MBD环境下的三维机加工艺设计技术

发布时间：2017-03-27 作者：田富君陈兴玉程五四张祥祥张红旗来源：计算机集成制造系统

关键字：MBD 三维机加工

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工艺设计是连接产品设计与制造的桥梁，对产品的质量起到非常重要的作用。传统的工艺设计主要用自然语言描述工艺设计过程中的工序、工步信息，并辅以二维简图。

0引言

工艺设计是连接产品设计与制造的桥梁，对产品的质量起到非常重要的作用。传统的工艺设计主要用自然语言描述工艺设计过程中的工序、工步信息，并辅以二维简图。随着三维计算机辅助设计(Computer Aided Design， CAD)软件在企业中的推广应用，传统的二维工艺设计已不能满足企业的要求。首先是数据“断层”，二维工艺设计不能直接应用三维CAD软件产生的三维模型数据，需要将三维模型转换为二维工程图；其次，由于缺乏工序三维模型的支持，难以对工装设计的合理性和可行性进行验证；再次，工艺文件审签通常以纸质文件为主，难以对工艺过程进行有效控制；最后，二维工艺文件的指导性差，工人通常不按照工艺文件进行生产。

三维工艺设计打通了三维工艺数据的“断层”，避免了三维模型到二维工程图转换的不增值环，产生的工序模型可以直接用于数控编程。同时，三维工艺设计能够提供一个直观的可视化工艺设计环境，工艺设计人员可以在该环境下进行工艺路线规划、制造资源选择和工装设计，从而使工艺设计结果更有效。

近年来，国内外软件厂商和学者在三维机加工艺的研究方面取得了很多成果，达索公司推出的数字化设计与制造软件DELMIA中的DPM-Machi-ning Process Planning模块面向三维机加工艺设计，能够实现加工特征识别、加工操作定义、工序模型生成等；西门子公司通过Teamcenter实现工艺的编制和管理，通过UG完成工序模型的生成和三维模型标注；国内田富君等提出基于工序模型的工艺设计方法；万能等研究了机加工艺设计的三维新模式，并对工序模型辅助生成技术进行了研究。

基于模型的定义(Model-Based Definition，MBD)技术是将产品所有相关的工艺描述、属性、管理等信息都附着在产品三维模型中的数字化定义方法，它使三维数模作为生产制造过程中的唯一依据，改变了传统的用三维实体模型描述几何信息，而用二维图纸定义尺寸、公差和工艺信息的产品数字化定义方法，MBD技术的出现，为三维机加工艺设计提供了一种新模式。为此，本文研究了MBD环境下的三维机加工艺设计技术，并结合《机械加工工艺信息三维标注规范》等三项机械行业标准的制定，提出一种三维机加工艺信息标注符号，并对三维机加工艺信息标注规范进行了研究。

1 相关概念定义

与传统的工艺信息系统相比，在MBD环境下，工艺信息以三维几何模型为载体，工艺设计过程中的数据都存储在三维模型中，并与几何信息紧密关联。因此，本文首先对MBD环境下工艺设计过程中涉及的三维模型数据进行定义。

(1)工艺模型

工艺模型由设计模型、毛坯模型、每道工序对应的工序模型，以及工艺属性组成。一个零件工艺对应一个工艺模型。因此，可以将工艺模型MFG表示为

式中：Design表示设计模型，它是工艺设计的依据；Blank为毛坯模型；IPM；为每道工序对应的工序模型，n表示工序数；AMi为零件的工艺属性信息，如工艺代号、工艺名称、零件号、零件名称、工艺版本等。

工艺模型为装配体模型，是由设计模型、毛坯模型和每道工序的工序模型通过坐标系对齐的方式装配在一起而形成的组件模型，设计模型、毛坯模型和每道工序的工序模型都是一个独立的零件模型，相邻工序模型之间保持着关联关系。

(2)工序模型

工序模型是每道工序加工完成后形成的中间模型，与传统的二维机加工艺卡中的工序图相对应。工序模型由工序几何模型、本道工序所要加工的加工特征以及工序属性组成。因此，可以将工序模型表示为

式中：Geai表示工序几何模型；F表示第i道工序所要加工的第j个特征；A黔表示工序属性信息，如工序号、工序名称、设备、工装等；Step‘表示本道工序下面的一个工步。

一般来说，一个工序对应一个工序模型，但对于简单的零件，多个工序可以共用一个工序模型。

(3)工序参考模型

工序参考模型指进行本道工序设计所依据的三维模型信息，是工序详细设计的输人。第一道工序的工序参考模型为毛坯模型和设计模型，后面每一道工序的工序参考模型为其前一道工序的工序模型和设计模型。因此，可以将工序参考模型表示为

2 MBD环境下的三维机加工艺设计模式

传统的机加工艺设计过程不能直接应用设计部门产生的三维模型，需要将三维模型转换成二维工程图，其流程复杂，难以管理。采用MBD技术后，工艺设计人员可以直接利用设计部门发放的三维模型进行工艺设计工作，通过对MBD环境下三维模型数据在各个部门与信息系统中的传递进行分析，建立了如图1所示的三维机加工艺设计模式。MBD环境下的三维工艺设计以产品生命周期管理(Product Lifecycle Management， PLM)系统为协同工作的平台，产品设计人员通过计算机辅助设计(Computer Aided Design， CAD)系统进行产品设计，并将设计结果保存在PLM系统中进行审签。

产品设计模型正式发放后，工艺设计人员从PLM系统中获取设计部门发放的三维模型进行工艺设计，工艺设计完成后，将工艺设计结果保存到PLM系统中进行管理，生产现场和制造执行系统(Manu-facturing Execution System， MES)可以从PLM系统中获取工艺数据安排生产。MBD环境下的三维机加工艺设计过程包括毛坯模型设计、工序设计、工序模型生成与标注和三维工艺发布四部分。

图1 MBD环境下的三维机加工艺设计模式

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