周星晶，衛(wèi) 煒,2，黃斌達

（1.南京航空航天大學機電學院，南京 210016;2.江蘇省精密與微細制造技術重點實驗室，南京 210016）

工藝是連接設計與制造的橋梁，工藝信息管理是對工藝相關信息的組織和處理過程的管理[1]。航空發(fā)動機作為飛機的動力來源，其零件具有幾何結構復雜、工藝種類繁多、數據量龐大等特點，對設計、工藝和制造之間的工藝信息集成性要求較高，但是現有的信息管理系統面對紛繁復雜的工藝信息已很難滿足需要，且目前航空發(fā)動機制造依據是二維工程圖，工藝信息的發(fā)布形式依然以傳統二維圖紙形式的工藝規(guī)程指導下游工人進行加工[2-3]。這種工藝管理形式和發(fā)布方法已經很難滿足現代航空發(fā)動機制造企業(yè)數字化制造技術的發(fā)展需要，其不足主要體現在： （1）缺乏完整的工藝資源信息管理和知識共享，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經驗，工藝數據的準確性難以保證以及信息集成度低； （3）現行的工藝規(guī)程大多以二維簡圖和文字等說明方式，不能直觀展示零件的幾何信息，對下游加工工人識圖要求較高，且一旦出現問題，需要返回到工藝設計階段修改，重新生成二維圖紙，嚴重影響產品生產效率。

近年來，部分學者對工藝信息管理和工藝文件可視化展示進行了相關研究，董思洋等[4]提出了一種基于過程驅動的飛機制造工藝管理模式，并針對每個工藝業(yè)務的不同特點設計了封裝模型，給出了過程驅動的響應機制；楊曉軍[5]等研究了基于PDM系統的集成化工藝信息管理模式，實現了工藝信息的規(guī)范化管理；王帥等[6]提出了一種基于移動終端的飛機裝配現場工藝可視化及信息管理方法，并利用移動終端無線網絡數據傳輸技術實現了裝配現場信息的實時發(fā)布和反饋；陳睿等[7]研究了基于模型定義的機加工裝派工文件可視化展示，實現了工藝規(guī)程下工裝派工文件生成和發(fā)布。

為改變二維環(huán)境下機加工藝設計中信息管理存在的不足，本文結合工藝設計過程中工藝信息的特性，研究了航空發(fā)動機三維模式下零件機加工藝信息管理的關鍵技術，并基于PLM平臺開發(fā)航空發(fā)動機零件機加工藝信息管理系統，實現了三維工藝規(guī)程可視化文件生成，縮短了航空發(fā)動機零件的制造周期，對降低零件成本、提高經濟效益具有重要意義。

1 工藝信息分類

工藝信息是產品工程信息的重要組成部分，在產品設計、工藝設計及加工制造起關鍵性紐帶作用，決定著產品最終質量[8]。從零件加工過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。本文通過對機加零件加工過程中涉及的工藝信息進行分析，將航空發(fā)動機零件機加工藝信息分成動態(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)工藝信息是指在進行工藝設計過程中，只要機加工對象確定，工藝信息就不會隨工藝過程改變而發(fā)生改變的信息。這部分信息指的是零件屬性信息，包括產品名稱、零件名稱、材料信息等，在工藝設計過程中，靜態(tài)工藝信息一般是從零件設計BOM（Bill of Material）中繼承的工藝信息。

動態(tài)工藝信息指是在工藝設計過程中需要獲取、輸入或者編輯的工藝信息，以及隨制造對象與環(huán)境不同而產生的信息。不同的工藝過程、不同的加工需求就會產生不同的信息數據，動態(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，因此可將動態(tài)工藝信息表達為：

式中：GXIi表示第i道工序對應的工序基本信息，包括工序號、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道工序對應的車間資源信息，包括設備信息、夾具信息、冷卻液信息等，這部分信息是從工藝資源庫中獲取得到；GBIk表示第k道工序對應的工步信息，而工步信息可表示為：

