黃斌達，李富長，鄧小棒，田 威

（1.中國航空工業(yè)集團公司金城南京機電液壓工程研究中心，江蘇 南京 211106；2.航空機電系統(tǒng)綜合航空科技重點實驗室，江蘇 南京 211106；3.南京航空航天大學機電學院，江蘇 南京 210016）

1 引言

航空液壓操縱系統(tǒng)是保障飛機飛行的基礎功能系統(tǒng)，也是飛機綜合作戰(zhàn)效能的重要保障和核心載體[1-2]。新型飛機對航空液壓操縱系統(tǒng)的性能要求越來越高，導致航空液壓零件的形狀也越趨復雜，新材料的應用也逐漸增多，在這種形勢下，如何能夠在較短的時間內(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。工藝設計作為連接產(chǎn)品研發(fā)和現(xiàn)場生產(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計模式，沒有有效重用零件三維設計模型，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)容表達不直觀，對下游業(yè)務人員識圖要求較高，且易產(chǎn)生理解誤差，影響工藝數(shù)據(jù)的傳遞效率和準確性；此外，生成的二維工藝文件不能直接支持數(shù)控加工編程及仿真、檢測編程及仿真、三維工裝設計等業(yè)務，同時也對生產(chǎn)過程的自動化建設帶來障礙。

基于模型定義（Model-Based Definition，MBD）的產(chǎn)品設計近年來得到了廣泛的應用，其在數(shù)據(jù)表達的直觀性、數(shù)據(jù)傳遞的高效性及準確性方面與傳統(tǒng)二維產(chǎn)品設計方法相比具有較大優(yōu)勢。但MBD模式下的工藝設計多集中在個別業(yè)務環(huán)節(jié)的研究與應用，缺乏系統(tǒng)級的解決方案[3-8]，在航空液壓零件制造領域尚未見全三維工藝設計系統(tǒng)的研發(fā)及應用報道。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、開發(fā)全三維模型驅(qū)動的航空液壓零件工藝設計方法與系統(tǒng)，實現(xiàn)航空液壓零件的全三維數(shù)字化設計與制造。

2 航空液壓零件全三維工藝設計系統(tǒng)框架

通過分析航空液壓系統(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計系統(tǒng)框架，該系統(tǒng)包含應用層、平臺層和數(shù)據(jù)層，如圖1所示。

圖1 航空液壓零件全三維工藝設計系統(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)動的航空液壓零件工藝設計數(shù)據(jù)庫，為整個全三維模型驅(qū)動的工藝設計過程提供數(shù)據(jù)支持。（2）平臺層。基于Teamcenter、NX和VERICUT平臺開發(fā)系統(tǒng)功能，其中Teamcenter為結(jié)構(gòu)化工藝設計、工藝流程審簽、工藝數(shù)據(jù)管理及文件發(fā)布等功能的開發(fā)提供平臺支持，而NX 和VERICUT則支持三維模型構(gòu)建、數(shù)控加工編程及仿真、檢測編程及仿真等功能的開發(fā)。（3）應用層。該層封裝了工藝路線規(guī)劃、工序模型構(gòu)建、數(shù)控加工自動編程、檢測自動編程、工藝執(zhí)行過程可視化等系統(tǒng)功能及用戶交互界面。

3 航空液壓零件全三維工藝設計流程

航空液壓零件全三維工藝設計是以MBD 設計模型為數(shù)據(jù)源，通過提取其中的加工信息設計結(jié)構(gòu)化工藝，在此基礎上構(gòu)建集幾何特征和工藝語義信息為一體的MBD工序模型，并將該模型作為三維工裝設計、數(shù)控加工/檢測自動編程及仿真、三維工藝執(zhí)行過程可視化等業(yè)務環(huán)節(jié)的唯一依據(jù)，最終將所有工藝設計數(shù)據(jù)集成發(fā)布至生產(chǎn)現(xiàn)場，指導現(xiàn)場加工生產(chǎn)，如圖2所示。

圖2 航空液壓零件全三維工藝設計流程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計關(guān)鍵技術(shù)

4.1 三維工序模型的構(gòu)建

在全三維驅(qū)動的工藝設計模式中，三維工序模型是數(shù)控加工編程、工裝設計、計量檢測、現(xiàn)場加工等業(yè)務環(huán)節(jié)的依據(jù)[9-11]，三維工序模型構(gòu)建時應重用三維設計模型及尺寸公差標注信息，并按照MBD 工序模型定義標準開展工藝模型快速構(gòu)建與管理，同時實現(xiàn)與三維設計模型的關(guān)聯(lián)。在構(gòu)建幾何模型時，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計模型并直接產(chǎn)生最后一道工序模型形狀，之后通過建模工具補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，以保證當設計模型發(fā)生變更時，所有工序模型都能夠快速響應更改要求。

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)動的數(shù)控加工自動編程

特征驅(qū)動的數(shù)控加工編程流程，如圖4所示。

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

通過對MBD工序模型進行特征識別，分別獲取加工特征和裝夾特征；基于加工工藝推理知識庫，結(jié)合數(shù)控機床設備庫、夾具模塊庫、刀具庫、切削參數(shù)庫進行知識推理，確定數(shù)控加工機床、刀具、夾具和切削參數(shù)，并生成數(shù)控加工刀軌；若數(shù)控刀軌仿真無誤，則進行后置處理生成數(shù)控（Numerical Control，NC）代碼，之后對NC代碼進行數(shù)控加工機床仿真，確定NC代碼的正確性和有效性，最終輸出至現(xiàn)場加工。

