復(fù)雜機(jī)電產(chǎn)品全三維工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)研究

陳興玉， 張祥祥， 程五四， 張紅旗

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088)

復(fù)雜機(jī)電產(chǎn)品全三維工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)研究

陳興玉， 張祥祥， 程五四， 張紅旗

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088)

針對(duì)目前復(fù)雜機(jī)電產(chǎn)品中高精度、薄壁及異形復(fù)雜腔體類零件加工工藝復(fù)雜，設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)及后續(xù)車間制造檢驗(yàn)工人識(shí)圖不直觀等問題，提出并構(gòu)建了基于MBD的C/S、B/S混合架構(gòu)全三維工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)。闡述了系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)和實(shí)施工作流程。詳細(xì)研究了設(shè)計(jì)工藝MBD模型構(gòu)建過程中單元信息標(biāo)識(shí)、組合框格標(biāo)識(shí)、三維標(biāo)注、動(dòng)態(tài)工藝模型構(gòu)建以及全三維工藝規(guī)程卡構(gòu)建關(guān)鍵技術(shù)。最后，給出了開發(fā)與應(yīng)用實(shí)例。研究結(jié)果表明，該系統(tǒng)能使設(shè)計(jì)制造過程基于統(tǒng)一全三維模型源，有效縮短了傳統(tǒng)3D→2D→3D過程總研制周期，降低了研制成本。

基于模型的定義；工藝信息組合框格；三維標(biāo)注；動(dòng)態(tài)工藝模型；全三維工藝規(guī)程卡

傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造過程為：①由設(shè)計(jì)工程師根據(jù)客戶需求構(gòu)建出三維數(shù)字化實(shí)體模型來描述其幾何形狀信息；②轉(zhuǎn)化為二維工程圖，并在工程圖中定義相應(yīng)的工程語義信息，包含尺寸參數(shù)、公差和制造工藝等信息；③工藝設(shè)計(jì)師基于二維CAPP進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)；④車間加工、檢驗(yàn)師基于打印出的二維工藝卡片、工程圖和生產(chǎn)信息卡等進(jìn)行工件的加工、檢測(cè)與裝配等操作。此過程涉及到信息的重復(fù)輸入和多次轉(zhuǎn)換，同時(shí)對(duì)一些飛機(jī)鈑金件等零件，二維工程圖表達(dá)和傳遞的只是模擬量，并不是精確的數(shù)字量，因而會(huì)影響到加工的精度。主要問題體現(xiàn)在[1]：①現(xiàn)有工藝設(shè)計(jì)方法無法有效地利用設(shè)計(jì)模型中的信息，現(xiàn)行工藝設(shè)計(jì)過程是基于傳統(tǒng)二維 CAPP軟件進(jìn)行的二維模式，而其無法有效地和商業(yè)三維CAD軟件無縫集成并繼承和獲取三維設(shè)計(jì)模型中的設(shè)計(jì)、制造相關(guān)屬性信息，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工藝設(shè)計(jì)過程相脫節(jié)。當(dāng)設(shè)計(jì)模型發(fā)生變更時(shí)，工藝模型則需要手工進(jìn)行更改，產(chǎn)品數(shù)據(jù)的一致性和完整性得不到保證。②二維工藝設(shè)計(jì)知識(shí)的表達(dá)、獲取和管理困難?；诙SCAPP軟件進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)于工序/工步過程中所用的機(jī)床、加工刀具和工裝夾具等基本都采用文字和簡(jiǎn)易符號(hào)進(jìn)行描述，而不能基于三維模型，直觀準(zhǔn)確地表達(dá)出相互之間的裝配定位關(guān)系，制約了工藝設(shè)計(jì)過程知識(shí)的表達(dá)、獲取和管理。③大量二維紙質(zhì)工程圖紙的維護(hù)工作量大，管理工作困難。產(chǎn)品研制過程會(huì)產(chǎn)生大量的二維打印并曬制的藍(lán)圖，其圖紙的維護(hù)、管理和查找將耗費(fèi)大量的人力和時(shí)間成本。④復(fù)雜零部件的關(guān)鍵特征屬性難以表現(xiàn)，工藝性檢驗(yàn)難度大。傳統(tǒng)的二維工藝設(shè)計(jì)對(duì)一些曲線曲面表達(dá)不夠充分，同時(shí)在工藝性評(píng)價(jià)和審查時(shí)，需要由審查者在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖紙中獲取待審圖紙的特征信息，逐一進(jìn)行人工審查。此過程繁瑣耗時(shí)，且不精確。⑤不能有效地支持NC技術(shù)的實(shí)施。二維工程圖不能有效地支持?jǐn)?shù)控加工過程模擬仿真和NC代碼的生成。而若工藝設(shè)計(jì)制造過程基于三維模型，則部分零件可直接進(jìn)入制造，縮短了產(chǎn)品研制周期。

