基於MBD的三維工藝在機匣產品製造中的應用研究*

駱 強1
，熊吉健2

（1.武漢開目信息技術股份有限公司
，武漢 430000
；2.中國航發成都發動機有限公司

，成都 610503）

　　[摘要]  航空發動機機匣產品的結構複雜、zhizaojingdugao，chanpinjiagongnanduhenda。weiletigaohangkongfadongjijixiachanpindegongyishejixiaolvhezhiliang

，fenxilejixialingjiansanweigongyishejixuyaojiejuedewenti
，yanjiulesanweigongyishejidefangfa，binggoujianlejixialingjiansanweigongyishejijishuluxian。tongguomoujixiachanpinyanzhenglesanweigongyijishudekexingxing，weisanweigongyizaihangkongfadongjideyingyongtuiguangdaxialejianshidejichu。

　　關鍵詞： 機匣工藝；MBD；三維工藝；特征識別；知識推理；工序模型

　　航空發動機機匣產品的結構複雜
、製造精度高，產品加工難度很大。目前企業工藝人員在進行工藝設計時主要還是通過經驗在大腦中形成，缺少對三維CAD模mo型xing的de有you效xiao利li用yong與yu支zhi持chi


，計ji算suan機ji對dui工gong藝yi性xing分fen析xi以yi及ji對dui加jia工gong工gong藝yi規gui劃hua的de輔fu助zhu支zhi持chi比bi較jiao欠qian缺que，工gong藝yi的de可ke行xing性xing很hen大da程cheng度du取qu決jue於yu工gong藝yi人ren員yuan的de個ge人ren經jing驗yan，另ling外wai為wei了le進jin行xingCAM 設she計ji，工gong藝yi人ren員yuan需xu要yao將jiang每mei道dao工gong序xu的de三san維wei模mo型xing設she計ji出chu來lai，導dao致zhi工gong藝yi設she計ji對dui工gong藝yi人ren員yuan的de要yao求qiu非fei常chang高gao，並bing且qie工gong作zuo量liang巨ju大da。因yin此ci發fa展zhan和he應ying用yong智zhi能neng三san維wei工gong藝yi技ji術shu是shi航hang空kong發fa動dong機ji機ji匣xia產chan品pin工gong藝yi設she計ji的de迫po切qie需xu求qiu。

　　1 機匣產品對三維工藝技術的需求

　　1.1  三維工藝國內外發展現狀及主要存在問題

　　美國是最早應用三維數字化技術的國家。基於模型的定義（Model based definition
，MBD），是美國機械工程師協會及波音公司等經過10 多年的基礎研究，並在波音787 飛機上正式全麵推行的新一代產品定義方法。在基於 MBD 技術的產品設計中，用一個集成的三維數字化實體模型完整地表達產品信息，即將製造信息和設計信息（三維尺寸標注及各種製造信息和產品結構信息）共同定義到產品的三維數字化模型中[1]。隨著三維數字化設計軟件技術和計算機技術的進步，特別是產品采用 MBD 設計後，為製造工藝係統全麵采用三維數字化工藝設計提供了數據和技術保障[2]。

　　國內部分企業逐步應用三維數字化工藝技術，如梟龍飛機和ARJ21 飛機機頭的製造過程中
，結合數字化製造技術的發展方向進行了部分三維工藝規劃的試點應用[3]。

　　但(dan)是(shi)目(mu)前(qian)國(guo)內(nei)外(wai)發(fa)展(zhan)三(san)維(wei)數(shu)字(zi)化(hua)工(gong)藝(yi)設(she)計(ji)技(ji)術(shu)仍(reng)然(ran)存(cun)在(zai)一(yi)些(xie)問(wen)題(ti)，首(shou)先(xian)是(shi)三(san)維(wei)工(gong)序(xu)模(mo)型(xing)構(gou)建(jian)效(xiao)率(lv)不(bu)高(gao)，雖(sui)然(ran)已(yi)有(you)一(yi)些(xie)輔(fu)助(zhu)手(shou)段(duan)進(jin)行(xing)工(gong)序(xu)模(mo)型(xing)構(gou)建(jian)，如(ru)通(tong)過(guo)同(tong)步(bu)建(jian)模(mo)手(shou)段(duan)按(an)照(zhao)逆(ni)向(xiang)加(jia)工(gong)工(gong)藝(yi)流(liu)程(cheng)的(de)過(guo)程(cheng)依(yi)次(ci)建(jian)立(li)三(san)維(wei)工(gong)序(xu)模(mo)型(xing)[4]，或者基於UG/WAVE 的產品參數化建模[5]等deng技ji術shu手shou段duan能neng夠gou提ti高gao工gong序xu模mo型xing的de設she計ji，但dan是shi工gong序xu模mo型xing的de自zi動dong生sheng成cheng技ji術shu目mu前qian仍reng未wei普pu遍bian應ying用yong，如ru何he自zi動dong生sheng成cheng三san維wei工gong序xu模mo型xing已yi經jing成cheng為wei三san維wei機ji加jia工gong藝yi設she計ji中zhong的de瓶ping頸jing問wen題ti[6]

