數控彎管成形專家系統在某航空發動機企業的應用

撰文/沈陽黎明航空發動機（集團）有限責任公司　龐丹　亢亞敏

數控彎管成形專家系統在某航空發動機企業的應用

撰文/沈陽黎明航空發動機（集團）有限責任公司龐丹亢亞敏

本文結合企業的實際業務情況，在Teamcenter系統（簡稱TC系統）、NX和有限元仿真軟件Pam-stamp基礎上，根據實際數控彎管工藝分析過程，建立以實際數控彎管成形工藝仿真過程為對象一體化集成環境，針對典型數控彎管工藝來對彎曲成形工藝仿真分析流程進行定制和開發，建立數控彎管成形專家系統。通過系統的建立有效降低了彎管建模、模具設計、運動仿真、力學仿真、數控編程、結果分析及管形質量評估的工作難度。

一、引言

目前，國內各個企業用的最多的數控彎管工藝有限元分析工具軟件是PAM-STAMPDYNAFORMABAQUS等軟件，這些軟件功能都具備模擬數控彎管工藝過程的能力，但這些軟件的共性特點是軟件界面比較復雜，軟件與模具三維設計軟件需要幾何數據轉換，容易丟失幾何信息，使用過程相對麻煩，同時也要求使用者具備一定的有限元基礎知識，所以這些缺陷導致了軟件不利于在企業中大量推廣和使用，限制了軟件功能和效益的發揮。為了解決這些使用缺陷，提出了基于統一界面的數控彎管成形專家系統，系統前端展現NX軟件界面，后臺有限元分析工具軟件采用商用的有限元分析工具軟件PAM-STAMP，解決彎管下料尺寸估算、彎曲模具可成形性和可行性分析、彎管成形精確模擬、彎管成形后零件回彈量大小預測等。該系統能夠實現對零件數字化加工相關的全部數據進行有效管理，并通過導管成形過程的快速模擬，對導管成形工藝方案和成形質量進行分析、預判，協助技術人員快速、輕松制定工藝總方案。

在當前制造業快速反應、敏捷制造的大環境下，隨著企業某型發動機的生產任務逐年增加，發動機鈑金導管類零件的形狀及設計精度要求也越來越高，一些鈑金成形的管件正逐漸改成由管材成形，如90°彎頭、異形管等，其材料也逐漸向鈦合金、高溫合金等新材料轉變，其成形狀況相對復雜、回彈復雜，對設計給定的彎曲半徑，倘若簡單依靠經驗設計模具，則無法保證其工藝實現，假如對其成形過程采用仿真軟件進行工藝分析和模具設計，可以預測成型過程質量缺陷，則可以在現場物理試模之前將問題消滅。

二、企業的信息化應用水平現狀

某企業作為我國航空發動機行業的骨干單位，承擔著發動機的生產制造及售后服務工作。PDM、ERP、MES及OA等系統在該單位都一定規模的應用，并取得了顯著的成果。企業在數控彎管工藝仿真方面開展了部分應用研究工作，但尚未全面推廣應用，數控彎管工藝仿真過程操作復雜，尚未打通仿真軟件與建模軟件和PDM系統之間的接口，仿真過程缺乏工藝參數等知識的支撐，仿真結果缺乏集中有效的信息化管理。具體表現在以下幾個方面。

◎ 彎管建模目前在NX中手動創建，沒有實現參數化建模手段。

◎ 彎曲模具也是在NX中手動創建，沒有實現快速建模工作。

◎ 數控彎管工藝有限元分析工具軟件PAM-STAMP使用過程繁瑣，操作流程麻煩，普通工藝和設計人員很難掌握軟件，很難發揮軟件使用效能，不利于有限元分析工具軟件的大規模使用和效益發揮。

