組件加工三維工序模型構(gòu)建方法

張祥祥　程五四　田富君　陳帝江

摘要：針對(duì)組件加工工藝特點(diǎn)，本文研究了三維設(shè)計(jì)模型的建模方式對(duì)組件加工三維工藝設(shè)計(jì)的影響。提出了組件加工三維工序模型的構(gòu)建方法，并基于Pro/E平臺(tái)分析了某微波組件三維工序模型構(gòu)建過程，驗(yàn)證了方法的可行性和有效性。

關(guān)鍵詞：組件加工；工序模型；建模方式

0.引言

組件加工是一種重要的工藝方法，通常在零部件通過裝配或焊接形成整體后進(jìn)行，如配打或焊后加工等，用于消除變形和誤差積累，保證組件的精度要求，在復(fù)雜機(jī)電裝備的生產(chǎn)過程中大量存在，對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)件種類及數(shù)量也較多，如雷達(dá)裝備轉(zhuǎn)臺(tái)與撐腿機(jī)構(gòu)、起重機(jī)臂體和衛(wèi)星薄壁密封艙等。目前組件加工工藝設(shè)計(jì)仍停留在傳統(tǒng)二維模式，信息載體以紙質(zhì)為主，紙質(zhì)信息載體種類繁多（二維工程圖、工藝卡片、操作指導(dǎo)書和工藝附圖等），難以直觀、交互地表達(dá)實(shí)際生產(chǎn)制造過程，信息獲取較為困難，且多類紙質(zhì)信息載體也不利于管理和變更，給工藝設(shè)計(jì)過程及下游工人理解和使用帶來困難。隨著MBD技術(shù)的研究深入，三維工藝是目前數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，其關(guān)鍵是利用三維模型的表現(xiàn)力，直觀展示制造過程幾何實(shí)體、加工要求等內(nèi)容，動(dòng)態(tài)反應(yīng)產(chǎn)品在制造中的變化過程。三維工序模型作為工藝信息載體，其構(gòu)建方法是其核心問題之一，直接關(guān)系到三維工藝技術(shù)的實(shí)施與應(yīng)用。

目前關(guān)于三維工序模型構(gòu)建方法的研究主要集中在零件加工工藝和組件裝配工藝，且側(cè)重點(diǎn)不同。零件加工工藝的研究主要是通過零件設(shè)計(jì)模型，結(jié)合特征識(shí)別技術(shù)自動(dòng)識(shí)別零件待加工特征，采用正向減材料或逆向增材料方式得到零件工序模型，然后結(jié)合CAPP/CAM系統(tǒng)的功能及必要的人機(jī)交互完成工藝路線、工藝規(guī)程的編制及信息標(biāo)注，最后輸出零件三維工藝卡片及對(duì)應(yīng)的NC代碼。組件裝配工藝方面，大多數(shù)研究集中在裝配工藝設(shè)計(jì)及結(jié)果的可視化發(fā)布，通過三維裝配工藝設(shè)計(jì)與裝配仿真過程信息記錄，生成三維裝配工藝文件，通過旋轉(zhuǎn)、縮放等交互操作指導(dǎo)下游車間。與單純的零件加工工藝和組件裝配工藝不同，組件加工融合了多種工藝類型，如機(jī)加、裝配、焊接、涂敷和電鍍等，涉及信息種類繁雜，各種工藝類型對(duì)應(yīng)的工藝信息差別較大。如機(jī)加工藝主要體現(xiàn)加工方法、加工特征、尺寸、公差、表面結(jié)構(gòu)、幾何公差、刀具和加工參數(shù)等信息，焊接工藝需體現(xiàn)焊接零部件、焊縫符號(hào)、焊接方法、焊接順序、工裝和焊接參數(shù)等，裝配工藝應(yīng)表明裝配明細(xì)、裝配順序、工裝和裝配參數(shù)等，鍍覆工藝需體現(xiàn)鍍覆方法、鍍層材料、鍍層厚度等。因此，組件加工三維工序模型的構(gòu)建需要滿足以下兩個(gè)要求：以三維設(shè)計(jì)模型為依據(jù)，統(tǒng)一設(shè)計(jì)工藝數(shù)據(jù)源，保持設(shè)計(jì)模型和工序模型的關(guān)聯(lián)；三維工序模型包含所在工序的工藝信息，能體現(xiàn)所代表的工序類型信息種類。

