基于全三維的數字化工藝信息集成與智能工藝設計

胡權威 胡光龍 李 瀟 賈益娟

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基于全三維的數字化工藝信息集成與智能工藝設計

胡權威 胡光龍 李 瀟 賈益娟

（北京航天控制儀器研究所，北京100039）

面向基于模型定義技術在工藝設計中的應用，從提高工藝設計質量和效率出發，構建三維關聯的數字化工藝集成信息模型，支撐三維數字化智能工藝設計。研究基于MBD的產品信息定義方法，表達與構造三維模型的制造特征信息。通過描述面向MBD的制造特征，形成特征信息模型。分析制造特征與三維工藝設計之間的關系，構建集成的三維工藝信息模型，支撐智能工藝設計。

基于模型的定義；集成信息模型；智能工藝設計

1 引言

隨著MBD（Model Based Definition）技術在航空航天領域的廣泛應用，三維實體模型逐漸成為產品研發中的唯一依據，改變了傳統制造方式，縮短了產品研制周期，將三維模型與數控工藝信息集成對數字化制造具有重要意義。信息模型對制造信息的共享以及集成具有重要的指導作用，也是應用系統之間實現信息集成的基礎。三維數字化工藝信息集成是以三維模型為載體建立信息模型，在三維環境下實現產品設計信息與工藝信息的集成，信息模型的構建是實現智能工藝的重要支撐。

在三維工藝信息集成方面，北京航空航天大學[1]針對數字化工藝設計中需要和產生的工藝過程信息、資源信息、規則約束等數據內容，提出包含版本、粒度和活動階段三個維度的三維工藝信息建模方法；王念東[2]等人在虛擬裝配環境下，以裝配任務為基礎，提出針對裝配工序交叉的工藝信息模型。為解決工藝設計與生產規劃和控制之間信息集成的難題，西班牙學者根據工藝設計與生產規劃和控制中的全部活動所需的輸入信息和活動的輸出信息，建立活動模型，從而實現加工過程中的工藝和生產規劃的集成[3]。另外，在產品設計與工藝設計集成建模方面，相關學者提出以特征為橋梁在產品開發過程中集成產品制造信息[4]；田富君[5]等人基于輕量化模型，將特征、工藝以及資源等信息集成并構建了統一模型，以實現CAPP與CAD系統間的信息交流以及CAPP與PDM等系統的信息集成和共享。為了便于產品數據的集成管理，林小夏[6]等人構建PDM數據庫，形成數控集成信息模型，實現產品設計制造集成以及產品數據的共享，所有這些研究對數控工藝信息的集成具有重要指導意義。

本文面向基于模型定義技術在工藝設計中的應用，分析基于MBD的產品信息定義方法，從提高工藝設計質量和效率出發，進行三維關聯的數字化集成工藝信息模型構建。在對制造特征與三維數字化工藝過程設計的關系分析基礎上，形成集成的工藝信息模型，促進工藝設計的進行。

2 基于MBD規范的三維產品定義

MBD技術是波音推行的新一代產品定義方法，它促進設計、制造、檢驗、管理信息一體化，是目前被航空業普遍認同的解決數字化設計、制造的先進技術，是數字化制造的關鍵技術之一。如圖1所示為MBD數據模型的內容，MBD模型包含設計模型、標注以及屬性三部分內容。其中，設計模型是以圖形化方式表達，由簡單幾何元素組合構成的三維模型；設計模型利用點、線、面、坐標系統等幾何元素構建輔助幾何與模型幾何，最終通過模型幾何以及輔助幾何形成三維實體，從而描述產品的幾何形狀信息；同時，設計模型中還包括一些工程說明以及關聯的設計數據。標注信息主要包括精度要求、尺寸公差、符號注釋等信息，此類信息一般直接附著在三維模型中，利用標注描述生產要求所必須的約束信息。屬性信息主要指產品的內置信息，例如分析數據、測試需求以及原材料規范等，通過此類信息定義產品以及產品特征的相應內容。

