基于全三維的數(shù)字化工藝信息集成與智能工藝設(shè)計(jì)

胡權(quán)威 胡光龍 李 瀟 賈益娟

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基于全三維的數(shù)字化工藝信息集成與智能工藝設(shè)計(jì)

胡權(quán)威 胡光龍 李 瀟 賈益娟

（北京航天控制儀器研究所，北京100039）

面向基于模型定義技術(shù)在工藝設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，從提高工藝設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率出發(fā)，構(gòu)建三維關(guān)聯(lián)的數(shù)字化工藝集成信息模型，支撐三維數(shù)字化智能工藝設(shè)計(jì)。研究基于MBD的產(chǎn)品信息定義方法，表達(dá)與構(gòu)造三維模型的制造特征信息。通過描述面向MBD的制造特征，形成特征信息模型。分析制造特征與三維工藝設(shè)計(jì)之間的關(guān)系，構(gòu)建集成的三維工藝信息模型，支撐智能工藝設(shè)計(jì)。

基于模型的定義；集成信息模型；智能工藝設(shè)計(jì)

1 引言

隨著MBD（Model Based Definition）技術(shù)在航空航天領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，三維實(shí)體模型逐漸成為產(chǎn)品研發(fā)中的唯一依據(jù)，改變了傳統(tǒng)制造方式，縮短了產(chǎn)品研制周期，將三維模型與數(shù)控工藝信息集成對(duì)數(shù)字化制造具有重要意義。信息模型對(duì)制造信息的共享以及集成具有重要的指導(dǎo)作用，也是應(yīng)用系統(tǒng)之間實(shí)現(xiàn)信息集成的基礎(chǔ)。三維數(shù)字化工藝信息集成是以三維模型為載體建立信息模型，在三維環(huán)境下實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)信息與工藝信息的集成，信息模型的構(gòu)建是實(shí)現(xiàn)智能工藝的重要支撐。

在三維工藝信息集成方面，北京航空航天大學(xué)[1]針對(duì)數(shù)字化工藝設(shè)計(jì)中需要和產(chǎn)生的工藝過程信息、資源信息、規(guī)則約束等數(shù)據(jù)內(nèi)容，提出包含版本、粒度和活動(dòng)階段三個(gè)維度的三維工藝信息建模方法；王念東[2]等人在虛擬裝配環(huán)境下，以裝配任務(wù)為基礎(chǔ)，提出針對(duì)裝配工序交叉的工藝信息模型。為解決工藝設(shè)計(jì)與生產(chǎn)規(guī)劃和控制之間信息集成的難題，西班牙學(xué)者根據(jù)工藝設(shè)計(jì)與生產(chǎn)規(guī)劃和控制中的全部活動(dòng)所需的輸入信息和活動(dòng)的輸出信息，建立活動(dòng)模型，從而實(shí)現(xiàn)加工過程中的工藝和生產(chǎn)規(guī)劃的集成[3]。另外，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)與工藝設(shè)計(jì)集成建模方面，相關(guān)學(xué)者提出以特征為橋梁在產(chǎn)品開發(fā)過程中集成產(chǎn)品制造信息[4]；田富君[5]等人基于輕量化模型，將特征、工藝以及資源等信息集成并構(gòu)建了統(tǒng)一模型，以實(shí)現(xiàn)CAPP與CAD系統(tǒng)間的信息交流以及CAPP與PDM等系統(tǒng)的信息集成和共享。為了便于產(chǎn)品數(shù)據(jù)的集成管理，林小夏[6]等人構(gòu)建PDM數(shù)據(jù)庫(kù)，形成數(shù)控集成信息模型，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造集成以及產(chǎn)品數(shù)據(jù)的共享，所有這些研究對(duì)數(shù)控工藝信息的集成具有重要指導(dǎo)意義。

本文面向基于模型定義技術(shù)在工藝設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，分析基于MBD的產(chǎn)品信息定義方法，從提高工藝設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率出發(fā)，進(jìn)行三維關(guān)聯(lián)的數(shù)字化集成工藝信息模型構(gòu)建。在對(duì)制造特征與三維數(shù)字化工藝過程設(shè)計(jì)的關(guān)系分析基礎(chǔ)上，形成集成的工藝信息模型，促進(jìn)工藝設(shè)計(jì)的進(jìn)行。