因此，需要在NX和有限元分析工具軟件PAMSTAMP基礎上，根據實際數控彎管工藝分析過程，建立數控彎管成形專家系統，解決數控彎管參數化設計建模，彎曲模具的快速設計，針對典型數控彎管工藝來對彎曲成形工藝仿真分析流程進行定制和開發，建立彎曲仿真KBE建模分析模塊，建立彎管力學仿真模塊，建立仿真結果質量評估模塊和實現基于Teamcenter系統的導管工藝知識數據庫，建立數控彎管成形專家系統統一平臺，同時要實現數控彎管成形專家系統統一平臺與TC8.3系統集成關聯，模型和仿真結果都在TC8.3系統存儲和管理。

三、主要功能需求分析

1.彎管參數化建模

彎管參數化建模模塊是在NX的管路設計模塊基礎上，利用NX二次開發函數和參數化驅動功能進行定制開發實現，模塊可以根據輸入彎管曲線參數和壁厚、材料等設計參數實現基于NX快速三維建模，并能夠自動計算彎管所需管料參數和管型參數，能夠作為“彎管仿真KBE建模分析模塊”進行彎管成形仿真設置所需要彎管的建模參數數據。

模塊能夠直接讀取和利用TC系統已有的設計三維模型進行彎管所需管料參數和管型參數的計算，通過對彎管三維模型進行反向處理，生成“彎管仿真KBE建模分析模塊”進行彎管成形仿真設置所需要彎管的建模參數數據。

2.彎管工藝知識數據庫

模塊是在收集整理不同管材、規格、成形半徑、模具及加工參數等的實際加工數據后，利用TC系統的分類管理功能實現工藝知識庫的分類管理，開發實現彎管工藝知識管理、檢索查詢及應用功能。

彎管工藝知識數據庫基于TC定制開發實現，其子模塊包含材料性能數據庫、彎管設備庫、彎管模具庫、彎管工藝參數庫、彎管知識庫和仿真模板庫等。

由于數據庫是直接在TC系統定制開發實現，因此每個子庫都具備TC系統對數據庫的實例信息進行增加、修改、刪除、統計、查詢、數據導入和下載等功能。

用戶利用彎管工藝知識數據庫可以查詢、增加、修改和刪除材料、設備、模具、工藝參數、彎管知識和仿真模板等實例信息。

3.系統統一環境與NX、Pam-stamp、TC集成接口

利用Pam-stamp軟件的二次開發接口，建立系統與Pam-stamp集成接口，能夠將軟件界面集成到系統界面中，同時系統可以驅動軟件進行計算操作。

建立NX模面處理、有限元分析軟件Pam-stamp軟件前置處理、求解、后處理和生成分析報告之間的接口。

系統將建立NX模面處理、有限元分析軟件Pamstamp軟件前置處理、求解、后處理和生成分析報告之間的操作過程整合到一個總體操作界面，實現操作過程自動關聯。

實現與Teamcenter系統集成，實現軟件調用和數據管理，實現工藝知識的查詢調用，實現建模及仿真結果在Teamcenter系統自動存儲管理。

利用Teamcenter系統的數據組織模式進行工藝仿真結果數據的管理，并建立與管件設計數據、工藝數據等的關聯，基于Teamcenter系統實現數據統一集成管理。

在企業內，目前產品原始彎管三維設計模型保存在TC系統中，當要分析此彎管成形性及工藝性，需要從TC中獲取此彎管三維設計模型，當用戶利用彎管仿真KBE建模、彎管力學仿真和仿真結果質量評估模塊，完成某特定的彎管仿真分析報告，系統將此仿真分析報告上傳到TC系統管理，以方便其他人員共享此分析報告。

4.仿真分析流程定制開發

在NX和有限元工具軟件Pam-stamp基礎上，根據實際彎管成形仿真過程的需求，在系統中定制開發典型數控彎管工藝仿真過程中導入幾何及劃分網格功能模板、邊界條件和計算求解條件設置功能模板、執行求解計算功能模板、輸出結果云圖及結果報告功能模板，功能模板可以被重復調用，功能模板界面包含推薦的默認設置參數。

