基于MBD技術的復雜測井儀器數字化設計、加工與檢測一體化研究*

馮永仁 陳永超

(中海油田服務股份有限公司油田技術事業部 河北三河 065201)

基于MBD技術的復雜測井儀器數字化設計、加工與檢測一體化研究*

馮永仁 陳永超

(中海油田服務股份有限公司油田技術事業部 河北三河 065201)

測井儀器長期采用“2D工程圖+3D模型”的傳統設計、制造與檢測模式，工作效率與加工精度較低，無法滿足日益提升的高精度和高效加工需求。以中海油服地層測試器EFDT基體為例，開展了基于模型定義(MBD)的復雜測井儀器基體數字化設計、仿真、加工和檢測一體化技術研究。首先針對測井儀器基體結構及加工特點，借助NX軟件平臺建立了基于MBD的基體全三維數字化模型；然后開展基于MBD的車銑復合加工工藝和數控編程技術研究和實踐，有效地提高了加工效率和質量；最后采用基于MBD和特征的三坐標測量技術，實現了復雜測井儀器基體的數字化設計仿真加工測量一體化。應用效果表明，該技術可顯著縮短復雜測井儀器產品研制周期，提高產品質量和生產效率。該技術改變了傳統工作模式，為全面實現數字化車間的無紙化生產和工廠數字化建設打下了堅實基礎，也必將推動測井領域數字化設計制造模式的變革。

復雜測井儀器；基體；MBD技術；數字化設計；數字化加工；數字化檢測；中海油服EFDT

隨著油氣勘探進程的不斷深入和開發對象的日趨復雜，石油測井儀器向著高智能、高可靠性、高時效性及一體化方向發展，以高集成化、高精度、耐高溫高壓、抗腐蝕性為主要特征的高端裝備成為未來測井儀器發展的趨勢[1]，這必然對測井儀器的設計、仿真、加工制造及檢測等提出了更高的要求。測井儀器長期采用“2D工程圖+3D模型”設計制造模式，研發和生產均以二維工程圖作為產品定義和交流的工程語言，越來越不能滿足日益提升的高精度和高效加工需求?；谀Ｐ投x(Model Based Definition，MBD)是用全三維數字化模型來完整表達產品設計和制造信息，能夠實現設計、仿真、加工、檢測等一體化集成，可大大提高加工質量和生產效率[2-3]。目前以MBD技術為核心的數字化設計制造檢測模式以及適用于石油裝備的車銑復合加工工藝、數控編程技術、后置處理以及仿真技術等尚處于起步摸索階段；因此，借鑒國內外成功應用經驗，開展適用于石油裝備產品的數字化設計制造模式，對于提高復雜測井儀器設計制造的精度、可靠性與效率具有重要意義。本文以中海油服地層測試器EFDT為例，主要總結基于MBD技術的復雜測井儀器基本數字化設計、加工制造與檢測一體化技術、研究與應用效果，以期推動復雜測井儀器向數字化設計制造模式的變革。

1 復雜測井儀器基體結構及加工特點

復雜測井儀器普遍具有較高的精度和檢測要求，采用的高性能材料加工難度較大，以保證產品對于其使用性能及環境的要求。基體是測井儀器的重要組成部分，本文以中海油服地層測試器(Enhanced Formation Dynamic Tester，EFDT)為例來說明復雜測井儀器基體在結構和加工工藝上的特點，主要體現在以下幾個方面：

1) 多為軸類細長零件，尺寸大，結構異常復雜，加工精度要求高?；w內部高壓管路縱橫交錯，工藝特征多達上千個，尺寸及位置精度要求高，工藝密封堵孔及密封面加工精度要求小于0.03 mm，定位孔位置要求一次裝卡加工完成，重復定位精度0.005 mm。

2) 產品價值高?；w多為單件、小批量生產，僅其鈦合金毛坯、精鍛毛坯價格就在幾十萬元以上。基體材料是加工難度很高的航空鈦合金材料，對工藝參數及刀具的要求極高，加工風險很大。

3) 加工過程復雜?；w制造過程中主要問題為工藝路線長、加工工序多、加工效率低等。加工過程中工件變形是影響加工質量的主要原因，既包括裝夾、切削力等系統因素，也包括材料不均勻、內應力等隨機因素，難以準確預測?；w結構因其本身結構和工藝的特殊性容易造成產品變形。

