基于三維數(shù)據(jù)源的機匣零件工藝方案設(shè)計

■ 牛存可 劉赟奕 康靖宇 左秋陽 馬鎮(zhèn)鎮(zhèn) 李鵬飛 王婷 竇遠 毛鴻偉/中國航發(fā)黎明

一種新的基于三維數(shù)據(jù)源的二維并行工藝準備模式，使工藝與設(shè)計的對接更加直觀、準確，極大地降低了數(shù)據(jù)源傳輸和轉(zhuǎn)換過程的出錯率，待與設(shè)計實現(xiàn)產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理（PDM）系統(tǒng)對接后，完全可以直接引用設(shè)計模型進行工藝準備，為設(shè)計并行工程打下基礎(chǔ)。

自1840年藍圖被發(fā)明以來，工程師一直使用二維平面工程視圖來描述產(chǎn)品，使其成為第一代工程語言。如今，雖然所用設(shè)計工具已從二維變成了三維，但制造圖樣大多還停留在二維平面的形式，這種不匹配制約了設(shè)計、制造效率的提升。三維工藝是未來工藝模式發(fā)展的必由之路，但現(xiàn)階段很多企業(yè)受制于技術(shù)人員三維設(shè)計能力有限及現(xiàn)場硬件配置不到位等因素的影響，還無法全面推廣純?nèi)S工藝模式。中國航發(fā)黎明的創(chuàng)新團隊以三維數(shù)據(jù)源為基礎(chǔ)，結(jié)合現(xiàn)場實際情況，制定了一套基于三維數(shù)據(jù)源的二維并行工藝準備模式，為全面推廣基于定義的模型（MBD）工藝模式打下基礎(chǔ)。

現(xiàn)行工藝準備模式存在的問題

隨著設(shè)計工具的不斷改進，設(shè)計數(shù)據(jù)的傳輸形式也逐步由二維模式改為三維模式，在工廠存在兩種形式設(shè)計圖并存的狀態(tài)。這種設(shè)計數(shù)據(jù)搭載形式的不同，給工藝準備造成了很大影響。

圖1 零件全生命周期過程示意圖

隨著數(shù)字化制造技術(shù)與數(shù)字化檢測技術(shù)的不斷發(fā)展，三維模型將成為零件全生命周期管理的唯一載體（如圖1所示）。未來，零件從設(shè)計、工藝、制造到檢驗驗收將逐漸基于統(tǒng)一的數(shù)字模型來實現(xiàn)，因此三維工藝全面取代二維工藝只是時間問題。

現(xiàn)階段，多數(shù)單位受制于工藝人員三維設(shè)計能力有限和現(xiàn)場硬件配置不到位等問題，短期內(nèi)無法全面推行純MBD三維工藝，因此需要探索一條連接二維工藝與三維工藝之間的過程工藝模式，從統(tǒng)一工藝準備數(shù)據(jù)源形式開始，提高全員的三維設(shè)計能力，為實現(xiàn)純?nèi)S工藝模式打好基礎(chǔ)。

總體思路及解決方案

該項目屬于工藝基礎(chǔ)管理模式研究，涉及工藝規(guī)程編制和并行工程，所執(zhí)行的標準之間存在沖突。因此，創(chuàng)新團隊按照先理論分析，后實踐驗證的過程開展工作；而驗證過程按照從簡單到深入，從局部到全部的方法逐步展開。

在理論研究方面，重點是解決制約新工藝模式開展所面臨的問題。對于新工藝模式，統(tǒng)一數(shù)據(jù)源為三維數(shù)據(jù)后，輸出的仍是二維的工藝規(guī)程、三維的數(shù)控和工裝設(shè)計數(shù)據(jù)。因此，需解決的主要問題是如何實現(xiàn)三維數(shù)據(jù)源到二維工藝的轉(zhuǎn)化及工藝、數(shù)控、工裝并行問題。

