基于模型的三維機加工藝設計模式應用研究

賀芳　張森棠　葉洪濤

本文針對傳統二維機加工藝設計中工藝表達不直觀、工藝數據繼承性差等問題，依托NX建模軟件和PDM數據管理平臺，提出了以三維機加工序模型作為工藝信息載體的思路，建立了包括三維機加工藝設計、三維機加工藝管理、三維機加工藝應用的三維機加工藝設計模式，突破了工序模型關聯建模技術、工藝信息模型定義技術和可視化展示技術等關鍵技術，實現了三維環境下的機加工藝設計。

一、引言

基于模型的定義（Model Based Definition，MBD）采用集成的三維實體模型來完整表達產品定義信息。在MBD的機加工藝設計中，三維工序模型成為表達制造信息的載體。將三維計算機輔助設計（Computer Aided Design，CAD）平臺由傳統的產品結構設計領域擴展到機加工藝設計領域，可以重用企業已有設計資源，同時直接為下游數控編程與數控測量提供三維模型數據來源。

但是目前，機加工藝設計的工作模式是建立二維工藝卡片的過程，在計算機輔助工藝規劃（Computer AidedProcess Planning，CAPP）系統中繪制工序模型的二維工程簡圖，填寫工藝規程/工序/工步等信息，最后打印形成紙質工藝卡片并在制造現場應用。傳統的二維機加工藝設計系統主要存在如下三個缺點。

（1）二維工序圖繪制繁瑣，常常需要采用簡化繪制，有時容易產生歧義。

（2）工序/工步信息與工序圖之間的映射不直觀，有時存在歧義。

（3）數據繼承性差，無法為后期的數控編程和加工檢測提供三維數據模型。

目前市場上有部分工藝設計產品實現了面向裝配工藝的設計仿真，利用三維裝配動畫表達裝配工藝過程，但面向機加工藝設計仍然沒有突破二維工藝卡片與簡圖的局限。

為改變二維環境下機加工藝設計存在的不足，本文研究了三維環境下機加工藝設計的關鍵技術，擴展NX三維CAD軟件平臺作為三維機加工藝設計平臺，以三維工序模型作為工藝信息載體表達與記錄工藝符號，建立三維環境下的機加工藝設計能力。

二、三維機加工藝模式

依托NX建模軟件和PDM數據管理平臺，建立基于設計MBD模型的三維機加工藝設計系統。三維機加工藝設計系統以三維機加工序模型作為工藝信息載體，利用三維手段實現機械加工的工藝設計與應用。系統以三維工藝規程包作為數據傳遞載體，分為三維機加工藝設計、三維機加工藝規程管理和三維機加工藝現場應用三個階段，如圖1所示。

1、三維機加工藝設計

三維機加工藝設計基于MBD方法建立統一的三維機加工藝模型，使其成為加工、分析和檢測的數據依據。平臺層利用成熟三維CAD系統NX作為三維機加工藝設計環境，提供三維表達的基本條件與手段。工具層基于平臺層建立工藝信息錄入工具，幫助工藝人員快速準確的錄入工藝信息；面向三維機加工藝設計的工序/工步模型生成輔助工具，輔助工藝人員面向工藝知識生成三維工序模型；三維工藝設計工具輔助在三維環境下標注工藝符號，建立工藝符號與工序模型之間的關聯；機加工藝卡片工具是輔助工藝員建立機加工藝過程的結構化描述，同時建立它與三維工藝信息之間的映射關聯。模型層以CAD平臺下的三維模型作為機加工序模型，以三維工藝符號表達工藝要求，以結構化工藝卡片描述工藝過程，最終生成三維機加工藝規程，以替代原有紙質二維機加工藝卡片。

2、三維機加工藝管理

作為三維機加工藝設計結果，三維機加工藝規程由企業產品數據管理（Product Data Management，PDM）系統負責管理。平臺層將企業現有的PDM系統作為三維工藝規程的數據管理環境，為三維機加工藝提供基礎管理平臺，避免在多個系統中維護多套工藝數據。工具層包含PDM的典型管理模塊，數據管理工具負責存儲三維機加工藝規程，并建立與產品設計模型之間的主模型關系；審簽流程管理工具負責三維機加工藝的發布與審簽控制；版本管理工具負責三維機加工藝規程更改后的版本升級維護；權限管理工具負責控制三維機加工藝規程在數據管理過程中的權限控制。模型層是由三維機加工藝設計環節傳遞的三維機加工藝規程包。

