（中國航天科技集團(tuán)公司長征機(jī)械廠，成都 610100）

航天產(chǎn)品制造作為我國制造業(yè)的重要組成部分，其發(fā)展對國家制造業(yè)的水平起著重要的推動作用[1]。推進(jìn)航天制造技術(shù)的信息化建設(shè)是國家的一項重要戰(zhàn)略舉措，為響應(yīng)國家的號召，大力發(fā)展生產(chǎn)和管理創(chuàng)新、縮短產(chǎn)品的科研生產(chǎn)周期和降低生產(chǎn)成本，工廠提出了適應(yīng)發(fā)展需要的數(shù)字化工廠建設(shè)目標(biāo)。其中，三維工藝技術(shù)是一項重要環(huán)節(jié)，即結(jié)合工廠的實際情況，研究采用目前先進(jìn)的產(chǎn)品生命周期管理模式，構(gòu)建基于MBD（Model Based Definition）的三維協(xié)同結(jié)構(gòu)化工藝設(shè)計管理平臺，改進(jìn)傳統(tǒng)產(chǎn)品工藝設(shè)計過程和管理方法，最終完成平臺與ERP/MES/DNC等系統(tǒng)集成，打通工廠信息流傳遞，實現(xiàn)數(shù)字化工廠的信息化建設(shè)整體目標(biāo)。

1 三維協(xié)同的提出

在傳統(tǒng)航天產(chǎn)品的科研生產(chǎn)過程中，設(shè)計與制造部門長期分離且使用的平臺不統(tǒng)一，與產(chǎn)品相關(guān)的三維模型、設(shè)計技術(shù)條件、工藝要求等信息需通過轉(zhuǎn)換才得以相互傳遞，即設(shè)計部門把三維模型轉(zhuǎn)換為帶圖號、名稱、材料、階段等信息的二維工程圖下發(fā)至生產(chǎn)單位，工藝部門通過再建模技術(shù)完成三維工藝模型的創(chuàng)建，以滿足數(shù)控加工流程的設(shè)計和CNC程序輸出。這種模式下的信息轉(zhuǎn)換比較繁瑣、可協(xié)作性低、一致性差，在三維模型和二維圖的相互轉(zhuǎn)換過程中，還會出現(xiàn)技術(shù)人員制圖、識圖不準(zhǔn)確導(dǎo)致出圖或建模出錯，將會造成嚴(yán)重的質(zhì)量問題。

傳統(tǒng)技術(shù)狀態(tài)的變化是采用電子郵件或打印紙質(zhì)的更改單進(jìn)行簽署、分發(fā)，更改單通常難以及時傳達(dá)到工藝人員的手中，產(chǎn)品的有效版本控制也較為困難，造成協(xié)同管理效率低下，嚴(yán)重影響了產(chǎn)品的研制周期和產(chǎn)品質(zhì)量。

如圖1所示，通過在生產(chǎn)與設(shè)計部門之間建立基于MBD的產(chǎn)品設(shè)計和工藝設(shè)計協(xié)同的平臺進(jìn)行產(chǎn)品管理，可有效解決此類問題:一方面，平臺可以消除設(shè)計和生產(chǎn)部門之間的信息孤島。設(shè)計部門基于MBD的方式完成設(shè)計建模，在零件的三維模型上完整定義產(chǎn)品的設(shè)計、工藝、管理等信息，經(jīng)協(xié)同發(fā)布與接收后，工藝部門繼承使用基于MBD的三維設(shè)計模型完成工藝設(shè)計，整個研制過程中，實現(xiàn)了設(shè)計和生產(chǎn)之間的單一數(shù)據(jù)源傳遞，避免了三維模型與二維圖紙之間的信息沖突，工藝模型準(zhǔn)確性可得到有效保證，減輕了技術(shù)人員的工作量；另一方面，設(shè)計變更和版本控制更簡單有效。設(shè)計變更簽署結(jié)束后，平臺將自動完成下發(fā)，及時通知生產(chǎn)單位及人員對相應(yīng)的環(huán)節(jié)進(jìn)行更改，更改記錄和版本的可追溯性強(qiáng)，變更實施過程中，生產(chǎn)部門能快速作出響應(yīng)并及時反饋落實情況，技術(shù)狀態(tài)得到閉環(huán)控制，設(shè)計與生產(chǎn)部門的協(xié)同能力得到極大的改善。

圖1 三維協(xié)同結(jié)構(gòu)化工藝設(shè)計平臺Fig.1 Platform of structured process planning base on 3D cooperation

