CN106570303A

CN106570303A - 一种基于用户自定义特征的壁板零件mbd工序模型设计方法

Info

Publication number: CN106570303A
Application number: CN201611031332.1A
Authority: CN
Inventors: 秦慧斌; 吴霄; 申旭阳; 张瑞廷; 黄登高; 付俊帆; 侯志利; 郑智贞
Original assignee: North University of China
Current assignee: North University of China
Priority date: 2016-11-18
Filing date: 2016-11-18
Publication date: 2017-04-19

Abstract

本发明涉及一种基于用户自定义特征的壁板零件MBD工序模型的设计方法。本发明包括以下步骤：(1)通过对壁板类零件进行工艺设计，将壁板类零件的加工特征分为腔槽、筋、孔特征，完成加工特征的参数化建模；(2)利用MBD技术对加工特征进行三维标注，建立壁板零件的用户自定义特征库；(3)建立壁板零件的毛坯模型，选择用户自定义特征库中对应的特征，设计特征的几何尺寸参数和定位尺寸参数；以面向制造的设计方法，将修改后的特征导入毛坯模型中进行布尔差操作，通过添加定位信息、制造信息、属性信息等，快速生成壁板零件的MBD工序模型。该方法可以实现MBD工序模型的快速生成，提高壁板零件三维工序模型的设计效率。

Description

一种基于用户自定义特征的壁板零件MBD工序模型设计方法

技术领域

本发明属于数字化制造技术领域，具体涉及一种基于用户自定义特征的壁板零件MBD工序模型设计方法。

背景技术

基于模型的定义(Model Based Definition,MBD)以简明的方式在产品的三维模型中直接加入了产品的制造信息，进一步实现了产品从设计、加工、装配、测量、检测的集成。目前，航空航天、汽车能源以三维模型作为设计端向下游发放唯一数据载体的趋势越来越明显。

面向生产现场的可视化三维工序模型快速建立是三维数字化工艺设计的基本要求，三维工序模型的建立形象地表达了零件在生产制造过程中各工序的变化。三维工序模型成为了生产制造中的唯一依据，实现了制造链中的三维数据的贯通。

壁板零件作为航天产品控制系统电器元气件，如航空插头、电路板、热敏电阻变换器等零部件安装、固定的载体，具有承上启下的重要的连接作用。航天壁板结构零件能有效缩短航天器的装配周期，增加机体的强度，提高航天器制造质量，因而得到了广泛的应用。但航天板类零件结构特征多、结构复杂、精度要求高；并且航天壁板零件的批量少、改型多，三维工序模型设计效率低，重复劳动多。这些问题制约着壁板零件三维工艺设计的推广应用。

国内外已有专家学者对零件三维工序模型的建立方法进行了卓有成效的研究。文献“基于MBD的数控加工工艺三维工序模型技术研究，航空制造技术，2012，16：62-66”提出了面向MBD的数控加工工艺，重点研究了三维工序模型与零件三维设计模型、毛坯模型、工序间关系，三维工序模型的信息表达与信息操作方法。但是没有涉及到三维工序模型的具体建立过程。文献“基于信息映射的三维工序模型辅助生成方法，机械科学与技术，2011.30(10)：1649-1653”提出信息映射下的三维工序模型辅助生成方法，采用正向工序模型建立设计特征与加工特征的映射，通过特征参数化建模去除毛坯材料，以生成中间工序模型，但该方法对于含较多相交特征的复杂零件适用性差。

航天板类零件结构特征多、结构复杂、精度要求高；批量少、改型多，三维工序模型设计效率低，重复劳动多的问题，目前尚没有一种公开的解决方案，包括基于用户自定义特征的壁板零件MBD工序模型实现方法。

发明内容

本发明为了解决上述不足，提出一种基于用户自定义特征的壁板零件MBD工序模型设计方法，该方法实施方便，可操作性强，具有良好的可拓展性，能够提高企业的设计效率，缩短产品的开发周期。

本发明为实现上述目的而采取的技术方案为：

一种基于用户自定义特征的壁板零件MBD工序模型设计方法，包括以下步骤：

(1)建立壁板零件的MBD用户自定义特征库：

通过分析壁板零件加工工艺及加工特征，将壁板零件特征分成多个用户自定义特征，并对用户自定义特征进行参数化建模，利用MBD技术对用户自定义特征的设计信息进行三维标注，壁板零件的所有用户自定义特征构成一个用户自定义特征库；

