三维结构化工艺应用技术研究

任建伟

（中国航发哈尔滨东安发动机有限公司 黑龙江·哈尔滨 150066）

0 引言

目前采用二维工程图纸为主、三维实体模型为辅的工艺设计方式，具体存在以下问题：

（1）现有工艺设计方法无法有效利用设计模型中的信息。目前三维设计已较为普及，而工艺设计仍依据二维图纸生成二维的工艺过程卡和工序过程卡，无法有效地继承和利用产品三维模型中的相关信息，造成设计和工艺脱节。对于过程较为复杂的零部件，工艺人员需要绘制多幅工艺附图，信息的获取及转换需依靠手工操作，数据的一致性和完整性得不到保证。

（2）现有工艺设计方法信息载体不唯一，使数据共享、集成及变更困难。产品的几何信息、公差、表面粗糙度等集中在二维图纸中体现，而制造过程信息通过工艺过程卡、工序过程卡、操作指导书表达，造成信息脱节。当设计发生变更时，图纸和相关工艺信息载体则需要手工更改，并重新打印出图，不仅花费大量时间，而且极易出错，同时对现场工人的识图能力要求较高。

（3）现有工艺设计方法无法直观地表达中间过程信息，现场检验难度大。二维工艺无法体现加工中间过程信息，进行工艺审查时需要由审查者在图纸中获取待审图纸的特征信息，逐一进行人工审查，对于复杂的零部件，操作过程非常复杂、繁琐，检验难度大。

1 三维结构化工艺应用技术

1.1 应用目标

基于CAD平台开发三维工艺应用，以三维设计模型作为输入，进行三维工艺设计，充分利用三维模型的表现力，准确直观地表达工艺过程，具体目标为：

（1）在型号研制过程中实现以三维模型为唯一数据源的设计、工艺及生产并行的协同模式；

（2）实现型号研制无纸化作业，消除三维模型与二维图纸间转换过程，并以三维模型为依据进行型号加工工序、装配工序、三维标准、工艺文件编制及三维模型下厂等相关工艺设计，从而提高型号工艺设计质量，缩短研制周期及降低生产制造成本等。

1.2 技术应用内容

三维工艺设计主要针对工艺设计过程全三维化的难点问题进行研究，包括三维工序模型构建、工艺信息规范表达、工艺规程可视化构建、三维工艺输出及管理等。

（1）工艺信息统一：利用三维设计模型作为工艺输入载体，开展工艺设计，以工艺模型作为信息载体，取代二维图纸、工艺过程卡、工序过程卡等纸质文件；

（2）工艺信息的规范表达：对工艺设计过程中的工作中心、设备信息、刀具信息、切削参数等工艺信息进行合理标识及快速标注，规范工艺信息的表达方式。结合相关国家和行业标准，通过构建工艺信息组合符号，以三维标注的方式实现部分工艺信息的规范表达，并实现工艺信息与模型的关联；

（3）工艺规程的可视化构建：在三维环境下构建工艺规程。通过构建可视化工艺规程树，关联工艺规程树信息与制造资源、CAD模型树特征信息，主要包括工艺规程树可视化创建、树节点信息与制造资源关联选择、树节点与特征节点关联挂接；

（4）三维工序模型构建：生成工艺中间过程三维工序模型。采用正向建模方式，零件加工从毛坯模型构建出发，产品装配从单个元件出发，逐级构建中间过程特征，以便于后续生成三维工序模型；

（5）三维工艺设计信息关联存储：工艺规程树信息及CAD模型数据在PDM系统中的关联存储；

（6）三维工艺仿真：在三维环境下进行工艺过程的仿真，包括加工过程仿真和装配过程仿真；

（7）三维工艺输出及管理：三维工艺结果的输出方式和存储内容，主要包括轻量化工序/工步模型生成、结构化工艺信息关联存储。

2 技术实现的总体规划

（1）三维工艺采用PDM作为数据存储与管理平台，接收产品设计工程师提交的设计结果模型，并产生EBOM结构；

（2）基于PDM环境实现工艺任务分工与下发；

（3）工艺工程师接收到任务后，从PDM下载对应模型，开始进行工艺设计。工艺设计分为零件工艺和装配工艺，其中零件工艺包括机加工工艺和钣金工艺。

（4）工艺工程师完成设计后将结果提交至PDM平台，产生PBOM；同时产生轻量化模型并形成三维工艺卡片；

（5）ERP系统负责提供工艺资源数据，并接收工艺设计结果PBOM，并在此基础上完成MBOM的构建。

（6）提供MES系统可访问的URL连接实现与MES系统的集成。

3 三维工艺CAPP技术具体实现手段

3.1 三维工艺CAPP装配工艺

（1）装配工艺设计：装配工艺设计根据获取到的EBOM，进行装配工艺路线设计、装配工序详细设计和PBOM构建。其中，装配工艺路线设计包括新建工序、删除工序、完善工序属性、新建工艺组件、添加配套零部件、添加装配资源；装配工序详细设计包括新建工步、删除工步、完善工步属性、选择装配工具、选择辅助材料；PBOM构建根据工艺设计信息生成PBOM的XML文件。