2 工藝資源管理

工藝資源是執(zhí)行產(chǎn)品加工、檢驗、包裝等生產(chǎn)活動的人、器件、設(shè)備等實體，包括刀具、量具、工裝、工藝物料、工作中心、技能人員等。目前大部分企業(yè)的工藝資源基本都是采用臺賬的方式記錄，其管理混亂、共享困難,技術(shù)人員在工藝準(zhǔn)備過程中無法直接、準(zhǔn)確的獲取工藝資源，工作效率低下。此外，由于航天企業(yè)單件小批量生產(chǎn)模式的特殊性，其工藝技術(shù)相對復(fù)雜，對應(yīng)的工藝資源種類和數(shù)量較多，如果缺乏對工藝資源的詳細(xì)分類和統(tǒng)一有效管理，現(xiàn)場經(jīng)常會出現(xiàn)資源分配不合理或?qū)嶋H生產(chǎn)過程中找不到資源等情況，造成前期生產(chǎn)準(zhǔn)備時間與數(shù)控加工時間的比例嚴(yán)重失調(diào)，難以發(fā)揮數(shù)控加工設(shè)備或數(shù)字化生產(chǎn)的整體效用[2]。

以分類屬性來定義不同類型的工藝資源，并按一定的規(guī)則進(jìn)行編碼[3]，根據(jù)其所屬關(guān)系采用結(jié)構(gòu)化的方式來管理，實現(xiàn)了三維協(xié)同結(jié)構(gòu)化工藝設(shè)計平臺下工廠工藝資源庫的創(chuàng)建，如圖2所示。所有工藝資源的技術(shù)信息全部納入系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)化管理，如機(jī)床工作臺的基本尺寸、工作臺的行程、主軸最高轉(zhuǎn)速等，刀具庫將最終與車間立體庫集成實現(xiàn)刀具出入的自動化管理。工藝資源庫的創(chuàng)建實現(xiàn)了工廠工藝資源的共享和快速獲取，提高了工作效率。

圖2 工廠工藝資源庫Fig.2 Resourse of factory

3 結(jié)構(gòu)化工藝設(shè)計

3.1 數(shù)控加工工藝設(shè)計

在三維協(xié)同結(jié)構(gòu)化工藝設(shè)計過程中，工藝模型和設(shè)計模型的一致性是基礎(chǔ)，基于MBD模式下的數(shù)控加工工藝設(shè)計流程如圖3所示。通過協(xié)同，工藝技術(shù)人員可直接使用已受控的設(shè)計模型生成工藝模型進(jìn)行數(shù)控加工設(shè)計。如圖4所示，生成的工藝模型完全繼承了設(shè)計模型的尺寸和參數(shù)等信息，避免了因生產(chǎn)部門再建模引起與設(shè)計建模之間的差異，兩者的一致性得到了有效保證[4]。

數(shù)控加工工藝設(shè)計是指導(dǎo)操作工人進(jìn)行加工的核心，包括加工工序、工步定義、工藝資源選取、加工過程、加工參數(shù)的仿真與優(yōu)化、CNC程序的輸出等[5]。如圖5所示，工藝技術(shù)人員使用數(shù)控加工軟件連接服務(wù)器從資源庫中選取與各操作相關(guān)的機(jī)床、刀具、工裝等工藝資源，實現(xiàn)了數(shù)控加工設(shè)計中的工藝資源與車間實際資源的統(tǒng)一，生成的工藝文件及CNC程序等工藝數(shù)據(jù)對現(xiàn)場的指導(dǎo)性強(qiáng)。

圖3 基于三維模型的結(jié)構(gòu)化工藝設(shè)計流程Fig.3 Procedure of structured process planning base on 3D model

圖4 基于MBD的工藝模型Fig.4 Process model base on MBD

3.2 工序模型及三維標(biāo)注

工序模型是基于設(shè)計模型創(chuàng)建或?qū)γ鬟M(jìn)行材料去除后生成，能清晰表達(dá)產(chǎn)品各工序加工結(jié)束后的幾何模型、三維標(biāo)注、技術(shù)要求等信息的集合，可供工序檢驗和指導(dǎo)裝夾的信息模型[6]。按工序順序進(jìn)行材料去除后生成的各工序模型族表如圖6所示。

