基于TCM平台的三维工艺快速设计技术

刘菊花，廉继西，孙夏辉，王三民，段中洲

(河南平原光电有限公司，河南 焦作 454001)

企业通过长期的生产实践和工艺技术研究，积累了丰富的工艺设计数据和大量的制造资源数据，但这些宝贵的工艺知识绝大多数都留存在设计人员脑子里或工艺文件中，没有形成标准化、结构化的工艺知识库，供同类(族)零件工艺设计和加工时选用。由于工艺标准化水平低，生产制造过程中难以应用成组技术快速组织和实施敏捷化生产，虽然引入了基于三维模型的协同工艺设计平台TCM系统(以下简称TCM系统)，但是由于工艺知识库和应用模板没有建立起来，其协同高效工作的优势得不到充分发挥。另一方面，由于产品零件品种多样且结构复杂，加工需要的工装夹具种类多，缺乏工装优化设计系统的技术支撑，工装标准化、系列化程度低，难以通过利用以往的优化设计方案实现新工装的快速设计，因此工装准备周期长，已成为制约生产效率提高的重要因素。因此，针对本企业产品精密结构零件，我们开展了基于三维模型进行快速工艺设计的相关技术研究，解决了上述瓶颈问题，有效提升了武器装备研制效率，同时为正在进行的智能车间建设提供了技术支撑。

1 基于三维模型的快速工艺设计技术

基于三维模型的工艺设计是指以三维数字化模型为基础和技术手段，把工艺规划、工艺详细设计、工艺仿真与验证以及工艺执行过程以三维数字化方式表现的一种工艺形式[1]，具有表现形式直观、工艺模型与设计模型可同步更改、工艺人员可直接利用三维工艺模型进行数控加工及检测程序编制和仿真验证等优点，已逐渐被推广应用。

为提高应用TCM系统进行三维工艺设计的效率，探索适合本企业的三维工艺设计方法，针对型材件、铸件等不同毛坯状态，我们制定了优化的工艺设计路径，既保持工艺模型与设计模型的相关性，又兼顾工艺设计的便捷性，形成了三维工艺设计规范和典型工艺设计模板。

1.1 对典型零件进行分类并确定最优工艺路线

零件的结构、材料、特征是工艺设计的主要依据[2]，对产品中结构特征近似的典型零件进行梳理、分类，归纳了板类、轴类、目镜螺纹类、本体类、齿轮类等11类典型零件，并在大量查阅定型产品成熟工艺的基础上，研究确定了各类典型零件最优化的工艺路线，形成了企业标准《机械加工典型零件分类及典型工艺》，为在TCM系统中建立基于三维模型的典型工艺设计模板奠定了技术基础。

1.2 制定三维工艺设计标准

由于目前国内还没有通用的三维工艺设计标准用以指导三维工艺设计工作，需要根据所使用的软件平台和企业工艺工作实际，研究制定《基于TCM和NX软件的三维工艺设计规范》，用以指导本企业的三维工艺设计工作[3]。

1.2.1 定义三维工艺设计形式

TCM系统虽然已上线使用，但是由于信息化条件还不完备，生产现场没有足够的终端读取三维工艺，无法实现真正的无纸化生产。在这种条件下，三维工艺怎么设计，以什么样的形式呈现，是制定标准时首先考虑的问题。

1)确定三维工艺设计以三维工序模型为主、工序卡片为辅的设计原则，最大程度发挥三维工序模型表达直观、可以直接用于数控编程的优势，规定三维工艺由工艺路线、三维工序模型和工序卡片组成，在三维工序模型上完成产品制造信息(尺寸、文字注释、几何公差等)的标注，加工用的机床、刀、夹、量具等信息在工序卡片中填写，这些信息可被按工序提取到ERP和MES系统中，用于生产准备[4]。

2)根据产品的研制阶段和工艺复杂程度划分为简易工艺规程和正式工艺规程，对2种工艺规程的适用范围和实现形式分别进行规定，简易工艺规程以零件三维模型为主要依据，减小工艺设计工作量。

