航天產品三維數字化工藝設計模式探索

焉 嵩 路騏安 胡志強 張海洋 陳宏亮 王 碩 劉彩軍

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航天產品三維數字化工藝設計模式探索

焉 嵩 路騏安 胡志強 張海洋 陳宏亮 王 碩 劉彩軍

（首都航天機械有限公司，北京 100076）

初步探索了基于三維模型的數字化工藝設計模式的實現思路和具體做法，分析了三維設計模型內容。以同步建模技術為基礎的逆向建模為核心，建立了三維設計模型向三維工藝模型的衍化方法。實現了設計和制造信息的三維模型集成應用方案，為全面實現航天產品設計、工藝、制造、檢驗的高度集成打下基礎。

數字化工藝設計；逆向建模；三維工藝模型；模型衍化

1 引言

航天產品具有高可靠性、高穩定性的質量要求，經過多年的發展已經形成了一套以二維工程圖為核心的規范化產品研制模式。隨著MBD（Model Based Definition）的推廣實施，三維模型完整表達產品的定義信息，并作為設計、制造全過程中的唯一依據，航天產品的定義也從二維工程圖發展到了三維模型，新一代航天產品已經實現了全三維數字化設計。

依據二維工程圖重新建立三維模型以實現數控加工工序設計以及數控程序輸出，這種研制生產方式繼承性差、效率低、易出錯，嚴重影響產品研制周期和產品質量[1]。基于二維工程圖的二維工藝設計模式已不能滿足新一代航天產品三維數字化設計制造階段的研制要求，三維工藝設計模式將逐步替代傳統的二維工藝設計模式，即從無紙化到無圖化[2]。因此，有必要盡快開展航天產品三維數字化工藝設計模式的探索性研究，即“三維設計+三維工藝”的研制模式，摸索出基于三維模型的數字化工藝設計模式的實現思路和具體做法，實現三維數字化向制造領域的延伸，為全面實現航天產品設計、工藝、制造、檢驗的高度集成打下基礎。

2 技術方案

2.1 三維設計模型的建立

設計人員根據航天產品的功能需求進行結構特征詳細設計，并建立航天產品真實的三維設計模型，三維設計模型信息包含產品幾何特征、三維標注、屬性信息等。

為了縮短設計周期、降低制造成本，工藝人員應全程參與航天產品的設計過程，針對航天產品工藝可制造性和經濟性等進行設計工藝協同，并及時反饋工藝意見，設計人員不斷完善更新航天產品三維設計模型。經相關單位審查會簽的三維設計模型作為產品設計、制造的唯一依據，并通過三維模型數據管理平臺進行產品數據輸入和輸出管理，確保三維設計模型數據的準確性和唯一性。

2.2 三維工藝模型的衍化過程

加工是產品從毛坯到目標結構的材料幾何狀態變化過程，工藝設計是一個產品多模態演變過程，多模態模型是產品不同加工時序下從毛坯態到最終態一系列中間狀態模型的集合。加工可分為多個工序，不同工序按照加工順序構成工序鏈，標記為工序1…工序…工序。

由于加工余量設置、公差積累等原因，三維設計模型只能作為產品成品檢驗的依據，無法直接指導產品的生產和檢驗。因此，需要建立以三維設計模型為源頭、以加工工藝流程為指導的三維工藝多狀態模型集合，即三維工藝模型，用于指導產品的生產和檢驗。

工序鏈上工序節點作為三維設計模型向三維工藝模型衍化映射條件,通過采用變形映射技術建立產品加工過程中幾何演化模型[3]。三維工序模型與產品加工工序狀態一一對應，三維工序模型1對應產品初始毛坯狀態，三維工序模型對應產品最終成品狀態，其余的三維工序模型對應產品中間工序的各個半成品狀態。以產品加工中間工序為例，工序內容作為映射條件約束，三維工序模型+1作為輸入條件，輸出三維工序模型。因此三維工序模型采用“成品→工序→毛坯”的逆向設計過程，按照逆向加工工藝流程的過程依次建立三維工序模型。

在三維設計模型的基礎上，工藝人員以當前工序內容和下一工序模型為約束條件，依次逆向建模，建立具有前后依存關系的三維工序模型，用于指導產品的生產和檢驗。集成完整工藝信息的三維工序模型集合成為三維工藝模型，三維工序模型衍化流程見圖1。

圖1 三維工藝模型衍化流程

2.3 三維工序模型的創建

圖2 三維工序模型信息

三維工序模型是三維工藝設計的核心基礎單元。三維工序模型集成了當前工序全部工藝信息，包含幾何模型、三維標注、屬性信息、加工信息等，具體如圖2所示。三維工序模型繼承于三維設計模型，模型幾何結構的變化反映了產品加工部位發生相應的變化。以三維工序模型為基礎進行詳細的工藝設計工作，進行加工工序及工步的設計，工作內容包含加工余量與工序尺寸計算、裝夾方法選擇、制造資源選擇、加工工藝參數設定、切削路徑規劃等。通過三維工序模型完成工藝信息的組織、存儲、管理，實現三維工藝設計。

