《MBD數(shù)字化制造》課件 第三章 基于模型的機(jī)加工藝設(shè)計技術(shù)

第三章基于模型的機(jī)加工藝設(shè)計技術(shù)目錄3.1.基于MBD的工藝設(shè)計特點(diǎn)3.2.參數(shù)化驅(qū)動的MBD模型生成與轉(zhuǎn)換3.3.基于混合圖與尺寸式的工序尺寸計算方法

3.4.工序MBD模型的參數(shù)化驅(qū)動生成方法3.5.典型零件三維工藝設(shè)計實(shí)例CONTENTS3.1.1MBD模型的定義MBD技術(shù)即基于模型的定義技術(shù)，模型專指三維建模環(huán)境下的幾何模型，是一種針對產(chǎn)品的全新數(shù)字化定義的技術(shù)，它包含生產(chǎn)產(chǎn)品的幾何信息與非幾何信息，完整清晰的表述了幾何模型零件的生產(chǎn)尺寸、公差和加工過程等工藝信息，MBD模型的數(shù)據(jù)信息如圖3-1所示。圖3-1MBD模型的數(shù)據(jù)信息在全三維工藝設(shè)計系統(tǒng)中，大概可以將MBD模型分為以下幾種：（1）設(shè)計MBD模型。（2）毛坯MBD模型（3）工藝MBD模型。（4）工序MBD模型。3.1.1MBD模型的定義3.1.2工序MBD模型建模方法工序MBD模型旨在反映零件從毛坯模型到設(shè)計模型的中間狀態(tài)。一個零件的加工過程是一系列的工序模型演變的過程，每個工序模型是上個工序模型的輸出，并且是下一個工序模型的輸入。一個工序模型對應(yīng)一道工序，也可以按照換刀次數(shù)來定義工序模型，也可以根據(jù)特征識別結(jié)果后的加工特征綜合考慮按照工藝路線確定工序模型的數(shù)量。對于多功能數(shù)控機(jī)床來說，可以選擇一個工序模型多個工序，其難點(diǎn)在于夾具的設(shè)計。3.1.2.2工藝結(jié)構(gòu)化設(shè)計三維MBD工序模型包含了工藝設(shè)計模型、尺寸標(biāo)注、注釋、屬性等指導(dǎo)加工生產(chǎn)的工藝信息?；贛BD的工序模型可以清晰的表達(dá)用于加工的本道工序詳細(xì)內(nèi)容并且可以用于數(shù)控編程和加工仿真。工序模型由工序的幾何模型、加工特征的工序信息、工步信息組成，用公式表示工序模型如下：（1）正向生成法（去除材料法）：就是直接引用毛坯模型，通過NX建模工具從毛坯模型按加工順序逐步去除幾何特征域，直至得到最后一步工序模型，從而形成成品零件模型的建模方法，如圖3-3所示。圖3-3工序模型建模方法（虛線為正向，實(shí)線為反向）

正向生成法符合實(shí)際生產(chǎn)加工過程，其缺點(diǎn)是工作量大、通用性差、設(shè)計效率低[9]，工藝設(shè)計人員需要詳細(xì)計算出每道工序的加工余量與上一道工序模型做布爾差運(yùn)算。（2）逆向生成法（添加材料法）

就是直接引用零件設(shè)計模型的三維幾何模型作為最后一道工序模型的幾何形體，再由最后一道工序模型通過NX建模工具按加工路線的逆序采用添加幾何域的方法對下一道工序模型的特征進(jìn)行還原，得到下一道工序模型的三維模型，按同樣的方法步驟進(jìn)行下去，直至最后形成毛坯模型的形狀，

