基于TCM平臺的三維工藝快速設計技術

劉菊花，廉繼西，孫夏輝，王三民，段中洲

(河南平原光電有限公司，河南 焦作 454001)

企業通過長期的生產實踐和工藝技術研究，積累了豐富的工藝設計數據和大量的制造資源數據，但這些寶貴的工藝知識絕大多數都留存在設計人員腦子里或工藝文件中，沒有形成標準化、結構化的工藝知識庫，供同類(族)零件工藝設計和加工時選用。由于工藝標準化水平低，生產制造過程中難以應用成組技術快速組織和實施敏捷化生產，雖然引入了基于三維模型的協同工藝設計平臺TCM系統(以下簡稱TCM系統)，但是由于工藝知識庫和應用模板沒有建立起來，其協同高效工作的優勢得不到充分發揮。另一方面，由于產品零件品種多樣且結構復雜，加工需要的工裝夾具種類多，缺乏工裝優化設計系統的技術支撐，工裝標準化、系列化程度低，難以通過利用以往的優化設計方案實現新工裝的快速設計，因此工裝準備周期長，已成為制約生產效率提高的重要因素。因此，針對本企業產品精密結構零件，我們開展了基于三維模型進行快速工藝設計的相關技術研究，解決了上述瓶頸問題，有效提升了武器裝備研制效率，同時為正在進行的智能車間建設提供了技術支撐。

1 基于三維模型的快速工藝設計技術

基于三維模型的工藝設計是指以三維數字化模型為基礎和技術手段，把工藝規劃、工藝詳細設計、工藝仿真與驗證以及工藝執行過程以三維數字化方式表現的一種工藝形式[1]，具有表現形式直觀、工藝模型與設計模型可同步更改、工藝人員可直接利用三維工藝模型進行數控加工及檢測程序編制和仿真驗證等優點，已逐漸被推廣應用。

為提高應用TCM系統進行三維工藝設計的效率，探索適合本企業的三維工藝設計方法，針對型材件、鑄件等不同毛坯狀態，我們制定了優化的工藝設計路徑，既保持工藝模型與設計模型的相關性，又兼顧工藝設計的便捷性，形成了三維工藝設計規范和典型工藝設計模板。

1.1 對典型零件進行分類并確定最優工藝路線

零件的結構、材料、特征是工藝設計的主要依據[2]，對產品中結構特征近似的典型零件進行梳理、分類，歸納了板類、軸類、目鏡螺紋類、本體類、齒輪類等11類典型零件，并在大量查閱定型產品成熟工藝的基礎上，研究確定了各類典型零件最優化的工藝路線，形成了企業標準《機械加工典型零件分類及典型工藝》，為在TCM系統中建立基于三維模型的典型工藝設計模板奠定了技術基礎。

1.2 制定三維工藝設計標準

由于目前國內還沒有通用的三維工藝設計標準用以指導三維工藝設計工作，需要根據所使用的軟件平臺和企業工藝工作實際，研究制定《基于TCM和NX軟件的三維工藝設計規范》，用以指導本企業的三維工藝設計工作[3]。

1.2.1 定義三維工藝設計形式

TCM系統雖然已上線使用，但是由于信息化條件還不完備，生產現場沒有足夠的終端讀取三維工藝，無法實現真正的無紙化生產。在這種條件下，三維工藝怎么設計，以什么樣的形式呈現，是制定標準時首先考慮的問題。

1)確定三維工藝設計以三維工序模型為主、工序卡片為輔的設計原則，最大程度發揮三維工序模型表達直觀、可以直接用于數控編程的優勢，規定三維工藝由工藝路線、三維工序模型和工序卡片組成，在三維工序模型上完成產品制造信息(尺寸、文字注釋、幾何公差等)的標注，加工用的機床、刀、夾、量具等信息在工序卡片中填寫，這些信息可被按工序提取到ERP和MES系統中，用于生產準備[4]。

2)根據產品的研制階段和工藝復雜程度劃分為簡易工藝規程和正式工藝規程，對2種工藝規程的適用范圍和實現形式分別進行規定，簡易工藝規程以零件三維模型為主要依據，減小工藝設計工作量。

