基于MBD的船舶管件三維工藝設計方法

李瑞,張剛,汪驥,劉曉,劉玉君

(大連理工大學 船舶工程學院,遼寧 大連 116024)

船舶設計制造需要多部門、團隊協同工作,但目前各單位、部門之間缺乏協同作業模式,設計階段與制造階段的數據源不統一,造成信息得不到有效傳遞、效率低、研發周期長。模型定義(model based definition,MBD)技術是以集成的三維實體模型完整表達產品信息的一種定義方式[1],摒棄以往以“二維為主,三維為輔”的設計制造模式,對產品的工藝規劃、加工指導的方式、生產車間的管理等產生巨大影響[2]。近年來,隨著數字化的要求不斷提升,三維工藝設計成為熱點問題。一方面將三維模型充分應用到協同設計模式[3]中,在構建的船舶三維實體模型的基礎上進行三維工藝設計和加工制造工作,將三維模型添加信息轉換為EBOM模型與MBOM模型,最后輸出為XML文件進行數據的傳輸,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系,生產制造階段缺乏有效的作業指導;另一方面是借助MBD技術實現協同設計[4],構建船舶MBD設計模型與MBD工藝模型,借助MBD模型信息標注的優勢,能夠將模型與工藝信息形成相互依存的整體,進而作為船舶產品設計與制造過程中的唯一數據源,貫穿船舶設計、建模、工藝、制造、檢驗過程。但由于船舶產品的復雜性,MBD技術在船舶領域的應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技術實現船舶管件的三維工藝設計并生成三維作業指導書,實現設計、工藝、制造階段的協同,為MBD技術在船舶領域的深入應用提供借鑒。

1 總體方案規劃

基于MBD的船舶管件三維工藝設計是指在船舶管件MBD設計模型的基礎上進行工藝設計,生成船舶管件MBD工藝模型的過程,在此過程中主要包括構建船舶管件MBD工藝模型和輔助工藝設計系統兩大內容?；趯BD技術和輔助工藝設計方法的研究,構建基于MBD的船舶管件三維工藝設計總體方案,見圖1。

圖1 基于MBD的船舶管件三維工藝設計總體方案

在該方案中,船舶管件MBD設計模型是工藝設計的起點,基于CATIA二次開發技術實現面向工藝設計過程的MBD設計模型信息自動提取,為船舶管件輔助工藝設計系統提供信息基礎;構建以工藝實例庫、工藝規則庫、設備資源庫等為主的工藝知識庫,為輔助工藝設計系統的工藝實例重用和自動工藝決策提供知識基礎,其中,自動工藝決策內容包括:加工方法、加工設備等的選擇決策,工藝路線、數控加工工序等的規劃決策,無余量下料長度、彎曲角度、回彈延伸數據等的計算決策,以此實現基于知識的工藝路線自動規劃、工藝參數的程序化計算等,生成完整且詳細的工藝信息;最后,基于對MBD數據集規范定義的研究,將生成的工藝信息集成為工藝信息樹,結合模型輕量化處理,生成基于MBD的船舶管件三維作業指導書,實現對工藝現場的可視化指導。

從整體來看,船舶管件MBD模型貫穿整個方案,在三維工藝設計過程中作為唯一數據源,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,可有效改善傳統的船舶管件設計制造模式的弊端。

2 MBD設計模型信息的管理

船舶管件設計信息是工藝設計的基礎信息,設計信息的完整性和準確性對工藝設計的規范性和準確性有重要影響,傳統的船舶管件設計制造模式需要依靠工藝人員與設計人員的反復交流確認,浪費人力、工時,為此,需實現一種面向工藝設計過程的模型設計信息獲取方式,在三維環境下開發MBD模型設計信息管理系統。

首先,歸納工藝設計過程中需要的設計信息并通過人機交互窗口顯示;然后,基于CATIA二次開發技術和循環遍歷算法實現MBD設計模型結構樹中非幾何信息和Node Table中幾何信息的提取,并顯示在交互窗口相應內容下;最后,由設計人員通過交互窗口審核其所提供的設計信息是否正確且完整,以此為工藝設計過程提供完整且準確的設計信息。通過這種方式可加強設計人員和工藝人員之間的聯系,提高設計信息獲取的效率和質量。

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

3 三維工藝設計

3.1 工藝知識庫的構建

輔助工藝設計系統實際上是在大量工藝知識和邏輯分析的基礎上,以設計信息為依據,按照船舶管件工藝設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交由系統自動完成,解決工藝設計中的各種決策問題。系統的基礎是工藝知識庫的構建,將船舶管件工藝知識分為通用性知識和決策性知識,借助數據庫軟件 SQL Sever完成對工藝知識的存儲和管理,進而構建了船舶管件工藝知識庫。

1)通用性知識包括:標準文件、工藝手冊等規范性知識,歸納典型工藝形成的工藝實例、工藝規程等實例性知識以及管坯、加工設備等資源性知識。這類知識在工藝設計過程中的應用形式一般為檢索、直接引用和查看,因此,知識的表示側重于知識內容的描述。將通用性知識以數據表的形式儲存在數據庫中,其中定義了知識名稱、知識屬性、數據類型、主鍵等內容。

