0 引言

    隨著信息化技術的不斷發展及深入應用，CAD/CAM/CAE/CAPP等數字化單項技術已經在衛星、飛船等航天器產品的研制過程中得到普遍應用，有效地支撐了產品的設計、制造、性能優化、仿真分析等工作。數控加工是航天器產品制造的重要手段，數控編程技術是數控加工中的關鍵環節，也是CAD/CAM/CAPP等數字化技術最能明顯發揮效益的環節之一，傳統的航天器產品數控編程過程由于缺乏統一的數據集成管理平臺，使所涉及的數字化單項技術的應用處于單點、局部的狀態，衍生的技術文件分散在不同的計算機或信息系統中，產生信息孤島，不能形成對數控編程過程規范、有效的管理，進而無法滿足航天器產品對于產品質量與效率的較高要求。

    PLM(Product Lifecycle Management，產品全生命周期管理)將各個CAX信息化孤島集成起來，利用計算機系統控制整個產品的研制過程，通過逐步建立虛擬的產品模型，最終形成完整的產品描述、生產過程描述及過程控制數據。數控編程作為航天器產品研制過程中的一個環節，基于PLM系統的數控編程工作的開展不僅能夠使這一環節的數據與過程進行有效管理及規范控制，同時為其下游環節工作的開展奠定了基礎。本文基于航天器產品數控加工的現狀與特點，對基于Teamcenter系統的數控編程管理進行了探索研究與應用實踐。

1 傳統數控編程管理現狀分析

    數控編程工作包含加工幾何模型建立、走刀路線規劃、刀位軌跡處理等一系列工作，衍生幾何模型、數控程序等大量技術文件。傳統的航天器產品數控編程過程由于缺乏統一的數據集成管理平臺，加工模型、數控程序的創建與編輯由編程人員基于計算機本地環境進行，衍生的技術文件被手動上傳至PDM系統進行審批管理。由于數控編程是一個動態、連續的過程，技術文件在編程過程中會不斷地被修改，傳統的PDM系統雖然具備一定的文件管理功能，但由于僅僅是對結果的記載，無法對文件的生成過程形成有效的記錄，且文件之間的關聯性較差，容易形成信息孤島，為技術文件在下游環節的應用帶了一定的阻礙；同時由于航天器產品的制造具有單件小批量、技術難度大等特點，隨著型號任務的不斷增加衍生的技術文件數量巨大，基于計算機本地環境下用戶目錄管理的方式使文件處于多狀態交織的狀態，嚴重阻礙編程效率與質量的提高。

2 解決方案規劃與實現

    Teamcenter是完全建立在面向服務架構基礎上實現單一平臺架構的PLM系統，具有單一的平臺和單一的數據模型，對制造過程的管理是其向下游制造延伸的最集中體現，可實現對數據、資源、過程等整套制造數據的管理。Teamcenter通過與編程軟件的緊密集成為數控編程搭建有效的管理環境。

    2.1 系統集成與客戶化配置

    2.1.1 集成環境搭建

    航天器產品數控編程采用的犏程軟件為NX，其對Teamcenter具有良好的開放性，兩者通過集成工具NX Manager實現緊密集成。NX Manager是Teamcenter的一個封裝裝置，因此集成環境的搭建通過將NX Manager作為一個功能部件進行安裝的方式實現。集成環境下NX Manager直接工作于Teamcenter的電子倉庫，將文件實體存放在卷內，相關信息存放在數據庫內，通過集合NX的模型文件創建能力與Teamcenter對文件的管控能力實現對數據文件的緊密集成及有效組織管理。

    2.1.2 客戶化配置

    集成環境搭建后應根據航天器產品數控編程業務的實際情況對集成環境進行客戶化配置，主要包括編程模板文件集成、數據對象屬性表單定制、數控程序文本格式擴充、后置處理改造，可通過Teameenter的批處理命令、客戶化業務建模器工具(Business Modeler Integrated Development Environment，BMFDE)等多種渠道實現。

    1)編程模板文件集成

    航天器產品中的大量零件具有部分相同或相似的典型特征結構。可劃分為壁板類、殼體類、環柱類等多個類型，同類零件在數控程序編制的方法上具有相同性或相似性。加工模板時包含預定義的加工參數和加工對象組的NX內部文件，通過制定模板文件可使同類零件的編程經驗得以固化并能減少多次定義參數的重復勞動。在集成環境下，將模扳文件作為UGmaster數據集文件手工導入Teamcenter的模板文件“CAM_Setup_Templates”中，或通過系統的批處理命令“Upgrade_nx_cam_templates-u=用戶ID-p=用戶口令-g=組”實現模板文件在集成環境的應用。