各個功能模板都存儲在TC系統的彎管工藝知識數據庫中進行管理，并能夠被用戶查詢、共享和使用。

多個功能模板可以有機組合成一個仿真分析流程模板，流程模板符合某個實際彎管彎曲成形工藝規范和Pamstamp軟件操作規則，能夠完整執行一個彎管彎曲成形仿真全過程，最后生成仿真結果分析報告。

經常被使用的仿真分析流程模板經過專家認可審核后可以保存成標準仿真分析流程模板，存儲到TC的彎管工藝知識數據庫中，以便其他人員查詢、共享和應用，流程模板可以重復使用，新工藝人員可以調用標準流程模板來進行一個新彎管成形仿真過程，仿真過程中系統會推薦各個功能界面的默認設置參數，用戶也可以對默認的參數進行修改，以適應新彎管仿真的要求，這種使用方式能夠大大簡化軟件使用難度，降低有限元仿真軟件門檻。

彎管成形標準仿真流程模板可以自動化運行，以實現優化彎曲過程的彎曲工藝參數。使用者利用系統平臺功能可以對彎管仿真過程中功能模板和標準仿真流程模板修改和優化。

同時經過培訓，用戶可以利用平臺提供模板封裝的功能可以自己封裝功能模板，然后利用功能模板可以有機組裝成仿真流程模板。

系統提供可視化的流程定制功能，通過控制流和數據流的定義，實現對用戶特定設計分析流程的封裝。

5.彎管仿真KBE建模分析

基于NX和Pam-stamp軟件，分別定制開發出彎管仿真KBE建模功能模塊，此模塊的各個功能模板界面能夠實現快速定義彎管成形仿真過程有限元相關參數設置功能、網格劃分及邊界條件設定功能，包括：導入幾何模型及劃分網格；定義彎管成形工具（彎曲模具、壓塊、防皺塊、芯棒、芯球和推力塊等）；定義彎管金屬材料成形性能參數；定義彎曲模具邊界條件；定義彎管成形過程的載荷條件；定義Pam-stamp軟件求解器參數；定義彎管成形過程中的回彈參數；定義計算結果后處理操作條件和參數等。

模塊包含彎管反算下料模塊、彎管一次彎曲成形仿真模塊、彎管兩次彎曲成形仿真模塊等子模塊，每個模塊包含多個功能模板和標準仿真分析流程模板。

模塊能夠將原來復雜的彎管成形仿真前處理設置過程變成采用調用各個功能模板和標準仿真流程模板來驅動NX和Pam-stamp軟件去執行以前需要手動操作的工作，能夠大大簡化Pam-stamp軟件操作界面和設置過程，降低用戶對有限元軟件使用難度。

6.彎管力學仿真

彎管力學仿真采用Pam-stamp軟件計算和分析完成，利用平臺集成Pam-stamp軟件的功能，當用戶利用“彎管仿真KBE建模分析模塊”完成某個具體的彎管成形仿真前處理設置時，平臺后臺驅動Pam-stamp軟件執行計算，得到仿真計算結果。力學仿真模塊能夠完成應力、應變、破裂、起皺和回彈等后處理云圖顯示，能夠對回彈進行補償計算分析，輸出回彈補償結果。

7.仿真結果質量評估

根據彎管彎曲成形仿真結果云圖和仿真結果報告，與彎管成形缺陷規則工藝知識庫的數據進行對比，以評估工藝仿真結果質量。

然后根據企業仿真結果質量評估報告要求格式，按現行各型號彎管制造說明書指標可量化的仿真結果質量評估分析報告。

8.與其他模塊集成

提供彎管模具輔助設計、數控彎管自動編程、運動仿真和管型質量評估模塊數據接口，實現這些模塊之間數據交互，將模塊輸出的結果文件保存到TC系統中。

四、系統總體架構設計

1.系統總體架構

數控彎管成形專家系統包含彎管參數化建模模塊、彎管模具輔助設計模塊、數控彎管自動編程模塊、彎管運動仿真模塊、管形質量評估模塊、彎管仿真KBE建模模塊、彎管力學仿真模塊、仿真結果質量評估模塊以及彎管工藝知識數據庫。

