西北工業(yè)大學(xué)CAPP與制造工程軟件研究所 辛宇鵬 田錫天 黃利江

中航工業(yè)西安航空發(fā)動(dòng)機(jī)（集團(tuán)）有限公司 馬光輝

隨著三維數(shù)字化設(shè)計(jì)、制造技術(shù)的發(fā)展，基于模型定義（Model Based Definition, MBD）技術(shù)逐漸在各行各業(yè)得到推廣，尤以汽車、航空行業(yè)應(yīng)用最為廣泛[1]。MBD技術(shù)是將制造信息和設(shè)計(jì)信息（三維尺寸標(biāo)注及各種制造信息和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)信息）共同定義到產(chǎn)品的三維數(shù)字化模型中，用三維MBD模型取代二維工程圖，指導(dǎo)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)制造全過程。MBD模式下零件設(shè)計(jì)、制造和檢驗(yàn)過程明顯加快，然而它的實(shí)現(xiàn)在整個(gè)產(chǎn)品生命周期中尚未被完全采納[1]，阻礙其發(fā)展的關(guān)鍵原因是三維計(jì)算機(jī)輔助工藝規(guī)劃（Computer Aided Process Planning, CAPP）技術(shù)的缺失。工藝是連接設(shè)計(jì)與制造的“橋梁”，而目前的CAPP系統(tǒng)還停留在二維應(yīng)用的階段，不能滿足MBD全三維環(huán)境的需求，因此三維CAPP技術(shù)逐漸成為近幾年學(xué)者們研究的熱點(diǎn)。

Sivakumar等[2]研究了三維數(shù)模在CAD/CAM/CAI集成中的應(yīng)用，提出對零件特征分解，利用STEP文件實(shí)現(xiàn)信息傳遞，并通過實(shí)例進(jìn)行了驗(yàn)證，在技術(shù)上保證了工藝過程設(shè)計(jì)階段用MBD模型作為工藝信息載體的可行性。田富君等[3]對三維環(huán)境下機(jī)加工藝過程設(shè)計(jì)的應(yīng)用模式進(jìn)行探索，提出以三維機(jī)加工序模型作為工藝信息載體的思路，分析了三維環(huán)境下機(jī)加工序模型的組成元素，研究了三維機(jī)加工藝卡片的組成結(jié)構(gòu)。萬能等[4]也提出了工序模型驅(qū)動(dòng)的工藝設(shè)計(jì)方法，并對與工藝自動(dòng)規(guī)劃相關(guān)的特征識(shí)別技術(shù)、加工元生成技術(shù)及加工元聚類進(jìn)行了研究。

以上研究工作驗(yàn)證了利用MBD技術(shù)實(shí)現(xiàn)三維機(jī)加工藝設(shè)計(jì)是可行的，因此，本文在此基礎(chǔ)上針對機(jī)械加工（簡稱機(jī)加）工藝設(shè)計(jì)過程，從系統(tǒng)構(gòu)建的角度研究了面向MBD環(huán)境的三維CAPP技術(shù)，提出建立4層架構(gòu)的三維機(jī)加工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)，同時(shí)提出MBD工序模型驅(qū)動(dòng)的機(jī)加工藝設(shè)計(jì)方法，通過擴(kuò)展三維CAD系統(tǒng)功能，實(shí)現(xiàn)MBD環(huán)境下的三維機(jī)加工藝設(shè)計(jì)及發(fā)布。

MBD環(huán)境下三維CAPP系統(tǒng)整體架構(gòu)

三維CAPP系統(tǒng)是基于成熟三維CAD系統(tǒng)，面向機(jī)械加工特征而擴(kuò)展的計(jì)算機(jī)輔助工藝規(guī)劃系統(tǒng)。

在MBD環(huán)境下三維CAPP系統(tǒng)的輸入信息是零件MBD設(shè)計(jì)模型，通過對三維模型進(jìn)行加工特征識(shí)別，分析其在具體制造環(huán)境下的可加工性并確定主要加工方法，制定初步的加工工藝路線，特征識(shí)別過程可參考文獻(xiàn)[5]。三維工藝決策過程包括3個(gè)部分：（1）選擇性決策，如加工方法、工裝設(shè)備選擇等；（2）規(guī)劃性決策，如工序安排與排序、工步安排與排序等；（3）計(jì)算性決策，如工序尺寸計(jì)算等。三維產(chǎn)品工藝信息輸出是利用三維手段和電子文檔結(jié)合的形式，輸出三維形式的工藝信息。

