,并进行可视化发布,生成*pvz可视化模型,通过检入操作与设计模型检入到PDM中的对应位置,完成工艺设计。
(3)工艺审核阶段,工艺审核员登陆PDM系统,在ProductView中查看工艺设计师提交的部件的可视化模型,审核工艺规程、工装夹具和工时定额等信息是否合理,若合理则通过审签,完成工艺模型设计归档;若工艺设计需更改,则触发设计更改,录入对工艺改进的建议,并通过截图更直观地反映工艺更改信息。工艺更改信息归入工艺规程修改节点。工艺设计师根据工艺更改信息,返回到三维工艺设计环境进行设计更改,并将新的工艺模型和可石化模型检入到PDM系统,提交工艺审核。
(4)生产制造阶段,通过车间终端下载查看归档后的可视化模型,用于指导生产。
四、系统实例
38所以Pro/ENGINEER Wildfire 5.0为平台,ProductView为可视化工具开发了机加工三维工艺设计系统,提供了工序模型构建、工艺符号构建和工艺规程组织等工具,辅助工艺设计师在三维环境下开展工艺设计。
系统利用XML结构化语言存储工艺规程信息,并基于机加工零件工艺模型逻辑结构在Windchill9.1系统中建立了工艺信息库,同时将生成的工艺模型、可视化模型与设计模型关联存储到Windchill9.1系统中。
具体为:工艺设计师启动Pro/ENGINEER,完成服务器注册和系统设置,从Windchill中下载三维设计模型作为工艺设计输入,在CAD平台下选中三维工艺系统菜单,通过开发的工具进行工艺规程编辑、工序模型构建和特征关联存储等活动。工艺设计过程中,工艺信息的获取和管理全部从Windchill中建立的工艺信息库中读取,如图4所示。工艺设计完成后,将生成的工艺模型与设计模型关联检入到Winchill系统中对应的CAPP文件夹下,实现工艺信息的结构化存储和管理,工艺审核员基于Windchill系统完成根据工艺规程相应节点审核工艺设计,完成工艺审核工作。
图4 工艺模型存储及管理
五、结语
开展MBD模式下的工艺设计是当前先进制造技术领域研究的热点之一。本文结合MBD技术对工艺信息表达及管理的需求,提出了面向三维工艺的工艺信息表达及集成技术方法,研究了机加工零件工艺模型逻辑结构,分析基于三维模型为工艺信息载体的工艺信息集成方法和管理流程,并结合我所实际开发了相应的三维工艺设计系统。随着MBD技术的发展与应用,实现工艺模型轻量化发布、车间工艺流程的自动触发将是下一步研究的重点和方向。
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本文标题:面向三维工艺的工艺信息表达及技术研究