徐 菁，陳清良，李文博，王國(guó)磊

（ 1. 航空工業(yè)成都飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，成都 610091；2. 清華大學(xué)機(jī)械工程系，北京 100084 ）

MBD （Model Based Definition）是一種基于三維模型的產(chǎn)品數(shù)字化標(biāo)注技術(shù)[1]，它在三維數(shù)字化模型中對(duì)產(chǎn)品信息進(jìn)行完整的定義和描述，不僅包括三維空間實(shí)體模型的幾何形狀、尺寸等幾何信息，還包括屬性、注釋等非幾何信息[2-3]。

在三維模型上以非幾何信息的方式加入產(chǎn)品制造信息，為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)與加工、裝配、測(cè)量、檢測(cè)的集成創(chuàng)造了可能。在基于MBD技術(shù)的制造體系中，設(shè)計(jì)部門不再向制造部門發(fā)放二維工程圖紙，處于生產(chǎn)研制過程中的各個(gè)環(huán)節(jié)可以隨時(shí)從協(xié)同管理平臺(tái)中讀取MBD產(chǎn)品模型，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、工藝和制造的協(xié)同，減少了設(shè)計(jì)工作量，簡(jiǎn)化了管理流程。

需求分析

然而，如同所有新生事物一樣，MBD在制造端的應(yīng)用，也是從設(shè)計(jì)階段向下游延伸，發(fā)展為“基于模型的制造”（Model Based Manufacture，MBM）的過程中，也遇到了各種各樣的問題，ARL組織將其總結(jié)為6個(gè)方面：（1）制造端的數(shù)據(jù)視圖依賴于設(shè)計(jì)端的應(yīng)用系統(tǒng)；（2）上游的應(yīng)用文件格式限制了下游應(yīng)用系統(tǒng)的選擇；（3）供應(yīng)商沒有可供選擇的合適格式，他們需要面向低成本制造使用和瀏覽的數(shù)據(jù)格式；（4）對(duì)于數(shù)字化數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和長(zhǎng)期訪問來說，還沒有可接受的標(biāo)準(zhǔn)；（5）產(chǎn)品的生命周期可能比計(jì)算機(jī)軟硬件的生命周期還要長(zhǎng)；（6）完全擺脫2D 圖紙還需要一個(gè)過程。

除此之外，在面向MBD的生產(chǎn)制造組織過程中，也總結(jié)出如下一些具體應(yīng)用層面的問題：

（1）數(shù)模結(jié)構(gòu)中非幾何信息檢索的工作量大、效率低、易遺漏。由于非幾何信息大量存放在數(shù)模結(jié)構(gòu)樹中，在工藝審圖等生產(chǎn)準(zhǔn)備過程中，需要人為逐級(jí)展開數(shù)模結(jié)構(gòu)樹進(jìn)行逐項(xiàng)查看、查找，存在工作量大、耗時(shí)長(zhǎng)且容易漏看的問題。

（2）生產(chǎn)工藝準(zhǔn)備成為生產(chǎn)進(jìn)度瓶頸，急需提高工作效率。如果仍采用傳統(tǒng)的工作方式，由于生產(chǎn)工藝準(zhǔn)備過程繁瑣、工作量大，即使加班加點(diǎn)也很難有效縮短工作周期。

（3）MBD設(shè)計(jì)數(shù)模中的不規(guī)范和錯(cuò)誤在所難免。

（4）缺乏面向MBD的集成三維工藝準(zhǔn)備環(huán)境和平臺(tái)。在基于MBD的設(shè)計(jì)、制造一體化的工作模式下，工藝準(zhǔn)備環(huán)境需要與三維工藝設(shè)計(jì)環(huán)境高度集成。然而，目前仍缺乏通用、集成的工藝準(zhǔn)備工具，工藝人員在進(jìn)行工藝準(zhǔn)備時(shí)大多還是根據(jù)個(gè)人的喜好和工作習(xí)慣，將信息復(fù)制或人工輸入到其他軟件（如Excel等）中，編制工藝文件，這種方式實(shí)際上是一種“假集成”，數(shù)據(jù)仍然存在于一個(gè)個(gè)的數(shù)據(jù)孤島上，而且由于信息的多次轉(zhuǎn)移、復(fù)制，容易出現(xiàn)不一致。