3)詳細規定了三維工藝的工藝數據要求，對工藝集、工藝信息、產品制造信息標注時的注意事項等設計要求進行了規定，確保下游系統能夠從TCM系統中提取所需信息[5]。

1.2.2 創建工藝三維模型模板

NX軟件自帶的三維制圖模板不能滿足三維工藝設計的需要，相關的字體、字高、線型和其他制圖符號等與制圖標準相差較大，因此需要定制適合三維工藝設計的模型模板。

1)優化產品制造信息(PMI)標注樣式。

NX軟件自帶設計模板中很多的PMI標注樣式與工藝設計常用標準不符，工藝師應用軟件自帶設計模板進行三維工藝設計過程中，需要對不符合標準的標注項樣式進行更改，進行了大量的重復勞動，嚴重影響三維工藝設計效率。我們經過調研和反復試驗，對不符合制圖標準的PMI標注樣式進行了優化和修改，并固化在定制的三維工藝設計模板中，供工藝師設計三維工藝時調用。

2)通過軟件二次開發，簡化工序模型顏色設置。

在三維工序模型中，對加工部位、定位面、夾緊面等的區分是通過設置不同顏色實現的，識讀起來比二維工藝附圖更加直觀。但是，NX軟件在進行對象顏色設置時操作步驟較多，每次設置均需要層層打開設置界面，并通過過濾器選擇平面，過程繁瑣，而且每個人選擇的顏色也不完全一致，存在一定的誤差。

為解決這一問題，利用NX軟件自帶的Grip編程語言進行了軟件功能的二次開發，對常用的幾種顏色進行了定義，并制作成快捷工具條(見圖1)，添加在三維工藝設計模板中，直接點擊快捷工具條上的色卡，再選中需要編輯顏色的面，即可設置成功，將原來需要7步才能完成的操作，縮減到點擊兩次鼠標就能夠完成，不但簡化了操作步驟，而且保證每個人設計出的三維工藝顏色設置完全統一。

圖1 二次開發的NX軟件顏色設置工具條

基于上述成果，制定并發布了企業標準《基于TCM和NX軟件的三維工藝設計規范》，作為三維工藝設計工作的指導性標準，設計效率和規范性顯著提高。

1.3 建立基于TCM系統的典型零件工藝設計模板

在TCM系統中建立了基于三維模型的典型工藝設計模板，包含11個大類、18種典型零件的典型工藝模板，將典型零件工藝路線、三維工序模型、所用到的制造資源等工藝知識集成到典型工藝設計模板中，同類零件可通過調用模板實現快速工藝設計。

1.3.1 創建典型零件三維工藝設計模板

嚴格按照制定的《基于TCM和NX軟件的三維工藝設計規范》進行典型零件三維工藝設計模板創建，典型零件三維工藝包含三維工序模型和工序卡片兩部分。

三維工序模型中需要對工序加工信息進行清晰、準確的表達。利用已定義的“工藝模型模板”進行工序線性尺寸、幾何公差和注釋信息的標注；應用二次開發的顏色設置工具條，對加工面、定位面、夾緊面等設置顏色標識，做到加工信息一目了然，相比二維工藝附圖，辨識度大幅提高，三維工序模型圖如圖2所示。

圖2 三維工序模型圖

加工設備、工裝、加工參數、刀具、量具等三維工序圖中不方便標注的信息，在工序卡片中進行說明，上述信息從工藝數據庫中調用，不僅提高信息填寫的標準化水平，還可通過系統對工序加工過程中使用到的刀具、量具等進行統計，提前進行工藝準備和物料配送，縮短零件加工準備時間。

1.3.2 典型工藝庫應用

進行新產品工藝設計時，可根據零件結構特征和材料，確定其所屬典型零件的種類，從典型工藝庫中查找對應的典型工藝進行借用，然后對三維工序模型和工序卡片中的信息進行少量修改，即可生成新零件的工藝。典型工藝庫結構樹如圖3所示。

圖3 典型工藝庫結構樹

2 基于三維模型的快速工裝設計技術

基于三維設計平臺NX對夾具元件、典型夾具結構和夾具設計實例進行三維建模，形成工裝設計數據庫，在新產品工裝設計時，可根據獲取的待裝夾工件及加工工藝的信息，從工裝實例庫中檢索出相關的設計實例，以其中的裝夾規劃信息檢索出規劃實例；設計人員對規劃實例進行調整，生成最終的裝夾規劃方案，進而創建出所需要的新工裝設計數據，新設計的工裝經驗證無誤后，再作為工裝設計實例存儲到工裝實例庫中，其設計流程如圖4所示。

