西北工業(yè)大學機電學院 陳俊皓 賈曉亮 張 敏

隨著計算機與軟件技術的發(fā)展，產品定義技術經歷了從傳統(tǒng)工程制圖到二維CAD技術，再到基于模型的定義（Model based definition，MBD）技術的發(fā)展歷程。MBD 技術將產品定義的各類信息按照模型的方式組織，其核心內容是產品的幾何模型，所有相關的工藝描述信息、屬性信息、管理信息等都附著在產品的三維模型中，并將三維數模作為生產制造過程中的唯一依據[1-5]。

隨著航空制造企業(yè)數字化和信息化水平的提高，MBD技術正在設計階段及制造階段得到逐步應用。特別是在制造階段，MBD技術具有表現(xiàn)手段直觀、工藝信息結構清晰和傳遞方便等優(yōu)勢。然而，當前工藝部門工作仍基于二維工程圖的工藝設計思維方式進行三維工藝設計，存在很多問題，主要表現(xiàn)在：

（1）傳統(tǒng)三維工藝模型構建方法是基于抑制或刪除加工特征生成的，即認為一個加工特征只在一個安裝中加工，沒有考慮一個加工特征的粗、精加工需在不同安裝中完成以及在同一安裝中可能進行多次加工的情況。

（2）當前三維工藝模型描述的是工藝路線中每道工序的最終狀態(tài)，而工序中的工步及加工操作相關工藝信息無法在以往方法構建的工藝模型上得到精確、詳細的描述。

（3）當一個工序需要加工多個特征時，這個三維工序模型中將含有大量的非幾何制造信息，傳統(tǒng)的管理方法導致信息混亂、無法準確辨認出加工操作與之對應的工藝信息。

為實現(xiàn)在 MBD 環(huán)境下快速、準確、完整地生成、查詢和管理工藝模型中工序級、工步級和加工操作相關工藝信息，本文基于加工特征的演變建立了精細化工藝模型，并從MBD模型使用者的角度出發(fā)，提出了基于加工特征演變的精細化工藝信息表達方法和管理模式。

基于加工特征演變的精細化加工工藝模型定義

三維加工工藝設計指在三維可視化工藝設計環(huán)境中保證產品可靠性和安全的前提下，工藝部門可以直接依據產品三維設計模型進行工藝設計工作，如快速建立三維工藝模型，并且所有相關的工藝信息都與三維工藝模型緊密聯(lián)系，可顯著提高工藝設計的質量和效率。基于加工特征的精細化三維加工工藝設計主要涉及到兩個方面的關鍵技術，一是建立以加工特征演變?yōu)榛A、描述各個工藝階段加工要求的精細化工藝模型，二是精細化工藝信息模型的生成。

在零件的制造階段，零件可以描述為加工特征的集合。在加工過程中加工特征是不斷演變的，將完成一次加工操作后加工特征所處狀態(tài)定義為加工特征中間狀態(tài)（The intermediate state of machining feature，IMMF）。在加工過程中，加工特征是多個有序 IMMF 的集合，每經過一個以其為對象的加工操作則產生一個 IMMF；IMMF 通過將加工操作映射到加工特征的演變上，描述了加工特征從初始狀態(tài)到最終狀態(tài)的動態(tài)變化過程，反映了每個加工操作的加工對象和加工工藝信息。為了完備描述加工操作，IMMF 包含用于約束和描述特征形狀的幾何元素以及用于描述制造活動相關要求的標注和加工屬性，如圖1所示。幾何元素表達加工操作的幾何工藝信息，包括模型幾何元素（包括待加工面元素、建模面元素）和輔助幾何元素。其中，待加工面元素為加工操作的加工目標面，建模面元素指除待加工面元素外構成IMMF拓撲結構所需的幾何元素，輔助幾何元素指建模、標注中所使用的一些輔助幾何信息。標注指加工操作非幾何工藝信息中的標注信息，如標記、形位公差等。加工屬性指加工特征非幾何工藝信息中描述加工操作的屬性信息，加工屬性一般不直接顯示，而是與IMMF相關聯(lián)，包括材料處理方式、附加信息等。

