面向MBD環(huán)境的三維CAPP技術研究

西北工業(yè)大學CAPP與制造工程軟件研究所 辛宇鵬 田錫天 黃利江

中航工業(yè)西安航空發(fā)動機（集團）有限公司 馬光輝

隨著三維數(shù)字化設計、制造技術的發(fā)展，基于模型定義（Model Based Definition, MBD）技術逐漸在各行各業(yè)得到推廣，尤以汽車、航空行業(yè)應用最為廣泛[1]。MBD技術是將制造信息和設計信息（三維尺寸標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，用三維MBD模型取代二維工程圖，指導產(chǎn)品的設計制造全過程。MBD模式下零件設計、制造和檢驗過程明顯加快，然而它的實現(xiàn)在整個產(chǎn)品生命周期中尚未被完全采納[1]，阻礙其發(fā)展的關鍵原因是三維計算機輔助工藝規(guī)劃（Computer Aided Process Planning, CAPP）技術的缺失。工藝是連接設計與制造的“橋梁”，而目前的CAPP系統(tǒng)還停留在二維應用的階段，不能滿足MBD全三維環(huán)境的需求，因此三維CAPP技術逐漸成為近幾年學者們研究的熱點。

Sivakumar等[2]研究了三維數(shù)模在CAD/CAM/CAI集成中的應用，提出對零件特征分解，利用STEP文件實現(xiàn)信息傳遞，并通過實例進行了驗證，在技術上保證了工藝過程設計階段用MBD模型作為工藝信息載體的可行性。田富君等[3]對三維環(huán)境下機加工藝過程設計的應用模式進行探索，提出以三維機加工序模型作為工藝信息載體的思路，分析了三維環(huán)境下機加工序模型的組成元素，研究了三維機加工藝卡片的組成結(jié)構(gòu)。萬能等[4]也提出了工序模型驅(qū)動的工藝設計方法，并對與工藝自動規(guī)劃相關的特征識別技術、加工元生成技術及加工元聚類進行了研究。

以上研究工作驗證了利用MBD技術實現(xiàn)三維機加工藝設計是可行的，因此，本文在此基礎上針對機械加工（簡稱機加）工藝設計過程，從系統(tǒng)構(gòu)建的角度研究了面向MBD環(huán)境的三維CAPP技術，提出建立4層架構(gòu)的三維機加工藝設計系統(tǒng)，同時提出MBD工序模型驅(qū)動的機加工藝設計方法，通過擴展三維CAD系統(tǒng)功能，實現(xiàn)MBD環(huán)境下的三維機加工藝設計及發(fā)布。

MBD環(huán)境下三維CAPP系統(tǒng)整體架構(gòu)

三維CAPP系統(tǒng)是基于成熟三維CAD系統(tǒng)，面向機械加工特征而擴展的計算機輔助工藝規(guī)劃系統(tǒng)。

在MBD環(huán)境下三維CAPP系統(tǒng)的輸入信息是零件MBD設計模型，通過對三維模型進行加工特征識別，分析其在具體制造環(huán)境下的可加工性并確定主要加工方法，制定初步的加工工藝路線，特征識別過程可參考文獻[5]。三維工藝決策過程包括3個部分：（1）選擇性決策，如加工方法、工裝設備選擇等；（2）規(guī)劃性決策，如工序安排與排序、工步安排與排序等；（3）計算性決策，如工序尺寸計算等。三維產(chǎn)品工藝信息輸出是利用三維手段和電子文檔結(jié)合的形式，輸出三維形式的工藝信息。

為滿足三維CAPP系統(tǒng)的功能需求，本文提出建立4層架構(gòu)的三維機加工藝設計系統(tǒng)，包括用戶應用界面層、系統(tǒng)應用服務層、系統(tǒng)功能模塊層、數(shù)據(jù)層。在MBD環(huán)境下，三維CAPP系統(tǒng)的整體架構(gòu)見圖1。

（1）用戶應用界面層。系統(tǒng)應用界面層主要包括三維機加工藝設計、三維工藝文件生成以及工藝現(xiàn)場可視化應用。

（2）系統(tǒng)應用服務層。系統(tǒng)應用服務層提供了三維機加工藝設計系統(tǒng)與數(shù)據(jù)庫、功能模塊，以及和其他系統(tǒng)的集成接口。

圖1 MBD環(huán)境下的三維CAPP系統(tǒng)整體架構(gòu)

（3）系統(tǒng)功能模塊層。系統(tǒng)功能模塊層是系統(tǒng)應用服務層的基礎，主要為應用服務層提供底層支持，包括工序模型處理模塊、工藝信息管理模塊、工藝資源管理模塊、工藝知識管理模塊、工藝決策模塊和工藝優(yōu)化處理模塊。其中，工序模型處理模塊提供工序模型快速創(chuàng)建工具集，輔助工作人員在工藝設計過程中快速創(chuàng)建三維工序模型，實現(xiàn)基于工序模型的三維標注等功能。

