航空液壓零件全三維工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

黃斌達(dá)，李富長(zhǎng)，鄧小棒，田 威

（1.中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)公司金城南京機(jī)電液壓工程研究中心，江蘇 南京 211106；2.航空機(jī)電系統(tǒng)綜合航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 211106；3.南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，江蘇 南京 210016）

1 引言

航空液壓操縱系統(tǒng)是保障飛機(jī)飛行的基礎(chǔ)功能系統(tǒng)，也是飛機(jī)綜合作戰(zhàn)效能的重要保障和核心載體[1-2]。新型飛機(jī)對(duì)航空液壓操縱系統(tǒng)的性能要求越來(lái)越高，導(dǎo)致航空液壓零件的形狀也越趨復(fù)雜，新材料的應(yīng)用也逐漸增多，在這種形勢(shì)下，如何能夠在較短的時(shí)間內(nèi)生產(chǎn)出高質(zhì)量的零件成為航空液壓系統(tǒng)生產(chǎn)企業(yè)亟待解決的難題。工藝設(shè)計(jì)作為連接產(chǎn)品研發(fā)和現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)的關(guān)鍵紐帶，直接決定了零件的生產(chǎn)質(zhì)量和效率，目前各航空液壓系統(tǒng)生產(chǎn)企業(yè)普遍采用二維工藝設(shè)計(jì)模式，沒(méi)有有效重用零件三維設(shè)計(jì)模型，在三維模型和二維工程圖轉(zhuǎn)換期間極易發(fā)生數(shù)據(jù)丟失和人為誤差；工藝內(nèi)容表達(dá)不直觀，對(duì)下游業(yè)務(wù)人員識(shí)圖要求較高，且易產(chǎn)生理解誤差，影響工藝數(shù)據(jù)的傳遞效率和準(zhǔn)確性；此外，生成的二維工藝文件不能直接支持?jǐn)?shù)控加工編程及仿真、檢測(cè)編程及仿真、三維工裝設(shè)計(jì)等業(yè)務(wù)，同時(shí)也對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化建設(shè)帶來(lái)障礙。

基于模型定義（Model-Based Definition，MBD）的產(chǎn)品設(shè)計(jì)近年來(lái)得到了廣泛的應(yīng)用，其在數(shù)據(jù)表達(dá)的直觀性、數(shù)據(jù)傳遞的高效性及準(zhǔn)確性方面與傳統(tǒng)二維產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法相比具有較大優(yōu)勢(shì)。但MBD模式下的工藝設(shè)計(jì)多集中在個(gè)別業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)的研究與應(yīng)用，缺乏系統(tǒng)級(jí)的解決方案[3-8]，在航空液壓零件制造領(lǐng)域尚未見(jiàn)全三維工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)的研發(fā)及應(yīng)用報(bào)道。因此，為提升航空液壓零件的研發(fā)效率和質(zhì)量，迫切需要研究、開(kāi)發(fā)全三維模型驅(qū)動(dòng)的航空液壓零件工藝設(shè)計(jì)方法與系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)航空液壓零件的全三維數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造。

2 航空液壓零件全三維工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)框架

通過(guò)分析航空液壓系統(tǒng)制造企業(yè)的產(chǎn)品研制流程，構(gòu)建的航空液壓零件全三維工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)框架，該系統(tǒng)包含應(yīng)用層、平臺(tái)層和數(shù)據(jù)層，如圖1所示。

圖1 航空液壓零件全三維工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)框架Fig.1 Framework of Complete Three-Dimensional Process Design System for Aero-Hydraulic parts

（1）數(shù)據(jù)層。包括各類全三維模型驅(qū)動(dòng)的航空液壓零件工藝設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)，為整個(gè)全三維模型驅(qū)動(dòng)的工藝設(shè)計(jì)過(guò)程提供數(shù)據(jù)支持。（2）平臺(tái)層?；赥eamcenter、NX和VERICUT平臺(tái)開(kāi)發(fā)系統(tǒng)功能，其中Teamcenter為結(jié)構(gòu)化工藝設(shè)計(jì)、工藝流程審簽、工藝數(shù)據(jù)管理及文件發(fā)布等功能的開(kāi)發(fā)提供平臺(tái)支持，而NX 和VERICUT則支持三維模型構(gòu)建、數(shù)控加工編程及仿真、檢測(cè)編程及仿真等功能的開(kāi)發(fā)。（3）應(yīng)用層。該層封裝了工藝路線規(guī)劃、工序模型構(gòu)建、數(shù)控加工自動(dòng)編程、檢測(cè)自動(dòng)編程、工藝執(zhí)行過(guò)程可視化等系統(tǒng)功能及用戶交互界面。

