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      基于MBD的集成式CAPP技術研究 與系統開發

      發布時間:2023-01-03 13:33
      I
      Abstract III
      Contents VII
      第1 章 緒論 1
      1.1課題的研究背景 1
      1.2CAPP 研究概述 2
      121基于三代設計語言的CAPP系統發展比較 2
      122國內外CAPP系統集成方式發展概述 3
      123基于MBD模式下工藝設計研究概述 4
      1.3基于MBD技術的CAPP研究面臨的問題與發展趨勢 5
      1.3.1基于MBD技術的CAPP發展面臨的問題 5
      1.3.2基于MBD技術的CAPP發展趨勢 5
      1.4論文的主要研究內容及意義 6
      第2章 工藝設計集成系統總體方案設計 8
      2.1系統總體需求分析 8
      2.2系統體系結構 8
      2.2.1集成系統總體框架 8
      2.2.2集成系統總體研究目標 10
      2.2.3基于MBD技術的集成式的CAPP系統功能設計 10
      2.3基于MBD模型的統一數據源在集成中的傳遞與集成應用 11
      2.4集成系統的數據信息設計 12
      2.4.1集成系統的輸入輸出 12
      2.4.2MBD 數據集 13
      2.4.3工藝信息集成模型設計 15
      2.5系統開發支撐技術分析 16
      2.5.1系統開發環境及工具選擇 16
      2.5.2基于UG NX的二次開發技術 16
      2.6本章小結 18
      第3章 基于Web技術的信息管理集成平臺研究 19
      3.1基于Web技術的網絡化應用 19
      3.1.1Web客戶端技術 19
      3.1.2Web服務器技術 20
      3.2基于Web的信息管理集成平臺架構設計 20
      3.2.1基于Web技術下的產品制造信息在集成過程中的作用 20
      3.2.2基于Web平臺的資源信息與工藝設計系統集成架構體系設計 21
      3.3基于Web信息管理平臺的應用與開發關鍵技術 23
      3.3.1基于B/S模式的應用開發技術 23
      3.3.2基于Web技術的信息管理平臺與集成系統內嵌交互控制 23
      3.4基于B/S模式的產品與信息管理結構樹 24
      3.4.1基于數據庫的工藝資源結構樹設計 24
      3.4.2基于XML的產品結構樹設計 25
      3.5基于 MBD 模型的可視化技術 26
      3.6本章小結 27
      第4章 基于MBD的集成式CAPP系統關鍵技術研究 28
      4.1基于統一數據源的集成式工藝設計 28
      4.1.1基于特征工序分組的工藝設計過程 28
      4.1.2工藝屬性信息的定義 29
      4.1.3特征工序分組原則 30
      4.2船用柴油機三維工序模型逆向生成技術 31
      4.2.1逆向生成中間工序模型問題求解描述 31
      4.2.2基于信息映射的工序模型逆向生成原理 33
      4.2.3零件工藝結構與工序模型輔助工具匹配關系 35
      4.2.4船用柴油機關鍵件的工序模型逆向生成流程 36
      4.3工序模型逆向自動化生成實現關鍵技術 37
      4.3.1特征位置的自動獲取 37
      4.3.2余量參數的自動獲取 38
      4.4本章小結 39
      第5章 基于MBD技術的集成式CAPP原型系統實現 40
      5.1系統簡介 40
      5.2工藝設計集成系統操作流程 40
      5.3主界面 41
      5.4工藝設計過程界面 42
      5.4.1工藝屬性信息的配置與定義 42
      5.4.2特征工序分組 42
      5.4.3工藝編輯與工藝結構分析 43
      5.5工序模型輔助生成過程實例及界面 43
      5.5.1工序模型輔助生成工具集 43
      5.5.2工序模型生成實例 44
      5.6產品信息與工藝資源信息管理 4 5
      5.6.1產品信息管理 4 5
      5.6.2刀具及切屑參數信息管理 47
      5.6.3夾具/量具/工藝術語管理 48
      5.7工藝文檔 49
      5.8工序模型切削過程仿真 50
      5.9本章小結 51
      總結與展望 53
      總結 5 3
      展望 54
      參考文獻 5 5
      攻讀碩士學位期間取得的研究成果 58
      致 謝 59
      Contents
      Abstract(Chinese) I
      Abstract(English) III
      Chapter 1 Introduction 1
      1.1Research Background 1
      1.2Research Summarize 2
      1.2.1Develompent Summarize of CAPP System Based on Three Design Language 2
      1.2.2Develompent Summarize of Integrated Way about CAPP System Domestic..3
      1.2.3Research of Process Design Based on MBD Technology 4
      1.3Research of Confronting Problem and Development Tendency about CAPP based
      on MBD 5
      1.3.1Confronting Problem of CAPP development Based on MBD 5
      1.3.2Development Tendency of CAPP Based on MBD 5
      1.4Research Contenrs and Significance of this Paper 6
      Chapter 2 the Process Design integrated System Integral Program Design 8
      2.1System Demand Analysis 8
      2.2Integrated System's Structure 8
      2.2.1Integrated System's Integral Framework 8
      2.2.2Research of Integrated System's Objective 10
      2.2.3Function Design of Integrated CAPP System Based on MBD 10
      2.3Transmission and Application of Information Integrated Based on the Unify MBD
      model 11
      2.4System Development Supporting Technology 12
      2.4.1Input and Output of Integrated System 12
      2.4.2Data Sets Based on MBD 13
      2.4.3Process Information Integrated model Design 15
      2.5System Development Supporting Technology 16
      2.5.1System Development Environment and Instrument Choice 16
      2.5.2UG NX Application Development 16
      2.6Chapter Summary 18
      Chapter 3 Research platform of Parts information integration and management Based on WebTechnology 19
      3.1Technology Application of Web 19
      3.1.1Client-Side Technique Based on Web 19
      3.1.2Server Technique Based on Web 20
      3.2Construction of relation with integrated System model based on Web 20
      3.2.1Function of parts information at integration process based on Web 20
      3.2.2Framework of information management and prcess design system integration
      based on Web 21
      3.3Technology Application of Information Management Platform based on Web 23
      3.3.1Technology Development based on B/S System 23
      3.3.2Inset Interaction Control between Information Management Platform and
      Integrated System 23
      3.4Production Tree Based on B/S mode 24
      3.4.1Design of Production Tree Based on Database 24
      3.4.2Design of Production Tree Based on XML 25
      3.5Visualization Technology Based on MBD model 26
      3.6Chapter Summary 27
      Chapter 4 The Research Technology of Integrated CAPP System Based on the MBD model 28
      4.1Integrated Process Design Based on Unify Data Source 28
      4.1.1Process Design Based on Feature Process Group 28
      4.1.2Definition of Process Attribute Information 29
      4.1.3Principle of Feature Process Group 30
      4.23D-Process Model Generate Technology in Reverse based on Marine Diesel Engine 31
      4.2.1Description and Problem Solving of Process model Generate in Reverse 31
      4.2.2Principle of Process model Generate in Reverse based on Information
      Mapping 33
      4.2.3Matching Relation between Process Structure and Auxiliary Tool of Process
      Model Generation 35
      4.2.4Process of model Generation in Reverse about Marine Diesel Engine Parts.36
      4.3Technology to Realize Process Model in Reverse by Automatic Generation 37
      4.3.1Acquisition Feature Position by Automatic 37
      4.3.2Acquisition Process Parameters by Automatic 38
      4.4Chapter Summary 39
      Chapter 5 Implement of Marine Diesel Complicated Parts CAPP Integrated System Based on MBD 40
      5.1System Summary 40
      5.2System Operating flow 40
      5.3System Main Interface 41
      5.4Interface of Process Design 42
      5.4.1Definition and Configuration of Process Attribute Information 42
      5.4.2Feature Process Group 42
      5.4.3Process Structral Analysis and Complile 43
      5.5Interface of Process Model Generation and Procjects 43
      5.5.1Tool of Manufacturing Procedure Generation 43
      5.5.2Process Model Generate procjects 44
      5.6Information resource Management Module 45
      5.6.1Interface of Tools Management 45
      5.6.2Interface of Machine and Post Management 46
      5.6.3Interface of Technics Management 48
      5.7Customized Workshop Documents 49
      5.8Virtual Process Model Simulation 5 0
      5.9Chapter Summary 51
      Conclusion and Prospect 53
      Conclusion 53
      Prospect 54
      References 5 5
      Published Thesis for Master's Degree 5 8
      Acknowledgements 59
      第 1 章 緒論
      1.1課題的研究背景
      計算機輔助工藝過程規劃(Computer Aided Process Planning,簡稱CAPP)是指借 助于計算機硬件技術和信息處理技術,輔助工藝設計人員完成零件工藝規程設計和工 藝數據的有效管理。由于傳統的二維CAPP系統,雖然能夠在一定程度上解決手工工 藝規劃效率低、信息管理差、信息傳遞滯后等問題。與此同時隨著制造業信息化的快 速發展,三維 CAD 技術在現代加工制造型企業以經得到了廣泛的應用,如果 CAPP 系統繼續使用以二維圖為主的設計模式,將使得產品數據傳遞過程復雜且不直觀[1-3]。 這種模式儼然已不符合當前三維模式下設計制造集成的要求。
      隨著數字化技術經過多年的快速發展,其已成為當前現代化設計制造技術的基礎。 基于模型定義技術(Model Based Definition,MBD)的零件模型做為生產制造活動過 程中的唯一數據源。且以該三維實體模型為輔的設計制造方法,可以大大縮短產品全 生命周期,降低生產成本,提高了產品質量。三維數字化工藝規劃的目標是以產品零 件三維模型為基礎,開發面向 MBD 模式的快速工藝設計、三維工序模型自動生成、 無紙化三維工藝文件、加工制造工藝過程數據的高效管理[4-6]。目前,基于MBD技術 的應用僅在我國的航空航天方面得到了一定的發展,船舶行業雖然也開展過大量的研 究工作,但遠未得到很好的應用,究其原因:一方面船舶行業還沒制定一套標準的 MBD規范,包括MBD定義、通用要求、術語、尺寸和公差、注釋和編號等,與此同 時,船舶行業產品結構復雜,尺寸涉及的數據信息較多,如以 MBD 模型做為設計制 造集成一體化的數據載體和依據,將使工藝設計制造活動發生根本性變革。另一方面 雖然三維CAPP得到了一定發展,但是當前的CAPP系統所采用的工藝規劃方法與上 游的產品數字化定義和下游對快速數控編程的需求已難以適應,工藝規劃過程未能很 好的利用 MBD 三維模型信息,工藝執行過程缺乏對三維數字化工藝的支持,導致工 藝仍然是將3D模式轉換至2D模式。當工藝更改頻繁時,修改工作效率低下、集成性 差。
      然而,無論是船舶行業還是航空航天行業,開展基于 MBD 技術的全三維模式的 設計制造集成技術主要需要解決工藝設計能圍繞 MBD 模型開展,工藝實施過程能對 三維數字化工藝支持,工藝規劃能利用工藝信息快速生成三維工序模型。以 MBD 三 維模型做為統一的數據源進行產品設計、工藝規劃、加工制造、產品檢測、產品分析。 可從根本上改變傳統的以二維工程圖為主、以三維實體模型為輔的設計制造方式。因 此,隨著MBD技術在船舶行業的不斷應用,開展基于MBD技術的CAD/CAPP/CAM 集成體系下的三維工藝設計方式以及對三維工藝的有效應用實施已經成為當前國內外 對全三維數字化設計制造研究熱點。開發出一套基于 MBD 技術船用柴油機關鍵件的 三維集成式 CAPP 系統,是對開展船舶制造行業實施三維數字化設計制造集成一體化 的重要探索。