2.4 三維工藝設計的實施方案

通過建立統一的三維模型數據管理平臺進行產品數據管理，可提高設計部門與生產部門的協同效率。工藝人員在產品設計階段提前介入并進行協同設計，產品設計完成后能夠做出快速響應并進行工藝方案設計、工藝模型建模等工藝準備工作。

圖3 三維工藝設計流程

如圖3所示，基于三維設計模型逆向加工工藝流程建立三維工藝模型的流程如下：

a.設計人員建立三維設計模型，工藝人員進行設計工藝協同，經相關人員會簽后的三維設計模型通過三維模型數據管理平臺進行數據輸入和輸出管理；

b.工藝人員讀取三維設計模型，分析產品幾何特征、三維標注、屬性信息等，選擇合適的加工工藝方法，完成產品加工工藝流程設計，確定加工工序、工步內容及要求；

c.基于三維設計模型，工藝人員依據產品加工工藝流程設計逆向建模，從后向前依次建立前后關聯的三維工序模型；

d.基于三維工序模型，工藝人員進行詳細的工序設計，輸出工序內容、加工要求、三維標注、屬性信息、加工設備、工藝裝備、裝夾方法、刀具信息、切削參數、切削路徑等工藝信息；

e.工藝人員依據三維工序模型的依存關系建立產品的三維裝配模型，并將工藝信息集成到對應的三維工序模型中，匯總所有工藝信息的三維裝配模型即產品的三維工藝模型。

三維工藝模型完整表達產品的定義信息和工藝信息，實現產品三維數字化工藝設計，并用來指導產品的生產和檢驗，最終實現航天產品設計、工藝、制造、檢驗的高度集成。

3 應用實例

以一種典型的航天產品法蘭為例，以NX10.0為工藝設計平臺，實現法蘭產品三維數字化工藝設計。

法蘭產品三維設計模型經相關單位審查并會簽后下發生產部門，工藝人員依據三維設計模型設計加工工藝流程，并確定加工工序、工步內容及要求，法蘭產品加工主要工序內容包括下料、車大端、車小端、銑花瓣并鉆孔、檢驗。工藝人員利用NX10.0平臺同步建模功能，依據加工工藝流程，逆向進行三維工序模型創建，如圖4所示。

圖4 法蘭三維工藝模型設計過程

法蘭產品的三維工序模型具有前后依存關系，以三維裝配模型格式進行三維工序模型匯總，裝配結構樹如圖5所示，三維裝配模型作為法蘭產品三維工藝的載體。

圖5 法蘭三維裝配模型結構樹

圖6 法蘭三維工序模型實例圖

工藝人員依據各個三維工序模型分別進行工序的工步內容詳細設計、工藝參數設定、切削路徑規劃等，并將工藝信息集成于相應的三維工序模型中。以銑加工工序為例，三維工序模型中包含工序內容、工藝尺寸要求、加工坐標系位置、加工刀具、切削路徑等內容，如圖6所示。

工藝人員依次完成法蘭產品三維裝配模型中各個三維工序模型的工藝信息集成，即完成法蘭產品三維工藝模型的建立，三維工藝模型可用于直接指導法蘭產品的生產和檢驗，實現法蘭產品設計、工藝、制造、檢驗的高度集成，最終實現法蘭產品的三維數字化工藝設計，即“三維設計+三維工藝”的研制模式。

4 結束語

本文通過分析產品在加工過程中狀態的變化，建立了從設計模型到工藝模型的衍化方法，在繼承設計模型的基礎上建立了工藝模型的組織內容與建模方法。本文所提出的方法能夠為新一代航天產品提供一種可行的三維數字化工藝設計途徑。

1 張文祥. 基于MBD的數控加工工藝技術研究[J]. 航空制造技術，2016(10)：70～78

2 莫蓉. MBD技術應用中的若干問題思考[J]. 航空制造技術，2015(18)：26～29

3 張定華. 面向航空復雜薄壁零件智能加工的進化建模方法[J]. 航空制造技術，2016(16)：93～98

Mode Exploration of 3D Digital Process Planning for Aerospace Products

Yan Song Lu Qian Hu Zhiqiang Zhang Haiyang Chen Hongliang Wang Shuo Liu Caijun

(Capital Aerospace Machinery Co., Ltd., Beijing 100076)

In this paper, a preliminary exploration is made on the idea and practice of the digital process planning mode based on 3D models, and the content of 3D design model is analyzed. Taking reverse modeling based on the technology of synchronous modeling as the core, the derivation method from 3D design model to 3D process model is established. The integrated application scheme of 3D model for design and manufacture information is realized, which lays the foundation for the high-integrated of aerospace product design, process, manufacture and inspection.

digital process planning；reverse modeling；3D process model；model derivation

焉嵩（1984），工程師，機械制造及自動化專業；研究方向：數字化制造。

2019-02-02