郭宗祥

(陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院數(shù)控工程學(xué)院，陜西 西安 710300)

數(shù)控技術(shù)以其具有高效率、高精度的技術(shù)特性解決了普通機(jī)床無法完成的工藝結(jié)構(gòu)復(fù)雜產(chǎn)品的機(jī)加工問題，使企業(yè)的制造水平得到提高，從而取得了優(yōu)異的經(jīng)濟(jì)效益[1]。然而，數(shù)控加工是一項(xiàng)復(fù)雜的過程，其工藝設(shè)計(jì)及管控水平直接影響著最終產(chǎn)品的加工質(zhì)量及效率。

國內(nèi)外學(xué)者對(duì)數(shù)控加工工藝設(shè)計(jì)及管控問題進(jìn)行了大量的研究。林小夏等[2]提出了產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計(jì)與數(shù)控加工集成信息模型以實(shí)現(xiàn)數(shù)控信息管理。張輝等[3]構(gòu)建了船用柴油機(jī)箱體類零件CAD(computer aided design)/CAPP(computer aided process planning )/CAM(computer aided manufacturing)集成系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)制造過程的集成。田桂中等[4]為實(shí)現(xiàn)機(jī)加工環(huán)境下數(shù)控工藝的智能獲取，提出了工藝知識(shí)建模及管控方法。針對(duì)當(dāng)前產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造模式存在信息孤島的問題，文獻(xiàn)[5]～[7]基于STEP-NC形成了“CAD-CAM-CNC(computer numerical control)”的閉環(huán)制造系統(tǒng)，然而尚不能廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)?，F(xiàn)有研究對(duì)于數(shù)字化加工工藝管理進(jìn)行了有益的探索，但是存在通用性不強(qiáng)，或是沒有徹底擺脫三維設(shè)計(jì)+二維圖紙指導(dǎo)生產(chǎn)的問題[8-9]，限制了企業(yè)快速走向高端制造領(lǐng)域。

近年來，我國各大企業(yè)大量引進(jìn)高檔數(shù)控機(jī)床，以提高數(shù)控加工效率，加工出精度更高、質(zhì)量更優(yōu)的產(chǎn)品。然而，多數(shù)企業(yè)受技術(shù)條件限制，僅僅將其作為高精度機(jī)床使用，單獨(dú)使用車或者銑的功能，完全沒有發(fā)揮出高檔數(shù)控加工中心多通道、車銑復(fù)合加工的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，傳統(tǒng)的試切方式也不利于生產(chǎn)效率的提高[10]。究其原因，主要是沒有針對(duì)特定機(jī)床開發(fā)出車銑復(fù)合的后置處理器，也沒有針對(duì)G/M代碼進(jìn)行仿真，出現(xiàn)了必須經(jīng)過試切來校驗(yàn)數(shù)控程序的正確性及干涉過切等問題。

為此，本文提出了復(fù)雜零件數(shù)字化加工信息集成管理平臺(tái)(以下簡(jiǎn)稱集成管理平臺(tái)，integrated management platform，IMP)，對(duì)集成管理平臺(tái)的業(yè)務(wù)流程、信息集成模型、系統(tǒng)集成技術(shù)等進(jìn)行了研究，以實(shí)現(xiàn)零件設(shè)計(jì)、前置處理、后置處理、加工仿真、實(shí)際加工等整個(gè)制造環(huán)節(jié)的集中管控。

1 平臺(tái)業(yè)務(wù)流程

集成管理平臺(tái)主要完成如圖1所示的從零件設(shè)計(jì)至數(shù)控加工整個(gè)過程的信息管控。目前，商業(yè)化軟件已經(jīng)做到了CAD/CAM的完美集成，在三維建模模塊設(shè)計(jì)好零件三維數(shù)模后可以直接進(jìn)入數(shù)控加工模塊進(jìn)行數(shù)控加工工藝的規(guī)劃(即前置處理)。然而，由于目前CAM在進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)時(shí)普遍不考慮數(shù)控系統(tǒng)及機(jī)床的因素，經(jīng)CAM產(chǎn)生的是機(jī)床無法識(shí)別的、包含刀尖點(diǎn)和刀軸矢量的刀位文件(CL文件)，必須經(jīng)過針對(duì)具體機(jī)床開發(fā)的后置處理器轉(zhuǎn)換，才能產(chǎn)生數(shù)控加工程序G/M文件。

圖1 產(chǎn)品數(shù)字化加工過程

為了保證前置處理生成的CL文件及后置處理算法的正確性，同時(shí)減少零件加工前的試切，必須要對(duì)后置處理生成的G/M代碼進(jìn)行虛擬仿真加工。實(shí)際應(yīng)用中，若虛擬仿真后發(fā)現(xiàn)有問題，需要返回對(duì)前置或后置進(jìn)行修改。同時(shí)，由于數(shù)控加工工藝規(guī)劃過程復(fù)雜、參與人員眾多，且存在工藝尤其是機(jī)床模型及后置處理器涉及企業(yè)機(jī)密性的問題，集成平臺(tái)必須具有權(quán)限管理和文件會(huì)簽審批功能。由此，可得IMP業(yè)務(wù)流程如圖2所示。

