基于特征的零件工藝參數(shù)化變型設(shè)計

梁麗芬，王宗彥，張 鵬，莊乾宇，閆 帥

LIANG Li-fen, WANG Zong-yan, ZHANG Peng, ZHUANG Qian-yu, YAN Shuai

（中北大學(xué) 機(jī)械與動力工程學(xué)院，太原 030051）

0 引言

工藝設(shè)計作為連接產(chǎn)品設(shè)計與制造的橋梁，由于其自身的復(fù)雜性和不確定性，一直是CAPP（Computer Aided Process Planning）難以解決的問題。開發(fā)一套具有較強(qiáng)使用性的CAPP系統(tǒng)，不僅要考慮企業(yè)的產(chǎn)品特點、生產(chǎn)技術(shù)水平、加工設(shè)備和條件等，而且還應(yīng)該對已有工藝經(jīng)驗和數(shù)據(jù)進(jìn)行充分利用，擺脫工藝設(shè)計對工藝人員經(jīng)驗的依賴[1]。所以，實現(xiàn)計算機(jī)根據(jù)產(chǎn)品信息自動生成合理的加工工藝有一定的困難。

調(diào)查研究顯示，很多企業(yè)的系列化產(chǎn)品的相似度比較高，總的來說，在機(jī)械產(chǎn)品的實際設(shè)計中，將近70%～80%的產(chǎn)品是重復(fù)利用過去的零件設(shè)計或?qū)σ延辛慵M(jìn)行變型設(shè)計，只有約20%的零件是完全新設(shè)計出來的[2]。零件的結(jié)構(gòu)或特征具有相似性，則意味著零件的加工工藝也具有相似性[3]，基于這種特點，在零件的特征發(fā)生變化的情況下，將參數(shù)化技術(shù)運(yùn)用到工藝變型的設(shè)計過程中，很多問題就會得到解決。

1 參數(shù)化變型設(shè)計

參數(shù)化變型設(shè)計是利用參數(shù)化技術(shù)，對模板的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，以設(shè)計要求的主參數(shù)為自變量，非關(guān)鍵參數(shù)為函數(shù)值的一種驅(qū)動機(jī)制。不僅包括通過對主特征驅(qū)動尺寸的修改實現(xiàn)三維模型的變型設(shè)計，還包括工程圖的自動調(diào)整，以及零件的工藝規(guī)程規(guī)劃的參數(shù)化變型設(shè)計[4]。

1.1 基于特征的零件參數(shù)化變型設(shè)計

在機(jī)械設(shè)計制造中，特征驅(qū)動是指零件幾何形狀結(jié)構(gòu)特征或者非幾何特征參數(shù)變化引起零件的結(jié)構(gòu)、功能及其制造工藝的變化。通常情況下，零件是由一些特征通過某些關(guān)系組合的，把對零件的最終結(jié)構(gòu)和功能起決定性的特征規(guī)定為主特征，通過修改主特征的參數(shù)來實現(xiàn)零件的變型設(shè)計，零件上其他的特征的改變都是通過主特征或者約束關(guān)系確定的[5]。

1.2 基于特征的工藝參數(shù)化變型設(shè)計

基于特征的零件工藝參數(shù)化變型設(shè)計是將已經(jīng)完成的工藝設(shè)計由變量表示，其中，主特征為主參數(shù)，生成參數(shù)化工藝設(shè)計模板，并將其記錄在工藝模板數(shù)據(jù)庫中；在設(shè)計新零件的工藝時，按照用戶的具體需要，通過修改相應(yīng)的變量來實現(xiàn)工藝的變型設(shè)計。

工藝變型的實質(zhì)是在三維CAD軟件和加工特征工藝模板庫的協(xié)助下一系列參數(shù)化的集合。為了實現(xiàn)零件工藝的變型，必須對加工工藝路線和工序卡片進(jìn)行變型，工藝路線的變型是對零件加工過程的工序進(jìn)行增加、修改或刪除，而工序卡片的變型是對零件尺寸的改變、文字和數(shù)字信息的變化，以及加工所需要的刀具和裝備的重新選擇。

如圖1所示，零件的變型是工藝變型的基礎(chǔ)，零件工藝變型設(shè)計是通過零件參數(shù)的變化來驅(qū)動工藝參數(shù)的。所以，分別建立零件參數(shù)表和工藝參數(shù)表，工藝參數(shù)表中的參數(shù)是從加工工藝路線和工序卡片中提取出來的，能夠完整的表達(dá)零件加工的全部特性，并且與零件的三維模型保持相關(guān)聯(lián)。如此，當(dāng)零件的三維模型發(fā)生變型時，零件參數(shù)表會驅(qū)動工藝參數(shù)表發(fā)生變化，而工藝參數(shù)表可以驅(qū)動工藝變型實現(xiàn)快速工藝變型設(shè)計。