鑒于此，部分學(xué)者圍繞基于模型的定義(model based definition，MBD)技術(shù)，提出了面向三維模型下車間的部分單點(diǎn)環(huán)節(jié)解決方案[2-7]，但未提出一套完整的系統(tǒng)解決方案。本文提出并構(gòu)建了基于MBD的全三維工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)(three dimension-computer aided process planning，3D-CAPP)，以期打通產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造數(shù)據(jù)鏈，使設(shè)計(jì)模型與工藝模型相集成，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)與加工制造過程能基于統(tǒng)一數(shù)據(jù)源，提高企業(yè)產(chǎn)品的研制效率，降低研制成本。

1　系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

如圖1所示，整個(gè)系統(tǒng)采用C/S和B/S混合架構(gòu)，可分為 4層：數(shù)據(jù)層、平臺(tái)層、業(yè)務(wù)層和界面層。下面分層進(jìn)行闡述。

圖1　系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

1.1數(shù)據(jù)層

數(shù)據(jù)層提供共享的數(shù)據(jù)資源，是系統(tǒng)的支撐和基礎(chǔ)，能夠很好地支持系統(tǒng)的開發(fā)和運(yùn)行。

(1) 工藝信息基礎(chǔ)庫(kù)是指工藝設(shè)計(jì)過程中需用到的基礎(chǔ)信息，包含有加工方式、設(shè)備信息、刀具信息、夾具信息、材料信息和切削液等。該庫(kù)一般由系統(tǒng)管理員負(fù)責(zé)維護(hù)，可根據(jù)需要進(jìn)行相關(guān)信息的增加、修改和刪除等操作。

(2) 產(chǎn)品工藝庫(kù)是指具體產(chǎn)品零件的加工工藝過程信息，包含有產(chǎn)品構(gòu)成零部件模型信息、工序信息、工步信息、狀態(tài)信息、審簽信息等，一般在工藝設(shè)計(jì)過程中動(dòng)態(tài)產(chǎn)生。

1.2平臺(tái)層

系統(tǒng)中三維工藝設(shè)計(jì)功能模塊基于 Pro/E Wildfire 5.0平臺(tái)底層API函數(shù)開發(fā)完成，并通過*.dll功能插件方式加載到Pro/E Wildfire 5.0平臺(tái)中，實(shí)現(xiàn)與該平臺(tái)的無縫集成。

系統(tǒng)中三維工藝管理功能模塊內(nèi)嵌集成到PDMLink 9.1平臺(tái)中，并和該平臺(tái)共享相應(yīng)的用戶角色與權(quán)限，實(shí)現(xiàn)與該平臺(tái)的相互信息交互。同樣，三維工藝設(shè)計(jì)功能模塊基于Pro/E Wildfire 5.0平臺(tái)，與PDMLink 9.1平臺(tái)也存在著信息交互，如結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型的下載、動(dòng)態(tài)工藝模型的檢入等。

1.3業(yè)務(wù)層

該層主要包含有兩大子功能：三維工藝設(shè)計(jì)功能和三維工藝管理功能。

(1) 三維工藝設(shè)計(jì)功能主要實(shí)現(xiàn)基于三維設(shè)計(jì)模型進(jìn)行全三維工藝設(shè)計(jì)，構(gòu)建出面向加工制造過程的系列工序/工步模型，并在對(duì)應(yīng)三維工藝模型上標(biāo)注出對(duì)應(yīng)工序/工步的加工制造信息。主要包含有工藝路線創(chuàng)建、動(dòng)態(tài)工藝模型構(gòu)建及工藝信息標(biāo)注等子功能模塊。該功能模塊采用傳統(tǒng)的C/S架構(gòu)開發(fā)，在C/S架構(gòu)下，客戶端的智能性、交互性和快速操作性較好，可有效滿足工藝設(shè)計(jì)過程的頻繁交互需求。

