1 引言
目前在我国航空复杂产品的研制和生产中，以交互式为基础的二维CAPP系统已经取得了广泛的应用，有效的解决了企业工艺文件编制、工艺文件规范及工艺文件管理等问题，极大的提高了工艺人员的工作效率。但是随着企业信息化建设的不断深入，基于二维图形信息进行工艺设计的传统CAPP系统已经不能满足企业工艺设计和管理的要求了。我国的航空制造企业目前越来越多地采用三维CAD进行产品设计，基于三维模型的CAPP理论研究也已经在国内外各大高校及研究所取得了一定成果，但由于各种原因基于三维模型的CAPP系统一直处在学术研究中，并未在工程应用领域得到较好的实际应用，大多数三维CAPP系统依然停留在理论研究阶段。
本文研究开发了支持三维数据的CAPP系统，为二维工艺设计过渡到三维工艺设计打下坚实的基础，对提高我国航空复杂产品的生产能力，降低制造成本，提升工艺设计效率及质量具有重要的现实意义。
2 支持三维数据的航空复杂产品CAPP系统需求分析
2.1 支持三维数据的CAPP系统需求分析
由于航空产品结构复杂、研制技术难度大、周期长并且长时间处在极端恶劣的环境下工作，因此其工艺方法也较为复杂，工艺的编制效率与合理性直接影响着航空复杂产品的可靠性和安全性。目前我国航空制造业信息化水平已经得到了极大的发展，二维CAPP系统已经在各制造企业得到了广泛的应用。但是当产品数字化三维研制过程进行到工艺准备阶段时，却出现了三维数据传递的“断层”。现有的工艺准备过程无法直接利用三维模型信息，仍然采用二维图纸和工艺指令的方式进行；无法保证产品数据、工艺数据的一致性，在新型号的制造过程中，工装设计不合理、工艺设计不合理等问题屡有发生；工艺指令表现方式单一，仅为二维工艺卡片，无法为制造提供直观、精确的指导，影响了产品质量和交货周期。
目前，相关航空制造企业已逐步开展基于MBD的产品协同设计模式，设计评审、发图也逐步基于三维数模进行，传统二维CAPP系统已难以支撑MBD技术的推广应用，因此如何充分利用三维数据进行工艺设计成了问题的关键，如图1所示。利用PDM平台进行数据管理，在CAPP中实现二维工艺和三维工艺的设计及应用。
图1 支持三维数据的航空复杂产品CAPP系统需求
2.2 工艺数据分类
随着以三维模型为基础的数字化设计与制造技术的推广与运用，传统二维CAPP如何充分利用设计部门产生的三维数据已经成为CAD/CAPP集成的关键。
工艺数据是指对产品或零部件进行工艺设计过程中所使用的和所产生的数据。这里，根据数据类型格式将工艺数据分为：二维工艺数据和三维工艺数据。
①二维工艺数据。二维工艺信息是指可以采用属性、信息实体及其关系准确描述的相关工艺数据，这些数据由数字、字符、文字组成，如工序、工步、设备、产品、工艺装备、材料等。二维工艺数据主要体现在工艺卡片上，是指导现场工人加工的依据。
②三维工艺数据。三维工艺数据是指除了二维工艺数据外，总是以整体出现，并且由一个专门的外部程序或者系统来处理的工艺数据，这些信息一般由独特的数据格式组成，并由专门的软件对此种数据格式进行处理。这些数据主要包括三维工序模型、三维装配过程仿真、三维图片、带标注的仿真动画等。
将三维数据融入到传统工艺文件中，不仅为CAPP提供了丰富的信息资源，而且为现场工人提供了更加直观的指导作用。在车间现场建立可视化人机交互系统，将包含三维数据的工艺文件传递到车间，让工人以更加直观的方式了解产品的工艺信息。和以往的工艺形式相比，工人减少了看二维图纸和理解工艺信息的时间，并且在很大程度上消除了异议，提高了工人工作的准确度和效率。
3 支持三维数据的航空复杂产品CAPP系统架构
3.1 支持三维数据的CAPP系统应用背景
本文基于某航空发动机制造企业的实际需求，该企业目前二维CAPP系统已在全厂所有工艺类型推广应用，在工艺设计与管理数字化技术方面取得了很好的效果。但是，随着MBD技术在企业的推广应用，二维CAPP系统如何利用三维数据进行协同工艺设计已经成了该企业急需解决的一个难题。
3.2 支持三维数据的CAPP系统体系架构
支持三维数据的CAPP(Support three-dimensional data-CAPP，S3D-CAPP)系统是在原有二维CAPP系统的基础上，集成PDM、CAD实现工艺设计与应用的，其系统架构如图2所示。此体系架构包括传统二维CAPP(CAPPFramework)、三维CAD(NX7.0)、PDM(Teamcenter)及CAPP现场应用等四部分内容。为使系统能有效集成，系统主要把CAPP所有的业务流程在PDM中实现，CAPP系统仅作为工艺编制工具，成为PDM功能的一部分；另一方面利用三维CAD与仿真软件的设计功能进行零组件模型设计、工序模型创建、装配仿真等内容。通过与三维CAD系统集成，实现在现有工艺规范下，能有效的把三维信息展现出来。
