文章

基于MBD技术的三维装配工艺系统构建及应用

2018-11-10叶盛 唐家霖 鲍劲松 黄卫东

272阅
本文以MBD技术作为装配工艺建模过程的技术支撑,研究MBD技术下的三维装配工艺建模方法,以打通数字化装配过程中的数据流和信息流,提高生产效率,降低成本,为提高企业竞争力,从而推动我国工业信息化进程提供技术支撑和保障。

    为了适应变化迅速的市场需求,提高产品的竞争力,现代制造企业应用CAD/CAM等技术,使产品设计、制造过程的质量、效率大为提高。然而,由于国内产品三维数字化模型只包含产品的几何形状信息,不包含尺寸公差、材料、热处理方法、技术要求等后续加工、装配等环节需要的非几何信息,使产品三维数字化模型不能贯穿整个产品数字化制造过程。

    MBD(model based definition)即基于模型的定义,是一种产品数字化定义的先进方法,是指按照模型的方式组织产品定义的各类信息,其核心内容是产品的三维几何模型,所有与产品相关的工艺信息、材料属性信息和管理信息(包括零件表)等都附着其上,从而完整表达产品的定义信息。文中全面考虑产品的各种制造信息,以MBD技术作为装配工艺建模过程的技术支撑,研究MBD技术下的三维装配工艺建模方法,以打通数字化装配过程中的数据流和信息流,提高生产效率,降低成本,为提高企业竞争力,从而推动我国工业信息化进程提供技术支撑和保障。

1 零件工艺信息模型的建立

    目前,零件三维几何模型仅包含产品的几何模型,而不包含零件后续加工过程中需要的尺寸公差、形位公差、表面粗糙度等非几何信息。因此,以三维模型为载体,加入尺寸公差、形位公差、表面粗糙度等相关工艺信息,可实现对原有三维几何模型的拓展,建立基于MBD的零件工艺信息模型,使得三维模型与工艺信息紧密关联,从而提高装配效率,方便对装配工作的指导。

    以三维模型为载体,结合尺寸公差、形位公差、表面粗糙度等相关工艺信息,对原有三维几何模型进行拓展,建立基于MBD的零件工艺信息模型,实现工艺信息与三维模型的紧密关联,方便对装配工作的指导,提高装配效率。

    基于MBD的零件工艺信息模型,包含整个装配工艺中零件自身所涉及的工艺信息,如材料、尺寸、形状等,归纳后主要由几何模型、标注和属性3部分组成。因此,可以将基于MBD的零件工艺信息模型定义为

零件工艺信息模型定义

    式中:Gi为零件几何模型,包括模型几何元素和建模、标注中所使用的辅助几何元素;Anoj为零件几何模型的标注信息;Arik为零件的材料,包括热处理方法等属性信息。

    建立基于MBD的零件工艺信息模型就是构建一个新的集成工序层下对应的零件所包含的几何模型信息与PMI(产品制造信息)的“胖模型”。其工艺信息模型框架如图1所示。

基于MBD的零件工艺信息模型框架

图1 基于MBD的零件工艺信息模型框架

    为了实现零件工艺信息的储存、共享与传递,应用C#程序实现基于XML Schema模式的零件工艺信息模型的结构化记录。借助HOOPS软件强大的模型处理能力,以及其PMI信息的添加技术,采用HOOPS图形内核,以C#为标注系统的程序开发语言,实现零件工艺信息的可视化。

2 装配工艺模型

    基于MBD的装配工艺模型即将装配过程中的工艺信息都集成在几何模型中,并以该模型作为产品生命周期内唯一的数据源进行传递,以指导装配生产工作。基于MBD的装配工艺模型包含设计几何模型、工序模型和工艺属性3个组成部分,因此,可将基于MBD的装配工艺模型PM定义为

装配工艺模型PM定义

    式中:DM为装配体的几何设计模型,它是基于MBD装配工艺模型的载体;PDMi为第i道工序模型,它是产品装配过程中第i道工序所对应的中间模型,即基于MBD的工序模型,主要用于辅助工艺设计,包括参与该道装配工序的零件几何模型以及其装配工艺信息等;Aj为工艺属性信息,如装配的分工路线信息、工艺规程信息等产品装配的工艺规划信息和工艺设计信息。

    2.1 基于MBD的工序模型定义

    为了便于工艺设计,体现装配工艺过程,将整个装配工艺以工序为单位进行划分,建立基于MBD的工序模型,要求工序模型除了包含该工序的零部件几何信息外,还应包含零部件间的约束关系,以及装配顺序、装配方法等非几何信息。因此,可以将基于MBD的工序模型定义为

