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基于同步建模的工艺设计

2017/5/23    来源:互联网    作者:张学波      
关键字:CAFR三维工艺模型  特征识别  工艺过程路线  同步建模  
为了解决零件制造过程中二维工序图与三维设计模型不相关的问题,提出了基于三维模型的工艺设计方法。首先提取三维设计模型的设计特征,将其与加工方法相关联,并映射为加工特征,再根据工艺知识对加工特征合并、聚类和排序,生成工艺过程路线,然后以该工艺路线的逆过程为导向,采用同步建模技术依次构建工序模型,通过加工余量和加工特征与工序模型相关联,直至生成毛坯模型。以电机轴零件为例,快速、准确地建立三维工序模型,实现了三维工艺建模的自动化。

    0 引言

    由于数字化制造技术的快速发展,复杂的产品零件对三维工艺模型的需求及其更新替代频率增强,目前三维模型的设计、制造、仿真数字样机技术已成为制造业的主流,三维模型贯穿了整个产品全生命周期。但是大多数设计软件以三维建模为主,工艺图样还在使用二维图,操作人员需要花费时间理解图样内容,有时产生歧义。而且产品的二维工序图与三维模型没有关联性,当设计模型发生改变时,下游的工艺设计部门有可能使用旧的工序图样指导生产加工,从而造成加工零件的报废。

    为了便于加工操作者识图,提高理解图形的效率,同时缩短产品的加工时间,加工制造过程中引人三维工艺模型。西北工业大学的黄瑞采用基于子图同构的方式,在当前二维工序图与三维模型的各个方向投影相对比,重构当前工序的三维模型。陈刚应用本体理论,将工艺信息模型和建模信息模型相映射,生成三维工序模型。石云飞提出一个工艺语义驱动的三维模型构建系统框架,以数字化工艺卡片为研究对象,将工艺语义映射到工序图中,完成三维工序模型的构建。有些研究基于MBD技术生成了零件工艺模型,在三维模型上添加尺寸从而消除了使用二维图,但是比标注尺寸到工序工程图,没有减少制图时间,反而引发了三维模型图样的“刺猬”现象。

    本文采用同步建模技术,快速地生成产品的三维工艺模型并且与设计模型有很好的关联性。首先从三维设计模型中提取的设计特征将其转化为加工特征,实现模型间的数据统一;再根据工艺规则将加工特征归类、排序生成加工零件的工艺过程路线;然后以该路线的逆过程中每道工序的加工特征和加工余量设计工序模型及毛坯模型,实现三维工艺模型的快速生成。

    1 工艺过程路线规划

    工艺过程路线规划的最有效方式是利用零件设计模型,将基于特征设计的建模方法与加工方法相关联,将设计特征映射为加工特征并用于规划工艺路线。

    1.1 加工特征的提取

    设计特征是几何、拓扑和功能基元组合的一个实体,在设计、分析和加工过程中使用,也是产品的局部形状[5],它也是几何形状及功能的抽象,包括几何尺寸、材料特征、公差、表面粗糙度和精度等;而加工特征是几何形状与加工相关的信息集,包括了该几何特征的加工方法、加工设备、加工属性等。

    为了将设计特征转化为加工特征,需要从设计零件模型中提取产品的几何信息确定零件的加工区域,判断构成零件的基本几何要素:曲面(圆柱面、圆锥面等)、平面等;并识别几何特征类型(孔、槽、倒角、键槽、螺纹等)。根据零件模型的设计过程表示出的特征树,在设计零件时,先画主特征,然后在此基础上添加辅特征,如倒角、圆角、键槽等。将零件设计过程中拉伸、旋转、扫略等建模方法与工艺设计中的加工方法相映射,例如:拉伸可以对应车、铣、钻、磨等加工方法,旋转对应车和磨,在建模过程扫略通常为非规则几何体,在制造加工过程中作为非加工表面。表1说明了将车削加工方法与旋转建模方法的映射关系。

    表1 三维建模方法与机械加工方法的映射

    1

    根据上述方法得到的加工特征,将其分为可以加工的简单特征和多个简单特征相交的复合特征,实现了加工特征的提取。这种基于特征的建模方法描述了零件的几何信息和拓扑几何信息,能够快速转换为加工特征[7]。

    1.2 工艺过程路线的生成

    根据提取加工特征类型、加工精度和材料特性,结合产品的生产质量要求,参考现有的加工能力选择加工设备,确定加工方法。然后以加工特征为核心对其归类、合并生成包含加工该特征所需要的加工参数等信息的加工元,在工艺规则约束下制定工艺路线。

    工艺加工规则包括先粗后细,同一个特征需要不同的加工工序,才能达到设计的精度要求,如先粗加工,半精加工、精加工、磨削等;先基准,确定加工基准是保证零件的加工精度;先主后辅,先加工主要特征再加工依附在其上的倒角、圆角、键槽等。满足上述工艺规则的加工排序,保证生产出合格的产品,生成宏观指导生产的工艺路线,为快速建立三维工艺模型提供依据。

    2 三维工艺模型的建立

    零件的工艺过程是由多个工序按一定的顺序组成的,在确定了加工路线后,就要逐步细化每一个工序的工艺内容。按照每一个工序中加工特征类型所需要的加工方法确定加工余量、选择机床和刀具,将整个加工过程离散为毛坯模型、工序模型、工步模型等各个加工阶段所需要的模型。

