基于三維數字化模型的加工工時計算方法

韓志仁 林曉磊 尹海軍 孟祥韜

(①沈陽航空航天大學航空航天工程學部，遼寧沈陽110136；②沈陽航空航天大學航空制造工藝數字化國防重點學科實驗室，遼寧沈陽110136；③沈陽飛機工業集團有限責任公司，遼寧沈陽，110136)

工時定額是指在一定生產組織和技術條件下，生 產單位合格產品所必須消耗的工時[1]。工時定額是企業生產管理任務的基礎數據之一，是企業制定計劃方案、組織生產的基礎，也是企業內部進行資本核算，評估經濟效益的重要參照[2]。工時定額制定的品質直接影響了設備使用率、產品生產周期、企業勞動人員的薪資等方面，對企業的持續發展至關重要[3]。

在國內的航空制造企業的零件加工過程中，如何快速獲取三維模型中的工藝信息，如何準確快速地計算加工工時顯得尤為重要。在零件的制造加工過程中，工藝信息的管理工作十分繁重，實際生產活動中工時定額的制定，還沒有完全實現自動快速獲取，而是通常由企業專門的工時定額員工或工藝設計人員進行計算[4]。開展此項工作需要計算人員掌握工時定額標準和擁有豐富的工藝經驗，并且不同的計算人員可能會造成工時定額的偏差過大，效率低下而且難以保證數據的準確性[5]。因此在企業生產中如何快速有效地獲取加工工藝信息、計算每個工步的耗時是亟待處理的問題。

1 基于MBD的加工工藝信息表達

隨著航空數字化技術的推廣，MBD模型成為了實現產品結構設計和工藝設計信息一體化的載體[6]。數字化制造的終極目標是實現無紙化制造，工藝信息載入產品模型中，在模型中產品信息和工藝信息有明顯的界限，分為兩個不同的區域，即產品設計區和產品加工工藝信息區。產品加工工藝信息區在結構樹上描述了產品制造的工藝工程和工藝模型，包括工藝說明、工序操作說明、加工參數、刀具設備、定位基準及工藝說明等詳細的工藝過程數據。零件工藝信息在產品結構數的工藝信息區按規范進行表達，以某盤類零件為例，說明零件工藝信息模型表達形式如圖1所示。

2 加工特征識別技術研究

為了快速獲取加工工藝信息，首先需要提取三維模型環境下零部件產品的加工特征信息及其基本屬性信息，為加工工時計算提供數據依據。產品制造的加工工藝信息在結構樹上可以直接提取，如何在三維環境下提取產品加工特征信息、如何識別產品加工特征以方便工時計算成為解決問題的關鍵。

2.1 加工特征及其分類

零件幾何特征由幾何拓撲元素組成，包含最基本的點、線、面。加工特征是點線面的有機組合，并不是所有的零件幾何特征都是加工特征，但是所有的加工特征都含有零件的幾何特征[7]。如表1所示，是幾種常見的加工特征。

2.2 加工特征識別方法概述

提取加工特征信息的關鍵是特征識別。目前，國內外研究較多的方法是基于圖匹配的特征識別方式[8]。而其中屬性鄰接圖(attributed adjacency graph)法更為常見。

表1 幾種常見的加工特征

屬性鄰接圖(attributed adjacency graph，AAG)的概念最早是由Joshi和Chang提出[9]。AAG可被定義為一個三元組G(graph)

其中，N為節點集(set of nodes)，A為弧線集(set of arcs)，T為弧線集中的弧線所擁有屬性的集合(set of attributes to arcs in A)。

但是該方法只能識別槽、方孔等由平面組成的且不包含凸節點的加工特征，并不能識別凸臺、圓孔以及圓柱特征，所以不少學者結合其他算法對屬性鄰接圖法進行了拓展[10-12]。

2.3 拓展屬性鄰接圖特征識別方法

由于屬性鄰接圖存在一定的局限性，為解決該問題，基于MBD的定義規范，結合CATIA二次開發技術進行相對應的拓展，在Visual Studio的CAA環境中以數組來表達面與面之間的凹凸關系，其中:

