基于模型的工藝信息標(biāo)識(shí)方法研究

張祥祥， 陳興玉， 程五四， 張紅旗， 曾祥宇

（1. 中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088；2. 上海湃睿信息科技有限公司，上海 200072）

在當(dāng)前產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中，三維數(shù)字化模型可以很好地解決結(jié)構(gòu)形狀信息的表達(dá)問題，而生產(chǎn)中必需的尺寸公差、表面粗糙度、加工方法等非幾何制造信息的表達(dá)仍然基于二維工程圖和工藝卡片。在當(dāng)前“三維設(shè)計(jì)+二維生產(chǎn)”的混合模式下，設(shè)計(jì)人員除了建立三維模型外，還需要花大量時(shí)間和精力用于把三維模型轉(zhuǎn)化為二維工程圖；工藝人員基于二維圖紙開展工藝設(shè)計(jì)，提交給制造人員。這種頻繁的更改不但增加了工作量，而且還難以保證數(shù)據(jù)的唯一性。二維工藝設(shè)計(jì)方法與上游的全三維數(shù)字化設(shè)計(jì)和下游的先進(jìn)制造工藝及裝備已不相適應(yīng)，存在著無法有效利用設(shè)計(jì)模型信息、數(shù)據(jù)共享困難、設(shè)計(jì)知識(shí)獲取和管理混亂等問題[1]，已成為數(shù)字化制造業(yè)的瓶頸。

隨著MBD（Model Based Definition，基于模型定義）技術(shù)的發(fā)展和推廣應(yīng)用，在三維環(huán)境下開展工藝設(shè)計(jì)已成為可能。MBD技術(shù)是一個(gè)用集成的三維實(shí)體模型來完整表達(dá)產(chǎn)品定義信息的方法體，將產(chǎn)品信息中的幾何形狀信息與尺寸、公差、工藝信息通過一個(gè)完整的三維實(shí)體模型來表達(dá)[2]。國內(nèi)技術(shù)產(chǎn)品文件標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)借鑒MBD先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合我國制造業(yè)實(shí)際，組織編寫了GB/T 24734-2009《技術(shù)產(chǎn)品文件 數(shù)字化產(chǎn)品定義數(shù)據(jù)通則》[3]，對(duì)產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計(jì)制造三維標(biāo)注進(jìn)行了規(guī)定。目前，在借鑒MBD技術(shù)在波音公司成功應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)以及結(jié)合GB/T 24734-2009基礎(chǔ)上，許多學(xué)者做了基于MBD模型的三維工藝設(shè)計(jì)的嘗試。但這些研究基本上還處于概念設(shè)計(jì)階段，且集中在三維數(shù)字化裝配工藝規(guī)劃、裝配過程仿真、數(shù)據(jù)信息管理、數(shù)控編程流程等方面[4-7]?，F(xiàn)有的研究已經(jīng)可以在Pro/E、CATIA等主流CAD軟件實(shí)現(xiàn)尺寸、幾何公差、表面粗糙度等非幾何信息標(biāo)識(shí)[8-10]，而關(guān)于工藝信息（如加工方法、設(shè)備信息、刀具信息、工藝參數(shù)等）在模型上規(guī)范標(biāo)識(shí)的研究還未見報(bào)道。鑒于此，本文在分析機(jī)加工三維工藝設(shè)計(jì)流程的基礎(chǔ)上，研究機(jī)加工工藝信息在三維環(huán)境下的標(biāo)識(shí)方法，實(shí)現(xiàn)工藝信息在模型上的規(guī)范標(biāo)識(shí)。

1 機(jī)加工三維工藝設(shè)計(jì)流程

三維數(shù)字化工藝開發(fā)的顯著特點(diǎn)是在三維環(huán)境下，工藝設(shè)計(jì)人員利用各類三維數(shù)字化實(shí)體模型建立起數(shù)字化工藝模型，通過模擬仿真，確定出合理的、可行的制造工藝。同時(shí)生成工藝圖解和操作動(dòng)畫等多媒體工藝數(shù)據(jù)，編制成三維數(shù)字化制造工藝[2]。在MBD模式下，面向制造過程的零件各道工序模型是生產(chǎn)制造的唯一依據(jù)，是加工過程指導(dǎo)信息的載體。

