基于模型定義的飛機結(jié)構(gòu)件三維工藝規(guī)程卡片設(shè)計

付心詮， 王細洋

（南昌航空大學 航空宇航制造學院，南昌330063）

0 引 言

MBD（Model Based Definition，基于模型的定義）是一個用集成的三維模型來完整表達產(chǎn)品定義信息的方法，它以三維標注技術(shù)為基礎(chǔ)，詳細規(guī)定了三維模型中產(chǎn)品尺寸、公差等標注規(guī)則和工藝信息表達方法［1］。MBD技術(shù)的應(yīng)用改變了傳統(tǒng)的以二維圖紙為中心，三維實體模型輔助生產(chǎn)的制造方法，極大地推動了三維工藝設(shè)計的發(fā)展。工藝規(guī)程［2］是表格化的零件機械加工工藝過程，是工藝數(shù)據(jù)的格式化載體，工藝規(guī)程卡片是工藝文件的重要組成和表達方式，它詳細地記載了零件從毛坯到成品過程中的所需用到的機床類型、刀具類型、進給量等信息。MBD技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用使得現(xiàn)行的二維工藝規(guī)程卡片正向三維工藝規(guī)程卡片邁進。有關(guān)三維工藝規(guī)程卡片的研究，雖然關(guān)注者較少，但依然有學者取得了突破性進展，如西北工業(yè)大學機電學院的唐健鈞等［3］研究了面向MBD的數(shù)控加工工藝三維工序模型技術(shù)，將零件的工藝信息很好地體現(xiàn)在了工藝模型當中。

本文基于CATIA平臺對飛機結(jié)構(gòu)件三維工藝卡片生成進行了研究，利用模型定義技術(shù)設(shè)計了飛機結(jié)構(gòu)件三維工藝規(guī)程卡片，摒棄了以往用三維實體模型表述幾何信息，二維工程圖紙定義工藝信息的方式，將零件模型與工藝模型融合在一起，使得工藝人員可以直觀快速地理解工藝信息，提高了生產(chǎn)效率。

1 MBD技術(shù)在三維工藝規(guī)程卡片設(shè)計中的應(yīng)用

基于MBD的三維數(shù)模是通過三維幾何圖形和文字或數(shù)字的表達方式提供完整的產(chǎn)品信息，用以描述一個物料項的物理性能及其功能需求，將二維工程圖和三維數(shù)模中的所有設(shè)計及制造信息集成在一起，不僅要包括精確的產(chǎn)品幾何模型，還需要包含表示產(chǎn)品尺寸、公差、基準等非幾何信息，以滿足下游工藝設(shè)計的要求，替代原二維圖樣的功能，從而實現(xiàn)取消二維圖樣的功能［4］。波音公司在夢幻客機787的研制過程中，采用基于模型定義作為整個飛機產(chǎn)品制造過程中的唯一依據(jù)，實現(xiàn)波音787全三維研制，并最終取得了成功［5］。飛機結(jié)構(gòu)件MBD零件模型即為添加了注釋和三維標注的設(shè)計模型，按照ASME［6］制定的標準，通過CATIA V5軟件環(huán)境下建立飛機結(jié)構(gòu)件MBD零件模型，如圖1所示。

圖1 飛機結(jié)構(gòu)件MBD零件模型

MBD零件模型作為整個生產(chǎn)過程的唯一依據(jù)，實現(xiàn)了信息的高度集成，避免了手工輸入等人為性錯誤的發(fā)生。基于模型定義技術(shù)建立的由每道加工工序組成的三維工藝規(guī)程，可以方便工藝人員直觀、快速地讀懂工藝信息要求。

2 基于模型定義的非幾何信息提取

零件進行工藝設(shè)計前我們首先必須全面讀取零件的非幾何信息，這些非幾何信息多是標注在零件的三維設(shè)計模型中，如何從三維設(shè)計模型中提取出零件的非幾何信息也是當下研究的一個熱點。從零件設(shè)計模型中提取出非幾何信息，為后期相關(guān)工藝設(shè)計奠定數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，這也是工藝卡片設(shè)計的重要環(huán)節(jié)。本文將零件模型的非幾何信息分類，如圖2所示。

圖2 零件模型非幾何信息分類圖

如圖3所示為實現(xiàn)模型中非幾何信息的提取，首先選定模型中要選取的特征面，將該特征面上的標注信息提取出來，其提取公差信息的部分程序如下：

//Retrieve tolerances that belong to set as a CATITPSList

CATITPSList*pitoleList=null;

Piset-＞GetTPSs(＆piToleList);

//Retrieve tolerances count in set

Unsigned int ToleCount=0;

piToleList-＞Count(＆Tolecont);

