三维工艺设计系统集成应用

2019-08-26 版权声明 举报文章

沈阳黎明航空发动机(集团)有限责任公司作为引领航空发动机制造为使命的总装制造集成企业,企业的信息化、数字化水平成为其自身不断发展的关键。经过“十一五”期间的发展,信息化建设取得了较大发展,同时,新型号研制也由传统二维研制向三维研制过渡,这些对三维工艺设计工具以及与现有PDM系统集成提出了更高的要求。

三维工艺设计工具与PDM集成主要包括以下几个方面:上游设计数据的引用与调用;制造资源数据的获取;三维工艺规程生效与。

针对上述集成及需求,我们自主开发了面向航空发动机的三维工艺设计系统,从而改变了传统二维表格化工艺设计管理方式:采用工艺数据结构化处理技术和面向企业数据集成的接口技术,最终实现了三维工艺设计系统与企业PDM系统的集成及应用。

一、国内外工艺设计系统集成应用现状

国外在先进制造技术的驱动下,已经率先采用数字化制造技术,并且提出虚拟制造的概念。随着数字化制造以及数字化装配技术的发展,国外在先进制造业领域已经走向领先地位,已经把工艺设计工作从模拟量转变为数字量传递,从根本上改变了工艺设计工作的模式,提出三维数字工艺分析的概念。国外大型航空公司利用数字化技术,取得了可观的效益,通过数字化技术,可以真正实现从设计到工艺的并行方案,并且无差错地实现从虚拟装配到物理装配。

例如:HMS-CAPP(美国)主要应用于机加和装配等工艺设计与管理,提高了效率,减少了变更,提高了数据的准确性,实现了指令的无纸化,能有效提高工艺的规划和验证水平;CS/CAPP(美国)可管理工装、NC文件、质量数据、物料、工作指令、图形和多媒体等数据对象。

对国内工艺设计现状进行分析,工艺设计处于产品设计和加工制造的中间环节,它是生产技术准备工作的关键步骤。现在使用的工艺设计软件,虽然部分替代了人的手工劳动,缩短了工艺设计时间,降低了劳动强度,提高了工艺文件的质量,缩短了生产准备周期,但并没有从根本上改变传统的串行工艺设计模式,也没实现产品生命周期管控的终极目标。

国内的工艺设计软件例如:华中科技大学开发的KMCAPP(开目CAPP)具有系统管理、工艺管理、工艺设计、工艺资源管理、工艺规则管理和辅助管理等功能模块,在国内的航天、兵器和船舶等行业具有较广的应用;清华大学开发的TH-CAPP(天河CAPP)是典型的“所见即所得”的卡片式工艺设计系统,实现了卡片与工艺数据分开存储,具有比较强的二次开发能力;Teamcenter MPM(制造工艺,西门子PLM定制的类似CAPP的工艺设计系统)为制造企业在工艺规划、工艺设计和工艺仿真过程中提供一系列结构化、可视化的工具和技术,其核心技术可以分为工艺设计和仿真技术。

1.我司三维工艺设计系统集成应用现状

随着以新一动机为代表的新型号三维设计数据应用不断深入推进,基于三维的数字化工艺协同设计已经成为必然。而作为国内最大的航空发动机产品研制生产单位,黎明发动机现有的工艺设计系统已经远远无法满足当前三维模式下对系统功能的需求。虽然国外已经具备了成熟的三维数字化工艺设计及管理平台,但由于这些系统核心技术封闭、平台实施费用高和国内航空发动机产品工艺管理特殊等问题,必须建立一套能实现三维工艺设计和管理的系统,并与设计制造环节集成,形成三维工艺设计与管理、制造资源及工艺知识管理和工艺设计仿真相集成的环境,满足型号数字化设计制造协同需求,才能解决当前航空发动机领域所面临三维工艺设计无法实施的现状,形成与我国航空地位相匹配的技术能力。

