0 引言
計算機輔助工藝規劃(Computer Aided Process Plamung，CAPP)是將產品設計信息轉換為各種加工制造、管理信息的關鍵環節，是企業信息化建設中聯系設計和生產的紐帶，同時也為企業的管理部門提供相關的數據，是企業信息交換的中間環節。工藝規程作為工藝規劃的輸出結果，在整個工藝過程中有著不可替代的作用。目前，多數制造企業的工藝規程還是以二維紙質文檔的形式下發到車間，這種傳統的信息傳遞方式存在以下缺點：1)信息傳遞效率較低，限制了管理和生產效率的提升：2)生產一線的信息更新難以及時、準確的反饋和控制；3)紙質文檔易于損壞，易受油漬、粉塵等污染，使得數據和圖跡模糊不清；4)二維工序圖繪制繁瑣，表達不直觀，有時易產生歧義。隨著制造企業信息化的深入，以及三維CAD軟件的普及，利用三維模型表達工藝信息已是一種趨勢，采用這種無紙化的工藝表達方式具有以下優勢：1)管理方式靈活，信息交換和傳遞方便，檢索準確快速；2)表現手段豐富，以三維模型和交互手段實現紙質工藝文件不可能提供的表達方式，更加直觀、清晰地表現加工過程，減少工人了解加工過程所需的時間，提高生產效率。因此，研究工藝信息的三維可視化表示技術具有積極的理論意義和迫切的現實需求。
目前，國內對可視化工藝的研究主要集中在可視化裝配和仿真方面，針對機加的三維可視化工藝研究較少。為此，本文針對機加工藝三維可視化應用技術，研究了機加工藝的三維可視化表示方法，在此基礎上建立了面向工藝過程的工藝信息模型，并對三維可視化工藝生成關鍵技術進行了研究。
1 機加工藝三維可視化表示方法
可視化技術是以三維表現技術再現三維世界中的物體，利用三維形體來表示復雜的信息。它通過一種仿真的、三維的并且具有實時交互能力的方式來傳遞信息。三維可視化工藝是在虛擬環境下，借助虛擬現實技術的可視性特征，對工藝信息和零件加工結果進行圖形圖像處理與顯示，以達到工藝信息直觀可感知的目的。通過機加工藝的可視化，企業能夠：1）實現工藝設計信息的可視化提取、交互和修改，為傳統加工工藝提供信息；2）實現機加工藝現場信息的可視化認知、提取和交換，改變傳統以紙質文檔傳遞信息的模式；3）車間現場能將工藝更改建議以可視化的形式進行反饋。
虛擬環境可以提供給設計者以及現場人員多方面的感觀認識，其中視覺感受可以有顏色、大小、形狀等，顏色通常給人以直接的視覺沖擊，作為可視化的有效方式應用到諸多領域的科學可視化中。在三維可視化工藝表示中，采用基于顏色和標注模式的可視化表示方法，首先給出可視化工藝表示的相關定義。
1.1 工藝MBD模型
工藝MBD模型是指在三維機加工藝設計環境中，采用MBD技術建立的能表達零件加工要求和加工狀態的三維模型。它由設計MBD模型、工序MBD模型和工藝屬性三部分組成，因此可以將工藝MBD模型M表示為：
式中：DM為設計部門發放的設計MBD模型，是工藝規劃的唯一依據；OPMi表示第i個工序MBD模型，它是零件加工過程中每道工序所對應的中間模型，同時也是工序設計的結果，一個工藝MBD模型包含多個工序MBD模型；Attrmj表示工藝MBD模型的工藝屬性信息，工藝屬性指零件的工藝規劃信息和工藝設計信息，如零件的分工路線信息、工藝規程信息等。工藝屬性信息一般不直接標注在三維模型上，而是與三維模型相關聯，以屬性的形式定義在模型中。
從制造角度考慮，將工序MBD模型以加工特征為基本單元進行組織，用不同的顏色標識不同的加工特征。加工特征不僅能夠表示零件的幾何信息，對于工藝設計所需要的形位公差、表面粗糙度等非幾何信息也能夠很好地進行表達。因此，可以將工序MBD模型表示為：
式中：Fi表示該道工序所要加工的第i個加工特征；Notej表示與該工序模型相關的注釋信息，如表面處理方法、熱處理方法等；Markk表示與該工序模型相關的標記信息，如定位、裝夾基準等：AttrIPMI表示工序模型的工藝屬性信息，主要指工序模型的加工工序信息，如工序名稱、工序內容、機床、工裝等信息。這些信息同樣以屬性的形式定義。
1.2 三維可視化工藝
三維可視化工藝是以工藝MBD模型為基礎和載體來表達零件工藝過程和工序加工結果，并具有實時交互能力的工藝展示方式。它能把零件設計信息、制造資源信息、工藝設計信息和管理信息整合后以數字量的形式傳遞到車間現場，并展示出來。因此，三維可視化工藝可以表示為：