1.設(shè)計(jì)模型建模方式分析

與傳統(tǒng)二維工藝相比，三維工藝的一個(gè)顯著特點(diǎn)即是通過“所見即所得”的方式交互操作三維工序模型，直觀展示零部件生產(chǎn)加工過程。三維設(shè)計(jì)模型是三維工藝設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)輸入，其建模過程方式直接影響到工序模型生成的繁易程度。目前大多數(shù)研究都是基于設(shè)計(jì)模型直接進(jìn)行特征識(shí)別、輕量化等操作附加工藝信息，用于生成三維工序模型。事實(shí)上，由于絕大多數(shù)企業(yè)設(shè)計(jì)和工藝尚屬分離狀態(tài)，設(shè)計(jì)人員和工藝人員屬于不同的部門或業(yè)務(wù)領(lǐng)域，還難以做到設(shè)計(jì)和工藝的高度融合。在實(shí)際業(yè)務(wù)層面的表現(xiàn)為，在企業(yè)PDM系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)人員對(duì)三維設(shè)計(jì)模型負(fù)責(zé)，具備創(chuàng)建、修改和提出審批等權(quán)限。而工藝詳細(xì)設(shè)計(jì)作為設(shè)計(jì)的后續(xù)環(huán)節(jié)，其數(shù)據(jù)輸入為EBOM和處于發(fā)布狀態(tài)的設(shè)計(jì)模型。工藝人員不具備修改的權(quán)限，不允許更改設(shè)計(jì)模型。因此，在開展組件加工三維工藝設(shè)計(jì)前，首先要對(duì)三維設(shè)計(jì)模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。在CAD環(huán)境下，組件加工三維設(shè)計(jì)模型包括裝配模型和零件模型。目前裝配模型和零件模型建模主要有以下兩種方式。

1）組件特征建立在零件級(jí)

三維設(shè)計(jì)模型在CAD系統(tǒng)中為裝配模型（.asm），裝配結(jié)構(gòu)樹僅體現(xiàn)各組成零部件的層次關(guān)系，而無特征節(jié)點(diǎn)。零件設(shè)計(jì)模型代表的是真實(shí)零件的最終形狀，但無法反映參與焊接/裝配形成組件后再加工的過程。（特征、裝配結(jié)構(gòu)樹術(shù)語可參照《GB/T 26099.1-2010機(jī)械產(chǎn)品三維建模通用規(guī)則》）

2）組件特征建立在組件級(jí)

三維設(shè)計(jì)模型在CAD系統(tǒng)中為裝配模型（.asm），裝配結(jié)構(gòu)樹除了包含各組成零部件的層次關(guān)系外，還附帶加工特征節(jié)點(diǎn)，體現(xiàn)了各組成零件的最終形狀，其建模過程代表了該組件真實(shí)的加工過程。零件設(shè)計(jì)模型描述的是該零件參與焊接或裝配前的形狀。組件加工特征在裝配模型中體現(xiàn)。

鑒于此，本文針對(duì)組件加工工序模型構(gòu)建的要求，在分析設(shè)計(jì)模型建模方式的基礎(chǔ)上，研究了組件加工三維工序模型構(gòu)建的技術(shù)途徑方法。

2.組件加工三維工序模型構(gòu)建方法

組件加工工藝以全三維設(shè)計(jì)模型為輸入，通過設(shè)計(jì)模型結(jié)構(gòu)分析、工藝規(guī)程規(guī)劃、工藝信息處理和工序模型輸出等環(huán)節(jié)生成每道工序?qū)?yīng)的三維工序模型，并將其作為信息表達(dá)載體，指導(dǎo)不同工序的操作過程。根據(jù)三維設(shè)計(jì)模型的兩種建模方式，結(jié)合MBD技術(shù)特征，給出了組件加工三維工序模型的構(gòu)建方法，如圖1所示。

2.1組件特征建立在零件級(jí)

這種方式下，組件加工三維工序模型構(gòu)建技術(shù)途徑包括以下步驟：

1）工藝規(guī)程規(guī)劃

加載組件加工三維工藝設(shè)計(jì)模板，規(guī)劃加工順序，形成工藝規(guī)程，以結(jié)構(gòu)化工藝規(guī)程樹進(jìn)行組織和管理，明確每道工序/工步所用到的制造資源，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品、工藝和資源的有效整合。工藝規(guī)程樹由工序工步節(jié)點(diǎn)組成，對(duì)應(yīng)的屬性信息與所在工藝類型關(guān)聯(lián)。

