基于MBD的船舶管件三維工藝設(shè)計(jì)方法

李瑞,張剛,汪驥,劉曉,劉玉君

(大連理工大學(xué) 船舶工程學(xué)院,遼寧 大連 116024)

船舶設(shè)計(jì)制造需要多部門、團(tuán)隊(duì)協(xié)同工作,但目前各單位、部門之間缺乏協(xié)同作業(yè)模式,設(shè)計(jì)階段與制造階段的數(shù)據(jù)源不統(tǒng)一,造成信息得不到有效傳遞、效率低、研發(fā)周期長(zhǎng)。模型定義(model based definition,MBD)技術(shù)是以集成的三維實(shí)體模型完整表達(dá)產(chǎn)品信息的一種定義方式[1],摒棄以往以“二維為主,三維為輔”的設(shè)計(jì)制造模式,對(duì)產(chǎn)品的工藝規(guī)劃、加工指導(dǎo)的方式、生產(chǎn)車間的管理等產(chǎn)生巨大影響[2]。近年來,隨著數(shù)字化的要求不斷提升,三維工藝設(shè)計(jì)成為熱點(diǎn)問題。一方面將三維模型充分應(yīng)用到協(xié)同設(shè)計(jì)模式[3]中,在構(gòu)建的船舶三維實(shí)體模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行三維工藝設(shè)計(jì)和加工制造工作,將三維模型添加信息轉(zhuǎn)換為EBOM模型與MBOM模型,最后輸出為XML文件進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸,但這種方式中三維模型與工藝信息是兩個(gè)相互獨(dú)立的個(gè)體,沒有形成相互依存的指示關(guān)系,生產(chǎn)制造階段缺乏有效的作業(yè)指導(dǎo);另一方面是借助MBD技術(shù)實(shí)現(xiàn)協(xié)同設(shè)計(jì)[4],構(gòu)建船舶MBD設(shè)計(jì)模型與MBD工藝模型,借助MBD模型信息標(biāo)注的優(yōu)勢(shì),能夠?qū)⒛Ｐ团c工藝信息形成相互依存的整體,進(jìn)而作為船舶產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造過程中的唯一數(shù)據(jù)源,貫穿船舶設(shè)計(jì)、建模、工藝、制造、檢驗(yàn)過程。但由于船舶產(chǎn)品的復(fù)雜性,MBD技術(shù)在船舶領(lǐng)域的應(yīng)用還處在探索和試驗(yàn)的階段[5-6]。考慮以船舶管件作為研究對(duì)象,探討基于MBD技術(shù)實(shí)現(xiàn)船舶管件的三維工藝設(shè)計(jì)并生成三維作業(yè)指導(dǎo)書,實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、工藝、制造階段的協(xié)同,為MBD技術(shù)在船舶領(lǐng)域的深入應(yīng)用提供借鑒。

1 總體方案規(guī)劃

基于MBD的船舶管件三維工藝設(shè)計(jì)是指在船舶管件MBD設(shè)計(jì)模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行工藝設(shè)計(jì),生成船舶管件MBD工藝模型的過程,在此過程中主要包括構(gòu)建船舶管件MBD工藝模型和輔助工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)兩大內(nèi)容?；趯?duì)MBD技術(shù)和輔助工藝設(shè)計(jì)方法的研究,構(gòu)建基于MBD的船舶管件三維工藝設(shè)計(jì)總體方案,見圖1。

