李瑞,張剛,汪驥,劉曉,劉玉君

(大連理工大學(xué) 船舶工程學(xué)院,遼寧 大連 116024)

船舶設(shè)計制造需要多部門、團隊協(xié)同工作,但目前各單位、部門之間缺乏協(xié)同作業(yè)模式,設(shè)計階段與制造階段的數(shù)據(jù)源不統(tǒng)一,造成信息得不到有效傳遞、效率低、研發(fā)周期長。模型定義(model based definition,MBD)技術(shù)是以集成的三維實體模型完整表達產(chǎn)品信息的一種定義方式[1],摒棄以往以“二維為主,三維為輔”的設(shè)計制造模式,對產(chǎn)品的工藝規(guī)劃、加工指導(dǎo)的方式、生產(chǎn)車間的管理等產(chǎn)生巨大影響[2]。近年來,隨著數(shù)字化的要求不斷提升,三維工藝設(shè)計成為熱點問題。一方面將三維模型充分應(yīng)用到協(xié)同設(shè)計模式[3]中,在構(gòu)建的船舶三維實體模型的基礎(chǔ)上進行三維工藝設(shè)計和加工制造工作,將三維模型添加信息轉(zhuǎn)換為EBOM模型與MBOM模型,最后輸出為XML文件進行數(shù)據(jù)的傳輸,但這種方式中三維模型與工藝信息是兩個相互獨立的個體,沒有形成相互依存的指示關(guān)系,生產(chǎn)制造階段缺乏有效的作業(yè)指導(dǎo);另一方面是借助MBD技術(shù)實現(xiàn)協(xié)同設(shè)計[4],構(gòu)建船舶MBD設(shè)計模型與MBD工藝模型,借助MBD模型信息標(biāo)注的優(yōu)勢,能夠?qū)⒛Ｐ团c工藝信息形成相互依存的整體,進而作為船舶產(chǎn)品設(shè)計與制造過程中的唯一數(shù)據(jù)源,貫穿船舶設(shè)計、建模、工藝、制造、檢驗過程。但由于船舶產(chǎn)品的復(fù)雜性,MBD技術(shù)在船舶領(lǐng)域的應(yīng)用還處在探索和試驗的階段[5-6]?？紤]以船舶管件作為研究對象,探討基于MBD技術(shù)實現(xiàn)船舶管件的三維工藝設(shè)計并生成三維作業(yè)指導(dǎo)書,實現(xiàn)設(shè)計、工藝、制造階段的協(xié)同,為MBD技術(shù)在船舶領(lǐng)域的深入應(yīng)用提供借鑒。

1 總體方案規(guī)劃

基于MBD的船舶管件三維工藝設(shè)計是指在船舶管件MBD設(shè)計模型的基礎(chǔ)上進行工藝設(shè)計,生成船舶管件MBD工藝模型的過程,在此過程中主要包括構(gòu)建船舶管件MBD工藝模型和輔助工藝設(shè)計系統(tǒng)兩大內(nèi)容?；趯BD技術(shù)和輔助工藝設(shè)計方法的研究,構(gòu)建基于MBD的船舶管件三維工藝設(shè)計總體方案,見圖1。

圖1 基于MBD的船舶管件三維工藝設(shè)計總體方案

在該方案中,船舶管件MBD設(shè)計模型是工藝設(shè)計的起點,基于CATIA二次開發(fā)技術(shù)實現(xiàn)面向工藝設(shè)計過程的MBD設(shè)計模型信息自動提取,為船舶管件輔助工藝設(shè)計系統(tǒng)提供信息基礎(chǔ);構(gòu)建以工藝實例庫、工藝規(guī)則庫、設(shè)備資源庫等為主的工藝知識庫,為輔助工藝設(shè)計系統(tǒng)的工藝實例重用和自動工藝決策提供知識基礎(chǔ),其中,自動工藝決策內(nèi)容包括:加工方法、加工設(shè)備等的選擇決策,工藝路線、數(shù)控加工工序等的規(guī)劃決策,無余量下料長度、彎曲角度、回彈延伸數(shù)據(jù)等的計算決策,以此實現(xiàn)基于知識的工藝路線自動規(guī)劃、工藝參數(shù)的程序化計算等,生成完整且詳細(xì)的工藝信息;最后,基于對MBD數(shù)據(jù)集規(guī)范定義的研究,將生成的工藝信息集成為工藝信息樹,結(jié)合模型輕量化處理,生成基于MBD的船舶管件三維作業(yè)指導(dǎo)書,實現(xiàn)對工藝現(xiàn)場的可視化指導(dǎo)。

