三維結(jié)構(gòu)化工藝應(yīng)用技術(shù)研究

任建偉

（中國(guó)航發(fā)哈爾濱東安發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司 黑龍江·哈爾濱 150066）

0 引言

目前采用二維工程圖紙為主、三維實(shí)體模型為輔的工藝設(shè)計(jì)方式，具體存在以下問題：

（1）現(xiàn)有工藝設(shè)計(jì)方法無法有效利用設(shè)計(jì)模型中的信息。目前三維設(shè)計(jì)已較為普及，而工藝設(shè)計(jì)仍依據(jù)二維圖紙生成二維的工藝過程卡和工序過程卡，無法有效地繼承和利用產(chǎn)品三維模型中的相關(guān)信息，造成設(shè)計(jì)和工藝脫節(jié)。對(duì)于過程較為復(fù)雜的零部件，工藝人員需要繪制多幅工藝附圖，信息的獲取及轉(zhuǎn)換需依靠手工操作，數(shù)據(jù)的一致性和完整性得不到保證。

（2）現(xiàn)有工藝設(shè)計(jì)方法信息載體不唯一，使數(shù)據(jù)共享、集成及變更困難。產(chǎn)品的幾何信息、公差、表面粗糙度等集中在二維圖紙中體現(xiàn)，而制造過程信息通過工藝過程卡、工序過程卡、操作指導(dǎo)書表達(dá)，造成信息脫節(jié)。當(dāng)設(shè)計(jì)發(fā)生變更時(shí)，圖紙和相關(guān)工藝信息載體則需要手工更改，并重新打印出圖，不僅花費(fèi)大量時(shí)間，而且極易出錯(cuò)，同時(shí)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工人的識(shí)圖能力要求較高。

（3）現(xiàn)有工藝設(shè)計(jì)方法無法直觀地表達(dá)中間過程信息，現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)難度大。二維工藝無法體現(xiàn)加工中間過程信息，進(jìn)行工藝審查時(shí)需要由審查者在圖紙中獲取待審圖紙的特征信息，逐一進(jìn)行人工審查，對(duì)于復(fù)雜的零部件，操作過程非常復(fù)雜、繁瑣，檢驗(yàn)難度大。

1 三維結(jié)構(gòu)化工藝應(yīng)用技術(shù)

1.1 應(yīng)用目標(biāo)

基于CAD平臺(tái)開發(fā)三維工藝應(yīng)用，以三維設(shè)計(jì)模型作為輸入，進(jìn)行三維工藝設(shè)計(jì)，充分利用三維模型的表現(xiàn)力，準(zhǔn)確直觀地表達(dá)工藝過程，具體目標(biāo)為：

（1）在型號(hào)研制過程中實(shí)現(xiàn)以三維模型為唯一數(shù)據(jù)源的設(shè)計(jì)、工藝及生產(chǎn)并行的協(xié)同模式；

（2）實(shí)現(xiàn)型號(hào)研制無紙化作業(yè)，消除三維模型與二維圖紙間轉(zhuǎn)換過程，并以三維模型為依據(jù)進(jìn)行型號(hào)加工工序、裝配工序、三維標(biāo)準(zhǔn)、工藝文件編制及三維模型下廠等相關(guān)工藝設(shè)計(jì)，從而提高型號(hào)工藝設(shè)計(jì)質(zhì)量，縮短研制周期及降低生產(chǎn)制造成本等。

1.2 技術(shù)應(yīng)用內(nèi)容

三維工藝設(shè)計(jì)主要針對(duì)工藝設(shè)計(jì)過程全三維化的難點(diǎn)問題進(jìn)行研究，包括三維工序模型構(gòu)建、工藝信息規(guī)范表達(dá)、工藝規(guī)程可視化構(gòu)建、三維工藝輸出及管理等。

（1）工藝信息統(tǒng)一：利用三維設(shè)計(jì)模型作為工藝輸入載體，開展工藝設(shè)計(jì)，以工藝模型作為信息載體，取代二維圖紙、工藝過程卡、工序過程卡等紙質(zhì)文件；

