基于參數化建模的風電齒輪工序卡制作方案

吳峰

（南京高速齒輪制造有限公司，江蘇 南京 210000）

目前，非標機加工制造企業普遍面臨一個現狀：三維建模在設計環節已普遍使用，但在工藝環節和生產線仍大量采用二維圖紙和工藝文檔。以風電行業為例，其核心部件主齒輪箱的齒輪屬于高速重載齒輪，其技術指標和幾何參數具有高度定制化的特點，因此在生產中需要為每個齒輪編制工序卡。由于工藝已基本固化，工序卡編制實際以拷貝舊文檔、修改尺寸為主，浪費了大量的勞動力且易出錯。本文從風電齒輪生產企業的加工現狀出發，沿用二維圖紙的文檔輸出，利用參數化思想創建三維工序模型并高效地編制工序卡，為非標生產的數字化升級提供全新的技術思路。

1 工序卡制作的總體流程

本文所采用的工序卡制作方法屬于派生法，本質是通過對已有產品的工藝模板的參數進行修改來派生新的工藝。因此，工序卡的制作總體上分為兩個過程：制作模板，生成工序卡。要使工藝模板的內容實現參數化配置，三維模型是最好的載體，因此，三維工藝模型的創建是首要任務。在完成工藝模型的創建后，還需將各工序的簡圖、內容與模型關聯起來，實現工序卡的參數化驅動。

2 三維工序模型的參數化創建

工序模型與設計模型有顯著區別，工序模型的創建要考慮模型參數的設定如何貫穿各個工序、如何使模型的編輯簡單快捷、如何確保各工序模型之間的聯動等問題。

2．1 參數的定義

工序模型參數來源于產品圖紙上的尺寸、技術參數，以及工藝余量、工藝結構的尺寸。如果產品模型包含三維PMI標注，則可利用三維軟件的PMI導出功能將標注信息導出，整理為相應的尺寸、技術參數；如果產品模型不包含三維標注，則需要人為地將二維產品圖中的信息進行轉化。

2．2 工序模型的建模順序

當前主流三維CAD的同步建模功能還不成熟，部分制造特征的修改仍有缺陷。因此，本文采用正向建模的方式，即先創建毛坯的模型，再通過“減材”逐個創建其他工序的模型。

2．3 尺寸的轉化

對于正向建模的工序模型，毛坯尺寸的計算是第一步工作。在求得毛坯尺寸后，后續工序的結構尺寸可通過加工余量來求解。為使減材建模的過程與實際的加工工步一致，在建立毛坯模型時，要避免后續工藝模型出現“特征偏移”，因此，需要對零件的名義尺寸進行轉化，以使各特征的建模起點一致。

轉化要遵守以下規則：（1）如果是拉伸建模或特征建模，要以中分面為建模起點。（2）如果是旋轉建模，草圖中的軸向尺寸要以中分面為標注起點。（3）加工方向朝向中分面的表面余量為正，加工方向遠離中分面的表面余量為負。中分面是指加工過程中因加工范圍或加工干涉等原因必須對零件進行調面，調面前后的分界面即為中分面，通常是某個圓柱面的中間平面。

2．4 特征的減材處理

在毛坯模型建立好后，后續工序需在其基礎上作減材處理來生成新的工序模型。齒輪零件的切削除了對回轉面和平面的車、銑、磨加工外，還包括對齒輪面的加工。回轉面和平面的減材處理可利用三維CAD的拉伸建模和布爾求差來完成，但對齒面的切削處理卻沒有現成的功能模塊，可通過自定義特征或二次開發來實現。

2．5 工序模型的關聯傳遞

多數三維CAD都提供了部件文件之間的鏈接功能，如NX的WAVE等。為使創建工序卡模板的過程更加簡潔高效，本方案將各個工序模型都建立在一個部件文件中，工序模型之間采用幾何體的復制功能來傳遞，因此，父項模型的任何更改都會體現在子項模型中。

3 工藝簡圖的創建

3．1 圖層的可視化處理

工藝簡圖來源于三維模型的二維導出，在三維CAD中，可使用“工程圖”來承載工藝簡圖和工序卡的其他內容。默認情況下，工程圖的可見圖層是全部打開的，即每張圖紙會顯示所有工序模型的內容，這與“一圖一工序”的初衷不符，因此，針對某工序的圖紙，需要將圖紙視圖的可見圖層設置為與工藝模型相同的圖層。

3．2 輔助對象的參數化定義

在涉及剖視圖、局部放大圖等視圖的創建時，需要手動添加剖面線、放大區域，通常情況下，這些對象在圖紙中的大小和位置是相對不變的，但在參數化工藝編制中，參數的改動會使零件的大小發生變化，為使這些輔助對象隨著參數的變化而變化，需要對其大小和位置進行參數化定義。以局部剖視圖為例，圓形剖切線的半徑值以及其圓心與被剖對象基準點的x向、y向距離應是被剖對象的幾何尺寸的函數。同理，工藝符號如夾緊、定位符號的定位也采用相同的定義方法。

3．3 標題欄填充

標題欄的內容一般包含零件名稱、圖號、工序號、工序名稱、版本號、關聯文件號等。由于整個工藝編制過程都在一個部件文檔中進行，因此，不便從部件屬性中去定義和獲取這些信息。

為使工藝編制的效率足夠高，本方案采用外部數據傳遞的方式填充標題欄。將工序路線信息保存在xml或Excel文檔中，通過定位文檔中的工序號關聯相應的工序圖紙，隨后將該行的數據寫入該圖紙的標題欄內。

4 工序卡的輸出

在編制好標題欄和工藝簡圖后，再將工藝要求和工藝定額等內容進行補充即完成工序卡的制作。此時，工序卡都集中在一個部件文件中，該文件即是此類零件的工序卡模板。當后續有類似的新品需要編制工藝時，修改模板中的建模參數即可快速派生為新品的工藝模型和工序卡。為使工序卡可有序地在PDM系統中管理，有必要將派生出來的文件拆分為多個工序文件，每個輸出的工序文件包含自身的工序卡以及完整的工藝模型。該過程可通過CAD的自身功能實現，利用宏可提高處理效率。

5 交互式的工序卡創建

將參數化建模、標題欄填充、工序卡輸出等功能集成在一起，利用窗口程序進行封裝，可實現工序卡的交互式創建。本文采用NX軟件的NX Open API和Block UI工具封裝以上過程，程序具備調取歷史參數、編輯參數、編輯文檔路徑等基本功能，如圖1。

圖1 利用NX Open開發的工序卡創建程序及流程

6 結語

本文從風電齒輪的工序卡編制出發，探索了一種既可利用參數化建模又保留二維圖的高效的工藝編制方案。針對零件種類單一、工藝固化的非標產品生產，采用本文所述的方案可有效緩解重復勞動，提高工序卡的創建效率和準確率。同時，該過程中生成的工序模型可用于CAE分析、數字化檢驗、切削模擬等，是工廠信息化建設中不可或缺的一環。