基于PDM的3D-CAPP系统研究与实践 - 文章

基于PDM的3D-CAPP系统研究与实践

作者：华中科技大学杨蒙丁来军

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基于PDM的3D-CAPP系统从3D产品模型入手，以工艺技术为核心，以三维UG/CAD、UG/CAM系统和MPP为工具，以PDM为集成平台，实现产品全过程的信息集成。通过它，企业在以产品结构树(BOM)为核心的数据管理平台上，开展产品设计、工艺优化、数控编程、机床资源管理、现场管理及生产准备管理，建立起设计/制造一体化的快速、柔性的生产体系。

一、CAPP技术与制造业

CAPP技术作为制造业信息化的重要组成部分，是产品制造信息的集成地，也是先进制造系统的重要支撑技术之一。CAPP系统作为产品设计/制造一体化的桥梁，是CAD/CAM系统与PDM、MRP、ERP等其他企业管理软件实现集成的关键，是企业管理信息化的基础。近年来，随着计算机集成制造系统(CIMS)、并行工程(CE)、智能制造系统(IMS)、虚拟制造系统(VMS)、敏捷制造(AM)等先进制造系统的发展，对CAPP技术从应用的广度与深度上，都提出了更高、更新的要求。

在国外，经过十多年的努力，特别是以美国、法国为代表的西方制造厂商，如Boeing、Lockhead、Airbuu等著名公司在工艺与过程管理集成及优化方面，开发和集成了大量的CAPP工程应用软件和制造数据管理软件，建立了各类工程数据库、材料库、设计和制造特征数据库、典型工艺库、典型零件库等，初步解决了产品技术准备阶段的信息集成与共享问题(如CAD/CAPP/CAM集成)，制定了相应的企业标准规范，并成功地应用于新型飞机的研制和型号技术改造中，大大提高了设计质量、缩短了研制周期、降低了开发成本。

在国内，随着信息化的不断深入，制造业企业在CAPP系统开发(自行或联合)、应用方面给予了相当大的投入，CAPP的初步应用已给企业带来了明显效益。在肯定成绩的同时，我们必须清醒认识到大多数CAPP系统还徘徊在填表格和甩图版的工作层面，CAPP在企业信息集成方面还存在较严重的信息“孤岛”问题：其一，不少企业CAD设计和CAM设计是基于3D实体，而在工艺设计方面采用的是基于二维的CAPP系统，3DCAD/CAM与2D CAPP无法实现信息共享；其二，工艺规程中工序间的加工图形信息彼此不相关联；其三，工序中所需要的工装夹具、刀具、量具和机床都采用工艺设计的文字属性进行描述，无法用3D实体的装配形式阐述它们之间的关系。

孤立的CAPP系统常常会产生比CAD数据多十倍、百倍的数据量，且各种工艺信息相互封闭；沟通和反馈基于纸介质，同一数据经常被多次重复输入；制造工程师往往需要花费50%的工作时间用来查找数据；数据信息查询难、利用难。表现为：彼此没有联系、本地存放、很难找到、数据过期、版本不统一、由不同的应用软件生成等等。

在CAD/CAM/PDM之间需要一个完整的解决方案来实现有效的衔接，工艺设计必须为这种有效的衔接架起一座畅通的桥梁，如图1所示。

随着企业对信息化的要求不断升级，对CAPP系统也提出了更高的要求。一方面要求CAPP系统为生产工艺信息流提供更多支持，完善CAPP知识库框架和内容以及构建专家系统，完善工艺决策、企业工艺生产信息交互功能；另一方面要求CAPP系统要与CAD/CAM有共同设计平台和统一的PDM管理平台。Teamcenter Manufacturing Process Planner(简称TCMPP)解决方案，可以提高工艺设计手段，加强工艺设计管理，提高工艺设计水平和设计效率、设计质量，缩短工艺设计和准备周期，最终达到缩短产品研制周期和生产周期的目的。

