西北工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院 陳俊皓 賈曉亮 張 敏

隨著計(jì)算機(jī)與軟件技術(shù)的發(fā)展，產(chǎn)品定義技術(shù)經(jīng)歷了從傳統(tǒng)工程制圖到二維CAD技術(shù)，再到基于模型的定義（Model based definition，MBD）技術(shù)的發(fā)展歷程。MBD 技術(shù)將產(chǎn)品定義的各類(lèi)信息按照模型的方式組織，其核心內(nèi)容是產(chǎn)品的幾何模型，所有相關(guān)的工藝描述信息、屬性信息、管理信息等都附著在產(chǎn)品的三維模型中，并將三維數(shù)模作為生產(chǎn)制造過(guò)程中的唯一依據(jù)[1-5]。

隨著航空制造企業(yè)數(shù)字化和信息化水平的提高，MBD技術(shù)正在設(shè)計(jì)階段及制造階段得到逐步應(yīng)用。特別是在制造階段，MBD技術(shù)具有表現(xiàn)手段直觀、工藝信息結(jié)構(gòu)清晰和傳遞方便等優(yōu)勢(shì)。然而，當(dāng)前工藝部門(mén)工作仍基于二維工程圖的工藝設(shè)計(jì)思維方式進(jìn)行三維工藝設(shè)計(jì)，存在很多問(wèn)題，主要表現(xiàn)在：

（1）傳統(tǒng)三維工藝模型構(gòu)建方法是基于抑制或刪除加工特征生成的，即認(rèn)為一個(gè)加工特征只在一個(gè)安裝中加工，沒(méi)有考慮一個(gè)加工特征的粗、精加工需在不同安裝中完成以及在同一安裝中可能進(jìn)行多次加工的情況。

（2）當(dāng)前三維工藝模型描述的是工藝路線(xiàn)中每道工序的最終狀態(tài)，而工序中的工步及加工操作相關(guān)工藝信息無(wú)法在以往方法構(gòu)建的工藝模型上得到精確、詳細(xì)的描述。

（3）當(dāng)一個(gè)工序需要加工多個(gè)特征時(shí)，這個(gè)三維工序模型中將含有大量的非幾何制造信息，傳統(tǒng)的管理方法導(dǎo)致信息混亂、無(wú)法準(zhǔn)確辨認(rèn)出加工操作與之對(duì)應(yīng)的工藝信息。

為實(shí)現(xiàn)在 MBD 環(huán)境下快速、準(zhǔn)確、完整地生成、查詢(xún)和管理工藝模型中工序級(jí)、工步級(jí)和加工操作相關(guān)工藝信息，本文基于加工特征的演變建立了精細(xì)化工藝模型，并從MBD模型使用者的角度出發(fā)，提出了基于加工特征演變的精細(xì)化工藝信息表達(dá)方法和管理模式。

基于加工特征演變的精細(xì)化加工工藝模型定義

三維加工工藝設(shè)計(jì)指在三維可視化工藝設(shè)計(jì)環(huán)境中保證產(chǎn)品可靠性和安全的前提下，工藝部門(mén)可以直接依據(jù)產(chǎn)品三維設(shè)計(jì)模型進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)工作，如快速建立三維工藝模型，并且所有相關(guān)的工藝信息都與三維工藝模型緊密聯(lián)系，可顯著提高工藝設(shè)計(jì)的質(zhì)量和效率。基于加工特征的精細(xì)化三維加工工藝設(shè)計(jì)主要涉及到兩個(gè)方面的關(guān)鍵技術(shù)，一是建立以加工特征演變?yōu)榛A(chǔ)、描述各個(gè)工藝階段加工要求的精細(xì)化工藝模型，二是精細(xì)化工藝信息模型的生成。