工序模型定义

    式中:parti为该道工序所包含的第i个基于MBD的零件工艺信息模型;cj为零件间的约束关系;AMk为该道工序包含的装配要求如装配顺序、装配路径、装配方法等;Arl为工序属性信息,如工序名称、工序编号等。基于MBD的工序模型框架如图2所示。

基于MBD的工序模型框架图

图2 基于MBD的工序模型框架图

    2.2 装配工艺本体的构建

    装配工艺建模将基于本体理论,实现整个工艺过程内的各个环节都能够共享整个产品装配过程的知识,保证装配过程协调、合理、平滑运行,从而提高产品的生产质量和生产效率。

    基于本体论的工艺模型即依据本体论对整个装配工艺这一客观存在进行描述。在对整个装配过程进行分析的基础上,将装配过程知识划分为3个层次,即工艺层、工序层、零件工艺信息层,分别对应的是工艺本体、工序本体、零件工艺信息本体,其中工艺本体又包含工序本体和零件工艺信息本体。工艺本体反映的是产品的工艺模型即工艺文件,是以公理化的、标准化的形式对工艺进行描述,包含了装配过程的全部信息;工序本体是对某一个具体工序的本体化描述,包括约束关系、安装顺序、安装路径、安装方法、安装动作等,是对具体工序的深刻剖析、定义和说明,它反映的是基于MBD的工序模型;零件工艺信息本体包含材料、尺寸、精度以及实体模型的明确语意关系,以及这些制造信息对于其他信息的影响和自身随着装配过程的动态变化,例如零件材料将会对装配方法产生影响,同时装配过程中的精度信息会对相关尺寸约束产生影响,以及装配精度在装配过程中的自身变化,它反映的是基于MBD的零件工艺信息模型。装配工艺本体的构建,将包括工艺层、工序层、零件工艺信息层的相关概念获取,以及他们之间的明确层次关系,同时还包括每一层次内的各工艺信息间的明确语意关系。

    根据上述装配工艺本体定义方法,可构建基于本体的工艺模型框架,即装配工艺本体框架,如图3所示。

装配工艺本体模型框架图

图3 装配工艺本体模型框架图

    根据本体定义方法以及装配工艺本体模型框架,利用Prot6g6本体构建工具通过对概念以及概念间约束关系进行定义,构建装配工艺本体,生成装配工艺本体的概念树。然后利用Prot6g6本体建模工具中的OWL代码输出功能即可实现基于OWL的装配工艺本体信息的记录。

    2.3 工艺BOM的建立

    依据装配工艺本体的论述,将装配工艺中包含的装配方法、装配序列、使用工装、工艺属性等信息与MBD技术相结合形成的装配工艺MBD数据集进行合理地分类与整合,建立如图4所示的工艺BOM。

工艺BOM图

图4 工艺BOM图

3 三维装配工艺系统的构建

    3.1 三维装配工艺系统仿真平台的构建

    文中采用装配工艺仿真、工艺参数数据库建立、图形用户环境开发等技术,将零件三维模型、多媒体装配动画以及工艺参数集成在一起,建立基于MBD三维装配工艺建模系统平台。系统平台基于HOOPS图形内核,采用C#语言,在Net Framework下进行集成开发,工艺参数数据库采用mySQL数据库,其系统技术路线如图5所示。

    由图5可知,平台主要分为两大模块:加工装配流程仿真模块和三维装配工艺建模模块。首先,三维工艺建模系统先从数据库中读取产品三维模型,然后在HOOPS环境下对模型进行分段处理得到产品结构树,利用工艺建模技术,获得理论工艺模型,同时进行产品MBD模型建立工作,包括对模型进行定位基准标记,相关尺寸和公差信息标注等工艺信息的添加,并利用多视图技术对其他工艺信息如人因工程信息,材料属性信息等在工艺属性中进行定义;然后,输入三维产品模型和工装模型,在装配仿真环境下对理论工艺模型进行仿真验证,并将仿真结果存人工艺数据库;最后通过产品三维数学模型、装配操作动画等生成三维装配AO(assembly order),并将各种工艺信息集成在一起形成三维装配工艺文件,即三维装配工艺模型,图6为采用上述技术构建的复合材料舱段三维装配工艺系统平台界面。

