宮洪磊　郭玉亮　朱東偉　溫龍軍

本文以Pro/ENGINEER為平臺，采用ProToolkit與VC++進行組合開發(fā)，介紹了基于MBD的產(chǎn)品與工藝的協(xié)同設(shè)計中的關(guān)鍵技術(shù)，詳細(xì)介紹了三維模型標(biāo)注技術(shù)、三維機加工藝設(shè)計技術(shù)、三維焊接裝配工藝設(shè)計技術(shù)、三維鈑金工藝設(shè)計技術(shù)、三維工藝可視化發(fā)布技術(shù)以及三維模型質(zhì)量檢測技術(shù)的應(yīng)用。

一、引言

隨著數(shù)字化設(shè)計技術(shù)的逐步應(yīng)用和推廣，越來越多企業(yè)認(rèn)識到產(chǎn)品工藝協(xié)同設(shè)計在推廣數(shù)字化設(shè)計模式中的重要性。數(shù)字化設(shè)計過程中的設(shè)計工具、建模過程、模型質(zhì)量、裝配質(zhì)量以及數(shù)字化產(chǎn)品數(shù)據(jù)命名、管理、審簽、歸檔和更改等方面都迫切需要進行規(guī)范和約束。這些標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范必須能夠系統(tǒng)和全面地協(xié)調(diào)整個工程機械裝備的數(shù)字化設(shè)計活動，并在體系框架層面進行規(guī)范和約束。若不能及時系統(tǒng)地開展數(shù)字化設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的研究和編制，將會顯著影響整個企業(yè)共享設(shè)計平臺的推進和深化發(fā)展。

實施全三維數(shù)字化設(shè)計，首先有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)作應(yīng)用規(guī)范化支撐，其次必須構(gòu)建開發(fā)對應(yīng)的全三維研發(fā)工藝協(xié)同設(shè)計系統(tǒng)，以提高設(shè)計、工藝的效率，節(jié)省產(chǎn)品研制成本。圖1所示為所需開發(fā)構(gòu)建的全三維研發(fā)工藝協(xié)同設(shè)計應(yīng)用平臺的流程架構(gòu)。該平臺包含有“三維模型標(biāo)注技術(shù)”、“三維機加工藝設(shè)計技術(shù)”、“三維焊接裝配工藝設(shè)計技術(shù)”、“三

怠速工況1.5階燃燒激勵頻率為21.3Hz時，此頻率下繞X方向振動傳遞率優(yōu)化后明顯下降，從138.7%降低到84.2%；Z方向振動傳遞率也有一定程度降低；怠速工況1階不平衡往復(fù)慣性力矩的激勵頻率為14.2Hz，此頻率下繞X和z方向振動隔振率優(yōu)化前后變化不大。因此振動傳遞率仿真表明：優(yōu)化后動力總成懸置系統(tǒng)隔振性能得到提高。

六、結(jié)語

叉車動力總成懸置系統(tǒng)的設(shè)計有一定難度，特別是針對三缸發(fā)動機而言，需要同時考慮1階、1.5階發(fā)動機振動激勵的隔振，也要兼顧六個方向振動模態(tài)能量解耦，還要控制發(fā)動機啟動時的抖動。因此必須要利用優(yōu)化設(shè)計方法，在有限的設(shè)計空間內(nèi)，探索最優(yōu)的設(shè)計方案，本文利用的遺傳算法是一種高效的全局優(yōu)化算法，可以快速找到動力總成懸置系統(tǒng)全局最優(yōu)設(shè)計方案，具有很高的工程應(yīng)用價值。維鈑金工藝設(shè)計技術(shù)”、“三維工藝可視化發(fā)布技術(shù)”和“三維模型質(zhì)量檢測技術(shù)”。下面將具體介紹每個技術(shù)的體系架構(gòu)和具體應(yīng)用。

二、產(chǎn)品工藝協(xié)同設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用

1.三維模型標(biāo)注技術(shù)

