基于模型的三維機(jī)加工藝設(shè)計模式應(yīng)用研究

賀芳　張森棠　葉洪濤

本文針對傳統(tǒng)二維機(jī)加工藝設(shè)計中工藝表達(dá)不直觀、工藝數(shù)據(jù)繼承性差等問題，依托NX建模軟件和PDM數(shù)據(jù)管理平臺，提出了以三維機(jī)加工序模型作為工藝信息載體的思路，建立了包括三維機(jī)加工藝設(shè)計、三維機(jī)加工藝管理、三維機(jī)加工藝應(yīng)用的三維機(jī)加工藝設(shè)計模式，突破了工序模型關(guān)聯(lián)建模技術(shù)、工藝信息模型定義技術(shù)和可視化展示技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)了三維環(huán)境下的機(jī)加工藝設(shè)計。

一、引言

基于模型的定義（Model Based Definition，MBD）采用集成的三維實體模型來完整表達(dá)產(chǎn)品定義信息。在MBD的機(jī)加工藝設(shè)計中，三維工序模型成為表達(dá)制造信息的載體。將三維計算機(jī)輔助設(shè)計（Computer Aided Design，CAD）平臺由傳統(tǒng)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計領(lǐng)域擴(kuò)展到機(jī)加工藝設(shè)計領(lǐng)域，可以重用企業(yè)已有設(shè)計資源，同時直接為下游數(shù)控編程與數(shù)控測量提供三維模型數(shù)據(jù)來源。

但是目前，機(jī)加工藝設(shè)計的工作模式是建立二維工藝卡片的過程，在計算機(jī)輔助工藝規(guī)劃（Computer AidedProcess Planning，CAPP）系統(tǒng)中繪制工序模型的二維工程簡圖，填寫工藝規(guī)程/工序/工步等信息，最后打印形成紙質(zhì)工藝卡片并在制造現(xiàn)場應(yīng)用。傳統(tǒng)的二維機(jī)加工藝設(shè)計系統(tǒng)主要存在如下三個缺點。

（1）二維工序圖繪制繁瑣，常常需要采用簡化繪制，有時容易產(chǎn)生歧義。

（2）工序/工步信息與工序圖之間的映射不直觀，有時存在歧義。

（3）數(shù)據(jù)繼承性差，無法為后期的數(shù)控編程和加工檢測提供三維數(shù)據(jù)模型。

目前市場上有部分工藝設(shè)計產(chǎn)品實現(xiàn)了面向裝配工藝的設(shè)計仿真，利用三維裝配動畫表達(dá)裝配工藝過程，但面向機(jī)加工藝設(shè)計仍然沒有突破二維工藝卡片與簡圖的局限。

為改變二維環(huán)境下機(jī)加工藝設(shè)計存在的不足，本文研究了三維環(huán)境下機(jī)加工藝設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)，擴(kuò)展NX三維CAD軟件平臺作為三維機(jī)加工藝設(shè)計平臺，以三維工序模型作為工藝信息載體表達(dá)與記錄工藝符號，建立三維環(huán)境下的機(jī)加工藝設(shè)計能力。

二、三維機(jī)加工藝模式

依托NX建模軟件和PDM數(shù)據(jù)管理平臺，建立基于設(shè)計MBD模型的三維機(jī)加工藝設(shè)計系統(tǒng)。三維機(jī)加工藝設(shè)計系統(tǒng)以三維機(jī)加工序模型作為工藝信息載體，利用三維手段實現(xiàn)機(jī)械加工的工藝設(shè)計與應(yīng)用。系統(tǒng)以三維工藝規(guī)程包作為數(shù)據(jù)傳遞載體，分為三維機(jī)加工藝設(shè)計、三維機(jī)加工藝規(guī)程管理和三維機(jī)加工藝現(xiàn)場應(yīng)用三個階段，如圖1所示。

1、三維機(jī)加工藝設(shè)計

三維機(jī)加工藝設(shè)計基于MBD方法建立統(tǒng)一的三維機(jī)加工藝模型，使其成為加工、分析和檢測的數(shù)據(jù)依據(jù)。平臺層利用成熟三維CAD系統(tǒng)NX作為三維機(jī)加工藝設(shè)計環(huán)境，提供三維表達(dá)的基本條件與手段。工具層基于平臺層建立工藝信息錄入工具，幫助工藝人員快速準(zhǔn)確的錄入工藝信息；面向三維機(jī)加工藝設(shè)計的工序/工步模型生成輔助工具，輔助工藝人員面向工藝知識生成三維工序模型；三維工藝設(shè)計工具輔助在三維環(huán)境下標(biāo)注工藝符號，建立工藝符號與工序模型之間的關(guān)聯(lián)；機(jī)加工藝卡片工具是輔助工藝員建立機(jī)加工藝過程的結(jié)構(gòu)化描述，同時建立它與三維工藝信息之間的映射關(guān)聯(lián)。模型層以CAD平臺下的三維模型作為機(jī)加工序模型，以三維工藝符號表達(dá)工藝要求，以結(jié)構(gòu)化工藝卡片描述工藝過程，最終生成三維機(jī)加工藝規(guī)程，以替代原有紙質(zhì)二維機(jī)加工藝卡片。

