基于MBD零件工藝過程信息表達(dá)方法研究

韓志仁，張世強(qiáng)

HAN Zhi-ren1,2，ZHANG Shi-qiang2

（1. 航空制造工藝數(shù)字化國防重點(diǎn)學(xué)科實驗室，沈陽 110136；2. 沈陽航空航天大學(xué) 航空宇航工程學(xué)部，沈陽 110136）

0 引言

隨著我國航空制造行業(yè)數(shù)字化制造技術(shù)的迅猛發(fā)展，三維數(shù)字化制造技術(shù)在整個行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用，特別是MBD(Mode1-Based-Definition，基于模型定義)技術(shù)的實施，使三維數(shù)字化模型取代了二維工程圖紙成為設(shè)計制造過程中的唯一依據(jù)。工藝設(shè)計是連接產(chǎn)品設(shè)計與制造的紐帶，是企業(yè)進(jìn)行加工生產(chǎn)的重要依據(jù)，工藝設(shè)計的好壞直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量，在產(chǎn)品制造過程中占舉足輕重的地位。在實際生產(chǎn)中，由于產(chǎn)品的生產(chǎn)類型、尺寸、結(jié)構(gòu)、材料和技術(shù)要求等不同，而使不同產(chǎn)品有不同的加工方案，這就要根據(jù)具體情況對不同的方案進(jìn)行分析和討論，以求擬定較為合理的工藝方案，而工藝過程信息如何表達(dá)，也成為研究重點(diǎn)之一。在生產(chǎn)過程中，凡是改變生產(chǎn)對象的形狀、尺寸、位置和性質(zhì)等，使其成為成品或半成品的過程都稱為工藝過程。工藝文件包含詳細(xì)的工藝信息，是企業(yè)進(jìn)行生產(chǎn)的指導(dǎo)性文件。傳統(tǒng)的工藝過程信息主要通過工藝規(guī)程紙質(zhì)文件、工序卡片和工序卡片等表達(dá)，與工程圖紙沒有直接約束關(guān)聯(lián)。在基于MBD的數(shù)字化制造中沿用傳統(tǒng)的工藝過程表達(dá)方式不能充分發(fā)揮數(shù)字化制造的優(yōu)勢，造成零件三維模型與工藝信息分離，工藝人員在查看工藝信息時十分繁瑣；各個部門使用不同的應(yīng)用軟件，而這些系統(tǒng)之間缺乏有效的信息傳遞及轉(zhuǎn)換，因而形成“信息孤島”；在航空企業(yè)產(chǎn)品設(shè)計中，企業(yè)實現(xiàn)了以三維建模為主要設(shè)計手段，但在向生產(chǎn)車間傳遞制造信息過程中，還依賴于二維與三維結(jié)合的圖紙表達(dá)方式，圖紙的空間局限性限制了圖紙的表達(dá)能力，也因此限制了復(fù)雜模型從設(shè)計向生產(chǎn)的順利轉(zhuǎn)化，制約著設(shè)計和生產(chǎn)能力的進(jìn)一步發(fā)展[1]； CAD與CAM之間脫節(jié)，沒有形成一體化，導(dǎo)致設(shè)計與工藝、工藝與制造之間的信息傳遞實時性差，大量的CAD數(shù)據(jù)不能及時有效地轉(zhuǎn)換為CAM數(shù)據(jù)為制造使用，CAD數(shù)據(jù)需要人為的大量反復(fù)處理，效率低、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確率不高，對科研生產(chǎn)任務(wù)的完成有著很大的影響，成為制約企業(yè)發(fā)展的瓶頸。當(dāng)前國際上CAPP技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用呈現(xiàn)出“基于三維模型”、“基于知識”、“面向?qū)ο蟆?、“智能化”、“集成化”等發(fā)展趨勢[2,3]，本文主要研究工藝過程信息表達(dá)方法。

