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基于MBD的液压支架设计制造一体化系统研究与应用

2024-11-01 30 上传者：管理员

摘要：随着煤机行业迅速发展，传统三维设计+二维出图+离线编程成为制约企业发展的瓶颈，亟需探索一种新的设计、制造模式。将基于模型定义（MBD）技术应用于液压结构件焊接工艺，设计了适用于液压支架结构件的设计制造一体化系统方案，通过设计工业机器人免编程控制方案，验证了煤机制造全三维的设计制造一体化可行性，填补了MBD技术在传统煤机制造行业的应用空白。

关键词：
MBD
工业机器人免编程
数字化设计
液压支架
设计制造一体化
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随着数字化设计制造技术的广泛应用，产品设计从早期的图板绘图、二维CAD绘图、二维为主+三维为辅逐步过渡到三维设计+二维出图阶段。20世纪末，美国波音公司首次提出基于模型定义（MBD）技术。基于MBD的数字化设计与制造技术正逐步成为制造业信息化发展的重要趋势之一。

在制造业领域，飞机、汽车制造智能化、自动化水平始终走在前列，MBD的诞生及在该领域的应用水到渠成。受制于自动化水平限制，我国大多传统制造企业依然沿用三维模型设计+二维工艺/图纸发布+离线编程的制造模式，因此对MBD技术的应用起步较晚，尚处于初期阶段。截至目前，国内对于MBD技术的研究与应用集中于航空工业和汽车行业，其他行业MBD技术应用仍处于探索阶段，在煤机行业的研究应用尚属于空白。

随着智能化矿井建设要求的不断提高，液压支架作为煤矿安全生产的核心设备，对于生产制造智能化升级、进一步提升液压支架结构件生产工艺水平有迫切需求。本文将MBD技术应用于液压支架结构件焊接工艺，基于Creo软件对结构件进行包含焊接工艺数据的三维模型表达，设计工业机器人免编程焊接方案，探索全三维设计制造一体化流程，打破煤机行业三维模型设计+二维工艺/图纸发布+离线编程制造模式，提升全流程技术资料的准备效率。

1、基于MBD的焊接工艺关键技术研究

基于MBD的模型设计需产品开发前期设计部门和产品开发后期制造阶段的工艺生产部门参与其中，要求从设计端到生产端数据的全覆盖，通过三维模型直观实现设计信息的共享与传递。液压支架结构件制造中MBD数据的传递流程如图1所示。要实现工艺设计制造一体化，关键技术包括工艺设计和工艺仿真。

(1）三维焊接工艺设计

液压支架结构件为中厚板多层多道箱型焊接结构，装配体、零部件在尺寸、结构特征、焊接工艺、质量要求方面具有多样化特点。鉴于国内液压支架制造企业三维模型设计+二维工艺/图纸发布+离线编程的制造模式，已积累了可观的产品三维模型，在确保现有产品三维模型和设计规范可沿用的基础上，构建基础零件、装配体、焊接单元的拼装焊接标准，为参数化设计奠定良好基础，可为制造阶段参数信息编制省去大量工作。

图1 MBD数据在液压支架结构件制造中的传递流程

对液压支架各工序焊接工艺参数进行规划设计，如图2所示。针对液压支架结构特征及组合特征建立特征识别库，用于焊接规划特征识别与匹配；设计部门和生产制造部门基于已形成的产品焊接工艺标准，建立焊接工艺库；在焊接序列规划阶段，建立结构化工艺数据库，作为焊接序列指导；通过对焊接序列审核编辑，可输出包含焊接工艺信息的三维模型，建立焊接工艺模型库。三维电子数据代替传统二维图纸传递方式，可提高信息流转效率，降低各技术环节出错率，有利于产品设计、制造一体化管理。

图2 焊接工艺设计方案

(2）三维焊接工艺仿真

三维焊接工艺仿真是MBD思想实现的必要环节。合理设计仿真方案，及时修正实际焊接可能遇到的问题，可大大降低实际生产返工成本。

液压支架结构件三维焊接轨迹仿真流程如图3所示。导入前序工艺设计阶段形成的三维工艺模型，建立焊接仿真模型；基于三维工艺模型提取焊接工艺信息，编写机器人程序，仿真检查并得到最优轨迹。

2、工业机器人免编程焊接方案

要实现设计制造全三维模型管理，需解决机器人编程依赖操作人员、智能化不足问题。离线编程操作门槛高，效率低，在实际生产中，一旦工件模型结构发生变化，就会产生大量示教编程工作，导致生产周期和成本增加，影响企业生产效能，在一定程度上阻碍全流程数字化管理实现。针对这一问题，设计了工业机器人免编程焊接方案，如图4所示。

