基于MBD的工艺设计与仿真

基于MBD的数字化工艺设计是指工艺设计人员接收产品设计部门发布的BOM、三维模型、技术要求等信息后，根据这些信息进行三维工艺设计，并对设计结果进行三维仿真验证，最后编制成三维工艺规程供操作工人和检验人员使用。图5-14所示为基于MBD的数字化工艺设计流程。

图5-14　基于MBD的数字化工艺设计流程

采用三维数字化工艺设计手段，有助于实现与产品设计并行。三维工艺设计涉及的主要内容包括三维设计模型转换、三维工艺过程建模、结构化工艺设计、基于MBD的工装设计、三维工艺仿真验证与标准资源库建立等，并最终形成基于数模的工艺规程。

（1）三维设计模型转换：将接收到的来自设计部门的三维模型转换为制造环节需要的模型格式，这部分工作一方面包括由于设计制造单位所使用的三维CAD软件不同或者软件版本不一致导致的需要进行模型转换，另一方面包括将设计的三维模型转换为制造环节需要的轻量化模型。

（2）三维工艺过程建模：建立产品制造过程中包括毛坯在内的中间工序的三维模型（包括模型标注），以满足工装设计、工艺参数计算和数控编程等工艺设计活动的需要。

（3）结构化工艺设计：实现从设计BOM到工艺BOM，乃至工艺全要素的完整定义。

（4）基于MBD的工装设计：充分利用三维模型实现工装的快速设计，通过仿真提高工装设计质量。

（5）三维工艺仿真验证：充分利用三维模型进行机加、装配、钣金、铸造等多专业的工艺仿真与验证，获得最优的工艺参数。

（6）标准资源库：针对专业特点建立包括工装、材料、设备、标准在内的资源库，辅助工艺编制。

5.2.3.1　基于MBD的设计制造协同

产品协同研发模块，主要完成对产品设计工艺协同的业务需求，从生产部门的数据要求来看，工艺数据的准确性和BOM信息的完整性来源于设计BOM，工艺是否能够早期介入参与设计工作决定了车间生产周期是否能够提前。因此，设计制造协同可从可视化协同方面解决工艺与设计之间的沟通问题；从数据协同方面解决BOM数据的完整传递问题；从流程协同方面解决工艺早期介入问题。图5-15所示为从流程方面解决制造协同问题示例。

图5-15　从流程协同方面解决制造协同问题示例

（1）工艺会签。

设计者在自己的PDM系统中发起工艺会签流程，工艺人员在自己的PDM系统中接收到工艺会签任务，同时可以浏览、检查、批阅待会签的设计模型和设计图纸，完成电子化工艺会签。

（2）接受设计数据。

设计者在自己的PDM系统中发起数据包发放流程，工艺部门/公司系统管理/数据管理人员收获数据包对数据包进行浏览、检查，将数据包数据导入自己的PDM系统中，形成EBOM， EBOM上挂接有设计数据。

（3） PBOM的创建。

工艺人员以EBOM为基础创建PBOM，并对PBOM实现电子化审签和工艺任务下发。

（4）闭环的变更。

根据企业或行业标准实现对更改问题的描述、确认，更改请求或建议的提出、评定、审核、批准，更改通知的下达、执行，更改结果的落实、审签、发布等进行有序和闭环控制，保证更改信息的正确性、及时性和完整性。实现以下管理：

①问题报告（problems report， PR）及流转过程；

② 工程更改请求（engineering change request， ECR）或工程更改建议（engineering change proposal， ECP）及审核批准过程；

③工程更改指令（engineering change notice， ECN）或更改单及审批过程；

④更改产生的新数据及其审核、批准和发布过程；

⑤其他信息的管理和记录，包括由于该次变更导致的相关更改管理、更改以后新版本数据的有效性信息设置和记录等。

5.2.3.2　三维工艺信息建模与表达问题

产品设计建模领域的三维数字化技术的研究和应用已比较成熟，但工艺设计系统以二维三维工艺设计为主，缺乏对三维产品模型的支持。在工艺设计领域尚未深入研究工艺信息的三维表达和动态演化。三维数字化工艺设计模式的实现需要从支持集成、过程性、动态性和三维化表达的角度研究三维工艺信息建模，综合运用计算机信息建模、基于模型的数字化定义和三维标注等理论和技术构建三维工艺模型。

设计部门发放的MBD模型是在零件级针对零件的功能定义的，仅包含零件的最终形状和工艺信息，并未考虑装配过程中的工艺信息。为了工艺规划中充分利用MBD模型，需要在MBD设计模型的基础上增加标记、注释、工艺属性等，生成面向工艺规划的装配规划模型；同时为满足工艺规划中所需要的仿真和分析。