圖1 面向MBD加工特征演變的精細化工藝模型

基于加工特征演變的精細化工藝模型指在三維工藝設計環(huán)境中，采用三維建模技術建立的，包含完整工藝信息的，能夠表達所有工序及工序中工步、加工操作的加工要求及加工狀態(tài)的一整套三維數字模型?；?IMMF 概念，把工序定義為工件經一次裝夾后所完成的多個加工操作，即一個工序模型是若干個 IMMF 構成的集合，完整的零件加工工藝由多道工序組成，相應的有多個工序模型；把工步定義為一個安裝下， 使用一把刀具連續(xù)完成的多個加工操作，即一個工步模型是若干個 IMMF 的集合，每個工步都有對應的工步模型說明工步的加工過程和加工狀態(tài)；其中，加工操作與 IMMF 是一一對應的。

基于加工特征演變的精細化工藝模型構建

工藝模型不僅更加直觀地表達了各個工藝階段（工序、工步和加工操作）后的三維狀態(tài)和加工約束，也是非幾何工藝信息關聯(lián)的對象，因此合理構建工藝模型是生成工藝信息模型的前提。三維環(huán)境中，基于加工特征構建三維數模有正向構建方法和逆向構建方法。正向構建方法，即按照加工順序，從毛坯形態(tài)一步一步形成產品最終設計結構并構建工藝模型的過程；逆向構建方法指由產品設計結構向毛坯形態(tài)逐步回退并構建工藝模型的方式，具有可以重用設計特征、操作簡單的特點，并且可以保證工藝設計結果與零件結構設計的一致性[2]。

在逆向構建三維數模的過程中，加工特征不僅被抑制或刪除，并且是不斷演變的。為了完整描述加工過程，基于加工特征演變提出精細化工藝模型的逆向構建方法，如圖2所示。圖2中DF為設計特征，MF 為加工特征，IMMF 為加工特征中間狀態(tài)。

基于加工特征演變的精細化工藝模型構建具體步驟如下。

步驟1：在設計特征與加工特征之間可以建立幾何映射關系的情況下，由零件設計特征映射出所有的加工特征，如設計特征DF2映射得到MF2。

步驟2：在加工過程中，每個加工特征是不斷演變的，橫向逆推建立加工特征的所有 IMMF，同時依照加工操作定義補充完整每個 IMMF 中包含的工藝信息，最終得到加工特征的 IMMF 鏈，如加工特征 MF2 對應IMMF2.n到 IMMF2.1。

圖2 面向MBD加工特征演變的精細化工序模型的構建過程

步驟3：基于加工操作與 IMMF的對應關系，每道工序中所有加工特征都會處于自己的某些 IMMF（如果工序中存在加工操作不涉及的加工特征，在構建三維數模時需要利用該加工特征的幾何元素，此時加工特征所處的IMMF繼承上次對其進行加工操作對應IMMF的幾何信息，繼承性 IMMF不屬于加工特征的 IMMF鏈，只在構建三維數模實體模型時使用，如工序10中MF1所處IMMF繼承工序5中的IMMF1.2）。確定所有工序中的IMMF后，依照加工操作與工步的從屬關系，合并IMMF生成相應工步的工步模型，如工序10中工步001的工步模型由IMMF1.2與IMMF2.3合并得到。

步驟4：每道工序中的 IMMF 按照一定規(guī)則構建出該工序的工序模型，如果存在工步模型或 IMMF在工序模型的實體模型上無法展示的情況，如工序5中工步001模型和IMMF2.1，這些工步模型和 IMMF 以其他方式展示給模型使用者。

每個加工特征的 IMMF 逐漸逆推直至消失，基于加工特征的演變逐步建立工步模型和工序模型，直至由最后一道工序恢復至毛坯，最終按照工藝路線組織所有的 IMMF、工步模型和工序模型，并補充完整的工藝信息，從而實現(xiàn)精細化工藝模型的構建。

