基于MBD的叶片CAPP-NC系统研究

赵 霞，刘永华，宋 猛，陈月芳，丁 玉，王 霄，刘会霞

(1.江苏农林职业技术学院机电工程学院，江苏 句容 212400)(2.江苏大学机械工程学院，江苏 镇江 212013)(3.常州市金坛腾远机械配件有限公司，江苏 常州 213000)

叶片是现代工业的重要产品之一，国内外众多专家、学者对叶片CAD/CAPP/CAM系统做了大量研究，并取得了一些成果。贾薪宇[1]开发的汽轮机CAD/CAM系统，能够提高叶片造型和磨削数控编程的效率。杨洋等[2]利用NX二次开发工具集NX/Open开发的针对汽轮机叶片锻模的快速结构设计系统，缩短了叶片锻模的设计周期。江鹏[3]开发的汽轮机叶片工艺知识推荐系统，实现了工艺知识的快速获取，提升了工艺设计效率。于文靖[4]在VS2013开发平台上开发的汽轮机模锻叶片加工质量系统，实现了对汽轮机叶片加工质量的控制。为了提高叶片制造在工艺设计和数控编程方面的数字化水平，本文引入MBD(model based definition)技术，构建叶片MBD设计模型作为唯一数据来源，利用基于扩展属性邻接图的特征识别方法、PMI信息提取技术以及基于改进遗传算法的加工元排序方法，开发出一套基于MBD的叶片CAPP-NC系统。

1 基于MBD的叶片CAPP-NC系统总体框架

MBD技术是美国波音公司在飞机研制过程中提出的新一代数字化产品定义技术[5]。其内涵是：用一个集成的三维实体模型来表达产品设计信息和制造信息(包括产品所有相关的尺寸、形位公差、粗糙度、工艺信息、技术要求、属性和管理信息等)，摒弃二维工程图，保证产品在设计制造过程中数据的统一[6]。只需一个MBD模型就可获得产品全部的设计制造信息，这让数据管理和传递变得相当方便。

本文基于MBD的叶片CAPP-NC系统分为五大模块：系统管理模块、模型导入模块、CAPP模块、NC模块、数据库管理模块。其中系统管理模块包含用户定义和用户登录两个子模块，主要用于控制不同角色用户的模块使用权限；模型导入模块主要用于接收叶片设计部门下发的叶片MBD设计模型，后续工艺设计的进行全部依赖于此模型；CAPP模块主要对叶片进行工艺设计，包含叶片加工特征识别和信息提取、加工元生成、加工元排序、工序创建、三维工艺发布等5个子模块；NC模块主要用于对叶片的数控编程，包含4个子模块，分别为加工元信息读取、加工模板调用、刀轨生成、加工仿真；数据库管理模块主要用于对工艺数据库的管理，包括数据新增、数据更改、数据删除、数据保存。

2 基于MBD的叶片CAPP-NC系统关键技术

2.1 叶片MBD设计模型的建立

一般地，零件MBD 设计模型(design model，DM)是由零件的几何模型和基本工艺信息(零件名称、数量、尺寸、公差、材料、表面粗糙度以及热处理方法等)构成[7]。因此，可将其定义如下：

(1)

本文结合叶片结构特点以及汽轮机叶片国家标准与行业技术标准，利用NX软件中的PMI模块对叶片三维模型进行三维标注，并对统一定制的属性模板中的叶片产品属性信息值进行定义，从而建立如图1所示的叶片MBD设计模型。

2.2 基于叶片MBD设计模型的加工特征识别和信息提取

2.2.1加工特征识别

本文采用基于扩展属性邻接图的加工特征识别方法[8]，构建扩展属性邻接图，并对其进行分解，然后通过基于矩阵映射的子图同构匹配，实现对叶片MBD设计模型中的加工特征快速、精确识别。其主要识别流程如下：

1)提取零件的几何/拓扑信息；

2)根据零件几何/拓扑信息构建扩展属性邻接图，如图2所示，并以矩阵形式保存；

图2 叉槽叶根模型及其扩展属性邻接图

3)对扩展属性邻接图进行属性分解得到扩展特征子图；

4)搜索分解生成的扩展特征子图，利用基于矩阵映射的图同构算法将其与预定义加工特征库进行同构匹配，若匹配成功，则完成该类特征识别。

2.2.2PMI信息的提取

叶片MBD设计模型的产品制造信息(product manufacturing information,PMI)一般包括尺寸、公差、基准等，以三维标注的方式标注在模型上。NX软件二次开发接口NX/Open API中提供的封装函数可实现各类PMI信息的提取。

2.3 基于产生式规则的加工元生成

加工元是表达特征加工方案的最小单元体，它是以特征为基础的信息实体，反映了加工特征的某个工步的工艺信息，每个特征的加工过程都是由一组加工元组成[9]。本文定义的加工元内容主要包含叶片加工特征、加工方法、加工设备以及刀具、夹具等。

叶片加工企业长期以来总结出了大量的工艺经验，为了便于加工元的生成，首先需要将企业的工艺经验表示为计算机可以接受的工艺知识，也就是工艺规则。常见的知识表示方法有产生式规则表示法、一阶谓词表示法、语义网络表示法等。其中产生式规则表示法广泛应用于人工智能领域，它形式简单，格式固定，推理方式单纯，没有复杂计算，适合处理简单的推理问题[10]。本文利用产生式规则表示法制定一系列工艺规则，主要包括加工方法选择规则、加工设备选择规则、刀具选择规则等。为了便于对规则进行管理，将其用英文缩写形式表示如下：