式中：M表示發放的工藝MBD模型，一個零件對應一個工藝MBD模型；Hi為第i次交互操作，瀏覽一份工藝可能包括多個操作，H表示所有操作的集合。
根據上述對三維可視化工藝的定義，建立工藝MBD模型是關鍵。在建立工藝MBD模型時采用結構化的工藝設計方法，以結構化的形式來描述工藝方法和步驟，因此，工藝設計結果已不是傳統意義上的工藝規程和工序卡。結構化的工藝設計方法采用自頂向下的手段，通過零件生成過程逐層分解來構建工藝過程，將工藝關聯到相關對象，將零件三維信息、資源三維信息、工藝三維信息同管理信息整合到一起，得到完整的工藝MBD模型。利用工藝MBD模型，結合虛擬展示技術，將工藝信息以全三維數字量的方式傳遞到車間現場。現場操作人員通過交互瀏覽工藝模型，能快速準確的獲取所需信息。
2 面向工藝過程的工藝信息建模
在傳統二維工藝設計過程中，零件工藝信息模型中的尺寸公差、形位公差、表面粗糙度等非幾何信息通常與三維模型相分離，或者沒有三維模型，導致零件信息關聯性差。在三維機加工藝設計環境下，通過建立工藝MBD模型，將尺寸公差、形位公差、表面粗糙度和工藝設計信息等信息與三維模型緊密關聯。根據工藝設計和加工過程對信息的不同需求，對零件加工過程中所涉及的信息進行分析和分類，建立面向工藝過程的工藝信息模型，如圖1所示。該模型信息量大，涉及的信息類型和關系復雜，為了更好的滿足工藝規程所需信息的需求，按照信息類型將信息模型分為模型層、工藝層和資源層三層結構。
圖1 工藝信息模型
模型層包含有與工藝設計和加工相關的幾何信息、特征信息和工藝信息。在模型層中以工序模型為載體，將相關三維標注信息和工藝信息都定義在工序模型中，與工序模型綁定，共同構成工序MBD模型。標注信息主要定義本道工序的工序尺寸、表面粗糙度、形位公差、裝夾定位基準和加工要求等信息，它們與對應的模型和加工特征綁定，并根據加工特征的不同形狀分類用不同的顏色區分表達。工藝信息包括工序和工步，一個工序MBD模型對應一道工序，多道工步，同時包括多個加工特征，其中加工特征是指零件上具有語義的幾何實體，它描述工序模型上需要加工的區域，表達一個加工過程的結果。工步以視圖的形式定義在工序MBD模型下，工序和工步信息以屬性的形式定義在對應的對象中。
工藝層定義工藝設計過程相關的信息，總體上可分為工藝規劃信息、工藝設計信息和工藝過程信息。工藝規劃信息主要指零部件的工藝分工路線，根據車間資源使用情況合理分配車間任務；工藝設計信息描述零部件的加工方法和過程信息；工藝過程信息描述工藝狀態、工藝版本及工藝更改等信息。工藝層主要是一些結構化的數據信息，主要定義在對應幾何的屬性信息中。
資源層主要包括工藝層中所需要的制造資源庫和工藝資源，包括機加工藝設備、刀具、夾具、量具和切削參數等。
3 三維可視化工藝生成技術
三維可視化工藝以結構化的描述方式、利用三維手段和便攜式電子文檔來表達工藝過程信息。將工藝信息以屬性和注釋的形式與三維模型綁定，利用工序模型與工藝符號來表達工序結果和制造要求。以屬性定義的工藝信息由于其不可見性，需要單獨提取并按一定層次結構組織和顯示，并建立三維工序模型視圖與工藝信息之間的映射關系。
3.1 三維可視化工藝規程生成框架
三維可視化工藝生成過程總體上可分成工藝MBD模型建立、工藝數據處理（包括數據提取、數據輸出和數據解析）和工藝元素映射等幾個階段，如圖2所示。
圖2 基于工藝MBD模型的三維可視化工藝生成框架
工藝MBD模型建立過程實質是按一定的標準將幾何模型同工藝符號和文本信息綁定的過程，幾何模型表達產品加工各階段的幾何形態，文本信息描述各階段工藝基本信息，工藝符號表達零件加工工藝要求，工藝符號包括公差、表面粗糙度、注釋等標注信息。在構建工藝MBD模型時，以成熟三維CAD系統作為三維機加工藝設計環境，以工藝信息模型為規則，建立三維模型同文本信息、工藝符號之間的關聯關系。在工藝數據輸出時，通過數據提取工具從三維模型中抽取工藝過程描述信息，數據處理工具將抽取出的工藝描述信息進行分割與標記處理，并打包成工藝數據包，此時，工藝數據的內容包括兩部分并存儲在不同的文件中，一部分是以屬性定義在模型中的數據，另一部分是三維數據。工藝文件生成時通過調用電子文檔模板建立工藝文件框架，解析工藝文件數據包，將工藝數據和三維模型填充到工藝模板，由于兩部分數據以獨立的文件裝載，要完成交互操作，則需要對這兩部分數據進行關聯和映射。
