面向三维数字化制造的机加工艺设计与优化技术研究

樊燕

摘 要：三维数字化制作技术，是以三维建模为基础设计工程图，并将工程图用于机械加工的一种技术。本文简要阐述了三维数字化制造体系的构成情况，对系统各层面的功能进行了分析，并强调了对机加工艺进行优化设计的重要性。基于此，重点从系统结构、系统功能等方面，探讨了工艺的优化方法。通过案例分析，证实了优化后的工艺的应用效果。

关键词：三维数字化制造；机加工艺；优化设计

中图分类号：TH16 文献标识码：A 文章編号：1004-7344（2018）11-0190-01

前 言

随着信息化及自动化技术的不断发展，社会对机械加工工艺水平的要求显著提升。为提高机械加工质量，有关领域将三维数字化制造技术，应用到了机加工艺中。将机械的二维图纸，转变为了三维模型，极大的提高了机械加工过程的可视化水平，使得机加工艺及技术，得到了优化。为使我国机加行业的生产力能够得到持续性的提高，对工艺的优化方法加以研究较为必要。

1 三维数字化制造体系的构成

机械加工行业的三维数字化制造体系，共由信息管理层、应用层、方法层与资源层构成。其中，信息管理层的功能，在于实现对三维标注工具以及浏览工具等系统工具的管理[1]。应用层由应用程序及接口等构成，是确保系统性能正常的主要层面。方法层，又称技术方法层，功能在于对机加工艺进行优化，并将最优的加工方案，以工艺指令的形式提交给有关人员，为机械加工的过程提供参考。资源层中，主要包括特征库、设备库等。功能在于对相应的生产设备以及资源进行存储，以供未来应用[2]。将该体系应用到机加工艺的设计与优化过程中，对于工艺方案合理性的提升，以及机加效率的提高，具有重要的意义。

2 面向三维数字化制造的机加工艺设计与优化方法

本部分从优化方案以及应用案例等方面，对面向三维数字化制造的机加工艺设计与优化方法进行了探讨：

2.1 机加工艺设计与优化方案

2.1.1 结构设计

本系统的操作平台，由硬件层以及协议层等构成。具体设计方法如下：①操作系统：TC/NX/UG-CAPP集成平台。②协议层：TCP/IP以及SMTP等。③硬件层：由以太网以及客户端等构成。④规划器：为提高数据传输的实时性，本系统将规划器模块，纳入到了TC之中。该模块可与UG-CAPP共同发挥作用，确保数据能够实现同步传输。

2.1.2 系统功能

机加工艺系统的功能，主要包括工艺决策与优化、创建工序模型、发布三维指令等。以工序指令的发布为例，设计人员可对制图模块进行二次开发，在此基础上，使指令能够自动生成。为进一步提高系统性能，可采用NX与Adobe Acrobat集成开发的方式，使工艺设计方案，能够以文件的形式体现。同时，以3D-PED的格式，被存储在系统当中，以供发布WEB指令。

2.1.3 运行流程

系统的运行流程如下：①用户登录系统，查看任务表，新建工艺，选择产品，并设计MBD模型。②根据产品的设计需求，进入至工艺界面，提取出产品的特征信息。③工艺设计完成后，利用系统的自动决策功能，对工艺进行优化。④将优化后的参数（如夹具参数及机床参数等）进行统一整理，使之形成三维模型，形成最终的设计方案。

2.2 优化设计后的机加工艺的应用

2.2.1 加工案例

为评估优化设计后的机加工艺的应用效果，本课题以双面大框结构构件为例，对加工效果进行了评价。该构件的加工方式，主要包括钻及磨等。由于工艺设计难度大，且对精度要求高，因此生产效率极其低下。为提高工艺水平，本课题决定将三维数字化制造技术，应用到工艺设计过程中，生成了三维工艺指令，并通过对工艺应用效果的观察，对工艺的应用价值进行评估。

2.2.2 工艺路线

面向三维数字化制造的机加工艺流程如下：①接收工艺任务，建立构件MBD模型，将其存储在UG-CAPP系统当中。②获取工艺信息，并在选择加工几何型面、选择特征类型的基础上，提取加工特征。③根据所提取的加工特征，优化加工链。根据特征的约束规则，生成工艺路线。将加工链与工艺路线结合，生成最终的优化方案。

2.2.3 工序设计

面向三维数字化制造的机加工艺工序设计方法如下：①采用UG-WAVE技术，对加工工序进行几何建模。②采用MBD技术，定义MBD模型，并在模型中，标记不同的加工面。③建立结构树，确定工艺步骤，逐一对每一工艺步骤进行优化设计。根据加工元对象，标识每一加工元的编码，提高加工工序的设计水平，提高工艺水平。

2.2.4 环境配置与指令发布

虚拟的加工环境，是否与实际加工环境相同，是决定加工工艺设计方案是否能够被应用于实践的主要因素。本课题所应用的三维制造环境配置与指令发布方法如下：①环境配置：在TC中搭建资源分类模型，导入资源，并添加属性信息后，既可完成对环境的配置。②指令发布：利用结构树，生成工艺指令。借助3D-PED以及WEB网页，将指令发布给工艺人员。

2.3 应用效果

通过对优化前后工艺的应用效果的观察发现：①与工艺优化前相比，优化后的工艺，工序更加合理。且有效解决了部分产品及零件设计加工困难的问题，使得工艺设计的可视化程度，得到了明显的提高，极大的提高了机械加工效率。②与工艺优化前相比，将优化后的工艺应用到机械加工过程中所得到的产品，在质量方面的缺陷率更低，加工质量明显提升。

3 结 论

综上所述，本课题借助三维数字化制造技术，对机械加工工艺进行了优化，取得了显著的成效。机械加工行业可根据自身的需求，将该技术应用到工艺优化过程中。通过建立三维模型的方式，提高设计的可视化水平。在此基础上，选出最优的设计工艺，并将其应用到加工过程中。最终达到提高机械加工效率、提高产品及零件质量的目的。

参考文献

[1]孔 炤，倪中华，刘晓军.一种基于后缀数组的三维机加工艺工序间模型轻量化文件压缩技术[J].机械制造与自动化，2016，45（04）：24～27.

[2]蔡瑞环，贾晓亮.基于CATIA与DELMIA集成的三维机加工艺设计技术研究[J].航空制造技术，2014（05）：47～51.

收稿日期：2018-3-15