（2）工藝信息的規(guī)范表達(dá)：對(duì)工藝設(shè)計(jì)過程中的工作中心、設(shè)備信息、刀具信息、切削參數(shù)等工藝信息進(jìn)行合理標(biāo)識(shí)及快速標(biāo)注，規(guī)范工藝信息的表達(dá)方式。結(jié)合相關(guān)國(guó)家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，通過構(gòu)建工藝信息組合符號(hào)，以三維標(biāo)注的方式實(shí)現(xiàn)部分工藝信息的規(guī)范表達(dá)，并實(shí)現(xiàn)工藝信息與模型的關(guān)聯(lián)；

（3）工藝規(guī)程的可視化構(gòu)建：在三維環(huán)境下構(gòu)建工藝規(guī)程。通過構(gòu)建可視化工藝規(guī)程樹，關(guān)聯(lián)工藝規(guī)程樹信息與制造資源、CAD模型樹特征信息，主要包括工藝規(guī)程樹可視化創(chuàng)建、樹節(jié)點(diǎn)信息與制造資源關(guān)聯(lián)選擇、樹節(jié)點(diǎn)與特征節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)掛接；

（4）三維工序模型構(gòu)建：生成工藝中間過程三維工序模型。采用正向建模方式，零件加工從毛坯模型構(gòu)建出發(fā)，產(chǎn)品裝配從單個(gè)元件出發(fā)，逐級(jí)構(gòu)建中間過程特征，以便于后續(xù)生成三維工序模型；

（5）三維工藝設(shè)計(jì)信息關(guān)聯(lián)存儲(chǔ)：工藝規(guī)程樹信息及CAD模型數(shù)據(jù)在PDM系統(tǒng)中的關(guān)聯(lián)存儲(chǔ)；

（6）三維工藝仿真：在三維環(huán)境下進(jìn)行工藝過程的仿真，包括加工過程仿真和裝配過程仿真；

（7）三維工藝輸出及管理：三維工藝結(jié)果的輸出方式和存儲(chǔ)內(nèi)容，主要包括輕量化工序/工步模型生成、結(jié)構(gòu)化工藝信息關(guān)聯(lián)存儲(chǔ)。

2 技術(shù)實(shí)現(xiàn)的總體規(guī)劃

（1）三維工藝采用PDM作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與管理平臺(tái)，接收產(chǎn)品設(shè)計(jì)工程師提交的設(shè)計(jì)結(jié)果模型，并產(chǎn)生EBOM結(jié)構(gòu)；

（2）基于PDM環(huán)境實(shí)現(xiàn)工藝任務(wù)分工與下發(fā)；

（3）工藝工程師接收到任務(wù)后，從PDM下載對(duì)應(yīng)模型，開始進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)。工藝設(shè)計(jì)分為零件工藝和裝配工藝，其中零件工藝包括機(jī)加工工藝和鈑金工藝。

（4）工藝工程師完成設(shè)計(jì)后將結(jié)果提交至PDM平臺(tái)，產(chǎn)生PBOM；同時(shí)產(chǎn)生輕量化模型并形成三維工藝卡片；

（5）ERP系統(tǒng)負(fù)責(zé)提供工藝資源數(shù)據(jù)，并接收工藝設(shè)計(jì)結(jié)果PBOM，并在此基礎(chǔ)上完成MBOM的構(gòu)建。

（6）提供MES系統(tǒng)可訪問的URL連接實(shí)現(xiàn)與MES系統(tǒng)的集成。

3 三維工藝CAPP技術(shù)具體實(shí)現(xiàn)手段

3.1 三維工藝CAPP裝配工藝

（1）裝配工藝設(shè)計(jì)：裝配工藝設(shè)計(jì)根據(jù)獲取到的EBOM，進(jìn)行裝配工藝路線設(shè)計(jì)、裝配工序詳細(xì)設(shè)計(jì)和PBOM構(gòu)建。其中，裝配工藝路線設(shè)計(jì)包括新建工序、刪除工序、完善工序?qū)傩?、新建工藝組件、添加配套零部件、添加裝配資源；裝配工序詳細(xì)設(shè)計(jì)包括新建工步、刪除工步、完善工步屬性、選擇裝配工具、選擇輔助材料；PBOM構(gòu)建根據(jù)工藝設(shè)計(jì)信息生成PBOM的XML文件。