      1.2CAPP研究概述
      1.2.1 基于三代設計語言的 CAPP 系統發展比較
      隨著 CAPP 技術經過多年的發展與推廣應用,先進設計制造技術不斷要求 CAPP 技術創新,從20世紀60年代產生開始,CAPP不斷的創新了設計方式,從設計語言 的發展歷程角度出發,主要包括:基于二維圖模式的CAPP系統、基于三維模型的三 維CAPP系統、基于MBD技術的CAPP系統。基于三代設計語言衍生出的CAPP系 統在工藝設計方式上不斷的體現出實用性與高效性。三種模式的CAPP在工藝設計方 式上的技術特點比較如表 1.1 所示:
      表 1.1 基于三代設計語言的 CAPP 技術特點比較 Table.1.1 The technical feature of CAPP based on three design language
      比較內容 基于二維圖的
      CAPP系統 基于三維模型的
      三維CAPP系統 基于MBD的
      CAPP 系統
      1 針對產品設計,如何 分析二維圖紙,以填 以三維模型及數據進 以三維數模為信
      開展工藝設計。 表式和文字描述為主 行定量分析并結合文 息載體來開展工
      完成工藝設計。 字描述進行工藝設計。 藝設計。
      2 零件中間工序加工狀 以工序簡圖表達,需 工序簡圖表達以三維 以三維工序模型
      態表達方式上。 重新繪制二維工序簡 模型投影而成,不需重 表達,并標注 PMI
      圖,圖形效果差。 新繪制。 信息,清晰易懂。
      3 在可視化工藝設計方 面向二維,無法實現 可實現簡單的可視化。 三維模型含工藝
      式上。 可視化設計 設計所需信息,可 視化設計效果好。
      4 在工藝執行過程中信 采用二維工程圖與工 以工藝文檔與網絡化 采用數字化樣機
      息傳遞方式上。 藝卡片形式,信息傳 技術實現信息之間的 模式與網絡技術,
      遞效率低。 傳遞。 實現“無紙化”數 字化信息傳遞。
      5 與 CAD 信息集成形 不能利用二維圖形的 可直接集成在 CAD 可與CAD無縫集
      式上。 信息,主要通過工藝 中,三維模型的信息需 成,能直接從基于
      人員添加工藝信息, 轉換為用于工藝設計 MBD三維模型獲
      易形式 “信息孤島”。 的信息。 取工藝信息。
      6 能否向CAM提供的 工藝設計僅限于二維 能獲得三維毛坯模型。 為CAM系統提供
      加工數據及零件毛坯 模式,無三維模型, 毛坯模型及各中
      模型。 不能實現。 間工序模型,并提 供加工工藝數據。
      1.2.2 國內外 CAPP 系統集成方式發展概述
      隨著上個世紀 80 年代以來,機械制造業對 CIMS ( Computer Integrated Manufacturing Systems,計算機集成制造系統)的應用以及其它先進制造系統的快速發 展,進而導致相關制造企業對 CAD/CAPP/CAM 集成化水平的提高有著迫切的需求。 CAPP 作為 CAD、CAM 之間信息轉換與信息傳遞的紐帶。在設計制造集成過程中, CAPP要求從CAD模塊中獲取零件的幾何信息、材料信息、工藝信息等,以替代人機 交互的零件信息輸入[7]; CAPP的輸出則是CAM所需的設備、工裝、切削參數、裝 夾參數信息等,從集成難度的角度出發,CAPP與CAM之間的集成較易實現,而當前 CAD系統提供的設計信息與CAPP所需的工藝信息大不相同,所以CAD/CAPP間的 信息集成是主要需解決的問題。此外,由于CAPP與CAD、CAM系統研究側重點不 一樣,而且是相互獨立發展的。因此導致集成的難度加大。而集成的難點在于實現各 個系統之間的數據交換、數據傳遞遵循統一的機制;并且在設計制造集成的整個過程 中始終以唯一的產品數據源展開,以確保數據信息的一致性。目前,國內外對 CAD/CAPP集成方法進行過大量研究和探索,開發出一些面向集成的CAPP軟件。集 成方法與研究狀況主要集中在以下情況[8]:
      (1)提出基于中間文件格式的集成方法。目前用于數據交換標準格式文件包括 STEP[9-10]、IGDS、XML[11]、PDES 等,這種集成方法必須遵循中間文件格式的數據結 構,將 CAD 零件設計信息和補充的加工工藝信息經中間文件格式處理器處理成中性 文件,CAPP接收中性文件后經過特征識別模塊的前置處理將設計特征模型轉換為 CAPP可以識別的制造特征模型。清華大學開發的THCAPP系統和西工大的3D-CAPP Framework 就是采用這種基于中間格式文件的集成方法。這種方法由于中間格式文件 的數據交換標準非常的復雜,尚未制定統一標準的中間格式文件,加上需開發特征識 別模塊程序,研發周期長,運行效率低,不適合當前集成模式下快速工藝設計的要求。
      (2) 采用基于產品數據管理(Product Data Management,PDM )的集成方法。 該方法主要是利用數據庫技術和網絡技術,在PDM平臺下將CAD、CAPP系統聯系 起來,CAPP從PDM中獲得CAD存取的產品零件幾何信息以及部分的工藝信息,根 據零件特征加工的相似性,從典型零件工藝庫中匹配得到該零件的加工工藝。通過這 種數據共享的方式,由 PDM 來完成各個系統之間的信息數據管理與傳遞。華中科技 大學的開目CAPP和北京艾克斯特的XTCAPP采用這種方法集成的。這種方法能有效 提高數據的傳輸效率,而且上游部門能根據下游部門的反饋信息及時更正自己設計信 息。
      (3) 通過直接集成的方法[12-13]。這種集成方法也可稱為專用集成方法,主要因為 該方法主要針對基于特定的零件特征,通過集成系統中的特征識別功能模塊獲取零件 模型上特征信息,并以交互式形式輸入 CAPP 系統所需的而 CAD 系統生成的零件模 型中沒有的某種加工信息。這種以人機交互式輸入方式工作量小、合適特定的零件類 型。比如北京航空航天大學的EXCAPP系統和美國的TIPPS系統采用的是這種集成方 法。
      123基于MBD模式下工藝設計研究概述
      早在 20 世紀 90 年代,基于 MBD 全三維數字化的無紙設計技術以孕育而生,以 MBD技術開展設計制造集成一體化經過了多年的發展,已在航空航天制造業中取得了 巨大的成功,例如美國的波音公司在波音787新型客機研制過程中,采用 MBD 技術 實現將三維數字化產品定義、三維數字化工裝設計、裝配、加工檢測的高度集成與協 同。有效的減少了飛機制造的研發與制造時間。
      目前,在國內飛機制造企業還沒有完全實現設計制造集成于一體的全三維數字化。 與此同時對開展 MBD 技術的應用研究正處于探索階段,主要集中在國內的航空航天 企業以及與其合作的相關科研院所與高校。然而在船舶制造行業中,MBD技術更是處 于起步階段。其中在我國航空航天制造方面,經過多年的研究探索,以 MBD 技術進 行產品定義、工藝設計與可視化、工藝數據共享與集成方法等方面開展過大量的研究。
      西北工業大學的田富君等[14-15]以SpinFire軟件為平臺,開發出集成化工藝規劃的 3D-CAPP原型系統,通過CATIA將標注的MBD三維模型轉換為U3D輕量化中性格 式文件,經過原型系統開發的制造特征識別算法程序提取輕量化模型的上制造特征。 將制造特征定義為加工元,作為加工工步來規劃工藝。并采用基于模糊G-均值聚類算 法,規劃加工元生成加工工步。該方法有效的解決了基于MBD技術的CAD/CAPP系 統間設計特征向制造特征的轉換。工藝設計的加工工序信息、工序模型信息等均以嵌 入式發布于PDF格式的工藝文件中。有效的解決了三維工藝顯示問題。
      萬能[16]、竇光繼[17]等人在UG平臺下二次開發,采用工藝結構樹來表述機加工藝 對象,提出了一種以面向工藝實施過程的方法和基于 MBD 三維模型工藝信息表達與 集成方案。以 MBD 三維工序模型為工藝信息的載體,開發出三維工藝設計模塊、三 維工藝管理模塊、工藝制造現場實施模塊,整個體系形成了閉環的反饋機制,能對工 藝變更做出快速的反應。能有效的提高了三維工藝傳遞的可理解性與準確性。
      沈陽理工大學郝博[18]等人利用 MBD 規范參數化建模,并建立數字化工藝模型, 通過模擬仿真,確定合理的、可行的全三維制造工藝,實現無紙化三維工藝設計。該 方法有效的縮短了產品全生命周期,提高產品快速制造能力。
      國內航空航天相關企業在數字化工藝實施上做過大量的研究工作[19-21],并在實際 生產制造過程中已經應用MBD技術。主要利用PDM軟件、三維設計軟件、終端三維 顯示設備三者之間建立的高度集成環境,有效的解決了產品數據的數字化表達、存儲 和交換。部分實現了設計、工藝、制造、檢測等對信息的有效集成與協同及共享。
      綜上所述,國內外學者在航空航天制造業開展MBD技術的設計制造、信息集成、 產品數據管理等方面研究取得了較為客觀的成果,但是在船舶制造業三維設計制造集 成中,仍然需制定合適的MBD規范體系,探究基于MBD技術的工藝設計模式,并將 MBD模型體現在產品生命周期的一系列制造活動過程中,成為設計制造集成的唯一數 據源。這方面的問題仍需進行必要的研究工作。
      1.3基于MBD技術的CAPP研究面臨的問題與發展趨勢
      1.3.1基于MBD技術的CAPP發展面臨的問題
      由于基于 MBD 技術的三維工藝設計問題的復雜性和我國數字化技術發展水平的 限制,以及美國波音公司對 MBD 技術壟斷和資料的不公開,導致國內企業不能完全 參考借鑒。致使與基于MBD技術的CAD設計系統相比,CAPP技術的研究進展滯后, 以成為當前開展 MBD 技術的設計制造集成面臨的問題,現階段,基于 MBD 技術的 CAPP系統開發仍然存在以下不足:
      (1)并行協同設計上,面向產品全生命周期的各個階段中,各個部門未能很好協調 工作,使信息交流與通訊不及時,導致后續環節中出現的問題不能極早的發現,致使 產品可制造性、可維護性降低,從而大大的增加了制造時間和成本。
      (2)信息集成上,基于 PDM 技術、數據庫技術的信息數據共享技術已經運用的相 當成熟,但是現階段基于MBD技術的信息集成方式脫離了三維數模,基于MBD的三 維數模作為統一信息數據源的設計制造集成研究不夠深入,遠遠沒能到達設計制造集 成全三維化的目的。
      (3)可擴展性差。當前的CAPP系統基本都是封閉性系統,很難支持用戶對系統功 能的修改和擴充,難以二次開發以滿足不同企業和用戶的需求。
      1.3.2基于MBD技術的CAPP發展趨勢
      當前,基于 MBD 技術的 CAPP 系統的研究與應用越來越引起了企業的重視,基 于MBD技術的集成化CAPP系統的研發主要沿著以下幾點的發展趨勢:
      (1)全三維集成化。隨著當前制造業新技術的不斷突破,制造業集成必將面向全 生命周期,以基于三維集成模式下的產品設計、三維檢測/裝配規劃、三維數控工藝及 三維數據檢測采集大大的提高了企業工藝和制造水平。作為連接上游的產品設計與下 游的快速數控編程的CAPP系統,必將朝著基于MBD技術的全三維集成化發展。
      (2)網絡化,并行化,智能化。在當前企業設計制造的大環境下,產品設計部門、 工藝設計部門、加工制造部門之間必須要求并行,下游部門就產品的可加工性、加工 經濟性等制造因素及時為上游產品設計的優略提供可評估性指標,同時應考慮能將工 藝專家的經驗和知識積累起來,以發揮智能技術在CAPP發展中的作用。使CAPP系 統在整個 CAD/CAPP/CAM/ERP/PDM/CAQ 的大集成環境下起到中樞作用,這必然需 要借助于網絡化技術和智能技術。
      (3)三維可視化。CAPP系統必將從整體上改變傳統的工藝設計方式,基于MBD 的可視化技術在工藝設計過程的實施,將完善工藝現場可視化的在線執行系統,實現 工藝現場無紙化,并能確保工藝設計與工藝執行過程的一致性,更好的發揮三維模型 在整個設計制造過程中作用。
      1.4論文的主要研究內容及意義
      本課題的研究對象是某船用柴油機企業的關鍵零件。就當前基于 MBD 技術的集 成式三維 CAPP 系統以及數字化設計制造中的工藝設計系統在集成方面普遍存在關鍵 技術問題進行了分析和研究,論文各章節內容安排如下:
      第一章主要給出了基于三代設計語言的CAPP系統的發展比較以及CAPP系統在 集成方式與在 MBD 模型下的發展概述,在此基礎上說明了本文要研究的問題并對其 研究發展中面臨的問題與發展趨勢進行了分析,最后介紹了本文的研究內容與意義。
      第二章構建了基于 MBD 技術的集成式 CAPP 系統的架構,對其總體的功能模塊 設計以及數據源傳遞與應用進行了闡述,并分析了集成系統數據信息輸入與輸出、信 息集成模型設計以及系統開發的支撐技術。
      第三章介紹了內嵌于工藝設計集成系統的產品/資源信息管理平臺,主要包括信息 管理平臺的架構體系的構建,以及基于 Web 技術的產品/資源信息平臺對工藝設計集 成系統的輔助優勢,最后分析了信息管理平臺集成接口與控制、產品信息管理結構樹 以及MBD可視化技術。
      第四章詳細的分析了基于 MBD 的集成式 CAPP 信息集成關鍵技術,包括采用的 基于統一數據源的三維集成式的詳細工藝設計過程,同時指出數字化三維工序模型自 動生成技術存在的難點問題,并給出了本文所采用三維工序模型逆向輔助生成技術, 闡述了三維工序模型的逆向生成對三維工序信息自動獲取過程。
      第五章主要對基于 MBD 技術的集成式 CAPP 系統的操作流程進行了介紹,對原 型系統的平臺關鍵功能界面加以展示,并對本文三維工序模型自動生成過程實例進行 了說明。
      最后對全文進行了總結,并進一步展望了基于 MBD 技術的三維集成式 CAPP 系 統今后的研究方向。
      開發的基于 MBD 技術的三維集成式 CAPP 系統,采用特征工序分組的三維工藝 設計方式,利用三維工藝信息與CAD中的PMI信息生成三維工藝模型。而生成三維 工藝模型可直接用于 CAM 系統實現數控編程。這樣有效的提高了三維工藝設計中的 三維信息表達與信息集成的效率,保證了基于統一數據源的設計制造集成,實現了三 維信息模型在CAD、CAPP及CAM之間的傳遞與共享。
      本課題在基于MBD技術的三維CAD/CAPP/CAM設計制造集成大環境下,針對 船用柴油機關鍵件的三維工藝設計方法、信息的管理與三維信息集成、三維工序模型 生成作了深入研究,這對數字化設計制造集成研究具有重要的理論與實際意義。
      第 2 章 工藝設計集成系統總體方案設計
      2.1系統總體需求分析
      系統總體需求最關鍵的是功能需求,本系統以船用柴油件關鍵件為對象,解決全 三維設計制造集成中基于全三維模型的工藝設計過程中相關問題,以提高三維工藝設 計的效率,保證工藝設計的正確性、三維工藝的可理解性。基于 MBD 技術的集成式 CAPP系統在功能上主要需解決以下基本問題[22-23]:
      (1)統一數據源快速工藝設計 以三維工藝模型做為數字化傳遞的唯一數據源, 能高效利用三維模型為核心的三維標注和對屬性信息的附加,快速為三維數模設計出 加工工藝信息,并在該模式下實現設計結果能快速應用于下游CAM系統與工藝現場。
      (2)全三維工藝設計 工藝設計過程中完全基于全三維模型模式,以保證工藝設 計的可視化;加工工藝數據的傳遞全三維化,以保證工藝執行過程的可理解性、高效 性。
      (3)工藝模型生成 作為全三維設計制造集成式的CAPP系統,工藝模型不僅表 達了模型的設計信息,并且包含了工藝設計信息,工藝模型的生成是保證 CAD/CAPP/CAM 三者基于 MBD 模型的數據信息傳遞的核心。
      (4)工藝設計的后處理 也是工藝工作重要的一部分,對工藝設計結果進行后處 理是保證工藝實施的前提,也是驗證工藝設計結果正確與否的保證。
      (5)基礎數據有效管理 工藝設計過程中需要少量基礎數據工藝模版數據,例如 企業工藝資源,典型零件加工工藝模版等,在設計制造集成協同過程中也會產生大量 的數據。對基礎數據的高效管理才能保證系統運行的穩定性。
      (6)支持設計制造過程的協同 系統應支持開放接口,實現設計制造過程的協同, 使工藝設計制造過程中,通過工藝人員、制造人員與產品設計人員協同,使產品設計 的初期階段,設計人員能充分的考慮到產品模型結構上的工藝性、可制造性。為后續 的工藝設計提供基礎,以減少產品研制的返工工作量。
      2.2系統體系結構
      2.2.1 集成系統總體框架
      基于MBD技術的集成式CAPP系統作為連接上游CAD與下游CAM的橋梁,必 需考慮到信息在子系統之間有效傳遞,根據基于 MBD 技術的 CAD 產品設計、基于 MBD的CAM加工模塊的要求與CAPP子系統的功能需求的分析,在結合企業對數字
      化設計制造集成的實際情況。該總體設計制造集成系統總體框架如 2.1 所示,共劃分 為以下三層:
      (1) 核心層 核心層主要包括集成系統三個子系統的功能模塊,包括CAD的參 數化建模、MBD模型定義、完備性檢查;CAPP系統的工藝屬性定義、工序分組、工 序生成與三維工序模型生成;CAM系統的導軌規劃、后置處理、切削仿真。三大子系 統以三維工藝模型為數據交換主線。
      (2) 應用層 應用層主要為對系統集成平臺的工藝結果處理,包括 Teamcenter 工藝管理、三維工藝應用加工現場、以及三大子系統之間的工藝協同反饋機制及與工 藝現場反饋機制環境構建。
      (3) 數據層 數據層是輔助基于MBD技術的CAD/CAPP/CAM系統運行的基礎, 包括特征數據庫、特征加工工藝庫、工藝信息知識庫、典型零件工藝數據庫、產品數 據信息庫、制造資源數據庫。其中制造資源數據庫與工藝信息知識庫為集成工藝設計 系統提供了工藝設計參考。
       