從整體來看,船舶管件MBD模型貫穿整個方案,在三維工藝設(shè)計過程中作為唯一數(shù)據(jù)源,有著傳遞工藝信息的重要作用,使得信息的傳遞更加直觀,消除二義性,可有效改善傳統(tǒng)的船舶管件設(shè)計制造模式的弊端。

2 MBD設(shè)計模型信息的管理

船舶管件設(shè)計信息是工藝設(shè)計的基礎(chǔ)信息,設(shè)計信息的完整性和準(zhǔn)確性對工藝設(shè)計的規(guī)范性和準(zhǔn)確性有重要影響,傳統(tǒng)的船舶管件設(shè)計制造模式需要依靠工藝人員與設(shè)計人員的反復(fù)交流確認(rèn),浪費人力、工時,為此,需實現(xiàn)一種面向工藝設(shè)計過程的模型設(shè)計信息獲取方式,在三維環(huán)境下開發(fā)MBD模型設(shè)計信息管理系統(tǒng)。

首先,歸納工藝設(shè)計過程中需要的設(shè)計信息并通過人機交互窗口顯示;然后,基于CATIA二次開發(fā)技術(shù)和循環(huán)遍歷算法實現(xiàn)MBD設(shè)計模型結(jié)構(gòu)樹中非幾何信息和Node Table中幾何信息的提取,并顯示在交互窗口相應(yīng)內(nèi)容下;最后,由設(shè)計人員通過交互窗口審核其所提供的設(shè)計信息是否正確且完整,以此為工藝設(shè)計過程提供完整且準(zhǔn)確的設(shè)計信息。通過這種方式可加強設(shè)計人員和工藝人員之間的聯(lián)系,提高設(shè)計信息獲取的效率和質(zhì)量。

在三維環(huán)境下自動提取得到的設(shè)計信息如何有效地傳遞到輔助工藝設(shè)計系統(tǒng)也非常重要,為此,采用XML文件格式實現(xiàn)設(shè)計信息地有效傳遞。XML(extensible markup language,可擴展標(biāo)記語言)文件[7]的結(jié)構(gòu)與CATIA軟件的特征結(jié)構(gòu)樹表現(xiàn)形式極為相似,可以非常方便處理高度結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)。通過研究開發(fā)基于VB的XML文件自動讀寫及生成程序,按照XML文件的邏輯結(jié)構(gòu),生成儲存船舶管件設(shè)計信息的文件。

3 三維工藝設(shè)計

3.1 工藝知識庫的構(gòu)建

輔助工藝設(shè)計系統(tǒng)實際上是在大量工藝知識和邏輯分析的基礎(chǔ)上,以設(shè)計信息為依據(jù),按照船舶管件工藝設(shè)計的流程將原本需要工藝人員人為理解并處理的知識利用計算機和知識工程技術(shù)交由系統(tǒng)自動完成,解決工藝設(shè)計中的各種決策問題。系統(tǒng)的基礎(chǔ)是工藝知識庫的構(gòu)建,將船舶管件工藝知識分為通用性知識和決策性知識,借助數(shù)據(jù)庫軟件 SQL Sever完成對工藝知識的存儲和管理,進而構(gòu)建了船舶管件工藝知識庫。

1)通用性知識包括:標(biāo)準(zhǔn)文件、工藝手冊等規(guī)范性知識,歸納典型工藝形成的工藝實例、工藝規(guī)程等實例性知識以及管坯、加工設(shè)備等資源性知識。這類知識在工藝設(shè)計過程中的應(yīng)用形式一般為檢索、直接引用和查看,因此,知識的表示側(cè)重于知識內(nèi)容的描述。將通用性知識以數(shù)據(jù)表的形式儲存在數(shù)據(jù)庫中,其中定義了知識名稱、知識屬性、數(shù)據(jù)類型、主鍵等內(nèi)容。

