工序模型驱动的工艺设计方法

0 引言
随着全球化市场的形成与互联网技术的发展, 产 品开发呈现出网络化、协同化和虚拟化三个方面紧密 结合的发展趋势。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, 极大地缩短了产品开发周 期, 降低了开发成本, 同 时也对制造系 统的关键环 节 计算机辅助工艺设计( Comput er Aided Process Planning, CAPP) 提出了更高的要求。然而, 基于三
田富君, 田锡天, 耿俊浩, 张振明
( 西北工业大学 CA PP 与制造工程软件研究所, 陕西 西安 710072)
摘 要: 通过分析目前三维环境下工艺设计存在的问 题, 在工艺设计过程中引 入工序模型 的概念, 并提出了 工
序模型驱动的工艺设计方法。该方法从零件设计模型到 毛坯模 型逆向 生成零件 的加工 工序, 每规 划一道工 序, 生
( 4) 工序编辑 确定机床和工装设备, 编写工作 说明。
( 5) 工序模型生成 根据本道工序的加工特征 及加工工艺信息, 生成下一道工序的工序模型, 并基 于该工序模型进行下一道工序的设计。
( 6) 工艺信息输出 所有工序设计完毕之后, 插 入热处理工序、检验工序和辅助工序, 并将三维模型 以及工艺信息嵌入到 PDF 格式的工艺文件里输出, 以方便工艺现场的在线应用。同时, 将工艺信息以 可扩 展 标 记 语 言 ( eXt ensible M arkup L anguag e, XM L ) 格式输出, 以便与其他系统进行集成。
第 17 卷第 6 期 20 1 1 年6月
计 算机集成制造系统
Computer Integr ated M anufacturing Sy stems
文章编号: 1006- 5911( 2011) 06- 1128- 07
工序模型驱动的工艺设计方法
V ol. 17 N o. 6 June 2 0 1 1
1 相关概念的定义
( 1) 工序模型
针对机械加工工艺过程设计, 从制造角度考虑,
零件设计模型可以认为是由一系列加工活动逐步对
毛坯模型进行切削加工后形成的。因此, 可以将毛 坯的加工-
Fij 。
( 1)
i= 1 j = 1
式中: P ar t 表示零件设计模型, Bl ank 表示毛 坯模
在工序模型驱动的工艺设计过程中, 若有 n 道 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 3 所示。其中, 工序模型用于 标注与本道工序加工相关的信息, 如加工表面、加工 尺寸、定位基准等信息。
( 2) 加工元生成 根据加工特征的类型、精度, 以及企业的制造资源, 选择特征的加工方法, 并确定 加工该特征所使用的制造资源( 机床、刀具) 、加工余 量、加工模式( 如铣削方式、进刀方向、走刀方式、下 刀方式等) 。
( 3) 工步生成与排序 将生成的加工元集合按照 一定的聚类规则合并成工步, 并对工步进行排序。然 后对工步进行编辑, 确定刀具信息及切削参数信息。
且前后两个工序模型的关系可以表示为:
mi
WI P i- 1 = WI P i +
Fij 。
( 4)
j= 1
由式( 4) 可知, 第 i - 1 道工序的工序模型可以 由第 i 道工序的工序模型加上第 i 道工序切除的特 征生成。
( 2) 加工特征 加工特征是指工序模型上一个具有语义的几何 实体, 它描述了模型上材料的切除区域, 表达一个加 工过程的结果, 包括形状特征、精度特征、材料热处 理特征以及该特征的加工方法。 ( 3) 加工元 以特征为核心的、有关特征加工所需要的信息 实体, 其内容包括加工特征、该特征的加工方法、加 工该特征所需要的机床和刀具等制造资源以及特征 的加工参数等信息[ 3] 。 ( 4) 加工工步 使用一把刀具连续完成的切削加工过程, 一个 加工工步是若干个加工元构成的集合, 包括加工元 集合、加工过程使用的制造资源、切削参数等信息。 ( 5) 工序 在一般的机械加工工艺中, 一个工序可以包括 多次工件安装。但是, 针对数控加工工艺的特点, 将 工序定义为: 在一台机床上通过一次安装, 连续完成 工件全部加工的有序集合[ 4] 。 上述实体之间的关系如图 1 所示。
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。在工 序模型 驱动的 工艺设 计过程 中, 加 工特征 识
别、加工元生成以及加工元聚类是影响工艺自动规 划的关 键, 为 此, 对基于工 序模型 的混合 加工特 征识别、基于 知
识的 加工元生成以及基于模糊 C 均值的加工元聚类进行了深入的研究。以某型号飞机双面大框零件为 例, 讨论 了
( No. 2007AA040503) .
