第17卷第9期2011年9月
计算机集成制造系统
Computer Integrated Manufacturing Systems
Vol. 17No. 9Sep. 2011
文章编号:1006-5911(2011) 09-1873-07
机加工艺设计的三维新模式研究
万 能, 常智勇, 莫 蓉
(西北工业大学现代设计与集成制造技术教育部重点实验室, 陕西 西安 710072)
摘 要:针对传统二维机加工艺设计中工艺表达不直观、工艺更改繁琐等问题, 研究了三维环境下机加工艺设计的新模式。提出了以三维机加工序模型作为工艺信息载体的思路, 提出了包括三维机加工艺设计、三维机加工艺管理和三维机加工艺现场应用反馈的闭环体系结构。分析了三维环境下机加工序模型的组成元素, 提出了机加工艺本体向三维几何建模本体转换的方法和三维工艺标注的继承方法, 以辅助工艺员直接面向机加工艺知识生成三维工步与工序模型。研究了三维机加工艺卡片的组成结构, 建立了三维机加工序模型中工艺表达元素与工艺卡片元素之间的映射关系。最终实现了三维环境下的机加工艺设计。
关键词:三维机加工艺; 计算机辅助工艺规划; 工序模型; 工艺本体中图分类号:T P391. 72 文献标志码:A
Three -dimensional new mode of machining process planning
W A N N eng, CH A N G Zhi -y ong, M O Rong
(Key Lab of Co ntempor ary Design and Integ rated M anufacturing T echnolog y, M inistr y of Education,
N or thw estern Po ly technical U niversit y, X i p an 710072, China)
Abstract:Aiming at ambig uous ex pression and miscellaneo us changes of process in machining process planning under 2D en -vir onment, a new process planning mode under T hree -Dimensional(3D ) environment was proposed in which 3D pr ocess model w as taken as the carr ier fo r process information. A closed -loop architecture including desig n, data management and on -site application feedback of 3D machining process was put for ward. T he constitutio n elements of 3D machining pr ocess planning w ere analyzed. T he transfor mation method from machining process o ntolog y to g eometric modeling ontolo gy and 3D annotation inheritance method were proposed. T her efore, 3D procedure model could be obtained from pro cess desig ner oriented to machining process knowledg e directly. T he composition structure of 3D machining process chart was studied. T he mapping r elationship between process ex pression elements and pr ocess char t elements in 3D machining process models wer e established to implement machining process planning under 3D environment.
Key words:three -dimensional machining process; computer aided process planning; procedure model; process ontology
0 引言
目前, 机加工艺设计的工作模式是建立二维工艺
卡片的过程, 在计算机辅助工艺规划(Computer A-i ded Process Planning, CAPP) 系统中绘制工序模型的二维工程简图, 填写工艺规程/工序/工步等信息, 最后打印形成纸质工艺卡片并在制造现场应用。传统的二维机加工艺设计系统主要存在如下缺点:¹二维
工序图绘制繁琐, 常常采用简化绘制, 有时容易产生歧义; º工序/工步信息与工序图之间的映射不直观, 常存在歧义; »无法为后期的加工检测与容差分析提供三维数据模型; ¼工艺更改的工作量大, 可能导致工序简图的大范围人工更改。目前市场上有部分工艺设计产品实现了面向装配工艺的设计仿真, 利用三维装配动画表达装配工艺过程。但面向机加工艺设
-2]
计仍然没有突破二维工艺卡片与简图的局限[1。
收稿日期:2010-09-30; 修订日期:2011-01-14。Received 30Sep. 2010; accepted 14Jan. 2011.
基金项目:国家863计划资助项目(2007AA04Z184) 。Fo undatio n item:Project supported by the National H igh -Tech. R&D Program, China
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计算机集成制造系统第17卷
机械加工仍然以二维工艺卡片为制造依据的主要原因是:¹现阶段三维计算机辅助设计(Comput -er Aided Design, CAD) 平台还未在工艺设计环节普及; º工艺员习惯于编制二维工艺卡片, 未建立以三维模型作为机加工艺设计数据源的思路; »与三维CA D 技术相应的标准和数据管理方法尚未建立, 而改变现有机加工艺设计方法会带来风险; ¼机加工艺更改繁琐的问题还未引起重视, 暂时还不是工艺设计中的瓶颈问题。
