王連坤， 程 磊， 武保同， 王云鋒

（1.江蘇徐工國(guó)重實(shí)驗(yàn)室科技有限公司， 江蘇 徐州 221004； 2.高端工程機(jī)械智能制造全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 江蘇 徐州 221004；3.雁棲湖基礎(chǔ)制造技術(shù)研究院（北京）有限公司）， 北京 101408）

0 引言

當(dāng)前產(chǎn)品設(shè)計(jì)定義技術(shù)多以“三維設(shè)計(jì)、 二維出圖”為主，因此，基于二維圖紙進(jìn)行的工藝設(shè)計(jì)無(wú)法清晰、有效、 全面的繼承和傳遞三維設(shè)計(jì)信息和準(zhǔn)確的表達(dá)設(shè)計(jì)意圖，難以滿足甚至?xí)魅豕こ虣C(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，增加了生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)的出錯(cuò)的概率， 嚴(yán)重影響了高端工程機(jī)械的研制水平。 同時(shí)工藝設(shè)計(jì)制造信息因在各環(huán)節(jié)傳遞過(guò)程中匹配迭代能力的不足， 導(dǎo)致制造各環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)流通不暢，造成制造數(shù)據(jù)孤島現(xiàn)象。

隨著國(guó)內(nèi)外大型裝備制造企業(yè)的數(shù)字化技術(shù)發(fā)展迅速，基于模型定義（Model-Based Definition，MBD）的數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造技術(shù)已經(jīng)成為制造業(yè)信息化的發(fā)展趨勢(shì)[1]。基于MBD 的三維工藝設(shè)計(jì)是以產(chǎn)品三維模型為工藝設(shè)計(jì)、制造的唯一依據(jù)建立的[2]。 本文從突破基于MBD 的數(shù)字樣機(jī)關(guān)鍵技術(shù)入手，克服試驗(yàn)數(shù)據(jù)離散、專用知識(shí)少等問題，著手開發(fā)工程機(jī)械焊接設(shè)計(jì)的專業(yè)軟件，儲(chǔ)備大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)并建立工程數(shù)據(jù)知識(shí)庫(kù)， 編制國(guó)內(nèi)國(guó)際行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)文件，形成一套完善的焊接工藝一體化設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)體系，從根本上提升焊接工藝設(shè)計(jì)能力。

1 焊接工藝一體化知識(shí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法

焊接工藝一體化設(shè)計(jì)知識(shí)平臺(tái)基于MBD 的數(shù)據(jù)樣機(jī)關(guān)鍵技術(shù)，在焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)和生產(chǎn)制造等方面，建立工程數(shù)據(jù)與知識(shí)庫(kù)，開發(fā)專用工業(yè)軟件，搭建標(biāo)準(zhǔn)流程體系。 同時(shí)焊接工藝一體化設(shè)計(jì)軟件對(duì)接PDM 系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)由EBOM 轉(zhuǎn)化生成PBOM，建立EBOM 和PBOM的關(guān)聯(lián)機(jī)制和轉(zhuǎn)化規(guī)則，并與ERP 系統(tǒng)數(shù)據(jù)互通，進(jìn)行生產(chǎn)管理數(shù)據(jù)和制造MBOM 的設(shè)計(jì)，統(tǒng)一研發(fā)數(shù)據(jù)源，創(chuàng)建基于MBD 的工程機(jī)械焊接工藝一體化設(shè)計(jì)模式，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化和可追溯管理。

1.1 焊接工藝一體化知識(shí)庫(kù)設(shè)計(jì)

知識(shí)庫(kù)的建立是基于大量工程實(shí)踐過(guò)程中所采集到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上的。焊接試驗(yàn)數(shù)據(jù)包括焊接材料、尺寸信息、焊接方法、設(shè)備、焊絲信息、焊接參數(shù)等參數(shù)信息，通過(guò)仿真驗(yàn)證對(duì)這些參數(shù)信息進(jìn)行有組織地關(guān)聯(lián)組合，得出最優(yōu)參數(shù)組合， 并結(jié)合工程實(shí)踐對(duì)所選定參數(shù)組合進(jìn)行充分驗(yàn)證、參數(shù)優(yōu)化分析，獲取最優(yōu)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