(2)设计壁板零件的MBD工序模型：

根据壁板零件的设计模型建立壁板零件的毛坯模型，再根据壁板零件的毛坯模型和步骤(1)的用户自定义特征库生成三维工序模型，基于三维工序模型添加特征之间的定位尺寸、以及制造信息，完成MBD工序模型的建立。

本发明所述的用户自定义特征为槽特征、筋特征和孔特征。

本发明所述的槽特征包括三角形槽特征、平行四边形槽特征和梯形槽特征；所述的筋特征包括“V”字形筋特征、“A”字形筋特征和“米”字形筋特征；所述的孔特征包括圆形孔特征、非圆孔特征和螺纹孔特征。

本发明所述的圆形孔特征包括线性阵列孔特征、圆周阵列孔特征和曲线阵列孔特征。

本发明所述的设计信息包括基本尺寸尺寸、尺寸公差、形位公差、表面粗糙度和基准。

本发明步骤(2)所述的制造信息包括加工设备类型、设备数量、刀具参数、表面处理和夹紧定位信息。

本发明步骤(2)所述的三维工序模型的建模方法为：

零件模型表达公式：

零件工序模型表达公式：

其中M_p表示零件模型，M_s表示毛坯模型，M_i代表第i道工序模型，V_ij表示第i道工序j道工步切削体积，n为工序数，m为工步数。

本发明步骤(2)中所述的三维工序模型的生成方法为：当建立某一壁板零件工序模型时，首先生成该壁板零件的毛坯模型，根据零件模型表达公式和零件工序模型表达公式，计算出每一工序模型所切削的体积，并将切削体积划分为若干用户自定义特征，当建立工序模型1时，在用户自定义特征库中调出该壁板零件某一个用户自定义特征，输入该用户自定义的参数得到特定尺寸的用户自定义，该特定尺寸的用户自定义与壁板零件毛坯模型进行布尔差操作得到壁板零件工序模型1；再根据零件模型表达公式和零件工序模型表达公式计算出工序模型2切削体积，根据实际情况在用户自定义库中调出相应的用户自定义，输入该用户自定义的参数得到相应的用户自定义，该用户自定义与壁板零件工序模型1进行布尔差操作得到壁板零件工序模型2；依次类推，第i个工序模型与i-1个工序模型相结合依次得到壁板零件的所有工序模型。

本发明步骤(2)中完成MBD工序模型的建立后还可以利用配置模块生成MBD工序模型设计树。本发明壁板零件特征的分类是通过分析航天壁板零件加工几何特征，按照几何结构的相似性、工艺相似性、通过成组技术从各种板类零件归纳、总结出航天壁板零件所包含的典型特征，有筋特征、槽特征、孔特征，其中筋特征是飞机结构件中一种典型的加工特征，位于槽腔与槽腔之间、槽腔与轮廓之间或槽腔内部，用于加强零件的结构强度；槽特征是飞机结构件中最常见的结构之一，飞机结构件中的槽形状各异，常位于筋条之间，由筋条包围而成，飞机结构件中的槽形状各异，常位于筋条之间，由筋条包围而成。孔作为壁板零件重要的结构，对零件安装、固定具有承上启下的作用。本发明中的尺寸约束为限制特征尺寸的大小，并对长度、半径和相交角度的限制。几何约束为限制元素的方位或相对位置关系，将参数化设计与特征建模结合起来，使特征作为参数的载体，通过修改参数构造零件的外部形状，使不同特征的外形参数值和位置参数值在一定范围内变化，操作者可以根据需求调整参数值，得到各种所需用户自定义。

本发明通过对壁板零件的特征分析分类总结，提出并建立基于用户自定义特征库，并基于特征库快速建立MBD工序模型。结果表明，该方法能提高壁板零件MBD三维工序模型的设计效率，为三维工艺的可视化奠定技术基础。

附图说明

图1是本发明生成MBD工序模型建立的技术流程图；

图2是本发明用户自定义特征库建立流程图；

图3是本发明的壁板零件特征的分类图；

图4是本发明的用户自定义特征库中“V”字形筋特征的示意图；

图5是本发明的用户自定义特征库中“A”字形筋特征的示意图；

图6是本发明的用户自定义特征库中“米”字形筋特征的示意图；

图7是本发明的MBD用户自定义筋特征的示意图；

图8是本发明的槽特征示意图；

图9是本发明的MBD槽特征的示意图；

图10是本发明的用户自定义特征库中圆周阵列孔特征示意图；

图11是本发明的用户自定义特征库中线性阵列孔特征示意图；

图12是本发明的用户自定义特征库中曲线孔特征示意图；

图13是本发明的MBD线性阵列孔特征；

图14是本发明的壁板零件MBD参数化筋特征

图15是本发明的壁板零件筋特征参数变化图；

图16是壁板零件MBD参数化特征库；

图17是本发明的某壁板零件特征分类示意图；

图18是本发明的三维工序模型建立的流程图；

图19是MBD模型表达公式；

图20是MBD工序模型表达公式；

图21是本发明的设计模型；

图22是本发明的毛坯模型；

图23是本发明的MBD工序模型1；

图24是本发明的MBD工序模型2；

图25是本发明的MBD工序模型3；

图26是本发明的MBD的设计模型；

图27是本发明的MBD工序模型设计树。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，做进一步详细的说明：本实例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

