航空發(fā)動機零件機加工藝信息管理系統(tǒng)研究與開發(fā)*

周星晶，衛(wèi) 煒,2，黃斌達

（1.南京航空航天大學(xué)機電學(xué)院，南京 210016;2.江蘇省精密與微細制造技術(shù)重點實驗室，南京 210016）

工藝是連接設(shè)計與制造的橋梁，工藝信息管理是對工藝相關(guān)信息的組織和處理過程的管理[1]。航空發(fā)動機作為飛機的動力來源，其零件具有幾何結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工藝種類繁多、數(shù)據(jù)量龐大等特點，對設(shè)計、工藝和制造之間的工藝信息集成性要求較高，但是現(xiàn)有的信息管理系統(tǒng)面對紛繁復(fù)雜的工藝信息已很難滿足需要，且目前航空發(fā)動機制造依據(jù)是二維工程圖，工藝信息的發(fā)布形式依然以傳統(tǒng)二維圖紙形式的工藝規(guī)程指導(dǎo)下游工人進行加工[2-3]。這種工藝管理形式和發(fā)布方法已經(jīng)很難滿足現(xiàn)代航空發(fā)動機制造企業(yè)數(shù)字化制造技術(shù)的發(fā)展需要，其不足主要體現(xiàn)在： （1）缺乏完整的工藝資源信息管理和知識共享，工藝信息完整性和追溯性差，使得查詢和集成工藝信息極為不便； （2）工藝編制要求工藝人員具有豐富的生產(chǎn)經(jīng)驗，工藝數(shù)據(jù)的準確性難以保證以及信息集成度低； （3）現(xiàn)行的工藝規(guī)程大多以二維簡圖和文字等說明方式，不能直觀展示零件的幾何信息，對下游加工工人識圖要求較高，且一旦出現(xiàn)問題，需要返回到工藝設(shè)計階段修改，重新生成二維圖紙，嚴重影響產(chǎn)品生產(chǎn)效率。

近年來，部分學(xué)者對工藝信息管理和工藝文件可視化展示進行了相關(guān)研究，董思洋等[4]提出了一種基于過程驅(qū)動的飛機制造工藝管理模式，并針對每個工藝業(yè)務(wù)的不同特點設(shè)計了封裝模型，給出了過程驅(qū)動的響應(yīng)機制；楊曉軍[5]等研究了基于PDM系統(tǒng)的集成化工藝信息管理模式，實現(xiàn)了工藝信息的規(guī)范化管理；王帥等[6]提出了一種基于移動終端的飛機裝配現(xiàn)場工藝可視化及信息管理方法，并利用移動終端無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)實現(xiàn)了裝配現(xiàn)場信息的實時發(fā)布和反饋；陳睿等[7]研究了基于模型定義的機加工裝派工文件可視化展示，實現(xiàn)了工藝規(guī)程下工裝派工文件生成和發(fā)布。

為改變二維環(huán)境下機加工藝設(shè)計中信息管理存在的不足，本文結(jié)合工藝設(shè)計過程中工藝信息的特性，研究了航空發(fā)動機三維模式下零件機加工藝信息管理的關(guān)鍵技術(shù)，并基于PLM平臺開發(fā)航空發(fā)動機零件機加工藝信息管理系統(tǒng)，實現(xiàn)了三維工藝規(guī)程可視化文件生成，縮短了航空發(fā)動機零件的制造周期，對降低零件成本、提高經(jīng)濟效益具有重要意義。

1 工藝信息分類

工藝信息是產(chǎn)品工程信息的重要組成部分，在產(chǎn)品設(shè)計、工藝設(shè)計及加工制造起關(guān)鍵性紐帶作用，決定著產(chǎn)品最終質(zhì)量[8]。從零件加工過程中涉及的工藝信息可以看出，工藝信息具有多樣化、繁雜化等特點。本文通過對機加零件加工過程中涉及的工藝信息進行分析，將航空發(fā)動機零件機加工藝信息分成動態(tài)工藝信息和靜態(tài)工藝信息兩類，具體分類如圖1所示。

