張祥祥, 陳興玉, 程五四, 張紅旗, 曾祥宇
(1. 中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所,安徽 合肥 230088;2. 上海湃睿信息科技有限公司,上海 200072)
在當(dāng)前產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中,三維數(shù)字化模型可以很好地解決結(jié)構(gòu)形狀信息的表達(dá)問題,而生產(chǎn)中必需的尺寸公差、表面粗糙度、加工方法等非幾何制造信息的表達(dá)仍然基于二維工程圖和工藝卡片。在當(dāng)前“三維設(shè)計(jì)+二維生產(chǎn)”的混合模式下,設(shè)計(jì)人員除了建立三維模型外,還需要花大量時(shí)間和精力用于把三維模型轉(zhuǎn)化為二維工程圖;工藝人員基于二維圖紙開展工藝設(shè)計(jì),提交給制造人員。這種頻繁的更改不但增加了工作量,而且還難以保證數(shù)據(jù)的唯一性。二維工藝設(shè)計(jì)方法與上游的全三維數(shù)字化設(shè)計(jì)和下游的先進(jìn)制造工藝及裝備已不相適應(yīng),存在著無法有效利用設(shè)計(jì)模型信息、數(shù)據(jù)共享困難、設(shè)計(jì)知識(shí)獲取和管理混亂等問題[1],已成為數(shù)字化制造業(yè)的瓶頸。
隨著MBD(Model Based Definition,基于模型定義)技術(shù)的發(fā)展和推廣應(yīng)用,在三維環(huán)境下開展工藝設(shè)計(jì)已成為可能。MBD技術(shù)是一個(gè)用集成的三維實(shí)體模型來完整表達(dá)產(chǎn)品定義信息的方法體,將產(chǎn)品信息中的幾何形狀信息與尺寸、公差、工藝信息通過一個(gè)完整的三維實(shí)體模型來表達(dá)[2]。國內(nèi)技術(shù)產(chǎn)品文件標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)借鑒MBD先進(jìn)經(jīng)驗(yàn),結(jié)合我國制造業(yè)實(shí)際,組織編寫了GB/T 24734-2009《技術(shù)產(chǎn)品文件 數(shù)字化產(chǎn)品定義數(shù)據(jù)通則》[3],對(duì)產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計(jì)制造三維標(biāo)注進(jìn)行了規(guī)定。目前,在借鑒MBD技術(shù)在波音公司成功應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)以及結(jié)合GB/T 24734-2009基礎(chǔ)上,許多學(xué)者做了基于MBD模型的三維工藝設(shè)計(jì)的嘗試。但這些研究基本上還處于概念設(shè)計(jì)階段,且集中在三維數(shù)字化裝配工藝規(guī)劃、裝配過程仿真、數(shù)據(jù)信息管理、數(shù)控編程流程等方面[4-7]?,F(xiàn)有的研究已經(jīng)可以在Pro/E、CATIA等主流CAD軟件實(shí)現(xiàn)尺寸、幾何公差、表面粗糙度等非幾何信息標(biāo)識(shí)[8-10],而關(guān)于工藝信息(如加工方法、設(shè)備信息、刀具信息、工藝參數(shù)等)在模型上規(guī)范標(biāo)識(shí)的研究還未見報(bào)道。鑒于此,本文在分析機(jī)加工三維工藝設(shè)計(jì)流程的基礎(chǔ)上,研究機(jī)加工工藝信息在三維環(huán)境下的標(biāo)識(shí)方法,實(shí)現(xiàn)工藝信息在模型上的規(guī)范標(biāo)識(shí)。
三維數(shù)字化工藝開發(fā)的顯著特點(diǎn)是在三維環(huán)境下,工藝設(shè)計(jì)人員利用各類三維數(shù)字化實(shí)體模型建立起數(shù)字化工藝模型,通過模擬仿真,確定出合理的、可行的制造工藝。同時(shí)生成工藝圖解和操作動(dòng)畫等多媒體工藝數(shù)據(jù),編制成三維數(shù)字化制造工藝[2]。在MBD模式下,面向制造過程的零件各道工序模型是生產(chǎn)制造的唯一依據(jù),是加工過程指導(dǎo)信息的載體。