如图1所示为基于用户自定义特征的壁板零件MBD工序模型设计方法的总流程图，通过分析壁板零件加工工艺及加工特征，将壁板零件特征分成多个用户自定义特征，并对用户自定义特征进行参数化建模，利用MBD技术对用户自定义特征的尺寸、形位公差、尺寸公差、基准、表面粗糙度，进行三维标注，壁板零件的所有MBD用户自定义特征构成一个MBD用户自定义特征库。当建立壁板零件时，分析壁板零件的加工工艺，根据壁板零件的设计模型逆向生成壁板零件的毛坯模型，再根据壁板零件的毛坯模型与用户自定义特征相交，生成计算出每一工序模型所切削的体积，并将切削体积划分为若干用户自定义特征，当建立工序模型时，在用户自定义特征库中调出该壁板零件某一个用户自定义特征与毛坯零件进行布尔差操作，得到壁板零件的工序模型。对工序模型添加注释、标记以及工艺属性完成MBD工序模型的建立。

所述注释信息指的是与模型相关的表面处理方法、热处理方法信息；

所述标记信息为与模型相关的定位、装夹基准信息；

所述工艺属性信息：包括模型的完善和补充，比如机床、工装信息。

实施例2：壁板零件特征的分类，建立壁板零件的MBD用户自定义特征库

图1所示为壁板零件MBD工序模型建立的技术流程图。图2所示为壁板零件特征库的建立流程图，所述壁板零件的特征是具有一定工程意义的几何形状，能够体现零件的加工知识和经验，通过对各类壁板零件的大量制造特征分析，按照几何结构的相似性，通过成组技术从各种板类零件中归纳出航天壁板零件的用户自定义特征，如图3所示为壁板零件特征的分类，将壁板零件的特征分为筋特征、槽特征、孔特征，并对用户自定义特征进行参数化建模，基于MBD技术对用户自定义特征进行三维标注。

所述筋特征分为“V”字形筋特征，如图4所示用户自定义特征库中“V”字形筋特征示意图；如图5所示为用户自定义特征库中“A”字形筋特征示意图，图6所示为用户自定义特征库中“米”字形筋特征示意图，图7所示为生成的MBD筋特征示意图。

所述槽特征分为三角形槽特征、梯形槽特征、矩形槽特征，如图8所示为槽特征的示意图，图9所示为用户自定义特征库中MBD槽特征的示意图。

所述孔特征分为圆孔特征、非圆孔特征、螺纹孔特征，图10为用户自定义特征中圆周阵列孔特征示意图；图11为用户自定义特征中线性阵列孔特征示意图；图12为曲线孔特征示意图，图13所示为MBD孔特征示意图。

具体建立过程为：当建立筋特征时，首先建立一个基体特征，在基体特征的基础上添加减特征，在筋特征上添加尺寸、尺寸公差、形位公差、表面粗糙度、基准，然后选择减特征添加到库中并给该特征命名，如图14为壁板零件的参数化筋特征，如图15所示为筋特征参数变化的示意图，其他用户自定义特征类似于筋特征的建模方法，壁板零件所有用户自定义特征构成一个用户自定义特征库，如图16所示为所建立的MBD参数化特征库，图17所示为基于上述特征分类的方法，将某壁板零件特征分类示意图。