由于新型号研制周期的不断缩短,老型号批产任务不断增多,对工艺人员的快速响应能力要求越来越高。通过多年的发展,航空发动机产品的工艺人员已经积累了相当丰富的工艺设计知识和制造资源数据,但这些宝贵的工艺知识和制造资源数据无法得到有效、合理的保存及利用,不利于企业快速查找和重用,制约了航空产品制造技术进一步提升。为此,如何实现PDM系统内制造资源和工艺知识在三维工艺设计过程中应用也成为必须解决的问题。只有在三维工艺设计全程中实现对已有工艺知识的快速查找和引用,才能解决上述问题。

2.我司现有工艺设计系统与PDM集成存在的问题

综合国内外CAPP的应用情况来看,CAPP暂时都不能有效解决面向企业信息集成应用问题。随着计算机集成制造技术在企业中的广泛应用,工艺设计不再是一个单独的信息系统,如何与企业应用的其他系统相集成,实现整个企业整个产品全生命周期信息的集成管理是现有商业工艺设计系统无法实现的。

目前,三维工艺设计系统集成应用中存在的问题主要如下。

(1)原有的PDM系统主要面向传统二维设计和工艺数据进行管理,面对现在的三维设计数据,其都无法满足添加三维工艺模型和工装夹具等模型的需求。

(2)缺乏完整的工艺信息管理和知识共享,三维工艺设计系统无法直接获取PDM系统中的各类资源信息数据。

(3)在PDM系统内无法实现三维工艺的创建、更改、审批和发放。

二、三维工艺设计系统与PDM系统集成技术

产品的工艺设计是制造业中最为重要的部分,特别是产品开发的早期阶段更是起着决定性作用,而对数字化制造而言,协同产品开发是其最为重要的一环。许多企业己通过多种集成技术改善了生产条件,获得了显著的经济效益,所以三维工艺设计系统与公司现有的PDM系统集成应用是实现三维工艺设计在企业中成功应用的重要环节,只有实现系统间的有效集成才能将三维工艺应用于实际的规模生产。

我们采用的集成方法主要是利用公司现有PDM系统功能对三维工艺数据集进行管理,以实现PDM系统基本的审批发放功能。具体地,通过对PDM系统客户端和服务端进行二次开发,实现三维工艺的创建和遍历,并通过对三维工艺设计系统的开发,实现三维工艺的设计。由此,形成了三维工艺集成应用能力,实现了三维工艺的制造应用和实施。

1.总体技术方案

我们自主开发的三维工艺设计系统基于西门子NX系统,在此基础上采用C#开发语言,利用VS2010开发工具,综合应用诸如XML和ITK等技术,针对目前市面上工艺设计系统不能解决的从三维到工艺、三维到制造的问题,重点实现三维工艺设计能力。另外,由于我公司采用西门子TeamCenter PDM产品为底层平台,因此在其基础上采用java进行二次开发,构建了一套适应航空发动机制造企业的工艺管理平台,突破和解决了系统开发过程中的相关核心技术,较好地解决了现代企业对工艺设计系统不断变化的难题。

我们自主开发的三维工艺设计系统实现了结构化的数据与PDM系统的集成。三维工艺设计环境总体采用传统的三层框架,分为数据库层、业务逻辑层和带有系统功能的界面层。集成总框架如图1所示。

图1 系统总框架

2.集成环境组成

集成后三维工艺设计环境由UI层、业务逻辑层和数据层三部分组成。

(1)系统用户访问层是UI层,即统一用户界面层,不同的用户角色如工艺员、型号主管、系统管理员和流程审批人员通过UI层进行业务处理。UI层包括:工艺设计和系统管理等模块。

(2)系统的中间层是业务逻辑层,该层主要包括系统应用组件、系统核心组件和自定义开发组件等几个部分。系统应用组件主要根据业务需求进行数据和逻辑运算,比如,实现工艺规程的编制、审批、归档和更改等管理。系统核心组件包括了对象定制、用户管理、系统权限控制、业务流程审批及集成接口等。自定义开发组件主要为不断变化的企业应用提供定制功能。这些组件构成了这个平台的基础。

