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基于MBD的工艺过程建模及其设计系统

2019-02-01毛贝 梅中义

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对整个工艺过程的相关数据进行定义与组织,将工艺信息集成在工艺模型上,使工艺模型成为工艺过程的数据核心,消除了工艺过程中各环节的信息传递壁垒。

0 引言

    国外先进飞机制造厂商已全面应用MBD技术,使用MBD模型作为制造的唯一依据,基于网络环境建立了关联的单一数据源核心流程和系统框架。国内MBD技术研究也已经在航空领域全面展开,此外航天和兵器等军工集团也开始投入资金在集团内部推进MBD的研究与应用。尽管当前的MBD技术发展较快,在产品设计阶段的定义研究与实施相对比较成熟,但MBD技术应用体系中其他阶段的发展仍处于起步阶段。这种全新的数字化定义技术与下游相对传统的制造过程信息需求模式不完全兼容,传递到下游的大量数据仍然需要人工转换。如何建立有效的方法与机制,将上游的MBD设计模型信息无缝地集成到下游,以及对制造过程的其他阶段进行定义和完善MBD数据集内容是MBD技术应用全面实施急需解决的问题。针对上述问题,本文对整个工艺过程相关数据进行定义与组织,在三维CAD环境下将工艺信息集成在工艺模型上,使工艺模型成为工艺过程的数据核心,并利用CATIA二次开发工具开发了基于MBD的工艺模型设计系统,并给出了工艺模型在集成化环境下的设计流程。

1 基于MBD的产品数字化定义与应用体系

    基于模型定义(Model Based Definition,MBD)技术是指将产品所有相关的设计要求、工艺要求、制造要求、检验要求、管理等信息集中定义在产品三维模型中的先进数字化定义方法。该模式使得产品三维模型成为整个制造过程的单一数据源,消除了制造过程中各环节的信息传递障碍,最大限度地实现了上下游之间的数据共享与重用,大大减少了产品的市场投放时间并提高了产品的质量。基于MBD技术的应用体系如图1所示,在该技术应用体系中基于MBD定义的数据集是整个制造过程的数据核心,除几何信息外,其他非几何信息按照一定格式进行参数化定义,能够被其他数字化系统识别与自动化处理。

基于MI3D技术的应用体系

图1 基于MI3D技术的应用体系

2 基于MBD的集成化工艺模型

    当前工艺模型的研究中缺乏对工艺过程本身的定义,而是侧重于工艺设计结果本身,陔方式在MBD技术应用体系中会不可避免地存在数据孤岛,因此基于MBD的集成化工艺模型在CAD系统平台上以参数化形式规范定义了“工艺设计依据一工艺规划一详细工艺设计一工艺文件导出一工艺审批与管理”整个工艺设计过程的相关数据内容,如表1所示。其中工艺设计依据节点和设计模型是整个工艺设计的起点,零组件技术要求与主要工艺路线节点属于工艺规划阶段的过程性数据,主要工序节点则是最终的详细工艺设计数据,经过多个工序的汇总整理后成为最终工艺文件导出数据,PDM系统可以根据工艺模型的基本信息进行工艺管理。

表1 工艺信息模型组成要素及说雕

工艺信息模型组成要素及说雕

3 基于MBD的工艺模型设计系统框架与设计流程

    3.1 基于MBD的工艺模型设计系统框架

    本文采用VB.NET语言在Visual Studio 2010开发平台上结合国内某航空企业实际科研项目,利用CATIA V5 Automation提供的接口对CATIA进行二次开发,开发的基于MBD的工艺模型设计系统框架如图2所示。基于MBD的工艺模型设计系统按照功能可分为非几何信息定义、几何信息定义与工艺文件导出3个部分。

基于MBD的工艺模型设计系统框架

图2 基于MBD的工艺模型设计系统框架

    3.1.1 非几何信息定义

    用户在界面层通过系统交互界面调用功能层的系统功能从而对工艺模型的非几何信息进行定义,完成定义后通过CATIA二次开发提供的Automation接口将非几何信息按照规范的组织结构与层级关系添加到工艺模型中。工艺模型中的全部非几何信息都是以参数(Parameter)的形式进行存储,复杂的非几何信息通过特定的编码方式可以为计算机所识别,如图3所示。因此对于工艺模型中其他类型的文件信息与网页信息,可以通过将这些信息的FTP网址和Web网址存储在工艺模型中实现与这些信息的充分集成,当需要查看时,系统将工艺模型上的网址进行解析并通过WebBrowse控件导航到对应的FTP文件或者Web网页。在工艺模型的非几何信息定义过程中涉及到大量的工艺信息,可以通过与工艺信息数据库相连,然后将信息直接导入;对于典型的工艺信息同样也需要按照规定格式添加到工艺信息数据库中,实现工艺知识与经验的重用与积累。