以装配工艺为例，基于MBD的装配工艺信息模型以MBD装配模型为基础实现了产品设计信息、装配工艺信息与三维MBD模型的紧密关联。MBD装配模型作为设计信息和装配信息的载体，为装配规划模型和装配仿真模型提供了基础；工艺规划模型和工艺仿真模型共同构成了完整的产品零件信息；装配特征、注释、标记、工艺属性等作为设计信息的补充，为工艺规划提供参考，如图5-16所示。

5.2.3.3　知识驱动的快速工艺设计

工艺知识库是经过验证的典型工艺知识的积累。对成熟的以及可以重复借鉴利用的典型工艺进行有效管理，建立企业工艺知识库，可以大幅提高工艺设计效率和工艺知识的利用率。工艺知识库的建设是实现数字化工艺设计的重要途径。

图5-16　MBD装配模型

工艺设计知识智能推送技术：对每个型号基本固化的研发流程进行梳理，对研发流程节点任务进行建模，定义任务的输入、约束条件、工具支撑、知识系统支撑、输出，利用知识和研发流程的属性，建立知识与研制流程的各项任务的关联，让研发流程中的每一项工作都能获得知识的支撑。

知识驱动的工艺快速设计方法：以上游设计输入的全三维装配模型为依据，并在已有的装配知识库的基础上进行快速装配工艺规划。利用产品的功能模型、结构模型、规划知识和模型，首先确定可能的子装配并对其进行评价，并在子装配中进行前驱关系分析；在确定了子装配和零部件间的前驱关系约束情况下，生成装配顺序：首先根据指示模型中的规则确定产品的基础件，然后检查实例库找出典型部件装配顺序，最后分析产品的层次结构模型中的所有零部件，生成装配顺序树；最后基于知识对生成的所有可行性装配顺序进行评价，从而得到最优的装配顺序。

1）基于特征的复杂零件数控编程自动实现（图5-17）

图5-17　知识驱动的复杂零件数控自动编程实现

以上游设计输入的全三维设计模型为依据，提取零件的几何形状信息、标注信息、零件属性信息等。建立零件的全息属性面边图，形成特征的准确数学表示，通过特征识别规则组合几何体素将面及面组合识别出制造特征，通过标注的关联体转换和匹配，得到特征的加工属性。以零件的特征信息为输入，在典型工艺知识库和制造知识库的支持下，通过驱动信息的重构（包括驱动几何重构、加工方式及参数重构、进给方式及参数重构），输出以加工特征为组织单元的工艺规程，实现编程流程的自动化和标准化，以期降低编程过程中的重复劳动，提高效率并保证编程质量的稳定性。主要包括：筋顶特征工艺决策、槽腹板特征工艺决策、槽内型特征工艺决策、转角特征工艺决策等。

2）知识驱动的产品装配工艺路线快速实现（图5-18）

以上游设计输入的全三维装配模型为依据，并在已有的装配知识库的基础上进行快速装配工艺规划。装配知识库中定义了装配、子装配、原件、特征等类型，同时知识库中存储了装配模型的几何信息、结构信息（包括零部件与零部件关联关系、装配信息等）、工艺信息等。

(www.xing528.com)

图5-18　基于知识的产品装配工艺路线快速实现

利用产品的功能模型、结构模型、规划致死和模型，首先确定可能的子装配并对其进行评价，并在子装配中进行前去关系分析；在确定了子装配和零部件间的前驱关系约束情况下，生成装配顺序：首先根据指示模型中的规则确定产品的基础件，然后检查实例库找出典型部件装配顺序，最后分析产品的层次结构模型中的所有零部件，生成装配顺序树。基于知识对生成的所有可行性装配顺序进行评价，从而得到最优的装配顺序。

5.2.3.4　三维工艺设计技术

三维数字化工艺设计是一种以工艺过程的建模与仿真为核心的设计方法，其核心是通过建模与仿真技术来实现数字化的工艺验证及优化。三维工艺验证与优化涉及加工、铸造、装配等专业，加工过程建模和仿真主要包括切削加工过程和成形加工过程。切削加工过程的工艺验证与优化主要包括几何仿真优化和物理仿真优化。美国Northrop公司通过对钣金件成形的模拟，可预测回弹量、撕裂、起皱等缺陷，使废品率减少95%，周期缩短78%。三维装配工艺验证与优化也是近年来得到迅猛发展的技术，通过该技术不仅可以发现产品设计上存在的装配干涉，并对零部件的装配顺序、装配路径和工装夹具的使用进行验证，随着近几年技术的发展，还可以对装配误差累计的分析、装配顺序和零件制造误差对装配方案的影响进行分析和预测，从而在产品实物装配之前，通过带物理特性和精度信息的装配过程仿真，及时发现产品设计、工艺设计和工装设计存在的缺陷，达到有效减少工艺更改和设计更改、保证装配质量的目的。