該技術(shù)是將設(shè)計過程中用到的尺寸標(biāo)注、公差標(biāo)注、表面粗糙度標(biāo)注、螺紋標(biāo)注、幾何公差標(biāo)注及技術(shù)要求標(biāo)注等設(shè)計信息進行集成開發(fā)，并將這些符號、參數(shù)信息標(biāo)注到相關(guān)模型中。

建立三維模型標(biāo)注前，首先將國家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計手冊以及企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中的數(shù)據(jù)、參數(shù)、設(shè)計公式集成到程序中。建立基于MBD三維標(biāo)注的表面粗糙度標(biāo)注、幾何公差標(biāo)注、焊接符號、技術(shù)要求標(biāo)注等符號，并存儲到數(shù)據(jù)庫中。所有標(biāo)注的符號均要與圖元相關(guān)，即在修改模型、圖元時符號圖元的相對位置不變。系統(tǒng)維護方便，企業(yè)能自由添加相關(guān)數(shù)據(jù)。

該平臺一部分采用Pro/ENGINEER系統(tǒng)提供的ProToolkit二次開發(fā)函數(shù)進行二次開發(fā)，另一部分采用Pro/ENGINEER系統(tǒng)本身的自定義符號進行符號庫的建立，最終兩者結(jié)合實現(xiàn)三維模型標(biāo)注功能。此外該系統(tǒng)提供一個統(tǒng)一的升級服務(wù)，方便后期程序功能增加后的程序升級，這樣不需要每個客戶端分別安裝升級包，只需要對升級服務(wù)器進行設(shè)置所有客戶端均能自動升級。

本系統(tǒng)采用VC++和Pro/Toolkit進行組合開發(fā)，以菜單形式加載到Pro/E中，部分程序示例界面如圖2～6所示。

2.三維機加工藝設(shè)計技術(shù)

建立一個基于三維模型的機加工工藝信息系統(tǒng)，實現(xiàn)設(shè)計、工藝、制造使用相同的數(shù)據(jù)源，突破設(shè)計、工藝和制造之間的信息孤島。

系統(tǒng)總體目標(biāo)是固化機加工工藝信息符號，規(guī)范機加工工藝信息表達(dá)方法，實現(xiàn)機加工工藝信息在三維模型中表達(dá)，實現(xiàn)機加工工序模型可視化發(fā)布，實現(xiàn)機加工工藝卡片的自動產(chǎn)生，實現(xiàn)機加工工藝審批流程，實現(xiàn)制造車間無圖化瀏覽。該系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖7所示。

系統(tǒng)層：主要是配置全三維鈑金工藝設(shè)計時所需的計算機軟硬件環(huán)境，包括計算機硬件配置、網(wǎng)絡(luò)環(huán)境配置及相關(guān)的軟件、數(shù)據(jù)庫配置等，如PDM、ERP等。

數(shù)據(jù)層：該層主要是合理存儲三維機加工工藝設(shè)計過程中所產(chǎn)生的機加工工藝參數(shù)、符號及特征信息等。

平臺層：該技術(shù)主要基于三維建模軟件Pro/E和輕量化插件ProductView。對于機加工MBD工序模型的構(gòu)建主要基于Pro/ENGINEER的機加工工藝信息標(biāo)注模塊、工序模型構(gòu)建模塊、工序組織與特征關(guān)聯(lián)模塊進行開發(fā)定制，而對于MBD機加工工序模型的可視化網(wǎng)頁發(fā)布主要基于ProductView進行開發(fā)實現(xiàn)。

應(yīng)用層：該層主要是在平臺層基礎(chǔ)上，利用平臺層相關(guān)軟件的底層開發(fā)接口函數(shù)，進行機加工工藝設(shè)計過程的全三維化，包含有機加工工藝參數(shù)的三維化標(biāo)注、工序特征的快速構(gòu)建、工序組織與特征關(guān)聯(lián)、MBD機加工工序模型的構(gòu)建及網(wǎng)頁化發(fā)布等。