基于加工特征演變的精細化工藝信息建模

1 基于加工特征演變的精細化工藝信息分析

精細化工藝模型信息以精細化工藝模型為核心，組織并表達所有幾何工藝信息和非幾何工藝信息（如工藝規(guī)劃信息、工序描述信息、工步說明信息等）。根據工藝設計和加工過程對信息的表達意圖，為使技術人員能夠清晰獲取每個工藝階段必需的信息，建立基于加工特征演變的精細化工藝信息模型，如圖3所示。

精細化工藝信息模型將零件制造工藝設計過程的相關工藝信息，如工藝規(guī)劃信息、工藝設計信息和工藝過程信息，直接定義在精細化工藝模型上；相關工序描述信息都附著在工序模型中，指的是在工序層面對單個工序進行說明的工藝信息，如工序名稱，以及工序相關工藝資源信息如加工設備、夾具；工步說明信息附著在工步模型中，指在工步層面對單個工步進行說明的工藝信息，包括工步名稱、工步號等；除制造工藝設計過程的相關工藝信息、工序描述信息和工步說明信息以外，其他工藝信息以 IMMF 為單元進行組織，不同 IMMF 之間相互獨立，一個 IMMF 直接為生產人員提供一個加工操作所涉及的工藝信息，包括幾何元素、加工屬性信息（如材料處理方式、附加信息等）和標注信息（如標記、形位公差等）。

2 基于加工特征演變的精細化工藝信息管理

基于加工特征演變的精細化工藝信息管理是指基于精細化工藝模型，在MBD環(huán)境中以合適的表達形式描述加工工藝信息，并采用有效的組織方法管理加工工藝信息，便于工作人員能夠快速檢索和使用工藝數據。

（1）信息表達。

信息表達是將非幾何工藝信息表達在MBD環(huán)境中，并符合相應國標的要求即正確性、合理性、關聯(lián)性、完整性和清晰性。非幾何工藝信息的表達方法有屬性表達法和標注表達法。

屬性表達法是將無法直接顯現(xiàn)出的附加文本信息放入工藝模型的屬性項中形成一條屬性，每一條屬性包含唯一對應的屬性名稱和屬性值。將所有屬性項以結構樹進行組織，能快速查詢并顯示在定制界面中，并與相應的幾何信息相關聯(lián)。屬性表達法適用于精細化工藝模型工藝信息中文字描述類的產品相關工藝信息，如零件總體工藝信息、工序描述信息、工步說明信息以及IMMF中的加工屬性信息等。

標注表達法是借助特定符號或文本將非幾何制造信息表達在三維實體模型的顯示區(qū)域，這些特定符號或文本與幾何信息相關聯(lián)，標注表達法適用于 IMMF 中的標注信息的表達。

（2）信息管理。

零件精細化工藝模型依照加工過程建立工藝結構樹，并附著零件制造工藝設計過程的相關工藝信息。整個結構劃分成4級（工藝、工序、工步和IMMF），每一級按照工藝數據的依附關系將相關數據組織在對應節(jié)點下。在復雜加工過程中，工藝模型中非幾何工藝信息數據量大，如果將他們全部標注在三維工藝模型上就形成了“刺猬”現(xiàn)象，同時非幾何工藝信息與幾何工藝信息關聯(lián)不緊密。為了便于統(tǒng)一高效管理這些非幾何制造信息，采用分 IMMF 顯示。分 IMMF 顯示是指在一個工序模型或工步模型的信息集下，將與加工操作相關的信息（包括該加工操作的幾何元素和標注）分配在對應的IMMF上，IMMF 之間完全獨立，以IMMF 名作為標識且與同 IMMF 中的工藝屬性一起關聯(lián)在相應幾何元素上，在查詢工步及工序信息時可通過IMMF 的組合顯示實現(xiàn)。在管理工藝信息過程中需要滿足關聯(lián)性，即實現(xiàn)非幾何工藝信息與相應幾何元素之間的時時關聯(lián)，由一個非幾何工藝信息能準確提取出與其相關聯(lián)的幾何要素，從幾何要素出發(fā)能快速找到其各個非幾何工藝信息。當查詢同一 IMMF 的標注、工藝屬性和幾何元素任一元素時，相關其他元素都會被提示，使工藝模型中的產品幾何數據與非幾何信息實現(xiàn)高度集成且便于管理。