数控加工仿真指数控加工过程在虚拟环境中的映射，它是CAD/CAM的重要组成部分，它能有效保证CAD/CAM生成的数控代码的正确性，无过切和碰撞等干涉现象，能有效减少实际数控加工时间，提高生产效率。数控加工仿真按照是否有物理因素可分为几何仿真和物理仿真两个方面。几何仿真不考虑切削参数、切削力及其他因素的影响，只仿真刀具和工件几何形体的相对运动，用以验证NC程序的正确性，同时为物理仿真提供必要的切削几何信息。几何仿真的对象不仅有刀具和工件，还包括夹具、工作台、刀库、主轴箱等，另外还有声音、光照效果等。物理仿真是将切削过程中的各物理因素的变化映射到虚拟制造系统中，在实际加工之前进行分析与预测各切削参数及干扰因素的变化对加工精度的影响，分析具体工艺参数下的工艺规划质量及加工质量，辅助在线检测与在线控制，并对工艺规程进行优化。物理仿真越来越受到重视，研究内容包括车、铣、钻等加工形式，涉及有关切削力、振动、切屑形成、工件表面质量等诸多方面。研究较多的是切削力和切削参数优化问题，对于物理仿真所涉及的问题还包括切屑形成过程仿真、振动仿真与预测以及工件由于刚性不足、内应力重新分布、装夹不当等原因引起的变形等等，仍有待解决。 目前国外已有物理仿真相关商用软件出现，如美国TWS软件，可以结合被加工材料、刀具材料和涂层、刀具形状、加工方式、切削条件（如进给速度、主轴转速、冷却液形态等），对刀具加工零件时的受力、变形、温升进行仿真分析。

热处理模拟仿真技术，是将热处理原理、材料学、弹塑性力学、流体力学、数学等多学科理论知识加以集成，建立定量描述热处理过程中各种现象及其相互作用的数学模型，利用计算机模拟热处理生产条件下工件内温度场、浓度场、相变和应力场的演变过程，作为制订合理的热处理工艺和开发热处理新技术的依据。计算机模拟的应用将使热处理摆脱依赖于经验和操作者技能的落后状态，向着精确预测生产结果和实现可靠的质量控制的方向跨越。例如，针对CZ-5运载助推器轴承支座零件进行热处理淬火过程数值模拟，通过多场耦合模拟，获得大型复杂结构件热处理过程中的内部温度、组织、应力状态的演变过程，进而预测最终的微观组织分布、残余应力分布和变形等信息，通过工艺试验，优化热处理工艺参数。

钣金数值仿真技术是基于有限元法，把计算区域划分为有限个互不重叠的单元，在每个单元内，选择一些合适的节点作为求解函数的插值点，将微分方程中的变量改写成由各变量或其导数的节点值与所选用的插值函数组成的线性表达式，借助于变分原理或加权余量法，将微分方程离散求解。

在板料加工成形方面，通过在计算机上进行虚拟仿真，有限元技术可发挥以下作用：①及时发现产品设计的潜在缺陷，将缺陷消灭于设计阶段，提高产品的可靠性与可制造性；②在工艺及模具设计阶段发现潜在问题，减少试模次数，缩短开发时间；③优化成形工艺，降低生产及材料成本。与传统开发相比，利用有限元仿真技术，可实现从经验设计到科学设计，从实验测试到虚拟测试，从传统分析技术到计算机仿真技术的转变，从而提高产品质量、缩短开发周期、降低生产成本、增强产品的可靠性和竞争力。

装配仿真技术提供了一个数字化的虚拟环境，将产品、工装、车间、操作者以数字模型在虚拟环境中展现出来，提供一系列的技术方法如干涉检测、人因分析、运动分析、数理统计等，对制定的装配工艺在虚拟环境中进行预先验证与改进，将装配工艺中存在的问题暴露在实物生产装配之前，并预先进行解决，而且这一过程在计算机上完成，摆脱了传统依靠实物验证的方法。近些年来，国内的航天航空工业，部分单位引入商业软件（DELMIA/TECNOMATIX），在一些试点型号上进行了装配仿真工作，取得了一定的成果。但是，装配仿真的应用还处在起步阶段，其必要性也需要得到更广泛的共识。同时，由于国内设计、工艺分离，航天工业还在探索从基于图纸向基于模型的研制方式转变，装配仿真的应用还有待进一步的研究与推广。