    2)數據對象表單定制

    集成環境下的數控編程業務涉及多種數據對象，每種數據對象具有各自的屬性，往往通過其屬性表單體現，屬性表單定制在BMIDE中完成。按照航天器產品的屬性特征設置表單內容，如產品代號、研制階段等，對各屬性項逐一設置屬性變量，并對變量的類型、名稱、大小、在表單中的布局方式及對應的擴展內容進行定義，經過系統部署即可完成表單的定制。

    3)數控程序文本格式擴充

    航天器產品數控加工現場數控機床配備的數控系統具有多樣化特點，不同的數控系統對數控程序文本格式的要求不同，如txt、.h、.ptp等，在集成環境中需要對文本格式進行客戶化擴充以滿足集成環境對于不同文本格式數控程序的管理。在BMIDE中查找集成環境下數控程序的數據集類型“UGCAMPTP”，對該數據集類型添加所需要的各種文本格式類型，經過系統部署后實現文本格式的擴充。

    4)后置處理模板改造

    集成環境下刀位軌跡的后處理工作利用由NX的后處理開發工具—NX/Post Builder生成的后處理模板文件進行后置處理工作。后處理模板文件分為事件處理器(*.tcl)與機床定義文件(*.def)，與刀位軌跡共同作為NX/Post Processor的輸入條件以生成數控程序。為滿足航天器產品數控加工現場部分機床控制系統的要求，在后處理模板文件的設置中需要提取產品代號、刀具名稱等信息作為數控程序的輔助信息。由于集成環境下對應的部分參數變量可能會發生變化，如模型文件名稱變量由“$mom_part_name”變為“$mom_attr_PART_DB_PART_NO”，沿用原始的后處理模板文件會使數控程序中的對應信息以亂碼顯示。因此需要按照各數控系統的實際需求對集成環境下的參數變量進行檢查核對，并在NX/Post Builder進行變量更改，使生成的后處理模板文件滿足控制器要求。

    2.2 數控編程數據組織管理

    Teamcenter中通過產品數據對象、工藝數據對象等對象模型實現對產品生命周期中各個階段數據的管理。其中產品對象是產品結構的基本組成部分，產品中的每一個零、部件均作為一個產品對象，產品結構依據產品對象之間的父子關系構建；數控編程數據作為產品工藝數據的一部分，由工藝對象組織管理，工藝對象依靠與產品對象的關聯實現組織管理。

    2.2.1 產品對象模型

    在Teamcenter中將航天器產品中的每一個零、部件作為個產品對象，以Item表示。Item的命名由ID號、版本、名稱組成，ID號通常被作為產品對象在系統中的唯一標識。Item的結構包括Item、Item屬性表單、Item版本和Item版本屬性表單四部分，其中Item用于組織零部件對象的全局數據，Item版本用于組織零部件對象某一版本的數據。產品結構通過Item間的父子關系體現，通過兩種方式實現搭建：一種在結構編輯器(PSE)內手工搭建；另種是通過NX Manager的“Import Assembly”功能，自動將NX模型文件中的裝配層級關系轉化成Teamcenter系統中的父子關系，并自動取零件ID、零件名稱等相應的屬性信息。

    2.2.2 工藝對象模型

    Teamcenter將工藝規劃中的工藝、工序、工步均作為數據對象來處理，這些工藝對象具有與Item相同的結構形式和命名方式。由于航天器產品數控加工普遍采用專用數控工藝的方式，即數控工藝是與機加工藝并列存在的工藝信息，因而在Teamcenter系統中令每一個產品對象對應一個數控藝對象。工序對象與實際加工中的工序安排一一對應，工序對象作為工藝對象的子節點進行組織管理，每一個工序對象包含該工序的幾何加工模型，數控程序、刀具信息等數據文件，產品數據與工藝數據通過產品對象與工藝對象實現關聯。

    集成環境下幾何加工模型通過獨立建模、從本地計算機環境導入歷史模型及通過裝配設計模型三種方式構建。由于航天器產品數控加工往往包含多個工序，每個工序對象對應各自的幾何加工模型，不同工序間幾何加工模型的差異較小，若各工序的幾何加工模型都單獨獨創建則占用較多的數據庫資源。在編程過程中將設計模型作為各工序加工模型的子裝配體，使工序模型占用空間較少的系統資源，同時各工序模型之間能夠自動保持同步更改，極大地提高了編程質量與效率。當加工模型不滿足該工序的編程要求時，利用NX的Wave功能復制出新的幾何體，報據編程需要進行編輯后作為加工模型，由于新幾何體與設計模型具有關聯性，兩者可保持同步更改。