2 基于MBD技術的復雜測井儀器基體數字化設計

MBD數字化模型數據集必須包含完整的二維工程圖上的尺寸信息、位置公差信息、技術要求以及各類工程注釋信息，以滿足零件設計、制造、檢測的要求[4-5]。NX軟件提供了產品與制造信息(PMI)功能模塊，使用戶能夠根據MBD標準完成三維數字化產品定義，同時可實現MBD數據集的分類組織管理。而NX PMI完整三維注釋環境不僅可以捕捉制造需求和在這些需求與三維模型之間建立關聯關系，而且還允許下游應用軟件重用數字化數據[6]。

對于中海油服地層測試器EFDT，先是利用PMI工具把三維注釋直接附在基體模型上，在三維注釋與幾何體之間建立關聯(圖1)；然后通過MBD主模型進一步進行有限元應力和應變分析、空間運動分析、裝配干涉分析等，分析過程中出現設計缺陷時實時反饋給設計人員進行改進，最后借助NX平臺對儀器基體工作載荷下進行有限元分析和裝配干涉分析等，并根據結果進行優化設計。

3 基于MBD技術的復雜測井儀器基體數字化加工制造

車銑復合加工可以通過一次裝卡實現全部或大部分工序的加工和復雜機械零件的高效、精密加工，從而提高加工效率和精度[7]。目前石油設備制造領域車銑復合加工應用不多，適用于石油設備零件的車銑復合加工工藝、數控編程技術、后置處理以及仿真技術等尚處于摸索階段。中海油服依托“十二五”國家科技重大專項購置了德國DMG MORI公司的CTX gamma 3000 TC七軸車銑復合加工中心(圖2)，該機床控制系統為SINUMERIK 840D，配備雙主軸，可在單一主軸或副主軸上加工工件，也可在2個主軸上同時加工2個工件；同時該機床可實現2個主軸上同步加工同一個細長工件，中間輔助以中心支架以避免工件彎曲變形，且工件可在主副主軸上自動交換。為充分發揮車銑復合加工設備效能，進一步提高產品加工效率和精度，開展了石油機械產品車銑復合關鍵技術及與之相適應的復合加工工藝研究，包括制定工藝路線以及合理選取裝卡方式、刀具、冷卻和切削參數等，并根據車銑復合機床的結構和產品的工藝特點，開發和定制了相適應的數控程序、后置處理、切削仿真等系統，逐步實現了集成化應用。

圖1 中海油服EFDT基體MBD三維標注模型(單位：mm)Fig .1 MBD 3D model of COSL EFDT base(unit：mm)

圖2 中海油服CTX gamma 3000 TC七軸車銑復合加工中心Fig .2 CTX gamma 3000 TC seven-axis turning-milling center of COSL

3.1 車銑復合加工工藝技術

測井儀器基體產品毛坯一般是棒料，傳統加工工藝是首先利用數控車床車削外部輪廓；然后精車加工基準，利用槍鉆加工軸向深孔；再利用加工中心進行開槽、粗加工、半精加工以及型面的精加工；最后在加工中心或鉆孔設備上進行孔加工。而采用車銑復合機床可以通過一次裝卡完成上述除槍鉆外的加工工藝，還可以通過主副軸交換工件實現兩側加工，其工藝路線設置為：主軸裝卡棒料→粗車外部輪廓→精車外部輪廓→五軸銑削開槽→粗加工→半精加工→精加工→鉆孔→副主軸裝卡→車削底部平面→鉆孔，等。

對于中海油服地層測試器EFDT，開展了測井儀器基體數字化加工工藝方案研究。首先，根據基體產品模型及加工特征，初步確定加工工藝和刀具選用，選配車銑鉆鏜鉸等刀具170余把。其次，根據工藝經驗和機床現有工裝，采用中心架換位置夾緊支撐，主副軸雙側卡緊，同步轉動，兩端分別用主副軸單獨車銑加工，并考慮變形的影響確定加工順序、切削參數等，保證加工變形小滿足公差要求。最終編制了400余個工藝加工程序，基于CTX gamma 3000 TC機床進行零件試切，解決了加工中遇到的工藝問題，不斷調整修訂了工藝路線，保證最終一次性完成合格產品。

3.2 車銑復合加工數控編程技術

車銑復合加工技術的發展對數控編程技術提出了更高的要求。車銑復合加工編程的難點主要有：①工藝種類繁雜，工藝人員須掌握數控車削、多軸銑削、鉆孔等多種加工方式的編程方法。②車銑復合加工機床運動和加工功能復雜，除生成刀具軌跡外，還要處理諸如在線測量、鋸斷、工件交換、中心支架控制等。

