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数字化工厂技术在发动机缸盖工艺规划中的应用 |
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作者：樊留群 王晨晴 |
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随着全球化竞争的加剧，传统制造业中一系列的不适应工业现代化道路的问题开始出现，例如产品开发周期过长等等。在由此而带来的工业技术革命的推动下，现代制造也越来越趋向于数字化制造，即信息化、知识化制造。数字化工厂是数字化制造中的关键环节之一，它是以产品全生命周期的相关数据为基础，根据虚拟制造原理，在计算机虚拟环境中，对整个生产过程进行仿真、评估和优化，并进一步扩展到整个产品生命周期的新型生产组织方式。
1 数字化工厂介绍
在目前的国内制造企业中，有关产品加工过程的工艺管理如何进行一直是企业信息化建设的一个待解决的问题。数字化工厂就是为填补设计与具体实施之间的断层而提出的，从产品的角度而言，它为从工艺规划到产品的制造提供了有力的支撑。
采用数字化工厂技术，将给企业带来显著的经济效益。它将会减少产品上市时间，减少设计修改，减少生产工艺规划时间，提高生产产能，降低生产费用。其主要是对产品设计、零件加工、生产线规划、物流仿真、工艺规划、生产调度和优化等方面进行数据仿真和系统优化。数字化工厂技术有着广阔的发展前景，已经成为国内外研究的热点。目前国外企业中所广泛采用的Tecnomatix解决方案已经在很多行业中创造了明显的经济效益。例如，大众汽车公司从2002年就开始使用Tecnomatix解决方案，将其用于支持产品分析、工厂建模和设备规划等领域。在国内，一汽大众汽车公司在AUDI A6L白车身生产线的建模和优化仿真上，也使用了数字化工厂技术。
2 数字化工厂中工艺规划系统的应用
2．1 工艺规划
工艺规划是产品设计和制造之间的桥梁，它可以把产品的设计信息转化为产品制造信息，因而是一切生产活动的基础。它可以优化配置工艺资源，合理编排工艺过程。工艺规划系统的主要功能可以用IDEFO模型来加以描述，如图1所示。
图1 IDEFO模型
2．2数字化工艺规划
数字化工艺规划是指在数字化制造的平台上，对产品的工艺进行规划，即以数字化加工资源和工艺方法为基础，通过识别产品制造特征，为产品制定加工工艺路线，包括加工顺序、资源(机床、刀具和工装)分配、切削参数的制定、NC代码的生成等等。其工作流程系统框架如图2所示。
图2 工艺规划流程系统框架
系统的产品数据库、资源数据库和知识数据库对图2的各项过程进行支撑，这些数据库包含着零件的CAD模型、加工知识、某些特定用户的典型工艺规则和工厂的加工资源。数据库完善与否关系到工艺规划过程的顺利实施。
3 实例分析
以某发动机生产厂的一条发动机缸盖加工生产线为例，其组成包括5台BW加工中心、2台清洗机、2台压装机、螺栓拧紧机等设备，加工中心都由工人负责上下料。现采用Tecnomatix解决方案中的eM Power软件，对缸盖的加工工艺进行数字化规划，并对整条加工生产线进行模拟仿真，为优化生产线、配置生产线参数提供理论依据。对比发动机缸盖的毛坯和成品模型。
3．1 发动机缸盖的工艺规划
该部分应用eM Power软件中专门针对发动机工艺规划的eM Machining模块。主要可分为2个方面：一是基础数据库的建立，包括资源库(Resource)的建立和工艺知识库(Domain和Method)的建立；二是加工工艺的生成。本文选取缸盖上的一个阶梯螺纹孔(STEP2HOLE THREAD)为例，具体说明发动机缸盖的工艺规划部分是如何完成的。
3．1．1资源库
资源库中保存了一些典型的刀具、夹具和机床数据，但在本例中，仍需要添加一些数据信息，如专用刀具、夹具等。本文选取的阶梯螺纹孔所用刀具为SANDVIK生产，刀头TAP_20422 _M6*1．0，刀柄HSK392_41060A_080_M6。这两个新类型中的一些数据不能只是简单的在操作界面上添加，新的数据单位还必须在数据库中进行定义，即该软件所链接的Oracle数据库。刀头和刀柄定义完成后，把它们组成一个完整的刀具(Tool Assembly)。夹具为沈阳机床厂生产的专用夹具，在本例中标号Cylinder_OP30，所用机床型号为BW60HS。在资源库中的刀具、夹具、机床部分分别建立尺寸、所属类别、厂家等加工必需数据。
3．1．2工艺知识库
工艺知识库以Oracle数据库为基础，在树形结构上定义加工方法。
