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基于MBD的零件制造模型管理

2018-10-31张荣霞 张树生 周竞涛 石民

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基于模型的定义(MBD)技术是数字化设计与制造领域的新趋向,提出一种基于MBD的零件制造模型的管理方法。

0 引言

    随着数字化设计与制造技术的迅猛发展,特别是CAD技术的日益普及,零件三维实体模型已经成为产品研制的基本选择。从原材料到最终的零件状态的工艺过程中,包含了加工、检验等组成工艺链的多种工序。零件在各道工序下的几何、工艺信息、工装信息和资源设备等信息的集合即为零件的制造模型。在现代数字化和集成化制造环境下,零件的制造模型决定了零件制造的质量和效率以及企业制造经验知识的积累,因此如何有效管理零件的制造模型是发挥制造模型作用和提高企业数字化制造能力的关键。

    目前,学者们对零件制造模型的研究涉及模型的内容,表示方法,定义方法、管理等多个方面。根据汽车组件的工艺过程中的特定工序,利用特征技术对汽车组件的中间件的几何信息进行建模。研究面向制造的钣金零件的多态模型。分析了钣金零件制造模型的典型状态,在此基础上,从人员、数据、流程数据三个方面建立了制造模型的管理方法。针对产品设计和制造过程,建立了产品全生命周期的制造信息模型。提出了产品全生命周期的包含工序图的零件制造信息模型,但对工序图的类型和内容未加说明。提出一种面向工艺链的零件制造模型框架,从面向集成制造的角度研究了制造模型的组成。从已有的零件的制造模型来看,零件制造模型中产品的信息关联性差,制造模型中的尺寸公差、形位公差、表面粗糙度等非几何信息通常与三维模型分离,或者根本不涉及三维模型。即当前的三维数字化模型并没有贯穿于整个数字化制造过程中,二维数字化模型依然是制造过程的主要依据。因此,在制造过程中需要把三维数字化模型转化为二维数字化模型,并把二维数字化模型输出形成纸质工程图纸作为指导生产的依据。

    为了进一步缩短产品的研制周期并提高质量,MBD作为CAD的一种新趋向在工业领域越来越流行。波音公司使用MBD技术定义了波音787飞机所有的产品信息,完全替代了二维图纸的作用,使得产品定义内容到数据组织管理与流程控制等方面都产生了质的飞跃。尽管我国的航空工业已经开始大力推行MBD技术,并取得了一些阶段性的成果。但与国外发达航空企业相比,仍然存在很大差距。主要表现为基于MBD技术的产品定义尚处于探索阶段,以MBD为核心的数字化工艺设计和产品制造模式尚不成熟,MBD的设计、制造和管理规范还有待完善。本文通过对波音MBD制造体系的跟踪和研究,结合我国制造业现阶段的特点,研究了MBD体系下的零件制造模型的管理方法。

1 基于MBD的零件制造模型

    1.1 MBD的提出

    在传统的数字化制造环境中,仅仅依靠三维模型往往难以直接进行产品的生产和检验,即三维模型没有提供生产者所需的生产技术、模具设计与生产、零件加工、装配和检验等工艺信息。虽然三维数据包含了二维图纸所不具备的详细的形状信息,但三维模型数据中却不包含尺寸公差、表面粗糙度、表面处理方法、热处理方法、材质、结合方式、间隙的设置、连接范围、润滑油涂刷范围、颜色、要求符合的规格与标准等。仅靠形状无法表达的非几何信息,因此对同一零件,需要同时发布三维模型和二维图纸。

    然而这种制造活动创建了冗余的设计定义,即对同一零件同时发布三维模型和图纸。这种方式离散了产品的设计与制造过程,可能产生潜在的CAD模型与图纸之间的冲突。CAD模型与图纸之间的冲突往往导致没有价值的图纸修订。与之对应的是在产品的数据管理中需要对三维模型和图纸同时管理,增加了管理的难度的同时还需要较大的数据库存储空间。特别地,当模型的几何发生变化时,产品数据的版本控制困难。此外,三维模型的价值与产品的复杂度是成比例关系的。对复杂零件,往往需要培训和大量的时间来理解复杂的图纸表达的零件。为了进一步缩短产品的生产周期并提高质量,MBD技术应运而生。