3 航空液壓零件全三維工藝設(shè)計(jì)流程

航空液壓零件全三維工藝設(shè)計(jì)是以MBD 設(shè)計(jì)模型為數(shù)據(jù)源，通過(guò)提取其中的加工信息設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)化工藝，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建集幾何特征和工藝語(yǔ)義信息為一體的MBD工序模型，并將該模型作為三維工裝設(shè)計(jì)、數(shù)控加工/檢測(cè)自動(dòng)編程及仿真、三維工藝執(zhí)行過(guò)程可視化等業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)的唯一依據(jù)，最終將所有工藝設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)集成發(fā)布至生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)加工生產(chǎn)，如圖2所示。

圖2 航空液壓零件全三維工藝設(shè)計(jì)流程Fig.2 Flow of Complete Three-Dimensional Process Design System for Aero-Hydraulic Parts

4 航空液壓零件全三維工藝設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)

4.1 三維工序模型的構(gòu)建

在全三維驅(qū)動(dòng)的工藝設(shè)計(jì)模式中，三維工序模型是數(shù)控加工編程、工裝設(shè)計(jì)、計(jì)量檢測(cè)、現(xiàn)場(chǎng)加工等業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)的依據(jù)[9-11]，三維工序模型構(gòu)建時(shí)應(yīng)重用三維設(shè)計(jì)模型及尺寸公差標(biāo)注信息，并按照MBD 工序模型定義標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)展工藝模型快速構(gòu)建與管理，同時(shí)實(shí)現(xiàn)與三維設(shè)計(jì)模型的關(guān)聯(lián)。在構(gòu)建幾何模型時(shí)，可采用“正向建模法”和“逆向建模法”兩種思路，如圖3所示。其中逆向建模法是直接引用設(shè)計(jì)模型并直接產(chǎn)生最后一道工序模型形狀，之后通過(guò)建模工具補(bǔ)充建模完成本工序模型的建模，其余工序模型基于上一道工序模型補(bǔ)充建模，最終形成毛坯模型的形狀。而正向建模法則需首先生成毛坯工序模型，之后按加工順序去除材料創(chuàng)建各工序模型。無(wú)論是正向建模法還是逆向建模法，都需構(gòu)建相鄰工序模型間的特征關(guān)聯(lián)關(guān)系，以保證當(dāng)設(shè)計(jì)模型發(fā)生變更時(shí)，所有工序模型都能夠快速響應(yīng)更改要求。

圖3 MBD工序模型建模方法Fig.3 Modeling Method of MBD Process Model

4.2 特征驅(qū)動(dòng)的數(shù)控加工自動(dòng)編程

特征驅(qū)動(dòng)的數(shù)控加工編程流程，如圖4所示。

圖4 特征驅(qū)動(dòng)的數(shù)控加工自動(dòng)編程流程Fig.4 Flow of NC Machining Programming Driven by Feature

通過(guò)對(duì)MBD工序模型進(jìn)行特征識(shí)別，分別獲取加工特征和裝夾特征；基于加工工藝推理知識(shí)庫(kù)，結(jié)合數(shù)控機(jī)床設(shè)備庫(kù)、夾具模塊庫(kù)、刀具庫(kù)、切削參數(shù)庫(kù)進(jìn)行知識(shí)推理，確定數(shù)控加工機(jī)床、刀具、夾具和切削參數(shù)，并生成數(shù)控加工刀軌；若數(shù)控刀軌仿真無(wú)誤，則進(jìn)行后置處理生成數(shù)控（Numerical Control，NC）代碼，之后對(duì)NC代碼進(jìn)行數(shù)控加工機(jī)床仿真，確定NC代碼的正確性和有效性，最終輸出至現(xiàn)場(chǎng)加工。

