基于模型工藝設(shè)計(jì)技術(shù)探究和展望

1、基于模型工藝設(shè)計(jì)技術(shù)探究和展望為了與設(shè)計(jì)部門協(xié)同開(kāi)展工作，有效利用設(shè)計(jì)發(fā)放 的三維模型進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)，本文針對(duì)傳統(tǒng)二維工藝設(shè)計(jì)和基 于模型的三維工藝設(shè)計(jì)過(guò)程進(jìn)行了研究和分析。對(duì)不同方式 的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了對(duì)比，對(duì)工藝信息的產(chǎn)生過(guò)程展開(kāi)分析，并 進(jìn)行了層級(jí)劃分。針對(duì)基于模型的工藝路線規(guī)劃、工序模型 生成、工藝信息發(fā)布及管理等表明了觀點(diǎn)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)迅猛發(fā)展，工藝設(shè)計(jì)經(jīng)歷了手工繪圖到 cad輔助二維制圖，再到三維工藝設(shè)計(jì)等不同的階段。工藝 設(shè)計(jì)水平是衡量產(chǎn)品制造水平的重要方面。國(guó)外以波音、洛 馬和空客公司為代表的飛機(jī)制造業(yè)在數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用領(lǐng) 域取得了巨大的成功，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品設(shè)計(jì)(含工藝設(shè)計(jì))、工 裝設(shè)計(jì)

2、、零件加工、部件裝配和零部件檢測(cè)檢驗(yàn)的高度集成、 協(xié)同和融合，建立了三維數(shù)字化設(shè)計(jì)制造一體化集成應(yīng)用體 系，開(kāi)創(chuàng)了飛機(jī)數(shù)字化設(shè)計(jì)制造的嶄新模式，確保了波音787 客機(jī)的研制周期和質(zhì)量。近幾年，縮短與國(guó)外先進(jìn)制造企業(yè)的差距，國(guó)內(nèi)航空企 業(yè)開(kāi)始應(yīng)用基于模型的定義(model based definition, mbd)技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，制造部門為了能與設(shè)計(jì)部門有 效對(duì)接，協(xié)同開(kāi)展各項(xiàng)業(yè)務(wù)工作，也開(kāi)始針對(duì)基于模型的工 藝設(shè)計(jì)技術(shù)開(kāi)展研究工作。如何利用三維設(shè)計(jì)模型有效地開(kāi) 展工藝設(shè)計(jì)工作是我們面臨的巨大挑戰(zhàn)。一、工藝設(shè)計(jì)方法優(yōu)勢(shì)對(duì)比分析從計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件誕生之時(shí)起，工藝設(shè)計(jì)就進(jìn)入了 數(shù)字化時(shí)代。工

3、藝設(shè)計(jì)從二維走向三維，更是工藝設(shè)計(jì)水平 的一個(gè)飛躍和提升。但是任何一項(xiàng)新技術(shù)從產(chǎn)生到應(yīng)用都會(huì) 經(jīng)歷一個(gè)漫長(zhǎng)的過(guò)程。本文研究的內(nèi)容是如何讓工藝設(shè)計(jì)順 暢地過(guò)渡到三維環(huán)境下，以及如何縮短這個(gè)過(guò)程。1. 二維工藝設(shè)計(jì)二維工藝作為多年來(lái)形成的一種思維定勢(shì)的產(chǎn)物，具有 以下特點(diǎn)。 二維工藝設(shè)計(jì)在方法上使用多年，應(yīng)用較為成熟。二 維工藝數(shù)據(jù)清晰明了。二維余量圖真實(shí)形象地展示了各工序 的余量及各工序尺寸特征變化的情況，校對(duì)人員通過(guò)余量圖 進(jìn)行尺寸鏈計(jì)算可以方便地驗(yàn)證工藝尺寸的正確性。 二維工藝設(shè)計(jì)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)比較完善，作為工程設(shè)計(jì)的主 要介質(zhì)，其在行業(yè)內(nèi)的壟斷短期內(nèi)無(wú)法改變。 在通用軟件的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了很多插件，

