基于模型的航空零件工藝研究與應(yīng)用

鄧小棒 龔雙會

摘 要：本文簡述了我國航空國防行業(yè)的特點(diǎn)及現(xiàn)狀，針對航空產(chǎn)品研制過程中數(shù)據(jù)源不統(tǒng)一、數(shù)據(jù)重用率低、無法事先模擬仿真等問題，提出應(yīng)用MBD技術(shù)打通數(shù)據(jù)重用通道，開展基于模型的結(jié)構(gòu)化工藝設(shè)計(jì)模式的研究和探討，以期從根本上提高效率、提升產(chǎn)品質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：MBD；三維工藝；數(shù)字化制造；快速編程

1 行業(yè)特點(diǎn)及現(xiàn)狀

航空國防行業(yè)是制造業(yè)的重要組成部分，因其技術(shù)上的高、精、尖，在相當(dāng)程度上體現(xiàn)了一個國家的科技發(fā)展水平。改革開放以來，我國航空國防取得了舉世矚目的成就，隨著市場競爭和需求的壓力不斷增加，我國航空國防行業(yè)普遍面臨著效率、產(chǎn)能、創(chuàng)新方面的挑戰(zhàn)，與以往相比呈現(xiàn)出協(xié)作規(guī)模更大、系統(tǒng)綜合性更強(qiáng)、研發(fā)周期更短、性能要求更高等特點(diǎn)。

2 業(yè)務(wù)挑戰(zhàn)

工藝設(shè)計(jì)作為連接產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造的橋梁，所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)是產(chǎn)品全生命周期中最重要的數(shù)據(jù)之一，同時也是生產(chǎn)單位進(jìn)行計(jì)劃排產(chǎn)、物資采購、生產(chǎn)調(diào)度的重要數(shù)據(jù)。當(dāng)前我國航空制造業(yè)多數(shù)成員單位編制工藝規(guī)程時主要仍采用二維工程圖加注釋的方法描述工序內(nèi)容，包括：加工內(nèi)容、技術(shù)要求、工藝準(zhǔn)備、計(jì)量和檢驗(yàn)要求等。

3 基于模型的航空零件工藝解決方案

3.1 系統(tǒng)方案

基于模型的航空零件工藝解決方案包括協(xié)同設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)獲取、工藝分工、工藝設(shè)計(jì)、工裝設(shè)計(jì)、數(shù)控編程及仿真、工藝卡片與報表生成、MES/ERP集成、知識及資源管理等核心功能，實(shí)現(xiàn)從產(chǎn)品設(shè)計(jì)到工藝、制造的業(yè)務(wù)集成。Teamcenter Manufacturing（簡稱TCM）是基于模型的工藝解決方案中的主要功能模塊，它提供了工藝數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布流程與變更流程，并貫通設(shè)計(jì)、工藝變更的全流程管理。TCM將工藝路線以結(jié)構(gòu)樹的方式進(jìn)行管理，使數(shù)據(jù)的表達(dá)、重組、擴(kuò)展、匯總變得更加方便，可以更有效地指導(dǎo)生產(chǎn)，同時為MES、ERP等系統(tǒng)的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性及可用性提供了保障。TC集成了NX CAD/CAE/CAM，可以在統(tǒng)一平臺下實(shí)現(xiàn)零件設(shè)計(jì)、工裝設(shè)計(jì)及數(shù)控編程與驗(yàn)證等功能。

3.2 系統(tǒng)功能

3.2.1設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的接收和下發(fā)

建立航空企業(yè)產(chǎn)品數(shù)字化定義的成熟度評價標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)成熟度等級和詳細(xì)準(zhǔn)則，通過多級成熟度審批流程發(fā)放設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。工藝部門依據(jù)預(yù)發(fā)放的三維設(shè)計(jì)模型進(jìn)行工藝分析，檢查結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，并反饋工藝審查意見。

3.2.2工藝設(shè)計(jì)

構(gòu)建工序模型前必須明確工藝路線，在方案階段進(jìn)行細(xì)致考慮和優(yōu)化，避免后期頻繁更改。工序模型可正向以毛坯為起點(diǎn)，通過參數(shù)化或者具體模型操作實(shí)現(xiàn)，也可逆向以設(shè)計(jì)模型為起點(diǎn)倒推。

具體建模時，通過NX WAVE Link功能引用設(shè)計(jì)模型或其他工序模型，運(yùn)用同步建模對模型進(jìn)行修改，如增減加工余量、刪除或添加孔、槽等特征，方便快捷地建立關(guān)聯(lián)的工序模型。在構(gòu)建工序模型時應(yīng)注意以下基本原則：（1）為避免使用工序模型進(jìn)行編程、仿真時出現(xiàn)偏差，盡量不要用設(shè)計(jì)模型替代中間工序模型；（2）按最大實(shí)體狀態(tài)1：1構(gòu)建工序模型幾何體素的形狀尺寸，也可按中差建模，但主要考慮標(biāo)注與現(xiàn)行工程標(biāo)注的銜接性；（3）為了更清晰地表達(dá)工藝過程，工序模型的非加工特征及待加工特征可采用不同著色區(qū)分，著色方式也可以用來表述定位和裝夾部位，但同一模型上不宜出現(xiàn)過多顏色，故建議用文字引出方式表述定位和夾緊，以免造成混淆。