4.3 基于三維工序模型的檢測(cè)自動(dòng)編程

基于三維工序模型的檢測(cè)自動(dòng)編程技術(shù)，其流程，如圖5所示。首先讀取MBD 檢測(cè)工序模型中的標(biāo)注信息和待檢特征信息，以此為基礎(chǔ)，基于檢測(cè)路徑規(guī)劃算法生成檢測(cè)路徑，之后對(duì)檢測(cè)路徑進(jìn)行仿真，若仿真結(jié)果無(wú)誤，則對(duì)檢測(cè)路徑進(jìn)行后置處理，生成能被三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)所識(shí)別的PC DMIS指令，并用其驅(qū)動(dòng)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)檢測(cè)工件，檢測(cè)獲得的結(jié)果可與工序模型直接對(duì)比，生成的對(duì)比結(jié)果可供工藝人員優(yōu)化、修改工藝參數(shù)，從而保證零件的最終加工質(zhì)量。

圖5 基于三維工序模型的檢測(cè)自動(dòng)編程流程Fig.5 Flow of Inspection Automatic Programming Based on Three-Dimensional Process Model

4.4 三維工藝執(zhí)行過(guò)程可視化

基于MBD 的工藝執(zhí)行過(guò)程可視化文件由工藝設(shè)計(jì)人員根據(jù)三維工序模型及其他工藝信息設(shè)計(jì)而成。在三維工藝執(zhí)行可視化環(huán)境中，每道工序?qū)?yīng)一個(gè)可視化文件，該文件采用三維模型、動(dòng)畫、視頻等多種展現(xiàn)方式，運(yùn)用通用瀏覽器即能方便地瀏覽其內(nèi)容，并可實(shí)現(xiàn)三維模型的交互操作，從而大大提高工藝內(nèi)容的可讀性。此外，當(dāng)工藝設(shè)計(jì)有所更新時(shí)，只需要在三維工藝設(shè)計(jì)軟件中更新MBD模型，重新導(dǎo)入可視化文件模板，即可完成工藝指導(dǎo)文件的更新。

5 航空液壓零件全三維工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

根據(jù)上述方法，基于Teamcenter10.1、NX8.5和VERICUT8.0開(kāi)發(fā)了航空液壓零件全三維工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)，并以某型航空液壓活塞件為例，說(shuō)明該系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程。

基于設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)發(fā)放與接收功能，工藝員可直接查看并接收MBD設(shè)計(jì)模型，如圖6所示。并基于此開(kāi)展工藝設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的快速傳遞。運(yùn)用結(jié)構(gòu)化工藝路線設(shè)計(jì)功能自動(dòng)繼承和關(guān)聯(lián)產(chǎn)品數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上搭建活塞零件結(jié)構(gòu)化工藝樹(shù)，如圖7所示。

圖6 基于Teamcenter的MBD設(shè)計(jì)模型傳遞Fig.6 MBD Design Model Transmission Based on Teamcenter

圖7 活塞零件機(jī)加工藝路線結(jié)構(gòu)樹(shù)Fig.7 Process Structure of Piston Parts

針對(duì)每道工序，基于同步建模技術(shù)和NX_WAVE技術(shù)，直接在MBD設(shè)計(jì)模型的基礎(chǔ)上快速修改特征、標(biāo)注信息，形成相互關(guān)聯(lián)的工序模型，如圖8所示。當(dāng)設(shè)計(jì)模型發(fā)生變更時(shí)，與之相關(guān)的所有工序模型上對(duì)應(yīng)的特征均會(huì)自動(dòng)發(fā)生更改，從而大大降低了工序模型的更改工作量。

