基于模型的航空零件工藝研究與應用

鄧小棒 龔雙會

摘 要：本文簡述了我國航空國防行業(yè)的特點及現(xiàn)狀，針對航空產品研制過程中數(shù)據(jù)源不統(tǒng)一、數(shù)據(jù)重用率低、無法事先模擬仿真等問題，提出應用MBD技術打通數(shù)據(jù)重用通道，開展基于模型的結構化工藝設計模式的研究和探討，以期從根本上提高效率、提升產品質量。

關鍵詞：MBD；三維工藝；數(shù)字化制造；快速編程

1 行業(yè)特點及現(xiàn)狀

航空國防行業(yè)是制造業(yè)的重要組成部分，因其技術上的高、精、尖，在相當程度上體現(xiàn)了一個國家的科技發(fā)展水平。改革開放以來，我國航空國防取得了舉世矚目的成就，隨著市場競爭和需求的壓力不斷增加，我國航空國防行業(yè)普遍面臨著效率、產能、創(chuàng)新方面的挑戰(zhàn)，與以往相比呈現(xiàn)出協(xié)作規(guī)模更大、系統(tǒng)綜合性更強、研發(fā)周期更短、性能要求更高等特點。

2 業(yè)務挑戰(zhàn)

工藝設計作為連接產品設計和制造的橋梁，所產生的數(shù)據(jù)是產品全生命周期中最重要的數(shù)據(jù)之一，同時也是生產單位進行計劃排產、物資采購、生產調度的重要數(shù)據(jù)。當前我國航空制造業(yè)多數(shù)成員單位編制工藝規(guī)程時主要仍采用二維工程圖加注釋的方法描述工序內容，包括：加工內容、技術要求、工藝準備、計量和檢驗要求等。

3 基于模型的航空零件工藝解決方案

3.1 系統(tǒng)方案

基于模型的航空零件工藝解決方案包括協(xié)同設計、設計數(shù)據(jù)獲取、工藝分工、工藝設計、工裝設計、數(shù)控編程及仿真、工藝卡片與報表生成、MES/ERP集成、知識及資源管理等核心功能，實現(xiàn)從產品設計到工藝、制造的業(yè)務集成。Teamcenter Manufacturing（簡稱TCM）是基于模型的工藝解決方案中的主要功能模塊，它提供了工藝數(shù)據(jù)標準發(fā)布流程與變更流程，并貫通設計、工藝變更的全流程管理。TCM將工藝路線以結構樹的方式進行管理，使數(shù)據(jù)的表達、重組、擴展、匯總變得更加方便，可以更有效地指導生產，同時為MES、ERP等系統(tǒng)的數(shù)據(jù)準確性及可用性提供了保障。TC集成了NX CAD/CAE/CAM，可以在統(tǒng)一平臺下實現(xiàn)零件設計、工裝設計及數(shù)控編程與驗證等功能。

3.2 系統(tǒng)功能

3.2.1設計數(shù)據(jù)的接收和下發(fā)

建立航空企業(yè)產品數(shù)字化定義的成熟度評價標準，設計成熟度等級和詳細準則，通過多級成熟度審批流程發(fā)放設計數(shù)據(jù)。工藝部門依據(jù)預發(fā)放的三維設計模型進行工藝分析，檢查結構設計的合理性，并反饋工藝審查意見。

3.2.2工藝設計

構建工序模型前必須明確工藝路線，在方案階段進行細致考慮和優(yōu)化，避免后期頻繁更改。工序模型可正向以毛坯為起點，通過參數(shù)化或者具體模型操作實現(xiàn)，也可逆向以設計模型為起點倒推。

具體建模時，通過NX WAVE Link功能引用設計模型或其他工序模型，運用同步建模對模型進行修改，如增減加工余量、刪除或添加孔、槽等特征，方便快捷地建立關聯(lián)的工序模型。在構建工序模型時應注意以下基本原則：（1）為避免使用工序模型進行編程、仿真時出現(xiàn)偏差，盡量不要用設計模型替代中間工序模型；（2）按最大實體狀態(tài)1：1構建工序模型幾何體素的形狀尺寸，也可按中差建模，但主要考慮標注與現(xiàn)行工程標注的銜接性；（3）為了更清晰地表達工藝過程，工序模型的非加工特征及待加工特征可采用不同著色區(qū)分，著色方式也可以用來表述定位和裝夾部位，但同一模型上不宜出現(xiàn)過多顏色，故建議用文字引出方式表述定位和夾緊，以免造成混淆。

