基于MBD的三維結構化工藝設計應用

中車戚墅堰機車有限公司信息管理部 謝利

隨著數字化設計技術與制造技術的推廣應用，企業在產品研發中大多實現了三維設計，大幅度提高了企業的設計效率、研發及創新能力，越來越多的制造企業逐步從二維設計模式過渡到全三維設計模式。但是，大多數企業的工藝仍然是基于二維圖紙，三維設計數據和設計意圖無法有效傳遞和充分利用，工藝人員無法享受三維設計帶來的便利性，數據缺乏關聯，由此造成設計與工藝脫節，還需進行三維向二維的轉換，并以二維圖紙作為交付物，已經成為產品三維協同研制的短板和瓶頸。

實施三維結構化工藝設計，建立適應三維結構化工藝設計的標準規范，基于企業PDM系統開發三維結構化工藝設計工具和管理系統，繼承設計的信息（EBOM和帶三維標注MBD模型等），開展EBOM/PBOM/MBOM調整、三維結構化工藝編制，并在PDM系統中進行工藝業務過程和工藝數據的管理，推進設計、工藝協同工作，提高工藝工作效率和工作質量。

一、三維結構化工藝數據組織

設計部門在PDM系統中以產品結構樹（EBOM）為核心進行產品設計數據組織和管理的模式得到企業的廣泛認可和深入應用。工藝部門從工藝設計和管理角度出發，圍繞企業工藝設計和生產制造的主線——產品制造樹（MBOM）進行工藝數據組織和管理。

1.基于PDM系統的設計工藝一體化

工藝要繼承設計信息，共享設計數據，進行基于MBD的結構化工藝設計，企業應建立基于PDM系統的設計工藝一體化平臺，使得設計、工藝在同一平臺上工作，實現一體化的產品設計和工藝設計，一體化的變更。

企業在成功應用PDM系統進行產品設計數據管理的基礎上，基于PDM系統開發MBOM編輯器和結構化工藝設計系統，實現基于MBD模型的三維結構化工藝設計，實現設計、工藝數據統一管理，系統框架如圖1所示。

圖1 基于PDM的三維結構化工藝管理框架

2.基于MBOM的三維結構化工藝設計與管理

以MBOM為核心進行工藝數據管理，即通過建立MBOM零部件與相應工藝數據之間的關聯關系，實現各類工藝數據的關聯化管理及其變更歷史記錄。各類工藝數據之間的關聯關系如圖2所示。

圖2 各類工藝數據之間的關聯關系

3.EBOM/PBOM/MBOM轉換

工藝人員在設計發布的EBOM基礎上，結合工藝路線及制造單位的加工水平維護形成的、用于指導生產的制造結構。MBOM構建分兩個階段。

◎ 生產技術準備人員在PDM系統中基于EBOM，應用BOM編輯器進行PBOM初始化、PBOM設計和PBOM簽審，通過簽審后發布公司級工藝路線，系統將根據行程分工自動進行MBOM設計任務和工藝設計任務的派發。

◎ 各專業工藝師接收到MBOM設計任務后，基于發布的PBOM協同進行MBOM設計（裝配工藝師按實際裝配過程或工位調整結構，機加工藝師完善材料信息，鑄造和鍛造工藝師分別維護各專業毛坯件的原材料及定額信息）、MBOM簽審，簽審通過后，進行MBOM發布，并傳遞給ERP系統。

通過在系統中構建完整的MBOM，將物料信息、制造結構信息和工藝路線等數據集成發布給ERP系統，一方面有利于實現物料按工位投放的精益制造管理模式，另一方面確保基于單一數據源實現向ERP發布數據的準確性、一致性。

二、工藝模型設計

不同于產品設計，工藝設計中的零部件三維模型是一種多態模型的演變過程，從毛坯到零件，從零件到裝配，形成一系列中間狀態模型，有以下特點。

◎ 模型繼承關系：工藝模型繼承設計模型，下一工序的工序模型繼承前道工序的工序模型，并直接編輯從設計模型繼承的三維標注信息。

◎ 工序模型拓撲變化：正向設計（毛坯-工序1-工序2…零件）模擬實際加工逐步去除材料，待去除材料由去材特征表示；逆向設計（零件-工序n-工序n-1…毛坯）工序模型從零件開始通過添加去除特征對應的實體逐步變為毛坯，通過特征抑制還原去材特征的實體是最方便的方法。

