基於三維CAD模型的加工工藝設計軟件淺析

隨着三維軟件的普及應用,設計人員逐漸習慣於採用三維建模的方式進行繪圖工作,其效率比二維軟件、手工製圖提高很多倍,效率不言而喻,同時這就要求下游的工藝設計也要與時俱進,儘量利用上游設計人員產生的三維模型,纔是實現工藝設計變革的根本手段。


傳統工藝設計手段儘管可以採用CAPP軟件進行良好的信息表達,但對於CAD成果的利用有限,尤其是三維CAD的有效利用,其落後極大地制約了企業的產品設計週期,因此當上遊實現了面向三維的設計,工藝設計面向三維成爲了發展趨勢。


而企業不斷深化發展的信息化系統和集成平臺的搭建,爲三維CAPP的平臺應用性和集成性也提出了新的要求,三維CAPP的發展方向應是交互可視、集成性高。


1   传统CAPP存在的问题


傳統的工藝編制過程是在分析和處理圖樣、機牀和刀具等大量信息的基礎上,進行加工方法、機牀、刀具和加工順序的選擇或決策,並計算加工餘量、工序尺寸、公差、切削參數、工時定額、繪製工序圖和編制工藝文件。其中的核心部分,是工藝人員是否可以將圖樣當中表現的零件歸入經常加工的類,如果可以,就按以往該類的加工方案建立整體的加工路線。


一般來說,80%以上的零件可以歸類。還有一部分不能歸類的,或者加工經驗不多,結構複雜的零件,就需要工藝人員反覆思考、設計加工路線、不斷改進,最終確定加工路線。在確定了加工路線後,工藝人員逐步細化工藝內容,按工種確定每個工種、每個工步要加工的內容,首先在大腦中確定每個工步要加工要去掉的部分,建立從毛坯到最終零件成形的整個加工過程,這些都是以三維的形式在腦中顯現;然後,確定去掉該部分後形成的表面的粗糙度要求、尺寸精度要求和幾何精度要求等;有時再說明一些加工方法和注意事項等。把這些內容再以文字、圖表等形式反映到紙上,就形成了工藝文件。採用軟件對零件進行工藝分析、決策最核心的難點就是確定加工先後要去掉的部分(即加工特徵),確定後再讀取加工特徵的屬性值,就可以作爲工藝設計的依據。解決了這一關鍵問題,三維工藝設計將成爲可能。


傳統CAPP採用圖文表一體化的設計思想,徹底改變了更原始的EXCEL或CAD編輯卡片的方式,提高卡片繪製效率和準確性,當與PDM系統集成應用時也可解決設計數據傳遞至CAPP卡片的問題,但如企業未實施PDM,則工藝數據和設計數據缺乏關聯,產品圖紙或模型無法直接利用,另外還容易出現以下問題:


1) 工藝簡圖區通常只能手工繪製或取自DWG文件,工作量大且容易出錯;


2)三維CAD通常作爲OLE對象插入CAPP卡片,無法獲取模型的信息;


3)尺寸信息需手工確認,無法直接從CAD獲取;


4)设计更改后,需手工更新工艺信息;


5)工艺设计信息无法向CAM传递;



爲了解決以上問題,武漢開目信息技術有限責任公司提出的KM3DCAPP-M,是國內首創基於三維CAD模型的加工工藝設計軟件,它通過特徵識別技術,並結合特徵參數化工藝設計,實現三維環境下的零件加工工藝設計及工藝過程可視化。


2  KM3DCAPP-M系统概述


三維與二維相比是更先進的技術,可以實現更強的功能,是提高質量和效率的基礎性技術。三維更適合表達事物的三維變化過程,如機械加工的冷加工,如車、銑、數車、數銑、線切割、電火花成形加工等都是三維的變化過程。用三維的方式來表達這些生產過程,更符合事物的本質規律,更適合表達事物的三維變化過程。在這一過程中,工藝人員能夠清楚直觀地看到事物的變化過程,能夠在三維環境中,更真實地設計加工過程、檢驗加工過程,而加工人員可以更直觀地看到加工過程,更容易理解加工過程。