逆向生成法采用的是抑制產(chǎn)品特征的方法進(jìn)行建模，其利用設(shè)計模型的特征進(jìn)行建模，減少了工藝人員的建模工作量，并保證了工序模型的設(shè)計結(jié)果與零件的制造過程、結(jié)構(gòu)設(shè)計保持了一致性，操作簡單并且模型準(zhǔn)確，關(guān)鍵在于保證設(shè)計工序模型時符合特征加工順序。(3）雙向生成法（混合法）：就是通過直接引用最后一道工序模型，按加工路線的逆序通過添加材料法創(chuàng)建每道工序?qū)?yīng)的工序模型，同時也能按照加工順序，直接引用零件的毛坯模型，通過去除材料法創(chuàng)建對應(yīng)的工序模型，通過從兩頭向中間的建模方法來創(chuàng)建零件的各個工序模型，3.1.2.3工藝結(jié)構(gòu)樹與MBD工藝模型的關(guān)聯(lián)圖3-4工藝結(jié)構(gòu)樹與MBD工藝模型的關(guān)聯(lián)3.1.3工藝MBD模型設(shè)計流程圖3-5基于MBD的零件工藝模型設(shè)計流程3.2參數(shù)化驅(qū)動的MBD模型生成與轉(zhuǎn)換本文將介紹一種參數(shù)化驅(qū)動的工序MBD模型自動生成技術(shù)，并結(jié)合三維工藝設(shè)計系統(tǒng)，推導(dǎo)MBD模型所體現(xiàn)的驅(qū)動參數(shù)值，設(shè)計尺寸、加工余量等關(guān)聯(lián)關(guān)系的計算流程。3.2.1設(shè)計尺寸與特征參數(shù)關(guān)系（1）設(shè)計尺寸與尺寸鏈設(shè)計尺寸也稱工程尺寸，是零件在表面設(shè)計（或加工）完成后，在圖中標(biāo)注或者非標(biāo)注的尺寸，包括各類尺寸信息包含基本尺寸，公差等。尺寸鏈中的每一個尺寸，它可以是長度或角度，稱為環(huán)。所謂封閉環(huán)是指零件在加工或裝配過程中最后形成的一環(huán)，組成環(huán)是尺寸鏈中對封閉環(huán)有影響的全部環(huán)。封閉環(huán)的大小是由組成環(huán)間接保證的，也就是說封閉環(huán)是通過其它工序尺寸的精度而得到保證，具有間接性。封閉環(huán)應(yīng)為公差等級要求最低的環(huán)，一般在零件圖上不進(jìn)行標(biāo)注，以免引起加工混亂。變動會引起封閉環(huán)同向變動的組成環(huán)為增環(huán)，變動會引起封閉環(huán)反向變動的組成環(huán)為減環(huán)圖3-6套類零件尺寸圖3-7尺寸鏈（2）尺寸鏈中各參數(shù)關(guān)系尺寸鏈中各組成尺寸信息包含尺寸，精度和工藝信息等。尺寸首尾相連接形成一個封閉圖形。這是尺寸鏈中的主要特性。一個尺寸鏈只有一個封閉環(huán)。尺寸鏈中一定有增環(huán)，可以沒有減環(huán)。當(dāng)圖中軸向有n個面的幾何要素時，為完整說明工程意圖，應(yīng)該標(biāo)注n-1個尺寸，唯一確定這組參數(shù)變量。直線尺寸鏈計算方法是一種常用的尺寸鏈計算法，其封閉環(huán)的基本尺寸、精度和公差等與標(biāo)注尺寸關(guān)聯(lián)關(guān)系可用下式表達(dá)：【3-1】如圖3-8所示零件。當(dāng)設(shè)計尺寸標(biāo)為基本尺寸和精度時，在軸向形成兩個基本尺寸鏈，求封閉環(huán)的尺寸。假設(shè)圖中尺寸數(shù)值如下：圖3-8套類零件標(biāo)注為基本尺寸加精度圖3-9參數(shù)化設(shè)計自動計算封閉尺寸3.2.2基于特征的參數(shù)化設(shè)計基于特征的參數(shù)化設(shè)計(ParametricDesign)是指通過建立起一個用一組參數(shù)來表示或約定零件模型特征尺寸關(guān)系的參數(shù)化模型，只要調(diào)整或改變該組參數(shù)中的一個或多個參數(shù)值，就將自動改變所有相關(guān)的特征尺寸，從而修改和控制模型所有特征的幾何形狀，自動實(shí)現(xiàn)零件的精確三維造型。簡單來說，如果將幾何信息分成自變量和目標(biāo)變量，參數(shù)化設(shè)計則是用一個函數(shù)來設(shè)計他們之間的關(guān)系，不同函數(shù)則代表不同的設(shè)計方案。【例3-2】如圖3-10所示，零件軸向有五個面幾何位置要素，則標(biāo)注四個自變量AB、AC、CD、AE，兩種標(biāo)注方案的設(shè)計尺寸如何建立其設(shè)計尺寸矩陣。圖3-10套類零件標(biāo)注不同標(biāo)注方案3.2.3不同標(biāo)注原則的實(shí)體尺寸換算（1）中差尺寸中差模型是指尺寸公差均為等雙向公差的三維模型[20]，以公差帶的中值作為約束條件進(jìn)行加工，可得到與結(jié)果尺寸最接近的尺寸，加工出的零件誤差能達(dá)到最小。中差模型的實(shí)體名義尺寸即為理想的MBD工藝模型實(shí)體尺寸值，可以以中差模型的實(shí)體名義尺寸作為依據(jù)得到零件的加工參數(shù)，進(jìn)行刀位軌跡的生成，采用中差模型作為零件設(shè)計制造的依據(jù)可以更加精確地實(shí)現(xiàn)數(shù)控加工，有效提高加工精度[21]。（2）最大實(shí)體尺寸最大實(shí)體尺寸（MMS）是指在尺寸公差范圍內(nèi)，且占有材料最多時的尺寸，它是在最大實(shí)體狀態(tài)下的極限尺寸，用dM(軸)，DM（孔）表示中差模型和最大實(shí)體模型可以根據(jù)上述公式進(jìn)行轉(zhuǎn)化，具體轉(zhuǎn)化流程在很多文獻(xiàn)中都有提及[3，18]，在這里就不贅述了。對【例3-2】里的模型轉(zhuǎn)換結(jié)果如下：（1）一般標(biāo)注

