吳昊，張建鋒，包鵬，劉煜

杭州汽輪機股份有限公司 浙江杭州 310022

1 序言

智能制造是未來制造業(yè)的發(fā)展方向，其主要特點是數(shù)字化、信息化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化。數(shù)字化設(shè)計與制造是智能制造的核心技術(shù)，是搭建工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺的關(guān)鍵。因此不管是零部件產(chǎn)品還是工裝，模型的三維數(shù)字化都將成為趨勢。與傳統(tǒng)的二維紙質(zhì)工裝相比，三維工裝具有如下優(yōu)點。

1）以可視化的形式直接呈現(xiàn)模型的尺寸、結(jié)構(gòu)、幾何公差和加工面等，減少了加工者的圖樣閱讀時間。

2）工裝設(shè)計后都需進行強度校核，與帶入一些計算公式相比，三維工裝可直接應(yīng)用有限元軟件分析，大大節(jié)約校核時間，且保證了校核的準確性。

3）未來數(shù)控機床將會普及，傳統(tǒng)的普通機床加工方式將會被數(shù)控加工所替代，有了三維模型即可用專業(yè)的三維編程軟件進行數(shù)控編程，極大地減少了手動編程的時間。

4）數(shù)控程序在實際使用前需進行仿真驗證，驗證時帶入實際所使用的工裝，更能確保程序的安全可靠性，避免實際加工時出現(xiàn)干涉或者刀具與工裝、機床的碰撞問題。

5）將三維零件模型與工裝模型進行裝配，可驗證工裝的可使用性，避免干涉。

工業(yè)汽輪機的非標定制會導(dǎo)致加工或者裝配汽輪機各零部件時所用到的工裝種類繁多，例如有內(nèi)外缸水壓試驗工具、液壓套裝工具、動平衡連接法蘭及試車法蘭等，大多數(shù)情況下都需要重新設(shè)計相應(yīng)的工裝。本文主要以某一類工裝為例介紹杭州汽輪機廠基于PLM系統(tǒng)的三維工裝參數(shù)化設(shè)計與應(yīng)用的過程。

2 三維工裝參數(shù)化設(shè)計

2.1 創(chuàng)建三維工裝及參數(shù)化模板

動平衡連接法蘭是轉(zhuǎn)子動平衡試驗時連接動平衡機與轉(zhuǎn)子的專用工裝，針對不同轉(zhuǎn)子，都需重新設(shè)計法蘭。因為與動平衡機相連的結(jié)構(gòu)固定，故只需設(shè)計與轉(zhuǎn)子相連部分的結(jié)構(gòu)，且每個工裝的大多數(shù)尺寸是固定的，只改變了若干個特征尺寸，例如外圓、內(nèi)孔孔徑、連接孔的個數(shù)和大小等。若是每個工裝都重新建模、出工程圖，將費時費力，所以創(chuàng)建一個三維工裝的參數(shù)化模板可提高模型的設(shè)計效率。

首先以某一個已有動平衡連接法蘭為基礎(chǔ)利用SolidWorks創(chuàng)建三維模型，然后建立參數(shù)化數(shù)據(jù)表。其中，參數(shù)化數(shù)據(jù)表由Excel表建立，表中各參數(shù)已與三維模型對應(yīng)尺寸相鏈接，且表中含有工裝物號、需變化的參數(shù)及相對應(yīng)參數(shù)的圖示說明。

2.2 創(chuàng)建有限元分析模板

工裝設(shè)計后進行強度校核，啟動SolidWorks Simulation，設(shè)置動平衡連接法蘭材料、夾具、轉(zhuǎn)矩后，劃分網(wǎng)格進行靜力學(xué)分析。分析后得到圖1所示結(jié)果并保存。當參數(shù)表中輸入新數(shù)據(jù)后將重新生成新的三維模型，刷新模型后，有限元分析會自動生成新工裝的校核結(jié)果，以校核結(jié)果來判斷工裝設(shè)計的可行性，必要時返回參數(shù)表更改某些尺寸。