(1)n表示構成特征的面的數量，整數1表示兩個面的凸關系，0表示兩個面不相交或者凹關系。

(2)對于數組元素A[i，j]，如果i≠j，則表示i面與j面之間的關系:如果相交，則為凹關系或者凸關系，如果不相交，則兩者沒有關系。如果用一個二位數來表示不同類型面之間的凹凸關系，那么可以在個位上用0和1來表示凹關系和凸關系，在十位上用數字1，2，3……分別表示平面與平面相交、平面與柱面相交、柱面與柱面相交等關系，例如，可以以用10表示兩個具有凹關系的相交平面，11則來表示兩個具有凸關系的相交平面，21則表示具有凸關系的相交柱面和平面(孔)，以此類推。如果i=j，則數組元素A[i，j]表示面的類型，則此時二位數中的個位數即表示外表面和內表面，對于平面而言，不存在內外表面之分；而對于柱面，如果是外表面，那就是圓柱面，如果是內表面，那就是組成圓孔的面，比如此時21即表示第i個面是柱面，20則表示第j個面是組成圓孔的面。

使用該方法可以構建加工特征唯一的屬性鄰接圖矩陣。如圖2所示，左邊幾何模型顯示的是一個通孔-方，傳統的屬性鄰接圖表示方法如中間圖所示，由四個節點連接而成，右邊的矩陣則是拓展屬性鄰接圖矩陣。

CATIA二次開發技術給MBD的研究提供了不少便利，它不僅能夠提取幾何模型中的加工特征，也能提取這些加工特征的相關信息[13]。

3 工時定額的計算方法

3.1 工時計算特征

通常在制定工時定額時，系統所需要的參數稱為“工時計算特征”，它包括兩類內容，一類是與零件設計有關的特征信息，如零件的形狀特征、零件的輪廓尺寸、零件的材料類別、熱處理等技術要求以及毛坯形狀和輪廓尺寸等；另一類是與工藝設計有關的特征信息，包括工藝路線、工種、使用設備和工裝、裝夾方式、加工內容、加工尺寸以及粗糙度和精度要求等[14]。

本系統所提出的工時計算是指基本作業時間的計算，即零件實際加工過程中由工人直接完成基本工藝加工，使加工對象的尺寸大小、形狀或內在性質發生變化所消耗的時間，如機械制造過程當中的金屬切削、鑄鍛等作業時間[15]。

3.2 工時計算方法

系統通過將獲取到的零件工序的加工工藝相關數據信息進行儲存，然后與已經給定的零件工時給定原則進行匹配計算，求得零件材料加工過程中的去除率，從而獲得相對應工序的基本加工工時。以鋼、鈦合金的通用銑切加工工時給定原則為例，從加工工藝信息結構樹中獲得毛坯體積V，銑刀直徑φ，切削深度h，線速度v，由鋼的去除率計算公式x=φhv，即可求得相對應的去除率，然后根據基本加工工時計算公式t=V/x(V指毛坯體積)，便可以得到鋼在常規銑切加工時的加工工時。常見的機械加工類零件加工工時計算公式如表2所示。

表2 機械加工類零件加工工時計算公式

4 應用實例

結合CATIA/CAA平臺，以某盤類零件加工文件為例，拾取零件幾何體，點擊“獲取信息”可以在三維工藝結構樹上獲取簡單的工藝信息，點擊“特征識別”按鈕，所開發的系統會自動獲得零件的加工特征并且獲取CATIA里它所包含的工藝信息，并輸出顯示在用戶界面，如圖3所示。

在檢查工藝信息是否完整后，點擊“目標文件夾”按鈕，選擇所獲得的信息存放路徑，最后點擊“確定”按鈕，將所得到的工藝信息與已知的零件工時給定原則計算公式進行匹配計算，最終得到所需要的加工工時并顯示在目標文件夾中。最終工藝信息加工工時Excel如圖4所示。

5 結語

本系統研究了在三維模型中零件的加工特征識別與提取技術，通過對CATIA軟件進行二次開發，建立零件加工工時定額計算平臺。運用本軟件系統進行加工工時定額計算所得的結果，與企業目前水平較為接近，滿足具體生產實際。本軟件系統主要實現了以下兩大功能:

(1)實現了銑刀直徑、切削深度、主軸轉速、進給速度等工藝信息快速獲取的功能。

(2)實現了對常用零件加工特征的識別與信息提取。

(3)實現了加工工序工時的快速計算。

軟件系統采用模塊化結構設計和友好的人機交互環境，便于維護和開發，系統使用方便，操作簡單，實用性較好，提高了工時定額效率，也提高了時間定額的準確程度，在實際生產中具有一定的應用價值。