為各工序創(chuàng)建工序卡時，可在NX中選擇工序卡模板，工序卡的內(nèi)容自動繼承零件及工序?qū)傩员怼Ｔ诠ば蚓庉嫿缑嬷苯诱{(diào)用資源庫中設(shè)備、工裝，并保存關(guān)聯(lián)關(guān)系，在圖形區(qū)插入3D工序模型、2D投影圖，或直接繪制工序圖。通過PMI功能進(jìn)行3D制造信息標(biāo)注，如工序尺寸公差、加工區(qū)域標(biāo)識、操作說明、檢驗(yàn)要求等。在標(biāo)注時，標(biāo)注內(nèi)容與被標(biāo)注幾何體素應(yīng)當(dāng)正確關(guān)聯(lián)。如果模型復(fù)雜，無法通過一個視圖完整清晰地表達(dá)所有內(nèi)容，可定義多個視圖，進(jìn)行分視圖標(biāo)注，同時應(yīng)靈活運(yùn)用文字注釋和標(biāo)注分層功能。

鈑焊、裝配、鍛鑄、熱表及探傷等工藝以非結(jié)構(gòu)化的方式管理，即無需細(xì)化到工序，但應(yīng)支持未來進(jìn)行結(jié)構(gòu)化改造。完成整套工藝后，進(jìn)行審批、發(fā)放，審批者可方便地進(jìn)行瀏覽和圈閱。

3.2.3工裝的設(shè)計(jì)及管理

航空制造業(yè)工藝裝備具有以下特點(diǎn)：（1）研制周期長：占飛機(jī)研制周期的1/3～1/2；（2）品種多；（3）精度高：高于飛機(jī)產(chǎn)品精度；（4）技術(shù)學(xué)科多；（5）協(xié)調(diào)關(guān)系多；（6）技術(shù)要求高。其研制水平和能力是飛機(jī)制造成功與否的關(guān)鍵因素之一。基于模型的工裝設(shè)計(jì)將標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范引入工裝設(shè)計(jì)應(yīng)用系統(tǒng)，采用模塊化設(shè)計(jì)理念，形成工裝設(shè)計(jì)知識和經(jīng)驗(yàn)的積累和重用。通過TC對與工裝設(shè)計(jì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一管理，如典型工裝模板數(shù)據(jù)、典型設(shè)計(jì)形狀數(shù)據(jù)、工裝產(chǎn)品數(shù)據(jù)等。針對模具工裝，NX提供了專業(yè)的功能模塊，包括注塑模設(shè)計(jì)、級進(jìn)模設(shè)計(jì)、沖壓模設(shè)計(jì)、電極設(shè)計(jì)等。

3.2.4編程及仿真

在基于模型的工藝解決方案的基礎(chǔ)上，梳理數(shù)控加工流程，創(chuàng)建控制系統(tǒng)、機(jī)床模型、刀具、加工參數(shù)等各類資源庫。在系統(tǒng)中設(shè)置多角色并賦予相應(yīng)數(shù)據(jù)操作權(quán)限，工藝人員直接利用設(shè)計(jì)或關(guān)聯(lián)的工序模型進(jìn)行數(shù)控編程，在Vericut中仿真數(shù)控加工過程，檢查過切、欠切，防止機(jī)床碰撞及超行程等異常，分析、優(yōu)化NC程序代碼，減少實(shí)際運(yùn)行風(fēng)險，提高加工效率和精度。仿真完成后將加工仿真包導(dǎo)入TC系統(tǒng)，同時，也可直接將系統(tǒng)中的仿真項(xiàng)目包導(dǎo)出進(jìn)行加工過程的仿真。

3.2.5檢測

產(chǎn)品生產(chǎn)的檢測包括檢測工藝規(guī)劃和檢測執(zhí)行。基于模型的檢測技術(shù)將檢測信息集成在三維模型中，進(jìn)行工序檢測工藝的規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)了三維模型數(shù)據(jù)在工藝設(shè)計(jì)與檢測環(huán)節(jié)的重用。這些數(shù)據(jù)包括由工序尺寸、公差、幾何精度等組成的設(shè)計(jì)信息以及由檢測工藝符號和檢測技術(shù)要求等組成的檢測工藝信息。檢測的執(zhí)行是根據(jù)檢測工藝規(guī)定的內(nèi)容進(jìn)行實(shí)測，并反饋測量結(jié)果。實(shí)際操作時可通過常用測量儀器（如游標(biāo)卡尺、千分尺等）、三坐標(biāo)測量儀、影像測量設(shè)備及特殊測量設(shè)備（如粗糙度測量儀）等獲得檢測結(jié)果。

4 結(jié)束語

基于MBD的工藝是信息化技術(shù)在制造領(lǐng)域的應(yīng)用成果，其研究對于航空制造業(yè)開展全三維設(shè)計(jì)模型重用、合理規(guī)劃工藝、關(guān)聯(lián)更新工序模型、快捷開展工裝設(shè)計(jì)及科學(xué)管理結(jié)構(gòu)化工藝等有重大意義。制定有效可行的工藝設(shè)計(jì)路線，全面實(shí)施基于MBD的數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)、制造技術(shù)將成為航空制造企業(yè)提升整體研發(fā)水平、縮短研發(fā)周期、降低研發(fā)成本、提升產(chǎn)品質(zhì)量的有效途徑。

在貫通MBD技術(shù)的全三維設(shè)計(jì)應(yīng)用后，我們還需建立并不斷完善標(biāo)準(zhǔn)零件、切削參數(shù)、設(shè)備、工裝、刀量具等資源庫，總結(jié)先進(jìn)數(shù)字化制造、檢測及編程仿真經(jīng)驗(yàn)，更大限度地發(fā)揮MBD在制造過程中的優(yōu)勢。

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