三维工序数模驱动的叶片类零件工装设计系统
发布时间：2015-07-08 09:19
作者：马建宁张森张定华陈冰赵岩
【论文关键词】叶片类零件工装设计工序数模
【论文摘要】针对目前航空发动机典型零件一叶片类零件工装设计现状，创建了三维工序数模驱动的叶片类零件工装设计系统，阐述了系统的优点、结构、功能、工作流程，并以ug二次开发实现了原型系统。通过在国内某大型航空发动机公司进行应用，大大提高了叶片类零件工装设计的效率，缩短了设计时间。
航空发动机是飞机的关键部件，而叶片类零件则是航空发动机的核心零件之一，也是发动机研制和批产的“瓶颈”环节。其特点是结构复杂、品种、数量繁多，对发动机的性能影响大、设计和制造周期长、工作量大。由于叶片类零件种类多，叶型、榫头的形状复杂，其工装设计也相对复杂。有效的工装设计可以提高工装设计效率、提高工装(包括零部件)重用度、缩短工装制造周期、降低工装制造成本。
目前工装设计选择的cad平台主要以电子图板方式在企业工装设计领域使用，即人工进行工装结构设计、参数计算，然后利用cad软件平台进行绘图、出图。其中大部分企业采用二维cad基本上只解决工装绘图问题，起到了电子图板的作用，但是参数化功能不足，设计效率低。而极少数采用三维cad软件的企业由于三维实体造型速度慢，三维实体模型虚拟装配繁琐，输出符合国标的二维工程图速度更慢等因素并没有在工装设计中切实的发挥出三维cad软件强大的实体造型和参数化驱动等功能。
基于上述的工装设计的实际情况，提出以压气机叶片为对象，开发工序数模驱动的叶片类零件的工装设计系统。本系统的设计思想是基于航空发动机中不同级的叶片，很大一部分在拓扑结构上一样，装夹方式也相同，只在尺寸上有差异，如图1所示。因此设计这些叶片的工装时，采用基于实例的三维工序驱动的设计方法，即实现工序数模驱动下的工装数模自动进行尺寸调整，形成新的工装数模，并通过设计者局部小的修改后，形成最终的满足要求的新工装。
1系统特点
本系统与翼宠cad彰工装设计相比，具有以下的特点。
1．1实现工艺工装并行设计
传统的工艺过程设计和夹具设计过程是相分离的，通常由工艺设计部门进行零件的工艺设计，生成详细的加工工序后，将有关信息传递给工装设计部门，由它完成工装设计。然而，建立基于面向工装设计的工艺成熟度模型，在pdm产品数据管理平台上，直接使用同一数据源三维模型，定制工艺、工装并行设计业务流程，从而实现工装工艺的并行设计。
1．2三维工序数模驱动工装设计
其核心思想是通过工序数模中包含的工艺特征信息(如基准特征信息、定位及夹紧基准信息、精度特征信息、材料特征信息和管理特征信息等)来驱动工装中的相关组件，使这些组件在空间位置和尺寸上做相应的调整，从而达到自动生成新工装的目的。
1．3基于pdm的集成化工装数据管理
基于pdm平台，建立单一数据源的工装数据库，保证工装数据的唯一性、实时性、有效性和安全性。工装基础数据和信息包括：产品信息、工艺信息、已有工装信息、工装标准件库、典型构架．结构库、加工设备接口信息，工装设计经验知识等。通过对工装基础数据和信息的有效组织和利用，创造能让工装设计人员迅速、有效地掌握和借鉴已有工装设计经验的环境，从而提高工装设计速度。
2系统体系结构
基于上述特点，本系统以oracle为底层数据库，以tcenterprise(pdm)为数据管理平台，以ugnx3．0为cad支撑系统，采用ug／openapi对ug进行二次开发，运用参数化建模方法和专家系统等技术，实现工装的快速设计；所有工装数据全部基于pdm系统实现统一管理，保证工装数据的唯一性、实时l生、有效性和安全性。
