基于MBD的三維裝配信息系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)

沈陽理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 張嘉易 許世璞 郝永平 陸英俊 郭明春

為了提高產(chǎn)品裝配的效率，實現(xiàn)工藝數(shù)據(jù)及時、準(zhǔn)確的表達(dá)和裝配信息的數(shù)字化管理，開展了基于MBD技術(shù)的三維裝配信息系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)。根據(jù)裝配二維圖紙所包含信息，結(jié)合三維建模裝配工藝規(guī)程，設(shè)計搭建了裝配信息MBD模型框架。通過UG二次開發(fā)技術(shù)、MBD技術(shù)，設(shè)計開發(fā)了MBD裝配信息系統(tǒng)，實現(xiàn)了零部件三維標(biāo)注下基本信息的自動提取以及工藝信息的檢索、關(guān)聯(lián)各零部件的裝配約束。并以某型號箭引設(shè)計為例，驗證了系統(tǒng)的有效性。

引言：MBD是波音公司首先提出并在客機(jī)設(shè)計與制造過程中全面采用的一項全三維數(shù)字化技術(shù)，它摒棄了“二維圖紙+三維模型”的生產(chǎn)模式，將產(chǎn)品制造信息（PMI）與設(shè)計信息一起定義到三維模型中，從而取消了二維圖紙的傳遞形式，保證了產(chǎn)品設(shè)計數(shù)據(jù)的統(tǒng)一。國內(nèi)企業(yè)在MBD運(yùn)用中已取得了很大進(jìn)步，但是與國外發(fā)達(dá)航空企業(yè)相比還有不小差距，主要表現(xiàn)在工藝部門仍然采用傳統(tǒng)的二維工藝規(guī)劃方法，三維設(shè)計模型和裝配工藝信息管理分離，沒有貫穿于產(chǎn)品的全生命周期中。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者對MBD技術(shù)的研究不斷加深，為實現(xiàn)工藝信息表達(dá)和集成，北京航空航天大學(xué)盧鵠等人設(shè)計開發(fā)了單一產(chǎn)品數(shù)據(jù)源原型系統(tǒng)。東南大學(xué)劉金鋒等人實現(xiàn)了三維工藝規(guī)劃對工藝信息表達(dá)和管理。西北工業(yè)大學(xué)田富君等人將三維標(biāo)注信息與工藝規(guī)劃進(jìn)行劃分和管理。河北科技大學(xué)方憶湘等人研究基于MBD建模規(guī)范和測量軟件，分析了零件MBD模型監(jiān)測信息的構(gòu)成以及關(guān)聯(lián)關(guān)系。南京航空航天大學(xué)靳江艷等人采用多視圖的方法對裝配工藝信息進(jìn)行統(tǒng)一表達(dá)和管理。為使MBD技術(shù)在產(chǎn)品裝配中得到深化推廣，本文通過研究產(chǎn)品零部件三維模型工藝信息的合理表達(dá)，設(shè)計開發(fā)了基于MBD的三維裝配信息系統(tǒng)，對產(chǎn)品裝配過程中需要的信息有效的提取和利用，提高了產(chǎn)品的可裝配性和裝配質(zhì)量。

1.裝配信息MBD模型的構(gòu)建

裝配信息是產(chǎn)品裝配制造過程中的重要組成部分，在產(chǎn)品模型設(shè)計、工藝設(shè)計到車間的加工制造和信息管理中起著橋梁的作用，直接決定產(chǎn)品的最終質(zhì)量。設(shè)計部門發(fā)放的MBD模型是產(chǎn)品裝配所需零部件的最終幾何模型和工藝信息，對中間制造環(huán)節(jié)沒有說明，從而很難直接用于指導(dǎo)生產(chǎn)。根據(jù)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》，考慮零件機(jī)加工過程中涉及的工藝數(shù)據(jù)信息，建立了面向裝配的工藝MBD模型，如圖1所示。

圖1 裝配信息MBD模型

裝配信息MBD模型M由裝配設(shè)計模型ADM、裝配工序模型APM、裝配工藝方法APW和裝配工藝屬性APA四部分組成，因此可以將裝配信息MBD模型表示為公式（1）：

式中：ADMi表示第i個零件模型，n個零件設(shè)計模型組裝成了最終的產(chǎn)品，ADM是設(shè)計部門發(fā)放的MBD模型，它包含了裝配零部件的數(shù)據(jù)管理及裝配關(guān)系，通常情況下不會隨工藝活動的變化而改變，是工藝規(guī)劃設(shè)計和車間裝配制造的唯一依據(jù)；APMj表示第j個裝配工序模型，每一個工序模型下面又有多個工步模型，它包含了工序的幾何信息和工藝信息，用以輔助工藝設(shè)計；APWl表示l個工序?qū)?yīng)的工藝屬性方法，如熱處理方法、工藝流程。APAk表示第k個工序?qū)?yīng)的工藝屬性信息，如夾具信息、加工制造信息等工藝信息。裝配工序模型和裝配工藝屬性都是以裝配設(shè)計模型為核心，并相互關(guān)聯(lián)。

