近年来,计算机集成制造系统在企业中的应用不断深入,随着市场竞争的日益激烈,企业对生产工艺设计的快速、智能、合理性等方面的要求越来越高,虽然CAPP系统广泛应用于工艺设计领域,但其生成的生产工艺往往不能很好地针对企业现有的制造资源现状,即生产工艺无法以现有制造资源实现。因此,迫切需要一种工艺设计智能系统,通过此系统,工艺人员在熟悉的软件环境下对工艺设计对象作简单的操作即可完成工艺设计。
本文以轨道车辆转向架常用冲压零件为研究对象,针对企业实际制造资源现状,以制造工艺的智能化和可实现性为目的,研究了CAD/CAPP系统集成环境下冲压件的工艺特征识别、提取和在制造资源约束下的工艺智能设计等关键问题。首先基于特征识别和特征映射实现了CAD/CAPP之间的无缝集成,进而通过建立制造资源对工艺特征的约束机制,以及基于工艺特征的冲压件工艺推理规则,实现了满足企业现有制造资源约束要求的冲压类零件制造工艺的智能设计。
1 基于特征的CAD/CAPP系统集成
CAD系统是产品设计的环境.同时也是工艺设计人员对设计对象工艺信息获取的重要工具,因此,CAPP与CAD系统的集成,可实现对CAPP系统的操作都能够在CAD系统下完成。
零件工艺信息是CAPP系统实现工艺生成的基础,对设计对象准确、简洁的工艺信息获取是CAPP系统进行工艺决策分析的关键,而零件结构设计以设计信息为基础来完成。特征是信息的抽象与集合,同时是信息的载体,可分为设计特征与工艺特征。在应用CAPP阶段,工艺设计人员希望从零件几何模型中尽可能通过简单的操作获取对工艺设计有用的信息,甚至通过简单的鼠标点击和菜单操作即可完成所有工艺信息获取,以减少人工的信息分析和输入的工作量。特征即为零件信息的载体,其可将CAD系统下零件的信息以数据的形式传递给CAPP系统,由此,特征作为信息传递的纽带,通过特征识别和特征映射将两系统集成起来,在集成系统下,对零件信息的操作可通过对零件特征的操作实现。
基于特征的CAD/CAPP集成系统主要包括3个部分:CAD环境下特征信息获取模块,特征映射模块,资源约束下工艺方案、工艺文件生成的CAPP模块。系统结构及工作流程如图1所示。
图1 系统结构及工作流程
系统以工艺设计对象(零件的三维模型)为输入,以人机交互的方式在CAD环境下提取零件的设计特征以及选择零件的材质,从而生成完整的设计特征,经特征映射将设计特征转化为工艺特征,并以特征文件的形式存储,特征文件可以通过模块间的通信将零件的信息传递到CAPP模块中,在制造资源约束的条件下,生成符合实际的工艺方案,进而通过工艺决策生成工艺文件。
特征映射以特征映射机理为基础,采用产生式规则推理的方法将设计特征映射为工艺特征。集成系统提供模块化管理接口,映射功能模块与系统间以动态链接的形式结合,这样易于功能模块维护且可在不修改系统程序框架的情况下升级新功能。特征映射过程为系统后台运行功能,其工作过程如图2所示。
图2 系统特征映射
CAD/CAPP系统集成的实现是以特征技术为基础的,作为信息载体,特征能够跨平台地传递零件的几何信息、工艺信息以及其它属性信息。基于特征技术的CAD/CAPP系统,以通用CAD系统为平台,通过二次开发技术,扩展CAD系统的特征识别和信息处理功能模块,工艺人员以人机交互的方式在熟悉的CAD环境下,即可完成对零件几何信息、工艺信息的获取。对于这些信息,系统以特征文件的形式存储,该文件为文档格式的多系统可识别的中性文件,通过定义文件的格式,以及为CAD、CAPP系统开发扩展文件接口程序,即可实现零件信息在多系统之间的传递。特征文件包含了与设计有关的几何信息,同时包含与生产相关的制造信息,这些信息通过特征映射,经程序模块处理、提取后生成与工艺设计相关的工艺信息,即工艺信息文件。该文件经制造资源约束模块读取,作出可制造性判定后即可以此为基础进行工艺决策,生成符合当前企业制造能力要求的工艺文件。
本文采用配置文件作为特征文件的存储形式,为了使存储于各系统中的特征信息便于应用及处理,有必要应用计算机程序语言建立配置文件的操作功能接口。笔者设计了基于配置文件信息存储模型的数据信息操作接口,由此可实现基于配置文件的特征信息的保存、修改和解析,使得工艺系统可以以此读取特征信息,同时也可以将配置文件中保存的特征信息还原到设计系统中,为实现后续工作提供信息支持。图3为基于配置文件的特征信息转换接口功能示意图。
图3 文件信息转化接口
2 制造资源对生产工艺的约束
生产工艺必须在企业制造资源约束下才能对生产活动起到正确的指导作用,在工艺设计过程中,希望企业的制造资源是清晰描述的,并且是能够对工艺设计起到指导和约束作用的。