在零件的制造階段，零件可以描述為加工特征的集合。在加工過(guò)程中加工特征是不斷演變的，將完成一次加工操作后加工特征所處狀態(tài)定義為加工特征中間狀態(tài)（The intermediate state of machining feature，IMMF）。在加工過(guò)程中，加工特征是多個(gè)有序 IMMF 的集合，每經(jīng)過(guò)一個(gè)以其為對(duì)象的加工操作則產(chǎn)生一個(gè) IMMF；IMMF 通過(guò)將加工操作映射到加工特征的演變上，描述了加工特征從初始狀態(tài)到最終狀態(tài)的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，反映了每個(gè)加工操作的加工對(duì)象和加工工藝信息。為了完備描述加工操作，IMMF 包含用于約束和描述特征形狀的幾何元素以及用于描述制造活動(dòng)相關(guān)要求的標(biāo)注和加工屬性，如圖1所示。幾何元素表達(dá)加工操作的幾何工藝信息，包括模型幾何元素（包括待加工面元素、建模面元素）和輔助幾何元素。其中，待加工面元素為加工操作的加工目標(biāo)面，建模面元素指除待加工面元素外構(gòu)成IMMF拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)所需的幾何元素，輔助幾何元素指建模、標(biāo)注中所使用的一些輔助幾何信息。標(biāo)注指加工操作非幾何工藝信息中的標(biāo)注信息，如標(biāo)記、形位公差等。加工屬性指加工特征非幾何工藝信息中描述加工操作的屬性信息，加工屬性一般不直接顯示，而是與IMMF相關(guān)聯(lián)，包括材料處理方式、附加信息等。

圖1 面向MBD加工特征演變的精細(xì)化工藝模型

基于加工特征演變的精細(xì)化工藝模型指在三維工藝設(shè)計(jì)環(huán)境中，采用三維建模技術(shù)建立的，包含完整工藝信息的，能夠表達(dá)所有工序及工序中工步、加工操作的加工要求及加工狀態(tài)的一整套三維數(shù)字模型?；?IMMF 概念，把工序定義為工件經(jīng)一次裝夾后所完成的多個(gè)加工操作，即一個(gè)工序模型是若干個(gè) IMMF 構(gòu)成的集合，完整的零件加工工藝由多道工序組成，相應(yīng)的有多個(gè)工序模型；把工步定義為一個(gè)安裝下， 使用一把刀具連續(xù)完成的多個(gè)加工操作，即一個(gè)工步模型是若干個(gè) IMMF 的集合，每個(gè)工步都有對(duì)應(yīng)的工步模型說(shuō)明工步的加工過(guò)程和加工狀態(tài)；其中，加工操作與 IMMF 是一一對(duì)應(yīng)的。

基于加工特征演變的精細(xì)化工藝模型構(gòu)建

工藝模型不僅更加直觀地表達(dá)了各個(gè)工藝階段（工序、工步和加工操作）后的三維狀態(tài)和加工約束，也是非幾何工藝信息關(guān)聯(lián)的對(duì)象，因此合理構(gòu)建工藝模型是生成工藝信息模型的前提。三維環(huán)境中，基于加工特征構(gòu)建三維數(shù)模有正向構(gòu)建方法和逆向構(gòu)建方法。正向構(gòu)建方法，即按照加工順序，從毛坯形態(tài)一步一步形成產(chǎn)品最終設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)并構(gòu)建工藝模型的過(guò)程；逆向構(gòu)建方法指由產(chǎn)品設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)向毛坯形態(tài)逐步回退并構(gòu)建工藝模型的方式，具有可以重用設(shè)計(jì)特征、操作簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，并且可以保證工藝設(shè)計(jì)結(jié)果與零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一致性[2]。

在逆向構(gòu)建三維數(shù)模的過(guò)程中，加工特征不僅被抑制或刪除，并且是不斷演變的。為了完整描述加工過(guò)程，基于加工特征演變提出精細(xì)化工藝模型的逆向構(gòu)建方法，如圖2所示。圖2中DF為設(shè)計(jì)特征，MF 為加工特征，IMMF 為加工特征中間狀態(tài)。

基于加工特征演變的精細(xì)化工藝模型構(gòu)建具體步驟如下。

步驟1：在設(shè)計(jì)特征與加工特征之間可以建立幾何映射關(guān)系的情況下，由零件設(shè)計(jì)特征映射出所有的加工特征，如設(shè)計(jì)特征DF2映射得到MF2。