（2）中差標(biāo)注

（3）最大實(shí)體標(biāo)注3.3基于混合圖與尺寸式的工序尺寸計算方法本小節(jié)內(nèi)容采用統(tǒng)一的一個例子【例3-3】來解釋概念和各種尺寸之間的關(guān)系。用一個零件的加工工藝過程，來建立尺寸的計算過程、方法和應(yīng)用?！纠?-3】如圖3-12所示為一軸套類零件，其軸向從左到右由順序編號為A、B、C、D、E的五個幾何表面構(gòu)成。其軸向面的加工工藝過程（忽略徑向面加工步驟）如下。①工序5以A面定位，粗車E、D、C、B面。②工序10以C面定位，精車E、D面。③工序15以D面定位，精車C、A面。再以A面定位，精車B面。④工序20以D面定位靠火花磨端面C。⑤工序25以C面定位靠火花磨端面D。圖3-12軸套類零件3.3.1相關(guān)概念及表示法3.3.1.1字母代號和加工方向零件在加工過程中，將零件同一個方向的各表面嚴(yán)格按照字母順序編號，即為字母代號，用A，B，C……編號，如圖所示。加工方向與字母順序號方向相同的，為正向，用“+”表示，比如圖中的A、B、C面；方向相反的為負(fù)向，用“-”表示，比如圖中的D、E面。（1）繪制頂點(diǎn)