2 工藝變型設(shè)計流程

圖1 基于特征的工藝變型設(shè)計原理圖

基于特征的零件工藝參數(shù)化變型設(shè)計包括整體設(shè)計和詳細(xì)設(shè)計兩個階段，如圖2所示。在整體設(shè)計階段，系統(tǒng)根據(jù)設(shè)計需求與數(shù)據(jù)庫中的工藝模板進(jìn)行比較，判斷是否存在與該零件工藝相似的工藝，如果有就借用，否則，需要對零件進(jìn)行重新設(shè)計。

圖2 工藝變型流程圖

如果借用典型工藝模板，則進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計：系統(tǒng)根據(jù)交互界面輸入的信息，完成零件三維模型變型，并自動提取零件參數(shù)，完成工藝模型的驅(qū)動，并提取每道工藝路線中包含的尺寸信息和特征信息，最后在自動生成工序簡圖以及工藝卡片，如果符合要求，則輸出工藝文件，并把零件模型及工藝參數(shù)加入實例庫，作為新的實例。如果不符合要求，對工藝進(jìn)行重新設(shè)計。

2.1 制定工藝參數(shù)化模板

工藝的最后形式是以工藝卡片表現(xiàn)的，新零件的工藝生成是在可編輯的已有工藝模板上完成的，支持變型的工藝參數(shù)化模板如圖3所示，工藝模板的參數(shù)化依靠數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)參數(shù)傳遞。當(dāng)零件的信息發(fā)生變化時，引起工藝數(shù)據(jù)庫變化，數(shù)據(jù)庫中單元索引表的字段與工藝模板中單元格的參數(shù)內(nèi)容相關(guān)聯(lián)，數(shù)據(jù)庫會把該信息準(zhǔn)確無誤的傳遞給工藝模板，從而實現(xiàn)工藝變型。

圖3 支持變型設(shè)計的工藝模板

2.2 三維模型的變型設(shè)計

零件三維模型的變型是工藝變型的基礎(chǔ)，實現(xiàn)零件的變型同時也生成新零件的工程圖，再對工程圖進(jìn)行修改，就可以實現(xiàn)工序簡圖的自動生成。

2.3 工藝路線的變型設(shè)計

工藝路線指利用所有的加工資源設(shè)計出從毛坯到零件的詳細(xì)加工過程，當(dāng)對零件進(jìn)行變型設(shè)計時，其工藝路線也會隨之改變。加工工藝路線的變型設(shè)計主要包括兩類：1）當(dāng)零件模型尺寸變型時，工藝路線或工序中工步數(shù)值型參數(shù)的變化；2）當(dāng)零件模型結(jié)構(gòu)變型時，工藝路線中工序的內(nèi)容需要修改、增加、刪除。

2.4 工序簡圖的變型設(shè)計

工藝變型設(shè)計過程中最重要同時也是最繁瑣的就是工序簡圖的變型，基于特征的工藝變型省去了重新畫工序簡圖的步驟，而是利用工程圖生成工序簡圖[6]。工程圖會根據(jù)零件的變型驅(qū)動發(fā)生相應(yīng)的變化，可能會出現(xiàn)視圖比例不合適、粗糙度信息的混亂等，需要對工程圖進(jìn)行調(diào)整，最后，對工程圖進(jìn)行屬性修改或添加，就可以生成工序簡圖。

2.5 工藝卡片的變型設(shè)計

圖4 工藝卡片的變型過程

工藝卡片的變型過程如圖4所示，模型的變化會引起工藝路線以及工序簡圖的變化，最終引起每一道工序和工藝模型的變型，工藝數(shù)據(jù)庫會把改變的內(nèi)容保存下來，替換原來的舊數(shù)據(jù)。工藝卡片的變型實質(zhì)就是操作數(shù)據(jù)庫、傳遞參數(shù)的過程，將工藝卡片的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)提前在數(shù)據(jù)庫中設(shè)置好，這些結(jié)構(gòu)中的內(nèi)容會隨著參數(shù)的驅(qū)動顯示不同內(nèi)容，就會呈現(xiàn)不同的工藝卡片，從而實現(xiàn)了工藝卡片的變型。