步驟2：在加工過(guò)程中，每個(gè)加工特征是不斷演變的，橫向逆推建立加工特征的所有 IMMF，同時(shí)依照加工操作定義補(bǔ)充完整每個(gè) IMMF 中包含的工藝信息，最終得到加工特征的 IMMF 鏈，如加工特征 MF2 對(duì)應(yīng)IMMF2.n到 IMMF2.1。

圖2 面向MBD加工特征演變的精細(xì)化工序模型的構(gòu)建過(guò)程

步驟3：基于加工操作與 IMMF的對(duì)應(yīng)關(guān)系，每道工序中所有加工特征都會(huì)處于自己的某些 IMMF（如果工序中存在加工操作不涉及的加工特征，在構(gòu)建三維數(shù)模時(shí)需要利用該加工特征的幾何元素，此時(shí)加工特征所處的IMMF繼承上次對(duì)其進(jìn)行加工操作對(duì)應(yīng)IMMF的幾何信息，繼承性 IMMF不屬于加工特征的 IMMF鏈，只在構(gòu)建三維數(shù)模實(shí)體模型時(shí)使用，如工序10中MF1所處IMMF繼承工序5中的IMMF1.2）。確定所有工序中的IMMF后，依照加工操作與工步的從屬關(guān)系，合并IMMF生成相應(yīng)工步的工步模型，如工序10中工步001的工步模型由IMMF1.2與IMMF2.3合并得到。

步驟4：每道工序中的 IMMF 按照一定規(guī)則構(gòu)建出該工序的工序模型，如果存在工步模型或 IMMF在工序模型的實(shí)體模型上無(wú)法展示的情況，如工序5中工步001模型和IMMF2.1，這些工步模型和 IMMF 以其他方式展示給模型使用者。

每個(gè)加工特征的 IMMF 逐漸逆推直至消失，基于加工特征的演變逐步建立工步模型和工序模型，直至由最后一道工序恢復(fù)至毛坯，最終按照工藝路線(xiàn)組織所有的 IMMF、工步模型和工序模型，并補(bǔ)充完整的工藝信息，從而實(shí)現(xiàn)精細(xì)化工藝模型的構(gòu)建。

基于加工特征演變的精細(xì)化工藝信息建模

1 基于加工特征演變的精細(xì)化工藝信息分析

精細(xì)化工藝模型信息以精細(xì)化工藝模型為核心，組織并表達(dá)所有幾何工藝信息和非幾何工藝信息（如工藝規(guī)劃信息、工序描述信息、工步說(shuō)明信息等）。根據(jù)工藝設(shè)計(jì)和加工過(guò)程對(duì)信息的表達(dá)意圖，為使技術(shù)人員能夠清晰獲取每個(gè)工藝階段必需的信息，建立基于加工特征演變的精細(xì)化工藝信息模型，如圖3所示。

精細(xì)化工藝信息模型將零件制造工藝設(shè)計(jì)過(guò)程的相關(guān)工藝信息，如工藝規(guī)劃信息、工藝設(shè)計(jì)信息和工藝過(guò)程信息，直接定義在精細(xì)化工藝模型上；相關(guān)工序描述信息都附著在工序模型中，指的是在工序?qū)用鎸?duì)單個(gè)工序進(jìn)行說(shuō)明的工藝信息，如工序名稱(chēng)，以及工序相關(guān)工藝資源信息如加工設(shè)備、夾具；工步說(shuō)明信息附著在工步模型中，指在工步層面對(duì)單個(gè)工步進(jìn)行說(shuō)明的工藝信息，包括工步名稱(chēng)、工步號(hào)等；除制造工藝設(shè)計(jì)過(guò)程的相關(guān)工藝信息、工序描述信息和工步說(shuō)明信息以外，其他工藝信息以 IMMF 為單元進(jìn)行組織，不同 IMMF 之間相互獨(dú)立，一個(gè) IMMF 直接為生產(chǎn)人員提供一個(gè)加工操作所涉及的工藝信息，包括幾何元素、加工屬性信息（如材料處理方式、附加信息等）和標(biāo)注信息（如標(biāo)記、形位公差等）。

