航天產(chǎn)品三維數(shù)字化工藝設(shè)計模式探索

焉 嵩 路騏安 胡志強 張海洋 陳宏亮 王 碩 劉彩軍

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航天產(chǎn)品三維數(shù)字化工藝設(shè)計模式探索

焉 嵩 路騏安 胡志強 張海洋 陳宏亮 王 碩 劉彩軍

（首都航天機械有限公司，北京 100076）

初步探索了基于三維模型的數(shù)字化工藝設(shè)計模式的實現(xiàn)思路和具體做法，分析了三維設(shè)計模型內(nèi)容。以同步建模技術(shù)為基礎(chǔ)的逆向建模為核心，建立了三維設(shè)計模型向三維工藝模型的衍化方法。實現(xiàn)了設(shè)計和制造信息的三維模型集成應(yīng)用方案，為全面實現(xiàn)航天產(chǎn)品設(shè)計、工藝、制造、檢驗的高度集成打下基礎(chǔ)。

數(shù)字化工藝設(shè)計；逆向建模；三維工藝模型；模型衍化

1 引言

航天產(chǎn)品具有高可靠性、高穩(wěn)定性的質(zhì)量要求，經(jīng)過多年的發(fā)展已經(jīng)形成了一套以二維工程圖為核心的規(guī)范化產(chǎn)品研制模式。隨著MBD（Model Based Definition）的推廣實施，三維模型完整表達產(chǎn)品的定義信息，并作為設(shè)計、制造全過程中的唯一依據(jù)，航天產(chǎn)品的定義也從二維工程圖發(fā)展到了三維模型，新一代航天產(chǎn)品已經(jīng)實現(xiàn)了全三維數(shù)字化設(shè)計。

依據(jù)二維工程圖重新建立三維模型以實現(xiàn)數(shù)控加工工序設(shè)計以及數(shù)控程序輸出，這種研制生產(chǎn)方式繼承性差、效率低、易出錯，嚴重影響產(chǎn)品研制周期和產(chǎn)品質(zhì)量[1]。基于二維工程圖的二維工藝設(shè)計模式已不能滿足新一代航天產(chǎn)品三維數(shù)字化設(shè)計制造階段的研制要求，三維工藝設(shè)計模式將逐步替代傳統(tǒng)的二維工藝設(shè)計模式，即從無紙化到無圖化[2]。因此，有必要盡快開展航天產(chǎn)品三維數(shù)字化工藝設(shè)計模式的探索性研究，即“三維設(shè)計+三維工藝”的研制模式，摸索出基于三維模型的數(shù)字化工藝設(shè)計模式的實現(xiàn)思路和具體做法，實現(xiàn)三維數(shù)字化向制造領(lǐng)域的延伸，為全面實現(xiàn)航天產(chǎn)品設(shè)計、工藝、制造、檢驗的高度集成打下基礎(chǔ)。

2 技術(shù)方案

2.1 三維設(shè)計模型的建立

設(shè)計人員根據(jù)航天產(chǎn)品的功能需求進行結(jié)構(gòu)特征詳細設(shè)計，并建立航天產(chǎn)品真實的三維設(shè)計模型，三維設(shè)計模型信息包含產(chǎn)品幾何特征、三維標注、屬性信息等。

為了縮短設(shè)計周期、降低制造成本，工藝人員應(yīng)全程參與航天產(chǎn)品的設(shè)計過程，針對航天產(chǎn)品工藝可制造性和經(jīng)濟性等進行設(shè)計工藝協(xié)同，并及時反饋工藝意見，設(shè)計人員不斷完善更新航天產(chǎn)品三維設(shè)計模型。經(jīng)相關(guān)單位審查會簽的三維設(shè)計模型作為產(chǎn)品設(shè)計、制造的唯一依據(jù)，并通過三維模型數(shù)據(jù)管理平臺進行產(chǎn)品數(shù)據(jù)輸入和輸出管理，確保三維設(shè)計模型數(shù)據(jù)的準確性和唯一性。

2.2 三維工藝模型的衍化過程

加工是產(chǎn)品從毛坯到目標結(jié)構(gòu)的材料幾何狀態(tài)變化過程，工藝設(shè)計是一個產(chǎn)品多模態(tài)演變過程，多模態(tài)模型是產(chǎn)品不同加工時序下從毛坯態(tài)到最終態(tài)一系列中間狀態(tài)模型的集合。加工可分為多個工序，不同工序按照加工順序構(gòu)成工序鏈，標記為工序1…工序…工序。