3)详细规定了三维工艺的工艺数据要求，对工艺集、工艺信息、产品制造信息标注时的注意事项等设计要求进行了规定，确保下游系统能够从TCM系统中提取所需信息[5]。

1.2.2 创建工艺三维模型模板

NX软件自带的三维制图模板不能满足三维工艺设计的需要，相关的字体、字高、线型和其他制图符号等与制图标准相差较大，因此需要定制适合三维工艺设计的模型模板。

1)优化产品制造信息(PMI)标注样式。

NX软件自带设计模板中很多的PMI标注样式与工艺设计常用标准不符，工艺师应用软件自带设计模板进行三维工艺设计过程中，需要对不符合标准的标注项样式进行更改，进行了大量的重复劳动，严重影响三维工艺设计效率。我们经过调研和反复试验，对不符合制图标准的PMI标注样式进行了优化和修改，并固化在定制的三维工艺设计模板中，供工艺师设计三维工艺时调用。

2)通过软件二次开发，简化工序模型颜色设置。

在三维工序模型中，对加工部位、定位面、夹紧面等的区分是通过设置不同颜色实现的，识读起来比二维工艺附图更加直观。但是，NX软件在进行对象颜色设置时操作步骤较多，每次设置均需要层层打开设置界面，并通过过滤器选择平面，过程繁琐，而且每个人选择的颜色也不完全一致，存在一定的误差。

为解决这一问题，利用NX软件自带的Grip编程语言进行了软件功能的二次开发，对常用的几种颜色进行了定义，并制作成快捷工具条(见图1)，添加在三维工艺设计模板中，直接点击快捷工具条上的色卡，再选中需要编辑颜色的面，即可设置成功，将原来需要7步才能完成的操作，缩减到点击两次鼠标就能够完成，不但简化了操作步骤，而且保证每个人设计出的三维工艺颜色设置完全统一。

图1 二次开发的NX软件颜色设置工具条

基于上述成果，制定并发布了企业标准《基于TCM和NX软件的三维工艺设计规范》，作为三维工艺设计工作的指导性标准，设计效率和规范性显著提高。

1.3 建立基于TCM系统的典型零件工艺设计模板

在TCM系统中建立了基于三维模型的典型工艺设计模板，包含11个大类、18种典型零件的典型工艺模板，将典型零件工艺路线、三维工序模型、所用到的制造资源等工艺知识集成到典型工艺设计模板中，同类零件可通过调用模板实现快速工艺设计。

1.3.1 创建典型零件三维工艺设计模板

严格按照制定的《基于TCM和NX软件的三维工艺设计规范》进行典型零件三维工艺设计模板创建，典型零件三维工艺包含三维工序模型和工序卡片两部分。

三维工序模型中需要对工序加工信息进行清晰、准确的表达。利用已定义的“工艺模型模板”进行工序线性尺寸、几何公差和注释信息的标注；应用二次开发的颜色设置工具条，对加工面、定位面、夹紧面等设置颜色标识，做到加工信息一目了然，相比二维工艺附图，辨识度大幅提高，三维工序模型图如图2所示。

图2 三维工序模型图

加工设备、工装、加工参数、刀具、量具等三维工序图中不方便标注的信息，在工序卡片中进行说明，上述信息从工艺数据库中调用，不仅提高信息填写的标准化水平，还可通过系统对工序加工过程中使用到的刀具、量具等进行统计，提前进行工艺准备和物料配送，缩短零件加工准备时间。

1.3.2 典型工艺库应用

进行新产品工艺设计时，可根据零件结构特征和材料，确定其所属典型零件的种类，从典型工艺库中查找对应的典型工艺进行借用，然后对三维工序模型和工序卡片中的信息进行少量修改，即可生成新零件的工艺。典型工艺库结构树如图3所示。

图3 典型工艺库结构树

2 基于三维模型的快速工装设计技术

基于三维设计平台NX对夹具元件、典型夹具结构和夹具设计实例进行三维建模，形成工装设计数据库，在新产品工装设计时，可根据获取的待装夹工件及加工工艺的信息，从工装实例库中检索出相关的设计实例，以其中的装夹规划信息检索出规划实例；设计人员对规划实例进行调整，生成最终的装夹规划方案，进而创建出所需要的新工装设计数据，新设计的工装经验证无误后，再作为工装设计实例存储到工装实例库中，其设计流程如图4所示。