为改变二维环境下机加工艺设计存在的不足, 本文研究了三维环境下机加工艺设计的关键技术, 扩展三维CAD 平台作为三维机加工艺设计平台, 以三维工序模型作为工艺信息载体表达与记录工艺符号, 建立三维环境下的机加工艺设计能力。
三维工艺符号表达工艺要求, 以结构化工艺卡片描述工艺过程, 最终生成三维机加工艺规程, 以替代原有纸质二维机加工艺卡片。
(2) 三维机加工艺规程管理 作为三维机加工艺设计结果, 三维机加工艺规程由产品数据管理(Prod -uct Data Management, PDM) 系统负责管理。平台层将企业现有的PDM 系统作为三维工艺规程的数据管理环境, 为三维机加工艺提供基础管理平台, 避免在多个系统中维护多套工艺数据。工具层包含PDM 的典型管理模块, 数据管理工具负责存储三维机加工艺规程, 并建立与产品设计模型之间的主模型关系。审签流程管理工具负责三维机加工艺的发布与审签控制。版本管理工具负责三维机加工艺规程更改后的版本升级维护。权限管理工具负责控制三维机加工艺规程在数据管理过程中的权限控制。模型层是由三维机加工艺设计环节传递的三维机加工艺规程包。
(3) 三维机加工艺现场应用 为机加工现场提供三维机加工艺的查询浏览环境。平台层采用Web 与轻量化技术建立工艺浏览环境, 提供对轻量化三维工序模型的显示与交互能力。工具层中的工艺规程解释工具负责解析三维机加工艺规程包, 获得三维工序模型与机加工艺卡片。工序模型轻量化工具负责将三维工序模型转化为轻量化三维模型。工艺模型表达工具负责提供轻量化工序模型的交互浏览能力。工艺规程重构工具负责重新建立机加工艺卡片与轻量化工序模型之间的映射关系, 实现三维工艺浏览。模型层包括轻量化三维工序模型、轻量化三维工艺符号和机加工艺卡片。
(4) 三维机加工艺更改反馈 在加工现场建立工艺更改反馈环境, 制造人员将工艺更改建议反馈给工艺员, 工艺员根据建议调整工艺规程, 实现工艺更改。平台层是基于Web 技术建立的工艺更改反馈环境。工具层中的工艺建议录入工具负责录入制造人员对工艺改进的建议。工序模型更改截图工具负责为工艺改进提供二维截图, 以更直观地表达更改信息。工艺建议反馈工具负责将封装工艺更改信息反馈给工艺员。模型层包括工艺更改建议包, 工艺更改建议包以可扩展标记语言(eXtensible M ark -up Language, XM L) 形式结构化描述, 对应三维机加工艺规程中的相应修改节点。
由此, 形成了三维机加工艺体系环境下工艺设计y 工艺管理y 工艺应用y 工艺反馈的闭环结构, 11 三维机加工艺设计体系
三维机加工艺设计系统是利用三维手段实现机械加工的工艺设计与应用。系统可分为三维机加工艺设计、三维机加工艺规程管理、三维机加工艺现场应用和三维机加工艺改进反馈四个阶段。
定义1 三维机加工艺设计环境是基于成熟三维CA D 系统, 面向机械加工特征而扩展的三维机加工艺设计环境。
定义2 三维机加工艺规程是对三维机加工艺设计结束后产生的数字化工艺规程结果, 包含三维机加工序模型与工艺卡片。
(1) 三维机加工艺设计 目前三维设计技术已经成熟, 众多主流CAD 系统已经开始成为开放式设计平台, 能够容纳各类面向行业的专业设计工具。本文基于模型的定义(M odel Based Definition, MBD) 方法建立统一的三维机加工艺模型, 使其成为加工、分析和检测的数据依据
[2-3]
。平台层利用成
熟三维CAD 系统作为三维机加工艺设计环境, 提供三维表达的基本条件与手段。工具层基于平台层建立面向三维机加工艺设计的工序/工步模型生成辅助工具, 辅助工艺员面向工艺知识生成三维工序模型[3-4]。工艺符号标注工具辅助在三维环境下标注工艺符号, 建立工艺符号与工序模型之间的关联。机加工艺卡片工具是辅助工艺员建立机加工艺过程的结构化描述, 同时建立它与三维工艺符号之间的映射关联。工艺规程封装工具封装三维机加工艺产生的工艺信息, 生成三维机加工艺规程包。模型层以
第9期万 能等:
机加工艺设计的三维新模式研究
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2 三维机加工序模型研究
三维工序模型表达了各工序加工后的三维状态和各工序的加工约束, 三维工序模型不仅能更加直观地表达加工结果, 还可以为工艺分析和加工检测提供数据来源[5]。
定义3 三维机加工序模型是在三维机加工艺设计环境中, 利用三维手段表现工序加工结果, 承载机加工艺信息的模型。对于某一零件的三维机加工艺, 记工序模型集合为M, 三维几何模型为G, 工艺装备几何为E, 工艺符号为A 。则三维机加工序模型为:
M =(G , E, A ) , (1)
m i I M, g i I G, E i s
具。这样既可以提高工步模型设计效率, 又可以在设计过程中收集工艺信息, 为工艺分析提供数据来源。
在设计过程中, 工艺员输入工步所需的工艺本体包括工艺方法M 、工艺拓扑T 和工艺参数P 。工艺方法M 表达加工方法, 其中隐含了加工的特定规律, 例如车加工是回转形式。工艺方法可映射为建模本体中的成型特征。工艺拓扑T 表达了加工后的形态, 隐含了工步模型中加工面的拓扑特征, 例如成型面的轮廓线。工艺拓扑可映射为建模本体中的草图特征。工艺参数P 表达了加工过程中所需的尺寸参数, 隐含了加工量的值, 例如加工余量和刀具进给量, 可映射为建模本体中的特征参数, 如图2所示。利用工艺本体转化为三维建模本体, 可以生成工件在该工步中加工余量的三维实体, 记为T S 。利用上一步三维工步模型实体与TS 做布尔差, 可得到本道工步三维模型实体。
[6]
m i ={g i , E i , A i }, E i =p G e ip , =1
t
(3)
式中:s 为第i 道工序所包含的工艺装备的个数, A i =q G a iq , t 为第i 道工序所包含的工艺标注的个数。=1
三维工序模型由该工序所包含的三维工步模型演变生成, 工艺员可以通过输入工艺信息生成工序
中的每道工步模型, 直至获得工序模型。工艺员输入工艺信息即工艺本体, 将其映射为三维CAD 系统的建模本体, 使工艺员能够面向机加工艺知识设
计工步模型几何, 而不是直接面对三维几何建模工
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计算机集成制造系统第17卷