圖4 基于實例的工裝設計流程

2.1 對典型工裝進行分類并創建三維模型

對產品加工中用到的典型工裝進行梳理、歸類，確定了18種常用典型夾具結構，涉及車、銑、鉗、制齒等工種，歸納了典型工裝的適用零件類型、裝夾定位方式等關鍵信息，制定了《典型工裝分類明細表》，并分別創建三維模型，形成典型工裝數據庫。

2.2 創建夾具零件參數化三維模型

《夾具零件》是為促進機械加工夾具設計通用化、系列化、組合化發展而制定的夾具通用零件的企業標準，包含64種零件，每種零件有從小到大多組尺寸系列供設計時根據工裝尺寸需要進行選用。為方便工藝師在設計工裝時快速完成通用夾具零件的三維模型，建立了基于NX軟件的通用夾具零件參數化三維模型庫。需要調用時，按照夾具零件編碼序號，打開對應的模型文件，在“工具-表達式”窗口輸入所需參數，即可驅動參數化的模型得到所需規格的夾具零件(見圖5)。

圖5 參數驅動生成夾具零件三維模型

2.3 創建基于TCM的工裝設計數據庫

將典型工裝、工裝實例以及夾具零件參數化三維模型集成在TCM系統中，建立了快速工裝設計平臺，該平臺具有典型工裝檢索與借用、夾具零件調用、工裝數據管理等功能，能夠顯著提高機械加工工裝設計質量和效率。

制定典型工裝編碼規則，按照編碼規則命名賦碼后的典型工裝三維模型形成“典型工裝數據庫”，集成在TCM系統“典型工裝”節點下，供工藝技術人員在設計工裝時查詢、參考或調用。

夾具零件參數化三維模型名稱和信息編碼按企業標準《夾具零件》中的規定執行，命名賦碼后的夾具零件參數化三維模型形成“夾具零件數據庫”，集成在TCM系統“夾具零件”節點下，工裝設計時，可從數據庫中找到對應的零件，下載到本地，打開三維模型后在“工具-表達式”窗口輸入所需參數，即可驅動參數化的模型得到所需規格的夾具零件。

“工裝實例數據庫”用于保存各產品所設計的專用工裝夾具，按照夾具類型對專用夾具進行分類保存，主要分為車床夾具、銑床夾具、鉆孔夾具、制齒夾具等幾個子節點，每個子節點下，夾具按照定位方式或結構形式再進行分類。

夾具設計時，可參考“典型夾具庫”中的典型夾具結構，從“夾具零件庫”中調用所需的夾具零件，也可借用“工裝實例數據庫”中的相似夾具進行實例重用或修改，得到新的夾具，經生產驗證后，將設計結果上傳到TCM系統“工裝實例數據庫”中對應的節點下進行保存，成為新的設計實例。

3 快速工藝設計技術的應用

在新產品工藝設計時，應用典型工藝模板進行相同類型的零件工藝設計，省去了規劃工藝路線、添加工序卡片等工作步驟，工藝參數和刀、夾、量具等內容只需要在模板已有相關內容的基礎上根據需要稍作修改即可，可節約工藝設計時間50%以上，并使工藝設計標準化程度大幅度提高。

進行新產品工裝設計時，可參考典型工裝數據庫中的三維典型工裝設計結構，可從夾具零件數據庫中直接調用所需零件三維模型，還可在工裝實例庫中查詢類似夾具結構進行借用，企業多年積累的工裝設計知識均集成在快速工裝設計系統中，可在工裝設計時方便獲取，設計效率大幅度提高，工裝準備時間平均縮短25%以上。

4 結語

采用信息技術手段，將多年來形成和存在于技術人員頭腦和技術文件資料中的工藝、工裝設計知識，以數字化、標準化的形式呈現于軟件系統中，形成工藝設計數據庫，使這些寶貴的工藝知識得到有效利用和傳承，創建的典型零件三維工藝設計模板和快速工裝設計平臺顯著提升了工藝設計效率，工藝標準化水平也得到大幅度提高。