(2) 三維工藝管理功能主要實(shí)現(xiàn)工藝基礎(chǔ)信息的維護(hù)、三維工藝規(guī)程卡的瀏覽及全三維工藝設(shè)計(jì)結(jié)果的審簽等。主要包含有設(shè)計(jì)任務(wù)的接收、三維工藝規(guī)程卡瀏覽和工藝資源管理等子功能模塊。該功能模塊采用 B/S架構(gòu)開發(fā)(B/S架構(gòu)是對(duì)C/S架構(gòu)的一種改進(jìn)，具有廣泛的信息發(fā)布能力，簡(jiǎn)化了客戶端的配置)，并內(nèi)嵌集成到PDMLink 9.1平臺(tái)中。

1.4界面層

該層是提供給工藝設(shè)計(jì)人員、工藝定額人員、工藝審核人員及車間工人等操作與使用三維工藝設(shè)計(jì)和三維工藝管理功能模塊的平臺(tái)。其中，工藝設(shè)計(jì)人員通過Pro/E Wildfire 5.0平臺(tái)功能插件界面使用三維工藝設(shè)計(jì)模塊相關(guān)功能；工藝定額人員基于Web化全三維工藝規(guī)程卡界面對(duì)工時(shí)定額值進(jìn)行計(jì)算與賦予；工藝審核人員通過用戶名登錄，基于Web頁面進(jìn)行相關(guān)工藝過程的電子化審簽；車間加工、檢驗(yàn)人員可通過三維工藝規(guī)程卡快速獲取相關(guān)工件的待加工檢驗(yàn)信息。

2　系統(tǒng)工作流程

系統(tǒng)工作流程?？偣部煞譃?3大流程(如圖2所示)：①工藝設(shè)計(jì)任務(wù)的分解與管理。該過程基于PDMLink 9.1操作，根據(jù)事先定義的任務(wù)分解及相關(guān)權(quán)限，工藝設(shè)計(jì)師從任務(wù)列表中獲取自己待要完成的全三維工藝設(shè)計(jì)任務(wù)；②全三維工藝設(shè)計(jì)。該過程主要是工藝設(shè)計(jì)師收到對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)任務(wù)后，基于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型，進(jìn)行全三維工藝規(guī)程包的創(chuàng)建，具體包含工藝路線的創(chuàng)建、各工序/工步加工特征的構(gòu)建及相關(guān)工藝參數(shù)的標(biāo)注等，最后將全三維工藝規(guī)程包發(fā)布并檢入到PDMLink 9.1系統(tǒng)中；③全三維工藝管理。該過程主要是零件全三維工藝設(shè)計(jì)過程完成后，不同角色權(quán)限人員，如管理員、工藝設(shè)計(jì)師、定額員等所進(jìn)行的資源維護(hù)、審核會(huì)簽等活動(dòng)，最后形成的符合加工制造要求的全三維工藝規(guī)程卡發(fā)布到車間可視化終端供車間工人瀏覽。

3　關(guān)鍵技術(shù)

3.1設(shè)計(jì)制造信息定義

MBD在實(shí)施過程中主要涉及到兩大關(guān)鍵技術(shù)：設(shè)計(jì)制造信息的標(biāo)識(shí)以及基于三維模型的標(biāo)注技術(shù)，下面分別進(jìn)行闡述。

3.1.1設(shè)計(jì)制造信息標(biāo)識(shí)

(1) 設(shè)計(jì)信息標(biāo)識(shí)。對(duì)于設(shè)計(jì)信息，如模型的尺寸、幾何公差及表面粗糙度等的符號(hào)化標(biāo)識(shí)，目前國(guó)內(nèi)已有相關(guān)的國(guó)家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了相關(guān)的規(guī)定，如《GB/T 1182-2008產(chǎn)品幾何技術(shù)規(guī)范(GPS)幾何公差形狀、方向、位置和跳動(dòng)公差標(biāo)注》和《GB/T 17851-2010產(chǎn)品幾何技術(shù)規(guī)范(GPS) 幾何公差 基準(zhǔn)和基準(zhǔn)體系》等。

(2) 制造信息標(biāo)識(shí)。對(duì)于面向加工制造的工藝信息符號(hào)化表達(dá)與標(biāo)識(shí)，目前已有部分相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其進(jìn)行了規(guī)定。如《GB/T 3167-1993 金屬切削機(jī)床操作指示形象化符號(hào)》規(guī)定了各種工藝加工方法符號(hào)的形狀等，但并未給出具體符號(hào)繪制方法。而《GB/T 14690-1993》等系列標(biāo)準(zhǔn)則規(guī)定了符號(hào)及文本的字體、線寬、比例等細(xì)節(jié)要素。

