開(kāi)拓進(jìn)取 目標(biāo)遠(yuǎn)大
以卓越的信息技術(shù)，持續(xù)推動(dòng)制造業(yè)創(chuàng)新發(fā)展
【期刊論文】基于MBD的三維工藝在機(jī)匣產(chǎn)品制造中的應(yīng)用研究
基于MBD的三維工藝在機(jī)匣產(chǎn)品制造中的應(yīng)用研究*
駱 強(qiáng)1，熊吉健2
（1.武漢開(kāi)目信息技術(shù)股份有限公司，武漢 430000；
2.中國(guó)航發(fā)成都發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司，成都 610503）
[摘要] 航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造精度高，產(chǎn)品加工難度很大。為了提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣產(chǎn)品的工藝設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量，分析了機(jī)匣零件三維工藝設(shè)計(jì)需要解決的問(wèn)題，研究了三維工藝設(shè)計(jì)的方法，并構(gòu)建了機(jī)匣零件三維工藝設(shè)計(jì)技術(shù)路線。通過(guò)某機(jī)匣產(chǎn)品驗(yàn)證了三維工藝技術(shù)的可行性，為三維工藝在航空發(fā)動(dòng)機(jī)的應(yīng)用推廣打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
關(guān)鍵詞： 機(jī)匣工藝；MBD；三維工藝；特征識(shí)別；知識(shí)推理；工序模型
航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造精度高，產(chǎn)品加工難度很大。目前企業(yè)工藝人員在進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)時(shí)主要還是通過(guò)經(jīng)驗(yàn)在大腦中形成，缺少對(duì)三維CAD模型的有效利用與支持，計(jì)算機(jī)對(duì)工藝性分析以及對(duì)加工工藝規(guī)劃的輔助支持比較欠缺，工藝的可行性很大程度取決于工藝人員的個(gè)人經(jīng)驗(yàn)，另外為了進(jìn)行CAM 設(shè)計(jì)，工藝人員需要將每道工序的三維模型設(shè)計(jì)出來(lái)，導(dǎo)致工藝設(shè)計(jì)對(duì)工藝人員的要求非常高，并且工作量巨大。因此發(fā)展和應(yīng)用智能三維工藝技術(shù)是航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣產(chǎn)品工藝設(shè)計(jì)的迫切需求。
1 機(jī)匣產(chǎn)品對(duì)三維工藝技術(shù)的需求
1.1 三維工藝國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀及主要存在問(wèn)題
美國(guó)是最早應(yīng)用三維數(shù)字化技術(shù)的國(guó)家?；谀Ｐ偷亩x（Model based definition，MBD），是美國(guó)機(jī)械工程師協(xié)會(huì)及波音公司等經(jīng)過(guò)10 多年的基礎(chǔ)研究，并在波音787 飛機(jī)上正式全面推行的新一代產(chǎn)品定義方法。在基于 MBD 技術(shù)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，用一個(gè)集成的三維數(shù)字化實(shí)體模型完整地表達(dá)產(chǎn)品信息，即將制造信息和設(shè)計(jì)信息（三維尺寸標(biāo)注及各種制造信息和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)信息）共同定義到產(chǎn)品的三維數(shù)字化模型中[1]。隨著三維數(shù)字化設(shè)計(jì)軟件技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，特別是產(chǎn)品采用 MBD 設(shè)計(jì)后，為制造工藝系統(tǒng)全面采用三維數(shù)字化工藝設(shè)計(jì)提供了數(shù)據(jù)和技術(shù)保障[2]。
