【中國機床商務網】導讀：MBD（ModelBasedDefinition，基于模型的定義）是一個用集成的三維模型來完整表達產品定義信息的方法，它以三維標注技術[1]為基礎，詳細規(guī)定了三維模型中產品尺寸、公差等的標注規(guī)則和工藝信息的表達方法[2]。基于MBD技術的三維模型在設計、工藝、制造、檢驗、銷售、維修等全生命周期中的每個階段被賦予本階段的相關數據[3]，這些數據能很好地實現繼承和共享，并且由于信息量巨大，這些數據也能按照需求進行分類管理和顯示。MBD技術以三維標注技術為基礎，數字化制造軟件*，如Dassault，Siemens，PTC等，已經在他們的產品中對三維標注技術進行了支持，這樣就可以在產品全生命周期中建立完整的MBD模型，使MBD模型作為產品全生命周期的*依據成為現實。
　　
　　目前，在復雜產品制造行業(yè)，如航空、汽車行業(yè)等，基本實現了設計三維化，設計端向工藝端發(fā)放的只有三維模型、公差、配合關系以及材料等信息。隨著三維標注技術的逐步成熟，現在波音公司的787項目以及中國的大飛機項目都已經在產品設計階段應用了MBD技術，設計端向下游發(fā)放三維設計模型[4]（文中提到的所有三維設計模型和三維工序模型都是基于MBD技術）。然而，現在的數控加工工序設計還在沿用傳統的基于二維圖紙的設計方式，因此，隨著三維設計制造技術以及*制造裝備的發(fā)展，現有數控工藝準備過程存在以下不足：
　　
　　（1）現有的工藝準備過程無法直接利用產品三維模型及其工程信息，仍然采用二維圖紙和工藝指令的方式進行。
　　
　　（2）不能利用*的仿真手段進行驗證，也不能直接將工藝設計結果傳送給*的制造裝備。
　　
　　（3）工藝設計過程主要依靠工藝人員本人的經驗，不能有效利用專家級的工藝知識。
　　
　　（4）設計與制造的協同性不強，影響生產效率和交貨周期。
　　
　　面向MBD的數控加工工藝設計方法引入CAD/CAPP/CAM集成[5]的思想，通過并行設計、數控仿真等手段，實現以三維設計模型為*數據源[6]的工藝決策和三維工序模型的創(chuàng)建。三維工序模型將作為指導生產活動的*依據，并且可以直接用于數控編程，從而解決了數控加工過程存在的上述問題。本文在分析面向MBD的復雜零件數控加工工藝設計過程的基礎上，對面向MBD基于DELMIA的數控加工工藝三維工序模型技術進行了研究。
　　
　　面向MBD的數控加工工藝業(yè)務分析
　　
　　目前，復雜產品設計基本實現三維化，并在應用MBD技術方面取得進展。然而，數控加工工藝設計還停留在以二維圖紙為基礎的階段，不能體現CAD/CAPP/CAM集成化思想，影響企業(yè)生產，并且無法實現無試制一次加工成形。為此，在數控加工工藝過程中引入MBD的概念，分析了面向MBD的數控加工工藝業(yè)務流程，并提出將MBD技術用于三維工序建模，形成三維工序模型的觀點。復雜零件的數控加工工藝過程產生的一系列三維工序模型以及數控程序將作為工藝設計的結果，通過三維瀏覽或輸出技術文件的方式指導生產。面向MBD的數控加工工藝業(yè)務流程（見圖1）：

