基于MBD的三維工藝設(shè)計系統(tǒng)開發(fā)與實現(xiàn)*

周秋忠，郭具濤，徐萬洪

(1.沈陽理工大學(xué) 汽車與交通學(xué)院，沈陽 110159；2.上海航天精密機械研究所，上海 201600；3.浙江萬里揚變速器股份有限公司，浙江 金華 321000)

基于MBD的三維工藝設(shè)計系統(tǒng)開發(fā)與實現(xiàn)*

周秋忠1，郭具濤2，徐萬洪3

(1.沈陽理工大學(xué) 汽車與交通學(xué)院，沈陽 110159；2.上海航天精密機械研究所，上海 201600；3.浙江萬里揚變速器股份有限公司，浙江 金華 321000)

MBD技術(shù)解決了幾何與非幾何信息的集成表達問題，使三維設(shè)計MBD模型成為設(shè)計制造中的唯一依據(jù)，迫切需要解決與之相適應(yīng)的三維工藝設(shè)計技術(shù)及設(shè)計系統(tǒng)，使MBD技術(shù)貫穿于產(chǎn)品設(shè)計制造的整個過程，真正實現(xiàn)三維設(shè)計制造技術(shù)。通過論述全三維工藝設(shè)計思想及其協(xié)同設(shè)計流程的基礎(chǔ)上，提出了以設(shè)計MBD模型為依據(jù)的全三維工藝集成設(shè)計原理與方案，明確了工藝MBD模型成為所有工藝信息組織、表達的載體，以及工藝MBD模型與工序MBD模型的主從關(guān)系。同時，指出了工藝MBD模型驅(qū)動生成工序MBD模型技術(shù)是三維工藝設(shè)計系統(tǒng)成功的關(guān)鍵。在此基礎(chǔ)上，提出了全三維工藝設(shè)計系統(tǒng)的功能模型及其核心信息模型，并開發(fā)實現(xiàn)了該系統(tǒng)，為全三維工藝設(shè)計系統(tǒng)提供了思路。

三維;工藝設(shè)計;MBD模型;信息模型;系統(tǒng)開發(fā)

0 引言

隨著計算機技術(shù)、軟件技術(shù)和數(shù)字化制造技術(shù)的發(fā)展，產(chǎn)品定義技術(shù)經(jīng)歷了從工程制圖技術(shù)到二維CAD技術(shù)，再到三維建模技術(shù)的發(fā)展歷程[1-3]。與之相對應(yīng)，計算機輔助工藝規(guī)劃技術(shù)(ComputerAidedProcessPlanning,CAPP)也經(jīng)歷了從二維到三維的研究與應(yīng)用過程。

當(dāng)前，產(chǎn)品數(shù)字化技術(shù)已發(fā)展到了全三維數(shù)字化定義技術(shù)，即MBD(ModelBasedDefinition)技術(shù)階段。MBD技術(shù)是在三維數(shù)字化實體模型上對產(chǎn)品尺寸、公差、制造技術(shù)要求等非幾何制造信息進行組織、表達、顯示、操作管理的一項技術(shù)，它摒棄了二維工程圖，使三維數(shù)字化實體模型成為產(chǎn)品信息的唯一載體，并使其成為生產(chǎn)制造過程中傳遞設(shè)計信息的唯一依據(jù)[4-5]。MBD技術(shù)使所有設(shè)計工作都將在三維環(huán)境下完成，并輸出集成所有產(chǎn)品信息的全三維實體模型，成為后繼工藝設(shè)計及生產(chǎn)制造工作開展的唯一依據(jù)[8-10]。因此，傳統(tǒng)基于二維工程圖或三維模型的工藝設(shè)計方式和CAPP系統(tǒng)已不能適應(yīng)與滿足這種技術(shù)要求，迫切需要研究與開發(fā)基于MBD的全三維工藝設(shè)計技術(shù)與系統(tǒng)，實現(xiàn)全三維數(shù)字化設(shè)計制造技術(shù)，真正引起數(shù)字化制造技術(shù)的重大變革。

