基于MBD的全三維工藝規(guī)程卡構(gòu)建研究

陳興玉，張祥祥，程五四，張紅旗

（中國電子科技集團公司第三十八研究所，合肥 230088）

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基于MBD的全三維工藝規(guī)程卡構(gòu)建研究

陳興玉，張祥祥，程五四，張紅旗

（中國電子科技集團公司第三十八研究所，合肥 230088）

摘 要：針對目前復(fù)雜機電產(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，后續(xù)車間制造裝配工人識圖不直觀等問題，提出并構(gòu)建了全三維工藝規(guī)程卡。闡述了全三維工藝規(guī)程卡的生成流程。詳細研究了三維可視輕量化模型生成、基于PDM平臺的設(shè)計工藝信息分類關(guān)聯(lián)存儲、三維工藝規(guī)程卡模板構(gòu)建及Web化實例派生關(guān)鍵技術(shù)。最后，給出了開發(fā)與應(yīng)用實例。

關(guān)鍵詞：基于模型的定義；全三維工藝規(guī)程卡；輕量化工序模型；三維工藝信息存儲

0　引言

三維CAD系統(tǒng)目前已成為企業(yè)數(shù)字化設(shè)計制造的基礎(chǔ)平臺，基于三維CAD系統(tǒng)實現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計已非常普及。然而目前的機加工工藝設(shè)計都是以二維圖紙為基礎(chǔ)進行人工編制，過分依賴工藝人員的技術(shù)水平和經(jīng)驗，設(shè)計不規(guī)范且編制周期長，二維CAPP系統(tǒng)僅僅提供一個工藝編制的平臺，輔助工藝人員生成二維工藝卡片，工藝的組織與管理比較困難，無法直觀地、交互地反映加工過程的細節(jié)與要求，給下游人員理解和使用帶來困難。

隨著MBD（Model Based Definition，基于模型的定義）技術(shù)在國內(nèi)外的迅速發(fā)展，開展三維環(huán)境的工藝設(shè)計，將尺寸、公差和幾何精度等多種類型的PMI （Product Manufacturing Information，產(chǎn)品制造信息）信息集成到三維模型中，形成全三維工藝MBD模型已成為目前數(shù)字化設(shè)計與制造的研究熱點，其旨在利用三維手段實現(xiàn)機加工工藝的設(shè)計與應(yīng)用，取消二維圖紙和工藝卡片，以三維工藝模型作為生產(chǎn)制造的唯一依據(jù)，指導(dǎo)加工。機加工三維工藝設(shè)計大體上可分為三維工藝設(shè)計、三維工藝信息管理和三維工藝現(xiàn)場應(yīng)用三個階段［1］，涉及到工藝信息標識與標注、動態(tài)工藝模型構(gòu)建、設(shè)計工藝數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)存儲和集成工藝模型可視化發(fā)布等關(guān)鍵技術(shù)。國內(nèi)已有眾多學(xué)者對全三維工藝實施過程中的工藝信息標識與標注［2，3］、動態(tài)工藝模型構(gòu)建［4～6］進行了研究，但是對于數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)存儲、全三維工藝規(guī)程卡的有效構(gòu)建等未進行有效研究。

基于此，本文基于MBD技術(shù)，提出工藝模型可視輕量化發(fā)布算法，動態(tài)生成工藝設(shè)計過程中各工序/工步所包含的可視輕量化模型和過程參數(shù)標識信息，并分類有序存儲到PDM平臺中。通過構(gòu)建全三維工藝規(guī)程卡模板，調(diào)用PDM平臺后臺模型和相關(guān)參數(shù)信息，實時生成規(guī)程卡實例，使車間工人能基于IE瀏覽器，快速直觀地獲取待制造信息。

