韓志仁，張世強

HAN Zhi-ren1,2，ZHANG Shi-qiang2

（1. 航空制造工藝數(shù)字化國防重點學科實驗室，沈陽 110136；2. 沈陽航空航天大學 航空宇航工程學部，沈陽 110136）

0 引言

隨著我國航空制造行業(yè)數(shù)字化制造技術的迅猛發(fā)展，三維數(shù)字化制造技術在整個行業(yè)得到了廣泛的應用，特別是MBD(Mode1-Based-Definition，基于模型定義)技術的實施，使三維數(shù)字化模型取代了二維工程圖紙成為設計制造過程中的唯一依據(jù)。工藝設計是連接產(chǎn)品設計與制造的紐帶，是企業(yè)進行加工生產(chǎn)的重要依據(jù)，工藝設計的好壞直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量，在產(chǎn)品制造過程中占舉足輕重的地位。在實際生產(chǎn)中，由于產(chǎn)品的生產(chǎn)類型、尺寸、結構、材料和技術要求等不同，而使不同產(chǎn)品有不同的加工方案，這就要根據(jù)具體情況對不同的方案進行分析和討論，以求擬定較為合理的工藝方案，而工藝過程信息如何表達，也成為研究重點之一。在生產(chǎn)過程中，凡是改變生產(chǎn)對象的形狀、尺寸、位置和性質(zhì)等，使其成為成品或半成品的過程都稱為工藝過程。工藝文件包含詳細的工藝信息，是企業(yè)進行生產(chǎn)的指導性文件。傳統(tǒng)的工藝過程信息主要通過工藝規(guī)程紙質(zhì)文件、工序卡片和工序卡片等表達，與工程圖紙沒有直接約束關聯(lián)。在基于MBD的數(shù)字化制造中沿用傳統(tǒng)的工藝過程表達方式不能充分發(fā)揮數(shù)字化制造的優(yōu)勢，造成零件三維模型與工藝信息分離，工藝人員在查看工藝信息時十分繁瑣；各個部門使用不同的應用軟件，而這些系統(tǒng)之間缺乏有效的信息傳遞及轉(zhuǎn)換，因而形成“信息孤島”；在航空企業(yè)產(chǎn)品設計中，企業(yè)實現(xiàn)了以三維建模為主要設計手段，但在向生產(chǎn)車間傳遞制造信息過程中，還依賴于二維與三維結合的圖紙表達方式，圖紙的空間局限性限制了圖紙的表達能力，也因此限制了復雜模型從設計向生產(chǎn)的順利轉(zhuǎn)化，制約著設計和生產(chǎn)能力的進一步發(fā)展[1]； CAD與CAM之間脫節(jié)，沒有形成一體化，導致設計與工藝、工藝與制造之間的信息傳遞實時性差，大量的CAD數(shù)據(jù)不能及時有效地轉(zhuǎn)換為CAM數(shù)據(jù)為制造使用，CAD數(shù)據(jù)需要人為的大量反復處理，效率低、數(shù)據(jù)準確率不高，對科研生產(chǎn)任務的完成有著很大的影響，成為制約企業(yè)發(fā)展的瓶頸。當前國際上CAPP技術的開發(fā)與應用呈現(xiàn)出“基于三維模型”、“基于知識”、“面向?qū)ο蟆薄ⅰ爸悄芑?、“集成化”等發(fā)展趨勢[2,3]，本文主要研究工藝過程信息表達方法。

1 零件MBD模型技術簡介

MBD(Mode1 Based Definition)，即基于模型的定義，是目前推行的新一代產(chǎn)品定義方法，其核心思想是全三維基于特征的表述方法，融入知識工程、產(chǎn)品標準規(guī)范等，用集成的三維實體模型來完整表達產(chǎn)品定義信息的方法體，它詳細規(guī)定了三維實體模型中產(chǎn)品尺寸、公差的標注規(guī)則和工藝信息的表達方法[4]。MBD技術要求將產(chǎn)品設計由二維工程圖紙向完全基于MBD模型的工作方式轉(zhuǎn)變，在產(chǎn)品研制生命周期中不再使用任何二維工程圖，這將使得數(shù)字化技術在制造中的應用真正向無紙化制造的目標逼近。實際上，在MBD技術的發(fā)展中，其核心思想并不只是將二維圖紙的所有信息反映到三維模型中，而是要充分利用三維模型的產(chǎn)品定義特點，去挖掘更加方便設計、工藝和制造人員理解的更加高效率的產(chǎn)品定義方法和模式。MBD改變了傳統(tǒng)由三維實體模型來描述幾何形狀信息，而用二維工程圖紙來定義尺寸、公差和工藝信息的分步產(chǎn)品數(shù)字化定義方法，保證了設計數(shù)據(jù)的準確性與唯一性，MBD使三維實體模型作為生產(chǎn)制造過程中的唯一依據(jù)。