工藝符號庫：基于Pro/ENGINEER建立的工藝信息表達(dá)符號庫。工藝信息標(biāo)注：基于Pro/ENGINEER的三維快速標(biāo)注工具。工序模型構(gòu)建：基于Pro/ENGINEER的三維工序模型構(gòu)建工具。工序模型發(fā)布：基于Pro/ENGINEER的工序模型發(fā)布工具。PDM擴展：基于Windchill的模型數(shù)據(jù)與發(fā)布流程管理。

系統(tǒng)管理：B/S架構(gòu)工藝信息管理與維護接口。應(yīng)用模塊：B/S架構(gòu)供最終用戶使用瀏覽的接口。

本系統(tǒng)采用VC++和Pro/Toolkit進行組合開發(fā)，結(jié)合國標(biāo)中的加工符號簡化畫法，進行組合設(shè)計，將機加工工藝信息以符號形式標(biāo)注到模型中，程序以菜單形式加載到Pro/ENGINEER中，部分程序示例界面如圖8所示。endprint

3.三維鈑金工藝設(shè)計技術(shù)

建立一個基于三維模型的鈑金工藝信息系統(tǒng)，實現(xiàn)鈑金工藝設(shè)計的全三維化、折彎圖理解的便捷性、折彎模型參數(shù)表達(dá)的準(zhǔn)確性。

系統(tǒng)總體目標(biāo)是實現(xiàn)鈑金工藝特征的快速生成，按照鈑金折彎序列生成工藝模型，實現(xiàn)鈑金工藝參數(shù)的三維標(biāo)注，實現(xiàn)鈑金工序模型的可視化發(fā)布，實現(xiàn)鈑金工藝規(guī)程卡的網(wǎng)頁化發(fā)布，實現(xiàn)鈑金工藝設(shè)計的全三維化。系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖9所示。

系統(tǒng)層：主要是配置全三維鈑金工藝設(shè)計時所需的計萍機軟硬件環(huán)境，包括計算機硬件配置、網(wǎng)絡(luò)環(huán)境配置及相關(guān)的軟件、數(shù)據(jù)庫配置等，如PDM、ERP等。

數(shù)據(jù)層：該層主要是合理存儲三維鈑金工藝設(shè)計過程中所產(chǎn)生的鈑金工藝參數(shù)信息，如折彎展開長度、折彎內(nèi)側(cè)半徑及鈑金件厚度等；鈑金工藝特征信息，如切口及止裂槽等。

平臺層：該層主要基于三維建模軟件Pro/ENGINEER和輕量化插件ProductView。對于鈑金工藝特征的快速構(gòu)建主要基于Pro/ENGINEER的鈑金設(shè)計模塊進行開發(fā)定制，而對于鈑金工藝MBD模型的可視化網(wǎng)頁發(fā)布主要基于ProductView進行開發(fā)實現(xiàn)。

應(yīng)用層：該層主要是在平臺層基礎(chǔ)上，利用平臺層相關(guān)軟件的底層開發(fā)接口函數(shù)，進行鈑金工藝設(shè)計過程的全三維化，包含有鈑金工藝參數(shù)的三維化標(biāo)注、鈑金工藝特征的快速構(gòu)建、三維鈑金工序模型的構(gòu)建及網(wǎng)頁化發(fā)布等。

4.三維焊接裝配工藝設(shè)計技術(shù)

本系統(tǒng)主要解決產(chǎn)品基于三維模型的焊接裝配工藝設(shè)計問題，突破焊接裝配工藝信息在三維模型上的合理表達(dá)、三維裝配工藝卡片的生成、裝配過程仿真的可視化發(fā)布和裝配工藝性評價等關(guān)鍵技術(shù)，提高焊接裝配工藝設(shè)計的水平。

實現(xiàn)基于三維模型的焊接裝配工藝信息表達(dá)。三維裝配過程中涉及到大量裝配工藝信息，包括零部件屬性信息、配合尺寸及形位公差信息、所需設(shè)備及工裝名稱、裝配參照約束類型、裝配連接方式和螺栓扭緊力矩等。三維焊接過程中涉及到大量焊接工藝信息，包括各種焊縫橫截面的基本形式或特征，卷邊焊縫、I形焊縫、V形焊縫等的符號化表達(dá)，雙面焊焊縫或接頭的組合符號化表達(dá)，焊縫表面形狀、襯墊、焊縫分布及施焊地點等的符號化表達(dá)等。通過三維標(biāo)注技術(shù)實現(xiàn)焊接和裝配工藝信息在模型上的有效表達(dá)，取消二維圖紙，統(tǒng)一數(shù)據(jù)源。

