基于MBD 的焊接工藝一體化設計知識系統研究

王連坤， 程 磊， 武保同， 王云鋒

（1.江蘇徐工國重實驗室科技有限公司， 江蘇 徐州 221004； 2.高端工程機械智能制造全國重點實驗室， 江蘇 徐州 221004；3.雁棲湖基礎制造技術研究院（北京）有限公司）， 北京 101408）

0 引言

當前產品設計定義技術多以“三維設計、 二維出圖”為主，因此，基于二維圖紙進行的工藝設計無法清晰、有效、 全面的繼承和傳遞三維設計信息和準確的表達設計意圖，難以滿足甚至會削弱工程機械產品設計實現，增加了生產制造環節的出錯的概率， 嚴重影響了高端工程機械的研制水平。 同時工藝設計制造信息因在各環節傳遞過程中匹配迭代能力的不足， 導致制造各環節數據流通不暢，造成制造數據孤島現象。

隨著國內外大型裝備制造企業的數字化技術發展迅速，基于模型定義（Model-Based Definition，MBD）的數字化設計與制造技術已經成為制造業信息化的發展趨勢[1]?；贛BD 的三維工藝設計是以產品三維模型為工藝設計、制造的唯一依據建立的[2]。 本文從突破基于MBD 的數字樣機關鍵技術入手，克服試驗數據離散、專用知識少等問題，著手開發工程機械焊接設計的專業軟件，儲備大量試驗數據并建立工程數據知識庫， 編制國內國際行業標準文件，形成一套完善的焊接工藝一體化設計標準體系，從根本上提升焊接工藝設計能力。

1 焊接工藝一體化知識系統設計方法

焊接工藝一體化設計知識平臺基于MBD 的數據樣機關鍵技術，在焊接結構設計、工藝設計和生產制造等方面，建立工程數據與知識庫，開發專用工業軟件，搭建標準流程體系。 同時焊接工藝一體化設計軟件對接PDM 系統，驅動由EBOM 轉化生成PBOM，建立EBOM 和PBOM的關聯機制和轉化規則，并與ERP 系統數據互通，進行生產管理數據和制造MBOM 的設計，統一研發數據源，創建基于MBD 的工程機械焊接工藝一體化設計模式，實現數據結構化和可追溯管理。

1.1 焊接工藝一體化知識庫設計

知識庫的建立是基于大量工程實踐過程中所采集到的試驗數據基礎上的。焊接試驗數據包括焊接材料、尺寸信息、焊接方法、設備、焊絲信息、焊接參數等參數信息，通過仿真驗證對這些參數信息進行有組織地關聯組合，得出最優參數組合， 并結合工程實踐對所選定參數組合進行充分驗證、參數優化分析，獲取最優實驗數據。

焊接工藝一體化知識庫包含數據共計127 萬余條，構建并細化為焊接工藝數據庫，集成試驗數據庫、仿真數據庫。如圖1 所示，細化分類后的數據庫作為為知識模型的建立提供基礎數據， 支撐知識模型和知識條目構建工作。 知識庫不僅為實驗驗證、產品設計、工藝設計與工藝仿真等工作提供基礎數據和預測模型， 同時會通過知識推送、變量預測與模型修正等方式，將各個應用階段產生的結果數據反饋到基礎數據， 形成知識建模與知識庫構建環節的數據知識的閉環動態迭代， 實現知識庫智能學習，優化完善基礎數據、預測模型和知識條目。

圖1 焊接工藝一體化知識庫體系

工藝知識庫系統化建設能夠將知識數據結構化應用在產品設計過程，并通過基于MBD 的三維模型將模型信息和參數信息傳遞至工藝設計平臺， 促使焊接工藝設計關鍵過程的知識驅動，實現產品與工藝協同設計過程。如圖2 所示， 產品設計過程基于焊接工藝一體化知識庫通過檢索母材規格、焊縫長度等知識條目，對比提取知識庫中典型工藝模型的最優焊接方法，再結合接頭形式、母材厚度等參數信息提取相應的接口設計參考模型， 從而確定坡口和接頭的設計方案。 在產品設計確定模型焊接方法的同時， 工藝設計可根據焊接方法進行焊接設備的選擇，并通過焊接仿真確定焊接順序的設計。隨著產品設計過程中的焊接方法、接頭、母材參數等參數信息的確定，工藝設計過程再結合焊接試驗和仿真數據匹配確定焊材選型和焊接參數的選擇。 整個產品設計和工藝設計流程建立在焊接工藝一體化知識庫體系上并基于MBD 三維模型進行協同設計，解決了傳統工藝設計數據源不統一、數據參數傳遞失效性和時效性的問題， 打破了傳統產品設計、焊接設計、焊接試驗、生產制造之間的孤島作業的壁壘，疏通了各環節數據的流通，提升設計質量和縮短產品上市周期。

圖2 基于MBD 的產品與工藝協同設計流程

1.2 焊接工藝一體化平臺的設計方法

基于MBD 三維化焊接工藝設計的實現需具備完整的顯示設計制造參數、快速構建焊接工藝設計模型、精準的傳遞數據并直觀的指導現場作業的特點。 因此工藝設計過程中產品模型的工藝信息正確傳遞、 參數信息精準表達至關重要。

