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【期刊論文】基于MBD的三維工藝在機匣產(chǎn)品制造中的應用研究
基于MBD的三維工藝在機匣產(chǎn)品制造中的應用研究*
駱 強1，熊吉健2
（1.武漢開目信息技術股份有限公司，武漢 430000；
2.中國航發(fā)成都發(fā)動機有限公司，成都 610503）
[摘要] 航空發(fā)動機機匣產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)復雜、制造精度高，產(chǎn)品加工難度很大。為了提高航空發(fā)動機機匣產(chǎn)品的工藝設計效率和質(zhì)量，分析了機匣零件三維工藝設計需要解決的問題，研究了三維工藝設計的方法，并構(gòu)建了機匣零件三維工藝設計技術路線。通過某機匣產(chǎn)品驗證了三維工藝技術的可行性，為三維工藝在航空發(fā)動機的應用推廣打下了堅實的基礎。
關鍵詞： 機匣工藝；MBD；三維工藝；特征識別；知識推理；工序模型
航空發(fā)動機機匣產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)復雜、制造精度高，產(chǎn)品加工難度很大。目前企業(yè)工藝人員在進行工藝設計時主要還是通過經(jīng)驗在大腦中形成，缺少對三維CAD模型的有效利用與支持，計算機對工藝性分析以及對加工工藝規(guī)劃的輔助支持比較欠缺，工藝的可行性很大程度取決于工藝人員的個人經(jīng)驗，另外為了進行CAM 設計，工藝人員需要將每道工序的三維模型設計出來，導致工藝設計對工藝人員的要求非常高，并且工作量巨大。因此發(fā)展和應用智能三維工藝技術是航空發(fā)動機機匣產(chǎn)品工藝設計的迫切需求。
1 機匣產(chǎn)品對三維工藝技術的需求
1.1 三維工藝國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀及主要存在問題
美國是最早應用三維數(shù)字化技術的國家?；谀Ｐ偷亩x（Model based definition，MBD），是美國機械工程師協(xié)會及波音公司等經(jīng)過10 多年的基礎研究，并在波音787 飛機上正式全面推行的新一代產(chǎn)品定義方法。在基于 MBD 技術的產(chǎn)品設計中，用一個集成的三維數(shù)字化實體模型完整地表達產(chǎn)品信息，即將制造信息和設計信息（三維尺寸標注及各種制造信息和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)信息）共同定義到產(chǎn)品的三維數(shù)字化模型中[1]。隨著三維數(shù)字化設計軟件技術和計算機技術的進步，特別是產(chǎn)品采用 MBD 設計后，為制造工藝系統(tǒng)全面采用三維數(shù)字化工藝設計提供了數(shù)據(jù)和技術保障[2]。
國內(nèi)部分企業(yè)逐步應用三維數(shù)字化工藝技術，如梟龍飛機和ARJ21 飛機機頭的制造過程中，結(jié)合數(shù)字化制造技術的發(fā)展方向進行了部分三維工藝規(guī)劃的試點應用[3]。
但是目前國內(nèi)外發(fā)展三維數(shù)字化工藝設計技術仍然存在一些問題，首先是三維工序模型構(gòu)建效率不高，雖然已有一些輔助手段進行工序模型構(gòu)建，如通過同步建模手段按照逆向加工工藝流程的過程依次建立三維工序模型[4]，或者基于UG/WAVE 的產(chǎn)品參數(shù)化建模[5]等技術手段能夠提高工序模型的設計，但是工序模型的自動生成技術目前仍未普遍應用，如何自動生成三維工序模型已經(jīng)成為三維機加工藝設計中的瓶頸問題[6]；其次是沒有基于已積累的工藝知識和經(jīng)驗進行輔助的工藝設計與規(guī)劃，導致工藝設計效率低且標準化程度不高。
1.2 機匣零件特點及加工工藝分析
航空發(fā)動機是飛機的“心臟”，也是一個國家加工制造技術的重要體現(xiàn)[7]。機匣作為航空發(fā)動機上最關鍵、最重要的部件之一，是支撐轉(zhuǎn)子和固定靜子的重要部件，分布于航空發(fā)動機風扇、壓氣機、燃燒室、渦輪以及排氣系統(tǒng)等部件[8–9]。機匣零件一般為回轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)，并通過配置不同的特征（比如凸臺、型腔、槽、孔等）來達到不同部位的使用性能。受工作環(huán)境的影響，不同部位的機匣采用不同的加工材料[10]。
航空發(fā)動機機匣零件是航空發(fā)動機加工制造的重點也是難點之一，不同的材料、不同的特征以及不同的形位公差要求都需要采用與之匹配的加工工藝，并且需要有相當?shù)墓こ虒嵺`經(jīng)驗后才能熟練應用，由于不同技術人員工程經(jīng)驗的差異造成現(xiàn)有機匣加工工藝穩(wěn)定性、成熟性和可靠性不高。