圖1 機(jī)加工三維工藝設(shè)計(jì)流程

機(jī)加工三維工藝設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)流程，如圖1所示。工藝人員從產(chǎn)品單一數(shù)據(jù)源中讀取零件三維設(shè)計(jì)模型，進(jìn)行工藝路線劃分。在三維環(huán)境下，工藝人員完成對(duì)零件的工藝規(guī)劃，建立零件的工序模型；工裝人員確定加工過程所需要的工裝數(shù)量及種類，同步開展工裝設(shè)計(jì)，建立工裝三維模型；在工藝仿真環(huán)節(jié)，對(duì)零件加工過程仿真，編寫制造指令（Fabrication Order，F(xiàn)O）并進(jìn)行工藝審核。審核通過之后，生成生產(chǎn)性工藝文件和零件的各道工序模型，接著對(duì)工藝文件內(nèi)的工藝信息進(jìn)行標(biāo)識(shí)，并通過三維標(biāo)注技術(shù)構(gòu)建集成工藝信息的零件工序模型。最后，將零件工序模型下發(fā)到車間，將工藝信息直觀地反映給工人，指導(dǎo)工人加工。其中，工藝信息標(biāo)識(shí)環(huán)節(jié)用于實(shí)現(xiàn)工藝信息在模型上表達(dá)，是三維工藝的關(guān)鍵問題之一。

2 工藝信息標(biāo)識(shí)方法

傳統(tǒng)工藝信息表達(dá)限于二維形式，離散于工藝卡片和工藝簡(jiǎn)圖等載體，不能與三維模型特征直接關(guān)聯(lián)，制造人員需要花費(fèi)大量時(shí)間去消化圖紙和工藝卡片，獲取制造信息。這種方式無法直觀反映工藝細(xì)節(jié)，表達(dá)方式多樣，且紙制文件難以管理，給操作人員理解和使用帶來困難。MBD模式下，工藝信息包含在信息模型中，具有統(tǒng)一的表達(dá)方法，且與模型特征直接關(guān)聯(lián)；制造人員可以直接在模型上獲得對(duì)應(yīng)特征的工藝信息，用于加工制造?？梢钥吹?，研究MBD模型上工藝信息統(tǒng)一表達(dá)方法可以有效克服二維工藝信息表達(dá)不直觀、方法各異、數(shù)據(jù)管理困難等問題。

MBD模型強(qiáng)大的非幾何信息描述能力為工藝信息的標(biāo)識(shí)提供了全新的定義方法，采用標(biāo)注與屬性聯(lián)合表達(dá)的方式集成表達(dá)所有信息[9]。機(jī)加工工藝信息種類繁雜，若以純文字形式標(biāo)注工藝模型，將和模型其它標(biāo)注信息形成龐大的標(biāo)注信息集，并且覆蓋整個(gè)設(shè)計(jì)模型，造成應(yīng)用的不便與混亂。而采用符號(hào)的形式標(biāo)識(shí)工藝信息便于用戶理解和記憶，可有效區(qū)別于模型上其他標(biāo)注信息，使用戶更形象直觀地獲取相關(guān)工藝信息。為此，本文參照現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)，提出了以“符號(hào)+文本”的形式標(biāo)識(shí)工藝信息，主要包括工藝信息符號(hào)制定、組合符號(hào)構(gòu)建和三維標(biāo)注。

2.1 工藝信息符號(hào)制定

2.1.1 工藝信息標(biāo)識(shí)方式

機(jī)加工工藝信息種類繁多，主要包括加工方法、定位與裝夾方式、工藝參數(shù)、切削參數(shù)等信息，針對(duì)不同類型信息應(yīng)采用不同類型的標(biāo)識(shí)方式。在MBD模式下，模型的非幾何制造信息通常采用屬性和（或）標(biāo)注的方式表達(dá)[9]。模型的一些內(nèi)置非幾何信息（如零件管理類信息、建模說明類信息、批準(zhǔn)發(fā)行類信息、零部件技術(shù)要求及材料類信息等）與模型幾何特征無關(guān)聯(lián)關(guān)系，通常以零件屬性的形式表達(dá)；而工藝信息與模型幾何特征密切相關(guān)，應(yīng)以標(biāo)注表達(dá)法標(biāo)注在模型上，詳細(xì)情況如表1所示。