2 基于加工特征演變的精細(xì)化工藝信息管理

基于加工特征演變的精細(xì)化工藝信息管理是指基于精細(xì)化工藝模型，在MBD環(huán)境中以合適的表達(dá)形式描述加工工藝信息，并采用有效的組織方法管理加工工藝信息，便于工作人員能夠快速檢索和使用工藝數(shù)據(jù)。

（1）信息表達(dá)。

信息表達(dá)是將非幾何工藝信息表達(dá)在MBD環(huán)境中，并符合相應(yīng)國(guó)標(biāo)的要求即正確性、合理性、關(guān)聯(lián)性、完整性和清晰性。非幾何工藝信息的表達(dá)方法有屬性表達(dá)法和標(biāo)注表達(dá)法。

屬性表達(dá)法是將無(wú)法直接顯現(xiàn)出的附加文本信息放入工藝模型的屬性項(xiàng)中形成一條屬性，每一條屬性包含唯一對(duì)應(yīng)的屬性名稱(chēng)和屬性值。將所有屬性項(xiàng)以結(jié)構(gòu)樹(shù)進(jìn)行組織，能快速查詢(xún)并顯示在定制界面中，并與相應(yīng)的幾何信息相關(guān)聯(lián)。屬性表達(dá)法適用于精細(xì)化工藝模型工藝信息中文字描述類(lèi)的產(chǎn)品相關(guān)工藝信息，如零件總體工藝信息、工序描述信息、工步說(shuō)明信息以及IMMF中的加工屬性信息等。

標(biāo)注表達(dá)法是借助特定符號(hào)或文本將非幾何制造信息表達(dá)在三維實(shí)體模型的顯示區(qū)域，這些特定符號(hào)或文本與幾何信息相關(guān)聯(lián)，標(biāo)注表達(dá)法適用于 IMMF 中的標(biāo)注信息的表達(dá)。

（2）信息管理。

零件精細(xì)化工藝模型依照加工過(guò)程建立工藝結(jié)構(gòu)樹(shù)，并附著零件制造工藝設(shè)計(jì)過(guò)程的相關(guān)工藝信息。整個(gè)結(jié)構(gòu)劃分成4級(jí)（工藝、工序、工步和IMMF），每一級(jí)按照工藝數(shù)據(jù)的依附關(guān)系將相關(guān)數(shù)據(jù)組織在對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)下。在復(fù)雜加工過(guò)程中，工藝模型中非幾何工藝信息數(shù)據(jù)量大，如果將他們?nèi)繕?biāo)注在三維工藝模型上就形成了“刺猬”現(xiàn)象，同時(shí)非幾何工藝信息與幾何工藝信息關(guān)聯(lián)不緊密。為了便于統(tǒng)一高效管理這些非幾何制造信息，采用分 IMMF 顯示。分 IMMF 顯示是指在一個(gè)工序模型或工步模型的信息集下，將與加工操作相關(guān)的信息（包括該加工操作的幾何元素和標(biāo)注）分配在對(duì)應(yīng)的IMMF上，IMMF 之間完全獨(dú)立，以IMMF 名作為標(biāo)識(shí)且與同 IMMF 中的工藝屬性一起關(guān)聯(lián)在相應(yīng)幾何元素上，在查詢(xún)工步及工序信息時(shí)可通過(guò)IMMF 的組合顯示實(shí)現(xiàn)。在管理工藝信息過(guò)程中需要滿(mǎn)足關(guān)聯(lián)性，即實(shí)現(xiàn)非幾何工藝信息與相應(yīng)幾何元素之間的時(shí)時(shí)關(guān)聯(lián)，由一個(gè)非幾何工藝信息能準(zhǔn)確提取出與其相關(guān)聯(lián)的幾何要素，從幾何要素出發(fā)能快速找到其各個(gè)非幾何工藝信息。當(dāng)查詢(xún)同一 IMMF 的標(biāo)注、工藝屬性和幾何元素任一元素時(shí)，相關(guān)其他元素都會(huì)被提示，使工藝模型中的產(chǎn)品幾何數(shù)據(jù)與非幾何信息實(shí)現(xiàn)高度集成且便于管理。