（4）數(shù)據(jù)層。數(shù)據(jù)層用于存取、維護和管理系統(tǒng)運行過程中的機加工藝信息、制造資源信息、加工工藝知識、加工工藝參數(shù)、典型工藝知識以及MBD模型等，是進行產(chǎn)品加工工藝設計與仿真的基礎。

從這一體系架構(gòu)中可以看出，三維模型是整個體系的基礎，在三維機加工藝設計過程中，三維模型起到存儲和傳遞工藝信息的作用。然而，在三維工藝信息輸出階段，要更加清楚地表達每道工序的內(nèi)容，僅靠設計信息輸入階段的三維MBD模型是不夠的，因此本文提出一種MBD工序模型驅(qū)動的三維機加工藝設計方法，通過給每道工序建立三維模型實現(xiàn)MBD環(huán)境下的工藝信息表達與發(fā)布。

MBD工序模型驅(qū)動的三維機加工藝設計方法

MBD工序模型是在三維機加工藝設計過程中，利用MBD技術建立的包含本工序所有加工工藝信息的三維數(shù)字化實體模型，表現(xiàn)該工序的加工結(jié)果。

記MBD工序模型為Part，設備集合為M，加工方法為T，幾何參數(shù)為G，工藝裝備集合為E，工藝符號為A。則MBD工序模型的可表示為：

式中，Parti為第i道工序模型；Gi、Ei和Ai分別表示第i道工序模型表示的幾何尺寸參數(shù)、工藝裝備集合和工藝符號集合；S為第i道工序所包含的工藝裝備的個數(shù)；t為第i道工序所包含的工藝標注的個數(shù)。

圖2 MBD工序模型驅(qū)動的三維機加工藝設計過程

本文提出的三維機加工藝設計以MBD工序模型為基礎，工藝設計過程可以分為2個階段：工藝初步設計階段和工藝詳細設計階段。在工藝初步設計階段實現(xiàn)的是基于模型的工序信息定義，工藝路線通過MBD設計模型和MBD工序模型組合成的工藝樹結(jié)構(gòu)來表達；工藝詳細設計階段是對MBD工序模型定義的進一步完善，主要包括幾何建模和基于模型的工步信息定義。從這個角度理解，三維機加工藝設計的過程也是對MBD工序模型進行詳細定義的過程（圖2）。

MBD工序模型驅(qū)動的三維機加工藝設計步驟如下。

步驟1：工藝路線設計。利用特征識別技術對MBD設計模型進行特征識別，按照決策規(guī)則制定初步的工藝路線方案，建立與工序?qū)腗BD工序模型并與MBD設計模型關聯(lián)，形成MBD工藝樹實現(xiàn)工藝路線的三維表達。其中，特征識別技術的詳細介紹參考文獻[5]。

步驟2：工序編輯。采用MBD技術對工序MBD數(shù)據(jù)集進行定義，在設備庫和工裝庫的支持下，確定設備和工裝信息，編寫工序內(nèi)容。

步驟3：工序排序。按照排序規(guī)則和合并規(guī)則，對工序進行重新排序和合并，確定工藝路線。

步驟4：創(chuàng)建MBD工序模型。建立MBD工序幾何模型，初步完成MBD工序模型的定義。

步驟5：工步編輯。采用基于工序模型視圖的定義方法對工步信息進行定義，將模型視圖視為一個對象對其添加工藝屬性，在刀具庫和切削參數(shù)庫的支持下，確定刀具和切削參數(shù)信息，完成工步編輯。

步驟6：工步排序。在規(guī)則庫的支持下，對工步進行排序、合并，完成工藝過程設計，輸出MBD工序模型用于三維工藝發(fā)布。

三維可視化工藝生成技術

三維可視化工藝是以工藝MBD模型和MBD工序模型之間的結(jié)構(gòu)化描述方式、利用三維手段和電子文檔來表達工藝過程信息。將非幾何信息以屬性和注釋的形式與三維工序模型進行綁定，利用工序模型與工藝符號來表達工序加工結(jié)果和制造要求。一道工序往往由多個工步組成，本文提出采用基于模型視圖的工步定義方式，給每道工序創(chuàng)建多個模型視圖，與工步信息相對應。這種基于模型定義的工藝信息組織結(jié)構(gòu)如圖3所示。

三維可視化工藝的發(fā)布形式可分為2種：三維電子文檔發(fā)布和基于WEB發(fā)布。三維電子文檔發(fā)布是將三維模型嵌入到電子文檔工藝模板中，形成三維工藝卡片，其中的三維模型具有旋轉(zhuǎn)、縮小、放大等三維瀏覽操作的功能；基于WEB發(fā)布是將三維模型和工藝數(shù)據(jù)打包上傳到服務器，客戶端可通過網(wǎng)頁形式在線瀏覽所加工產(chǎn)品的三維模型和工藝信息。要實現(xiàn)這2種工藝發(fā)布方式，提前都需對MBD模型中的工藝信息進行提取和處理，建立工藝元素的映射關系。因此三維可視化工藝生成過程總體上可分為工藝MBD模型建立、工藝數(shù)據(jù)處理（包括數(shù)據(jù)提取、數(shù)據(jù)輸出和數(shù)據(jù)解析）和工藝元素映射等幾個階段，如圖4所示。