為滿足三維CAPP系統(tǒng)的功能需求，本文提出建立4層架構(gòu)的三維機(jī)加工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)，包括用戶應(yīng)用界面層、系統(tǒng)應(yīng)用服務(wù)層、系統(tǒng)功能模塊層、數(shù)據(jù)層。在MBD環(huán)境下，三維CAPP系統(tǒng)的整體架構(gòu)見圖1。

（1）用戶應(yīng)用界面層。系統(tǒng)應(yīng)用界面層主要包括三維機(jī)加工藝設(shè)計(jì)、三維工藝文件生成以及工藝現(xiàn)場可視化應(yīng)用。

（2）系統(tǒng)應(yīng)用服務(wù)層。系統(tǒng)應(yīng)用服務(wù)層提供了三維機(jī)加工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)與數(shù)據(jù)庫、功能模塊，以及和其他系統(tǒng)的集成接口。

圖1 MBD環(huán)境下的三維CAPP系統(tǒng)整體架構(gòu)

（3）系統(tǒng)功能模塊層。系統(tǒng)功能模塊層是系統(tǒng)應(yīng)用服務(wù)層的基礎(chǔ)，主要為應(yīng)用服務(wù)層提供底層支持，包括工序模型處理模塊、工藝信息管理模塊、工藝資源管理模塊、工藝知識(shí)管理模塊、工藝決策模塊和工藝優(yōu)化處理模塊。其中，工序模型處理模塊提供工序模型快速創(chuàng)建工具集，輔助工作人員在工藝設(shè)計(jì)過程中快速創(chuàng)建三維工序模型，實(shí)現(xiàn)基于工序模型的三維標(biāo)注等功能。

（4）數(shù)據(jù)層。數(shù)據(jù)層用于存取、維護(hù)和管理系統(tǒng)運(yùn)行過程中的機(jī)加工藝信息、制造資源信息、加工工藝知識(shí)、加工工藝參數(shù)、典型工藝知識(shí)以及MBD模型等，是進(jìn)行產(chǎn)品加工工藝設(shè)計(jì)與仿真的基礎(chǔ)。

從這一體系架構(gòu)中可以看出，三維模型是整個(gè)體系的基礎(chǔ)，在三維機(jī)加工藝設(shè)計(jì)過程中，三維模型起到存儲(chǔ)和傳遞工藝信息的作用。然而，在三維工藝信息輸出階段，要更加清楚地表達(dá)每道工序的內(nèi)容，僅靠設(shè)計(jì)信息輸入階段的三維MBD模型是不夠的，因此本文提出一種MBD工序模型驅(qū)動(dòng)的三維機(jī)加工藝設(shè)計(jì)方法，通過給每道工序建立三維模型實(shí)現(xiàn)MBD環(huán)境下的工藝信息表達(dá)與發(fā)布。

MBD工序模型驅(qū)動(dòng)的三維機(jī)加工藝設(shè)計(jì)方法

MBD工序模型是在三維機(jī)加工藝設(shè)計(jì)過程中，利用MBD技術(shù)建立的包含本工序所有加工工藝信息的三維數(shù)字化實(shí)體模型，表現(xiàn)該工序的加工結(jié)果。

記MBD工序模型為Part，設(shè)備集合為M，加工方法為T，幾何參數(shù)為G，工藝裝備集合為E，工藝符號(hào)為A。則MBD工序模型的可表示為：

式中，Parti為第i道工序模型；Gi、Ei和Ai分別表示第i道工序模型表示的幾何尺寸參數(shù)、工藝裝備集合和工藝符號(hào)集合；S為第i道工序所包含的工藝裝備的個(gè)數(shù)；t為第i道工序所包含的工藝標(biāo)注的個(gè)數(shù)。

圖2 MBD工序模型驅(qū)動(dòng)的三維機(jī)加工藝設(shè)計(jì)過程

本文提出的三維機(jī)加工藝設(shè)計(jì)以MBD工序模型為基礎(chǔ)，工藝設(shè)計(jì)過程可以分為2個(gè)階段：工藝初步設(shè)計(jì)階段和工藝詳細(xì)設(shè)計(jì)階段。在工藝初步設(shè)計(jì)階段實(shí)現(xiàn)的是基于模型的工序信息定義，工藝路線通過MBD設(shè)計(jì)模型和MBD工序模型組合成的工藝樹結(jié)構(gòu)來表達(dá)；工藝詳細(xì)設(shè)計(jì)階段是對MBD工序模型定義的進(jìn)一步完善，主要包括幾何建模和基于模型的工步信息定義。從這個(gè)角度理解，三維機(jī)加工藝設(shè)計(jì)的過程也是對MBD工序模型進(jìn)行詳細(xì)定義的過程（圖2）。