　　
　　（1）假定工藝設計輸入的是三維設計模型，并且完成工藝方案設計和工藝路線制定，如加工階段的劃分（粗加工、半精加工及精加工等），加工工序的劃分（工序集中或工序分散），確定需要采用數控加工的零件或者零件的部分工序。
　　
　　（2）加工工序設計。對零件設計模型或工序模型進行分析，選擇數控機床，建立加工坐標系，結合零件定位基準確定夾具方案。
　　
　　（3）加工操作定義。對每道工序分析加工特征，為每個待加工特征選擇加工方法（車削、銑削和鉆削等），定義加工的幾何參數（特征輪廓、加工余量等）、刀具參數（刀具類型、公稱直徑、圓角半徑和長度等）和進給率（進給速度、切削速度、退刀速度和主軸轉速等）。
　　
　　（4）三維工序模型創(chuàng)建。根據每道工序的加工操作，生成該工序加工后的三維模型。應用三維標注技術，結合加工工藝表達方法，在每個三維模型上將該工序的加工工藝信息完整、清晰地表達出來。
　　
　　（5）數控加工相關參數定義。對每個加工操作進行刀具路徑參數（切削類型、方向和刀具補償等）定義和進刀/退刀路徑定義。
　　
　　（6）數控仿真。通過生成刀具路徑及控制刀具運動查看數控加工相關參數的定義是否合理。
　　
　　（7）三維工序模型輸出、工藝文檔輸出、數控程序輸出。
　　
　　面向MBD的數控加工工藝三維工序模型
　　
　　1面向MBD的數控加工工藝三維工序模型定義
　　
　　三維工序模型是指工序加工后形成的帶有能夠指導本工序加工的完整工藝信息的集成化的三維數字化實體模型。
　　
　　完整的數控加工工藝由多道數控工序組成，相應地有多個三維工序模型，所有的三維工序模型以一個裝配體的形式輸出，這個裝配體是定義的核心和基礎，它詳細描述了數控加工的加工順序、三維工序模型的幾何形狀特征、工序的注釋和屬性等特征，如圖2所示。

　　
　　在面向MBD的數控加工工藝設計過程中，假設有n道工序，就會產生n個三維工序模型，三維設計模型、三維工序模型、毛坯模型以及工序的關系如圖3所示。毛坯模型通過第1道工序依據三維設計模型形成三維工序模型1，同理，三維工序模型n-1通過第n道工序依據三維設計模型形成三維工序模型n。三維工序模型n有與三維設計模型相同的三維幾何形狀特征，但所包含的描述信息不同，三維工序模型n包含第n道工序的工藝信息，而三維設計模型包含產品信息。

　　
　　2面向MBD的數控加工工藝三維工序模型數據
　　
　　數控加工工藝三維工序模型數據指在數控加工工藝設計過程中的某道工序描述的幾何形狀信息和工藝過程信息的數據總和。三維工序模型通過幾何模型、注釋和屬性完整地描述本道工序的加工工藝信息。幾何模型描述本工序加工形成的幾何形狀及加工特征；注釋數據描述工序加工尺寸與公差范圍、工裝和精度要求等生產必須的工藝約束信息；屬性數據描述產品的原材料規(guī)范、分析數據、加工操作信息、測試需求等內置信息。三維工序模型數據如表1所示。

　　
　　3面向MBD的數控加工工藝三維工序模型建立
　　
　　3.1IPM的建立
　　
　　要建立三維工序模型需要先創(chuàng)建在制品毛坯模型（In-ProcessModel，IPM），IPM的創(chuàng)建方法有修訂式和創(chuàng)成式兩種。數控加工工藝都采用漸進的方式，每道工序只對部分加工特征進行加工，所以前后兩道工序的IPM存在一定的相似性。修訂式的建模方式就是利用這種相似性，通過繼承、布爾運算（主要是移除）、參數修改等方式創(chuàng)建IPM。某些IPM中存在復雜型面的創(chuàng)建，而這些復雜型面通過簡單的繼承、移除、參數修改等操作很難實現，或者是不能滿足精度要求，就需要使用創(chuàng)成式的建模方法，即直接通過三維建模軟件來創(chuàng)建，但是工作量大，對工藝人員要求高。如圖4所示為三維工序模型建立流程。
　　
　　修訂式IPM是通過對前一工序的IPM進行修改而形成的，具體可以通過順序和逆序兩種方式建立。順序方式，即按照加工順序，從毛坯一步一步形成零件的過程，該過程主要通過繼承和正則布爾運算實現；逆序方式，即將設計模型反補形成毛坯的過程，該過程通過繼承和加工特征修改或刪除實現。
　　
　　假設，Mp代表零件模型，Ms代表毛坯模型，IPMi代表第i道工序的工序模型，Fij代表第i道工序切除的第j個加工體積特征，n代表工序總數，Si代表第i道工序加工的體積數。
　　
　　順序方式IPM建立過程可以表示為：