圖1 機(jī)加工三維工藝設(shè)計(jì)流程
機(jī)加工三維工藝設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)流程,如圖1所示。工藝人員從產(chǎn)品單一數(shù)據(jù)源中讀取零件三維設(shè)計(jì)模型,進(jìn)行工藝路線劃分。在三維環(huán)境下,工藝人員完成對(duì)零件的工藝規(guī)劃,建立零件的工序模型;工裝人員確定加工過程所需要的工裝數(shù)量及種類,同步開展工裝設(shè)計(jì),建立工裝三維模型;在工藝仿真環(huán)節(jié),對(duì)零件加工過程仿真,編寫制造指令(Fabrication Order,F(xiàn)O)并進(jìn)行工藝審核。審核通過之后,生成生產(chǎn)性工藝文件和零件的各道工序模型,接著對(duì)工藝文件內(nèi)的工藝信息進(jìn)行標(biāo)識(shí),并通過三維標(biāo)注技術(shù)構(gòu)建集成工藝信息的零件工序模型。最后,將零件工序模型下發(fā)到車間,將工藝信息直觀地反映給工人,指導(dǎo)工人加工。其中,工藝信息標(biāo)識(shí)環(huán)節(jié)用于實(shí)現(xiàn)工藝信息在模型上表達(dá),是三維工藝的關(guān)鍵問題之一。
傳統(tǒng)工藝信息表達(dá)限于二維形式,離散于工藝卡片和工藝簡(jiǎn)圖等載體,不能與三維模型特征直接關(guān)聯(lián),制造人員需要花費(fèi)大量時(shí)間去消化圖紙和工藝卡片,獲取制造信息。這種方式無法直觀反映工藝細(xì)節(jié),表達(dá)方式多樣,且紙制文件難以管理,給操作人員理解和使用帶來困難。MBD模式下,工藝信息包含在信息模型中,具有統(tǒng)一的表達(dá)方法,且與模型特征直接關(guān)聯(lián);制造人員可以直接在模型上獲得對(duì)應(yīng)特征的工藝信息,用于加工制造??梢钥吹?,研究MBD模型上工藝信息統(tǒng)一表達(dá)方法可以有效克服二維工藝信息表達(dá)不直觀、方法各異、數(shù)據(jù)管理困難等問題。
MBD模型強(qiáng)大的非幾何信息描述能力為工藝信息的標(biāo)識(shí)提供了全新的定義方法,采用標(biāo)注與屬性聯(lián)合表達(dá)的方式集成表達(dá)所有信息[9]。機(jī)加工工藝信息種類繁雜,若以純文字形式標(biāo)注工藝模型,將和模型其它標(biāo)注信息形成龐大的標(biāo)注信息集,并且覆蓋整個(gè)設(shè)計(jì)模型,造成應(yīng)用的不便與混亂。而采用符號(hào)的形式標(biāo)識(shí)工藝信息便于用戶理解和記憶,可有效區(qū)別于模型上其他標(biāo)注信息,使用戶更形象直觀地獲取相關(guān)工藝信息。為此,本文參照現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn),提出了以“符號(hào)+文本”的形式標(biāo)識(shí)工藝信息,主要包括工藝信息符號(hào)制定、組合符號(hào)構(gòu)建和三維標(biāo)注。
2.1.1 工藝信息標(biāo)識(shí)方式
機(jī)加工工藝信息種類繁多,主要包括加工方法、定位與裝夾方式、工藝參數(shù)、切削參數(shù)等信息,針對(duì)不同類型信息應(yīng)采用不同類型的標(biāo)識(shí)方式。在MBD模式下,模型的非幾何制造信息通常采用屬性和(或)標(biāo)注的方式表達(dá)[9]。模型的一些內(nèi)置非幾何信息(如零件管理類信息、建模說明類信息、批準(zhǔn)發(fā)行類信息、零部件技術(shù)要求及材料類信息等)與模型幾何特征無關(guān)聯(lián)關(guān)系,通常以零件屬性的形式表達(dá);而工藝信息與模型幾何特征密切相關(guān),應(yīng)以標(biāo)注表達(dá)法標(biāo)注在模型上,詳細(xì)情況如表1所示。
表1 機(jī)加工工藝信息分類標(biāo)識(shí)方法
2.1.2 工藝符號(hào)制定方法