國(guó)內(nèi)部分企業(yè)逐步應(yīng)用三維數(shù)字化工藝技術(shù)，如梟龍飛機(jī)和ARJ21 飛機(jī)機(jī)頭的制造過(guò)程中，結(jié)合數(shù)字化制造技術(shù)的發(fā)展方向進(jìn)行了部分三維工藝規(guī)劃的試點(diǎn)應(yīng)用[3]。
但是目前國(guó)內(nèi)外發(fā)展三維數(shù)字化工藝設(shè)計(jì)技術(shù)仍然存在一些問(wèn)題，首先是三維工序模型構(gòu)建效率不高，雖然已有一些輔助手段進(jìn)行工序模型構(gòu)建，如通過(guò)同步建模手段按照逆向加工工藝流程的過(guò)程依次建立三維工序模型[4]，或者基于UG/WAVE 的產(chǎn)品參數(shù)化建模[5]等技術(shù)手段能夠提高工序模型的設(shè)計(jì)，但是工序模型的自動(dòng)生成技術(shù)目前仍未普遍應(yīng)用，如何自動(dòng)生成三維工序模型已經(jīng)成為三維機(jī)加工藝設(shè)計(jì)中的瓶頸問(wèn)題[6]；其次是沒(méi)有基于已積累的工藝知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行輔助的工藝設(shè)計(jì)與規(guī)劃，導(dǎo)致工藝設(shè)計(jì)效率低且標(biāo)準(zhǔn)化程度不高。
1.2 機(jī)匣零件特點(diǎn)及加工工藝分析
航空發(fā)動(dòng)機(jī)是飛機(jī)的“心臟”，也是一個(gè)國(guó)家加工制造技術(shù)的重要體現(xiàn)[7]。機(jī)匣作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)上最關(guān)鍵、最重要的部件之一，是支撐轉(zhuǎn)子和固定靜子的重要部件，分布于航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇、壓氣機(jī)、燃燒室、渦輪以及排氣系統(tǒng)等部件[8–9]。機(jī)匣零件一般為回轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)，并通過(guò)配置不同的特征（比如凸臺(tái)、型腔、槽、孔等）來(lái)達(dá)到不同部位的使用性能。受工作環(huán)境的影響，不同部位的機(jī)匣采用不同的加工材料[10]。
航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣零件是航空發(fā)動(dòng)機(jī)加工制造的重點(diǎn)也是難點(diǎn)之一，不同的材料、不同的特征以及不同的形位公差要求都需要采用與之匹配的加工工藝，并且需要有相當(dāng)?shù)墓こ虒?shí)踐經(jīng)驗(yàn)后才能熟練應(yīng)用，由于不同技術(shù)人員工程經(jīng)驗(yàn)的差異造成現(xiàn)有機(jī)匣加工工藝穩(wěn)定性、成熟性和可靠性不高。
為了適應(yīng)數(shù)字化生產(chǎn)條件下的機(jī)匣加工工藝需求，需要利用數(shù)字化手段，總結(jié)、集成并整合各種類型、各種特征的加工經(jīng)驗(yàn)，形成可直接調(diào)用的機(jī)匣加工工藝知識(shí)庫(kù)，通過(guò)數(shù)字化的手段確保機(jī)匣加工工藝的穩(wěn)定性、成熟性和可靠性。
1.3 機(jī)匣零件三維數(shù)字化工藝技術(shù)需求
針對(duì)機(jī)匣產(chǎn)品的特點(diǎn)以及工藝設(shè)計(jì)現(xiàn)狀，現(xiàn)有模式存在以下3 點(diǎn)需求。
（1）更好地繼承和利用機(jī)匣的三維設(shè)計(jì)模型。雖然工藝人員能夠接收設(shè)計(jì)人員建立的機(jī)匣零件三維模型，但模型及模型上的PMI 標(biāo)注信息卻不能為工藝系統(tǒng)直接使用，如果僅僅作為查看，而不能輔助工藝人員進(jìn)行工藝分析和決策，模型及標(biāo)注本身的價(jià)值則大大降低。