基于以上思路，本系统由工序模型设计子系统、工装设计子系统、工装实例添加子系统三部分组成，具体系统体系结构，如图2所示。
3系统工作流程
系统采用工序数模驱动的工装设计方法，其工作流程，如图3所示。
3．1建立新的工序数模
这是新工装设计的驱动力，是工装模型进行自适应变化的信息来源。
3．2建立典型工装装配体模型
这是新工装设计的基础，即典型实例模型将根据新工装数模中的信息做相应的变化，形成新的工装模型。
3．3新工装的形成过程
新工装的形成过程主要是在新工序数模驱动下的自动化过程。首先，需要找到合适的典型工装；然后，将这个工装装配体模型另存为新名字，同时修改各组件的名字；再次，将新工序数模装配进去，执行相关程序，使装配体各个组件及相互配合关系发生改变；最后，手动进行某些细节的修改，从而形成最终的新工装。
4系统功能
系统的功能主要分为三部分：工序数模设计功能、基于实例的工装设计功能、实例添加向导功能。
4．1工序数模设计模块
主要提供计算机辅助造型、数模属性添加两类功能。具体功能：(1)叶片零件模型叶身截型线造型功能；(2)叶身数据处理完成叶身的造型功能；(3)叶身的叶根叶尖的延伸功he；(4)凸台的造型功能；(5)榫头的造型功能；(6)对工序模型各部分进行布尔并运算生成工序模型；(7)向工序模型添加相关属性等功能。
三维工序驱动的工装设计系统的功能主要为：工装设块提供基于工序数模的工装设。工序数模驱动的工装设计，其核心思想是通过工序数模中包含的信息来驱动工装中的相关组件，使这些组件在空间位置和尺寸上做相应的调整，从而达到自动生成新工装的目的。改设计思想中包含有三个关键的技术：工序数模包含的信息、工装组件数模包含的信息、工装装配体的相关约束。
要达到上述目的，需要提取一些信息：
(1)工装与工序数模之间的装配信息，包括装配元素和装配关系。其中装配元素是指装配关系中直接装配的那些组件的几何元素，如工序数模的叶盆表面，工装中定位销球形表面等。装配关系是指装配元素之间以什么关系装配在一起，如对齐、面贴合等。
(2)工装装配体组件之间的尺寸关联信息。由于采用数模驱动的设计方法，所以当用一个新的工序数模驱动工装装配体实例时，与工序数模直接接触的那些组件会根据工序数模包含的信息进行自动的适应性调整，包括空间位置和尺寸。这就要求其它组件也必须在空间位置和尺寸上做相应的变化。为此，工装装配体各个组件之间需要建立尺寸关联关系。建立关联关系的原则是：当一个组件的尺寸变化后，会影响到哪些组件的尺寸，如何影响。建立的尺寸关系用ug中的表达式进行记录，包括两种：装配关系中的距离表达式和组件所对应的part文件中的特征表达式。
4．3工装实例添加功能
这是一个向导工具，引导操作人员定义新典型工装装配体，并对添加相应的属性。
工装实例库中的实例是相对典型的和稳定的工装装配体。实例库的建立需要在pdm平台下完成，要考虑实例库和pdm之间的管理关系，以及实例库中的实例与pdm中产品bom之间的关系。实例库中工装实例的添加、删除、修改和查询功能均需在pdm环境中完成。
工装实例库的建立需要两方面的工作：
(1)以叶片类零件为应用对象，对典型工装设计知识进行总结归纳，包括：典型且可以重用的零组件、零组件的尺寸参数、技术规格、图形、设计流程，形成相应的夹具零组件库和工装实例库。
(2)工装实例库的构造使用相关参数化造型等技术，在典型工装或专用工装设计完成之后，任何新的工装设计如果满足一定的相似条件，就可以快速的从库中实例派生出新的工装设计，从而解决快速设计的需求。
5系统实现