2 基于MBD規(guī)范的三維產(chǎn)品定義

MBD技術(shù)是波音推行的新一代產(chǎn)品定義方法，它促進(jìn)設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)、管理信息一體化，是目前被航空業(yè)普遍認(rèn)同的解決數(shù)字化設(shè)計(jì)、制造的先進(jìn)技術(shù)，是數(shù)字化制造的關(guān)鍵技術(shù)之一。如圖1所示為MBD數(shù)據(jù)模型的內(nèi)容，MBD模型包含設(shè)計(jì)模型、標(biāo)注以及屬性三部分內(nèi)容。其中，設(shè)計(jì)模型是以圖形化方式表達(dá)，由簡(jiǎn)單幾何元素組合構(gòu)成的三維模型；設(shè)計(jì)模型利用點(diǎn)、線、面、坐標(biāo)系統(tǒng)等幾何元素構(gòu)建輔助幾何與模型幾何，最終通過模型幾何以及輔助幾何形成三維實(shí)體，從而描述產(chǎn)品的幾何形狀信息；同時(shí)，設(shè)計(jì)模型中還包括一些工程說明以及關(guān)聯(lián)的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。標(biāo)注信息主要包括精度要求、尺寸公差、符號(hào)注釋等信息，此類信息一般直接附著在三維模型中，利用標(biāo)注描述生產(chǎn)要求所必須的約束信息。屬性信息主要指產(chǎn)品的內(nèi)置信息，例如分析數(shù)據(jù)、測(cè)試需求以及原材料規(guī)范等，通過此類信息定義產(chǎn)品以及產(chǎn)品特征的相應(yīng)內(nèi)容。

圖1 MBD模型的內(nèi)容

3 制造特征信息的表達(dá)與構(gòu)造

3.1 面向MBD的制造特征信息描述

制造特征是一種抽象幾何體，用來描述零部件上具有制造要求的信息。制造特征包含幾何元素、產(chǎn)品制造信息。幾何元素用于描述幾何相關(guān)的特征形狀，制造信息用于描述與制造活動(dòng)相關(guān)的要求[7，8]。在三維環(huán)境下，基于MBD技術(shù)，本文將特征信息描述分為產(chǎn)品層、特征層、特征MBD信息規(guī)范層三個(gè)層次。產(chǎn)品層主要描述產(chǎn)品的共性信息，表示特征所屬零件的相關(guān)信息，產(chǎn)品總體共性信息分為四大部分：基本屬性信息、管理信息、物理屬性信息、技術(shù)要求信息等；特征層是對(duì)產(chǎn)品信息的擴(kuò)展，是零件產(chǎn)品所有特征信息的統(tǒng)領(lǐng)。特征MBD信息規(guī)范層，是對(duì)不同類型特征信息的規(guī)范約束，主要規(guī)范MBD零件模型的幾何信息與標(biāo)注信息等，本文將其劃分為特征屬性信息、特征幾何信息以及特征標(biāo)注信息，其中特征屬性包括特征注釋和特征定位信息，特征標(biāo)注包括尺寸公差、形位公差、粗糙度等信息。

3.2 面向制造的特征信息模型建立

通過面向MBD的制造特征信息描述可以看出，加工特征描述分為三層：產(chǎn)品層（特征關(guān)聯(lián)的零件信息）、特征層（零件包含的制造特征類型）以及特征MBD信息規(guī)范層（包含六大類內(nèi)容：特征定位、特征注釋、幾何元素、尺寸公差、粗糙度以及形位公差）。在特征MBD信息規(guī)范層中，前四項(xiàng)內(nèi)容（特征注釋、特征定位、尺寸公差、幾何元素）直接與加工特征關(guān)聯(lián)，可與加工特征建立父子關(guān)系；而后兩項(xiàng)（形位公差、粗糙度）是附屬于幾何元素上，故在加工特征實(shí)體中可將其與幾何元素建立關(guān)系；圖2所示為加工制造特征的實(shí)體結(jié)構(gòu)。

圖2 加工制造特征實(shí)體結(jié)構(gòu)

由于面向?qū)ο蠹夹g(shù)在加工特征模型構(gòu)建中的應(yīng)用，使信息模型中的關(guān)系更加復(fù)雜，除實(shí)體之間的父子關(guān)系外，還包括實(shí)體之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，為了不造成數(shù)據(jù)使用時(shí)的混亂，應(yīng)用實(shí)體-關(guān)系模型表達(dá)加工特征信息模型，圖3所示為加工制造特征實(shí)體-關(guān)系模型，從圖中可以看出，制造特征直接包含特征注釋、幾何元素、尺寸公差以及特征定位信息，而幾何元素則關(guān)聯(lián)特征定位、特征注釋、尺寸公差、形位公差以及粗糙度等信息。在基于MBD的以三維模型為核心的特征信息模型構(gòu)建中，產(chǎn)品的標(biāo)注信息例如尺寸、公差、粗糙度以及特征描述信息等是與幾何關(guān)聯(lián)的，符合三維工藝對(duì)特征信息模型構(gòu)建的需求。

圖3 加工制造特征實(shí)體-關(guān)系模型

根據(jù)以上得到的制造特征相關(guān)實(shí)體的父子結(jié)構(gòu)以及特征實(shí)體-關(guān)系模型的結(jié)構(gòu)，建立如圖4所示的制造特征信息模型框架。

圖4 制造特征信息模型框架

該模型框架滿足制造特征信息模型的應(yīng)用要求，并為產(chǎn)品特征信息的提取和組織提供支持。從產(chǎn)品模型中獲取所需的產(chǎn)品信息，并按照制造特征進(jìn)行信息組織、重構(gòu)和存儲(chǔ)，以便在后續(xù)制造過程中應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了基于制造特征的產(chǎn)品設(shè)計(jì)與工藝設(shè)計(jì)的集成，服務(wù)產(chǎn)品生命周期中的后續(xù)活動(dòng)。

