周星晶，衛(wèi) 煒,2，黃斌達(dá)

（1.南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，南京 210016;2.江蘇省精密與微細(xì)制造技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210016）

工藝是連接設(shè)計(jì)與制造的橋梁，工藝信息管理是對(duì)工藝相關(guān)信息的組織和處理過(guò)程的管理[1]。航空發(fā)動(dòng)機(jī)作為飛機(jī)的動(dòng)力來(lái)源，其零件具有幾何結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工藝種類繁多、數(shù)據(jù)量龐大等特點(diǎn)，對(duì)設(shè)計(jì)、工藝和制造之間的工藝信息集成性要求較高，但是現(xiàn)有的信息管理系統(tǒng)面對(duì)紛繁復(fù)雜的工藝信息已很難滿足需要，且目前航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造依據(jù)是二維工程圖，工藝信息的發(fā)布形式依然以傳統(tǒng)二維圖紙形式的工藝規(guī)程指導(dǎo)下游工人進(jìn)行加工[2-3]。這種工藝管理形式和發(fā)布方法已經(jīng)很難滿足現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造企業(yè)數(shù)字化制造技術(shù)的發(fā)展需要，其不足主要體現(xiàn)在： （1）缺乏完整的工藝資源信息管理和知識(shí)共享，工藝信息完整性和追溯性差，使得查詢和集成工藝信息極為不便； （2）工藝編制要求工藝人員具有豐富的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，工藝數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性難以保證以及信息集成度低； （3）現(xiàn)行的工藝規(guī)程大多以二維簡(jiǎn)圖和文字等說(shuō)明方式，不能直觀展示零件的幾何信息，對(duì)下游加工工人識(shí)圖要求較高，且一旦出現(xiàn)問(wèn)題，需要返回到工藝設(shè)計(jì)階段修改，重新生成二維圖紙，嚴(yán)重影響產(chǎn)品生產(chǎn)效率。

近年來(lái)，部分學(xué)者對(duì)工藝信息管理和工藝文件可視化展示進(jìn)行了相關(guān)研究，董思洋等[4]提出了一種基于過(guò)程驅(qū)動(dòng)的飛機(jī)制造工藝管理模式，并針對(duì)每個(gè)工藝業(yè)務(wù)的不同特點(diǎn)設(shè)計(jì)了封裝模型，給出了過(guò)程驅(qū)動(dòng)的響應(yīng)機(jī)制；楊曉軍[5]等研究了基于PDM系統(tǒng)的集成化工藝信息管理模式，實(shí)現(xiàn)了工藝信息的規(guī)范化管理；王帥等[6]提出了一種基于移動(dòng)終端的飛機(jī)裝配現(xiàn)場(chǎng)工藝可視化及信息管理方法，并利用移動(dòng)終端無(wú)線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)實(shí)現(xiàn)了裝配現(xiàn)場(chǎng)信息的實(shí)時(shí)發(fā)布和反饋；陳睿等[7]研究了基于模型定義的機(jī)加工裝派工文件可視化展示，實(shí)現(xiàn)了工藝規(guī)程下工裝派工文件生成和發(fā)布。

為改變二維環(huán)境下機(jī)加工藝設(shè)計(jì)中信息管理存在的不足，本文結(jié)合工藝設(shè)計(jì)過(guò)程中工藝信息的特性，研究了航空發(fā)動(dòng)機(jī)三維模式下零件機(jī)加工藝信息管理的關(guān)鍵技術(shù)，并基于PLM平臺(tái)開(kāi)發(fā)航空發(fā)動(dòng)機(jī)零件機(jī)加工藝信息管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了三維工藝規(guī)程可視化文件生成，縮短了航空發(fā)動(dòng)機(jī)零件的制造周期，對(duì)降低零件成本、提高經(jīng)濟(jì)效益具有重要意義。

1 工藝信息分類

工藝信息是產(chǎn)品工程信息的重要組成部分，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)及加工制造起關(guān)鍵性紐帶作用，決定著產(chǎn)品最終質(zhì)量[8]。從零件加工過(guò)程中涉及的工藝信息可以看出，工藝信息具有多樣化、繁雜化等特點(diǎn)。本文通過(guò)對(duì)機(jī)加零件加工過(guò)程中涉及的工藝信息進(jìn)行分析，將航空發(fā)動(dòng)機(jī)零件機(jī)加工藝信息分成動(dòng)態(tài)工藝信息和靜態(tài)工藝信息兩類，具體分類如圖1所示。

靜態(tài)工藝信息是指在進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)過(guò)程中，只要機(jī)加工對(duì)象確定，工藝信息就不會(huì)隨工藝過(guò)程改變而發(fā)生改變的信息。這部分信息指的是零件屬性信息，包括產(chǎn)品名稱、零件名稱、材料信息等，在工藝設(shè)計(jì)過(guò)程中，靜態(tài)工藝信息一般是從零件設(shè)計(jì)BOM（Bill of Material）中繼承的工藝信息。