1　全三維工藝規(guī)程卡生成流程

全三維工藝規(guī)程卡的生成過程如圖1所示。該過程主要包括三維可視輕量化模型生成、信息的存儲以及全三維工藝規(guī)程卡的網(wǎng)頁化生成三個步驟：1）三維可視輕量化模型生成，主要是在工藝設(shè)計端，將Pro/E平臺中的集成工藝模型通過一定的算法發(fā)布生成面向加工制造過程序列的可視輕量化工序/工步模型；2）信息存儲，主要是將發(fā)布生成的可視輕量化模型、工藝模型屬性參數(shù)信息等保存在PDM平臺相應(yīng)的文件夾和數(shù)據(jù)表中；3）全三維工藝規(guī)程卡生成，通過數(shù)據(jù)接口從PDM平臺中讀取輕量化工序/工步模型、工藝模型屬性參數(shù)信息，并加載到基于IE瀏覽器開發(fā)的三維工藝規(guī)程卡模板相應(yīng)區(qū)域，進而生成全三維工藝規(guī)程卡實例。

2　三維可視輕量化模型生成

三維可視輕量化模型的生成，是基于工藝模型逆向發(fā)布生成。首先在Pro/E平臺中創(chuàng)建出集成工藝模型，具體創(chuàng)建過程見另文闡述。圖2所示為由工藝模型通過動態(tài)發(fā)布，生成輕量化工序/工步模型的過程。工藝模型包含有毛坯模型特征、各工序/工步的加工特征以及對應(yīng)工序/工步的加工屬性參數(shù)信息（通過三維標注方式實現(xiàn)）。待工藝模型生成后，通過交互式掛接的方式，掛接到構(gòu)建的工藝規(guī)程各工序/工步節(jié)點上去，形成完備的工藝規(guī)程包數(shù)據(jù)。最后，通過特定的模型發(fā)布算法，逆向發(fā)布生成面向加工制造過程的系列輕量化模型。下面將重點闡述發(fā)布算法。

設(shè)某零件的三維工藝模型含有n個工序節(jié)點，第i個工序節(jié)點含有mi個工步節(jié)點（i=n，n-1，...，1，mi和n均為正整數(shù)）。輕量化動態(tài)工藝模型生成的具體算法為：

STEP1：將工藝模型復(fù)制一份作為發(fā)布基礎(chǔ)，稱為臨時工藝模型，并隱藏臨時工藝模型所有標注信息。

STEP2：基于工藝規(guī)程樹，按工序節(jié)點恢復(fù)臨時工藝模型中第i個工序節(jié)點下的所有標注信息，識別第i個工序節(jié)點下的特征并進行動態(tài)著色處理，通過發(fā)布生成第i個工序輕量化文件。

圖1　全三維工藝規(guī)程卡生成流程

圖2　三維可視輕量化模型生成過程

STEP3：判斷mi＞1是否成立。若成立則執(zhí)行STEP4，若不成立則直接執(zhí)行步驟STEP6。

STEP4：通過動態(tài)著色處理將第i個工序節(jié)點的特征恢復(fù)為初始顏色，隱藏第i個工序節(jié)點下所有標注信息，恢復(fù)第j個工步節(jié)點的標注信息，并對第j個工步節(jié)點的特征進行動態(tài)著色處理，通過發(fā)布生成第i個工序節(jié)點下的第j個工步輕量化文件（j=mi，mi-1，…，1）。

STEP5：刪除第j個工步節(jié)點的標注和特征信息，執(zhí)行j--，判斷j=0是否成立。若成立，則執(zhí)行步驟STEP6，若不成立則執(zhí)行步驟STEP4。

STEP6：刪除臨時工藝模型中第i個工序節(jié)點下的所有標注和特征信息，執(zhí)行i--，判斷i=0是否成立。若成立則發(fā)布結(jié)束，若不成立則執(zhí)行步驟STEP2。

3　信息分類存儲

圖3　全三維設(shè)計工藝信息關(guān)聯(lián)存儲結(jié)構(gòu)