圖3 面向MBD加工特征演變的精細(xì)化工藝信息模型

系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與驗(yàn)證

為在MBD三維環(huán)境中有效進(jìn)行零件加工工藝設(shè)計(jì)，本文基于數(shù)字化制造軟件 UG 平臺(tái)，并使用 WAVE 模塊，利用 Visual Studio 2008等開(kāi)發(fā)工具，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一個(gè)精細(xì)化加工工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)（Detailed machining process design，DMPD），可實(shí)現(xiàn)三維環(huán)境下精細(xì)化工藝模型的構(gòu)建，并可快速、準(zhǔn)確、完整地生成、查詢(xún)和管理工藝模型中工序級(jí)、工步級(jí)和加工特征中間狀態(tài)相關(guān)工藝信息。

（1）加工特征中間狀態(tài)構(gòu)建模塊如圖4所示，可針對(duì)加工特征加工鏈完成加工操作對(duì)應(yīng)的加工特征中間狀態(tài)創(chuàng)建，最終將相關(guān)工藝信息存在數(shù)據(jù)庫(kù)中。同時(shí)利用工步模型構(gòu)建模塊和工序模型構(gòu)建模塊，依次完成所有加工特征中間狀態(tài)、工步模型以及工序模型的構(gòu)建。

（2）加工特征中間狀態(tài)信息瀏覽模塊如圖5所示，可查詢(xún)加工特征的加工鏈，并管理加工鏈中加工操作對(duì)應(yīng)的IMMF的工藝信息（如該IMMF所屬工序及工步等），同時(shí)相關(guān)幾何元素與標(biāo)注高亮。

圖4 IMMF 創(chuàng)建

圖5 IMMF 信息查詢(xún)及管理

圖6 工步信息查詢(xún)及管理

圖7 工序信息查詢(xún)及管理

（3）工步信息瀏覽模塊如圖6所示，可顯示工步模型，工步的加工對(duì)象及標(biāo)注高亮，對(duì)應(yīng)工步信息提示在定制界面上，同時(shí)提示該工步之中包含的加工操作及其對(duì)應(yīng)的IMMF。

（4）工序信息瀏覽模塊如圖7所示，可顯示工序模型，對(duì)應(yīng)工序信息提示在定制界面上，同時(shí)提示該工序之中包含的加工操作及其對(duì)應(yīng)的IMMF。

結(jié)束語(yǔ)

MBD環(huán)境下三維加工工藝設(shè)計(jì)是當(dāng)前計(jì)算機(jī)輔助工藝設(shè)計(jì)技術(shù)（CAPP）研究的重要內(nèi)容，也是實(shí)現(xiàn)CAD/CAPP/CAM 集成的關(guān)鍵技術(shù)之一[3]。三維加工工藝設(shè)計(jì)以三維工藝模型直觀地表達(dá)出了產(chǎn)品真實(shí)的實(shí)體結(jié)構(gòu)，減少了因理解二維工程圖不一致造成出錯(cuò)的可能性，從根本上改變了工程設(shè)計(jì)的方法。

但是在三維環(huán)境中現(xiàn)有工藝設(shè)計(jì)存在無(wú)法基于加工特征詳細(xì)描述工步及加工操作的加工狀態(tài)，以及非幾何工藝信息與幾何工藝信息的關(guān)聯(lián)不緊密等問(wèn)題。

本文在三維工藝模型構(gòu)建中，基于MBD加工特征的演變建立了精細(xì)化工藝模型，在MBD三維環(huán)境中實(shí)現(xiàn)了快速、準(zhǔn)確、完整地生成、查詢(xún)和管理工藝模型中工序級(jí)、工步級(jí)和加工操作相關(guān)工藝信息，從MBD模型使用者的角度出發(fā)，提出了面向MBD加工特征演變的精細(xì)化工藝信息表達(dá)方法和管理模式，應(yīng)用分加工特征中間狀態(tài)顯示法管理所有工序信息，并符合國(guó)標(biāo)的要求，即正確性、合理性、關(guān)聯(lián)性、完整性和清晰性。最終實(shí)現(xiàn)基于三維模型的精細(xì)化加工工藝設(shè)計(jì)，在三維環(huán)境中可以清晰、直觀和準(zhǔn)確地表達(dá)產(chǎn)品加工工藝。

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