三维工艺标注是附加在三维工序模型之上、用以表达制造要求的符号信息。在三维机加工艺设计环境中, 工艺标注可分为尺寸标注、形位公差标注、工装符号标注和加工特征标注。尺寸标注和形位公差标注的附加对象为三维工序模型上的几何对象。工装符号用以表达加工过程中工装的使用方法及其与工件之间的位置关系。加工特征标注用于更加直观地表达如加工面、加工基准等工艺特征。工艺设计过程中, 工艺标注也分散在各个工步模型中。后期的工艺分析和改进可以从工步模型上获取工艺数据, 为基于工步粒度的三维工艺分析奠定基础。而工序模型表达该工序内各工步制造结果的要求, 因此工序模型需要自动继承各个工步上的工艺标注。
三维工艺标注可以记为四元组:A nnotation ={A Ty p e, A Value, A P lace, A Obj ect}。式中:A Ty p e 是工艺标注的类型, 包括所有GDT (g eometric d-i m ensioning and tolerance) 符号类型、自定义的工装符号类型和加工特征符号类型; A Value 是工艺的值; A Place 是三维工艺标注在工序模型中的放置位置; AObj ect 是三维标注所依附的几何对象集合。
假设1 某工序内的工步模型集合为S T ={st 1, st 2, , , st i }, i I N , 演变而成的工序模型为p r 。
假设2 工步模型st i 对应的工艺标注集合为AN (st i ) ={an i 1, an i 2, , , an ij }, i, j I N , 为每一个an ij 设置属性UI D, 其值为随机分配的唯一标志uid ij 。
假设3 an ij 标注的几何对象集合为OBS et (an ij ) ={ob ij 1, ob ij 2, , , ob ijk }, i, j , k I N , 为每个ob ij k 设置属性Ob UID , 其值为随机分配的唯一标志obuid ijk 。
假设4 在三维机加工艺卡片中以obuid ijk 为键名, 以uid ij 为键值, 建立两者之间的双向映射关系, 形成Map p ing(obuid ij k , uid ij ) , i, j , k I N 。
在工序模型上继承工步模型的工艺标注方法如下:
步骤1 在一道工序内, 工步模型st m +1是在继承工步模型st m 的几何对象的基础上演变而来, 它继承了工步模型st m 所包含几何对象的Ob UI D 属性, 其中m I N 。
步骤2 工序中最后一道工步模型st i 的几何对象作为该道工序的工序模型p r 的几何对象, 并继步骤3 在p r 中遍历带有Ob UI D 属性的几何对象, 获得各几何对象的属性值obuid ijk , 记为集合WaitObuidSet, 即工序模型中可能需要标注的几何对象的唯一标志集合。
步骤4 遍历集合WaitObuidSet 中的各元素, 在M ap p ing (obuid ij k , uid ij ) 中检索到obuid ij k 对应的uid ij 。
步骤5 在M ap p ing (obuid ijk , uid ij ) 中, 通过uid ij 检索到与其映射的obuid ijk , 记为集合RqO -buidS et 。检索R qObuidSet 中的每一个元素是否在obuidL ist 中都存在。如都存在, 则uid ij 所标注的几何对象完备; 否则uid ij 所标注的几何对象不完备。
步骤6 如果标注几何对象完备, 则在RqO -buidS et 包含的各几何对象上创建标注uid ij 。如果标注几何对象不完备, 则不需要继承该工艺标注。
通过基于工步模型的标注继承方法, 可以实现工步粒度的制造要求表达, 为机加工艺的分析提供数据基础, 同时也可以满足现场应用对三维工序模型的要求。
3 三维机加工艺卡片研究
三维工序模型与工艺符号是基于三维CAD 模型表达工序结果与制造要求。而三维机加工艺卡片则表达机械加工过程信息。对加工过程按工序/工步组织信息, 形成工序视图与工步视图。并建立三维工序模型中几何要素与工艺卡片信息之间的映射关系, 利用XM L 技术按工艺视图组织在系统后台结构化存储加工过程信息。
机加工艺卡片是在三维机加工艺设计环境中建立的工艺步骤描述。记机加工艺卡片为S, S ={R, P , W , E, V, A }, 其中R 为工艺规程信息, P 为工序信息, W 为工步信息, E 为工装信息, V 为工序视图信息, A 为加工区域。
工艺规程信息描述工艺手册的总体信息; 工序信息描述单个工序的总体信息; 工步信息描述单个工步的总体信息; 工装信息记录工序工步所需的刀具、夹具、机床和量具等工艺装备; 工序视图记录三维工序模型最能清晰表现工艺信息的视图方向; 加工区域记录加工所涉及的范围区域。
假设5 记工艺规程的唯一标志集合为SC, 工序的唯一标志集合为PR , 工步的唯一标志集合为f ::S [7-9]
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P p r i I P R, v ! sc j I SC, 使得f 1(p r i ) =sc j
成立, i I N , j I N ;
P st k I ST , v ! p r i I PR , 使得f 2(st k ) =p r i
成立, i I N , k I N 。
即对于任何一个工序对象的实例, 有且仅有一个工艺规程对象实例与之关联。对于任何一个工步对象的实例, 有且仅有一个工序对象实例与之关联。假设6 记工艺装备的唯一标志集合为EQ, 工序视图的唯一标志集合为F V, 加工区域的唯一标志集合为M A, 则存在f 3:E Q y ST , f 4:F V y ST 和f 5:M A y P R, 满足:
P eq m I EQ, v st k I S T, 使得f 3(eq m ) =st k 成立, m I N , k I N ;
P f v n I F V, v p r i I PR , 使得f 4(f v n ) =p r i 成立, n I N , i I N ;
P ma h I M A, v p r i I P R, 使得f 5(ma h ) =p r i 成立, h I N , i I N 。
即对于任何一个工艺装备对象的实例, 至少存在一个工步对象实例与之关联; 对于任何一个工序视图和对象视图, 至少存在一个工序对象实例与之关联; 对于任何一个加工区域对象实例, 至少存在一个工序对象实例与之关联。
假设7 记三维工艺标注类型的唯一标志集合为PT , 三维工艺标注的唯一标志集合为A N , 则存在f 6:AN y PT 与f 7:P T y ST , 满足:
P an p I A N , v ! p t q I P T, 使得f 6(an p ) =p t q
成立, p I N , q I N ;
P p t q I PT , v st k I ST , 使得f 7(p t q ) =st k 成立, q I N , k I N 。
即对于任何一个三维工艺标注对象实例, 有且仅有一个工艺标注对象实例与之关联; 对于任何一个工艺标注类型对象实例, 至少存在一个工步对象实例与之相关联。
假设8 记工艺更改建议包为PM , 更改工序为P RM, 更改工步为ST M, 则存在f 8:P RM y PM 与f 9:ST M y PR M, 满足:
P p r m x I PR M, v ! p m y I P M, 使得f 8
(p rm x ) =p m y 成立, x I N , y I N ;
P stm z I S TM , v ! p r m x I P RM , 使得f 9
(stm z ) =p rm x 成立, x I N , z I N 。
即对于任何一个工序更改对象实例, 有且仅有一个工艺更改包对象实例与之关联; 对于任何一个工步更改对象实例, 有且仅有一个工序对象实例与之关联。
在机加工艺设计过程中, 收集工艺信息并利用XM L 标记建立不同工艺信息的描述和存储结构, 以及三维工艺元素之间的映射关系, 如图3所示, 标记含义如表1所示。
工艺卡片在组织信息过程中与三维工序/工步模型之间建立映射关系, 通过控制工艺卡片的浏览对象, 可以实现三维工艺的多视图多角度交
互浏览。
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计算机集成制造系统
表1 工艺卡片与三维工艺元素映射关系
XM L 标记
三维工艺元素
三维工序模型上的加工区域三维工步模型上的加工区域
映射方法
第17卷
Procedu re/AreaGroup/Area
Step/Ar ea
在工序模型上建立不同色域的加工区域包络盒, 为各包络盒建立唯一标志, 在Area 节点中记录包络盒的唯一标志数组
Area 节点记录本工步所对应的加工区域的唯一标志, 根据该唯一标志实现按工步浏览加工区域
在工序模型上定义出不同向视视图, 为每种视图定义名称, 将名称记录在View 标记中。可以通过选择工艺卡片中的不同工序视图, 使三维工序模型按不同视图显示
为工艺标注定义唯一标志, 在AN 标记中记录工艺标注的唯一标志, 通过工艺标注的唯一标志可以实现按类型/工步显示工艺符号
为工步模型的加工面定义唯一标志, 在M F 标记中记录加工面的唯一标志, 实现按工步浏览加工面
Procedur e/ViewGroup/View 工序模型的不同工序视图
S tep/ANGroup/AN 工序/工步模型中的工艺标注
S tep/M FGroup/M F 工步模型中加工面
4 应用实例
以曲轴机加过程中铣键槽工序中的工步为例。以曲轴两端的轴径定位, 采用专用工装装夹, 铣键槽28mm @176mm (如图4)
。
利用NX 提供的PM I (pro duct and manufac -tur ing inform ation) 标注技术标注加工工艺要求, 利用在NX 符号库中扩展的工艺装备符号表达装夹定位等信息, 形成三维工步模型。
利用NX 提供的自定义视图技术定义了两个工序视图。在工艺卡片的工序Procedur e 标记下记录工序信息, 工序视图的唯一标识和名称, 以及工序涉及的夹具与加工区域信息。在工步集合StepGro up 标记下记录工步信息, 包括本道工步的加工面、加工区域、工步描述、量具等的唯一标识。铣键槽工序/工步的工艺卡片利用XM L 标记结构化描述, XM L
三维工步模型表达了工步粒度的工艺信息, 其优势是表达工艺的粒度更细, 可交互式浏览工艺信息与加工特征。当上一工序模型几何更改后, 下一工序模型能相应地自动更改。
基于NX 三维设计平台实现了三维机加工艺设计环境。在上一道工步模型与本道工步模型之间使用WAVE 技术, 保证了模型之间的几何相关性。本道工步的工艺本体与建模本体之间的映射关系如表2所示。通过用户指定工艺本体, 工艺设计系统将其转换为建模本体, 通过拉伸与布尔运算生成本道工步的键槽。
表2 工艺本体与建模本体转换
工艺本体
建模本体
描述如图5所示。
工艺方法键槽铣削加工拉伸特征E xtruded 工艺拓扑键槽几何轮廓键槽轮廓草图S ketch2工艺参数工艺参数轮廓尺寸键槽深度Sketch2中几何元素的参数R 1, 圆心1与圆心2之间的距离参数L 1键槽底面与轴心的距离参数L 3
第9期万 能等:机加工艺设计的三维新模式研究
2009(6) :74-76. ]
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通过工艺卡片中对工艺模型和工艺内容的结构
化存储, 形成卡片与三维工步模型之间的映射关系, 最终可以按照不同工序/工步与视图浏览编辑三维机加工艺规程。系统如图6
所示。
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5 结束语
传统的二维工艺卡片设计方法存在二维工序图绘制繁琐且易产生歧义, 以及工序模型无法为后期的加工检测与公差分析提供三维数据模型等问题,
由此提出利用三维手段提升传统二维工艺设计能力的方法。以三维工序模型替代二维工艺简图表达, 使三维工序模型成为工艺信息的载体和工艺检测分析的数据来源。
本文提出了三维机加工艺应用的体系结构与工作模式, 形成由工艺设计到工艺更改反馈的闭环结构。针对三维工序模型的辅助生成提出了机加工艺本体向几何建模本体转换的方法。使工艺员在建立三维工序模型时, 不直接操作三维几何, 而是面对工艺种类与工艺参数。提出了三维机加工艺卡片的组织结构, 建立了工艺卡片与工序模型中三维元素之间的映射关系, 最终达到提升机加工艺设计表达的直观性和准确性的目的。参考文献:
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作者简介:
万 能(1979-) , 男, 湖北荆门人, 讲师, 博士, 研究方向:计算机辅助技术、先进制造技术, E -mail:w ann eng@nw pu. edu. cn; 常智勇(1971-) , 男, 河南郑州人, 副教授, 博士, 研究方向:网络CAD 、计算机辅助制造技术; 莫 蓉(1957-) , 女, 湖南常德人, 教授, 博士, 博士生导师, 研究方向:网络CAD 、协同设计。