4、通過(guò)插件的使 用，大大提高了工作效率和圖幅質(zhì)量。 工藝修改靈活。對(duì)典型工藝，可直接修改尺寸，快速 生成工藝。 工序之間沒(méi)有關(guān)聯(lián)關(guān)系，工序信息相互獨(dú)立。 對(duì)于復(fù)雜零件，在圖樣的理解上容易產(chǎn)生二義性。2. 三維工藝設(shè)計(jì)相對(duì)二維展示方式而言，三維工藝更形象，更直接。但 是，因?yàn)榭臻g自由度的增多，相關(guān)的信息量也增多了。三維 工藝從總體上來(lái)講，具有以下特點(diǎn)。 表達(dá)直觀，消除了對(duì)工藝?yán)斫獾亩x性。有些空間的 尺寸用二維圖表述非常難以理解，用三維空間展示方式將會(huì) 非常直觀，形象。 同一數(shù)據(jù)源，可作為多種用途，為協(xié)同并行工作提供 條件，提高各部門工作效率。 工序模型之間可以保持關(guān)聯(lián)，有效保證數(shù)據(jù)的統(tǒng)一性 和準(zhǔn)

5、確性。當(dāng)設(shè)計(jì)模型發(fā)生更改時(shí)，各模型會(huì)自動(dòng)更新，這 種關(guān)聯(lián)性是傳統(tǒng)二維工藝所不具備的，這種關(guān)聯(lián)性減少了工 藝人員在工藝編制的過(guò)程中發(fā)生錯(cuò)誤的概率。 工序模型參數(shù)化設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)快速更改。 基于模型的工藝設(shè)計(jì)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)尚處在研究階段。二、工藝信息層級(jí)劃分無(wú)論使用什么方式進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)，都是為了表達(dá)制造要 求，因此工藝信息內(nèi)容是相同的，只是在結(jié)構(gòu)劃分上方法不 同。工藝信息可按以下兩種方法進(jìn)行歸類。第一種：從工藝編制的流程來(lái)看，工藝規(guī)程是一個(gè)逐漸 細(xì)化的過(guò)程，以數(shù)控加工工序?yàn)橹饕芯繉?duì)象，工藝信息可 如圖1所示來(lái)表示。從圖1可以看出，工藝信息大致可以分為4個(gè)級(jí)別， 分別是總工藝級(jí)、工序級(jí)、工步級(jí)和加工區(qū)域級(jí)。

6、工藝信息也可以按照不同的部門及角色來(lái)進(jìn)行劃分，基 于nx的三維數(shù)字化工藝支持并行工程，各部門不需要再像 二維紙質(zhì)工藝那樣到資料室去借閱。不同的人員想要了解的 信息是不同的。涉及的人員主要有：工藝設(shè)計(jì)員、工裝設(shè)計(jì) 員、毛坯設(shè)計(jì)員、檢驗(yàn)人員及生產(chǎn)準(zhǔn)備人員等。工藝設(shè)計(jì)員 作為整套工藝的設(shè)計(jì)人員，要為相關(guān)的部門編制工藝信息， 同時(shí)對(duì)所有的工藝信息負(fù)責(zé)。工藝員編制的工藝發(fā)放給各個(gè) 部門的人員，可用圖2所示來(lái)表示。三、基于模型的工藝設(shè)計(jì)方法演變歷程近幾年，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展及產(chǎn)品制造需求，工藝 設(shè)計(jì)方法也經(jīng)歷了多種不同模式。1.二維工藝設(shè)計(jì)模式從利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)開(kāi)始，工藝規(guī)程的編制在公 司航空發(fā)動(dòng)

7、機(jī)產(chǎn)品研制過(guò)程中，主要有以下幾種體現(xiàn)形式。(1) 傳統(tǒng)二維工藝。傳統(tǒng)二維工藝將一般工藝信息和數(shù)控加工信息分為2條 主線進(jìn)行。首先，制定基本工藝路線，包括特種加工工藝的 工序安排。其次，根據(jù)設(shè)計(jì)圖和毛坯圖分配各工序余量，完 成余量圖。第三，完成各工序工藝圖表，并添加關(guān)鍵加工部 位的刀具信息、量具信息等。第四，根據(jù)基本定型的工藝， 發(fā)出派工，完成工裝設(shè)計(jì)。另一條主線是數(shù)控加工工藝，在 工藝規(guī)程編制完成之后，根據(jù)工藝裝備情況及現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備情 況，編制數(shù)控工藝文件，包括數(shù)控工步卡和數(shù)控加工程序等。 這2條主線分別具有完全獨(dú)立的工藝審批流程。(2) 工藝細(xì)化。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)性能的不斷提高，使得發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)