（2）装配路径规划与仿真：装配路径规划与仿真根据工艺设计确定的配套零部件、工装，将配套零部件、工装引入装配环境，进行装配路径规划，对装配工艺设计的可行性和合理性进行验证，若工艺设计存在问题，返回工艺设计模块对工艺进行修改。装配路径规划与仿真模块的动画形式包括关键帧序列动画、定时视图动画、定时透明度动画和定时显示动画。

（3）焊接装配工艺信息标注：焊接装配工艺信息标注包括焊接顺序标注符号标注、焊接方向标注符号标注、焊接工艺信息标注和装配工艺信息标注符号的标注。

（4）焊接/装配后机加：焊接/装配后机加模块主要完成焊后机加和装配后机加这两种复合工艺的设计，主要内容是如何构建焊接/装配工艺模型和组件机加工艺模型。

3.2 三维工艺机加工工艺

三维机加工工艺设计主要包括工艺模型动态构建、工艺特征构建、工艺信息标识及标注、工艺规程设计、三维工艺输出及管理，并预留与其他软件间数据交换接口，其中：

（1）工艺模型动态构建：用于快速构建工艺参考模型和毛坯模型；

（2）工艺特征构建：用于快速构建机加工中间过程的工艺特征；

（3）工艺信息标识及标注：用于构建工艺信息组合符号及实现在模型上的三维标注；

（4）工艺规程设计：用于构建工艺规程树，实现产品、工艺、资源的有效整合；

（5）三维工艺输出及管理：用于生成面向制造过程的轻量化工序/工步模型，同时关联存储工艺规程树节点属性信息。

3.3 三维工艺热工艺

三维热工艺设计主要包括工艺模型动态构建、工艺特征构建、工艺快速生成、工艺信息表达、工艺规程设计和工艺结果输出及管理等关键技术，其中：

（1）工艺模型动态构建：用于快速构建工艺参考模型、工艺模型和制造组件模型；

（2）工艺特征构建：用于在工艺模型上快速构建面向制造过程的热工艺特征；

（3）工艺快速生成：用于快速生成热件的工艺载体；

（4）工艺信息表达：用于构建热工艺信息组合符号及实现在模型上的三维标注；

（5）工艺规程设计：用于快速构建热工艺规程结构树，将产品、工艺、资源的进行有效整合，实现工艺规程节点与工艺特征关联挂接；

（6）工艺设计结果输出及管理：用于生成热工序/工步轻量化模型，并实现工艺信息与模型的关联存储；

（7）加工范围自动提醒：用于加工工艺性技术要求和设备选用合理性提醒。

3.4 工艺资源

以树状结构显示已经配置好的辅助工艺信息，按机床、刀具、工序（加工方式）、切削液、工装、材料分组。机床和刀具需带有参数。

以表格形式左边选中节点的详细清单信息，其内容根据选择结果的不同而变化。当选中“机床”时，显示机床清单；选中其中某一台具体机床时则显示该机床的参数信息。选中“刀具”时，显示刀具清单；选中其中某一把具体刀具时则显示该刀具的参数信息。选中其他节点时，则显示该节点的详细清单。

3.5 工艺数据管理

（1）工艺节点自动解析：对三维工艺过程的工序和工步的自动解析和生成树状结构树。通过读取三维工艺设计软件中的设计结果，综合二维工艺卡片的信息，将工序和工步的信息以树状结构的形式构建出来，每个工序和工步都是该结构树上的信息节点，信息节点被触发后，可关联到其对应的模型和工艺信息；

（2）三维工艺信息提取：对三维工艺信息的分类和获取。通过数据接口，可以读取到制造资源信息，将制造资源信息按一定的规则进行分类，并和三维工艺数据库中读取的工艺过程信息进行集成，分配到相应的节点信息中存储；

（3）工序/工步模型可视化：每个工序和工步模型和信息的关联生成。通过读取三维工艺设计软件中的模型信息，获取相应的每个工序和工步的可视化模型。相应的工艺信息被读取后，动态加载到节点信息的既定字段，其对应的数值通过XML语言可在Web页面上动态显示出来，由此，可实现工序/工步模型和工艺信息的同步可视化；

（4）模型与工艺节点同步：每个工序/工步模型和节点的同步关联。通过读取三维工序和工步模型，将工序和工步节点信息动态加载到对应模型的既定字段，并将工序/工步模型的主ID挂接到节点信息结构树上，实现通过触发信息节点来同步加载三维工序/工步模型和对应的工艺信息；

（5）三维工艺规程卡构建：传统二维工艺卡片的三维化发布。通过上述的模型和信息的准备，该将工艺过程（工序/工步）流程信息、对应的工序/工步模型和工艺信息进行动态集成和显示。

4 结语

本文将设计与工艺统一在三维平台上，直接进行面向制造过程的设计，改变传统的二维工艺设计模式。将三维工艺模型与设计模型共同保存在PDM系统中，打通设计、工艺、制造的三维数据链，实现设计、工艺与制造统一数据源，解决传统的设计、工艺与制造中存在的信息孤岛问题。通过面向制造过程的三维动态工序模型构建，直接面向制造过程制定符合规范的工艺规程，实现工艺模型可视化发布，将工艺结果按工步发布成独立的可视化模式，使得在制造过程中每一个工步获取到的信息不多余、不重复、不缺失。