       
       
      CAPP模塊
       
       
       
      圖2.1基于MBD技術的集成式CAPP系統的總體框架
      Fig.2.1The structure of integration CAPP based on MBD
      2.2.2 集成系統總體研究目標
      運用基于統一數據源的 MBD 模型設計出的三維工藝模型,能最大限度的利用和 繼承數據源頭的設計信息及部分工藝信息,從而減少工藝設計和產品設計對信息理解 上的偏差,降低出錯率,并滿足數控編程以及仿真系統對信息集成的要求,即通過對 機加工的切削過程進行全程仿真檢驗,最大限度的將問題暴露在設計工藝規劃環節, 能有效的降低后續更改成本和時間[24-27]。研究加工特征的定義方式和三維工序模型生 成原理,創建與設計與和制造聯系的工序模型,在此基礎上開發客戶化的輔助工具, 定制出與三維工序模型關聯的三維工藝,最終通過直觀的三維工藝規劃流程模式來表 達出零件三維工藝的可視化,可提高工藝信息的易理解性,從而有效提高生產制造階 段的效率。
      2.2.3基于MBD技術的集成式的CAPP系統功能設計
      根據前文對集成平臺的體系結構的分析,本文對基于 MBD 技術的 CAPP 平臺功 能設計進行詳細的劃分,以滿足設計制造集成的要求,平臺的功能主要包括權限管理、 工藝設計、工藝輸出。如圖2.2所示,下面將對主要功能詳細的描述:
      (1)權限管理 主要是確認總集成系統下各子系統對功模塊的使用,以保證MBD 模型數據的安全性和數據源的統一性。
      (2)工藝設計 工藝設計模塊從對零件模型進行工藝設計的角度主要分為三大功 能,包括工藝性檢查、零件工藝規劃、工序模型生成。a.工藝性檢查主要指對CAD部 門的MBD模型是否符合工藝加工制造的要求進行模型分析。.工藝規劃分可為分為兩 種工藝設計功能步驟,一種是零件為系統的典型零件,直接加載該典型零件工藝并對 零件特征做簡單的工藝修訂;另一種則需要對零件工藝屬性定義,然后采用下文第三 章中的工序特征分組的方式對零件工序進行工序與工步的規劃。c.完成工藝的最終規 劃后,特征的加工工藝是以加工工步為基本單元,工藝人員根據規劃好的三維工藝結 構,利用下文第五章闡述的三維工序模型輔助生成工具生成加三維工序模型。三維工 序模型的生成是全三維工藝設計最基本的要求,三維工序模型為加工制造檢測提供了 模型檢驗標準,是三維可視化的基礎;同時導出模型,制作工序加工的動態仿真過程, 作為生產制造現場的三維可視化加工動態模擬過程文件。
      (3)工藝輸出 工藝輸出的模塊作為工作現場技術指導的信息來源,不僅包括零 件機加工工藝過程,而且應包括工藝過程中所使用的工藝資源信息,系統采用的基于 web 技術的工藝發布與工藝管理系統平臺,不僅保證工藝設計結果無紙化的實施與工 藝反饋機制的建立,也便于工藝資源信息的維護管理。
      棊于MBD的集成式CAPP系統
      里 TJ- 管 艮 KT 權
      I - - - I
      H I - - - rl
      系 統 登 入 權限設計 工藝性檢查 特征工藝修訂 L屬性信息定義 「工序工步規劃 工序模型生成 工序加工仿貞 工藝資源管理 工藝發布與反饋
      圖2.2基于MBD技術的集成式CAPP系統功能結構
      Fig.2.2 The functional structure of integration CAPP based on MBD
       
      2.3基于MBD模型的統一數據源在集成中的傳遞與集成應用
      基于MBD模型的統一數據源在設計制造集成中數據傳遞是指利用三維MBD模型 做為唯一制造活動的依據,在產品全生命周期的各個制造部門可以直接利用 MBD 模 型,并行開展工作,利用這種三維 MBD 模型的傳遞模式大大的縮短了數據的傳遞流 程,而且由于三維模型的直觀性,因此相比傳統的串行數據傳遞方式(部門-圖紙-部 門),其傳遞工作效率有著顯著的提高。因此構建統一數據源的MBD模型是建立設計 制造集成數據傳遞的基礎,本文通過集成式工藝設計系統將 MBD 設計模型設計成 MBD工藝模型,然后以MBD工藝模型為核心,將產品全生命周期中工裝設計、產品 制造、數控編程、工藝仿真、產品檢測等一些列活動融為一個整體。圖 2.3 描述了基 于MBD工藝模型在各部門的傳遞模式。
      MBD設計模型
      MBD工藝模型
      工裝設計 產品制造 數控編程 工藝仿真 產品檢測 ……
      圖2.3基于MBD工藝模型的傳遞模式
      Fig.2.3The transmit pattern of process modle based on MBD
      工藝設計集成系統做為連接上游的CAD產品數字化定義與下游的CAM數控編程 仿真的橋梁,在信息集成過程中,CAD、CAPP、CAM三大系統對MBD模型集成信 息數據類型有著不同的要求,CAD系統主要對模型進行數字化定義生成MBD設計模 型,主要是添加模型的幾何設計信息,并添加部分的加工工藝要求等非幾何信息為 CAPP工藝設計服務,CAPP系統根據MBD設計模型上的加工工藝要求與尺寸信息關 聯特征對象添加模型特征的加工工藝信息,并使模型特征關聯工藝以及 PMI 信息。
       
      CAPP 系統最終根據下游相應的集成系統對三維 MBD 模型信息的要求,生成相應的 MBD工藝模型。例如下游的CAM系統直接讀取CAPP系統的MBD工藝模型中的工 藝信息與尺寸信息直接用于數控編程。因此可得到基于 MBD 技術的 CAD、 CAPP、
      CAM信息集成流圖如圖2.4所示。PMI信息為CAD、CAPP、CAM三者之間信息集 成的紐帶,工藝模型中的工藝信息以及關聯的模型特征信息為 CAM 系統數控編程的 基礎。
      工藝模型
       
      圖2.4基于MBD技術的CAD/CAPP/CAM信息集成流圖
      Fig.2.4The information integration flow of CAD/CAPP/CAM based on MBD
      2.4集成系統的數據信息設計
      2.4.1 集成系統的輸入輸出
      作為連接設計與制造橋梁的工藝設計集成系統,其重點功能是根據基于 MBD 的 三維模型,規劃出零件的詳細加工工藝,同時需滿足設計制造集成全三維的要求。因 此工藝設計結果必須生成 CAM 所需的以三維模型為信息載體的加工工藝信息和加工 仿真所需的三維模型以及現場可視化三維工藝文檔。系統的主要輸入為零件的 MBD 三維模型、工藝信息模版、工藝知識。輸出的是零件設計的三維工藝——三維工藝技 術文檔、三維工藝模型信息。其中三維模型信息包括含加工工藝的工藝模型,以及由 工藝模型根據模型用途衍生來的三種模型,即毛坯模型、輕量化模型、精確模型。如 的區別,傳統的CAPP系統以二維工藝圖紙、工藝作業指導書、工藝卡片等紙質化形 式作為信息的輸出結果。由于基于MBD的設計是基于全三維形式,因此CAPP系統 的信息強調的無紙化信息輸出,現將基于 MBD 技術的全三維 CAPP 系統輸出類型描 述如下:
       
      (1)工藝模型 工藝模型是以集成式的全三維模型為對象,將傳統的二維產品設 計信息以PMI形式表達于三維模型中,主要包括產品的尺寸信息、定位信息、公差信 息。并將三維工藝設計的工藝信息負載于三維模型中。以基于統一數據源的三維數字 化模型貫穿于整個設計制造集成中。工藝模型主要用于下游 CAM 系統的三維信息輸 入。
      (2)毛坯模型 毛坯模型對生產工藝規劃以及加工制造仿真及NC代碼的生成有 著至關重要的影響,零件是由毛坯過程經過一系列的切削加工生成的,因此CAPP系 統應能在工藝規劃過程中考慮產品模型的毛坯模型。
      (3)輕量化模型為了提高三維數模在工藝加工中心的傳遞效率,CAPP系統在 工藝設計過程中需給加工制造現場提高工序加工過程中的三維中間狀態,本文采用基 于JT形式的輕量化的中間工序模型表達加工模型的狀態及工藝信息,具體過程詳見下 文第三章 3.5 節內容所示。
      (4)精確模型 三維精確模型主要為后續質監部門在產品質量的檢測過程提供樣 板對比模型,精確模型不僅需要包括產品模型上的詳細的幾何結構及拓撲信息,并能 包含檢測時所需的檢測信息。
      (5)三維工藝文檔 三維工藝文檔作為CAPP系統的工藝文件輸出,是指導加工 生產制造的重要性文件,本文采用基于Web技術的無紙化在線作業工藝文檔以及基于 Excel的車間三維工藝文檔兩種模式,實現工藝過程表述-模型瀏覽-工藝管理于一體化。
      2.4.2MBD數據集
      MBD(Model Based Definition),即基于模型的定義,是用三維實體模型來完整表 達分散在三維模型與二維工程圖樣中的所有設計與制造信息。零件的 MBD 數據集包 括實體幾何模型、零件坐標系統、尺寸、公差和標注、工程說明、材料需求及其他相 關定義數據[28]。MBD數據集組成如圖2.6所示。
       