靜態(tài)工藝信息是指在進行工藝設(shè)計過程中，只要機加工對象確定，工藝信息就不會隨工藝過程改變而發(fā)生改變的信息。這部分信息指的是零件屬性信息，包括產(chǎn)品名稱、零件名稱、材料信息等，在工藝設(shè)計過程中，靜態(tài)工藝信息一般是從零件設(shè)計BOM（Bill of Material）中繼承的工藝信息。

動態(tài)工藝信息指是在工藝設(shè)計過程中需要獲取、輸入或者編輯的工藝信息，以及隨制造對象與環(huán)境不同而產(chǎn)生的信息。不同的工藝過程、不同的加工需求就會產(chǎn)生不同的信息數(shù)據(jù)，動態(tài)工藝信息DPI由工序信息GXI、車間資源信息ZYI和工步信息GBI 3部分組成，因此可將動態(tài)工藝信息表達為：

式中：GXIi表示第i道工序?qū)?yīng)的工序基本信息，包括工序號、工序名稱、車間等，這部分信息是從工藝路線中繼承的工藝信息；ZYIj表示第j道工序?qū)?yīng)的車間資源信息，包括設(shè)備信息、夾具信息、冷卻液信息等，這部分信息是從工藝資源庫中獲取得到；GBIk表示第k道工序?qū)?yīng)的工步信息，而工步信息可表示為：

式中，SPIi表示第i道工步對應(yīng)的工步基本信息，包括工步號、工步內(nèi)容等，這部分信息由工藝人員根據(jù)加工質(zhì)量要求和生產(chǎn)效率要求編輯得到；PTIj表示第j道工步對應(yīng)的工藝裝備信息，包括刃具信息、量具信息、輔具信息等，這部分信息可以由工藝資源庫中獲取得到； CPIk表示第k道工步對應(yīng)的切削參數(shù)信息，包括主軸轉(zhuǎn)速、吃刀量、走刀次數(shù)等，這部分信息由工藝人員根據(jù)設(shè)備性能、加工要求編輯或者系統(tǒng)輔助計算得到；HNIl表示第l道工步對應(yīng)的工時定額信息，包括基本工時定額、輔助工時定額等，這部分信息由工藝人員根據(jù)具體加工環(huán)境、要求和工時定額表編輯得到。

2 系統(tǒng)工作流程和總體框架

2.1 系統(tǒng)工作流程

圖1 機加工藝信息分類Fig.1 Classification of mechanical process information

零件在進行工藝設(shè)計時大體上可分為兩個步驟，首先是擬定零件加工的工藝路線，然后再對工藝路線進行詳細設(shè)計，確定每一個工序的工序（工步）尺寸、所用設(shè)備和工藝裝備以及切削規(guī)范和工時定額等。本系統(tǒng)是針對機加零件工藝路線擬定之后，在工藝詳細設(shè)計時對工藝數(shù)據(jù)信息進行的管理，具體工作流程如圖2所示，工藝路線規(guī)劃系統(tǒng)生成的工藝路線文件導(dǎo)入到Teamcenter 8.3平臺中，機加工藝信息管理系統(tǒng)讀取制造工藝規(guī)劃器中的工藝結(jié)構(gòu)樹，工藝設(shè)計人員選擇每道工序進行工藝詳細設(shè)計，其過程包括工藝信息的獲取和添加、工藝信息的存儲、工藝信息的集成等，將輕量化的工序模型和集成工藝信息的文檔導(dǎo)入到工藝可視化文件定制模板中，生成完整的工藝規(guī)程文件，最終審核通過后的工藝規(guī)程文件發(fā)布到車間可視化終端指導(dǎo)工人進行生產(chǎn)。

圖2 系統(tǒng)工作流程Fig.2 Workflow of system

2.2 系統(tǒng)架構(gòu)

機加工藝信息管理系統(tǒng)基于Teamcenter 8.3平臺開發(fā)實現(xiàn)，其體系結(jié)構(gòu)分為數(shù)據(jù)層、平臺層和應(yīng)用層以及界面層，如圖3所示。