為了適應數(shù)字化生產(chǎn)條件下的機匣加工工藝需求，需要利用數(shù)字化手段，總結(jié)、集成并整合各種類型、各種特征的加工經(jīng)驗，形成可直接調(diào)用的機匣加工工藝知識庫，通過數(shù)字化的手段確保機匣加工工藝的穩(wěn)定性、成熟性和可靠性。
1.3 機匣零件三維數(shù)字化工藝技術需求
針對機匣產(chǎn)品的特點以及工藝設計現(xiàn)狀，現(xiàn)有模式存在以下3 點需求。
（1）更好地繼承和利用機匣的三維設計模型。雖然工藝人員能夠接收設計人員建立的機匣零件三維模型，但模型及模型上的PMI 標注信息卻不能為工藝系統(tǒng)直接使用，如果僅僅作為查看，而不能輔助工藝人員進行工藝分析和決策，模型及標注本身的價值則大大降低。
（2）更好地利用企業(yè)已積累的大量機匣零件工藝知識和經(jīng)驗。企業(yè)制訂有各種規(guī)范和標準，但是這些知識、經(jīng)驗、規(guī)范和標準均獨立在系統(tǒng)之外，工藝人員需要去查找、挑選。使用符合要求的規(guī)范和標準也對工藝人員的設計經(jīng)驗和知識提出要求。即使找到合適的資料，工藝人員還需要復制粘貼到工藝系統(tǒng)中才能復用。缺乏知識的積累和復用體系來保證，企業(yè)的工藝知識又非常容易流失，導致某些設計質(zhì)量問題在生產(chǎn)過程中反復出現(xiàn)，引起質(zhì)量波動。
（3）實現(xiàn)機匣零件三維工序模型快速構(gòu)建。目前的設計模式下，需要工藝人員利用3D CAD 建立機匣零件的每道工序的三維工序模型，再將工序模型投影成工藝簡圖，不僅大幅度增加了工藝人員的工作量，而且也使得工藝人員無法將關注力集中在工藝本身。而當模型發(fā)生變化時，或者工藝需要調(diào)整時，重建工序模型也使得工藝更改的工作量增加。
（4）實現(xiàn)機匣零件工藝三維可視化呈現(xiàn)。企業(yè)目前采用工藝卡片的呈現(xiàn)形式，文字加簡圖的表達方式缺乏加工過程的直觀、可視的表達。
2 機匣產(chǎn)品三維工藝研究
2.1 機匣產(chǎn)品三維數(shù)字化工藝設計流程
三維數(shù)字化工藝設計首先利用特征提取和識別技術分析零件MBD 模型，得到以特征為單位的幾何、工藝信息。然后，通過工藝推理和決策模塊獲得所提取特征，識別加工需要的設備和工藝參數(shù)信息。在此基礎上，通過人機交互編排工藝過程確定每道工序加工內(nèi)容，再構(gòu)建零件毛坯模型，然后基于每道工序加工內(nèi)容正向從毛坯到零件自動創(chuàng)建每道工序的三維工序模型，最后推理每道工序的設備及刀具等加工參數(shù)，從而形成零件的加工工藝過程。數(shù)字化工藝設計軟件技術路線如圖1所示。
圖1 三維數(shù)字化工藝設計技術路線
Fig.1 Technical route of 3D digital process desig
2.2 機匣零件特征識別技術
通過特征識別技術可以對機匣零件的MBD 模型進行特征識別以及信息提取，形成加工特征并提取特征的幾何信息以及非幾何信息。特征識別技術基于三維模型的幾何信息以及幾何拓撲關系進行重新融合并形成加工特征，再通過標注的關聯(lián)體轉(zhuǎn)換和匹配，得到特征的制造信息。
機匣零件特征主要分為回轉(zhuǎn)面系、錐底槽、側(cè)壁、孔系、平面、環(huán)槽等類型特征，按照加工方法進行定義，如圖2 所示。
圖2 機匣零件特征分類
Fig.2 Feature classification of casing parts
在加工特征幾何信息識別中，根據(jù)幾何體素的拓撲關系，將一個或多個幾何體素信息合成加工特征；基于三維模型上的PMI 進行提取，獲取產(chǎn)品制造信息，即非幾何信息，包括尺寸標注、粗糙度標注、幾何精度標注和文本標注等。特征識別結(jié)果如圖3 所示。
圖3 錐底槽特征識別
Fig.3 Cone bottom groove feature recognition
2.3 基于知識的工藝推理技術
針對機匣類型零件，定義一套加工知識庫，基于識別的特征的幾何信息與制造信息進行加工方法推理，推理出特征的加工步驟以及余量。如機匣中的錐底槽特征經(jīng)過知識庫的推理得出的加工步驟為“粗銑—半精銑”，且粗銑的底面與立面的余量為0.5 mm，如圖4所示。
圖4 錐底槽加工方法推理
Fig.4 Reasoning of processing method of tapered bottom groove
機匣零件工藝知識庫包括加工工藝知識庫、通用工藝知識庫。加工工藝知識庫，主要分為工藝資源、工藝方法、工藝推理邏輯流程三大類。其中工藝資源為工藝基礎數(shù)據(jù)，包括材料庫、刀具庫、設備庫、切削參數(shù)庫等；工藝方法包括機加工工藝方法、加工余量、熱處理規(guī)范等；工藝推理邏輯流程用于對特征加工方法以及機匣零件工藝路線推理的邏輯判斷。通用工藝知識庫，包括典型機匣零件的工藝實例，將典型機匣零件的工藝實例以結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)進行錄入，供相似零件進行工藝復用，提高工藝設計效率與工藝質(zhì)量。機匣零件工藝知識庫框架如圖5 所示。
