基于MBD模型的工藝尺寸鏈求解探索

張　瑜，丁來軍，紀　俐

(1.中國空空導彈研究院，河南 洛陽 471009；2.沈陽航空航天大學，遼寧 沈陽 110136)

基于MBD模型的工藝尺寸鏈求解探索

張瑜1，丁來軍1，紀俐2

(1.中國空空導彈研究院，河南 洛陽 471009；2.沈陽航空航天大學，遼寧 沈陽 110136)

摘要：在利用MBD模型進行工藝設(shè)計的過程中，工藝尺寸鏈的處理比較繁瑣。在深入研究工藝尺寸鏈計算方法和MBD模型表達制造屬性的基礎(chǔ)上，結(jié)合工程應用，探索了基于模型的工藝尺寸鏈計算方法，建立了基于模型的尺寸鏈分析工作流程，從而導出了計算機輔助工藝尺寸鏈計算模型。在UG軟件平臺上，利用VB.NET語言二次開發(fā)，完成了尺寸鏈計算的工作流程和計算分析軟件，并應用于工藝設(shè)計尺寸鏈校核中，大大節(jié)約了工藝人員解算尺寸鏈所耗的時間，同時，也為數(shù)控編程的公差處理提供了有力支撐。

關(guān)鍵詞：工藝尺寸鏈；MBD模型；二次開發(fā)

尺寸鏈的計算是機械制造工藝學中的一個重點和難點，也是工藝設(shè)計人員面對的比較繁瑣的問題。在機械加工工藝制定或現(xiàn)行工藝分析過程中，經(jīng)常會遇到多個復雜尺寸鏈的分析計算問題。在傳統(tǒng)的尺寸鏈分析計算中，工程技術(shù)人員一般通過手工建立和求解尺寸鏈方程，這樣往往因為尺寸鏈組成環(huán)較多以及增減性判斷錯誤，導致未知環(huán)計算結(jié)果錯誤，整個過程工作量大，耗時多，不但影響了產(chǎn)品的開發(fā)周期及企業(yè)的經(jīng)濟效益，也制約了工程技術(shù)人員的創(chuàng)造性，不利于行業(yè)的發(fā)展。

中國空空導彈研究院為了提高產(chǎn)品數(shù)字化管理程度，降低設(shè)計人員解算尺寸鏈的勞動強度，提出了基于UG的二次開發(fā)計算機輔助工藝尺寸鏈計算軟件?？旖荨蚀_和方便地進行三維工藝尺寸鏈計算，提高企業(yè)研發(fā)能力，縮短研制周期，提高產(chǎn)品質(zhì)量，是研制和生產(chǎn)中應加以解決的重要問題[1]。

1尺寸鏈解算方法

1.1尺寸鏈

尺寸鏈是用來確定某些表面間相互位置的一組尺寸,是按一定的次序首尾相連而組成封閉的鏈環(huán)。尺寸鏈計算結(jié)果的正確性是保證零件質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一。目前，尺寸鏈計算方法主要有極值法和概率法2種：1)極值法計算尺寸鏈是以保證完全互換為基本出發(fā)點，而不考慮各環(huán)實際尺寸分布特性的影響，通常是由各組成環(huán)的極限尺寸計算出封閉環(huán)的極限尺寸，從而求得封閉環(huán)的公差；2)概率法是從保證大數(shù)互換著眼，根據(jù)各組成環(huán)的實際尺寸在公差帶內(nèi)的分布情況，按某一置信概率求得封閉尺寸的實際分布范圍，從而求得封閉環(huán)的公差。單件/小批量生產(chǎn)建議采用極值法計算封閉環(huán)的公差，而大批量生產(chǎn)建議采用概率法計算封閉環(huán)的公差。

按照本院產(chǎn)品制造特點和質(zhì)量管理要求，本文采用極值法進行工藝尺寸鏈計算。目前，采用極值法計算機輔助工藝尺寸鏈求解主要有圖論法和矩陣法2種。圖論法是篩選零件的組成環(huán)，然后以坐標軸為參考方向，將組成環(huán)的尺寸鏈向坐標軸進行投影，利用公差極限值來求解尺寸鏈；矩陣法是利用每個面的信息列矩陣后相乘解算尺寸鏈?？舍槍Σ煌愋偷某叽珂満筒煌膽铆h(huán)境，來選擇不同的解算方法。本文采用圖論極值法和MBD模型來解算工藝尺寸鏈。

1.2圖論極值法處理流程

采用圖論法處理尺寸鏈就是基于零組件幾何圖形的尺寸線標注，以尺寸標注的基準為起點，沿著分析的尺寸鏈封閉環(huán)向前搜索，遇箭頭拐彎，逆箭頭方向橫向追蹤，遇圓點向上折，繼續(xù)向上追蹤，尋找箭頭，遇箭頭拐彎，遇圓點再向上折，直至兩追蹤線交于一點，追蹤路徑所經(jīng)工序尺寸為尺寸鏈的組成環(huán)。要解算尺寸鏈中的未知環(huán)，就要知道尺寸鏈每個環(huán)的增減性，根據(jù)追蹤結(jié)果，可以判斷尺寸鏈中組成環(huán)的增減，從封閉環(huán)左端出發(fā)逆向環(huán)繞來判斷尺寸鏈中各組成環(huán)的增減性，并進行尺寸鏈未知環(huán)的具體解算。