系统技术路线

图5 系统技术路线

复合材料舱段三维装配工艺系统平台

图6 复合材料舱段三维装配工艺系统平台

    3.2 三维AO的实现

    AO即装配指令,是工艺部门根据产品设计的要求、企业现有的工艺水平和产品质量要求编写的工艺文件,和产品的装配过程相对应,相当于传统的装配工艺规程,它的作用是向装配生产单位下达生产任务、指导工人生产和填写质量记录,但在数字化技术全面应用的今天,AO不仅需要包括工艺信息,还要包括生产信息、质量信息与过程信息。

    文中提出基于MBD的三维AO技术,是利用HOOPS图形内核强大的模型处理能力,将HOOPS环境集成到三维AO的生成环境下,通过开发相关按钮完成对模型的标注、注释等功能,保证其操作与修改是基于模型的,而且是实时的;同时通过对工艺信息中的人因工程信息进行合理的定义和科学的仿真手段,生成三维仿真动画,三维仿真视频是利用DELMIA软件DPM模块自身提供的仿真过程录制功能,在对每道工序进行虚拟仿真验证后,直接生成AVI格式的视频文件,应用C#语言借助VS2010开发平台在三维AO系统中集成视频播发功能,图7为将通过科学的仿真验证无误后输出的三维仿真动画集成的三维AO环境下结合相关文字表述共同构成的工序内容。

三维动画加文字描述对工序内容进行表达

图7 三维动画加文字描述对工序内容进行表达

4 装配工序实例仿真

    4.1 桁条的装配过程分析

    在复合材料舱段的整个装配工艺中,桁条的装配是一重要工序,其主要工作是满足相关位置精度要求后,通过铆接方法将桁条与壳体固定在一起,壳体的材料为碳纤维符合材料,质量较小、装配过程中容易变形、钻削加工时容易产生分层,所以装配操作难度较大;其中安装桁条的主要目的就是支撑壳体,减小其装配过程中的变形量,壳体上的桁条共有36根,为了达到减小变形量的目的,桁条装配在壳体卜的位置要求是均匀分布,所以桁条的装配位置精度要求较高,桁条装配工序主要内容有:清洗壳体表面、桁条画线、粘接桁条、配打桁条孔、清理毛刺、铆接桁条等。

    4.2 桁条装配工序本体的定义及其可视化应用

    桁条装配属于舱段装配工艺中的一道工序,其上一道工序为壳体加工,下一道工序为安装支架,因此,包含桁条装配工序的部分舱段工艺本体可定义为

桁条装配工序的部分舱段工艺本体

    式中:CaltOnto为包含安装桁条工序的部分舱段工艺本体;Procedure为该工艺中所包含的工序的概念集;Rea为工序概念之间的关系集;Atr为舱段工艺的属性集。

    然后根据工序本体定义方式,定义桁条安装工序本体,以及根据零件本体定义方式,定义壳体与桁条零件本体。最后基于上述定义,运用基于MBD的三维装配工艺建模系统,对桁条安装工序进行可视化建模,如图8所示。

基于MBD的桁条装配工序二维装配工艺可视化建模

图8 基于MBD的桁条装配工序二维装配工艺可视化建模

    从上述可视化建模可看出,集成三维几何模型和三维装配工艺信息数据的三维装配工艺模型,方便了工艺信息的查询,而且在三维模型上进行尺寸标注提高了可读性,改变了以往二维工艺文件数据繁多冗杂,查询不便,以及二维装配图复杂难懂的弊端,以此作为工艺文件指导工人现场操作,有利于保证装配精度、提高装配效率,从而缩短了舱段的生产周期,同时三维AO能够将装配方法以动画加文字描述的方式表现出来,方便了现场操作的指导以及新员工的培训。

5 结论

    针对传统装配工艺文件工艺信息复杂繁多、二维装配图复杂难懂等弊端,以MBD技术为基础,研究r零件工艺信息模型、工序模型、装配工艺模型等的构建方法,提出建立基于MBD三维装配工艺建模系统的技术路线,搭建出系统平台成功应用于复合材料舱段桁条装配工序的三维建模与仿真,对推进中国数字化装配技术的发展具有重要参考借鉴意义和实际应用价值。

责任编辑:程玥
本文来源于互联网,e-works本着传播知识、有益学习和研究的目的进行的转载,为网友免费提供,并以尽力标明作者与出处,如有著作权人或出版方提出异议,本站将立即删除。如果您对文章转载有任何疑问请告之我们,以便我们及时纠正。联系方式:editor@e-works.net.cn tel:027-87592219/20/21。
读者评论 (0)
请您登录/注册后再评论