圖5 從系統(tǒng)資源庫選擇刀具Fig.5 Choose the tool from resource storage in system

圖6 創(chuàng)建工序模型族表Fig.6 Creating the process model list

傳統(tǒng)的工藝文件是二維表格形式的文檔，工藝人員需要對各工序或工步加工后狀態(tài)的尺寸進(jìn)行逐一錄入，尺寸錄入過程易出錯，同時需要配合二維圖紙使用，對現(xiàn)場工人的識圖、理解能力要求較高?；贛BD的結(jié)構(gòu)化工藝文件通過把工序模型以輕量化的方式發(fā)布到現(xiàn)場，工人采用在線或離線瀏覽的方式獲取各工序、工步加工結(jié)束后的工序模型，可實現(xiàn)無紙化生產(chǎn)[7],同時采用軟件對工序模型進(jìn)行三維標(biāo)注替代傳統(tǒng)工藝規(guī)程中二維工序草圖的制作過程，操作簡單、方便，錯誤率低，某零件工序模型的三維標(biāo)注如圖7所示。通過在三維軟件中把所有的三維標(biāo)注尺寸對象指定為控制特征，在系統(tǒng)中提取后可直接供三維作業(yè)指導(dǎo)卡和工藝文件使用，減少了尺寸的手工錄入過程，同時為數(shù)字化工廠的自動化檢驗提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)；對部分關(guān)鍵、重要尺寸進(jìn)行特殊控制特征定義，提取的尺寸對象方便了關(guān)鍵工序、重要工序的工藝管理。

3.3 結(jié)構(gòu)化工藝設(shè)計

通過創(chuàng)建有明確層次關(guān)系的工序和工步，并按工藝要求把工序模型、工藝資源、加工參數(shù)及詳細(xì)說明等內(nèi)容添加到相應(yīng)節(jié)點(diǎn)，形成的工藝結(jié)構(gòu)樹稱為結(jié)構(gòu)化工藝文件。完整的結(jié)構(gòu)化工藝文件包含工藝流程、工藝資源、工序和工步內(nèi)容、工序模型及三維標(biāo)注、工藝參數(shù)、CNC程序、相應(yīng)的技術(shù)條件等信息如圖8所示。結(jié)構(gòu)化工藝數(shù)據(jù)利于工藝信息的批量提取和重用，通過與MESDNC等系統(tǒng)的集成，可實現(xiàn)結(jié)構(gòu)化工藝數(shù)據(jù)在各系統(tǒng)中的信息流傳遞，為整個工廠的全面信息化建設(shè)提供了保障。

圖7 工序模型及三維標(biāo)注Fig.7 Process model and 3D annotating

圖8 結(jié)構(gòu)化工藝Fig.8 Structural process

4 三維作業(yè)指導(dǎo)卡的發(fā)布

結(jié)構(gòu)化工藝文件完成電子流程簽審后，三維作業(yè)指導(dǎo)卡可直接發(fā)布到現(xiàn)場以供現(xiàn)場工人參考使用[8]，如圖9所示。三維作業(yè)指導(dǎo)卡的發(fā)布信息主要包含兩個方面:一是工序模型的三維瀏覽啟動窗口；二是工藝數(shù)據(jù)信息的顯示。通過結(jié)構(gòu)化工藝文件自動發(fā)布的三維作業(yè)指導(dǎo)卡，減少了傳統(tǒng)工藝規(guī)程和數(shù)控加工作業(yè)指導(dǎo)卡的數(shù)據(jù)重復(fù)錄入過程和工藝準(zhǔn)備時間，嚴(yán)格保證了作業(yè)指導(dǎo)卡和工藝文件之間的一致性，涉及的工藝數(shù)據(jù)包括機(jī)床、刀量具、工裝、加工參數(shù)、CNC程序編號、詳細(xì)說明等，其信息量大，對現(xiàn)場指導(dǎo)性更強(qiáng)[9]。

據(jù)不完全統(tǒng)計，傳統(tǒng)產(chǎn)品現(xiàn)場數(shù)控加工產(chǎn)生的質(zhì)量問題中，有約20%是因零件裝夾出錯引起，約25%是數(shù)控加工程序的原點(diǎn)設(shè)置錯誤導(dǎo)致。這些問題主要是工藝人員和現(xiàn)場操作人員的溝通不到位或表達(dá)不清楚造成，通過三維作業(yè)指導(dǎo)卡的三維瀏覽窗口，現(xiàn)場可直接獲取零件的裝夾方案、CNC程序原點(diǎn)、工序模型及三維標(biāo)注等信息，極大地減少了工藝和操作者之間因溝通不當(dāng)引起的誤操作。用零件工序模型及其三維標(biāo)注替代工序插圖配合文本形式的尺寸描述，操作者能準(zhǔn)確快速地獲取尺寸及對應(yīng)的零件特征，如圖10所示。