//Analyze tolerances of set

For(unsigned int ToleIdx=0;ToleIdx

{

//Get ToleIdx tolerance in set

CATITPSComponent*picomonTole=NuLL;

PiToleList-＞Item(ToleIdx,＆piCompOmTole);

}

……

圖3 零件非幾何信息提取流程圖

在提取了公差信息以后要對其進行檢索，按圖所示檢索出子類。將大類定義為SuperType，子類定義為Type。其程序段部分如下：

if(CATCmpGuid(＆IID_CATITPSForm,pSuperTypeAsIID)==TRUE)

{

SuperType="形狀公差"；

//If Type IID is the same that IID of CATITPSStraightness interface then

//this tolerance is a Straightness tolerance.

if (CATCmpGuid (＆IID_CATITPSStraightness,pTypeAsIID)==TRUE)

Type="直線度";

else if (CATCmpGuid(＆IID_CATITPSFlatness,pTypeAsIID)==TRUE)

Type="平面度";

else if(CATCmpGuid(＆IID_CATITPSCIrularity,pTypeAsIID)==TRUE)

Type="圓度";

}

……

如圖4是對某一飛機結(jié)構(gòu)件孔特征進行尺寸公差提取所得的結(jié)果，提取出來的結(jié)果可以按.txt格式文件輸出，提取結(jié)果為孔特征直徑φ38.1 mm，上偏差為0.15 mm，下偏差為0.15 mm。提取出特征的非幾何信息對后期進行飛機結(jié)構(gòu)件的工藝設(shè)計奠定了基礎(chǔ)，提供了很好的數(shù)據(jù)依據(jù)。

圖4 提取孔特征尺寸公差結(jié)果輸出圖

3 工藝路線及機床工序設(shè)計

3.1 工藝路線的擬定

飛機結(jié)構(gòu)件是構(gòu)成飛機機體骨架和氣動外形的重要組成部分，其中有梁、肋、框等多種類型［7］。在國內(nèi)外飛機制造中，為了減少機體零件數(shù)目，提高飛機制造質(zhì)量，越來越多地制造廠采用整體結(jié)構(gòu)件作為主要承力構(gòu)件，飛機結(jié)構(gòu)件具有如下特點［8］：1）種類繁多，加工材料多種多樣，功能和形狀各異，加工方法和流程大相徑庭；2）零件尺寸大，加工特征類型和數(shù)目多；3）加工難度大，加工周期長，制造水平高和技術(shù)難度大。

根據(jù)飛機結(jié)構(gòu)件的類型和特點，我們可以總結(jié)歸納典型飛機結(jié)構(gòu)件的工藝路線，相似零件便可以參照此工藝路線擬定新的工藝路線。對于梁類、肋類零件，其典型加工工藝路線可以歸納為：毛坯檢驗→基準面加工→粗銑一側(cè)外形→攢壓板→粗銑另一側(cè)外形→粗加工腹板，內(nèi)形→翻面；精加工腹板、內(nèi)形→翻面→精加工一側(cè)外形→攢壓板→精加工另一側(cè)外形→補加工→檢驗。對框類零件，其典型加工工藝路線可以歸納為：毛坯檢驗→板料兩側(cè)均勻去余量→粗銑一面外形，粗加工腹板、內(nèi)形→翻面→粗加工、精加工外形，粗加工、精加工腹板、內(nèi)形→翻面→精加工腹板、內(nèi)緣→補加工→檢驗。

3.2 機床工序設(shè)計

數(shù)控機床對刀具的要求很高，不僅需要考慮到刀具的強度和硬度，還要求刀具有很好的排屑性能和耐用性。機床刀具的選擇即是對刀具的型號、材料、尺寸參數(shù)的選擇。刀具選擇的原則有：刀具的材料硬度和耐磨性要比零件材料高；為防止撞刀，刀具刀柄要大于型腔的深度；為防止過切，刀具直徑要小于型腔允許的最大刀具直徑；刀具直徑不可以大于加工零件的底角半徑。調(diào)研相關(guān)航空制造企業(yè)可知，企業(yè)購置的刀具一般多是按照一定的尺寸規(guī)格，通常刀具半徑有3 mm、12 mm、20 mm、32 mm等。

刀具選擇好之后就要對其進行一些切削參數(shù)的確定，相關(guān)參數(shù)指標可以參考 《機械制造工藝設(shè)計簡明手冊》［9］和《機械加工工藝設(shè)計手冊》［10］。 如上節(jié)所說非幾何信息的提取中提取出了孔特征直徑為φ38.1 mm，上偏差為0.05 mm，下偏差為0.15 mm，零件材料為TC18鈦合金。根據(jù)上面所述的原則，結(jié)合相關(guān)的工藝知識，選擇刀具類型為合金刀，刀具半徑為12 mm，加工余量最高為3 mm，最低為0。計算出相關(guān)切削參數(shù)為切削深度3 mm，主軸轉(zhuǎn)速為750 r/min，切削速度為1 500 m/min。

