隨著三維計算機輔助設計技術的深化應用，基于MBD（Model-Based Definition，基于模型定義）技術開展三維工藝設計已經成為研究熱點。
MBD技術是一個用集成的三維實體模型來完整表達產品定義信息的方法體，通過一個完整的三維實體模型表達產品信息中的幾何形狀信息、尺寸、公差和工藝等信息。國內航空企業(yè)逐步開展基于MBD技術的產品設計制造，將MBD模型作為制造的唯一依據(jù)并取得一定進展，但仍然存在許多技術瓶頸。目前工藝部門仍以基于圖樣的二維工藝設計方法為主，以二維圖樣為主要的信息傳遞媒介，具體體現(xiàn)在基于二維視圖的工藝設計知識的表達、獲取、組織與管理比較困難，不能有效地總結設計經驗和設計方法；復雜產品以及零部件的關鍵特征屬性難以在二維視圖中表現(xiàn)，這使得工藝性評價以及審查流于形式；三維CAD/CAM系統(tǒng)往往建立在統(tǒng)一信息平臺上，而基于二維CAPP平臺的工藝設計無法共享統(tǒng)一的三維產品模型，無法在統(tǒng)一的數(shù)據(jù)管理平臺下進行數(shù)據(jù)管理。
可以說，傳統(tǒng)的工藝設計逐漸與上游的全三維數(shù)字化設計和下游的先進制造工藝及裝備不相適應，存在著無法有效利用設計模型信息、數(shù)據(jù)共享困難、設計知識獲取和管理混亂等問題，成為數(shù)字化制造瓶頸司題。
實現(xiàn)工藝信息的表達及管理是三維工藝設計的關鍵目標之一。目前國內的研究主要集中在三維工序模型構建、工藝信息表達方法和CAD/CAPP系統(tǒng)集成等方面，這些研究為三維工藝設計過程中工藝信息的表達和管理奠定了基礎。
一、機加工零件工藝模型邏輯結構
傳統(tǒng)的二維工藝設計過程中，三維模型僅表達零件的幾何形狀信息，而面向制造過程的尺寸、公差、幾何精度和表面粗糙度等非幾何信息則通過圖樣傳遞，不能與三維模型特征直接關聯(lián)，制造人員需要花費大量時間去消化圖樣和工藝卡片。
MBD模式下，面向制造過程的零件工藝模型是生產制造的唯一依據(jù)，尺寸、公差、表面粗糙度以及工藝設計信息等與三維模型緊密關聯(lián)，制造人員可以直接在模型上獲得對應特征的工藝信息用于加工制造，取代圖樣和工藝卡片，實現(xiàn)無紙化制造。基于模型的工藝信息規(guī)范表達是其中的關鍵技術之一，如圖1所示。
圖1 機加工零件工藝模型邏輯結構
零件工藝模型作為工藝信息載體，是以零件工序模型為基礎，工藝規(guī)程為主線，附加零件的屬性信息而構成。
一個工序模型由工序、標注和模型三部分構成。工序對應著零件本道工序的編號、名稱、加工特征的名稱及編號、單/多工步、工裝及工時定額等信息（若工序僅包含一個工步，工序信息等同于工步信息）。工序節(jié)點下，工步包含本道工步名稱、工裝、工藝符號及工時定額等工步信息；工藝符號表達了本道工步需要加工特征的數(shù)量及區(qū)域、采用的加工設備、加工方法類型、刀具類型、刀具幾何參數(shù)、加工參數(shù)、切削液以及工步序列號，并通過三維標注實現(xiàn)工藝信息與特征、工步節(jié)點的關聯(lián)；將工步名稱、工藝符號等工步信息與模型關聯(lián)特征封裝成工步模型，并在此基礎上聚合成工序節(jié)點。
工序模型的標注信息包括設計信息和工藝信息兩大類。設計信息指本道工序的加工尺寸、公差、幾何精度和基準等信息；工藝信息包括工藝符號和工序技術要求等信息，標注信息與模型的特征緊密關聯(lián)。
在工序模型的基礎上，以工藝規(guī)程為主線串聯(lián)各個工序模型，同時附加零件的屬性信息形成工藝模型。工藝規(guī)程描述了零件加工過程中各道工序/工步之間的先后順序關系，根節(jié)點代表零件的工藝規(guī)程，一級子節(jié)點和二級子節(jié)點分別表示工藝規(guī)程中的工序和工步，層次結構關系代表了工藝設計的具體過程。通過工藝規(guī)程可以很方便地查看工藝模型各節(jié)點信息，對相應的信息進行分析審核。
二、工藝信息集成管理