　　
　　逆序方式IPM建立過程可以表示為：


　　
　　由此公式可以看出，在設計零件模型Mp和毛坯模型Ms都已知的情況下建立IPM，需要確定的是第i道工序切除的第j個體積特征Fij，即加工操作定義的區(qū)域特征。
　　
　　這里采用修訂式順序方式逐一創(chuàng)建IPM。通過對每道工序中所有加工操作的定義，建立本工序的加工區(qū)域特征的B-rep模型，再通過上述公式建立IPM。
　　
　　假設已得到IPMm-1，要建立第m道工序的工序模型IPMm，需要求得Fmj，j=0，1，…，Sm。
　　
　　通過對第m道工序的第j個加工體積特征的加工類型進行定義，確定邊界信息的鄰接關系模型，再根據該鄰接關系模型定義特定的邊界信息（面、環(huán)、邊和頂點）便可得到Fmj，由順序方式IPM建立的公式便可求的IPMm。
　　
　　3.2三維工序模型的建立
　　
　　面向MBD的數控加工工藝三維工序模型的建立是指在建立IPM的基礎上，通過一定的表達方法將加工工藝信息展示在三維環(huán)境中，并建立一定的規(guī)則對加工工藝信息進行顯示控制，使工作人員認識和了解工藝設計的意圖、方法和過程，為使用三維工序模型提供一個良好的入口。
　　
　　（1）信息表達。
　　
　　信息表達是將非幾何制造信息準確、清晰地表達在三維環(huán)境中，并保證數據的完整性和*性。非幾何制造信息的表達方法有屬性表達法和標注表達法。
　　
　　屬性表達法是將特定類型的文本信息放入定制的屬性項中形成一條屬性，將所有屬性項用屬性結構樹表示，屬性信息可以以定制的表格形式顯示。屬性表達法適用于與工序模型幾何特征沒有關聯的非幾何制造信息的表達，在描述工序模型的非幾何制造信息時，刀具信息、工序管理類信息、建模說明類信息、批準發(fā)放類信息、技術要求類信息等都適合用屬性表達法來表達。
　　
　　標注表達法是借助特定符號或文本將非幾何制造信息表達在三維實體模型的顯示區(qū)域，這些特定符號或文本可以與三維實體模型關聯也可以不關聯。標注表達法適用于尺寸公差及定位夾緊等信息的表達。數控加工工藝信息的表達分類匯總如表1所示。
　　
　　（2）信息操作。
　　
　　當一個工序需要加工多個特征時，這個三維工序模型中將含有大量的非幾何制造信息，如果將他們用傳統的標注表達法表達并與三維實體模型一起顯示，數據量大，顯示效果得不到保證。根據這些非幾何制造信息類型不同，可以通過對標注信息按不同類型進行分類組織和顯示。具體實現方法有兩種，一種是全分離式視圖顯示，一種是分標注平面顯示。全分離式視圖顯示是指每個視圖中都包含本工序的三維工序模型，表達本工序中部分加工步驟的非幾何制造信息，所有視圖一起完整表示本工序加工過程；分標注平面顯示是指在一個標注集下建立多個標注平面，將不同類型的信息標注在不同的標注平面上，標注平面之間*獨立，以標注信息的類型名作為標識。標注平面是在三維空間定義的、具有特定空間位置的平面。為了提高顯示效果，一個標注集中所有的標注平面可以根據需要全部或部分顯示。
　　
　　基于DELMIA的數控加工工藝三維工序模型實例研究
　　
　　基于數字化制造軟件DELMIA中的數字化制造工藝（DigitalProcessofManufacturing，DPM，簡稱V5）MachiningProcessPlanner模塊創(chuàng)建IPM，在ProcessTolerancing&Annotation模塊中根據上述方法建立三維工序模型。
　　
　　圖5（a）所示為帶有工藝凸臺的飛機結構件中的典型雙面框類零件，材料為鋁合金，毛坯為方料。通過文中所述面向MBD的數控加工工藝業(yè)務流程，分析該零件的工藝性，確定數控加工工序為銑A基準面—銑B面—粗銑A面—修基準面—精銑B面—精銑A面，按照修訂式IPM創(chuàng)建方法采用順序方式建立所有的三維工序模型，如圖5所示。圖5（b）所示為毛坯模型，圖5（c）所示為銑A面的三維工序模型，圖5（d）所示為粗銑A面的三維工序模型。圖5（a）與圖5（d）的三維實體模型相同但表達含義不同，標注的信息也不同。

　　
　　結束語
　　
　　本文將MBD技術應用到復雜零件的數控加工工藝設計中，在分析面向MBD的數控加工工藝業(yè)務的基礎上，提出將三維工序模型作為工藝信息的*載體，并應用分標注平面顯示法管理所有工藝信息，一系列三維工序模型形成完整的零件工藝，使三維實體模型成為幾何形狀、尺寸公差、加工順序和質量檢測等信息的表達載體，保證了工藝過程中幾何信息與非幾何信息的關聯性，同時滿足了制造過程各階段對產品數據的要求。

　　（文章來源：航空制造網）