图2 S3D-CAPP系统体系架构
系统的具体内容主要包括CAPP工艺设计、工艺数据管理、现场可视化三个部分。
①CAPP工艺设计：在工艺编制过程中，通过数据关联，将CAPP工艺中的每道工序/工步与三维CAD产生的三维数据相关联，实现每道工序/工步都与模型之间映射关联，形成三维信息在“二维工艺规程”中表达。
②工艺数据管理：作为工艺设计结果，工艺规程由产品数据管理系统负责管理。系统将企业现有的PDM系统作为工艺规程的数据管理环境，为工艺提供了基础的管理平台，对数据实现统一管理。产品工艺数据库负责三维模型、工序模型、工艺文件、动画仿真及模型轻量化的储存与管理。同时将结构化BOM数据与三维产品/零组件模型相关联，实现具有三维模型的结构化BOM数据共享与协同。
③现场可视化：系统为制造现场提供了三维工艺的查询浏览环境，系统通过轻量化技术和采用三维工艺浏览器建立工艺浏览环境，提供对三维工序模型、仿真动画等的显示与交互能力。让工人以更加直观的方式了解产品的几何特征和工艺信息，减少了看二维图纸和理解工艺信息的时间，并且在很大程度上消除了异议，提高了工人工作的准确度和效率。
由此，形成了在二维工艺设计体系环境下工艺设计→工艺数据管理→现场可视化的结构。
4 S3D-CAPP系统开发及应用
结合该航空发动机制造企业的实际情况，建立了面向航空复杂产品的支持三维数据的CAPP系统，S3D-CAPP系统以CAPPFramework/Teamcenter集成环境为系统平台，三维CAD采用NX7.0，实现PDM中设计BOM和三维模型的完全关联，现场可视化采用NX/JT2GO浏览器。这里我们以机加工艺和装配工艺为例：
①在进行机加工艺设计时，需要在NX7.0中进行的主要工作如下：
a.通过采用MBD技术建立统一的三维机加工艺模型，使其成为设计、工艺和制造等部门的唯一数据来源。以NX7.0系统为设计环境，采用WAVE技术（工序/工步模型生成辅助工具），辅助工艺员生成三维工序模型，并对模型进行轻量化处理。
b.三维模型的零件制造信息采用PMI技术进行标注，建立零件制造信息与工序模型之间的关联。通过系统截图工具快速生成三维工序简图，并将所得三维模型与各工序/工步、工序简图相关联。
c.形成的工艺规程包不仅封装了二维机加工艺信息，还封装了三维机加工艺信息，对现场员工起到了明确的指导作用。
②在进行装配工艺设计时，系统除了提供传统CAPP具有的二维交互式工艺设计外，其差别主要在于把零组件模型、三维工装和仿真动画等三维数据放在Teamcenter中进行统一管理，通过二次开发接口可以自动获取三维装配结构信息，通过截图工具可以截取三维装配工序爆炸图。装配工序设计时，通过工序/工步关联的三维信息，可以指定装配工装和工具，进行实体仿真的浏览，仿真过程可以指定为整个装配过程或某一道工序的装配过程。如图3关联装配仿真。
图3 关联仿真模型
③现场可视化：最终形成的工艺规程包不仅封装了二维工艺信息，对于车间现场不支持触摸显示屏的企业，可以打印二维工艺文件供现场工人浏览；同时工艺规程包还封装了三维机加工艺信息，支持现场工人对工序模型、装配仿真及AVI动画等三维信息进行实时浏览，对现场员工起到了清晰明确的指导作用。如图4为采用工艺浏览器浏览工艺文件，图5为浏览具于三维标注信息的工序模型，图6为浏览AVI动画。
图4 浏览工艺文件
图5 浏览三维工序模型
图6 浏览AVI动画
5 结束语
本文通过分析了目前国内航空制造行业CAPP现状、二维工艺设计、三维工艺设计等存在的问题，提出了支持三维数据的航空复杂产品CAPP集成系统。基于CAPPFramework/Teamcenter平台将三维数据有效的融入到传统工艺规程中，有效的解决了二维CAPP系统不能利用三维数据和三维CAPP系统还不成熟的矛盾，满足了现阶段航空制造企业工艺设计的实际需求。目前该系统已在航空企业中得到较好的实际应用，随着应用的深入将充分显示其效果。为将来实现全三维工艺设计和管理打下基础。
核心关注：拓步ERP系统平台是覆盖了众多的业务领域、行业应用，蕴涵了丰富的ERP管理思想，集成了ERP软件业务管理理念，功能涉及供应链、成本、制造、CRM、HR等众多业务领域的管理，全面涵盖了企业关注ERP管理系统的核心领域，是众多中小企业信息化建设首选的ERP管理软件信赖品牌。
转载请注明出处：拓步ERP资讯网http://www.toberp.com/
相关文章