       
       
       
      Fig.2.6 The constitute of DS based on MBD
      一個零部件產品數字化定義的 MBD 數據集包含精確的三維實體模型,它通過模
       
      型指定的幾何集關聯了產品的三維幾何信息、零部件表信息以及表述一個產品所必需 的尺寸、公差和注釋信息。通過對 MBD 技術的實施,從本質上改變以往以二維工程 圖為主,三維模型為輔的制造模式[29-31],其次由于 MBD 技術不僅包含了幾何信息與 非幾何信息,同時可以包含加工制造所需的工藝信息、材料信息等。因此只需按照工 藝設計制造集成的要求分類管理組織,即能有效滿足基于 MBD 技術的統一數據源設 計制造集成需求。MBD建立的產品三維實體模型如圖2.7所示。
       
      圖2.7 MBD三維實體模型
      Fig.2.7 The three-dimensional entity model based on MBD
       
      2.4.3 工藝信息集成模型設計
      在傳統的二維工藝設計制造集成過程中,產品的工藝信息集成性差,主要表現為 工藝信息的表達二維化,且工藝信息與產品信息關聯性差,模型特征的幾何信息和非 幾何信息與特征的加工工藝信息處于分離的狀態,這對于信息的集成帶來了很大的困 難。而在MBD模式下,以零件的MBD工藝模型做為集成信息的載體,能將工藝模型 中的公差信息、表面粗糙度信息、工藝設計信息分別與三維實體模型中相應的特征有 效的建立關聯關系[32]。工藝信息集成模型對象主要由工序層、工步層及PMI信息、加 工特征信息組成。本文從工藝設計制造集成的角度出發研究工藝設計過程中涉及的集 成信息以及工藝信息與零件模型特征之間的關系。本文建立的基于 MBD 技術的工藝
      信息集成模型,如圖 2.8 所示。
       
       
      轉速 進給
      圖2.8基于MBD技術的工藝信息集成模型
      Fig.2.8 The model of process information integration based on MBD
      通過工藝模型實現工藝信息的集成,主要是指建立工序信息、工步信息、加工特 征與PMI信息之間的集成關聯關系。其中工序層信息為工藝信息的頂層信息,一道工 序信息包含一個或多個工步信息及加工特征。
      工步做為加工制造的最小的單元,工步層包含了設計制造集成的關鍵信息,由工
      序模型生成參數、仿真文件、加工資源與切削參數組成。其中工序模型生成參數定義 為工序模型逆向輔助生成所需要的數據信息,仿真文件為 CAM 系統自動編程所依據 的重要模板編程信息,而加工資源與切削參數為生成加工現場重要的加工數據,記錄 了該工步加工時采用的加工方法、加工設備與刀夾具信息。
      加工特征是由PMI標注和工藝屬性組成,PMI標注定義了該加工特征尺寸信息、 表面粗糙度、定位基準加工要求等信息,并關聯該特征的位置信息。工藝屬性描述了 該特征的加工余量、加工過程、加工方法等信息。加工過程描述為該特征的加工工步 過程。加工特征的PMI標注與工藝屬性信息緊密關聯。通過構建工藝信息模型中信息 之間關聯關系,保證了工藝信息集成的高效性。
      2.5系統開發支撐技術分析
      2.5.1 系統開發環境及工具選擇
      表 2.1 系統開發及運行環境
      Table.2.1System development and operating environment
      序號 軟件 用途
      1 MS Windows XP/Windows 7 操作系統
      2 UG NX7.5 以上 CAD 系統
      3 SQL Server2000 產品工藝基礎數據庫
      4 JT2Go9.0 以上 三維文件瀏覽軟件
      5 Teamcenter9.0 以上 PDM 軟件
      6 3D VIA Composer 工序模型切削過程仿真
      7 Visual Studio2008 以上 與 UG 集成開發工具
      8 Dreamweaver 8.0 基于Web技術的信息管理平臺
      的開發工具
      開發 9 C++語言 UG NX開發語言
      語言 10 Asp;Asp.net;Vbscript 基于 web 開發語言
       
      2.5.2基于UG NX的二次開發技術
      NX 軟件不但具有實體造型、曲面造型以及虛擬裝配等設計功能,而且具有有限 元分析、機構動力學分析和仿真模擬等功能,另外它所提供的二次開發功能強大、便 于用戶開發專用的系統[33]。
      NX Open API是NX提供的一個二次開發工具之一,它可以選擇多種開發語言及 界面設計工具,對于各種開發語言提供了統一的通用的 API 接口。本系統中用到的
      NX Open 的三個個工具為 NX Open Menu Script、NX Open Block UI Styler 和操作記錄 Journaling。其中 NX Open 應用程序中,除 NX Open Menu Script、NX Open Block UI Styler夕卜,還包括應用程序(DLL)和NX Open API庫函數2部分,其中NX Open Menu Script、NX Open Block UI Styler是應用程序與用戶交互的工具,從菜單和工具條可以 啟動應用程序、對話框等,在對話框激活控件時將調用相應的回調函數,應用程序(回 調函數)利用編程語言和NX Open提供的相應的相應應用編程接口進行編碼[34]。
      (1)菜單和工具條:NX Open提供了菜單和工具條開發工具MenuScript,它提供 用戶創建并編輯NX的菜單及工具條。菜單文件擴展名為.men,工具條文件擴展名 為.tbr,這兩類文件放在應用程序目錄的Startup子目錄中。
      (2)對話框:NX Open Block UI Styler可以進行用戶交互界面的定義。從NX6 版本以后NX引入了 Block UI Styler對話框類型的用戶界面,統一了用戶在使用NX 設計工具的體驗oBlock UI Styler支持了豐富的控件種類,在設計好對話框保后保存時, 選擇開發語言為C++,會自動生成與之對應的*.dlx、*.hpp、*.cpp三個文件,用于下 一步的編程使用;其中*.dlx文件放在應用程序目錄的Application子目錄中。
      (3)Journaling即操作記錄,是一個非常實用的工具,雖然利用它將在NX中的 操作編譯成了 DLL或者是EXE文件,但是同樣幫助用戶獲得了一些有用的代碼,不 用再利用大量的時間進行API函數的查詢,大大的提高了編程效率。
      (4)應用程序:編程語言源代碼程序,在Visual Studio集成開發環境中創建、編 輯、編譯連接并運行,生成.dll文件,放在應用程序目錄的Startup,Application或Udo 子目錄中。
      (5)NX Open API 庫函數:默認存放在“%UGII_BASE_DIR%\ugopen” 目錄中。在 創建應用程序時,需要對其進行配置。NX Open應用程序框架如圖2.9所示:
       
      圖2.9 NX Open應用程序框架
      Fig.2.9 The application framework of NX Open
      2.6本章小結
      本章闡述了全三維模式下基于 MBD 技術的船用柴油機零件 CAPP 集成系統總體 方案及設計思路,概述了集成式CAPP系統的需求分析、總體框架與功能設計,并介 紹了 MBD 數據集、基于 MBD 模型統一數據源的信息傳遞與集成應用、工藝信息集成 模型設計以及系統集成開發的支撐技術。
      第3章 基于Web技術的信息管理集成平臺研究
      根據設計制造集成以及企業數字化工藝實施的要求,需要利用Web技術來實現工 藝資源信息的共享、無紙化三維工藝的發布、工藝設計制造集成中信息的反饋、零件 產品的管理等功能要求。本章將從信息管理平臺整體結構以及與工藝設計建立的關聯 關系、實施關鍵技術方面作介紹。
      3.1基于Web技術的網絡化應用
      隨著新世紀的來臨和信息技術的迅速發展,以因特網為代表的信息技術的廣泛應 用,將導致制造企業信息的管理與生產模式產生本質上的變革,企業制造信息化著重 強調信息在整個產品生命周期中能達到信息的共享,以及制造活動對信息的變更能做 出快速的反應。
      當前,基于 Web 的信息技術與制造技術的結合是機械制造技術未來發展的主要方 向之一。制造業信息化的目標是將先進的計算機技術與先進的加工制作技術應用到產 品全生命周期中,使加工制作過程能對信息的變更能做出快速的響應,從而保證加工 制造的高質量與高效率,進而全方位提升企業在信息時代全球化市場競爭中的管理能 力。
      隨著 Web 信息技術應用軟件的開發,信息在 Web 軟件中的傳遞過程與應用始終 離不開客戶端與服務端,因此,基于Web技術開發的軟件與系統主要是采用的客戶端 技術與服務端技術兩大類。
      3.1.1 Web客戶端技術
      Web客戶端的主要作用是顯示信息的內容。其主要設計技術主要包括:HTML (Hypertext Markup Language,超文本標記語言)、Java Applet、腳本程序、CSS (Cascading Style Sheets,級聯樣式表)、DHTML (Dynamic HTML,動態的 HTML)、 ActiveX技術、VRML技術[35]。這些客戶端設計技術構成Web開發的基礎,現描述如 下。
      HTML 和 DHTML 是構成 Web 頁面的主要工具,其中 DHTML 是構成動態的 HTML頁面的基礎,使用戶只需在瀏覽器的支持下,獲得更好的動態信息與更高的信 息顯示效果。
      Java Vapplet,即Java小應用程序;而腳本程序則是嵌入在HTML文檔的程序, 用于編寫腳本程序語言主要有JavaScriprt和VBScript。在Web開發過程中,采用Java 程序可提供動畫、音頻和音樂等多媒體服務。而腳本程序可動態的創建頁面,大大的 提高用戶與Web頁面之間的交互性,同時易于使用、變量類型靈活和無需編譯。保證 了信息的顯示的高效性。
      CSS技術應用主要是提高開發者信息顯示格式的控制,VRML技術的應用則是使 Web技術頁面從靜態的二維向三維轉變,VRML是一種基于本文的語言,可應用于任 何平臺,方便了用戶對虛擬世界的理解。而ActiveX技術的使用,可保證在Web頁面 中能插入多媒體效果、交互式對象以及復雜程序。其主要是提供了快速在 Internet/Intranet創建程序集成和內容的方法。是Web頁面從靜態二維化向三維動態的 實現技術的基礎。
      3.1.2 Web服務器技術
      基于Web的應用軟件中服務器端的開發技術主要為:ASP (Active Server Paper)> PHP、JSP等。本文開發的基于Web技術的信息管理集成平臺采用的開發技術為ASP 技術。ASP的主要特點是能結合很多的Web元素,如腳本程序、HTML頁面、各種應 用組件等于一體,形式一個運行于網站服務器的應用程序,把大部分的數據處理代碼 放在服務器里處理,然后把結果以靜態頁面HTML的形式發送給瀏覽者,這樣大大的 提高了瀏覽者的訪問速度[36]。
      ASP工作原理是當用戶向瀏覽器地址輸入網址,默認頁面的擴展名是.ASP,此時 瀏覽器向WebServer (IIS服務器)發出請求;IIS服務器引擎開始運行ASP程序,ASP 文件按照從上到下的順序開始處理,執行腳本命令,執行HTML頁面內容;如果有訪 問數據庫的請求,ASP的內置ADO組件訪問數據庫服務器中的數據庫;最后把執行 結果發送于客戶端的瀏覽器。
      由于ASP腳本集成與HTML頁面中,無需編譯,而且ASP能很好的結合腳本程 序,不僅易于使用JavaScriprt和VBScript語言進行頁面功能設計外,還能方便的定制 ActiveX組件及第三方插件,開發人員能有效的植入動態的Web頁面于開發系統中, 因此采用ASP技術開發信息管理集成平臺是本文最佳選擇。
      3.2基于Web的信息管理集成平臺架構設計
      3.2.1基于Web技術下的產品制造信息在集成過程中的作用
      基于Web平臺技術的產品制造資源信息是依托基于MBD產品三維工藝設計制造 集成框架下不可或缺資源,它是將產品制造資源信息數據管理及數據應用充分融入到 數字化工藝設計過程中的每個環節中。產品制造資源信息包含了企業加工一個零件所 需要全部信息,包括機床、刀具、標準工藝、工藝準則等。這些信息是 CAPP、CIMS、 NC 等系統所需的最底層制造資源,而且也是工藝設計、面向生產制造計劃、控制產 品生產質量的重要的數據信息依據。隨著當前網絡化技術的快速發展,通過建立基于 網絡化的產品制造信息資源管理平臺,一方面可以對數字化工藝設計過程中所需的制 造資源及工藝信息進行統一的分類管理,方便工藝設計部門、生成管理部門有關人員 進行信息的查詢與管理。另一方面,通過構建的網絡化環境,可實現產品制造過程中 設計人員、工藝人員以及制造人員對資源信息的有效共享,因此,基于Web技術的信 息管理能為數字化設計制造集成過程中,對制造資源信息的有效獲取、應用提供了良 好的平臺條件。
      3.2.2基于Web平臺的資源信息與工藝設計系統集成架構體系設計
      基于產品三維模型的設計制造集成技術研究一直是當前復雜的系統工程,其中工 藝制造資源信息的集成是解決的集成過程中關鍵技術問題,本文采用Web技術構建產 品/資源信息管理與共享平臺,支持設計人員與工藝人員以及制造人員在對信息的共 享。支持基于 MBD 技術的工藝設計過程中對工藝資源信息的訪問與利用。信息集成 總體框架如圖3.1所示,該框架總體上包含了前文第二章中基于MBD技術的設計制造 集成中的工藝設計部分,以及內嵌于集成系統中的基于Web技術的用于信息管理與共 享平臺。框架中基于MBD技術的工藝設計部分內容詳見第二章,此處不再闡述。
      基于 Web 技術的產品/資源信息管理與共享平臺采用平臺接口技術內嵌于集成框 架下的工藝設計系統中,最底層為數據支撐層,主要包括web平臺的所以信息的數據 庫,包括加工特征庫、工藝知識與準則庫、工藝資源設備庫等。平臺建立規范的管理 規則將平臺數據反饋到系統中界面中,其中這些數據包括了企業常用的機床、刀具、 量具等數據;企業車間的材料車間人員信息;以及常用的工藝知識、工藝準則,工藝 評價要求等。這些數據是企業多年積累的工藝制造加工的經驗,對于工藝設計人員在 利用集成系統進行工藝設計規劃起到了非常重要的向導作用。
       