1 零件MBD模型技術(shù)簡介

MBD(Mode1 Based Definition)，即基于模型的定義，是目前推行的新一代產(chǎn)品定義方法，其核心思想是全三維基于特征的表述方法，融入知識工程、產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范等，用集成的三維實體模型來完整表達(dá)產(chǎn)品定義信息的方法體，它詳細(xì)規(guī)定了三維實體模型中產(chǎn)品尺寸、公差的標(biāo)注規(guī)則和工藝信息的表達(dá)方法[4]。MBD技術(shù)要求將產(chǎn)品設(shè)計由二維工程圖紙向完全基于MBD模型的工作方式轉(zhuǎn)變，在產(chǎn)品研制生命周期中不再使用任何二維工程圖，這將使得數(shù)字化技術(shù)在制造中的應(yīng)用真正向無紙化制造的目標(biāo)逼近。實際上，在MBD技術(shù)的發(fā)展中，其核心思想并不只是將二維圖紙的所有信息反映到三維模型中，而是要充分利用三維模型的產(chǎn)品定義特點(diǎn)，去挖掘更加方便設(shè)計、工藝和制造人員理解的更加高效率的產(chǎn)品定義方法和模式。MBD改變了傳統(tǒng)由三維實體模型來描述幾何形狀信息，而用二維工程圖紙來定義尺寸、公差和工藝信息的分步產(chǎn)品數(shù)字化定義方法，保證了設(shè)計數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與唯一性，MBD使三維實體模型作為生產(chǎn)制造過程中的唯一依據(jù)。

MBD核心的概念體現(xiàn)在3D產(chǎn)品模型是傳遞所有產(chǎn)品細(xì)節(jié)信息的最適合的媒介，MBD綜合信息模型包括幾何信息和非幾何信息兩大部分。幾何信息主要是幾何實體，非幾何信息包括相關(guān)的基準(zhǔn)、坐標(biāo)系、作圖過程、公差、尺寸、連接定義、膠接定義及技術(shù)注釋等信息，這些信息主要以結(jié)構(gòu)樹的形式描述，同時部分信息反映到幾何實體的三維標(biāo)注上。除了幾何實體，其他的設(shè)計和工藝信息均通過結(jié)構(gòu)樹進(jìn)行描述，如圖1所示。

圖1 零件MBD模型

2 基于MBD零件工藝過程信息表達(dá)方法

在傳統(tǒng)的生產(chǎn)過程中，工藝過程信息主要通過工藝文件進(jìn)行描述，具體載體包括工藝規(guī)程紙質(zhì)文件、工序卡片和工序卡片等，是企業(yè)進(jìn)行生產(chǎn)的指導(dǎo)性文件。傳統(tǒng)的工藝過程信息，與工程圖紙沒有直接約束關(guān)聯(lián)。

