基于NX7.5.2 軟件的MBD 工藝設(shè)計研究

郭志偉，孫建邦

(中國兵器工業(yè)第203 研究所，陜西 西安 710065)

0 MBD 工藝設(shè)計概述

MBD(model based definition):是目前波音推行的新一代產(chǎn)品定義方法。其核心思想是:全三維基于特征的表述方法，基于文檔的過程驅(qū)動;融入知識工程、過程模擬和產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范等。它用一個集成的三維實體模型完整的表達(dá)產(chǎn)品定義信息，即將制造信息和設(shè)計信息(三維尺寸標(biāo)注及各種制造信息和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)信息)共同定義到產(chǎn)品的三維數(shù)字化模型中。從而取消二維工程圖，保證設(shè)計數(shù)據(jù)的唯一性。MBD 在2003 年被ASME 批準(zhǔn)為機(jī)械產(chǎn)品的工程模型的定義標(biāo)準(zhǔn)，是以三維實體模型為制造依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)體。

在工程設(shè)計、工藝設(shè)計和生產(chǎn)流程方面，傳統(tǒng)的模式是:產(chǎn)品設(shè)計者首先將頭腦中的三維實體形象通過嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)和投影關(guān)系變?yōu)閺?fù)雜的、但為工程界所共識的標(biāo)準(zhǔn)工程圖;工藝人員再以此二維工程圖作為唯一制造依據(jù)，通過想象恢復(fù)它的立體形狀，理解設(shè)計意圖，然后根據(jù)加工路線在頭腦中分解成不同的工序?qū)嶓w，并構(gòu)思所需的工裝實體形象，再將各個工序及工裝實體形象轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)平面圖樣，編寫適當(dāng)?shù)墓に囄募瑐鬟f到車間;工人再根據(jù)各工序圖，通過理解，再次還原產(chǎn)品加工階段的各個立體形狀，展開加工。在整個過程中，浪費(fèi)不僅是平面圖的多次繪制，還包括了對實體形象和抽象的視圖表達(dá)方式之間的多次轉(zhuǎn)換，以及在轉(zhuǎn)換過程中可避免出現(xiàn)的表達(dá)不清和存在歧義，平面圖樣的再利用能力幾乎沒有，定義的品質(zhì)完全依賴于相關(guān)人員的個人能力。有時不是創(chuàng)意而是對平面圖形的理解程度、制圖技術(shù)的好壞成為能否制造出好的產(chǎn)品的關(guān)鍵。這種方式使得產(chǎn)品數(shù)據(jù)傳遞過程中管理復(fù)雜，效率低下，成本高昂，信息利用率低。而MBD 技術(shù)就可以很好得解決上述傳統(tǒng)模式中的弊病，其重要特點之一就是設(shè)計信息與工藝信息的融合和一體化。

MBD 工藝設(shè)計方式就是工藝人員直接依據(jù)三維實體模型開展工藝開發(fā)工作。圍繞實體模型進(jìn)行工藝裝配仿真、加工模擬仿真、工藝文件編制、NC 程序編寫等，并將所有工藝信息與模型融合為一體，再將包含完整信息的模型傳送到車間數(shù)字終端作為產(chǎn)品加工的依據(jù)，以一種“所見即所得”的方式指導(dǎo)生產(chǎn)。但這是一種理想的工作流程與設(shè)計方式，在實際的運(yùn)作中，不但要解決大量軟件技術(shù)問題(例如:如何在模型中加入三維尺寸標(biāo)注、工藝內(nèi)容、工裝信息、設(shè)備信息、數(shù)控加工程序等)，更主要的是要有效解決由此帶來的對企業(yè)文化、管理體制、生產(chǎn)方式、檢驗制度等的沖突，因而MBD 的實施不可能是一蹴而就的，它必然經(jīng)歷一個循序漸進(jìn)的過程。本文即是通過探索一種在現(xiàn)階段可行的，既引用MBD 設(shè)計思想、又結(jié)合傳統(tǒng)生產(chǎn)流程特點的工藝設(shè)計方法，以實現(xiàn)產(chǎn)品從工程設(shè)計階段向加工生產(chǎn)階段的快速、準(zhǔn)確轉(zhuǎn)化，并推動企業(yè)對于MBD 技術(shù)的認(rèn)知，以MBD 技術(shù)的發(fā)展迎接三維數(shù)字化制造時代的來臨。