4.3 基于三維工序模型的檢測自動編程

基于三維工序模型的檢測自動編程技術(shù)，其流程，如圖5所示。首先讀取MBD 檢測工序模型中的標注信息和待檢特征信息，以此為基礎，基于檢測路徑規(guī)劃算法生成檢測路徑，之后對檢測路徑進行仿真，若仿真結(jié)果無誤，則對檢測路徑進行后置處理，生成能被三坐標測量機所識別的PC DMIS指令，并用其驅(qū)動三坐標測量機檢測工件，檢測獲得的結(jié)果可與工序模型直接對比，生成的對比結(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自動編程流程Fig.5 Flow of Inspection Automatic Programming Based on Three-Dimensional Process Model

4.4 三維工藝執(zhí)行過程可視化

基于MBD 的工藝執(zhí)行過程可視化文件由工藝設計人員根據(jù)三維工序模型及其他工藝信息設計而成。在三維工藝執(zhí)行可視化環(huán)境中，每道工序?qū)粋€可視化文件，該文件采用三維模型、動畫、視頻等多種展現(xiàn)方式，運用通用瀏覽器即能方便地瀏覽其內(nèi)容，并可實現(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，當工藝設計有所更新時，只需要在三維工藝設計軟件中更新MBD模型，重新導入可視化文件模板，即可完成工藝指導文件的更新。

5 航空液壓零件全三維工藝設計系統(tǒng)實現(xiàn)

根據(jù)上述方法，基于Teamcenter10.1、NX8.5和VERICUT8.0開發(fā)了航空液壓零件全三維工藝設計系統(tǒng)，并以某型航空液壓活塞件為例，說明該系統(tǒng)的運行過程。

基于設計數(shù)據(jù)發(fā)放與接收功能，工藝員可直接查看并接收MBD設計模型，如圖6所示。并基于此開展工藝設計，從而實現(xiàn)設計數(shù)據(jù)的快速傳遞。運用結(jié)構(gòu)化工藝路線設計功能自動繼承和關(guān)聯(lián)產(chǎn)品數(shù)據(jù)，在此基礎上搭建活塞零件結(jié)構(gòu)化工藝樹，如圖7所示。

圖6 基于Teamcenter的MBD設計模型傳遞Fig.6 MBD Design Model Transmission Based on Teamcenter

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

針對每道工序，基于同步建模技術(shù)和NX_WAVE技術(shù)，直接在MBD設計模型的基礎上快速修改特征、標注信息，形成相互關(guān)聯(lián)的工序模型，如圖8所示。當設計模型發(fā)生變更時，與之相關(guān)的所有工序模型上對應的特征均會自動發(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

針對數(shù)控加工工序，首先運用特征識別技術(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庫實現(xiàn)對機加特征的自動編程，形成數(shù)控加工刀軌，如圖10所示。之后基于開發(fā)的機床后置處理器生成NC代碼。所有數(shù)控加工過程數(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。為真實模擬實際加工過程，驗證NC代碼的正確性和有效性，基于VERICUT構(gòu)建了與生產(chǎn)現(xiàn)場機床實物的幾何尺寸、運動邏輯、數(shù)控系統(tǒng)完全相同的虛擬機床（Hermle c30u），并通過NX與VERICUT軟件的數(shù)據(jù)傳輸接口，將數(shù)控加工自動編程過程中選用和生成的毛坯、夾具、刀具、NC代碼等信息自動導入虛擬加工環(huán)境，在此基礎上對NC代碼進行仿真驗證，如圖11所示。

圖9 活塞零件加工特征識別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 活塞零件機床仿真Fig.11 Machine Simulation of Piston Parts

在仿真過程中，用戶可實時查看加工狀態(tài)，系統(tǒng)將加工過程中出現(xiàn)的過切、碰撞、超行程等錯誤信息以可視化的方式展示，方便用戶進行程序調(diào)試。此外，還可基于VERICUT對NC代碼進行優(yōu)化，進而提高切削效率、延長刀具和機床壽命。

運用檢測自動編程功能，直接讀取三維檢測工序模型中的三維檢測標注信息及與之關(guān)聯(lián)的待檢特征，并自動生成檢測軌跡，如圖12所示。之后進行檢測仿真，圖13所示。

圖12 活塞零件檢測路徑自動生成Fig.12 Inspection Path Automatic Generation of Piston Parts

圖13 活塞零件檢測仿真Fig.13 Inspection Simulation of Piston Parts

校驗檢測路徑的準確性和有效性，檢測路徑經(jīng)后置處理后可生成能直接驅(qū)動三坐標測量機的檢測代碼，從而大大減輕了檢測人員的工作量，同時也避免了檢測編程過程中的人為誤差?；诠に噲?zhí)行可視化功能，現(xiàn)場作業(yè)人員可在生產(chǎn)現(xiàn)場顯示終端的網(wǎng)頁瀏覽器中實時獲取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。以指導生產(chǎn)順利進行。

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

全三維工藝設計是目前制造領域的研究熱點問題，也是難點問題，其主要目的是運用三維模型的準確性、直觀性和可開發(fā)性特點，提高工藝過程的質(zhì)量、精度和效率。針對航空液壓零件的工藝設計特點，提出并開發(fā)了航空液壓零件全三維工藝設計系統(tǒng)，該系統(tǒng)以MBD設計模型為數(shù)據(jù)源構(gòu)建包含各類幾何特征和工藝語義信息的MBD工序模型，并以此為基礎，實現(xiàn)了特征驅(qū)動的數(shù)控加工編程和檢測編程，并最終生成可交互式三維工藝文件指導現(xiàn)場生產(chǎn)，從而有效提高了工藝設計的效率和質(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計系統(tǒng)的研究與開發(fā)打下了基礎。