基于TCM平臺的三維工藝快速設(shè)計技術(shù)

劉菊花，廉繼西，孫夏輝，王三民，段中洲

(河南平原光電有限公司，河南 焦作 454001)

企業(yè)通過長期的生產(chǎn)實踐和工藝技術(shù)研究，積累了豐富的工藝設(shè)計數(shù)據(jù)和大量的制造資源數(shù)據(jù)，但這些寶貴的工藝知識絕大多數(shù)都留存在設(shè)計人員腦子里或工藝文件中，沒有形成標(biāo)準(zhǔn)化、結(jié)構(gòu)化的工藝知識庫，供同類(族)零件工藝設(shè)計和加工時選用。由于工藝標(biāo)準(zhǔn)化水平低，生產(chǎn)制造過程中難以應(yīng)用成組技術(shù)快速組織和實施敏捷化生產(chǎn)，雖然引入了基于三維模型的協(xié)同工藝設(shè)計平臺TCM系統(tǒng)(以下簡稱TCM系統(tǒng))，但是由于工藝知識庫和應(yīng)用模板沒有建立起來，其協(xié)同高效工作的優(yōu)勢得不到充分發(fā)揮。另一方面，由于產(chǎn)品零件品種多樣且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工需要的工裝夾具種類多，缺乏工裝優(yōu)化設(shè)計系統(tǒng)的技術(shù)支撐，工裝標(biāo)準(zhǔn)化、系列化程度低，難以通過利用以往的優(yōu)化設(shè)計方案實現(xiàn)新工裝的快速設(shè)計，因此工裝準(zhǔn)備周期長，已成為制約生產(chǎn)效率提高的重要因素。因此，針對本企業(yè)產(chǎn)品精密結(jié)構(gòu)零件，我們開展了基于三維模型進行快速工藝設(shè)計的相關(guān)技術(shù)研究，解決了上述瓶頸問題，有效提升了武器裝備研制效率，同時為正在進行的智能車間建設(shè)提供了技術(shù)支撐。

1 基于三維模型的快速工藝設(shè)計技術(shù)

基于三維模型的工藝設(shè)計是指以三維數(shù)字化模型為基礎(chǔ)和技術(shù)手段，把工藝規(guī)劃、工藝詳細(xì)設(shè)計、工藝仿真與驗證以及工藝執(zhí)行過程以三維數(shù)字化方式表現(xiàn)的一種工藝形式[1]，具有表現(xiàn)形式直觀、工藝模型與設(shè)計模型可同步更改、工藝人員可直接利用三維工藝模型進行數(shù)控加工及檢測程序編制和仿真驗證等優(yōu)點，已逐漸被推廣應(yīng)用。

為提高應(yīng)用TCM系統(tǒng)進行三維工藝設(shè)計的效率，探索適合本企業(yè)的三維工藝設(shè)計方法，針對型材件、鑄件等不同毛坯狀態(tài)，我們制定了優(yōu)化的工藝設(shè)計路徑，既保持工藝模型與設(shè)計模型的相關(guān)性，又兼顧工藝設(shè)計的便捷性，形成了三維工藝設(shè)計規(guī)范和典型工藝設(shè)計模板。

1.1 對典型零件進行分類并確定最優(yōu)工藝路線

零件的結(jié)構(gòu)、材料、特征是工藝設(shè)計的主要依據(jù)[2]，對產(chǎn)品中結(jié)構(gòu)特征近似的典型零件進行梳理、分類，歸納了板類、軸類、目鏡螺紋類、本體類、齒輪類等11類典型零件，并在大量查閱定型產(chǎn)品成熟工藝的基礎(chǔ)上，研究確定了各類典型零件最優(yōu)化的工藝路線，形成了企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《機械加工典型零件分類及典型工藝》，為在TCM系統(tǒng)中建立基于三維模型的典型工藝設(shè)計模板奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

1.2 制定三維工藝設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)

由于目前國內(nèi)還沒有通用的三維工藝設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)用以指導(dǎo)三維工藝設(shè)計工作，需要根據(jù)所使用的軟件平臺和企業(yè)工藝工作實際，研究制定《基于TCM和NX軟件的三維工藝設(shè)計規(guī)范》，用以指導(dǎo)本企業(yè)的三維工藝設(shè)計工作[3]。

