1 引言

    目前在我國(guó)航空復(fù)雜產(chǎn)品的研制和生產(chǎn)中，以交互式為基礎(chǔ)的二維CAPP系統(tǒng)已經(jīng)取得了廣泛的應(yīng)用，有效的解決了企業(yè)工藝文件編制、工藝文件規(guī)范及工藝文件管理等問(wèn)題，極大的提高了工藝人員的工作效率。但是隨著企業(yè)信息化建設(shè)的不斷深入，基于二維圖形信息進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)CAPP系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足企業(yè)工藝設(shè)計(jì)和管理的要求了。我國(guó)的航空制造企業(yè)目前越來(lái)越多地采用三維CAD進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)，基于三維模型的CAPP理論研究也已經(jīng)在國(guó)內(nèi)外各大高校及研究所取得了一定成果，但由于各種原因基于三維模型的CAPP系統(tǒng)一直處在學(xué)術(shù)研究中，并未在工程應(yīng)用領(lǐng)域得到較好的實(shí)際應(yīng)用，大多數(shù)三維CAPP系統(tǒng)依然停留在理論研究階段。

    本文研究開發(fā)了支持三維數(shù)據(jù)的CAPP系統(tǒng)，為二維工藝設(shè)計(jì)過(guò)渡到三維工藝設(shè)計(jì)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，對(duì)提高我國(guó)航空復(fù)雜產(chǎn)品的生產(chǎn)能力，降低制造成本，提升工藝設(shè)計(jì)效率及質(zhì)量具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2 支持三維數(shù)據(jù)的航空復(fù)雜產(chǎn)品CAPP系統(tǒng)需求分析

    2.1 支持三維數(shù)據(jù)的CAPP系統(tǒng)需求分析

    由于航空產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜、研制技術(shù)難度大、周期長(zhǎng)并且長(zhǎng)時(shí)間處在極端惡劣的環(huán)境下工作，因此其工藝方法也較為復(fù)雜，工藝的編制效率與合理性直接影響著航空復(fù)雜產(chǎn)品的可靠性和安全性。目前我國(guó)航空制造業(yè)信息化水平已經(jīng)得到了極大的發(fā)展，二維CAPP系統(tǒng)已經(jīng)在各制造企業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。但是當(dāng)產(chǎn)品數(shù)字化三維研制過(guò)程進(jìn)行到工藝準(zhǔn)備階段時(shí)，卻出現(xiàn)了三維數(shù)據(jù)傳遞的“斷層”�，F(xiàn)有的工藝準(zhǔn)備過(guò)程無(wú)法直接利用三維模型信息，仍然采用二維圖紙和工藝指令的方式進(jìn)行；無(wú)法保證產(chǎn)品數(shù)據(jù)、工藝數(shù)據(jù)的一致性，在新型號(hào)的制造過(guò)程中，工裝設(shè)計(jì)不合理、工藝設(shè)計(jì)不合理等問(wèn)題屢有發(fā)生；工藝指令表現(xiàn)方式單一，僅為二維工藝卡片，無(wú)法為制造提供直觀、精確的指導(dǎo)，影響了產(chǎn)品質(zhì)量和交貨周期。

    目前，相關(guān)航空制造企業(yè)已逐步開展基于MBD的產(chǎn)品協(xié)同設(shè)計(jì)模式，設(shè)計(jì)評(píng)審、發(fā)圖也逐步基于三維數(shù)模進(jìn)行，傳統(tǒng)二維CAPP系統(tǒng)已難以支撐MBD技術(shù)的推廣應(yīng)用，因此如何充分利用三維數(shù)據(jù)進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)成了問(wèn)題的關(guān)鍵，如圖1所示。利用PDM平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)管理，在CAPP中實(shí)現(xiàn)二維工藝和三維工藝的設(shè)計(jì)及應(yīng)用。

    圖1 支持三維數(shù)據(jù)的航空復(fù)雜產(chǎn)品CAPP系統(tǒng)需求

    2.2 工藝數(shù)據(jù)分類

    隨著以三維模型為基礎(chǔ)的數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造技術(shù)的推廣與運(yùn)用，傳統(tǒng)二維CAPP如何充分利用設(shè)計(jì)部門產(chǎn)生的三維數(shù)據(jù)已經(jīng)成為CAD/CAPP集成的關(guān)鍵。