隨著航空數(shù)字化設(shè)計技術(shù)的完善和數(shù)字化制造技術(shù)的推廣，制造模式和制造依據(jù)均發(fā)生了本質(zhì)變化，數(shù)字化制造技術(shù)采用了逐步推進(jìn)的策略。經(jīng)過了三個階段，第一階段中采用三維實體數(shù)模和二維工程圖相結(jié)合的模式，零件工藝過程信息仍然沿用傳統(tǒng)的載體和表達(dá)規(guī)范，主要區(qū)別是三維數(shù)模為零件數(shù)控加工提供了較好的保證；第二階段中采用MBD綜合信息模型作為制造的唯一依據(jù)，制造體系沒有從根本上改變，制造過程中使用綜合信息模型，零件工藝過程信息沿用傳統(tǒng)的載體和表達(dá)規(guī)范，或?qū)⒘慵に囘^程信息傳統(tǒng)的紙質(zhì)表達(dá)電子化；第三個階段是將所有零件工藝過程信息和裝配信息整合成綜合信息模型，實現(xiàn)真正意義上的數(shù)字化制造。該方法的優(yōu)勢在于零件三維模型與工藝規(guī)程信息有機(jī)的溶合在一起，改變了以往零件模型與其他信息相互分離的局面，用戶可以根據(jù)需要，每道工序關(guān)聯(lián)坯料加工前后的三維模型，可以精確到工步、走刀，便于工藝人員查看零件加工過程中的進(jìn)展程度。工藝過程中涉及到的各種數(shù)據(jù)，如零件工藝路線、尺寸、公差、工藝處理、刀具及使用設(shè)備等，工藝人員可以隨時查看，并可以以各種組織形式的電子文檔輸出并保存，實現(xiàn)了工藝路線的可視化管理。零件工藝過程信息表達(dá)過程中采用MBD技術(shù)后，使MBD模型成為產(chǎn)品幾何與非幾何信息的唯一載體，成為產(chǎn)品設(shè)計過程中唯一輸出結(jié)果，也成為工藝規(guī)程設(shè)計部門的唯一數(shù)據(jù)源。因此，MBD 模型為實現(xiàn)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計、工藝設(shè)計工作的一體化管理創(chuàng)造了技術(shù)條件。

2.1 基于MBD 零件工藝過程信息表達(dá)方法

為了更好地實現(xiàn)數(shù)字化設(shè)計制造，需要將工藝信息整合到綜合MBD模型中，最好是在設(shè)計階段同時完成工藝過程信息的設(shè)計。在綜合信息模型中工藝設(shè)計雖然依據(jù)三維數(shù)模，并添加到綜合信息模型中，但工藝信息的主要內(nèi)容沒有本質(zhì)變化。在工藝過程中包括工藝說明、工序等，工序包括操作說明、加工參數(shù)、刀具設(shè)備、定位基準(zhǔn)及工藝說明等詳細(xì)的工藝過程數(shù)據(jù)。這些信息不再采用傳統(tǒng)的紙質(zhì)載體，而是集成到零件的MBD模型的結(jié)構(gòu)樹中，表達(dá)形式如圖2所示。零件綜合信息模型由“零件設(shè)計信息模型”與“零件工藝信息模型”組成，其中包含零件從設(shè)計開始的幾何與非幾何信息到加工過程中的工藝信息、工裝信息和資源設(shè)備信息等，即包含零件生命周期的全部信息。零件添加工藝過程信息后的綜合信息模型如圖3所示。

圖2 零件工藝過程信息表達(dá)方法

圖3 零件綜合信息模型

2.2 基于MBD 零件工藝過程信息設(shè)計方法與配套資源

傳統(tǒng)的CAPP技術(shù)通過獨(dú)立的軟件平臺實現(xiàn)。而對于本文提出的工藝過程信息表示方法是將工藝信息直接按規(guī)范添加到零件模型中，形成零件綜合信息模型，因而可以將CAPP設(shè)計平臺整合到CAD軟件中，對于CATIA表示的零件，CAPP可以作為CATIA的一個模塊進(jìn)行無縫連接。CAPP在使用的過程中可以通過CATIA二次開發(fā)的信息快速檢索與分析模塊獲取信息，用于CAPP的設(shè)計過程中使用，其他的工藝知識、標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、設(shè)備、工具、標(biāo)準(zhǔn)件等通過數(shù)據(jù)庫的形式服務(wù)于CAPP。具體工藝設(shè)計數(shù)據(jù)流程如圖4所示。

2.3 基于MBD 零件工藝過程信息提取與重組技術(shù)

