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基于模型定义的弹箭三维计算机辅助工艺设计技术

2018/9/18    来源:互联网    作者:郝博  姜北北      
关键字:弹箭  模型定义  CAPP  CAD  
工艺开发人员利用MBD建立各类三维数字化实体模型,并且建立起数字化工艺模型,通过模拟仿真,确定出合理的、可行的制造工艺。这就大大缩短了产品设计周期,提高产品快速制造能力,降低成本,对我国武器装备行业具有有重要意义。

    随着经济全球化、信息一体化地快速发展,尤其是三维CAD技术在制造业的日益普及和广泛应用,人类应用三维模型表达设计意图成为可能。制造企业为了提高工艺水平和效率,增强市场竞争力,就必须借助于计算机辅助工艺设计(computer aided process planning,CAPP)。CAPP作为设计和制造的中间环节,其研究和开发就显得尤为重要,但是目前并没有在世界范围内出现广为普及的CAPP商业化软件。很多制造企业仍然采用二维加三维生产方式,并且相当一部分企业处于以二维为中心、三维摸型为辅的管理方式,使得产品数据传递过程复杂,效率低下,成本高昂,信息利用率低。在这种情况下,就需要对CAPP提出更高的要求来符合市场的需求。CAPP作为沟通CAD和CAM的桥梁,不仅能够直接从三维CAD中获取零件的几何信息、非几何信息、工艺信息等,还加强了CAPP系统的智能化工具能力,使CAPP系统开发与产品数据管理(product data management,PDM)快速集成,为CAD/CAE/CAPP/CAM/PDM集成提供全面基础。

1 基于模型定义的弹箭规范及建模

    随着我国武器装备事业的不断进步和发展,对弹箭的要求也越来越高,这就必须要提高相应的技术,其中基于模型定义(model based definition,MBD)数字化技术是关键。MBD是将制造信息和设计信息共同定义到产品三维数字化模型中,从而取消二维工程图,保证设计数据的唯一性。目前,MBD在武器装备行业还未得到应用,仅在航空业上得到了大力发展。要想在武器装备行业得到更好的应用,首先要制定适合弹箭的MBD规范。这些规范主要包含6部分:通用要求;术语、定义和缩略语;尺寸和公差;注释和编号;Pro/Engineer实施指南;弹箭典型结构和系统。

    数字化技术是当前现代化设计制造技术的基础,参数化模型又是当前数字化技术的基础,因此,在拟定MBD规范的基础上,需要进行参数化设计及建模。MBD建模主要依据所设计零部件的三维模型,尤其是几何信息和非几何信息,利用相关的建模软件和编程语言生成该模型的图形显示。进而对其进行多方面操作。首先,在获取产品的相关设计制造信息的基础上,得到其MBD模型(如图1所示)的几何信息(指产品几何形状信息,即数据集中的产品三维模型)和非几何信息(包括尺寸和公差的标注、表面粗糙度、表面处理方法、热处理方法、材质、润滑油涂刷范围与颜色、要求符合的规格与标准等)的表达方式。利用程序进行三维CAD软件的二次开发,使得建立的MBD模型能够通过二次开发所建立的人机交互界面进行模型的更新,并且能够显示出模型的几何信息和非几何信息。

模型的内容

图1 模型的内容

2 基于模型定义的三维计算机辅助工艺设计技术

    一般来说,产品的研制需要经历产品设计、工艺设计、工装设计、产品制造和检验检测5个主要环节。基于MBD的产品在设计时就要考虑其后续的工艺和制造,这不仅能够大大减少工艺人员的工作量,还能够快速提高产品的生产效率。在CAPP过程中,工艺部门根据设计人员所设计的三维模型对其进行工艺分析,并向工艺部门反馈审查的意见,同时根据设计部门正式发布的产品设计结构和三维模型,建立产品工艺结构,制定产品工艺方案,进而对其仿真,形成仿真认证产品的制造结构的顶层结构,然后下发到工装设计、专业制造和检验等部门。

    2.1 典型工艺库及工序模型

    为了使工艺设计人员减少繁重的重复劳动,提高了生产效率,缩短PLM,为企业带来了更大的经济效益,提出了典型工艺(如图2所示)。在CAPP系统中,利用交互式界面,对已有的典型工艺进行修改,使其完成符合要求的工艺设计。典型工艺有很多,这就需要形成一个库,即典型工艺库。

典型工艺利用

图2 典型工艺利用

    随着对典型工艺的不断研究和深入,参数化典型工艺得到了广泛的应用。参数化典型工艺的基础是工艺属性和工艺的建立,并且两者相关联。另外,在工艺中建立一系列的工艺参数,可以通过工艺属性值和参数的关联对工艺进行编制。工艺属性与工艺开;参完成了参数化典型工艺的创建,通过输入相应的参数进行典型工艺的修改,使其符合产品工艺要求。