動(dòng)態(tài)工藝信息指是在工藝設(shè)計(jì)過(guò)程中需要獲取、輸入或者編輯的工藝信息，以及隨制造對(duì)象與環(huán)境不同而產(chǎn)生的信息。不同的工藝過(guò)程、不同的加工需求就會(huì)產(chǎn)生不同的信息數(shù)據(jù)，動(dòng)態(tài)工藝信息DPI由工序信息GXI、車間資源信息ZYI和工步信息GBI 3部分組成，因此可將動(dòng)態(tài)工藝信息表達(dá)為：

式中：GXIi表示第i道工序?qū)?yīng)的工序基本信息，包括工序號(hào)、工序名稱、車間等，這部分信息是從工藝路線中繼承的工藝信息；ZYIj表示第j道工序?qū)?yīng)的車間資源信息，包括設(shè)備信息、夾具信息、冷卻液信息等，這部分信息是從工藝資源庫(kù)中獲取得到；GBIk表示第k道工序?qū)?yīng)的工步信息，而工步信息可表示為：

式中，SPIi表示第i道工步對(duì)應(yīng)的工步基本信息，包括工步號(hào)、工步內(nèi)容等，這部分信息由工藝人員根據(jù)加工質(zhì)量要求和生產(chǎn)效率要求編輯得到；PTIj表示第j道工步對(duì)應(yīng)的工藝裝備信息，包括刃具信息、量具信息、輔具信息等，這部分信息可以由工藝資源庫(kù)中獲取得到； CPIk表示第k道工步對(duì)應(yīng)的切削參數(shù)信息，包括主軸轉(zhuǎn)速、吃刀量、走刀次數(shù)等，這部分信息由工藝人員根據(jù)設(shè)備性能、加工要求編輯或者系統(tǒng)輔助計(jì)算得到；HNIl表示第l道工步對(duì)應(yīng)的工時(shí)定額信息，包括基本工時(shí)定額、輔助工時(shí)定額等，這部分信息由工藝人員根據(jù)具體加工環(huán)境、要求和工時(shí)定額表編輯得到。

2 系統(tǒng)工作流程和總體框架

2.1 系統(tǒng)工作流程

圖1 機(jī)加工藝信息分類Fig.1 Classification of mechanical process information

零件在進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)時(shí)大體上可分為兩個(gè)步驟，首先是擬定零件加工的工藝路線，然后再對(duì)工藝路線進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，確定每一個(gè)工序的工序（工步）尺寸、所用設(shè)備和工藝裝備以及切削規(guī)范和工時(shí)定額等。本系統(tǒng)是針對(duì)機(jī)加零件工藝路線擬定之后，在工藝詳細(xì)設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)工藝數(shù)據(jù)信息進(jìn)行的管理，具體工作流程如圖2所示，工藝路線規(guī)劃系統(tǒng)生成的工藝路線文件導(dǎo)入到Teamcenter 8.3平臺(tái)中，機(jī)加工藝信息管理系統(tǒng)讀取制造工藝規(guī)劃器中的工藝結(jié)構(gòu)樹(shù)，工藝設(shè)計(jì)人員選擇每道工序進(jìn)行工藝詳細(xì)設(shè)計(jì)，其過(guò)程包括工藝信息的獲取和添加、工藝信息的存儲(chǔ)、工藝信息的集成等，將輕量化的工序模型和集成工藝信息的文檔導(dǎo)入到工藝可視化文件定制模板中，生成完整的工藝規(guī)程文件，最終審核通過(guò)后的工藝規(guī)程文件發(fā)布到車間可視化終端指導(dǎo)工人進(jìn)行生產(chǎn)。

圖2 系統(tǒng)工作流程Fig.2 Workflow of system

2.2 系統(tǒng)架構(gòu)

機(jī)加工藝信息管理系統(tǒng)基于Teamcenter 8.3平臺(tái)開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)，其體系結(jié)構(gòu)分為數(shù)據(jù)層、平臺(tái)層和應(yīng)用層以及界面層，如圖3所示。

（1）數(shù)據(jù)層。為工藝信息管理過(guò)程提供數(shù)據(jù)支持，是系統(tǒng)運(yùn)行的支撐和基礎(chǔ)，其中包括制造資源庫(kù)、工藝知識(shí)庫(kù)、工藝路線文件等。

（2）平臺(tái)層。系統(tǒng)基于Teamcenter 8.3平臺(tái)二次開(kāi)發(fā)完成，并通過(guò)插件的形式部署二次開(kāi)發(fā)代碼到Teamcenter 8.3平臺(tái)中，與該平臺(tái)共享相應(yīng)的用戶角色與權(quán)限，實(shí)現(xiàn)與該平臺(tái)的信息交互與無(wú)縫集成。