1 基于NX7.5.2 的MBD 工藝設(shè)計開發(fā)

1.1 NX7.5 簡介

NX 系列(原UG 系列)軟件是當(dāng)前世界主流CAD/CAM 軟件之一，被當(dāng)今許多世界領(lǐng)先的制造商用于概念設(shè)計、工業(yè)設(shè)計、詳細(xì)的機(jī)械設(shè)計以及工程仿真和數(shù)字化制造等各個領(lǐng)域。早在20 世紀(jì)70 年代初期，在某飛機(jī)研制中就使用此系列軟件建立了飛機(jī)的局部外形模型。1987 年我國已引進(jìn)美國UGII 軟件用于K8 飛機(jī)研制。從1997 到2003 年我國飛機(jī)制造企業(yè)又連續(xù)多次從美國UGS 公司引進(jìn)了大型CAD/CAM 軟件UGII，大量采用了UG 進(jìn)行數(shù)字化設(shè)計與制造?，F(xiàn)在UG 軟件已發(fā)展至NX7.5.2 及以上版本，其功能也越來越完善，在國內(nèi)大型設(shè)計、制造企業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。在NX7.5 版本中最大的驚喜在于同步建模技術(shù)的強(qiáng)大功能，它使得對于產(chǎn)品三維模型的后續(xù)更改設(shè)計變的非常簡單，在NX7.5.2 版本中又加入了中國工具包，使得軟件的使用更符合國內(nèi)用戶的特定要求。本文所討論的MBD 工藝設(shè)計方法(不妨稱之為準(zhǔn)MBD 工藝設(shè)計，因為完美的MBD 工藝設(shè)計在現(xiàn)階段仍是一種理想化的模式)，正是得益于軟件的上述功能，并與WAVE 技術(shù)結(jié)合，輔以合理的二次開發(fā)才得以實現(xiàn)。

1.2 基于NX7.5.2 的二次開發(fā)

大部分制造企業(yè)對于生產(chǎn)流程的控制，仍然是以工藝規(guī)程、工藝流程卡為主，通過紙質(zhì)或電子的、符合企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的工藝技術(shù)文件在車間流轉(zhuǎn)來指導(dǎo)產(chǎn)品的加工生產(chǎn)。傳統(tǒng)的工藝文件編寫主要采用Auto CAD，WORD，CAXA/CAPP 等軟件來進(jìn)行，這類軟件都是以二維工程圖為基礎(chǔ)，利用事先定制的與使用軟件相適應(yīng)的二維標(biāo)準(zhǔn)模板來進(jìn)行。而產(chǎn)品的模型設(shè)計是用NX，Solid Work 等大型三維設(shè)計軟件來進(jìn)行的。產(chǎn)品的數(shù)控加工編程又涉及其他的CAM 軟件。那么對于工藝設(shè)計人員來說，只有掌握眾多的設(shè)計軟件才有可能很好地完成整個工藝設(shè)計環(huán)節(jié)的工作，這無疑是一種額外的負(fù)擔(dān)，況且在不同軟件環(huán)境之間調(diào)用模型和圖樣文件幾乎是不可能順利實現(xiàn)的，這無疑會浪費(fèi)工藝設(shè)計人員大量的時間來處理軟件之間不完全兼容所帶來的一系列問題。