圖5 三維工藝規(guī)程卡片生成流程

4 基于模型定義的飛機結(jié)構(gòu)件三維工藝規(guī)程卡片生成方法

如圖5為三維工藝規(guī)程卡片的生成流程圖，在設(shè)計MBD模型時需要將所有的零件幾何和非幾何信息標注上去，在進行后期工藝分析時以MBD模型為依據(jù)，編制工藝內(nèi)容，在每一道工序中標注好該工序所用到的數(shù)控設(shè)備、刀具類型和規(guī)格、進給量等信息，有些尺寸標注在工序卡片中可以隱藏顯示，把設(shè)計的每一道工序加起來就構(gòu)成了該零件的三維工藝規(guī)程卡片。

三維工藝規(guī)程卡片生成步驟：

1）將飛機結(jié)構(gòu)件的一些幾何信息和非幾何信息添加到MBD模型中，完成對飛機結(jié)構(gòu)件的MBD模型設(shè)計。

2）根據(jù)所設(shè)計的MBD模型進行非幾何信息提取，所提取出來的信息按.txt文件格式輸出保存。

3）根據(jù)零件模型信息和相關(guān)工藝知識經(jīng)驗，對零件進行工藝路線的擬定，可以參照第3節(jié)所述的零件典型工藝路線。

4）根據(jù)所提取出的非幾何信息對其進行機床工序設(shè)計，對每道工序中所要用到的機床類型、刀具和相關(guān)的切削參數(shù)進行確定，并將這些內(nèi)容體現(xiàn)到三維工序卡片中。

5）在MBD的基礎(chǔ)上按照工序以逆序的方式逐步添加工藝信息，將這些內(nèi)容體現(xiàn)在三維工藝卡片中，得到零件加工所需的三維工藝規(guī)程卡片。

6）加上毛坯和所有所設(shè)計生成的三維工序卡片組成了三維飛機結(jié)構(gòu)件三維工藝規(guī)程卡片。

5 實例驗證

根據(jù)查閱相關(guān)文獻資料可知，在CATIA三維制圖軟件中，采用不同的顏色表示加工表面的不同工序，方便工藝人員更加直觀地理解工藝卡片中的內(nèi)容，用橙黃色表示粗加工、綠色表示半精加工、藍色表示精加工、黃色表示超精加工。

圖6 基于模型定義的某一飛機結(jié)構(gòu)件三維工序卡片設(shè)計圖

如圖6是某一飛機結(jié)構(gòu)件的三維工藝卡片設(shè)計模型圖，包括該零件的三維設(shè)計模型和加工該零件某一工序的三維工藝規(guī)程卡片。使用三維工藝卡片設(shè)計既可以直觀地理解表達工藝過程，而且還可以直接在CATIA軟件中修改工藝信息，避免了二維工藝卡片設(shè)計中復雜繁瑣的過程。即使再復雜的零件也可以很直觀地表達出它的工藝規(guī)程，這是二維工藝卡片所不具有的優(yōu)點。例如圖6（c）精銑零件A面模型中，因為是精加工所以用藍色表示該加工面，該工序上一步是半精加工零件A面，所以零件外形用綠色表示，表示剛半精加工完零件A面。圖中包括了精銑該面的所有工步以及所需的一些刀具規(guī)格，如工步2，精銑A面，精銑底面，精加工槽底面及孔。所需用到的刀具類型為合金刀，刀具規(guī)格為φ12R3，懸長為50 mm，加工余量為0，主軸轉(zhuǎn)速為750r/min，切削速度為1500m/min。

6結(jié) 語

本文利用CATIA軟件平臺，基于模型定義技術(shù)設(shè)計了三維工序卡片，在進行卡片設(shè)計之前必須將零件的非幾何信息提取出來，利用這些信息進行相關(guān)工藝設(shè)計，最后生成工藝規(guī)程卡片。隨著現(xiàn)行三維CAD軟件的發(fā)展，三維工序卡片在制造企業(yè)中經(jīng)常被使用，必然將成為一種趨勢。該技術(shù)將零件設(shè)計模型與工藝信息集中融合體現(xiàn)在一起，將零件的幾何信息和非幾何信息全部標注在工藝模型中，即使再復雜的零件也可以直觀地體現(xiàn)在工藝卡片中，加快了飛機結(jié)構(gòu)件零件制造企業(yè)生產(chǎn)中工藝人員的閱讀理解速度，提高了企業(yè)的生產(chǎn)效率。

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