二、3D-CAPP的解决方案

3D-CAPP系统作为制造工艺管理的解决方案不是将一些零散的应用程序进行简单的罗列，而是基于一个有效的3D数字模型进行集中的管理、协同和互操作。即以产品数据管理为平台将产品、工艺、工厂和资源进行有效的关联，同时保证数据信息的一致、有效和重用。这种集成的数据结构，如图2所示，保证了快速、准确、安全地存取制造信息，同时为制造工艺提供了可视化，分析和优化的手段。制造工艺管理解决方案的一个最终目标是保证使用者以一个有效和及时的方式准确地对制造工艺进行创建，验证和沟通。

生产管理的信息结构复杂，基本上是围绕着以下几个方面的信息：
1)产品加工的几何信息和产品技术要求；
2)对刀具、工装、夹具等制造资源的定义；
3)产品的需求数量和产品的技术状态等；
4)制造过程计划。

在产品加工过程中，以信息技术为支撑，以工艺技术为核心，以三维UG/CAD、UG/CAM系统和PDM作为实施平台，基于同一产品数据源，实现设计BOM向制造BOM平滑过渡，实现加工过程中的资源、项目和时间的合理配置。如图3所示，将工艺设计延伸到生产管理的全过程。

三、基于PDM的3D-CAPP系统

CAPP不仅是制造技术的重要组成，而且在产品生命周期管理中也具有重要地位。3D-CAPP的系统整体架构是一个将产品、工厂、工艺和资源通过相互指定关系而构成的一个关系模型。如图4所示，四者之间相互关联，共同在PDM信息平台上进行协调设计与管理。基于PDM的3D-CAPP系统可以确保不同的人员同时在一个系统中协同的工作，而且保证了数据的统一，产品数据从设计定义到最终投放生产顺畅运行。

工艺员可以在统一界面、统一数据库中并行作业。协同完成产品数据接收、流水分配、工艺编制、工艺会签、工装申请和工装设计等几乎所有生产准备的技术工作，如图5所示。

工艺编制可以直接参考产品的3D模型；随时进入UG界面进行工序图的定义和抽取；及时查找资源库中所需信息；与UG/CAM双向相关：刀具、夹具的信息带入CAM中参与编程，CAM编好的ＮC加工程序返回CAPP中管理，如图６所示。

针对数控工艺的编制尤其显得方便、快捷，只要在零件的工艺过程中编制了数控工序，再进入到UG/CAM中，系统就将显示与所编制零件的相关工艺，同时与工艺相关的所有数控工序就以树状展开，用户可以找到需要编程的工序，选择这个工序系统将提示使用何种模板，选择相应的模板后，就可进入到UG/CAM中，模板中相应的工装、夹具的三维模型及相互的装配关系都将带入UG/CAM；同时，由CAM产生的中间结果同样也能保存系统中，在下一工序中继续进行装配引用。通过反复迭代和不同加工方法去除多余材料，完成工序规定的加工内容。在工艺设计过程中，系统提供一套加工过程相一致的3D几何编辑工具，确保工序之间信息关联。在同一数据下进行程序编制的过程中所使用的刀具均为数据库中的刀具，完成程序的编制后执行保存，系统就会将所编制的ＮC程序和车间工艺文档自动保存在PDM中。工装设备、数控程序与工艺的关联性，以及工艺设计与其它软件模块的高度集成性，极大地提高了制造技术的整体提升。装配模拟和刀轨的切削仿真，不仅可以及早验证数据的正确性，而且可以生成动画或图片，作为工艺文件内容更直观地指导车间生产。

四、3D-CAPP应用实例

图７所示的喷水泵叶轮是某船用喷水推进系统中最为关键的一种零件，它的制造质量将直接影响到推进系统的出力、效率、运行稳定性、机组寿命和制造成本。研制高性能的船用推进系统对船舶的发展起着重要作用。从提供的叶轮图纸上看，叶轮由轮毂、4个诱导叶片、4个局部叶片、1６个工作叶片组成，是一种轴流与离心组合在一起的三元叶轮，材料为钛合金ＺTA5。叶轮轮毂高32６mm，最小直径Φ1８８mm，最大Φ440．1８mm；诱导叶片最大宽度120mm，最薄0．2mm，最厚22mm；局部叶片最大宽度９0mm，最薄0．７mm，最厚142mm；工作叶片最大宽度3６mm，最薄1．７mm。全部叶片的叶面和叶背及轮毂均要求数控加工，叶片曲面轮廓度要求不超过±0．2mm，叶片型值公差：高度值不超过±0．3mm、其他尺寸不超过±0．5mm。