    工艺设计离不开:亡序,工序是完成产品加工的基本单元。在三维环境下,人们研究和探索工艺设计的基本方法是根据零件的设计模型提取出加工信息,而后再根据这些加工信息进行加工工艺规划。在零件的加工过程中,由于许多中间特征不能从设计模型上表现出来,这样就会影响工艺设计的准确性和直观性。因此,在这种情况下,引入工序模型。工序模型的基本思路是从零件模型的设计开始,每规划一道工序,生成一个工序模型,然后基于该工序模型进行下一道工序的规划,直至工艺规划完毕。

    2.2 工艺物料清单

    三维CAPP的形成离不开物料清单(bill of material,BOM)而PBOM是BOM重要的组成部分。PBOM是工艺设计和规划的基础,同时也是PDM下管理全部工艺的基础。工艺设计人员以设计物料清单(engineering bill of material,EBOM)数据为依据,然后制定出工序信息,生成PBOM信息,来达到产品的工艺要求。PBOM生成流程如图3所示。

PBOM生成流程

图3 PBOM生成流程

    在EBOM基础上形成PBOM的过程中,先从EBOM的配置树中任意取出一个结点,并且能够同时提出产品的制造类型、产品编号等数据信息;其次,可以根据属性表的内容,将提出的零部件数据信息传递到PBOM各子项,这样可以便于根据生产类型不同制定出符合要求的工艺内容;最后,根据产品的不同要求,进一步生成工艺树的多个结点,并提出结点,重复前2个操作,最终完成产品的工艺设计。

    2.3 三维计算机辅助工艺设计技术

    MBD数字化技术的应用使得产品设计、工艺设计、生产制造及数据管理均发生了变化,而产品生命周期管理(PLM)围绕基于MBD技术应用体系(如图4所示)进行。基于模型的定义(MBD)是技术体系的基础,其遵循MBD规范,以建立起包含完整产品信息的MBD三维模型。以MBD三维模型为依据,能够更加方便工艺人员对产品进行工艺设计。

基于MBD的技术应用体系

图4 基于MBD的技术应用体系

    三维CAPP的实现是以MBD的产品模型为基础的。MBD模型主要包括几何属性、非几何属性、管理属性以及MBD数字化等信息。系统实现将通过对产品研制信息进行收集整理,并制定建模及规范的数据接口,实现信息流的传递和共享。三维CAPP系统(如图5所示)主要有3个层次:应用层、协调层和资源层。应用层是各个模块的形成,协调层是把应用的数据传递到PDM中进行管理,资源层对是模型库、工艺资源管理设计知识库、工艺数据信息即设计信息数据及相关工具的存储。反过来,应用层、协调层以及资源层内的数据都可以相互传递和共享。

    基于MBD的三维CAPP技术是在三维CAD数字化环境下,工艺人员根据MBD规范建立起来的全三维实体化模型,并在此基础上建立数字化工艺模型,从而生成工艺数据,编制成三维数字化制造工艺。该技术采用数字化研制体系,可保证数据的唯一性,能够准确、快速传递产品相关信息,减少数据转换,生产制造无需技术人员输入产品信息,进而减少了产品在研制过程由于人员干预出错的现象以及由于纸质实物系统与计算机系统脱节而造成的重复性劳动。

三维工艺设计系统结构

图5 三维工艺设计系统结构

3 三维计算机辅助工艺设计实例

    根据上述内容,以弹体为例,以Pro/Engineer为平台,借助Pro/Engineer4.0开发工具Pro/Toolkit,以VS2005为编程工具,对武器零部件进行操作,实现基于MBD的三维CAPP技术。如图6所示,首先进行MBD建模,生成带有产品几何信息和非几何信息的三维模型。在MBD建模的同时,已经考虑过后续工艺和制造的要求,并能在模型树上表示出来,这就能够使得工艺开发人员利用MBD建立各类三维数字化实体模型,并且建立起数字化工艺模型,通过模拟仿真,确定出合理、可行的制造工艺。

基于MBD的弹体工艺设计

图6 基于MBD的弹体工艺设计

4 结束语

    基于全三维模型工艺设计技术将以MBD模型为出发点,作为CAPP系统的信息输入,简化分析建模和零件信息描述,减少工艺信息输入量和数据转换,保证CAPP系统与CAD系统数据的一致性和有效性。工艺开发人员利用MBD建立各类三维数字化实体模型,并且建立起数字化工艺模型,通过模拟仿真,确定出合理的、可行的制造工艺。这就大大缩短了产品设计周期,提高产品快速制造能力,降低成本,对我国武器装备行业具有有重要意义。

责任编辑:程玥
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