    工藝數(shù)據(jù)是指對(duì)產(chǎn)品或零部件進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)過(guò)程中所使用的和所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。這里，根據(jù)數(shù)據(jù)類型格式將工藝數(shù)據(jù)分為：二維工藝數(shù)據(jù)和三維工藝數(shù)據(jù)。

    ①二維工藝數(shù)據(jù)。二維工藝信息是指可以采用屬性、信息實(shí)體及其關(guān)系準(zhǔn)確描述的相關(guān)工藝數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)由數(shù)字、字符、文字組成，如工序、工步、設(shè)備、產(chǎn)品、工藝裝備、材料等。二維工藝數(shù)據(jù)主要體現(xiàn)在工藝卡片上，是指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)工人加工的依據(jù)。

    ②三維工藝數(shù)據(jù)。三維工藝數(shù)據(jù)是指除了二維工藝數(shù)據(jù)外，總是以整體出現(xiàn)，并且由一個(gè)專門的外部程序或者系統(tǒng)來(lái)處理的工藝數(shù)據(jù)，這些信息一般由獨(dú)特的數(shù)據(jù)格式組成，并由專門的軟件對(duì)此種數(shù)據(jù)格式進(jìn)行處理。這些數(shù)據(jù)主要包括三維工序模型、三維裝配過(guò)程仿真、三維圖片、帶標(biāo)注的仿真動(dòng)畫等。

    將三維數(shù)據(jù)融入到傳統(tǒng)工藝文件中，不僅為CAPP提供了豐富的信息資源，而且為現(xiàn)場(chǎng)工人提供了更加直觀的指導(dǎo)作用。在車間現(xiàn)場(chǎng)建立可視化人機(jī)交互系統(tǒng)，將包含三維數(shù)據(jù)的工藝文件傳遞到車間，讓工人以更加直觀的方式了解產(chǎn)品的工藝信息。和以往的工藝形式相比，工人減少了看二維圖紙和理解工藝信息的時(shí)間，并且在很大程度上消除了異議，提高了工人工作的準(zhǔn)確度和效率。

3 支持三維數(shù)據(jù)的航空復(fù)雜產(chǎn)品CAPP系統(tǒng)架構(gòu)

    3.1 支持三維數(shù)據(jù)的CAPP系統(tǒng)應(yīng)用背景

    本文基于某航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造企業(yè)的實(shí)際需求，該企業(yè)目前二維CAPP系統(tǒng)已在全廠所有工藝類型推廣應(yīng)用，在工藝設(shè)計(jì)與管理數(shù)字化技術(shù)方面取得了很好的效果。但是，隨著MBD技術(shù)在企業(yè)的推廣應(yīng)用，二維CAPP系統(tǒng)如何利用三維數(shù)據(jù)進(jìn)行協(xié)同工藝設(shè)計(jì)已經(jīng)成了該企業(yè)急需解決的一個(gè)難題。

    3.2 支持三維數(shù)據(jù)的CAPP系統(tǒng)體系架構(gòu)

    支持三維數(shù)據(jù)的CAPP(Support three-dimensional data-CAPP，S3D-CAPP)系統(tǒng)是在原有二維CAPP系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，集成PDM、CAD實(shí)現(xiàn)工藝設(shè)計(jì)與應(yīng)用的，其系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。此體系架構(gòu)包括傳統(tǒng)二維CAPP(CAPPFramework)、三維CAD(NX7.0)、PDM(Teamcenter)及CAPP現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用等四部分內(nèi)容。為使系統(tǒng)能有效集成，系統(tǒng)主要把CAPP所有的業(yè)務(wù)流程在PDM中實(shí)現(xiàn)，CAPP系統(tǒng)僅作為工藝編制工具，成為PDM功能的一部分；另一方面利用三維CAD與仿真軟件的設(shè)計(jì)功能進(jìn)行零組件模型設(shè)計(jì)、工序模型創(chuàng)建、裝配仿真等內(nèi)容。通過(guò)與三維CAD系統(tǒng)集成，實(shí)現(xiàn)在現(xiàn)有工藝規(guī)范下，能有效的把三維信息展現(xiàn)出來(lái)。