       
       
      圖3.1基于web技術下的信息資源與工藝設計系統集成架構體系
      Fig.3.1 The integration framework between information resources based on web and process design
      system
      基于Web技術的產品信息與資源信息管理平臺內嵌于工藝設計集成框架系統中的 優點在于:
      (1)將產品信息與資源信息通過獨立的平臺的進行統一的管理和集中存放,有效 的減輕了集成工藝設計系統在信息管理方面的壓力,能顯著的提高集成工藝設計系統 的運行效率,同時,信息管理平臺采用的內嵌于集成工藝設計系統中的方式,能有效 的為集成工藝設計系統提供工藝設計所需的信息數據,從而保證工藝設計系統對信息 數據的要求,工藝設計系統可利用這些信息數據,將工藝數據添加到產品三維模型中, 形成三維工藝模型,大大提高了設計制造過程中對信息的使用效率,同時有效的保證 了工藝資源信息能在整個集成過程中實現共享。
      (2)通過 Web 技術建立的信息管理平臺不僅便于信息的管理,同時建立的 Web 技術的平臺易于實現設計制造集成的協同,另外平臺提供了對功能的擴展。企業各個 部門可在大的集成平臺下根據用戶的實際需要進行功能的擴展。例如生產加工過程與 車間物料的管理等。
      3.3基于Web信息管理平臺的應用與開發關鍵技術
      3.3.1基于B/S模式的應用開發技術
      當前隨著軟件開發模式及相關技術的不斷的發展與完善,基于瀏覽器/服務器模式 (Browser/Server,簡稱B/S模式)的開發模式越來越受到人們的重視和應用,該開發 模式的主要由用戶層、Web服務器層、數據庫服務器層組成,三者之間一般由網絡支 撐環境(Internet/Intranet)有機的連接在一起。由于該開發模式有效的結合了軟件復用 的思想,能大大的減輕開發的工作量與降低用戶開發成本。B/S模式的系統開發工作 原理圖如圖 3.2所示。
       
      圖3.2基于B/S模式的系統開發工作原理
      Fig.3.2 The principle technology of system development based on B/S
      B/S模式下的客戶機只需安裝瀏覽器軟件,如Windows XP內嵌的IE即可,無需開發 前端應用程序,中間層的Web應用服務器,如Microsoft公司的IIS等是連接前端客戶 機和后臺數據庫服務器的橋梁,主要的數據庫計算和應用都在此完成,因此對中間層 服務器的要求較高,中間層的web服務器需要安裝SQL Server 2000客戶機的連接部 分以能夠連接SQL Server2000服務器。后臺數據庫服務器主要完成數據庫的管理。本 文采用該開發模式結合其本身的優勢,能有效的實現功能業務的擴展,對于系統的升 級與維護提供了方便,同時采用網絡支撐環境,可實現多用戶異地對系統信息數據的 訪問與同步更新,達到信息的共享與Internet無縫集成。
      3.3.2基于Web技術的信息管理平臺與集成系統內嵌交互控制
      基于 Web 平臺的產品/資源信息管理平臺與工藝設計集成系統的內嵌交互控制是 通過集成系統中的資源條處理工具來實現的,主要包括對Web信息管理平臺的注冊、 調用、共享等控制模式。
      對于Web信息平臺的注冊是指將信息平臺內嵌入工藝設計集成系統中,為工藝設 計過程服務,注冊的過程分為二種方式,一種是在系統的底層實用工具中,將基本環 境中的用戶界面添加Web信息管理平臺的主界面鏈接;另一種是在工藝設計集成系統 中將資源工具條切換 Internet Explorer 模式,將 Web 信息管理平臺的主鏈接添加到腹 板中Open信息框中完成注冊。當Web信息管理平臺注冊成功后,工藝人員在工藝設 計系統界面中需要調用時,將工具資源條中切換成Internet Explorer模式,登入進入即 可查看工藝資源信息。平臺的開發模式是采用基于B/S開發的,在平臺構建及測試過 程中,將站點測試中的 URL 更改成本地開發服務器的 IP 地址。集成平臺中的 CAD/CAM 系統在其系統中按照上述注冊過程,可以通過網絡進行遠程訪問,以達到 信息共享的目的。
      3.4基于B/S模式的產品與信息管理結構樹
      3.4.1基于數據庫的工藝資源結構樹設計
      工藝資源結構樹是資源類以及其組成(類型、對象、型號)的層次關系的描述, 總節點一般代表資源類,中間各個節點分別表示類型或對象,葉節點表示型號。因此 具體的工藝資源圍繞資源類結構展開,這樣可有效的管理工藝資源的從屬關系。由于 基于B/S架構的CAPP系統特殊性,無法實現像基于C/S結構的軟件的右鍵功能,因 此用戶可直接點擊某一類型的工藝資源節點即可進入查看該節點對應的工藝資源的詳 細信息,本文采用循環遞歸思想,采用控制父節點標識ParentID的遞歸化重構的設計 方法實現基于數據庫的 B/S 工藝資源結構樹。遍歷數據庫工藝資源信息生成結構樹算 法如圖 3.3 所示。工藝資源數據結構表 3.1 所示。
       
      Fig.3.3 The ergodic algorithm of process resources structure tree
      表 3.1 工藝資源信息數據表結構
      Table.3.1 The structure of process resources information table
      字段 數據類型 備注
      ID int 自動編號(主鍵)
      Text nvarchar 資源名稱
      ParentID int 父節點標識
      URl nvarchar 鏈接工藝資源詳細信息
      Target nvarchar _Blank _Parent
      本文基于Web技術構建制造工藝資源信息管理模塊,采用基于結構樹的管理方式。 對工藝設計過程中的制造資源信息進行有效的分類管理。并內嵌于設計制造集成系統 中,實現三維模型的共享和集中可視化,用戶人員能快速找到所需的工藝資源,便于 工藝人員按照自己的設計思想選擇可利用的工藝資源信息。 在工藝資源管理制造工藝資源結構樹的部分實現代碼如下所示:
      // 文件名:demobd.asp //
      <!--#incldue file=”clsTreeView2.asp”-->
      <% Dim objTV,strConn> ‘定義變量
      strConn=”Provider=SQLOLEDB;Data Source=(local);Initial Catalog=capp;
      User ID=capp;Password=***,” ‘設定平臺數據庫的路徑
      Set objTV=New TreeView ‘創建工藝資源結構樹類的實例
      Call objTV.LoadFromDB(strConn,”pro_resource”) ‘加載制造工藝資源數據表,并生成結構樹
      ObjTV.Display ‘顯示結構樹
      Set objTV=Nothing ‘清空緩沖 %>
      3.4.2基于XML的產品結構樹設計
      XML (Extensible Markup Language,可擴展標記語言)技術起源于Web中半結構 的標記語言,XML文檔格式的管理新可以很容易地通過HTTP協議傳輸,由于HTTP 是建立在 TCP 之上的,故管理數據能夠可靠傳輸。其應用范圍從早先的 Web 信息描 述,發展到后來的數據交換的開發標準,乃至目前的服務集成和服務交互的開發技術 [37]。
      由于當前企業數據信息龐大,數據格式各不相同,給企業的信息交換與共享帶來 了不便,因此對于如何實現異構數據間的集成與共享,是制造信息化的一個關鍵性問 題。然而在網絡化制造模型下,利用XML語言本身的可擴展性好、可被HTTP協議 所攜帶,易被Web瀏覽器自帶的解析器解析等優勢。使用XML技術可將不同數據格 式的數據進行轉換,較易實現數據交換的目的[38-39]。
      CAD/PDM 系統導出的 BOM 數據經數據轉換接口生成 XML 格式標準的中性文 件,工藝資源管理系統接收XML數據文件并形成產品結構樹。XML表達的產品結構 樹文件經過Web系統平臺數據接口的導入,即可使產品結構樹在系統中實現重構,重 構產品結構樹的部分實現代碼如下所示:
      // 文件名:demoxml.asp //
      <!--#incldue file=”clsTreeView3.asp”-->
      <% Dim objTV,strConn> ‘定義變量
      strFilePath=”sample_menu.xml” ‘設定要導入產品結構樹的XML文件的路徑
      Set objTV=New TreeView ‘創建產品結構樹類的實例
      Call objTV.LoadFromXml(strFilePath) ‘加載導入的XML文件,并生成產品結構樹
      ObjTV.Display ‘顯示產品結構樹
      Set objTV=Nothing ‘清空緩沖 %>
      3.5基于MBD模型的可視化技術
      通過研究發現,經過處理的輕量化的JT三維模型中可包含設計制造各個部門所需 的不同類型的數據信息,因此 JT 模型可為產品生命周期中的參與者提供正確數據來 源,特別在三維工序模型的傳遞時,經處理生成輕量化模型可大大提高工序模型的傳 輸效率。
      JT是一種專門為行業協同制定的一種文檔格式,具有高性能、輕便和柔性的特點, 用于捕捉三維產品定義(CAX )數據,并對讓其實現一檔多用的目的,從而在整個延 伸企業內實現協作、驗證和可視化操作。事實上,JT已經成為汽車行業標準的三維可 視化格式,并且是航天航空業、重型設備以及其它機械 CAD 領域中最重要的三維可 視化格式。 JT 格式具有功能強大、可流動和可延伸的特點。它含有最好的壓縮功能, 結構緊湊,表述高效。有整套可視化應用程序為JT提供支持,而這些可視化應用程序 被集成在世界領先的產品生命周期管理系統之中。
      在基于 MBD 的船用柴油機關鍵集成系統中模型保存時,在保存方式中選擇 “保 存JT數據”、“保存圖紙的CGM數據”和“保存數據用于快速回滾和編輯”,可方便操作 人員快速預覽模型,同時修改NX7.5安裝目錄下的tessUGconfig文件中有關PMI的 設置。
      這樣可使JT模型中可以包含PMI信息,以便可以查看模型中的PMI信息。可視 化的PMI信息可以為工藝現場和CAM環節提供服務,使得他們不再需要嚴重的依賴 二維工程圖紙,同時,通過綜合性的三維批注功能,即可實現產品在整個設計制造集 成過程中進行信息交流與共享。
      3.6本章小結
      本章對內嵌于工藝設計集成系統的產品/資源信息管理平臺的設計及主要開發技 術進行詳細的闡述,主要分析了采用基于 Web 技術的產品/資源信息管理平臺在工藝 設計集成系統中的作用以及架構設計,重點講解了信息管理平臺實現的關鍵技術,包 括基于B/S的應用開發模式、基于數據庫與XML技術的結構樹實現、MBD模型的可 視化技術,以及信息管理平臺采用的內嵌于工藝設計集成系統的接口控制技術。這些 關鍵技術的應用有效保證了工藝設計集成系統能利用三維 MBD 模型進行數字化工藝 設計。
       
       
      第4章 基于MBD的集成式CAPP系統關鍵技術研究
      基于 MBD 技術的全三維設計制造集成的水平高低很大程度取決了系統采用何種 三維工藝設計模式,以及根據三維工藝規劃信息能快速生成三維工序模型。一方面合 理的工藝設計方式和三維工序模型生成是保證了下游的 CAM 系統加工仿真的信息數 據主要來源,另一方面,三維工序模型數據為加工執行現場的三維可視化提供了依據 本章對系統的工藝設計和工序模型生成功能進行了闡述,提出了特征工序分組的設計 模式和以面向機加工方法的三維工序模型逆向輔助生成方法。通過建立加工工藝信息 與建模信息之間的映射關系,以及將船用柴油機關鍵件以加工方法與特征類型進行分 類,有效的將零件的加工工藝過程轉換為模型建模操作過程。使三維工序模型的自動 創建成為可能。
      4.1基于統一數據源的集成式工藝設計
      4.1.1基于特征工序分組的工藝設計過程
      在MBD制造新模式下,三維數字化工藝設計是以三維數模作為唯一的制造依據, 工藝設計的結果同樣以三維模型為依托,本文通過采用“特征工序分組”將工藝信息數 據設計于模型中,實現工序-特征-工藝-模型四者之間的有效關聯,并解決了基于統一 數據源的設計制造集成問題。
      按照下文提到的特征工序分組的原則,通過將模型特征和與模型特征相關的 PMI 設計參數及尺寸進行分組,不僅可將模型上相似的特征工序合并成組,并能將與特征 相關的PMI信息關聯,形象描述了實體模型的尺寸、公差以及工藝信息。以船用柴油 機關鍵件為例,特性工序分組如圖 4.1 所示。
       