2、三維機(jī)加工藝管理

作為三維機(jī)加工藝設(shè)計結(jié)果，三維機(jī)加工藝規(guī)程由企業(yè)產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理（Product Data Management，PDM）系統(tǒng)負(fù)責(zé)管理。平臺層將企業(yè)現(xiàn)有的PDM系統(tǒng)作為三維工藝規(guī)程的數(shù)據(jù)管理環(huán)境，為三維機(jī)加工藝提供基礎(chǔ)管理平臺，避免在多個系統(tǒng)中維護(hù)多套工藝數(shù)據(jù)。工具層包含PDM的典型管理模塊，數(shù)據(jù)管理工具負(fù)責(zé)存儲三維機(jī)加工藝規(guī)程，并建立與產(chǎn)品設(shè)計模型之間的主模型關(guān)系；審簽流程管理工具負(fù)責(zé)三維機(jī)加工藝的發(fā)布與審簽控制；版本管理工具負(fù)責(zé)三維機(jī)加工藝規(guī)程更改后的版本升級維護(hù)；權(quán)限管理工具負(fù)責(zé)控制三維機(jī)加工藝規(guī)程在數(shù)據(jù)管理過程中的權(quán)限控制。模型層是由三維機(jī)加工藝設(shè)計環(huán)節(jié)傳遞的三維機(jī)加工藝規(guī)程包。

3、三維機(jī)加工藝應(yīng)用

三維機(jī)加工藝應(yīng)用為機(jī)加工現(xiàn)場提供三維機(jī)加工藝的查詢?yōu)g覽環(huán)境。平臺層采用Web與輕量化技術(shù)建立工藝瀏覽環(huán)境，提供對輕量化三維工序模型的顯示與交互能力。工具層中的工藝規(guī)程解釋工具負(fù)責(zé)解析三維機(jī)加工藝規(guī)程包，獲得三維工序模型與機(jī)加工藝卡片；工序模型輕量化工具負(fù)責(zé)將三維工序模型轉(zhuǎn)化為輕量化三維模型；工藝模型表達(dá)工具負(fù)責(zé)提供輕量化工序模型的交互瀏覽能力；工藝規(guī)程重構(gòu)工具負(fù)責(zé)重新建立機(jī)加工藝卡片與輕量化工序模型之間的映射關(guān)系，實現(xiàn)三維工藝瀏覽。模型層包括輕量化三維工序模型、輕量化三維工藝符號和機(jī)加工藝卡片。三維機(jī)加工藝模式圖如圖1所示。

三、三維機(jī)加工藝實現(xiàn)

1、工藝信息模型定義

工藝信息模型包含工藝信息的組織、表達(dá)、集成、管理和結(jié)構(gòu)化自動存儲。工藝信息模型定義可以實現(xiàn)機(jī)加工藝信息的錄入與編輯功能，將用戶錄入的工藝屬性信息保存并記錄下來，將工藝信息錄入與編輯功能錄入的工藝信息同步存儲在一個XML文件中，并記錄相應(yīng)節(jié)點的工藝屬性信息、三維模型名稱等信息（如圖2所示）。在XML文件中設(shè)置了工藝規(guī)程輸出時相應(yīng)的工藝模板信息獲取格式，便于工藝信息在工藝卡片中的自動填充。每次打開系統(tǒng)時，系統(tǒng)會自動讀取最新的XML文件生成相應(yīng)的工藝結(jié)構(gòu)樹，每次關(guān)閉系統(tǒng)時，系統(tǒng)也會自動保存工藝結(jié)構(gòu)樹的節(jié)點信息保存到XML文件中，這樣就保證了XML文件的實時更新和工藝結(jié)構(gòu)樹的始終正確。

2、工序模型關(guān)聯(lián)建模

在NX WAVE技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開發(fā)，形成了模型幾何關(guān)聯(lián)關(guān)系創(chuàng)建器，模型幾何關(guān)聯(lián)關(guān)系創(chuàng)建器使用在三維工藝模型之間建立全相關(guān)關(guān)聯(lián)關(guān)系，如圖3所示，進(jìn)一步提高了三維模型建模效率，同時實現(xiàn)了三維模型一處更改，處處更改的數(shù)據(jù)一致性維護(hù)，使工藝更改效率大大提高，出錯率大幅減??；系統(tǒng)模型幾何關(guān)聯(lián)關(guān)系瀏覽器，將模型間隱性的關(guān)聯(lián)關(guān)系用圖形的顯式方式表達(dá)，使模型間關(guān)聯(lián)關(guān)系實現(xiàn)可視化，從而可以方便地對其進(jìn)行維護(hù)。endprint