（2）加入設(shè)計尺寸

（3）加入工序尺寸圖3-13混合圖的按步驟繪制過程

從該圖可以清晰地看出，各加工表面的加工工藝順序、加工基準(zhǔn)、加工次數(shù)以及加工工藝代號,包含了全部加工工藝過程及其設(shè)計尺寸、工序尺寸、余量信息，可以全方位地反映出零件的完整加工工藝過程。（2）從鄰接矩陣查找。與此相對應(yīng)，從鄰接矩陣A中找出設(shè)計尺寸或余量加工工藝過程圖的查找流程如圖3-12所示。圖3-14設(shè)計尺寸或余量子圖的查找流程圖[18]3.3.3.2工藝尺寸式和工序尺寸式的建立和應(yīng)用（1）尺寸式的建立前節(jié)3.3.3.1中通過尺寸查找過程得到的尺寸向量式，可以把各表面所有的設(shè)計尺寸，余量和工序尺寸得到的向量式形成尺寸式組，前例中所有的設(shè)計尺寸，余量和工序尺寸的尺寸式組設(shè)計尺寸向量式組：余量向量式組：（3-18）（3-19）工序尺寸向量式組：（2）尺寸式的應(yīng)用工藝尺寸式可以用來計算設(shè)計尺寸或余量的尺寸公差，進(jìn)而確定相關(guān)工序尺寸的公差，并通過上面的向量式組建立關(guān)系，公式的正負(fù)號規(guī)定與前面規(guī)定一致。尺寸公差：3.4工序MBD模型的參數(shù)化驅(qū)動生成方法用三維工序模型，即工序MBD模型，替代二維工序圖，這是全三維數(shù)字化工藝設(shè)計的基本要求。在前節(jié)3.2我們解決了設(shè)計尺寸的參數(shù)化生成方法，因此還需建立表面加工余量與驅(qū)動參數(shù)即自變量的關(guān)系式，找到計算每道工序?qū)?yīng)驅(qū)動參數(shù)值的方法，并結(jié)合工藝尺寸式計算得到加工余量，從而實(shí)現(xiàn)工序MBD模型的自動參數(shù)驅(qū)動生成。3.4.1加工余量與特征參數(shù)關(guān)系3.4.2.1工序MBD模型參數(shù)驅(qū)動流程工序MBD模型參數(shù)化驅(qū)動需要將工藝過程的幾何信息和非幾何信息編制成各種數(shù)據(jù)集，然后建立各種集合的關(guān)聯(lián)關(guān)系，計算的過程按下述步驟進(jìn)行：（1）設(shè)計MBD模型向工藝MBD模型轉(zhuǎn)變（2）工藝MBD模型驅(qū)動生成工序MBD模型工藝MBD模型和工序MBD模型兩者的主要差別如下：

①在三維工藝設(shè)計系統(tǒng)端建立起按工序、工步、工序尺寸組織的工藝過程，工序尺寸用零件基準(zhǔn)表面與加工表面字母代號表示，需要建立驅(qū)動參數(shù)及其與該加工表面工序余量之間的變化關(guān)系。

②工序MBD模型是在工藝MBD模型中增加缺少標(biāo)注的工序尺寸，用尺寸式法完成計算，并定制具有每道工序特定顯示視角與工序尺寸的工序視圖，每個視圖只展示和體現(xiàn)本道工序加工完成后的結(jié)構(gòu)特征、形狀尺寸和公差要求等技術(shù)狀態(tài)。圖3-15給出了三種MBD模型的轉(zhuǎn)變過程。圖3-15三種MBD模型的轉(zhuǎn)變過程3.4.2.2工序MBD模型參數(shù)驅(qū)動計算過程計算流程圖如下：假設(shè)某零件有p個特征驅(qū)動參數(shù)為計算其m道工序中第i道工步對應(yīng)的一組驅(qū)動參數(shù)值及其工序MBD模型生成算法，如圖3-16所示。3.4.3工序MBD模型的參數(shù)驅(qū)動生成實(shí)例圖3-17軸套類零件以工序尺寸為例，邊集可以從鄰接矩陣中獲取邊集E，

