基于MBD 的全三維工藝技術在機床行業的應用

胡之有，馬 偉

（江蘇亞威機床股份有限公司 加工工藝部，江蘇 揚州225200）

隨著數字化技術的發展，基于模型定義技術得以應用，以三維模型為信息載體取代傳統的二維圖紙成為現代制造業數字化制造的發展趨勢。三維工藝作為支撐數字化設計、生產、制造的關鍵環節，以三維模型為載體，傳遞產品的設計、制造等信息，是連接產品設計與制造的橋梁。

三維CAD 系統目前已成為企業數字化設計制造的基礎平臺，基于三維CAD 系統實現產品設計已非常普及。開展三維環境的工藝設計，將尺寸、公差和幾何精度等多種類型信息集成到三維模型中，形成全三維工藝MBD 模型已成為目前數字化設計與制造的研究熱點，其旨在利用三維手段實現機加工工藝的設計與應用，取消二維圖紙和工藝卡片，以三維工藝模型作為生產制造的唯一依據，指導加工。機加工三維工藝設計大體上可分為三維工藝設計、三維工藝信息管理和三維工藝現場應用三個階段，涉及到工藝信息標識與標注、動態工藝模型構建、設計工藝數據關聯存儲和集成工藝模型可視化發布等關鍵技術。國內已有眾多學者對全三維工藝實施過程中的工藝信息標識與標注、動態工藝模型構建進行了研究，已有部分企業將三維工藝在工程機械行業上得到應用，但未在機床制造行業得以應用。

基于此，本文基于MBD 技術，通過應用開發三維工藝系統，動態生成工藝設計過程中各工序/工步所包含的可視輕量化模型和過程參數標識信息，并分類有序存儲到PDM平臺中。并通過實例應用到機床的制造和裝配過程中，通過構建全三維工藝規程樹，調用PDM 平臺后臺模型和相關參數信息，實時生成規程卡實例，使制造車間工人能基于IE 瀏覽器，快速直觀地獲取待制造信息。

1 全三維工藝應用流程

全三維工藝應用流程如圖1 所示。該過程主要包括三維可視輕量化模型生成、信息的存儲以及全三維工藝規程卡的網頁化生成三個步驟：①三維可視輕量化模型生成，主要是在工藝設計端，將Creo 平臺中的集成工藝模型通過一定的算法發布生成面向加工制造過程序列的可視輕量化工序/工步模型；②信息存儲，主要是將發布生成的可視輕量化模型、工藝模型屬性參數信息等保存在PDM 平臺相應的文件夾和數據表中；③全三維工藝規程卡生成，通過數據接口從PDM 平臺中讀取輕量化工序/工步模型、工藝模型屬性參數信息，并加載到基于IE 瀏覽器開發的三維工藝規程卡模板相應區域，進而生成全三維工藝規程卡實例。

圖1 全三維工藝應用流程

2 三維輕量化模型生成

三維可視輕量化模型的生成，是基于工藝模型逆向發布生成。首先在Creo 平臺中創建出集成工藝模型，具體創建過程見另文闡述。圖2 所示為由工藝模型通過動態發布，生成輕量化工序/工步模型的過程。工藝模型包含有毛坯模型特征、各工序/工步的加工特征以及對應工序/工步的加工屬性參數信息（通過三維標注方式實現）。

圖2 工藝模型通過動態發布

工藝規程設計主要包括工藝規程組織編輯和工藝特征關聯兩個模塊。工藝規程組織編輯按照工藝過程構建工藝規程樹，工藝規程樹按照實際加工生產 的工藝流程以結構樹形式表達三維機加工工藝過程。通過構建工序/工步節點，將工藝規程樹與材料、工裝資源相關聯，明確每道工序/工步所需的制造資源，實現模型、工藝、資源的有效整合。同時也可從典型工藝規程庫中調用相應工藝規程，快速完成工藝規程的組織與編輯。

3 三維機加工工藝方法應用

3.1 工藝特征創建

建立零件的工藝模型首先需要構建毛坯模 型，毛坯模型的快速構建是采用基于設計模型的生成或基于三維軟件建模的方式來實現的。對于一些簡單的零件，可以直接由設計模型復制，參照設計模型添加加工余量后直接生成毛坯模型；對于不能進行復制參照的復雜零件，可以通Creo3.0 的三維建模軟件進行建模。利用Cre03.0 的標準建模功能，在工件模型的基礎上快速構建工藝特征；也可使用三維機加工軟件的“零件間復制特征”功能完成工藝特征構建，如圖3 所示。