式中，SPIi表示第i道工步對應的工步基本信息，包括工步號、工步內容等，這部分信息由工藝人員根據加工質量要求和生產效率要求編輯得到；PTIj表示第j道工步對應的工藝裝備信息，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中獲取得到； CPIk表示第k道工步對應的切削參數信息，包括主軸轉速、吃刀量、走刀次數等，這部分信息由工藝人員根據設備性能、加工要求編輯或者系統輔助計算得到；HNIl表示第l道工步對應的工時定額信息，包括基本工時定額、輔助工時定額等，這部分信息由工藝人員根據具體加工環(huán)境、要求和工時定額表編輯得到。

2 系統工作流程和總體框架

2.1 系統工作流程

圖1 機加工藝信息分類Fig.1 Classification of mechanical process information

零件在進行工藝設計時大體上可分為兩個步驟，首先是擬定零件加工的工藝路線，然后再對工藝路線進行詳細設計，確定每一個工序的工序（工步）尺寸、所用設備和工藝裝備以及切削規(guī)范和工時定額等。本系統是針對機加零件工藝路線擬定之后，在工藝詳細設計時對工藝數據信息進行的管理，具體工作流程如圖2所示，工藝路線規(guī)劃系統生成的工藝路線文件導入到Teamcenter 8.3平臺中，機加工藝信息管理系統讀取制造工藝規(guī)劃器中的工藝結構樹，工藝設計人員選擇每道工序進行工藝詳細設計，其過程包括工藝信息的獲取和添加、工藝信息的存儲、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，最終審核通過后的工藝規(guī)程文件發(fā)布到車間可視化終端指導工人進行生產。

圖2 系統工作流程Fig.2 Workflow of system

2.2 系統架構

機加工藝信息管理系統基于Teamcenter 8.3平臺開發(fā)實現，其體系結構分為數據層、平臺層和應用層以及界面層，如圖3所示。

（1）數據層。為工藝信息管理過程提供數據支持，是系統運行的支撐和基礎，其中包括制造資源庫、工藝知識庫、工藝路線文件等。

（2）平臺層。系統基于Teamcenter 8.3平臺二次開發(fā)完成，并通過插件的形式部署二次開發(fā)代碼到Teamcenter 8.3平臺中，與該平臺共享相應的用戶角色與權限，實現與該平臺的信息交互與無縫集成。

（3）應用層。該層是系統主要功能層，包括工藝信息管理模塊、資源庫管理模塊和工藝規(guī)程生成模塊等。工藝信息管理模塊是實現在工藝詳細設計過程中對工藝信息管理的功能，包括工藝結構樹管理、工藝信息的獲取和添加，工藝信息的存儲與集成等功能模塊；資源庫管理模塊主要實現工藝資源的存儲、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覽等模塊；工藝規(guī)程生成模塊主要是實現生成和發(fā)布機加工藝規(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，工藝設計人員、工藝審核人員通過該層操作與使用應用層各個功能模塊。

3 關鍵技術

3.1 工藝資源庫的創(chuàng)建和檢索

航空發(fā)動機機構復雜，零件種類繁多，工藝資源管理任務繁重，建立豐富的工藝資源庫是提升工藝設計效率，縮短設計周期，實現資源共享的重要途徑。本文利用Teamcenter 8.3平臺分類規(guī)則將工藝資源進行分類管理，使用組和類來組織分類層次結構，根據工藝資源的種類和作用可將其分為兩個部分：一部分是加工工藝知識庫，包括各類切削參數庫、材料資源庫、工藝參數庫等；另一部分是制造資源庫，包括工藝裝備庫、設備資源庫、夾具資源庫等。

工藝資源庫按照分類結構樹的形式創(chuàng)建，如圖4所示，工藝人員從工藝資源庫中檢索所需的工藝資源信息時，可以通過在檢索編號對話框中輸入對象全部或部分編號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象，表選項卡中會列出所有符合要求的工藝資源對象，工藝人員可以根據查看器中顯示的資源JT（Siemens軟件公司開發(fā)的3D模型輕量化格式）文件和資源的屬性信息進一步確定機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加工藝信息管理系統當前工序對應的資源信息表格中。