鑒于此，本文將以上兩類標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行結(jié)合，并充分利用已經(jīng)符號(hào)化的標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)目前國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)中沒有符號(hào)規(guī)定的工藝信息，考慮實(shí)際工藝和加工過程情況，采用新建符號(hào)或文本方式進(jìn)行標(biāo)識(shí)，最后在CAD平臺(tái)上進(jìn)行工藝信息符號(hào)的固化，如圖3所示。

圖2　系統(tǒng)工作流程

圖3　工藝信息單元符號(hào)制定方法

以上所闡述的只是針對(duì)工序或工步加工過程信息中工藝加工方法或刀具類型等單元信息的符號(hào)化標(biāo)識(shí)，而要實(shí)現(xiàn)由傳統(tǒng)的二維工藝卡片向基于全三維工藝模型進(jìn)行信息表達(dá)的跨越，必須解決如何將工序或工步多維度信息：工藝加工方法、工藝參數(shù)、設(shè)備信息及切削參數(shù)等完整直觀地表達(dá)在工藝MBD模型上。本文提出采用柔性組合碼的方式來實(shí)現(xiàn)，對(duì)于工序或工步過程所涉及的工藝加工方法等單元信息設(shè)置為單個(gè)碼段，且各個(gè)碼段可根據(jù)需要選擇顯示或不顯示，如表1所示。表中各碼段的含義為：①數(shù)量：本道工序/工步參數(shù)所加工特征對(duì)象的數(shù)量，當(dāng)數(shù)量為“1×”時(shí)，可省略；②加工方式：加工所采用的工藝加工方法，如車削、銑削等；③設(shè)備：本道工序/工步所選用的機(jī)床等設(shè)備；④刀具類型：加工所采用的刀具類型，如車刀、銑刀等；⑤刀具參數(shù)：本道工序/工步使用刀具的幾何參數(shù)，如前角、后角等；⑥切削參數(shù)：本道工序/工步加工所選用的切削用量參數(shù)，如切削深度、切削速度等；⑦切削液類型：加工過程所選用的切削液種類；⑧備注：其他備注說明。

表1　工藝信息框格

(3) 加工面顏色處理。三維模型相比于二維工程圖更加形象直觀，其原因之一在于三維模型可以任意添加面顏色。在工藝信息的表達(dá)過程中，可以對(duì)待加工面或熱處理等特殊工藝進(jìn)行特定區(qū)域添加顏色的方法來幫助車間加工工人理解：①待加工面顏色表示：通過在待加工特征面上賦予特定的顏色，以突出顯示；②熱處理和涂覆油漆工藝顏色表示：熱處理和涂覆油漆過程沒有對(duì)象幾何特征的變化，標(biāo)注的方法是對(duì)熱處理和涂覆油漆部位用顏色突出表示，然后添加相應(yīng)的文字進(jìn)行注釋說明。具體的顏色可根據(jù)企業(yè)的實(shí)際情況而定制。

3.1.2設(shè)計(jì)制造信息三維標(biāo)注

(1) 信息全三維標(biāo)注。設(shè)計(jì)信息包含有產(chǎn)品的尺寸信息、幾何公差信息和表面粗糙度等信息。成熟商業(yè)三維CAD軟件，如Pro/E等提供了其相應(yīng)的獲取與標(biāo)注功能，但是其符號(hào)和標(biāo)注結(jié)果不符合相關(guān)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。鑒于此，通過對(duì)Pro/E軟件進(jìn)行二次開發(fā)，并基于 GB/T 24734-2009標(biāo)準(zhǔn)[8]規(guī)定的基于三維模型的標(biāo)注規(guī)則，構(gòu)建了符合相應(yīng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的諸如基準(zhǔn)、表面粗糙度和幾何公差等標(biāo)注模塊，使設(shè)計(jì)師能快速準(zhǔn)確地標(biāo)注出相關(guān)設(shè)計(jì)信息。對(duì)于加工制造過程中涉及的加工方法、設(shè)備和刀具等信息，在Pro/E平臺(tái)基礎(chǔ)上開發(fā)了工藝信息框格動(dòng)態(tài)生成及標(biāo)注模塊，該模塊能讓工藝設(shè)計(jì)人員柔性定制組合符合各碼段信息，并動(dòng)態(tài)生成工藝信息框格，最后基于GB/T 24734-2009標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的相關(guān)指引線、標(biāo)注平面及框格相關(guān)要求進(jìn)行工藝信息框格的三維標(biāo)注。工藝信息框格應(yīng)能滿足同幾何模型進(jìn)行同步旋轉(zhuǎn)和縮放、同其它標(biāo)注信息進(jìn)行成組表達(dá)及布局美觀等要求。