MBD工序模型驅(qū)動(dòng)的三維機(jī)加工藝設(shè)計(jì)步驟如下。

步驟1：工藝路線設(shè)計(jì)。利用特征識(shí)別技術(shù)對MBD設(shè)計(jì)模型進(jìn)行特征識(shí)別，按照決策規(guī)則制定初步的工藝路線方案，建立與工序?qū)?yīng)的MBD工序模型并與MBD設(shè)計(jì)模型關(guān)聯(lián)，形成MBD工藝樹實(shí)現(xiàn)工藝路線的三維表達(dá)。其中，特征識(shí)別技術(shù)的詳細(xì)介紹參考文獻(xiàn)[5]。

步驟2：工序編輯。采用MBD技術(shù)對工序MBD數(shù)據(jù)集進(jìn)行定義，在設(shè)備庫和工裝庫的支持下，確定設(shè)備和工裝信息，編寫工序內(nèi)容。

步驟3：工序排序。按照排序規(guī)則和合并規(guī)則，對工序進(jìn)行重新排序和合并，確定工藝路線。

步驟4：創(chuàng)建MBD工序模型。建立MBD工序幾何模型，初步完成MBD工序模型的定義。

步驟5：工步編輯。采用基于工序模型視圖的定義方法對工步信息進(jìn)行定義，將模型視圖視為一個(gè)對象對其添加工藝屬性，在刀具庫和切削參數(shù)庫的支持下，確定刀具和切削參數(shù)信息，完成工步編輯。

步驟6：工步排序。在規(guī)則庫的支持下，對工步進(jìn)行排序、合并，完成工藝過程設(shè)計(jì)，輸出MBD工序模型用于三維工藝發(fā)布。

三維可視化工藝生成技術(shù)

三維可視化工藝是以工藝MBD模型和MBD工序模型之間的結(jié)構(gòu)化描述方式、利用三維手段和電子文檔來表達(dá)工藝過程信息。將非幾何信息以屬性和注釋的形式與三維工序模型進(jìn)行綁定，利用工序模型與工藝符號(hào)來表達(dá)工序加工結(jié)果和制造要求。一道工序往往由多個(gè)工步組成，本文提出采用基于模型視圖的工步定義方式，給每道工序創(chuàng)建多個(gè)模型視圖，與工步信息相對應(yīng)。這種基于模型定義的工藝信息組織結(jié)構(gòu)如圖3所示。

三維可視化工藝的發(fā)布形式可分為2種：三維電子文檔發(fā)布和基于WEB發(fā)布。三維電子文檔發(fā)布是將三維模型嵌入到電子文檔工藝模板中，形成三維工藝卡片，其中的三維模型具有旋轉(zhuǎn)、縮小、放大等三維瀏覽操作的功能；基于WEB發(fā)布是將三維模型和工藝數(shù)據(jù)打包上傳到服務(wù)器，客戶端可通過網(wǎng)頁形式在線瀏覽所加工產(chǎn)品的三維模型和工藝信息。要實(shí)現(xiàn)這2種工藝發(fā)布方式，提前都需對MBD模型中的工藝信息進(jìn)行提取和處理，建立工藝元素的映射關(guān)系。因此三維可視化工藝生成過程總體上可分為工藝MBD模型建立、工藝數(shù)據(jù)處理（包括數(shù)據(jù)提取、數(shù)據(jù)輸出和數(shù)據(jù)解析）和工藝元素映射等幾個(gè)階段，如圖4所示。

由于大部分工藝相關(guān)信息是以三維標(biāo)注的形式直接定義在三維模型中，比如尺寸、表面粗糙度、加工要求等。在數(shù)據(jù)提取時(shí)，采用非遞歸深度優(yōu)先遍歷算法獲取結(jié)構(gòu)對象唯一標(biāo)識(shí)，通過標(biāo)識(shí)從結(jié)構(gòu)模型中抽取工藝信息。提取圖3中工藝樹的工藝信息具體步驟如下。

步驟1：獲取根節(jié)點(diǎn)對象即MBD主模型，通過標(biāo)識(shí)和屬性名稱提取屬性值，獲得零件基本信息。

步驟2：采用深度優(yōu)先遍歷中的先序遍歷方法，遍歷根節(jié)點(diǎn)的子節(jié)點(diǎn)，獲取第1道工序模型標(biāo)識(shí)，通過標(biāo)識(shí)和屬性名提取工序基本信息和工裝基本信息等屬性信息。

