基于MBD零件工藝過程信息表達(dá)方法研究

韓志仁，張世強(qiáng)

HAN Zhi-ren1,2，ZHANG Shi-qiang2

（1. 航空制造工藝數(shù)字化國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，沈陽(yáng) 110136；2. 沈陽(yáng)航空航天大學(xué) 航空宇航工程學(xué)部，沈陽(yáng) 110136）

0 引言

隨著我國(guó)航空制造行業(yè)數(shù)字化制造技術(shù)的迅猛發(fā)展，三維數(shù)字化制造技術(shù)在整個(gè)行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用，特別是MBD(Mode1-Based-Definition，基于模型定義)技術(shù)的實(shí)施，使三維數(shù)字化模型取代了二維工程圖紙成為設(shè)計(jì)制造過程中的唯一依據(jù)。工藝設(shè)計(jì)是連接產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造的紐帶，是企業(yè)進(jìn)行加工生產(chǎn)的重要依據(jù)，工藝設(shè)計(jì)的好壞直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量，在產(chǎn)品制造過程中占舉足輕重的地位。在實(shí)際生產(chǎn)中，由于產(chǎn)品的生產(chǎn)類型、尺寸、結(jié)構(gòu)、材料和技術(shù)要求等不同，而使不同產(chǎn)品有不同的加工方案，這就要根據(jù)具體情況對(duì)不同的方案進(jìn)行分析和討論，以求擬定較為合理的工藝方案，而工藝過程信息如何表達(dá)，也成為研究重點(diǎn)之一。在生產(chǎn)過程中，凡是改變生產(chǎn)對(duì)象的形狀、尺寸、位置和性質(zhì)等，使其成為成品或半成品的過程都稱為工藝過程。工藝文件包含詳細(xì)的工藝信息，是企業(yè)進(jìn)行生產(chǎn)的指導(dǎo)性文件。傳統(tǒng)的工藝過程信息主要通過工藝規(guī)程紙質(zhì)文件、工序卡片和工序卡片等表達(dá)，與工程圖紙沒有直接約束關(guān)聯(lián)。在基于MBD的數(shù)字化制造中沿用傳統(tǒng)的工藝過程表達(dá)方式不能充分發(fā)揮數(shù)字化制造的優(yōu)勢(shì)，造成零件三維模型與工藝信息分離，工藝人員在查看工藝信息時(shí)十分繁瑣；各個(gè)部門使用不同的應(yīng)用軟件，而這些系統(tǒng)之間缺乏有效的信息傳遞及轉(zhuǎn)換，因而形成“信息孤島”；在航空企業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，企業(yè)實(shí)現(xiàn)了以三維建模為主要設(shè)計(jì)手段，但在向生產(chǎn)車間傳遞制造信息過程中，還依賴于二維與三維結(jié)合的圖紙表達(dá)方式，圖紙的空間局限性限制了圖紙的表達(dá)能力，也因此限制了復(fù)雜模型從設(shè)計(jì)向生產(chǎn)的順利轉(zhuǎn)化，制約著設(shè)計(jì)和生產(chǎn)能力的進(jìn)一步發(fā)展[1]； CAD與CAM之間脫節(jié)，沒有形成一體化，導(dǎo)致設(shè)計(jì)與工藝、工藝與制造之間的信息傳遞實(shí)時(shí)性差，大量的CAD數(shù)據(jù)不能及時(shí)有效地轉(zhuǎn)換為CAM數(shù)據(jù)為制造使用，CAD數(shù)據(jù)需要人為的大量反復(fù)處理，效率低、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確率不高，對(duì)科研生產(chǎn)任務(wù)的完成有著很大的影響，成為制約企業(yè)發(fā)展的瓶頸。當(dāng)前國(guó)際上CAPP技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用呈現(xiàn)出“基于三維模型”、“基于知識(shí)”、“面向?qū)ο蟆薄ⅰ爸悄芑薄ⅰ凹苫钡劝l(fā)展趨勢(shì)[2,3]，本文主要研究工藝過程信息表達(dá)方法。