圖2 IMP業(yè)務(wù)流程

1)設(shè)計(jì)部門根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)任務(wù)進(jìn)行產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)，經(jīng)過CAE(computer aided engineering)優(yōu)化后形成最終的零件三維模型，經(jīng)上級(jí)主管審核通過后提交至平臺(tái)保存，同時(shí)平臺(tái)提醒工藝部門進(jìn)行工藝規(guī)劃。工藝部門前置處理組下載零件三維模型及毛坯，根據(jù)本企業(yè)現(xiàn)有技術(shù)條件，選擇合適的加工設(shè)備，制定最優(yōu)的加工路線，進(jìn)行數(shù)控加工工藝的規(guī)劃，生成含刀尖點(diǎn)路徑和刀軸矢量的CL文件，經(jīng)上級(jí)主管審核通過后上傳至平臺(tái)。

2)工藝部門后置處理組下載CL文件，在后置處理系統(tǒng)中調(diào)用指定的機(jī)床后置處理器，對(duì)CL文件進(jìn)行“翻譯”，生成CNC系統(tǒng)能夠識(shí)別的G/M代碼文件，經(jīng)上級(jí)主管審核通過后上傳至平臺(tái)。

3)工藝部門仿真組下載G/M代碼文件，調(diào)用毛坯模型、機(jī)床模型、機(jī)床行程、機(jī)床可能碰撞部件等信息，采用VERICUT進(jìn)行G/M代碼的仿真，查看是否有干涉、過切、碰撞等問題。若存在問題，根據(jù)仿真結(jié)果判斷是前置還是后置的問題，進(jìn)行工藝的修訂；若無問題，利用Vericut程序優(yōu)化模塊進(jìn)行切削參數(shù)的優(yōu)化，最終生成工藝報(bào)表，經(jīng)上級(jí)主管審核通過后上傳至平臺(tái)。

4)車間技術(shù)人員下載最終的NC代碼至機(jī)床，進(jìn)行零件加工。

此外，若企業(yè)新購了機(jī)床，需要工藝部門后置處理組根據(jù)機(jī)床配置開發(fā)后置處理器，同時(shí)設(shè)計(jì)部門需要設(shè)計(jì)專門零件用于驗(yàn)證機(jī)床的各種加工性能、聯(lián)動(dòng)能力以及干涉碰撞等問題，前置處理組對(duì)該零件進(jìn)行工藝規(guī)劃產(chǎn)生CL文件，經(jīng)過后置處理組開發(fā)的該機(jī)床專用處理器處理后產(chǎn)生G/M代碼，該代碼經(jīng)仿真組驗(yàn)證無誤后，在機(jī)床上試切。若試切無誤，則表明后置處理器無誤，將該機(jī)床后置處理器存入后置處理系統(tǒng)中備用。

2 平臺(tái)信息集成模型

數(shù)字化加工過程集成管理的主要內(nèi)容在于對(duì)零件加工過程中生成的大量制造信息進(jìn)行有效集成管理。制造信息主要包括零件三維模型文件、毛坯三維模型文件、機(jī)床三維模型文件、刀位文件、G/M代碼文件及各種報(bào)表和消息等。目前，企業(yè)已有產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理(product data management,PDM)系統(tǒng)，然而商業(yè)化PDM系統(tǒng)的本地化效果并不盡如人意，企業(yè)迫切需要一個(gè)針對(duì)本企業(yè)現(xiàn)狀、定制化的數(shù)字化加工過程集成管理環(huán)境。不過，PDM系統(tǒng)作為企業(yè)信息化不可或缺的工具，能夠支持產(chǎn)品從訂單接收、概念設(shè)計(jì)、三維建模、工藝規(guī)劃、NC程序生成至加工成成品的全生命周期的文檔和數(shù)據(jù)管理與共享。因此，以PDM作為集成管理平臺(tái)底層的數(shù)據(jù)庫，對(duì)業(yè)務(wù)流程中生成的文件和數(shù)據(jù)進(jìn)行管理。針對(duì)平臺(tái)的業(yè)務(wù)流程，構(gòu)建平臺(tái)信息集成模型，如圖3所示?；谛畔⒓赡Ｐ停蓪a(chǎn)品從設(shè)計(jì)至生產(chǎn)加工各環(huán)節(jié)所產(chǎn)生的制造信息統(tǒng)一管理和調(diào)用，極大地提高了信息的管理效率和利用率，提高了企業(yè)生產(chǎn)效率。

圖3 平臺(tái)信息集成模型

3 集成平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)

