基于MBD的三维工艺设计系统开发与实现*

周秋忠，郭具涛，徐万洪

(1.沈阳理工大学 汽车与交通学院，沈阳 110159；2.上海航天精密机械研究所，上海 201600；3.浙江万里扬变速器股份有限公司，浙江 金华 321000)

基于MBD的三维工艺设计系统开发与实现*

周秋忠1，郭具涛2，徐万洪3

(1.沈阳理工大学 汽车与交通学院，沈阳 110159；2.上海航天精密机械研究所，上海 201600；3.浙江万里扬变速器股份有限公司，浙江 金华 321000)

MBD技术解决了几何与非几何信息的集成表达问题，使三维设计MBD模型成为设计制造中的唯一依据，迫切需要解决与之相适应的三维工艺设计技术及设计系统，使MBD技术贯穿于产品设计制造的整个过程，真正实现三维设计制造技术。通过论述全三维工艺设计思想及其协同设计流程的基础上，提出了以设计MBD模型为依据的全三维工艺集成设计原理与方案，明确了工艺MBD模型成为所有工艺信息组织、表达的载体，以及工艺MBD模型与工序MBD模型的主从关系。同时，指出了工艺MBD模型驱动生成工序MBD模型技术是三维工艺设计系统成功的关键。在此基础上，提出了全三维工艺设计系统的功能模型及其核心信息模型，并开发实现了该系统，为全三维工艺设计系统提供了思路。

三维;工艺设计;MBD模型;信息模型;系统开发

0 引言

随着计算机技术、软件技术和数字化制造技术的发展，产品定义技术经历了从工程制图技术到二维CAD技术，再到三维建模技术的发展历程[1-3]。与之相对应，计算机辅助工艺规划技术(ComputerAidedProcessPlanning,CAPP)也经历了从二维到三维的研究与应用过程。

当前，产品数字化技术已发展到了全三维数字化定义技术，即MBD(ModelBasedDefinition)技术阶段。MBD技术是在三维数字化实体模型上对产品尺寸、公差、制造技术要求等非几何制造信息进行组织、表达、显示、操作管理的一项技术，它摒弃了二维工程图，使三维数字化实体模型成为产品信息的唯一载体，并使其成为生产制造过程中传递设计信息的唯一依据[4-5]。MBD技术使所有设计工作都将在三维环境下完成，并输出集成所有产品信息的全三维实体模型，成为后继工艺设计及生产制造工作开展的唯一依据[8-10]。因此，传统基于二维工程图或三维模型的工艺设计方式和CAPP系统已不能适应与满足这种技术要求，迫切需要研究与开发基于MBD的全三维工艺设计技术与系统，实现全三维数字化设计制造技术，真正引起数字化制造技术的重大变革。

目前，针对全三维环境下的工艺设计方法和基于全三维模型的CAPP系统进行了大量有益的研究和探索，其基本思路是借助于三维产品数字化开发系统，在可视化环境下从零件设计MBD模型中提取加工特征、标注尺寸公差和其它技术要求，然后根据这些信息完成零件加工工艺过程的规划和设计[1-3，6-7，9]。基于MBD的全三维工艺设计方法在我国制造业中尚处于初步探索阶段，因此开展这方面的研究具有重要的现实意义。本文借鉴传统CAPP技术成功应用的经验基础上，全面论述基于MBD的全三维工艺设计系统规划方案与开发思想。

1 全三维工艺设计的原理

全三维数字化工艺设计过程需要借助并集成三维产品数字化设计系统，以产品零件数字化设计MBD模型为基础，通过全三维工艺设计系统在可视化环境下开展零件工艺方案制定及详细工艺设计，其原理如图1所示。全三维工艺设计系统首先需要从零件设计MBD模型中提取零件材料、热处理方式、外形尺寸、结构特征、设计尺寸、加工精度与表面粗糙度，以及特征参数等基本信息，并在相关制造资源库与工艺知识库的支持下，通过工艺路线规划、工序尺寸计算、全三维工序MBD模型驱动生成、资源定义与选择、数控编程、工艺仿真、工艺规程格式定制等操作，最终输出包含全部工艺信息的数字化工艺MBD模型上传至工程管理平台统一管理，经审批发放后通过生产现场数字化工艺可视化应用系统指导生产加工；同时，也可输出工艺规程卡片，以实现与现有生产制造方式、习惯的自然对接。

全三维数字化工艺设计的特点是工艺设计人员借助于三维数字化环境，通过工艺过程规划生成工艺信息，基于设计MBD模型建立与三维产品设计集成的三维数字化工艺MBD模型，并驱动生成每道工序对应的三维工序MBD模型。全三维数字化工艺设计的目标是建立一套适应MBD技术需求的工艺设计方法，从而提升工艺设计的水平和效率。同时，建立一套与之相匹配的、基于全三维设计模型的数字化工艺设计管理方法，贯穿整个工艺设计业务过程管理和工艺数据管理，进而构建一整套基于全三维的数字化工艺设计与管理体系，形成基于全三维模型的数字化设计制造一体化技术体系，真正实现数字化制造技术的变革。