由于加工余量設(shè)置、公差積累等原因，三維設(shè)計模型只能作為產(chǎn)品成品檢驗的依據(jù)，無法直接指導(dǎo)產(chǎn)品的生產(chǎn)和檢驗。因此，需要建立以三維設(shè)計模型為源頭、以加工工藝流程為指導(dǎo)的三維工藝多狀態(tài)模型集合，即三維工藝模型，用于指導(dǎo)產(chǎn)品的生產(chǎn)和檢驗。

工序鏈上工序節(jié)點作為三維設(shè)計模型向三維工藝模型衍化映射條件,通過采用變形映射技術(shù)建立產(chǎn)品加工過程中幾何演化模型[3]。三維工序模型與產(chǎn)品加工工序狀態(tài)一一對應(yīng)，三維工序模型1對應(yīng)產(chǎn)品初始毛坯狀態(tài)，三維工序模型對應(yīng)產(chǎn)品最終成品狀態(tài)，其余的三維工序模型對應(yīng)產(chǎn)品中間工序的各個半成品狀態(tài)。以產(chǎn)品加工中間工序為例，工序內(nèi)容作為映射條件約束，三維工序模型+1作為輸入條件，輸出三維工序模型。因此三維工序模型采用“成品→工序→毛坯”的逆向設(shè)計過程，按照逆向加工工藝流程的過程依次建立三維工序模型。

在三維設(shè)計模型的基礎(chǔ)上，工藝人員以當(dāng)前工序內(nèi)容和下一工序模型為約束條件，依次逆向建模，建立具有前后依存關(guān)系的三維工序模型，用于指導(dǎo)產(chǎn)品的生產(chǎn)和檢驗。集成完整工藝信息的三維工序模型集合成為三維工藝模型，三維工序模型衍化流程見圖1。

圖1 三維工藝模型衍化流程

2.3 三維工序模型的創(chuàng)建

圖2 三維工序模型信息

三維工序模型是三維工藝設(shè)計的核心基礎(chǔ)單元。三維工序模型集成了當(dāng)前工序全部工藝信息，包含幾何模型、三維標注、屬性信息、加工信息等，具體如圖2所示。三維工序模型繼承于三維設(shè)計模型，模型幾何結(jié)構(gòu)的變化反映了產(chǎn)品加工部位發(fā)生相應(yīng)的變化。以三維工序模型為基礎(chǔ)進行詳細的工藝設(shè)計工作，進行加工工序及工步的設(shè)計，工作內(nèi)容包含加工余量與工序尺寸計算、裝夾方法選擇、制造資源選擇、加工工藝參數(shù)設(shè)定、切削路徑規(guī)劃等。通過三維工序模型完成工藝信息的組織、存儲、管理，實現(xiàn)三維工藝設(shè)計。

2.4 三維工藝設(shè)計的實施方案

通過建立統(tǒng)一的三維模型數(shù)據(jù)管理平臺進行產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理，可提高設(shè)計部門與生產(chǎn)部門的協(xié)同效率。工藝人員在產(chǎn)品設(shè)計階段提前介入并進行協(xié)同設(shè)計，產(chǎn)品設(shè)計完成后能夠做出快速響應(yīng)并進行工藝方案設(shè)計、工藝模型建模等工藝準備工作。

圖3 三維工藝設(shè)計流程

如圖3所示，基于三維設(shè)計模型逆向加工工藝流程建立三維工藝模型的流程如下：

a.設(shè)計人員建立三維設(shè)計模型，工藝人員進行設(shè)計工藝協(xié)同，經(jīng)相關(guān)人員會簽后的三維設(shè)計模型通過三維模型數(shù)據(jù)管理平臺進行數(shù)據(jù)輸入和輸出管理；

b.工藝人員讀取三維設(shè)計模型，分析產(chǎn)品幾何特征、三維標注、屬性信息等，選擇合適的加工工藝方法，完成產(chǎn)品加工工藝流程設(shè)計，確定加工工序、工步內(nèi)容及要求；

c.基于三維設(shè)計模型，工藝人員依據(jù)產(chǎn)品加工工藝流程設(shè)計逆向建模，從后向前依次建立前后關(guān)聯(lián)的三維工序模型；

d.基于三維工序模型，工藝人員進行詳細的工序設(shè)計，輸出工序內(nèi)容、加工要求、三維標注、屬性信息、加工設(shè)備、工藝裝備、裝夾方法、刀具信息、切削參數(shù)、切削路徑等工藝信息；

e.工藝人員依據(jù)三維工序模型的依存關(guān)系建立產(chǎn)品的三維裝配模型，并將工藝信息集成到對應(yīng)的三維工序模型中，匯總所有工藝信息的三維裝配模型即產(chǎn)品的三維工藝模型。