3、三維機加工藝應用

三維機加工藝應用為機加工現場提供三維機加工藝的查詢瀏覽環境。平臺層采用Web與輕量化技術建立工藝瀏覽環境，提供對輕量化三維工序模型的顯示與交互能力。工具層中的工藝規程解釋工具負責解析三維機加工藝規程包，獲得三維工序模型與機加工藝卡片；工序模型輕量化工具負責將三維工序模型轉化為輕量化三維模型；工藝模型表達工具負責提供輕量化工序模型的交互瀏覽能力；工藝規程重構工具負責重新建立機加工藝卡片與輕量化工序模型之間的映射關系，實現三維工藝瀏覽。模型層包括輕量化三維工序模型、輕量化三維工藝符號和機加工藝卡片。三維機加工藝模式圖如圖1所示。

三、三維機加工藝實現

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、集成、管理和結構化自動存儲。工藝信息模型定義可以實現機加工藝信息的錄入與編輯功能，將用戶錄入的工藝屬性信息保存并記錄下來，將工藝信息錄入與編輯功能錄入的工藝信息同步存儲在一個XML文件中，并記錄相應節點的工藝屬性信息、三維模型名稱等信息（如圖2所示）。在XML文件中設置了工藝規程輸出時相應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填充。每次打開系統時，系統會自動讀取最新的XML文件生成相應的工藝結構樹，每次關閉系統時，系統也會自動保存工藝結構樹的節點信息保存到XML文件中，這樣就保證了XML文件的實時更新和工藝結構樹的始終正確。

2、工序模型關聯建模

在NX WAVE技術的基礎上進行二次開發，形成了模型幾何關聯關系創建器，模型幾何關聯關系創建器使用在三維工藝模型之間建立全相關關聯關系，如圖3所示，進一步提高了三維模型建模效率，同時實現了三維模型一處更改，處處更改的數據一致性維護，使工藝更改效率大大提高，出錯率大幅減??；系統模型幾何關聯關系瀏覽器，將模型間隱性的關聯關系用圖形的顯式方式表達，使模型間關聯關系實現可視化，從而可以方便地對其進行維護。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，是一種面向行業的、高性能、輕量化且靈活的文件格式，用于捕獲和表達“三維產品定義”數據，促進在整個擴展企業中的協作、驗證和可視化，其在2012年12月已被ISO接受為國際標準（ISO IS 14306：2012）。JT模型文件是三維實體模型經過三角化處理之后得到的數據文件，它將實體表面離散化為大量的三角形面片，并進行適當的網格簡化，依靠這些三角形面片來逼近理想的三維實體模型三維工藝中大量的三維模型需要大量的存儲空間，在不影響生成現場瀏覽效果的情況下，對發布到制造現場的工藝規程中的全部工序模型進行輕量化處理，降低企業使用成本。

基于JT的輕量化展示是通過JT Open二次開發，向網頁中嵌入JT格式輕量化的三維模型，通過去除與模型顯示無關的非幾何信息來簡化三維模型，只包含了與工藝模型有關的顯示數據：產品結構、幾何、物理屬性和產品制造信息等。

4、三維機加工藝創建過程

（1）將設計模型數據自動引用到三維機加工藝設計系統中，利用設計數據對工序模型進行設計，在PDM系統內創建工藝結構樹，完成工藝信息錄入。

（2）解析PDM系統中的工藝結構信息，在三維機加工藝設計系統中自動創建與PDM系統對應的工序模型結構樹。

（3）通過新建、編輯、斷開和刪除幾何鏈接四種操作來實現工序模型間關聯關系的建立和改變，利用NX提供的PMI（Product and Manufacturing Information）標注技術標注加工工藝要求，形成三維工序模型。

（4）完成輕量化轉換，自動批量導出所有工序模型的JT輕量化模型到PDM系統中，生成工藝報表，實現三維機加工藝的三維發布，從而在三維環境下完成從產品到工藝過程的轉換。

四、結語

傳統的二維工藝卡片設計方法存在二維工序圖繪制繁瑣且易產生歧義，以及工序模型無法為后期的加工檢測與公差分析提供三維數據模型等問題，由此提出利用三維手段提升傳統二維工藝設計能力的方法。以三維工序模型替代二維工藝簡圖表達，使三維工序模型成為工藝信息的載體和加工檢測的數據來源。

本文從我國航空發動機企業工藝設計的實際出發，研究了三維環境下機加工藝設計的關鍵技術，提出了完整的三維機加工藝應用體系結構與工作模式，建立了三維環境下設計制造全新的模式、技術、工具和環境。本文的研究成果很好的解決了我國航空發動機企業工藝設計工作中采用的2D+3D混合產品定義方式存在的一系列問題，使三維工藝設計技術真正的在我國航空發動機企業得到了實際應用，將極大的提高我國航空發動機企業機加工藝設計環節的質量和效率，縮短產品生產、研發周期，降低企業成本。endprint