3.2 基于XML的工藝信息集成

圖3 系統總體架構Fig.3 Architecture of system

圖4 工藝資源庫Fig.4 Process repository

工藝信息集成是航空發(fā)動機零件機加工藝信息管理的重要組成部分，其主要目的是實現對工藝信息的統一處理。本文是基于XML（eXtensible Markup Language）的機加工藝信息集成，XML是1998年由W3C（World Wide Web Consortium） 優(yōu)化 SGML（Standard Generalized Markup Language）而得到的一種元標記語言[9]，它是一種描述結構化數據的手段，以一種開放的自我描述方式定義數據結構，在描述工藝信息內容的同時能突出對信息數據結構的描述，從而體現出工藝信息數據之間的關系。本文利用XML語言規(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XML文檔中，實現系統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計的最終環(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)程文件應具有兼容性好、直觀、便攜等特點。本文選用3D PDF文件作為機加工藝規(guī)程生成的載體，3D PDF是由Adobe公司開發(fā)Acrobat系列軟件生成的一種通用文件格式，具有跨平臺、跨語言、跨軟件等特性，能夠實現在不同的操作系統、不同的程序語言版本和不同的PDF查看軟件中運行，因此是一種理想的發(fā)布載體[10]。本文結合企業(yè)需求，先定制開發(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，模板結構分為模型區(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入定制模板中，最終生成機械加工三維工藝規(guī)程可視化文件。

4 實例驗證

本文利用Java語言對Teamcenter 8.3平臺進行定制，研究開發(fā)了機加工藝信息管理系統，將本文提出的機加工藝信息管理方法應用到該系統中，并創(chuàng)建相應的功能模塊，系統界面如圖6所示，界面分為工藝路線結構樹區(qū)、工序模型顯示區(qū)、工藝信息錄入區(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)動機零件為例驗證該系統，具體實施方式如下：工藝信息管理系統從Teamcenter 8.3平臺的制造工藝規(guī)劃器中獲取工藝路線，以結構樹的形式顯示在圖6中的工藝路線結構樹區(qū)，選中結構樹某道工序節(jié)點前的復選框，該工序的中間工序模型將在工藝模型顯示區(qū)域顯示，可對模型進行旋轉、縮放、平移和添加或修改工藝標注等操作，選擇結構樹中某道工序，對該工序進行詳細設計，其中產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中檢索獲取，工步信息由工藝設計人員輸入、工藝資源庫和系統輔助計算結合獲取，工藝信息添加完成后將會保存到數據庫中，方便后續(xù)對數據進行查看、修改和再添加，當工序完成詳細設計之后，工藝信息將被集成到XML文檔和輕量化工序模型一起導入定制的工藝規(guī)程3D PDF模板中，生成三維機加工序卡文件，工序模型待加工區(qū)域高亮顯示，可對模型進行旋轉、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加工藝規(guī)程可視化文件如圖7所示，審核通過后發(fā)布到生成車間，指導加工人員完成相應的生產任務。

5 結束語

目前國內航空發(fā)動機制造企業(yè)對零件工藝進行詳細設計過程中信息管理形式和發(fā)布方法存在著缺乏工藝知識共享、信息追溯性差、展示不直觀等問題，本文結合航空發(fā)動機零件設計制造的特點及工藝設計中遇到的問題，以機加工為切入點，詳細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，實現工藝資源的統一管理和維護，將機加工藝中涉及的各類信息集成，以獨立文件（三維工藝規(guī)程文件）的方式展現給車間制造人員。本文所提出機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)程的設計，這對提高三維工藝規(guī)程生成的效率、縮短機加工零件的加工制造周期具有重要的意義。

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

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

參 考 文 獻

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