圖5 機匣零件工藝知識庫框架
Fig.5 Process knowledge base framework of casing parts
構(gòu)建一個參數(shù)化工藝設計平臺來使用工藝知識庫中的加工方法推理邏輯流程，通過采用參數(shù)過程圖技術實現(xiàn)特征工藝知識的表達、定義、解釋和輸出。定義參數(shù)過程圖是工藝知識表達和應用的核心模塊，其核心功能主要包括參數(shù)定義、流程定義、流程解釋等功能，如圖6 所示。
圖6 參數(shù)過程圖知識定義與應用過程示意圖
Fig.6 Schematic diagram of knowledge definition and application process of parameter process diagram
把工藝知識用可視化的流程圖的方式表達。流程定義包括流程圖的繪制、流程圖中圖元的屬性確定等工作。簡化的加工方法推理流程判定邏輯如圖7所示。
圖7 特征加工方法推理流程定義
Fig.7 Definition of reasoning process of feature processing method
輸入工藝參數(shù)，通過解釋工具對工藝知識進行推理判斷，生成符合條件的工藝過程和工藝內(nèi)容。輸入的變量取值不同，影響決策判斷的條件，導致知識推理的過程可能會發(fā)生變化。
2.4 自動生成工序模型技術
首先自動生成機匣零件的毛坯。在定義毛坯時，自動計算機匣零件的輪廓線，根據(jù)零件的輪廓線做偏移自動產(chǎn)生毛坯的輪廓線，輪廓線的每一段可以進行偏移、刪除或者連接等編輯操作，保存后產(chǎn)生圖8 中的黃色線的毛坯輪廓線圖。根據(jù)毛坯輪廓線進行旋掃可自動產(chǎn)生機匣零件的毛坯模型。
圖8 機匣零件毛坯輪廓線
Fig.8 Rough outline of casing parts
以毛坯模型為基礎，實際的加工工藝路線做參考，根據(jù)特征識別技術提取到的特征幾何數(shù)據(jù)產(chǎn)生特征的切削體，可以按實際加工順序正向自動生成中間工序模型。生成工序模型如圖9 所示。
圖9 機匣零件工序模型圖
Fig.9 3D Process model of casing parts
2.5 三維工藝呈現(xiàn)技術
隨著三維CAD、可視化技術在制造業(yè)企業(yè)的推廣應用，工藝設計手段也逐步地從二維工藝向三維工藝進行轉(zhuǎn)變，因此許多企業(yè)也逐步應用了3D PDF（圖10），將三維模型輸出至3D PDF 格式的工藝卡片中，使用三維模型替代原有二維工程圖。
圖10 3D PDF 工藝卡片
Fig.10 3D PDF process card
3 應用實例
以一種典型的航空發(fā)動機機匣零件為例，應用機匣產(chǎn)品三維工藝技術實現(xiàn)機匣產(chǎn)品三維數(shù)字化工藝設計。整個工藝設計過程以基于NX 二次開發(fā)的應用程序?qū)崿F(xiàn)，調(diào)用工藝知識庫進行加工推理。主要應用步驟如下。
（1）通過三維工藝設計軟件對機匣三維模型進行特征識別，提取機匣模型幾何信息以及非幾何信息并形成加工特征集（圖11）。
圖11 部分機匣零件特征集
Fig.11 Model feature of casing parts
（2）通過工藝推理獲得特征的加工步驟與余量，然后根據(jù)典型機匣工藝模板確定機匣零件工藝路線，自動構(gòu)建三維工藝模型，典型機匣零件加工過程如圖12 所示。
圖12 典型機匣零件加工過程實例
Fig.12 Examples of machining process of typical casing parts
（3）添加一些工藝參數(shù)以及中間模型的加工尺寸公差要求從而完成工藝規(guī)劃過程，并輸出3D 工藝卡片形成零件的加工工藝規(guī)程。
通過三維工藝設計在典型機匣產(chǎn)品的應用驗證，較傳統(tǒng)的二維工藝卡片設計模式效率提升了20%以上，為三維工藝在機匣產(chǎn)品的應用推廣打下了堅實的基礎。
4 結(jié)論
基于MBD 的三維數(shù)字化工藝在機匣產(chǎn)品中的應用，以機匣產(chǎn)品為核心，基于MBD 模型進行制造特征識別，結(jié)合特征參數(shù)與加工方法實現(xiàn)工藝的智能推理與規(guī)范化設計，自動生成工序模型，達到工藝高質(zhì)量和高效率的快速設計。
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來源：《航空制造技術》2023年 第66卷 第4期 。
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