1.2.1 定義三維工藝設(shè)計形式

TCM系統(tǒng)雖然已上線使用，但是由于信息化條件還不完備，生產(chǎn)現(xiàn)場沒有足夠的終端讀取三維工藝，無法實現(xiàn)真正的無紙化生產(chǎn)。在這種條件下，三維工藝怎么設(shè)計，以什么樣的形式呈現(xiàn)，是制定標(biāo)準(zhǔn)時首先考慮的問題。

1)確定三維工藝設(shè)計以三維工序模型為主、工序卡片為輔的設(shè)計原則，最大程度發(fā)揮三維工序模型表達直觀、可以直接用于數(shù)控編程的優(yōu)勢，規(guī)定三維工藝由工藝路線、三維工序模型和工序卡片組成，在三維工序模型上完成產(chǎn)品制造信息(尺寸、文字注釋、幾何公差等)的標(biāo)注，加工用的機床、刀、夾、量具等信息在工序卡片中填寫，這些信息可被按工序提取到ERP和MES系統(tǒng)中，用于生產(chǎn)準(zhǔn)備[4]。

2)根據(jù)產(chǎn)品的研制階段和工藝復(fù)雜程度劃分為簡易工藝規(guī)程和正式工藝規(guī)程，對2種工藝規(guī)程的適用范圍和實現(xiàn)形式分別進行規(guī)定，簡易工藝規(guī)程以零件三維模型為主要依據(jù)，減小工藝設(shè)計工作量。

3)詳細(xì)規(guī)定了三維工藝的工藝數(shù)據(jù)要求，對工藝集、工藝信息、產(chǎn)品制造信息標(biāo)注時的注意事項等設(shè)計要求進行了規(guī)定，確保下游系統(tǒng)能夠從TCM系統(tǒng)中提取所需信息[5]。

1.2.2 創(chuàng)建工藝三維模型模板

NX軟件自帶的三維制圖模板不能滿足三維工藝設(shè)計的需要，相關(guān)的字體、字高、線型和其他制圖符號等與制圖標(biāo)準(zhǔn)相差較大，因此需要定制適合三維工藝設(shè)計的模型模板。

1)優(yōu)化產(chǎn)品制造信息(PMI)標(biāo)注樣式。

NX軟件自帶設(shè)計模板中很多的PMI標(biāo)注樣式與工藝設(shè)計常用標(biāo)準(zhǔn)不符，工藝師應(yīng)用軟件自帶設(shè)計模板進行三維工藝設(shè)計過程中，需要對不符合標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)注項樣式進行更改，進行了大量的重復(fù)勞動，嚴(yán)重影響三維工藝設(shè)計效率。我們經(jīng)過調(diào)研和反復(fù)試驗，對不符合制圖標(biāo)準(zhǔn)的PMI標(biāo)注樣式進行了優(yōu)化和修改，并固化在定制的三維工藝設(shè)計模板中，供工藝師設(shè)計三維工藝時調(diào)用。

2)通過軟件二次開發(fā)，簡化工序模型顏色設(shè)置。

在三維工序模型中，對加工部位、定位面、夾緊面等的區(qū)分是通過設(shè)置不同顏色實現(xiàn)的，識讀起來比二維工藝附圖更加直觀。但是，NX軟件在進行對象顏色設(shè)置時操作步驟較多，每次設(shè)置均需要層層打開設(shè)置界面，并通過過濾器選擇平面，過程繁瑣，而且每個人選擇的顏色也不完全一致，存在一定的誤差。

為解決這一問題，利用NX軟件自帶的Grip編程語言進行了軟件功能的二次開發(fā)，對常用的幾種顏色進行了定義，并制作成快捷工具條(見圖1)，添加在三維工藝設(shè)計模板中，直接點擊快捷工具條上的色卡，再選中需要編輯顏色的面，即可設(shè)置成功，將原來需要7步才能完成的操作，縮減到點擊兩次鼠標(biāo)就能夠完成，不但簡化了操作步驟，而且保證每個人設(shè)計出的三維工藝顏色設(shè)置完全統(tǒng)一。

圖1 二次開發(fā)的NX軟件顏色設(shè)置工具條

基于上述成果，制定并發(fā)布了企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《基于TCM和NX軟件的三維工藝設(shè)計規(guī)范》，作為三維工藝設(shè)計工作的指導(dǎo)性標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計效率和規(guī)范性顯著提高。