3、基于JT的輕量化展示

NX定義的JT格式是主流的輕量化模型格式之一，是一種面向行業(yè)的、高性能、輕量化且靈活的文件格式，用于捕獲和表達(dá)“三維產(chǎn)品定義”數(shù)據(jù)，促進(jìn)在整個擴(kuò)展企業(yè)中的協(xié)作、驗證和可視化，其在2012年12月已被ISO接受為國際標(biāo)準(zhǔn)（ISO IS 14306：2012）。JT模型文件是三維實體模型經(jīng)過三角化處理之后得到的數(shù)據(jù)文件，它將實體表面離散化為大量的三角形面片，并進(jìn)行適當(dāng)?shù)木W(wǎng)格簡化，依靠這些三角形面片來逼近理想的三維實體模型三維工藝中大量的三維模型需要大量的存儲空間，在不影響生成現(xiàn)場瀏覽效果的情況下，對發(fā)布到制造現(xiàn)場的工藝規(guī)程中的全部工序模型進(jìn)行輕量化處理，降低企業(yè)使用成本。

基于JT的輕量化展示是通過JT Open二次開發(fā)，向網(wǎng)頁中嵌入JT格式輕量化的三維模型，通過去除與模型顯示無關(guān)的非幾何信息來簡化三維模型，只包含了與工藝模型有關(guān)的顯示數(shù)據(jù)：產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、幾何、物理屬性和產(chǎn)品制造信息等。

4、三維機(jī)加工藝創(chuàng)建過程

（1）將設(shè)計模型數(shù)據(jù)自動引用到三維機(jī)加工藝設(shè)計系統(tǒng)中，利用設(shè)計數(shù)據(jù)對工序模型進(jìn)行設(shè)計，在PDM系統(tǒng)內(nèi)創(chuàng)建工藝結(jié)構(gòu)樹，完成工藝信息錄入。

（2）解析PDM系統(tǒng)中的工藝結(jié)構(gòu)信息，在三維機(jī)加工藝設(shè)計系統(tǒng)中自動創(chuàng)建與PDM系統(tǒng)對應(yīng)的工序模型結(jié)構(gòu)樹。

（3）通過新建、編輯、斷開和刪除幾何鏈接四種操作來實現(xiàn)工序模型間關(guān)聯(lián)關(guān)系的建立和改變，利用NX提供的PMI（Product and Manufacturing Information）標(biāo)注技術(shù)標(biāo)注加工工藝要求，形成三維工序模型。

（4）完成輕量化轉(zhuǎn)換，自動批量導(dǎo)出所有工序模型的JT輕量化模型到PDM系統(tǒng)中，生成工藝報表，實現(xiàn)三維機(jī)加工藝的三維發(fā)布，從而在三維環(huán)境下完成從產(chǎn)品到工藝過程的轉(zhuǎn)換。

四、結(jié)語

傳統(tǒng)的二維工藝卡片設(shè)計方法存在二維工序圖繪制繁瑣且易產(chǎn)生歧義，以及工序模型無法為后期的加工檢測與公差分析提供三維數(shù)據(jù)模型等問題，由此提出利用三維手段提升傳統(tǒng)二維工藝設(shè)計能力的方法。以三維工序模型替代二維工藝簡圖表達(dá)，使三維工序模型成為工藝信息的載體和加工檢測的數(shù)據(jù)來源。

本文從我國航空發(fā)動機(jī)企業(yè)工藝設(shè)計的實際出發(fā)，研究了三維環(huán)境下機(jī)加工藝設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)，提出了完整的三維機(jī)加工藝應(yīng)用體系結(jié)構(gòu)與工作模式，建立了三維環(huán)境下設(shè)計制造全新的模式、技術(shù)、工具和環(huán)境。本文的研究成果很好的解決了我國航空發(fā)動機(jī)企業(yè)工藝設(shè)計工作中采用的2D+3D混合產(chǎn)品定義方式存在的一系列問題，使三維工藝設(shè)計技術(shù)真正的在我國航空發(fā)動機(jī)企業(yè)得到了實際應(yīng)用，將極大的提高我國航空發(fā)動機(jī)企業(yè)機(jī)加工藝設(shè)計環(huán)節(jié)的質(zhì)量和效率，縮短產(chǎn)品生產(chǎn)、研發(fā)周期，降低企業(yè)成本。endprint