賀芳　張森棠　葉洪濤

本文針對(duì)傳統(tǒng)二維機(jī)加工藝設(shè)計(jì)中工藝表達(dá)不直觀、工藝數(shù)據(jù)繼承性差等問(wèn)題，依托NX建模軟件和PDM數(shù)據(jù)管理平臺(tái)，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(jì)、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(jì)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(shí)現(xiàn)了三維環(huán)境下的機(jī)加工藝設(shè)計(jì)。

一、引言

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

但是目前，機(jī)加工藝設(shè)計(jì)的工作模式是建立二維工藝卡片的過(guò)程，在計(jì)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(jiǎn)圖，填寫(xiě)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(chǎng)應(yīng)用。傳統(tǒng)的二維機(jī)加工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)主要存在如下三個(gè)缺點(diǎn)。

（1）二維工序圖繪制繁瑣，常常需要采用簡(jiǎn)化繪制，有時(shí)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(shí)存在歧義。

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

目前市場(chǎng)上有部分工藝設(shè)計(jì)產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)了面向裝配工藝的設(shè)計(jì)仿真，利用三維裝配動(dòng)畫(huà)表達(dá)裝配工藝過(guò)程，但面向機(jī)加工藝設(shè)計(jì)仍然沒(méi)有突破二維工藝卡片與簡(jiǎn)圖的局限。

為改變二維環(huán)境下機(jī)加工藝設(shè)計(jì)存在的不足，本文研究了三維環(huán)境下機(jī)加工藝設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)，擴(kuò)展NX三維CAD軟件平臺(tái)作為三維機(jī)加工藝設(shè)計(jì)平臺(tái)，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(hào)，建立三維環(huán)境下的機(jī)加工藝設(shè)計(jì)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(tái)，建立基于設(shè)計(jì)MBD模型的三維機(jī)加工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)。三維機(jī)加工藝設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)機(jī)械加工的工藝設(shè)計(jì)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(jì)、三維機(jī)加工藝規(guī)程管理和三維機(jī)加工藝現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用三個(gè)階段，如圖1所示。

1、三維機(jī)加工藝設(shè)計(jì)

三維機(jī)加工藝設(shè)計(jì)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(cè)的數(shù)據(jù)依據(jù)。平臺(tái)層利用成熟三維CAD系統(tǒng)NX作為三維機(jī)加工藝設(shè)計(jì)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(tái)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(jì)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(shí)生成三維工序模型；三維工藝設(shè)計(jì)工具輔助在三維環(huán)境下標(biāo)注工藝符號(hào)，建立工藝符號(hào)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(guò)程的結(jié)構(gòu)化描述，同時(shí)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(tái)下的三維模型作為機(jī)加工序模型，以三維工藝符號(hào)表達(dá)工藝要求，以結(jié)構(gòu)化工藝卡片描述工藝過(guò)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(jì)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(tái)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(tái)，避免在多個(gè)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(chǔ)三維機(jī)加工藝規(guī)程，并建立與產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(jí)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(guò)程中的權(quán)限控制。模型層是由三維機(jī)加工藝設(shè)計(jì)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(chǎng)提供三維機(jī)加工藝的查詢(xún)?yōu)g覽環(huán)境。平臺(tái)層采用Web與輕量化技術(shù)建立工藝瀏覽環(huán)境，提供對(duì)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(shí)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(hào)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(shí)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(dòng)存儲(chǔ)。工藝信息模型定義可以實(shí)現(xiàn)機(jī)加工藝信息的錄入與編輯功能，將用戶(hù)錄入的工藝屬性信息保存并記錄下來(lái)，將工藝信息錄入與編輯功能錄入的工藝信息同步存儲(chǔ)在一個(gè)XML文件中，并記錄相應(yīng)節(jié)點(diǎn)的工藝屬性信息、三維模型名稱(chēng)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(shí)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(dòng)填充。每次打開(kāi)系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)讀取最新的XML文件生成相應(yīng)的工藝結(jié)構(gòu)樹(shù)，每次關(guān)閉系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)也會(huì)自動(dòng)保存工藝結(jié)構(gòu)樹(shù)的節(jié)點(diǎn)信息保存到XML文件中，這樣就保證了XML文件的實(shí)時(shí)更新和工藝結(jié)構(gòu)樹(shù)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(kāi)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(shí)實(shí)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(cuò)率大幅減?。幌到y(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(shí)現(xiàn)可視化，從而可以方便地對(duì)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(gè)擴(kuò)展企業(yè)中的協(xié)作、驗(yàn)證和可視化，其在2012年12月已被ISO接受為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)（ISO IS 14306：2012）。JT模型文件是三維實(shí)體模型經(jīng)過(guò)三角化處理之后得到的數(shù)據(jù)文件，它將實(shí)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(jiǎn)化，依靠這些三角形面片來(lái)逼近理想的三維實(shí)體模型三維工藝中大量的三維模型需要大量的存儲(chǔ)空間，在不影響生成現(xiàn)場(chǎng)瀏覽效果的情況下，對(duì)發(fā)布到制造現(xiàn)場(chǎng)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(guò)JT Open二次開(kāi)發(fā)，向網(wǎng)頁(yè)中嵌入JT格式輕量化的三維模型，通過(guò)去除與模型顯示無(wú)關(guān)的非幾何信息來(lái)簡(jiǎn)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(guò)程

（1）將設(shè)計(jì)模型數(shù)據(jù)自動(dòng)引用到三維機(jī)加工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，利用設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)對(duì)工序模型進(jìn)行設(shè)計(jì)，在PDM系統(tǒng)內(nèi)創(chuàng)建工藝結(jié)構(gòu)樹(shù)，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(jì)系統(tǒng)中自動(dòng)創(chuàng)建與PDM系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的工序模型結(jié)構(gòu)樹(shù)。

（3）通過(guò)新建、編輯、斷開(kāi)和刪除幾何鏈接四種操作來(lái)實(shí)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(dòng)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(bào)表，實(shí)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(guò)程的轉(zhuǎn)換。

四、結(jié)語(yǔ)

傳統(tǒng)的二維工藝卡片設(shè)計(jì)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(wú)法為后期的加工檢測(cè)與公差分析提供三維數(shù)據(jù)模型等問(wèn)題，由此提出利用三維手段提升傳統(tǒng)二維工藝設(shè)計(jì)能力的方法。以三維工序模型替代二維工藝簡(jiǎn)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(cè)的數(shù)據(jù)來(lái)源。

本文從我國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)企業(yè)工藝設(shè)計(jì)的實(shí)際出發(fā)，研究了三維環(huán)境下機(jī)加工藝設(shè)計(jì)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(jì)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(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)企業(yè)工藝設(shè)計(jì)工作中采用的2D+3D混合產(chǎn)品定義方式存在的一系列問(wèn)題，使三維工藝設(shè)計(jì)技術(shù)真正的在我國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)企業(yè)得到了實(shí)際應(yīng)用，將極大的提高我國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)企業(yè)機(jī)加工藝設(shè)計(jì)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