基于MBD 的焊接工藝一體化設(shè)計知識系統(tǒng)研究

王連坤， 程 磊， 武保同， 王云鋒

（1.江蘇徐工國重實驗室科技有限公司， 江蘇 徐州 221004； 2.高端工程機械智能制造全國重點實驗室， 江蘇 徐州 221004；3.雁棲湖基礎(chǔ)制造技術(shù)研究院（北京）有限公司）， 北京 101408）

0 引言

當前產(chǎn)品設(shè)計定義技術(shù)多以“三維設(shè)計、 二維出圖”為主，因此，基于二維圖紙進行的工藝設(shè)計無法清晰、有效、 全面的繼承和傳遞三維設(shè)計信息和準確的表達設(shè)計意圖，難以滿足甚至會削弱工程機械產(chǎn)品設(shè)計實現(xiàn)，增加了生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)的出錯的概率， 嚴重影響了高端工程機械的研制水平。 同時工藝設(shè)計制造信息因在各環(huán)節(jié)傳遞過程中匹配迭代能力的不足， 導致制造各環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)流通不暢，造成制造數(shù)據(jù)孤島現(xiàn)象。

隨著國內(nèi)外大型裝備制造企業(yè)的數(shù)字化技術(shù)發(fā)展迅速，基于模型定義（Model-Based Definition，MBD）的數(shù)字化設(shè)計與制造技術(shù)已經(jīng)成為制造業(yè)信息化的發(fā)展趨勢[1]?；贛BD 的三維工藝設(shè)計是以產(chǎn)品三維模型為工藝設(shè)計、制造的唯一依據(jù)建立的[2]。 本文從突破基于MBD 的數(shù)字樣機關(guān)鍵技術(shù)入手，克服試驗數(shù)據(jù)離散、專用知識少等問題，著手開發(fā)工程機械焊接設(shè)計的專業(yè)軟件，儲備大量試驗數(shù)據(jù)并建立工程數(shù)據(jù)知識庫， 編制國內(nèi)國際行業(yè)標準文件，形成一套完善的焊接工藝一體化設(shè)計標準體系，從根本上提升焊接工藝設(shè)計能力。

1 焊接工藝一體化知識系統(tǒng)設(shè)計方法

焊接工藝一體化設(shè)計知識平臺基于MBD 的數(shù)據(jù)樣機關(guān)鍵技術(shù)，在焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計、工藝設(shè)計和生產(chǎn)制造等方面，建立工程數(shù)據(jù)與知識庫，開發(fā)專用工業(yè)軟件，搭建標準流程體系。 同時焊接工藝一體化設(shè)計軟件對接PDM 系統(tǒng)，驅(qū)動由EBOM 轉(zhuǎn)化生成PBOM，建立EBOM 和PBOM的關(guān)聯(lián)機制和轉(zhuǎn)化規(guī)則，并與ERP 系統(tǒng)數(shù)據(jù)互通，進行生產(chǎn)管理數(shù)據(jù)和制造MBOM 的設(shè)計，統(tǒng)一研發(fā)數(shù)據(jù)源，創(chuàng)建基于MBD 的工程機械焊接工藝一體化設(shè)計模式，實現(xiàn)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化和可追溯管理。

1.1 焊接工藝一體化知識庫設(shè)計

知識庫的建立是基于大量工程實踐過程中所采集到的試驗數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上的。焊接試驗數(shù)據(jù)包括焊接材料、尺寸信息、焊接方法、設(shè)備、焊絲信息、焊接參數(shù)等參數(shù)信息，通過仿真驗證對這些參數(shù)信息進行有組織地關(guān)聯(lián)組合，得出最優(yōu)參數(shù)組合， 并結(jié)合工程實踐對所選定參數(shù)組合進行充分驗證、參數(shù)優(yōu)化分析，獲取最優(yōu)實驗數(shù)據(jù)。

焊接工藝一體化知識庫包含數(shù)據(jù)共計127 萬余條，構(gòu)建并細化為焊接工藝數(shù)據(jù)庫，集成試驗數(shù)據(jù)庫、仿真數(shù)據(jù)庫。如圖1 所示，細化分類后的數(shù)據(jù)庫作為為知識模型的建立提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)， 支撐知識模型和知識條目構(gòu)建工作。 知識庫不僅為實驗驗證、產(chǎn)品設(shè)計、工藝設(shè)計與工藝仿真等工作提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和預測模型， 同時會通過知識推送、變量預測與模型修正等方式，將各個應用階段產(chǎn)生的結(jié)果數(shù)據(jù)反饋到基礎(chǔ)數(shù)據(jù)， 形成知識建模與知識庫構(gòu)建環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)知識的閉環(huán)動態(tài)迭代， 實現(xiàn)知識庫智能學習，優(yōu)化完善基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、預測模型和知識條目。

