基于三維模型的結(jié)構(gòu)化工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)應(yīng)用研究

摘 "要：隨著信息化、數(shù)字化技術(shù)的快速發(fā)展，制造企業(yè)中的產(chǎn)品數(shù)據(jù)信息能否在各個(gè)制造環(huán)節(jié)之間進(jìn)行快速、準(zhǔn)確地獲取和傳遞，在一定程度上反映出企業(yè)的實(shí)際競(jìng)爭(zhēng)力。該文重點(diǎn)研究通過(guò)搭建結(jié)構(gòu)化工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)，利用結(jié)構(gòu)化工藝設(shè)計(jì)，上承產(chǎn)品三維設(shè)計(jì)模型的數(shù)據(jù)信息，再將自身的數(shù)據(jù)信息和繼承的數(shù)據(jù)信息加工處理后，傳遞給制造、質(zhì)量檢驗(yàn)等相關(guān)單位生產(chǎn)制造產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)工藝制造檢驗(yàn)數(shù)據(jù)貫通，提升企業(yè)數(shù)字化技術(shù)水平和競(jìng)爭(zhēng)力。

關(guān)鍵詞：三維模型；結(jié)構(gòu)化；工藝設(shè)計(jì)；智能制造；數(shù)據(jù)信息

中圖分類號(hào)：TP302 " " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A " " " " "文章編號(hào)：2095-2945（2025）10-0104-04

Abstract：With the rapid development of informatization and digital technology， whether product data information in manufacturing enterprises can be quickly and accurately obtained and transmitted between various manufacturing links reflects the actual competitiveness of the enterprise to a certain extent. This paper focuses on building a structured process design system， using structured process design to inherit the data information of the product's three-dimensional design model， and then processing its own data information and the inherited data information， and then transmitting it to manufacturing， quality inspection and other related units to produce and manufacture products， realize the integration of design process， manufacturing inspection data， and improve the digital technical level and competitiveness of enterprises.

Keywords： 3D model; structure; process planning; intelligent manufacturing; data information

工藝設(shè)計(jì)作為制造企業(yè)中產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造的橋梁，起著連接作用，是產(chǎn)品全生命周期管理中的重要組成部分[1]，是產(chǎn)品制造過(guò)程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。在軌道交通車輛制造行業(yè)，由于零部件多、工序多、工序流程和工藝路線復(fù)雜，其傳統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)主要依托文本文件或計(jì)算機(jī)輔助工藝系統(tǒng)（Computer Aided Process Planning，CAPP），以文本描述和二維圖相結(jié)合的方式編制電子工藝文件。傳統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)管理系統(tǒng)通過(guò)工藝卡片來(lái)組織和管理工藝數(shù)據(jù)，不僅效率低下，而且不利于工藝數(shù)據(jù)在不同系統(tǒng)間有效集成[2]。在輸入端，不能充分利用產(chǎn)品全生命周期管理（Product Lifecycle Management，PLM）系統(tǒng)中既有的三維設(shè)計(jì)模型和結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)；在輸出端，工藝文件中信息均為非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，無(wú)法被質(zhì)量、制造和生產(chǎn)等環(huán)節(jié)調(diào)用，工藝無(wú)法起到承上啟下的作用。在此背景下，結(jié)合軌道交通車輛制造業(yè)特點(diǎn)，探索搭建基于三維模型的結(jié)構(gòu)化工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)，該系統(tǒng)不是在PLM中開發(fā)，而是單獨(dú)構(gòu)建的工藝系統(tǒng)，其數(shù)據(jù)與PLM進(jìn)行對(duì)接。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)化工藝設(shè)計(jì)將以工藝要素結(jié)構(gòu)化處理、對(duì)象化管理、結(jié)構(gòu)化存儲(chǔ)、關(guān)聯(lián)化組織和可視化展示為目標(biāo)，基于PLM系統(tǒng)中產(chǎn)品三維設(shè)計(jì)模型數(shù)據(jù)編制可人機(jī)交互的現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)工藝文件，以三維動(dòng)畫方式直觀生動(dòng)地表達(dá)工藝過(guò)程和技術(shù)要求，真正架起從設(shè)計(jì)到制造的數(shù)字化工藝橋梁，從而最大限度地提高現(xiàn)場(chǎng)操作人員對(duì)設(shè)計(jì)意圖、工藝要求的快速理解、作業(yè)質(zhì)量和生產(chǎn)效率。