第17卷第9期2011年9月
计算机集成制造系统
Computer Integrated Manufacturing Systems
Vol. 17No. 9Sep. 2011
文章编号:1006-5911(2011) 09-1873-07
机加工艺设计的三维新模式研究
万 能, 常智勇, 莫 蓉
(西北工业大学现代设计与集成制造技术教育部重点实验室, 陕西 西安 710072)
摘 要:针对传统二维机加工艺设计中工艺表达不直观、工艺更改繁琐等问题, 研究了三维环境下机加工艺设计的新模式。提出了以三维机加工序模型作为工艺信息载体的思路, 提出了包括三维机加工艺设计、三维机加工艺管理和三维机加工艺现场应用反馈的闭环体系结构。分析了三维环境下机加工序模型的组成元素, 提出了机加工艺本体向三维几何建模本体转换的方法和三维工艺标注的继承方法, 以辅助工艺员直接面向机加工艺知识生成三维工步与工序模型。研究了三维机加工艺卡片的组成结构, 建立了三维机加工序模型中工艺表达元素与工艺卡片元素之间的映射关系。最终实现了三维环境下的机加工艺设计。
关键词:三维机加工艺; 计算机辅助工艺规划; 工序模型; 工艺本体中图分类号:T P391. 72 文献标志码:A
Three -dimensional new mode of machining process planning
W A N N eng, CH A N G Zhi -y ong, M O Rong
(Key Lab of Co ntempor ary Design and Integ rated M anufacturing T echnolog y, M inistr y of Education,
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Abstract:Aiming at ambig uous ex pression and miscellaneo us changes of process in machining process planning under 2D en -vir onment, a new process planning mode under T hree -Dimensional(3D ) environment was proposed in which 3D pr ocess model w as taken as the carr ier fo r process information. A closed -loop architecture including desig n, data management and on -site application feedback of 3D machining process was put for ward. T he constitutio n elements of 3D machining pr ocess planning w ere analyzed. T he transfor mation method from machining process o ntolog y to g eometric modeling ontolo gy and 3D annotation inheritance method were proposed. T her efore, 3D procedure model could be obtained from pro cess desig ner oriented to machining process knowledg e directly. T he composition structure of 3D machining process chart was studied. T he mapping r elationship between process ex pression elements and pr ocess char t elements in 3D machining process models wer e established to implement machining process planning under 3D environment.
Key words:three -dimensional machining process; computer aided process planning; procedure model; process ontology
0 引言
目前, 机加工艺设计的工作模式是建立二维工艺
卡片的过程, 在计算机辅助工艺规划(Computer A-i ded Process Planning, CAPP) 系统中绘制工序模型的二维工程简图, 填写工艺规程/工序/工步等信息, 最后打印形成纸质工艺卡片并在制造现场应用。传统的二维机加工艺设计系统主要存在如下缺点:¹二维
工序图绘制繁琐, 常常采用简化绘制, 有时容易产生歧义; º工序/工步信息与工序图之间的映射不直观, 常存在歧义; »无法为后期的加工检测与容差分析提供三维数据模型; ¼工艺更改的工作量大, 可能导致工序简图的大范围人工更改。目前市场上有部分工艺设计产品实现了面向装配工艺的设计仿真, 利用三维装配动画表达装配工艺过程。但面向机加工艺设
-2]
计仍然没有突破二维工艺卡片与简图的局限[1。
收稿日期:2010-09-30; 修订日期:2011-01-14。Received 30Sep. 2010; accepted 14Jan. 2011.
基金项目:国家863计划资助项目(2007AA04Z184) 。Fo undatio n item:Project supported by the National H igh -Tech. R&D Program, China
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计算机集成制造系统第17卷
机械加工仍然以二维工艺卡片为制造依据的主要原因是:¹现阶段三维计算机辅助设计(Comput -er Aided Design, CAD) 平台还未在工艺设计环节普及; º工艺员习惯于编制二维工艺卡片, 未建立以三维模型作为机加工艺设计数据源的思路; »与三维CA D 技术相应的标准和数据管理方法尚未建立, 而改变现有机加工艺设计方法会带来风险; ¼机加工艺更改繁琐的问题还未引起重视, 暂时还不是工艺设计中的瓶颈问题。