為各工序創(chuàng)建工序卡時，可在NX中選擇工序卡模板，工序卡的內容自動繼承零件及工序屬性表。在工序編輯界面直接調用資源庫中設備、工裝，并保存關聯(lián)關系，在圖形區(qū)插入3D工序模型、2D投影圖，或直接繪制工序圖。通過PMI功能進行3D制造信息標注，如工序尺寸公差、加工區(qū)域標識、操作說明、檢驗要求等。在標注時，標注內容與被標注幾何體素應當正確關聯(lián)。如果模型復雜，無法通過一個視圖完整清晰地表達所有內容，可定義多個視圖，進行分視圖標注，同時應靈活運用文字注釋和標注分層功能。

鈑焊、裝配、鍛鑄、熱表及探傷等工藝以非結構化的方式管理，即無需細化到工序，但應支持未來進行結構化改造。完成整套工藝后，進行審批、發(fā)放，審批者可方便地進行瀏覽和圈閱。

3.2.3工裝的設計及管理

航空制造業(yè)工藝裝備具有以下特點：（1）研制周期長：占飛機研制周期的1/3～1/2；（2）品種多；（3）精度高：高于飛機產品精度；（4）技術學科多；（5）協(xié)調關系多；（6）技術要求高。其研制水平和能力是飛機制造成功與否的關鍵因素之一?；谀Ｐ偷墓ぱb設計將標準及規(guī)范引入工裝設計應用系統(tǒng)，采用模塊化設計理念，形成工裝設計知識和經(jīng)驗的積累和重用。通過TC對與工裝設計相關數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一管理，如典型工裝模板數(shù)據(jù)、典型設計形狀數(shù)據(jù)、工裝產品數(shù)據(jù)等。針對模具工裝，NX提供了專業(yè)的功能模塊，包括注塑模設計、級進模設計、沖壓模設計、電極設計等。

3.2.4編程及仿真

在基于模型的工藝解決方案的基礎上，梳理數(shù)控加工流程，創(chuàng)建控制系統(tǒng)、機床模型、刀具、加工參數(shù)等各類資源庫。在系統(tǒng)中設置多角色并賦予相應數(shù)據(jù)操作權限，工藝人員直接利用設計或關聯(lián)的工序模型進行數(shù)控編程，在Vericut中仿真數(shù)控加工過程，檢查過切、欠切，防止機床碰撞及超行程等異常，分析、優(yōu)化NC程序代碼，減少實際運行風險，提高加工效率和精度。仿真完成后將加工仿真包導入TC系統(tǒng)，同時，也可直接將系統(tǒng)中的仿真項目包導出進行加工過程的仿真。

3.2.5檢測

產品生產的檢測包括檢測工藝規(guī)劃和檢測執(zhí)行?；谀Ｐ偷臋z測技術將檢測信息集成在三維模型中，進行工序檢測工藝的規(guī)劃，實現(xiàn)了三維模型數(shù)據(jù)在工藝設計與檢測環(huán)節(jié)的重用。這些數(shù)據(jù)包括由工序尺寸、公差、幾何精度等組成的設計信息以及由檢測工藝符號和檢測技術要求等組成的檢測工藝信息。檢測的執(zhí)行是根據(jù)檢測工藝規(guī)定的內容進行實測，并反饋測量結果。實際操作時可通過常用測量儀器（如游標卡尺、千分尺等）、三坐標測量儀、影像測量設備及特殊測量設備（如粗糙度測量儀）等獲得檢測結果。

4 結束語

基于MBD的工藝是信息化技術在制造領域的應用成果，其研究對于航空制造業(yè)開展全三維設計模型重用、合理規(guī)劃工藝、關聯(lián)更新工序模型、快捷開展工裝設計及科學管理結構化工藝等有重大意義。制定有效可行的工藝設計路線，全面實施基于MBD的數(shù)字化協(xié)同設計、制造技術將成為航空制造企業(yè)提升整體研發(fā)水平、縮短研發(fā)周期、降低研發(fā)成本、提升產品質量的有效途徑。

在貫通MBD技術的全三維設計應用后，我們還需建立并不斷完善標準零件、切削參數(shù)、設備、工裝、刀量具等資源庫，總結先進數(shù)字化制造、檢測及編程仿真經(jīng)驗，更大限度地發(fā)揮MBD在制造過程中的優(yōu)勢。

參考文獻

[1] 李海泳，唐秀梅，亢亞敏，等.基于MBD技術的航空制造數(shù)字化工藝實施應用.航空制造技術，2013，（13）.

[2] 馮潼能，王錚陽，等.MBD技術在數(shù)字化協(xié)同制造中的應用與展望.南京航空航天大學學報，2012，44（z1）.

[3] 姜雨，李立軍，丁明.工作臺回轉式五軸數(shù)控機床虛擬樣機建模與數(shù)控仿真.機床與液壓，2012，40（23）.