Domain中定义了刀具、机床、夹具等加工方法的基础框架。它将加工特征、机床、刀具、运动按“与／或”逻辑构建成树状结构，并通过别名与eMMachining的内部数据库关联起来。
Method的建立方法是按“逆向推理”原则进行，将加工前特征(#Feature)、加工后特征(Feature)、机床(Machines)、刀具(Tools)、运动(Motions)、材料(Materials)关联起来，同时对此关联给出约束，包括加工精度约束、刀具尺寸约束、刀具优先级等。根据加工方法的不同对各个Method进行命名，加工后特征-螺纹孔(thread)、刀具-丝锥(Tap-mill)、工件材料-铝(A1)、机床-BW60HS加工中心、运动方式-钻(dill)、加工前特征-直孔(Non—thread)，选中的节点深色显示。
基础数据部分建立完成后，就可以进入加工工艺生成部分。
3．1．3 CAD模型导入
首先，要把已经建好的CAD模型导人eM Ma-chining。CAD模型以FEATURE STEP文件格式输出加工特征信息，为了完整地输出所有的加工特征信息，需要进行一系列的信息集成。首先，在Pro厄软件中，从已有的毛坯模型输出毛坯STEP中性文件，再添加一些缺失的加工特征、特征尺寸精度信息、形位精度等，然后提取几何、精度信息，由此导入FEATURE STEP文件。
3．1．4特征识别(Feature Recognition)
产品的加工特征分为原子特征(Atomic Feature)和复合特征(Compound Feature)两类，其中原子特征是一些可以用一组事先定义的参数描述的基本形状，如孔、槽等；复合特征提供了一种描述原子特征的组合机制，例如螺纹孔，包括了螺纹特征和孔特征。对比毛坯和零件模型，软件可以自动地识别出大部分的特征，对于一些不能自动识别的特征，需手动添加。本例中，软件共识别出150个加工特征。本文选取的STEP2HOLE _THREAD是一个比较特殊的特征，在系统中只能自动识别出两阶阶梯孔和螺纹孔，故需要对这两种特征进行复合，并输入公差和粗糙度信息，它的尺寸信息可自动从CAD模型中获取。
3．1．5 工艺规划中的其它工作
在加工生产线定义(Production Line)中，把所建立的资源库与识别出的特征进行关联，并把工件定位在工作台上。例如，把加工STEP2HOLE_THREAD的Tool Assembly、夹具Cylinder_OP30和机床BW60HS赋予其对应的特征，并调整夹具的位置，这样就给每一个特征赋予了加工所必需的所有资源信息。
与上一步基本类似，在加工操作(Operation)步骤中，把所建立的方法库与特征相关联起来。到此，缸盖加工的所有前期已经完成。
在刀具路径(Toolpath)中，可以生成每一个特征的加工APT代码，同时在视图中一步步地模拟出来，以此来检测单个特征加工时的干涉、碰撞等情况。
生产线平衡(Line Balancing)中，根据节拍表将加工时间、换刀时间以及定位夹紧时间输入系统，系统会自动计算出负荷率。选择三维模型的一个面作为起始加工方向，eM Machining检测该方向是否符合机床运动原理。
最后系统生成加工整个缸盖的APT代码，APT文件不能直接在该生产线中的加工中心中执行，在该例中，为Siemens 840D系统提供了专用的后置处理模块，系统输出的APT代码通过此模块生成生产线中所需要的数控程序。
3．2 发动机缸盖生产线模拟与优化
初步规划好的发动机缸盖生产线还需要进行生产线物流的仿真和制造性能验证，以确定生产能力是否满足要求。该生产线的性能仿真是在eMPower软件中的eM Plant模块中进行建模实现的。根据毛坯进入生产系统的节拍、工艺参数、物流参数，得出生产线的制造性能，如工件平均通过时间、机床的负荷率、在制品数量等。
人机分析方面，本例采用了eM Engineer中的eM Human模块，应用OWAS和NIOSH分析方法对操作工人的工作姿态和抓举及搬运作业进行分析。
通过以上步骤，在数字化平台上完整地设计出了一条发动机缸盖的生产线。显然，与传统的规划方式相比，该方案可以显著提高规划质量。
4 结束语
本文结合实例论述了数字化工厂中工艺规划系统的构建。由示例可以看出，采用数字化解决方案，可以大大提高工艺规划的质量，减少项目规划的时间，降低投资成本(人员及时间成本)，因而具有广阔的应用前景。数字化工厂技术必将在我国工业现代化的道路上发挥巨大的推动作用。(end)
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(7/29/2011) |
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