對于MBD 工藝設(shè)計來說，其要實現(xiàn)的主要功能就是對三維模型的最大利用(取消二維圖樣這一中間過程)，并以此為基礎(chǔ)快捷、高效、準(zhǔn)確的生成適合制造企業(yè)生產(chǎn)管理流程的工藝文件指導(dǎo)生產(chǎn)。顯而易見，如果能夠?qū)a(chǎn)品的工程設(shè)計環(huán)境(CAD)、工藝設(shè)計環(huán)境(包括裝配仿真、工裝設(shè)計、工藝編制等)、加工仿真與編程環(huán)境(CAM)等融為一體，必然會大大提高工藝設(shè)計的效率。傳統(tǒng)的二維工藝設(shè)計軟件顯然很難完成這一任務(wù)。對于NX7.5 系列軟件來說，其在CAD/CAM 方面的強(qiáng)大功能已經(jīng)通過市場的廣泛應(yīng)用得到了充分的證明，那么要利用軟件現(xiàn)有的功能實現(xiàn)工藝設(shè)計的其他內(nèi)容(編制工藝文件)，以達(dá)到目的，就必須首先對軟件進(jìn)行合理的二次開發(fā)，在新的軟件環(huán)境中定制出符合企業(yè)自身標(biāo)準(zhǔn)要求的各類工藝技術(shù)文件模板。

a)工藝模板的開發(fā)與使用

通過定制與企業(yè)自身要求相適應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)化工藝規(guī)程、工藝流程卡、工裝圖模板并通過對NX7.5.2 相關(guān)配置文件的合理改寫，將模板文件及工藝資源添加到軟件中，使得工藝設(shè)計人員能夠?qū)に嚹０逦募M(jìn)行快速調(diào)用，這是工藝設(shè)計的先決條件。

新建模型文件，進(jìn)入制圖模塊，按照企業(yè)對于線型、字體等方面的具體要求，利用曲線命令繪制所需工藝模板，然后在模板文件屬性項中增加如產(chǎn)品代號、工序名稱、工序號、編制、校核等固定項，將模板文件中的相應(yīng)項與新增屬性關(guān)聯(lián)對應(yīng)，或直接與產(chǎn)品模型文件的有關(guān)屬性關(guān)聯(lián)，以實現(xiàn)對工藝文件標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容的快速輸入。

完成工藝模板的定制后，通過新建文件的方式調(diào)用模板，再將各工序模型、工裝模型以各種視圖的形式加入到新建文件中，以繼承PMI 標(biāo)注(三維標(biāo)注)、添加注釋、引用技術(shù)資料庫等方式在工藝文件中添加必要的工步內(nèi)容及其他信息，從而快速生成工藝執(zhí)行文件。這種方式直接去除了工藝設(shè)計對產(chǎn)品二維工程圖的依賴，以三維模型作為唯一數(shù)據(jù)源，利用軟件在制圖方面的強(qiáng)大功能，使得工藝設(shè)計能夠快速、合理、準(zhǔn)確的完成工藝編制。

b)配置文件及技術(shù)資料庫開發(fā)

完成了工藝模板的定制開發(fā)后，如何有效地調(diào)用模板，生成與模型相關(guān)聯(lián)的工藝文件?如何將常用的加工術(shù)語、刀具信息、加工要求等重復(fù)使用的資源迅速添加到文件中，減少不必要的重復(fù)勞動?這便需要對軟件的相關(guān)配置文件進(jìn)行合理的修改來實現(xiàn)。如建立一個“203 所工藝規(guī)程封面模板”文件，命名為“203_technics_fm.prt”，再制作一個與模板對應(yīng)的預(yù)覽圖片文件，命名為“203_technics_fm_template.JPG”，然后將上述兩個文件拷貝至NX7.5.2安裝目錄下的UGII emplates 文件夾中，并通過對相關(guān)文件的修改來得到目錄標(biāo)題為“203 工藝模板”的文件新建菜單選項以調(diào)用模板。

用記事本程序打開NX7.5.2 安裝文件夾下的LOCALIZATIONprcsimpl_chinesestartup 文件夾中的ugs_drawing_templates_simpl_chinese.prt 文件，修改如下內(nèi)容(黑體、斜體表示已修改后的內(nèi)容):

修改完畢后保存上述文件，重新啟動NX7.5 軟件，即可在新建文件時，發(fā)現(xiàn)已嵌入工藝模板的調(diào)用選項(如圖1)，選擇需要的工藝模板，命名后點擊確定即可調(diào)用模板來編制工藝文件。

圖1 工藝模板調(diào)用選項

用記事本程序打開NX7.5 安裝文件夾下的LOCALIZATIONprcgc_toolsconfiguration 文件夾中g(shù)c_tool 文件，添加如下類似常用工藝資源(斜體、黑體內(nèi)容為添加內(nèi)容):