图3 三维焊接轨迹仿真流程

图4 免编程焊接方案

以三维焊接工艺模型为输入，读取工件点位信息、焊枪位姿及焊接工艺信息，建立工件坐标系，基于焊缝序列信息自主规划机器人运动轨迹，通过运动学求解和碰撞检测算法迭代优化焊枪位姿信息。

调取数据库焊接程序集训练语言模型N-gram(N=2），基于焊接机器人编程规范，设计焊接程序结构框架作为程序补全基准。定义机器人程序表征信息，以焊接序列及焊枪位姿信息为输入，实现机器人程序智能补全，生成机器人焊接程序并传输至仿真平台ROBOGUIDE。操作人员对机器人程序检查优化，得到最优机器人焊接程序。基于N-gram的机器人程序智能补全流程如图5所示，其中，模型训练所采用验证算法是K折交叉验证（K-foldcrossvalidation),K取值为10。

图5 焊接机器人程序生成流程

通过仿真验证，该方案在打通三维模型设计制造全流程的同时，省去离线编程环节，可大幅提高生产效率。

3、液压支架结构件设计制造一体化系统

MBD的技术内核是采用集成的三维模型完整表达产品定义信息，打破设计、制造壁垒，优化产品生产管理。液压支架结构件设计制造一体化系统架构如图6所示。Creo作为主流的三维设计软件之一，具有强大的参数化设计功能。设计层选择在Creo软件基础上进行二次开发，实现焊接工艺模型设计与管理；机器人控制层基于焊接工艺模型信息，设计免编程焊接方案，实现焊接程序自动生成；制造层接收控制程序，执行焊接作业；支撑层则由企业产品生命周期管理系统作为数据库支撑，提供模型数据库、焊接工艺数据库、工序标准库等数据库，以实现设计制造全局一体化管理和生产制造的持续优化。

图6 液压支架结构件设计制造一体化系统架构

(1）焊接工艺模型设计实现

依据产品焊接工艺实际情况，以Creo和Windchill为底层技术的成熟软件作为开发平台，采用Oracle12作为后台数据库进行焊接工艺参数化设计插件开发。以液压支架侧板结构件为例，焊接工艺模型设计界面如图7所示，基于焊接工艺设计方案，可实现侧板站结构件焊接工艺信息和工序信息的提取和编辑，并将其存入三维模型。

图7 侧板焊接工艺参数化设计界面

此外，基于已设置的焊接工艺参数及焊缝信息，对焊枪姿态进行解算和焊接序列仿真，经过对焊接序列编辑与工序信息保存，完成侧板结构件基于MBD的三维焊接工艺模型设计。

(2）应用验证

以液压支架侧板结构件为例，导入三维模型，通过所开发工具插件提取焊接工艺参数及侧板站工件信息；基于工艺数据库，推理焊接工艺数据，对侧板站焊接工艺进行编辑确认；导出定义了焊接工艺的三维模型；将已完成定义的三维模型作为输入，采用免编程焊接方案生成焊接程序；将程序载入仿真平台进行仿真，在仿真环节融合人工经验，对焊接轨迹进行优化，形成最优轨迹后输出程序至工业机器人，工业机器人执行焊接。

经应用验证，本文所设计的系统打通了液压支架结构件从模型设计到焊接制造的全三维一体化流程，结合工业机器人免编程技术，证明了设计和制造的全三维模型一体化管理的可行性，能够较好地满足液压支架结构件焊接工艺要求，大幅提高设计制造效率。

4、结语

本文所设计的设计制造一体化系统，是MBD技术在液压支架制造领域的首次尝试，充分考虑并应用了企业已有产品设计制造模式和技术积累，基于主流三维模型设计软件Creo进行二次开发，在不改变设计软件环境的基础上实现了MBD模型的创建与应用。该系统充分利用了企业已积累焊接工艺标准数据库、液压支架产品模型数据库、工序标准库及试验数据库，以保证焊接工艺可靠性。通过设计免编程焊接方案，实现了从模型创建到焊接制造的全三维模型数据流的打通，有效提升制造效率，证明了液压支架产品设计制造一体化的可行性，为企业从根本上树立数字化思维和生产经营管理模式奠定良好的基础，对煤矿机械制造行业的发展具有引领示范效应。

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文章来源:陈戈,段青辰,王金娜,等.基于MBD的液压支架设计制造一体化系统研究与应用[J].煤矿机械,2024,45(11):211-213.