MBD核心的概念體現(xiàn)在3D產(chǎn)品模型是傳遞所有產(chǎn)品細節(jié)信息的最適合的媒介，MBD綜合信息模型包括幾何信息和非幾何信息兩大部分。幾何信息主要是幾何實體，非幾何信息包括相關的基準、坐標系、作圖過程、公差、尺寸、連接定義、膠接定義及技術注釋等信息，這些信息主要以結構樹的形式描述，同時部分信息反映到幾何實體的三維標注上。除了幾何實體，其他的設計和工藝信息均通過結構樹進行描述，如圖1所示。

圖1 零件MBD模型

2 基于MBD零件工藝過程信息表達方法

在傳統(tǒng)的生產(chǎn)過程中，工藝過程信息主要通過工藝文件進行描述，具體載體包括工藝規(guī)程紙質(zhì)文件、工序卡片和工序卡片等，是企業(yè)進行生產(chǎn)的指導性文件。傳統(tǒng)的工藝過程信息，與工程圖紙沒有直接約束關聯(lián)。

隨著航空數(shù)字化設計技術的完善和數(shù)字化制造技術的推廣，制造模式和制造依據(jù)均發(fā)生了本質(zhì)變化，數(shù)字化制造技術采用了逐步推進的策略。經(jīng)過了三個階段，第一階段中采用三維實體數(shù)模和二維工程圖相結合的模式，零件工藝過程信息仍然沿用傳統(tǒng)的載體和表達規(guī)范，主要區(qū)別是三維數(shù)模為零件數(shù)控加工提供了較好的保證；第二階段中采用MBD綜合信息模型作為制造的唯一依據(jù)，制造體系沒有從根本上改變，制造過程中使用綜合信息模型，零件工藝過程信息沿用傳統(tǒng)的載體和表達規(guī)范，或?qū)⒘慵に囘^程信息傳統(tǒng)的紙質(zhì)表達電子化；第三個階段是將所有零件工藝過程信息和裝配信息整合成綜合信息模型，實現(xiàn)真正意義上的數(shù)字化制造。該方法的優(yōu)勢在于零件三維模型與工藝規(guī)程信息有機的溶合在一起，改變了以往零件模型與其他信息相互分離的局面，用戶可以根據(jù)需要，每道工序關聯(lián)坯料加工前后的三維模型，可以精確到工步、走刀，便于工藝人員查看零件加工過程中的進展程度。工藝過程中涉及到的各種數(shù)據(jù)，如零件工藝路線、尺寸、公差、工藝處理、刀具及使用設備等，工藝人員可以隨時查看，并可以以各種組織形式的電子文檔輸出并保存，實現(xiàn)了工藝路線的可視化管理。零件工藝過程信息表達過程中采用MBD技術后，使MBD模型成為產(chǎn)品幾何與非幾何信息的唯一載體，成為產(chǎn)品設計過程中唯一輸出結果，也成為工藝規(guī)程設計部門的唯一數(shù)據(jù)源。因此，MBD 模型為實現(xiàn)產(chǎn)品結構設計、工藝設計工作的一體化管理創(chuàng)造了技術條件。

2.1 基于MBD 零件工藝過程信息表達方法

為了更好地實現(xiàn)數(shù)字化設計制造，需要將工藝信息整合到綜合MBD模型中，最好是在設計階段同時完成工藝過程信息的設計。在綜合信息模型中工藝設計雖然依據(jù)三維數(shù)模，并添加到綜合信息模型中，但工藝信息的主要內(nèi)容沒有本質(zhì)變化。在工藝過程中包括工藝說明、工序等，工序包括操作說明、加工參數(shù)、刀具設備、定位基準及工藝說明等詳細的工藝過程數(shù)據(jù)。這些信息不再采用傳統(tǒng)的紙質(zhì)載體，而是集成到零件的MBD模型的結構樹中，表達形式如圖2所示。零件綜合信息模型由“零件設計信息模型”與“零件工藝信息模型”組成，其中包含零件從設計開始的幾何與非幾何信息到加工過程中的工藝信息、工裝信息和資源設備信息等，即包含零件生命周期的全部信息。零件添加工藝過程信息后的綜合信息模型如圖3所示。