3.2 工藝信息提取與組織
由于大部分工藝相關信息是以三維標注的形式直接定義在三維模型中，比如尺寸、表面粗糙度、加工要求等。工藝信息提取只針對以屬性形式定義的工藝信息。機加工藝設計時以工藝樹的形式將工藝MBD模型、工序MBD模型和工步視圖組織起來，所以對應對象的屬性信息也形成了一顆樹。在數據提取時，采用非遞歸深度優先遍歷算法獲取結構對象唯一標識，通過標識從結構模型中抽取工藝信息。具體過程如下：
1)獲取工藝樹根節點對象即工藝主模型，通過標識和屬性名稱提取屬性值，獲得公共信息Attrmj；
2)采用深度優先遍歷中的先序遍歷方法，遍歷根節點的子節點，獲取第1道工序模型標識，通過標識和屬性名提取工序基本信息和工裝基本信息等屬性信息AttrIPMI；
3)通過上步獲取的第1道工序模型標識繼續遍歷第1道工序模型所對應的所有工步視圖，獲取工步基本信息；
4)重復第2)步和第3)步，依次遍歷第2道工序到第n道工序。數據提取基本過程如圖3所示。
圖3 工藝信息提取過程
組織提取出的工藝信息時，依據工藝信息模型將抽取的工藝信息利用XML標記建立不同工藝信息的描述和存儲結構，以及三維工藝元素之間的映射關系。在編制XML文件時，利用XML Schema定義工藝信息模型，由于工藝信息模型實質上是由工序、工步等工藝對象類及其屬性相互關聯而成，所以利用XML Schema描述工藝信息模型時要遵循以下規則：
規則1：工藝對象類映射為元素(element)，元素名稱(name)為工藝對象類的類名，元素類型(type)為由該對象建立的復合類型。
規則2：對象之間的關聯關系映射為元素與元素或元素與子元素的關系。
規則3：屬性值類型不是對象或對象集合的對象類屬性，則將其映射為元素的屬性(attribute)，屬性名映射為元素屬性名(name)，屬性值類型映射為相應值類型(type)，如整型映射為integer，字符串和文本映射為string。
規則4：屬性值類型是對象或對象集合的對象類屬性，將其映射為元素的子元素。
規則5：建立映射時，由根節點對象展開，將其映射為元素，其余的類分別映射為相應的子元素或屬性。
4 實例分析
根據上述方法，本文開發了三維機加工藝設計原型系統，系統基于VC6.0以NX7.5為平臺進行二次開發，在三維工藝生成模塊以Adobe Acrobat為平臺進行三維工藝展示。以排氣導管前安裝邊零件為例，工藝人員在三維機加工藝設計環境下完成對零件的工藝設計和工藝MBD模型定義。生成三維工藝時系統自動將零件、工序模型、工步等的屬性信息導出成XML文件，并在XML文件中標記相應模型的位置，同時導出PRT格式的三維模型。系統在后臺打開3D PDF并裝載模板、解析XML文件完成屬性信息填充以及三維模型導入，由于Adobe Acrobat平臺本身提供了處理三維模型的方法，最終生成的PDF文件中的三維模型將同時帶有PMI標注，結果如圖4所示。
圖4 應用實例
通過采用三維可視化工藝表示方法，將工藝屬性、工序屬性及工步屬性顯示在表格中，其他工藝信息以PMI以及顏色區分的形式定義在模型中。車間人員能夠直觀的了解加工過程和工藝信息，并能交互操作三維模型。此方法不僅適用于機加工藝的表示，同樣適用于裝配工藝的表示。
5 結束語
針對傳統的二維工藝卡片設計方法存在二維工序圖繪制繁瑣，表達不夠直觀且易產生歧義等問題，提出用三維可視化工藝代替傳統二維工藝文件的方法。以三維工藝MBD模型替代傳統二維工藝簡圖，使三維工序模型成為工藝信息的載體，以交互的方式完成工藝的瀏覽。本文在給出工藝MBD模型表示方法的基礎上構建了面向工藝過程的工藝信息模型，并針對三維可視化工藝生成技術做了深入研究，最終達到提升機加工藝設計表達的直觀性和準確性的目的。
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本文標題：機加工藝三維可視化表示與生成技術研究
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