1 "總體設(shè)計(jì)方案

結(jié)構(gòu)化工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)，是以工藝數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化為核心，將工藝以結(jié)構(gòu)化的形式來(lái)組織和管理，覆蓋產(chǎn)品工藝設(shè)計(jì)全階段全過(guò)程，圖1為某公司結(jié)構(gòu)化工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)基礎(chǔ)架構(gòu)模型，包括系統(tǒng)運(yùn)行模式和主要功能模塊[3]。

在該框架中，結(jié)構(gòu)化工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)上游承接PLM中輸出的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹、三維設(shè)計(jì)模型、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理和設(shè)計(jì)BOM（Design Bill of Material，DBOM）等相關(guān)數(shù)據(jù)作為工藝設(shè)計(jì)的輸入，通過(guò)工藝結(jié)構(gòu)樹、工藝設(shè)計(jì)、工藝知識(shí)、工藝數(shù)據(jù)庫(kù)、工藝仿真和工藝資源等模塊，輸出結(jié)構(gòu)化的工藝BOM（Process Bill of Material，PBOM）、三維結(jié)構(gòu)化工藝設(shè)計(jì)文件，并通過(guò)系統(tǒng)傳遞至質(zhì)量管理信息系統(tǒng)（Quality，Management Information System，QMIS）、制造執(zhí)行系統(tǒng)（Manufacturing Execution System，MES）和企業(yè)資源計(jì)劃（Enterprise Resource Planning，ERP）系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中工藝數(shù)據(jù)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝、質(zhì)量檢驗(yàn)和生產(chǎn)制造等過(guò)程實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)有效關(guān)聯(lián)，保證產(chǎn)品數(shù)據(jù)的一致性、有效性和繼承性，為工業(yè)全數(shù)字化提供數(shù)據(jù)支持和基礎(chǔ)[4]。

圖1 "某公司結(jié)構(gòu)化工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)基礎(chǔ)架構(gòu)模型

2 "三維結(jié)構(gòu)化工藝設(shè)計(jì)

2.1 "構(gòu)建基于三維模型的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹

產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹是用于描述產(chǎn)品構(gòu)成的多層級(jí)結(jié)構(gòu)，包括產(chǎn)品的三維設(shè)計(jì)模型、DBOM及關(guān)聯(lián)的文檔。利用PLM系統(tǒng)強(qiáng)大功能，在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)管理器（Product structure editor，PSE）中依據(jù)設(shè)定的層次關(guān)系搭建產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹。為滿足不同的產(chǎn)品，PSE結(jié)構(gòu)管理器能根據(jù)客戶的需要任意設(shè)置層次并自定義，以父子關(guān)系建成產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹。一般產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹主體由產(chǎn)品層、系統(tǒng)層、裝置層、安裝層和零部件層等層級(jí)構(gòu)成。在這里特別需要強(qiáng)調(diào)一點(diǎn)，在每層級(jí)均有DBOM，在該DBOM中僅設(shè)計(jì)本層所屬的物料信息，依次類推。

在結(jié)構(gòu)化工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，建立產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹提取模塊，該模塊主要功能是從PLM系統(tǒng)中，將產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹相關(guān)信息提取至結(jié)構(gòu)化工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)，提取的信息包括層級(jí)結(jié)構(gòu)、產(chǎn)品的三維設(shè)計(jì)模型、DBOM及關(guān)聯(lián)的文檔等信息，同時(shí)所有提取的信息均是結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，便于工藝設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)用。

2.2 "構(gòu)建產(chǎn)品工藝結(jié)構(gòu)樹

在結(jié)構(gòu)化工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，以產(chǎn)品、工序組、工序?yàn)閷蛹?jí)，按照父子結(jié)構(gòu)，搭建產(chǎn)品工藝結(jié)構(gòu)樹模塊，樹上每個(gè)層級(jí)上的節(jié)點(diǎn)都有自己的屬性定義。工藝結(jié)構(gòu)樹將項(xiàng)目所包括的所有產(chǎn)品、全部工序以結(jié)構(gòu)樹的形成搭建起來(lái)，從而可以很容易看清整個(gè)項(xiàng)目產(chǎn)品、工序的結(jié)構(gòu)層級(jí)和關(guān)系，且隨著工序?qū)蛹?jí)的進(jìn)一步細(xì)化，工藝管理的顆粒度將越來(lái)越細(xì)，圖2為某公司工藝結(jié)構(gòu)樹應(yīng)用實(shí)例。