2)決策性知識是指工藝設計過程中涉及的加工方法、設備資源的選用等方面的工藝規則和經驗以及加工工藝參數的計算等知識。這類知識的結構化程度高,知識之間的聯系緊密,任何信息的細微變化(如管件尺寸信息的變化)都會導致工藝路線、工藝參數、加工方法等的改變。因此,決策性知識的表示方法也應當具有過程性的特點,實現知識的動態化表示。將數據庫管理方法與產生式規則法相結合,實現決策性知識的表示與儲存。該方法首先將工藝規則和經驗的條件及結論部分歸納為工藝規則表,儲存在工藝規則庫中;使用“If-Then”的決策形式,建立條件與結論部分的因果關系,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構,利用UML(Unified Modeling Language)的建模方法,構建工藝知識庫中各知識對象的關系模型,來描述各知識對象之間、知識的屬性與對象之間的關系。以船舶管件基本屬性信息為主的彎管加工實例庫關系模型見圖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、工藝參數表、彎曲補償數據表,這些數據表是通過管件編號建立聯系的,以此完整的描述彎管的實例數據;此外,加工工藝信息表中的數據與工藝規則庫中相應規則表的主外鍵建立聯系,通過規則決策得出相應的工藝信息。

3.2 三維工藝設計過程

船舶管件三維工藝設計是以構建的工藝知識庫為基礎,利用系統的自動工藝決策,逐步決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的工藝信息的過程。工藝設計的最終目的是生成用于指導生產的MBD工藝模型,因此,面向MBD工藝模型的構建,建立船舶管件三維工藝設計過程邏輯模型,見圖3。

圖3 船舶管件三維工藝設計過程邏輯模型

該過程可以分為初步規劃階段和詳細規劃階段。工藝設計的初步規劃階段根據加工類別和工藝路線的決策規則,實現船舶管件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數據集規范定義方式表達。詳細規劃階段是對工藝路線的進一步完善,利用輔助工藝設計系統實現各工序信息下相應工步信息的自動工藝決策和參數計算,進而生成完整且詳細的工藝信息;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,實現對工藝實例庫的擴充。因此,船舶管件三維工藝設計的過程也是構建船舶管件MBD工藝模型的過程。

4 基于MBD的三維作業指導方式

基于MBD的三維作業指導方式是指將船舶管件MBD工藝模型作為唯一數據源,運用三維的手段可視化指導工藝過程的方式,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計過程中自動工藝決策生成的工藝信息按照MBD數據集規范定義的方式表達為MBD工藝信息樹,實現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,符合生產設計的需要。

基于MBD的三維作業指導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、工藝信息表達區、輕量化三維模型顯示區3個部分,可以實現模型的放大、縮小等基本操作。

5 應用實例

利用CATIA軟件構建船舶管件MBD幾何模型,SQL Sever數據庫軟件作為數據庫管理平臺,利用Visual Studio 開發了船舶管件輔助工藝設計系統,最后將生成的三維工藝卡以電子文檔形式傳遞到工藝現場,實現工藝過程的三維可視化指導。

三維工藝設計的過程主要包括:

1)接收設計人員發布的船舶管件MBD設計模型,在三維環境下完成對MBD設計模型信息的自動提取,并審核確認信息的完整性和準確性;將設計信息導出為XML文件,MBD模型導出為VRML文件供系統調用。

2)船舶管件輔助工藝設計系統接收并讀取XML文件設計信息,系統在工藝知識庫的支持下,首先根據設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,生成基于實例數據的管件工藝信息,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,系統則會根據設計信息按照三維工藝設計的流程逐步生成工藝信息。首先根據工藝路線的決策規則進行工藝路線的初步規劃,實現基于MBD的工序信息定義,并初步生成工藝信息樹;然后根據初步規劃后的工序信息進入詳細規劃階段,確定需要完善的工步信息,系統會依據相應的工藝規則進行自動工藝決策,生成相應的工步信息并保存在工藝信息樹相應工序節點下;系統進行多次自動工藝決策后生成完整且詳細的基于MBD的工藝信息樹。

4)最后由系統調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,傳遞到工藝現場,實現工藝過程的可視化指導。

6 結論

將船舶管件MBD模型作為唯一數據源,開發船舶管件輔助工藝設計系統,進行三維工藝設計,結合MBD模型生成三維工藝卡,更加直觀的指導工藝生產。結果表明,基于MBD技術能夠實現船舶管件設計、工藝、制造階段的協同研制。這種方式需要精細的前序設計才能保證自動化工藝設計的準確,避免重復建模與數據源轉換,縮短研發周期,有效避免信息傳遞的錯誤,增加產品合格率。這種三維工藝設計方式符合數字化設計的要求,為MBD技術在船舶領域的深入應用提供一種思路。