基于ProENGINEER的三維零件信息模型建立與應(yīng)用

1、基于Pro/ENGINEER的三維零件信息模型建立與應(yīng)用【摘   要】在理解零件信息模型的內(nèi)涵以及分析各種特征建模方法的基礎(chǔ)上，首先完成了R175A型柴油機(jī)連桿特征規(guī)劃和設(shè)計(jì)，并利用Pro/ENGINEER軟件三維造型功能和基于特征直接生成法構(gòu)建了連桿的信息模型。最后，對其加工仿真和數(shù)控自動(dòng)編程，較成功得實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)和制造的集成。【關(guān)鍵詞】 CAD/CAM 零件信息模型 特征設(shè)計(jì) 加工仿真1 引言  如何準(zhǔn)確而有效地建立零件信息模型是CAD/CAPP/CAM集成的核心內(nèi)容，目前零件信息模型是基于特征造型技術(shù)。最通常的做法是：先按照特征分類建立特征庫，然后根據(jù)造型的實(shí)際需要進(jìn)行基

2、本特征調(diào)用，利用特征之間的布爾運(yùn)算建立零件模型。這種方法有幾點(diǎn)不足之處。  （1）為了方便地構(gòu)造各種復(fù)雜零件模型，特征庫盡可能包含所有的基本特征，這一點(diǎn)目前做起來是比較困難的。  （2）當(dāng)前特征識(shí)別技術(shù)還不夠成熟，如何對特征庫進(jìn)行有效的管理和控制存在一定的難度。  （3）在實(shí)際進(jìn)行零件造型過程中，設(shè)計(jì)者很難在短時(shí)間內(nèi)快速而準(zhǔn)確地選擇所想要的特征，大大影響建模速度。  （4）現(xiàn)有的特征分類方法與機(jī)械加工方法并不是一一對應(yīng)，一種加工方法可能對應(yīng)幾個(gè)基本特征，根據(jù)特征和加工方法一一對應(yīng)的原理，應(yīng)將其作為復(fù)合特征存儲(chǔ)在特征庫中，這顯然是不現(xiàn)實(shí)的，對于這類矛盾還有

3、待解決。  針對上述不足之處，本文首先明確零件信息模型內(nèi)涵，并在分析連桿加工工藝的基礎(chǔ)上，進(jìn)行特征規(guī)劃和設(shè)計(jì)，然后利用特征減造型的方法（Destructive Modeling with Feature），直接構(gòu)造零件模型，進(jìn)而建立零件信息模型，而不是遵循常規(guī)的特征分類與造型的方法，較成功地實(shí)現(xiàn)特征設(shè)計(jì)與機(jī)械加工過程的統(tǒng)一，即每一個(gè)特征與連桿每一種加工方法保持一致。2 基于特征的零件信息模型  特征是用于完整表達(dá)零件信息的集合單元，是一定形狀、語義和抽象的結(jié)合1。一個(gè)完整的零件模型不僅是零件數(shù)據(jù)的集合，還應(yīng)反映出各類數(shù)據(jù)的表達(dá)方式及相互間的關(guān)系。只有建立在一定表達(dá)方式基礎(chǔ)上

4、的零件模型，才能有效地被各種應(yīng)用系統(tǒng)接受，完整的零件信息模型應(yīng)包括：管理特征、形狀特征、精度特征、材料特征和技術(shù)特征如圖1所示。  (1) 形狀特征。描述具有一定工程意義的功能幾何形狀信息，分為主特征和輔特征。主特征用于構(gòu)造零件的主體形狀結(jié)構(gòu)。輔特征用于對主特征的修飾，它附加于主特征之上，也可附加于另一輔特征之上。形狀特征是產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造人員考慮問題的焦點(diǎn)，也是其他信息的載體。  (2) 精度特征。用于描述零件的尺寸公差、形位公差和粗糙度公差等信息，尺寸與公差特征是聯(lián)系設(shè)計(jì)與制造的重要屬性，在特征設(shè)計(jì)中，對尺寸與公差特征進(jìn)行分析，并直接對零件信息模型建立尺寸與公差特征，可以