1.3 建立基于TCM系統(tǒng)的典型零件工藝設(shè)計模板

在TCM系統(tǒng)中建立了基于三維模型的典型工藝設(shè)計模板，包含11個大類、18種典型零件的典型工藝模板，將典型零件工藝路線、三維工序模型、所用到的制造資源等工藝知識集成到典型工藝設(shè)計模板中，同類零件可通過調(diào)用模板實現(xiàn)快速工藝設(shè)計。

1.3.1 創(chuàng)建典型零件三維工藝設(shè)計模板

嚴(yán)格按照制定的《基于TCM和NX軟件的三維工藝設(shè)計規(guī)范》進行典型零件三維工藝設(shè)計模板創(chuàng)建，典型零件三維工藝包含三維工序模型和工序卡片兩部分。

三維工序模型中需要對工序加工信息進行清晰、準(zhǔn)確的表達。利用已定義的“工藝模型模板”進行工序線性尺寸、幾何公差和注釋信息的標(biāo)注；應(yīng)用二次開發(fā)的顏色設(shè)置工具條，對加工面、定位面、夾緊面等設(shè)置顏色標(biāo)識，做到加工信息一目了然，相比二維工藝附圖，辨識度大幅提高，三維工序模型圖如圖2所示。

圖2 三維工序模型圖

加工設(shè)備、工裝、加工參數(shù)、刀具、量具等三維工序圖中不方便標(biāo)注的信息，在工序卡片中進行說明，上述信息從工藝數(shù)據(jù)庫中調(diào)用，不僅提高信息填寫的標(biāo)準(zhǔn)化水平，還可通過系統(tǒng)對工序加工過程中使用到的刀具、量具等進行統(tǒng)計，提前進行工藝準(zhǔn)備和物料配送，縮短零件加工準(zhǔn)備時間。

1.3.2 典型工藝庫應(yīng)用

進行新產(chǎn)品工藝設(shè)計時，可根據(jù)零件結(jié)構(gòu)特征和材料，確定其所屬典型零件的種類，從典型工藝庫中查找對應(yīng)的典型工藝進行借用，然后對三維工序模型和工序卡片中的信息進行少量修改，即可生成新零件的工藝。典型工藝庫結(jié)構(gòu)樹如圖3所示。

圖3 典型工藝庫結(jié)構(gòu)樹

2 基于三維模型的快速工裝設(shè)計技術(shù)

基于三維設(shè)計平臺NX對夾具元件、典型夾具結(jié)構(gòu)和夾具設(shè)計實例進行三維建模，形成工裝設(shè)計數(shù)據(jù)庫，在新產(chǎn)品工裝設(shè)計時，可根據(jù)獲取的待裝夾工件及加工工藝的信息，從工裝實例庫中檢索出相關(guān)的設(shè)計實例，以其中的裝夾規(guī)劃信息檢索出規(guī)劃實例；設(shè)計人員對規(guī)劃實例進行調(diào)整，生成最終的裝夾規(guī)劃方案，進而創(chuàng)建出所需要的新工裝設(shè)計數(shù)據(jù)，新設(shè)計的工裝經(jīng)驗證無誤后，再作為工裝設(shè)計實例存儲到工裝實例庫中，其設(shè)計流程如圖4所示。

圖4 基于實例的工裝設(shè)計流程

2.1 對典型工裝進行分類并創(chuàng)建三維模型

對產(chǎn)品加工中用到的典型工裝進行梳理、歸類，確定了18種常用典型夾具結(jié)構(gòu)，涉及車、銑、鉗、制齒等工種，歸納了典型工裝的適用零件類型、裝夾定位方式等關(guān)鍵信息，制定了《典型工裝分類明細(xì)表》，并分別創(chuàng)建三維模型，形成典型工裝數(shù)據(jù)庫。

2.2 創(chuàng)建夾具零件參數(shù)化三維模型

《夾具零件》是為促進機械加工夾具設(shè)計通用化、系列化、組合化發(fā)展而制定的夾具通用零件的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，包含64種零件，每種零件有從小到大多組尺寸系列供設(shè)計時根據(jù)工裝尺寸需要進行選用。為方便工藝師在設(shè)計工裝時快速完成通用夾具零件的三維模型，建立了基于NX軟件的通用夾具零件參數(shù)化三維模型庫。需要調(diào)用時，按照夾具零件編碼序號，打開對應(yīng)的模型文件，在“工具-表達式”窗口輸入所需參數(shù)，即可驅(qū)動參數(shù)化的模型得到所需規(guī)格的夾具零件(見圖5)。