图1 全三维工艺设计总体原理示意图

2 全三维工艺设计流程

在当前的产品开发过程中，产品结构、工艺、工装协同设计成为主流。在采用集成组织、表达产品几何与非几何信息的MBD制造技术后，MBD模型不仅成为工艺、工装等部门直接开展工艺和工装设计工作的唯一数据源，也成为产品设计、工艺设计、工装设计过程中的唯一信息表达载体与输出结果，为实现产品结构设计、工艺设计、工装设计工作的协同和一体化管理创造了技术条件。在全三维工艺协同设计过程中，工艺设计以设计MBD模型作为工作依据；并在此基础上，将工艺设计工作开展过程中相关的全部工艺信息通过设计MBD模型表达，从而形成工艺/工序MBD模型，进一步作为工装设计的唯一依据；同时，工装设计工作以工装MBD模型作为结果。与产品结构设计、工装设计协同的全三维工艺设计流程如图2所示。

在全三维协同工艺设计过程中，与产品结构设计协同紧密的零件工艺性分析、确定毛坯、主辅工艺确定及其车间路线分工工作，由零件工艺设计主管在工程管理平台中展开，并最终完成零件主辅工艺设计任务的分工工作；同时，工程管理平台负责对工艺设计形成的工艺MBD模型进行全生命周期管理。各主、辅工艺设计人员通过工程管理平台领用工艺设计任务后，启动全三维工艺设计系统，分别展开主、辅工艺的设计工作。其中，主制工艺人员完成零件主要工艺的设计工作，包括工艺路线的制定、零件定位方案的确定、主制工艺设备与工装的选择、加工余量与工序尺寸的计算、毛坯/工序MBD模型的生成、切削用量的确定、工时定额的计算等，再结合工装设计MBD模型，开展工艺过程仿真以验证工序MBD模型、工艺参数、工装MBD模型的准确性，最终完成NC代码生成和工艺卡片设计输出工作；辅制工艺人员则在主制工艺人员制定工艺路线及工序MBD模型后，完成相关辅助工艺的设计工作。

图2 全三维工艺设计流程

全三维数字化工艺便于利用仿真技术验证制造工艺的可行性和合理性；同时，也便于完整反映工艺信息的过程性和动态性，提供三维工艺信息的多视角表达，从而便于后续制造过程实现对工艺过程的可视化应用。采用三维数字化工艺设计手段还将有助于实现与产品设计并行的三维工艺设计和分析，提前发现可能的设计缺陷，保证研制质量，缩短研制周期。

3 全三维工艺设计系统功能及信息模型

全三维工艺设计系统是以零件设计MBD模型作为原始依据，参考企业现有生产资源制造能力与工艺经验知识，涵盖零件工艺设计的所有业务工作，最终输出工艺/工序MBD模型和工艺规程卡片作为结束。全三维工艺设计系统的主要功能如图3所示。具体功能包括以下几个方面：

(1)设计MBD模型处理。从设计MBD模型提取结构特征、尺寸公差、表面粗糙度、材料、硬度、参数等后继工艺设计开展所需信息，通过对加工尺寸表面设置代号等信息，最终完成特征、尺寸表面、参数关联设置；同时根据需要对设计MBD模型的各工程尺寸及公差进行中差处理，并驱动生成具有对称公差的设计MBD模型。

(2)工艺设计。根据从MBD模型提取到的相关信息，在工艺知识库的支持下完成对各个特征加工工艺的推理，通过归类调整完成零件工序、工步划分与排序，并按工艺类型完成数控、机加、钣金、焊接、热处理等不同类型主辅工艺的详细设计工作，内容包括加工余量与工序尺寸计算、工序MBD模型驱动生成、加工设备选择、工艺装备选择、加工工艺参数与工时定额计算确定等。

(3)工艺输出。工艺设计工作完成后，将工艺信息加载到设计MBD模型中，生成工艺MBD模型；同时根据需要，按传统方式设计各类型工艺规程卡片格式，通过映射将工艺信息相关类型信息填充到工艺卡片中，实现工艺卡片的自动生成并打印输出。

(4)资源维护。根据企业制造资源的实际运行情况，对企业的加工设备、工艺装备信息进行维护，保证信息的真实性与一致性；同时，将企业工艺人员的经验、相关工艺过程实验数据整理形成工艺知识，为加工特征工艺推理与工艺设计过程提供技术支持。

图3 全三维工艺设计系统主要功能

全三维工艺设计在完成工艺路线制定、详细工艺设计等常规工艺设计工作的同时，要根据各道工序相关加工表面的工序尺寸及公差值来驱动设计MBD模型生成工序MBD模型。工序MBD模型的生成是通过驱动与工序尺寸相关联的结构特征、几何参数与标注尺寸实现的(工序MBD模型的驱动生成技术将在后续文献中论述)。因此，在零件包含工序、工序包含工步的同时，工步需要包含相关加工工艺尺寸，而加工工艺尺寸需要与相关结构特征、几何参数与标注尺寸形成关联，最终形成如图4所示的全三维工艺设计系统核心信息模型。