（1）數(shù)據(jù)層。為工藝信息管理過程提供數(shù)據(jù)支持，是系統(tǒng)運行的支撐和基礎(chǔ)，其中包括制造資源庫、工藝知識庫、工藝路線文件等。

（2）平臺層。系統(tǒng)基于Teamcenter 8.3平臺二次開發(fā)完成，并通過插件的形式部署二次開發(fā)代碼到Teamcenter 8.3平臺中，與該平臺共享相應(yīng)的用戶角色與權(quán)限，實現(xiàn)與該平臺的信息交互與無縫集成。

（3）應(yīng)用層。該層是系統(tǒng)主要功能層，包括工藝信息管理模塊、資源庫管理模塊和工藝規(guī)程生成模塊等。工藝信息管理模塊是實現(xiàn)在工藝詳細設(shè)計過程中對工藝信息管理的功能，包括工藝結(jié)構(gòu)樹管理、工藝信息的獲取和添加，工藝信息的存儲與集成等功能模塊；資源庫管理模塊主要實現(xiàn)工藝資源的存儲、檢索和獲取功能，包括制造資源管理、工藝資源檢索和工藝資源預(yù)覽等模塊；工藝規(guī)程生成模塊主要是實現(xiàn)生成和發(fā)布機加工藝規(guī)程文件的功能，包括模板的定制和管理、工序模型的輕量化處理和工藝規(guī)程的生成等模塊。

（4）界面層。該層是提供給用戶交互友好界面，工藝設(shè)計人員、工藝審核人員通過該層操作與使用應(yīng)用層各個功能模塊。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 工藝資源庫的創(chuàng)建和檢索

航空發(fā)動機機構(gòu)復(fù)雜，零件種類繁多，工藝資源管理任務(wù)繁重，建立豐富的工藝資源庫是提升工藝設(shè)計效率，縮短設(shè)計周期，實現(xiàn)資源共享的重要途徑。本文利用Teamcenter 8.3平臺分類規(guī)則將工藝資源進行分類管理，使用組和類來組織分類層次結(jié)構(gòu)，根據(jù)工藝資源的種類和作用可將其分為兩個部分：一部分是加工工藝知識庫，包括各類切削參數(shù)庫、材料資源庫、工藝參數(shù)庫等；另一部分是制造資源庫，包括工藝裝備庫、設(shè)備資源庫、夾具資源庫等。

工藝資源庫按照分類結(jié)構(gòu)樹的形式創(chuàng)建，如圖4所示，工藝人員從工藝資源庫中檢索所需的工藝資源信息時，可以通過在檢索編號對話框中輸入對象全部或部分編號和按照所需要的資源類型定位到特定的類這兩種方式檢索工藝資源對象，表選項卡中會列出所有符合要求的工藝資源對象，工藝人員可以根據(jù)查看器中顯示的資源JT（Siemens軟件公司開發(fā)的3D模型輕量化格式）文件和資源的屬性信息進一步確定機械加工中所需的工藝資源，之后選擇的資源信息將填充到機加工藝信息管理系統(tǒng)當前工序?qū)?yīng)的資源信息表格中。

3.2 基于XML的工藝信息集成

圖3 系統(tǒng)總體架構(gòu)Fig.3 Architecture of system

圖4 工藝資源庫Fig.4 Process repository

工藝信息集成是航空發(fā)動機零件機加工藝信息管理的重要組成部分，其主要目的是實現(xiàn)對工藝信息的統(tǒng)一處理。本文是基于XML（eXtensible Markup Language）的機加工藝信息集成，XML是1998年由W3C（World Wide Web Consortium） 優(yōu)化 SGML（Standard Generalized Markup Language）而得到的一種元標記語言[9]，它是一種描述結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的手段，以一種開放的自我描述方式定義數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，在描述工藝信息內(nèi)容的同時能突出對信息數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的描述，從而體現(xiàn)出工藝信息數(shù)據(jù)之間的關(guān)系。本文利用XML語言規(guī)則將不同類型和不同工序的工藝信息提取并集成到一個XML文檔中，實現(xiàn)系統(tǒng)間工藝信息的傳遞和交換。