工序余量是由相關(guān)的各工序尺寸確定的，工序余量是封閉環(huán)，工序余量的公差等于各相關(guān)工序尺寸公差之和。確定工序余量公差的關(guān)鍵是尋找影響余量的各工序尺寸，查找工序余量相關(guān)尺寸的方法仍然用尺寸搜索法。例如，某零件的工藝尺寸鏈圖(見圖1)。查找工序余量Z5相關(guān)的尺寸鏈組成環(huán)，左、右同時向上搜索，遇到A5箭頭，逆向右搜索，遇圓點向上折，遇到A3箭頭向左搜索，這時與Z5左側(cè)的搜索線交于一點，結(jié)束搜索?？梢钥闯?，由封閉環(huán)Z5組成的尺寸鏈包含A5和A3等2個組成環(huán)，由增減性可以判斷出A5為減環(huán)，A3為增環(huán)。

圖1　工藝尺寸鏈圖

根據(jù)圖論極值法，圖1零件中要計算余量Z6，應先判斷組成環(huán)的增減性。尺寸鏈圖解如圖2所示，余量的上、下偏差與尺寸鏈封閉環(huán)余量的計算方法相同。尺寸鏈計算公式如下：

Z6=A3+A6-A2-A5

(1)

圖2　尺寸鏈圖解

由上述例子可以看出，利用尺寸鏈追蹤法解算尺寸鏈是比較直觀易懂的方法，關(guān)鍵是找到一個尺寸鏈，再通過追蹤的路徑判斷尺寸鏈中組成環(huán)的增減性，利用尺寸鏈計算公式即可解算尺寸鏈。

2基于MBD的圖論極值法

2.1建立尺寸鏈求解數(shù)學模型

繪制正確的尺寸鏈圖是求解尺寸鏈的前提。尺寸鏈是客觀存在的，不能拋開實際，空想假設(shè)尺寸關(guān)系，一旦尺寸鏈繪制錯誤，那么再精確的求解也只能是徒勞；因此，在求解尺寸鏈時，應繪制正確的尺寸關(guān)系，即從實際出發(fā)，弄清零件的加工工藝或機器裝配工序，以及尺寸間的相互關(guān)系，從而繪制出正確的尺寸鏈圖。

找出尺寸鏈圖的封閉環(huán)是求解尺寸鏈的關(guān)鍵。尺寸鏈的環(huán)有增環(huán)、減環(huán)，而要區(qū)分增環(huán)與減環(huán)，首先應找出閉環(huán)(閉環(huán)是在零件加工或機器裝配過程中最后形成的一環(huán))，然后給閉環(huán)任意方向畫上箭頭，沿此箭頭方向環(huán)繞尺寸鏈回路，順序給每一組環(huán)畫上箭頭。箭頭方向與封閉環(huán)相反的為增環(huán)，相同的為減環(huán)。計算機解算尺寸鏈流程圖如圖3所示。

圖3　計算機解算尺寸鏈流程圖

在尺寸鏈數(shù)學模型增減環(huán)、公差屬性定義中規(guī)定，增環(huán)基本尺寸及對應的上、下偏差與尺寸鏈圖標注相同(即系統(tǒng)默認)，減環(huán)基本尺寸冠以負號，上、下偏差對調(diào)變號，將各列數(shù)作代數(shù)加法，即可求出所求環(huán)的基本尺寸及偏差。通常情況下，最后一道工序?qū)ΡＷC加工精度是最重要的，所以一般只對各表面最后一道工序的工序余量進行校核和驗算。具體方法是據(jù)有關(guān)工藝資料和生產(chǎn)經(jīng)驗確定最小工序余量，驗算最后一道工序的工序余量是否超差。若超差，則應重新調(diào)整工序尺寸和毛坯尺寸公差，取低一級的經(jīng)濟精度公差值，代入尺寸公差矩陣方程，校核余量公差是否合格。

2.2基于MBD模型的尺寸鏈處理

MBD是基于模型的數(shù)字化定義，它是一個用集成的三維實體模型來完整表達產(chǎn)品定義信息的方法體，其詳細規(guī)定了三維實體模型中的產(chǎn)品尺寸、公差的標注規(guī)則和工藝信息的表達方法。采用MBD技術(shù)進行工藝模型定義，可以按需將MBD模型投影到所需的工程視圖中，MBD的三維尺寸自動映射在工程視圖上。以往計算機輔助創(chuàng)建的二維工藝模型中的工程尺寸和公差與幾何模型關(guān)聯(lián)程度不夠，模型更改后工程尺寸和公差通常不做自動修改。采用MBD技術(shù)定義工藝模型，使計算機輔助處理工藝尺寸鏈成為可能。

3軟件開發(fā)及應用

3.1軟件開發(fā)

