三维工艺MBD模型协同管理及应用

胡权威 李金旭 刘文锋崔西亮



三维工艺MBD模型协同管理及应用

胡权威1，2李金旭1刘文锋2崔西亮2

（1. 北京航天控制仪器研究所，北京 100854；2. 青岛海洋科学与技术试点国家实验室，青岛 266237）

为实现三维工艺模型与工艺信息的高效管理，考虑零件加工过程中产生的中间状态，以工序模型为载体，建立面向MBD的工艺模型，采用基于图层、视图的协同管理方式，组织工序模型及工艺信息，满足工艺设计过程中对信息的要求。以某零件的工序模型及其信息的协同管理为例，基于CATIA完成基于该方式的模型信息管理应用，对面向MBD的工艺设计有重要意义。

基于模型定义；工序模型；工艺信息；协同管理

1 引言

基于模型的定义（Model Based Definition，MBD）技术发展，为数字化技术的应用提供了工具，也为产品设计和工艺并行协同建立了条件，MBD技术采用完整的带标注三维模型来表达和传递包括设计与制造在内的工程信息[1～3]。由于基于模型定义的三维模型在全生命周期中的每个阶段被赋予了本阶段的相关数据，因此这些数据需要很好地继承和共享，并且由于信息量巨大，需要能够按照需求分类管理和显示。

随着在航空、汽车等制造行业MBD技术的广泛应用，三维设计信息和三维产品制造信息定义的MBD模型作为制造唯一依据[4]。然而，目前下放的MBD设计模型只有零件需要达到的最终状态，缺少中间工序模型状态，同时由于工序模型信息比较复杂，使得对信息的管理及按需显示变得必要。文献[5]以三维机加工序模型作为工艺信息载体的思路，研究了三维环境下机加工艺设计的新模式，并利用NX标注技术和自定义视图定义了模型。文献[6]基于DELMIA研究了三维工序模型，并采用修订式建模方法构建了工序模型，通过分标注平面显示法管理工艺信息。文献[7]以工序模型为基本单位，通过SpinFire采用多视图方法对三维标注信息进行了划分与管理，这些研究都为MBD在工艺中的应用奠定了基础。基于MBD工序模型，通过图层、视图组织与管理三维工艺模型信息，实现工序模型与信息的动态关联显示以及协同工艺信息筛选，从而满足工艺设计过程中对信息的要求。

2 面向MBD的三维工艺模型

MBD三维工艺模型包含三个层次，分别为模型层、关系层、信息层，不同层次之间的关系如图1所示。模型层是指面向制造过程的几何设计模型，例如毛坯模型、工序模型、产品模型等，这些几何模型需要工艺规程的约束。信息层是指非几何信息，例如标注（尺寸、公差、注释、文本、符号等），属性（几何模型上不直接可见的尺寸、公差、注释、文本、符号等）。关系层是表达模型层与信息层之间的关系，即信息与模型的相互归属，主要体现模型与信息之间的关联，便于工艺过程展示及信息的筛选过滤。

图1 MBD三维工艺模型各层次关系

3 工艺模型协同管理

工艺模型管理需要解决模型与信息的存储及关联显示问题，在工艺模型管理时主要考虑几何模型及在模型中直接可见的标注信息，通过图层、视图协同管理。

3.1 图层

图2 图层的内涵及划分

图层用来存放三维模型及其相关标注信息，所有几何以及非几何相关的信息都在图层中，根据工艺模型管理的需求，可将图层划分为模型层和信息层，图层的内涵及划分如图2所示，模型层主要为了存储几何模型，可划分为零件产品模型层、毛坯模型层、工序模型层等；由于信息需要关联模型存在，对应的信息层可以划分为零件信息层、毛坯信息层、工序信息层等。

图层所包含的内容可以用式（1）表达，信息层、模型层包含的内容可分别用式（2）、式（3）表示，式（4）表示图层与模型层及信息层的关系，对应于关系层。

=L∪L∪1∪⋯∪L=(M+M+∑1­­­­­­M)

∪( I+I++∑n1­­­­­­I) （1）

={ I,I,1,2,⋯I} （2）

={M,M,1,2,⋯M} （3）

L=M∪I（4）

其中L、M、I分别表示第图层包含的内容、第图层包含的几何模型，第图层所包含的标注信息；且=,, 1, 2⋯，当=时，表示零件所在图层，当=时，表示毛坯所在层，当=1, 2…时，表示工序模型所在层。

3.2 视图

视图，即标注平面，用于清晰表达三维标注信息，可根据标注需要，在能够完整表达零件信息的前提下以最简方式创建。按照MBD的要求，标注平面是基准、形位公差、尺寸、粗糙度、注解等信息寄存三维模型的基础，图层里所有信息层的内容都通过视图来组织，视图内所包含的信息可分为式（5）～式（9）所表达的五类。

={1,2,⋯Da} （5）

={1,2,⋯Gt} （6）

={1,2,⋯Ro} （7）

={1,2,⋯No} （8）

={1,2,⋯Di} （9）

其中表示基准的集合，表示所有几何公差形成的集合，表示所有粗糙度的集合，表示所有注释的集合，表示所有尺寸形成的集合；,,,,分别表示几何模型中标注的基准数、几何公差数、粗糙度数、注释数及尺寸数。