步驟3：通過上步獲取的第1道工序模型標(biāo)識(shí)繼續(xù)遍歷第1道工序模型所對應(yīng)的所有工步視圖，獲取工步基本信息。

步驟4：重復(fù)步驟2和步驟3，依次遍歷第2道工序到第n道工序。

組織提取出的工藝信息時(shí)，依據(jù)工藝信息模型將抽取的工藝信息利用XML標(biāo)記建立不同工藝信息的描述和存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，同時(shí)建立三維工藝元素之間的映射關(guān)系。

實(shí)例分析

本文以Teamcenter作為MBD模型數(shù)據(jù)管理平臺(tái)，利用Visual Studio 2008在NX6.0上開發(fā)了三維CAPP系統(tǒng)，制造資源庫在Teamcenter中構(gòu)建，三維工藝發(fā)布數(shù)據(jù)為MBD零件模型和MBD工序模型，采用基于WEB的三維發(fā)布方式與MES系統(tǒng)進(jìn)行集成，以實(shí)現(xiàn)車間現(xiàn)場三維工藝可視化應(yīng)用。

圖3 基于模型定義的工藝信息組織結(jié)構(gòu)

圖4 基于模型定義的三維可視化工藝生成

圖5所示為某型號(hào)航空發(fā)動(dòng)機(jī)排氣導(dǎo)管零件在MBD環(huán)境下的三維機(jī)加工藝設(shè)計(jì)與發(fā)布過程，零件MBD模型由上游設(shè)計(jì)人員發(fā)放，工藝人員在Teamcenter中的制造工藝規(guī)劃器模塊創(chuàng)建工藝ITEM，將零件MBD模型添加在工藝ITEM下（圖5（a））。通過Teamcenter進(jìn)入NX中的三維CAPP系統(tǒng)，在工藝信息輸入界面完成工藝路線的初步設(shè)計(jì)之后，自動(dòng)創(chuàng)建工序模型并與零件MBD模型自動(dòng)關(guān)聯(lián)形成組合體（圖5（b））。在工序模型處理模塊和制造資源庫的輔助下，定義MBD工序模型進(jìn)行工藝詳細(xì)設(shè)計(jì)過程，最終同步到制造工藝規(guī)劃器中，自動(dòng)生成與MBD模型裝配結(jié)構(gòu)對應(yīng)的工藝樹結(jié)構(gòu)。其中工序模型處理模塊在NX中客戶化定制，制造資源庫按照企業(yè)特點(diǎn)在Teamcenter中建立（圖 5（c））。三維工藝的發(fā)布采用基于SOA的Web Services集成技術(shù)，發(fā)布的工藝數(shù)據(jù)為零件MBD模型和MBD工序模型，首先對PDM系統(tǒng)中三維工藝管理模塊進(jìn)行Web服務(wù)封裝，部署到應(yīng)用服務(wù)器，并對其進(jìn)行WSDL描述，然后通過SOAP協(xié)議將其在UDDI注冊庫進(jìn)行注冊和發(fā)布，服務(wù)請求者通過到UDDI注冊庫查找并發(fā)現(xiàn)服務(wù)，通過SOAP消息動(dòng)態(tài)、按需獲取服務(wù)的WSDL描述文件，進(jìn)行Web services調(diào)用，從而實(shí)現(xiàn)跨平臺(tái)、跨地域的應(yīng)用系統(tǒng)集成，實(shí)現(xiàn)三維工藝現(xiàn)場可視化如圖5（d）。

結(jié)束語

圖5 MBD環(huán)境下三維CAPP應(yīng)用實(shí)例

傳統(tǒng)的二維工藝設(shè)計(jì)應(yīng)用模式無法直接利用上游設(shè)計(jì)發(fā)放的三維模型，在工藝設(shè)計(jì)階段需要經(jīng)歷二維/三維的轉(zhuǎn)換過程，這無疑加大了工藝人員工作量，并且無法為后期的數(shù)控加工以及工藝檢驗(yàn)提供三維數(shù)模的支持。本文提出的MBD環(huán)境下的三維CAPP技術(shù)，可以直接利用零件MBD模型進(jìn)行工藝規(guī)劃，在工藝規(guī)劃過程中建立的MBD工序模型，可以在CAM、CMM階段直接利用，實(shí)現(xiàn)CAD/CAPP/CMM/CAM的集成，為更進(jìn)一步的CIMS集成技術(shù)研究奠定了基礎(chǔ)。