因此，本文開發(fā)一套面向MBD模型的工藝信息組織與重構(gòu)系統(tǒng)，可滿足制造過程中不同階段、不同角色對(duì)產(chǎn)品數(shù)模信息不同層次的查看瀏覽和使用需要，使用戶獲得較好的數(shù)據(jù)訪問體驗(yàn)和操作性能。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1 系統(tǒng)定位

在圖1所示的基于MBD的數(shù)字化制造流程下，工藝信息組織與重構(gòu)系統(tǒng)應(yīng)定位于實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品信息和工藝資料的自動(dòng)提取、檢索和查詢，并具有多數(shù)據(jù)視圖重構(gòu)能力和一定的智能判別與審查能力，以及輔助生成相關(guān)的工藝準(zhǔn)備文件、指令性工藝文件甚至數(shù)控加工程序的能力，最終以集成數(shù)字化環(huán)境下系統(tǒng)或工具的形式加以實(shí)現(xiàn)，為產(chǎn)品制造全過程，特別是工藝審查、工藝準(zhǔn)備和工藝設(shè)計(jì)等關(guān)鍵性環(huán)節(jié)提供服務(wù)，以減少人工重復(fù)性勞動(dòng)，縮短工藝準(zhǔn)備周期，促進(jìn)工藝準(zhǔn)備的規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化，提高工藝準(zhǔn)備質(zhì)量。

2 功能設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)如圖2所示，具體內(nèi)容如下：

（1）自動(dòng)提取/重構(gòu)MBD數(shù)模中的工藝信息。

MBD模型的組織定義如圖3所示，除了屬性之外，數(shù)模結(jié)構(gòu)樹中存在大量的非幾何信息，如零件注釋、熱表處理注釋、材料注釋、通用注釋等，此外，還有部分非幾何信息存在于標(biāo)注之中，部分工藝準(zhǔn)備過程也需要參考幾何特征、尺寸和公差。因此，MBD數(shù)模中工藝信息的自動(dòng)提取不但需要關(guān)注屬性、注釋，還需要關(guān)注幾何尺寸和標(biāo)注等。

在工藝信息提取的基礎(chǔ)上，需要針對(duì)制造過程中不同階段、不同角色、不同專業(yè)對(duì)產(chǎn)品數(shù)模信息不同層次的查看瀏覽和使用需要，構(gòu)造成需要的數(shù)據(jù)格式。

圖1 基于MBD的數(shù)字化制造流程Fig.1 Process of MBD-based digital manufacturing

（2）匯總和統(tǒng)計(jì)MBD數(shù)模中的工藝信息。

由于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，組件級(jí)別下的零件數(shù)量非常龐大，而每個(gè)零件都有自己的屬性、注釋和標(biāo)注等信息，而PDM系統(tǒng)中的BOM表僅包含屬性信息，因此需要對(duì)組件級(jí)數(shù)模中的信息進(jìn)行綜合提取，并加以甄別、匯總、統(tǒng)計(jì)和過濾，形成報(bào)表。

（3）自動(dòng)分析和比對(duì)MBD數(shù)模。

設(shè)計(jì)單位發(fā)布更改單后，制造單位希望盡快了解改動(dòng)要素，以對(duì)相應(yīng)的工藝過程進(jìn)行準(zhǔn)備和調(diào)整。這項(xiàng)工作有時(shí)非常困難和棘手，操作繁瑣、工作量大、易漏項(xiàng)。因此，需要對(duì)不同版本的數(shù)模差異進(jìn)行自動(dòng)分析，對(duì)差異給出提示。

（4）快速檢索和模糊查找。

當(dāng)零件比較復(fù)雜時(shí)，在龐大的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中逐項(xiàng)展開、查找某些特定信息需要浪費(fèi)大量的時(shí)間。因此，需要具有一定的模糊查詢能力的檢索定位功能，通過輸入檢索條件在復(fù)雜組件內(nèi)快速查找、定位相應(yīng)內(nèi)容。

