基于MBD的全三维工艺规程卡构建研究

陈兴玉，张祥祥，程五四，张红旗

（中国电子科技集团公司第三十八研究所，合肥 230088）



基于MBD的全三维工艺规程卡构建研究

陈兴玉，张祥祥，程五四，张红旗

（中国电子科技集团公司第三十八研究所，合肥 230088）

摘 要：针对目前复杂机电产品中高精度、薄壁及异形复杂腔体类零件加工工艺复杂，后续车间制造装配工人识图不直观等问题，提出并构建了全三维工艺规程卡。阐述了全三维工艺规程卡的生成流程。详细研究了三维可视轻量化模型生成、基于PDM平台的设计工艺信息分类关联存储、三维工艺规程卡模板构建及Web化实例派生关键技术。最后，给出了开发与应用实例。

关键词：基于模型的定义；全三维工艺规程卡；轻量化工序模型；三维工艺信息存储

0　引言

三维CAD系统目前已成为企业数字化设计制造的基础平台，基于三维CAD系统实现产品设计已非常普及。然而目前的机加工工艺设计都是以二维图纸为基础进行人工编制，过分依赖工艺人员的技术水平和经验，设计不规范且编制周期长，二维CAPP系统仅仅提供一个工艺编制的平台，辅助工艺人员生成二维工艺卡片，工艺的组织与管理比较困难，无法直观地、交互地反映加工过程的细节与要求，给下游人员理解和使用带来困难。

随着MBD（Model Based Definition，基于模型的定义）技术在国内外的迅速发展，开展三维环境的工艺设计，将尺寸、公差和几何精度等多种类型的PMI （Product Manufacturing Information，产品制造信息）信息集成到三维模型中，形成全三维工艺MBD模型已成为目前数字化设计与制造的研究热点，其旨在利用三维手段实现机加工工艺的设计与应用，取消二维图纸和工艺卡片，以三维工艺模型作为生产制造的唯一依据，指导加工。机加工三维工艺设计大体上可分为三维工艺设计、三维工艺信息管理和三维工艺现场应用三个阶段［1］，涉及到工艺信息标识与标注、动态工艺模型构建、设计工艺数据关联存储和集成工艺模型可视化发布等关键技术。国内已有众多学者对全三维工艺实施过程中的工艺信息标识与标注［2，3］、动态工艺模型构建［4～6］进行了研究，但是对于数据的关联存储、全三维工艺规程卡的有效构建等未进行有效研究。

基于此，本文基于MBD技术，提出工艺模型可视轻量化发布算法，动态生成工艺设计过程中各工序/工步所包含的可视轻量化模型和过程参数标识信息，并分类有序存储到PDM平台中。通过构建全三维工艺规程卡模板，调用PDM平台后台模型和相关参数信息，实时生成规程卡实例，使车间工人能基于IE浏览器，快速直观地获取待制造信息。

1　全三维工艺规程卡生成流程

全三维工艺规程卡的生成过程如图1所示。该过程主要包括三维可视轻量化模型生成、信息的存储以及全三维工艺规程卡的网页化生成三个步骤：1）三维可视轻量化模型生成，主要是在工艺设计端，将Pro/E平台中的集成工艺模型通过一定的算法发布生成面向加工制造过程序列的可视轻量化工序/工步模型；2）信息存储，主要是将发布生成的可视轻量化模型、工艺模型属性参数信息等保存在PDM平台相应的文件夹和数据表中；3）全三维工艺规程卡生成，通过数据接口从PDM平台中读取轻量化工序/工步模型、工艺模型属性参数信息，并加载到基于IE浏览器开发的三维工艺规程卡模板相应区域，进而生成全三维工艺规程卡实例。

2　三维可视轻量化模型生成

三维可视轻量化模型的生成，是基于工艺模型逆向发布生成。首先在Pro/E平台中创建出集成工艺模型，具体创建过程见另文阐述。图2所示为由工艺模型通过动态发布，生成轻量化工序/工步模型的过程。工艺模型包含有毛坯模型特征、各工序/工步的加工特征以及对应工序/工步的加工属性参数信息（通过三维标注方式实现）。待工艺模型生成后，通过交互式挂接的方式，挂接到构建的工艺规程各工序/工步节点上去，形成完备的工艺规程包数据。最后，通过特定的模型发布算法，逆向发布生成面向加工制造过程的系列轻量化模型。下面将重点阐述发布算法。

