基于MBD的產品工藝協同設計關鍵技術應用

撰文/中車唐山機車車輛有限公司產品研發中心 宮洪磊 郭玉亮 朱東偉中車唐山機車車輛有限公司動車檢修事業部 溫龍軍

基于MBD的產品工藝協同設計關鍵技術應用

撰文/中車唐山機車車輛有限公司產品研發中心 宮洪磊 郭玉亮 朱東偉中車唐山機車車輛有限公司動車檢修事業部 溫龍軍

本文以Pro/ENGINEERN為平臺，采用ProToolkit與VC++進行組合開發，介紹了基于MBD的產品與工藝協同設計中的關鍵技術，詳細介紹了三維模型標注技術、三維機加工藝設計技術、三維焊接裝配工藝設計技術、三維鈑金工藝設計技術、三維工藝可視化發布技術和三維模型質量檢測技術的應用。

一、引言

隨著數字化設計技術的逐步應用和推廣，越來越多企業認識到產品工藝協同設計在推廣數字化設計模式中的重要性。數字化設計過程中的設計工具、建模過程、模型質量、裝配質量以及數字化產品數據命名、管理、審簽、歸檔和更改等方面都迫切需要進行規范和約束。這些標準與規范必須能夠系統和全面地協調整個工程機械裝備的數字化設計活動，并在體系框架層面進行規范和約束。若不能及時系統地開展數字化設計標準的研究和編制，將會顯著影響整個企業共享設計平臺的推進和深化發展。

實施全三維數字化設計，首先有相應的標準作應用規范化支撐，其次必須構建開發對應的全三維研發工藝協同設計系統，以提高設計、工藝的效率，節省產品研制成本。圖1所示為所需開發構建的全三維研發工藝協同設計應用平臺的流程架構。該平臺包含有“三維模型標注技術”、“三維機加工藝設計技術”、“三維焊接裝配工藝設計技術”、“三維鈑金工藝設計技術”、“三維工藝可視化發布技術”和“三維模型質量檢測技術”。下面將具體介紹每個技術的體系架構和具體應用。

圖1 全三維研發工藝協同設計平臺

二．產品工藝協同設計關鍵技術應用

1.三維模型標注技術

該技術是將設計過程中用到的尺寸標注、公差標注、表面粗糙度標注、螺紋標注、幾何公差標注和技術要求標注等設計信息進行集成開發，并將這些符號、參數信息標注到相關模型中。

建立三維模型標注前，首先將國家標準、行業標準、設計手冊以及企業標準中的數據、參數和設計公式集成到程序中。建立基于MBD三維標注的表面粗糙度標注、幾何公差標注、焊接符號和技術要求標注等符號，并存儲到數據庫中。所有標注的符號均要與圖元相關，即在修改模型、圖元時符號圖元的相對位置不變。系統維護方便，企業能自由添加相關數據。

該平臺一部分采用Pro/ENGINEER系統提供的ProToolkit二次開發函數進行二次開發，另一部分采用Pro/ENGINEER系統本身的自定義符號進行符號庫的建立，最終兩者結合實現三維模型標注功能。此外該系統提供一個統一的升級服務，方便后期程序功能增加后的程序升級，這樣不需要每個客戶端分別安裝升級包，只需要對升級服務器進行設置所有客戶端均能自動升級。

本系統采用VC++和Pro/Toolkit進行組合開發，以菜單形式加載到Pro/ENGINEER中，部分程序示例界面如圖2～6所示。

2.三維機加工藝設計技術

建立一個基于三維模型的機加工藝信息系統，實現設計、工藝和制造使用相同的數據源，突破設計、工藝和制造之間的信息孤島。

系統總體目標是固化機加工工藝信息符號，規范機加工工藝信息表達方法，實現機加工工藝信息在三維模型中表達，實現機加工工序模型可視化發布，實現機加工工藝卡片的自動產生，實現機加工工藝審批流程，實現制造車間無圖化瀏覽。該系統總體架構如圖7所示。

圖2 程序菜單及視圖管理

圖3 尺寸標注界面

圖4 幾何公差標注界面

圖5 焊接符號標注界面

圖6 表面粗糙度標注界面

圖7 三維機加工藝設計技術架構圖

（1）系統總體技術方案。

系統層：主要是配置全三維鈑金工藝設計時所需的計算機軟硬件環境，包括計算機硬件配置、網絡環境配置及相關的軟件、數據庫配置等，如PDM、ERP等。

數據層：該層主要是合理存儲三維機加工工藝設計過程中所產生的機加工工藝參數、符號及特征信息等。

平臺層：該技術主要基于輕量化插件ProductView和三維建模軟件Pro/ENGINEER。對于機加工MBD工序模型的構建主要基于Pro/ENGINEER的機加工工藝信息標注模塊、工序模型構建模塊和工序組織與特征關聯模塊進行開發定制，而對于MBD機加工工序模型的可視化網頁發布主要基于ProductView進行開發實現。