图4 基于实例的工装设计流程

2.1 对典型工装进行分类并创建三维模型

对产品加工中用到的典型工装进行梳理、归类，确定了18种常用典型夹具结构，涉及车、铣、钳、制齿等工种，归纳了典型工装的适用零件类型、装夹定位方式等关键信息，制定了《典型工装分类明细表》，并分别创建三维模型，形成典型工装数据库。

2.2 创建夹具零件参数化三维模型

《夹具零件》是为促进机械加工夹具设计通用化、系列化、组合化发展而制定的夹具通用零件的企业标准，包含64种零件，每种零件有从小到大多组尺寸系列供设计时根据工装尺寸需要进行选用。为方便工艺师在设计工装时快速完成通用夹具零件的三维模型，建立了基于NX软件的通用夹具零件参数化三维模型库。需要调用时，按照夹具零件编码序号，打开对应的模型文件，在“工具-表达式”窗口输入所需参数，即可驱动参数化的模型得到所需规格的夹具零件(见图5)。

图5 参数驱动生成夹具零件三维模型

2.3 创建基于TCM的工装设计数据库

将典型工装、工装实例以及夹具零件参数化三维模型集成在TCM系统中，建立了快速工装设计平台，该平台具有典型工装检索与借用、夹具零件调用、工装数据管理等功能，能够显著提高机械加工工装设计质量和效率。

制定典型工装编码规则，按照编码规则命名赋码后的典型工装三维模型形成“典型工装数据库”，集成在TCM系统“典型工装”节点下，供工艺技术人员在设计工装时查询、参考或调用。

夹具零件参数化三维模型名称和信息编码按企业标准《夹具零件》中的规定执行，命名赋码后的夹具零件参数化三维模型形成“夹具零件数据库”，集成在TCM系统“夹具零件”节点下，工装设计时，可从数据库中找到对应的零件，下载到本地，打开三维模型后在“工具-表达式”窗口输入所需参数，即可驱动参数化的模型得到所需规格的夹具零件。

“工装实例数据库”用于保存各产品所设计的专用工装夹具，按照夹具类型对专用夹具进行分类保存，主要分为车床夹具、铣床夹具、钻孔夹具、制齿夹具等几个子节点，每个子节点下，夹具按照定位方式或结构形式再进行分类。

夹具设计时，可参考“典型夹具库”中的典型夹具结构，从“夹具零件库”中调用所需的夹具零件，也可借用“工装实例数据库”中的相似夹具进行实例重用或修改，得到新的夹具，经生产验证后，将设计结果上传到TCM系统“工装实例数据库”中对应的节点下进行保存，成为新的设计实例。

3 快速工艺设计技术的应用

在新产品工艺设计时，应用典型工艺模板进行相同类型的零件工艺设计，省去了规划工艺路线、添加工序卡片等工作步骤，工艺参数和刀、夹、量具等内容只需要在模板已有相关内容的基础上根据需要稍作修改即可，可节约工艺设计时间50%以上，并使工艺设计标准化程度大幅度提高。

进行新产品工装设计时，可参考典型工装数据库中的三维典型工装设计结构，可从夹具零件数据库中直接调用所需零件三维模型，还可在工装实例库中查询类似夹具结构进行借用，企业多年积累的工装设计知识均集成在快速工装设计系统中，可在工装设计时方便获取，设计效率大幅度提高，工装准备时间平均缩短25%以上。

4 结语

采用信息技术手段，将多年来形成和存在于技术人员头脑和技术文件资料中的工艺、工装设计知识，以数字化、标准化的形式呈现于软件系统中，形成工艺设计数据库，使这些宝贵的工艺知识得到有效利用和传承，创建的典型零件三维工艺设计模板和快速工装设计平台显著提升了工艺设计效率，工艺标准化水平也得到大幅度提高。