為了解決上述問題，創(chuàng)新團隊制訂了如下實施方案。

第一步，研究從三維模型到二維圖形的轉(zhuǎn)換方法。在原導(dǎo)出方案的計算機輔助設(shè)計（CAD）軟件圖形中會存在大量重復(fù)線條及隱藏線條，且輪廓線不連續(xù)，圖形無法使用；現(xiàn)導(dǎo)出方案則通過對UG軟件（一種交互式計算機輔助設(shè)計與計算機輔助制造系統(tǒng)）進行深入研究，找到從UG模型導(dǎo)出CAD圖形的正確方式，制定相應(yīng)操作規(guī)則，確保導(dǎo)出后無重復(fù)線條及多余線條。

第二步，實現(xiàn)各工序間三維模型的wave關(guān)聯(lián)。針對現(xiàn)有產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理（PDM）系統(tǒng)研究應(yīng)用插件，實現(xiàn)工藝編制各工序模型在PDM系統(tǒng)中的建立和wave關(guān)聯(lián)，統(tǒng)一所有工藝的輸入數(shù)據(jù)源。

第三步，使用一般簡單零件為載體驗證新工藝模式。

第四步，使用復(fù)雜零件為載體驗證新工藝模式。

第五步，解決新工藝模式中數(shù)控并行的相關(guān)問題。通過在測試過程中不斷收集問題，制訂新的數(shù)控并行方案。原模式數(shù)控模型的建立方法是通過對比模型與毛料模型單獨建立，先用毛料模型進行加工仿真，再用對比模型進行對比測量；新模式數(shù)控模型的建立方法則是用本工序模型作為對比模型和程序編制模型，使用上述工序模型作為加工仿真模型，無須單獨另建模型。

第六步，解決新工藝模式中工裝并行的相關(guān)問題。先用本工序模型直接進行工裝三維設(shè)計，再用PDM系統(tǒng)中的工裝資源庫及相關(guān)工裝查詢模塊完成工裝與工藝規(guī)程的掛接，然后在UG系統(tǒng)中利用工序模型和工裝模型生成具有指導(dǎo)意義的CAD視圖，并在工藝規(guī)程中添加這些視圖提高工藝規(guī)程對現(xiàn)場的指導(dǎo)性。

第七步，建立輔助優(yōu)化工藝模式。從模塊化建模概念入手，研究應(yīng)用UG軟件中的高級建模功能，提高建模效率；完成零件成組劃分，針對同組零件總結(jié)建模順序，制作統(tǒng)計表格，用于指導(dǎo)后續(xù)零件建模工作。

第八步，也是最后一步，推廣驗證工藝模式。對新工藝準備模式展開全面驗證，并最終完成整個工藝模式的固化，編制相應(yīng)操作說明書。

方案實施情況

從三維模型到二維圖形的轉(zhuǎn)換方法

圖2 新工藝模式執(zhí)行流程圖

經(jīng)過大量試驗發(fā)現(xiàn)，在導(dǎo)出CAD圖形時，系統(tǒng)會選擇UG建模環(huán)境中的實體，因此最終確定先在制圖環(huán)境中獲得所需視圖，再將得到的視圖轉(zhuǎn)化為額外的UG二維模型，隨后進行CAD文件的導(dǎo)出操作，最終得到了可用的二維圖形。

實現(xiàn)各工序間三維模型的wave關(guān)聯(lián)

創(chuàng)新團隊與西北工業(yè)大學(xué)合作，針對現(xiàn)用的PDM系統(tǒng)開發(fā)三維PPM插件，實現(xiàn)了零件各工序模型在PDM系統(tǒng)內(nèi)的UG創(chuàng)建和wave關(guān)聯(lián)。

用一般簡單零件驗證新工藝模式

解決完以上兩個問題后，工藝模式過程已經(jīng)打通，以簡單零件為載體開始進行工藝模式驗證測試，并針對新的工藝準備模式設(shè)計了工藝編制流程，如圖2所示。新工藝模式下最大的改進是，工序圖形的獲取方式改為了由三維模型導(dǎo)出獲得。