5、清楚地表示形狀特征的非幾何屬性以及形狀特征之間的相互關(guān)系。  (3) 材料特征。用于描述零件材料的種類代號、性能、熱處理方法，表面處理方式等信息。  (4) 技術(shù)特征。用于描述零件的性能、功能等信息。  (5) 管理特征。用于描述零件的管理特征，如零件名稱、設(shè)計(jì)者、設(shè)計(jì)日期、數(shù)量、圖號、版本等信息。零件的幾何/拓?fù)湫畔⑹腔A(chǔ)。特征層是核心，特征層中各種特征子模型之間的相互聯(lián)系反映了特征間的語義關(guān)系，使特征成為構(gòu)造零件的基本單元具有高層次的工程含義，從而支持CAPP、NC編程，加工仿真對零件數(shù)據(jù)的需求。3 三維零件信息模型的建立  建立零件信息模型的關(guān)鍵是

6、做好特征規(guī)劃，如圖1所示。采用直接建模技術(shù)可以分層次對結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，在不同層次建立相應(yīng)的參數(shù)化特征模塊，每一個(gè)特征由一組唯一決定該特征的參數(shù)來描述?，F(xiàn)以柴油機(jī)中的連桿為例，利用Pro/ENGINEER軟件，對三維零件信息模型的建模方法和設(shè)計(jì)步驟加以說明。3.1 連桿功能和結(jié)構(gòu)分析  連桿是發(fā)動(dòng)機(jī)中的重要零件，如圖2所示。它將作用于活塞頂面的膨脹氣體的壓力傳給曲軸，推動(dòng)曲軸旋轉(zhuǎn)，同時(shí)受曲軸的驅(qū)動(dòng)而帶動(dòng)活塞壓縮汽缸內(nèi)的氣體。連桿結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其通常在大頭處分開為連桿體和連桿蓋兩部分，連桿桿身是工字型截面，而且從大頭到小頭逐步變小。如果不作任何特征規(guī)劃，直接運(yùn)用特征造型技術(shù)構(gòu)建連桿三維模型，造

7、型很容易失敗，難以獲得較理想的結(jié)果，因?yàn)檫B桿結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不是簡單的特征加減就可以完成的。圖1 基于特征的零件信息模型的總體模型圖2 連桿的特征結(jié)構(gòu)3.2 連桿的機(jī)械加工工藝過程分析  連桿特征設(shè)計(jì)與機(jī)械加工密切相關(guān)，每一種加工方法與一個(gè)特征相對應(yīng)，這是特征規(guī)劃的基本原則。連桿毛坯是鍛造件，連桿體和連桿蓋整體鍛造。連桿的主要加工工藝過程如下：銑連桿大小兩端面鉆小頭孔，擴(kuò)至尺寸值，拉小頭孔，并保證尺寸和表面粗糙值銑大頭定位凸臺(tái)從連桿上切下連桿蓋锪連桿蓋上的螺帽凸臺(tái)，鉆螺栓孔，加工螺紋把連桿和連桿蓋用螺栓固定在一起，鏜大頭孔。3.3 特征規(guī)劃和設(shè)計(jì)      

8、      通過以上對連桿功能、結(jié)構(gòu)及加工工藝特點(diǎn)的分析，將連桿模型分成圖2所示的特征層次，連桿的模型由這些各自獨(dú)立的特征組合而成。3.4 基于Pro/ENGINEER平臺(tái)下連桿的特征造型3.4.1 實(shí)體模型   本文連桿的實(shí)體模型采用特征減造型方法。所謂特征減造型方法就是先建立零件的毛坯模型，然后用逐步除去特征的方式來建立零件模型。下面介紹連桿具體造型過程 。  1. 連桿的毛坯造型過程  (1)確定分模面和拔模斜度，選擇合理的分模面是毛坯鍛造生產(chǎn)的第一步，所以造型過程也應(yīng)最先確定分模面和拔模斜度。  (2) 采用“拉伸”