(3)系统底层是数据层,包括系统数据库、实时数据库和归档数据库,为业务逻辑层提供统一数据接口。工艺设计系统通过与PDM平台集成实现工艺数据的获取,系统除拥有内置流程管理模块外,还具备与企业其他业务流程平台的集成能力,同时系统还能为生产制造相关系统提供数据支撑,提供完全结构化的数据。

根据我公司信息化系统建设的要求,为实现众多系统间数据接口的统一以及数据流向的规范,所有制造数据都是以PDM为唯一源头输出。

3.系统集成

集成后的三维工艺设计系统通过梳理现有业务系统,抽取业务流程、数据及当前业务系统功能等信息,实现了企业内各业务系统的集成:工艺设计系统与业务流程、PDM实现双向集成,与ERP和质量管理系统等实现单向数据传递。系统间集成框架如图2所示。

图2 系统间集成框架

(1)系统集成后的工作流程由工艺员在Teamcenter下自行创建机加工艺结构树,即在工艺节点下创建多个工序节点,并填写工艺与工序的相关文本,与现有工艺管理模式保持一致。其中,机加工艺节点下有UGMaster,其中存放的是工艺的设计模型,由此启动NX Manager。

(2)新建工艺。①由用户在Teamcenter中创建出完整的工艺结构树(包括总工艺、机加工艺、工序、工步及子工步)(图3)。②用户双击机加工艺节点【附件】下的UGMASTER启

动NX Manager,然后点击NX Manager菜单栏上的【工艺辅助设计系统】,系统将启动三维工艺设计系统。③按Teamcenter中的工艺树结构在NX Manager装配导航器上生成一个相同结构的装配树,且每个组件节点模型中为空(图4)。④读取装配树上的节点信息,包括工序号、ID、版本、工序名称和节点类型,通过判断属性”DB_PART_TYPE”=”MEProcess”在三维工艺设计系统中选择“工艺模型”面板,对应生成工艺三维模型树(图5)。⑤在不修改工艺结构树的情况下,在三维工艺设计系统中建立三维工序模型、利用三维工艺设计系统所提供的工具维护WAVE关系(图6)。⑥在三维工艺设计系统新建余量图或辅助模型的步骤为:在三维工艺设计系统中的【辅助模型】节点上右击选择【新建辅助模型】,或者在【余量图】节点上右击选择【新建余量图】,则系统会弹出如图7所示的对话框,用户可指派ID编号和版本号,并给出零件组名(节点名称)为“辅助模型+XXX”或者“余量图+XXX”的格式,在NX Manager装配树上新加一个对应的节点,节点模型为空,如图8所示;与此同时,将新加的节点映射到三维工艺设计系统的模型树上,接下来进行导入等其他编辑操作,如图9所示。⑦模型编辑完成后,点击三维工艺设计系统提供的保存按钮,将工艺保存到Teamcenter上。⑧在Teamcenter上生成与工序同级的节点,如图10所示。配置NX Manager用户默认设置,保存三维模型时自动生成JT。具体操作过程(该过程每台计算机只需在初次使用时设置)为:选择菜单栏上的【文件】【实用工具】【用户默认设置】,系统会弹出如图11所示的对话框,用户只需在对话框左侧的树上选择“JT文件”,然后在右侧的【导出选项】下“保存JT数据”前面的方框打勾,系统在保存prt文件的时候将自动生成JT文件并上传到Teamcenter保存,与UGMASTER平级存放(图11、图12和图13)。

( 3 ) 在Teamcenter中编辑三维工艺。① 用户在Teamcenter上选中所要编辑的工艺并发送到制造工艺规划器。②双击机加工艺节点【附件】下的UGMASTER启动NX Manager,然后点击NX Manager菜单栏上的【工艺辅助设计系统】。③按Teamcenter中的工艺树结构在NX Manager装配导航器上生成一个相同结构的装配树,每个组件节点模型为该工序的模型(图14)。④读取装配树上的节点信息,包括工序号(CALLOUT)、ID(DB_PART_NO)、