实施例3：基于用户自定义特征完成壁板零件MBD工序模型的建立

当给定三维零件模型时，首先分析壁板零件的加工工艺，建立该壁板零件的毛坯模型，依据图18所示为壁板零件工序模型建立流程图，利用如图19、图20的公式计算出生成三维工序模型的切削体积，将切削体积划分为若干个用户自定义特征，再根据壁板零件的毛坯模型和用户自定义特征生成三维工序模型，如图18为生成三维工序模型的流程图，对三维工序模型添加特征之间的设计信息以及制造信息，完成MBD工序模型的建立。具体的建立过程如下：如图21所示为所要加工的壁板零件的设计模型，完成壁板零件毛坯模型的建立，图22所示为毛坯模型，由图19、图20的计算公式(设M_p表示零件模型，M_s表示毛坯模型，M_i代表第i道工序模型，V_ij表示第i道工序j道工步切削体积，n为工序数，m为工步数)计算出该零件工序模型的切削体积。在毛坯模型的基础上，通过添加减特征槽完成工序模型1，通过添加设计信息与制造信息完成MBD工序模型1的建立，在工序模型1的基础上，通过添加减特征筋2完成工序模型2的生成，通过添加设计信息与制造信息完成MBD工序模型2的建立，在工序模型2的基础上，通过添加减特征孔完成工序模型3的生成，通过添加设计信息与制造信息完成MBD工序模型3的建立，以此类推，最后生成MBD设计模型。通过添加配置生成了MBD工序模型设计树，如图27所示。

通过以上步骤得到如图21所示的为某壁板零件MBD设计模型。各工序模型如图23-26所示，图22为基于图18形成的某壁板零件的毛坯模型，图23为基于图8槽特征库所形成的MBD工序模型1，图24为基于图4-6筋特征库所形成的MBD工序模型2，图25为基于图10-12孔特征库所形成的MBD工序模型3，图26为基于图10-12孔特征库所形成的MBD工序模型4，图27所示为MBD工序模型设计树。

Claims

1.一种基于用户自定义特征的壁板零件MBD工序模型设计方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)建立壁板零件的MBD用户自定义特征库：

(2)设计壁板零件的MBD工序模型：

2.根据权利要求1所述的一种基于用户自定义特征的壁板零件MBD工序模型设计方法，其特征在于所述的用户自定义特征为槽特征、筋特征和孔特征。

3.根据权利要求2所述的一种基于用户自定义特征的壁板零件MBD工序模型设计方法，其特征在于所述的槽特征包括三角形槽特征、平行四边形槽特征和梯形槽特征；所述的筋特征包括“V”字形筋特征、“A”字形筋特征和“米”字形筋特征；所述的孔特征包括圆形孔特征、非圆孔特征和螺纹孔特征。

4.根据权利要求3所述的一种基于用户自定义特征的壁板零件MBD工序模型设计方法，其特征在于所述的圆形孔特征包括线性阵列孔特征、圆周阵列孔特征和曲线阵列孔特征。

5.根据权利要求1所述的一种基于用户自定义特征的壁板零件MBD工序模型设计方法，其特征在于所述的设计信息包括基本尺寸、尺寸公差、形位公差、表面粗糙度和基准。

6.根据权利要求1所述的一种基于用户自定义特征的壁板零件MBD工序模型设计方法，其特征在于步骤(2)所述的制造信息包括加工设备类型、设备数量、刀具参数、表面处理和夹紧定位信息。

7.根据权利要求1所述的一种基于用户自定义特征的壁板零件MBD工序模型设计方法，其特征在于步骤(2)所述的三维工序模型的建模方法为：

零件模型表达公式：

M_{p} = M_{s} - Σ_{i = 1}^{n} Σ_{j = 1}^{m} V_{i j} - - - (1);

零件工序模型表达公式：

M_{i} = M_{s} - Σ_{i = 1}^{i - 1} Σ_{j = 1}^{m} V_{i j} - - - (2);

8.根据权利要求1所述的一种基于用户自定义特征的壁板零件MBD工序模型设计方法，其特征在于步骤(2)中所述的三维工序模型的生成方法为：当建立某一壁板零件工序模型时，首先生成该壁板零件的毛坯模型，根据零件模型表达公式和零件工序模型表达公式，计算出每一工序模型所切削的体积，并将切削体积划分为若干用户自定义特征，当建立工序模型1时，在用户自定义特征库中调出该壁板零件某一个用户自定义特征，输入该用户自定义特征的参数得到特定尺寸的用户自定义特征，该特定尺寸的用户自定义特征与壁板零件毛坯模型进行布尔差操作得到壁板零件工序模型1，再根据零件模型表达公式和零件工序模型表达公式计算出工序模型2切削体积，根据实际情况在用户自定义特征库中调出相应的用户自定义特征，输入该用户自定义特征的参数得到相应的用户自定义特征，该用户自定义特征与壁板零件工序模型1进行布尔差操作得到壁板零件工序模型2，依次类推，第i个三维工序模型与i-1个三维工序模型相结合依次得到壁板零件的所有三维工序模型。

9.根据权利要求1所述的一种基于用户自定义特征的壁板零件MBD工序模型设计方法，其特征在于步骤(2)中完成MBD工序模型的建立后还可以利用配置模块生成MBD工序模型设计树。