圖3 面向MBD加工特征演變的精細化工藝信息模型

系統(tǒng)開發(fā)與驗證

為在MBD三維環(huán)境中有效進行零件加工工藝設計，本文基于數字化制造軟件 UG 平臺，并使用 WAVE 模塊，利用 Visual Studio 2008等開發(fā)工具，設計開發(fā)了一個精細化加工工藝設計系統(tǒng)（Detailed machining process design，DMPD），可實現(xiàn)三維環(huán)境下精細化工藝模型的構建，并可快速、準確、完整地生成、查詢和管理工藝模型中工序級、工步級和加工特征中間狀態(tài)相關工藝信息。

（1）加工特征中間狀態(tài)構建模塊如圖4所示，可針對加工特征加工鏈完成加工操作對應的加工特征中間狀態(tài)創(chuàng)建，最終將相關工藝信息存在數據庫中。同時利用工步模型構建模塊和工序模型構建模塊，依次完成所有加工特征中間狀態(tài)、工步模型以及工序模型的構建。

（2）加工特征中間狀態(tài)信息瀏覽模塊如圖5所示，可查詢加工特征的加工鏈，并管理加工鏈中加工操作對應的IMMF的工藝信息（如該IMMF所屬工序及工步等），同時相關幾何元素與標注高亮。

圖4 IMMF 創(chuàng)建

圖5 IMMF 信息查詢及管理

圖6 工步信息查詢及管理

圖7 工序信息查詢及管理

（3）工步信息瀏覽模塊如圖6所示，可顯示工步模型，工步的加工對象及標注高亮，對應工步信息提示在定制界面上，同時提示該工步之中包含的加工操作及其對應的IMMF。

（4）工序信息瀏覽模塊如圖7所示，可顯示工序模型，對應工序信息提示在定制界面上，同時提示該工序之中包含的加工操作及其對應的IMMF。

結束語

MBD環(huán)境下三維加工工藝設計是當前計算機輔助工藝設計技術（CAPP）研究的重要內容，也是實現(xiàn)CAD/CAPP/CAM 集成的關鍵技術之一[3]。三維加工工藝設計以三維工藝模型直觀地表達出了產品真實的實體結構，減少了因理解二維工程圖不一致造成出錯的可能性，從根本上改變了工程設計的方法。

但是在三維環(huán)境中現(xiàn)有工藝設計存在無法基于加工特征詳細描述工步及加工操作的加工狀態(tài)，以及非幾何工藝信息與幾何工藝信息的關聯(lián)不緊密等問題。

本文在三維工藝模型構建中，基于MBD加工特征的演變建立了精細化工藝模型，在MBD三維環(huán)境中實現(xiàn)了快速、準確、完整地生成、查詢和管理工藝模型中工序級、工步級和加工操作相關工藝信息，從MBD模型使用者的角度出發(fā)，提出了面向MBD加工特征演變的精細化工藝信息表達方法和管理模式，應用分加工特征中間狀態(tài)顯示法管理所有工序信息，并符合國標的要求，即正確性、合理性、關聯(lián)性、完整性和清晰性。最終實現(xiàn)基于三維模型的精細化加工工藝設計，在三維環(huán)境中可以清晰、直觀和準確地表達產品加工工藝。

[1] 余志強,陳嵩,孫煒,等. 基于MBD的三維數模在飛機制造過程中的應用. 航空制造技術,2009(S2):82-85.

[2] 丁丁,張旭,斯鐵冬,等. 三維工藝設計中基于加工特征的工序模型生成技術.兵工自動化,2013(6):31-35,39.

[3] 王境宇,鄧立營. 基于CATIA的產品定義信息三維表達及組織方法. 制造業(yè)自動化, 2011(11):130-133,149.

[4] 陳剛,常智勇,萬能,等. 基于信息映射的三維工序模型輔助生成方法. 機械科學與技術,2011(10):1649-1653.

[5] 斯鐵冬,張旭,丁丁. 基于三維模型的機加工藝設計模式探討. 航空制造技術,2014(3):54-58.