设某零件的三维工艺模型含有n个工序节点，第i个工序节点含有mi个工步节点（i=n，n-1，...，1，mi和n均为正整数）。轻量化动态工艺模型生成的具体算法为：

STEP1：将工艺模型复制一份作为发布基础，称为临时工艺模型，并隐藏临时工艺模型所有标注信息。

STEP2：基于工艺规程树，按工序节点恢复临时工艺模型中第i个工序节点下的所有标注信息，识别第i个工序节点下的特征并进行动态着色处理，通过发布生成第i个工序轻量化文件。

图1　全三维工艺规程卡生成流程

图2　三维可视轻量化模型生成过程

STEP3：判断mi＞1是否成立。若成立则执行STEP4，若不成立则直接执行步骤STEP6。

STEP4：通过动态着色处理将第i个工序节点的特征恢复为初始颜色，隐藏第i个工序节点下所有标注信息，恢复第j个工步节点的标注信息，并对第j个工步节点的特征进行动态着色处理，通过发布生成第i个工序节点下的第j个工步轻量化文件（j=mi，mi-1，…，1）。

STEP5：删除第j个工步节点的标注和特征信息，执行j--，判断j=0是否成立。若成立，则执行步骤STEP6，若不成立则执行步骤STEP4。

STEP6：删除临时工艺模型中第i个工序节点下的所有标注和特征信息，执行i--，判断i=0是否成立。若成立则发布结束，若不成立则执行步骤STEP2。

3　信息分类存储

图3　全三维设计工艺信息关联存储结构

如图3所示，全三维工艺设计过程产生了相应的工序/工步模型几何特征信息、全三维标注信息和工艺设计过程信息（如工艺过程参数信息、签审信息等）。这些信息基于上述的发布算法，发布生成相应的可视轻量化模型和相应的存储在数据库表中的工艺过程信息。可视轻量化模型存储在PDM平台中对应文件夹下，而工艺过程信息则存储在对应的数据库表中。数据库包含有基础信息库和产品工艺库。基础信息库存储了产品工艺设计过程中所需的最基础信息，包含有材料信息、机床信息、刀具信息和工装信息等；产品工艺库存储了具体的产品零件工艺设计过程动态产生的信息，包含基础模型信息、工序过程信息和工步过程信息等。数据库表之间存在着相互关联关系，如工艺信息组合符号表通过加工方法编号、刀具编号和加工参数编号等分别与基础信息库中的加工方法信息表、刀具信息表和加工参数信息表相关联。最后，在车间终端，通过信息的定区域加载与重现，在所构建的全三维工艺规程卡模板中派生出产品零件加工工艺规程卡的特定实例，为加工制造过程做指导。

4　全三维工艺规程卡模板与实例生成

图4　全三维工艺规程卡模板

图4所示为全三维工艺规程卡模板的布局。该模板由标题区、材料区、工艺规程树区、轻量化模型展示区、文本区、定额区和签审区七大区域构成。标准区主要记录了零件的图号、名称及版本等信息；材料区主要记录并显示了该零件的材料属性，包括材料编号、材料名称、材料牌号及材料规格等；工艺规程树区展示了零件的加工序列，由工序/工步节点构成；轻量化模型展示区主要展示了零件各工序/工步轻量化发布模型，涵盖了该工序/工步待加工信息，并通过颜色高亮显示所需加工的特征，车间工人可通过该区域方法、旋转等操作，清晰直观地获取所需加工信息；文本区主要描述了该道工序/工步相关的加工过程参数信息，包括工序/工步名称、切削液、加工参数等过程信息；定额区主要让定额人员根据工艺规程树和工艺发布结果，赋予准结及单件等定额信息；签审区主要是针对不同角色人员，如工艺设计师、定额员等，通过在签审区提交自己的意见，完成工艺审核。

可视轻量化模型以及工艺过程参数信息都已经关联存储到PDM平台中后，需要通过信息的合理提取，并进行Web化发布到车间终端，才能实现车间终端的Web化全三维工艺规程卡展示，便于车间工人的信息浏览。本文对于全三维工艺过程信息的Web化发布采用了B/S模式。该模式是随着Internet技术的兴起，对C/S模式的一种改进，有效克服了C/S模式的客户端臃肿、安全性差、维护困难等缺点，如图5所示。整个全三维工艺规程卡的Web化发布体系架构包含了客户端层、Web层、业务逻辑层和数据库。客户端层由Web浏览器支持，用于展示全三维工艺规程卡，其中对于轻量化工序/工步模型的展示，通过内嵌于网页的ProductView浏览插件实现。Web层中用JSP实现全三维工艺规程卡相关静动态页面的展示，用Servlet调用业务逻辑层的Service。业务逻辑层中通过Service调用实体Bean来访问数据层相关信息，包括轻量化动态工艺模型的提取、工艺过程信息的提取和保存等。经过逐层转化和处理，最后将工艺过程各工序/工步节点信息返回给全三维工艺规程卡模板，以网页方式展示给操作者。