    2.1 毛坯模型

    毛坯类型主要有铸造和锻造成型这两大类,铸造的毛坯一般为箱体零件,锻造的毛坯通常为旋转和连接件。应用逆向生成毛坯模型的方法是根据加工工艺路线的逆过程,由零件到毛坯,将每道工序的加工特征,通过删除、抑制设计模型上的特征,修改增添每道工序的加工余量,一步一步生成毛坯模型。每一个工序对应的工艺信息都有据可依,不会由于人为疏忽而出现设计余量不足,可以方便、快捷、准确地设计出需要的毛坯模型。

    2.2 工序模型

    机械加工工艺过程中由毛坯到零件的每道工序都会形成一个中间状态模型称为工序模型。3D工序模型明确表达本道工序加工特征的类型、加工基准、零件的装夹方式以及加工参数等。根据加工特征上的几何尺寸和加工精度,设置工艺参数,如车床转速、刀具进给量、下刀位置及刀具的走刀方向等,从而自动获取加工信息生成工序模型。

    为了保证加工精度,在一次装夹中加工多个特征,需要定义每个工步的加工内容。由若干个工步构成每道工序,识别加工特征类型,关联建模位置,生成用于可视化加工的工步模型。在加工过程中有些特征在零件模型中不存在,但是为了加工装夹或毛坯设计需要添加特征(凸台、加强筋、冒口等),需要在工步模型中重构该特征。将每一步的加工信息与建模方法相映射,自动获取加工余量作为建模参数,以工艺信息驱动建模,通过偏移、抑制特征、重构等方法生成工步模型,如表2所示。

    表2 工艺信息与建模信息相映射

    2

    2.3 三维工艺模型的实现

    根据工艺路线生成N道工序,应用同步建模技术将每道工序模型的加工特征,映射为三维建模系统中的工艺模型,如果加工工序为0时生成毛坯模型,不为0时生成该道工序的三维模型如图1所示。同步建模技术是在参数化、历史记录建模的基础上的飞跃,不考虑模型是怎样构造的,主要是修改模型的三维实体建模技术,它包括移动面、抽取面、替换面、修改面的尺寸、删除面、偏置区域等改变面的特征,调整倒角和圆角的大小等细节特征,几何约束变换和尺寸约束,截面编辑等命令操作。

    在机械加工的过程中,零件的特征变化多为面的偏置和特征的布尔运算,所以毛坯模型和工序模型与零件模型是相似的。依据设计模型创建每道工序模型并与其相关联,当设计模型发生更改时,其相关的工序模型也将发生相应改变。应用同步建模技术修改模型不需设计建模的经验,很适合机械切削加工的特性。

    3 应用实例

    电动机的轴类零件,下料的毛坯模型均为一定尺寸的圆柱体,通过切削外圆表面,加工出符合设计要求的台阶面、倒角和键槽等。毛坯模型设计有两种方法,一种是三维设计软件按最大包容原则,设置合理加工余量,进行零件加工毛坯设计,导人零件CAD模型,将毛坯模型与CAD模型进行比对,识别待加工特征,按加工顺序建立工序模型。另一种方法是由零件到毛坯的过程逆推,通过删除、抑制零件模型的特征,应用同步建模技术增添每个工序的加工余量,快速生成工序模型。本文采用后一种方法,通过零件模型的逆推过程,下一道工序模型在本道工序模型的基础上进行修改,这样由加工特征将零件模型、工序模型和毛坯模型相关联。

    3

    应用VC6.0开发了三维工艺设计模块,基于NX/OpenAPI遍历建模特征,输出设计特征和其定位尺寸和大小参数,将建模方法与加工方法相关联。然后根据尺寸精度等技术要求将设计特征转换为加工特征,依据工艺知识和加工经验添加热处理等工序,可生成完整的工艺路线,如图2所示。然后,工艺设计师以图2生成工艺路线的逆过程为指导,确定该道工序加工的特征,选择加工设备、设置加工参数和装夹方式和定位基准。应用同步建模技术以工序的加工余量作为建模参数,在零件模型上偏移依次生成加工过程中的动态工步模型最终生成该道工序的工序模型,直至毛坯模型。如图3是捶式破碎机轴加工的第一道工序,工序名称为粗加工轴零件端面和外圆,以逆推的方式构建工艺模型,该道工序包括的6个工步模型(1个端面和5个台阶轴)最终构建了零件的毛坯模型。

    4

    4 结语

    三维工艺设计的实现过程中,三维实体模型作为非几何体信息的载体,尺寸、公差、标注符号、装夹标记、加工基准等信息均显示在实体模型上。工艺设计的三维化,有利于将设计模型和工艺模型相关联,以同步建模技术驱动的工艺过程路线,为用户提供了一个强大的智能化三维工艺建模工具,快速建立产品的各个阶段的相关联的工序模型。该方法建模灵活,节约时间,方便工装的设计、加工可视化仿真、检验信息及生成数控程序,促进制造过程的上下游部门的协同工作,缩短产品的生产制造周期。

责任编辑:张纯子
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