3.2 三維工藝模型標注

圖3 工藝特征創建

特征構建完成后根據工藝過程完成對零件信息的三維標注。通過構建結構化工藝規程樹，表達三維工藝過程數據組織形式，明確每道工序所用到的制造資源，建立工藝規程樹與工藝特征之間的關關系，實現產品、工藝、資源的有效整合，如圖4 所示。

3.3 工藝結果發布

三維機加工工藝設計完后后，將Creo3.0 的MBD 模型發布為Product View輕量化模型，過程如圖5 所示。

3.4 機加工工藝發布結果查看

圖4 工藝信息標注

圖5 機加工工藝結果發布

在Creo 設計環境下生成工藝模型后，工藝設計師通過掛接方式，將對應的工藝加工特征和屬性參數信息掛接到工序/工步節點下，生成完整的工藝規程包。后續觸發“產生輕量化文件”，將工藝模型逆向發布生成輕量化的工序/工步模型，“寫入數據庫”將工藝模型屬性參數信息關聯存入到PDM 對應的數據表中，“結果發布”按鈕是指將輕量化的模型信息和屬性參數信息發布并檢入存儲到PDM 中對應的文件夾和數據表中。后續，觸發基于PDM平臺開發的“查看三維工藝信息”按鈕，系統將會基于三維工藝規程卡模板實時調取相應的輕量化模型和過程參數信息，生成全三維工藝規程卡實例，如圖6 所示。用戶基于Web 化三維工藝規程卡，通過觸發工藝規程樹區相應的工序/工步節點，實時瀏覽模型區待制造特征信息。

圖6 機加工工藝結果查看

4 三維裝配工藝設計方法應用

4.1 工藝規程創建

裝配工藝模型是在原始裝配模型上在構建一級裝配，將原始模型按缺省坐標系方式裝入，再補充工藝信息，如設備等工藝資源。所有與工藝相關的新信息均保存在頂級模型中，不改變原始設計模型任何數據。如圖7 所示。

圖7 工藝規程樹創建

4.2 工藝特征分配

根據工藝過程按工步和工序對特征進行組織，并將工步及工序信息以參數形式表達。工步和工序分組定義嚴格遵循模型樹結構關系，分組定義可以先于特征進行，也可以晚于特征進行。每個分組節點下可以定義參數，每個節點下可以帶特征（通過選擇獲?。?。如圖8 所示。

圖8 工藝特征分配

4.3 裝配動畫定義

根據產線產品裝配特點，選擇合適的移動參照。其中X、Y、Z 軸在平移時是相對于工藝模型坐標系，在旋轉時相對于模型自身坐標系；選擇參照可選定組件或元件的軸或直線邊；不指定的話是任意兩點。在移動參照選項（不包括任意兩點）上點擊鼠標右鍵，會出現操作菜單，可更換移動方向。以此方式完成對裝配件動畫定義。如圖9 所示。

4.4 裝配工藝結果發布

完成工藝資源創建之后對裝配工藝結果進行發布，發布產線工藝資源和產線裝配動畫信息。產生輕量化模型和相關信息文件，并上傳到PDM 數據庫中。如圖10 所示。

4.5 裝配工藝發布結果查看

圖9 裝配動畫定義

圖10 裝配工藝結果發布

在Creo 環境下對工藝結果發布之后，在Web 端查看工藝結果，在IE 瀏覽器可視化界面上點擊不同的工序名稱，在右側會顯示相應的裝配仿真動畫和過程信息。點擊“播放”按鈕，展示對應工序相應的裝配仿真動畫和工藝信息。如圖11 所示。

5 結束語

圖11 裝配工藝發布結果查看

本文通過對三維工藝在機床制造行業的應用，在工藝應用和實施過程中應用可視輕量化工序/工步模型生成、基于PDM平臺的設計工藝信息關聯存儲技術；三維機加工工藝設計方法和三維裝配工藝設計方法解決方案已在機床產品生產過程中得到了應用。在實施過程中，通過組合工藝信息符號構建工藝信息符號庫、設計工藝規程，明確各工序工步所需的制造資源，建立工藝規程樹與機加工藝模型特征之間的關聯關系，實現設計、工藝、制造使用相同的數據源，突破設計、工藝、制造之間的信息孤島，對提升機加工工藝設計的直觀性和準確性具有重要意義。本文對企業實施和應用三維工藝系統，實現全面三維工程化具有一定的參考價值。