圖1 基于MBD的船舶管件三維工藝設(shè)計(jì)總體方案

在該方案中,船舶管件MBD設(shè)計(jì)模型是工藝設(shè)計(jì)的起點(diǎn),基于CATIA二次開發(fā)技術(shù)實(shí)現(xiàn)面向工藝設(shè)計(jì)過程的MBD設(shè)計(jì)模型信息自動(dòng)提取,為船舶管件輔助工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)提供信息基礎(chǔ);構(gòu)建以工藝實(shí)例庫(kù)、工藝規(guī)則庫(kù)、設(shè)備資源庫(kù)等為主的工藝知識(shí)庫(kù),為輔助工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)的工藝實(shí)例重用和自動(dòng)工藝決策提供知識(shí)基礎(chǔ),其中,自動(dòng)工藝決策內(nèi)容包括:加工方法、加工設(shè)備等的選擇決策,工藝路線、數(shù)控加工工序等的規(guī)劃決策,無余量下料長(zhǎng)度、彎曲角度、回彈延伸數(shù)據(jù)等的計(jì)算決策,以此實(shí)現(xiàn)基于知識(shí)的工藝路線自動(dòng)規(guī)劃、工藝參數(shù)的程序化計(jì)算等,生成完整且詳細(xì)的工藝信息;最后,基于對(duì)MBD數(shù)據(jù)集規(guī)范定義的研究,將生成的工藝信息集成為工藝信息樹,結(jié)合模型輕量化處理,生成基于MBD的船舶管件三維作業(yè)指導(dǎo)書,實(shí)現(xiàn)對(duì)工藝現(xiàn)場(chǎng)的可視化指導(dǎo)。

從整體來看,船舶管件MBD模型貫穿整個(gè)方案,在三維工藝設(shè)計(jì)過程中作為唯一數(shù)據(jù)源,有著傳遞工藝信息的重要作用,使得信息的傳遞更加直觀,消除二義性,可有效改善傳統(tǒng)的船舶管件設(shè)計(jì)制造模式的弊端。

2 MBD設(shè)計(jì)模型信息的管理

船舶管件設(shè)計(jì)信息是工藝設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)信息,設(shè)計(jì)信息的完整性和準(zhǔn)確性對(duì)工藝設(shè)計(jì)的規(guī)范性和準(zhǔn)確性有重要影響,傳統(tǒng)的船舶管件設(shè)計(jì)制造模式需要依靠工藝人員與設(shè)計(jì)人員的反復(fù)交流確認(rèn),浪費(fèi)人力、工時(shí),為此,需實(shí)現(xiàn)一種面向工藝設(shè)計(jì)過程的模型設(shè)計(jì)信息獲取方式,在三維環(huán)境下開發(fā)MBD模型設(shè)計(jì)信息管理系統(tǒng)。

首先,歸納工藝設(shè)計(jì)過程中需要的設(shè)計(jì)信息并通過人機(jī)交互窗口顯示;然后,基于CATIA二次開發(fā)技術(shù)和循環(huán)遍歷算法實(shí)現(xiàn)MBD設(shè)計(jì)模型結(jié)構(gòu)樹中非幾何信息和Node Table中幾何信息的提取,并顯示在交互窗口相應(yīng)內(nèi)容下;最后,由設(shè)計(jì)人員通過交互窗口審核其所提供的設(shè)計(jì)信息是否正確且完整,以此為工藝設(shè)計(jì)過程提供完整且準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)信息。通過這種方式可加強(qiáng)設(shè)計(jì)人員和工藝人員之間的聯(lián)系,提高設(shè)計(jì)信息獲取的效率和質(zhì)量。

在三維環(huán)境下自動(dòng)提取得到的設(shè)計(jì)信息如何有效地傳遞到輔助工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)也非常重要,為此,采用XML文件格式實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)信息地有效傳遞。XML(extensible markup language,可擴(kuò)展標(biāo)記語(yǔ)言)文件[7]的結(jié)構(gòu)與CATIA軟件的特征結(jié)構(gòu)樹表現(xiàn)形式極為相似,可以非常方便處理高度結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)。通過研究開發(fā)基于VB的XML文件自動(dòng)讀寫及生成程序,按照XML文件的邏輯結(jié)構(gòu),生成儲(chǔ)存船舶管件設(shè)計(jì)信息的文件。

3 三維工藝設(shè)計(jì)