DRule ={DRulePm，DRuleDev，DRuleTol，…}

(2)

式中：DRule为产生式规则；DRulePm为加工方法选择规则；DRuleDev为加工设备选择规则；DRuleTol为刀具选择规则。

2.4 基于改进的遗传算法加工元排序

2.4.1改进遗传算法实现步骤

遗传算法将问题的求解过程转换成计算机模拟生物进化中的染色体选择、交叉、变异的过程，比一般的优化算法可以更快更好地得到组合优化的结果[11-12]。但在遗传算法进行加工元优化排序过程中，会产生大量的不满足基本工艺约束的解，不仅影响程序运行效率，还无法保证最终解的收敛性和可行性，故本文在传统的遗传算法的基础上引入“染色体重组”概念，保证染色体有效性[13]。

2.4.2适应度函数计算

叶片生产企业在接到客户订单后需要以最快速度完成交货，因此叶片加工效率是衡量叶片工艺是否合理的重要指标，但在生产过程中，更换机床、刀具、夹具却花费了大量的时间，故本文以更换机床、刀具、夹具次数最少为目标对加工元进行优化排序。

T=ω1×Tmac+ω2×Ttol+ω3×Tfix

(3)

式中：T为机床、刀具、夹具更换总得分；Tmac为机床更换得分；Ttol为刀具更换得分；Tfix为夹具更换得分；ω1，ω2，ω3分别为Tmac，Ttol，Tfix的权重系数。通过咨询企业经验丰富的工艺工程师，依据三者的重要程度确定权重系数：ω1=0.6，ω2=0.1，ω3=0.3。本文采用Min-Max法对数据进行标准化处理。

1)机床更换得分。

(4)

式中：n为加工元个数；kmac为机床数量；Nmac为机床变换次数。

2)刀具更换得分。

(5)

式中：ktol为刀具数量；Ntol为刀具变换次数。

3)夹具更换得分。

(6)

式中：kfix为夹具数量；Nfix为装夹变换次数。

式(3)为适应度函数，个体的适应度越大则表明个体越优越，即叶片的加工效率越高。通过减少机床、刀具、夹具更换次数进行迭代优化，获得加工效率最高的加工元序列指导叶片加工，可以有效提高生产效率，缩短叶片生产周期。

2.5 基于加工模板的数控编程

基于MBD的叶片CAPP-NC系统最大的特点之一就是CAPP模块中的工艺信息数据可以直接用于NC数控编程模块。本文通过读取加工元信息，根据加工元的加工特征类型和加工方法自动调出对应的自定义加工模板，并按加工元排序顺序依次添加进工序导航器中。通过NX软件提供的二次开发接口NX/Open API中的CreateCamSetup函数实现加工模板的调用。因此，在工艺加工特征识别技术和工艺决策技术的支持下，采用基于加工模板的NC数控编程对叶片进行程序编制，可以有效提高数控编程效率。

3 基于MBD的叶片CAPP-NC系统开发与实现

3.1 系统开发环境

基于UG NX丰富的产品工程解决方案，本文在NX10.0平台上，利用NX提供的二次开发工具集NX/Open进行基于MBD的叶片CAPP-NC系统的开发。数据库为Microsoft Office Access 2013。本文在VS 2015的编译环境下，利用C/C++语言进行程序开发，生成动态链接库文件(.dll)，通过NX10.0软件中的定制菜单对其进行加载，实现系统的功能要求。

3.2 系统实例运行

本文以某叶片制造企业生产的叉槽动叶片作为实例对象验证系统的有效性。通过用户登录模块可以获得进入系统的权限。通过模型导入模块可以获得设计部门下发的叶片MBD设计模型，建立新任务。CAPP模块先利用加工特征识别和信息提取子模块识别出叶片MBD设计模型中的加工特征并提取对应的PMI信息，然后基于产生式规则生成加工元；基于改进的遗传算法以加工时间最短对加工元序列进行优化排序，获得适应度值最佳的排序结果；最终发布三维工艺文件，以工艺结构树结合MBD工序模型的方式展示出来。NC模块用于实现CAPP与CAM的集成，CAPP过程中的工艺信息数据可以传递到NC模块中，如部件几何体和毛坯几何体的设置，加工策略、刀具、切削参数等信息的设定。本文采用基于加工模板的NC数控编程方法，定制针对叶片的加工模板，将一些参数信息固化，避免了大量重复劳动，提高了工作效率和工作质量。NC模块通过读取工艺XML文件，获得加工特征及其加工方法，然后调用相应的加工模板，自动添加到工序导航器中并修改程序名称。对加工模板进行相应的参数设定，再进行后处理生成NC代码。

4 结束语

本文将MBD技术引入到叶片工艺设计中，在NX软件平台上开发出一套基于MBD的叶片CAPP-NC系统，实现叶片工艺路线决策优化，并为后续数控编程提供数据支撑。该系统可以有效提高叶片工艺设计和数控编程效率、缩短叶片生产制造周期，并且为企业实现基于MBD的全三维数字化制造提供新模式。