面向三维工艺设计的PBOM建模方法研究

周红桥，陈帝江，程五四，张祥祥

(中国电子科技集团公司第三十八研究所， 安徽 合肥 230088)

面向三维工艺设计的PBOM建模方法研究

周红桥，陈帝江，程五四，张祥祥

(中国电子科技集团公司第三十八研究所， 安徽 合肥 230088)

文中针对三维工艺设计模式应用过程中的工艺数据管理问题，提出了一种面向三维工艺设计的工艺物料清单(Process Bill of Material, PBOM)建模方法，以该方法形成的PBOM可实现三维工艺模型等工艺数据的一致性和有效管理。分析了三维工艺设计数据管理需求，给出了PBOM的形式化描述及其模型，论述了基于装配结构树驱动PBOM节点生成、基于三维工艺索引文件实现PBOM节点与三维工艺数据关联等关键技术。文中提出的PBOM建模方法对产品数据管理系统中的三维工艺设计数据管理模块开发具有指导意义。

三维工艺设计数据；产品数据管理；工艺物料清单；装配结构树

引 言

三维工艺设计是当前数字化设计与制造技术研究与应用的热点[1-7]。三维工艺设计以三维设计模型作为输入，在计算机环境下采用三维方式构建和生成以三维工艺模型为主的工艺数据，并输出和发布到车间终端，车间工人能够从各个视角浏览轻量化的三维工艺模型或查看装配动画。

三维工艺设计模式已在航空、航天、电子等行业企业开展了应用试点，取得了较好效果。应用表明：与二维工艺数据相比，三维工艺数据之间存在更高的依存度、结构性和关联性，若不能有序和规范地进行管理，则极易产生不一致和冗余问题，严重影响研发质量和效率。

因此，本文首先分析了三维工艺设计数据管理需求，在此基础上，提出了一种面向三维工艺设计的工艺物料清单(Process Bill of Material, PBOM)建模方法，并对PBOM的形式化描述、PBOM节点生成、PBOM节点与三维工艺数据关联等关键技术进行了研究。本文提出的PBOM建模方法对三维工艺设计数据的一致性和有效管理具有指导意义。

1 三维工艺设计数据管理需求分析

三维工艺设计数据可分为4类：模型数据、工程图样数据、文档数据和结构化数据[8]。

由于各类三维工艺设计数据的多样化，三维工艺设计数据之间存在复杂的映射关系。如基于PTC公司的Creo开发的雷达结构全三维工艺设计平台，其中的三维工序模型用一个装配体文件表示，而三维发布模型是由多个轻量化模型文件构成的(每道工序对应一个轻量化模型文件)，这样三维工序模型与三维发布模型的关联关系就是一种一对多的关系。

另一方面，在数字化研发模式下，将三维工艺设计数据纳入产品数据管理(Product Data Management,PDM)系统，基于PBOM进行检索、汇总和审签管理。与二维工艺设计模式类似，基于PBOM的三维工艺设计数据管理必须实现PBOM节点与相对应三维工艺数据的关联，而三维工艺数据本身的多样性和关系的复杂性给关联的实现造成了困难。

因此，本文首先给出了PBOM的形式化描述及其模型，然后对其中的节点生成和数据关联等关键技术进行了阐述。

2 PBOM形式化描述及其模型

工艺设计师根据企业加工能力和实际加工、装配过程需要，在工程物料清单(Engineering Bill of Material, EBOM)基础之上修改、配置，通过结构与层次的调整以及加入不同于产品设计状态的工艺虚拟件，形成PBOM。

PBOM可形式化描述为{N,Rn×n,D,Rn×d}。其中：N表示PBOM节点集合,N= {n1,n2, …,nk}；Rn×n表示PBOM节点之间的装配关系，一般为树结构形式；D表示三维工艺数据集合,D= {d1,d2, …,dm}；Rn×d表示PBOM节点与三维工艺数据的关联关系。

图1给出了面向三维工艺设计的PBOM模型，包含了3类三维工艺设计数据：文档数据、模型数据和结构化数据。这3类数据与PBOM节点n1的关联关系由XML形式的三维工艺索引文件进行描述，通过XML节点的兄弟关系和属性来表达三维工艺设计数据之间的关联关系。

图1 面向三维工艺设计的PBOM模型

3 PBOM建模关键技术

从EBOM到PBOM，需要依据装配关系对EBOM进行再设计。面向三维工艺设计的PBOM建模主要包括装配工艺树生成、XML中间文件生成、PBOM节点及父子关系构建以及PBOM节点与三维工艺设计数据关联4个步骤，如图2所示。

图2 面向三维工艺设计的PBOM生成方法

步骤1 装配工艺树生成。工艺设计师在进行三维装配工艺设计时，逐渐生成装配工艺树，用于表达每一道装配工序内容、装配单元、工艺装备、工艺设备以及装配参数等。

步骤2 XML中间文件生成。工艺设计师完成三维装配工艺设计时，系统对装配工艺树进行解析：通过遍历每一道装配工序中参与装配的零部件、辅料和工装等信息，生成反映PBOM结构关系的XML文件，包含了各零部件的装配关系及工艺属性。