第6期
田富君 等: 工序模型驱动的工艺设计方法
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维模型的 CAPP 系统的研究仍处于探索阶段, CAPP 仍然沿用传统的基于二维工程图的设计方式, 效率 低、不直观。基于三维模型的 CAPP 能够为设计人员 提供一个接近真实的可视化工艺设计环境, 在该环境 下进行三维模型中加工特征信息的建立和提取、加工 过程仿真和校验、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, 并强化工 艺设计在产品研发过程中的地位。
T I A N Fu j un, T I A N Xi tian, GEN G J un hao , ZH A N G Zhen m ing ( Inst itute of CA PP & M anufacturing Eng ineering So ftw are, N o rthwester n P olytechnical
目前, 人们对三维环境下的工艺设计方法进行 的研究和探索, 基本思路是从零件设计模型上获取 加工特征, 然后根据这些加工特征信息进行加工工 艺规划[ 1 2] 。然而, 零件加工过程中会出现许多中间 特征, 这些中间特征在最终设计模型上体现不出来, 从而影响了工艺设计的有效性和直观性。为此, 本 文提出一种工序模型驱动的工艺设计方法, 并对其 中的关键技术进行了研究。
2 工序模型驱动的工艺设计过程
目前, 许多基于三维产品模型的 CAPP 系统都 是直接从零件设计模型上获取加工特征, 然后根据 这些加工特征信息来进行工艺规划。然而, 零件加 工过程中会出现许多中间特征, 这些中间特征在最 终的设计模型上体现不出来, 从而影响了工艺设计 的有效性和直观性。为此, 本文在工艺设计过程中 引入了工序模型的概念, 提出了工序模型驱动的工 艺设计方法。该方法从零件设计模型到毛坯模型逆
k mi
WI P k = Blank -
Fij 。
( 2)
i= 1 j= 1
将式( 1) 代入式( 2) 得:
n mi
WI P k = Par t +
Fij 。
( 3)
i= k+ 1 j = 1
由式( 3) 可知, 第 k 道工序的工序模型可以由零
件设计模型加上后面 n- k 道工序切除的特征生成。
收稿日期: 2010 05 24; 修订日期: 2010 06 30。Received 24 M ay 2010; accepted 30 Ju ne 2010. 基金项目: 国家 863 计划资助 项目 ( 2007AA040503) 。Foundation item: Project supported by the National H igh Tech. R& D Program, China
所提方法的应用过程, 为三维环境下的工艺设计 提供了一种新思路。
关键词: 计算机辅助工艺设计; 工序模型; 特征识别; 加工元; 模 糊 C 均 值聚类; 产品开发
中图分类号: T H 166; T P 391
文献标志码: A
Process planning method driven by process model
U niver sity, Xi an 710072, China) Abstract: By analyzing the exist ing pro blems of process planning based on three dimensional mo del, def initio n o f pr ocess mo del was intr oduced into the pro cess planning , and a process planning met ho d dr iv en by pro cess mo del w as put fo rw ard. Contrar y to traditional met ho d, this metho d generated machining process fr om par t design mo del to blank model, in each desig ning process, a pro cess model w as g enerated, and then the next pro cess based on this pr ocess mo del was designed until the w hole pr ocess planning w as complet ed. In the pr ocedur es o f t he method, ma chining feature r ecognit ion, machining element g ener ation and machining element cluster wer e the key elements to influence the auto matic pro cess planning . T her efore, a further study on hy br id interactiv e featur e r ecognit ion based on pr ocess mo del, a machining element g ener atio n met ho d based on kno w ledg e and a machining element clustering met ho d based on fuzzy C means w ere implemented. A n ex ample of complicated airplane par t w as taken to discuss the application pr ocedur e o f the proposed method, which pro vided a new theo ry fo r t he pr ocess planning based on three dimensio nal model. Key words: computer aided pr ocess planning ; pro cess mo del; feature recog nition; machining element; fuzzy C means cluster ing; product development