      為了滿足基于統一數據源的 CAD/CAPP/CAM 設計制造集成的要求,本文結合的 “PMI屬性標簽定義法”和基于特征工序分組進行全三維工藝設計。利用CAD系統提供 MBD模型,通過全三維工藝設計生成的三維工藝模型可直接提供CAM系統進行數控 編程與制造仿真。基于特征工序分組的工藝設計流程如圖4.2所示,首先載入MBD模 型并定義加工工藝屬性信息(包括加工工步、方法、加工位置、余量、特征類型、刀 具信息、切削參數及機床信息),然后分析模型特征信息進行特征工序的分組,其次根 據特征工序分組信息加載工藝模板種子,利用工藝模板種子信息分別規劃特征工步與 工序參數信息,若特征工序信息未規劃完成則繼續加載工藝模板種子直至工藝設計完 成,生成的三維工藝模型包含了模型的設計信息與工藝信息,可同時滿足 CAM 系統 與工序模型生成的要求。
       
      圖4.2基于特征工序分組的工藝設計流程
      Fig.4.2 The process design based on feature process group
       
      4.1.2 工藝屬性信息的定義
      為了實現基于統一數據源的全三維設計制造集成,傳統的工藝信息基于數據庫模 式已經不能滿足要求,因此本文采用基于UG的工藝屬性信息的定義方式,工藝屬性 信息是指完全按照工藝設計與加工制造對零件工藝的要求,確定三維工藝模型所需的 工藝信息數據集。
      CAPP系統工藝屬性的定義是保證基于統一數據源的工藝設計及CAPP/CAM系統 集成的前提,CAPP系統定義的工藝屬性信息一方面為工藝設計服務,另一方面為CAM 系統服務。因此工藝屬性信息定義不僅包括上述CAPP與CAM集成的工需的工藝屬 性(加工工步、方法、刀具、進給、余量等信息),同時需滿足CAPP系統對三維工序 模型創建的需求,例如對特征類型的定義。另外還包括 CAM 系統對加工仿真制造的 要求,例如程序名稱、模板名稱。基于統一數據的CAPP/CAM集成的工藝屬性類型如 表 4.1 所示。
      表4.1基于統一數據源的CAPP/CAM集成的工藝屬性類型
      Table.4.1 The process attribute type of CAPP/CAM system based on the only data source
      CAPP 獨有的屬性信息 CAPP 與 CAM 共需的屬性信息 CAM 獨有的屬性信息
      當前工步 加工方法
      余量 刀具 程序名稱
      特征類型 刀具直徑 機床
      轉速 進給 模板名稱
      工步id號
       
      4.1.3 特征工序分組原則
      產品設計部門設計的MBD三維模型上的PMI信息一般是處于游離的狀態,對于 三維工藝設計來說比較困難,因此需要工藝部門從工藝的角度將產品模型的PMI信息 關聯的特征以尺寸、公差信息等進行特征工序分組,以滿足基于全三維的工藝設計的 要求。基于特征工序分組的的分組原則主要考慮到分組順序與分組要求的原則。
      (1) 分組順序主要是指從工藝加工與工藝設計的角度考慮,在工藝上主要考慮特 征的先后加工順序的問題。需要全面考慮以下幾點:
      1) 基準面特征優先分組,考慮到零件特征的實際加工中加工定位的要求,必須把 基準面特征先分組,然后考慮其它特征。例如在加工外圓面時,一般以端面為加工定 位基準,因此需把端面特征優先分組。
      2) 主特征優先分組,主特征是指相對位于主特征上的輔助特征而言,例如,面特 征優先分組,位于面特征的孔、鍵槽、螺紋。凹槽等后分組,因此這些輔助特征必須 在主特征分組后進行分組。
      3) 非破壞性約束特征優先分組,非破壞性約束特征指后加工的特征不能破壞前面 操作所形成的特征,例如,外圓表面加工倒角和螺紋時,倒角一般需在螺紋加工前進 行,因此倒角必須先分組。
      (2) 分組要求主要是從模型特征的特點和特征涉及的關聯尺寸的角度出發,以及 特征的加工時間與加工經濟上考慮,分組要求的內容主要需要全面考慮以下幾點:
      1) 約束特征工序集中分組;主要考慮工序集中的原則,例如相同類型的對稱特征, 或者需要使用同一種刀具加工的約束特征,應該考慮安排在同一個特征工序分組中。
      2) 特征分組加工盡量減少機床更換次數;零件含有多種不同類型的特征,以及每 個特征的加工要求不盡相同,加工過程中需要使用幾種機床或某種機床,但是,更換 機床的時間和次數會增加加工時間,不利于生產效率的提高,因此,特征工序分組時 需考慮將相似特征加工安排到同一工序分組中,以減少機床的更換次數。
      3) 特征分組加工考慮減少換刀次數、裝夾次數;換刀次數和裝夾次數會影響到零 件的加工時間,因此換刀次數和裝夾次數是特征工序分組的重要的因素,例如,對于 同一大小不同位置的的孔類特征,一般使用同種刀具,應在同一特征工序分組中,對 于位于同一空間平面的不同特征加工面,一般在一次裝夾中可完成多個面的加工,為 了減少換刀次數,需將這類加工特征面分在同一特征工序分組中。
      4)尺寸公差關聯的多特征需分布在同工序分組中,產品零件 MBD 模型中,部分 尺寸信息關聯多個特征、以及同類型的多特征粗糙度信息一致,此時應將這些特征分 組在同個工序分組中。
      4.2船用柴油機三維工序模型逆向生成技術
      隨著數字化技術的飛速發展,面向加工制造現場的三維工序模型的快速生成是數 字化工藝設計的基本要求,這也是三維CAPP與傳統二維CAPP的最大的區別,即以 三維工藝模型替代傳統的二維工程圖的方式,做為產品加工過程中的唯一的制造信息 數據源[40-42]。從工藝設計過程的習慣的角度出發,工序模型的生成方式主要可劃分為 正向和逆向。
      (1) 正向工序模型生成過程指在零件設計好的情況下,根據零件毛坯模型及每個 工序加工要求,由設計人員重復零件的建模過程而得到,這樣不僅增加了設計人員的 工作量,而且大大降低了工序模型生成的效率。萬能[43-44]等人提出了信息映射下的三 維工序模型輔助生成方法,該方法采用正向生成工序模型,通過將設計特征與加工特 征建立映射關系的情況下,通過特征參數化建模來去除毛坯中的特征材料,生成中間 工序模型,該方法不具備通用性。
      (2) 逆向工序模型生成以零件最終設計模型出發,根據零件的工藝,在零件模型 上添加模型材料以派生出零件的工序模型直至零件的毛坯的過程。該方法符合傳統的 工藝設計過程,更易理解。其中文獻[45]采用特征回退技術、關聯復制以及常規的幾何 建模等驅動生成工序模型的方法,該類方法主要針對產品模型簡單的零件,對于復雜 結構的柴油柴油機零件工序模型生成質量很難保證。文獻[46]采用基于數據庫的工藝設 計方式和三維工序模型逆向生成方法,工藝設計過程仍采用傳統的二維設計方式以及 三維工序模型生成過程的繁瑣,完全不符合數字化全三維設計制造集成的要求。因此 本文結合全三維工藝設計技術并采用逆向工序模型生成方式符合數字化設計制造集成 的要求。
      4.2.1逆向生成中間工序模型問題求解描述
      中間工序模型是指產品從毛坯原材料形態到最終成品的過程中反應零件模型中間 加工過程所對應的模型狀態[47]。三維工序模型形象地表達了零件從毛坯到成品的生產 加工制造過程中各工序動態變化,基于 MBD 的中間工序模型可以清晰的表達該工序 內容、工序基準、加工要求、檢測要求等用于數控編程、加工仿真與質量檢測的信息 [48-50]。
      o
      零件中間工序模型的創建過程中,零件的本道工序的工序模型是由后一道工序的 工序模型通過建模操作得到,因此工序模型之間存在著前后的排序關系。本文將有關 中間工序模型定義如下:
      定義1三維中間工序模型表示為n元序組
      < PMn,PMn-1,.. .,PMk,.. .,PM1 >=<< IPM > ,PM1 > (4.1)
      定義2假設中間第k道工序含有Sk個加工工步,則稱第k道工序中各工步對應的模型 為工步模型,可表示為集合
      PMk={PMSkk,...,PMkj,..,PM1k} (4.2)
      其中,PM1表示零件的毛坯模型,PMn表示零件最終的設計模型,PMk表示第k 道工序對應的工序模型,IPM表示零件到毛坯過程中的中間工序模型,PMk表示第k道 工序下第j個加工工步對應的工步模型。
      由上述定義可知:假定某零件的加工工藝過程含有n道工序,則會形成n-1個中 間工序模型。中間工序模型逆向創建是由給定的最終零件設計模型派生而成,因此工 序模型PMn是繼承了零件的設計模型,毛坯模型繼承了工序模型PM1的模型,同理, 如果第K道工序含有m個工步,則工步模型PMk繼承的是工序模型PMk的模型。因 此可知在工序模型的逆向生成過程中,中間工序模型之間的關系如下圖4.3所示
       
      圖4.3零件模型到毛坯模型演變過程中中間工序模型之間關系
      Fig.4.3 The relationship between the intermediate process model from part to workblank
      零件模型的設計過程可看作從毛坯切除材料的過程[51-52],假定Rk表示零件第k道 工序第j個加工工步去除的材料模型,則零件設計模型的整個過程數學模型如下:
      n Sk
      PMn = PM1-工 工 Rk (4.3)
      k=1 j=1
      其中n表示零件的總工序數,Sk表示第k道工序的工步數,由4.3式以及中間工序模型 定義1可得到零件的第k道工序的工序模型的逆向求解表達式:
      n Sk+1
      PMk = PM. + 工 工 RjL (4.4)
      i=k+1 j=1 上式 4.4 就是求解某道中間工序模型的逆向生成原理的數學表示,其中求解中間第 K 到工序模型時,模型材料的添加應從第 K+1 道工序模型開始,。由定義 2 可知,如果 零件的某中間工序模型是采用機加工方法得到,則對應的加工過程中切削材料模型部 分Rk工0 ;反之,零件的某中間工序模型是通過輔助工序(熱處理、檢驗等)得到, 則不存在切削材料模型部分,此時Rk = 0。
      4.2.2基于信息映射的工序模型逆向生成原理
      加工工藝信息可描述為由加工方法、加工的軌跡線、工序余量等組成,其中加工 方法可定義如下:
      定義3加工方法m元序組記為
      Mach= <M1,M2,...,Mk,...,Mm> (4.5)
      其中Mach為機加工的加工方法,以零件加工的工步為對象進行組織,包括車 (Tur)、銑(Mil)、磨(Pla)、刨(Gri)、孔加工(Hol)等。加工軌跡線是指加工時刀具在模型 上留下運動的軌跡(例如車加工時,刀具在模型上留下的運動軌跡為圓周型軌跡線)。 工序余量為上一道工序模型與本工序模型之間的加工變化量。
      建模信息描述為建模操作組(MODL)、建模特征對象、建模參數。建模操作組是 指建模過程對零件模型采取的一系列動作,包含了拉伸(Ext)、刪除(Del)/抑制(sup)、 偏置(Off)、重構(Ref)。而建模草圖特征是在建模過程中的二維草圖特征,對應著 加工特征。建模參數是對模型建模指定修改的尺寸量,對應著工序余量。
      由于船用柴油件關鍵件體積龐大,各加工特征形狀各異,在逆向工序模型生成過 程中,加工方法與建模操作組之間涵蓋了一對一、一對多的多重映射關系,在建立映 射的過程中,加工方法與加工特征分類不同對應著不同的映射。加工特征的分類如下 圖 4.4 所示,下面以船用柴油機關鍵件的特征與加工方法說明和建模操作組之間的映 射關系,主要分為以下幾種映射關系:
       
