基于MBD模型的工艺尺寸链求解探索

张　瑜，丁来军，纪　俐

(1.中国空空导弹研究院，河南 洛阳 471009；2.沈阳航空航天大学，辽宁 沈阳 110136)

基于MBD模型的工艺尺寸链求解探索

张瑜1，丁来军1，纪俐2

(1.中国空空导弹研究院，河南 洛阳 471009；2.沈阳航空航天大学，辽宁 沈阳 110136)

摘要：在利用MBD模型进行工艺设计的过程中，工艺尺寸链的处理比较繁琐。在深入研究工艺尺寸链计算方法和MBD模型表达制造属性的基础上，结合工程应用，探索了基于模型的工艺尺寸链计算方法，建立了基于模型的尺寸链分析工作流程，从而导出了计算机辅助工艺尺寸链计算模型。在UG软件平台上，利用VB.NET语言二次开发，完成了尺寸链计算的工作流程和计算分析软件，并应用于工艺设计尺寸链校核中，大大节约了工艺人员解算尺寸链所耗的时间，同时，也为数控编程的公差处理提供了有力支撑。

关键词：工艺尺寸链；MBD模型；二次开发

尺寸链的计算是机械制造工艺学中的一个重点和难点，也是工艺设计人员面对的比较繁琐的问题。在机械加工工艺制定或现行工艺分析过程中，经常会遇到多个复杂尺寸链的分析计算问题。在传统的尺寸链分析计算中，工程技术人员一般通过手工建立和求解尺寸链方程，这样往往因为尺寸链组成环较多以及增减性判断错误，导致未知环计算结果错误，整个过程工作量大，耗时多，不但影响了产品的开发周期及企业的经济效益，也制约了工程技术人员的创造性，不利于行业的发展。

中国空空导弹研究院为了提高产品数字化管理程度，降低设计人员解算尺寸链的劳动强度，提出了基于UG的二次开发计算机辅助工艺尺寸链计算软件。快捷、准确和方便地进行三维工艺尺寸链计算，提高企业研发能力，缩短研制周期，提高产品质量，是研制和生产中应加以解决的重要问题[1]。

1尺寸链解算方法

1.1尺寸链

尺寸链是用来确定某些表面间相互位置的一组尺寸,是按一定的次序首尾相连而组成封闭的链环。尺寸链计算结果的正确性是保证零件质量的关键因素之一。目前，尺寸链计算方法主要有极值法和概率法2种：1)极值法计算尺寸链是以保证完全互换为基本出发点，而不考虑各环实际尺寸分布特性的影响，通常是由各组成环的极限尺寸计算出封闭环的极限尺寸，从而求得封闭环的公差；2)概率法是从保证大数互换着眼，根据各组成环的实际尺寸在公差带内的分布情况，按某一置信概率求得封闭尺寸的实际分布范围，从而求得封闭环的公差。单件/小批量生产建议采用极值法计算封闭环的公差，而大批量生产建议采用概率法计算封闭环的公差。

按照本院产品制造特点和质量管理要求，本文采用极值法进行工艺尺寸链计算。目前，采用极值法计算机辅助工艺尺寸链求解主要有图论法和矩阵法2种。图论法是筛选零件的组成环，然后以坐标轴为参考方向，将组成环的尺寸链向坐标轴进行投影，利用公差极限值来求解尺寸链；矩阵法是利用每个面的信息列矩阵后相乘解算尺寸链。可针对不同类型的尺寸链和不同的应用环境，来选择不同的解算方法。本文采用图论极值法和MBD模型来解算工艺尺寸链。

1.2图论极值法处理流程

采用图论法处理尺寸链就是基于零组件几何图形的尺寸线标注，以尺寸标注的基准为起点，沿着分析的尺寸链封闭环向前搜索，遇箭头拐弯，逆箭头方向横向追踪，遇圆点向上折，继续向上追踪，寻找箭头，遇箭头拐弯，遇圆点再向上折，直至两追踪线交于一点，追踪路径所经工序尺寸为尺寸链的组成环。要解算尺寸链中的未知环，就要知道尺寸链每个环的增减性，根据追踪结果，可以判断尺寸链中组成环的增减，从封闭环左端出发逆向环绕来判断尺寸链中各组成环的增减性，并进行尺寸链未知环的具体解算。