喷水泵叶轮要求整体加工，也就是说不仅要加工全部叶片的叶面和叶背，还要加工轮毂。传统加工方法是利用样板，手工打磨。过去主要采用毛坯锻造(或毛坯铸造)、车削轮毂、叶片仿形铣(或靠模铣)、叶片与轮毂焊接等工艺。这一工艺过程不能保证螺旋桨及叶轮的高精度和高强度等要求。

图9 平台下3D CAPP 的叶轮工艺设计

随着计算机技术的高速发展，计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助制造(CAM)、计算机辅助工艺(CAPP)技术都有了迅速发展，CAD/CAPP/CAM一体化技术也日趋成熟。这都使得数控机床在船用机械制造业的应用日益广泛和深入。基于PDM平台的CAD/CAPP/CAM在整体叶轮加工过程中越发显现出生命力。图８所示喷水叶轮的3D数字模型，二维设计变成了三维实体模拟，并且不再使用绘图笔而换成CAD/CAM软件。如图９所示，在PDM平台下，可以非常容易地实现由设计BOM向制造BOM的过渡。叶轮设计采用UG/CAD三维实体建模，在3DCAPP环境下进行工艺设计，工序加工内容、工序的毛坯状态、加工后的状态、所需要的工装及刀具采用了3D描述。在数控加工工序中可以最大限度地利用设计资源和前工序的资源。基本实现了在PDM平台下，CAPP工序之间的相互关联，同时也实现了CAD/CAPP/CAM/ERP的信息关联。

在整体叶轮加工过程中，采用3D的同一模型的CAD/CAPP/CAM过程，可以很好的协调设计、工艺和加工三者关系。其产品质量可以得到充分保证，整体叶轮加工后经检验，叶轮尺寸符合图纸要求，轮廓度控制0．2mm以内，通过装船试用，推力比波音公司提供的叶轮提高了5%。为解决制造难题提供了全数字化的解决方案。

五、大力推进3D-CAPP的应用

近年来，CAPP的应用范围已逐步扩大到各种专业的工艺过程设计，乃至企业在产品设计制造过程各个层次、各个阶段的工艺文件生成和工艺信息管理中。

目前，传统的CAPP系统正向工艺设计与信息管理一体化的现代CAPP系统，即制造工艺信息系统发展。CAPP采用3D设计技术，增加了产品的可读性和一致性，减少了理解图纸的时间；现代CAPP系统中不仅包含方便的工艺规程编制功能，更包含对企业制造工艺信息及工艺工作流进行快速有效的规范化管理；实现并行工作，可以及早审查产品工艺性；统一操作平台，共享数据库，所有工作人员可以方便地在本地计算机与数据库存取信息，实现协同工作；彻底解决了数据多处存放，数据不一致，数据不关联的难题。数字化制造技术的应用极大地改善了传统的工作模式，提高了生产效率，保证了产品质量，节省了制造成本。

现代CAPP系统是以数据库为基础开发的，数据库的规范化将直接影响到CAPP系统的效率、准确性和通用性。CAPP工艺数据库的创建要求内容统一、协调、规范，以保证数据转换的流畅、准确、唯一。CAPP工艺数据库的管理要求对数据库的传递、维护、更新和修改等操作规范化，以保证工艺数据库内容的稳定性、及时性、继承性。制造资源库的建立，支持计划采购、工艺设计、生产调度、车间操作、成本核算各部门都可以及时在数据库中记录和查找所需信息，可以建立和管理典型工艺模板，提高工艺设计速度和标准化程度，实现企业的知识管理与知识重用。
(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (12/23/2004)


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