(2) 標(biāo)注信息管理。若零件各工序或工步包含有大量的非幾何制造信息，采用三維標(biāo)注將其與模型關(guān)聯(lián)在一起顯示，將形成信息錯(cuò)綜復(fù)雜且較混亂的標(biāo)注集，不方便使用者的信息獲取。鑒于此，必須要對(duì)非幾何制造信息進(jìn)行相應(yīng)的組織和管理，適時(shí)有序地顯示與隱藏各標(biāo)注信息。本文基于Pro/E平臺(tái)，構(gòu)建了面向信息分層分視圖顯示的組合視圖，如圖4所示。圖4中顯示了模型三維標(biāo)注的視圖管理方法：模型三維標(biāo)注集信息可以由組合視圖展示，包含有與二維模式相同的俯視圖、左視圖等基本視圖，用戶自定義方向視圖和展示內(nèi)部結(jié)構(gòu)的剖面視圖，其中“模型表示狀態(tài)”展示了模型的表達(dá)復(fù)雜度：“層狀態(tài)”展示了模型三維標(biāo)注時(shí)尺寸信息、幾何公差信息及工藝信息框格等信息所隸屬的層的顯示或隱藏的狀態(tài)，進(jìn)而控制標(biāo)注信息能根據(jù)使用者的需要進(jìn)行分層顯示；“方向狀態(tài)”展示了三維標(biāo)注時(shí)模型的定向方位，包含有俯視方向、主視方向、左視方向和自定義方向等，自定義方向是為了根據(jù)使用者的需要所設(shè)定的具有自定義角度的模型方位，其所關(guān)聯(lián)的標(biāo)注信息可放置于相關(guān)的用戶自定義基準(zhǔn)面上；“剖面”可以有效地表達(dá)模型的內(nèi)部較復(fù)雜的特征結(jié)構(gòu)，如多級(jí)階梯孔等。

圖4　三維標(biāo)注組合控制方法

3.2動(dòng)態(tài)工藝模型構(gòu)建

動(dòng)態(tài)工藝模型的構(gòu)建是全三維工藝設(shè)計(jì)過程中的關(guān)鍵技術(shù)，部分學(xué)者對(duì)動(dòng)態(tài)工藝模型的快速構(gòu)建進(jìn)行了研究[5-7]，但是操作直觀性、操作效率和結(jié)果準(zhǔn)確性有待考證。本文基于設(shè)計(jì)模型和工藝模型，可視直觀地構(gòu)建三維工序/工步模型，提高了工藝設(shè)計(jì)師的操作效率，重用了設(shè)計(jì)模型中攜帶的部分工藝特征信息。

定義1. 動(dòng)態(tài)工藝模型：指基于設(shè)計(jì)模型，按照實(shí)際加工制造過程模擬構(gòu)建的系列工序/工步集成標(biāo)注模型。

定義2. 制造組件：指將設(shè)計(jì)模型和毛坯模型進(jìn)行同位置裝配，所獲得的裝配體。該組件便于在同一裝配環(huán)境下，基于毛坯模型，直觀參照和重用設(shè)計(jì)模型，按照實(shí)際加工過程構(gòu)建相應(yīng)工序/工步加工特征。