本系统是以ug／nx3．0为开发平台，下面具体介绍系统功能的实现过程。
从工艺部门接到工装设计任务后，进入ug软件进行工装设计。典型工装在pdm下进行管理，根据制造bom的结构，这些工装的part文件与使用它们的那些物料关联在一起，并建立属性信息，表明该工装是哪道工序使用的。生成的工序模型，如图4所示。
下面以压气机叶片毛坯锻件的第一道工序—铣进排气边的工装夹具设计为例，进行描述。首先，根据工艺规程和叶片毛坯锻件图，利用ug二次开发的参数化工序建模菜单，输人参数和属性添加进行工序建模，生成的工序模型和各部分名称信息，如图4所示。根据建好的三维工序模型，在pdm下的工装实例库选择工装类型；紧接着，在ug中打开选好工装类型模型，然后在装配环境下调入三维工序模型，进入ug二次开发的工装设计菜单，根据对话框提示指出叶盆或叶背(定位点在叶盆就指定叶盆，在叶背就指定叶背)，接着通过遍历工序模型得到工序数模驱动的新工装模型，最后通过适应性装配和局部小的修改得到完全满足需求的新工装模型。系统各菜单和叶片工序数模驱动的新工装，如图5所示。
最后，调用符合设计条件的标准件后，根据设计信息利用ug软件自身的建模功能进行修改达到设计要求，最后根据ug工程图功能得到带有标注尺寸要求的工程设计图。
6结束语
参数化工序数模和工装设计系统推行了三维工序数模驱动的工艺工装并行设计的先进模式，打破了传统的串行工作模式；并且可以将设计者的创新知识、实践经验、规范、准则保存，再利用。基于pdm环境下的叶片类零件工装设计系统的实现，基本上解决了目前企业工装设计周期长，设计文档管理混乱等问题，减少了设计错误和工装返工率，提高了工装设计质量。同时，建立了工装实例库，不仅易于用户使用，也易于扩充新的工装实例。通过在国内某大型航空发动机公司进行应用，大大提高了叶片类零件工装设计的效率，缩短了设计时间。
【论文关键词】叶片类零件工装设计工序数模
【论文摘要】针对目前航空发动机典型零件一叶片类零件工装设计现状，创建了三维工序数模驱动的叶片类零件工装设计系统，阐述了系统的优点、结构、功能、工作流程，并以ug二次开发实现了原型系统。通过在国内某大型航空发动机公司进行应用，大大提高了叶片类零件工装设计的效率，缩短了设计时间。
航空发动机是飞机的关键部件，而叶片类零件则是航空发动机的核心零件之一，也是发动机研制和批产的“瓶颈”环节。其特点是结构复杂、品种、数量繁多，对发动机的性能影响大、设计和制造周期长、工作量大。由于叶片类零件种类多，叶型、榫头的形状复杂，其工装设计也相对复杂。有效的工装设计可以提高工装设计效率、提高工装(包括零部件)重用度、缩短工装制造周期、降低工装制造成本。
目前工装设计选择的cad平台主要以电子图板方式在企业工装设计领域使用，即人工进行工装结构设计、参数计算，然后利用cad软件平台进行绘图、出图。其中大部分企业采用二维cad基本上只解决工装绘图问题，起到了电子图板的作用，但是参数化功能不足，设计效率低。而极少数采用三维cad软件的企业由于三维实体造型速度慢，三维实体模型虚拟装配繁琐，输出符合国标的二维工程图速度更慢等因素并没有在工装设计中切实的发挥出三维cad软件强大的实体造型和参数化驱动等功能。
基于上述的工装设计的实际情况，提出以压气机叶片为对象，开发工序数模驱动的叶片类零件的工装设计系统。本系统的设计思想是基于航空发动机中不同级的叶片，很大一部分在拓扑结构上一样，装夹方式也相同，只在尺寸上有差异，如图1所示。因此设计这些叶片的工装时，采用基于实例的三维工序驱动的设计方法，即实现工序数模驱动下的工装数模自动进行尺寸调整，形成新的工装数模，并通过设计者局部小的修改后，形成最终的满足要求的新工装。