要實現車銑復合完整加工，須對各個獨立的加工程序進行集成和整合，即以零件的工藝路線為指導，對不同工藝方法的加工順序進行排序，給出優化的換刀、主副軸及中心支架的裝卡更換、基準轉化以及進退刀等。對于中海油服地層測試器EFDT，利用NX平臺進行了產品工藝和復合加工設備的程序編制，測井儀器基體特征加工計算機刀具軌跡如圖3所示。

圖3 中海油服EFDT測井儀器基體數控特征加工計算機刀具軌跡Fig .3 Computer tool path of NC manufacturing for logging tools base of COSL EFDT

3.3 基于特征的標準化工藝及數控編程模板技術

復雜測井儀器基體含有大量工藝孔、特征孔等加工特征,此類孔特點是規格成系列，加工刀具配套組合，有些特征有相同的刀具軌跡，有些特征加工方法類似，切削控制參數相近。為避免加工特征重復，提高基體計算機輔助制造(CAM)系統的效率及準確性，針對中海油服地層測試器EFDT，基于特征建立了100余種測井儀器三維MDB標準化工藝文件庫(圖4)。同時，利用NX工藝模板技術實現了特征孔組合工序的生成及相似工藝孔加工工序的繼承。應用表明，加工模板包含有成套的工作流程和選項設置，便于在使用中保持一致性和集中使用，還可以訪問各個設置的預定義值，利于提高生產率。

圖4 中海油服EFDT部分基體標準化工藝特征MBD模型(單位：mm)Fig .4 Standardized process feature MBD model of COSL EFDT base(unit：mm)

3.4 CTX gamma 3000 TC機床后置處理技術

后置處理是數控加工中的關鍵技術，它是連接CAM編程與數控加工之間的紐帶，是數控機床高效運行的保證。利用CAM軟件進行自動編程，生成的刀路軌跡文件不能直接驅動數控機床加工，必須針對數控機床定制專用后置處理器，讀取和轉換CAM軟件所生成的刀具路徑文件，得到本設備控制器能夠識別的數控加工程序[8]。

為充分利用和優化機床功能，針對中海油服CTX gamma 3000 TC車銑復合加工中心，在了解機床結構、機床附件、機床功能及功能實現方式的基礎上，基于控制器類型定制開發了機床專用后置處理器，實現了主副軸5聯動銑、3+2定軸銑及孔加工、端面極坐標、主副軸同步加工和工件交換、車銑復合等功能，并充分利用了控制系統連續路徑、前饋控制等先進技術。

3.5 數控加工仿真技術

為避免加工事故發生，實際加工前加工程序驗證不可或缺。數控加工仿真是通過軟件模擬加工環境、刀具路徑與材料切除過程等來檢驗并優化加工程序，其中切削加工仿真是設計制造一體化、數控加工程序編制與實時仿真驗證的重要工具，是提高編程效率與質量的重要措施。切削仿真驗證可播放刀軌動畫或刀軌及材料去除的動畫，顯示材料移除過程，其中3D動態除料顯示能夠檢查過程中工件(IPW)在快速模式下是否發生碰撞以及IPW是否與夾持器發生碰撞，有助于確認刀具正在切削原材料的指定部分，還可以通過比較命令檢查過切[9]。對于中海油服地層測試器EFDT，為了避免不必要的損失，在NX中進行了基體切削過程仿真驗證(圖5)。

圖5 中海油服EFDT復雜測井儀器基體計算機切削仿真驗證Fig .5 Computer cutting simulation verification for complex logging tools base of COSL EFDT

4 基于MBD技術的復雜測井儀器基體數字化檢測

傳統檢測手段過程繁雜，檢測精度低。隨著基于MBD技術的全三維數字化產品的發展，三坐標測量機(CMM)坐標數控測量在產品制造中的應用越加普遍[10-11]。基于MBD技術的三坐標測量技術可以對比產品的加工誤差和理論誤差之間的關系，對于分析誤差、優化設計加工過程、減少產品不合格率有著重大的意義[12]。