三維工藝模型完整表達產(chǎn)品的定義信息和工藝信息，實現(xiàn)產(chǎn)品三維數(shù)字化工藝設(shè)計，并用來指導(dǎo)產(chǎn)品的生產(chǎn)和檢驗，最終實現(xiàn)航天產(chǎn)品設(shè)計、工藝、制造、檢驗的高度集成。

3 應(yīng)用實例

以一種典型的航天產(chǎn)品法蘭為例，以NX10.0為工藝設(shè)計平臺，實現(xiàn)法蘭產(chǎn)品三維數(shù)字化工藝設(shè)計。

法蘭產(chǎn)品三維設(shè)計模型經(jīng)相關(guān)單位審查并會簽后下發(fā)生產(chǎn)部門，工藝人員依據(jù)三維設(shè)計模型設(shè)計加工工藝流程，并確定加工工序、工步內(nèi)容及要求，法蘭產(chǎn)品加工主要工序內(nèi)容包括下料、車大端、車小端、銑花瓣并鉆孔、檢驗。工藝人員利用NX10.0平臺同步建模功能，依據(jù)加工工藝流程，逆向進行三維工序模型創(chuàng)建，如圖4所示。

圖4 法蘭三維工藝模型設(shè)計過程

法蘭產(chǎn)品的三維工序模型具有前后依存關(guān)系，以三維裝配模型格式進行三維工序模型匯總，裝配結(jié)構(gòu)樹如圖5所示，三維裝配模型作為法蘭產(chǎn)品三維工藝的載體。

圖5 法蘭三維裝配模型結(jié)構(gòu)樹

圖6 法蘭三維工序模型實例圖

工藝人員依據(jù)各個三維工序模型分別進行工序的工步內(nèi)容詳細設(shè)計、工藝參數(shù)設(shè)定、切削路徑規(guī)劃等，并將工藝信息集成于相應(yīng)的三維工序模型中。以銑加工工序為例，三維工序模型中包含工序內(nèi)容、工藝尺寸要求、加工坐標系位置、加工刀具、切削路徑等內(nèi)容，如圖6所示。

工藝人員依次完成法蘭產(chǎn)品三維裝配模型中各個三維工序模型的工藝信息集成，即完成法蘭產(chǎn)品三維工藝模型的建立，三維工藝模型可用于直接指導(dǎo)法蘭產(chǎn)品的生產(chǎn)和檢驗，實現(xiàn)法蘭產(chǎn)品設(shè)計、工藝、制造、檢驗的高度集成，最終實現(xiàn)法蘭產(chǎn)品的三維數(shù)字化工藝設(shè)計，即“三維設(shè)計+三維工藝”的研制模式。

4 結(jié)束語

本文通過分析產(chǎn)品在加工過程中狀態(tài)的變化，建立了從設(shè)計模型到工藝模型的衍化方法，在繼承設(shè)計模型的基礎(chǔ)上建立了工藝模型的組織內(nèi)容與建模方法。本文所提出的方法能夠為新一代航天產(chǎn)品提供一種可行的三維數(shù)字化工藝設(shè)計途徑。

1 張文祥. 基于MBD的數(shù)控加工工藝技術(shù)研究[J]. 航空制造技術(shù)，2016(10)：70～78

2 莫蓉. MBD技術(shù)應(yīng)用中的若干問題思考[J]. 航空制造技術(shù)，2015(18)：26～29

3 張定華. 面向航空復(fù)雜薄壁零件智能加工的進化建模方法[J]. 航空制造技術(shù)，2016(16)：93～98

Mode Exploration of 3D Digital Process Planning for Aerospace Products

Yan Song Lu Qian Hu Zhiqiang Zhang Haiyang Chen Hongliang Wang Shuo Liu Caijun

(Capital Aerospace Machinery Co., Ltd., Beijing 100076)

In this paper, a preliminary exploration is made on the idea and practice of the digital process planning mode based on 3D models, and the content of 3D design model is analyzed. Taking reverse modeling based on the technology of synchronous modeling as the core, the derivation method from 3D design model to 3D process model is established. The integrated application scheme of 3D model for design and manufacture information is realized, which lays the foundation for the high-integrated of aerospace product design, process, manufacture and inspection.

digital process planning；reverse modeling；3D process model；model derivation

焉嵩（1984），工程師，機械制造及自動化專業(yè)；研究方向：數(shù)字化制造。

2019-02-02