（5）規(guī)范化輸入和輸出。

在工藝準(zhǔn)備過程中，需要輸出一些指令交接文件或構(gòu)造工藝數(shù)模，若沒有相應(yīng)的工具，該項(xiàng)工作需要大量的人工復(fù)制、粘貼、編輯，受個(gè)人水平和習(xí)慣的影響比較大，存在出錯(cuò)的可能，不利于建立規(guī)范化的工藝準(zhǔn)備流程。因此，需要自動(dòng)輸出指令性交接或構(gòu)造工藝數(shù)模的功能，通過計(jì)算機(jī)輔助和提示減少工藝人員的輸入操作。

（6）智能判別和審查。

生產(chǎn)準(zhǔn)備中需要對(duì)大量的型號(hào)、牌號(hào)、工藝等信息進(jìn)行審查，有的還要加以甄別和判斷，其中可以建立明確判別標(biāo)準(zhǔn)的，可以利用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)處理，從而提高工作效率。這項(xiàng)研究依賴并有利于工藝知識(shí)庫(kù)的建立和工藝知識(shí)的積累，對(duì)于需要工藝人員的經(jīng)驗(yàn)和判斷的、難以建立明確準(zhǔn)則的，則需要借助自然語(yǔ)言處理等智能算法。

3 開發(fā)思路

除了開放性、可靠性、可維護(hù)性、使用性、可擴(kuò)展性和容錯(cuò)性這些軟件系統(tǒng)的常見性能指標(biāo)外，系統(tǒng)設(shè)計(jì)還遵循以下原則：

（1）充分利用企業(yè)內(nèi)部已有的軟、硬件基礎(chǔ)和信息集成基礎(chǔ)，在尊重企業(yè)現(xiàn)有工作模式的前提下，著眼于通過計(jì)算機(jī)輔助提高頂層工藝準(zhǔn)備自動(dòng)化和標(biāo)準(zhǔn)化程度，為工藝信息處理提供數(shù)字化工具和平臺(tái)。

（2）用戶工作界面可通過二次開發(fā)實(shí)現(xiàn)，以充分利用設(shè)計(jì)端軟件的架構(gòu)、功能和三維環(huán)境，實(shí)現(xiàn)與MBD體系的無(wú)縫集成，并且充分發(fā)揮企業(yè)內(nèi)部人員對(duì)三維軟件操作熟悉的優(yōu)勢(shì)，避免新軟件帶來的陌生感，縮短學(xué)習(xí)周期。此外，通過數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)工藝數(shù)據(jù)和信息的單一化和共享。

圖2 系統(tǒng)功能模塊Fig.2 Functional modules of the system

圖3 MBD模型組織定義Fig.3 Definition of MBD-based model organization

（3）采用模塊化程序設(shè)計(jì)方法。充分考慮系統(tǒng)的模塊化，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的邊設(shè)計(jì)、邊實(shí)施，避免因?yàn)閭€(gè)別模塊的問題影響整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)施，從而便于系統(tǒng)的擴(kuò)充和升級(jí)。

（4）充分利用成熟技術(shù)。多數(shù)航空制造企業(yè)已在工藝準(zhǔn)備、數(shù)模信息重構(gòu)方面有一些工作積累，充分利用這些成熟技術(shù)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行整合、歸納，可以極大縮短開發(fā)周期、提高系統(tǒng)的實(shí)用性。

（5）充分考慮信息化系統(tǒng)的基礎(chǔ)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮系統(tǒng)的開放性和可維護(hù)性，同時(shí)充分考慮與PDM、CAPP、MES等信息化系統(tǒng)之間的接口和集成，并注重功能實(shí)現(xiàn)上與現(xiàn)有系統(tǒng)的區(qū)別。

（6）從實(shí)用角度出發(fā)，逐步、遞進(jìn)、發(fā)展地應(yīng)用于企業(yè)。作為直接面向制造過程的實(shí)際應(yīng)用軟件，系統(tǒng)設(shè)計(jì)在著眼長(zhǎng)遠(yuǎn)的同時(shí)應(yīng)腳踏實(shí)地，以盡早、盡快產(chǎn)生應(yīng)用效果為核心思想，遵循兩個(gè)逐步：第一，先應(yīng)用于部分典型部門，例如頂層工藝設(shè)計(jì)部門，因?yàn)檫@個(gè)層面的部門最早與設(shè)計(jì)部門交互，奠定良好基礎(chǔ)后，再逐步拓展到專業(yè)廠層面；第二，先實(shí)現(xiàn)部分重要功能，積累工藝知識(shí)庫(kù)等必要信息，再逐步地實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化。