3.3 工藝規(guī)程可視化文件生成

工藝規(guī)程文件生成是零件工藝設(shè)計的最終環(huán)節(jié)，作為中間工序模型和工藝信息的載體，生成的工藝規(guī)程文件應(yīng)具有兼容性好、直觀、便攜等特點。本文選用3D PDF文件作為機加工藝規(guī)程生成的載體，3D PDF是由Adobe公司開發(fā)Acrobat系列軟件生成的一種通用文件格式，具有跨平臺、跨語言、跨軟件等特性，能夠?qū)崿F(xiàn)在不同的操作系統(tǒng)、不同的程序語言版本和不同的PDF查看軟件中運行，因此是一種理想的發(fā)布載體[10]。本文結(jié)合企業(yè)需求，先定制開發(fā)工藝規(guī)程生成所要的工藝可視化文件模板，如圖5所示，模板結(jié)構(gòu)分為模型區(qū)域和信息區(qū)域，模型區(qū)展示加工件中間工序模型，信息區(qū)顯示加工件某工序工藝信息，然后將集成工藝信息的XML文檔和輕量化工序模型導(dǎo)入定制模板中，最終生成機械加工三維工藝規(guī)程可視化文件。

4 實例驗證

本文利用Java語言對Teamcenter 8.3平臺進行定制，研究開發(fā)了機加工藝信息管理系統(tǒng)，將本文提出的機加工藝信息管理方法應(yīng)用到該系統(tǒng)中，并創(chuàng)建相應(yīng)的功能模塊，系統(tǒng)界面如圖6所示，界面分為工藝路線結(jié)構(gòu)樹區(qū)、工序模型顯示區(qū)、工藝信息錄入?yún)^(qū)和功能按鈕欄。

圖5 工藝可視化文件模板Fig.5 Template of processing visualization file

本文以某航空發(fā)動機零件為例驗證該系統(tǒng)，具體實施方式如下：工藝信息管理系統(tǒng)從Teamcenter 8.3平臺的制造工藝規(guī)劃器中獲取工藝路線，以結(jié)構(gòu)樹的形式顯示在圖6中的工藝路線結(jié)構(gòu)樹區(qū)，選中結(jié)構(gòu)樹某道工序節(jié)點前的復(fù)選框，該工序的中間工序模型將在工藝模型顯示區(qū)域顯示，可對模型進行旋轉(zhuǎn)、縮放、平移和添加或修改工藝標注等操作，選擇結(jié)構(gòu)樹中某道工序，對該工序進行詳細設(shè)計，其中產(chǎn)品信息和工序信息繼承自工藝路線，資源信息從工藝資源庫中檢索獲取，工步信息由工藝設(shè)計人員輸入、工藝資源庫和系統(tǒng)輔助計算結(jié)合獲取，工藝信息添加完成后將會保存到數(shù)據(jù)庫中，方便后續(xù)對數(shù)據(jù)進行查看、修改和再添加，當工序完成詳細設(shè)計之后，工藝信息將被集成到XML文檔和輕量化工序模型一起導(dǎo)入定制的工藝規(guī)程3D PDF模板中，生成三維機加工序卡文件，工序模型待加工區(qū)域高亮顯示，可對模型進行旋轉(zhuǎn)、縮小、放大、平移等操作觀察待加工區(qū)域，所有的三維工序卡文件組成三維機加工藝規(guī)程可視化文件如圖7所示，審核通過后發(fā)布到生成車間，指導(dǎo)加工人員完成相應(yīng)的生產(chǎn)任務(wù)。

5 結(jié)束語

目前國內(nèi)航空發(fā)動機制造企業(yè)對零件工藝進行詳細設(shè)計過程中信息管理形式和發(fā)布方法存在著缺乏工藝知識共享、信息追溯性差、展示不直觀等問題，本文結(jié)合航空發(fā)動機零件設(shè)計制造的特點及工藝設(shè)計中遇到的問題，以機加工為切入點，詳細分析了工藝信息特性，建立在三維環(huán)境下基于PLM的工藝信息管理體系框架，實現(xiàn)工藝資源的統(tǒng)一管理和維護，將機加工藝中涉及的各類信息集成，以獨立文件（三維工藝規(guī)程文件）的方式展現(xiàn)給車間制造人員。本文所提出機加工藝信息管理方法能夠讓工藝人員更靈活、更快速地完成工藝規(guī)程的設(shè)計，這對提高三維工藝規(guī)程生成的效率、縮短機加工零件的加工制造周期具有重要的意義。

