基于MBD的全三維工藝規程卡構建研究

陳興玉，張祥祥，程五四，張紅旗

（中國電子科技集團公司第三十八研究所，合肥 230088）

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基于MBD的全三維工藝規程卡構建研究

陳興玉，張祥祥，程五四，張紅旗

（中國電子科技集團公司第三十八研究所，合肥 230088）

摘 要：針對目前復雜機電產品中高精度、薄壁及異形復雜腔體類零件加工工藝復雜，后續車間制造裝配工人識圖不直觀等問題，提出并構建了全三維工藝規程卡。闡述了全三維工藝規程卡的生成流程。詳細研究了三維可視輕量化模型生成、基于PDM平臺的設計工藝信息分類關聯存儲、三維工藝規程卡模板構建及Web化實例派生關鍵技術。最后，給出了開發與應用實例。

關鍵詞：基于模型的定義；全三維工藝規程卡；輕量化工序模型；三維工藝信息存儲

0　引言

三維CAD系統目前已成為企業數字化設計制造的基礎平臺，基于三維CAD系統實現產品設計已非常普及。然而目前的機加工工藝設計都是以二維圖紙為基礎進行人工編制，過分依賴工藝人員的技術水平和經驗，設計不規范且編制周期長，二維CAPP系統僅僅提供一個工藝編制的平臺，輔助工藝人員生成二維工藝卡片，工藝的組織與管理比較困難，無法直觀地、交互地反映加工過程的細節與要求，給下游人員理解和使用帶來困難。

隨著MBD（Model Based Definition，基于模型的定義）技術在國內外的迅速發展，開展三維環境的工藝設計，將尺寸、公差和幾何精度等多種類型的PMI （Product Manufacturing Information，產品制造信息）信息集成到三維模型中，形成全三維工藝MBD模型已成為目前數字化設計與制造的研究熱點，其旨在利用三維手段實現機加工工藝的設計與應用，取消二維圖紙和工藝卡片，以三維工藝模型作為生產制造的唯一依據，指導加工。機加工三維工藝設計大體上可分為三維工藝設計、三維工藝信息管理和三維工藝現場應用三個階段［1］，涉及到工藝信息標識與標注、動態工藝模型構建、設計工藝數據關聯存儲和集成工藝模型可視化發布等關鍵技術。國內已有眾多學者對全三維工藝實施過程中的工藝信息標識與標注［2，3］、動態工藝模型構建［4～6］進行了研究，但是對于數據的關聯存儲、全三維工藝規程卡的有效構建等未進行有效研究。

基于此，本文基于MBD技術，提出工藝模型可視輕量化發布算法，動態生成工藝設計過程中各工序/工步所包含的可視輕量化模型和過程參數標識信息，并分類有序存儲到PDM平臺中。通過構建全三維工藝規程卡模板，調用PDM平臺后臺模型和相關參數信息，實時生成規程卡實例，使車間工人能基于IE瀏覽器，快速直觀地獲取待制造信息。

1　全三維工藝規程卡生成流程

全三維工藝規程卡的生成過程如圖1所示。該過程主要包括三維可視輕量化模型生成、信息的存儲以及全三維工藝規程卡的網頁化生成三個步驟：1）三維可視輕量化模型生成，主要是在工藝設計端，將Pro/E平臺中的集成工藝模型通過一定的算法發布生成面向加工制造過程序列的可視輕量化工序/工步模型；2）信息存儲，主要是將發布生成的可視輕量化模型、工藝模型屬性參數信息等保存在PDM平臺相應的文件夾和數據表中；3）全三維工藝規程卡生成，通過數據接口從PDM平臺中讀取輕量化工序/工步模型、工藝模型屬性參數信息，并加載到基于IE瀏覽器開發的三維工藝規程卡模板相應區域，進而生成全三維工藝規程卡實例。

2　三維可視輕量化模型生成

三維可視輕量化模型的生成，是基于工藝模型逆向發布生成。首先在Pro/E平臺中創建出集成工藝模型，具體創建過程見另文闡述。圖2所示為由工藝模型通過動態發布，生成輕量化工序/工步模型的過程。工藝模型包含有毛坯模型特征、各工序/工步的加工特征以及對應工序/工步的加工屬性參數信息（通過三維標注方式實現）。待工藝模型生成后，通過交互式掛接的方式，掛接到構建的工藝規程各工序/工步節點上去，形成完備的工藝規程包數據。最后，通過特定的模型發布算法，逆向發布生成面向加工制造過程的系列輕量化模型。下面將重點闡述發布算法。