（2）更好地利用企業(yè)已積累的大量機(jī)匣零件工藝知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)。企業(yè)制訂有各種規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，但是這些知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)、規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)均獨(dú)立在系統(tǒng)之外，工藝人員需要去查找、挑選。使用符合要求的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)也對(duì)工藝人員的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)提出要求。即使找到合適的資料，工藝人員還需要復(fù)制粘貼到工藝系統(tǒng)中才能復(fù)用。缺乏知識(shí)的積累和復(fù)用體系來(lái)保證，企業(yè)的工藝知識(shí)又非常容易流失，導(dǎo)致某些設(shè)計(jì)質(zhì)量問(wèn)題在生產(chǎn)過(guò)程中反復(fù)出現(xiàn)，引起質(zhì)量波動(dòng)。
（3）實(shí)現(xiàn)機(jī)匣零件三維工序模型快速構(gòu)建。目前的設(shè)計(jì)模式下，需要工藝人員利用3D CAD 建立機(jī)匣零件的每道工序的三維工序模型，再將工序模型投影成工藝簡(jiǎn)圖，不僅大幅度增加了工藝人員的工作量，而且也使得工藝人員無(wú)法將關(guān)注力集中在工藝本身。而當(dāng)模型發(fā)生變化時(shí)，或者工藝需要調(diào)整時(shí)，重建工序模型也使得工藝更改的工作量增加。
（4）實(shí)現(xiàn)機(jī)匣零件工藝三維可視化呈現(xiàn)。企業(yè)目前采用工藝卡片的呈現(xiàn)形式，文字加簡(jiǎn)圖的表達(dá)方式缺乏加工過(guò)程的直觀、可視的表達(dá)。
2 機(jī)匣產(chǎn)品三維工藝研究
2.1 機(jī)匣產(chǎn)品三維數(shù)字化工藝設(shè)計(jì)流程
三維數(shù)字化工藝設(shè)計(jì)首先利用特征提取和識(shí)別技術(shù)分析零件MBD 模型，得到以特征為單位的幾何、工藝信息。然后，通過(guò)工藝推理和決策模塊獲得所提取特征，識(shí)別加工需要的設(shè)備和工藝參數(shù)信息。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)人機(jī)交互編排工藝過(guò)程確定每道工序加工內(nèi)容，再構(gòu)建零件毛坯模型，然后基于每道工序加工內(nèi)容正向從毛坯到零件自動(dòng)創(chuàng)建每道工序的三維工序模型，最后推理每道工序的設(shè)備及刀具等加工參數(shù)，從而形成零件的加工工藝過(guò)程。數(shù)字化工藝設(shè)計(jì)軟件技術(shù)路線如圖1所示。
圖1 三維數(shù)字化工藝設(shè)計(jì)技術(shù)路線
Fig.1 Technical route of 3D digital process desig
2.2 機(jī)匣零件特征識(shí)別技術(shù)
通過(guò)特征識(shí)別技術(shù)可以對(duì)機(jī)匣零件的MBD 模型進(jìn)行特征識(shí)別以及信息提取，形成加工特征并提取特征的幾何信息以及非幾何信息。特征識(shí)別技術(shù)基于三維模型的幾何信息以及幾何拓?fù)潢P(guān)系進(jìn)行重新融合并形成加工特征，再通過(guò)標(biāo)注的關(guān)聯(lián)體轉(zhuǎn)換和匹配，得到特征的制造信息。
機(jī)匣零件特征主要分為回轉(zhuǎn)面系、錐底槽、側(cè)壁、孔系、平面、環(huán)槽等類型特征，按照加工方法進(jìn)行定義，如圖2 所示。
圖2 機(jī)匣零件特征分類
Fig.2 Feature classification of casing parts
