三維環(huán)境下的機(jī)加工工藝設(shè)計(jì)實(shí)施及應(yīng)用

李 淼

(唐山為民職業(yè)環(huán)境檢測(cè)有限責(zé)任公司，河北 唐山 063000)

“工業(yè)4.0”時(shí)代對(duì)機(jī)加工產(chǎn)品的尺寸精度、制造速度等各方面提出了更高要求。基于三維環(huán)境的機(jī)加工技術(shù)，將原來(lái)的二維平面圖形轉(zhuǎn)變成了三維立體模型，使零件設(shè)計(jì)方案達(dá)到了“所見(jiàn)即所得”的效果，兼顧了效率、精度等方面的要求。應(yīng)用三維機(jī)加工技術(shù)時(shí)，加工工藝設(shè)計(jì)是一項(xiàng)核心內(nèi)容，只有明確設(shè)計(jì)流程，熟練掌握每個(gè)環(huán)節(jié)的技術(shù)要點(diǎn)，才能突出三維機(jī)加工技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。

1 三維環(huán)境下機(jī)加工工藝設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)

相比于二維機(jī)加工工藝設(shè)計(jì)，三維環(huán)境下的機(jī)加工工藝設(shè)計(jì)表現(xiàn)出了以下優(yōu)勢(shì)：工藝流程更加直觀。在流程導(dǎo)圖的指引下，整個(gè)工藝流程直觀地呈現(xiàn)在設(shè)計(jì)人員面前，每完成一個(gè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，在導(dǎo)圖的幫助下會(huì)自動(dòng)提示下一環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)內(nèi)容，為工藝設(shè)計(jì)起到了參考和輔助作用，對(duì)于設(shè)計(jì)效率的提升有積極幫助。立體化呈現(xiàn)，所見(jiàn)即所得。將零件的尺寸等基本參數(shù)輸入到三維軟件中，利用該軟件把海量的點(diǎn)位坐標(biāo)轉(zhuǎn)化成三維模型，設(shè)計(jì)人員能夠直觀了解零件的加工信息，靈活地完成參數(shù)調(diào)整、尺寸修改，直到獲得理想的零件模型。數(shù)據(jù)管理更便捷。三維軟件對(duì)零件相關(guān)信息進(jìn)行自動(dòng)保存，防止數(shù)據(jù)丟失，機(jī)加工的工藝設(shè)計(jì)、模型參數(shù)等能夠以標(biāo)準(zhǔn)文件的方式輸出，方便讀取和利用。

2 三維環(huán)境下機(jī)加工工藝設(shè)計(jì)的實(shí)施路徑

2.1 數(shù)據(jù)接收設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)人員需要將待加工零件的各項(xiàng)數(shù)據(jù)輸入到三維建模軟件中，使計(jì)算機(jī)明確加工要求。這些數(shù)據(jù)包括幾何信息(如尺寸、形狀等)、材料信息、技術(shù)信息、管理信息等。所有數(shù)據(jù)通過(guò)USB接口輸入，三維建模軟件在接收這些數(shù)據(jù)后，將其存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中，生成一個(gè)獨(dú)立的文件夾，為下一步數(shù)據(jù)的調(diào)用、存儲(chǔ)創(chuàng)設(shè)便利條件。

2.2 生成毛坯模型

設(shè)計(jì)人員通過(guò)登錄口令的驗(yàn)證后，進(jìn)入三維機(jī)加工工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)。調(diào)取數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)資料，得到三維零件模型。從工具欄中選擇“毛坯設(shè)計(jì)”，在新彈出的對(duì)話框中選擇“毛坯材料”，此時(shí)可以得到尚未進(jìn)行任何工藝處理、由原始數(shù)據(jù)直接得到的毛坯模型。將毛坯模型上多余的特征形狀去除，可選擇的方法有特征疊加法和特征逐漸減法。將毛坯材料的邊界特征、內(nèi)陷特征、螺紋特征等全部去除，為下一步進(jìn)行高精度的模型設(shè)計(jì)和零件加工奠定基礎(chǔ)。

2.3 定義工序模型

在正式進(jìn)行模型定義前，應(yīng)調(diào)用工具欄的“特征識(shí)別”工具，對(duì)毛坯模型的特征去除效果進(jìn)行檢驗(yàn)。如果識(shí)別出該毛坯模型還存在一些幾何特征(如角度、余量)、加工特征等，要做進(jìn)一步處理，直到毛坯模型不存在任何特征后，可以生成工序模型。為了達(dá)到三維模型“所見(jiàn)即所得”的效果，要求將每一道工序模型進(jìn)行重新定義、單獨(dú)處理，并進(jìn)行可視化檢驗(yàn)，令工藝源模型與工序模型在各個(gè)方面保持一致。完成工序模型定義后，再進(jìn)行下一環(huán)節(jié)。