生产系统仿真主要包括工艺布局及物流规划仿真、生产单元及生产线仿真、虚拟现实。采用面向对象的方法，建立生产系统仿真模型，综合考虑产品工艺流程、工厂布局、生产资源等信息，对生产系统的结构布局、生产计划、作业调度及物流进行仿真，通过分析结果的综合与评估，验证结构布局的科学性和合理性、计划调度的可操作性，评估生产能力，分析并平衡设备利用率，解决瓶颈问题，为工厂及车间的规划、资源的配置与布局及调度计划提供科学依据。

5.2.3.5　设计制造协同平台及系统集成

基于MBE的工艺设计系统主要包含工艺顶层规划、装配工艺规划、工艺仿真验证、工艺配置管理、工艺业务管理、工艺/工装计划管理、工艺验证管理、工装设计、作业指导书输出、基础资源管理、工艺业务支撑工具集、工艺基础平台管理、工具集成管理等13个功能模块或子系统。图5-19所示为三维工艺规划系统功能架构。

图5-19　三维工艺规划系统功能架构

（1）工艺顶层规划模块。

接收设计PDM的设计数据，在数字化工艺设计与管理系统内重构装配关系；可按照工艺要求构建顶层BOM并具备BOM编辑和三维模型及设计数据预览功能，完成工艺信息添加和完善。可具备接收PDM的设计更改信息，完成更改贯彻。同时在系统内，该模块可与工艺/工装计划管理子系统具有良好的集成性，可完成顶层工艺规划任务接收与反馈及跟踪。在顶层MBOM结构上，根据产品的科研与批产性质，定义分单位信息，形成工艺总路线，依据研制或者批产阶段的要求，对各零组件指定具体生产或装配的单位，生成分单位目录。

（2）三维机加工艺规划。

三维工艺规划系统中的三维机加工工艺规划是基于特征实现的，零件信息的存储、加工工艺的编排以及最终的加工仿真，都是以特征为单位的。特征是零件产品设计与制造者关注的对象，是零件产品某一局部信息的集合。为了适应数控加工，将特征定义为形状结构便于数控加工的加工单元，并以此为单位进行相关操作。

在系统中，首先利用特征提取和识别模块分析零件CAD模型，得到以特征为单位的零件几何、工艺信息。然后，通过工艺推理和决策模块获得所提取特征加工需要的设备和工艺参数信息。在此基础上，通过人机交互编排工艺过程，而后利用毛坯生成模块根据零件CAD模型和已知的工艺参数，形成零件的加工毛坯。将所有这些参数传递给加工仿真模型自动建立模块，得到零件的加工仿真模型，最终经CAM系统处理，生成零件加工代码。

（3）三维装配工艺规划。

基于顶层P/MBOM完成工艺设计，可进行工序节点创建与内容编辑，工步节点创建与内容编辑，结构化工艺数据组织，工装资源快速引用，工时/材料定额管理，基于模型工艺简图创建、pert图显示以及基于模型的工艺信息提取与管理等功能。在数字化工艺设计与管理系统内，可与工艺/工装计划管理子系统具有良好的集成性，完成工艺规划任务接收与反馈及跟踪。

应用数字化制造技术对产品进行三维装配工艺设计，并在现场输出可视化工艺文件，这样就可以有效解决工艺设计手段落后、验证手段单一及工艺可理解性差的问题。基于数字化制造平台，利用上游设计部门发布的产品、工装三维模型作为数据源，构建虚拟装配环境，实现工艺部门对三维设计模型的使用。分解工艺任务，划分装配流程，建立零组件、工装、工艺之间关联关系，生成装配工艺结构，并通过记录装配路径关键点进行装配过程仿真，在实际装配前实现对装配工艺的验证，这样就能大大降低装配成本。最终，将数字化制造平台的工艺设计与仿真数据传递到现场，实现对现场作业的可视化指导，从而提高了装配工艺的可理解性。

