三維結構化工藝應用技術研究

任建偉

（中國航發哈爾濱東安發動機有限公司 黑龍江·哈爾濱 150066）

0 引言

目前采用二維工程圖紙為主、三維實體模型為輔的工藝設計方式，具體存在以下問題：

（1）現有工藝設計方法無法有效利用設計模型中的信息。目前三維設計已較為普及，而工藝設計仍依據二維圖紙生成二維的工藝過程卡和工序過程卡，無法有效地繼承和利用產品三維模型中的相關信息，造成設計和工藝脫節。對于過程較為復雜的零部件，工藝人員需要繪制多幅工藝附圖，信息的獲取及轉換需依靠手工操作，數據的一致性和完整性得不到保證。

（2）現有工藝設計方法信息載體不唯一，使數據共享、集成及變更困難。產品的幾何信息、公差、表面粗糙度等集中在二維圖紙中體現，而制造過程信息通過工藝過程卡、工序過程卡、操作指導書表達，造成信息脫節。當設計發生變更時，圖紙和相關工藝信息載體則需要手工更改，并重新打印出圖，不僅花費大量時間，而且極易出錯，同時對現場工人的識圖能力要求較高。

（3）現有工藝設計方法無法直觀地表達中間過程信息，現場檢驗難度大。二維工藝無法體現加工中間過程信息，進行工藝審查時需要由審查者在圖紙中獲取待審圖紙的特征信息，逐一進行人工審查，對于復雜的零部件，操作過程非常復雜、繁瑣，檢驗難度大。

1 三維結構化工藝應用技術

1.1 應用目標

基于CAD平臺開發三維工藝應用，以三維設計模型作為輸入，進行三維工藝設計，充分利用三維模型的表現力，準確直觀地表達工藝過程，具體目標為：

（1）在型號研制過程中實現以三維模型為唯一數據源的設計、工藝及生產并行的協同模式；

（2）實現型號研制無紙化作業，消除三維模型與二維圖紙間轉換過程，并以三維模型為依據進行型號加工工序、裝配工序、三維標準、工藝文件編制及三維模型下廠等相關工藝設計，從而提高型號工藝設計質量，縮短研制周期及降低生產制造成本等。

1.2 技術應用內容

三維工藝設計主要針對工藝設計過程全三維化的難點問題進行研究，包括三維工序模型構建、工藝信息規范表達、工藝規程可視化構建、三維工藝輸出及管理等。

（1）工藝信息統一：利用三維設計模型作為工藝輸入載體，開展工藝設計，以工藝模型作為信息載體，取代二維圖紙、工藝過程卡、工序過程卡等紙質文件；

（2）工藝信息的規范表達：對工藝設計過程中的工作中心、設備信息、刀具信息、切削參數等工藝信息進行合理標識及快速標注，規范工藝信息的表達方式。結合相關國家和行業標準，通過構建工藝信息組合符號，以三維標注的方式實現部分工藝信息的規范表達，并實現工藝信息與模型的關聯；

（3）工藝規程的可視化構建：在三維環境下構建工藝規程。通過構建可視化工藝規程樹，關聯工藝規程樹信息與制造資源、CAD模型樹特征信息，主要包括工藝規程樹可視化創建、樹節點信息與制造資源關聯選擇、樹節點與特征節點關聯掛接；

（4）三維工序模型構建：生成工藝中間過程三維工序模型。采用正向建模方式，零件加工從毛坯模型構建出發，產品裝配從單個元件出發，逐級構建中間過程特征，以便于后續生成三維工序模型；

（5）三維工藝設計信息關聯存儲：工藝規程樹信息及CAD模型數據在PDM系統中的關聯存儲；

（6）三維工藝仿真：在三維環境下進行工藝過程的仿真，包括加工過程仿真和裝配過程仿真；

（7）三維工藝輸出及管理：三維工藝結果的輸出方式和存儲內容，主要包括輕量化工序/工步模型生成、結構化工藝信息關聯存儲。

2 技術實現的總體規劃

（1）三維工藝采用PDM作為數據存儲與管理平臺，接收產品設計工程師提交的設計結果模型，并產生EBOM結構；

（2）基于PDM環境實現工藝任務分工與下發；

（3）工藝工程師接收到任務后，從PDM下載對應模型，開始進行工藝設計。工藝設計分為零件工藝和裝配工藝，其中零件工藝包括機加工工藝和鈑金工藝。

（4）工藝工程師完成設計后將結果提交至PDM平臺，產生PBOM；同時產生輕量化模型并形成三維工藝卡片；

（5）ERP系統負責提供工藝資源數據，并接收工藝設計結果PBOM，并在此基礎上完成MBOM的構建。

（6）提供MES系統可訪問的URL連接實現與MES系統的集成。

3 三維工藝CAPP技術具體實現手段

3.1 三維工藝CAPP裝配工藝

（1）裝配工藝設計：裝配工藝設計根據獲取到的EBOM，進行裝配工藝路線設計、裝配工序詳細設計和PBOM構建。其中，裝配工藝路線設計包括新建工序、刪除工序、完善工序屬性、新建工藝組件、添加配套零部件、添加裝配資源；裝配工序詳細設計包括新建工步、刪除工步、完善工步屬性、選擇裝配工具、選擇輔助材料；PBOM構建根據工藝設計信息生成PBOM的XML文件。