其中彎管工藝知識數據庫包含材料性能數據庫、彎管設備庫、彎管模具庫、彎管工藝參數庫、彎管知識庫、仿真模板庫及典型零件仿真模板庫。系統總體架構如圖1所示。

圖1　系統總體架構

（1）選擇索為公司的Sysware.IDE作為數控彎管成形專家系統運行的統一環境和基礎系統，在Sysware圖形展示窗口嵌入NX7.5系統，PAM-STAMP軟件在系統后臺運行。

（2）建立系統與TC8.3系統數據集成接口，通過集成接口可以獲取彎管件的三維數模，且可以將仿真結果報告上傳到TC8.3系統中。

（3）基于實際彎管彎曲仿真分析流程，進行規范化分析與定制出彎管參數化建模模塊、彎管仿真KBE建模模塊、彎管力學仿真模塊、仿真結果質量評估模塊和基于TC的彎管工藝知識庫等子模塊。

（4）彎管工藝知識數據庫中所有數據存儲在TC中。

2.系統總體環境

系統總體環境采用索為公司的Sysware.IDE系統，Sysware.IDE系統具有很強的集成封裝功能。

◎ IDE，即集成設計環境（Integrated Development Enviroment），實現對用戶設計分析流程的快速封裝，實現基于知識組件的設計與分析。

◎ IDE提供NX、Pam-stamp接口組件，能支撐數控彎管成形專家系統中NX與Pam-stamp的集成。

◎ IDE提供豐富的通用操作組件，可實現與外部文件、程序、算法/函數的調用和數據交互，能支撐數控彎管成形專家系統更好地封裝NX、Pam-stamp。

◎ 提供可視化的流程定制工具，無須編程實現設計分析流程的快速定義，包括控制流定義和數據流定義，能支撐數控彎管成形專家系統中彎管工藝設計流程后臺控制流、數據流的定制。

◎ IDE提供GUI界面定制工具，無須編程實現設計分析流程的向導式執行，提高友好性，能支撐數控彎管成形專家數據庫中彎管工藝設計流程前臺界面定制。

系統總體環境默認布局如圖2所示。

圖2　系統總體環境

五、主要技術特點

1.彎管參數化建模

彎管參數化建模模塊分為兩部分，快速參數化建模和三維模型反向處理。

（1）彎管參數化建模—快速參數化建模。

在模塊輸入界面中導入彎管彎曲中心曲線坐標文件，輸入彎管壁厚、直徑和材料等彎管建模參數，系統后臺調用NX進行參數化建模，輸出彎管三維參數化模型、YBC程序、彎管彎曲中心曲線坐標、彎管彎曲曲線文件（ASC格式）以及其他的導管參數。

（2）彎管參數化建模—三維模型反向處理。

在模塊輸入界面中導入彎管三維模型，系統后臺調用NX進行反向處理，輸出YBC程序、彎管彎曲中心曲線坐標、彎管彎曲曲線文件（ASC格式）以及其他的彎管參數。

被害人陳述作為證明案件事實的直接證據，往往能充分全面的反映相關的案件情況。從我國目前的辦案水平來看，取證的技術手段落后、缺乏必要的設備與經費，[4]所以司法機關對于被害人陳述這一直接言詞證據往往格外重視，往往對其進行充分的發掘與利用。也正是因為如此，若被害人故意做出虛假陳述則會產生巨大的危害。一方面，可能會在一定程度上造成對相關的犯罪嫌疑人、被告人的輕罪重罰或無罪亂罰現象。比如，2006年在黑龍江省綏化市就發生過一強奸案件的被害人胡亂陳述，公安機關輕信被害人的虛假陳述，結果導致其無辜鄰居史某被刑訊逼供含冤入獄5年的冤案。另一方面，也有可能出現重罪輕判，有罪不判的情況。