图4 全三维工艺设计系统核心信息模型

4 全三维工艺设计系统的实现

依据全三维工艺设计系统的原理、流程、功能及其信息模型，本人利用.Net平台开发实现了该系统。该系统采用多页对话框模式，将全三维工艺设计系统中的功能进行归纳分类，设计了设计信息提取与设置、中差/毛坯MBD模型生成、工艺过程设计、尺寸计算与工序MBD模型生成、工时定额计算、工艺卡片设计及输出、工艺资源维护7个功能页面。其中，前6个功能页面都需与设计或工艺MBD模型进行实进信息的提取或写入等交互，并且前后之间形成依存关系，即后继页面的操作依赖于前续页面的完成，如图5所示。

同时，通过对CATIA、UG、Solidworks等主流全三维设计系统开发数据交互操作接口，该系统可以针对所有类型的设计MBD模型开展全三维工艺设计工作。

图5 全三维工艺设计系统实现

5 结论

全三维工艺设计系统是MBD技术推动的结果，是对原有CAPP系统功能的继承和发展。它以设计MBD模型作为输入依据，以工艺MBD模型作为输出结果，可根据工序尺寸与公差计算结果实时驱动生成工序MBD模型，并通过生产现场数字化工艺可视化应用系统指导生产加工。全三维工艺设计系统的开发与应用将使MBD技术得到全面贯彻落实，形成基于全三维模型的数字化设计、工艺、生产一体化技术体系，真正实现数字化制造技术的变革。

[1] 张中伟,田锡天,黄利江,等.机加工艺三维可视化表示与生成技术研究[J].制造业自动化,2013,35(2):26-30.

[2] 乔立红,张金.三维数字化工艺设计中的关键问题及其研究[J].航天制造技术,2012(1):29-32.

[3] 田富君,田锡天,耿俊浩,等.基于模型定义的工艺信息建模及应用[J].计算机集成制造系统,2012,18 (5):913-918.

[4] 周秋忠,查浩宇.基于三维标注技术的数字化产品定义方法[J].机械设计,2011,28(1):33-36.

[5] 周秋忠,樊庆春.MBD支持的产品协同设计及协同信息表达[J].制造业自动化,2011,33(1):55-59.

[6] 李海泳,唐秀梅,亢亚敏,等.基于MBD技术的航空制造数字化工艺实施应用[J].航空制造技术,2013(13):40-42.

[7] 惠巍,王彦,陶剑,等.航空制造领域中三维工艺技术的应用[J].航空制造技术,2013(13):43-46.

[8] 陈睿,周来水,卫炜,等.MBD模式下机加工装派工文件生成方法[J].组合机床与自动化加工技术,2015(9):157-160.

[9] 万能，常智勇，莫蓉．机加工艺设计的三维新模式研究[J]．计算机集成制造技术,2011,17(9) : 1873-1879.

[10] 程振阳，周来水，赵恒．MBD模式下机加工艺执行可视化文件生成方法[J]．航空制造技术,2014(5):101-104.

(编辑 李秀敏)

Development and Realization of MBD Based 3 D Process Design System

ZHOUQiu-zhong1,GUOJu-tao2,XUWan-hong3

(1.SchoolofAutomotive&Transportation,ShenyangLigongUniversity,Shenyang110159,China; 2.ShanghaiSpaceflightPrecisionMachineryInstitute,Shanghai201600,China)

MBDtechnologysolvestheproblemofintegrationofgeometricandnongeometricinformation,andmakethethree-dimensionaldesignMBDmodeltheonlybasisfordesignandmanufacturing.Itisanurgentneedtosolvethethree-dimensionaldesigntechnology,andthedevelopmentofthree-dimensionalprocessdesignsystem,sothattheMBDtechnologyrunsthroughthewholeprocessofproductdesignandmanufacturingtechnology.Theprincipleandtheprocessofthewhole3Ddesigntechnologywerediscussed.TheideathatthedesignMBDmodelbecomesthebasisof3DprocessdesignandtheMBDmodelbecomesthecarrierfororganizationandexpressionofallprocessinformationwerepointedout.Atthesametime,thefunctionmodelandthecoreinformationmodelofthewhole3Dprocessdesignsystemwereproposed.Onthisbasis,thedevelopmentandimplementationofthesystem,whichprovidestheconditionsforthedevelopmentofthesametypesystem,providestheconditionsforthecomprehensivepromotionandapplicationofthree-dimensionaldigitaldesignandmanufacturingtechnology.

:three-dimensional;processdesign;MBDmodel;informationmodel;systemdevelopment

1001-2265(2016)12-0107-03DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.12.029

2016-03-02

辽宁省高等学校优秀人才支持计划资助(LJQ2015096)

周秋忠(1975—)，男，浙江嵊州人，沈阳理工大学副教授，博士，研究方向为数字化制造技术研究，(E-mail)zqz7@sohu.com。

TH162;TG

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