为改变二维环境下机加工艺设计存在的不足, 本文研究了三维环境下机加工艺设计的关键技术, 扩展三维CAD 平台作为三维机加工艺设计平台, 以三维工序模型作为工艺信息载体表达与记录工艺符号, 建立三维环境下的机加工艺设计能力。
三维工艺符号表达工艺要求, 以结构化工艺卡片描述工艺过程, 最终生成三维机加工艺规程, 以替代原有纸质二维机加工艺卡片。
(2) 三维机加工艺规程管理 作为三维机加工艺设计结果, 三维机加工艺规程由产品数据管理(Prod -uct Data Management, PDM) 系统负责管理。平台层将企业现有的PDM 系统作为三维工艺规程的数据管理环境, 为三维机加工艺提供基础管理平台, 避免在多个系统中维护多套工艺数据。工具层包含PDM 的典型管理模块, 数据管理工具负责存储三维机加工艺规程, 并建立与产品设计模型之间的主模型关系。审签流程管理工具负责三维机加工艺的发布与审签控制。版本管理工具负责三维机加工艺规程更改后的版本升级维护。权限管理工具负责控制三维机加工艺规程在数据管理过程中的权限控制。模型层是由三维机加工艺设计环节传递的三维机加工艺规程包。
(3) 三维机加工艺现场应用 为机加工现场提供三维机加工艺的查询浏览环境。平台层采用Web 与轻量化技术建立工艺浏览环境, 提供对轻量化三维工序模型的显示与交互能力。工具层中的工艺规程解释工具负责解析三维机加工艺规程包, 获得三维工序模型与机加工艺卡片。工序模型轻量化工具负责将三维工序模型转化为轻量化三维模型。工艺模型表达工具负责提供轻量化工序模型的交互浏览能力。工艺规程重构工具负责重新建立机加工艺卡片与轻量化工序模型之间的映射关系, 实现三维工艺浏览。模型层包括轻量化三维工序模型、轻量化三维工艺符号和机加工艺卡片。
(4) 三维机加工艺更改反馈 在加工现场建立工艺更改反馈环境, 制造人员将工艺更改建议反馈给工艺员, 工艺员根据建议调整工艺规程, 实现工艺更改。平台层是基于Web 技术建立的工艺更改反馈环境。工具层中的工艺建议录入工具负责录入制造人员对工艺改进的建议。工序模型更改截图工具负责为工艺改进提供二维截图, 以更直观地表达更改信息。工艺建议反馈工具负责将封装工艺更改信息反馈给工艺员。模型层包括工艺更改建议包, 工艺更改建议包以可扩展标记语言(eXtensible M ark -up Language, XM L) 形式结构化描述, 对应三维机加工艺规程中的相应修改节点。
由此, 形成了三维机加工艺体系环境下工艺设计y 工艺管理y 工艺应用y 工艺反馈的闭环结构, 11 三维机加工艺设计体系
三维机加工艺设计系统是利用三维手段实现机械加工的工艺设计与应用。系统可分为三维机加工艺设计、三维机加工艺规程管理、三维机加工艺现场应用和三维机加工艺改进反馈四个阶段。
定义1 三维机加工艺设计环境是基于成熟三维CA D 系统, 面向机械加工特征而扩展的三维机加工艺设计环境。
定义2 三维机加工艺规程是对三维机加工艺设计结束后产生的数字化工艺规程结果, 包含三维机加工序模型与工艺卡片。
(1) 三维机加工艺设计 目前三维设计技术已经成熟, 众多主流CAD 系统已经开始成为开放式设计平台, 能够容纳各类面向行业的专业设计工具。本文基于模型的定义(M odel Based Definition, MBD) 方法建立统一的三维机加工艺模型, 使其成为加工、分析和检测的数据依据
[2-3]
。平台层利用成
熟三维CAD 系统作为三维机加工艺设计环境, 提供三维表达的基本条件与手段。工具层基于平台层建立面向三维机加工艺设计的工序/工步模型生成辅助工具, 辅助工艺员面向工艺知识生成三维工序模型[3-4]。工艺符号标注工具辅助在三维环境下标注工艺符号, 建立工艺符号与工序模型之间的关联。机加工艺卡片工具是辅助工艺员建立机加工艺过程的结构化描述, 同时建立它与三维工艺符号之间的映射关联。工艺规程封装工具封装三维机加工艺产生的工艺信息, 生成三维机加工艺规程包。模型层以
第9期万 能等:
机加工艺设计的三维新模式研究
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2 三维机加工序模型研究
三维工序模型表达了各工序加工后的三维状态和各工序的加工约束, 三维工序模型不仅能更加直观地表达加工结果, 还可以为工艺分析和加工检测提供数据来源[5]。
定义3 三维机加工序模型是在三维机加工艺设计环境中, 利用三维手段表现工序加工结果, 承载机加工艺信息的模型。对于某一零件的三维机加工艺, 记工序模型集合为M, 三维几何模型为G, 工艺装备几何为E, 工艺符号为A 。则三维机加工序模型为:
M =(G , E, A ) , (1)
m i I M, g i I G, E i s
具。这样既可以提高工步模型设计效率, 又可以在设计过程中收集工艺信息, 为工艺分析提供数据来源。
在设计过程中, 工艺员输入工步所需的工艺本体包括工艺方法M 、工艺拓扑T 和工艺参数P 。工艺方法M 表达加工方法, 其中隐含了加工的特定规律, 例如车加工是回转形式。工艺方法可映射为建模本体中的成型特征。工艺拓扑T 表达了加工后的形态, 隐含了工步模型中加工面的拓扑特征, 例如成型面的轮廓线。工艺拓扑可映射为建模本体中的草图特征。工艺参数P 表达了加工过程中所需的尺寸参数, 隐含了加工量的值, 例如加工余量和刀具进给量, 可映射为建模本体中的特征参数, 如图2所示。利用工艺本体转化为三维建模本体, 可以生成工件在该工步中加工余量的三维实体, 记为T S 。利用上一步三维工步模型实体与TS 做布尔差, 可得到本道工步三维模型实体。
[6]
m i ={g i , E i , A i }, E i =p G e ip , =1
t
(3)
式中:s 为第i 道工序所包含的工艺装备的个数, A i =q G a iq , t 为第i 道工序所包含的工艺标注的个数。=1
三维工序模型由该工序所包含的三维工步模型演变生成, 工艺员可以通过输入工艺信息生成工序
中的每道工步模型, 直至获得工序模型。工艺员输入工艺信息即工艺本体, 将其映射为三维CAD 系统的建模本体, 使工艺员能够面向机加工艺知识设
计工步模型几何, 而不是直接面对三维几何建模工
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计算机集成制造系统第17卷