修改完畢后保存上述文件，重新啟動NX7.5 軟件，點擊技術(shù)要求庫即可發(fā)現(xiàn)新內(nèi)容已添加，可隨時引用添加的工藝信息資源。

2 MBD 工藝設(shè)計中的關(guān)聯(lián)設(shè)計

2.1 WAVE 技術(shù)在工藝設(shè)計中的應(yīng)用

WAVE(what-if alternative value engineer)技術(shù)是EDS公司推出的自頂向下的、全相關(guān)的產(chǎn)品級設(shè)計技術(shù)，是參數(shù)化造型技術(shù)與系統(tǒng)工程設(shè)計的有機(jī)結(jié)合，通過集成系統(tǒng)級工程和參數(shù)化建模技術(shù)來實現(xiàn)產(chǎn)品的快速開發(fā)，極大的提高產(chǎn)品的設(shè)計效率。WAVE 技術(shù)的本質(zhì)，就是通過一系列自頂向下工程參數(shù)的控制，來驅(qū)動整個產(chǎn)品的總體設(shè)計、功能評估和工程更改，面向產(chǎn)品數(shù)據(jù)的全相關(guān)是WAVE 技術(shù)的最大特點。在產(chǎn)品的裝配設(shè)計中，當(dāng)某個主參數(shù)改變后，產(chǎn)品會按照原來設(shè)定的控制結(jié)構(gòu)、幾何關(guān)聯(lián)性和設(shè)計準(zhǔn)則，自動更新產(chǎn)品系統(tǒng)中每一個需要改變的零部件，以確保產(chǎn)品的設(shè)計意圖和整體性。

對于產(chǎn)品的機(jī)械加工工藝設(shè)計，一般都是按照“去除材料”的思路，將產(chǎn)品設(shè)計結(jié)構(gòu)分解成多道工序結(jié)構(gòu)，然后根據(jù)每道工序的特點，設(shè)計工序附圖和加工說明(工步內(nèi)容等)來進(jìn)行。那么在MBD 工藝設(shè)計中，中間工序模型及必要的工裝模型也就是必須建立的(因為此時，工序附圖是由相關(guān)模型直接生成的)。這時便會出現(xiàn)一個急需解決的問題—如何建立工藝過程中所必須的中間模型(如粗車、精車、精銑、終檢等工序模型)，是讓工藝人員去按照傳統(tǒng)的建模方式分別創(chuàng)建這些模型嗎?顯然，這不是一個好的建議。因為這樣建立的工序模型是相互獨立的，是與產(chǎn)品設(shè)計模型沒有任何關(guān)聯(lián)關(guān)系的獨立個體，重復(fù)的建模工作也是不可取的。這樣的設(shè)計方法是不能帶來設(shè)計效率的提升，也是不符合MBD 設(shè)計思想的。

WAVE 技術(shù)提供了很好的解決方案，在MBD 工藝設(shè)計中，可以充分利用NX/WAVE 技術(shù)的前述特點，使得工藝設(shè)計環(huán)節(jié)與產(chǎn)品模型緊密關(guān)聯(lián)。當(dāng)工藝人員得到一份產(chǎn)品的設(shè)計模型時，通過WAVE 技術(shù)可將設(shè)計模型鏈接到新建的工藝模型文件中(設(shè)計模型的更改權(quán)限是嚴(yán)格控制的，工藝人員是不能直接使用的)，并將此工藝模型作為工藝設(shè)計的頂節(jié)點，在頂節(jié)點下繼續(xù)運(yùn)用WAVE 技術(shù)，通過對工藝模型中實體特征或點、線、面特征的鏈接，創(chuàng)建中間工序模型及輔助工裝模型子節(jié)點，然后對各個子模型進(jìn)行后續(xù)工藝設(shè)計，由此形成一個與產(chǎn)品模型全關(guān)聯(lián)的MBD 工藝設(shè)計子系統(tǒng)(如圖2)。當(dāng)產(chǎn)品的設(shè)計參數(shù)更改后，通過WAVE 技術(shù)獲得的工藝模型、工序模型、輔助工裝模型及編制的工藝文件(工序附圖)也會隨之自動更改，而工藝人員只需對相應(yīng)的工步內(nèi)容進(jìn)行調(diào)整即可快速生成新的工藝執(zhí)行文件，這將極大提高工藝設(shè)計的效率，并且對于企業(yè)開展設(shè)計與制造并行工程也是極為有利的。