焊接工藝一體化知識(shí)庫(kù)包含數(shù)據(jù)共計(jì)127 萬(wàn)余條，構(gòu)建并細(xì)化為焊接工藝數(shù)據(jù)庫(kù)，集成試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)、仿真數(shù)據(jù)庫(kù)。如圖1 所示，細(xì)化分類后的數(shù)據(jù)庫(kù)作為為知識(shí)模型的建立提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)， 支撐知識(shí)模型和知識(shí)條目構(gòu)建工作。 知識(shí)庫(kù)不僅為實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)與工藝仿真等工作提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和預(yù)測(cè)模型， 同時(shí)會(huì)通過(guò)知識(shí)推送、變量預(yù)測(cè)與模型修正等方式，將各個(gè)應(yīng)用階段產(chǎn)生的結(jié)果數(shù)據(jù)反饋到基礎(chǔ)數(shù)據(jù)， 形成知識(shí)建模與知識(shí)庫(kù)構(gòu)建環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)知識(shí)的閉環(huán)動(dòng)態(tài)迭代， 實(shí)現(xiàn)知識(shí)庫(kù)智能學(xué)習(xí)，優(yōu)化完善基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、預(yù)測(cè)模型和知識(shí)條目。

圖1 焊接工藝一體化知識(shí)庫(kù)體系

工藝知識(shí)庫(kù)系統(tǒng)化建設(shè)能夠?qū)⒅R(shí)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化應(yīng)用在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程，并通過(guò)基于MBD 的三維模型將模型信息和參數(shù)信息傳遞至工藝設(shè)計(jì)平臺(tái)， 促使焊接工藝設(shè)計(jì)關(guān)鍵過(guò)程的知識(shí)驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品與工藝協(xié)同設(shè)計(jì)過(guò)程。如圖2 所示， 產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程基于焊接工藝一體化知識(shí)庫(kù)通過(guò)檢索母材規(guī)格、焊縫長(zhǎng)度等知識(shí)條目，對(duì)比提取知識(shí)庫(kù)中典型工藝模型的最優(yōu)焊接方法，再結(jié)合接頭形式、母材厚度等參數(shù)信息提取相應(yīng)的接口設(shè)計(jì)參考模型， 從而確定坡口和接頭的設(shè)計(jì)方案。 在產(chǎn)品設(shè)計(jì)確定模型焊接方法的同時(shí)， 工藝設(shè)計(jì)可根據(jù)焊接方法進(jìn)行焊接設(shè)備的選擇，并通過(guò)焊接仿真確定焊接順序的設(shè)計(jì)。隨著產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中的焊接方法、接頭、母材參數(shù)等參數(shù)信息的確定，工藝設(shè)計(jì)過(guò)程再結(jié)合焊接試驗(yàn)和仿真數(shù)據(jù)匹配確定焊材選型和焊接參數(shù)的選擇。 整個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和工藝設(shè)計(jì)流程建立在焊接工藝一體化知識(shí)庫(kù)體系上并基于MBD 三維模型進(jìn)行協(xié)同設(shè)計(jì)，解決了傳統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)源不統(tǒng)一、數(shù)據(jù)參數(shù)傳遞失效性和時(shí)效性的問題， 打破了傳統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、焊接設(shè)計(jì)、焊接試驗(yàn)、生產(chǎn)制造之間的孤島作業(yè)的壁壘，疏通了各環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)的流通，提升設(shè)計(jì)質(zhì)量和縮短產(chǎn)品上市周期。

圖2 基于MBD 的產(chǎn)品與工藝協(xié)同設(shè)計(jì)流程

1.2 焊接工藝一體化平臺(tái)的設(shè)計(jì)方法

基于MBD 三維化焊接工藝設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)需具備完整的顯示設(shè)計(jì)制造參數(shù)、快速構(gòu)建焊接工藝設(shè)計(jì)模型、精準(zhǔn)的傳遞數(shù)據(jù)并直觀的指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的特點(diǎn)。 因此工藝設(shè)計(jì)過(guò)程中產(chǎn)品模型的工藝信息正確傳遞、 參數(shù)信息精準(zhǔn)表達(dá)至關(guān)重要。