設某零件的三維工藝模型含有n個工序節點，第i個工序節點含有mi個工步節點（i=n，n-1，...，1，mi和n均為正整數）。輕量化動態工藝模型生成的具體算法為：

STEP1：將工藝模型復制一份作為發布基礎，稱為臨時工藝模型，并隱藏臨時工藝模型所有標注信息。

STEP2：基于工藝規程樹，按工序節點恢復臨時工藝模型中第i個工序節點下的所有標注信息，識別第i個工序節點下的特征并進行動態著色處理，通過發布生成第i個工序輕量化文件。

圖1　全三維工藝規程卡生成流程

圖2　三維可視輕量化模型生成過程

STEP3：判斷mi＞1是否成立。若成立則執行STEP4，若不成立則直接執行步驟STEP6。

STEP4：通過動態著色處理將第i個工序節點的特征恢復為初始顏色，隱藏第i個工序節點下所有標注信息，恢復第j個工步節點的標注信息，并對第j個工步節點的特征進行動態著色處理，通過發布生成第i個工序節點下的第j個工步輕量化文件（j=mi，mi-1，…，1）。

STEP5：刪除第j個工步節點的標注和特征信息，執行j--，判斷j=0是否成立。若成立，則執行步驟STEP6，若不成立則執行步驟STEP4。

STEP6：刪除臨時工藝模型中第i個工序節點下的所有標注和特征信息，執行i--，判斷i=0是否成立。若成立則發布結束，若不成立則執行步驟STEP2。

3　信息分類存儲

圖3　全三維設計工藝信息關聯存儲結構

如圖3所示，全三維工藝設計過程產生了相應的工序/工步模型幾何特征信息、全三維標注信息和工藝設計過程信息（如工藝過程參數信息、簽審信息等）。這些信息基于上述的發布算法，發布生成相應的可視輕量化模型和相應的存儲在數據庫表中的工藝過程信息。可視輕量化模型存儲在PDM平臺中對應文件夾下，而工藝過程信息則存儲在對應的數據庫表中。數據庫包含有基礎信息庫和產品工藝庫。基礎信息庫存儲了產品工藝設計過程中所需的最基礎信息，包含有材料信息、機床信息、刀具信息和工裝信息等；產品工藝庫存儲了具體的產品零件工藝設計過程動態產生的信息，包含基礎模型信息、工序過程信息和工步過程信息等。數據庫表之間存在著相互關聯關系，如工藝信息組合符號表通過加工方法編號、刀具編號和加工參數編號等分別與基礎信息庫中的加工方法信息表、刀具信息表和加工參數信息表相關聯。最后，在車間終端，通過信息的定區域加載與重現，在所構建的全三維工藝規程卡模板中派生出產品零件加工工藝規程卡的特定實例，為加工制造過程做指導。

4　全三維工藝規程卡模板與實例生成

圖4　全三維工藝規程卡模板

圖4所示為全三維工藝規程卡模板的布局。該模板由標題區、材料區、工藝規程樹區、輕量化模型展示區、文本區、定額區和簽審區七大區域構成。標準區主要記錄了零件的圖號、名稱及版本等信息；材料區主要記錄并顯示了該零件的材料屬性，包括材料編號、材料名稱、材料牌號及材料規格等；工藝規程樹區展示了零件的加工序列，由工序/工步節點構成；輕量化模型展示區主要展示了零件各工序/工步輕量化發布模型，涵蓋了該工序/工步待加工信息，并通過顏色高亮顯示所需加工的特征，車間工人可通過該區域方法、旋轉等操作，清晰直觀地獲取所需加工信息；文本區主要描述了該道工序/工步相關的加工過程參數信息，包括工序/工步名稱、切削液、加工參數等過程信息；定額區主要讓定額人員根據工藝規程樹和工藝發布結果，賦予準結及單件等定額信息；簽審區主要是針對不同角色人員，如工藝設計師、定額員等，通過在簽審區提交自己的意見，完成工藝審核。

可視輕量化模型以及工藝過程參數信息都已經關聯存儲到PDM平臺中后，需要通過信息的合理提取，并進行Web化發布到車間終端，才能實現車間終端的Web化全三維工藝規程卡展示，便于車間工人的信息瀏覽。本文對于全三維工藝過程信息的Web化發布采用了B/S模式。該模式是隨著Internet技術的興起，對C/S模式的一種改進，有效克服了C/S模式的客戶端臃腫、安全性差、維護困難等缺點，如圖5所示。整個全三維工藝規程卡的Web化發布體系架構包含了客戶端層、Web層、業務邏輯層和數據庫。客戶端層由Web瀏覽器支持，用于展示全三維工藝規程卡，其中對于輕量化工序/工步模型的展示，通過內嵌于網頁的ProductView瀏覽插件實現。Web層中用JSP實現全三維工藝規程卡相關靜動態頁面的展示，用Servlet調用業務邏輯層的Service。業務邏輯層中通過Service調用實體Bean來訪問數據層相關信息，包括輕量化動態工藝模型的提取、工藝過程信息的提取和保存等。經過逐層轉化和處理，最后將工藝過程各工序/工步節點信息返回給全三維工藝規程卡模板，以網頁方式展示給操作者。

