三維工藝MBD模型協同管理及應用

胡權威 李金旭 劉文鋒崔西亮

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三維工藝MBD模型協同管理及應用

胡權威1，2李金旭1劉文鋒2崔西亮2

（1. 北京航天控制儀器研究所，北京 100854；2. 青島海洋科學與技術試點國家實驗室，青島 266237）

為實現三維工藝模型與工藝信息的高效管理，考慮零件加工過程中產生的中間狀態，以工序模型為載體，建立面向MBD的工藝模型，采用基于圖層、視圖的協同管理方式，組織工序模型及工藝信息，滿足工藝設計過程中對信息的要求。以某零件的工序模型及其信息的協同管理為例，基于CATIA完成基于該方式的模型信息管理應用，對面向MBD的工藝設計有重要意義。

基于模型定義；工序模型；工藝信息；協同管理

1 引言

基于模型的定義（Model Based Definition，MBD）技術發展，為數字化技術的應用提供了工具，也為產品設計和工藝并行協同建立了條件，MBD技術采用完整的帶標注三維模型來表達和傳遞包括設計與制造在內的工程信息[1～3]。由于基于模型定義的三維模型在全生命周期中的每個階段被賦予了本階段的相關數據，因此這些數據需要很好地繼承和共享，并且由于信息量巨大，需要能夠按照需求分類管理和顯示。

隨著在航空、汽車等制造行業MBD技術的廣泛應用，三維設計信息和三維產品制造信息定義的MBD模型作為制造唯一依據[4]。然而，目前下放的MBD設計模型只有零件需要達到的最終狀態，缺少中間工序模型狀態，同時由于工序模型信息比較復雜，使得對信息的管理及按需顯示變得必要。文獻[5]以三維機加工序模型作為工藝信息載體的思路，研究了三維環境下機加工藝設計的新模式，并利用NX標注技術和自定義視圖定義了模型。文獻[6]基于DELMIA研究了三維工序模型，并采用修訂式建模方法構建了工序模型，通過分標注平面顯示法管理工藝信息。文獻[7]以工序模型為基本單位，通過SpinFire采用多視圖方法對三維標注信息進行了劃分與管理，這些研究都為MBD在工藝中的應用奠定了基礎。基于MBD工序模型，通過圖層、視圖組織與管理三維工藝模型信息，實現工序模型與信息的動態關聯顯示以及協同工藝信息篩選，從而滿足工藝設計過程中對信息的要求。

2 面向MBD的三維工藝模型

MBD三維工藝模型包含三個層次，分別為模型層、關系層、信息層，不同層次之間的關系如圖1所示。模型層是指面向制造過程的幾何設計模型，例如毛坯模型、工序模型、產品模型等，這些幾何模型需要工藝規程的約束。信息層是指非幾何信息，例如標注（尺寸、公差、注釋、文本、符號等），屬性（幾何模型上不直接可見的尺寸、公差、注釋、文本、符號等）。關系層是表達模型層與信息層之間的關系，即信息與模型的相互歸屬，主要體現模型與信息之間的關聯，便于工藝過程展示及信息的篩選過濾。

圖1 MBD三維工藝模型各層次關系

3 工藝模型協同管理

工藝模型管理需要解決模型與信息的存儲及關聯顯示問題，在工藝模型管理時主要考慮幾何模型及在模型中直接可見的標注信息，通過圖層、視圖協同管理。

3.1 圖層

圖2 圖層的內涵及劃分

圖層用來存放三維模型及其相關標注信息，所有幾何以及非幾何相關的信息都在圖層中，根據工藝模型管理的需求，可將圖層劃分為模型層和信息層，圖層的內涵及劃分如圖2所示，模型層主要為了存儲幾何模型，可劃分為零件產品模型層、毛坯模型層、工序模型層等；由于信息需要關聯模型存在，對應的信息層可以劃分為零件信息層、毛坯信息層、工序信息層等。

圖層所包含的內容可以用式（1）表達，信息層、模型層包含的內容可分別用式（2）、式（3）表示，式（4）表示圖層與模型層及信息層的關系，對應于關系層。

=L∪L∪1∪?∪L=(M+M+∑1------M)

∪( I+I++∑n1------I) （1）

={ I,I,1,2,?I} （2）

={M,M,1,2,?M} （3）

L=M∪I（4）

其中L、M、I分別表示第圖層包含的內容、第圖層包含的幾何模型，第圖層所包含的標注信息；且=,, 1, 2?，當=時，表示零件所在圖層，當=時，表示毛坯所在層，當=1, 2…時，表示工序模型所在層。

3.2 視圖

視圖，即標注平面，用于清晰表達三維標注信息，可根據標注需要，在能夠完整表達零件信息的前提下以最簡方式創建。按照MBD的要求，標注平面是基準、形位公差、尺寸、粗糙度、注解等信息寄存三維模型的基礎，圖層里所有信息層的內容都通過視圖來組織，視圖內所包含的信息可分為式（5）～式（9）所表達的五類。

={1,2,?Da} （5）

={1,2,?Gt} （6）

={1,2,?Ro} （7）

={1,2,?No} （8）

={1,2,?Di} （9）

其中表示基準的集合，表示所有幾何公差形成的集合，表示所有粗糙度的集合，表示所有注釋的集合，表示所有尺寸形成的集合；,,,,分別表示幾何模型中標注的基準數、幾何公差數、粗糙度數、注釋數及尺寸數。