為給并行模式的推進打好基礎(chǔ)，項目組制定了工序模型建模原則和工藝規(guī)程尺寸標注原則，工序模型建模尺寸一般使用名義值進行建模，數(shù)控程序編制時一般要求為中差建模，而工藝編制使用入體原則標注，為此創(chuàng)新團隊分別就入體原則和中差原則的優(yōu)缺點進行了研究。通過分析對比，最終確認工序模型建模原則為按照工序名義尺寸建模；工序尺寸標注原則為普通機床工序按照入體原則標注公差，數(shù)控機床工序按照中差原則進行標注。最后，針對相關(guān)原則完成了操作說明的編制固化。

圖3 新工藝模式下工裝設(shè)計相關(guān)操作示意圖

用復(fù)雜零件驗證新工藝模式

對于新工藝模式來說，復(fù)雜零件與簡單零件的區(qū)別在于其由多個零件構(gòu)成，所以需要多個模型裝配后獲得可用UG模型，而UG模型在PDM系統(tǒng)中的存放方式?jīng)Q定了其無法在線下被直接引用。因此，項目團隊通過使用替換組件的方式對裝配關(guān)系重新進行了匹配，獲得了可用模型，其余與簡單零件操作完全一致。

包含數(shù)控并行的新工藝模式編制驗證

新工藝模式進行數(shù)控并行的主要問題在工序模型的共用上。由于新工藝模式下的各工序均有滿足數(shù)控程序編制和仿真要求的工序模型，因此可使用本工序模型作為數(shù)控程序編制和對比仿真的模型，使用上一工序模型作為數(shù)控程序加工的毛坯模型。由于PDM系統(tǒng)架構(gòu)問題，無法直接引用工序模型，經(jīng)過測試，創(chuàng)新團隊確定了間接引用方案，實現(xiàn)了工序模型的引用。

包含工裝并行的新工藝模式編制驗證

中國航發(fā)黎明現(xiàn)階段已經(jīng)開始全面推行工裝三維化設(shè)計，而且新工藝準備模式下，各工序三維模型均已獲得，因此可以直接進行工裝設(shè)計及裝配仿真，而且可以通過剖切來獲得工序的輔助裝夾說明視圖，如圖3所示。

同時，黎明公司所有工裝物料清單（BOM）均在PDM系統(tǒng)工裝資源庫中存儲，新工藝模式要求工藝規(guī)程編制時從Inclass庫中進行工裝引用，由此建立工裝BOM與主制工藝的關(guān)聯(lián)。

新工藝模式輔助優(yōu)化

為了提高建模效率，創(chuàng)新團隊從模塊化建模概念入手，研究了應(yīng)用UG軟件中的高級建模功能，使用并推廣了UG表達式、UG用戶自定義特征和UG PTS功能，完成了《UG表達式功能使用說明》《UG用戶自定義特征使用說明》《UG PTS功能使用說明》的編制。

建立《機匣典型零件標準建模順序及原則》。應(yīng)用成組技術(shù)完成機匣類零件成組劃分，針對典型零件總結(jié)建模順序，建成統(tǒng)計表格，用于指導(dǎo)后續(xù)零件建模工作。

推廣驗證新工藝模式

依托新型號研制任務(wù)，使用新工藝模式驗證編制工藝規(guī)程44本，驗證均無問題。批量驗證完成后，完成了《面向機匣零件的三維剖切工藝編制說明書》的編寫。

結(jié)束語

目前，該工藝模式已完全推廣至所有機匣類零件的工藝準備工作中，本項目總結(jié)出的各項原則與方法可以推廣應(yīng)用到所有機械加工領(lǐng)域。同時，該模式還統(tǒng)一了工藝、數(shù)控、工裝和檢測四方面工作的數(shù)據(jù)源，提高了全體工藝人員三維設(shè)計水平，實現(xiàn)由二維平面逐漸向三維立體的過渡，為全面推廣MBD工藝模式打下基礎(chǔ)。