1 零件MBD模型技術(shù)簡(jiǎn)介

MBD(Mode1 Based Definition)，即基于模型的定義，是目前推行的新一代產(chǎn)品定義方法，其核心思想是全三維基于特征的表述方法，融入知識(shí)工程、產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范等，用集成的三維實(shí)體模型來完整表達(dá)產(chǎn)品定義信息的方法體，它詳細(xì)規(guī)定了三維實(shí)體模型中產(chǎn)品尺寸、公差的標(biāo)注規(guī)則和工藝信息的表達(dá)方法[4]。MBD技術(shù)要求將產(chǎn)品設(shè)計(jì)由二維工程圖紙向完全基于MBD模型的工作方式轉(zhuǎn)變，在產(chǎn)品研制生命周期中不再使用任何二維工程圖，這將使得數(shù)字化技術(shù)在制造中的應(yīng)用真正向無紙化制造的目標(biāo)逼近。實(shí)際上，在MBD技術(shù)的發(fā)展中，其核心思想并不只是將二維圖紙的所有信息反映到三維模型中，而是要充分利用三維模型的產(chǎn)品定義特點(diǎn)，去挖掘更加方便設(shè)計(jì)、工藝和制造人員理解的更加高效率的產(chǎn)品定義方法和模式。MBD改變了傳統(tǒng)由三維實(shí)體模型來描述幾何形狀信息，而用二維工程圖紙來定義尺寸、公差和工藝信息的分步產(chǎn)品數(shù)字化定義方法，保證了設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與唯一性，MBD使三維實(shí)體模型作為生產(chǎn)制造過程中的唯一依據(jù)。

MBD核心的概念體現(xiàn)在3D產(chǎn)品模型是傳遞所有產(chǎn)品細(xì)節(jié)信息的最適合的媒介，MBD綜合信息模型包括幾何信息和非幾何信息兩大部分。幾何信息主要是幾何實(shí)體，非幾何信息包括相關(guān)的基準(zhǔn)、坐標(biāo)系、作圖過程、公差、尺寸、連接定義、膠接定義及技術(shù)注釋等信息，這些信息主要以結(jié)構(gòu)樹的形式描述，同時(shí)部分信息反映到幾何實(shí)體的三維標(biāo)注上。除了幾何實(shí)體，其他的設(shè)計(jì)和工藝信息均通過結(jié)構(gòu)樹進(jìn)行描述，如圖1所示。

圖1 零件MBD模型

2 基于MBD零件工藝過程信息表達(dá)方法

在傳統(tǒng)的生產(chǎn)過程中，工藝過程信息主要通過工藝文件進(jìn)行描述，具體載體包括工藝規(guī)程紙質(zhì)文件、工序卡片和工序卡片等，是企業(yè)進(jìn)行生產(chǎn)的指導(dǎo)性文件。傳統(tǒng)的工藝過程信息，與工程圖紙沒有直接約束關(guān)聯(lián)。

隨著航空數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)的完善和數(shù)字化制造技術(shù)的推廣，制造模式和制造依據(jù)均發(fā)生了本質(zhì)變化，數(shù)字化制造技術(shù)采用了逐步推進(jìn)的策略。經(jīng)過了三個(gè)階段，第一階段中采用三維實(shí)體數(shù)模和二維工程圖相結(jié)合的模式，零件工藝過程信息仍然沿用傳統(tǒng)的載體和表達(dá)規(guī)范，主要區(qū)別是三維數(shù)模為零件數(shù)控加工提供了較好的保證；第二階段中采用MBD綜合信息模型作為制造的唯一依據(jù)，制造體系沒有從根本上改變，制造過程中使用綜合信息模型，零件工藝過程信息沿用傳統(tǒng)的載體和表達(dá)規(guī)范，或?qū)⒘慵に囘^程信息傳統(tǒng)的紙質(zhì)表達(dá)電子化；第三個(gè)階段是將所有零件工藝過程信息和裝配信息整合成綜合信息模型，實(shí)現(xiàn)真正意義上的數(shù)字化制造。該方法的優(yōu)勢(shì)在于零件三維模型與工藝規(guī)程信息有機(jī)的溶合在一起，改變了以往零件模型與其他信息相互分離的局面，用戶可以根據(jù)需要，每道工序關(guān)聯(lián)坯料加工前后的三維模型，可以精確到工步、走刀，便于工藝人員查看零件加工過程中的進(jìn)展程度。工藝過程中涉及到的各種數(shù)據(jù)，如零件工藝路線、尺寸、公差、工藝處理、刀具及使用設(shè)備等，工藝人員可以隨時(shí)查看，并可以以各種組織形式的電子文檔輸出并保存，實(shí)現(xiàn)了工藝路線的可視化管理。零件工藝過程信息表達(dá)過程中采用MBD技術(shù)后，使MBD模型成為產(chǎn)品幾何與非幾何信息的唯一載體，成為產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中唯一輸出結(jié)果，也成為工藝規(guī)程設(shè)計(jì)部門的唯一數(shù)據(jù)源。因此，MBD 模型為實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)工作的一體化管理創(chuàng)造了技術(shù)條件。