    1.2 MBD的内涵

    MBD,即基于模型的定义,是用一个集成的三维实体模型来完整地表达产品定义信息的方法体。MBD核心的概念体现在3D产品模型是传递所有细节产品信息的最适合的媒介。它详细规定了三维实体模型中产品尺寸、公差的标注规则和工艺信息的表达方法。改变了传统由三维实体模型来描述几何形状信息,而用二维图纸来定义尺寸、公差和工艺信息的分步产品数字化定义方法。同时,MBD使三维实体模型作为生产制造过程中的唯一依据,改变了传统以工程图纸为主而以三维实体模型为辅的制造方法。MBD在2003年被美国批准为机械产品工程模型的定义标准,是以三维实体模型作为唯一制造依据的标准体。MBD技术的目标是规范产品数字化定义的信息,实现产品数字化定义信息的完整性和准确性,其核心和基础是产品的数字化定义技术,即用三维数字化定义工具(CAD系统平台)定义出能够为下游各应用环节所使用的准确、完整、规范和有效的产品信息。因此,MBD技术是实现数字化产品定义的手段,也是实现产品研制体系转变的技术基础。

    1.3 基于MBD的零件制造模型

    MBD零件模型包含精确的实体模型,与之关联的产品相关的几何和三维注释。注释的内容包括产品的尺寸、公差和其他信息用以形成完整的产品定义。特别地,该模型不包含二维图纸。这些信息都附着于零件的三维实体模型上,以3D注释的方式分布在实体模型的三维空间中。3D注释位于的平面视图称为注释面。它与实体模型关联并且能在3D环境下显示。MBD零件模型是零件数字化定义的一种格式,通过图形和文字的表达方式,直接或通过索引间接地揭示了一个物料项的物理和功能需求。如图l所示。零件模型由以简单几何元素构成的、用图形方式表达的设计模型和以文字表达的三维注释、属性数据组成。零件设计模型以三维方式描述了产品几何形状信息,属性数据表达了产品的原材料规范、分析数据、测试需求等产品内置信息;而注释数据包含了产品尺寸与公差范围、制造工艺和精度要求等生产必须的工艺约束信息。

MBD零件模型

图1 MBD零件模型

    基于MBD技术的产品制造以MBD零件模型作为唯一依据,使产品的工艺设计活动发生了根本的变化:工艺设计与仿真将在三维数字化环境中进行。一般地,从原材料到成品零件的工艺过程包括加工、成形、改性、检验等多种类型工序,共同组成工艺链,每道工序对应着工艺设计、工装设计和设备控制等环节。零件从毛坯到成品的制造工艺链的全过程中,零件特征不断改变,在其中某一特定时刻,零件特征值的总和就是零件的状态称为零件状态。在零件制造的全过程中,由相互联系的多个零件状态组合而成的模型即为零件的信息模型。虽然不同的零件制造工艺方法不同、工装不同、设备不同,但它们都遵守相似的制造流程。从面向对象的思想来看,制造流程是抽象的类,具体零件的制造流程则是其中的一个对象。而零件在制造过程中的状态则是对象的一个组成属性。需要注意的是零件状态中的三维实体模型是以零件的设计模型为基础根据零件制造的工艺要求,对设计模型添加工艺孔、耳片、余量等结构要素,或考虑回弹等因素修改得到的。经过上述分析,结合零件制造模型的信息组成和MBD的规范,本文的零件制造模型为制造过程中每个状态对应的模型信息的集合。具体而言,本文的零件制造模型按照MBD的规范,将面向工艺链的信息模型映射到MBD零件模型上。建立零件各个中间状态的模型才能满足工装设计、工艺参数设计、数控编程等系统的需要。因此零件的MBD体系下的制造模型应该是按照加工顺序的MBD零件模型的集合。图2是根据MBD规范,零件的各个状态下的模型需要标注的信息。

MBD零件制造模型的标注元素

图2 MBD零件制造模型的标注元素

    MBD零件制造模型的核心元素直接在3D环境中显示。可以通过选择、缩放、选择等操作查询其所有的信息。对外围元素和管理元素则通过索引的方式由用户选择后在3D环境中显示。