焊接裝配工藝過程仿真。在三維環(huán)境下通過模型位置的變化與處理，能夠?qū)崿F(xiàn)裝配工藝過程的可視化，進行干涉和碰撞檢查，驗證焊接裝配工藝的合理性。實現(xiàn)結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的管理。標(biāo)注在模型上的焊接裝配工藝信息為結(jié)構(gòu)化信息，能夠?qū)崿F(xiàn)信息的快速檢索和查詢，對各類工程數(shù)據(jù)進行結(jié)構(gòu)化管理。該系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖10所示。

數(shù)據(jù)層：主要是構(gòu)建和合理存儲項目實施過程中所產(chǎn)生的模型、流程和符號等信息，在該項目中所構(gòu)建的子庫包含有三維焊接或裝配工序模型庫、對應(yīng)設(shè)計模型庫和焊接裝配工藝符號庫等。

平臺層：該技術(shù)主要基于Pro/ENGINEER，充分利用其特征建模技術(shù)。Pro/ENGINEER軟件是一套基于Windows平臺的CAD/CAM/CAE桌面集成系統(tǒng)。它全面采用非全約束的特征建模技術(shù)，其設(shè)計過程全相關(guān)性，可以在設(shè)計過程的任何階段修改設(shè)計，同時牽動相關(guān)部分的改變。該軟件具有較好的開放性接口和功能性擴充。

業(yè)務(wù)層：該層主要為焊接裝配工藝設(shè)計過程作業(yè)務(wù)技術(shù)支撐，包含有爆炸圖生成技術(shù)、焊接符號三維標(biāo)注技術(shù)、三維BOM生成技術(shù)和三維球標(biāo)標(biāo)注技術(shù)等。

應(yīng)用層：該層主要是在業(yè)務(wù)層基礎(chǔ)上，進行組件焊接裝配過程的全三維化應(yīng)用，包含有組件裝配序列過程仿真、裝配路徑的交互式指定與優(yōu)化等。

5.三維模型質(zhì)量檢測技術(shù)

該系統(tǒng)依托CAD應(yīng)用相關(guān)的國家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容，把相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)要求設(shè)計成企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化審查的準(zhǔn)則，開發(fā)審查工具集，通過計算機軟件技術(shù)來實現(xiàn)對三維模型數(shù)據(jù)的實時與事后的質(zhì)量審查。該系統(tǒng)具備對檢測項進行靈活配置并自定義檢測集和自定義檢測項目值的功能，并能夠與Pro/ENGINEER無縫集成，實現(xiàn)自動化或半自動化對產(chǎn)品三維模型進行標(biāo)準(zhǔn)化審查的功能。

充分利用現(xiàn)有資源，嚴(yán)格按照國家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進行功能開發(fā)。實現(xiàn)模型和工程圖、裝配及工藝模型的質(zhì)量檢查，并對檢查結(jié)果進行反饋建立獨立的人員、角色、部門管理機制，實現(xiàn)對平臺中各種數(shù)據(jù)的權(quán)限控制，保證數(shù)據(jù)安全；采用先進的技術(shù)架構(gòu)，保證系統(tǒng)性能的穩(wěn)定、可靠、可擴展和易于升級、維護。該系統(tǒng)在總體技術(shù)架構(gòu)設(shè)計上采用組件化、分布式的開發(fā)方法。其總體技術(shù)架構(gòu)如圖11所示。

表現(xiàn)層：用戶可以直接訪問和操作的系統(tǒng)界面，表現(xiàn)層就能夠?qū)⒂脩糨斎氲臄?shù)據(jù)或訪問請求傳遞給業(yè)務(wù)層。