2.1 基于MBD 零件工藝過程信息表達(dá)方法

為了更好地實(shí)現(xiàn)數(shù)字化設(shè)計(jì)制造，需要將工藝信息整合到綜合MBD模型中，最好是在設(shè)計(jì)階段同時(shí)完成工藝過程信息的設(shè)計(jì)。在綜合信息模型中工藝設(shè)計(jì)雖然依據(jù)三維數(shù)模，并添加到綜合信息模型中，但工藝信息的主要內(nèi)容沒有本質(zhì)變化。在工藝過程中包括工藝說明、工序等，工序包括操作說明、加工參數(shù)、刀具設(shè)備、定位基準(zhǔn)及工藝說明等詳細(xì)的工藝過程數(shù)據(jù)。這些信息不再采用傳統(tǒng)的紙質(zhì)載體，而是集成到零件的MBD模型的結(jié)構(gòu)樹中，表達(dá)形式如圖2所示。零件綜合信息模型由“零件設(shè)計(jì)信息模型”與“零件工藝信息模型”組成，其中包含零件從設(shè)計(jì)開始的幾何與非幾何信息到加工過程中的工藝信息、工裝信息和資源設(shè)備信息等，即包含零件生命周期的全部信息。零件添加工藝過程信息后的綜合信息模型如圖3所示。

圖2 零件工藝過程信息表達(dá)方法

圖3 零件綜合信息模型

2.2 基于MBD 零件工藝過程信息設(shè)計(jì)方法與配套資源

傳統(tǒng)的CAPP技術(shù)通過獨(dú)立的軟件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)。而對(duì)于本文提出的工藝過程信息表示方法是將工藝信息直接按規(guī)范添加到零件模型中，形成零件綜合信息模型，因而可以將CAPP設(shè)計(jì)平臺(tái)整合到CAD軟件中，對(duì)于CATIA表示的零件，CAPP可以作為CATIA的一個(gè)模塊進(jìn)行無縫連接。CAPP在使用的過程中可以通過CATIA二次開發(fā)的信息快速檢索與分析模塊獲取信息，用于CAPP的設(shè)計(jì)過程中使用，其他的工藝知識(shí)、標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、設(shè)備、工具、標(biāo)準(zhǔn)件等通過數(shù)據(jù)庫(kù)的形式服務(wù)于CAPP。具體工藝設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)流程如圖4所示。

2.3 基于MBD 零件工藝過程信息提取與重組技術(shù)

本文提出的工藝過程信息表達(dá)方法應(yīng)用結(jié)果是獲得零件綜合信息模型，在“零件設(shè)計(jì)信息模型”基礎(chǔ)上添加工藝過程信息，因此，在綜合信息模型中包括了設(shè)計(jì)信息和全部的工藝信息，CAPP設(shè)計(jì)的結(jié)果全部包括在綜合信息模型中，建立了零件制造的唯一數(shù)據(jù)源，該方法適合數(shù)字化制造的體系，有效地解決傳統(tǒng)的工藝信息與產(chǎn)品數(shù)模分離的問題。在工藝過程信息生成后，結(jié)構(gòu)樹上每個(gè)工藝節(jié)點(diǎn)都關(guān)聯(lián)著相應(yīng)的工藝過程信息及該工藝過程對(duì)應(yīng)的三維零件輔助模型的路徑和名稱，工藝人員可以隨時(shí)選擇查看及根據(jù)權(quán)限修改各個(gè)工序?qū)?yīng)的工藝信息。

圖4 工藝設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)流程

為了適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)工人的習(xí)慣，可以將綜合信息模型中的工藝信息進(jìn)行提取和重組，以傳統(tǒng)紙質(zhì)版格式表示。綜合信息模型相當(dāng)于一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)，在CATIA環(huán)境下通過二次開發(fā)可以按MBD規(guī)范提取工藝信息，將工藝信息存儲(chǔ)在后綴為MXL的中間文件中，用于離線生成工藝文件，也可以直接在CATIA環(huán)境下生成工藝文件。基于MBD 零件工藝過程信息提取與重組流程如圖5所示。

圖5 零件信息提取與重組流程

3 結(jié)論

本文提出的“基于MBD零件工藝過程信息表達(dá)方法”，適合數(shù)字化制造的需求和技術(shù)體系要求，有效地保證數(shù)字化制造的統(tǒng)一數(shù)據(jù)源，解決目前國(guó)內(nèi)航空企業(yè)數(shù)字化制造中設(shè)計(jì)模型與工藝信息關(guān)聯(lián)性差的問題。該方法的應(yīng)用將適合新的三維數(shù)字化CAPP設(shè)計(jì)需要，通過工藝信息提取和重組技術(shù)可以適應(yīng)傳統(tǒng)的習(xí)慣，使工人和工藝人員更容易接受。基于MBD零件工藝過程信息表達(dá)方法設(shè)計(jì)的零件綜合信息模型可以作為三維可視化CAPP的基礎(chǔ)。

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