三维工艺标注是附加在三维工序模型之上、用以表达制造要求的符号信息。在三维机加工艺设计环境中, 工艺标注可分为尺寸标注、形位公差标注、工装符号标注和加工特征标注。尺寸标注和形位公差标注的附加对象为三维工序模型上的几何对象。工装符号用以表达加工过程中工装的使用方法及其与工件之间的位置关系。加工特征标注用于更加直观地表达如加工面、加工基准等工艺特征。工艺设计过程中, 工艺标注也分散在各个工步模型中。后期的工艺分析和改进可以从工步模型上获取工艺数据, 为基于工步粒度的三维工艺分析奠定基础。而工序模型表达该工序内各工步制造结果的要求, 因此工序模型需要自动继承各个工步上的工艺标注。
三维工艺标注可以记为四元组:A nnotation ={A Ty p e, A Value, A P lace, A Obj ect}。式中:A Ty p e 是工艺标注的类型, 包括所有GDT (g eometric d-i m ensioning and tolerance) 符号类型、自定义的工装符号类型和加工特征符号类型; A Value 是工艺的值; A Place 是三维工艺标注在工序模型中的放置位置; AObj ect 是三维标注所依附的几何对象集合。
假设1 某工序内的工步模型集合为S T ={st 1, st 2, , , st i }, i I N , 演变而成的工序模型为p r 。
假设2 工步模型st i 对应的工艺标注集合为AN (st i ) ={an i 1, an i 2, , , an ij }, i, j I N , 为每一个an ij 设置属性UI D, 其值为随机分配的唯一标志uid ij 。
假设3 an ij 标注的几何对象集合为OBS et (an ij ) ={ob ij 1, ob ij 2, , , ob ijk }, i, j , k I N , 为每个ob ij k 设置属性Ob UID , 其值为随机分配的唯一标志obuid ijk 。
假设4 在三维机加工艺卡片中以obuid ijk 为键名, 以uid ij 为键值, 建立两者之间的双向映射关系, 形成Map p ing(obuid ij k , uid ij ) , i, j , k I N 。
在工序模型上继承工步模型的工艺标注方法如下:
步骤1 在一道工序内, 工步模型st m +1是在继承工步模型st m 的几何对象的基础上演变而来, 它继承了工步模型st m 所包含几何对象的Ob UI D 属性, 其中m I N 。
步骤2 工序中最后一道工步模型st i 的几何对象作为该道工序的工序模型p r 的几何对象, 并继步骤3 在p r 中遍历带有Ob UI D 属性的几何对象, 获得各几何对象的属性值obuid ijk , 记为集合WaitObuidSet, 即工序模型中可能需要标注的几何对象的唯一标志集合。
步骤4 遍历集合WaitObuidSet 中的各元素, 在M ap p ing (obuid ij k , uid ij ) 中检索到obuid ij k 对应的uid ij 。
步骤5 在M ap p ing (obuid ijk , uid ij ) 中, 通过uid ij 检索到与其映射的obuid ijk , 记为集合RqO -buidS et 。检索R qObuidSet 中的每一个元素是否在obuidL ist 中都存在。如都存在, 则uid ij 所标注的几何对象完备; 否则uid ij 所标注的几何对象不完备。
步骤6 如果标注几何对象完备, 则在RqO -buidS et 包含的各几何对象上创建标注uid ij 。如果标注几何对象不完备, 则不需要继承该工艺标注。
通过基于工步模型的标注继承方法, 可以实现工步粒度的制造要求表达, 为机加工艺的分析提供数据基础, 同时也可以满足现场应用对三维工序模型的要求。
3 三维机加工艺卡片研究
三维工序模型与工艺符号是基于三维CAD 模型表达工序结果与制造要求。而三维机加工艺卡片则表达机械加工过程信息。对加工过程按工序/工步组织信息, 形成工序视图与工步视图。并建立三维工序模型中几何要素与工艺卡片信息之间的映射关系, 利用XM L 技术按工艺视图组织在系统后台结构化存储加工过程信息。
机加工艺卡片是在三维机加工艺设计环境中建立的工艺步骤描述。记机加工艺卡片为S, S ={R, P , W , E, V, A }, 其中R 为工艺规程信息, P 为工序信息, W 为工步信息, E 为工装信息, V 为工序视图信息, A 为加工区域。
工艺规程信息描述工艺手册的总体信息; 工序信息描述单个工序的总体信息; 工步信息描述单个工步的总体信息; 工装信息记录工序工步所需的刀具、夹具、机床和量具等工艺装备; 工序视图记录三维工序模型最能清晰表现工艺信息的视图方向; 加工区域记录加工所涉及的范围区域。
假设5 记工艺规程的唯一标志集合为SC, 工序的唯一标志集合为PR , 工步的唯一标志集合为f ::S [7-9]
第9期万 能等:机加工艺设计的三维新模式研究
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P p r i I P R, v ! sc j I SC, 使得f 1(p r i ) =sc j
成立, i I N , j I N ;
P st k I ST , v ! p r i I PR , 使得f 2(st k ) =p r i
成立, i I N , k I N 。
即对于任何一个工序对象的实例, 有且仅有一个工艺规程对象实例与之关联。对于任何一个工步对象的实例, 有且仅有一个工序对象实例与之关联。假设6 记工艺装备的唯一标志集合为EQ, 工序视图的唯一标志集合为F V, 加工区域的唯一标志集合为M A, 则存在f 3:E Q y ST , f 4:F V y ST 和f 5:M A y P R, 满足:
P eq m I EQ, v st k I S T, 使得f 3(eq m ) =st k 成立, m I N , k I N ;
P f v n I F V, v p r i I PR , 使得f 4(f v n ) =p r i 成立, n I N , i I N ;
P ma h I M A, v p r i I P R, 使得f 5(ma h ) =p r i 成立, h I N , i I N 。
即对于任何一个工艺装备对象的实例, 至少存在一个工步对象实例与之关联; 对于任何一个工序视图和对象视图, 至少存在一个工序对象实例与之关联; 对于任何一个加工区域对象实例, 至少存在一个工序对象实例与之关联。
假设7 记三维工艺标注类型的唯一标志集合为PT , 三维工艺标注的唯一标志集合为A N , 则存在f 6:AN y PT 与f 7:P T y ST , 满足:
P an p I A N , v ! p t q I P T, 使得f 6(an p ) =p t q
成立, p I N , q I N ;
P p t q I PT , v st k I ST , 使得f 7(p t q ) =st k 成立, q I N , k I N 。
即对于任何一个三维工艺标注对象实例, 有且仅有一个工艺标注对象实例与之关联; 对于任何一个工艺标注类型对象实例, 至少存在一个工步对象实例与之相关联。
假设8 记工艺更改建议包为PM , 更改工序为P RM, 更改工步为ST M, 则存在f 8:P RM y PM 与f 9:ST M y PR M, 满足:
P p r m x I PR M, v ! p m y I P M, 使得f 8
(p rm x ) =p m y 成立, x I N , y I N ;
P stm z I S TM , v ! p r m x I P RM , 使得f 9
(stm z ) =p rm x 成立, x I N , z I N 。
即对于任何一个工序更改对象实例, 有且仅有一个工艺更改包对象实例与之关联; 对于任何一个工步更改对象实例, 有且仅有一个工序对象实例与之关联。
在机加工艺设计过程中, 收集工艺信息并利用XM L 标记建立不同工艺信息的描述和存储结构, 以及三维工艺元素之间的映射关系, 如图3所示, 标记含义如表1所示。
工艺卡片在组织信息过程中与三维工序/工步模型之间建立映射关系, 通过控制工艺卡片的浏览对象, 可以实现三维工艺的多视图多角度交
互浏览。
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计算机集成制造系统
表1 工艺卡片与三维工艺元素映射关系
XM L 标记
三维工艺元素
三维工序模型上的加工区域三维工步模型上的加工区域
映射方法
第17卷
Procedu re/AreaGroup/Area
Step/Ar ea
在工序模型上建立不同色域的加工区域包络盒, 为各包络盒建立唯一标志, 在Area 节点中记录包络盒的唯一标志数组
Area 节点记录本工步所对应的加工区域的唯一标志, 根据该唯一标志实现按工步浏览加工区域
在工序模型上定义出不同向视视图, 为每种视图定义名称, 将名称记录在View 标记中。可以通过选择工艺卡片中的不同工序视图, 使三维工序模型按不同视图显示
为工艺标注定义唯一标志, 在AN 标记中记录工艺标注的唯一标志, 通过工艺标注的唯一标志可以实现按类型/工步显示工艺符号
为工步模型的加工面定义唯一标志, 在M F 标记中记录加工面的唯一标志, 实现按工步浏览加工面
Procedur e/ViewGroup/View 工序模型的不同工序视图
S tep/ANGroup/AN 工序/工步模型中的工艺标注
S tep/M FGroup/M F 工步模型中加工面
4 应用实例
以曲轴机加过程中铣键槽工序中的工步为例。以曲轴两端的轴径定位, 采用专用工装装夹, 铣键槽28mm @176mm (如图4)
。
利用NX 提供的PM I (pro duct and manufac -tur ing inform ation) 标注技术标注加工工艺要求, 利用在NX 符号库中扩展的工艺装备符号表达装夹定位等信息, 形成三维工步模型。
利用NX 提供的自定义视图技术定义了两个工序视图。在工艺卡片的工序Procedur e 标记下记录工序信息, 工序视图的唯一标识和名称, 以及工序涉及的夹具与加工区域信息。在工步集合StepGro up 标记下记录工步信息, 包括本道工步的加工面、加工区域、工步描述、量具等的唯一标识。铣键槽工序/工步的工艺卡片利用XM L 标记结构化描述, XM L
三维工步模型表达了工步粒度的工艺信息, 其优势是表达工艺的粒度更细, 可交互式浏览工艺信息与加工特征。当上一工序模型几何更改后, 下一工序模型能相应地自动更改。
基于NX 三维设计平台实现了三维机加工艺设计环境。在上一道工步模型与本道工步模型之间使用WAVE 技术, 保证了模型之间的几何相关性。本道工步的工艺本体与建模本体之间的映射关系如表2所示。通过用户指定工艺本体, 工艺设计系统将其转换为建模本体, 通过拉伸与布尔运算生成本道工步的键槽。
表2 工艺本体与建模本体转换
工艺本体
建模本体
描述如图5所示。
工艺方法键槽铣削加工拉伸特征E xtruded 工艺拓扑键槽几何轮廓键槽轮廓草图S ketch2工艺参数工艺参数轮廓尺寸键槽深度Sketch2中几何元素的参数R 1, 圆心1与圆心2之间的距离参数L 1键槽底面与轴心的距离参数L 3
第9期万 能等:机加工艺设计的三维新模式研究
2009(6) :74-76. ]
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通过工艺卡片中对工艺模型和工艺内容的结构
化存储, 形成卡片与三维工步模型之间的映射关系, 最终可以按照不同工序/工步与视图浏览编辑三维机加工艺规程。系统如图6
所示。
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5 结束语
传统的二维工艺卡片设计方法存在二维工序图绘制繁琐且易产生歧义, 以及工序模型无法为后期的加工检测与公差分析提供三维数据模型等问题,
由此提出利用三维手段提升传统二维工艺设计能力的方法。以三维工序模型替代二维工艺简图表达, 使三维工序模型成为工艺信息的载体和工艺检测分析的数据来源。
本文提出了三维机加工艺应用的体系结构与工作模式, 形成由工艺设计到工艺更改反馈的闭环结构。针对三维工序模型的辅助生成提出了机加工艺本体向几何建模本体转换的方法。使工艺员在建立三维工序模型时, 不直接操作三维几何, 而是面对工艺种类与工艺参数。提出了三维机加工艺卡片的组织结构, 建立了工艺卡片与工序模型中三维元素之间的映射关系, 最终达到提升机加工艺设计表达的直观性和准确性的目的。参考文献:
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作者简介:
万 能(1979-) , 男, 湖北荆门人, 讲师, 博士, 研究方向:计算机辅助技术、先进制造技术, E -mail:w ann eng@nw pu. edu. cn; 常智勇(1971-) , 男, 河南郑州人, 副教授, 博士, 研究方向:网络CAD 、计算机辅助制造技术; 莫 蓉(1957-) , 女, 湖南常德人, 教授, 博士, 博士生导师, 研究方向:网络CAD 、协同设计。