2.4 確定工藝特征

工藝特征來(lái)源于工藝信息模型的數(shù)據(jù)組織，決定工藝特征的因素包括：其一，設(shè)計(jì)者的零件自定義?；诹慵氖褂眯枨蠛凸δ芴匦?，設(shè)計(jì)者通常會(huì)對(duì)零件的某些方面(如材料、形狀)有特殊要求，需要通過(guò)自定義的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。其二，工藝規(guī)程。涵蓋了工藝要求、資源使用、工序資源等內(nèi)容。工藝特征應(yīng)盡可能全面地涵蓋三維模型的所有特征點(diǎn)，這樣才能保證設(shè)計(jì)出來(lái)的三維模型與實(shí)體零件之間保持高度的相似性，以滿(mǎn)足實(shí)體零件對(duì)于各種使用功能的基本要求。在確定工藝特征后，要分布步驟生成工序模型，常用的工序模型生成方法有圖形拼湊法、特征參數(shù)法等。以特征參數(shù)法為例，核心部分是CAD/CAPP信息集成系統(tǒng)，從加工特征庫(kù)、工藝知識(shí)庫(kù)中提取關(guān)鍵信息，經(jīng)過(guò)CAD系統(tǒng)處理后得到零件特征模型，將三維模型擴(kuò)展到實(shí)體，得到工序模型。

2.5 數(shù)據(jù)信息傳遞

三維機(jī)加工工藝設(shè)計(jì)需要在模型建立過(guò)程中完成其工藝信息的表達(dá)，從而進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳遞。其表達(dá)工藝信息的過(guò)程，要注意信息的規(guī)范標(biāo)識(shí)，采用統(tǒng)一標(biāo)識(shí)和方法，完成后期的應(yīng)用推廣和施工。信息可以以屬性方式隱含在三維模型中，這樣后續(xù)使用只需通過(guò)數(shù)據(jù)調(diào)用就可以完成信息獲取。設(shè)計(jì)者還可以嘗試將三維標(biāo)注直接添加到三維模型的各個(gè)模塊上，后期想要了解三維模型的基本信息，只需要用鼠標(biāo)點(diǎn)擊對(duì)應(yīng)的模塊，即可在新彈出的詳情頁(yè)上完整展示工藝信息，這是數(shù)據(jù)信息傳遞的一種有效方法。工藝信息標(biāo)注可以從屬性標(biāo)注和功能標(biāo)注中選擇其一。

2.6 完成工序設(shè)計(jì)

按照上述流程，依次完成了毛坯準(zhǔn)備、工序設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)傳遞等步驟后，基本上完成了機(jī)加工工藝流程。利用已經(jīng)生成的流程導(dǎo)圖，將工藝特征、工藝信息等與流程導(dǎo)圖相結(jié)合，在得到三維模型之后，將所有數(shù)據(jù)及工序一并輸出。工序設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，要通過(guò)仿真驗(yàn)證的方式，對(duì)工序模型進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證流程包括特征識(shí)別、數(shù)控編程、仿真實(shí)驗(yàn)、干涉檢查等。根據(jù)驗(yàn)證結(jié)果，對(duì)工序模型做后置處理，得到最終的三維工藝模型。

2.7 發(fā)布工藝信息

將三維機(jī)加工工藝設(shè)計(jì)中生成的各類(lèi)數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總，整理成表格，得到工藝輸出表單。繼續(xù)輸出工藝模型，如果模型的組成結(jié)構(gòu)復(fù)雜、類(lèi)型多樣，可將其轉(zhuǎn)化為模板并按照特征信息予以分類(lèi)。發(fā)布工藝信息，作為零件加工制造的參考依據(jù)。

3 三維環(huán)境下機(jī)加工工藝設(shè)計(jì)的應(yīng)用

利用工藝設(shè)計(jì)流程規(guī)劃，確定各種復(fù)雜的、高精密度的零件加工路線，以更快速度得到更高精度的產(chǎn)品。用于加工材料、制造設(shè)備的流程設(shè)計(jì)，如機(jī)床、刀具、夾具的生產(chǎn)規(guī)劃等，提高了工件的標(biāo)準(zhǔn)化程度。實(shí)現(xiàn)模型二次開(kāi)發(fā)。在機(jī)加工工序設(shè)計(jì)完成后，所得三維模型及其配套數(shù)據(jù)會(huì)單獨(dú)保存到一個(gè)文件夾中，后期如果想要進(jìn)行模型數(shù)據(jù)檢查或是在模型基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，可直接調(diào)用該文件夾中的數(shù)據(jù)。用于指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)加工。將現(xiàn)場(chǎng)加工信息與機(jī)加工工藝設(shè)計(jì)方案對(duì)比，對(duì)控制加工誤差、保證加工精度有積極幫助。

4 結(jié)語(yǔ)

基于三維模型的機(jī)加工工藝設(shè)計(jì)發(fā)展前景廣闊。在進(jìn)行精密零件設(shè)計(jì)時(shí)，要熟悉三維環(huán)境下整個(gè)機(jī)加工工藝設(shè)計(jì)流程，掌握其中的技術(shù)要點(diǎn)，保證工藝設(shè)計(jì)質(zhì)量，滿(mǎn)足機(jī)加工的精度和效率要求。