2.3 "數(shù)據(jù)貫通

在結(jié)構(gòu)化工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，與PLM系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)對(duì)接，獲取產(chǎn)品三維設(shè)計(jì)模型，并將三維設(shè)計(jì)模型與工藝結(jié)構(gòu)樹中的工序進(jìn)行關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹與工藝結(jié)構(gòu)樹數(shù)據(jù)互通。產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹與工藝結(jié)構(gòu)樹關(guān)系如圖3所示。

在該模型圖中，工藝結(jié)構(gòu)樹中的各個(gè)工序，根據(jù)自身的需要，可以在系統(tǒng)中任意獲取產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹中的三維設(shè)計(jì)模型，系統(tǒng)支持一個(gè)工序?qū)?yīng)多個(gè)設(shè)計(jì)模型圖，在提取三維設(shè)計(jì)模型同時(shí)將該模型所有屬性全部帶過(guò)來(lái)，包括三維結(jié)構(gòu)信息、DBOM信息、尺寸標(biāo)注信息等轉(zhuǎn)成系統(tǒng)裝配信息模型進(jìn)行存儲(chǔ)，用于后續(xù)三維工藝設(shè)計(jì)。

2.4 "三維工藝設(shè)計(jì)

2.4.1 "工序樹設(shè)計(jì)

基于模型的三維工藝設(shè)計(jì)以產(chǎn)品三維設(shè)計(jì)模型為載體，貫穿產(chǎn)品工藝設(shè)計(jì)全過(guò)程。在工藝結(jié)構(gòu)樹中選擇某一工序進(jìn)行工序設(shè)計(jì)。三維工序設(shè)計(jì)架構(gòu)主要由工序名稱、工步、動(dòng)作點(diǎn)3個(gè)節(jié)點(diǎn)組成，按照父子關(guān)系形成工序樹，工序名稱是工步的父節(jié)點(diǎn)，工步是動(dòng)作點(diǎn)的父節(jié)點(diǎn)。在每個(gè)節(jié)點(diǎn)均有相應(yīng)的屬性，工序名稱主要屬性有適用列數(shù)、適用型號(hào)、作業(yè)工位等；工步節(jié)點(diǎn)主要屬性有工步名稱、工步順序關(guān)系、關(guān)特防特性、作業(yè)時(shí)長(zhǎng)和人員數(shù)量等；動(dòng)作點(diǎn)節(jié)點(diǎn)主要屬性有動(dòng)作點(diǎn)名稱、作業(yè)內(nèi)容、工藝裝備、技術(shù)參數(shù)和物料等屬性。在各個(gè)節(jié)點(diǎn)能對(duì)相應(yīng)的屬性進(jìn)行編輯設(shè)計(jì)。某公司三維工序樹如圖4所示。

在該設(shè)計(jì)界面，包括裝配結(jié)構(gòu)和裝配過(guò)程2個(gè)部分，裝配結(jié)構(gòu)主要將從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹分配過(guò)來(lái)的三維圖形進(jìn)行展示，從中能查看到設(shè)計(jì)圖號(hào)、名稱、物料編碼與三維模型等相關(guān)信息。裝配過(guò)程是三維工藝設(shè)計(jì)核心部分，將該工序的工步、動(dòng)作點(diǎn)以結(jié)構(gòu)樹的形式串起來(lái)。在該結(jié)構(gòu)樹中，工步與工步之間有先后順序關(guān)系，按照從上而下的順序；每個(gè)工步里若干動(dòng)作點(diǎn)也有先后順序關(guān)系，同樣也是按照從上而下的順序，工步、動(dòng)作點(diǎn)按照設(shè)定的順序關(guān)系以結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)形成樹狀可視化作業(yè)路線，極大地提高工序作業(yè)管理水平。

2.4.2 "動(dòng)作點(diǎn)設(shè)計(jì)

動(dòng)作點(diǎn)是三維結(jié)構(gòu)化工藝設(shè)計(jì)核心，是作業(yè)工步的子層級(jí)，是結(jié)構(gòu)樹中最小單元。其主要數(shù)據(jù)包括三維設(shè)計(jì)模型、裝配路徑及視角、三維工藝標(biāo)注信息、技術(shù)要求（即作業(yè)內(nèi)容，包括工藝參數(shù)、智能扭矩驅(qū)動(dòng)參數(shù)引用、二維碼追溯參數(shù)引用）、工藝注釋、檢驗(yàn)項(xiàng)點(diǎn)及零部件等信息。某公司三維工藝設(shè)計(jì)零部件和尺寸標(biāo)準(zhǔn)示圖如圖5所示。