3.1 工藝知識(shí)庫(kù)的構(gòu)建

輔助工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)實(shí)際上是在大量工藝知識(shí)和邏輯分析的基礎(chǔ)上,以設(shè)計(jì)信息為依據(jù),按照船舶管件工藝設(shè)計(jì)的流程將原本需要工藝人員人為理解并處理的知識(shí)利用計(jì)算機(jī)和知識(shí)工程技術(shù)交由系統(tǒng)自動(dòng)完成,解決工藝設(shè)計(jì)中的各種決策問題。系統(tǒng)的基礎(chǔ)是工藝知識(shí)庫(kù)的構(gòu)建,將船舶管件工藝知識(shí)分為通用性知識(shí)和決策性知識(shí),借助數(shù)據(jù)庫(kù)軟件 SQL Sever完成對(duì)工藝知識(shí)的存儲(chǔ)和管理,進(jìn)而構(gòu)建了船舶管件工藝知識(shí)庫(kù)。

1)通用性知識(shí)包括:標(biāo)準(zhǔn)文件、工藝手冊(cè)等規(guī)范性知識(shí),歸納典型工藝形成的工藝實(shí)例、工藝規(guī)程等實(shí)例性知識(shí)以及管坯、加工設(shè)備等資源性知識(shí)。這類知識(shí)在工藝設(shè)計(jì)過程中的應(yīng)用形式一般為檢索、直接引用和查看,因此,知識(shí)的表示側(cè)重于知識(shí)內(nèi)容的描述。將通用性知識(shí)以數(shù)據(jù)表的形式儲(chǔ)存在數(shù)據(jù)庫(kù)中,其中定義了知識(shí)名稱、知識(shí)屬性、數(shù)據(jù)類型、主鍵等內(nèi)容。

2)決策性知識(shí)是指工藝設(shè)計(jì)過程中涉及的加工方法、設(shè)備資源的選用等方面的工藝規(guī)則和經(jīng)驗(yàn)以及加工工藝參數(shù)的計(jì)算等知識(shí)。這類知識(shí)的結(jié)構(gòu)化程度高,知識(shí)之間的聯(lián)系緊密,任何信息的細(xì)微變化(如管件尺寸信息的變化)都會(huì)導(dǎo)致工藝路線、工藝參數(shù)、加工方法等的改變。因此,決策性知識(shí)的表示方法也應(yīng)當(dāng)具有過程性的特點(diǎn),實(shí)現(xiàn)知識(shí)的動(dòng)態(tài)化表示。將數(shù)據(jù)庫(kù)管理方法與產(chǎn)生式規(guī)則法相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)決策性知識(shí)的表示與儲(chǔ)存。該方法首先將工藝規(guī)則和經(jīng)驗(yàn)的條件及結(jié)論部分歸納為工藝規(guī)則表,儲(chǔ)存在工藝規(guī)則庫(kù)中;使用“If-Then”的決策形式,建立條件與結(jié)論部分的因果關(guān)系,模擬人工進(jìn)行自動(dòng)工藝決策。

船舶管件工藝知識(shí)庫(kù)所包含的知識(shí)對(duì)象種類繁多,每個(gè)知識(shí)對(duì)象又包含多個(gè)屬性,為了清楚描述各知識(shí)對(duì)象的結(jié)構(gòu),利用UML(Unified Modeling Language)的建模方法,構(gòu)建工藝知識(shí)庫(kù)中各知識(shí)對(duì)象的關(guān)系模型,來描述各知識(shí)對(duì)象之間、知識(shí)的屬性與對(duì)象之間的關(guān)系。以船舶管件基本屬性信息為主的彎管加工實(shí)例庫(kù)關(guān)系模型見圖2。