工序余量是由相关的各工序尺寸确定的，工序余量是封闭环，工序余量的公差等于各相关工序尺寸公差之和。确定工序余量公差的关键是寻找影响余量的各工序尺寸，查找工序余量相关尺寸的方法仍然用尺寸搜索法。例如，某零件的工艺尺寸链图(见图1)。查找工序余量Z5相关的尺寸链组成环，左、右同时向上搜索，遇到A5箭头，逆向右搜索，遇圆点向上折，遇到A3箭头向左搜索，这时与Z5左侧的搜索线交于一点，结束搜索。可以看出，由封闭环Z5组成的尺寸链包含A5和A3等2个组成环，由增减性可以判断出A5为减环，A3为增环。

图1　工艺尺寸链图

根据图论极值法，图1零件中要计算余量Z6，应先判断组成环的增减性。尺寸链图解如图2所示，余量的上、下偏差与尺寸链封闭环余量的计算方法相同。尺寸链计算公式如下：

Z6=A3+A6-A2-A5

(1)

图2　尺寸链图解

由上述例子可以看出，利用尺寸链追踪法解算尺寸链是比较直观易懂的方法，关键是找到一个尺寸链，再通过追踪的路径判断尺寸链中组成环的增减性，利用尺寸链计算公式即可解算尺寸链。

2基于MBD的图论极值法

2.1建立尺寸链求解数学模型

绘制正确的尺寸链图是求解尺寸链的前提。尺寸链是客观存在的，不能抛开实际，空想假设尺寸关系，一旦尺寸链绘制错误，那么再精确的求解也只能是徒劳；因此，在求解尺寸链时，应绘制正确的尺寸关系，即从实际出发，弄清零件的加工工艺或机器装配工序，以及尺寸间的相互关系，从而绘制出正确的尺寸链图。

找出尺寸链图的封闭环是求解尺寸链的关键。尺寸链的环有增环、减环，而要区分增环与减环，首先应找出闭环(闭环是在零件加工或机器装配过程中最后形成的一环)，然后给闭环任意方向画上箭头，沿此箭头方向环绕尺寸链回路，顺序给每一组环画上箭头。箭头方向与封闭环相反的为增环，相同的为减环。计算机解算尺寸链流程图如图3所示。

图3　计算机解算尺寸链流程图

在尺寸链数学模型增减环、公差属性定义中规定，增环基本尺寸及对应的上、下偏差与尺寸链图标注相同(即系统默认)，减环基本尺寸冠以负号，上、下偏差对调变号，将各列数作代数加法，即可求出所求环的基本尺寸及偏差。通常情况下，最后一道工序对保证加工精度是最重要的，所以一般只对各表面最后一道工序的工序余量进行校核和验算。具体方法是据有关工艺资料和生产经验确定最小工序余量，验算最后一道工序的工序余量是否超差。若超差，则应重新调整工序尺寸和毛坯尺寸公差，取低一级的经济精度公差值，代入尺寸公差矩阵方程，校核余量公差是否合格。

2.2基于MBD模型的尺寸链处理

MBD是基于模型的数字化定义，它是一个用集成的三维实体模型来完整表达产品定义信息的方法体，其详细规定了三维实体模型中的产品尺寸、公差的标注规则和工艺信息的表达方法。采用MBD技术进行工艺模型定义，可以按需将MBD模型投影到所需的工程视图中，MBD的三维尺寸自动映射在工程视图上。以往计算机辅助创建的二维工艺模型中的工程尺寸和公差与几何模型关联程度不够，模型更改后工程尺寸和公差通常不做自动修改。采用MBD技术定义工艺模型，使计算机辅助处理工艺尺寸链成为可能。