圖2 MBD 工藝設(shè)計子系統(tǒng)示意圖

2.2 同步建模技術(shù)在工藝設(shè)計中的應(yīng)用

前面提到對于設(shè)計模型的更改權(quán)限是嚴(yán)格受控的，這一方面可以避免工藝人員對原模型不合理的操作導(dǎo)致后續(xù)工藝設(shè)計出錯，影響整個制造環(huán)節(jié);另一方面設(shè)計模型是整個工藝設(shè)計的驅(qū)動點，必須保證其相對的獨立性，這樣在設(shè)計發(fā)生更改時，才能保證后續(xù)的工藝設(shè)計正確更新。前條所述，工藝設(shè)計所需的模型都是通過WAVE 建立的，但通過WAVE 技術(shù)從設(shè)計模型鏈接得到的工藝模型是以一個實體特征(鏈接體)出現(xiàn)在新文件中的，不再繼承原模型的建模歷史記錄(有序特征樹型結(jié)構(gòu))，因而也就不能通過對特征結(jié)構(gòu)的重新編輯來得到需要的中間工序模型(況且對于復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件來說，要理解設(shè)計者的建模思路，以編輯建模歷史特征的方式修改模型，本身就是一件極為困難的工作)。那么，如何在WAVE 的基礎(chǔ)上修改鏈接得到的唯一實體特征，快速建立所需的中間工序模型呢?

NX 在2008 年推出的同步建模技術(shù)可以很好的解決上述問題。同步建模技術(shù)是三維實體建模技術(shù)中一個成熟的、突破性的飛躍，在參數(shù)化、基于歷史記錄建模的基礎(chǔ)上前進(jìn)了一大步，同時與先前技術(shù)共存。同步建模的基本目的是提出一種設(shè)計更改方法，強(qiáng)調(diào)修改模型的當(dāng)前狀態(tài)，不考慮它是怎樣被構(gòu)造，不管是否有參數(shù)存在，不管它的相關(guān)性或它的歷史特征。通過移動(或代替)一個模型的面，或利用對模型橫截面的編輯，或利用修改線性、角度和半徑尺寸等方法修改模型，實現(xiàn)對設(shè)計模型的自由改變而不需先前的經(jīng)驗。同步建模是一種獨立于線性歷史的、全新的建模方法。

由同步建模技術(shù)的特點，可以很清楚的看到，它正適用于MBD 工藝設(shè)計中由WAVE 技術(shù)得到的鏈接實體模型，對于這個沒有建模歷史記錄，非參數(shù)化的實體模型，同步建模技術(shù)能夠體現(xiàn)出其最優(yōu)異的特點，實現(xiàn)對模型的快速修改。

3 應(yīng)用實例

在MBD 工藝設(shè)計中，應(yīng)用的難點是:要以最有效地方式利用設(shè)計模型，快速建立系統(tǒng)性關(guān)聯(lián)的工序模型、工裝模型，最終完成CAM 環(huán)境下的加工仿真、編程及工藝規(guī)程等技術(shù)文件的編寫。NX/CAM 已經(jīng)是很成熟的技術(shù)，這里不再贅述。工藝文件的編寫，在對軟件進(jìn)行了合理的二次開發(fā)后，不再是困難的工作，其應(yīng)用過程與工程圖的建立方式類似。下面通過一個示例來論述如何運(yùn)用WAVE技術(shù)及同步建模技術(shù)建立與設(shè)計模型全關(guān)聯(lián)的工序模型。從初始工藝模型(可作為最終檢驗工序模型使用)建立前步的工序模型可理解為“添加材料”的逆推過程。