非几何信息定义

图3 非几何信息定义

    3.1.2 几何信息定义

    基于MBD的工艺模型几何信息的建模主要在CAD系统中进行,利用CATIA软件提供的各种几何造型工具进行几何信息的定义与编辑,同时用三维标注(Functional Tolerancing&Annotation,FT&A)工具对产品制造信息(Product Manufacturing Information,PMI)进行标注。基于MBD的工艺模型需要对整个工艺过程中的多个阶段、多个工序、多个特殊形态进行建模,如果对于每一个工序或特殊的模型形态都独立地进行几何模型建模,则建模工作量过于庞大,对工艺设计人员来讲显然不太合理。因此本文采用基于捕获的多视图方式来表达,即对于同一个模型,如果需要表达的模型部位与之前的几何模型相同,则只需要将原来模型对应部位的几何模型与标注信息用FT-A工具的捕获(Capture)功能建立捕获视图,因此一个模型可以针对不同的阶段建立多个视图,如图4所示。

几何信息定义

图4 几何信息定义

    基于MBD的工艺模型设计系统还能将定义完成的几何信息与非几何信息通过自定义开发的关联功能进行映射。当用户在CAD系统中选择非几何信息时,自动将关联的几何模型以高亮文本进行显示,反之当用户选择几何模型时同样将所有与之相关的非几何信息高亮显示,帮助用户进行查看。

    3.1.3 工艺文件导出

    基于MBD的工艺模型是工艺过程的数据核心与数据载体,所有与工艺过程相关的数据最终都以规定的形式集成在工艺模型上,当工艺模型设计完成后需要将最终工艺设计结果以三维工艺文件形式导出供下游制造过程使用。三维工艺文件在传统的二维工艺文件基础上增加了装配与操作动画、三维轻量化几何模型等可视化元素。经过CAE仿真验证后的装配与操作动画可以指导操作者进行规范的操作;三维轻量化模型可以允许操作者在三维工艺文件中对模型做平移、旋转、缩放、剖切、三维标注、距离测量等操作,可以大大减少复杂产品的制造与装配出错几率。基于MBD的工艺模型设计系统将工艺模型的非几何信息通过Automation提供的接口导出成XML格式的中间数据,经过编辑后再将数据导出到预先定义好的PDF格式的工艺模板中;将带有PMI的几何模型导成WRL格式的轻量化模型,添加到工艺模板中,生成可视化的三维工艺文件。

    3.2 集成化环境下的工艺模型设计流程

    基于MBD工艺模型建模核心思路是:针对工艺过程进行建模,以工序为基本单元进行没计,通过建立捕获视图与工序参数化描述的关联关系来表达。工艺模型集成化环境与设计流程如图5所示。

工艺模型集成化环境与设计流程

图5 工艺模型集成化环境与设计流程

    (1)确定工艺设计依据,零件技术要求。

    (2)制定工艺路线及工序分工。依据工艺设计依据、零件技术要求与零件设计模型制定主要工艺路线,并确定工序内容及分工,在制定工艺路线的过程中借助三维标注功能关联对应的捕获视图对工艺路线进行详细描述。

    (3)完成主要工序内容。负责各工序的工艺人员并行协同地在不同计算机、不同的软件平台按照工艺模型中对工序的定义格式完成各自工序的具体内容,在描述工序内容的过程中可借助三维标注功能关联对应的捕获视图,对工序过程进行详细描述。

    (4)工序内容及相关数据汇总。将各工序内容与相关数据按照工艺模型的主要工序定义格式与相关数据定义格式汇总到工艺模型当中完成工艺模型的建模。

    (5)工艺模型信息导出到指令性工艺文件中。工艺模型完成后将工艺模型内容中的主要工序内容与基本信息等数据按照工艺模板自动导出,添加带有PMI信息的几何模型与其他必要的工艺数据,完成三维工艺文档的编制。

4 结语

    本文通过研究MBD相关理论与工艺过程相关数据,提出了基于MBD的集成化工艺模型,开发了基于MBD的工艺模型设计系统,对工艺模型进行几何与非几何信息快速、规范化的定义,并将参数化定义的工艺信息导出形成制造阶段使用的三维工艺文档,提高了三维工艺设计与数据管理效率,缩短了产品制造周期。MBD技术体系是贯穿整个数字化制造过程的有力工具与方法,由于MBD技术体系还深刻地影响到企业的组织结构与管理方式,因此MBD的全面实施还有很长的路要走。

责任编辑:程玥
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