關(guān)鍵技術(shù)與解決途徑

1 二次開發(fā)技術(shù)

二次開發(fā)是對(duì)軟件進(jìn)行個(gè)性化和專業(yè)化的有效手段，可以使軟件更好地為用戶服務(wù)，對(duì)提高工作效率和產(chǎn)品質(zhì)量，節(jié)約研發(fā)成本和縮短開發(fā)周期有著重要的作用。對(duì)于面向MBD模型的工藝信息提取與重構(gòu)來說，最合適的開發(fā)手段就是二次開發(fā)。

CATIA二次開發(fā)常用的兩種方式為自動(dòng)化應(yīng)用接口（Automation API）和組件應(yīng)用架構(gòu)（Component Application Architecture，CAA）Automation API在一般情況下可以滿足大多數(shù)非幾何信息的操作需求，但在涉及更深層次幾何信息操作時(shí)，需要借助CAA，因?yàn)镃AA提供的接口最全面，實(shí)現(xiàn)的功能最強(qiáng)大[4]。

2 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于前述功能和性能分析，定位于系統(tǒng)級(jí)的工藝信息提取與重構(gòu)軟件可以采用如圖4所示軟件的體系結(jié)構(gòu)，由4個(gè)層面組成：數(shù)據(jù)層、支撐層、功能層和界面層。

（1）數(shù)據(jù)層主要是工藝知識(shí)庫(kù)，具體來說包括各種工藝文件、存放工藝基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的工藝知識(shí)庫(kù)，以及MBD模型。該層為本系統(tǒng)的實(shí)施提供了數(shù)據(jù)支持。

（2）支撐層采用基于三維設(shè)計(jì)軟件的數(shù)字化環(huán)境，以實(shí)現(xiàn)與設(shè)計(jì)數(shù)模的無(wú)縫集成，并利于工藝人員在統(tǒng)一、熟悉的環(huán)境下進(jìn)行工作。

（3）功能層運(yùn)行于CATIA數(shù)字化環(huán)境內(nèi)，是系統(tǒng)的核心部分。

（4）界面層采用二次開發(fā)手段在CATIA環(huán)境內(nèi)設(shè)計(jì)窗口、對(duì)話框和工具條。用戶無(wú)須打開其他任何軟件就可以進(jìn)行工藝準(zhǔn)備。

圖4 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)Fig.4 Architecture design of the system

3 數(shù)模信息提取

在MBD模型中，數(shù)據(jù)被封裝成對(duì)象的形式，并以樹形結(jié)構(gòu)的形式掛靠在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特征樹中，因此實(shí)現(xiàn)自動(dòng)信息提取必須首先了解MBD模型的定義形式，特別是產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹的定義和規(guī)范[5]。

對(duì)于樹狀結(jié)構(gòu)的信息提取，宜采用遞歸算法加以實(shí)現(xiàn)，但由于一個(gè)產(chǎn)品通常都是由多個(gè)零部件組成的，因此在進(jìn)行組件級(jí)產(chǎn)品的工藝信息提取時(shí)，要注意利用產(chǎn)品裝配層次關(guān)系進(jìn)行信息提取完整性和唯一性的判斷，避免數(shù)據(jù)缺失和重復(fù)。

4 面向多層次多角度需求的數(shù)據(jù)重構(gòu)

如圖5所示，從數(shù)據(jù)功能的角度出發(fā)，產(chǎn)品制造周期中的相關(guān)數(shù)據(jù)包括指令性文件、生產(chǎn)性文件等設(shè)計(jì)結(jié)果數(shù)據(jù)和工藝評(píng)審數(shù)據(jù)；從數(shù)據(jù)格式角度，產(chǎn)品制造周期中的相關(guān)數(shù)據(jù)包括用數(shù)據(jù)庫(kù)形式描述的格式化數(shù)據(jù)和用文件形式描述的圖形文檔數(shù)據(jù)；從專業(yè)角度，涉及全部專業(yè)廠；從產(chǎn)品制造周期上看，涉及頂層工藝設(shè)計(jì)、工藝準(zhǔn)備、分廠工藝設(shè)計(jì)，以及加工裝配、檢驗(yàn)檢測(cè)等實(shí)現(xiàn)環(huán)節(jié)。