       
      Fig.4.4 The feature class of marine diesel engine part
      車加工的運動軌跡為回轉運動,而車加工的軌跡線形成的特征區域的不同與模型 建模特征采取的操作映射有所不同,以船用柴油機常用零件的特征區域類型的不同而 劃分為以下三種車加工特征。
      (1)含軌跡線特征:主要指車加工過程中模型上保留車加工形成的軌跡線區域特 征,(如圖4.4a所示),映射為建模操作中的偏置。
      (2) 圓環形特征:主要指模型上的環形的特征,一般不含軌跡線區域特征,(如 圖4.4b所示),映射為建模操作的重構。
      (3) 其它特征:其它通過車加工的復雜特征,映射為建模操作的拉伸。 銑加工主要是針對特征面采取的平面去除材料的過程,根據關鍵件的特征銑加工
      分類,主要以下兩種特征。
      (1) 表面特征:主要指模型上普通的表面的特征,(如圖 4.4c 所示),映射為建 模操作的偏置。
      (2) 復雜面特征:模型上一些不規則的復雜特征面,(如圖 4.4d 所示),映射為 建模操作的拉伸。
      孔加工是船用柴油機常用零件所采用的最普遍的加工方法之一,其加工特征的分 類情況主要包括以下三種:
      (1) 貫穿多特征孔:主要指貫穿在模型上的多個特征孔,(如圖 4.4e 所示),一 般是通過多個工步加工生成,映射為建模操作的拉伸。
      (2) 普通特征孔:主要指模型上的各類普通孔,(如圖4.4f所示),列如,螺紋孔、 通孔,映射為建模操作的刪除/抑制。
      (3) 其它特征孔:除上述的其它的孔類,列如不規則臺階孔,映射為建模操作的 重構/拉伸。
      磨削和刨削的加工與銑削的加工方式類似,映射為拉伸和偏置操作,按照上述所 建立的映射基礎上建立映射約束,保證構建以面向加工方法的輔助工具系統,方便工 藝人員快速的創建中間工序模型。
      本文通過構建的加工方法與建模操作的對應關系,將每種加工方法與對應的輔助 生成工具建立關聯關系,并將二者進行封裝,使的零件的工序模型的創建能以面向加 工工藝信息為出發,從零件的設計模型為工序模型創建起點,一步一步在輔助工具的 幫助下派生出零件中間的模型狀態,直至零件的毛坯狀態。中間工序模型的逆向生成 過程如圖4.5所示。
       
      Fig.4.5 The reversal generate process of intermediate process model
       
      4.2.3零件工藝結構與工序模型輔助工具匹配關系
      在零件的全三維工藝設計過程中,零件的加工工藝結構以結構化形式組織,為滿 足工序模型的生成及后續集成制造過程提供信息支持的要求,零件工藝結構以三層樹 狀結構形式組織,第一層次為加工工序的概念,該層主要考慮實際車間調度和加工效 率的問題;第二層次為工序下加工特征的概念,該層指出零件工藝流程以加工特征為 最小單元,工藝加工特征與模型對應特征部位關聯;第三層次為特征對應的加工工步 概念,一個加工特征對應一個加工工步,該層信息包含加工特征的特征類型、加工方 法、余量信息。系統根據加工特征的特征類型與加工方法匹配得到對應工序模型輔助 生成工具,零件工藝結構與工序模型輔助工具匹配關系如圖 4.6 所示。零件工藝加工 流程樹狀上下順序表示零件的加工工序順序,每個工序包含該道工序所需加工的加工 特征信息。逆向工序模型生成過程中從工藝流程樹中自下而上得到工序模型輔助生成 工具。
      零件加工工藝流程
       
       
      -加工特征n
      圖 4.6零件工藝結構與工序模型輔助工具匹配關系示意
      Fig.4.6 The matching relation between process structure and the process model auxiliary means
      4.2.4船用柴油機關鍵件的工序模型逆向生成流程
      本文在零件各中間工序模型創建過程中采用UG的WAVE技術確保各中間工序模 型的關聯性,當某個中間工序模型發生修改時,后續的工序模型會自動的更新。工序 模型逆向生成流程如圖 4.7所示。工序模型逆向生成過程主要分為四步工作:
      (1)確定零件模型的加工工藝過程:從零件設計模型出發,根據前文所述的基于 特征工序分組的方法,通過加載特征工藝模板種子進行三維工藝設計,設計出零件每 個加工工序的加工特征、每個工序下的特征的工步信息。
      (2)確定相應的生成工具:根據上步工藝設計內容,以工步信息為單元,利用上 文所述的方法,加載每個工步的所需輔助工具。
      (3)確定特征與建模參數信息:a:根據上步所匹配的生成工具,通過遍歷特征 屬性關聯內容,自動獲取工步關聯的模型特征部位.b:同理遍歷工藝屬性信息,自動獲 取余量信息,余量信息即轉換成建模參數(例如,銑削加工面時,加工余量值轉換過 來的拉伸面的距離值即為建模參數值,而車端面大小時,建模參數由工步信息加工后 端面直徑值轉換為重構端面直徑值得到)。
      (4)生成工序模型:根據上一步的操作,自動生成建模操作并隱藏無關尺寸,將 特征的一些設計尺寸修改成工序尺寸即可得到中間工序模型,并判斷生成的工序模型 是否合理,如合理則結束本道中間工序模型的創建,不合理則反饋到第二步直至工序
      模型創建合理。直至零件所有的工序模型創建完成;在零件各中間工序模型創建過程 中采用UG的WAVE技術確保各中間工序模型的關聯性,當某個中間工序模型發生修 改時,后續的工序模型會自動的更新。
      開始
      零件設計模型
       
      圖4.7工序模型逆向生成流程圖
      Fig.4.7 The flow chart of process model generate by reverse
      4.3工序模型逆向自動化生成實現關鍵技術
      4.3.1 特征位置的自動獲取
      三維工序模型的自動化生成技術一直提高數字化制造水平過程中急需解決的一項 技術難點,究其原因主要是數字化設計制造集成水平不高,工序模型的生成過程不能 直接利用零件的工藝信息,以及根據提供的工藝信息不能直接改變三維模型生成指定 的工序模型,這些技術難點是阻礙數字化制造集成發展的關鍵問題。
      本小節按照前文所述的工序模型逆向自動化生成的流程與方法,將詳細的分析工 序模型自動化的生成的關鍵技術之一,即特征位置的自動獲取。當前開展基于 MBD 技術的設計制造集成技術的研究,最基本的出發點是產品零件的 PMI 信息,零件的 PMI信息模型包含了多種實體信息,該信息模型完全符合實體屬性聯系方法,即E-R
      (Entity-Relationship Approach)模型。該信息模型是研究PMI信息模型以及組成要素 之間關系的有效方法。
      本文零件的工藝信息采用了以“組”為單位的樹狀工藝結構樹,零件工藝總體可分 為總體組屬性信息和PMI屬性信息。總體組屬性信息是對整個零件的工藝描述,主要 包括零件的工序信息、PMI分組信息等。PMI屬性信息是指具體描述某個PMI信息包 含在模型上的信息,包括 PMI 尺寸類型、關聯特征、特征位置、尺寸數值等。依據 E-R方法,將上述包含的組屬性和PMI屬性構建零件工藝實體E-R圖見4.8所示:
       
      Fig.4.8The E-R image of part process entity
      通過構建零件工藝組屬性和PMI屬性之間的關聯關系,工序模型輔助生成工具通 過遍歷零件工藝,自動獲取組屬性信息,從而訪問組屬性下PMI屬性信息,進而得到 特定的PMI信息所關聯的特征位置、尺寸信息等。通過以上自動遍歷過程得到建模操 作對象。
      4.3.2 余量參數的自動獲取
      由前文中可知,零件的余量參數信息在工序模型建模中直接映射為建模過程中的 建模參數,余量參數的自動獲取過程為對工藝信息的直接遍歷,通過遍歷工序組中的 工藝信息而獲得。因此工序模型輔助工具自動獲取余量參數比獲取特征位置相對較容 易,實現余量參數的自動獲取部分代碼如下所示:
      Group *gro=dynamic_cast<Group *> (obj[0]); NXString y;
      std::vector<NXOpen::NXObject::AttributeInformation>attst= gro->GetAttributeTitlesByType(NXObject::AttributeTypeString);
      for(size_t z=0;z<attst.size();z++) {
      if(!strcmp(attst[z].Title.GetLocaleText(),"余量"))
      y=gro->GetStringAttribute(attst[z].Title);
      PropertyList*list1 = string0->GetProperties(); list1->SetString("Value",y);
      4.4本章小結
      本章主要是對集成式CAPP系統中的三維工藝設計方式和自動三維工序模型生成 的相關技術進行了詳細的闡述。主要介紹了基于特征工序分組的詳細設計過程。并重 點對當前數字化三維工序模型生成技術的方法、逆向生成中間工序模型問題求解、基 于信息映射的工序模型逆向生成原理、零件工藝結構與輔助工具匹配關系。最后詳細 的分析了生成的具體流程以及實現自動化生成關鍵技術。這些關鍵技術的實施有效解 決了集成式CAPP系統對數字化設計制造集成領域中的技術難點。使數字化制造技術 能不斷向前發展。
      第5章 基于MBD技術的集成式CAPP原型系統實現
      5.1系統簡介
      基于MBD技術的集成式CAPP系統利用船用柴油機關鍵件的MBD設計模型,采 用“特征工序分組”的工藝設計方式解決了工藝信息的三維化表達難的問題,充分的利 用了特征的PMI信息及工藝模型信息實現CAD/CAPP/CAM之間三維信息傳遞、轉換 及集成,完成了三維工序模型的自動生成與三維工藝技術文檔的生成。利用Web技術 對工藝資源信息與產品信息進行了有效的管理與分享。
      基于 MBD 技術的集成式 CAPP 系統利用三維工藝模型實現了 CAD/CAPP/CAM 之間的集成,本系統及設計方案的創新點在于:
      (1)通過構建三維工藝模型,將零件MBD模型的PMI設計信息與三維工藝信息進 行有效的關聯,實現了基于 MBD 技術的三維工藝模型的設計制造的信息集成與過程 集成,保證了設計制造集成過程中統一數據源的集成方式;
      (2)提出了采用三維工序模型逆向生成方式,通過構建船用柴油機關鍵件的特征類 型及特征加工方法與建模操作之間的映射關系,實現將自動獲取的工藝信息轉換成建 模操作過程,有效的提高了工序模型生成的效率;
      (3)通過構建基于Web的產品與工藝資源的信息管理平臺,采用內嵌于工藝設計集 成系統的方式,對資源信息進行了有效的管理,同時保證了產品/資源信息在 CAD、 CAPP、CAM系統之間的有效共享。
      5.2工藝設計集成系統操作流程
      基于 MBD 技術的集成式 CAPP 系統包括了三維工藝設計集成系統以及內嵌于集 成系統的產品/資源信息管理平臺。此處介紹工藝設計集成系統操作流程,首先,進入 系統,選擇 MBD 設計模型,如果零件是已有的典型工藝零件,直接載入該典型零件 工藝,或者采用“特征工序分組”的工藝設計方式,規劃零件的初步的加工工步,添加 工藝信息,合并工步生成加工工序。最終根據三維工藝信息,匹配生成零件的中間加 工工序模型,并根據下游各個制造部門對工藝模型的要求,生成相應的三維工藝模型。 本系統為下游的CAM系統,直接讀取MBD三維工藝模型。圖5.1為工藝設計集成系 統的流程圖。
       
       
      Fig.5.1 Flow chart of integrated system
       
      5.3主界面
      啟動NX 7.5,選擇工具條中的基于MBD技術的三維集成式CAPP系統即可進入 工藝設計集成系統,切換左側的 Internet Explorer 登入即可進入產品/資源信息管理平 臺,集成平臺下的CAD及CAM系統采用異地訪問本機IP地址形式即可訪問本系統 中的產品/資源工藝信息。實現信息的共享。
       
      圖 5.2 系統主界面
      Fig.5.2 Interface of key system
       
      5.4工藝設計過程界面
      5.4.1工藝屬性信息的配置與定義
      工藝屬性信息的配置與定義過程界面如圖 5.3 所示。工藝人員直接根據實際應用 需求,直接勾選系統中的工藝屬性信息。系統方便用戶對工藝屬性信息的添加、修改 刪除和調整順序等。
       
       
       
      圖 5.3 工藝屬性信息的定義與配置
      Fig.5.3 Definition and configuration of process attribute information
      5.4.2 特征工序分組
      特征工藝分組操作主要包括新建特征工序組;取消特征工序組;將特征無關的 PMI 信息從工序組中移除;以及將特征關聯的PMI添加到工序組中四步操作。一個特征組 即為一個加工工步單元。特征工序分組操作如圖5.4所示。
       
       
      5.4.3 工藝編輯與工藝結構分析
      零件工藝設計的工藝結構界面如圖 5.5 所示。特征工序信息可直接點擊做編輯修 改,工藝結構信息頂層為加工工序層與工步層,工序信息包含了工序模型生成關鍵參 數(加工方法/特征類型/余量);資源設備信息(刀具/刀具直徑/機床);仿真切削參數 (轉速/進給);CAM加工仿真模板文件(程序名稱/模板名稱);以及工步排序參數(工 步id號)。可以直接修改工步id號對工序工步進行加工順序的調整。
       
      圖 5.5 零件設計工藝節點
      Fig.5.5 Note of process design
      5.5工序模型輔助生成過程實例及界面
      5.5.1 工序模型輔助生成工具集
      工序模型輔助生成工具集采用前文所述的以加工方法和加工特征分類,不同的加 工方法和加工特征調用不同的工具集,本文列舉部分典型工序模型輔助生成工具集如 圖 5.6 所示,車圓環型特征的輔助工具,銑普通特征面的輔助工具和普通特征孔加工 的輔助工具。
       