2)決策性知識是指工藝設(shè)計過程中涉及的加工方法、設(shè)備資源的選用等方面的工藝規(guī)則和經(jīng)驗以及加工工藝參數(shù)的計算等知識。這類知識的結(jié)構(gòu)化程度高,知識之間的聯(lián)系緊密,任何信息的細(xì)微變化(如管件尺寸信息的變化)都會導(dǎo)致工藝路線、工藝參數(shù)、加工方法等的改變。因此,決策性知識的表示方法也應(yīng)當(dāng)具有過程性的特點,實現(xiàn)知識的動態(tài)化表示。將數(shù)據(jù)庫管理方法與產(chǎn)生式規(guī)則法相結(jié)合,實現(xiàn)決策性知識的表示與儲存。該方法首先將工藝規(guī)則和經(jīng)驗的條件及結(jié)論部分歸納為工藝規(guī)則表,儲存在工藝規(guī)則庫中;使用“If-Then”的決策形式,建立條件與結(jié)論部分的因果關(guān)系,模擬人工進行自動工藝決策。

船舶管件工藝知識庫所包含的知識對象種類繁多,每個知識對象又包含多個屬性,為了清楚描述各知識對象的結(jié)構(gòu),利用UML(Unified Modeling Language)的建模方法,構(gòu)建工藝知識庫中各知識對象的關(guān)系模型,來描述各知識對象之間、知識的屬性與對象之間的關(guān)系。以船舶管件基本屬性信息為主的彎管加工實例庫關(guān)系模型見圖2。

其中,彎管加工實例庫中包括管件基本屬性信息表、管件幾何信息表、加工工藝信息表、工藝參數(shù)表、彎曲補償數(shù)據(jù)表,這些數(shù)據(jù)表是通過管件編號建立聯(lián)系的,以此完整的描述彎管的實例數(shù)據(jù);此外,加工工藝信息表中的數(shù)據(jù)與工藝規(guī)則庫中相應(yīng)規(guī)則表的主外鍵建立聯(lián)系,通過規(guī)則決策得出相應(yīng)的工藝信息。

3.2 三維工藝設(shè)計過程

船舶管件三維工藝設(shè)計是以構(gòu)建的工藝知識庫為基礎(chǔ),利用系統(tǒng)的自動工藝決策,逐步?jīng)Q策推理出工藝路線的工序信息和工步信息,最終生成完整且詳細(xì)的工藝信息的過程。工藝設(shè)計的最終目的是生成用于指導(dǎo)生產(chǎn)的MBD工藝模型,因此,面向MBD工藝模型的構(gòu)建,建立船舶管件三維工藝設(shè)計過程邏輯模型,見圖3。

圖3 船舶管件三維工藝設(shè)計過程邏輯模型

該過程可以分為初步規(guī)劃階段和詳細(xì)規(guī)劃階段。工藝設(shè)計的初步規(guī)劃階段根據(jù)加工類別和工藝路線的決策規(guī)則,實現(xiàn)船舶管件MBD工藝模型中工序信息的定義;其中,船舶管件MBD工藝模型的工藝信息按照MBD數(shù)據(jù)集規(guī)范定義方式表達。詳細(xì)規(guī)劃階段是對工藝路線的進一步完善,利用輔助工藝設(shè)計系統(tǒng)實現(xiàn)各工序信息下相應(yīng)工步信息的自動工藝決策和參數(shù)計算,進而生成完整且詳細(xì)的工藝信息;最后將新生成的工藝信息按照特定的格式處理并儲存在工藝實例庫中,實現(xiàn)對工藝實例庫的擴充。因此,船舶管件三維工藝設(shè)計的過程也是構(gòu)建船舶管件MBD工藝模型的過程。

4 基于MBD的三維作業(yè)指導(dǎo)方式

基于MBD的三維作業(yè)指導(dǎo)方式是指將船舶管件MBD工藝模型作為唯一數(shù)據(jù)源,運用三維的手段可視化指導(dǎo)工藝過程的方式,其主要包括工藝信息的表達和三維模型的表達。針對工藝信息的表達,構(gòu)建基于MBD的船舶管件工藝信息表達模型(見圖4),該模型將三維工藝設(shè)計過程中自動工藝決策生成的工藝信息按照MBD數(shù)據(jù)集規(guī)范定義的方式表達為MBD工藝信息樹,實現(xiàn)工藝信息的有效傳遞。