9、方法，生成連桿的下料模型。  (3) 使用“拔摸”方式，生成7°的拔模斜度。  (4) 采用“曲面減切材料”的方法，及使用“倒圓角”的功能，產(chǎn)生連桿體中間的連接部分。  (5) 采用“減切材料”的方式，得到連桿大頭形狀。  (6) 采用“減切材料”的方式，在大頭孔的位置形成沖孔連皮。             連桿的毛坯如圖3所示。  2.按照連桿的機(jī)械加工工藝過程，進(jìn)行的連桿造型  (1) 用“減切材料”方式生成銑大、小兩端面，保證尺寸要求。連桿的大、小頭端面的加工

10、通常是連桿加工過程的最初程序，因?yàn)檫@是整個(gè)加工過程中的主要定位基面，它的加工質(zhì)量對整個(gè)連桿的加工質(zhì)量都有重要的影響。因此，在造型過程中，要特別注意大、小頭兩端面的構(gòu)建。  (2) 選取同軸“孔”方式生成小頭孔，并保證尺寸和表面粗糙值。  (3) 以“旋轉(zhuǎn)減切材料”的方式生成大頭定位凸臺(tái)。  (4) 以“CUT”方式切開連桿大頭，將連桿分成連桿蓋和連桿體，把連桿分為兩部分是為了能夠滿足后續(xù)加工和裝配的需要。  (5) 以“拉伸減切材料”的方式锪連桿蓋上的螺帽凸臺(tái)，“孔”方式鉆螺栓孔，采用“螺旋掃描減切材料”的方式生成螺紋。  (6) 把連桿和連桿

11、蓋用螺栓裝配在一起，鏜大頭孔。大頭孔與軸瓦及曲軸、小頭孔與活塞銷能緊密配合，減少?zèng)_擊的不良影響和便于傳熱，必須要保證大頭孔與小頭孔的形狀、公差，所以在造型中要建好大頭孔與小頭孔的模型。  至此，連桿的三維幾何模型已建立。3.4.2其他特征構(gòu)建  連桿的精度特征建立，利用Pro/ENGINEER直接在幾何模型上進(jìn)行操作。Pro/ENGINEER中材料特征以文本形式附加在模型中，采用“設(shè)置”“材料”可以直接在文本文件中對材料參數(shù)進(jìn)行定義、修改、刪除等操作。根據(jù)連桿的性能要求，選擇連桿的材料為45鋼。技術(shù)特征和管理特征可以通過外部程序?qū)ζ溥M(jìn)行添加。通過以上步驟，已經(jīng)完整地建立了一

12、個(gè)零件的三維信息模型，可自動(dòng)生成零件圖。圖4為通過建模生成的連桿三維模型。4 數(shù)控程序和加工仿真  Pro/ENGINEER在設(shè)計(jì)NC加工制造程序上提供了功能強(qiáng)大的Pro/NC模塊。利用它可以建立一個(gè)三維加工仿真環(huán)境，自動(dòng)編制的數(shù)控加工程序，對刀具的走刀路線進(jìn)行仿真，觀察工件的切削情況，驗(yàn)證是否發(fā)生過切及干涉和預(yù)測誤差，避免加工失敗。 Pro/NC運(yùn)用圖像法編程技術(shù)進(jìn)行自動(dòng)編程，由軟件引導(dǎo)編程，因此編程思路清晰。避免了人工編程過程中各種不確定因素的干擾，最大程度地避免了人為誤差。圖像法自動(dòng)編程技術(shù)就是把零件的每個(gè)加工過程都可以看成對組成該零件的形狀特征組進(jìn)行加工。利用CAPP將CAD和CAM的信息連接起來，即CAPP能夠直接從CAD接受零件信息，生成有關(guān)工藝規(guī)程文件，并依此為依據(jù)，生成NC代碼。利用該技術(shù)，使數(shù)控編程人員不再對那些低層次的幾何信息（如：點(diǎn)、線、面、實(shí)體）進(jìn)行操作，而轉(zhuǎn)變?yōu)橹苯訉Ψ瞎こ碳夹g(shù)人員習(xí)慣的特征進(jìn)行數(shù)控編程，大大提高了編程效率。在數(shù)控程序驗(yàn)證后，將設(shè)計(jì)加工制造程序所產(chǎn)生的CL DATA，經(jīng)Pro/NCPOST進(jìn)行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，可直接得到適用于實(shí)際加工所需