       
      5.5.2 工序模型生成實例
      以船用柴油機關鍵件曲柄銷軸承蓋為例說明,圖 5.7 左側為曲柄削軸承蓋基于
      MBD的設計模型,其機加工工藝過程如表5.1所示。
      表 5.1 曲柄銷軸承蓋機加工過程 Table.5.1 Process of Crank Pin Bearing Cover
      工序(步)號 加工說明 余量 工序的工步數(Sk)
      NO.10 加工中心 7
      NO.1001 粗銑哈夫面,銑去余量 2mm 2mm
      NO.1002 精銑哈夫面 0
      NO.1020 鉆擴鉸2x015.5 0
      NO.1030 鉆銑止口槽 0
      NO.1040 鉆擴對左、右螺孔 M68 0
      NO.1050 銑左、右側凹坑面 0
      NO.1060 鉆對兩側外圓上的螺孔 2xM16 0
      NO.20 擴攻兩側凹坑面孔 0 1
      圖 5.7為曲柄銷軸承蓋工序模型逆向生成實例界面,工序模型逆向創建過程如下: a:首先將零件的設計模型(圖5.7左側模型)上的無關尺寸隱藏,即可作為工序NO.20 的工序模型;b:工序NO.20含有1個工步,即擴攻復雜特征類的凹坑面孔,則調用 復雜孔類加工輔助工具,遍歷特征屬性關聯信息,自動識別操作特征孔,并隱藏無關 尺寸,以生成操作后得到工序NO.10中的工步NO.1060的工步模型;c:同理工序NO.10 中的工步NO.1050的工步模型創建則是根據前道工步NO.1060的特征工藝信息,即對 外圓上的螺孔2xM16普通特征孔的加工,調用處理普通特征孔的輔助工具,遍歷特征 屬性信息,自動識別操作特征孔位置生成建模操作,得到工步NO.1050的工步模型。
       
      以此類推直至零件毛坯的過程。由于篇幅有限,此處不再一一闡述。整個過程采用無 歷史建模的幾何操作方法,建模過程效率高。
       
       
       
      圖 5.7 工序模型生成實例
      Fig.5.7 Process Model Generate procjects
      5.6產品信息與工藝資源信息管理
      5.6.1 產品信息管理
      系統切換至產品信息與資源信息管理平臺,從左側菜單導航中點擊選擇產品管理, 產品結構信息主界面如圖 5.8 所示,點擊每個產品信息結構樹的節點,即可查看該產 品的詳細的信息。
       
      圖 5.8 產品信息結構樹
      Fig. 5.8 The product information structure tree
      產品信息結構樹的管理與配置過程為:點擊左側菜單導航中的系統維護,從展開
      的子菜單中點擊配置產品結構樹,配置界面如圖 5.9 所示。如果要增加一級節點,直 接輸入添加要增加的節點的名稱與說明。刷新即可在產品結構樹中一級節點處看到新 增加的產品節點。
       
       
      圖5.9配置產品結構樹界面
      Fig. 5.9 The interface of configurating the product structure tree 其中,如果激活按鈕表示可激活該節點,如果點擊激活該節點,會提示如圖 5.10 所示的消息對話框,表示該節點下面的子節點直接被刪除,直接訪問該節點即可訪問 產品信息,如果不激活該節點,表示該節點包含有下一級子節點,點擊下一級子節點 進入二級節點管理界面如圖5 . 1 1 所示。
       
      節至名稱 節點說明 増加 濡空|
      所有一皴節點
      自動輪號 節點名稱 節點說明 是否激活 換作
      1 平裝膠訂機 平裝膠訂機 X 修改II激活II子節點il r
      2 主軸裝置總成 X 修改II潮活II子節點il廠
      3 正三輪摩托車 未自兩貢的清息 X 修改II激活II子節點il廠
      4 連桿
      齒輪 ?J如果激活此節點,則子節點將全部刪除.確定激活嗎? V 修|改il撤銷il廠
      5 V 修改il撤銷il廠 |重蚤所選
      |[確定'il 1取消 0全部刪除所選
      共有5條記錄第1/1頁毎頁20* W 1用
      圖 5.10 激活節點提示對話框
      Fig. 5.10 The prompted dialogue of activating nodes
       
       
      圖 5.11 二級節點管理界面
      Fig. 5.11 The interface of manage the level 2 nodes 在該二級節點管理界面中,在相應的節點上點擊修改/撤銷/刪除等按鈕,即可對已 選的節點進行節點信息的修改,撤銷修改,刪除節點操作。
       
      5.6.2 刀具及切屑參數信息管理
      中間是刀具資源的結構樹,刀具資源庫來源于 SANDVIK、WALTER、SCEO、
      ISCAR等主流刀具商的樣本手冊數據;右邊是點擊SANDVIK情況下銑削刀具的選擇 界面。
      選擇主界面左側菜單導航中的的資源管理。點擊刀具以及切削參數,顯示的即為 刀具及切削參數信息管理界面如圖5.12所示。點擊中間刀具結構管理樹,進入子節點 可查看該刀具的型號。
       
       
       
      圖 5.12 刀具信息管理界面
      Fig. 5.12 The interface of tool management
      例如點擊子節點下的可樂滿切削單元,即可顯示該刀具的所有型號(DCKNR、
      DCLNR、DCRNR 等),點擊 DCKNR 信號刀具,右側顯示了該型號刀具所有信息。
      如圖5.13所示。點擊界面中的二維圖與三維圖即可查看該刀具的二維與三維形狀。如
      圖 5.14 和 5.15 所示。點擊標準刀片可查看該訂貨號對應的刀片型號。
       
      圖 5.13 所有 DCKNR 刀具信息
      Fig. 5.13 The interface of all the DCKNR tools
       
       
      5.6.3 夾具/量具/工藝術語管理
      夾具量具及工藝術語管理界面如圖5.16所示。點擊界面中間的管理結構樹節點 即可進入查看如界面右側對應的工藝資源。
       
      圖 5.16 夾具/量具/工藝術語信息管理界面
      Fig. 5.16 The interface of manage fixture/measuring tool/technics
      對夾具量具及工具術語的信息管理維護從主菜單導航中系統維護進入,通過點擊
      維護結構樹節點進入維護界面,如圖5.17界面所示。用戶可直接可以對工藝資源節點
      下的具體資源信息做編輯,即修改/刪除/增加等操作。
       
      圖 5.17 夾具/量具/工藝術語信息編輯界面
      Fig. 5.17 The interface of editing fixtures/measuring tools/technics
      5.7工藝文檔
      車間工藝文檔是指導加工制造人員日常生產的重要性文件,本系統工藝文檔以兩 種形式輸出,圖5.18所示為基于Web的車間文檔界面,工藝文檔直接從工藝設計集成 系統直接導出,生成的三維工藝模型導出JT模型,附在結構化工藝樹下,直接點擊對 應工序模型節點,即可進入三維插件環境中查看詳細的PMI模型信息。圖5.19所示為 基于 Excel 的三維工藝文檔。三維工序模型可直接在工藝文檔中查看產品制造信息 (PMI),用戶直接點擊相應的三維工序模型即可。PMI信息查看界面如圖5.20所示。
      Q工藝如7new -摟狗高速瀏覽器
      [屁i|S3§陜"固登錄|客» : ©IMS -関摟狗12306助手® 冊樂||10諭聞函截圖@訓瀕、消息盒子 匡I 囤工藝如7new x 沿
       
       
       
      圖 5.18 車間文檔界面
      Fig.5.18 Interface of shop document
       
      圖 5.19 Excel 三維工藝文檔
       
       
       
      圖 5.20 JT 模型 PMI 信息查看
      Fig.5.20 PMI information of JT model
      5.8工序模型切削過程仿真
      通過虛擬加工仿真軟件及技術可以動態的演示零件的加工過程中工序模型的加 工過程,采用 3DVIA Composer 軟件仿真零件的加工過程,將生成的加工動畫發至加 工生產制造現場,做為工藝加工的指導性技術文件。圖5.21為仿真導出的加工過程三 維動畫。
       
       
      圖 5.21 加工過程動態仿真
      Fig.5.21Virtual machining process
       
      5.9本章小結
      本章簡單介紹了基于MBD技術的三維集成式CAPP系統的工作流程及主要功能 模塊,分別從工藝設計;工序模型的創建;產品信息與工藝資源信息管理與共享,工 序加工的動態過程仿真以及車間工藝文檔進行了闡述,進一步驗證了原形系統的有效 性。
      52
       
       
      總結與展望
      總結
      本文針對船舶行業中基于MBD技術的三維CAPP及其設計制造集成的應用需求。 以及結合當前基于 MBD 統一數據源的 CAD/CAPP/CAM 設計制造集成過程中信息集 成難的現狀,構建了基于MBD技術的CAPP系統集成框架體系及基于Web的信息集 成與管理平臺。本文詳細分析了采用三維集成式的工藝規劃方式與過程、系統實現集 成的關鍵技術。開發的基于MBD技術的CAPP系統實現了與上游的CAD系統和下游 CAM系統集成,整個設計制造集成過程中均采用統一的數據源。為開展基于MBD技 術的數字化制造技術向集成化、三維化、可視化發展提供了有益的借鑒作用。論文的 研究工作及取得的成果主要體現在幾個方面:
      (1)通過對比分析了基于三代設計語言的CAPP系統特點及當前基于集成化CAPP 研究現狀,并針對當前基于 MBD 技術的工藝設計集成遇到的關鍵技術問題,提出了 將三維工藝模型做為集成式CAPP系統工藝設計的信息載體,以解決基于統一數據源 的設計制造集成問題。最后闡述了本課題的實際的研究意義。
      (2)將MBD模型做為工藝設計集成系統的數據源頭,通過構建工藝信息集成模型, 提出了“特征工序分組”的工藝設計方式,實現將MBD模型工藝設計成三維工藝模型。 保證制造各部門能有效的利用三維工藝模型開展一系列制造活動,最終能有效的提高 了各制造部門三維加工制造水平。
      (3)將構建的基于 Web 產品信息與制造資源信息管理平臺有效的集成于工藝設計 系統中,分別從信息管理平臺實現的關鍵技術、與工藝設計系統集成體系關系、信息 管理結構樹設計等幾個方面構建體系結構,實現了資源信息為工藝設計所用,通過 Web技術的信息管理,解決了信息的網絡化與共享性問題。
      (4)對數字化制造過程中的三維工序模型生成進行了深入的研究。分析當前三維工 序模型的生成方式與利用工藝信息自動生成工序模型中關鍵技術特點,提出了工序模 型逆向的生成方法與生成原理,通過將船用柴油機關鍵件的特征信息分類,構建了特 征信息與建模信息之間的映射。開發工序模型輔助工具自動獲取工藝信息逆向生成工 序模型,有效的提高三維數字化制造水平。
      (5)在結合基于MBD技術的全三維設計制造集成的要求,在UG NX平臺上,構建 了基于MBD技術的三維集成式CAPP系統。并將構建的產品/資源信息管理平臺集成 于工藝設計系統中。設計了集成式CAPP系統的功能模塊,并對基于三維集成的工藝 設計過程重點進行了剖析。簡單的介紹了系統實現涉及的相關技術,主要包括:基于 NX OPEN二次開發工具,基于工藝信息模型的信息集成技術、基于數據庫與XML技 術的信息結構樹構建等。
      (6)針對船用柴油機企業三維數字化制造實際需要,在 UG NX 平臺上開發并集成 了 Web信息管理平臺的集成式CAPP系統,系統工藝設計基于三維MBD模型,利用 三維工藝模型生成工序模型,并結合具體的實例,驗證了課題研究對三維 MBD 數字 化設計制造集成的可行性和實用性。
      展望
      由于當前基于MBD技術的三維集成化CAPP系統仍存在大量問題尚未解決,且 基于MBD的設計制造集成技術一直是處于不斷發展中。雖然本文解決了基于MBD統 一數據源的 CAD/CAPP/CAM 之間的三維數字化集成問題。但是由于研究工作時間有 限,加之作者對實際工藝設計經驗的不足,三維工藝設計集成式系統仍存在許多不足 和需改進與完善的地方,主要表現在以下幾個方面:
      (1)本文構建的集成式工藝設計系統,主要解決了基于統一數據源的設計制造集成 問題,但是在整個產品生產周期中,需要考慮各個設計制造部門在整個設計生產過程 中的協同,完善三維環境下產品數據接口。實現三維 CAPP 系統應用的標準化。
      (2)系統集成功能的擴展問題。三維工藝設計系統雖然實現了與CAD及CAM系統 之間的信息集成和過程集成,但對于實現CAPP與PDM以及CAX之間的集成有待更 深入的研究;基于工藝模型的信息集成還需不斷擴大,以支持裝配系統、檢測系統對 工藝信息的要求。
      (3)系統工序模型生成中涉及到特征的識別與自動獲取;隨著智能化技術的發展, 在工藝設計階段需進一步開展特征識別技術,實現特征識別的自動化工藝設計研究。
      (4)CAPP系統功能擴展問題。CAPP系統做為輔助工藝人員工藝設計,其不僅僅 只是對零件的加工過程進行設計,應該不斷的擴展系統的功能,例如對材料及工時定 額的計算、對工序尺寸及公差的計算等,使系統更全面、更完備的支持全三維的工藝 設計。
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