（2）裝配路徑規(guī)劃與仿真：裝配路徑規(guī)劃與仿真根據(jù)工藝設(shè)計(jì)確定的配套零部件、工裝，將配套零部件、工裝引入裝配環(huán)境，進(jìn)行裝配路徑規(guī)劃，對(duì)裝配工藝設(shè)計(jì)的可行性和合理性進(jìn)行驗(yàn)證，若工藝設(shè)計(jì)存在問題，返回工藝設(shè)計(jì)模塊對(duì)工藝進(jìn)行修改。裝配路徑規(guī)劃與仿真模塊的動(dòng)畫形式包括關(guān)鍵幀序列動(dòng)畫、定時(shí)視圖動(dòng)畫、定時(shí)透明度動(dòng)畫和定時(shí)顯示動(dòng)畫。

（3）焊接裝配工藝信息標(biāo)注：焊接裝配工藝信息標(biāo)注包括焊接順序標(biāo)注符號(hào)標(biāo)注、焊接方向標(biāo)注符號(hào)標(biāo)注、焊接工藝信息標(biāo)注和裝配工藝信息標(biāo)注符號(hào)的標(biāo)注。

（4）焊接/裝配后機(jī)加：焊接/裝配后機(jī)加模塊主要完成焊后機(jī)加和裝配后機(jī)加這兩種復(fù)合工藝的設(shè)計(jì)，主要內(nèi)容是如何構(gòu)建焊接/裝配工藝模型和組件機(jī)加工藝模型。

3.2 三維工藝機(jī)加工工藝

三維機(jī)加工工藝設(shè)計(jì)主要包括工藝模型動(dòng)態(tài)構(gòu)建、工藝特征構(gòu)建、工藝信息標(biāo)識(shí)及標(biāo)注、工藝規(guī)程設(shè)計(jì)、三維工藝輸出及管理，并預(yù)留與其他軟件間數(shù)據(jù)交換接口，其中：

（1）工藝模型動(dòng)態(tài)構(gòu)建：用于快速構(gòu)建工藝參考模型和毛坯模型；

（2）工藝特征構(gòu)建：用于快速構(gòu)建機(jī)加工中間過程的工藝特征；

（3）工藝信息標(biāo)識(shí)及標(biāo)注：用于構(gòu)建工藝信息組合符號(hào)及實(shí)現(xiàn)在模型上的三維標(biāo)注；

（4）工藝規(guī)程設(shè)計(jì)：用于構(gòu)建工藝規(guī)程樹，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品、工藝、資源的有效整合；

（5）三維工藝輸出及管理：用于生成面向制造過程的輕量化工序/工步模型，同時(shí)關(guān)聯(lián)存儲(chǔ)工藝規(guī)程樹節(jié)點(diǎn)屬性信息。

3.3 三維工藝熱工藝

三維熱工藝設(shè)計(jì)主要包括工藝模型動(dòng)態(tài)構(gòu)建、工藝特征構(gòu)建、工藝快速生成、工藝信息表達(dá)、工藝規(guī)程設(shè)計(jì)和工藝結(jié)果輸出及管理等關(guān)鍵技術(shù)，其中：

（1）工藝模型動(dòng)態(tài)構(gòu)建：用于快速構(gòu)建工藝參考模型、工藝模型和制造組件模型；

（2）工藝特征構(gòu)建：用于在工藝模型上快速構(gòu)建面向制造過程的熱工藝特征；

（3）工藝快速生成：用于快速生成熱件的工藝載體；

（4）工藝信息表達(dá)：用于構(gòu)建熱工藝信息組合符號(hào)及實(shí)現(xiàn)在模型上的三維標(biāo)注；

（5）工藝規(guī)程設(shè)計(jì)：用于快速構(gòu)建熱工藝規(guī)程結(jié)構(gòu)樹，將產(chǎn)品、工藝、資源的進(jìn)行有效整合，實(shí)現(xiàn)工藝規(guī)程節(jié)點(diǎn)與工藝特征關(guān)聯(lián)掛接；

（6）工藝設(shè)計(jì)結(jié)果輸出及管理：用于生成熱工序/工步輕量化模型，并實(shí)現(xiàn)工藝信息與模型的關(guān)聯(lián)存儲(chǔ)；

（7）加工范圍自動(dòng)提醒：用于加工工藝性技術(shù)要求和設(shè)備選用合理性提醒。

3.4 工藝資源

以樹狀結(jié)構(gòu)顯示已經(jīng)配置好的輔助工藝信息，按機(jī)床、刀具、工序（加工方式）、切削液、工裝、材料分組。機(jī)床和刀具需帶有參數(shù)。

