張祥祥， 陳興玉， 程五四， 張紅旗， 曾祥宇

（1. 中國電子科技集團公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088；2. 上海湃睿信息科技有限公司，上海 200072）

在當前產(chǎn)品設(shè)計過程中，三維數(shù)字化模型可以很好地解決結(jié)構(gòu)形狀信息的表達問題，而生產(chǎn)中必需的尺寸公差、表面粗糙度、加工方法等非幾何制造信息的表達仍然基于二維工程圖和工藝卡片。在當前“三維設(shè)計+二維生產(chǎn)”的混合模式下，設(shè)計人員除了建立三維模型外，還需要花大量時間和精力用于把三維模型轉(zhuǎn)化為二維工程圖；工藝人員基于二維圖紙開展工藝設(shè)計，提交給制造人員。這種頻繁的更改不但增加了工作量，而且還難以保證數(shù)據(jù)的唯一性。二維工藝設(shè)計方法與上游的全三維數(shù)字化設(shè)計和下游的先進制造工藝及裝備已不相適應(yīng)，存在著無法有效利用設(shè)計模型信息、數(shù)據(jù)共享困難、設(shè)計知識獲取和管理混亂等問題[1]，已成為數(shù)字化制造業(yè)的瓶頸。

隨著MBD（Model Based Definition，基于模型定義）技術(shù)的發(fā)展和推廣應(yīng)用，在三維環(huán)境下開展工藝設(shè)計已成為可能。MBD技術(shù)是一個用集成的三維實體模型來完整表達產(chǎn)品定義信息的方法體，將產(chǎn)品信息中的幾何形狀信息與尺寸、公差、工藝信息通過一個完整的三維實體模型來表達[2]。國內(nèi)技術(shù)產(chǎn)品文件標準化技術(shù)委員會借鑒MBD先進經(jīng)驗，結(jié)合我國制造業(yè)實際，組織編寫了GB/T 24734-2009《技術(shù)產(chǎn)品文件 數(shù)字化產(chǎn)品定義數(shù)據(jù)通則》[3]，對產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計制造三維標注進行了規(guī)定。目前，在借鑒MBD技術(shù)在波音公司成功應(yīng)用經(jīng)驗以及結(jié)合GB/T 24734-2009基礎(chǔ)上，許多學者做了基于MBD模型的三維工藝設(shè)計的嘗試。但這些研究基本上還處于概念設(shè)計階段，且集中在三維數(shù)字化裝配工藝規(guī)劃、裝配過程仿真、數(shù)據(jù)信息管理、數(shù)控編程流程等方面[4-7]。現(xiàn)有的研究已經(jīng)可以在Pro/E、CATIA等主流CAD軟件實現(xiàn)尺寸、幾何公差、表面粗糙度等非幾何信息標識[8-10]，而關(guān)于工藝信息（如加工方法、設(shè)備信息、刀具信息、工藝參數(shù)等）在模型上規(guī)范標識的研究還未見報道。鑒于此，本文在分析機加工三維工藝設(shè)計流程的基礎(chǔ)上，研究機加工工藝信息在三維環(huán)境下的標識方法，實現(xiàn)工藝信息在模型上的規(guī)范標識。

1 機加工三維工藝設(shè)計流程

三維數(shù)字化工藝開發(fā)的顯著特點是在三維環(huán)境下，工藝設(shè)計人員利用各類三維數(shù)字化實體模型建立起數(shù)字化工藝模型，通過模擬仿真，確定出合理的、可行的制造工藝。同時生成工藝圖解和操作動畫等多媒體工藝數(shù)據(jù)，編制成三維數(shù)字化制造工藝[2]。在MBD模式下，面向制造過程的零件各道工序模型是生產(chǎn)制造的唯一依據(jù)，是加工過程指導(dǎo)信息的載體。

圖1 機加工三維工藝設(shè)計流程

機加工三維工藝設(shè)計設(shè)計流程，如圖1所示。工藝人員從產(chǎn)品單一數(shù)據(jù)源中讀取零件三維設(shè)計模型，進行工藝路線劃分。在三維環(huán)境下，工藝人員完成對零件的工藝規(guī)劃，建立零件的工序模型；工裝人員確定加工過程所需要的工裝數(shù)量及種類，同步開展工裝設(shè)計，建立工裝三維模型；在工藝仿真環(huán)節(jié)，對零件加工過程仿真，編寫制造指令（Fabrication Order，F(xiàn)O）并進行工藝審核。審核通過之后，生成生產(chǎn)性工藝文件和零件的各道工序模型，接著對工藝文件內(nèi)的工藝信息進行標識，并通過三維標注技術(shù)構(gòu)建集成工藝信息的零件工序模型。最后，將零件工序模型下發(fā)到車間，將工藝信息直觀地反映給工人，指導(dǎo)工人加工。其中，工藝信息標識環(huán)節(jié)用于實現(xiàn)工藝信息在模型上表達，是三維工藝的關(guān)鍵問題之一。