    組合加工是指在產品零部件裝配或焊接成形后對整件進行加工，在航天器產品加工中有著廣泛的應用，其幾何加工模型往往由多個零、部件的幾何模型裝配而成。集成環境下組合加工幾何加工模型的創建首先通過在系統內查找所需的零、部件對象的幾何模型，再報據約定的版本配置規則確定模型文件的有效版本，最后對再模型文件執行裝配操作以生成所需的模型，如圖5所示。由于系統自動將模型間的裝配操轉化成對應Item之間的關聯關系，因此當被某一子裝配體發生變更時，組合加工模型及其屬性信息會自動被更新，避免了由于局部零件變更而產生的質量隱患。

    2.3 數控編程管理規范定制

    2.3.1 版本管理

    Teamcenter提供多種版本管理機制，在航天器產品數控編程過程中采用數據集版本與對象版本相結合的方式實現對數據文件的全過程管理。其中，數據集版本以數據文件的保存操作為標記，各版次下的文件可被作為新版文件重新使用，有效保證了數據的可追溯性與重用性。對象版本以流程審批為標記，流程審批結束后數據文件被自動賦予發布狀態，再次修改需要執行換版操作，并結合相應的版本配置規則使用。

    2.3.2 流程審批

    在流程審批過程中首先創建審批流程模板，具體包含對審批節點、人員、權限等內容的設置。其中審批節點根據實際審批流程創建，節點動作設置規定節點下可以執行的操作，人員設置包含對審批人員角色、數量及相應的權限的限制。

    按照航天器產品編程數據的管理規范建立數控編程審批流程模板，如圖6所示，包含編制。校對、審核、批準。審批五個節點，由編程人員以工序對象組織數控加工數據作為送審文件發起流程，并指定各節點審批人員，各節點審批人員按照權限設置執行相應的審批操作，當流程在任意節點被駁回時返回至制節點， 審批流程結束后送審文件自動變為發布狀態。

    2.3.3 權限設置

    Teamcenter具有靜態權限、動態權限、對象權限、項目權限等多種權限控制方式。在航天器產品的數控編程管理中采用靜態權限、動態權限與對象權限相結合的方法實現對編程數據與過程的安全控制。

    1)靜態權限

    利用AM規則控制各角色人員對編程中涉及的產品對象、工藝對象等各類對象，數控程序、加工模型等各類數據集文件的訪問權限，權限的設置原則是數控編程數據的編制者具有讀、寫、更改等權限，同角色內的其他人員具有讀、復制等權限。

    2)動態權限

    采用對數控編程審批流程中各節點人員進行權限設置的方式，對審批過程中各人員的可執行行為進行規范。設置原則是數控編程數據的編制者是流程發起人，流程發起后，流程發起人員對送審文件有只讀權，無編輯權；審批人員對送審文件具有只讀權，無編輯權；

    3)對象權限

    由數控編程數據的編制者或系統管理人員通過更改某一特定數據對象的訪問權限，實現特定數據權限的變更，以靈活滿足因人員調動、業務調整等情況引起的數據調整需求。

3 方案應用

    3.1 數控程序編制

    數控程序編制包括方加工案規劃、創建刀位軌跡、后置處理等一系列工作。在集成環境下根據加工方案構建產品對象結構、編程數據對象結構后，在UGNX4加工模塊內通過創建Operation，并結合加工模型在Operation中設置加工對象、刀具導動方式、切削步距等加工參數自動生成刀位軌跡。刀位軌跡不能直接在數控機床上使用，須通過后置處理轉換成數控機床識別的特定數控程序，通過選擇相應的后處理模板文件，生成的數控程序被臨時放置在計算機本地磁盤下的臨時文件夾內，當加工模型文件被執行保存操作時，程序實體被加密提交至卷內，關系屬性被提交至數據庫，使生成的數控程序自動保存在其加工模型所對應的工序節點下。

    3.2 數控程序檢驗

    數控程序檢驗是保證航天器產品質量高可靠性的重要手段之一，Teamcenter系統為檢驗工作提供了公共平臺與單一數據源。在集成環境下檢驗工作貫穿于流程審批工作，檢驗人員按照審批節點人員角色的權限設置共享數據文件并進行程序檢驗，消除了數據文件的人為傳遞，提高了數據的準確性與唯一性。對于形狀復雜，編程周期較長的產品，檢驗人員通過跟蹤編程的過程及時發現過程中出現的問題，有效縮短編程周期。同時通過高端可視化工具及虛擬樣機，檢驗人員借助輕量化模型無須啟動NX就可通過對加工模型旋轉、平移、縮放進行瀏覽或標注，為檢驗工作提供了便捷，如圖8所示。

4 結束語

    經過實際生產應用驗證，PLM在數控編程中的應用有效解決了數字化技術間缺乏信息共享平臺的矛盾，使數控模型、數控程序等技術文件得到規范管理與嚴格控制，為其下游工作的開展提供了單一的數據源，有效提高了數控加工的質量與效率；同時積累大量準確的產品數據，加強了企業對產品信息的積累與重用能力，為提高航天器產品的研制質量與效率奠定了重要基礎。