在傳統(tǒng)研發(fā)模式下，結構設計師在三維CAD環(huán)境下開展結構設計，設計信息以三維CAD模型和圖樣形式表達，并檢入到PDM系統(tǒng)進行管理；而工藝設計活動集中在二維環(huán)境，工藝信息的表達及管理均在二維CAPP系統(tǒng)中完成，以二維工藝卡片和工藝簡圖為主要介質。常用的工藝知識如典型工藝、制造資源、標準件庫等也存儲于二維CAPP系統(tǒng)。由于采用不同的表達形式和介質，導致設計數(shù)據(jù)與工藝數(shù)據(jù)的關聯(lián)性差、工藝更改難以快速響應設計更改，同時數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的異構性也給數(shù)據(jù)交流、數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理造成很大的困難。
在MBD環(huán)境下，工藝設計和結構設計統(tǒng)一在CAD平臺下進行，工藝信息也應集成在統(tǒng)一平臺下進行管理。工藝設計以三維設計模型為輸入，主要完成工藝參考模型構建、工藝規(guī)程規(guī)劃、工序模型構建、工藝信息表達、工藝信息與特征關聯(lián)等工作。工藝參考模型指面向數(shù)控工藝設計，基于設計模型變型設計后得到的模型，其尺寸取設計模型中對應尺寸公稱中值、最小值或最大值，是三維工藝設計的依據(jù)。
目前的主流CAD商業(yè)軟件中大多內置了一些工藝信息數(shù)據(jù)庫，如加工數(shù)據(jù)庫或制造資源庫等，同時也內置了一些經過二次開發(fā)的工藝信息庫。這些為在三維環(huán)境下開展工藝設計的應用實施奠定了基礎。工藝設計過程中，可以借用軟件中的工藝信息數(shù)據(jù)庫中已有的典型工藝、制造資源等，快速實現(xiàn)產品的工藝設計。然而此種方式依然是保留有兩個數(shù)據(jù)庫，因此存在兩個系統(tǒng)數(shù)據(jù)同步和一致性的問題。如圖2所示。
圖2 面向MBD的工藝信息集成管理
工藝信息的傳遞和管理主要通過PDM系統(tǒng)和三維CAD軟件的集成接口進行。
平臺層采用成熟CAD平臺作為三維工藝設計環(huán)境，通過二次開發(fā)提供三維工藝設計工具。
工具層基于CAD平臺開發(fā)工藝規(guī)程劃分、工序模型構建、工藝符號構建和三維工藝卡等工具，輔助工藝人員進行工藝設計，建立結構化的工藝信息和工藝模型。
數(shù)據(jù)層基于PDM系統(tǒng)建立工藝信息庫，工藝設計過程中涉及的信息全部通過CAD平臺從PDM系統(tǒng)中的相關數(shù)據(jù)庫中讀取，并將工藝設計結果關聯(lián)存儲到PDM系統(tǒng)中進行管理。
支撐層基于PDM系統(tǒng)標準數(shù)據(jù)管理功能，完成工藝數(shù)據(jù)管理、工藝流程審簽、流程觸發(fā)、權限管理和版本管理等基本工作。
在這種模式下，設計數(shù)據(jù)和工藝數(shù)據(jù)統(tǒng)一在PDM系統(tǒng)中進行管理，基于PDM系統(tǒng)進行工藝數(shù)據(jù)檢入/檢出、工藝流程審簽、工裝申請、工藝任務的下發(fā)和接收，在CAD平臺進行工藝規(guī)劃和編制，生成工藝模型和可視化模型，提交結構化工藝數(shù)據(jù)審簽，并保存到PDM系統(tǒng)中，取消了二維CAPP系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，保證數(shù)據(jù)的唯一性，可有效解決采用兩個數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)中人工干預多、自動更新困難等問題，實現(xiàn)結構化的工藝設計和信息管理。
三、基于PDM的工藝模型管理