業(yè)務(wù)層：系統(tǒng)的業(yè)務(wù)邏輯操作。業(yè)務(wù)層由各個組件構(gòu)成，接受表現(xiàn)層的信息，調(diào)用相應(yīng)組件進行功能實現(xiàn)。

業(yè)務(wù)組件：將系統(tǒng)的功能和公共模塊提煉、封裝成業(yè)務(wù)組件，并提供標(biāo)準(zhǔn)接口，供組件間或表現(xiàn)層和數(shù)據(jù)層調(diào)用。

Pro/ENGINEER二次開發(fā)接口（Pro/Toolikt）：Pro/ENGINEER平臺提供的二次開發(fā)接口，對Pro/ENGINEER數(shù)據(jù)進行訪問必須要應(yīng)用二次開發(fā)接口。

Pro/ENGINEER訪問組件：對Pro/ENGINEER數(shù)據(jù)進行底層訪問的通道，根據(jù)集團對Pro/ENGINEER應(yīng)用情況求，本系統(tǒng)采用VC++與Pro/Toolikt開發(fā)方式。

數(shù)據(jù)訪問接口：提供對檢測結(jié)果文件的存儲和讀取。檢測結(jié)果文件可以放在本地，也可以放在遠(yuǎn)程服務(wù)器上。

許可協(xié)議認(rèn)證：對系統(tǒng)的應(yīng)用采用許可協(xié)議的認(rèn)證制，包括對系統(tǒng)功能的訪問控制管理。

組件執(zhí)行引擎：管理組件的調(diào)用，用戶接口程序通過組件執(zhí)行引擎調(diào)用業(yè)務(wù)組件。

6.三維工藝可視化發(fā)布技術(shù)

將工藝設(shè)計結(jié)果快速發(fā)布成脫離軟件平臺的三維工藝卡?；诠に嚰庸ぁ⒀b配順序?qū)⒛Ｐ瓦M行可視化發(fā)布，以輕量化模型為主要信息載體，集成裝配工藝信息，同時可在加工、裝配過程仿真的基礎(chǔ)上輸出仿真動畫，用于指導(dǎo)制造。

7.系統(tǒng)總體目標(biāo)

系統(tǒng)總體技術(shù)方案是三維工藝可視化發(fā)布軟件基于B/S架構(gòu)，基于Pro/ENGINEER開發(fā)，主要分為：機加工工藝模型發(fā)布模塊、鈑金工藝模型發(fā)布模塊、涂裝工藝模型發(fā)布模塊和焊接裝配工藝模型發(fā)布模塊。

機加工工藝模型發(fā)布是將建立好的模型發(fā)布為ProductView格式文件，以方便查閱。鈑金工藝模型發(fā)布模塊是將建立好的鈑金工藝MBD模型發(fā)布為ProductView格式輕量化文件，以方便信息獲取。涂裝工藝模型發(fā)布模塊是將建立好的涂裝工藝MBD模型發(fā)布為ProductView格式輕量化文件，以方便信息網(wǎng)頁化獲取。焊接裝配工藝模型發(fā)布模塊是根據(jù)裝配順序?qū)⒔⒑玫暮附友b配序列模型發(fā)布為ProductView格式文件，以方便查閱?；跇?gòu)建的插件，動態(tài)多視圖地展示全三維集成工藝模型信息，以使車間加工、裝配人員能多方位直觀地瀏覽工藝模型。具體的發(fā)布界面布局如圖12所示。

三、結(jié)語

通過三維模型標(biāo)注技術(shù)、三維機加工藝設(shè)計技術(shù)、三維焊接裝配工藝設(shè)計技術(shù)、三維工藝可視化發(fā)布技術(shù)和三維模型質(zhì)量檢測技術(shù)的應(yīng)用，使設(shè)計人員可以在三維環(huán)境下開展機加工、焊接裝配工藝設(shè)計，并將機加工工藝、焊接裝配工藝發(fā)布到車間終端，取消二維工程圖和工藝卡片，打通機加工工藝、焊接裝配工藝數(shù)據(jù)鏈，顯著提高設(shè)計水平和效率。endprint