目前，針對全三維環(huán)境下的工藝設(shè)計方法和基于全三維模型的CAPP系統(tǒng)進行了大量有益的研究和探索，其基本思路是借助于三維產(chǎn)品數(shù)字化開發(fā)系統(tǒng)，在可視化環(huán)境下從零件設(shè)計MBD模型中提取加工特征、標(biāo)注尺寸公差和其它技術(shù)要求，然后根據(jù)這些信息完成零件加工工藝過程的規(guī)劃和設(shè)計[1-3，6-7，9]?；贛BD的全三維工藝設(shè)計方法在我國制造業(yè)中尚處于初步探索階段，因此開展這方面的研究具有重要的現(xiàn)實意義。本文借鑒傳統(tǒng)CAPP技術(shù)成功應(yīng)用的經(jīng)驗基礎(chǔ)上，全面論述基于MBD的全三維工藝設(shè)計系統(tǒng)規(guī)劃方案與開發(fā)思想。

1 全三維工藝設(shè)計的原理

全三維數(shù)字化工藝設(shè)計過程需要借助并集成三維產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計系統(tǒng)，以產(chǎn)品零件數(shù)字化設(shè)計MBD模型為基礎(chǔ)，通過全三維工藝設(shè)計系統(tǒng)在可視化環(huán)境下開展零件工藝方案制定及詳細(xì)工藝設(shè)計，其原理如圖1所示。全三維工藝設(shè)計系統(tǒng)首先需要從零件設(shè)計MBD模型中提取零件材料、熱處理方式、外形尺寸、結(jié)構(gòu)特征、設(shè)計尺寸、加工精度與表面粗糙度，以及特征參數(shù)等基本信息，并在相關(guān)制造資源庫與工藝知識庫的支持下，通過工藝路線規(guī)劃、工序尺寸計算、全三維工序MBD模型驅(qū)動生成、資源定義與選擇、數(shù)控編程、工藝仿真、工藝規(guī)程格式定制等操作，最終輸出包含全部工藝信息的數(shù)字化工藝MBD模型上傳至工程管理平臺統(tǒng)一管理，經(jīng)審批發(fā)放后通過生產(chǎn)現(xiàn)場數(shù)字化工藝可視化應(yīng)用系統(tǒng)指導(dǎo)生產(chǎn)加工；同時，也可輸出工藝規(guī)程卡片，以實現(xiàn)與現(xiàn)有生產(chǎn)制造方式、習(xí)慣的自然對接。

全三維數(shù)字化工藝設(shè)計的特點是工藝設(shè)計人員借助于三維數(shù)字化環(huán)境，通過工藝過程規(guī)劃生成工藝信息，基于設(shè)計MBD模型建立與三維產(chǎn)品設(shè)計集成的三維數(shù)字化工藝MBD模型，并驅(qū)動生成每道工序?qū)?yīng)的三維工序MBD模型。全三維數(shù)字化工藝設(shè)計的目標(biāo)是建立一套適應(yīng)MBD技術(shù)需求的工藝設(shè)計方法，從而提升工藝設(shè)計的水平和效率。同時，建立一套與之相匹配的、基于全三維設(shè)計模型的數(shù)字化工藝設(shè)計管理方法，貫穿整個工藝設(shè)計業(yè)務(wù)過程管理和工藝數(shù)據(jù)管理，進而構(gòu)建一整套基于全三維的數(shù)字化工藝設(shè)計與管理體系，形成基于全三維模型的數(shù)字化設(shè)計制造一體化技術(shù)體系，真正實現(xiàn)數(shù)字化制造技術(shù)的變革。