制造资源描述主要是对其制造能力的描述,制造能力是指应用企业制造资源所能完成的生产任务的程度,如机床的加工范围、加工精度,折弯机的最大折弯力等。制造资源分为机床设备、模具、刀具、工装、量具等。制造资源以数据的形式存储信息,数据主要包括管理信息和能力信息两方面内容,见表1。
表1 制造资源数据
制造资源库包括工艺知识库和资源设备库两部分。工艺知识库存储以制造资源信息为基础的工艺约束性知识,如针对某一工艺对象的设备、工装等的选择规则,工艺参数的确定规则等。
资源设备库主要包括各类机床、模具、刀具、工装和量具等,这些设备以数据库的形式存储和管理。同时,数据库为用户提供管理接口,根据企业制造资源的变更,可及时对其进行维护,从而可实时准确地反应企业的制造资源现状,及时有效地指导生产。
在零件生产工艺过程中,工序中涉及相应的机床,工件安装涉及相应的夹具,机床和夹具确定后由刀具实现加工,或由模具实现成型,最后由量具实现检测,因此,工艺过程中各个环节都受到制造资源的约束。工艺过程资源约束关系如图4所示。
图4 工艺过程资源约束
对工艺知识和制造资源的管理,通过对CAD系统进行二次开发以及扩展工艺知识库和制造资源库管理功能模块予以实现。系统为用户提供了一个管理接口,从而实现了对工艺知识、制造资源信息的添加、修改和删除,通过这一接口,工艺人员以及系统维护人员可以将产品生产过程中积累的工艺经验以及工艺改进和创新,实时地添加到工艺系统中,同时可根据企业制造资源变动调整资源信息,由此实现了有价值的生产工艺以及经验的积累和传承,同时保证了制造资源的实时更新,使系统工艺生成的智能性、合理性不断提升。
以钢板类零件折弯成型过程为例,共涉及机床、工具、量具3类制造资源,其中机床包括数控折弯机,工具包括折弯模具,量具包括折弯检测工具。
反应制造资源能力的参数为:1)折弯机,最大折弯力,最大可折工件长度,最大可折工件宽度,最大开启高度;2)折弯模具,最大工件宽度,折弯圆弧半径,折弯圆弧张角;3)测量工具,折弯圆弧半径,折弯圆弧张角。
以某一组制造资源为例,约束参数表示方式如下。
折弯机A:折弯力≤1200kN,可折工件长度≤3200mm,可折工件宽度≤2700mm,开启高度≤620mm。
折弯上模A:工件宽度≤1000mm,50mm≤折弯圆弧半径≤60mm,50°≤折弯圆弧张角≤120°。
折弯下模A:工件宽度≤1000mm,下模开口宽度=100mm,30mm≤折弯圆弧半径≤180mm,90°≤折弯圆弧张角≤120°。
测量工具A:10mm≤折弯圆弧半径≤150mm,折弯圆弧张角≤180°。
通过对折弯对象特征提取的特征信息包括板料厚度S、板料折弯宽度L以及材料抗拉强度b,根据工艺经验,下模开口宽度V与板料厚度S之间的约束关系为:
8S≤V≤10S
折弯半径R与下模开口宽度V之间的关系为:
0.16V≤R≤0.17V
折弯力P的计算公式为:
P=1.42bS2L/V
通过对设计对象特征信息处理,得到工艺参数V、S、P,再通过对制造资源信息检索及对约束关系进行逻辑判断,即可评价出此工件是否可以现有制造资源来达到理想设计要求。
若通过约束判定后可实现,系统会自动选择现有设备、模具、工装、量具的制造资源,通过工艺决策生成零件成型工艺。
3 实例
图5为转向架侧梁下盖板折弯成型后的三维模型,具体参数如图6所示。
图5 三维模型
图6 零件成型参数
在CAD环境下,通过对几何模型进行特征选取,以及经过系统特征映射、制造资源约束判断、工艺方案选择以及工艺决策,系统生成特征中性文件:
[XGB(01)]
R1=50
V1=140
R2=100
V2=160
R3=100
V3=120
L1=71.5
L2=350.6
L3=255.4
L4=1036.3
S=14
其中:R表示圆弧半径;V表示圆弧张角;L表示圆弧间距:S表示材料板厚。
由以上参数可以通过系统处理得到制造资源约束结果,若具备可制造性,则生成折弯工艺文件。
4 结束语
本文提出了制造资源约束检查方法,建立了基于特征和制造资源约束的折弯工艺设计原型系统,并以转向架常用件作为设计对象对其进行检验,得到如下结论。
(1)系统由零件模型提取的特征信息能够完整地描述零件几何结构和工艺要求。
(2)设计特征可向工艺特征映射,系统通过三维图形显示的方式,表现设计人员的意图。
(3)工艺推理模块能够通过读取加工特征文件,获取零件设计信息,生成工艺流程,实现制造工艺智能生成。
(4)系统对工艺特征进行制造资源约束检查,保证所设计的生产工艺是本企业现阶段可制造的,减少了由于零件不可加工造成的反复设计问题,提高了产品设计效率和市场竞争力。
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