圖8 活塞零件工序模型Fig.8 Process Model of Piston Parts

針對(duì)數(shù)控加工工序，首先運(yùn)用特征識(shí)別技術(shù)提取活塞工序模型中的加工特征，如圖9所示。再基于特征編程知識(shí)庫(kù)實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)加特征的自動(dòng)編程，形成數(shù)控加工刀軌，如圖10所示。之后基于開(kāi)發(fā)的機(jī)床后置處理器生成NC代碼。所有數(shù)控加工過(guò)程數(shù)據(jù)和結(jié)果數(shù)據(jù)均保存在Teamcenter系統(tǒng)中，保證了數(shù)據(jù)的傳遞和共享。為真實(shí)模擬實(shí)際加工過(guò)程，驗(yàn)證NC代碼的正確性和有效性，基于VERICUT構(gòu)建了與生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)機(jī)床實(shí)物的幾何尺寸、運(yùn)動(dòng)邏輯、數(shù)控系統(tǒng)完全相同的虛擬機(jī)床（Hermle c30u），并通過(guò)NX與VERICUT軟件的數(shù)據(jù)傳輸接口，將數(shù)控加工自動(dòng)編程過(guò)程中選用和生成的毛坯、夾具、刀具、NC代碼等信息自動(dòng)導(dǎo)入虛擬加工環(huán)境，在此基礎(chǔ)上對(duì)NC代碼進(jìn)行仿真驗(yàn)證，如圖11所示。

圖9 活塞零件加工特征識(shí)別Fig.9 Machining Feature Recognition

圖10 活塞零件數(shù)控加工刀軌生成Fig.10 Tool Path Automatic Generation of Piston Parts

圖11 活塞零件機(jī)床仿真Fig.11 Machine Simulation of Piston Parts

在仿真過(guò)程中，用戶可實(shí)時(shí)查看加工狀態(tài)，系統(tǒng)將加工過(guò)程中出現(xiàn)的過(guò)切、碰撞、超行程等錯(cuò)誤信息以可視化的方式展示，方便用戶進(jìn)行程序調(diào)試。此外，還可基于VERICUT對(duì)NC代碼進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)而提高切削效率、延長(zhǎng)刀具和機(jī)床壽命。

運(yùn)用檢測(cè)自動(dòng)編程功能，直接讀取三維檢測(cè)工序模型中的三維檢測(cè)標(biāo)注信息及與之關(guān)聯(lián)的待檢特征，并自動(dòng)生成檢測(cè)軌跡，如圖12所示。之后進(jìn)行檢測(cè)仿真，圖13所示。

圖12 活塞零件檢測(cè)路徑自動(dòng)生成Fig.12 Inspection Path Automatic Generation of Piston Parts

圖13 活塞零件檢測(cè)仿真Fig.13 Inspection Simulation of Piston Parts

校驗(yàn)檢測(cè)路徑的準(zhǔn)確性和有效性，檢測(cè)路徑經(jīng)后置處理后可生成能直接驅(qū)動(dòng)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的檢測(cè)代碼，從而大大減輕了檢測(cè)人員的工作量，同時(shí)也避免了檢測(cè)編程過(guò)程中的人為誤差。基于工藝執(zhí)行可視化功能，現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員可在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)顯示終端的網(wǎng)頁(yè)瀏覽器中實(shí)時(shí)獲取Teamcenter中的整套工藝數(shù)據(jù)信息，并查看輕量化的三維工序模型，如圖14所示。以指導(dǎo)生產(chǎn)順利進(jìn)行。

圖14 輕量化活塞零件工序模型Fig.14 Light Weight Process Model of Piston Parts

6 結(jié)論

全三維工藝設(shè)計(jì)是目前制造領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)問(wèn)題，也是難點(diǎn)問(wèn)題，其主要目的是運(yùn)用三維模型的準(zhǔn)確性、直觀性和可開(kāi)發(fā)性特點(diǎn)，提高工藝過(guò)程的質(zhì)量、精度和效率。針對(duì)航空液壓零件的工藝設(shè)計(jì)特點(diǎn)，提出并開(kāi)發(fā)了航空液壓零件全三維工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)，該系統(tǒng)以MBD設(shè)計(jì)模型為數(shù)據(jù)源構(gòu)建包含各類幾何特征和工藝語(yǔ)義信息的MBD工序模型，并以此為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)了特征驅(qū)動(dòng)的數(shù)控加工編程和檢測(cè)編程，并最終生成可交互式三維工藝文件指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)，從而有效提高了工藝設(shè)計(jì)的效率和質(zhì)量。相關(guān)技術(shù)成果也為后續(xù)航空液壓零件工藝智能設(shè)計(jì)系統(tǒng)的研究與開(kāi)發(fā)打下了基礎(chǔ)。