圖1 MBD模型的內容

3 制造特征信息的表達與構造

3.1 面向MBD的制造特征信息描述

制造特征是一種抽象幾何體，用來描述零部件上具有制造要求的信息。制造特征包含幾何元素、產品制造信息。幾何元素用于描述幾何相關的特征形狀，制造信息用于描述與制造活動相關的要求[7，8]。在三維環境下，基于MBD技術，本文將特征信息描述分為產品層、特征層、特征MBD信息規范層三個層次。產品層主要描述產品的共性信息，表示特征所屬零件的相關信息，產品總體共性信息分為四大部分：基本屬性信息、管理信息、物理屬性信息、技術要求信息等；特征層是對產品信息的擴展，是零件產品所有特征信息的統領。特征MBD信息規范層，是對不同類型特征信息的規范約束，主要規范MBD零件模型的幾何信息與標注信息等，本文將其劃分為特征屬性信息、特征幾何信息以及特征標注信息，其中特征屬性包括特征注釋和特征定位信息，特征標注包括尺寸公差、形位公差、粗糙度等信息。

3.2 面向制造的特征信息模型建立

通過面向MBD的制造特征信息描述可以看出，加工特征描述分為三層：產品層（特征關聯的零件信息）、特征層（零件包含的制造特征類型）以及特征MBD信息規范層（包含六大類內容：特征定位、特征注釋、幾何元素、尺寸公差、粗糙度以及形位公差）。在特征MBD信息規范層中，前四項內容（特征注釋、特征定位、尺寸公差、幾何元素）直接與加工特征關聯，可與加工特征建立父子關系；而后兩項（形位公差、粗糙度）是附屬于幾何元素上，故在加工特征實體中可將其與幾何元素建立關系；圖2所示為加工制造特征的實體結構。

圖2 加工制造特征實體結構

由于面向對象技術在加工特征模型構建中的應用，使信息模型中的關系更加復雜，除實體之間的父子關系外，還包括實體之間的關聯關系，為了不造成數據使用時的混亂，應用實體-關系模型表達加工特征信息模型，圖3所示為加工制造特征實體-關系模型，從圖中可以看出，制造特征直接包含特征注釋、幾何元素、尺寸公差以及特征定位信息，而幾何元素則關聯特征定位、特征注釋、尺寸公差、形位公差以及粗糙度等信息。在基于MBD的以三維模型為核心的特征信息模型構建中，產品的標注信息例如尺寸、公差、粗糙度以及特征描述信息等是與幾何關聯的，符合三維工藝對特征信息模型構建的需求。

圖3 加工制造特征實體-關系模型

根據以上得到的制造特征相關實體的父子結構以及特征實體-關系模型的結構，建立如圖4所示的制造特征信息模型框架。

圖4 制造特征信息模型框架

該模型框架滿足制造特征信息模型的應用要求，并為產品特征信息的提取和組織提供支持。從產品模型中獲取所需的產品信息，并按照制造特征進行信息組織、重構和存儲，以便在后續制造過程中應用，實現了基于制造特征的產品設計與工藝設計的集成，服務產品生命周期中的后續活動。

3.3 三維關聯的工藝集成信息模型構建

在MBD應用環境下，支撐數字化工藝過程設計的集成信息模型是以三維模型為載體，其尺寸公差、表面粗糙度、形位公差、基準等信息是與加工特征相互關聯的。根據前面對制造特征信息的描述，通過分析加工特征與工藝過程設計內容的關聯關系，最終形成三維關聯的數字化工藝信息模型框架，如圖5所示。數字化工藝信息模型不僅包括加工特征、特征定位、幾何元素、特征描述及尺寸公差等特征信息，還包括工藝分工、工藝、工序及工步等數字化工藝信息，同時包括機床、刀具、夾具、量具等制造資源信息。三維關聯的工藝集成信息模型通過集成產品設計、工藝等信息，實現了不同系統間的信息共享和流轉，支撐智能工藝設計的進行。