2 工藝信息標識方法

傳統(tǒng)工藝信息表達限于二維形式，離散于工藝卡片和工藝簡圖等載體，不能與三維模型特征直接關(guān)聯(lián)，制造人員需要花費大量時間去消化圖紙和工藝卡片，獲取制造信息。這種方式無法直觀反映工藝細節(jié)，表達方式多樣，且紙制文件難以管理，給操作人員理解和使用帶來困難。MBD模式下，工藝信息包含在信息模型中，具有統(tǒng)一的表達方法，且與模型特征直接關(guān)聯(lián)；制造人員可以直接在模型上獲得對應(yīng)特征的工藝信息，用于加工制造?？梢钥吹?，研究MBD模型上工藝信息統(tǒng)一表達方法可以有效克服二維工藝信息表達不直觀、方法各異、數(shù)據(jù)管理困難等問題。

MBD模型強大的非幾何信息描述能力為工藝信息的標識提供了全新的定義方法，采用標注與屬性聯(lián)合表達的方式集成表達所有信息[9]。機加工工藝信息種類繁雜，若以純文字形式標注工藝模型，將和模型其它標注信息形成龐大的標注信息集，并且覆蓋整個設(shè)計模型，造成應(yīng)用的不便與混亂。而采用符號的形式標識工藝信息便于用戶理解和記憶，可有效區(qū)別于模型上其他標注信息，使用戶更形象直觀地獲取相關(guān)工藝信息。為此，本文參照現(xiàn)有標準，提出了以“符號+文本”的形式標識工藝信息，主要包括工藝信息符號制定、組合符號構(gòu)建和三維標注。

2.1 工藝信息符號制定

2.1.1 工藝信息標識方式

機加工工藝信息種類繁多，主要包括加工方法、定位與裝夾方式、工藝參數(shù)、切削參數(shù)等信息，針對不同類型信息應(yīng)采用不同類型的標識方式。在MBD模式下，模型的非幾何制造信息通常采用屬性和（或）標注的方式表達[9]。模型的一些內(nèi)置非幾何信息（如零件管理類信息、建模說明類信息、批準發(fā)行類信息、零部件技術(shù)要求及材料類信息等）與模型幾何特征無關(guān)聯(lián)關(guān)系，通常以零件屬性的形式表達；而工藝信息與模型幾何特征密切相關(guān)，應(yīng)以標注表達法標注在模型上，詳細情況如表1所示。

表1 機加工工藝信息分類標識方法

2.1.2 工藝符號制定方法

目前已發(fā)布的國內(nèi)標準中有部分標準零星給出一些工藝符號制定要求，如 GB/T 24740-2009《技術(shù)產(chǎn)品文件 機械加工定位、夾緊符號表示法》規(guī)定了定位、夾緊方式符號繪制要求；國標GB/T 3167-1993《金屬切削機床 操作指示形象化符號》、GB/T 16273.2-1996《設(shè)備用圖形符號 機床通用符號》規(guī)定了常見機加工藝方法符號、刀具指示符號等。這些標準為工藝信息符號制定提供了有力支撐。如圖2所示，工藝信息符號制定的方法為：充分利用已經(jīng)符號化或代碼化的標準，作為符號制定的基礎(chǔ)；對目前國內(nèi)標準沒有符號規(guī)定的工藝信息，考慮工藝實際情況，采用新建符號或文本的方式標識。在確定工藝信息標識方式的基礎(chǔ)上，結(jié)合基礎(chǔ)標準對符號及文本的字體、線寬、比例等細節(jié)要素的規(guī)定，通過CAD軟件模板化定制和擴充，制定工藝信息符號，并存儲在工藝符號數(shù)據(jù)庫中。