2.彎管仿真KBE建模

開發統一的彎管求解設置操作界面，定義仿真過程有限元相關參數設置、網格劃分及邊界條件設定，為仿真力學計算求解提供依據。包括：導入幾何模型及劃分網格；定義成形工具（彎曲模具、壓塊、防皺塊、芯棒、芯球和推力塊等）；定義金屬材料成形性能參數；定義彎曲模具邊界條件；定義求解器參數；定義回彈參數等。

彎管仿真操作流程模板可以保存成標準流程模板，使其他人員可以共享和重用。彎管仿真流程模板可以自動化運行，以優化彎曲過程的彎曲工藝參數。使用者利用系統平臺功能可以對彎管仿真流程模板修改和優化。

對彎管復雜的仿真流程進行定制化開發后，將形成如圖3所示的簡單、規范且易用的仿真流程模板。

圖3　彎管仿真流程模板

由于Pam-stamp有限元仿真軟件在進行彎管彎曲成形有限元仿真時，其前處理不支持封裝，所以在數控彎管成形專家系統中進行彎管彎曲成形仿真時，前處理采用Pamstamp自帶的前處理功能。

彎管彎曲模擬過程參數設置及提交求解計算和生成彎曲成形計算模擬結果報告模塊主要一次性就完成了如圖4所示工作內容。

圖4

圖5

大大簡化了兩三個軟件操作過程，能夠提高軟件仿真使用效率，降低有限元仿真軟件使用門檻。

3.彎管力學仿真功能

在彎管力學仿真中，主要是彎管彎曲成形仿真優化計算模塊。在Pam-stamp中進行彎管彎曲成形仿真求解計算時，Pam-stamp會將彎曲成形求解計算設置的參數存儲在att格式的仿真處理文件中，系統通過解析att格式的仿真處理文件，獲取工藝參數，將其顯示在優化計算界面中，且可以在優化計算界面中對工藝參數進行修改并更新至att格式仿真處理文件中。

系統通過封裝并調用Pam-stamp讀取仿真處理文件（att文件、pre文件及psp文件）重新進行彎管彎曲成形仿真計算。在彎管彎曲成形仿真計算之后，如對仿真結果不滿意，可在彎管彎曲成形仿真優化計算界面中重新調整工藝參數，然后再次進行計算，無需用戶再次在Pam-stamp計算設置界面中重新設置參數。同時，也可以將TC中存儲的彎管彎曲成形仿真文件導入彎管彎曲成形仿真優化計算模塊中進行計算，也可調整參數再次進行計算。

六、應用情況介紹

通過數控彎管成形專家系統建立了企業彎管工藝設計仿真的統一工作環境，實現了從TC的彎管零件數據開始，經過數控彎管成形專家系統各模塊處理分析，所產生結果數據最后上傳TC對應零件彎管成形工序中的統一管理模式。有效降低了彎管建模、模具設計、運動仿真、力學仿真、數控編程、結果分析及管形質量評估的工作難度。

◎ 數控彎管成形專家系統基于NX建立彎管參數化建模模塊，使客戶能夠方便快捷地進行彎管參數化建模。

◎ 數控彎管成形專家系統基于TC8.3建立了彎管工藝知識數據庫，以存儲彎管工藝相關工藝知識、工藝參數以及相關仿真結果，并使這些數據得到最大化的重用。

◎ 數控彎管成形專家系統基于SYSWARE封裝Pamstamp，建立彎管仿真KBE建模、彎管成形力學仿真，簡化了彎管彎曲成形仿真過程，使彎管力學仿真在彎管工藝設計中得到了更廣泛的應用。

◎ 數控彎管成形專家系統基于SYSWARE封裝Pamstamp，建立仿真結果質量評估模塊，簡化了彎管力學仿真后處理，自動生成彎管仿真結果質量評估報告，使客戶更便捷地對仿真結果進行質量評估。