本文提出的工藝過程信息表達(dá)方法應(yīng)用結(jié)果是獲得零件綜合信息模型，在“零件設(shè)計信息模型”基礎(chǔ)上添加工藝過程信息，因此，在綜合信息模型中包括了設(shè)計信息和全部的工藝信息，CAPP設(shè)計的結(jié)果全部包括在綜合信息模型中，建立了零件制造的唯一數(shù)據(jù)源，該方法適合數(shù)字化制造的體系，有效地解決傳統(tǒng)的工藝信息與產(chǎn)品數(shù)模分離的問題。在工藝過程信息生成后，結(jié)構(gòu)樹上每個工藝節(jié)點(diǎn)都關(guān)聯(lián)著相應(yīng)的工藝過程信息及該工藝過程對應(yīng)的三維零件輔助模型的路徑和名稱，工藝人員可以隨時選擇查看及根據(jù)權(quán)限修改各個工序?qū)?yīng)的工藝信息。

圖4 工藝設(shè)計數(shù)據(jù)流程

為了適應(yīng)現(xiàn)場工人的習(xí)慣，可以將綜合信息模型中的工藝信息進(jìn)行提取和重組，以傳統(tǒng)紙質(zhì)版格式表示。綜合信息模型相當(dāng)于一個數(shù)據(jù)庫，在CATIA環(huán)境下通過二次開發(fā)可以按MBD規(guī)范提取工藝信息，將工藝信息存儲在后綴為MXL的中間文件中，用于離線生成工藝文件，也可以直接在CATIA環(huán)境下生成工藝文件?；贛BD 零件工藝過程信息提取與重組流程如圖5所示。

圖5 零件信息提取與重組流程

3 結(jié)論

本文提出的“基于MBD零件工藝過程信息表達(dá)方法”，適合數(shù)字化制造的需求和技術(shù)體系要求，有效地保證數(shù)字化制造的統(tǒng)一數(shù)據(jù)源，解決目前國內(nèi)航空企業(yè)數(shù)字化制造中設(shè)計模型與工藝信息關(guān)聯(lián)性差的問題。該方法的應(yīng)用將適合新的三維數(shù)字化CAPP設(shè)計需要，通過工藝信息提取和重組技術(shù)可以適應(yīng)傳統(tǒng)的習(xí)慣，使工人和工藝人員更容易接受?；贛BD零件工藝過程信息表達(dá)方法設(shè)計的零件綜合信息模型可以作為三維可視化CAPP的基礎(chǔ)。

[1] 姜洪明,張豐華,吳慧杰,等.MBD技術(shù)實施研究[J].制造自動化,2012(12)∶1-3.

[2] 劉艷斌,趙海兵.基于3D-CAPP 技術(shù)及其發(fā)展研究[J].機(jī)械制造,2006,44(9)∶14-16.

[3] 張振明.現(xiàn)代CAPP的應(yīng)用與發(fā)展趨勢[J].CAD/CAM與制造業(yè)信息化,2004(1)∶30-31.

[4] 賈曉亮.關(guān)于MBD技術(shù)在我國航空制造企業(yè)應(yīng)用的幾點(diǎn)思考[J].航空制造技術(shù),2013∶50-54.

[5] 馮廷廷,金霞,王珉.基于MBD的飛機(jī)裝配工藝模型設(shè)計[J]. 航空制造技術(shù),2010∶95-98.

[6] 鄭艷銘.基于MBD技術(shù)的工藝設(shè)計[J].CAD/CAM與制造業(yè)信息化,2012(12)∶60-63.

[7] 張榮霞,張樹生,周競濤.基于MBD的零件制造模型管理[J].航空制造技術(shù),2012(7)∶6-9.

[8] 余志強(qiáng),陳嵩,孫煒.基于MBD的三維數(shù)模在飛機(jī)制造過程中的應(yīng)用[J].航空制造技術(shù),2009∶82-85.

[9] 徐正,張國軍,邵新宇.三維環(huán)境下CAD/CAPP集成方法研究與實踐[J].機(jī)械設(shè)計與制造,2008(8)∶54-58.

[10] 安魯陵,金霞.基于三維模型定義技術(shù)應(yīng)用的思考[J].航空制造技術(shù),2011(12)∶45-47.