2.5 "三維仿真驗(yàn)證

在結(jié)構(gòu)化工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，開發(fā)裝配仿真模塊。在三維裝配工藝設(shè)計(jì)完成后在裝配仿真模塊進(jìn)行工藝仿真驗(yàn)證，檢查被裝配的零部件之間、工裝和工具與零部件之間是否有干涉；同時(shí)檢查裝配作業(yè)工藝路線規(guī)劃的合理性，并根據(jù)裝配仿真驗(yàn)證結(jié)果進(jìn)行調(diào)整、優(yōu)化再仿真驗(yàn)證直至符合技術(shù)要求。

2.6 "三維結(jié)構(gòu)化工藝現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

隨著自動(dòng)化、數(shù)字化、智能化在工業(yè)領(lǐng)域的逐步推進(jìn)，企業(yè)在生產(chǎn)作業(yè)過(guò)程中根據(jù)實(shí)際需要逐漸引入自動(dòng)化、數(shù)字化、智能化工具及設(shè)備。如應(yīng)用智能焊機(jī)的焊接作業(yè)，應(yīng)用智能扳手、智能測(cè)量工具的裝配作業(yè)，智能化改造的軌道車輛調(diào)試作業(yè)等。與以往的單機(jī)自動(dòng)化作業(yè)模式不同，在三維結(jié)構(gòu)化工藝制造模式下，智能裝備應(yīng)支持基于三維結(jié)構(gòu)化工藝實(shí)現(xiàn)人機(jī)協(xié)同作業(yè)模式，其底層業(yè)務(wù)邏輯如圖6所示。

在現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)執(zhí)行時(shí)，通過(guò)與MES系統(tǒng)對(duì)接，在產(chǎn)線作業(yè)智能終端，可查看三維工藝文件裝配動(dòng)畫及裝配作業(yè)內(nèi)容，支持對(duì)三維模型的旋轉(zhuǎn)、縮放、移動(dòng)和多視圖等交互操作。同時(shí)MES系統(tǒng)通過(guò)調(diào)用三維結(jié)構(gòu)化工藝文件，將作業(yè)指令協(xié)同方式給到人與設(shè)備，實(shí)現(xiàn)人與設(shè)備的協(xié)同作業(yè)模式。比如，在使用智能扭力扳手場(chǎng)景下，采用如下方式進(jìn)行人機(jī)協(xié)同：人員通過(guò)交互界面終端，接收MES系統(tǒng)里引用的三維結(jié)構(gòu)化工藝任務(wù)，按照工藝規(guī)定的智能扳手，選取匹配的智能扳手，MES系統(tǒng)即將此動(dòng)作的工藝參數(shù)指令下達(dá)至所選智能扳手，人員操作此智能扳手，不需再設(shè)置此扳手參數(shù)，即可實(shí)施作業(yè)。作業(yè)過(guò)程和要求按照三維動(dòng)畫指引進(jìn)行。作業(yè)最終結(jié)果信息，如作業(yè)人員、作業(yè)時(shí)間、所用智能扳手、工藝標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)、實(shí)際作業(yè)結(jié)果數(shù)據(jù)、合格與否、作業(yè)工序和作業(yè)產(chǎn)品等信息通過(guò)MES系統(tǒng)回傳至數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)，作業(yè)完畢后，自動(dòng)生成相應(yīng)的質(zhì)量記錄表。

3 "結(jié)束語(yǔ)

基于三維模型的結(jié)構(gòu)化工藝設(shè)計(jì)是以工藝數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化為核心、數(shù)據(jù)流為牽引載體、知識(shí)管理為驅(qū)動(dòng)、可視化作業(yè)為指導(dǎo)的全新工藝設(shè)計(jì)思路，三維結(jié)構(gòu)化工藝將產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝、制造、檢驗(yàn)各環(huán)節(jié)產(chǎn)品數(shù)據(jù)有效關(guān)聯(lián)起來(lái)，形成統(tǒng)一、規(guī)范、準(zhǔn)確和標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)源，極大地提升企業(yè)產(chǎn)品數(shù)據(jù)信息在各環(huán)節(jié)傳遞效率，是實(shí)現(xiàn)企業(yè)數(shù)字化和智能化轉(zhuǎn)型的基礎(chǔ)。經(jīng)實(shí)踐應(yīng)用，基于三維模型的結(jié)構(gòu)化工藝設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方法在離散型制造業(yè)中取得較好的應(yīng)用效果，有較好的推廣應(yīng)用價(jià)值。

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