圖2 工藝信息符號制定方法

2.1.3 工藝符號制定原則

在工藝符號制定過程中，至少應(yīng)遵循以下6項原則：

1）符號表述應(yīng)清楚、明確，能形象直觀地反映所代表的工藝信息，且一個符號表達一個含義，在易引起歧義的情況下應(yīng)附加說明以示區(qū)分；

2）符號的尺寸應(yīng)與模型大小和位置相適應(yīng)；

3）與符號聯(lián)用字體的類型、高度和線型應(yīng)與其他標記的字體相同；

4）符號高度、線寬等應(yīng)從相應(yīng)標準的公稱尺寸系列中選擇；

5）當僅用符號表示不明確時，可以用文字補充說明；

6）工藝符號應(yīng)存儲于數(shù)據(jù)庫中，可以方便的錄入、讀取及組合使用。

2.2 組合符號構(gòu)建

在制定工藝信息符號的基礎(chǔ)上，研究工藝信息的邏輯關(guān)系，通過有序組合形成工藝信息組合符號標識。組合符號標識的關(guān)鍵是清晰、完整、簡潔表達零件在各道工序的工藝信息。如圖3所示，機加工工藝設(shè)計過程一般包括工藝性審查、工藝路線確定、工序設(shè)計等階段，在不同階段確定相應(yīng)的工藝信息。在工藝性審查階段，根據(jù)零件的生產(chǎn)特點確定零件生產(chǎn)類型（大批量、小批量等），提取零件加工特征進行加工工藝性分析，確定對應(yīng)的加工方法；在工藝路線確定階段，選擇零件定位、測量和裝配基準，確定零件加工工序序列，確定工序加工余量和毛坯尺寸，根據(jù)零件加工精度要求劃分加工階段（粗加工、半精加工、精加工）；在工序設(shè)計階段，由加工方法和零件精度要求依次確定各工序的機床設(shè)備、刀具、夾具和量具等工藝裝備，并由工藝尺寸鏈計算各工序尺寸及公差；在切削參數(shù)確定階段，根據(jù)工序尺寸確定工步序列及對應(yīng)的切削參數(shù)；在輔助信息確定階段，確定加工過程中切削液、工時定額、經(jīng)濟分析等信息。

圖3 機加工工藝信息邏輯關(guān)系

基于此，工藝信息組合符號標識應(yīng)按照工藝信息邏輯關(guān)系確定組合符號序列，主要包括數(shù)量、設(shè)備、加工方法、刀具類型、刀具參數(shù)、切削參數(shù)和切削液等符號碼段等。

其各自含義為：

數(shù)量：本道工序/工步加工對象的數(shù)量；

設(shè)備：本道工序/工步加工選用的機床；

加工方法：本道工序/工步采用的工藝加工方法（車削、銑削、刨削、拉削……）；

刀具類型：本道工序/工步使用的刀具類型（車刀、銑刀、刨刀、拉刀……）；

刀具參數(shù)：本道工序/工步使用刀具的幾何參數(shù)（前角、后角、主偏角、副偏角……）；

切削參數(shù)：本道工序/工步加工過程中選用的切削用量參數(shù)（切削深度、切削速度、進給量……）；

備注：以上信息以外的其他附加說明。

2.3 組合符號三維標注

MBD模式下，工藝信息可以直接在三維模型中標注。參考 GB/T 1182-2008和 GB/T 24734-2009對幾何精度標注的相關(guān)要求，機加工工藝信息三維標注包括標注線、標注平面、標注框和標注框內(nèi)的組合符號。標注線和標注平面與三維幾何模型關(guān)聯(lián)，同時與標注框和組合符號保持關(guān)聯(lián)。組合符號的三維標注是對工藝信息的三維顯示，當模型旋轉(zhuǎn)和縮放時，組合符號應(yīng)隨之旋轉(zhuǎn)、縮放。在進行三維標注時，標注線、標注平面和標注框應(yīng)滿足相應(yīng)標準的要求，且以易于其他標注信息區(qū)分、布局美觀為原則。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

在以上分析的基礎(chǔ)上，本文基于Pro/E開發(fā)了機加工工藝信息標注模塊，在操作界面上通過調(diào)用工藝符號數(shù)據(jù)庫中的工藝符號及對相應(yīng)參數(shù)進行賦值，即可生成工藝信息組合標識符號。在此基礎(chǔ)上，將工藝信息組合符號標注在三維模型上，實現(xiàn)工藝信息與三維模型的有效結(jié)合。工藝信息標注在Pro/E標準功能的基礎(chǔ)上封裝，通過交互式操作界面以所見即所得的形式展示錄入數(shù)據(jù)，直觀明了。該模塊開發(fā)主要分為3個步驟：

1）在Pro/E繪圖模塊下繪制工藝信息符號，存儲于工藝符號庫中；

2）對Pro/E進行二次開發(fā)，開發(fā)工藝符號標注界面，通過選擇調(diào)用的符號文件及輸入相應(yīng)參數(shù)值，生成工藝信息組合符號；

3）借助Pro/E的三維標注功能將工藝信息標注在三維模型。

圖4顯示了某零件工藝信息組合符號生成及標注過程。該零件本道工序為車外圓（數(shù)量為1），采用車削加工，三爪卡盤夾緊，車床代號為CX616A，選用端面車刀（前角45°，后角30°，主偏角5°，負偏角3°），切削深度為 10mm，轉(zhuǎn)速為1000r/min，進給率為0.5mm/min，切削液為非水溶性乳化液。在標注過程中，通過高亮顏色顯示待加工面，使制造人員能夠直觀地理解工件的工藝信息。

4 結(jié) 束 語

隨著MBD技術(shù)的應(yīng)用推廣，基于三維模型的數(shù)字化工藝設(shè)計已逐漸成為國內(nèi)研究的熱點，而在面向制造過程的零件三維工序模型上如何規(guī)范有序地標識工藝信息成為實施該過程的關(guān)鍵支撐技術(shù)。本文分析了機加工三維工藝設(shè)計流程，提出了 “符合+文本”的工藝信息標識方法，并對工藝信息符號制定和組合符號構(gòu)建技術(shù)進行了研究和突破。該方法能很好的解決三維環(huán)境下機加工工藝信息規(guī)范標識問題，為三維數(shù)字化工藝設(shè)計做了有益的探索。

圖4 工藝符號標注界面

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