圖1 全三維工藝設(shè)計總體原理示意圖

2 全三維工藝設(shè)計流程

在當(dāng)前的產(chǎn)品開發(fā)過程中，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、工藝、工裝協(xié)同設(shè)計成為主流。在采用集成組織、表達產(chǎn)品幾何與非幾何信息的MBD制造技術(shù)后，MBD模型不僅成為工藝、工裝等部門直接開展工藝和工裝設(shè)計工作的唯一數(shù)據(jù)源，也成為產(chǎn)品設(shè)計、工藝設(shè)計、工裝設(shè)計過程中的唯一信息表達載體與輸出結(jié)果，為實現(xiàn)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計、工藝設(shè)計、工裝設(shè)計工作的協(xié)同和一體化管理創(chuàng)造了技術(shù)條件。在全三維工藝協(xié)同設(shè)計過程中，工藝設(shè)計以設(shè)計MBD模型作為工作依據(jù)；并在此基礎(chǔ)上，將工藝設(shè)計工作開展過程中相關(guān)的全部工藝信息通過設(shè)計MBD模型表達，從而形成工藝/工序MBD模型，進一步作為工裝設(shè)計的唯一依據(jù)；同時，工裝設(shè)計工作以工裝MBD模型作為結(jié)果。與產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計、工裝設(shè)計協(xié)同的全三維工藝設(shè)計流程如圖2所示。

在全三維協(xié)同工藝設(shè)計過程中，與產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計協(xié)同緊密的零件工藝性分析、確定毛坯、主輔工藝確定及其車間路線分工工作，由零件工藝設(shè)計主管在工程管理平臺中展開，并最終完成零件主輔工藝設(shè)計任務(wù)的分工工作；同時，工程管理平臺負(fù)責(zé)對工藝設(shè)計形成的工藝MBD模型進行全生命周期管理。各主、輔工藝設(shè)計人員通過工程管理平臺領(lǐng)用工藝設(shè)計任務(wù)后，啟動全三維工藝設(shè)計系統(tǒng)，分別展開主、輔工藝的設(shè)計工作。其中，主制工藝人員完成零件主要工藝的設(shè)計工作，包括工藝路線的制定、零件定位方案的確定、主制工藝設(shè)備與工裝的選擇、加工余量與工序尺寸的計算、毛坯/工序MBD模型的生成、切削用量的確定、工時定額的計算等，再結(jié)合工裝設(shè)計MBD模型，開展工藝過程仿真以驗證工序MBD模型、工藝參數(shù)、工裝MBD模型的準(zhǔn)確性，最終完成NC代碼生成和工藝卡片設(shè)計輸出工作；輔制工藝人員則在主制工藝人員制定工藝路線及工序MBD模型后，完成相關(guān)輔助工藝的設(shè)計工作。

圖2 全三維工藝設(shè)計流程

全三維數(shù)字化工藝便于利用仿真技術(shù)驗證制造工藝的可行性和合理性；同時，也便于完整反映工藝信息的過程性和動態(tài)性，提供三維工藝信息的多視角表達，從而便于后續(xù)制造過程實現(xiàn)對工藝過程的可視化應(yīng)用。采用三維數(shù)字化工藝設(shè)計手段還將有助于實現(xiàn)與產(chǎn)品設(shè)計并行的三維工藝設(shè)計和分析，提前發(fā)現(xiàn)可能的設(shè)計缺陷，保證研制質(zhì)量，縮短研制周期。

3 全三維工藝設(shè)計系統(tǒng)功能及信息模型

全三維工藝設(shè)計系統(tǒng)是以零件設(shè)計MBD模型作為原始依據(jù)，參考企業(yè)現(xiàn)有生產(chǎn)資源制造能力與工藝經(jīng)驗知識，涵蓋零件工藝設(shè)計的所有業(yè)務(wù)工作，最終輸出工藝/工序MBD模型和工藝規(guī)程卡片作為結(jié)束。全三維工藝設(shè)計系統(tǒng)的主要功能如圖3所示。具體功能包括以下幾個方面：

(1)設(shè)計MBD模型處理。從設(shè)計MBD模型提取結(jié)構(gòu)特征、尺寸公差、表面粗糙度、材料、硬度、參數(shù)等后繼工藝設(shè)計開展所需信息，通過對加工尺寸表面設(shè)置代號等信息，最終完成特征、尺寸表面、參數(shù)關(guān)聯(lián)設(shè)置；同時根據(jù)需要對設(shè)計MBD模型的各工程尺寸及公差進行中差處理，并驅(qū)動生成具有對稱公差的設(shè)計MBD模型。