如圖3所示，全三維工藝設(shè)計過程產(chǎn)生了相應(yīng)的工序/工步模型幾何特征信息、全三維標注信息和工藝設(shè)計過程信息（如工藝過程參數(shù)信息、簽審信息等）。這些信息基于上述的發(fā)布算法，發(fā)布生成相應(yīng)的可視輕量化模型和相應(yīng)的存儲在數(shù)據(jù)庫表中的工藝過程信息?？梢曒p量化模型存儲在PDM平臺中對應(yīng)文件夾下，而工藝過程信息則存儲在對應(yīng)的數(shù)據(jù)庫表中。數(shù)據(jù)庫包含有基礎(chǔ)信息庫和產(chǎn)品工藝庫?；A(chǔ)信息庫存儲了產(chǎn)品工藝設(shè)計過程中所需的最基礎(chǔ)信息，包含有材料信息、機床信息、刀具信息和工裝信息等；產(chǎn)品工藝庫存儲了具體的產(chǎn)品零件工藝設(shè)計過程動態(tài)產(chǎn)生的信息，包含基礎(chǔ)模型信息、工序過程信息和工步過程信息等。數(shù)據(jù)庫表之間存在著相互關(guān)聯(lián)關(guān)系，如工藝信息組合符號表通過加工方法編號、刀具編號和加工參數(shù)編號等分別與基礎(chǔ)信息庫中的加工方法信息表、刀具信息表和加工參數(shù)信息表相關(guān)聯(lián)。最后，在車間終端，通過信息的定區(qū)域加載與重現(xiàn)，在所構(gòu)建的全三維工藝規(guī)程卡模板中派生出產(chǎn)品零件加工工藝規(guī)程卡的特定實例，為加工制造過程做指導(dǎo)。

4　全三維工藝規(guī)程卡模板與實例生成

圖4　全三維工藝規(guī)程卡模板

圖4所示為全三維工藝規(guī)程卡模板的布局。該模板由標題區(qū)、材料區(qū)、工藝規(guī)程樹區(qū)、輕量化模型展示區(qū)、文本區(qū)、定額區(qū)和簽審區(qū)七大區(qū)域構(gòu)成。標準區(qū)主要記錄了零件的圖號、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，包括材料編號、材料名稱、材料牌號及材料規(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)點構(gòu)成；輕量化模型展示區(qū)主要展示了零件各工序/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)域方法、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，賦予準結(jié)及單件等定額信息；簽審區(qū)主要是針對不同角色人員，如工藝設(shè)計師、定額員等，通過在簽審區(qū)提交自己的意見，完成工藝審核。

可視輕量化模型以及工藝過程參數(shù)信息都已經(jīng)關(guān)聯(lián)存儲到PDM平臺中后，需要通過信息的合理提取，并進行Web化發(fā)布到車間終端，才能實現(xiàn)車間終端的Web化全三維工藝規(guī)程卡展示，便于車間工人的信息瀏覽。本文對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C/S模式的一種改進，有效克服了C/S模式的客戶端臃腫、安全性差、維護困難等缺點，如圖5所示。整個全三維工藝規(guī)程卡的Web化發(fā)布體系架構(gòu)包含了客戶端層、Web層、業(yè)務(wù)邏輯層和數(shù)據(jù)庫。客戶端層由Web瀏覽器支持，用于展示全三維工藝規(guī)程卡，其中對于輕量化工序/工步模型的展示，通過內(nèi)嵌于網(wǎng)頁的ProductView瀏覽插件實現(xiàn)。Web層中用JSP實現(xiàn)全三維工藝規(guī)程卡相關(guān)靜動態(tài)頁面的展示，用Servlet調(diào)用業(yè)務(wù)邏輯層的Service。業(yè)務(wù)邏輯層中通過Service調(diào)用實體Bean來訪問數(shù)據(jù)層相關(guān)信息，包括輕量化動態(tài)工藝模型的提取、工藝過程信息的提取和保存等。經(jīng)過逐層轉(zhuǎn)化和處理，最后將工藝過程各工序/工步節(jié)點信息返回給全三維工藝規(guī)程卡模板，以網(wǎng)頁方式展示給操作者。

圖5　全三維工藝規(guī)程卡Web化發(fā)布體系架構(gòu)

