随着三维CAD技术在企业数字化设计与制造中的广泛推广和应用,传统的二维CAPP系统已不能满足工艺设计与管理的需要。在三维环境下进行工艺设计、工艺资源管理、工艺知识表达等已成为企业工艺信息化发展的新需求。发展3D CAPP的关键技术之一是三维工序模型的构建和表达。现阶段针对工序模型表达的研究主要停留在单一地运用三维CAD系统交互建模的层面上,没有将工艺设计知识充分融入到建模过程中,导致建模效率低下,不便于信息的集成和3D CAPP技术的推广。针对上述问题,提出了一种借助CAM加工仿真软件、面向工艺知识本体生成工序模型的方法。充分运用本体知识引导工序模型的构建,以此来提高三维工艺设计的效率和工艺信息的表达能力,为3D CAPP技术的研究与应用提供更有利的技术支持。
1 特征本体的构建和表达
工艺知识的有效组织和管理是高效构建工序模的重要前提。作者采用基于制造特征的工艺知识管理方法,在对企业产品零件特征进行分析、归纳的基础上,将零件的制造特征进行分类管理,创建企业的零件特征库。然后再对企业的工艺知识进行组织、分类,将制造特征与该特征相关的工艺知识相关联,并将典型特征及其关联的工艺知识封装为特征本体。通过构建特征本体来组织和表达工艺知识、反映工艺知识之间的联系,并以此来引导工序模型的构建。特征本体是对特征工艺知识的描述和总结。特征本体的构建过程就是从工艺知识中提取与制造特征相关联的概念、关系和属性,并合理地组织和表达的过程。特征本体的结构可由一个四元组表示:
Feature ontology={FI,C,R,A}
FI表示特征的标识信息,包括特征所属零件、特征ID号、特征加工次序等基本信息。C表示特征加工领域的相关概念集合,包括特征加工方法类、机床类、夹具类、刀具类等。R为所定义概念间的关系集合,包括继承关系、并列关系以及特征加工时所涉及的基准关系、定位关系、约束关系等。A为概念和关系的属性集合,属性是对所定义类的性质描述,如机床的基本属性包括机床编号、名称、主轴转速、最大功率等。
基于上述思想完成典型零件特征本体的创建,并通过OWL(ontology Web Consortium)本体描述语言对特征本体进行编码,将本体中定义的概念、关系和属性映射到具体的工艺知识载体中,如数据库文件。得到的本体映射文件可以辅助CAM加工仿真软件进行特征建模操作,实现特征本体信息向机加工操作的映射,为三维工序模型的生成提供辅助支持。
2 三维工序模型的构建流程
工序模型的生成过程就是一种三维模型随工序内容不断演变的动态创成过程。通过特征本体信息的引导、借助CAM软件的建模仿真功能实现工序模型的生成。三维工序模型整体构建框架如图1所示。
图1 三维工序模型整体构建框架
2.1 设计模型向毛坯模型的转换
三维工序模型的生成始于毛坯模型,设计模型向毛坯模型的转换是设计模型向工序模型转换的第一步,也是生成三维工序模型的关键技术之一。从制作的角度来考虑,零件模型可以看成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。设Mb代表毛坯制造模型,Md代表零件设计模型,Pij为第i道工序加工出的第j个制造特征,n代表总的工序数,Si为第i组工序加工出的特征数,Mbk代表中间工序模型,则零件的加工制造过程可表达为:
第k道工序的工序模型:
生成工序模型的过程就是先通过设计模型求解毛坯模型,再由毛坯模型还原设计模型,并在还原设计模型的过程中结合特征本体信息完成加工特征创建,生成中间工序模型。文中选择Pro/ENGINEER软件中的数控加工模块(Pro/NC模块)作为CAM建模仿真平台实现设计模型向毛坯模型的转换。Pro/NC模块可以提供车削、铣削、钻削、线切割等多种仿真加工和编程功能。在创建制造模型方面提供了特征驱动、实体驱动、曲面驱动等CAM驱动模型,能使加工模型的建立和刀具轨迹的编辑修改实现参数化。因此,借助Pro/NC模块来辅助生成三维工序模型能达到良好的应用效果。通过Pro/NC模块转换得到的毛坯模型能够继承原设计模型中的信息,再借助二次开发的三维工序模型辅助生成工具对原模型的尺寸边界、公差及一些数控特征进行修正,即可保证CAD和CAM之间信息的有效集成和共享。
2.2 基于特征本体信息的NC加工操作设置
通过二次开发三维工序模型辅助生成工具,借助外部数据库文件与Pro/NC模块之间创建接口的Pro/Toolkit应用程序可以实现特征本体映射文件的调用,辅助Pro/NC模块加工操作的设置。例如通过刀具应用管理程序,可搜索切削刀具并将和刀具相关的参数及加工数据从外部刀具数据库传递到Pro/NC模块,进而实现本体文件信息向NC制造操作的映射。特征本体中的加工方法可以映射为Pro/NC模块中的车削、铣削等加工命令,工艺参数可以映射为NC建模几何参数,工艺要求和辅助工艺可以映射为三维环境下的工艺信息标注。在特征本体映射文件的引导下,采用特征分解造型方法,通过在毛坯模型上进行一系列的布尔减操作,也就是在Pro/NC模块下通过创建与材料切除过程相对应的加工特征将毛坯模型转换为各工序模型。完成相应特征的NC序列设置后,Pro/NC模块会根据规划好的加工过程,自动生成刀具轨迹数据,并可实现数控加工程序的输出。特征本体信息向NC操作命令的映射如图2所示。
图2 特征本体信息向NC操作命令的映射
2.3 工序模型配置管理
三维工序模型是加工中间状态模型的有向序列。为了实现前后工序模型间的有效衔接和演化,利用Pro/ENGINEER软件的配置管理功能,通过程序控制和特征回退技术相结合的方式,建立配置与特征的对应关系。一个工序模型可能对应一个或几个加工特征。利用工序模型和加工特征节点的对应关系,调整程序设计指针回退到指定的特征节点处,以此来隐含或隐藏节点后面的特征生成当前工序的工序模型。按此方法配置的工序模型完全是按照零件的机械加工序从毛坯模型中派生出的,能够实现设计和制造信息的有效集成和共享。
3 实例分析
基于上述方法,开发了三维工序模型辅助生成模块,并以某轴类零件为例来验证生成三维工序模型的可行性。先通过模型转换生成轴类零件的毛坯模型,然后在Pro/NC模块下调整毛坯尺寸,参照轴类零件特征本体映射文件完成NC加工设置,依次创建轴类零件各加工特征。
借助三维工序模型辅助生成模块和Pro/ENGINEER软件的配置功能,以备料毛坯为出发点,参照轴类零件加工特征与工序模型间的对应关系划分配置,每个配置下的特征就是这道工序的加工内容,如“拉伸6”特征就是铣键槽工序对应的加工内容。该零件的特征配置界面如图3所示。
图3 轴类零件的特征配置界面
通过配置加工特征与工序模型的对应关系即可借助程序控制生成只包含当前加工特征的工序模型。轴类零件特征本体信息及对应的工序模型如表1所。
表1 特征本体信息与工序模型对照表
4 结束语
产品全三维工序模型的构建技术是三维集成化CAPP系统研究的重要内容之一,是实现CAD/CAPP/CAM集成的关键一环。通过构建特征本体实现工艺知识向Pro/NC模块特征建模操作的转化,阐述了三维工序模型的构建逻辑和建模流程,并以轴类零件为例进行了验证。结果表明该建模方法具有一定的实用性,对3D CAPP系统的研究具有借鉴意义。实现三维工序模型的构建表达后,以后的研究重点将是工序模型的三维工艺信息标注及可视化发布技术,以便为后续三维工艺技术的实际生产应用奠定基础。
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本文标题:基于特征本体的三维工序模型生成方法研究