應用層：該層主要是在平臺層基礎上，利用平臺層相關軟件的底層開發接口函數，進行機加工工藝設計過程的全三維化，包含有機加工工藝參數的三維化標注、工序特征的快速構建、工序組織與特征關聯、MBD機加工工序模型的構建及網頁化發布等。

（2）系統主要功能。

數據庫：用來保存所有工藝信息。

圖8 工序特征構建界面

工藝符號庫：基于Pro/ENGINEER建立的工藝信息表達符號庫。工藝信息標注：基于Pro/ENGINEER的三維快速標注工具。工序模型構建：基于Pro/ENGINEER的三維工序模型構建工具。工序模型發布：基于Pro/ENGINEER的工序模型發布工具。PDM擴展：基于Windchill的模型數據與發布流程管理。

系統管理：B/S架構工藝信息管理與維護接口。

應用模塊：B/S架構供最終用戶使用瀏覽的接口。

開發界面：本系統采用VC++和Pro/Toolkit進行組合開發，結合國標中的加工符號簡化畫法，進行組合設計，將機加工工藝信息以符號形式標注到模型中，程序以菜單形式加載到Pro/ENGINEER中，部分程序示例界面如圖8所示。

3.三維鈑金工藝設計技術

建立一個基于三維模型的鈑金工藝信息系統，實現鈑金工藝設計的全三維化、折彎圖理解的便捷性、折彎模型參數表達的準確性。

系統總體目標是實現鈑金工藝特征的快速生成，按照鈑金折彎序列生成工藝模型，實現鈑金工藝參數的三維標注，實現鈑金工序模型的可視化發布，實現鈑金工藝規程卡的網頁化發布，實現鈑金工藝設計的全三維化。系統總體架構如圖9所示。

系統層：主要是配置全三維鈑金工藝設計時所需的計算機軟硬件環境，包括計算機硬件配置、網絡環境配置及相關的軟件、數據庫配置等，如PDM、ERP等。

數據層：該層主要是合理存儲三維鈑金工藝設計過程中所產生的鈑金工藝參數信息，如折彎展開長度、折彎內側半徑及鈑金件厚度等；鈑金工藝特征信息，如切口及止裂槽等。

平臺層：該層主要基于三維建模軟件Pro/ENGINEER和輕量化插件ProductView。對于鈑金工藝特征的快速構建主要基于Pro/ENGINEER的鈑金設計模塊進行開發定制，而對于鈑金工藝MBD模型的可視化網頁發布主要基于ProductView進行開發實現。

應用層：該層主要是在平臺層基礎上，利用平臺層相關軟件的底層開發接口函數，進行鈑金工藝設計過程的全三維化，包含有鈑金工藝參數的三維化標注、鈑金工藝特征的快速構建、三維鈑金工序模型的構建及網頁化發布等。

圖9 三維鈑金工藝設計技術架構圖

4.三維焊接裝配工藝設計技術

該系統主要解決產品基于三維模型的焊接裝配工藝設計問題，突破焊接裝配工藝信息在三維模型上的合理表達、三維裝配工藝卡片的生成、裝配過程仿真的可視化發布和裝配工藝性評價等關鍵技術，提高焊接裝配工藝設計的水平。

實現基于三維模型的焊接裝配工藝信息表達。三維裝配過程中涉及到大量裝配工藝信息，包括零部件屬性信息、配合尺寸及形位公差信息、所需設備及工裝名稱、裝配參照約束類型、裝配連接方式和螺栓扭緊力矩等。三維焊接過程中涉及到大量焊接工藝信息，包括各種焊縫橫截面的基本形式或特征，卷邊焊縫、I形焊縫和V形焊縫等的符號化表達，雙面焊焊縫或接頭的組合符號化表達，焊縫表面形狀、襯墊、焊縫分布及施焊地點等的符號化表達等。通過三維標注技術實現焊接和裝配工藝信息在模型上的有效表達，取消二維圖紙，統一數據源。

焊接裝配工藝過程仿真。在三維環境下通過模型位置的變化與處理，能夠實現裝配工藝過程的可視化，進行干涉和碰撞檢查，驗證焊接裝配工藝的合理性。實現結構化數據的管理。標注在模型上的焊接裝配工藝信息為結構化信息，能夠實現信息的快速檢索和查詢，對各類工程數據進行結構化管理。該系統總體架構如圖10所示。

圖10 三維焊接裝配技術架構圖

數據層：主要是構建和合理存儲項目實施過程中所產生的模型、流程和符號等信息，在該項目中所構建的子庫包含有三維焊接或裝配工序模型庫、對應設計模型庫和焊接裝配工藝符號庫等。