標(biāo)注工藝信息是零件機(jī)加過程中所使用的工藝信息，由形位公差、表面粗糙度、尺寸（公差）、注釋和標(biāo)記五部分組成，可將標(biāo)注工藝信息MPI表示為公式（2）：

式中：GTole，SRough，ST，Notes，Mark分別表示表示標(biāo)注的形位公差、表面粗糙度、尺寸（公差）、注釋和標(biāo)記。其中形位公差由形狀公差和位置公差組成，形狀公差描述實際要素形狀所允許的變動量，位置公差描述關(guān)聯(lián)要素的位置對基準(zhǔn)所允許的變動全量；尺寸（公差）包括零件基本形狀尺寸和切削加工中允許的尺寸變動量；標(biāo)記是用符號表示公差類型的定位基準(zhǔn)等特征要求；注釋是與工序模型或工步模型相關(guān)聯(lián)的、對技術(shù)要求和熱處理信息的描述，如材料類型、熱處理方法等。

2.三維裝配信息系統(tǒng)的設(shè)計

2.1 三維裝配信息系統(tǒng)的框架

在UG環(huán)境中。根據(jù)產(chǎn)品的裝配零部件的設(shè)計信息和工藝信息，在VC++6.0開發(fā)環(huán)境下，利用UG Open二次開發(fā)工具集集開發(fā)編程語言，設(shè)計開發(fā)出三維裝配工藝信息輔助系統(tǒng)，有效的提高裝配工藝設(shè)計效率和質(zhì)量。該系統(tǒng)包括模型管理、設(shè)計信息生成、設(shè)計描述添加、工藝信息生成等工具集，系統(tǒng)總體框架如圖2所示。

圖2 三維裝配信息系統(tǒng)

圖3 三維裝配信息系統(tǒng)處理流程

2.2 系統(tǒng)處理流程

構(gòu)成裝配工藝的信息是多樣化的，每一類信息都有各自的表達(dá)形式和儲存方式。裝配信息系統(tǒng)的處理流程如圖3所示。把裝配件導(dǎo)入裝配信息系統(tǒng)，將裝配信息分成裝配工序信息、裝配件配套信息和工藝設(shè)計信息。選取待裝配件，對待裝配件的連接關(guān)系、干涉和工序約束等進(jìn)行提取，然后根據(jù)提取信息進(jìn)行裝配信息補(bǔ)充和層次劃分，形成裝配工序信息集；利用裝配樹功能遍歷裝配樹，對零件、標(biāo)準(zhǔn)件進(jìn)行尺寸公差信息提取，添加工藝屬性信息形成裝配件配套信息集；選取工藝對象，提取對象特征，添加工藝信息，補(bǔ)充工藝屬性信息，形成工藝設(shè)計信息集。將三維模型和裝配信息進(jìn)行協(xié)同表示。

3.裝配信息集成實例

以某型號箭引設(shè)計為例，運(yùn)行系統(tǒng)如圖4所示，首先將引信裝配設(shè)計模型載入UG系統(tǒng)中，在UG平臺中，通過開發(fā)的功能模塊錄入產(chǎn)品名稱、產(chǎn)品編號、零件材料等產(chǎn)品零件信息，通過裝配樹功能遍歷引信零部件模型，對其進(jìn)行PMI三維標(biāo)注、工藝屬性信息添加、工序工步相關(guān)操作信息等，使裝配工藝模型以樹形圖結(jié)構(gòu)顯示出來、工藝幾何特征與非幾何信息緊密關(guān)聯(lián)。通過信息自動提取功能將三維標(biāo)注的非幾何信息如尺寸、公差、注釋等自動提取到對話框內(nèi)，并存入SQL Server2008對應(yīng)數(shù)據(jù)庫表格中，關(guān)聯(lián)的裝配工藝信息最終以報表的形式存入數(shù)據(jù)庫中，裝配約束特征、裝配結(jié)構(gòu)樹關(guān)系則以XML配置文件形式提取存放到WEB服務(wù)器內(nèi)。

圖4 三維裝配信息系統(tǒng)運(yùn)行實例

4.結(jié)語

基于MBD的三維裝配信息系統(tǒng)的開發(fā)是對復(fù)雜類產(chǎn)品的裝配信息的優(yōu)化管理以及對工藝信息的規(guī)范化管理。本文對產(chǎn)品裝配工藝信息的組成進(jìn)行分析，將產(chǎn)品的裝配信息與模型進(jìn)行連接，創(chuàng)建了裝配信息MBD模型；采用了面向?qū)ο蟮木幊谭椒ǎY(jié)合UG二次開發(fā)技術(shù)設(shè)計了MBD三維裝配信息系統(tǒng)。應(yīng)用ADO技術(shù)，JDBC技術(shù)實現(xiàn)UG開發(fā)平臺與數(shù)據(jù)庫信息集的交互傳遞，達(dá)到裝配信息的數(shù)字化傳遞和信息共享，保障了產(chǎn)品設(shè)計數(shù)據(jù)的統(tǒng)一，為進(jìn)一步開展軍工復(fù)雜類產(chǎn)品裝配信息集成管理提供了手段。