；其次是沒有基於已積累的工藝知識和經驗進行輔助的工藝設計與規劃
，導致工藝設計效率低且標準化程度不高。

　　1.2  機匣零件特點及加工工藝分析

　　航空發動機是飛機的“心髒”，也是一個國家加工製造技術的重要體現[7]。機匣作為航空發動機上最關鍵、最重要的部件之一，是支撐轉子和固定靜子的重要部件，分布於航空發動機風扇、壓氣機、燃燒室
、渦輪以及排氣係統等部件[8–9]。機匣零件一般為回轉體結構，並通過配置不同的特征（比如凸台、型腔、槽、孔等）來達到不同部位的使用性能。受工作環境的影響，不同部位的機匣采用不同的加工材料[10]。

　　航空發動機機匣零件是航空發動機加工製造的重點也是難點之一，不同的材料
、不(bu)同(tong)的(de)特(te)征(zheng)以(yi)及(ji)不(bu)同(tong)的(de)形(xing)位(wei)公(gong)差(cha)要(yao)求(qiu)都(dou)需(xu)要(yao)采(cai)用(yong)與(yu)之(zhi)匹(pi)配(pei)的(de)加(jia)工(gong)工(gong)藝(yi)，並(bing)且(qie)需(xu)要(yao)有(you)相(xiang)當(dang)的(de)工(gong)程(cheng)實(shi)踐(jian)經(jing)驗(yan)後(hou)才(cai)能(neng)熟(shu)練(lian)應(ying)用(yong)，由(you)於(yu)不(bu)同(tong)技(ji)術(shu)人(ren)員(yuan)工(gong)程(cheng)經(jing)驗(yan)的(de)差(cha)異(yi)造(zao)成(cheng)現(xian)有(you)機(ji)匣(xia)加(jia)工(gong)工(gong)藝(yi)穩(wen)定(ding)性(xing)、成熟性和可靠性不高。

　　為了適應數字化生產條件下的機匣加工工藝需求
，需要利用數字化手段，總結、集成並整合各種類型
、各種特征的加工經驗
，形成可直接調用的機匣加工工藝知識庫，通過數字化的手段確保機匣加工工藝的穩定性、成熟性和可靠性。

　　1.3 機匣零件三維數字化工藝技術需求

　　針對機匣產品的特點以及工藝設計現狀，現有模式存在以下4點需求。

　　（1）更好地繼承和利用機匣的三維設計模型。雖然工藝人員能夠接收設計人員建立的機匣零件三維模型
，但模型及模型上的PMI 標biao注zhu信xin息xi卻que不bu能neng為wei工gong藝yi係xi統tong直zhi接jie使shi用yong，如ru果guo僅jin僅jin作zuo為wei查zha看kan
，而er不bu能neng輔fu助zhu工gong藝yi人ren員yuan進jin行xing工gong藝yi分fen析xi和he決jue策ce
，模mo型xing及ji標biao注zhu本ben身shen的de價jia值zhi則ze大da大da降jiang低di。

　　（2）更好地利用企業已積累的大量機匣零件工藝知識和經驗。企業製訂有各種規範和標準，但是這些知識、經驗、規範和標準均獨立在係統之外，工藝人員需要去查找、tiaoxuan。shiyongfuheyaoqiudeguifanhebiaozhunyeduigongyirenyuandeshejijingyanhezhishitichuyaoqiu。jishizhaodaoheshideziliao，gongyirenyuanhaixuyaofuzhizhantiedaogongyixitongzhongcainengfuyong。quefazhishidejileihefuyongtixilaibaozheng
，qiyedegongyizhishiyoufeichangrongyiliushi
，daozhimouxieshejizhiliangwentizaishengchanguochengzhongfanfuchuxian，yinqizhiliangbodong。