1.2.1 焊接工藝信息三維表達

為保證產品設計信息傳遞無誤， 焊接工藝一體化設計平臺在工藝設計過程中完全繼承了產品設計模型信息，并融合傳統工程圖的設計信息，通過模型幾何、屬性、標注多維度表達產品與工藝設計信息，如圖3 所示。

圖3 三維設計/工藝信息協同表達

工藝信息以符號化組合表達方式，包含工藝符號、焊接方法代號、工藝參數、質量控制信息、輔材信息等工藝信息參數， 自動分類不同標注類型和標注要素的工藝參數，規范化、符號化工藝信息的三維表達模型，并基于三維表達模型建立模型特征識別和解析規則，識別MBD 設計模型的工藝語義和制造需求，通過信息繼承，實現產品設計/工藝信息協同語義映射和工藝信息三維標注。

三維標注信息和產品設計參數信息會同三維模型按照工藝設計流程傳遞下去，并做為三維工藝設計內容的一部分進行發布，實現產品、工藝、工廠、資源等數據的有機關聯和結構化組織，保證數據的一致性、有效性和重用性。

1.2.2 工藝模型快速構建方法

為實現工藝模型的快速構建， 采樣了動態級進的方式，建立工藝規程樹結構，通過將工藝模型的幾何模型、屬性和標注信息等參數信息一次性分配到對應的工序工步中， 形成以工序工步為最小單位且包含工藝信息的單元幾何模型。如圖4 所示，各單元幾何模型按工藝規程樹結構，并基于參數化技術、工藝特征技術及特征構建技術等技術支撐，以動態演變的方式逐級焊接拼裝，實現工藝模型的快速自動構建過程。 以動態級進快速構建工藝模型的方式可以實現各工序工步間相互切換， 快速查看已規劃工序工步的焊接工藝內容和工藝參數信息。

圖4 動態級進工藝模型快速構建流程示意

工藝模型構建過程中各工序工步以動畫仿真的形式表達工藝焊接拼點順序的演變，通過視角變化、透明功能提升、動畫序列可視化交互、動畫過程中參數標注可見性控制等三維動態視圖， 直觀的展現工序工步間焊接拼點的順序，實現工藝路徑的規劃和驗證，實時查看工藝規劃路徑、驗證焊接拼裝過程裝配干涉問題。

2 三維可視化發布

三維可視化發布是對基于輕量化模型的三維焊接工藝內容的可視化展現，滿足現場終端設備或移動設備的三維工藝模型查看、工藝參數信息讀取、焊接裝配路徑動畫展示、簡單的三維模型處理、以及現場作業培訓的需求。

模型輕量化處理是通過輕量級算法檢索并識別三維數模的幾何特征，設置幾何參數，確保在幾何特征不失真的情況下，最小化幾何元素的數量，融合模型組件和特征，網格化處理模型數據，形成三維輕量化模型格式文件，實現三維模型的網頁化瀏覽和移動設備的瀏覽，如圖5 所示。

圖5 面向制造的三維焊接工藝可視化發布

焊接工藝一體化設計平臺三維焊接工藝可視化發布流程如下：

（1）將三維工序模型、工裝模型、毛坯模型、PMI 標注信息等通過輕量化處理轉變成三維輕量化模型格式文件。

（2）讀取工藝信息結構化數據，融合結構化數據和輕量化文件，建立工藝模型可視化發布模板，搭建工藝模型與工藝可視化發布語義映射關系， 實現三維可視化發布信息的快速組織。

（3）組織數據快速建立工藝規程樹結構，融合工序工步制造參數信息，提取三維工藝模型的可發布內容列表，封裝三維模型對象的發布行為。

（4）基于模板的工藝信息反射，建立面向發布內容和發布行為的映射關系，將不同的關系定義為發布規則。

（5）解析發布規則，實現面向不同分類用戶的三維工藝文件動態發布，并通過MES 系統傳遞數據至現場終端設備或網絡發布移動設備端， 完成三維焊接工藝可視化發布。

3 結束語

基于MBD 焊接工藝一體化設計平臺的建設，突破了信息表達、模型構建和可視化發布等關鍵技術，構建了覆蓋全系列工程機械產品的焊接工藝知識庫， 建立了企業一體化協同模式。

平臺建設集成CAD/PDM/ERP/MES 等系統， 統一產品設計和工藝設計環境，統一數據格式，實現工藝設計數據驅動生成PBOM 和工藝路線， 實現數據管理結構化可追溯管理，實現現場三維可視化發布。

通過建設焊接工藝一體化設計平臺系統的研究，圍繞三維數字化信息表達、三維焊接工藝設計、模型構建以及三維可視化發布等關鍵技術，研制并編寫了34 項企業標準，13 項國家/行業標準，以及3 項國際標準，建立并完善國際國內工程機械行業標準體系，為設計、工藝、制造的一體化管理提供技術支撐。