目前已發(fā)布的國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)中有部分標(biāo)準(zhǔn)零星給出一些工藝符號(hào)制定要求,如 GB/T 24740-2009《技術(shù)產(chǎn)品文件 機(jī)械加工定位、夾緊符號(hào)表示法》規(guī)定了定位、夾緊方式符號(hào)繪制要求;國標(biāo)GB/T 3167-1993《金屬切削機(jī)床 操作指示形象化符號(hào)》、GB/T 16273.2-1996《設(shè)備用圖形符號(hào) 機(jī)床通用符號(hào)》規(guī)定了常見機(jī)加工藝方法符號(hào)、刀具指示符號(hào)等。這些標(biāo)準(zhǔn)為工藝信息符號(hào)制定提供了有力支撐。如圖2所示,工藝信息符號(hào)制定的方法為:充分利用已經(jīng)符號(hào)化或代碼化的標(biāo)準(zhǔn),作為符號(hào)制定的基礎(chǔ);對(duì)目前國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)沒有符號(hào)規(guī)定的工藝信息,考慮工藝實(shí)際情況,采用新建符號(hào)或文本的方式標(biāo)識(shí)。在確定工藝信息標(biāo)識(shí)方式的基礎(chǔ)上,結(jié)合基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)符號(hào)及文本的字體、線寬、比例等細(xì)節(jié)要素的規(guī)定,通過CAD軟件模板化定制和擴(kuò)充,制定工藝信息符號(hào),并存儲(chǔ)在工藝符號(hào)數(shù)據(jù)庫中。
圖2 工藝信息符號(hào)制定方法
2.1.3 工藝符號(hào)制定原則
在工藝符號(hào)制定過程中,至少應(yīng)遵循以下6項(xiàng)原則:
1)符號(hào)表述應(yīng)清楚、明確,能形象直觀地反映所代表的工藝信息,且一個(gè)符號(hào)表達(dá)一個(gè)含義,在易引起歧義的情況下應(yīng)附加說明以示區(qū)分;
2)符號(hào)的尺寸應(yīng)與模型大小和位置相適應(yīng);
3)與符號(hào)聯(lián)用字體的類型、高度和線型應(yīng)與其他標(biāo)記的字體相同;
4)符號(hào)高度、線寬等應(yīng)從相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的公稱尺寸系列中選擇;
5)當(dāng)僅用符號(hào)表示不明確時(shí),可以用文字補(bǔ)充說明;
6)工藝符號(hào)應(yīng)存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫中,可以方便的錄入、讀取及組合使用。
在制定工藝信息符號(hào)的基礎(chǔ)上,研究工藝信息的邏輯關(guān)系,通過有序組合形成工藝信息組合符號(hào)標(biāo)識(shí)。組合符號(hào)標(biāo)識(shí)的關(guān)鍵是清晰、完整、簡(jiǎn)潔表達(dá)零件在各道工序的工藝信息。如圖3所示,機(jī)加工工藝設(shè)計(jì)過程一般包括工藝性審查、工藝路線確定、工序設(shè)計(jì)等階段,在不同階段確定相應(yīng)的工藝信息。在工藝性審查階段,根據(jù)零件的生產(chǎn)特點(diǎn)確定零件生產(chǎn)類型(大批量、小批量等),提取零件加工特征進(jìn)行加工工藝性分析,確定對(duì)應(yīng)的加工方法;在工藝路線確定階段,選擇零件定位、測(cè)量和裝配基準(zhǔn),確定零件加工工序序列,確定工序加工余量和毛坯尺寸,根據(jù)零件加工精度要求劃分加工階段(粗加工、半精加工、精加工);在工序設(shè)計(jì)階段,由加工方法和零件精度要求依次確定各工序的機(jī)床設(shè)備、刀具、夾具和量具等工藝裝備,并由工藝尺寸鏈計(jì)算各工序尺寸及公差;在切削參數(shù)確定階段,根據(jù)工序尺寸確定工步序列及對(duì)應(yīng)的切削參數(shù);在輔助信息確定階段,確定加工過程中切削液、工時(shí)定額、經(jīng)濟(jì)分析等信息。
圖3 機(jī)加工工藝信息邏輯關(guān)系
基于此,工藝信息組合符號(hào)標(biāo)識(shí)應(yīng)按照工藝信息邏輯關(guān)系確定組合符號(hào)序列,主要包括數(shù)量、設(shè)備、加工方法、刀具類型、刀具參數(shù)、切削參數(shù)和切削液等符號(hào)碼段等。
其各自含義為:
數(shù)量:本道工序/工步加工對(duì)象的數(shù)量;