圖4 基于MBD的船舶管件工藝信息表達模型

針對模型的輕量化顯示,采用VRML格式[8]進行船舶管件MBD工藝模型的輕量化處理。VRML 格式不僅包含零件幾何信息,還包含標(biāo)注信息,可以被 Cortona3D Viewer 插件解析,擺脫必須依靠三維建模軟件查看三維模型的束縛,適合MBD模型的傳遞與顯示,符合生產(chǎn)設(shè)計的需要。

基于MBD的三維作業(yè)指導(dǎo)方式的傳遞形式是生成三維工藝卡的電子文檔,三維工藝卡集成MBD工藝信息樹和輕量化三維模型,包括基本信息區(qū)、工藝信息表達區(qū)、輕量化三維模型顯示區(qū)3個部分,可以實現(xiàn)模型的放大、縮小等基本操作。

5 應(yīng)用實例

利用CATIA軟件構(gòu)建船舶管件MBD幾何模型,SQL Sever數(shù)據(jù)庫軟件作為數(shù)據(jù)庫管理平臺,利用Visual Studio 開發(fā)了船舶管件輔助工藝設(shè)計系統(tǒng),最后將生成的三維工藝卡以電子文檔形式傳遞到工藝現(xiàn)場,實現(xiàn)工藝過程的三維可視化指導(dǎo)。

三維工藝設(shè)計的過程主要包括:

1)接收設(shè)計人員發(fā)布的船舶管件MBD設(shè)計模型,在三維環(huán)境下完成對MBD設(shè)計模型信息的自動提取,并審核確認(rèn)信息的完整性和準(zhǔn)確性;將設(shè)計信息導(dǎo)出為XML文件,MBD模型導(dǎo)出為VRML文件供系統(tǒng)調(diào)用。

2)船舶管件輔助工藝設(shè)計系統(tǒng)接收并讀取XML文件設(shè)計信息,系統(tǒng)在工藝知識庫的支持下,首先根據(jù)設(shè)計信息和工藝人員輸入的檢索條件鏈接工藝實例庫并檢索出相似的工藝實例,由工藝人員選擇實例簡單修改或者直接引用,生成基于實例數(shù)據(jù)的管件工藝信息,審核通過后可直接用于生成三維工藝卡。

3)若無工藝實例與之匹配,系統(tǒng)則會根據(jù)設(shè)計信息按照三維工藝設(shè)計的流程逐步生成工藝信息。首先根據(jù)工藝路線的決策規(guī)則進行工藝路線的初步規(guī)劃,實現(xiàn)基于MBD的工序信息定義,并初步生成工藝信息樹;然后根據(jù)初步規(guī)劃后的工序信息進入詳細(xì)規(guī)劃階段,確定需要完善的工步信息,系統(tǒng)會依據(jù)相應(yīng)的工藝規(guī)則進行自動工藝決策,生成相應(yīng)的工步信息并保存在工藝信息樹相應(yīng)工序節(jié)點下;系統(tǒng)進行多次自動工藝決策后生成完整且詳細(xì)的基于MBD的工藝信息樹。

4)最后由系統(tǒng)調(diào)用并集成工藝信息樹和輕量化三維模型,生成三維工藝卡電子文檔,傳遞到工藝現(xiàn)場,實現(xiàn)工藝過程的可視化指導(dǎo)。

6 結(jié)論

將船舶管件MBD模型作為唯一數(shù)據(jù)源,開發(fā)船舶管件輔助工藝設(shè)計系統(tǒng),進行三維工藝設(shè)計,結(jié)合MBD模型生成三維工藝卡,更加直觀的指導(dǎo)工藝生產(chǎn)。結(jié)果表明,基于MBD技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)船舶管件設(shè)計、工藝、制造階段的協(xié)同研制。這種方式需要精細(xì)的前序設(shè)計才能保證自動化工藝設(shè)計的準(zhǔn)確,避免重復(fù)建模與數(shù)據(jù)源轉(zhuǎn)換,縮短研發(fā)周期,有效避免信息傳遞的錯誤,增加產(chǎn)品合格率。這種三維工藝設(shè)計方式符合數(shù)字化設(shè)計的要求,為MBD技術(shù)在船舶領(lǐng)域的深入應(yīng)用提供一種思路。