版本(DB_PART_REV)、工序名称(DB_PART_NAME)和节点类型(DB_PART_TYPE),通过判断属性”DB_PART_TYPE”=”MEProcess”在三维工艺设计系统中选择“工艺模型”面板,此时需要TC二次开发将Model.xml从Teamcenter端下载到本地, 对应生成工艺三维模型树, 如图1 5 所示。⑤在不修改工艺结构树的情况下,在三维工艺设计系统中建立或修改三维工序模型、利用三维工艺设计系统所提供的工具维护WAVE关系(图16)。⑥在三维工艺设计系统新建余量图和辅助模型,对应在NX Manager装配树、三维2014年第1~2期

35工艺设计系统模型树、Teamcenter工艺树的更新与新建工艺时完全相同。⑦在完成模型编辑之后点击三维工艺设计系统提供的保存按钮,将工艺保存到Teamcenter端。此时需要调用Teamcenter二次开发程序将Model.xml同步上传到Teamcenter。

图14 装配树

图15 三维模型树

图16 WAVE关系示意图

(4)在Teamcenter中对工艺结构树进行更改。在Teamcenter端对工序、工步的信息进行修改不会影响系统对模型的操作,只有涉及到工序的移除时,会将对应的工序模型移除。再次在三维工艺设计系统中打开该工艺时,涉及到在Teamcenter端移除的工序模型的WAVE链会被断开,三维工艺设计系统负责更新WAVE关系。

(5)操作。经过PDM系统审签后,最终可生成自动签字的三维工艺规程,模型数据是以三维形式和浏览。

(6)升版操作。Teamcenter端对机加工艺的升版操作不影响三维工艺设计系统对模型的编辑。

三、三维工艺设计系统应用

1.工艺设计系统的研发

2008年,我司正式启动工艺设计系统建设项目。为了与现有企业标准相对一致,我们首先对系统中的所有表格进行了定制,对其中的表格样式进行了详细分析,逐步形成了面向结构化工艺的数据模型,并在此基础上开展系统的详细设计,主要解决了系统结构化建模、标注符号处理、模型关联和二维/三维工艺文件生成等问题。2009年底,我们形成了工艺设计系统的第一个现场应用版本。

2.工艺设计系统与PDM系统的集成应用

2010年,经过公司范围内的应用,又逐步提出了标准化数据接口和PDM系统集成等问题。目前该系统已在公司内进行测试应用,真正解决了三维设计数据发放后的三维工艺设计与管理的基础要求,使PDM系统的功能得到延伸,为企业的数字化技术的深入应用提供了良好的实施平台。

四、工作中的思考

(1)系统集成方法与企业相关管理规定间存在一种联系,也就是说每家企业的工艺管理规定和标准是影响系统集成成功的主要因素。任何系统间的集成从技术角度来讲都是集中在功能上体现的,而管理和习惯往往阻碍了信息化系统的应用,这也是我国大多数企业在信息化建设上投入大量精力而不容易在短时间内见到成效的原因。因此,可以将系统功能与企业规范和制度融和完善的过程视为一项系统工程。

(2)国内许多企业在做功能开发和集成开发的过程中都会经历基础环境升级和升版过程,例如,NX、CATIA和Teamcenter PDM升级等。频繁的升级对于针对基础环境进行二次开发的功能模块来说无疑是一场恶梦。所谓的二次开发就是在现有的软件上进行定制、修改和功能扩展,最终实现需要的功能定制。简单地说,就是软件系统不具备我们企业所需要的功能时,就要通过二次开发来实现,二次开发后的功能是企业真正所需要的,而不断地基础环境升级将会使原本已具有适应性的开发功能失效,对于这种开发后短时效性的应用就是一种资源的浪费,企业所面临的此类问题应该已不计其数了。

五、结语

通过对三维工艺设计系统的集成应用,可以实现PDM系统对三维工艺数据管理的需求,以及对模型进行交互操作的功能;能够解决三维工艺设计系统无法直接获取PDM系统中各类资源信息数据的问题;成功地在PDM系统内进行了三维工艺的创建、更改、审批以及发放一系列操作并应用于实际生产,由此形成与我国航空地位相匹配的三维工艺设计技术能力。

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