8、 雜，各種新材料、新工藝不斷出現(xiàn)，對(duì)工藝及制造水平的要求也越來(lái)越高。傳統(tǒng)的二維 工藝已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了現(xiàn)場(chǎng)加工的要求，工藝信息需要不斷 地進(jìn)行完善，于是就產(chǎn)生了工藝細(xì)化的概念。工藝細(xì)化是指 在傳統(tǒng)二維工藝的基礎(chǔ)上，將設(shè)備、加工工藝參數(shù)等固化在 工藝規(guī)程中。此外加工零件所用的刀具編號(hào)、量具編號(hào)等都 要在工藝規(guī)程的尺寸欄后進(jìn)行明確。每道工序的刀具消耗也 要細(xì)化在工序中。這樣以來(lái)，一個(gè)新的操作者進(jìn)行工藝準(zhǔn)備 的時(shí)間會(huì)大大縮短，加工效率也會(huì)大幅度提高。 (3) 創(chuàng)新工藝。創(chuàng)新工藝完全打破了二維工藝的傳統(tǒng)編制模式，將數(shù)控 工藝和普通工藝融為一體，簡(jiǎn)化了工藝審簽流程。并且工藝 信息借鑒國(guó)外產(chǎn)品制造的先進(jìn)模式

9、，每道工序充分考慮操作 者的操作流程，第一步是本工序的加工前的注意事項(xiàng)，細(xì)化 到“用抹布將工作臺(tái)擦干凈”等細(xì)小的動(dòng)作。第二步，本工 序的工藝準(zhǔn)備信息，包好夾具、量具、刃具的編號(hào)和數(shù)量等 信息。第三步是裝夾找正方法。第四步是加工工步信息，最 小以一個(gè)數(shù)控加工程序?yàn)閱卧?，將加工參?shù)、刀具裝卡方式、 工位和加工區(qū)域等信息以文字或圖示的方式表示出來(lái)。最后 是檢驗(yàn)信息，每個(gè)尺寸，在哪個(gè)工步形成，用什么量具檢測(cè) 都以清單的形式表達(dá)出來(lái)。創(chuàng)新工藝內(nèi)容細(xì)化，不再需要數(shù) 控工步卡，同時(shí)對(duì)工藝知識(shí)的傳承起到了很好的作用。數(shù)控 操作員接受新工藝時(shí)，只要認(rèn)真、細(xì)心，按工藝流程操作， 很快就能掌握正確的加工方法。2三維

10、工藝設(shè)計(jì)模式三維工藝設(shè)計(jì)模式也是我們正在探索的一種工藝設(shè)計(jì) 模式。在國(guó)內(nèi)航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造企業(yè)還沒(méi)有真正的成熟應(yīng)用案 例。（1）工藝規(guī)劃。三維工藝的設(shè)計(jì)是在基于模型的三維平臺(tái)上進(jìn)行的，因 此和二維工藝的編制方法有所不同，但是編制工藝的依據(jù)都 是依據(jù)設(shè)計(jì)圖（模型）、毛料圖（毛坯模型）和設(shè)計(jì)部門下 發(fā)的技術(shù)文件。首先規(guī)劃工藝路線，確定各工序的主要內(nèi)容, 然后開(kāi)始設(shè)計(jì)余量圖，這是一個(gè)非常重要的過(guò)程。在三維設(shè) 計(jì)環(huán)境下，以設(shè)計(jì)模型為源頭，設(shè)定假想的工藝基準(zhǔn)。假想 的工藝基準(zhǔn)包含軸向、徑向和角向的假想基準(zhǔn)。軸向的基準(zhǔn) 是零件上的某一個(gè)比較重要的端面，可以是設(shè)計(jì)基準(zhǔn)。角向 的基準(zhǔn)相當(dāng)于建立了一個(gè)假想的極坐標(biāo)系