其中,彎管加工實(shí)例庫(kù)中包括管件基本屬性信息表、管件幾何信息表、加工工藝信息表、工藝參數(shù)表、彎曲補(bǔ)償數(shù)據(jù)表,這些數(shù)據(jù)表是通過管件編號(hào)建立聯(lián)系的,以此完整的描述彎管的實(shí)例數(shù)據(jù);此外,加工工藝信息表中的數(shù)據(jù)與工藝規(guī)則庫(kù)中相應(yīng)規(guī)則表的主外鍵建立聯(lián)系,通過規(guī)則決策得出相應(yīng)的工藝信息。

3.2 三維工藝設(shè)計(jì)過程

船舶管件三維工藝設(shè)計(jì)是以構(gòu)建的工藝知識(shí)庫(kù)為基礎(chǔ),利用系統(tǒng)的自動(dòng)工藝決策,逐步?jīng)Q策推理出工藝路線的工序信息和工步信息,最終生成完整且詳細(xì)的工藝信息的過程。工藝設(shè)計(jì)的最終目的是生成用于指導(dǎo)生產(chǎn)的MBD工藝模型,因此,面向MBD工藝模型的構(gòu)建,建立船舶管件三維工藝設(shè)計(jì)過程邏輯模型,見圖3。

圖3 船舶管件三維工藝設(shè)計(jì)過程邏輯模型

該過程可以分為初步規(guī)劃階段和詳細(xì)規(guī)劃階段。工藝設(shè)計(jì)的初步規(guī)劃階段根據(jù)加工類別和工藝路線的決策規(guī)則,實(shí)現(xiàn)船舶管件MBD工藝模型中工序信息的定義;其中,船舶管件MBD工藝模型的工藝信息按照MBD數(shù)據(jù)集規(guī)范定義方式表達(dá)。詳細(xì)規(guī)劃階段是對(duì)工藝路線的進(jìn)一步完善,利用輔助工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)各工序信息下相應(yīng)工步信息的自動(dòng)工藝決策和參數(shù)計(jì)算,進(jìn)而生成完整且詳細(xì)的工藝信息;最后將新生成的工藝信息按照特定的格式處理并儲(chǔ)存在工藝實(shí)例庫(kù)中,實(shí)現(xiàn)對(duì)工藝實(shí)例庫(kù)的擴(kuò)充。因此,船舶管件三維工藝設(shè)計(jì)的過程也是構(gòu)建船舶管件MBD工藝模型的過程。

4 基于MBD的三維作業(yè)指導(dǎo)方式

基于MBD的三維作業(yè)指導(dǎo)方式是指將船舶管件MBD工藝模型作為唯一數(shù)據(jù)源,運(yùn)用三維的手段可視化指導(dǎo)工藝過程的方式,其主要包括工藝信息的表達(dá)和三維模型的表達(dá)。針對(duì)工藝信息的表達(dá),構(gòu)建基于MBD的船舶管件工藝信息表達(dá)模型(見圖4),該模型將三維工藝設(shè)計(jì)過程中自動(dòng)工藝決策生成的工藝信息按照MBD數(shù)據(jù)集規(guī)范定義的方式表達(dá)為MBD工藝信息樹,實(shí)現(xiàn)工藝信息的有效傳遞。

圖4 基于MBD的船舶管件工藝信息表達(dá)模型

針對(duì)模型的輕量化顯示,采用VRML格式[8]進(jìn)行船舶管件MBD工藝模型的輕量化處理。VRML 格式不僅包含零件幾何信息,還包含標(biāo)注信息,可以被 Cortona3D Viewer 插件解析,擺脫必須依靠三維建模軟件查看三維模型的束縛,適合MBD模型的傳遞與顯示,符合生產(chǎn)設(shè)計(jì)的需要。

基于MBD的三維作業(yè)指導(dǎo)方式的傳遞形式是生成三維工藝卡的電子文檔,三維工藝卡集成MBD工藝信息樹和輕量化三維模型,包括基本信息區(qū)、工藝信息表達(dá)區(qū)、輕量化三維模型顯示區(qū)3個(gè)部分,可以實(shí)現(xiàn)模型的放大、縮小等基本操作。