KM3DCAPP-M完全解決了傳統CAPP對三維CAD利用率低,無法實現數據傳遞的缺點,它使得工藝設計智能化。設計工藝的核心過程是直接使用三維模型爲其輸入,免除了三維模型轉換成二維工程圖的步驟,爲實現智能化提供了先決條件。同時,通過知識積累,有利於促進形成工藝知識庫,將優秀的工藝、典型工藝知識庫固化下來。工藝文件的三維化,有利用將零件內在的加工方法和邏輯總結出來,幫助人們提高更多的工作效率。其次,將多年來形成的工藝知識庫、優秀的工藝和典型工藝知識庫,轉化成計算機程序和軟件,實現工藝智能化。計算機程序或者軟件系統,可以代替人的很多重複性勞動。實現工藝智能化,也可以代替人進行工藝設計,完成重複性高的零件加工過程設計,同時可以生成數控加工程序。


總結起來,該系統在工藝設計流程中具有如下優勢:


1)系統可自動拾取三維模型的工藝特徵(孔、外圓、鍵槽、中心孔等),免除了傳統CAPP需手工拾取的工作,可直觀地查看產品模型中包含的製造特徵;


2)基於系統已有工藝知識,擬人化的表達工藝人員工藝決策的過程,根據設計特徵的參數值驅動工藝特徵,然後自動生成特徵工藝,以求實現工藝設計專家化;


3)利用工艺加工方案,自动生成毛坯图;


4)在可視化環境下,系統與用戶交互式定義加工路線、自動生成加工工序圖;


5)根據工藝過程,自動的生成每道工序下的零件模型圖,客觀地反應加工過程中毛坯去材成形過程。交互式定義加工基準面、自動進行公差分析和分配;


6)自動產生過程卡、工序卡等傳統工藝文件;


7)根据工艺信息自动产生数控代码。


上述優勢爲KM3DCAPP-M所獨具,對於傳統CAPP中設計與工藝數據脫節、卡片自動化程度低等缺點予以改善,是廣大工藝人員解放思路、改變編制習慣的有力工具。


3   KM3DCAPP-M典型应用


下面以某箱體件爲例,將KM3DCAPP-M的應用流程做簡單描述。



图1 某箱体件


3.1   特征识别


系統能半自動識別、自動識別所有的特徵,包括單特徵和組合特徵:外圓柱面、越程槽、軸端面、孔、A型鍵槽、C型鍵槽、半月型鍵槽、階梯孔、平面、軸臺階、外圓錐面、中心孔、外螺紋、內螺紋、倒角、階梯孔。特徵參數可自動識別出來的,每類特徵有不同的參數,特徵類型可自定義、可擴充、特徵識別規則可擴充,特徵參數值可修改。



图2 自动拾取特征


3.2    加工步骤自动产生


工藝特徵識別出來後逐一調用工藝知識庫獲得各個工藝特徵的加工步驟,特徵流程全部根據特徵類型自動定位,特徵加工方法可自定義。加工步驟可編輯,支持添加、刪除步驟,步驟屬性內容可修改。


如下圖:根據讀取的孔特徵,通過調用工藝知識庫自動產生加工步驟,產生的加工步驟可進行可視化的順序調整。



图3 自动产生加工步骤



图4  特征加工方法建库工具界面


3.3    毛坯及加工过程图产生


所有加工表面的加工方法和步驟出來後,根據各表面的加工餘量可以產生零件的毛坯。另外系統有多種工序編排的方式。根據生工序加工圖,存放在工序的簡圖屬性中,在GXK文件的工序卡中可顯示。



图5 加工过程演进图



图6 加工过程演进图


3.4   工艺数据输出


工藝設計結果可輸出爲GXK或XML文件格式,方便與其它系統的集成。



图7  输出为GXK文件


4      结束语


三維工藝方面的應用,國內已經處於起步階段,國外的三維工藝現在以交互式爲主,即工藝人員或數控編程人員指定具體加工部位,計算機會自動選擇加工方式、刀具和參數,自動生成刀具軌跡。其中,指定具體加工部位是效率最低的部分,很多情況下很難直接選出具體的加工部位,甚至無法選出想要加工的部位,這使得數控編程人員的效率較低。因此,如何能使計算機識別出具體的加工部位(即加工特徵)就成了CAPP進一步發展的關鍵,KM3DCAPP-M的核心和設計思想就是如何將設計模型轉變爲加工特徵模型,使以上問題得以解決。