(2)工藝設(shè)計。根據(jù)從MBD模型提取到的相關(guān)信息，在工藝知識庫的支持下完成對各個特征加工工藝的推理，通過歸類調(diào)整完成零件工序、工步劃分與排序，并按工藝類型完成數(shù)控、機加、鈑金、焊接、熱處理等不同類型主輔工藝的詳細(xì)設(shè)計工作，內(nèi)容包括加工余量與工序尺寸計算、工序MBD模型驅(qū)動生成、加工設(shè)備選擇、工藝裝備選擇、加工工藝參數(shù)與工時定額計算確定等。

(3)工藝輸出。工藝設(shè)計工作完成后，將工藝信息加載到設(shè)計MBD模型中，生成工藝MBD模型；同時根據(jù)需要，按傳統(tǒng)方式設(shè)計各類型工藝規(guī)程卡片格式，通過映射將工藝信息相關(guān)類型信息填充到工藝卡片中，實現(xiàn)工藝卡片的自動生成并打印輸出。

(4)資源維護。根據(jù)企業(yè)制造資源的實際運行情況，對企業(yè)的加工設(shè)備、工藝裝備信息進行維護，保證信息的真實性與一致性；同時，將企業(yè)工藝人員的經(jīng)驗、相關(guān)工藝過程實驗數(shù)據(jù)整理形成工藝知識，為加工特征工藝推理與工藝設(shè)計過程提供技術(shù)支持。

圖3 全三維工藝設(shè)計系統(tǒng)主要功能

全三維工藝設(shè)計在完成工藝路線制定、詳細(xì)工藝設(shè)計等常規(guī)工藝設(shè)計工作的同時，要根據(jù)各道工序相關(guān)加工表面的工序尺寸及公差值來驅(qū)動設(shè)計MBD模型生成工序MBD模型。工序MBD模型的生成是通過驅(qū)動與工序尺寸相關(guān)聯(lián)的結(jié)構(gòu)特征、幾何參數(shù)與標(biāo)注尺寸實現(xiàn)的(工序MBD模型的驅(qū)動生成技術(shù)將在后續(xù)文獻中論述)。因此，在零件包含工序、工序包含工步的同時，工步需要包含相關(guān)加工工藝尺寸，而加工工藝尺寸需要與相關(guān)結(jié)構(gòu)特征、幾何參數(shù)與標(biāo)注尺寸形成關(guān)聯(lián)，最終形成如圖4所示的全三維工藝設(shè)計系統(tǒng)核心信息模型。

圖4 全三維工藝設(shè)計系統(tǒng)核心信息模型

4 全三維工藝設(shè)計系統(tǒng)的實現(xiàn)

依據(jù)全三維工藝設(shè)計系統(tǒng)的原理、流程、功能及其信息模型，本人利用.Net平臺開發(fā)實現(xiàn)了該系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用多頁對話框模式，將全三維工藝設(shè)計系統(tǒng)中的功能進行歸納分類，設(shè)計了設(shè)計信息提取與設(shè)置、中差/毛坯MBD模型生成、工藝過程設(shè)計、尺寸計算與工序MBD模型生成、工時定額計算、工藝卡片設(shè)計及輸出、工藝資源維護7個功能頁面。其中，前6個功能頁面都需與設(shè)計或工藝MBD模型進行實進信息的提取或?qū)懭氲冉换?，并且前后之間形成依存關(guān)系，即后繼頁面的操作依賴于前續(xù)頁面的完成，如圖5所示。

同時，通過對CATIA、UG、Solidworks等主流全三維設(shè)計系統(tǒng)開發(fā)數(shù)據(jù)交互操作接口，該系統(tǒng)可以針對所有類型的設(shè)計MBD模型開展全三維工藝設(shè)計工作。

圖5 全三維工藝設(shè)計系統(tǒng)實現(xiàn)

5 結(jié)論

全三維工藝設(shè)計系統(tǒng)是MBD技術(shù)推動的結(jié)果，是對原有CAPP系統(tǒng)功能的繼承和發(fā)展。它以設(shè)計MBD模型作為輸入依據(jù)，以工藝MBD模型作為輸出結(jié)果，可根據(jù)工序尺寸與公差計算結(jié)果實時驅(qū)動生成工序MBD模型，并通過生產(chǎn)現(xiàn)場數(shù)字化工藝可視化應(yīng)用系統(tǒng)指導(dǎo)生產(chǎn)加工。全三維工藝設(shè)計系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用將使MBD技術(shù)得到全面貫徹落實，形成基于全三維模型的數(shù)字化設(shè)計、工藝、生產(chǎn)一體化技術(shù)體系，真正實現(xiàn)數(shù)字化制造技術(shù)的變革。

[1] 張中偉,田錫天,黃利江,等.機加工藝三維可視化表示與生成技術(shù)研究[J].制造業(yè)自動化,2013,35(2):26-30.