對于中海油服地層測試器EFDT，利用基于MBD和特征的三坐標測量技術自動獲取MBD模型中的檢測特征和公差等信息，檢測產品幾何尺寸性能是否符合設計和使用要求。當基體加工完成后，再利用NX軟件平臺創建符合基體特征的檢測路徑和檢測程序，研究快速生成無碰撞測量程序的典型方法。在實際測量運行前，充分利用仿真功能進行干涉檢查并及時修正，最后輸出符合要求的質量檢測報告，實現了加工測量一體化(圖6)。

圖6 中海油服EFDT基于MBD的測井儀器基體數字化檢測Fig .6 Digital inspection for COSL EFDT logging tools base based on MBD

5 應用效果

以中海油服地層測試器EFDT雙探針短節為例，傳統方式基體上的斜孔是利用工裝進行加工，過程復雜且加工精度無法保證；而采用MBD數字化加工技術實現了在機床上一次加工完成，大大提高了生產效率和質量。另外，采用傳統方式加工檢測EFDT模塊基體，須人工手動編程和在多臺設備間變換裝卡加工，加工周期大約為60 d，且精度難以保證；而采用MBD數字化加工檢測技術使得加工周期縮短至15 d，生產效率較之傳統模式提高了3～5倍，且基體是在一臺車銑復合機床上高集成加工完成，大大提高了產品加工成功率和精度，所加工的多種基體一次加工成功率為100%，產品精度提高了一個數量級。

實踐證明，中海油服通過開展基于MBD技術的復雜測井儀器基體數字化設計、加工制造與檢測一體化技術研究與應用，改變了以紙質為主要載體進行產品制造和信息傳遞的工作模式，實現了設計制造的電子化表達；通過在車間配置大液晶顯示，便于進行模型和工藝卡片的瀏覽，為全面實現數字化車間的無紙化生產和工廠數字化建設打下了堅實基礎，也必將推動測井領域向數字化設計制造模式的變革。

6 結論

以中海油服地層測試器EFDT為例，針對復雜測井儀器基體結構及加工特點，在NX平臺下建立了基于MBD的基體數字化模型，并根據有限元分析結果進行優化設計；開展了基于MBD的車銑復合加工工藝和數控編程技術研究，采用基于特征的標準化工藝及數控編程模板技術，有效地提高了加工與編程的效率和質量；采用基于MBD和特征的三坐標測量技術，大大提高了檢測效率和精度，最終實現了基于MBD技術的復雜測井儀器設計、加工制造及檢測的高度集成和一體化，顯著縮短了產品研制周期，提高了產品質量和生產效率。

[1] 李婧.核磁共振測井儀器刻度方法的研究[D].武漢:華中科技大學,2008:4-6. LI Jing.Scale division for nuclear magnetic resonance logging tool[D].Wuhan:Huazhong University of Science and Technology,2008:4-6.

[2] 陶杰,葛如海,周臨震,等.基于模型的數字化定義在UG/NX中的實現[J].機械設計,2013,30(1):14-18. TAO Jie,GE Ruhai,ZHOU Linzhen,et al.Realization of MBD model digitalization definition in UG/NX[J].Journal of Machine Design,2013,30(1):14-18.

[3] 馮潼能,王錚陽,孟靜暉.MBD技術在數字化協同制造中的應用與展望[J].南京航空航天大學學報,2012,44(增刊1):132-137. FENG Tongneng,WANG Zhengyang,MENG Jinghui.Application and development of MBD in digital collaborate manufacturing[J].Journal of Nanjing University of Aeronautics & Astronautics,2012,44(S1):132-137.

[4] 王占富,丁來軍,謝麗萍.MBD支持的不同設計平臺協同設計技術探討[J].航空制造技術,2013(3):47-49. WANG Zhanfu,DING Laijun,XIE Liping.Discussion about MBD supported collaborative design based on different platforms[J].Aeronautical Manufacturing Technology,2013(3):47-49.

[5] 葉盛,唐家霖,鮑勁松,等.基于MBD技術的三維裝配工藝系統構建及應用[J].排灌機械工程學報,2015,33(2):179-184. YE Sheng,TANG Jialin,BAO Jinsong,et al.MBD-based three-dimensional assembly process modeling and application[J].Journal of Drainage and Irrigation Machinery Engineering,2015,33(2):179-184.

[6] 成彬,唐家霖,白茜,等.基于MBD的三維模型信息標注與管理[J].煤礦機械,2015,36(11):276-278. CHENG Bin,TANG Jialin,BAI Xi,et al.3D model information annotation and management based on MBD[J].Coal Mine Machinery,2015,36(11):276-278.