圖1 焊接工藝一體化知識庫體系

工藝知識庫系統(tǒng)化建設(shè)能夠?qū)⒅R數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化應用在產(chǎn)品設(shè)計過程，并通過基于MBD 的三維模型將模型信息和參數(shù)信息傳遞至工藝設(shè)計平臺， 促使焊接工藝設(shè)計關(guān)鍵過程的知識驅(qū)動，實現(xiàn)產(chǎn)品與工藝協(xié)同設(shè)計過程。如圖2 所示， 產(chǎn)品設(shè)計過程基于焊接工藝一體化知識庫通過檢索母材規(guī)格、焊縫長度等知識條目，對比提取知識庫中典型工藝模型的最優(yōu)焊接方法，再結(jié)合接頭形式、母材厚度等參數(shù)信息提取相應的接口設(shè)計參考模型， 從而確定坡口和接頭的設(shè)計方案。 在產(chǎn)品設(shè)計確定模型焊接方法的同時， 工藝設(shè)計可根據(jù)焊接方法進行焊接設(shè)備的選擇，并通過焊接仿真確定焊接順序的設(shè)計。隨著產(chǎn)品設(shè)計過程中的焊接方法、接頭、母材參數(shù)等參數(shù)信息的確定，工藝設(shè)計過程再結(jié)合焊接試驗和仿真數(shù)據(jù)匹配確定焊材選型和焊接參數(shù)的選擇。 整個產(chǎn)品設(shè)計和工藝設(shè)計流程建立在焊接工藝一體化知識庫體系上并基于MBD 三維模型進行協(xié)同設(shè)計，解決了傳統(tǒng)工藝設(shè)計數(shù)據(jù)源不統(tǒng)一、數(shù)據(jù)參數(shù)傳遞失效性和時效性的問題， 打破了傳統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)計、焊接設(shè)計、焊接試驗、生產(chǎn)制造之間的孤島作業(yè)的壁壘，疏通了各環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)的流通，提升設(shè)計質(zhì)量和縮短產(chǎn)品上市周期。

圖2 基于MBD 的產(chǎn)品與工藝協(xié)同設(shè)計流程

1.2 焊接工藝一體化平臺的設(shè)計方法

基于MBD 三維化焊接工藝設(shè)計的實現(xiàn)需具備完整的顯示設(shè)計制造參數(shù)、快速構(gòu)建焊接工藝設(shè)計模型、精準的傳遞數(shù)據(jù)并直觀的指導現(xiàn)場作業(yè)的特點。 因此工藝設(shè)計過程中產(chǎn)品模型的工藝信息正確傳遞、 參數(shù)信息精準表達至關(guān)重要。

1.2.1 焊接工藝信息三維表達

為保證產(chǎn)品設(shè)計信息傳遞無誤， 焊接工藝一體化設(shè)計平臺在工藝設(shè)計過程中完全繼承了產(chǎn)品設(shè)計模型信息，并融合傳統(tǒng)工程圖的設(shè)計信息，通過模型幾何、屬性、標注多維度表達產(chǎn)品與工藝設(shè)計信息，如圖3 所示。

圖3 三維設(shè)計/工藝信息協(xié)同表達

工藝信息以符號化組合表達方式，包含工藝符號、焊接方法代號、工藝參數(shù)、質(zhì)量控制信息、輔材信息等工藝信息參數(shù)， 自動分類不同標注類型和標注要素的工藝參數(shù)，規(guī)范化、符號化工藝信息的三維表達模型，并基于三維表達模型建立模型特征識別和解析規(guī)則，識別MBD 設(shè)計模型的工藝語義和制造需求，通過信息繼承，實現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計/工藝信息協(xié)同語義映射和工藝信息三維標注。

三維標注信息和產(chǎn)品設(shè)計參數(shù)信息會同三維模型按照工藝設(shè)計流程傳遞下去，并做為三維工藝設(shè)計內(nèi)容的一部分進行發(fā)布，實現(xiàn)產(chǎn)品、工藝、工廠、資源等數(shù)據(jù)的有機關(guān)聯(lián)和結(jié)構(gòu)化組織，保證數(shù)據(jù)的一致性、有效性和重用性。

1.2.2 工藝模型快速構(gòu)建方法

為實現(xiàn)工藝模型的快速構(gòu)建， 采樣了動態(tài)級進的方式，建立工藝規(guī)程樹結(jié)構(gòu)，通過將工藝模型的幾何模型、屬性和標注信息等參數(shù)信息一次性分配到對應的工序工步中， 形成以工序工步為最小單位且包含工藝信息的單元幾何模型。如圖4 所示，各單元幾何模型按工藝規(guī)程樹結(jié)構(gòu)，并基于參數(shù)化技術(shù)、工藝特征技術(shù)及特征構(gòu)建技術(shù)等技術(shù)支撐，以動態(tài)演變的方式逐級焊接拼裝，實現(xiàn)工藝模型的快速自動構(gòu)建過程。 以動態(tài)級進快速構(gòu)建工藝模型的方式可以實現(xiàn)各工序工步間相互切換， 快速查看已規(guī)劃工序工步的焊接工藝內(nèi)容和工藝參數(shù)信息。