三維作業(yè)指導(dǎo)卡的現(xiàn)場發(fā)布，支持終端在線或離線查詢、瀏覽，減少了現(xiàn)場操作人員對工藝人員的依賴，實現(xiàn)了數(shù)字化車間的無紙化生產(chǎn)，節(jié)約了生產(chǎn)成本，提高了產(chǎn)品生產(chǎn)效率。

圖9 三維作業(yè)指導(dǎo)卡Fig.9 3D instruction

圖10 裝夾方案和三維標(biāo)注Fig.10 Clamping method and 3D annotating

5 結(jié)束語

通過基于MBD的數(shù)控加工工藝技術(shù)的研究和實踐，工廠實現(xiàn)了參數(shù)化的工藝資源管理、結(jié)構(gòu)化的工藝設(shè)計、可視化的工藝發(fā)布等統(tǒng)一管理與應(yīng)用實踐；形成了一套與結(jié)構(gòu)化工藝設(shè)計相關(guān)的規(guī)范與管理要求；通過與MES/DNC等系統(tǒng)的集成，打通了從工藝設(shè)計到生產(chǎn)現(xiàn)場的全三維數(shù)字化制造流程；實現(xiàn)了數(shù)字化車間的無紙化生產(chǎn)，為工廠數(shù)字化建設(shè)的騰飛打下了堅實的基礎(chǔ)。

[1]付紅旭. 基于PLM的三維數(shù)字化車間整體解決方案[J]. 信息化技術(shù)，2013(2):67-70.

FU Hongxu. 3D digital manufacturing solution based on PLM[J].Information Technology, 2013(2):67-70.

[2]藺娜，冀阿強(qiáng)，張余升,等.面向航天制造企業(yè)的數(shù)字化刀具管理系統(tǒng)研究[J]. 制造業(yè)自動化，2013(10):14-17.

LIN Na, JI A’qiang, ZHANG Yusheng, et al. Research on the digital tool management system oriented to aerospace manufacturing enterprises[J].Manufacturing Automation, 2013(10):14-17.

[3]楊旭東，李華臣，王洪生,等. 采用標(biāo)識技術(shù)的刀具信息管理研究 [J]. 現(xiàn)代制造工程，2009(4):16-19.

YANG Xudong, LI Huachen, WANG Hongsheng, et al. The research of tool information management based on tool marking and identification[J].Modern Manufacturing Engineering, 2009(4):16-19.

[4]蔡瑞環(huán)，賈曉亮. 基于CATIA與DELMIA的三維機(jī)加工藝設(shè)計技術(shù)研究[J]. 航空制造技術(shù)，2014(5):47-49.

CAI Ruihuan, JIA Xiaoliang. 3D machining process planning design based on CATIA and DELMIA[J]. Aviation Manufacturing Technology,2014(5):47-49.

[5]張祥祥，陳興玉，張紅旗,等. 基于PRO/E的三維機(jī)加工藝設(shè)計方法研究[J]. 機(jī)械與電子，2014(2):3-6.

ZHANG Xiangxiang, CHEN Xingyu, ZHANG Hongqi, et al. Research on the method of three-dimensional machining process planning based on PRO/E[J]. Machinery and Electronics, 2014(2):3-6.

[6]唐健均，賈曉亮，田錫天,等. 面向MBD的數(shù)控加工工藝三維工序模型技術(shù)研究[J]. 航空制造技術(shù)，2012(16):62-65

TANG Jianjun, JIA Xiaoliang, TIAN Xitian, et al. Research on threedimensional process operation model in nc machining for model based definition[J]. Aviation Manufacturing Technology, 2012(16):62-65.

[7]劉燕. 三維CAM中間工序模型的構(gòu)建及優(yōu)化[J]. 科技創(chuàng)業(yè)家 , 2014(5):174-177.

LIU Yan. Construction and optimization of three dimensional CAM intermediate process model[J]. Science and Technology Entrepreneurs,2014(5):174-177.

[8]惠巍，王彥，陶劍，等. 航空制造領(lǐng)域中三維工藝技術(shù)的應(yīng)用[J]. 航空制造技術(shù)，2013(13):43-47.

HUI Wei, WANG Yan, TAO Jian, et al. Application of 3D processing technology in aeronautical manufacturing[J]. Aviation Manufacturing Technology, 2013(13):43-47.

[9]李海泳，唐秀梅，亢亞敏，等. 基于MBD技術(shù)的航空制造數(shù)字化工藝實施應(yīng)用[J]. 航空制造技術(shù)，2013(13):40-42.

LI Haiyong, TANG Xiumei, KANG Yamin, et al. Application of MBD based digital aeronautical manufacturing process[J]. Aviation Manufacturing Technology, 2013(13):40-42.