1.2.1 焊接工藝信息三維表達(dá)

為保證產(chǎn)品設(shè)計(jì)信息傳遞無(wú)誤， 焊接工藝一體化設(shè)計(jì)平臺(tái)在工藝設(shè)計(jì)過(guò)程中完全繼承了產(chǎn)品設(shè)計(jì)模型信息，并融合傳統(tǒng)工程圖的設(shè)計(jì)信息，通過(guò)模型幾何、屬性、標(biāo)注多維度表達(dá)產(chǎn)品與工藝設(shè)計(jì)信息，如圖3 所示。

圖3 三維設(shè)計(jì)/工藝信息協(xié)同表達(dá)

工藝信息以符號(hào)化組合表達(dá)方式，包含工藝符號(hào)、焊接方法代號(hào)、工藝參數(shù)、質(zhì)量控制信息、輔材信息等工藝信息參數(shù)， 自動(dòng)分類不同標(biāo)注類型和標(biāo)注要素的工藝參數(shù)，規(guī)范化、符號(hào)化工藝信息的三維表達(dá)模型，并基于三維表達(dá)模型建立模型特征識(shí)別和解析規(guī)則，識(shí)別MBD 設(shè)計(jì)模型的工藝語(yǔ)義和制造需求，通過(guò)信息繼承，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)/工藝信息協(xié)同語(yǔ)義映射和工藝信息三維標(biāo)注。

三維標(biāo)注信息和產(chǎn)品設(shè)計(jì)參數(shù)信息會(huì)同三維模型按照工藝設(shè)計(jì)流程傳遞下去，并做為三維工藝設(shè)計(jì)內(nèi)容的一部分進(jìn)行發(fā)布，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品、工藝、工廠、資源等數(shù)據(jù)的有機(jī)關(guān)聯(lián)和結(jié)構(gòu)化組織，保證數(shù)據(jù)的一致性、有效性和重用性。

1.2.2 工藝模型快速構(gòu)建方法

為實(shí)現(xiàn)工藝模型的快速構(gòu)建， 采樣了動(dòng)態(tài)級(jí)進(jìn)的方式，建立工藝規(guī)程樹結(jié)構(gòu)，通過(guò)將工藝模型的幾何模型、屬性和標(biāo)注信息等參數(shù)信息一次性分配到對(duì)應(yīng)的工序工步中， 形成以工序工步為最小單位且包含工藝信息的單元幾何模型。如圖4 所示，各單元幾何模型按工藝規(guī)程樹結(jié)構(gòu)，并基于參數(shù)化技術(shù)、工藝特征技術(shù)及特征構(gòu)建技術(shù)等技術(shù)支撐，以動(dòng)態(tài)演變的方式逐級(jí)焊接拼裝，實(shí)現(xiàn)工藝模型的快速自動(dòng)構(gòu)建過(guò)程。 以動(dòng)態(tài)級(jí)進(jìn)快速構(gòu)建工藝模型的方式可以實(shí)現(xiàn)各工序工步間相互切換， 快速查看已規(guī)劃工序工步的焊接工藝內(nèi)容和工藝參數(shù)信息。

圖4 動(dòng)態(tài)級(jí)進(jìn)工藝模型快速構(gòu)建流程示意

工藝模型構(gòu)建過(guò)程中各工序工步以動(dòng)畫仿真的形式表達(dá)工藝焊接拼點(diǎn)順序的演變，通過(guò)視角變化、透明功能提升、動(dòng)畫序列可視化交互、動(dòng)畫過(guò)程中參數(shù)標(biāo)注可見性控制等三維動(dòng)態(tài)視圖， 直觀的展現(xiàn)工序工步間焊接拼點(diǎn)的順序，實(shí)現(xiàn)工藝路徑的規(guī)劃和驗(yàn)證，實(shí)時(shí)查看工藝規(guī)劃路徑、驗(yàn)證焊接拼裝過(guò)程裝配干涉問題。