圖6 工藝信息管理系統(tǒng)界面Fig.6 Management system interface of process

圖7 三維機加工藝規(guī)程Fig.7 3D mechanical process planning

參 考 文 獻

[1]劉清華, 萬立, 熊體凡. 基于PDM的工藝管理研究[J]. 中國機械工程，2004, 15(1)： 34-38.

LIU Qinghua, WAN Li, XIONG Tifan. Research and implementation of PDM based process design and management[J]. China Mechanical Engineering, 2004, 15(1)： 34-38.

[2]莫蓉. 航空復(fù)雜產(chǎn)品協(xié)同設(shè)計的幾個基本問題[J]. 航空制造技術(shù)，2009(11)： 51-55.

MO Rong. Several basic problems about collaborative design for aviation complicated products[J]. Aeronautical Manufacturing Technology,2009(11)： 51-55.

[3]萬能，常智勇，莫蓉. 機加工藝設(shè)計的三維新模式研究[J]. 計算機集成制造系統(tǒng)，2011, 17(9)： 1873-1879.

WAN Neng, CHANG Zhiyong, MO Rong. Three-dimensional new mode of machining process planning[J]. Computer Integrated Manufacturing Systems, 2011, 17(9)： 1873-1879.

[4]董思洋，許建新，王克勤，等. 飛機制造工藝管理模式及關(guān)鍵技術(shù)[J]. 計算機集成制造系統(tǒng)，2013, 19(4)： 704-713.

DONG Siyang, XU Jianxin, WANG Keqin, et al. Management model and key technologies in aircraft manufacturing process[J]. Computer Integrated Manufacturing Systems, 2013, 19(4)： 704-713.

[5]楊曉軍. 基于 PDM 的工藝信息管理的研究[J]. 中國機械工程 , 2004, 15(1)： 34-38.

YANG Xiaojun. Research of processing information management based on PDM[J]. China Mechanical Engineering, 2004, 15(1)： 34-38.

[6]王帥，孫占磊，張承陽. 基于移動終端的飛機裝配現(xiàn)場工藝可視化系統(tǒng)[J]. 航空制造技術(shù)，2016(10)： 58-62.WANG Shuai, SUN Zhanlie, ZHANG Chengyang. System of aircraft assembly process visualization based on mobile terminals[J]. Aeronautical Manufacturing Technology, 2016(10)： 58-62.

[7]陳睿，周來水，衛(wèi)煒，等. MBD 模式下機加工裝派工文件生成方法[J]. 組合機床與自動化加工技術(shù)，2015(9)： 157-160.CHEN Rui, ZHOU Laishui, WEI Wei, et al. The generation method of mechanical tooling dispatching file in MBD mode[J]. Modular Machine Tool＆ Automatic Manufacturing Technique, 2015(9)： 157-160.

[8]劉金鋒，倪中華，劉曉軍，等. 基于工藝模型的工藝信息表達與管理技術(shù)[J]. 計算機集成制造系統(tǒng)，2015, 21(7)： 1756-1763.LIU Jinfeng, NI Zhonghua, LIU Xiaojun, et al. Process information expression and management technology based on 3D process model[J].Computer Integrated Manufacturing Systems, 2015, 21(7)： 1756-1763.

[9]AMIANO M , D’CRUZ C . XML problem-design-solution[M].Hoboken： Wiley Publishing, 2006.

[10]田富君，張紅旗，張祥祥，等. 基于輕量化模型的三維裝配工藝文件生成技術(shù)[J]. 制造業(yè)自動化，2013, 35(5)： 46-50.TIAN Fujun, ZHANG Hongqi, ZHANG Xiangxiang, et al. Threedimensional assembly process file generate technology based on lightweight model[J]. Manufacturing Automation, 2013, 35(5)： 46-50.