圖5 三維關聯的數字化工藝信息模型框架

4 成信息模型的智能工藝設計

在智能工藝過程設計時，主要包括四方面內容：特征加工方案決策、資源選擇決策、工序排序劃分、

切削參數決策，圖6所示為智能工藝設計方法。在智能工藝設計時，以加工特征信息為輸入，通過規則庫中的加工方法與加工特征對應關系，基于特征類型、精度及粗糙度等信息匹配形成基于特征的加工方法鏈即特征加工方案。在獲得特征加工方案的基礎上，需要進行資源選擇決策、工序排序劃分、切削參數決策等工藝活動，由于資源選擇決策和工序排序劃分相互制約相互影響，因此需要進行并行決策，可根據定義的評判標準來滿足工藝的優選性，其在決策時，通過工藝約束及集成信息模型的支撐，以加工單元為單位進行資源的選擇以及工序的排序。切削參數的選擇通常是在保證加工要求并且機床、刀具等資源條件已知的條件下，按照一定的目標得到的切削深度、切削速度以及進給量等參數信息。在完成智能工藝設計的四個環節之后，得到最終的工藝設計信息，形成完整的工藝路線。

圖6 智能工藝設計方法

5 結束語

構建了三維數字化工藝集成信息模型，通過分析基于MBD規范的三維產品信息定義方法，研究了MBD組織模型的內容。在此基礎上，研究了制造特征信息的表達與構造方法，在該方法中將制造特征信息的描述劃分三個層次，分別為產品層、特征層及MBD信息規范層；同時，構建面向制造的特征信息模型。在對制造特征與三維工藝過程設計分析基礎上，建立了三維關聯的數控工藝集成信息模型。最后，分析了基于集成信息模型的智能工藝設計方法，為數字化工藝的進行奠定了基礎。

1 呂盛坪，喬立紅，張金．多維度制造工藝信息建模[J]．計算機集成制造系統，2011，16(12)：2577～2582

2 王念東，劉毅，李文正，等．面向裝配工序交叉的虛擬裝配工藝信息模型[J]．計算機輔助設計與圖形學學報，2009 (9)：1352～1358

3 Ciurana J, Garcia-Romeu M , Ferrer I, et al. A model for integrating process planning and production planning and control in machining processes[J]. Robotics and Computer-Integrated Manufacturing, 2008，24(4)：532～544

4 Weilguny L J H, Gerhard D. Implementation of a knowledge-based engineering concept using feature technology at an automotive OEM[C]. International Conference on Engineering Design (ICED’09). 2009：24～27

5 田富君，田錫天，李洲洋，等. 基于輕量化模型的 CAD/CAPP 系統集成技術研究[J]. 計算機集成制造系統，2010，16(3)：521～526

6 林小夏，張樹有，伊國棟，等. 基于 PDM 的產品數字化設計與數控加工集成信息模型[J]. 計算機集成制造系統，2011，17(12)：291～297

7 葛晨，喬立紅. 制造特征信息建模及其實例化方法[J]. 計算機集成制造系統，2010，16(12)：2570～2576

8 胡權威，喬立紅，樊景松，等. 基于 MBD 的數控工藝設計及快速編程方法研究[J]. 航空制造技術，2016(3)：102～105

Process Information Modeling and Intelligent Process Planning Based On Full Three Dimensional Model

Hu Quanwei Hu Guanglong Li Xiao Jia Yijuan

(Beijing Institute of Aerospace Control Devices, Beijing 100039)

To improve process planning quality and efficiency, a process information modeling and intelligent process planning method is proposed based on full three dimensional model. According to MBD technology for defining digital product information, product information is expressed and constructed by manufacturing features. Through the description of manufacturing feature information, feature information model is set up. Then manufacturing features’ relationship with process design is analyzed, forming a 3D integrated information model to support intelligent process planning.

model based definition；integrated information model；intelligent process planning

胡權威（1986-），博士，工業與制造系統工程專業；研究方向：智能制造技術、三維數字化工藝。

2017-03-27