面向普通機(jī)加工的動(dòng)態(tài)工藝模型構(gòu)建過程如圖5所示。首先基于設(shè)計(jì)模型(當(dāng)面向數(shù)控加工工藝設(shè)計(jì)時(shí)，則需要下載復(fù)制設(shè)計(jì)模型，并進(jìn)行變型重構(gòu)，詳細(xì)過程見文獻(xiàn)[9]闡述)，創(chuàng)建方形或圓形的毛坯模型(設(shè)計(jì)模型的最小方形或圓形包絡(luò)塊)，并可預(yù)留出加工余量；同時(shí)將毛坯模型和設(shè)計(jì)模型進(jìn)行同位置裝配(指毛坯模型在去除預(yù)留加工余量情況下，最大外形輪廓和設(shè)計(jì)模型相重合)，形成制造組件。其次，基于毛坯模型特征進(jìn)行各工序/工步加工特征的構(gòu)建，進(jìn)而形成建模特征順序符合加工過程的工藝模型，并在各工序/工步加工特征構(gòu)建完后，添加對(duì)應(yīng)的注釋特征(三維標(biāo)注對(duì)應(yīng)的工藝信息)，如圖5所示。針對(duì)各工序/工步加工特征的構(gòu)建，本文采用了3種快捷構(gòu)建方法：拉伸切除法、曲面切割法和特征復(fù)制法。將構(gòu)建的工藝加工特征和對(duì)應(yīng)注釋特征掛接到工藝規(guī)程樹對(duì)應(yīng)工序/工步節(jié)點(diǎn)下，集成工藝模型進(jìn)行可視化發(fā)布，形成系列標(biāo)注有工藝信息的動(dòng)態(tài)工藝模型，即：①拉伸切除法適用于平面類規(guī)則加工特征的構(gòu)建，選擇相應(yīng)的加工特征創(chuàng)建目標(biāo)零件，即毛坯模型，以毛坯模型上相應(yīng)的面作為草繪面，直觀利用裝配在一起的設(shè)計(jì)模型相關(guān)的點(diǎn)、線和面作為草繪截面的繪制參考，最后選擇終止平面或指定特定的拉伸深度，切除生成相應(yīng)的工序/工步特征；②曲面切割法對(duì)于非平面(曲面)類特征，可以使用面組切割法來生成。面組切割選擇的是設(shè)計(jì)模型上的封閉曲面族，切除的是對(duì)應(yīng)毛坯模型上的材料；③特征復(fù)制法適用于在設(shè)計(jì)模型上存在著能直接滿足制造要求的各工序/工步加工特征，如孔、槽特征等，則可以將該特征直接復(fù)制到目標(biāo)工藝模型同位置處。

圖5　動(dòng)態(tài)工藝模型構(gòu)建過程

3.3全三維工藝模型發(fā)布

全三維工藝信息的發(fā)布包含有動(dòng)態(tài)工藝幾何模型及相關(guān)標(biāo)注信息等的發(fā)布與存儲(chǔ)(如圖 5所示，將.prt格式的動(dòng)態(tài)集成工藝模型發(fā)布轉(zhuǎn)化成.pvz格式的系列輕量化工序/工步模型)、全三維工藝信息獲取及瀏覽界面的定制。對(duì)于動(dòng)態(tài)工藝幾何模型及相關(guān)標(biāo)注信息等的發(fā)布，則是基于工藝規(guī)程樹，由下至上，逐層遞歸遍歷發(fā)布生成面向加工制造過程的輕量化格式的工序、工步模型，且相應(yīng)的加工特征部位進(jìn)行著色處理，以突出顯示。

待可視輕量化動(dòng)態(tài)工藝模型生成并存儲(chǔ)到PDM中后，必須再通過構(gòu)造Web化的全三維工藝規(guī)程卡，并發(fā)布到車間終端，才能使加工工人快速直觀地獲取所需加工信息。文中對(duì)于全三維工藝過程信息的Web化發(fā)布采用了B/S模式。該模式是隨著Internet技術(shù)的興起，對(duì)C/S模式的一種改進(jìn)，有效克服了 C/S模式的客戶端臃腫、安全性差、維護(hù)困難等缺點(diǎn)。圖 6所示為全三維工藝規(guī)程卡模板，后續(xù)可通過實(shí)時(shí)觸發(fā)調(diào)取PDM平臺(tái)中相關(guān)的輕量化模型和參數(shù)信息，生成供車間工人瀏覽的全三維工藝規(guī)程卡實(shí)例。