鄰接矩陣：工序尺寸編號集（1）毛坯MBD模型

（2）第5道工序MBD模型

（3）第10道工序MBD模型

（4）第15道工序MBD模型（5）第20道工序MBD模型

（6）第25道工序MBD模型圖3-18最終驅(qū)動生成的毛坯及各工序MBD模型3.5典型零件三維工藝設(shè)計實(shí)例3.5.1軸類零件MBD工藝設(shè)計實(shí)例3.5.1.1磨床主軸（1）案例背景：磨床主軸材料為45號鋼，該零件需要與其他零件嵌合，故要求表面質(zhì)量較高。（2）幾何特征及基本尺寸零件三維圖及基本尺寸三維標(biāo)注如圖3-19所示。圖3-19軸類零件三維圖及基本尺寸標(biāo)注（3）形位公差圖3-20軸類零件三維圖及全三維標(biāo)注

（4）三維標(biāo)注步驟圖3-21為標(biāo)注表面粗糙度、特征控制框、基準(zhǔn)特征符號的選項。圖3-21三維標(biāo)注菜單欄

圖3-22（a）、（b）、（c）分別為表面粗糙度、基準(zhǔn)特征符號、特征控制框的設(shè)置框。圖（a）

圖（b）

圖（c）圖3-22三維標(biāo)注設(shè)置表（5）設(shè)計模型與工序模型關(guān)聯(lián)的框架圖（6）逆向建模過程圖3-24逆向建模（2）幾何特征及基本尺寸零件三維圖及基本尺寸三維標(biāo)注如圖3-25所示3.5.1.2偏心軸圖3-25飛輪零件三維圖及基本尺寸標(biāo)注（3）形位公差圖3-26飛輪零件三維圖及全三維標(biāo)注（4）三維標(biāo)注步驟圖3-27（a）、（b）、（c）分別為表面粗糙度、基準(zhǔn)特征符號、特征控制框的設(shè)置框。圖（a）

圖（b）

圖（c）圖3-27三維標(biāo)注設(shè)置表（5）設(shè)計模型與工序模型關(guān)聯(lián)的框架圖圖3-28關(guān)聯(lián)設(shè)計模型與關(guān)聯(lián)工序模型框架（6）逆向建模過程圖3-29逆向建模3.5.1.3細(xì)長軸（1）案例背景：細(xì)長軸材料為GCr15號鋼，要求熱處理回火后硬度為60~65HRC。（2）幾何特征及基本尺寸零件三維圖及基本尺寸三維標(biāo)注如圖3-30所示。圖3-30

細(xì)長軸零件三維圖及基本尺寸標(biāo)注（3）形位公差圖3-31

細(xì)長軸零件三維圖及全三維標(biāo)注（4）設(shè)計模型與工序模型關(guān)聯(lián)的框架圖圖3-32關(guān)聯(lián)設(shè)計模型與關(guān)聯(lián)工序模型框架（5）逆向建模過程圖3-33逆向建模3.5.1.4花鍵軸（1）案例背景軸類零件是一種常見的機(jī)械零件，支承轉(zhuǎn)動零件并與之一起回轉(zhuǎn)以傳遞運(yùn)動、扭矩或彎矩的機(jī)械零件。（2）幾何特征及基本尺寸花鍵軸零件三維圖及基本尺寸三維標(biāo)注如圖3-34所示。圖3-34軸承盤零件三維圖及基本尺寸標(biāo)注（3）形位公差圖3-35軸承盤零件三維圖及全三維標(biāo)注（4）設(shè)計模型與工序模型關(guān)聯(lián)的框架圖圖3-36關(guān)聯(lián)設(shè)計模型與關(guān)聯(lián)工序模型框架（5）逆向建模過程圖3-37逆向整體截圖3.5.2套類零件MBD工藝設(shè)計實(shí)例3.5.2.1襯套（1）案例背景：1）該零件內(nèi)孔是基準(zhǔn)，尺寸精度和表面質(zhì)量要求都很高，孔壁又較薄。在精鏜時，用專用夾具以外圓定位，用螺母壓蓋軸向壓在