　　（3）實現機匣零件三維工序模型快速構建。目前的設計模式下，需要工藝人員利用3D CAD 建(jian)立(li)機(ji)匣(xia)零(ling)件(jian)的(de)每(mei)道(dao)工(gong)序(xu)的(de)三(san)維(wei)工(gong)序(xu)模(mo)型(xing)，再(zai)將(jiang)工(gong)序(xu)模(mo)型(xing)投(tou)影(ying)成(cheng)工(gong)藝(yi)簡(jian)圖(tu)，不(bu)僅(jin)大(da)幅(fu)度(du)增(zeng)加(jia)了(le)工(gong)藝(yi)人(ren)員(yuan)的(de)工(gong)作(zuo)量(liang)，而(er)且(qie)也(ye)使(shi)得(de)工(gong)藝(yi)人(ren)員(yuan)無(wu)法(fa)將(jiang)關(guan)注(zhu)力(li)集(ji)中(zhong)在(zai)工(gong)藝(yi)本(ben)身(shen)。而(er)當(dang)模(mo)型(xing)發(fa)生(sheng)變(bian)化(hua)時(shi)
，或(huo)者(zhe)工(gong)藝(yi)需(xu)要(yao)調(tiao)整(zheng)時(shi)，重(zhong)建(jian)工(gong)序(xu)模(mo)型(xing)也(ye)使(shi)得(de)工(gong)藝(yi)更(geng)改(gai)的(de)工(gong)作(zuo)量(liang)增(zeng)加(jia)。

　　（4）實現機匣零件工藝三維可視化呈現。企業目前采用工藝卡片的呈現形式，文字加簡圖的表達方式缺乏加工過程的直觀、可視的表達。

　　2  機匣產品三維工藝研究

　　2.1  機匣產品三維數字化工藝設計流程

　　三維數字化工藝設計首先利用特征提取和識別技術分析零件MBD 模型，得到以特征為單位的幾何、gongyixinxi。ranhou，tongguogongyituilihejuecemokuaihuodesuotiqutezheng，shibiejiagongxuyaodeshebeihegongyicanshuxinxi。zaicijichushang
，tongguorenjijiaohubianpaigongyiguochengquedingmeidaogongxujiagongneirong，zaigoujianlingjianmaopimoxing，ranhoujiyumeidaogongxujiagongneirongzhengxiangcongmaopidaolingjianzidongchuangjianmeidaogongxudesanweigongxumoxing

，zuihoutuilimeidaogongxudeshebeijidaojudengjiagongcanshu，congerxingchenglingjiandejiagonggongyiguocheng。shuzihuagongyishejiruanjianjishuluxianrutu1所示。

圖1 三維數字化工藝設計技術路線

Fig.1 Technical route of 3D digital process desig

　　2.2  機匣零件特征識別技術

　　通過特征識別技術可以對機匣零件的MBD 模(mo)型(xing)進(jin)行(xing)特(te)征(zheng)識(shi)別(bie)以(yi)及(ji)信(xin)息(xi)提(ti)取(qu)
，形(xing)成(cheng)加(jia)工(gong)特(te)征(zheng)並(bing)提(ti)取(qu)特(te)征(zheng)的(de)幾(ji)何(he)信(xin)息(xi)以(yi)及(ji)非(fei)幾(ji)何(he)信(xin)息(xi)。特(te)征(zheng)識(shi)別(bie)技(ji)術(shu)基(ji)於(yu)三(san)維(wei)模(mo)型(xing)的(de)幾(ji)何(he)信(xin)息(xi)以(yi)及(ji)幾(ji)何(he)拓(tuo)撲(pu)關(guan)係(xi)進(jin)行(xing)重(zhong)新(xin)融(rong)合(he)並(bing)形(xing)成(cheng)加(jia)工(gong)特(te)征(zheng)
，再(zai)通(tong)過(guo)標(biao)注(zhu)的(de)關(guan)聯(lian)體(ti)轉(zhuan)換(huan)和(he)匹(pi)配(pei)，得(de)到(dao)特(te)征(zheng)的(de)製(zhi)造(zao)信(xin)息(xi)。

　　機匣零件特征主要分為回轉麵係、錐底槽
、側壁
、孔係、平麵
、環槽等類型特征，按照加工方法進行定義

，如圖2 所示。

圖2 機匣零件特征分類

Fig.2 Feature classification of casing parts

　　在加工特征幾何信息識別中，根據幾何體素的拓撲關係
，將一個或多個幾何體素信息合成加工特征；基於三維模型上的PMI 進行提取
，獲取產品製造信息，即非幾何信息，包括尺寸標注、粗糙度標注、幾何精度標注和文本標注等。特征識別結果如圖3 所示。