    圖2 S3D-CAPP系統(tǒng)體系架構(gòu)

    系統(tǒng)的具體內(nèi)容主要包括CAPP工藝設(shè)計(jì)、工藝數(shù)據(jù)管理、現(xiàn)場(chǎng)可視化三個(gè)部分。

    ①CAPP工藝設(shè)計(jì)：在工藝編制過(guò)程中，通過(guò)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，將CAPP工藝中的每道工序/工步與三維CAD產(chǎn)生的三維數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)每道工序/工步都與模型之間映射關(guān)聯(lián)，形成三維信息在“二維工藝規(guī)程”中表達(dá)。

    ②工藝數(shù)據(jù)管理：作為工藝設(shè)計(jì)結(jié)果，工藝規(guī)程由產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)負(fù)責(zé)管理。系統(tǒng)將企業(yè)現(xiàn)有的PDM系統(tǒng)作為工藝規(guī)程的數(shù)據(jù)管理環(huán)境，為工藝提供了基礎(chǔ)的管理平臺(tái)，對(duì)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一管理。產(chǎn)品工藝數(shù)據(jù)庫(kù)負(fù)責(zé)三維模型、工序模型、工藝文件、動(dòng)畫仿真及模型輕量化的儲(chǔ)存與管理。同時(shí)將結(jié)構(gòu)化BOM數(shù)據(jù)與三維產(chǎn)品/零組件模型相關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)具有三維模型的結(jié)構(gòu)化BOM數(shù)據(jù)共享與協(xié)同。

    ③現(xiàn)場(chǎng)可視化：系統(tǒng)為制造現(xiàn)場(chǎng)提供了三維工藝的查詢?yōu)g覽環(huán)境，系統(tǒng)通過(guò)輕量化技術(shù)和采用三維工藝瀏覽器建立工藝瀏覽環(huán)境，提供對(duì)三維工序模型、仿真動(dòng)畫等的顯示與交互能力。讓工人以更加直觀的方式了解產(chǎn)品的幾何特征和工藝信息，減少了看二維圖紙和理解工藝信息的時(shí)間，并且在很大程度上消除了異議，提高了工人工作的準(zhǔn)確度和效率。

    由此，形成了在二維工藝設(shè)計(jì)體系環(huán)境下工藝設(shè)計(jì)→工藝數(shù)據(jù)管理→現(xiàn)場(chǎng)可視化的結(jié)構(gòu)。

4 S3D-CAPP系統(tǒng)開發(fā)及應(yīng)用

    結(jié)合該航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造企業(yè)的實(shí)際情況，建立了面向航空復(fù)雜產(chǎn)品的支持三維數(shù)據(jù)的CAPP系統(tǒng)，S3D-CAPP系統(tǒng)以CAPPFramework/Teamcenter集成環(huán)境為系統(tǒng)平臺(tái)，三維CAD采用NX7.0，實(shí)現(xiàn)PDM中設(shè)計(jì)BOM和三維模型的完全關(guān)聯(lián)，現(xiàn)場(chǎng)可視化采用NX/JT2GO瀏覽器。這里我們以機(jī)加工藝和裝配工藝為例：

    ①在進(jìn)行機(jī)加工藝設(shè)計(jì)時(shí)，需要在NX7.0中進(jìn)行的主要工作如下：

    a.通過(guò)采用MBD技術(shù)建立統(tǒng)一的三維機(jī)加工藝模型，使其成為設(shè)計(jì)、工藝和制造等部門的唯一數(shù)據(jù)來(lái)源。以NX7.0系統(tǒng)為設(shè)計(jì)環(huán)境，采用WAVE技術(shù)（工序/工步模型生成輔助工具），輔助工藝員生成三維工序模型，并對(duì)模型進(jìn)行輕量化處理。

    b.三維模型的零件制造信息采用PMI技術(shù)進(jìn)行標(biāo)注，建立零件制造信息與工序模型之間的關(guān)聯(lián)。通過(guò)系統(tǒng)截圖工具快速生成三維工序簡(jiǎn)圖，并將所得三維模型與各工序/工步、工序簡(jiǎn)圖相關(guān)聯(lián)。

    c.形成的工藝規(guī)程包不僅封裝了二維機(jī)加工藝信息，還封裝了三維機(jī)加工藝信息，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)員工起到了明確的指導(dǎo)作用。