圖2 零件工藝過程信息表達方法

圖3 零件綜合信息模型

2.2 基于MBD 零件工藝過程信息設計方法與配套資源

傳統(tǒng)的CAPP技術通過獨立的軟件平臺實現(xiàn)。而對于本文提出的工藝過程信息表示方法是將工藝信息直接按規(guī)范添加到零件模型中，形成零件綜合信息模型，因而可以將CAPP設計平臺整合到CAD軟件中，對于CATIA表示的零件，CAPP可以作為CATIA的一個模塊進行無縫連接。CAPP在使用的過程中可以通過CATIA二次開發(fā)的信息快速檢索與分析模塊獲取信息，用于CAPP的設計過程中使用，其他的工藝知識、標準、規(guī)范、設備、工具、標準件等通過數(shù)據(jù)庫的形式服務于CAPP。具體工藝設計數(shù)據(jù)流程如圖4所示。

2.3 基于MBD 零件工藝過程信息提取與重組技術

本文提出的工藝過程信息表達方法應用結果是獲得零件綜合信息模型，在“零件設計信息模型”基礎上添加工藝過程信息，因此，在綜合信息模型中包括了設計信息和全部的工藝信息，CAPP設計的結果全部包括在綜合信息模型中，建立了零件制造的唯一數(shù)據(jù)源，該方法適合數(shù)字化制造的體系，有效地解決傳統(tǒng)的工藝信息與產(chǎn)品數(shù)模分離的問題。在工藝過程信息生成后，結構樹上每個工藝節(jié)點都關聯(lián)著相應的工藝過程信息及該工藝過程對應的三維零件輔助模型的路徑和名稱，工藝人員可以隨時選擇查看及根據(jù)權限修改各個工序?qū)墓に囆畔ⅰ?/p>

圖4 工藝設計數(shù)據(jù)流程

為了適應現(xiàn)場工人的習慣，可以將綜合信息模型中的工藝信息進行提取和重組，以傳統(tǒng)紙質(zhì)版格式表示。綜合信息模型相當于一個數(shù)據(jù)庫，在CATIA環(huán)境下通過二次開發(fā)可以按MBD規(guī)范提取工藝信息，將工藝信息存儲在后綴為MXL的中間文件中，用于離線生成工藝文件，也可以直接在CATIA環(huán)境下生成工藝文件?；贛BD 零件工藝過程信息提取與重組流程如圖5所示。

圖5 零件信息提取與重組流程

3 結論

本文提出的“基于MBD零件工藝過程信息表達方法”，適合數(shù)字化制造的需求和技術體系要求，有效地保證數(shù)字化制造的統(tǒng)一數(shù)據(jù)源，解決目前國內(nèi)航空企業(yè)數(shù)字化制造中設計模型與工藝信息關聯(lián)性差的問題。該方法的應用將適合新的三維數(shù)字化CAPP設計需要，通過工藝信息提取和重組技術可以適應傳統(tǒng)的習慣，使工人和工藝人員更容易接受?；贛BD零件工藝過程信息表達方法設計的零件綜合信息模型可以作為三維可視化CAPP的基礎。

[1] 姜洪明,張豐華,吳慧杰,等.MBD技術實施研究[J].制造自動化,2012(12)∶1-3.

[2] 劉艷斌,趙海兵.基于3D-CAPP 技術及其發(fā)展研究[J].機械制造,2006,44(9)∶14-16.

[3] 張振明.現(xiàn)代CAPP的應用與發(fā)展趨勢[J].CAD/CAM與制造業(yè)信息化,2004(1)∶30-31.

[4] 賈曉亮.關于MBD技術在我國航空制造企業(yè)應用的幾點思考[J].航空制造技術,2013∶50-54.

[5] 馮廷廷,金霞,王珉.基于MBD的飛機裝配工藝模型設計[J]. 航空制造技術,2010∶95-98.

[6] 鄭艷銘.基于MBD技術的工藝設計[J].CAD/CAM與制造業(yè)信息化,2012(12)∶60-63.

[7] 張榮霞,張樹生,周競濤.基于MBD的零件制造模型管理[J].航空制造技術,2012(7)∶6-9.

[8] 余志強,陳嵩,孫煒.基于MBD的三維數(shù)模在飛機制造過程中的應用[J].航空制造技術,2009∶82-85.

[9] 徐正,張國軍,邵新宇.三維環(huán)境下CAD/CAPP集成方法研究與實踐[J].機械設計與制造,2008(8)∶54-58.

[10] 安魯陵,金霞.基于三維模型定義技術應用的思考[J].航空制造技術,2011(12)∶45-47.