表1 機(jī)加工工藝信息分類標(biāo)識(shí)方法

2.1.2 工藝符號(hào)制定方法

目前已發(fā)布的國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)中有部分標(biāo)準(zhǔn)零星給出一些工藝符號(hào)制定要求，如 GB/T 24740-2009《技術(shù)產(chǎn)品文件 機(jī)械加工定位、夾緊符號(hào)表示法》規(guī)定了定位、夾緊方式符號(hào)繪制要求；國標(biāo)GB/T 3167-1993《金屬切削機(jī)床 操作指示形象化符號(hào)》、GB/T 16273.2-1996《設(shè)備用圖形符號(hào) 機(jī)床通用符號(hào)》規(guī)定了常見機(jī)加工藝方法符號(hào)、刀具指示符號(hào)等。這些標(biāo)準(zhǔn)為工藝信息符號(hào)制定提供了有力支撐。如圖2所示，工藝信息符號(hào)制定的方法為：充分利用已經(jīng)符號(hào)化或代碼化的標(biāo)準(zhǔn)，作為符號(hào)制定的基礎(chǔ)；對(duì)目前國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)沒有符號(hào)規(guī)定的工藝信息，考慮工藝實(shí)際情況，采用新建符號(hào)或文本的方式標(biāo)識(shí)。在確定工藝信息標(biāo)識(shí)方式的基礎(chǔ)上，結(jié)合基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)符號(hào)及文本的字體、線寬、比例等細(xì)節(jié)要素的規(guī)定，通過CAD軟件模板化定制和擴(kuò)充，制定工藝信息符號(hào)，并存儲(chǔ)在工藝符號(hào)數(shù)據(jù)庫中。

圖2 工藝信息符號(hào)制定方法

2.1.3 工藝符號(hào)制定原則

在工藝符號(hào)制定過程中，至少應(yīng)遵循以下6項(xiàng)原則：

1）符號(hào)表述應(yīng)清楚、明確，能形象直觀地反映所代表的工藝信息，且一個(gè)符號(hào)表達(dá)一個(gè)含義，在易引起歧義的情況下應(yīng)附加說明以示區(qū)分；

2）符號(hào)的尺寸應(yīng)與模型大小和位置相適應(yīng)；

3）與符號(hào)聯(lián)用字體的類型、高度和線型應(yīng)與其他標(biāo)記的字體相同；

4）符號(hào)高度、線寬等應(yīng)從相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的公稱尺寸系列中選擇；

5）當(dāng)僅用符號(hào)表示不明確時(shí)，可以用文字補(bǔ)充說明；

6）工藝符號(hào)應(yīng)存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫中，可以方便的錄入、讀取及組合使用。

2.2 組合符號(hào)構(gòu)建

在制定工藝信息符號(hào)的基礎(chǔ)上，研究工藝信息的邏輯關(guān)系，通過有序組合形成工藝信息組合符號(hào)標(biāo)識(shí)。組合符號(hào)標(biāo)識(shí)的關(guān)鍵是清晰、完整、簡(jiǎn)潔表達(dá)零件在各道工序的工藝信息。如圖3所示，機(jī)加工工藝設(shè)計(jì)過程一般包括工藝性審查、工藝路線確定、工序設(shè)計(jì)等階段，在不同階段確定相應(yīng)的工藝信息。在工藝性審查階段，根據(jù)零件的生產(chǎn)特點(diǎn)確定零件生產(chǎn)類型（大批量、小批量等），提取零件加工特征進(jìn)行加工工藝性分析，確定對(duì)應(yīng)的加工方法；在工藝路線確定階段，選擇零件定位、測(cè)量和裝配基準(zhǔn)，確定零件加工工序序列，確定工序加工余量和毛坯尺寸，根據(jù)零件加工精度要求劃分加工階段（粗加工、半精加工、精加工）；在工序設(shè)計(jì)階段，由加工方法和零件精度要求依次確定各工序的機(jī)床設(shè)備、刀具、夾具和量具等工藝裝備，并由工藝尺寸鏈計(jì)算各工序尺寸及公差；在切削參數(shù)確定階段，根據(jù)工序尺寸確定工步序列及對(duì)應(yīng)的切削參數(shù)；在輔助信息確定階段，確定加工過程中切削液、工時(shí)定額、經(jīng)濟(jì)分析等信息。

圖3 機(jī)加工工藝信息邏輯關(guān)系

基于此，工藝信息組合符號(hào)標(biāo)識(shí)應(yīng)按照工藝信息邏輯關(guān)系確定組合符號(hào)序列，主要包括數(shù)量、設(shè)備、加工方法、刀具類型、刀具參數(shù)、切削參數(shù)和切削液等符號(hào)碼段等。

