基于MBD 的全三维工艺技术在机床行业的应用

胡之有，马 伟

（江苏亚威机床股份有限公司 加工工艺部，江苏 扬州225200）

随着数字化技术的发展，基于模型定义技术得以应用，以三维模型为信息载体取代传统的二维图纸成为现代制造业数字化制造的发展趋势。三维工艺作为支撑数字化设计、生产、制造的关键环节，以三维模型为载体，传递产品的设计、制造等信息，是连接产品设计与制造的桥梁。

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。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，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、动态工艺模型构建进行了研究，已有部分企业将三维工艺在工程机械行业上得到应用，但未在机床制造行业得以应用。

基于此，本文基于MBD 技术，通过应用开发三维工艺系统，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。并通过实例应用到机床的制造和装配过程中，通过构建全三维工艺规程树，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，使制造车间工人能基于IE 浏览器，快速直观地获取待制造信息。

1 全三维工艺应用流程

全三维工艺应用流程如图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Creo 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。

图1 全三维工艺应用流程

2 三维轻量化模型生成

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Creo 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）。

图2 工艺模型通过动态发布

工艺规程设计主要包括工艺规程组织编辑和工艺特征关联两个模块。工艺规程组织编辑按照工艺过程构建工艺规程树，工艺规程树按照实际加工生产 的工艺流程以结构树形式表达三维机加工工艺过程。通过构建工序/工步节点，将工艺规程树与材料、工装资源相关联，明确每道工序/工步所需的制造资源，实现模型、工艺、资源的有效整合。同时也可从典型工艺规程库中调用相应工艺规程，快速完成工艺规程的组织与编辑。

3 三维机加工工艺方法应用

3.1 工艺特征创建

建立零件的工艺模型首先需要构建毛坯模 型，毛坯模型的快速构建是采用基于设计模型的生成或基于三维软件建模的方式来实现的。对于一些简单的零件，可以直接由设计模型复制，参照设计模型添加加工余量后直接生成毛坯模型；对于不能进行复制参照的复杂零件，可以通Creo3.0 的三维建模软件进行建模。利用Cre03.0 的标准建模功能，在工件模型的基础上快速构建工艺特征；也可使用三维机加工软件的“零件间复制特征”功能完成工艺特征构建，如图3 所示。

3.2 三维工艺模型标注

图3 工艺特征创建

特征构建完成后根据工艺过程完成对零件信息的三维标注。通过构建结构化工艺规程树，表达三维工艺过程数据组织形式，明确每道工序所用到的制造资源，建立工艺规程树与工艺特征之间的关关系，实现产品、工艺、资源的有效整合，如图4 所示。

3.3 工艺结果发布

三维机加工工艺设计完后后，将Creo3.0 的MBD 模型发布为Product View轻量化模型，过程如图5 所示。

3.4 机加工工艺发布结果查看

图4 工艺信息标注

图5 机加工工艺结果发布

在Creo 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。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6 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 机加工工艺结果查看

4 三维装配工艺设计方法应用

4.1 工艺规程创建

装配工艺模型是在原始装配模型上在构建一级装配，将原始模型按缺省坐标系方式装入，再补充工艺信息，如设备等工艺资源。所有与工艺相关的新信息均保存在顶级模型中，不改变原始设计模型任何数据。如图7 所示。

图7 工艺规程树创建

4.2 工艺特征分配

根据工艺过程按工步和工序对特征进行组织，并将工步及工序信息以参数形式表达。工步和工序分组定义严格遵循模型树结构关系，分组定义可以先于特征进行，也可以晚于特征进行。每个分组节点下可以定义参数，每个节点下可以带特征（通过选择获取）。如图8 所示。

图8 工艺特征分配

4.3 装配动画定义

根据产线产品装配特点，选择合适的移动参照。其中X、Y、Z 轴在平移时是相对于工艺模型坐标系，在旋转时相对于模型自身坐标系；选择参照可选定组件或元件的轴或直线边；不指定的话是任意两点。在移动参照选项（不包括任意两点）上点击鼠标右键，会出现操作菜单，可更换移动方向。以此方式完成对装配件动画定义。如图9 所示。

4.4 装配工艺结果发布

完成工艺资源创建之后对装配工艺结果进行发布，发布产线工艺资源和产线装配动画信息。产生轻量化模型和相关信息文件，并上传到PDM 数据库中。如图10 所示。

4.5 装配工艺发布结果查看

图9 装配动画定义

图10 装配工艺结果发布

在Creo 环境下对工艺结果发布之后，在Web 端查看工艺结果，在IE 浏览器可视化界面上点击不同的工序名称，在右侧会显示相应的装配仿真动画和过程信息。点击“播放”按钮，展示对应工序相应的装配仿真动画和工艺信息。如图11 所示。

5 结束语

图11 装配工艺发布结果查看

本文通过对三维工艺在机床制造行业的应用，在工艺应用和实施过程中应用可视轻量化工序/工步模型生成、基于PDM平台的设计工艺信息关联存储技术；三维机加工工艺设计方法和三维装配工艺设计方法解决方案已在机床产品生产过程中得到了应用。在实施过程中，通过组合工艺信息符号构建工艺信息符号库、设计工艺规程，明确各工序工步所需的制造资源，建立工艺规程树与机加工艺模型特征之间的关联关系，实现设计、工艺、制造使用相同的数据源，突破设计、工艺、制造之间的信息孤岛，对提升机加工工艺设计的直观性和准确性具有重要意义。本文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。