φ130mm端面上，使夾緊力為軸向作用，以避免內(nèi)孔的變形。2)為保證襯套上各端面的垂直度、外圓與內(nèi)孔的同軸度，應(yīng)把工件安裝在心軸上，以內(nèi)孔作為定位基準(zhǔn)，磨削外圓和端面。（2）幾何特征及基本尺寸零件三維圖及基本尺寸三維標(biāo)注如圖3-38所示。圖3-38

襯套零件三維圖及基本尺寸標(biāo)注（3）形位公差圖3-39襯套零件三維圖及全三維標(biāo)注（4）三維標(biāo)注步驟圖3-40（a）（b）（c）分別為表面粗糙度、基準(zhǔn)特征符號、特征控制框的設(shè)置框。圖（a）

圖（b）

圖（c）圖3-40

三維標(biāo)注設(shè)置表（5）設(shè)計模型與工序模型關(guān)聯(lián)的框架圖圖3-41關(guān)聯(lián)設(shè)計模型與關(guān)聯(lián)工序模型框架（6）逆向建模過程圖3-41

逆向建模3.5.2.2擋套（1）案例背景：擋套材料為45號鋼，該零件需要與其他零件嵌合，故要求表面質(zhì)量較高。（2）幾何特征及基本尺寸零件三維圖及基本尺寸三維標(biāo)注如圖3-42所示。圖3-39

擋套零件三維圖及基本尺寸標(biāo)注（3）形位公差圖3-43擋套零件三維圖及全三維標(biāo)注（4）三維標(biāo)注步驟圖3-44（a）（b）（c）分別為表面粗糙度、基準(zhǔn)特征符號、特征控制框的設(shè)置框。圖3-44

三維標(biāo)注設(shè)置表圖（a）

圖（b）

圖（c）（5）設(shè)計模型與工序模型關(guān)聯(lián)的框架圖（6）逆向建模過程圖3-46

逆向建模3.5.2.3長薄壁套筒（1）案例背景：薄壁套筒材料為45號鋼，該套筒壁長且薄，內(nèi)孔需要求表面質(zhì)量較高。（2）幾何特征及基本尺寸零件三維圖及基本尺寸三維標(biāo)注如圖3-47所示。圖3-47

薄壁套筒零件三維圖及基本尺寸標(biāo)注（3）形位公差圖3-48

薄壁套筒零件三維圖及全三維標(biāo)注

（4）三維標(biāo)注步驟圖3-49（a）（b）（c）分別為表面粗糙度、基準(zhǔn)特征符號、特征控制框的設(shè)置框。圖（a）

圖（b）

圖（c）圖3-49

三維標(biāo)注設(shè)置表（5）設(shè)計模型與工序模型關(guān)聯(lián)的框架圖圖3-50關(guān)聯(lián)設(shè)計模型與關(guān)聯(lián)工序模型框架

（6）逆向建模過程圖3-51

逆向建模3.5.3盤類零件MBD工藝設(shè)計實(shí)例3.5.3.1飛輪（1）案例背景：飛輪材料為HT200，飛輪為鑄件，在加工時應(yīng)照顧各部加工余量，避免加工后造成壁厚不均勻，如果鑄件毛坯質(zhì)量較差，應(yīng)增加劃線工序。（2）幾何特征及基本尺寸零件三維圖及基本尺寸三維標(biāo)注如圖3-52所示。圖3-52飛輪零件三維圖及基本尺寸標(biāo)注（3）形位公差圖3-53飛輪零件三維圖及全三維標(biāo)注（4）三維標(biāo)注步驟圖3-54（a）（b）（c）分別為表面粗糙度、基準(zhǔn)特征符號、特征控制框的設(shè)置框。圖（a）