3 應(yīng)用實例

以某企業(yè)的板類零件為研究對象，零件的三維模型如圖5所示?？梢钥闯觯慵闹饕庸ぬ卣魇强缀推矫?，加工該零件主要是在銑床上進(jìn)行，孔的常用加工方法有鉆、擴(kuò)、鉸、鏜、磨，根據(jù)企業(yè)的要求選擇不同的加工方式，可以加工出不同精度的孔。

圖5 板類零件圖

1）零件信息輸入。當(dāng)對零件進(jìn)行工藝設(shè)計時，系統(tǒng)會根據(jù)用戶提交的數(shù)據(jù)判斷零件的類型（平板件、長體件、方體件）。當(dāng)確定零件以后，需要對零件的加工單元進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，如圖6所示，然后在實例庫中檢索是否存在此類型零件。

2）零件幾何參數(shù)化。用戶將零件的設(shè)計參數(shù)輸入界面后，系統(tǒng)會根據(jù)輸入的參數(shù)自動輸出相應(yīng)的零件模型，如果生成的零件不符合實際要求，需要對生成的零件進(jìn)行修改才能完成零件模型的建立。零件模型完成以后，會將零件的主要參數(shù)保存在數(shù)據(jù)庫中。

3）零件工藝路線參數(shù)化。當(dāng)零件的尺寸或結(jié)構(gòu)參數(shù)化驅(qū)動完成后，自動提取模型的各個參數(shù)，并根據(jù)工藝要求的精度等級和表面粗糙度等信息確定孔和平面的工藝路線，把工藝信息寫入到數(shù)據(jù)庫中，并更新對應(yīng)的工藝卡片，實現(xiàn)零件模型、數(shù)據(jù)庫和工藝卡片的統(tǒng)一性與同步更新，彈出工藝設(shè)計界面如圖7所示，用戶還可根據(jù)需要添加，修改或刪除工序。

圖6 加工單元編碼窗口

圖7 工藝設(shè)計界面

4）自動生成工藝卡片。工藝卡片中工序簡圖的自動生成和更新是通過對工程圖進(jìn)行屬性修改或添加，替換工藝卡片中舊的工序簡圖實現(xiàn)的。最后，通過數(shù)據(jù)庫參數(shù)對工藝卡片的其他信息進(jìn)行更新。

所有的工序設(shè)計實現(xiàn)以后，系統(tǒng)會調(diào)用Excel接口程序，將工藝內(nèi)容放到工藝卡片對應(yīng)的位置生成文件存儲到數(shù)據(jù)庫中方便查看和下載。生成的新的工藝模型及信息會存儲到相應(yīng)位置作為新的模板擴(kuò)充實例庫，供下次檢索時使用。

4 結(jié)束語

基于特征的零件參數(shù)化工藝變型設(shè)計技術(shù)，是針對企業(yè)對CAPP系統(tǒng)具有實用性和智能性的要求而提出的，最大的特點是通過修改主特征參數(shù)，即可生成所需三維模型，并通過對工藝過程的參數(shù)化設(shè)計來實現(xiàn)一系列結(jié)構(gòu)相似或工藝相似的零件工藝變型設(shè)計。有效提升了CAPP系統(tǒng)的智能性、同時滿足了企業(yè)系統(tǒng)實用性的要求，為從零件的設(shè)計到加工制造的集成提供了一條有效途徑。

[1]李群力,王宗彥,鄭江,等.基于三維參數(shù)化模型的裝配CAPP系統(tǒng)研究[J].制造業(yè)自動化,2013,35(10)：120-122.

[2]喬虎,莫蓉,陳濤,等.變型設(shè)計知識庫構(gòu)建方法研究[J].中國機(jī)械工程,2011,22(16)：1974-1980.

[3]張迪.大規(guī)模定制環(huán)境下基于工藝相似性的工時模塊化方法研究[D].重慶：重慶大學(xué),2014.

[4]虞國軍,徐亮,王宗彥,等.基于參數(shù)化變型設(shè)計的工藝信息統(tǒng)計[J].組合機(jī)床與自動化加工技術(shù),2012(4)：100-103.

[5]景三虎.基于工藝模板的回轉(zhuǎn)類零件工藝變型設(shè)計研究[D].山西：中北大學(xué),2012.

[6]王飛飛,盛步云,肖聃.基于三維的工藝變型設(shè)計研究與實現(xiàn)[J].機(jī)械制造,2009,47(7)：62-65.