2 三維可視化發(fā)布

三維可視化發(fā)布是對(duì)基于輕量化模型的三維焊接工藝內(nèi)容的可視化展現(xiàn)，滿足現(xiàn)場(chǎng)終端設(shè)備或移動(dòng)設(shè)備的三維工藝模型查看、工藝參數(shù)信息讀取、焊接裝配路徑動(dòng)畫展示、簡(jiǎn)單的三維模型處理、以及現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)培訓(xùn)的需求。

模型輕量化處理是通過(guò)輕量級(jí)算法檢索并識(shí)別三維數(shù)模的幾何特征，設(shè)置幾何參數(shù)，確保在幾何特征不失真的情況下，最小化幾何元素的數(shù)量，融合模型組件和特征，網(wǎng)格化處理模型數(shù)據(jù)，形成三維輕量化模型格式文件，實(shí)現(xiàn)三維模型的網(wǎng)頁(yè)化瀏覽和移動(dòng)設(shè)備的瀏覽，如圖5 所示。

圖5 面向制造的三維焊接工藝可視化發(fā)布

焊接工藝一體化設(shè)計(jì)平臺(tái)三維焊接工藝可視化發(fā)布流程如下：

（1）將三維工序模型、工裝模型、毛坯模型、PMI 標(biāo)注信息等通過(guò)輕量化處理轉(zhuǎn)變成三維輕量化模型格式文件。

（2）讀取工藝信息結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，融合結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和輕量化文件，建立工藝模型可視化發(fā)布模板，搭建工藝模型與工藝可視化發(fā)布語(yǔ)義映射關(guān)系， 實(shí)現(xiàn)三維可視化發(fā)布信息的快速組織。

（3）組織數(shù)據(jù)快速建立工藝規(guī)程樹結(jié)構(gòu)，融合工序工步制造參數(shù)信息，提取三維工藝模型的可發(fā)布內(nèi)容列表，封裝三維模型對(duì)象的發(fā)布行為。

（4）基于模板的工藝信息反射，建立面向發(fā)布內(nèi)容和發(fā)布行為的映射關(guān)系，將不同的關(guān)系定義為發(fā)布規(guī)則。

（5）解析發(fā)布規(guī)則，實(shí)現(xiàn)面向不同分類用戶的三維工藝文件動(dòng)態(tài)發(fā)布，并通過(guò)MES 系統(tǒng)傳遞數(shù)據(jù)至現(xiàn)場(chǎng)終端設(shè)備或網(wǎng)絡(luò)發(fā)布移動(dòng)設(shè)備端， 完成三維焊接工藝可視化發(fā)布。

3 結(jié)束語(yǔ)

基于MBD 焊接工藝一體化設(shè)計(jì)平臺(tái)的建設(shè)，突破了信息表達(dá)、模型構(gòu)建和可視化發(fā)布等關(guān)鍵技術(shù)，構(gòu)建了覆蓋全系列工程機(jī)械產(chǎn)品的焊接工藝知識(shí)庫(kù)， 建立了企業(yè)一體化協(xié)同模式。

平臺(tái)建設(shè)集成CAD/PDM/ERP/MES 等系統(tǒng)， 統(tǒng)一產(chǎn)品設(shè)計(jì)和工藝設(shè)計(jì)環(huán)境，統(tǒng)一數(shù)據(jù)格式，實(shí)現(xiàn)工藝設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)生成PBOM 和工藝路線， 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)管理結(jié)構(gòu)化可追溯管理，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)三維可視化發(fā)布。

通過(guò)建設(shè)焊接工藝一體化設(shè)計(jì)平臺(tái)系統(tǒng)的研究，圍繞三維數(shù)字化信息表達(dá)、三維焊接工藝設(shè)計(jì)、模型構(gòu)建以及三維可視化發(fā)布等關(guān)鍵技術(shù)，研制并編寫了34 項(xiàng)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，13 項(xiàng)國(guó)家/行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，以及3 項(xiàng)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，建立并完善國(guó)際國(guó)內(nèi)工程機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系，為設(shè)計(jì)、工藝、制造的一體化管理提供技術(shù)支撐。