其各自含義為：

數(shù)量：本道工序/工步加工對(duì)象的數(shù)量；

設(shè)備：本道工序/工步加工選用的機(jī)床；

加工方法：本道工序/工步采用的工藝加工方法（車削、銑削、刨削、拉削……）；

刀具類型：本道工序/工步使用的刀具類型（車刀、銑刀、刨刀、拉刀……）；

刀具參數(shù)：本道工序/工步使用刀具的幾何參數(shù)（前角、后角、主偏角、副偏角……）；

切削參數(shù)：本道工序/工步加工過程中選用的切削用量參數(shù)（切削深度、切削速度、進(jìn)給量……）；

備注：以上信息以外的其他附加說明。

2.3 組合符號(hào)三維標(biāo)注

MBD模式下，工藝信息可以直接在三維模型中標(biāo)注。參考 GB/T 1182-2008和 GB/T 24734-2009對(duì)幾何精度標(biāo)注的相關(guān)要求，機(jī)加工工藝信息三維標(biāo)注包括標(biāo)注線、標(biāo)注平面、標(biāo)注框和標(biāo)注框內(nèi)的組合符號(hào)。標(biāo)注線和標(biāo)注平面與三維幾何模型關(guān)聯(lián)，同時(shí)與標(biāo)注框和組合符號(hào)保持關(guān)聯(lián)。組合符號(hào)的三維標(biāo)注是對(duì)工藝信息的三維顯示，當(dāng)模型旋轉(zhuǎn)和縮放時(shí)，組合符號(hào)應(yīng)隨之旋轉(zhuǎn)、縮放。在進(jìn)行三維標(biāo)注時(shí)，標(biāo)注線、標(biāo)注平面和標(biāo)注框應(yīng)滿足相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的要求，且以易于其他標(biāo)注信息區(qū)分、布局美觀為原則。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

在以上分析的基礎(chǔ)上，本文基于Pro/E開發(fā)了機(jī)加工工藝信息標(biāo)注模塊，在操作界面上通過調(diào)用工藝符號(hào)數(shù)據(jù)庫中的工藝符號(hào)及對(duì)相應(yīng)參數(shù)進(jìn)行賦值，即可生成工藝信息組合標(biāo)識(shí)符號(hào)。在此基礎(chǔ)上，將工藝信息組合符號(hào)標(biāo)注在三維模型上，實(shí)現(xiàn)工藝信息與三維模型的有效結(jié)合。工藝信息標(biāo)注在Pro/E標(biāo)準(zhǔn)功能的基礎(chǔ)上封裝，通過交互式操作界面以所見即所得的形式展示錄入數(shù)據(jù)，直觀明了。該模塊開發(fā)主要分為3個(gè)步驟：

1）在Pro/E繪圖模塊下繪制工藝信息符號(hào)，存儲(chǔ)于工藝符號(hào)庫中；

2）對(duì)Pro/E進(jìn)行二次開發(fā)，開發(fā)工藝符號(hào)標(biāo)注界面，通過選擇調(diào)用的符號(hào)文件及輸入相應(yīng)參數(shù)值，生成工藝信息組合符號(hào)；

3）借助Pro/E的三維標(biāo)注功能將工藝信息標(biāo)注在三維模型。

圖4顯示了某零件工藝信息組合符號(hào)生成及標(biāo)注過程。該零件本道工序?yàn)檐囃鈭A（數(shù)量為1），采用車削加工，三爪卡盤夾緊，車床代號(hào)為CX616A，選用端面車刀（前角45°，后角30°，主偏角5°，負(fù)偏角3°），切削深度為 10mm，轉(zhuǎn)速為1000r/min，進(jìn)給率為0.5mm/min，切削液為非水溶性乳化液。在標(biāo)注過程中，通過高亮顏色顯示待加工面，使制造人員能夠直觀地理解工件的工藝信息。

4 結(jié) 束 語

隨著MBD技術(shù)的應(yīng)用推廣，基于三維模型的數(shù)字化工藝設(shè)計(jì)已逐漸成為國內(nèi)研究的熱點(diǎn)，而在面向制造過程的零件三維工序模型上如何規(guī)范有序地標(biāo)識(shí)工藝信息成為實(shí)施該過程的關(guān)鍵支撐技術(shù)。本文分析了機(jī)加工三維工藝設(shè)計(jì)流程，提出了 “符合+文本”的工藝信息標(biāo)識(shí)方法，并對(duì)工藝信息符號(hào)制定和組合符號(hào)構(gòu)建技術(shù)進(jìn)行了研究和突破。該方法能很好的解決三維環(huán)境下機(jī)加工工藝信息規(guī)范標(biāo)識(shí)問題，為三維數(shù)字化工藝設(shè)計(jì)做了有益的探索。

圖4 工藝符號(hào)標(biāo)注界面

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