[2] 喬立紅,張金.三維數(shù)字化工藝設(shè)計中的關(guān)鍵問題及其研究[J].航天制造技術(shù),2012(1):29-32.

[3] 田富君,田錫天,耿俊浩,等.基于模型定義的工藝信息建模及應(yīng)用[J].計算機集成制造系統(tǒng),2012,18 (5):913-918.

[4] 周秋忠,查浩宇.基于三維標(biāo)注技術(shù)的數(shù)字化產(chǎn)品定義方法[J].機械設(shè)計,2011,28(1):33-36.

[5] 周秋忠,樊慶春.MBD支持的產(chǎn)品協(xié)同設(shè)計及協(xié)同信息表達[J].制造業(yè)自動化,2011,33(1):55-59.

[6] 李海泳,唐秀梅,亢亞敏,等.基于MBD技術(shù)的航空制造數(shù)字化工藝實施應(yīng)用[J].航空制造技術(shù),2013(13):40-42.

[7] 惠巍,王彥,陶劍,等.航空制造領(lǐng)域中三維工藝技術(shù)的應(yīng)用[J].航空制造技術(shù),2013(13):43-46.

[8] 陳睿,周來水,衛(wèi)煒,等.MBD模式下機加工裝派工文件生成方法[J].組合機床與自動化加工技術(shù),2015(9):157-160.

[9] 萬能，常智勇，莫蓉．機加工藝設(shè)計的三維新模式研究[J]．計算機集成制造技術(shù),2011,17(9) : 1873-1879.

[10] 程振陽，周來水，趙恒．MBD模式下機加工藝執(zhí)行可視化文件生成方法[J]．航空制造技術(shù),2014(5):101-104.

(編輯 李秀敏)

Development and Realization of MBD Based 3 D Process Design System

ZHOUQiu-zhong1,GUOJu-tao2,XUWan-hong3

(1.SchoolofAutomotive&Transportation,ShenyangLigongUniversity,Shenyang110159,China; 2.ShanghaiSpaceflightPrecisionMachineryInstitute,Shanghai201600,China)

MBDtechnologysolvestheproblemofintegrationofgeometricandnongeometricinformation,andmakethethree-dimensionaldesignMBDmodeltheonlybasisfordesignandmanufacturing.Itisanurgentneedtosolvethethree-dimensionaldesigntechnology,andthedevelopmentofthree-dimensionalprocessdesignsystem,sothattheMBDtechnologyrunsthroughthewholeprocessofproductdesignandmanufacturingtechnology.Theprincipleandtheprocessofthewhole3Ddesigntechnologywerediscussed.TheideathatthedesignMBDmodelbecomesthebasisof3DprocessdesignandtheMBDmodelbecomesthecarrierfororganizationandexpressionofallprocessinformationwerepointedout.Atthesametime,thefunctionmodelandthecoreinformationmodelofthewhole3Dprocessdesignsystemwereproposed.Onthisbasis,thedevelopmentandimplementationofthesystem,whichprovidestheconditionsforthedevelopmentofthesametypesystem,providestheconditionsforthecomprehensivepromotionandapplicationofthree-dimensionaldigitaldesignandmanufacturingtechnology.

:three-dimensional;processdesign;MBDmodel;informationmodel;systemdevelopment

1001-2265(2016)12-0107-03DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.12.029

2016-03-02

遼寧省高等學(xué)校優(yōu)秀人才支持計劃資助(LJQ2015096)

周秋忠(1975—)，男，浙江嵊州人，沈陽理工大學(xué)副教授，博士，研究方向為數(shù)字化制造技術(shù)研究，(E-mail)zqz7@sohu.com。

TH162;TG

A