基于三维模型的机加工艺设计方法

基于三维模型的机加工艺设计方法摘要：针对目前二维环境下机加工艺设计存在的二维工序图绘制繁琐，表达不直观，容易出错并使审核环节成为效率瓶颈等问题，在工艺设计过程中引入工序模型的概念，并提出了三维工序模型驱动的工艺设计方法。该方法以零件设计模型为参照，从毛坯模型顺序生成零件的加工工序，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，直至衍生出零件设计模型。本文以某复杂零件为例，讨论了所提方法的应用效果，为三维环境下的机加工艺设计提供了一种新思路。关键词：机加工艺CAPP二维工序附图工序模型Machiningprocessdesignmethodbasedon3DmodelHaoBibo，LiuXingmingCAMA（LuoYang）mesurement&controlco.LTDAbstract：TointroducetheconceptofIn-processmodelintheMachiningprocessdesignandproposedtheMachiningprocessdesignmethodofthe3Dmodeldriven，ascurrentlythe2Dworkingprocessdrawingisnoteasytodesignin2Denvi-ronment，whichexpressionisnotintuitiveandeasytogetwrongandmakeevaluationefficiencybethebottleneckproblems.Thismethodtakespartdesignmodelforreference，createIn-processmodelofthepartfromblankmodel，eachplanningprocedure，togenerateaprocessmodel，andthenbasedontheIn-processmodelfortheplanningofnextprocedure，untilthedesignmodelofparts.Inacomplexpartsasanexample，discussingtheapplicationeffectofproposedmethod，providesanewmethodtomachiningprocessdesignedin3Denvironment.Keywords：machiningprocess，CAPP，2Dworkingprocessdrawing，In-processmodel一、引言随着计算机软件技术的不断成熟，以三维模型为基础的建模技术、虚拟装配技术、虚拟仿真技术、虚拟制造技术以及虚拟环境下的设计验证及优化，极大地缩短了产品研发周期，降低了研发成本，同时也对制造系统的关键环节――计算机辅助工艺设计（CAPP）提出了更高的要求。然而基于三维模型的CAPP系统的研究在国内大多数公司仍处于探索阶段，在进行机加工艺文件编制时仍主要沿用传统的基于二维工序附图的工艺设计方式，工序图设计在二维CAD环境下开展，在应对复杂零件时显得捉襟见肘。而三维环境能够为工艺设计人员提供一个接近真实的可视化工艺设计效果，在该环境下进行三维实体加工特征信息的创建和提取、加工过程仿真和校验以及加工资源规划等高层次的工艺设计工作，将大大提高工艺设计的质量和效率，使工艺设计与产品制造在技术上衔接更紧密，协同性更强。为此，本文提出针对复杂零件采用基于工序模型驱动的工艺设计方法，并对该方法的技巧、准则以及效果进行了一系列探讨。二、三维模型驱动的工艺方法简介零件的设计模型是按照零件的功能进行定义的，仅包含了零件的最终几何模型及其工艺信息，并没有考虑零件制造的中间状态，而零件的加工过程通常是分阶段（工序）的，并且每个加工阶段（加工工序）都要定义相应的加工工艺信息（如加工公差），以保证零件的最终加工质量。同时在零件的工艺规划过程当中，为了便于定位装夹及找正，需要对原有设计模型进行修改（如增加工艺凸台、工艺孔等）。上述这种以机加工序来按阶段划分出来的中间过程模型即是工序模型（In-ProcessModel，IPM）。在三维模型驱动的工艺设计过程中，若有n道加工工序，则会产生n-1个中间工序模型，工序和工序模型的对应关系如图1所示。工序模型用于支撑与本道工序加工相关的信息，如加工表面、加工尺寸、定位基准和加工坐标系等信息。工序模型实质上来讲是原有工艺模式中的二维工序附图在三维环境下的表现形式，但其表现效果更为直观、准确和强大。工序模型驱动的数控加工工艺流程设计如图2所示，可以看出其与传统的二维工艺设计方法相比突出了工序模型的核心作用，将工艺人员从繁琐且易出错的二维工序附图的绘制环节中解脱出来，工艺文件向精准的工序模型和简化的二维工序附图方向转变。简化后的二维工序附图只需要对工艺尺寸和工艺基准等信息进行注释，力求简洁明了，以实现有侧重点的控制；同时工艺文件上增加的工序模型信息，如其名称和存放路径等。三、工序模型构建的准则（1）在工序模型构建的初始阶段多进行工艺路线的优化和固化工作，尽量减少更改频次。（2）考虑加工工序在空间的位置和形状的实际开工和完工状况来进行工序模型的构建，建议不要用设计模型替代某一道或某几道工序模型，以免在后续数控编程和仿真时出现与实际期望不一致的结果。