以表格形式左邊選中節(jié)點(diǎn)的詳細(xì)清單信息，其內(nèi)容根據(jù)選擇結(jié)果的不同而變化。當(dāng)選中“機(jī)床”時(shí)，顯示機(jī)床清單；選中其中某一臺(tái)具體機(jī)床時(shí)則顯示該機(jī)床的參數(shù)信息。選中“刀具”時(shí)，顯示刀具清單；選中其中某一把具體刀具時(shí)則顯示該刀具的參數(shù)信息。選中其他節(jié)點(diǎn)時(shí)，則顯示該節(jié)點(diǎn)的詳細(xì)清單。

3.5 工藝數(shù)據(jù)管理

（1）工藝節(jié)點(diǎn)自動(dòng)解析：對(duì)三維工藝過程的工序和工步的自動(dòng)解析和生成樹狀結(jié)構(gòu)樹。通過讀取三維工藝設(shè)計(jì)軟件中的設(shè)計(jì)結(jié)果，綜合二維工藝卡片的信息，將工序和工步的信息以樹狀結(jié)構(gòu)的形式構(gòu)建出來，每個(gè)工序和工步都是該結(jié)構(gòu)樹上的信息節(jié)點(diǎn)，信息節(jié)點(diǎn)被觸發(fā)后，可關(guān)聯(lián)到其對(duì)應(yīng)的模型和工藝信息；

（2）三維工藝信息提?。簩?duì)三維工藝信息的分類和獲取。通過數(shù)據(jù)接口，可以讀取到制造資源信息，將制造資源信息按一定的規(guī)則進(jìn)行分類，并和三維工藝數(shù)據(jù)庫(kù)中讀取的工藝過程信息進(jìn)行集成，分配到相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)信息中存儲(chǔ)；

（3）工序/工步模型可視化：每個(gè)工序和工步模型和信息的關(guān)聯(lián)生成。通過讀取三維工藝設(shè)計(jì)軟件中的模型信息，獲取相應(yīng)的每個(gè)工序和工步的可視化模型。相應(yīng)的工藝信息被讀取后，動(dòng)態(tài)加載到節(jié)點(diǎn)信息的既定字段，其對(duì)應(yīng)的數(shù)值通過XML語言可在Web頁面上動(dòng)態(tài)顯示出來，由此，可實(shí)現(xiàn)工序/工步模型和工藝信息的同步可視化；

（4）模型與工藝節(jié)點(diǎn)同步：每個(gè)工序/工步模型和節(jié)點(diǎn)的同步關(guān)聯(lián)。通過讀取三維工序和工步模型，將工序和工步節(jié)點(diǎn)信息動(dòng)態(tài)加載到對(duì)應(yīng)模型的既定字段，并將工序/工步模型的主ID掛接到節(jié)點(diǎn)信息結(jié)構(gòu)樹上，實(shí)現(xiàn)通過觸發(fā)信息節(jié)點(diǎn)來同步加載三維工序/工步模型和對(duì)應(yīng)的工藝信息；

（5）三維工藝規(guī)程卡構(gòu)建：傳統(tǒng)二維工藝卡片的三維化發(fā)布。通過上述的模型和信息的準(zhǔn)備，該將工藝過程（工序/工步）流程信息、對(duì)應(yīng)的工序/工步模型和工藝信息進(jìn)行動(dòng)態(tài)集成和顯示。

4 結(jié)語

本文將設(shè)計(jì)與工藝統(tǒng)一在三維平臺(tái)上，直接進(jìn)行面向制造過程的設(shè)計(jì)，改變傳統(tǒng)的二維工藝設(shè)計(jì)模式。將三維工藝模型與設(shè)計(jì)模型共同保存在PDM系統(tǒng)中，打通設(shè)計(jì)、工藝、制造的三維數(shù)據(jù)鏈，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、工藝與制造統(tǒng)一數(shù)據(jù)源，解決傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)、工藝與制造中存在的信息孤島問題。通過面向制造過程的三維動(dòng)態(tài)工序模型構(gòu)建，直接面向制造過程制定符合規(guī)范的工藝規(guī)程，實(shí)現(xiàn)工藝模型可視化發(fā)布，將工藝結(jié)果按工步發(fā)布成獨(dú)立的可視化模式，使得在制造過程中每一個(gè)工步獲取到的信息不多余、不重復(fù)、不缺失。