◎ 三維模型可編輯性和多樣化展現：三維工序模型和工藝文件的可編輯性、與可編輯模型關聯的輕量化模型，以及PDF文件的表示。

1.機加工三維工藝模型設計

從毛坯到零件的切削過程，反映了3D多態模型的演變和對應的工藝信息關聯，涉及3D模型本身的幾何形狀改變。無需針對每一加工工序建立工藝模型，應在工藝編輯器中關聯對應的工序和工步模型。機加工工序模型設計如圖3所示。

圖3 機加工工序模型設計

工序模型的變化有參數變化和拓撲結構變化兩種情況。參數變化反映了加工余量的變化，對應工序的粗加工-半精加工-精加工，可使用Creo族表功能。拓撲結構變化反映零部件加工部位發生變化，對應加工方法改變，可對工序模型使用Creo柔性建模功能進行設計。

工序變化可能使多態模型鏈中工序模型自動更新失敗，需重新建立相關的模型間引用復制關系以及重新構建去材特征。

對于不涉及當前工序加工（即不進行三維標注）的幾何對象，可以對當前工序模型采用特征抑制、模型修剪和剖切等方法進行簡化。

在3D情況下，任何修改必須在3D模型上進行，需建立三維工藝模型設計的標準規范，選擇一種效率、數據有效性和審批兼顧的規范化方法。

數控加工三維工藝模型最好使用中差建模，可不進行三維標注。研究開發三維模型檢查工具，對三維模型質量進行評估，同時提高產品設計人員工藝知識，使設計模型可直接重用。

2.成形（鑄造、鍛造和鈑金等）三維工藝模型設計

成形工藝主要以模具作為零件成形的工裝，包括鑄造、鍛造和冷沖等，其中多次成形存在零件的多態模型和對應的多套模具模型。

3.裝配三維工藝模型設計

不涉及零件模型本身的拓撲結構改變而僅僅是零組件方位發生變化，對于大裝配三維模型一般需要進行輕量化處理。無需關注零件模型細節，可直接采用輕量化模型進行工藝設計和拆裝仿真。

三、基于MBOM的三維結構化工藝設計

由“所見即所得”的卡片式編制方式轉變為以MBOM為核心的“結構化”工藝編制方式，支撐基于MBD的三維工藝規程設計、基于二維圖樣的二維工藝規程設計模式整合，同時實現所有工藝數據的一體化和關聯化管理，結構化工藝文件的組織形式如圖4所示。

為適應國內制造企業工藝設計和管理的需要，基于PDM系統Windchill的工藝模塊MPMLink，開發三維結構化工藝設計系統，支持離散性制造企業所有工藝類型的三維結構化工藝設計，包括組裝類工藝設計、機加類工藝設計、焊接類工藝設計、鑄造類工藝設計、鍛造類工藝設計、熱處理類工藝設計、探傷類工藝規設計和通用類工藝設計等。

圖4 結構化工藝文件的組織形式

1.開發三維結構化工藝設計系統

由于不同企業工藝方法和工藝水平個性差異較大，通用的三維工藝設計系統難以滿足不同制造企業的需求，基于PDM系統設計工藝一體化平臺，結合企業特點，開發三維結構化工藝設計系統。基于MBOM根據工藝任務開展三維結構化工藝設計，建立產品工藝結構樹，每個自制零部件對應一個結構化工藝（如機加工工藝、組裝工藝、熱工工藝等）。根據加工或裝配工藝要求在工藝下建立工序，并與所需的資源（如工序模型、設備、工裝、作業指導書和檢驗指導書等）建立關聯，使三維數據貫穿設計、工藝和制造全過程。結構化工藝設計如圖5所示。

