基于MBD的三維裝配信息系統的設計開發

沈陽理工大學機械工程學院 張嘉易 許世璞 郝永平 陸英俊 郭明春

為了提高產品裝配的效率，實現工藝數據及時、準確的表達和裝配信息的數字化管理，開展了基于MBD技術的三維裝配信息系統的設計開發。根據裝配二維圖紙所包含信息，結合三維建模裝配工藝規程，設計搭建了裝配信息MBD模型框架。通過UG二次開發技術、MBD技術，設計開發了MBD裝配信息系統，實現了零部件三維標注下基本信息的自動提取以及工藝信息的檢索、關聯各零部件的裝配約束。并以某型號箭引設計為例，驗證了系統的有效性。

引言：MBD是波音公司首先提出并在客機設計與制造過程中全面采用的一項全三維數字化技術，它摒棄了“二維圖紙+三維模型”的生產模式，將產品制造信息（PMI）與設計信息一起定義到三維模型中，從而取消了二維圖紙的傳遞形式，保證了產品設計數據的統一。國內企業在MBD運用中已取得了很大進步，但是與國外發達航空企業相比還有不小差距，主要表現在工藝部門仍然采用傳統的二維工藝規劃方法，三維設計模型和裝配工藝信息管理分離，沒有貫穿于產品的全生命周期中。

近年來，國內外學者對MBD技術的研究不斷加深，為實現工藝信息表達和集成，北京航空航天大學盧鵠等人設計開發了單一產品數據源原型系統。東南大學劉金鋒等人實現了三維工藝規劃對工藝信息表達和管理。西北工業大學田富君等人將三維標注信息與工藝規劃進行劃分和管理。河北科技大學方憶湘等人研究基于MBD建模規范和測量軟件，分析了零件MBD模型監測信息的構成以及關聯關系。南京航空航天大學靳江艷等人采用多視圖的方法對裝配工藝信息進行統一表達和管理。為使MBD技術在產品裝配中得到深化推廣，本文通過研究產品零部件三維模型工藝信息的合理表達，設計開發了基于MBD的三維裝配信息系統，對產品裝配過程中需要的信息有效的提取和利用，提高了產品的可裝配性和裝配質量。

1.裝配信息MBD模型的構建

裝配信息是產品裝配制造過程中的重要組成部分，在產品模型設計、工藝設計到車間的加工制造和信息管理中起著橋梁的作用，直接決定產品的最終質量。設計部門發放的MBD模型是產品裝配所需零部件的最終幾何模型和工藝信息，對中間制造環節沒有說明，從而很難直接用于指導生產。根據GB/T 24734-2009《技術產品文件數字化產品定義數據通則》，考慮零件機加工過程中涉及的工藝數據信息，建立了面向裝配的工藝MBD模型，如圖1所示。

圖1 裝配信息MBD模型

裝配信息MBD模型M由裝配設計模型ADM、裝配工序模型APM、裝配工藝方法APW和裝配工藝屬性APA四部分組成，因此可以將裝配信息MBD模型表示為公式（1）：

式中：ADMi表示第i個零件模型，n個零件設計模型組裝成了最終的產品，ADM是設計部門發放的MBD模型，它包含了裝配零部件的數據管理及裝配關系，通常情況下不會隨工藝活動的變化而改變，是工藝規劃設計和車間裝配制造的唯一依據；APMj表示第j個裝配工序模型，每一個工序模型下面又有多個工步模型，它包含了工序的幾何信息和工藝信息，用以輔助工藝設計；APWl表示l個工序對應的工藝屬性方法，如熱處理方法、工藝流程。APAk表示第k個工序對應的工藝屬性信息，如夾具信息、加工制造信息等工藝信息。裝配工序模型和裝配工藝屬性都是以裝配設計模型為核心，并相互關聯。

標注工藝信息是零件機加過程中所使用的工藝信息，由形位公差、表面粗糙度、尺寸（公差）、注釋和標記五部分組成，可將標注工藝信息MPI表示為公式（2）：

式中：GTole，SRough，ST，Notes，Mark分別表示表示標注的形位公差、表面粗糙度、尺寸（公差）、注釋和標記。其中形位公差由形狀公差和位置公差組成，形狀公差描述實際要素形狀所允許的變動量，位置公差描述關聯要素的位置對基準所允許的變動全量；尺寸（公差）包括零件基本形狀尺寸和切削加工中允許的尺寸變動量；標記是用符號表示公差類型的定位基準等特征要求；注釋是與工序模型或工步模型相關聯的、對技術要求和熱處理信息的描述，如材料類型、熱處理方法等。

2.三維裝配信息系統的設計

2.1 三維裝配信息系統的框架

在UG環境中。根據產品的裝配零部件的設計信息和工藝信息，在VC++6.0開發環境下，利用UG Open二次開發工具集集開發編程語言，設計開發出三維裝配工藝信息輔助系統，有效的提高裝配工藝設計效率和質量。該系統包括模型管理、設計信息生成、設計描述添加、工藝信息生成等工具集，系統總體框架如圖2所示。

圖2 三維裝配信息系統

圖3 三維裝配信息系統處理流程

2.2 系統處理流程

構成裝配工藝的信息是多樣化的，每一類信息都有各自的表達形式和儲存方式。裝配信息系統的處理流程如圖3所示。把裝配件導入裝配信息系統，將裝配信息分成裝配工序信息、裝配件配套信息和工藝設計信息。選取待裝配件，對待裝配件的連接關系、干涉和工序約束等進行提取，然后根據提取信息進行裝配信息補充和層次劃分，形成裝配工序信息集；利用裝配樹功能遍歷裝配樹，對零件、標準件進行尺寸公差信息提取，添加工藝屬性信息形成裝配件配套信息集；選取工藝對象，提取對象特征，添加工藝信息，補充工藝屬性信息，形成工藝設計信息集。將三維模型和裝配信息進行協同表示。

3.裝配信息集成實例

以某型號箭引設計為例，運行系統如圖4所示，首先將引信裝配設計模型載入UG系統中，在UG平臺中，通過開發的功能模塊錄入產品名稱、產品編號、零件材料等產品零件信息，通過裝配樹功能遍歷引信零部件模型，對其進行PMI三維標注、工藝屬性信息添加、工序工步相關操作信息等，使裝配工藝模型以樹形圖結構顯示出來、工藝幾何特征與非幾何信息緊密關聯。通過信息自動提取功能將三維標注的非幾何信息如尺寸、公差、注釋等自動提取到對話框內，并存入SQL Server2008對應數據庫表格中，關聯的裝配工藝信息最終以報表的形式存入數據庫中，裝配約束特征、裝配結構樹關系則以XML配置文件形式提取存放到WEB服務器內。

圖4 三維裝配信息系統運行實例

4.結語

基于MBD的三維裝配信息系統的開發是對復雜類產品的裝配信息的優化管理以及對工藝信息的規范化管理。本文對產品裝配工藝信息的組成進行分析，將產品的裝配信息與模型進行連接，創建了裝配信息MBD模型；采用了面向對象的編程方法，結合UG二次開發技術設計了MBD三維裝配信息系統。應用ADO技術，JDBC技術實現UG開發平臺與數據庫信息集的交互傳遞，達到裝配信息的數字化傳遞和信息共享，保障了產品設計數據的統一，為進一步開展軍工復雜類產品裝配信息集成管理提供了手段。