1系统特点
本系统与翼宠cad彰工装设计相比，具有以下的特点。
1．1实现工艺工装并行设计
传统的工艺过程设计和夹具设计过程是相分离的，通常由工艺设计部门进行零件的工艺设计，生成详细的加工工序后，将有关信息传递给工装设计部门，由它完成工装设计。然而，建立基于面向工装设计的工艺成熟度模型，在pdm产品数据管理平台上，直接使用同一数据源三维模型，定制工艺、工装并行设计业务流程，从而实现工装工艺的并行设计。
1．2三维工序数模驱动工装设计
其核心思想是通过工序数模中包含的工艺特征信息(如基准特征信息、定位及夹紧基准信息、精度特征信息、材料特征信息和管理特征信息等)来驱动工装中的相关组件，使这些组件在空间位置和尺寸上做相应的调整，从而达到自动生成新工装的目的。
1．3基于pdm的集成化工装数据管理
基于pdm平台，建立单一数据源的工装数据库，保证工装数据的唯一性、实时性、有效性和安全性。工装基础数据和信息包括：产品信息、工艺信息、已有工装信息、工装标准件库、典型构架．结构库、加工设备接口信息，工装设计经验知识等。通过对工装基础数据和信息的有效组织和利用，创造能让工装设计人员迅速、有效地掌握和借鉴已有工装设计经验的环境，从而提高工装设计速度。
2系统体系结构
基于上述特点，本系统以oracle为底层数据库，以tcenterprise(pdm)为数据管理平台，以ugnx3．0为cad支撑系统，采用ug／openapi对ug进行二次开发，运用参数化建模方法和专家系统等技术，实现工装的快速设计；所有工装数据全部基于pdm系统实现统一管理，保证工装数据的唯一性、实时l生、有效性和安全性。
基于以上思路，本系统由工序模型设计子系统、工装设计子系统、工装实例添加子系统三部分组成，具体系统体系结构，如图2所示。
3系统工作流程
系统采用工序数模驱动的工装设计方法，其工作流程，如图3所示。
3．1建立新的工序数模
这是新工装设计的驱动力，是工装模型进行自适应变化的信息来源。
3．2建立典型工装装配体模型
这是新工装设计的基础，即典型实例模型将根据新工装数模中的信息做相应的变化，形成新的工装模型。
3．3新工装的形成过程
新工装的形成过程主要是在新工序数模驱动下的自动化过程。首先，需要找到合适的典型工装；然后，将这个工装装配体模型另存为新名字，同时修改各组件的名字；再次，将新工序数模装配进去，执行相关程序，使装配体各个组件及相互配合关系发生改变；最后，手动进行某些细节的修改，从而形成最终的新工装。
4系统功能
系统的功能主要分为三部分：工序数模设计功能、基于实例的工装设计功能、实例添加向导功能。
4．1工序数模设计模块
主要提供计算机辅助造型、数模属性添加两类功能。具体功能：(1)叶片零件模型叶身截型线造型功能；(2)叶身数据处理完成叶身的造型功能；(3)叶身的叶根叶尖的延伸功he；(4)凸台的造型功能；(5)榫头的造型功能；(6)对工序模型各部分进行布尔并运算生成工序模型；(7)向工序模型添加相关属性等功能。
4．2工装设计模块
三维工序驱动的工装设计系统的功能主要为：工装设块提供基于工序数模的工装设。工序数模驱动的工装设计，其核心思想是通过工序数模中包含的信息来驱动工装中的相关组件，使这些组件在空间位置和尺寸上做相应的调整，从而达到自动生成新工装的目的。改设计思想中包含有三个关键的技术：工序数模包含的信息、工装组件数模包含的信息、工装装配体的相关约束。
要达到上述目的，需要提取一些信息：