圖4 動態(tài)級進工藝模型快速構(gòu)建流程示意

工藝模型構(gòu)建過程中各工序工步以動畫仿真的形式表達工藝焊接拼點順序的演變，通過視角變化、透明功能提升、動畫序列可視化交互、動畫過程中參數(shù)標注可見性控制等三維動態(tài)視圖， 直觀的展現(xiàn)工序工步間焊接拼點的順序，實現(xiàn)工藝路徑的規(guī)劃和驗證，實時查看工藝規(guī)劃路徑、驗證焊接拼裝過程裝配干涉問題。

2 三維可視化發(fā)布

三維可視化發(fā)布是對基于輕量化模型的三維焊接工藝內(nèi)容的可視化展現(xiàn)，滿足現(xiàn)場終端設(shè)備或移動設(shè)備的三維工藝模型查看、工藝參數(shù)信息讀取、焊接裝配路徑動畫展示、簡單的三維模型處理、以及現(xiàn)場作業(yè)培訓的需求。

模型輕量化處理是通過輕量級算法檢索并識別三維數(shù)模的幾何特征，設(shè)置幾何參數(shù)，確保在幾何特征不失真的情況下，最小化幾何元素的數(shù)量，融合模型組件和特征，網(wǎng)格化處理模型數(shù)據(jù)，形成三維輕量化模型格式文件，實現(xiàn)三維模型的網(wǎng)頁化瀏覽和移動設(shè)備的瀏覽，如圖5 所示。

圖5 面向制造的三維焊接工藝可視化發(fā)布

焊接工藝一體化設(shè)計平臺三維焊接工藝可視化發(fā)布流程如下：

（1）將三維工序模型、工裝模型、毛坯模型、PMI 標注信息等通過輕量化處理轉(zhuǎn)變成三維輕量化模型格式文件。

（2）讀取工藝信息結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，融合結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和輕量化文件，建立工藝模型可視化發(fā)布模板，搭建工藝模型與工藝可視化發(fā)布語義映射關(guān)系， 實現(xiàn)三維可視化發(fā)布信息的快速組織。

（3）組織數(shù)據(jù)快速建立工藝規(guī)程樹結(jié)構(gòu)，融合工序工步制造參數(shù)信息，提取三維工藝模型的可發(fā)布內(nèi)容列表，封裝三維模型對象的發(fā)布行為。

（4）基于模板的工藝信息反射，建立面向發(fā)布內(nèi)容和發(fā)布行為的映射關(guān)系，將不同的關(guān)系定義為發(fā)布規(guī)則。

（5）解析發(fā)布規(guī)則，實現(xiàn)面向不同分類用戶的三維工藝文件動態(tài)發(fā)布，并通過MES 系統(tǒng)傳遞數(shù)據(jù)至現(xiàn)場終端設(shè)備或網(wǎng)絡發(fā)布移動設(shè)備端， 完成三維焊接工藝可視化發(fā)布。

3 結(jié)束語

基于MBD 焊接工藝一體化設(shè)計平臺的建設(shè)，突破了信息表達、模型構(gòu)建和可視化發(fā)布等關(guān)鍵技術(shù)，構(gòu)建了覆蓋全系列工程機械產(chǎn)品的焊接工藝知識庫， 建立了企業(yè)一體化協(xié)同模式。

平臺建設(shè)集成CAD/PDM/ERP/MES 等系統(tǒng)， 統(tǒng)一產(chǎn)品設(shè)計和工藝設(shè)計環(huán)境，統(tǒng)一數(shù)據(jù)格式，實現(xiàn)工藝設(shè)計數(shù)據(jù)驅(qū)動生成PBOM 和工藝路線， 實現(xiàn)數(shù)據(jù)管理結(jié)構(gòu)化可追溯管理，實現(xiàn)現(xiàn)場三維可視化發(fā)布。

通過建設(shè)焊接工藝一體化設(shè)計平臺系統(tǒng)的研究，圍繞三維數(shù)字化信息表達、三維焊接工藝設(shè)計、模型構(gòu)建以及三維可視化發(fā)布等關(guān)鍵技術(shù)，研制并編寫了34 項企業(yè)標準，13 項國家/行業(yè)標準，以及3 項國際標準，建立并完善國際國內(nèi)工程機械行業(yè)標準體系，為設(shè)計、工藝、制造的一體化管理提供技術(shù)支撐。