根據(jù)平臺(tái)業(yè)務(wù)流程及信息集成模型，構(gòu)建復(fù)雜零件數(shù)字化加工信息集成管理平臺(tái)，平臺(tái)功能體系結(jié)構(gòu)如圖4所示。平臺(tái)主要由用戶層、功能服務(wù)層、應(yīng)用使能層、數(shù)據(jù)資源層、系統(tǒng)支撐層等構(gòu)成。其中，用戶層根據(jù)權(quán)限為企業(yè)內(nèi)部用戶、企業(yè)合作用戶等不同身份的用戶提供相應(yīng)的服務(wù)；功能服務(wù)層主要為復(fù)雜零件數(shù)字化加工提供各類應(yīng)用服務(wù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化加工過程信息與資源的共享和重用，實(shí)現(xiàn)制造過程的協(xié)同；應(yīng)用使能層主要為集成管理平臺(tái)的開發(fā)、運(yùn)行以及各種服務(wù)提供支持[11]，由各類應(yīng)用程序構(gòu)成；數(shù)據(jù)資源層是平臺(tái)的核心，存儲(chǔ)、管理著整個(gè)平臺(tái)的資源與信息，并在運(yùn)行過程中不斷完善充實(shí)；系統(tǒng)支撐層為平臺(tái)的運(yùn)行提供最底層的支撐，主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)平臺(tái)的信息傳輸與信息安全等。

圖4 平臺(tái)功能體系結(jié)構(gòu)

異構(gòu)數(shù)據(jù)、信息的交換共享是平臺(tái)集成的難點(diǎn)。目前，制造企業(yè)主要使用UG及CATIA 作為其CAD/CAM開發(fā)環(huán)境，以IMSpost作為后置處理器的開發(fā)環(huán)境，采用數(shù)控加工仿真軟件Vericut進(jìn)行G/M代碼的仿真。因此，平臺(tái)需要在對(duì)UG、CATIA、IMSpost、VERICUT、PDM進(jìn)行統(tǒng)一協(xié)調(diào)管理的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)傳輸交換及共享。由平臺(tái)業(yè)務(wù)流程可知，UG、CATIA、IMSpost、VERICUT之間的數(shù)據(jù)交換主要是以文件的方式進(jìn)行，各系統(tǒng)間的關(guān)聯(lián)程度要求不高。而PDM承擔(dān)著數(shù)據(jù)存儲(chǔ)共享的任務(wù)，在工藝規(guī)劃過程中需要不斷地與各系統(tǒng)進(jìn)行交互[12]，它與上述4個(gè)系統(tǒng)間要求高度集成，因此對(duì)于系統(tǒng)間的集成需要采用不同的方式，如圖5所示。為了達(dá)到數(shù)據(jù)交換共享的目的，在客戶端工具軟件的外層采用基于Agent代理技術(shù)的封裝，采用CORBA的IDL技術(shù)將各Agent封裝成CORBA對(duì)象，各 Agent 通過CORBA 的互操作機(jī)制來傳遞消息，采用COM/DCOM 技術(shù)作為CORBA 進(jìn)行數(shù)據(jù)交換處理的補(bǔ)充[13-15]，進(jìn)一步提升系統(tǒng)響應(yīng)速度和應(yīng)用系統(tǒng)間的兼容性。

圖5 系統(tǒng)集成框架

應(yīng)用Delphi等工具在Delphi 7和Microsoft SQL Server 2005平臺(tái)上，通過集成企業(yè)現(xiàn)有的UG、CATIA、IMSpost、VERICUT與PDM系統(tǒng)，開發(fā)基于PDM的數(shù)字化加工信息集成管理平臺(tái)。初步運(yùn)行表明，通過集成管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了零件設(shè)計(jì)、前置處理、后置處理、加工仿真、實(shí)際加工等整個(gè)制造環(huán)節(jié)的集中管控，有效消除了信息孤島，增強(qiáng)了企業(yè)對(duì)制造過程的管控能力，提升了制造過程中制造信息資源的協(xié)同共享能力。

4 結(jié)束語

數(shù)字化加工是進(jìn)行復(fù)雜零件機(jī)械加工的有效手段，復(fù)雜零件數(shù)字化加工過程涉及大量的制造信息。針對(duì)企業(yè)數(shù)字化加工過程信息集成管理的需求和現(xiàn)狀，基于業(yè)務(wù)流程進(jìn)行制造過程信息及軟件系統(tǒng)的集成，是可行的解決方案。本文提出的復(fù)雜零件數(shù)字化加工信息集成管理平臺(tái)可用于中小型企業(yè)的信息化轉(zhuǎn)型升級(jí)，未來可從集成管理平臺(tái)權(quán)限管理與控制、智能化的信息檢索與推送、各軟件系統(tǒng)的協(xié)同等方面進(jìn)行更深入的研究。