3.3 三維關(guān)聯(lián)的工藝集成信息模型構(gòu)建

在MBD應(yīng)用環(huán)境下，支撐數(shù)字化工藝過程設(shè)計(jì)的集成信息模型是以三維模型為載體，其尺寸公差、表面粗糙度、形位公差、基準(zhǔn)等信息是與加工特征相互關(guān)聯(lián)的。根據(jù)前面對(duì)制造特征信息的描述，通過分析加工特征與工藝過程設(shè)計(jì)內(nèi)容的關(guān)聯(lián)關(guān)系，最終形成三維關(guān)聯(lián)的數(shù)字化工藝信息模型框架，如圖5所示。數(shù)字化工藝信息模型不僅包括加工特征、特征定位、幾何元素、特征描述及尺寸公差等特征信息，還包括工藝分工、工藝、工序及工步等數(shù)字化工藝信息，同時(shí)包括機(jī)床、刀具、夾具、量具等制造資源信息。三維關(guān)聯(lián)的工藝集成信息模型通過集成產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝等信息，實(shí)現(xiàn)了不同系統(tǒng)間的信息共享和流轉(zhuǎn)，支撐智能工藝設(shè)計(jì)的進(jìn)行。

圖5 三維關(guān)聯(lián)的數(shù)字化工藝信息模型框架

4 成信息模型的智能工藝設(shè)計(jì)

在智能工藝過程設(shè)計(jì)時(shí)，主要包括四方面內(nèi)容：特征加工方案決策、資源選擇決策、工序排序劃分、

切削參數(shù)決策，圖6所示為智能工藝設(shè)計(jì)方法。在智能工藝設(shè)計(jì)時(shí)，以加工特征信息為輸入，通過規(guī)則庫(kù)中的加工方法與加工特征對(duì)應(yīng)關(guān)系，基于特征類型、精度及粗糙度等信息匹配形成基于特征的加工方法鏈即特征加工方案。在獲得特征加工方案的基礎(chǔ)上，需要進(jìn)行資源選擇決策、工序排序劃分、切削參數(shù)決策等工藝活動(dòng)，由于資源選擇決策和工序排序劃分相互制約相互影響，因此需要進(jìn)行并行決策，可根據(jù)定義的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)來滿足工藝的優(yōu)選性，其在決策時(shí)，通過工藝約束及集成信息模型的支撐，以加工單元為單位進(jìn)行資源的選擇以及工序的排序。切削參數(shù)的選擇通常是在保證加工要求并且機(jī)床、刀具等資源條件已知的條件下，按照一定的目標(biāo)得到的切削深度、切削速度以及進(jìn)給量等參數(shù)信息。在完成智能工藝設(shè)計(jì)的四個(gè)環(huán)節(jié)之后，得到最終的工藝設(shè)計(jì)信息，形成完整的工藝路線。

圖6 智能工藝設(shè)計(jì)方法

5 結(jié)束語(yǔ)

構(gòu)建了三維數(shù)字化工藝集成信息模型，通過分析基于MBD規(guī)范的三維產(chǎn)品信息定義方法，研究了MBD組織模型的內(nèi)容。在此基礎(chǔ)上，研究了制造特征信息的表達(dá)與構(gòu)造方法，在該方法中將制造特征信息的描述劃分三個(gè)層次，分別為產(chǎn)品層、特征層及MBD信息規(guī)范層；同時(shí)，構(gòu)建面向制造的特征信息模型。在對(duì)制造特征與三維工藝過程設(shè)計(jì)分析基礎(chǔ)上，建立了三維關(guān)聯(lián)的數(shù)控工藝集成信息模型。最后，分析了基于集成信息模型的智能工藝設(shè)計(jì)方法，為數(shù)字化工藝的進(jìn)行奠定了基礎(chǔ)。

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6 林小夏，張樹有，伊國(guó)棟，等. 基于 PDM 的產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計(jì)與數(shù)控加工集成信息模型[J]. 計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，2011，17(12)：291～297

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8 胡權(quán)威，喬立紅，樊景松，等. 基于 MBD 的數(shù)控工藝設(shè)計(jì)及快速編程方法研究[J]. 航空制造技術(shù)，2016(3)：102～105

Process Information Modeling and Intelligent Process Planning Based On Full Three Dimensional Model

Hu Quanwei Hu Guanglong Li Xiao Jia Yijuan

(Beijing Institute of Aerospace Control Devices, Beijing 100039)

To improve process planning quality and efficiency, a process information modeling and intelligent process planning method is proposed based on full three dimensional model. According to MBD technology for defining digital product information, product information is expressed and constructed by manufacturing features. Through the description of manufacturing feature information, feature information model is set up. Then manufacturing features’ relationship with process design is analyzed, forming a 3D integrated information model to support intelligent process planning.

model based definition；integrated information model；intelligent process planning

胡權(quán)威（1986-），博士，工業(yè)與制造系統(tǒng)工程專業(yè)；研究方向：智能制造技術(shù)、三維數(shù)字化工藝。

2017-03-27