基于PLM系統(tǒng)的三維工裝參數(shù)化設計與應用

吳昊，張建鋒，包鵬，劉煜

杭州汽輪機股份有限公司 浙江杭州 310022

1 序言

智能制造是未來制造業(yè)的發(fā)展方向，其主要特點是數(shù)字化、信息化、網(wǎng)絡化和智能化。數(shù)字化設計與制造是智能制造的核心技術，是搭建工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺的關鍵。因此不管是零部件產(chǎn)品還是工裝，模型的三維數(shù)字化都將成為趨勢。與傳統(tǒng)的二維紙質(zhì)工裝相比，三維工裝具有如下優(yōu)點。

1）以可視化的形式直接呈現(xiàn)模型的尺寸、結(jié)構(gòu)、幾何公差和加工面等，減少了加工者的圖樣閱讀時間。

2）工裝設計后都需進行強度校核，與帶入一些計算公式相比，三維工裝可直接應用有限元軟件分析，大大節(jié)約校核時間，且保證了校核的準確性。

3）未來數(shù)控機床將會普及，傳統(tǒng)的普通機床加工方式將會被數(shù)控加工所替代，有了三維模型即可用專業(yè)的三維編程軟件進行數(shù)控編程，極大地減少了手動編程的時間。

4）數(shù)控程序在實際使用前需進行仿真驗證，驗證時帶入實際所使用的工裝，更能確保程序的安全可靠性，避免實際加工時出現(xiàn)干涉或者刀具與工裝、機床的碰撞問題。

5）將三維零件模型與工裝模型進行裝配，可驗證工裝的可使用性，避免干涉。

工業(yè)汽輪機的非標定制會導致加工或者裝配汽輪機各零部件時所用到的工裝種類繁多，例如有內(nèi)外缸水壓試驗工具、液壓套裝工具、動平衡連接法蘭及試車法蘭等，大多數(shù)情況下都需要重新設計相應的工裝。本文主要以某一類工裝為例介紹杭州汽輪機廠基于PLM系統(tǒng)的三維工裝參數(shù)化設計與應用的過程。

2 三維工裝參數(shù)化設計

2.1 創(chuàng)建三維工裝及參數(shù)化模板

動平衡連接法蘭是轉(zhuǎn)子動平衡試驗時連接動平衡機與轉(zhuǎn)子的專用工裝，針對不同轉(zhuǎn)子，都需重新設計法蘭。因為與動平衡機相連的結(jié)構(gòu)固定，故只需設計與轉(zhuǎn)子相連部分的結(jié)構(gòu)，且每個工裝的大多數(shù)尺寸是固定的，只改變了若干個特征尺寸，例如外圓、內(nèi)孔孔徑、連接孔的個數(shù)和大小等。若是每個工裝都重新建模、出工程圖，將費時費力，所以創(chuàng)建一個三維工裝的參數(shù)化模板可提高模型的設計效率。

首先以某一個已有動平衡連接法蘭為基礎利用SolidWorks創(chuàng)建三維模型，然后建立參數(shù)化數(shù)據(jù)表。其中，參數(shù)化數(shù)據(jù)表由Excel表建立，表中各參數(shù)已與三維模型對應尺寸相鏈接，且表中含有工裝物號、需變化的參數(shù)及相對應參數(shù)的圖示說明。

2.2 創(chuàng)建有限元分析模板

工裝設計后進行強度校核，啟動SolidWorks Simulation，設置動平衡連接法蘭材料、夾具、轉(zhuǎn)矩后，劃分網(wǎng)格進行靜力學分析。分析后得到圖1所示結(jié)果并保存。當參數(shù)表中輸入新數(shù)據(jù)后將重新生成新的三維模型，刷新模型后，有限元分析會自動生成新工裝的校核結(jié)果，以校核結(jié)果來判斷工裝設計的可行性，必要時返回參數(shù)表更改某些尺寸。

圖1 動平衡連接法蘭靜力學分析模板

2.3 創(chuàng)建三維標注模板

三維工裝校核通過后需進行三維標注，三維標注的存在可降低加工者的識圖時間。

三維標注一般有兩種方法，一種是利用SolidWorks MBD插件進行標注，另一種是直接顯示模型的特征尺寸。使用一種方法往往不能達到完全標注的效果，所以通常需要兩種方法相結(jié)合。與有限元模板一樣，三維標注結(jié)果也可隨著模型的改變而自動更改。

2.4 創(chuàng)建二維工程圖模板

目前三維標注還未普及，車間仍需二維CAD圖樣，在SolidWorks中根據(jù)公司企標創(chuàng)建二維CAD圖樣樣式。二維工程圖模板中材料、質(zhì)量、零件名稱、物號及制圖時間與三維模型各屬性鏈接，圖樣上標好第一個三維模型的所有尺寸，并保存。當生成新的三維模型后，工程圖中模型尺寸以及上述的材料、質(zhì)量等屬性都會相應更改。因為沒有進行軟件的二次開發(fā)，所以圖樣生成時會存在一定的尺寸錯位，需手動微調(diào)。

2.5 創(chuàng)建數(shù)控編程模板

工裝結(jié)構(gòu)確定后，下一步在加工前創(chuàng)建數(shù)控編程模板。目前市場上較流行的數(shù)控編程軟件主要有Mastercam、SolidCAM、UG和PowerMILL等。為了避免在不同模型之間轉(zhuǎn)換時特征的缺失，采用了在SolidWorks軟件上安裝Mastercam for SolidWorks插件的方式，利用插件創(chuàng)建動平衡連接法蘭的數(shù)控編程模板，部分編制過程如圖2所示。至此，三維工裝及所有的參數(shù)化模板建立完畢。

圖2 創(chuàng)建數(shù)控編程模板示意

3 三維工裝的應用

制造業(yè)企業(yè)實現(xiàn)智能制造通常需要基于三大系統(tǒng)，即PLM系統(tǒng)、ERP系統(tǒng)和MES系統(tǒng)。PLM系統(tǒng)可實現(xiàn)各部門之間對零部件、圖樣、程序和任務等信息的傳遞。早在幾年前杭州汽輪機廠已引進PTC公司的Windchill系統(tǒng)代替原有的PDM系統(tǒng)。使用Windchill系統(tǒng)后工作效率有了明顯的提高。

目前工藝部門已創(chuàng)建了動平衡連接法蘭、內(nèi)外缸水壓試驗工具、液壓套裝工具和鏜孔模板等工裝模板，并把這些模板上傳到了PLM系統(tǒng)中。當工藝人員需要重新設計工裝時，只需在SolidWorks軟件中打開三維工裝參數(shù)化模板，輸入所需的新參數(shù)，驗證有限元分析結(jié)果后，刷新生成三維標注模型、數(shù)控程序及二維工程圖樣即可。其中二維工程圖樣另存為pdf版本，含三維標注的三維模型保存為3D.pdf版本。然后將程序、二維圖樣、三維圖樣按圖3所示流程上傳到PLM系統(tǒng)中，簽審批準后，入庫到PLM中，各部門即可進行圖樣、程序的傳閱和使用，減少圖樣的傳遞時間。

圖3 PLM系統(tǒng)中上傳流程示意

4 結(jié)束語

基于PLM系統(tǒng)的三維工裝參數(shù)化設計及應用可提高從設計到工藝再到生產(chǎn)制造的工作效率，降低生產(chǎn)成本，為公司帶來極大的經(jīng)濟效益，也是順應智能制造的趨勢所在。