5 應(yīng)用實(shí)例

利用CATIA軟件構(gòu)建船舶管件MBD幾何模型,SQL Sever數(shù)據(jù)庫(kù)軟件作為數(shù)據(jù)庫(kù)管理平臺(tái),利用Visual Studio 開發(fā)了船舶管件輔助工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng),最后將生成的三維工藝卡以電子文檔形式傳遞到工藝現(xiàn)場(chǎng),實(shí)現(xiàn)工藝過程的三維可視化指導(dǎo)。

三維工藝設(shè)計(jì)的過程主要包括:

1)接收設(shè)計(jì)人員發(fā)布的船舶管件MBD設(shè)計(jì)模型,在三維環(huán)境下完成對(duì)MBD設(shè)計(jì)模型信息的自動(dòng)提取,并審核確認(rèn)信息的完整性和準(zhǔn)確性;將設(shè)計(jì)信息導(dǎo)出為XML文件,MBD模型導(dǎo)出為VRML文件供系統(tǒng)調(diào)用。

2)船舶管件輔助工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)接收并讀取XML文件設(shè)計(jì)信息,系統(tǒng)在工藝知識(shí)庫(kù)的支持下,首先根據(jù)設(shè)計(jì)信息和工藝人員輸入的檢索條件鏈接工藝實(shí)例庫(kù)并檢索出相似的工藝實(shí)例,由工藝人員選擇實(shí)例簡(jiǎn)單修改或者直接引用,生成基于實(shí)例數(shù)據(jù)的管件工藝信息,審核通過后可直接用于生成三維工藝卡。

3)若無工藝實(shí)例與之匹配,系統(tǒng)則會(huì)根據(jù)設(shè)計(jì)信息按照三維工藝設(shè)計(jì)的流程逐步生成工藝信息。首先根據(jù)工藝路線的決策規(guī)則進(jìn)行工藝路線的初步規(guī)劃,實(shí)現(xiàn)基于MBD的工序信息定義,并初步生成工藝信息樹;然后根據(jù)初步規(guī)劃后的工序信息進(jìn)入詳細(xì)規(guī)劃階段,確定需要完善的工步信息,系統(tǒng)會(huì)依據(jù)相應(yīng)的工藝規(guī)則進(jìn)行自動(dòng)工藝決策,生成相應(yīng)的工步信息并保存在工藝信息樹相應(yīng)工序節(jié)點(diǎn)下;系統(tǒng)進(jìn)行多次自動(dòng)工藝決策后生成完整且詳細(xì)的基于MBD的工藝信息樹。

4)最后由系統(tǒng)調(diào)用并集成工藝信息樹和輕量化三維模型,生成三維工藝卡電子文檔,傳遞到工藝現(xiàn)場(chǎng),實(shí)現(xiàn)工藝過程的可視化指導(dǎo)。

6 結(jié)論

將船舶管件MBD模型作為唯一數(shù)據(jù)源,開發(fā)船舶管件輔助工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng),進(jìn)行三維工藝設(shè)計(jì),結(jié)合MBD模型生成三維工藝卡,更加直觀的指導(dǎo)工藝生產(chǎn)。結(jié)果表明,基于MBD技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)船舶管件設(shè)計(jì)、工藝、制造階段的協(xié)同研制。這種方式需要精細(xì)的前序設(shè)計(jì)才能保證自動(dòng)化工藝設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確,避免重復(fù)建模與數(shù)據(jù)源轉(zhuǎn)換,縮短研發(fā)周期,有效避免信息傳遞的錯(cuò)誤,增加產(chǎn)品合格率。這種三維工藝設(shè)計(jì)方式符合數(shù)字化設(shè)計(jì)的要求,為MBD技術(shù)在船舶領(lǐng)域的深入應(yīng)用提供一種思路。