圖5 參數(shù)驅(qū)動生成夾具零件三維模型

2.3 創(chuàng)建基于TCM的工裝設(shè)計數(shù)據(jù)庫

將典型工裝、工裝實例以及夾具零件參數(shù)化三維模型集成在TCM系統(tǒng)中，建立了快速工裝設(shè)計平臺，該平臺具有典型工裝檢索與借用、夾具零件調(diào)用、工裝數(shù)據(jù)管理等功能，能夠顯著提高機械加工工裝設(shè)計質(zhì)量和效率。

制定典型工裝編碼規(guī)則，按照編碼規(guī)則命名賦碼后的典型工裝三維模型形成“典型工裝數(shù)據(jù)庫”，集成在TCM系統(tǒng)“典型工裝”節(jié)點下，供工藝技術(shù)人員在設(shè)計工裝時查詢、參考或調(diào)用。

夾具零件參數(shù)化三維模型名稱和信息編碼按企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《夾具零件》中的規(guī)定執(zhí)行，命名賦碼后的夾具零件參數(shù)化三維模型形成“夾具零件數(shù)據(jù)庫”，集成在TCM系統(tǒng)“夾具零件”節(jié)點下，工裝設(shè)計時，可從數(shù)據(jù)庫中找到對應(yīng)的零件，下載到本地，打開三維模型后在“工具-表達式”窗口輸入所需參數(shù)，即可驅(qū)動參數(shù)化的模型得到所需規(guī)格的夾具零件。

“工裝實例數(shù)據(jù)庫”用于保存各產(chǎn)品所設(shè)計的專用工裝夾具，按照夾具類型對專用夾具進行分類保存，主要分為車床夾具、銑床夾具、鉆孔夾具、制齒夾具等幾個子節(jié)點，每個子節(jié)點下，夾具按照定位方式或結(jié)構(gòu)形式再進行分類。

夾具設(shè)計時，可參考“典型夾具庫”中的典型夾具結(jié)構(gòu)，從“夾具零件庫”中調(diào)用所需的夾具零件，也可借用“工裝實例數(shù)據(jù)庫”中的相似夾具進行實例重用或修改，得到新的夾具，經(jīng)生產(chǎn)驗證后，將設(shè)計結(jié)果上傳到TCM系統(tǒng)“工裝實例數(shù)據(jù)庫”中對應(yīng)的節(jié)點下進行保存，成為新的設(shè)計實例。

3 快速工藝設(shè)計技術(shù)的應(yīng)用

在新產(chǎn)品工藝設(shè)計時，應(yīng)用典型工藝模板進行相同類型的零件工藝設(shè)計，省去了規(guī)劃工藝路線、添加工序卡片等工作步驟，工藝參數(shù)和刀、夾、量具等內(nèi)容只需要在模板已有相關(guān)內(nèi)容的基礎(chǔ)上根據(jù)需要稍作修改即可，可節(jié)約工藝設(shè)計時間50%以上，并使工藝設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)化程度大幅度提高。

進行新產(chǎn)品工裝設(shè)計時，可參考典型工裝數(shù)據(jù)庫中的三維典型工裝設(shè)計結(jié)構(gòu)，可從夾具零件數(shù)據(jù)庫中直接調(diào)用所需零件三維模型，還可在工裝實例庫中查詢類似夾具結(jié)構(gòu)進行借用，企業(yè)多年積累的工裝設(shè)計知識均集成在快速工裝設(shè)計系統(tǒng)中，可在工裝設(shè)計時方便獲取，設(shè)計效率大幅度提高，工裝準(zhǔn)備時間平均縮短25%以上。

4 結(jié)語

采用信息技術(shù)手段，將多年來形成和存在于技術(shù)人員頭腦和技術(shù)文件資料中的工藝、工裝設(shè)計知識，以數(shù)字化、標(biāo)準(zhǔn)化的形式呈現(xiàn)于軟件系統(tǒng)中，形成工藝設(shè)計數(shù)據(jù)庫，使這些寶貴的工藝知識得到有效利用和傳承，創(chuàng)建的典型零件三維工藝設(shè)計模板和快速工裝設(shè)計平臺顯著提升了工藝設(shè)計效率，工藝標(biāo)準(zhǔn)化水平也得到大幅度提高。