圖3 錐底槽特征識別

Fig.3 Cone bottom groove feature recognition

　　2.3  基於知識的工藝推理技術

　　針(zhen)對(dui)機(ji)匣(xia)類(lei)型(xing)零(ling)件(jian)，定(ding)義(yi)一(yi)套(tao)加(jia)工(gong)知(zhi)識(shi)庫(ku)，基(ji)於(yu)識(shi)別(bie)的(de)特(te)征(zheng)的(de)幾(ji)何(he)信(xin)息(xi)與(yu)製(zhi)造(zao)信(xin)息(xi)進(jin)行(xing)加(jia)工(gong)方(fang)法(fa)推(tui)理(li)

，推(tui)理(li)出(chu)特(te)征(zheng)的(de)加(jia)工(gong)步(bu)驟(zhou)以(yi)及(ji)餘(yu)量(liang)。如(ru)機(ji)匣(xia)中(zhong)的(de)錐(zhui)底(di)槽(cao)特(te)征(zheng)經(jing)過(guo)知(zhi)識(shi)庫(ku)的(de)推(tui)理(li)得(de)出(chu)的(de)加(jia)工(gong)步(bu)驟(zhou)為(wei)“粗銑—半精銑”，且粗銑的底麵與立麵的餘量為0.5 mm，如圖4所示。

圖4 錐底槽加工方法推理

Fig.4 Reasoning of processing method of tapered bottom groove

　　機匣零件工藝知識庫包括加工工藝知識庫、通用工藝知識庫。加工工藝知識庫，主要分為工藝資源、工藝方法、工藝推理邏輯流程三大類。其中工藝資源為工藝基礎數據，包括材料庫
、刀具庫、設備庫、切削參數庫等；工藝方法包括機加工工藝方法、加工餘量
、熱處理規範等
；工gong藝yi推tui理li邏luo輯ji流liu程cheng用yong於yu對dui特te征zheng加jia工gong方fang法fa以yi及ji機ji匣xia零ling件jian工gong藝yi路lu線xian推tui理li的de邏luo輯ji判pan斷duan。通tong用yong工gong藝yi知zhi識shi庫ku，包bao括kuo典dian型xing機ji匣xia零ling件jian的de工gong藝yi實shi例li，將jiang典dian型xing機ji匣xia零ling件jian的de工gong藝yi實shi例li以yi結jie構gou化hua數shu據ju進jin行xing錄lu入ru，供gong相xiang似si零ling件jian進jin行xing工gong藝yi複fu用yong，提ti高gao工gong藝yi設she計ji效xiao率lv與yu工gong藝yi質zhi量liang。機ji匣xia零ling件jian工gong藝yi知zhi識shi庫ku框kuang架jia如ru圖tu5 所示。

圖5 機匣零件工藝知識庫框架

Fig.5 Process knowledge base framework of casing parts

　　構建一個參數化工藝設計平台來使用工藝知識庫中的加工方法推理邏輯流程
，通過采用參數過程圖技術實現特征工藝知識的表達
、定義、解釋和輸出。定義參數過程圖是工藝知識表達和應用的核心模塊
，其核心功能主要包括參數定義、流程定義、流程解釋等功能
，如圖6 所示。

圖6 參數過程圖知識定義與應用過程示意圖

Fig.6 Schematic diagram of knowledge definition and application process of parameter process diagram

　　把工藝知識用可視化的流程圖的方式表達。流程定義包括流程圖的繪製、流程圖中圖元的屬性確定等工作。簡化的加工方法推理流程判定邏輯如圖7所示。

圖7 特征加工方法推理流程定義

Fig.7 Definition of reasoning process of feature processing method

　　輸(shu)入(ru)工(gong)藝(yi)參(can)數(shu)，通(tong)過(guo)解(jie)釋(shi)工(gong)具(ju)對(dui)工(gong)藝(yi)知(zhi)識(shi)進(jin)行(xing)推(tui)理(li)判(pan)斷(duan)，生(sheng)成(cheng)符(fu)合(he)條(tiao)件(jian)的(de)工(gong)藝(yi)過(guo)程(cheng)和(he)工(gong)藝(yi)內(nei)容(rong)。輸(shu)入(ru)的(de)變(bian)量(liang)取(qu)值(zhi)不(bu)同(tong)，影(ying)響(xiang)決(jue)策(ce)判(pan)斷(duan)的(de)條(tiao)件(jian)
，導(dao)致(zhi)知(zhi)識(shi)推(tui)理(li)的(de)過(guo)程(cheng)可(ke)能(neng)會(hui)發(fa)生(sheng)變(bian)化(hua)。