（3）构成工序模型的几何体素在空间位置上精加工时应当是按中差进行模型的1：1比例构建，这样利用工序模型进行加工编程时程序的修改量最小，加工仿真效果也更直观、准确。（4）使用着色方式将加工面与非加工面明确区分，着色方式同样可用来表述装夹部位、定位面及工艺基准等要素，但超过三种以上的颜色描述可能会造成一定程度的混淆，故推荐适当使用文字引出方式进行描述。（5）表达工序模型的尺寸及形位公差等标注应做到重点突出，细节控制，力求简洁有效。这是因为数控编程和加工的依据是工序模型附带的尺寸信息，以及相关的工艺控制信息，除此之外过多的标注纯属赘余。四、工序模型的构建技巧工序模型建立的流程如图3所示，其创建方法可分为创成式和修订式。创成式是在毛坯模型上进行一系列布尔运算等操作来生成工序模型的方法，但该方法不能有效利用设计模型，建模效率偏低，工序模型与设计模型的相关性也难以保证，而修订式的方法能够很好解决该问题。修订式方法第一步是在三维软件装配环境下加载三维设计模型和毛坯模型，然后借助设计模型进行工序模型的创建工作。NX是一款非常优良的软件，可以利用NX/WAVE技术相关参数化功能链接复制设计几何模型，并依靠其同步建模等强大的功能完成工序模型的详细设计，该方法能大大提高了工作效率和质量。另外同步建模技术最大的亮点在于它突破了基于历史记录的设计系统固有的架构障碍，同时以面为参考、以面为对象的约束方式和驱动方式，符合机械加工工艺特性。五、工序模型驱动工艺方法的应用实例图5所示零件结构较为复杂，尺寸特征众多，需控制变形，保证较高的同轴度、垂直度等形位公差，以满足装配要求。以上特征决定了该零件的重要尺寸特征须通过粗加工、半精加工、精加工以及时效处理等一系列工序来保证。零件加工中广泛用到车、铣、线切割、电火花和钳工等工种，整个工艺路线共包含十多道加工工序。若是沿用传统的机加工艺编制方法，费时费力而且质量难以保证。考虑到生产效率和成本，如何压缩工艺文件的编制时间并保证工艺文件的质量，而且尽量缩短现场生产的准备时间同时确保二次工作质量是必须考虑的一大难题。综上考虑，采用本文所提的工序模型驱动工艺方法进行工艺设计取得了很好的实际效果。图6所示为50工序的工序模型，该工序是数控铣精加工内腔部位。从模型上可以很明了地识别图中深绿色的加工部位，黄色的装夹校验基准，其尺寸信息和加工坐标系也都悉数囊括，数控编程时可以借助工序模型，工艺设计和产品制造紧密衔接，显著提高生产效率。六、与现行工艺设计方法相比较的技术优势目前传统的机加工艺仍以二维工序附图为主，工艺人员接收到任务后，先消化吸收设计图纸和模型，然后设计加工过程的各工序和工步并在CAPP软件里添加加工信息。工艺员需要通过AutoCAD软件绘制加工过程模型的二维工序图，并且在工序图上添加工艺标注，在做大量的图形绘制工作的同时加工信息也要进行详尽的说明。不同工序间的二维工序附图关联性差，相互之间的转换性不高，势必造成信息重复录入和人为失误带来数据不一致的情况发生，工艺员不增值劳动太多，巨大的人力物力消耗在与工艺设计无关的环节上。而与此同时，CAM技术业已普及，数控机床的NC代码绝大部分是使用CAM软件生成的，数控编程已离不开三维模型，所以从工艺文件到生产加工之间还存在二维工序图的吸收消化、数控编程及仿真等大量中间工作。如此以来，工艺设计与产品制造存在技术衔接不强，制造协同的数据链条被打断，势必影响生产效率和产品质量。而基于三维模型的机加工艺设计方法将为我们带来以下改观。（1）将工艺人员从繁琐、低效的工艺设计工作中解脱出来，并解决了审核环节的效率瓶颈。（2）实现机加工艺现场信息的可视化认知、提取和交换，改变传统的纸质文档传递信息的单一模式，为制造管理系统的数字化创造了条件。（3）工序模型可以直接进入制造和仿真，将编程员从与程序编辑外的工作中最大限度地解放出来，成倍地减少NC编程时间，便于更多的精力做好程序的优化和管理工作。（4）为并行工程创造信息并行和共享的基础，工艺设计与产品制造在技术上衔接更为紧密，协同性更强，提高了生产效率和交货周期。七、总结三维环境下的工艺设计是目前制造领域研究的热点，其对工艺技术快速发展的起着不可或缺的作用。这是因为在普遍使用三维软件进行设计和绘图的今天，任何二维工程图都可由三维软件投影而来，其应对复杂零件时的效率比二维软件要高的多且质量也更有保障，所以对于复杂件进行二维工序附图设计工作前先进行工序模型设计工作，无疑是一种工作需要和便利。而另一方面MBD（ModelBasedDefinition）技术已经日趋成熟，航空工业内作为一个国家工业技术发展的领头羊和弄潮儿，将愈发对其重视和依赖，工序模型采用基于MBD的零件工艺信息模型，在三维模型上用简明直接的方式加入了产品的制造信息，进一步实现了从CAD到CAM（加工、装配、测量和检测）的集成，为彻底取消二维图纸使工艺设计彻底走向三维化创造了可能，必将展现出其蓬勃的生命力。参考文献【1】赵震，夏芳臣等.基于三维CAD过程特征的CAPP系统研究.装备制造技术，2010，（5）：80～86.【2】唐健钧，贾晓亮，田锡天等.面向MBD的数控加工工艺三维工序模型技术研究.航空制造技术，2012，（16）：62～66.