因此，工藝信息重構(gòu)過程中最困難的不是技術(shù)研發(fā)，而是如何對(duì)各不同層次、不同角度、不同目的的信息需求進(jìn)行深入而詳細(xì)的調(diào)研分析，進(jìn)而構(gòu)造精確、詳細(xì)的信息模型。

5 工藝知識(shí)庫(kù)的設(shè)計(jì)

圖5 產(chǎn)品制造周期多角度視圖Fig.5 Multi-angle view of product manufacturing cycle

建立工藝基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息文件是實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)輔助工藝信息判別和審查的基礎(chǔ)。從知識(shí)庫(kù)[6]的建立難易程度上看，具有比較明確判別標(biāo)準(zhǔn)的，如標(biāo)準(zhǔn)件型號(hào)、材料牌號(hào)等知識(shí)庫(kù)比較容易建立，而更大程度上依賴經(jīng)驗(yàn)和判斷的，如工藝注釋等，需要一個(gè)長(zhǎng)期的積累過程。利用知識(shí)積累實(shí)現(xiàn)知識(shí)重用，最終實(shí)現(xiàn)基于知識(shí)的智能工藝信息提取和重構(gòu)是未來的發(fā)展方向。

6 基于MBD的規(guī)范化工藝數(shù)模和處理模式

通過自動(dòng)化處理減少人為操作，降低人為出錯(cuò)概率和個(gè)人水平、習(xí)慣的影響是近期目標(biāo)，而在前述研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)面向不同專業(yè)和功能的工藝數(shù)模規(guī)范，建立自動(dòng)化平臺(tái)、規(guī)范化操作、標(biāo)準(zhǔn)化流程，減少信息孤島，對(duì)以MBD模型為中心的數(shù)字化制造體系給予全面支持才是最終的遠(yuǎn)期目標(biāo)。

圖6 提取與重構(gòu)模塊界面及操作流程Fig.6 Interface and operation process of extraction and reconstruction module

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

以系統(tǒng)中提取與重構(gòu)功能模塊為例介紹系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)過程和開發(fā)思路。

如圖6所示，綜合定制提取模塊分為一次提取和二次提取。一次提取用于定制提取數(shù)模（組件）中的所有屬性、注釋和標(biāo)注信息，而二次提取是在一次提取的基礎(chǔ)上重構(gòu)材料和工藝信息。

在一次提取過程中，通過選擇“當(dāng)前窗口組件”、“指定路徑組件”，以及配置關(guān)鍵字等選項(xiàng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)源的定制；進(jìn)而，通過數(shù)據(jù)預(yù)讀技術(shù)實(shí)現(xiàn)定制提取，支持用戶從屬性、注釋和標(biāo)注中自定義待提取項(xiàng)以及輸出格式的配置。

二次提取時(shí)，通過對(duì)一次提取信息的篩選、過濾以及自定義配置實(shí)現(xiàn)多視圖重構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)不同專業(yè)、不同角色對(duì)工藝數(shù)據(jù)不同角度、不同層次的需求。在重構(gòu)過程中，通過工藝知識(shí)庫(kù)實(shí)現(xiàn)智能化的判別和審查，進(jìn)一步減少工藝人員的介入。

結(jié)論

MBD模型中大量信息的自動(dòng)化提取、組織及處理，是開展工藝審查、工藝準(zhǔn)備、工藝設(shè)計(jì)以及后續(xù)工裝設(shè)計(jì)、制造裝配、檢驗(yàn)檢測(cè)的基礎(chǔ)，也是縮短生產(chǎn)準(zhǔn)備周期、簡(jiǎn)化生產(chǎn)流程的關(guān)鍵。

本文所開發(fā)的面向MBD模型的工藝信息組織與重構(gòu)系統(tǒng)包含一系列工具模塊，模塊之間獨(dú)立性較強(qiáng)，具有較高的可擴(kuò)展性。該系統(tǒng)能夠有效提高工藝審圖過程中的工作效率，滿足制造過程中不同階段、不同角色對(duì)產(chǎn)品數(shù)模信息不同層次的查看瀏覽和使用需要，具有較好的數(shù)據(jù)訪問體驗(yàn)和操作性能。

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