在加工特征幾何信息識(shí)別中，根據(jù)幾何體素的拓?fù)潢P(guān)系，將一個(gè)或多個(gè)幾何體素信息合成加工特征；基于三維模型上的PMI 進(jìn)行提取，獲取產(chǎn)品制造信息，即非幾何信息，包括尺寸標(biāo)注、粗糙度標(biāo)注、幾何精度標(biāo)注和文本標(biāo)注等。特征識(shí)別結(jié)果如圖3 所示。
圖3 錐底槽特征識(shí)別
Fig.3 Cone bottom groove feature recognition
2.3 基于知識(shí)的工藝推理技術(shù)
針對(duì)機(jī)匣類型零件，定義一套加工知識(shí)庫(kù)，基于識(shí)別的特征的幾何信息與制造信息進(jìn)行加工方法推理，推理出特征的加工步驟以及余量。如機(jī)匣中的錐底槽特征經(jīng)過(guò)知識(shí)庫(kù)的推理得出的加工步驟為“粗銑—半精銑”，且粗銑的底面與立面的余量為0.5 mm，如圖4所示。
圖4 錐底槽加工方法推理
Fig.4 Reasoning of processing method of tapered bottom groove
機(jī)匣零件工藝知識(shí)庫(kù)包括加工工藝知識(shí)庫(kù)、通用工藝知識(shí)庫(kù)。加工工藝知識(shí)庫(kù)，主要分為工藝資源、工藝方法、工藝推理邏輯流程三大類。其中工藝資源為工藝基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，包括材料庫(kù)、刀具庫(kù)、設(shè)備庫(kù)、切削參數(shù)庫(kù)等；工藝方法包括機(jī)加工工藝方法、加工余量、熱處理規(guī)范等；工藝推理邏輯流程用于對(duì)特征加工方法以及機(jī)匣零件工藝路線推理的邏輯判斷。通用工藝知識(shí)庫(kù)，包括典型機(jī)匣零件的工藝實(shí)例，將典型機(jī)匣零件的工藝實(shí)例以結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)進(jìn)行錄入，供相似零件進(jìn)行工藝復(fù)用，提高工藝設(shè)計(jì)效率與工藝質(zhì)量。機(jī)匣零件工藝知識(shí)庫(kù)框架如圖5 所示。
圖5 機(jī)匣零件工藝知識(shí)庫(kù)框架
Fig.5 Process knowledge base framework of casing parts
構(gòu)建一個(gè)參數(shù)化工藝設(shè)計(jì)平臺(tái)來(lái)使用工藝知識(shí)庫(kù)中的加工方法推理邏輯流程，通過(guò)采用參數(shù)過(guò)程圖技術(shù)實(shí)現(xiàn)特征工藝知識(shí)的表達(dá)、定義、解釋和輸出。定義參數(shù)過(guò)程圖是工藝知識(shí)表達(dá)和應(yīng)用的核心模塊，其核心功能主要包括參數(shù)定義、流程定義、流程解釋等功能，如圖6 所示。
圖6 參數(shù)過(guò)程圖知識(shí)定義與應(yīng)用過(guò)程示意圖
Fig.6 Schematic diagram of knowledge definition and application process of parameter process diagram
把工藝知識(shí)用可視化的流程圖的方式表達(dá)。流程定義包括流程圖的繪制、流程圖中圖元的屬性確定等工作。簡(jiǎn)化的加工方法推理流程判定邏輯如圖7所示。
圖7 特征加工方法推理流程定義
Fig.7 Definition of reasoning process of feature processing method
輸入工藝參數(shù)，通過(guò)解釋工具對(duì)工藝知識(shí)進(jìn)行推理判斷，生成符合條件的工藝過(guò)程和工藝內(nèi)容。輸入的變量取值不同，影響決策判斷的條件，導(dǎo)致知識(shí)推理的過(guò)程可能會(huì)發(fā)生變化。
2.4 自動(dòng)生成工序模型技術(shù)