3软件开发及应用

3.1软件开发

VB.NET(Visual Basic. NET)是从Visual Basic语言演变而来，是一种为高效地生成类型安全和面向对象的应用程序而设计的语言，它继承了Visual Basic具有的安全性和语言互操作性的优点。根据VB.NET软件开发的简易性，笔者选用VB.NET对UG软件进行二次开发，并设计了计算机辅助平面尺寸链计算的主要操作界面(见图4)。操作界面主要包括封闭环、组成环和视图的选择，以及平面尺寸链已知信息的选择。基于MBD视图显示所有相关标注(如几何特征基本尺寸、尺寸公差和技术要求等)，工艺员通过鼠标点击屏蔽(删除)与工艺尺寸链计算无关的信息(如几何公差、表面粗糙度)；同时，导入在组成环中未标公差的特征处理(即按一般公差补充相应公差)。完成工艺尺寸链基本信息后，点击系统应用界面的计算封闭环，系统自动计算并显示结果。通过查询，可以显示通过投影法生产的尺寸链方程表达式。右侧部分是视图转换按钮，主要是转换UG软件三维界面下的视图，解算某个平面内的尺寸链时需要转换视图方向，方便用户查找组成环信息。

图4　自动解算尺寸链主界面

3.2软件应用

根据本院要求，项目选用VB.NET对UG软件进行二次开发。由于内容较多，本文只简单介绍开发的主要内容和尺寸链的解算过程，并验证尺寸链的计算结果等。MBD工艺模型中尺寸及相关公差数据如图5所示，尺寸链计算结果界面中的数据主要是结构化工程尺寸和公差数据处理过程。通过点选MBD模型上的尺寸链信息，完成组成环，在相应的目录下，自动调用这些数据并显示在该界面中，这些数据保证能计算尺寸链所需的所有数据。点击“计算封闭环”按钮，即可对导入的尺寸链数据进行计算。在界面的封闭环信息框中显示基本尺寸、上下偏差尺寸和封闭环计算结果。

图5　CAD工艺尺寸图表

在计算结束后，应对所获得的封闭环信息进行校核，同时分析公差是否满足设计、加工要求以及误差累计等数值信息，供工艺人员参考。从界面信息中可以看出，包含该零件所有尺寸信息以及组成环、封闭环信息，大大节约了工艺人员手工解算尺寸链的时间，提高了工艺人员的工艺规程编排效率，也保证了工艺尺寸链计算的准确性。

4结语

本文将UG软件二次开发尺寸链的计算应用于工程实际中，利用VB.NET的强大功能，成功实现了工艺过程尺寸链的计算机辅助计算和工艺图表的绘制，完成了尺寸链组成环的选取，以及封闭环的计算与校核。该计算方法的特点是：1)工序模型与尺寸链一一对应，计算机能自动识别，尺寸链关系建立速度快；2)图表直观，计算结果准确、可靠；3)具有良好的人机交互性；4)极大提高了工艺技术人员的工作效率，缩短了工艺准备时间，从而加快了新产品的投产。

参考文献

[1] 吴亚渝，应正健，刘仪，等. 基于UG产品工艺信息三维标注应用的探索[J]. 新技术新工艺，2013(11)：21-23.

责任编辑郑练

The Research of the Process Chain Calculation based on MBD Model

ZHANG Yu1, DING Laijun1, JI Li2

(1.China Airborne Missile Academy, Luoyang 471009, China; 2.Shenyang Aerospace University, Shenyang 110136, China)

Abstract：While making the process design with MBD model, the process dimension chain is hard to dill. Based on research of the process dimension chain calculation method and manufacturing properties of MBD models, combined with the engineering application, the dimension chain analysis workflow is established. Thus the computer aided process dimension chain calculation model can be achieved. With the UG software platform and VB.NET language, the calculation and analysis software for process dimension chain is accomplished through the secondary development. The software is applied in the process dimension chain calculation which saves a lot of time for the process engineer and also provids stronger support for the NC programming process tolerance.

Key words:process dimension chain, MBD model, secondary development

收稿日期：2015-04-07

作者简介：张瑜(1979-)，男，硕士，主要从事数字化装配、分析仿真相关技术及其应用等方面的研究。

中图分类号：TH 162

文献标志码:A