圖1 動平衡連接法蘭靜力學(xué)分析模板

2.3 創(chuàng)建三維標注模板

三維工裝校核通過后需進行三維標注，三維標注的存在可降低加工者的識圖時間。

三維標注一般有兩種方法，一種是利用SolidWorks MBD插件進行標注，另一種是直接顯示模型的特征尺寸。使用一種方法往往不能達到完全標注的效果，所以通常需要兩種方法相結(jié)合。與有限元模板一樣，三維標注結(jié)果也可隨著模型的改變而自動更改。

2.4 創(chuàng)建二維工程圖模板

目前三維標注還未普及，車間仍需二維CAD圖樣，在SolidWorks中根據(jù)公司企標創(chuàng)建二維CAD圖樣樣式。二維工程圖模板中材料、質(zhì)量、零件名稱、物號及制圖時間與三維模型各屬性鏈接，圖樣上標好第一個三維模型的所有尺寸，并保存。當生成新的三維模型后，工程圖中模型尺寸以及上述的材料、質(zhì)量等屬性都會相應(yīng)更改。因為沒有進行軟件的二次開發(fā)，所以圖樣生成時會存在一定的尺寸錯位，需手動微調(diào)。

2.5 創(chuàng)建數(shù)控編程模板

工裝結(jié)構(gòu)確定后，下一步在加工前創(chuàng)建數(shù)控編程模板。目前市場上較流行的數(shù)控編程軟件主要有Mastercam、SolidCAM、UG和PowerMILL等。為了避免在不同模型之間轉(zhuǎn)換時特征的缺失，采用了在SolidWorks軟件上安裝Mastercam for SolidWorks插件的方式，利用插件創(chuàng)建動平衡連接法蘭的數(shù)控編程模板，部分編制過程如圖2所示。至此，三維工裝及所有的參數(shù)化模板建立完畢。

圖2 創(chuàng)建數(shù)控編程模板示意

3 三維工裝的應(yīng)用

制造業(yè)企業(yè)實現(xiàn)智能制造通常需要基于三大系統(tǒng)，即PLM系統(tǒng)、ERP系統(tǒng)和MES系統(tǒng)。PLM系統(tǒng)可實現(xiàn)各部門之間對零部件、圖樣、程序和任務(wù)等信息的傳遞。早在幾年前杭州汽輪機廠已引進PTC公司的Windchill系統(tǒng)代替原有的PDM系統(tǒng)。使用Windchill系統(tǒng)后工作效率有了明顯的提高。

目前工藝部門已創(chuàng)建了動平衡連接法蘭、內(nèi)外缸水壓試驗工具、液壓套裝工具和鏜孔模板等工裝模板，并把這些模板上傳到了PLM系統(tǒng)中。當工藝人員需要重新設(shè)計工裝時，只需在SolidWorks軟件中打開三維工裝參數(shù)化模板，輸入所需的新參數(shù)，驗證有限元分析結(jié)果后，刷新生成三維標注模型、數(shù)控程序及二維工程圖樣即可。其中二維工程圖樣另存為pdf版本，含三維標注的三維模型保存為3D.pdf版本。然后將程序、二維圖樣、三維圖樣按圖3所示流程上傳到PLM系統(tǒng)中，簽審批準后，入庫到PLM中，各部門即可進行圖樣、程序的傳閱和使用，減少圖樣的傳遞時間。

圖3 PLM系統(tǒng)中上傳流程示意

4 結(jié)束語

基于PLM系統(tǒng)的三維工裝參數(shù)化設(shè)計及應(yīng)用可提高從設(shè)計到工藝再到生產(chǎn)制造的工作效率，降低生產(chǎn)成本，為公司帶來極大的經(jīng)濟效益，也是順應(yīng)智能制造的趨勢所在。