    ②在進(jìn)行裝配工藝設(shè)計(jì)時(shí)，系統(tǒng)除了提供傳統(tǒng)CAPP具有的二維交互式工藝設(shè)計(jì)外，其差別主要在于把零組件模型、三維工裝和仿真動(dòng)畫等三維數(shù)據(jù)放在Teamcenter中進(jìn)行統(tǒng)一管理，通過(guò)二次開發(fā)接口可以自動(dòng)獲取三維裝配結(jié)構(gòu)信息，通過(guò)截圖工具可以截取三維裝配工序爆炸圖。裝配工序設(shè)計(jì)時(shí)，通過(guò)工序/工步關(guān)聯(lián)的三維信息，可以指定裝配工裝和工具，進(jìn)行實(shí)體仿真的瀏覽，仿真過(guò)程可以指定為整個(gè)裝配過(guò)程或某一道工序的裝配過(guò)程。如圖3關(guān)聯(lián)裝配仿真。

    圖3 關(guān)聯(lián)仿真模型

    ③現(xiàn)場(chǎng)可視化：最終形成的工藝規(guī)程包不僅封裝了二維工藝信息，對(duì)于車間現(xiàn)場(chǎng)不支持觸摸顯示屏的企業(yè)，可以打印二維工藝文件供現(xiàn)場(chǎng)工人瀏覽；同時(shí)工藝規(guī)程包還封裝了三維機(jī)加工藝信息，支持現(xiàn)場(chǎng)工人對(duì)工序模型、裝配仿真及AVI動(dòng)畫等三維信息進(jìn)行實(shí)時(shí)瀏覽，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)員工起到了清晰明確的指導(dǎo)作用。如圖4為采用工藝瀏覽器瀏覽工藝文件，圖5為瀏覽具于三維標(biāo)注信息的工序模型，圖6為瀏覽AVI動(dòng)畫。

    圖4 瀏覽工藝文件

    圖5 瀏覽三維工序模型

    圖6 瀏覽AVI動(dòng)畫

5 結(jié)束語(yǔ)

    本文通過(guò)分析了目前國(guó)內(nèi)航空制造行業(yè)CAPP現(xiàn)狀、二維工藝設(shè)計(jì)、三維工藝設(shè)計(jì)等存在的問(wèn)題，提出了支持三維數(shù)據(jù)的航空復(fù)雜產(chǎn)品CAPP集成系統(tǒng)。基于CAPPFramework/Teamcenter平臺(tái)將三維數(shù)據(jù)有效的融入到傳統(tǒng)工藝規(guī)程中，有效的解決了二維CAPP系統(tǒng)不能利用三維數(shù)據(jù)和三維CAPP系統(tǒng)還不成熟的矛盾，滿足了現(xiàn)階段航空制造企業(yè)工藝設(shè)計(jì)的實(shí)際需求。目前該系統(tǒng)已在航空企業(yè)中得到較好的實(shí)際應(yīng)用，隨著應(yīng)用的深入將充分顯示其效果。為將來(lái)實(shí)現(xiàn)全三維工藝設(shè)計(jì)和管理打下基礎(chǔ)。

核心關(guān)注：拓步ERP系統(tǒng)平臺(tái)是覆蓋了眾多的業(yè)務(wù)領(lǐng)域、行業(yè)應(yīng)用，蘊(yùn)涵了豐富的ERP管理思想，集成了ERP軟件業(yè)務(wù)管理理念，功能涉及供應(yīng)鏈、成本、制造、CRM、HR等眾多業(yè)務(wù)領(lǐng)域的管理，全面涵蓋了企業(yè)關(guān)注ERP管理系統(tǒng)的核心領(lǐng)域，是眾多中小企業(yè)信息化建設(shè)首選的ERP管理軟件信賴品牌。

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