[7] 吳寶海,嚴亞南,羅明,等.車銑復合加工的關鍵技術與應用前景[J].航空制造技術,2010(19):42-45. WU Baohai,YAN Yanan,LUO Ming,et al.Key technology and application prospect of turning/milling machining[J].Aeronautical Manufacturing Technology,2010(19):42-45.

[8] 李佑宏.葉片五軸數控加工若干關鍵技術的研究與應用[D].武漢:華中科技大學,2007:18-23. LI Youhong.Research and application on the key technologies for five-axis NC machining of blade[D].Wuhan:Huazhong University of Science and Technology,2007:18-23.

[9] 侯中祥.多軸數控加工過程中工藝參數優化和加工仿真[D].武漢:華中科技大學,2007:37-38. HOU Zhongxiang.Optimization of processing parameters and simulation in multi-axis CNC machining[D].Wuhan:Huazhong University of Science and Technology,2007:37-38.

[10] 方憶湘,高婷,黃風山.智能三坐標測量中的檢測信息識別與獲取技術發展[J].河北科技大學學報,2013,34(2):134-141,165. FANG Yixiang,GAO Ting,HUANG Fengshan.Development of technology for recognizing and extracting inspection information in intelligent coordinate measurement[J].Journal of Hebei University of Science and Technology,2013,34(2):134-141,165.

[11] 王健美,王君英.面向三坐標測量機應用的檢測特征自動提取和識別[J].中國機械工程,2005,16(23):2098-2100. WANG Jianmei,WANG Junying.Automatic inspection feature extraction and recognition in CMM inspection planning[J].China Mechanical Engineering,2005,16(23):2098-2100.

[12] 李其龍,徐偉,田清源.三坐標檢測結果的可靠性探討[J].機床與液壓,2013,41(14):114-116. LI Qilong,XU Wei,TIAN Qingyuan.Study on the reliability of measurement results by CMM[J].Machine Tool & Hydraulics,2013,41(14):114-116.

(編輯：張喜林)

Research on the integration of digital design, machining and inspection for complex logging tools based on MBD

FENG Yongren CHEN Yongchao

(COSLWell-TechDivision,Sanhe,Hebei065201,China)

The traditional mode of design, machining and inspection with “2D engineering drawing+3D model” for complex logging tools has been used for a long time, which efficiency and machining precision is low and cannot satisfy the increasing requirements of high precision and high efficiency. Taking the typical base of COSL formation tester EFDT as an example, research on the integration of digital design, machining and inspection for complex logging tools based on MBD is conducted. First, aiming at the structure and machining characteristics of complex logging tools, a full 3D digital model is established based on MBD with NX software platform. Then the research and practice of turn-milling machining technology and numerical control programming technology based on MBD are carried out, which can effectively improve the machining efficiency and quality. Finally, the three-coordinate measuring technology based on MBD and feature is adopted to realize the integration of design, machining and inspection for complex logging tools. The application shows that the technology can significantly shorten the development cycle of complex logging tools, improve product quality and production efficiency. The technology can change the traditional work mode, lay a solid foundation for the comprehensive realization of paperless production and factory digitalization construction, and will promote the reform of digital design and manufacturing mode in the field of logging.

complex logging tool; base; MBD technology; digital design; digital machining; digital inspection; COSL EFDT

馮永仁，男，教授級高級工程師，1983年畢業于原河北機電學院機械專業，獲學士學位，主要從事測井儀器及隨鉆儀器研發，機械結構設計、液壓系統設計等工作。地址：河北省三河市燕郊經濟開發區行宮西大街81號中海油服油田技術研究院(郵編：065201)。E-mail:fengyr@cosl.com.cn。

1673-1506(2017)03-0001-06

10.11935/j.issn.1673-1506.2017.03.001

P631.3+3

A

2016-10-18 改回日期：2017-03-30

*“十二五”國家科技重大專項“模塊式地層動態測試系統(編號：2011ZX05020-003)”部分研究成果。

馮永仁,陳永超.基于MBD技術的復雜測井儀器數字化設計、加工與檢測一體化研究[J].中國海上油氣，2017,29(3)：1-6.

FENG Yongren,CHEN Yongchao.Research on the integration of digital design, machining and inspection for complex logging tools based on MBD[J].China Offshore Oil and Gas,2017,29(3):1-6.