由于大部分工藝相關信息是以三維標注的形式直接定義在三維模型中，比如尺寸、表面粗糙度、加工要求等。在數(shù)據(jù)提取時，采用非遞歸深度優(yōu)先遍歷算法獲取結(jié)構(gòu)對象唯一標識，通過標識從結(jié)構(gòu)模型中抽取工藝信息。提取圖3中工藝樹的工藝信息具體步驟如下。

步驟1：獲取根節(jié)點對象即MBD主模型，通過標識和屬性名稱提取屬性值，獲得零件基本信息。

步驟2：采用深度優(yōu)先遍歷中的先序遍歷方法，遍歷根節(jié)點的子節(jié)點，獲取第1道工序模型標識，通過標識和屬性名提取工序基本信息和工裝基本信息等屬性信息。

步驟3：通過上步獲取的第1道工序模型標識繼續(xù)遍歷第1道工序模型所對應的所有工步視圖，獲取工步基本信息。

步驟4：重復步驟2和步驟3，依次遍歷第2道工序到第n道工序。

組織提取出的工藝信息時，依據(jù)工藝信息模型將抽取的工藝信息利用XML標記建立不同工藝信息的描述和存儲結(jié)構(gòu)，同時建立三維工藝元素之間的映射關系。

實例分析

本文以Teamcenter作為MBD模型數(shù)據(jù)管理平臺，利用Visual Studio 2008在NX6.0上開發(fā)了三維CAPP系統(tǒng)，制造資源庫在Teamcenter中構(gòu)建，三維工藝發(fā)布數(shù)據(jù)為MBD零件模型和MBD工序模型，采用基于WEB的三維發(fā)布方式與MES系統(tǒng)進行集成，以實現(xiàn)車間現(xiàn)場三維工藝可視化應用。

圖3 基于模型定義的工藝信息組織結(jié)構(gòu)

圖4 基于模型定義的三維可視化工藝生成

圖5所示為某型號航空發(fā)動機排氣導管零件在MBD環(huán)境下的三維機加工藝設計與發(fā)布過程，零件MBD模型由上游設計人員發(fā)放，工藝人員在Teamcenter中的制造工藝規(guī)劃器模塊創(chuàng)建工藝ITEM，將零件MBD模型添加在工藝ITEM下（圖5（a））。通過Teamcenter進入NX中的三維CAPP系統(tǒng)，在工藝信息輸入界面完成工藝路線的初步設計之后，自動創(chuàng)建工序模型并與零件MBD模型自動關聯(lián)形成組合體（圖5（b））。在工序模型處理模塊和制造資源庫的輔助下，定義MBD工序模型進行工藝詳細設計過程，最終同步到制造工藝規(guī)劃器中，自動生成與MBD模型裝配結(jié)構(gòu)對應的工藝樹結(jié)構(gòu)。其中工序模型處理模塊在NX中客戶化定制，制造資源庫按照企業(yè)特點在Teamcenter中建立（圖 5（c））。三維工藝的發(fā)布采用基于SOA的Web Services集成技術，發(fā)布的工藝數(shù)據(jù)為零件MBD模型和MBD工序模型，首先對PDM系統(tǒng)中三維工藝管理模塊進行Web服務封裝，部署到應用服務器，并對其進行WSDL描述，然后通過SOAP協(xié)議將其在UDDI注冊庫進行注冊和發(fā)布，服務請求者通過到UDDI注冊庫查找并發(fā)現(xiàn)服務，通過SOAP消息動態(tài)、按需獲取服務的WSDL描述文件，進行Web services調(diào)用，從而實現(xiàn)跨平臺、跨地域的應用系統(tǒng)集成，實現(xiàn)三維工藝現(xiàn)場可視化如圖5（d）。

結(jié)束語

圖5 MBD環(huán)境下三維CAPP應用實例

傳統(tǒng)的二維工藝設計應用模式無法直接利用上游設計發(fā)放的三維模型，在工藝設計階段需要經(jīng)歷二維/三維的轉(zhuǎn)換過程，這無疑加大了工藝人員工作量，并且無法為后期的數(shù)控加工以及工藝檢驗提供三維數(shù)模的支持。本文提出的MBD環(huán)境下的三維CAPP技術，可以直接利用零件MBD模型進行工藝規(guī)劃，在工藝規(guī)劃過程中建立的MBD工序模型，可以在CAM、CMM階段直接利用，實現(xiàn)CAD/CAPP/CMM/CAM的集成，為更進一步的CIMS集成技術研究奠定了基礎。