根據視圖所包含信息的分類，視圖集合可用式（10）表示。

={1,2,?V} （10）

其中，表示視圖所有信息的集合，V表示第個視圖的信息，表示標注時建立的視圖數目。

每一視圖所包含的信息可用式（11）表示。

V=(,,,,) （11）

其中，表示每一視圖包含的信息是,,,,的函數。而所有視圖的集合包含了所有信息層的信息，可用式（12）表示。

==∪∪∪∪（12）

3.3 工藝模型的管理模式

工藝模型的管理不僅包括零件產品、毛坯、個工序模型的管理，還包括其模型所標注信息的管理，根據前面對圖層、視圖的描述，規定如下的工藝模型管理模式：

a. 為了使各個中間工序模型及其標注信息相互關聯，需要把零件設計階段產生的幾何模型以及標注等信息統一安排在圖層的零件層，并且把零件的模型層以及信息層安排在同一層，即：

L=L=L（13）

其中，L表示零件模型所在圖層，L表示零件信息所在圖層。

b. 在零件設計結束、工藝規程完成之后，根據工序模型的構建方法，建立毛坯、工序所需圖層，分別命名為毛坯層、工序1層、工序2層…工序層，相應的毛坯、工序模型及信息均安排在對應圖層，即：

其中，=, 1, 2…；當=時，L表示毛坯所在圖層，L表示毛坯模型所在圖層，L表示毛坯信息所在圖層；當=1, 2…時，L、L分別表示不同工序的模型及信息所在圖層。

c. 建立式（5）～式（9）及ALL，NONE所定義的七類視圖，每類視圖包含了所有圖層下該類所包含的全部信息，即：

L=I（15）

其中，=,,,,,；當取不同值時，L表示視圖V包含的集合信息；I表示信息層中所有包含的集合信息；當=時，表示建立包含所有標注信息的視圖；當=時，表示建立所有標注信息均不包含的視圖。

4 工藝模型協同管理應用實例

圖3 某機加典型零件設計模型

圖4 典型零件工藝信息

某機加典型零件面向MBD的零件設計簡化模型如圖3所示，其工藝信息如圖4所示，該零件加工包括數控車削加工和數控銑削加工，共有三個工序。為減少信息的冗余，對不同的幾何模型及其標注信息在一個文件下統一管理，即在一個part零件下管理所有工藝模型，使得工序模型演變的可視化操作更加便利。采用CATIA對基于圖層、視圖的模型及信息管理實例驗證。

根據工藝規程，建立五個圖層分別為零件層、毛坯層、工序1層、工序2層、工序3層，然后建立視圖標注不同圖層中的幾何模型，共建立粗糙度、注釋、幾何公差、基準、ALL、NONE七類視圖，同時根據CATIA軟件特點，建立粗糙度、注釋、幾何公差、基準、ALL、NONE七類捕獲（與視圖對應，捕獲是視圖的一種組織形式），“粗糙度”視圖的工序模型及標注信息管理結果如圖5所示，其他視圖的信息管理類似，不再贅述。從圖中可以看出，通過圖層可以在一個文件下便捷管理不同的幾何模型，通過視圖可以快速篩選所需要的信息，這在面向MBD的工藝應用中有重要意義。

圖5 工藝信息協同管理結果

5 結束語

三維環境下面向MBD的工藝模型管理是制造領域研究的趨勢之一。通過分析三維工藝模型的內涵，提出了一種協同的工序模型及工藝信息管理方法，該方法以工序模型為基礎，通過圖層、視圖等手段，以工藝信息與模型的關聯動態顯示及信息的快速篩選為目的，實現了單個文件下管理整個工藝過程中的模型及信息，減少了信息的冗余，而且便于下游數控程序編制，提高了工藝設計的效率。隨著MBD應用的逐漸成熟，結合工序模型，貫穿于設計、制造、檢驗等整個工藝過程中的數字化工藝研究，將是下一步研究的方向。

1 彭思平，沈艷，陸雪鵬，等. 復雜構件三維數字化加工工藝研究與應用[J]. 航天制造技術，2011(6)：43～46

2 胡權威，胡光龍，李瀟，等. 基于全三維的數字化工藝信息集成與智能工藝設計[J]. 航天制造技術，2017(2)：53～57

3 吳建平，梅中義. 基于MBD的零件數字化工藝設計技術[J]. 航空制造技術，2013(3)：58～61

4 余志強，陳嵩，孫煒，等. 基于MBD的三維數模在飛機制造過程中的應用[J]. 航空制造技術，2009(25)：82～85

5 萬能，常智勇，莫蓉. 機加工藝設計的三維新模式研究[J]. 計算機集成制造系統，2011，17(9)：1874～1879

6 唐健鈞，賈曉亮，田錫天，等. 面向MBD的數控加工工藝三維工序模型技術研究[J]. 航空制造技術，2012(16)：62～66

7 田富君，田錫天，耿俊浩，等. 基于模型定義的工藝信息建模及應用[J].計算機集成制造系統，2012，18(5)：913～919

Collaborative Management and Application of Three Dimensional Process MBD Model

Hu Quanwei1，2Li Jinxu1Liu Wenfeng2Cui Xiliang2

(1. Beijing Institute of Aerospace Control Devices, Beijing 100854； 2. Pilot National Laboratory for Marine Science and Technology, Qingdao 266237)

In order to realize the efficient management of three dimensional process model and process information, considering the intermediate state in the process, a MBD based process model is established, and the collaborative management method based on layers and views is used to organize the process model and process information, which is to meet the information requirements in the process of process design. Taking a part as an example, the application of the collaborative management method is completed based on CATIA, which is of great significance to three dimensional process design.

model based definition；process model；process information；collaborative management

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、三維數字化工藝等。

2019-02-18