全三維工藝規(guī)程卡模板的標(biāo)題區(qū)主要記錄了零件的圖號(hào)、名稱及版本等信息；材料區(qū)主要記錄并顯示了該零件的材料屬性，包括材料編碼、材料名稱、材料牌號(hào)及材料規(guī)格等；工藝規(guī)程樹區(qū)展示了零件的加工序列，由工序/工步節(jié)點(diǎn)構(gòu)成；輕量化模型展示區(qū)主要展示了零件的各工序/工步輕量化發(fā)布模型，涵蓋了該工序/工步待加工信息，并通過顏色高亮顯示所需加工的特征，車間工人可通過該區(qū)域放大、旋轉(zhuǎn)等操作，清晰直觀地獲取所需加工信息；文本區(qū)主要描述了該道工序/工步相關(guān)的加工過程參數(shù)信息，包括工序/工步名稱、切削液、加工參數(shù)等過程信息；定額區(qū)主要讓定額人員根據(jù)工藝規(guī)程樹和工藝發(fā)布結(jié)果，賦予準(zhǔn)結(jié)及單件等定額信息；簽審區(qū)主要是針對(duì)不同角色人員，如工藝設(shè)計(jì)師、定額員等，通過在簽審區(qū)提交自己的意見，完成工藝審核。

圖6　全三維工藝規(guī)程卡模板

4　應(yīng)用實(shí)例

基于以上所闡述的相關(guān)理論和方法，本文以C++為開發(fā)語言，以Visual Studio 2005作為開發(fā)工具，利用Pro/Toolkit二次開發(fā)工具包對(duì)三維CAD軟件Pro/E進(jìn)行了二次開發(fā)，定制實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜機(jī)電產(chǎn)品全三維工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)(3D-CAPP)。該系統(tǒng)包含有工藝規(guī)程規(guī)劃模塊、工藝模型構(gòu)建模塊(毛坯模型生成)、工序/工步加工特征創(chuàng)建模塊、設(shè)計(jì)工藝信息標(biāo)注模塊和工藝結(jié)果發(fā)布模塊。以某一殼體為應(yīng)用研究對(duì)象(如圖7所示)，首先結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員通過調(diào)用系統(tǒng)全三維標(biāo)注工具(圖7中a部分)，對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型進(jìn)行尺寸、形位公差等的標(biāo)注，并檢入到PDM系統(tǒng)中。在進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)時(shí)，工藝設(shè)計(jì)師首先從PDM系統(tǒng)中下載帶有標(biāo)注的三維設(shè)計(jì)模型，然后基于設(shè)計(jì)模型進(jìn)行工藝規(guī)程的規(guī)劃，確定殼體零件的相關(guān)各工序/工步節(jié)點(diǎn)名稱，如圖7中b部分中的各工序節(jié)點(diǎn)：備料、鉗、熱處理等。接著進(jìn)行毛坯模型的創(chuàng)建，依據(jù)設(shè)計(jì)模型的最大包絡(luò)輪廓，生成相應(yīng)的方形毛坯模型，尺寸為106×66×18，并將毛坯模型與設(shè)計(jì)模型同位置裝配在一起，生成相應(yīng)的制造組件。后續(xù)以設(shè)計(jì)模型為構(gòu)建直觀參照，利用拉伸去材料法、曲面切割法和特征復(fù)制法進(jìn)行相應(yīng)工序/工步加工特征的創(chuàng)建，如圖7中f部分所示。為生成完整的工藝MBD模型，下一步需對(duì)生成的工序/工步幾何模型進(jìn)行相應(yīng)的工藝過程信息標(biāo)注，包含工藝信息組合框格和文字注釋信息等的標(biāo)注。如圖7中d部分所示，對(duì)于工藝信息組合框格的標(biāo)注，設(shè)計(jì)師可以提前預(yù)覽定制的柔性組合碼。最后，基于圖7中e部分將構(gòu)建的完整工藝 MBD模型發(fā)布并檢入到PDM系統(tǒng)中，以便于后續(xù)全三維工藝規(guī)程卡的生成與調(diào)用。在PDM中設(shè)計(jì)工藝信息是進(jìn)行關(guān)聯(lián)存儲(chǔ)的。圖7中h部分所示為發(fā)布生成的系列可視輕量化的工序/工步集成模型，如“銑內(nèi)腔”、“鉆底孔”和“銑側(cè)壁方腔”等工序/工步集成模型。圖7中k部分所示為提取與調(diào)用PDM系統(tǒng)中存儲(chǔ)的輕量化工序/工步模型和相關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)表中信息，由全三維工藝規(guī)程卡模板派生生成的殼體零件的全三維工藝規(guī)程卡實(shí)例。車間加工工人可以基于全三維工藝規(guī)程卡進(jìn)行相應(yīng)待加工信息的直觀獲取。