圖3 是某類型發(fā)動機(jī)組件模型test01，在裝配導(dǎo)航器中通過WAVE 鏈接選項—將幾何體復(fù)制到新部件，得到初始工藝模型test01_p01(圖4)。根據(jù)模型結(jié)構(gòu)，工藝路線可簡略分為3 個加工工序:粗車、精車、精銑。

按照逆推的思路，精銑為最后一道工序，主要目的是銑出球面上的4 個凸臺及凸臺邊緣圓角，可直接由test01_p01 鏈接得到模型(命名為test01_p01_jx)進(jìn)行CAM 編程完成。在精車工序，通過WAVE 選項—將幾何體復(fù)制到組件，創(chuàng)建精車模型test01_p01_jc，在此模型中，首先用同步建模/刪除面命令刪除凸臺圓角特征與及凸臺上面的孔，并用移動面命令將凸臺與徑向方向(整個回轉(zhuǎn)體的徑向)垂直的兩個面移動生成足夠的余量，然后以凸臺的相關(guān)邊通過旋轉(zhuǎn)命令得到圖5 所示精車模型。粗車工序是為了去處大部分的多余材料，給精車留夠必要的余量即可。通過前述同樣的方式，以test01_p01_jc 鏈接創(chuàng)建粗車模型test01_p01_cc，然后通過同步建模/橫截面編輯命令，在各個部位設(shè)置需要的余量并刪除不必要的倒角斜面即可生成圖6 所示粗車模型。毛坯模型(如圖7 中透明圓柱體)的建立，可以通過拉升最大圓柱特征底邊(生成圓柱體)，再向外偏置圓柱體柱面，最后拉出圓柱體兩端面生成余量而得到。

所有工序模型建立后，可對相關(guān)模型設(shè)置顯示透明度，從而直觀的觀察模型建立的是否恰當(dāng)，每一步的加工余量是否足夠，從而避免不合理的操作(如圖7 所示)。模型完成后，就可以調(diào)用工藝文件模板編寫必要的指導(dǎo)文件了。

圖7 示例模型及BOM 結(jié)構(gòu)

MBD 工藝設(shè)計方法作為一種新的設(shè)計思路，在運(yùn)用的過程中，需要技術(shù)人員對WAVE 技術(shù)、同步建模技術(shù)及NX 軟件本身有深刻的理解及較強(qiáng)的操作技巧，本文旨在以“拋磚引玉”的方式，提供一種可行的思路供業(yè)界參考。

4 結(jié)論

1)通過對NX7.5.2 進(jìn)行二次開發(fā)，可實現(xiàn)產(chǎn)品工程設(shè)計環(huán)境與工藝設(shè)計環(huán)境、加工仿真環(huán)境的統(tǒng)一，解決多種軟件交叉使用帶來的軟件不兼容及技術(shù)人員須同時掌握多種軟件的困難，并實現(xiàn)MBD 工藝設(shè)計的核心功能，提高工藝設(shè)計效率。

2)通過基于NX7.5.2 的MBD 工藝設(shè)計研究，可實現(xiàn)基于產(chǎn)品三維設(shè)計數(shù)據(jù)的工藝設(shè)計，加速產(chǎn)品從工程設(shè)計階段向工藝設(shè)計及加工生產(chǎn)階段的流轉(zhuǎn)并提高產(chǎn)品設(shè)計數(shù)據(jù)傳遞的準(zhǔn)確性，尤其對于大型系統(tǒng)性產(chǎn)品的研發(fā)，這種工藝設(shè)計手段及流程的轉(zhuǎn)變將大大提高研發(fā)效率，縮短產(chǎn)品研制周期，節(jié)約研發(fā)成本并提高產(chǎn)品研制的可靠性。

3)以較小的成本對現(xiàn)有NX7.5.2 及以上版本軟件進(jìn)行二次開發(fā)，即可實現(xiàn)MBD 工藝設(shè)計的核心功能，解決企業(yè)購買大型三維工藝設(shè)計軟件的巨大資金投入，使企業(yè)的工藝設(shè)計更適合于未來產(chǎn)品設(shè)計與制造的發(fā)展。

［1］趙文龍.UG/WAVE 技術(shù)的研究［J］.機(jī)械，2004(31):69-70.

［2］UG NX7 從入門到精通［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2009.