（3）應(yīng)用層。該層是系統(tǒng)主要功能層，包括工藝信息管理模塊、資源庫(kù)管理模塊和工藝規(guī)程生成模塊等。工藝信息管理模塊是實(shí)現(xiàn)在工藝詳細(xì)設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)工藝信息管理的功能，包括工藝結(jié)構(gòu)樹(shù)管理、工藝信息的獲取和添加，工藝信息的存儲(chǔ)與集成等功能模塊；資源庫(kù)管理模塊主要實(shí)現(xiàn)工藝資源的存儲(chǔ)、檢索和獲取功能，包括制造資源管理、工藝資源檢索和工藝資源預(yù)覽等模塊；工藝規(guī)程生成模塊主要是實(shí)現(xiàn)生成和發(fā)布機(jī)加工藝規(guī)程文件的功能，包括模板的定制和管理、工序模型的輕量化處理和工藝規(guī)程的生成等模塊。

（4）界面層。該層是提供給用戶交互友好界面，工藝設(shè)計(jì)人員、工藝審核人員通過(guò)該層操作與使用應(yīng)用層各個(gè)功能模塊。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 工藝資源庫(kù)的創(chuàng)建和檢索

航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)構(gòu)復(fù)雜，零件種類繁多，工藝資源管理任務(wù)繁重，建立豐富的工藝資源庫(kù)是提升工藝設(shè)計(jì)效率，縮短設(shè)計(jì)周期，實(shí)現(xiàn)資源共享的重要途徑。本文利用Teamcenter 8.3平臺(tái)分類規(guī)則將工藝資源進(jìn)行分類管理，使用組和類來(lái)組織分類層次結(jié)構(gòu)，根據(jù)工藝資源的種類和作用可將其分為兩個(gè)部分：一部分是加工工藝知識(shí)庫(kù)，包括各類切削參數(shù)庫(kù)、材料資源庫(kù)、工藝參數(shù)庫(kù)等；另一部分是制造資源庫(kù)，包括工藝裝備庫(kù)、設(shè)備資源庫(kù)、夾具資源庫(kù)等。

工藝資源庫(kù)按照分類結(jié)構(gòu)樹(shù)的形式創(chuàng)建，如圖4所示，工藝人員從工藝資源庫(kù)中檢索所需的工藝資源信息時(shí)，可以通過(guò)在檢索編號(hào)對(duì)話框中輸入對(duì)象全部或部分編號(hào)和按照所需要的資源類型定位到特定的類這兩種方式檢索工藝資源對(duì)象，表選項(xiàng)卡中會(huì)列出所有符合要求的工藝資源對(duì)象，工藝人員可以根據(jù)查看器中顯示的資源JT（Siemens軟件公司開(kāi)發(fā)的3D模型輕量化格式）文件和資源的屬性信息進(jìn)一步確定機(jī)械加工中所需的工藝資源，之后選擇的資源信息將填充到機(jī)加工藝信息管理系統(tǒng)當(dāng)前工序?qū)?yīng)的資源信息表格中。

3.2 基于XML的工藝信息集成

圖3 系統(tǒng)總體架構(gòu)Fig.3 Architecture of system

圖4 工藝資源庫(kù)Fig.4 Process repository

工藝信息集成是航空發(fā)動(dòng)機(jī)零件機(jī)加工藝信息管理的重要組成部分，其主要目的是實(shí)現(xiàn)對(duì)工藝信息的統(tǒng)一處理。本文是基于XML（eXtensible Markup Language）的機(jī)加工藝信息集成，XML是1998年由W3C（World Wide Web Consortium） 優(yōu)化 SGML（Standard Generalized Markup Language）而得到的一種元標(biāo)記語(yǔ)言[9]，它是一種描述結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的手段，以一種開(kāi)放的自我描述方式定義數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，在描述工藝信息內(nèi)容的同時(shí)能突出對(duì)信息數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的描述，從而體現(xiàn)出工藝信息數(shù)據(jù)之間的關(guān)系。本文利用XML語(yǔ)言規(guī)則將不同類型和不同工序的工藝信息提取并集成到一個(gè)XML文檔中，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)間工藝信息的傳遞和交換。