根据视图所包含信息的分类，视图集合可用式（10）表示。

={1,2,⋯V} （10）

其中，表示视图所有信息的集合，V表示第个视图的信息，表示标注时建立的视图数目。

每一视图所包含的信息可用式（11）表示。

V=(,,,,) （11）

其中，表示每一视图包含的信息是,,,,的函数。而所有视图的集合包含了所有信息层的信息，可用式（12）表示。

==∪∪∪∪（12）

3.3 工艺模型的管理模式

工艺模型的管理不仅包括零件产品、毛坯、个工序模型的管理，还包括其模型所标注信息的管理，根据前面对图层、视图的描述，规定如下的工艺模型管理模式：

a. 为了使各个中间工序模型及其标注信息相互关联，需要把零件设计阶段产生的几何模型以及标注等信息统一安排在图层的零件层，并且把零件的模型层以及信息层安排在同一层，即：

L=L=L（13）

其中，L表示零件模型所在图层，L表示零件信息所在图层。

b. 在零件设计结束、工艺规程完成之后，根据工序模型的构建方法，建立毛坯、工序所需图层，分别命名为毛坯层、工序1层、工序2层…工序层，相应的毛坯、工序模型及信息均安排在对应图层，即：

其中，=, 1, 2…；当=时，L表示毛坯所在图层，L表示毛坯模型所在图层，L表示毛坯信息所在图层；当=1, 2…时，L、L分别表示不同工序的模型及信息所在图层。

c. 建立式（5）～式（9）及ALL，NONE所定义的七类视图，每类视图包含了所有图层下该类所包含的全部信息，即：

L=I（15）

其中，=,,,,,；当取不同值时，L表示视图V包含的集合信息；I表示信息层中所有包含的集合信息；当=时，表示建立包含所有标注信息的视图；当=时，表示建立所有标注信息均不包含的视图。

4 工艺模型协同管理应用实例

图3 某机加典型零件设计模型

图4 典型零件工艺信息

某机加典型零件面向MBD的零件设计简化模型如图3所示，其工艺信息如图4所示，该零件加工包括数控车削加工和数控铣削加工，共有三个工序。为减少信息的冗余，对不同的几何模型及其标注信息在一个文件下统一管理，即在一个part零件下管理所有工艺模型，使得工序模型演变的可视化操作更加便利。采用CATIA对基于图层、视图的模型及信息管理实例验证。

根据工艺规程，建立五个图层分别为零件层、毛坯层、工序1层、工序2层、工序3层，然后建立视图标注不同图层中的几何模型，共建立粗糙度、注释、几何公差、基准、ALL、NONE七类视图，同时根据CATIA软件特点，建立粗糙度、注释、几何公差、基准、ALL、NONE七类捕获（与视图对应，捕获是视图的一种组织形式），“粗糙度”视图的工序模型及标注信息管理结果如图5所示，其他视图的信息管理类似，不再赘述。从图中可以看出，通过图层可以在一个文件下便捷管理不同的几何模型，通过视图可以快速筛选所需要的信息，这在面向MBD的工艺应用中有重要意义。

图5 工艺信息协同管理结果

5 结束语

三维环境下面向MBD的工艺模型管理是制造领域研究的趋势之一。通过分析三维工艺模型的内涵，提出了一种协同的工序模型及工艺信息管理方法，该方法以工序模型为基础，通过图层、视图等手段，以工艺信息与模型的关联动态显示及信息的快速筛选为目的，实现了单个文件下管理整个工艺过程中的模型及信息，减少了信息的冗余，而且便于下游数控程序编制，提高了工艺设计的效率。随着MBD应用的逐渐成熟，结合工序模型，贯穿于设计、制造、检验等整个工艺过程中的数字化工艺研究，将是下一步研究的方向。

1 彭思平，沈艳，陆雪鹏，等. 复杂构件三维数字化加工工艺研究与应用[J]. 航天制造技术，2011(6)：43～46

2 胡权威，胡光龙，李潇，等. 基于全三维的数字化工艺信息集成与智能工艺设计[J]. 航天制造技术，2017(2)：53～57

3 吴建平，梅中义. 基于MBD的零件数字化工艺设计技术[J]. 航空制造技术，2013(3)：58～61

4 余志强，陈嵩，孙炜，等. 基于MBD的三维数模在飞机制造过程中的应用[J]. 航空制造技术，2009(25)：82～85

5 万能，常智勇，莫蓉. 机加工艺设计的三维新模式研究[J]. 计算机集成制造系统，2011，17(9)：1874～1879

6 唐健钧，贾晓亮，田锡天，等. 面向MBD的数控加工工艺三维工序模型技术研究[J]. 航空制造技术，2012(16)：62～66

7 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)：913～919

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

胡权威（1986），博士，工业与制造系统工程专业；研究方向：智能制造技术、三维数字化工艺等。

2019-02-18