5　結(jié) 束 語

本文系統(tǒng)地提出并構(gòu)建了基于 MBD的混合架構(gòu)式三維工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)，并對(duì)該系統(tǒng)構(gòu)建與實(shí)施過程中涉及的工藝信息標(biāo)識(shí)及全三維標(biāo)注、動(dòng)態(tài)工藝模型構(gòu)建和全三維工藝模型可視輕量化發(fā)布關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究與突破。該系統(tǒng)能很好地解決傳統(tǒng)產(chǎn)品研制過程中 3D→2D→3D所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)鏈斷裂，以及工藝設(shè)計(jì)和車間加工制造過程信息表達(dá)不直觀等問題，實(shí)現(xiàn)了與PDM平臺(tái)的數(shù)據(jù)有效集成，縮短了產(chǎn)品的整體研制周期，降低了研制成本。后續(xù)，將深入研究基于MBD的產(chǎn)品研制過程數(shù)字化檢測(cè)。

圖7　復(fù)雜機(jī)電產(chǎn)品全三維工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例

[1] 陳興玉, 張紅旗, 陳帝江, 等. 復(fù)雜機(jī)電產(chǎn)品全三維工藝設(shè)計(jì)方法[J]. 雷達(dá)科學(xué)與技術(shù), 2010, 8(5): 474-478.

[2] Quintana V, Rivest L, Pellerin R, et al. Will model-based definition replace engineering drawings throughout the product lifecycle? A global perspective from aerospace industry [J]. Computers in Industry, 2010, 61(5): 497-508.

[3] 張祥祥, 陳興玉, 程五四, 等. 基于模型的工藝信息標(biāo)識(shí)方法研究[J]. 圖學(xué)學(xué)報(bào), 2012, 33(6): 146-150.

[4] 丘宏俊, 俞文靜. 基于產(chǎn)品三維模型的工藝設(shè)計(jì)及其可視化技術(shù)研究[J]. 中國(guó)制造業(yè)信息化, 2009, 38(11): 28-31.

[5] 石云飛, 張樹生, 成彬, 等. 工藝語義驅(qū)動(dòng)的序列三維模型構(gòu)建系統(tǒng)[J]. 計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng), 2009, 15(11): 2133-2139.

[6] 萬能, 茍園捷, 莫蓉. 機(jī)械加工 MBD毛坯模型的特征識(shí)別設(shè)計(jì)方法[J]. 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)學(xué)報(bào), 2012, 24(8): 1099-1107.

[7] 何寶興, 鄭國(guó)磊, 王自軍. 基于產(chǎn)品三維模型的工藝幾何特征快速建模方法[J]. 航空精密制造技術(shù), 2009, 45(1): 50-53.

[8] 中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局, 中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì). 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[S]. 北京: 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社, 2009.

[9] 陳興玉, 張紅旗, 曾祥宇. 面向數(shù)控加工仿真的產(chǎn)品模型變型設(shè)計(jì)研究[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造, 2013, (10): 227-228.

Technics Design System Based on Full Three-Dimensional Model for Complex Electromechanical Product

Chen Xingyu,Zhang Xiangxiang,Cheng Wusi,Zhang Hongqi
(No. 38 Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation, Hefei Anhui 230088, China)

3D-CAPP system based on the mixed construction of B/S and C/S is put forward and designed in view of the problems of machining complexity, long design cycleand unintuitive browse chart for high precision, laminose and abnormity cavity components of complex electromechanical products. The system structure and work flow are presented. The key technology of unit identification, combination sash identification and 3D annotation of technics information, dynamic technics model constitution based on manufacture process and 3D technics card constitution in building of technics MBD model is researched. Finally, an application example is provided. It is showed that by using uniform model in design and manufacture process development cycle can be shortened and cost be reduced.

model based definition; technics information combination sash; 3D annotation; dynamic technics model; 3D technics card

TH 162

A

2095-302X(2015)06-0887-09

2015-06-08；定稿日期：2015-07-31

國(guó)防基礎(chǔ)科研計(jì)劃資助項(xiàng)目(A1120131044)；國(guó)防技術(shù)基礎(chǔ)科研計(jì)劃資助項(xiàng)目(JSZL2014210B001，JSBZ2014210A005，JSBZ2014210B007)

陳興玉(1981–)，男，江蘇句容人，高級(jí)工程師，博士。主要研究方向?yàn)閿?shù)字化制造。E-mail：yuxingchen509@163.com