　　2.4  自動生成工序模型技術

　　首(shou)先(xian)自(zi)動(dong)生(sheng)成(cheng)機(ji)匣(xia)零(ling)件(jian)的(de)毛(mao)坯(pi)。在(zai)定(ding)義(yi)毛(mao)坯(pi)時(shi)
，自(zi)動(dong)計(ji)算(suan)機(ji)匣(xia)零(ling)件(jian)的(de)輪(lun)廓(kuo)線(xian)
，根(gen)據(ju)零(ling)件(jian)的(de)輪(lun)廓(kuo)線(xian)做(zuo)偏(pian)移(yi)自(zi)動(dong)產(chan)生(sheng)毛(mao)坯(pi)的(de)輪(lun)廓(kuo)線(xian)，輪(lun)廓(kuo)線(xian)的(de)每(mei)一(yi)段(duan)可(ke)以(yi)進(jin)行(xing)偏(pian)移(yi)、刪除或者連接等編輯操作，保存後產生圖8 中的黃色線的毛坯輪廓線圖。根據毛坯輪廓線進行旋掃可自動產生機匣零件的毛坯模型。

圖8 機匣零件毛坯輪廓線

Fig.8 Rough outline of casing parts

　　yimaopimoxingweijichu，shijidejiagonggongyiluxianzuocankao，genjutezhengshibiejishutiqudaodetezhengjiheshujuchanshengtezhengdeqiexueti，keyianshijijiagongshunxuzhengxiangzidongshengchengzhongjiangongxumoxing。shengchenggongxumoxingrutu9 所示。

圖9 機匣零件工序模型圖

Fig.9 3D Process model of casing parts

　　2.5  三維工藝呈現技術

　　隨著三維CAD
、可視化技術在製造業企業的推廣應用

，工藝設計手段也逐步地從二維工藝向三維工藝進行轉變

，因此許多企業也逐步應用了3D PDF（圖10）
，將三維模型輸出至3D PDF 格式的工藝卡片中，使用三維模型替代原有二維工程圖。

圖10 3D PDF 工藝卡片

Fig.10 3D PDF process card

　　3  應用實例

　　以一種典型的航空發動機機匣零件為例
，應用機匣產品三維工藝技術實現機匣產品三維數字化工藝設計。整個工藝設計過程以基於NX 二次開發的應用程序實現
，調用工藝知識庫進行加工推理。主要應用步驟如下。

　　（1）通過三維工藝設計軟件對機匣三維模型進行特征識別，提取機匣模型幾何信息以及非幾何信息並形成加工特征集（圖11）。

圖11 部分機匣零件特征集

Fig.11 Model feature of casing parts

　　（2）通tong過guo工gong藝yi推tui理li獲huo得de特te征zheng的de加jia工gong步bu驟zhou與yu餘yu量liang，然ran後hou根gen據ju典dian型xing機ji匣xia工gong藝yi模mo板ban確que定ding機ji匣xia零ling件jian工gong藝yi路lu線xian，自zi動dong構gou建jian三san維wei工gong藝yi模mo型xing

，典dian型xing機ji匣xia零ling件jian加jia工gong過guo程cheng如ru圖tu12 所示。

圖12 典型機匣零件加工過程實例

Fig.12 Examples of machining process of typical casing parts

　　（3）添加一些工藝參數以及中間模型的加工尺寸公差要求從而完成工藝規劃過程
，並輸出3D 工藝卡片形成零件的加工工藝規程。

　　通過三維工藝設計在典型機匣產品的應用驗證，較傳統的二維工藝卡片設計模式效率提升了20%以上，為三維工藝在機匣產品的應用推廣打下了堅實的基礎。

　　4  結論

　　基於MBD 的三維數字化工藝在機匣產品中的應用，以機匣產品為核心，基於MBD 模(mo)型(xing)進(jin)行(xing)製(zhi)造(zao)特(te)征(zheng)識(shi)別(bie)，結(jie)合(he)特(te)征(zheng)參(can)數(shu)與(yu)加(jia)工(gong)方(fang)法(fa)實(shi)現(xian)工(gong)藝(yi)的(de)智(zhi)能(neng)推(tui)理(li)與(yu)規(gui)範(fan)化(hua)設(she)計(ji)，自(zi)動(dong)生(sheng)成(cheng)工(gong)序(xu)模(mo)型(xing)，達(da)到(dao)工(gong)藝(yi)高(gao)質(zhi)量(liang)和(he)高(gao)效(xiao)率(lv)的(de)快(kuai)速(su)設(she)計(ji)。