2 MBD下零件制造模型的管理

    零件制造模型的产生、传递、使用和重用对其管理方法提出了迫切需求。当前的产品数据管理(Product Data Management,PDM)主要通过构建人员管理模型、数据管理模型和流程管理模型来管理产品数据。本文也根据人员、数据和流程来建立基于MBD的零件制造模型的管理方法。

    2.1 人员管理

    零件制造是一个多部门协作的过程。设置各个人员在模型管理中扮演的角色和权限有利于科学、合理、安全地管理。零件的制造过程本质上是人对数据的处理。在这个过程中,人员与数据以角色为纽带关联。以国内某制造企业为例,与零件制造相关的部门主要包括制造工程部、加工厂和工装设计部。制造工程部的总工艺师主要负责制造模型的查询和统计,因此其可以查询零件制造模型中的所有MBD零件模型,以及模型上的所有三维注释。该部的工艺管理员主要负责制造模型的复审,因而具有与总工艺师相同的权限。加工厂的主管主要对所有MBD零件模型上注释的审定;设计员负责MBD零件模型中3D几何模型及其注释信息的标注;具体的加工人员则只能看见零件该工序下的几何实体模型和相应的标注。工装设计部的主管审定每个MBD零件模型的成形模具;工装设计人员根据MBD零件模型完成相应的工装设计。

    综上所述,针对零件制造中部门组织与人员角色的特点,制造模型的管理采取了基于角色的权限控制管理方法。其基本原则是:最高权限赋予产生该模型的角色;高级别角色可以修改低级别角色的操作权限;在对模型进行管理时,不同角色只能选择各自所属的部门,这样消除了非法用户对模型安全的隐患。在MBD体系下的零件制造模型集中管理中,将所有产品的相关信息集成到3D几何模型上,以多视图的方式表达制造数据,不同角色拥有不同的查看视图、修改视图的权限,因此不仅有利于制造模型的存取、共享和重用,而且满足了数据安全性的要求。

    2.2 节点数据管理

    节点数据即为对应零件制造过程中某个状态的MBD零件模型。根据基于MBD的零件制造模型构建可知,节点数据具有很强的时序性,前一节点通常是后一节点的输入。将制造模型按照时序关系组织成制造模型树,每个树节点对应一个MBD零件模型。该方法便于对制造状态所包含的各种数据进行管理,有效解决了零件制造过程中不同阶段对数据的使用和管理问题。图3为零件制造模型树的示意图。

基于MBD的零件制造模型树

图3 基于MBD的零件制造模型树

    2.3 流程管理

    零件的制造模型为工艺设计和工装设计提供了依据。MBD体现下的零件制造模型的应用改变了传统制造的串行工作流程,促进了各个制造部门的协同工作。在流程管理的设计中,结合人员管理的角色和权限,建立了“设计一校对一审定”三级流程管理方法。设计人员在设计阶段完成制造模型的设计,工艺、工装管理员完成模型的校对,主管则完成模型的审定。

3 基于产品数据管理系统的集成应用

    PDM系统是集成并管理与产品有关的人员、数据和流程的软件系统。该系统自身具有强大的功能,并且能与其他应用软件的集成。不同的应用系统可以从PDM系统提取各自所需的数据,再将结果返回PDM系统中,从而实现基于PDM系统的集成应用。在本文研究的方案中,通过对神舟软件的AVPDM系统进行人员、数据构型和流程的定制开发,使之满足零件制造模型管理的需求,保证零件制造全过程中制造模型的一致性管理。基于PDM系统的应用方案如图4所示。其中,由于零件设计系统的数据管理也是PDM系统,因而可以实现与制造模型管理的紧密集成,确保设计与制造模型数据的一致性。

基于PDM系统的集成方案

图4 基于PDM系统的集成方案

4 结束语

    MBD技术是CAD技术发展的新趋势,本文通过借鉴波音公司的MBD技术,结合我国现阶段制造业的状况,通过分析零件制造模型的特点,提出了一种在MBD体系下的零件的制造模型管理方法。该方法是实现MBD模型贯穿整个数字化制造过程的基础,必将推动我国制造业的发展。

责任编辑:程玥
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