平臺層：基于三維建模軟件Pro/ENGINEER，充分利用其特征建模技術。Pro/ENGINEER軟件是一套基于Windows平臺的CAD/CAM/CAE桌面集成系統。它全面采用非全約束的特征建模技術，其設計過程全相關性，可以在設計過程的任何階段修改設計，同時牽動相關部分的改變。該軟件具有較好的開放性接口和功能性擴充。

業務層：該層主要為焊接裝配工藝設計過程作業務技術支撐，包含有爆炸圖生成技術、焊接符號三維標注技術、三維BOM生成技術和三維球標標注技術等。

應用層：該層主要是在業務層基礎上，進行組件焊接裝配過程的全三維化應用，包含有組件裝配序列過程仿真、裝配路徑的交互式指定與優化等。

5.三維模型質量檢測技術

該系統依托CAD應用相關的國家標準、行業標準及企業標準的內容，把相關的標準要求設計成企業標準化審查的準則，開發審查工具集，通過計算機軟件技術來實現對三維模型數據的實時與事后的質量審查。該系統具備對檢測項進行靈活配置并自定義檢測集和自定義檢測項目值的功能，并能夠與Pro/ENGINEER無縫集成，實現自動化或半自動化對產品三維模型進行標準化審查的功能。

系統總體設計思路：充分利用現有資源，嚴格按照國家標準、行業標準和企業標準進行功能開發。實現模型和工程圖、裝配、工藝模型的質量檢查，并對檢查結果進行反饋；建立獨立的人員、角色、部門管理機制，實現對平臺中各種數據的權限控制，保證數據安全；采用先進的技術架構，保證系統性能的穩定、可靠、可擴展和易于升級、維護。該系統在總體技術架構設計上采用組件化、分布式的開發方法。其總體技術架構如圖11所示。

圖11 三維模型質量檢測技術架構圖

表現層：用戶可以直接訪問和操作的系統界面，表現層就能夠將用戶輸入的數據或訪問請求傳遞給業務層。

業務層：系統的業務邏輯操作。業務層由各個組件構成，接受表現層的信息，調用相應組件進行功能實現。

數據層：封裝系統中涉及數據存儲或讀取的操作。

業務組件：將系統的功能和公共模塊提煉、封裝成業務組件，并提供標準接口，供組件間或表現層和數據層調用。

Pro/ENGINEER二次開發接口（Pro/Toolikt）：Pro/ENGINEER平臺提供的二次開發接口，對Pro/ ENGINEER數據進行訪問必須要應用二次開發接口。

Pro/ENGINEER訪問組件：對Pro/ENGINEER數據進行底層訪問的通道，根據集團對Pro/ENGINEER應用情況求，本系統采用VC與Pro/Toolikt開發方式。

數據訪問接口：提供對檢測結果文件的存儲和讀取。檢測結果文件可以放在本地，也可以放在遠程服務器上。

許可協議認證：對系統的應用采用許可協議的認證制，包括對系統功能的訪問控制管理。

組件執行引擎：管理組件的調用，用戶接口程序通過組件執行引擎調用業務組件。

6.三維工藝可視化發布技術

將工藝設計結果快速發布成脫離軟件平臺的三維工藝卡。基于工藝加工、裝配順序將模型進行可視化發布，以輕量化模型為主要信息載體，集成裝配工藝信息，同時可在加工、裝配過程仿真的基礎上輸出仿真動畫，用于指導制造。

系統總體目標：系統總體技術方案是三維工藝可視化發布軟件基于B/S架構，基于Pro/ENGINEER開發，主要分為：機加工工藝模型發布模塊、鈑金工藝模型發布模塊、涂裝工藝模型發布模塊和焊接裝配工藝模型發布模塊。

機加工工藝模型發布是將建立好的模型發布為ProductView格式文件，以方便查閱。鈑金工藝模型發布模塊是將建立好的鈑金工藝MBD模型發布為ProductView格式輕量化文件，以方便信息獲取。涂裝工藝模型發布模塊是將建立好的涂裝工藝MBD模型發布為ProductView格式輕量化文件，以方便信息網頁化獲取。焊接裝配工藝模型發布模塊是根據裝配順序將建立好的焊接裝配序列模型發布為ProductView格式文件，以方便查閱。基于構建的插件，動態多視圖地展示全三維集成工藝模型信息，以使車間加工、裝配人員能多方位直觀地瀏覽工藝模型。具體的發布界面布局如圖12所示。

圖12 發布界面布局圖

三、結語

通過三維模型標注技術、三維機加工藝設計技術、三維焊接裝配工藝設計技術、三維工藝可視化發布技術和三維模型質量檢測技術的應用，使設計人員可以在三維環境下開展機加工、焊接裝配工藝設計，并將機加工工藝、焊接裝配工藝發布到車間終端，取消二維工程圖和工藝卡片，打通機加工工藝、焊接裝配工藝數據鏈，顯著提高設計水平和效率。