圖5 結構化工藝示例(機加工)

建立結構化工藝，精細到工序、工步的版本和權限控制，自動提取工藝路線和工位物料傳遞給ERP系統和MES系統；工藝人員與設計人員在統一的平臺，統一的界面、統一的庫中并行作業，有利于提高數據重用率和工藝設計效率。

2.三維結構化工藝設計

當工藝師在基于PDM系統的設計工藝一體化平臺接收到工藝設計任務后，啟動三維結構化工藝設計系統，基于MBOM創建結構化工藝規程，創建工序和工步，選擇設備、工裝及工具（工裝、刀具、檢具、量具、工藝器具）、工藝輔料等工藝資源關聯至工序、工步，根據需要從PDM系統或本地選擇相應的工藝簡圖（支持工藝模型、二維圖、圖片和三維仿真動畫等）和工藝附件關聯至工序、工步，如圖5所示。

在裝配三維結構化工藝設計中，工藝設計編輯器支持基于MBOM節點的三維可視化模型以復制/粘貼的方式為工序、工步進行“消耗式零部件分配”，如圖6所示。對已經分配過的零部件，通過顏色和提醒機制進行提醒，避免零部件重復分配和漏分配等問題。

圖6 裝配三為結構化工藝零部件消耗式分配過程示意

在裝配三維結構化工藝設計中，將制作的裝配仿真動畫集成檢入至工藝編輯器，系統自動將裝配仿真動畫與工序/工步關聯，如圖7所示。

圖7 結構化工藝示例(裝配)

3.三維結構化工藝文件發布

當結構化工藝設計完成后，調用三維結構化工藝設計編輯器中定義各種工藝類型的模板進行預覽，輸出基于WEB（網頁）形式的交互式工藝規程，如圖8所示，用于現場無紙化終端應用，可方便的進行模型旋轉、剖切和測量，查看三維標注，播放工藝仿真動畫。

圖8 WEB形式的交互式工藝規程頁面示意

針對三維結構化工藝規程，同時可以將三維模型固定在某一視圖、工藝仿真固定在某一畫面，輸出生產制造要求的二維工藝規程，采用PDF格式，如圖9所示，并可打印下發。

圖9 PDF形式的二維工藝規程頁面示意

4.無紙化終端瀏覽三維結構化工藝

開發應用于生產現場的無紙化終端系統，基于零部件編號、工藝規程編號、工藝規程編號+工序號方式檢索，查找存放在PDM系統中的零部件模型、三維結構化工藝規程等，并通過內嵌流程進行瀏覽。

四、制定三維結構化工藝設計與管理標準規范

企業現有的標準規范都是針對二維圖、“所見即所得”的卡片式工藝設計的，缺乏工藝模型和結構化工藝設計的標準規范和約束。因此，企業需要針對產品特點，結合所應用的CAD工具、三維工藝設計系統（基于PDM系統的設計工藝一體化平臺），區分不同工藝類型，研究三維結構化工藝設計的標準規范，統一企業三維結構化工藝設計環境，高效率地接收設計的三維模型，規范工藝模型設計、結構化工藝編制，為企業全三維工程化應用奠定基礎。筆者所在企業在三維結構化工藝設計和管理中建立了標準規范，如表1所示。

表1 三維結構化工藝設計和管理相關標準規范

五、結語

三維結構化工藝是一種全新的技術，更是一種全新的管理模式，必然會受到傳統二維工藝思維和工藝習慣的阻礙，更是企業產品研制模式的變革。要從二維思維中跳出來，逐步向三維思維轉變，建立基于三維的、結構化的工藝標準規范是關鍵，同時還需要從決策和管理層進行推進。

基于PDM系統進行三維結構化工藝設計與管理，工藝直接接收和重用三維設計模型，MBD模型貫穿企業設計、工藝和制造等產品生命周期的過程，實現企業一體化產品設計和工藝設計，保證設計工藝制造一體化管理，保證設計工藝數據的一致性和關聯性，顯著提升企業產品研制水平和工作效率。