(1)工装与工序数模之间的装配信息，包括装配元素和装配关系。其中装配元素是指装配关系中直接装配的那些组件的几何元素，如工序数模的叶盆表面，工装中定位销球形表面等。装配关系是指装配元素之间以什么关系装配在一起，如对齐、面贴合等。
(2)工装装配体组件之间的尺寸关联信息。由于采用数模驱动的设计方法，所以当用一个新的工序数模驱动工装装配体实例时，与工序数模直接接触的那些组件会根据工序数模包含的信息进行自动的适应性调整，包括空间位置和尺寸。这就要求其它组件也必须在空间位置和尺寸上做相应的变化。为此，工装装配体各个组件之间需要建立尺寸关联关系。建立关联关系的原则是：当一个组件的尺寸变化后，会影响到哪些组件的尺寸，如何影响。建立的尺寸关系用ug中的表达式进行记录，包括两种：装配关系中的距离表达式和组件所对应的part文件中的特征表达式。
4．3工装实例添加功能
这是一个向导工具，引导操作人员定义新典型工装装配体，并对添加相应的属性。
工装实例库中的实例是相对典型的和稳定的工装装配体。实例库的建立需要在pdm平台下完成，要考虑实例库和pdm之间的管理关系，以及实例库中的实例与pdm中产品bom之间的关系。实例库中工装实例的添加、删除、修改和查询功能均需在pdm环境中完成。
工装实例库的建立需要两方面的工作：
(1)以叶片类零件为应用对象，对典型工装设计知识进行总结归纳，包括：典型且可以重用的零组件、零组件的尺寸参数、技术规格、图形、设计流程，形成相应的夹具零组件库和工装实例库。
(2)工装实例库的构造使用相关参数化造型等技术，在典型工装或专用工装设计完成之后，任何新的工装设计如果满足一定的相似条件，就可以快速的从库中实例派生出新的工装设计，从而解决快速设计的需求。
5系统实现
本系统是以ug／nx3．0为开发平台，下面具体介绍系统功能的实现过程。
从工艺部门接到工装设计任务后，进入ug软件进行工装设计。典型工装在pdm下进行管理，根据制造bom的结构，这些工装的part文件与使用它们的那些物料关联在一起，并建立属性信息，表明该工装是哪道工序使用的。生成的工序模型，如图4所示。
下面以压气机叶片毛坯锻件的第一道工序—铣进排气边的工装夹具设计为例，进行描述。首先，根据工艺规程和叶片毛坯锻件图，利用ug二次开发的参数化工序建模菜单，输人参数和属性添加进行工序建模，生成的工序模型和各部分名称信息，如图4所示。根据建好的三维工序模型，在pdm下的工装实例库选择工装类型；紧接着，在ug中打开选好工装类型模型，然后在装配环境下调入三维工序模型，进入ug二次开发的工装设计菜单，根据对话框提示指出叶盆或叶背(定位点在叶盆就指定叶盆，在叶背就指定叶背)，接着通过遍历工序模型得到工序数模驱动的新工装模型，最后通过适应性装配和局部小的修改得到完全满足需求的新工装模型。系统各菜单和叶片工序数模驱动的新工装，如图5所示。
最后，调用符合设计条件的标准件后，根据设计信息利用ug软件自身的建模功能进行修改达到设计要求，最后根据ug工程图功能得到带有标注尺寸要求的工程设计图。
6结束语
参数化工序数模和工装设计系统推行了三维工序数模驱动的工艺工装并行设计的先进模式，打破了传统的串行工作模式；并且可以将设计者的创新知识、实践经验、规范、准则保存，再利用。基于pdm环境下的叶片类零件工装设计系统的实现，基本上解决了目前企业工装设计周期长，设计文档管理混乱等问题，减少了设计错误和工装返工率，提高了工装设计质量。同时，建立了工装实例库，不仅易于用户使用，也易于扩充新的工装实例。通过在国内某大型航空发动机公司进行应用，大大提高了叶片类零件工装设计的效率，缩短了设计时间。