2）參照模型構(gòu)建

識(shí)別三維設(shè)計(jì)模型中存在組件加工特征的零件，建立其對(duì)應(yīng)的參照模型。參照模型能夠描述該零件參與焊接/裝配前的幾何構(gòu)形。將參照模型采用坐標(biāo)系對(duì)齊的加載到組件加工三維工藝設(shè)計(jì)模板，實(shí)現(xiàn)參照模型與對(duì)應(yīng)的零件設(shè)計(jì)模型同位置裝配，并通過顏色區(qū)分。

3）工藝信息處理

針對(duì)工序所屬不同的工藝類型采用不同的工藝信息處理方式，主要包括機(jī)加、裝配、焊接、涂敷、電鍍和檢測。

◎機(jī)加工序：通過CAD軟件中的特征建模功能，參照零件設(shè)計(jì)模型，按照工藝規(guī)程順序依次以去除材料方式構(gòu)建加工特征，表達(dá)本工序的加工余量；采用三維標(biāo)注形式標(biāo)注中間過程尺寸、工藝信息組合符號(hào)、表面粗糙度等信息；采用屬性方式填寫工序內(nèi)容、工時(shí)定額和設(shè)備等信息。

◎裝配工序：依次選擇該裝配工序需裝配的零部件設(shè)計(jì)模型，具有組件加工特征的零件，該步驟選擇的是零件參照模型；根據(jù)需要定義裝配順序和裝配路徑；采用三維標(biāo)注形式標(biāo)注球標(biāo)、技術(shù)要求和裝夾位置等信息；采用屬性方式填寫工序內(nèi)容、工時(shí)定額和注意事項(xiàng)等信息。

◎焊接工序：依次選擇該焊接工序需焊接的零部件設(shè)計(jì)模型，存在組件加工特征的零件，該步驟選擇的是零件參照模型；采用三維標(biāo)注形式標(biāo)注焊接順序、焊縫、焊接方向、裝夾位置、技術(shù)要求等信息；采用屬性方式填寫工序內(nèi)容、工時(shí)定額和注意事項(xiàng)等信息。

◎涂敷、電鍍、檢測工序：不涉及模型幾何特征變化的輔助工序，以輔助幾何、限定區(qū)域、著色配合三維標(biāo)注的方式完成信息表達(dá)；采用屬性賦值的方式填寫工序內(nèi)容、工時(shí)定額、注意事項(xiàng)等信息。

4）信息集成

建立工藝規(guī)程樹工序工步節(jié)點(diǎn)與對(duì)應(yīng)的工藝信息進(jìn)行關(guān)聯(lián)。機(jī)加工序節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)的是特征和注釋，焊接/裝配工序節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)的是零部件和注釋，涂敷、電鍍、檢測工序節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)的是草繪、限定區(qū)域和注釋等。

5）三維工序模型輸出

基于工藝規(guī)程樹順序輸出三維工序模型，作為生產(chǎn)制造的依據(jù)。

2.2組件特征建立在組件級(jí)

這種方式下，三維設(shè)計(jì)模型的建模過程即可表達(dá)真實(shí)加工過程，對(duì)應(yīng)的三維工序模型構(gòu)建技術(shù)途徑包括以下步驟。

1）工藝規(guī)程規(guī)劃

2）工藝信息處理

與2.1相比，不同之處主要在于機(jī)加工序無需依次構(gòu)建加工特征；裝配/焊接工序選擇的是本工序所需的零部件設(shè)計(jì)模型。

3）信息集成

4）三維工序模型輸出3應(yīng)用實(shí)例

某微波組件由波導(dǎo)、法蘭盤、圓法蘭和4個(gè)定位銷組成，結(jié)構(gòu)剛性差、尺寸精度高，其工藝過程為以銷定位固定各零件后，采用真空釬焊將零件焊接成形，然后進(jìn)行機(jī)加和表面處理。三維設(shè)計(jì)模型兩種建模方式下，結(jié)合Pro/E平臺(tái)給出了三維工序模型構(gòu)建實(shí)例。

3.1模式一：組件特征建立在零件級(jí)

這種模式下，該微波組件三維設(shè)計(jì)模型如圖2所示。a）中組件三維設(shè)計(jì)模型建模過程無法體現(xiàn)焊接后再加工過程，且b）、c）、d）中各零件幾何特征也無法反映參與焊接形成組件后再加工的過程。