圖5　全三維工藝規程卡Web化發布體系架構

5　應用實例

全三維工藝設計系統包含有工藝設計端工藝模型的生成及標注等、工藝發布端Web化全三維工藝規程卡的生成等。系統以Visual C++為開發語言，利用Pro/ Toolkit二次開發工具包對三維CAD軟件Pro/E進行了二次開發，定制開發了全三維工藝設計系統的工藝設計端功能；以JavaScript為開發語言，利用Pro/Web.Link二次開發工具包實現了工藝發布端的功能。以某殼體類零件（圖號為AA8.034.11152）為例，圖6所示為工藝設計端工藝規程包的生成與發布過程，包含有工藝模型的生成、工藝屬性參數信息與工序/工步節點的掛接以及工藝模型的可視輕量化發布功能。該零件工藝規程樹包含有備料、鉗和熱處理等10個工序節點，每個工序節點下又包含有相應的工步節點。在Pro/E設計環境下生成工藝模型后，工藝設計師通過掛接方式，將對應的工藝加工特征和屬性參數信息掛接到工序/工步節點下，生成完整的工藝規程包。后續觸發“產生輕量化文件”，將工藝模型逆向發布生成輕量化的工序/工步模型，“寫入數據庫”將工藝模型屬性參數信息關聯存入到PDM對應的數據表中，“結果發布”按鈕是指將輕量化的模型信息和屬性參數信息發布并檢入存儲到PDM中對應的文件夾和數據表中，如圖7所示。后續，觸發基于PDM平臺開發的“查看三維工藝信息”按鈕，系統將會基于三維工藝規程卡模板實時調取相應的輕量化模型和過程參數信息，生成全三維工藝規程卡實例，如圖8所示。用戶基于Web化三維工藝規程卡，通過觸發工藝規程樹區相應的工序/工步節點，實時瀏覽模型區待制造特征信息。

圖6　工藝規程包生成與發布界面

圖7　基于PDM的可視輕量化模型存儲

圖8　全三維工藝規程卡實例

6　結束語

本文研究并突破了MBD環境下全三維工藝應用和實施過程中涉及的可視輕量化工序/工步模型生成、基于PDM平臺的設計工藝信息關聯存儲以及全三維工藝規程卡實例的實時生成關鍵瓶頸技術，該系列關鍵技術的解決方案已在筆者開發的全三維工藝設計系統中得到了應用驗證。本文研究對企業實施和應用三維工藝系統，實現全面三維工程化具有一定的參考價值。

關于全三維工藝設計系統與企業已有信息平臺的集成，本文只是探討了與PDM平臺的數據集成通信，而對于與ERP、MES等的有效集成將是筆者下一步的重點研究方向。

參考文獻：

［1］ 陳興玉，張紅旗，陳帝江，等.復雜機電產品全三維工藝設計方法［J］.雷達科學與技術，2010，5：474-478.

［2］ 程五四，陳興玉，張祥祥，等.面向三維工藝的產品設計制造信息三維標注研究［J］.中國制造業信息化，2012，41（17）：51-55.

［3］ 張祥祥，陳興玉，程五四，等.基于模型的工藝信息標識方法研究［J］.圖學學報，2012，33（6）：146-150.

［4］ 石云飛，張樹生，成彬.工藝語義驅動的序列三維模型構建系統［J］.計算機集成制造系統，2009，15（11）：2133-2139.

［5］ 萬能，趙杰，莫蓉.三維機加工序模型輔助生成技術［J］.計算機集成制造系統，2011，17（10）：2112-2118.

［6］ 何寶興，鄭國磊，王自軍.基于產品三維模型的工藝幾何特征快速建模方法［J］.航空精密制造技術，2009，45（1）：50-53.

Research on building of three-dimensional technics card based on model based definition

CHEN Xing-yu， ZHANG Xiang-xiang， CHENG Wu-si， ZHANG Hong-qi

中圖分類號：TH162

文獻標識碼：A

文章編號：1009-0134（2016）05-0056-05

收稿日期：2015-09-17

基金項目：國防基礎科研計劃資助（A1120131044）；國防技術基礎科研計劃資助（JSZL2014210B001， JSBZ2014210A005，JSBZ2014210B007）

作者簡介：陳興玉（1981 -），男，江蘇句容人，博士，主要從事數字化制造等相關技術的研究。