VB.NET(Visual Basic. NET)是從Visual Basic語言演變而來，是一種為高效地生成類型安全和面向?qū)ο蟮膽贸绦蚨O(shè)計的語言，它繼承了Visual Basic具有的安全性和語言互操作性的優(yōu)點。根據(jù)VB.NET軟件開發(fā)的簡易性，筆者選用VB.NET對UG軟件進行二次開發(fā)，并設(shè)計了計算機輔助平面尺寸鏈計算的主要操作界面(見圖4)。操作界面主要包括封閉環(huán)、組成環(huán)和視圖的選擇，以及平面尺寸鏈已知信息的選擇?；贛BD視圖顯示所有相關(guān)標注(如幾何特征基本尺寸、尺寸公差和技術(shù)要求等)，工藝員通過鼠標點擊屏蔽(刪除)與工藝尺寸鏈計算無關(guān)的信息(如幾何公差、表面粗糙度)；同時，導入在組成環(huán)中未標公差的特征處理(即按一般公差補充相應公差)。完成工藝尺寸鏈基本信息后，點擊系統(tǒng)應用界面的計算封閉環(huán)，系統(tǒng)自動計算并顯示結(jié)果。通過查詢，可以顯示通過投影法生產(chǎn)的尺寸鏈方程表達式。右側(cè)部分是視圖轉(zhuǎn)換按鈕，主要是轉(zhuǎn)換UG軟件三維界面下的視圖，解算某個平面內(nèi)的尺寸鏈時需要轉(zhuǎn)換視圖方向，方便用戶查找組成環(huán)信息。

圖4　自動解算尺寸鏈主界面

3.2軟件應用

根據(jù)本院要求，項目選用VB.NET對UG軟件進行二次開發(fā)。由于內(nèi)容較多，本文只簡單介紹開發(fā)的主要內(nèi)容和尺寸鏈的解算過程，并驗證尺寸鏈的計算結(jié)果等。MBD工藝模型中尺寸及相關(guān)公差數(shù)據(jù)如圖5所示，尺寸鏈計算結(jié)果界面中的數(shù)據(jù)主要是結(jié)構(gòu)化工程尺寸和公差數(shù)據(jù)處理過程。通過點選MBD模型上的尺寸鏈信息，完成組成環(huán)，在相應的目錄下，自動調(diào)用這些數(shù)據(jù)并顯示在該界面中，這些數(shù)據(jù)保證能計算尺寸鏈所需的所有數(shù)據(jù)。點擊“計算封閉環(huán)”按鈕，即可對導入的尺寸鏈數(shù)據(jù)進行計算。在界面的封閉環(huán)信息框中顯示基本尺寸、上下偏差尺寸和封閉環(huán)計算結(jié)果。

圖5　CAD工藝尺寸圖表

在計算結(jié)束后，應對所獲得的封閉環(huán)信息進行校核，同時分析公差是否滿足設(shè)計、加工要求以及誤差累計等數(shù)值信息，供工藝人員參考。從界面信息中可以看出，包含該零件所有尺寸信息以及組成環(huán)、封閉環(huán)信息，大大節(jié)約了工藝人員手工解算尺寸鏈的時間，提高了工藝人員的工藝規(guī)程編排效率，也保證了工藝尺寸鏈計算的準確性。

4結(jié)語

本文將UG軟件二次開發(fā)尺寸鏈的計算應用于工程實際中，利用VB.NET的強大功能，成功實現(xiàn)了工藝過程尺寸鏈的計算機輔助計算和工藝圖表的繪制，完成了尺寸鏈組成環(huán)的選取，以及封閉環(huán)的計算與校核。該計算方法的特點是：1)工序模型與尺寸鏈一一對應，計算機能自動識別，尺寸鏈關(guān)系建立速度快；2)圖表直觀，計算結(jié)果準確、可靠；3)具有良好的人機交互性；4)極大提高了工藝技術(shù)人員的工作效率，縮短了工藝準備時間，從而加快了新產(chǎn)品的投產(chǎn)。

參考文獻

[1] 吳亞渝，應正健，劉儀，等. 基于UG產(chǎn)品工藝信息三維標注應用的探索[J]. 新技術(shù)新工藝，2013(11)：21-23.

責任編輯鄭練

The Research of the Process Chain Calculation based on MBD Model

ZHANG Yu1, DING Laijun1, JI Li2

(1.China Airborne Missile Academy, Luoyang 471009, China; 2.Shenyang Aerospace University, Shenyang 110136, China)

Abstract：While making the process design with MBD model, the process dimension chain is hard to dill. Based on research of the process dimension chain calculation method and manufacturing properties of MBD models, combined with the engineering application, the dimension chain analysis workflow is established. Thus the computer aided process dimension chain calculation model can be achieved. With the UG software platform and VB.NET language, the calculation and analysis software for process dimension chain is accomplished through the secondary development. The software is applied in the process dimension chain calculation which saves a lot of time for the process engineer and also provids stronger support for the NC programming process tolerance.

Key words:process dimension chain, MBD model, secondary development

收稿日期：2015-04-07

作者簡介：張瑜(1979-)，男，碩士，主要從事數(shù)字化裝配、分析仿真相關(guān)技術(shù)及其應用等方面的研究。

中圖分類號：TH 162

文獻標志碼:A