1）工藝規(guī)程規(guī)劃

進(jìn)行工藝性分析，形成工藝規(guī)程，含有13個(gè)工序節(jié)點(diǎn)：齊套、真空鋁釬焊、鉗、檢、車、銑、鉗、檢、線切割、鉗、鋁氧化、油漆和檢。結(jié)合其工藝過程可知，707210226（波導(dǎo)）、823010299（法蘭盤）和823010300（圓法蘭）3個(gè)零件均存在焊接后機(jī)加特征。按照組件真實(shí)制造過程，以工藝規(guī)程樹組織工序工步節(jié)點(diǎn)。

2）參照模型構(gòu)建

建立該3個(gè)零件的參照模型，通過復(fù)制該零件設(shè)計(jì)模型后進(jìn)行特征編輯或添加余量生成。圖3顯示了該3個(gè)零件設(shè)計(jì)模型與參照模型的對(duì)比情況。

（本實(shí)施例中，參照模型的命名是在設(shè)計(jì)模型名稱基礎(chǔ)上添加后綴“REF”）。

3）工藝信息處理

對(duì)于工序5車、工序6銑和工序9坐標(biāo)鏜三道機(jī)加工序，參照零件設(shè)計(jì)模型，按照工藝規(guī)程順序依次以去除材料方式構(gòu)建加工特征，表達(dá)本工序的加工余量，完成中間尺寸、表面粗糙度和幾何公差的三維標(biāo)注。對(duì)于工序2真空鋁釬焊，依次選擇本工序關(guān)聯(lián)的零部件模型，即707210226 REF、823010299 REF、823010300 REF和定位銷896010071（4個(gè)），標(biāo)注焊接順序、焊縫、焊接方向、裝夾位置、技術(shù)要求等信息。工序1齊套、工序3鉗、工序4檢、工序7鉗、工序8檢、工序10鉗、工序11鋁氧化、工序12油漆和工序13檢不涉及模型幾何特征變化的輔助工序，采用三維標(biāo)注配合著色的方式完成信息表達(dá)。圖4是工序5車關(guān)聯(lián)特征節(jié)點(diǎn)示意圖。工序5車節(jié)點(diǎn)與模型特征樹的特征節(jié)點(diǎn)建立關(guān)聯(lián)關(guān)系，同時(shí)在模型區(qū)相關(guān)特征會(huì)高亮顯示。

4）信息集成

建立工藝規(guī)程樹工序工步節(jié)點(diǎn)與對(duì)應(yīng)的工藝信息進(jìn)行關(guān)聯(lián)。機(jī)加工序節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)的是特征和注釋，焊接/裝配工序節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)的是零部件和注釋，涂敷、電鍍、檢測工序節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)的是草繪、限定區(qū)域和注釋等。

5）三維工序模型輸出

基于工藝規(guī)程樹順序輸出三維工序模型，如圖5所示（紅色代表加工）。三維工序模型以設(shè)計(jì)模型為數(shù)據(jù)源，通過幾何、三維標(biāo)注和屬性相結(jié)合方式表達(dá)工藝信息，通過交互操作可顯著提高工藝信息獲取效率。

3.2模式二：組件特征建立在組件級(jí)

這種模式下，該微波組件三維設(shè)計(jì)模型建模過程直接反映了工藝過程，如圖6所示，裝配結(jié)構(gòu)樹除了包含各組成零部件的層次關(guān)系外，還附帶加工特征節(jié)點(diǎn)，特征節(jié)點(diǎn)的順序即表達(dá)了真實(shí)的加工過程。各組成零件設(shè)計(jì)模型描述的是該零件參與焊接前的形狀，幾何特征與圖3中的參照模型一致。與模式一相比，主要區(qū)別在工藝信息處理方式和信息集成對(duì)象不同，不存在參照模型。工序2真空鋁釬焊關(guān)聯(lián)的是設(shè)計(jì)模型中的零部件：707210226、823010299、823010300和定位銷896010071（4個(gè)）；工序5、6關(guān)聯(lián)的特征節(jié)點(diǎn)在三維設(shè)計(jì)模型本身自帶的特征節(jié)點(diǎn)，如圖7所示。其余步驟與模式一處理方式相同。

4.結(jié)束語

三維工藝是目前制造業(yè)信息化領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。三維設(shè)計(jì)模型作為工藝設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)輸入，其建模方式對(duì)下游開展三維工藝設(shè)計(jì)有重要影響。本文在分析了組件加工三維工藝設(shè)計(jì)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，給出了組件加工三維設(shè)計(jì)模型兩種建模方式，提出了對(duì)應(yīng)三維工序模型的構(gòu)建方法，并通過實(shí)例驗(yàn)證了方法的可行性，對(duì)于開展組件加工三維工藝設(shè)計(jì)具有較大的參考價(jià)值。