3.3 工藝規(guī)程可視化文件生成

工藝規(guī)程文件生成是零件工藝設(shè)計(jì)的最終環(huán)節(jié)，作為中間工序模型和工藝信息的載體，生成的工藝規(guī)程文件應(yīng)具有兼容性好、直觀、便攜等特點(diǎn)。本文選用3D PDF文件作為機(jī)加工藝規(guī)程生成的載體，3D PDF是由Adobe公司開(kāi)發(fā)Acrobat系列軟件生成的一種通用文件格式，具有跨平臺(tái)、跨語(yǔ)言、跨軟件等特性，能夠?qū)崿F(xiàn)在不同的操作系統(tǒng)、不同的程序語(yǔ)言版本和不同的PDF查看軟件中運(yùn)行，因此是一種理想的發(fā)布載體[10]。本文結(jié)合企業(yè)需求，先定制開(kāi)發(fā)工藝規(guī)程生成所要的工藝可視化文件模板，如圖5所示，模板結(jié)構(gòu)分為模型區(qū)域和信息區(qū)域，模型區(qū)展示加工件中間工序模型，信息區(qū)顯示加工件某工序工藝信息，然后將集成工藝信息的XML文檔和輕量化工序模型導(dǎo)入定制模板中，最終生成機(jī)械加工三維工藝規(guī)程可視化文件。

4 實(shí)例驗(yàn)證

本文利用Java語(yǔ)言對(duì)Teamcenter 8.3平臺(tái)進(jìn)行定制，研究開(kāi)發(fā)了機(jī)加工藝信息管理系統(tǒng)，將本文提出的機(jī)加工藝信息管理方法應(yīng)用到該系統(tǒng)中，并創(chuàng)建相應(yīng)的功能模塊，系統(tǒng)界面如圖6所示，界面分為工藝路線結(jié)構(gòu)樹(shù)區(qū)、工序模型顯示區(qū)、工藝信息錄入?yún)^(qū)和功能按鈕欄。

圖5 工藝可視化文件模板Fig.5 Template of processing visualization file

本文以某航空發(fā)動(dòng)機(jī)零件為例驗(yàn)證該系統(tǒng)，具體實(shí)施方式如下：工藝信息管理系統(tǒng)從Teamcenter 8.3平臺(tái)的制造工藝規(guī)劃器中獲取工藝路線，以結(jié)構(gòu)樹(shù)的形式顯示在圖6中的工藝路線結(jié)構(gòu)樹(shù)區(qū)，選中結(jié)構(gòu)樹(shù)某道工序節(jié)點(diǎn)前的復(fù)選框，該工序的中間工序模型將在工藝模型顯示區(qū)域顯示，可對(duì)模型進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、縮放、平移和添加或修改工藝標(biāo)注等操作，選擇結(jié)構(gòu)樹(shù)中某道工序，對(duì)該工序進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，其中產(chǎn)品信息和工序信息繼承自工藝路線，資源信息從工藝資源庫(kù)中檢索獲取，工步信息由工藝設(shè)計(jì)人員輸入、工藝資源庫(kù)和系統(tǒng)輔助計(jì)算結(jié)合獲取，工藝信息添加完成后將會(huì)保存到數(shù)據(jù)庫(kù)中，方便后續(xù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行查看、修改和再添加，當(dāng)工序完成詳細(xì)設(shè)計(jì)之后，工藝信息將被集成到XML文檔和輕量化工序模型一起導(dǎo)入定制的工藝規(guī)程3D PDF模板中，生成三維機(jī)加工序卡文件，工序模型待加工區(qū)域高亮顯示，可對(duì)模型進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、縮小、放大、平移等操作觀察待加工區(qū)域，所有的三維工序卡文件組成三維機(jī)加工藝規(guī)程可視化文件如圖7所示，審核通過(guò)后發(fā)布到生成車間，指導(dǎo)加工人員完成相應(yīng)的生產(chǎn)任務(wù)。

5 結(jié)束語(yǔ)

目前國(guó)內(nèi)航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造企業(yè)對(duì)零件工藝進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)過(guò)程中信息管理形式和發(fā)布方法存在著缺乏工藝知識(shí)共享、信息追溯性差、展示不直觀等問(wèn)題，本文結(jié)合航空發(fā)動(dòng)機(jī)零件設(shè)計(jì)制造的特點(diǎn)及工藝設(shè)計(jì)中遇到的問(wèn)題，以機(jī)加工為切入點(diǎn)，詳細(xì)分析了工藝信息特性，建立在三維環(huán)境下基于PLM的工藝信息管理體系框架，實(shí)現(xiàn)工藝資源的統(tǒng)一管理和維護(hù)，將機(jī)加工藝中涉及的各類信息集成，以獨(dú)立文件（三維工藝規(guī)程文件）的方式展現(xiàn)給車間制造人員。本文所提出機(jī)加工藝信息管理方法能夠讓工藝人員更靈活、更快速地完成工藝規(guī)程的設(shè)計(jì)，這對(duì)提高三維工藝規(guī)程生成的效率、縮短機(jī)加工零件的加工制造周期具有重要的意義。

圖6 工藝信息管理系統(tǒng)界面Fig.6 Management system interface of process

圖7 三維機(jī)加工藝規(guī)程Fig.7 3D mechanical process planning

參 考 文 獻(xiàn)

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