5　應(yīng)用實例

全三維工藝設(shè)計系統(tǒng)包含有工藝設(shè)計端工藝模型的生成及標注等、工藝發(fā)布端Web化全三維工藝規(guī)程卡的生成等。系統(tǒng)以Visual C++為開發(fā)語言，利用Pro/ Toolkit二次開發(fā)工具包對三維CAD軟件Pro/E進行了二次開發(fā)，定制開發(fā)了全三維工藝設(shè)計系統(tǒng)的工藝設(shè)計端功能；以JavaScript為開發(fā)語言，利用Pro/Web.Link二次開發(fā)工具包實現(xiàn)了工藝發(fā)布端的功能。以某殼體類零件（圖號為AA8.034.11152）為例，圖6所示為工藝設(shè)計端工藝規(guī)程包的生成與發(fā)布過程，包含有工藝模型的生成、工藝屬性參數(shù)信息與工序/工步節(jié)點的掛接以及工藝模型的可視輕量化發(fā)布功能。該零件工藝規(guī)程樹包含有備料、鉗和熱處理等10個工序節(jié)點，每個工序節(jié)點下又包含有相應(yīng)的工步節(jié)點。在Pro/E設(shè)計環(huán)境下生成工藝模型后，工藝設(shè)計師通過掛接方式，將對應(yīng)的工藝加工特征和屬性參數(shù)信息掛接到工序/工步節(jié)點下，生成完整的工藝規(guī)程包。后續(xù)觸發(fā)“產(chǎn)生輕量化文件”，將工藝模型逆向發(fā)布生成輕量化的工序/工步模型，“寫入數(shù)據(jù)庫”將工藝模型屬性參數(shù)信息關(guān)聯(lián)存入到PDM對應(yīng)的數(shù)據(jù)表中，“結(jié)果發(fā)布”按鈕是指將輕量化的模型信息和屬性參數(shù)信息發(fā)布并檢入存儲到PDM中對應(yīng)的文件夾和數(shù)據(jù)表中，如圖7所示。后續(xù)，觸發(fā)基于PDM平臺開發(fā)的“查看三維工藝信息”按鈕，系統(tǒng)將會基于三維工藝規(guī)程卡模板實時調(diào)取相應(yīng)的輕量化模型和過程參數(shù)信息，生成全三維工藝規(guī)程卡實例，如圖8所示。用戶基于Web化三維工藝規(guī)程卡，通過觸發(fā)工藝規(guī)程樹區(qū)相應(yīng)的工序/工步節(jié)點，實時瀏覽模型區(qū)待制造特征信息。

圖6　工藝規(guī)程包生成與發(fā)布界面

圖7　基于PDM的可視輕量化模型存儲

圖8　全三維工藝規(guī)程卡實例

6　結(jié)束語

本文研究并突破了MBD環(huán)境下全三維工藝應(yīng)用和實施過程中涉及的可視輕量化工序/工步模型生成、基于PDM平臺的設(shè)計工藝信息關(guān)聯(lián)存儲以及全三維工藝規(guī)程卡實例的實時生成關(guān)鍵瓶頸技術(shù)，該系列關(guān)鍵技術(shù)的解決方案已在筆者開發(fā)的全三維工藝設(shè)計系統(tǒng)中得到了應(yīng)用驗證。本文研究對企業(yè)實施和應(yīng)用三維工藝系統(tǒng)，實現(xiàn)全面三維工程化具有一定的參考價值。

關(guān)于全三維工藝設(shè)計系統(tǒng)與企業(yè)已有信息平臺的集成，本文只是探討了與PDM平臺的數(shù)據(jù)集成通信，而對于與ERP、MES等的有效集成將是筆者下一步的重點研究方向。

參考文獻：

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Research on building of three-dimensional technics card based on model based definition

CHEN Xing-yu， ZHANG Xiang-xiang， CHENG Wu-si， ZHANG Hong-qi

中圖分類號：TH162

文獻標識碼：A

文章編號：1009-0134（2016）05-0056-05

收稿日期：2015-09-17

基金項目：國防基礎(chǔ)科研計劃資助（A1120131044）；國防技術(shù)基礎(chǔ)科研計劃資助（JSZL2014210B001， JSBZ2014210A005，JSBZ2014210B007）

作者簡介：陳興玉（1981 -），男，江蘇句容人，博士，主要從事數(shù)字化制造等相關(guān)技術(shù)的研究。