MBD模式下，設計信息和工藝信息統(tǒng)一采用三維工藝模型為載體進行表達。工藝設計師在三維環(huán)境下完成工藝規(guī)劃和工藝模型構建等設計活動，將工藝模型和設計模型關聯(lián)存儲，與PDM系統(tǒng)進行統(tǒng)一管理，同時借助PDM系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理功能完成工藝審簽等工作，如圖3所示。
圖3 基于PDM的工藝模型管理流程
(1)結構設計階段，結構設計師在三維CAD平臺構建設計MBD模型，并檢入到PDM系統(tǒng)。
(2)工藝設計階段，工藝設計師登陸PDM系統(tǒng)，根據(jù)設計任務下載設計MBD模型到本地，進入三維工藝設計環(huán)境，在CAD平臺下依據(jù)設計MBD模型開展工藝設計。從工藝信息庫中讀取工藝信息，通過工藝路線劃分、工序模型構建、工藝符號構建、工裝夾具設計和附加工藝定額等工藝設計環(huán)節(jié)創(chuàng)建生成工藝模型，并進行可視化發(fā)布，生成*pvz可視化模型，通過檢入操作與設計模型檢入到PDM中的對應位置，完成工藝設計。
(3)工藝審核階段，工藝審核員登陸PDM系統(tǒng)，在ProductView中查看工藝設計師提交的部件的可視化模型，審核工藝規(guī)程、工裝夾具和工時定額等信息是否合理，若合理則通過審簽，完成工藝模型設計歸檔；若工藝設計需更改，則觸發(fā)設計更改，錄入對工藝改進的建議，并通過截圖更直觀地反映工藝更改信息。工藝更改信息歸入工藝規(guī)程修改節(jié)點。工藝設計師根據(jù)工藝更改信息，返回到三維工藝設計環(huán)境進行設計更改，并將新的工藝模型和可石化模型檢入到PDM系統(tǒng)，提交工藝審核。
(4)生產制造階段，通過車間終端下載查看歸檔后的可視化模型，用于指導生產。
四、系統(tǒng)實例
38所以Pro/ENGINEER Wildfire 5.0為平臺，ProductView為可視化工具開發(fā)了機加工三維工藝設計系統(tǒng)，提供了工序模型構建、工藝符號構建和工藝規(guī)程組織等工具，輔助工藝設計師在三維環(huán)境下開展工藝設計。
系統(tǒng)利用XML結構化語言存儲工藝規(guī)程信息，并基于機加工零件工藝模型邏輯結構在Windchill9.1系統(tǒng)中建立了工藝信息庫，同時將生成的工藝模型、可視化模型與設計模型關聯(lián)存儲到Windchill9.1系統(tǒng)中。
具體為：工藝設計師啟動Pro/ENGINEER，完成服務器注冊和系統(tǒng)設置，從Windchill中下載三維設計模型作為工藝設計輸入，在CAD平臺下選中三維工藝系統(tǒng)菜單，通過開發(fā)的工具進行工藝規(guī)程編輯、工序模型構建和特征關聯(lián)存儲等活動。工藝設計過程中，工藝信息的獲取和管理全部從Windchill中建立的工藝信息庫中讀取，如圖4所示。工藝設計完成后，將生成的工藝模型與設計模型關聯(lián)檢入到Winchill系統(tǒng)中對應的CAPP文件夾下，實現(xiàn)工藝信息的結構化存儲和管理，工藝審核員基于Windchill系統(tǒng)完成根據(jù)工藝規(guī)程相應節(jié)點審核工藝設計，完成工藝審核工作。
圖4 工藝模型存儲及管理
五、結語
開展MBD模式下的工藝設計是當前先進制造技術領域研究的熱點之一。本文結合MBD技術對工藝信息表達及管理的需求，提出了面向三維工藝的工藝信息表達及集成技術方法，研究了機加工零件工藝模型邏輯結構，分析基于三維模型為工藝信息載體的工藝信息集成方法和管理流程，并結合我所實際開發(fā)了相應的三維工藝設計系統(tǒng)。隨著MBD技術的發(fā)展與應用，實現(xiàn)工藝模型輕量化發(fā)布、車間工藝流程的自動觸發(fā)將是下一步研究的重點和方向。
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本文標題：面向三維工藝的工藝信息表達及技術研究
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