（4）工艺仿真验证子系统。

与工艺规划子系统集成，在工艺规划基础上，实现设计模型与工装资源模型的轻量化导入与展示，能够与工艺规划子系统中的工序、工步结构保持同步。工艺仿真验证子系统能够基于三维模型完成加工、装配过程中的拆装活动定义、路径定义，也可以引入相应的工装，具备干涉分析能力并针对干涉区域进行报警，能够实现仿真动画与视频的输出，具备作业时间调整、装配顺序调整与优化能力。同时可通过集成，统一将仿真输出文件返回至装配工艺规划子系统的相对应的工序、工步节点上，形成工艺设计与仿真的闭环优化。

（5）工艺配置管理子系统。

主要包含两大项，分别为工艺数据技术状态记录和工艺数据有效性管理。前者重点完成工艺数据的创建、审批、定版、发放、更改、存档、失效等状态记录、标识、显示等管理；后者重点实现基于发动机产品的生产批次/台次的工艺有效性配置，确定或选择正确有效的工艺规程及其相关工艺技术信息，进行工艺配置，形成产品生产批次的完整工艺数据集，对工艺进行成套性检查，并生成工艺配置清单。该系统的批次/台次与设计的构型管理具有匹配关系。

（6）工艺业务管理模块。

主要包含工艺文件管理、工艺文件签审、工装设计签审、工艺/工装更改管理、工艺文件及工装模型模板应用等内容。

（7）工艺/工装管理子系统。

工艺/工装计划管理子系统主要有工艺/工装各类计划编制、任务分解、任务指派、任务跟踪、负载分析等功能。

（8）工装设计子系统。

具备工装模型统一编号、分类，支持属性定义以及工装节点创建。根据工装节点的工装编号，可进入设计环境开展工装设计，能够实现工装模板复用、工装标准件与典型件的快速复用，设计完成之后能够将工装设计模型入库管理，实现工装产品管理；与此同时能够将工装模型与工装节点和工装号以及工艺建立关联关系。各工装模型在整个数字化装配工艺设计与管理系统内统一编码，并编码唯一。通过二次开发，具备典型工装设计向导、工装智能标准件应用工具、典型工装模板应用工具功能。

（9）作业指导书输出子系统。

主要具备按照指定模板，输出相应的作业指导书，主要包括作业指导书、作业计划文件、制造技术要求、材料定额表、工时定额表、工装三维模型、工艺加工模型、工艺装配模型、检验检测模型、MBOM以及作业报表等内容。

（10）工艺知识与基础资源管理子系统。

能够结合加工、装配工艺设计过程中需求，建立基础设备、辅料、工装、夹具、模具、工装标准件、工装产品库、工装模型模板、工艺文件模板以及其他工艺知识库等内容。

（11）工艺业务支撑工具集。

主要包含编码工具、查询工具、统计工具，满足业务需求。编码工具能够支撑工艺文件统一编码、基础资源统一编码、工装模型统一编码等要求；查询工具能够实现工艺信息和工装信息以及各类文件的状态和人员查询；统计根据则根据查询结果按照指定要求进行统计，给出统计报表与展示界面。

（12）工艺基础平台管理模块。

主要有用户角色管理、权限管理和系统备份以及流程引擎能力。

（13）系统集成管理系统。

系统集成目的是面向产品从设计到制造的整个过程，通过利用产品结构信息、工艺信息、资源需求信息，在虚拟环境中模拟产品的实现过程。在产品设计阶段，从PDM系统中下载产品的结构数据，利用产品的设计过程数据来模拟物理装配过程，以检验设计产品的可装配性和可拆卸性，对不合理的结构提出改进意见，并进行装配效率分析。产品设计方案最终确定后，可结合装配仿真在数字化工厂平台中进行三维工艺规划。综合考虑生产节拍和成本等因素后，确定最佳的工艺规划方案。新产品投产时，对生产线进行建模，验证生产线上的工艺布局方案是否满足产能的需求。同时可结合ERP中获取的生产计划及物料信息，用物流仿真模拟生产线上的物流过程，以制定最优的物流路径、物流调度策略、缓冲区的位置等，使生产过程平顺无干涉。面对多个生产任务时从MES系统中获取生产设备的实时数据，在数字化环境中对产品的生产过程进行规划和分析，对制造系统的生产能力以及柔性制造方案的可行性方面进行验证评估。扩建工厂或生产车间时，从CAD系统中获取厂房基建的整体布局图和工艺流程图，在虚拟环境中仿真工厂的布局方案，并在数字化仿真环境中调整模型位置，以得到最优的工厂布局方案。数字化工厂技术已在航天航空、汽车、造船以及电子等行业得到了较为广泛的应用，特别是在复杂产品制造企业取得了良好的效益。图5-20所示为系统集成体系结构。

图5-20　系统集成体系结构