图5　全三维工艺规程卡Web化发布体系架构

5　应用实例

全三维工艺设计系统包含有工艺设计端工艺模型的生成及标注等、工艺发布端Web化全三维工艺规程卡的生成等。系统以Visual C++为开发语言，利用Pro/ Toolkit二次开发工具包对三维CAD软件Pro/E进行了二次开发，定制开发了全三维工艺设计系统的工艺设计端功能；以JavaScript为开发语言，利用Pro/Web.Link二次开发工具包实现了工艺发布端的功能。以某壳体类零件（图号为AA8.034.11152）为例，图6所示为工艺设计端工艺规程包的生成与发布过程，包含有工艺模型的生成、工艺属性参数信息与工序/工步节点的挂接以及工艺模型的可视轻量化发布功能。该零件工艺规程树包含有备料、钳和热处理等10个工序节点，每个工序节点下又包含有相应的工步节点。在Pro/E设计环境下生成工艺模型后，工艺设计师通过挂接方式，将对应的工艺加工特征和属性参数信息挂接到工序/工步节点下，生成完整的工艺规程包。后续触发“产生轻量化文件”，将工艺模型逆向发布生成轻量化的工序/工步模型，“写入数据库”将工艺模型属性参数信息关联存入到PDM对应的数据表中，“结果发布”按钮是指将轻量化的模型信息和属性参数信息发布并检入存储到PDM中对应的文件夹和数据表中，如图7所示。后续，触发基于PDM平台开发的“查看三维工艺信息”按钮，系统将会基于三维工艺规程卡模板实时调取相应的轻量化模型和过程参数信息，生成全三维工艺规程卡实例，如图8所示。用户基于Web化三维工艺规程卡，通过触发工艺规程树区相应的工序/工步节点，实时浏览模型区待制造特征信息。

图6　工艺规程包生成与发布界面

图7　基于PDM的可视轻量化模型存储

图8　全三维工艺规程卡实例

6　结束语

本文研究并突破了MBD环境下全三维工艺应用和实施过程中涉及的可视轻量化工序/工步模型生成、基于PDM平台的设计工艺信息关联存储以及全三维工艺规程卡实例的实时生成关键瓶颈技术，该系列关键技术的解决方案已在笔者开发的全三维工艺设计系统中得到了应用验证。本文研究对企业实施和应用三维工艺系统，实现全面三维工程化具有一定的参考价值。

关于全三维工艺设计系统与企业已有信息平台的集成，本文只是探讨了与PDM平台的数据集成通信，而对于与ERP、MES等的有效集成将是笔者下一步的重点研究方向。

参考文献：

［1］ 陈兴玉，张红旗，陈帝江，等.复杂机电产品全三维工艺设计方法［J］.雷达科学与技术，2010，5：474-478.

［2］ 程五四，陈兴玉，张祥祥，等.面向三维工艺的产品设计制造信息三维标注研究［J］.中国制造业信息化，2012，41（17）：51-55.

［3］ 张祥祥，陈兴玉，程五四，等.基于模型的工艺信息标识方法研究［J］.图学学报，2012，33（6）：146-150.

［4］ 石云飞，张树生，成彬.工艺语义驱动的序列三维模型构建系统［J］.计算机集成制造系统，2009，15（11）：2133-2139.

［5］ 万能，赵杰，莫蓉.三维机加工序模型辅助生成技术［J］.计算机集成制造系统，2011，17（10）：2112-2118.

［6］ 何宝兴，郑国磊，王自军.基于产品三维模型的工艺几何特征快速建模方法［J］.航空精密制造技术，2009，45（1）：50-53.

Research on building of three-dimensional technics card based on model based definition

CHEN Xing-yu， ZHANG Xiang-xiang， CHENG Wu-si， ZHANG Hong-qi

中图分类号：TH162

文献标识码：A

文章编号：1009-0134（2016）05-0056-05

收稿日期：2015-09-17

基金项目：国防基础科研计划资助（A1120131044）；国防技术基础科研计划资助（JSZL2014210B001， JSBZ2014210A005，JSBZ2014210B007）

作者简介：陈兴玉（1981 -），男，江苏句容人，博士，主要从事数字化制造等相关技术的研究。