設(shè)備:本道工序/工步加工選用的機(jī)床;
加工方法:本道工序/工步采用的工藝加工方法(車削、銑削、刨削、拉削……);
刀具類型:本道工序/工步使用的刀具類型(車刀、銑刀、刨刀、拉刀……);
刀具參數(shù):本道工序/工步使用刀具的幾何參數(shù)(前角、后角、主偏角、副偏角……);
切削參數(shù):本道工序/工步加工過程中選用的切削用量參數(shù)(切削深度、切削速度、進(jìn)給量……);
備注:以上信息以外的其他附加說明。
MBD模式下,工藝信息可以直接在三維模型中標(biāo)注。參考 GB/T 1182-2008和 GB/T 24734-2009對(duì)幾何精度標(biāo)注的相關(guān)要求,機(jī)加工工藝信息三維標(biāo)注包括標(biāo)注線、標(biāo)注平面、標(biāo)注框和標(biāo)注框內(nèi)的組合符號(hào)。標(biāo)注線和標(biāo)注平面與三維幾何模型關(guān)聯(lián),同時(shí)與標(biāo)注框和組合符號(hào)保持關(guān)聯(lián)。組合符號(hào)的三維標(biāo)注是對(duì)工藝信息的三維顯示,當(dāng)模型旋轉(zhuǎn)和縮放時(shí),組合符號(hào)應(yīng)隨之旋轉(zhuǎn)、縮放。在進(jìn)行三維標(biāo)注時(shí),標(biāo)注線、標(biāo)注平面和標(biāo)注框應(yīng)滿足相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的要求,且以易于其他標(biāo)注信息區(qū)分、布局美觀為原則。
在以上分析的基礎(chǔ)上,本文基于Pro/E開發(fā)了機(jī)加工工藝信息標(biāo)注模塊,在操作界面上通過調(diào)用工藝符號(hào)數(shù)據(jù)庫中的工藝符號(hào)及對(duì)相應(yīng)參數(shù)進(jìn)行賦值,即可生成工藝信息組合標(biāo)識(shí)符號(hào)。在此基礎(chǔ)上,將工藝信息組合符號(hào)標(biāo)注在三維模型上,實(shí)現(xiàn)工藝信息與三維模型的有效結(jié)合。工藝信息標(biāo)注在Pro/E標(biāo)準(zhǔn)功能的基礎(chǔ)上封裝,通過交互式操作界面以所見即所得的形式展示錄入數(shù)據(jù),直觀明了。該模塊開發(fā)主要分為3個(gè)步驟:
1)在Pro/E繪圖模塊下繪制工藝信息符號(hào),存儲(chǔ)于工藝符號(hào)庫中;
2)對(duì)Pro/E進(jìn)行二次開發(fā),開發(fā)工藝符號(hào)標(biāo)注界面,通過選擇調(diào)用的符號(hào)文件及輸入相應(yīng)參數(shù)值,生成工藝信息組合符號(hào);
3)借助Pro/E的三維標(biāo)注功能將工藝信息標(biāo)注在三維模型。
圖4顯示了某零件工藝信息組合符號(hào)生成及標(biāo)注過程。該零件本道工序?yàn)檐囃鈭A(數(shù)量為1),采用車削加工,三爪卡盤夾緊,車床代號(hào)為CX616A,選用端面車刀(前角45°,后角30°,主偏角5°,負(fù)偏角3°),切削深度為 10mm,轉(zhuǎn)速為1000r/min,進(jìn)給率為0.5mm/min,切削液為非水溶性乳化液。在標(biāo)注過程中,通過高亮顏色顯示待加工面,使制造人員能夠直觀地理解工件的工藝信息。
隨著MBD技術(shù)的應(yīng)用推廣,基于三維模型的數(shù)字化工藝設(shè)計(jì)已逐漸成為國內(nèi)研究的熱點(diǎn),而在面向制造過程的零件三維工序模型上如何規(guī)范有序地標(biāo)識(shí)工藝信息成為實(shí)施該過程的關(guān)鍵支撐技術(shù)。本文分析了機(jī)加工三維工藝設(shè)計(jì)流程,提出了 “符合+文本”的工藝信息標(biāo)識(shí)方法,并對(duì)工藝信息符號(hào)制定和組合符號(hào)構(gòu)建技術(shù)進(jìn)行了研究和突破。該方法能很好的解決三維環(huán)境下機(jī)加工工藝信息規(guī)范標(biāo)識(shí)問題,為三維數(shù)字化工藝設(shè)計(jì)做了有益的探索。
圖4 工藝符號(hào)標(biāo)注界面
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