11、，可以以某一個(gè)基 準(zhǔn)孔作為角向的0° o通過(guò)建立三個(gè)假想的工藝基準(zhǔn)，對(duì)余 量進(jìn)行合理分配，從而使工序模型的大致輪廓基本確定，每 道工序加工部位也基本確定。各工序的余量都是從同一假想 的工藝基準(zhǔn)遞推，這樣可以保持各工序之間的關(guān)聯(lián)。(2)工序模型生成。航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造企業(yè)多使用nx系統(tǒng)，通過(guò)參數(shù)化建模、 同步建模、上下文之間建立表達(dá)式及wave等技術(shù)便可以構(gòu) 造各工序的模型。工序模型生成的過(guò)程是從毛坯到最終產(chǎn)品 的正推或逆推過(guò)程。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，應(yīng)該根據(jù)零件的特 點(diǎn)選擇建模方法，簡(jiǎn)化建模過(guò)程。機(jī)械加工主要的加工類型 為技術(shù)車加工和銃加工。車加工零件的特點(diǎn)是回轉(zhuǎn)體，建模 過(guò)程簡(jiǎn)單，可以在規(guī)

12、劃好余量圖后直接利用余量圖的截面生 成回轉(zhuǎn)體。銃加工(如機(jī)匣等零件)可能會(huì)有不規(guī)則的凸臺(tái) 或島嶼等特征，畫余量圖等可能不太方便，可以選擇同步建 模等技術(shù)生成。總之在建模的過(guò)程中使用的建模方法越少越 好，操作步驟越簡(jiǎn)單越好，盡量單一化，避免模型在生成過(guò) 程中出錯(cuò)。工序模型構(gòu)建是為滿足數(shù)控程序編制、工裝設(shè)計(jì)等多部 門協(xié)同工作的需要，通過(guò)建立工序模型結(jié)構(gòu)樹(shù)，不同角色的 人員就可以調(diào)用工序模型進(jìn)行相關(guān)操作。各工序模型進(jìn)行參 數(shù)關(guān)聯(lián)，當(dāng)某工序在進(jìn)行更改時(shí)，與之相關(guān)聯(lián)的工序可實(shí)現(xiàn) 自動(dòng)更新。(3) 工藝信息表達(dá)。工藝信息的表達(dá)始終圍繞工序模型進(jìn)行，這也是基于模 型的工藝設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容。通過(guò)對(duì)模型進(jìn)行視圖劃

13、分并進(jìn)行 尺寸標(biāo)注、注釋、添加屬性來(lái)表達(dá)制造要求。工藝信息包含 很多內(nèi)容：尺寸標(biāo)注、技術(shù)要求、形位公差、加工區(qū)域、夾 具、量具和刃具等，所有這些工藝信息都放在一起會(huì)顯得雜 亂無(wú)章，因此工藝信息也需要以特定的方式有序地組織在一 起。體現(xiàn)在三維工序模型上的尺寸標(biāo)注、技術(shù)要求等信息是 以多視圖的方式進(jìn)行展示的。多視圖的展示同時(shí)也是工藝信 息規(guī)劃的一個(gè)過(guò)程。被加工部位以特殊顏色進(jìn)行標(biāo)識(shí)，并與 標(biāo)注的尺寸及形位公差等保持關(guān)聯(lián)。工序中每個(gè)視圖以加工 部位或加工工步為一個(gè)單元。工藝信息不必重復(fù)錄入，全部 信息標(biāo)注完成后只是一個(gè)視圖劃分的過(guò)程。這樣做的目的是 方便現(xiàn)場(chǎng)操作人員，制造現(xiàn)場(chǎng)操作員可以方便地瀏覽當(dāng)前加 工部位的尺寸及技術(shù)要求等信息。四、基于模型的工藝設(shè)計(jì)應(yīng)用展望工藝設(shè)計(jì)完成之后，所有的工藝信息都存儲(chǔ)在同一個(gè)三 維設(shè)計(jì)環(huán)境中。要形成可視化的工藝瀏覽文件發(fā)放到制造現(xiàn) 場(chǎng)，還需要建立工藝文檔發(fā)布環(huán)境、工藝文檔管理環(huán)境和工 藝文檔的瀏覽環(huán)境。目前還沒(méi)有哪個(gè)企業(yè)真正做到了在制造 現(xiàn)場(chǎng)全三維可視化工藝瀏覽。工藝發(fā)布環(huán)境用于從工藝設(shè)計(jì)環(huán)境中提取制造信息，并 形成現(xiàn)場(chǎng)可用的工藝文檔。工藝管理環(huán)境實(shí)現(xiàn)可視化三維工藝文檔的存儲(chǔ)及管理。 公司已經(jīng)具備了產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理的平臺(tái)大環(huán)境，在數(shù)據(jù)集成、 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的部