（2）裝配路徑規劃與仿真：裝配路徑規劃與仿真根據工藝設計確定的配套零部件、工裝，將配套零部件、工裝引入裝配環境，進行裝配路徑規劃，對裝配工藝設計的可行性和合理性進行驗證，若工藝設計存在問題，返回工藝設計模塊對工藝進行修改。裝配路徑規劃與仿真模塊的動畫形式包括關鍵幀序列動畫、定時視圖動畫、定時透明度動畫和定時顯示動畫。

（3）焊接裝配工藝信息標注：焊接裝配工藝信息標注包括焊接順序標注符號標注、焊接方向標注符號標注、焊接工藝信息標注和裝配工藝信息標注符號的標注。

（4）焊接/裝配后機加：焊接/裝配后機加模塊主要完成焊后機加和裝配后機加這兩種復合工藝的設計，主要內容是如何構建焊接/裝配工藝模型和組件機加工藝模型。

3.2 三維工藝機加工工藝

三維機加工工藝設計主要包括工藝模型動態構建、工藝特征構建、工藝信息標識及標注、工藝規程設計、三維工藝輸出及管理，并預留與其他軟件間數據交換接口，其中：

（1）工藝模型動態構建：用于快速構建工藝參考模型和毛坯模型；

（2）工藝特征構建：用于快速構建機加工中間過程的工藝特征；

（3）工藝信息標識及標注：用于構建工藝信息組合符號及實現在模型上的三維標注；

（4）工藝規程設計：用于構建工藝規程樹，實現產品、工藝、資源的有效整合；

（5）三維工藝輸出及管理：用于生成面向制造過程的輕量化工序/工步模型，同時關聯存儲工藝規程樹節點屬性信息。

3.3 三維工藝熱工藝

三維熱工藝設計主要包括工藝模型動態構建、工藝特征構建、工藝快速生成、工藝信息表達、工藝規程設計和工藝結果輸出及管理等關鍵技術，其中：

（1）工藝模型動態構建：用于快速構建工藝參考模型、工藝模型和制造組件模型；

（2）工藝特征構建：用于在工藝模型上快速構建面向制造過程的熱工藝特征；

（3）工藝快速生成：用于快速生成熱件的工藝載體；

（4）工藝信息表達：用于構建熱工藝信息組合符號及實現在模型上的三維標注；

（5）工藝規程設計：用于快速構建熱工藝規程結構樹，將產品、工藝、資源的進行有效整合，實現工藝規程節點與工藝特征關聯掛接；

（6）工藝設計結果輸出及管理：用于生成熱工序/工步輕量化模型，并實現工藝信息與模型的關聯存儲；

（7）加工范圍自動提醒：用于加工工藝性技術要求和設備選用合理性提醒。

3.4 工藝資源

以樹狀結構顯示已經配置好的輔助工藝信息，按機床、刀具、工序（加工方式）、切削液、工裝、材料分組。機床和刀具需帶有參數。

以表格形式左邊選中節點的詳細清單信息，其內容根據選擇結果的不同而變化。當選中“機床”時，顯示機床清單；選中其中某一臺具體機床時則顯示該機床的參數信息。選中“刀具”時，顯示刀具清單；選中其中某一把具體刀具時則顯示該刀具的參數信息。選中其他節點時，則顯示該節點的詳細清單。

3.5 工藝數據管理

（1）工藝節點自動解析：對三維工藝過程的工序和工步的自動解析和生成樹狀結構樹。通過讀取三維工藝設計軟件中的設計結果，綜合二維工藝卡片的信息，將工序和工步的信息以樹狀結構的形式構建出來，每個工序和工步都是該結構樹上的信息節點，信息節點被觸發后，可關聯到其對應的模型和工藝信息；

（2）三維工藝信息提取：對三維工藝信息的分類和獲取。通過數據接口，可以讀取到制造資源信息，將制造資源信息按一定的規則進行分類，并和三維工藝數據庫中讀取的工藝過程信息進行集成，分配到相應的節點信息中存儲；

（3）工序/工步模型可視化：每個工序和工步模型和信息的關聯生成。通過讀取三維工藝設計軟件中的模型信息，獲取相應的每個工序和工步的可視化模型。相應的工藝信息被讀取后，動態加載到節點信息的既定字段，其對應的數值通過XML語言可在Web頁面上動態顯示出來，由此，可實現工序/工步模型和工藝信息的同步可視化；

（4）模型與工藝節點同步：每個工序/工步模型和節點的同步關聯。通過讀取三維工序和工步模型，將工序和工步節點信息動態加載到對應模型的既定字段，并將工序/工步模型的主ID掛接到節點信息結構樹上，實現通過觸發信息節點來同步加載三維工序/工步模型和對應的工藝信息；

（5）三維工藝規程卡構建：傳統二維工藝卡片的三維化發布。通過上述的模型和信息的準備，該將工藝過程（工序/工步）流程信息、對應的工序/工步模型和工藝信息進行動態集成和顯示。

4 結語

本文將設計與工藝統一在三維平臺上，直接進行面向制造過程的設計，改變傳統的二維工藝設計模式。將三維工藝模型與設計模型共同保存在PDM系統中，打通設計、工藝、制造的三維數據鏈，實現設計、工藝與制造統一數據源，解決傳統的設計、工藝與制造中存在的信息孤島問題。通過面向制造過程的三維動態工序模型構建，直接面向制造過程制定符合規范的工藝規程，實現工藝模型可視化發布，將工藝結果按工步發布成獨立的可視化模式，使得在制造過程中每一個工步獲取到的信息不多余、不重復、不缺失。