首先自動(dòng)生成機(jī)匣零件的毛坯。在定義毛坯時(shí)，自動(dòng)計(jì)算機(jī)匣零件的輪廓線，根據(jù)零件的輪廓線做偏移自動(dòng)產(chǎn)生毛坯的輪廓線，輪廓線的每一段可以進(jìn)行偏移、刪除或者連接等編輯操作，保存后產(chǎn)生圖8 中的黃色線的毛坯輪廓線圖。根據(jù)毛坯輪廓線進(jìn)行旋掃可自動(dòng)產(chǎn)生機(jī)匣零件的毛坯模型。
圖8 機(jī)匣零件毛坯輪廓線
Fig.8 Rough outline of casing parts
以毛坯模型為基礎(chǔ)，實(shí)際的加工工藝路線做參考，根據(jù)特征識(shí)別技術(shù)提取到的特征幾何數(shù)據(jù)產(chǎn)生特征的切削體，可以按實(shí)際加工順序正向自動(dòng)生成中間工序模型。生成工序模型如圖9 所示。
圖9 機(jī)匣零件工序模型圖
Fig.9 3D Process model of casing parts
2.5 三維工藝呈現(xiàn)技術(shù)
隨著三維CAD、可視化技術(shù)在制造業(yè)企業(yè)的推廣應(yīng)用，工藝設(shè)計(jì)手段也逐步地從二維工藝向三維工藝進(jìn)行轉(zhuǎn)變，因此許多企業(yè)也逐步應(yīng)用了3D PDF（圖10），將三維模型輸出至3D PDF 格式的工藝卡片中，使用三維模型替代原有二維工程圖。
圖10 3D PDF 工藝卡片
Fig.10 3D PDF process card
3 應(yīng)用實(shí)例
以一種典型的航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣零件為例，應(yīng)用機(jī)匣產(chǎn)品三維工藝技術(shù)實(shí)現(xiàn)機(jī)匣產(chǎn)品三維數(shù)字化工藝設(shè)計(jì)。整個(gè)工藝設(shè)計(jì)過(guò)程以基于NX 二次開(kāi)發(fā)的應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)，調(diào)用工藝知識(shí)庫(kù)進(jìn)行加工推理。主要應(yīng)用步驟如下。
（1）通過(guò)三維工藝設(shè)計(jì)軟件對(duì)機(jī)匣三維模型進(jìn)行特征識(shí)別，提取機(jī)匣模型幾何信息以及非幾何信息并形成加工特征集（圖11）。
圖11 部分機(jī)匣零件特征集
Fig.11 Model feature of casing parts
（2）通過(guò)工藝推理獲得特征的加工步驟與余量，然后根據(jù)典型機(jī)匣工藝模板確定機(jī)匣零件工藝路線，自動(dòng)構(gòu)建三維工藝模型，典型機(jī)匣零件加工過(guò)程如圖12 所示。
圖12 典型機(jī)匣零件加工過(guò)程實(shí)例
Fig.12 Examples of machining process of typical casing parts
（3）添加一些工藝參數(shù)以及中間模型的加工尺寸公差要求從而完成工藝規(guī)劃過(guò)程，并輸出3D 工藝卡片形成零件的加工工藝規(guī)程。
通過(guò)三維工藝設(shè)計(jì)在典型機(jī)匣產(chǎn)品的應(yīng)用驗(yàn)證，較傳統(tǒng)的二維工藝卡片設(shè)計(jì)模式效率提升了20%以上，為三維工藝在機(jī)匣產(chǎn)品的應(yīng)用推廣打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
4 結(jié)論
基于MBD 的三維數(shù)字化工藝在機(jī)匣產(chǎn)品中的應(yīng)用，以機(jī)匣產(chǎn)品為核心，基于MBD 模型進(jìn)行制造特征識(shí)別，結(jié)合特征參數(shù)與加工方法實(shí)現(xiàn)工藝的智能推理與規(guī)范化設(shè)計(jì)，自動(dòng)生成工序模型，達(dá)到工藝高質(zhì)量和高效率的快速設(shè)計(jì)。
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來(lái)源：《航空制造技術(shù)》2023年 第66卷 第4期 。
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