步骤3 PBOM节点与节点父子关系重构。工艺设计师生成并向PDM系统检入三维工艺可视化模型时，步骤2中生成的XML文件被传递到PDM系统，并据此生成PBOM。具体算法是：

1)对于XML节点集中的每一个节点，若在EBOM节点集中存在对应的节点(如通过名称匹配方式)，则生成该节点的工艺视图，并解除该节点设计视图中的父子关系；若不存在对应的EBOM节点，则创建一个新节点对象，并设置其为工艺视图属性；

2)根据XML中的PBOM节点的父子关系，驱动新生成的各个PBOM节点重新构建父子关系，从而形成PBOM结构。

步骤4 PBOM节点与三维工艺设计数据关联。如前所述，PBOM节点与三维工艺设计数据的关联通过三维工艺索引文件实现，图3为三维工艺索引文件片段，由“三维工艺模型文件”、“可视化发布文件”、“工艺信息”等节点构成。

图3 三维工艺索引文件

三维工艺索引文件的名称与PBOM节点名称相同，其生成方法如下：

1)“三维工艺模型文件”节点以其子节点统一资源定位符(Universal Resource Identifier，URI)的值为三维工艺模型装配体文件的路径，其文件名称(图3中的AA3.003.002)与PBOM节点名称一致。

2)“可视化发布文件”节点由若干个“工序”子节点构成，其下又包括“编号”和“URI” 2个子节点。其中“编号”的值表示工序序号，“URI”的值为轻量化文件的路径。

3)“工艺信息”节点的子节点包括图号、物料号、材料等，这些节点的值直接抽取三维工艺模型上的结构化信息。

4 应用

基于PTC公司的Creo 2.0开发了雷达结构全三维工艺设计平台，数据管理系统采用Windchill 10.2。工艺设计师通过雷达结构全三维工艺设计平台进行装配工艺设计，构建装配工艺树，在向Windchill 10.2中检入可视化发布模型后生成了PBOM结构树，同时根据本文给出的方法生成反映装配工艺信息的三维工艺索引文件，并与PBOM节点进行关联。

另一方面，工艺设计师通过雷达结构全三维工艺设计平台开展机加工艺设计，在检入可视化发布模型后，根据本文给出的方法生成反映机加工艺信息的三维工艺索引文件，并通过名称匹配的方式实现与对应PBOM节点的关联。

5 结束语

本文针对三维工艺设计数据管理需求，提出了一种面向三维工艺设计的PBOM建模方法，包括装配工艺树生成、XML中间文件生成、PBOM节点与节点父子关系重构以及PBOM节点与三维工艺设计数据关联等步骤。其中，PBOM节点与三维工艺设计数据关联由XML形式的三维工艺索引文件实现，本文给出了该索引文件的生成方法。目前，该PBOM建模方法已应用于雷达结构全三维工艺设计平台，实现了三维工艺数据的一致性和有效管理。

[1] 彭海峰. 三维装配工艺设计方法的尝试与演变[J]. 合肥工业大学学报(自然科学版), 2007(30): 116-120.

[2] 陈兴玉, 张红旗, 陈帝江, 等. 复杂机电产品全三维工艺设计方法[J]. 雷达科学与技术, 2010, 8(5): 474-479.

[3] 万能, 常智勇, 莫蓉. 机加工艺设计的三维新模式研究[J]. 计算机集成制造系统, 2011, 17(9): 1873-1879.

[4] 程五四, 陈兴玉, 张祥祥, 等. 面向三维工艺的产品设计制造信息三维标注研究[J]. 中国制造业信息化, 2012, 41(17): 51-55.

[5] 拜明星. 基于MBD技术的三维工艺设计与现场可视化生产[J]. 航空制造技术, 2013(8): 40-43.

[6] 田富君, 张红旗, 陈兴玉, 等. 基于模型的工艺及其在零件加工工艺设计中的应用[J]. 计算机集成制造系统, 2014, 20(6): 1330-1334.

[7] 刘金锋, 倪中华, 刘晓军, 等. 基于工艺模型的工艺信息表达与管理技术[J]. 计算机集成制造系统, 2015, 21(7): 1756-1763.

[8] 周红桥, 张祥祥, 程五四, 等. 三维工艺设计数据管理研究[J]. 机械与电子, 2016, 1(1): 8-10.

周红桥(1980-)，男，博士，高级工程师，主要从事数字化设计与制造、企业信息化理论与系统集成等基础科研工作。

PBOM Modeling Approach for Three-dimension Process Planning

ZHOU Hong-qiao，CHEN Di-jiang，CHENG Wu-si，ZHANG Xiang-xiang

(The 38th Research Institute of CETC, Hefei 230088, China)

Aiming at the problem of process data management for three-dimension (3D) process planning, a process bill of material (PBOM) modeling approach is proposed in this paper, which can be used to implement consistency and effective management for process data like 3D process model and so on. First the requirements of 3D process data management are analyzed. Then the formal description of PBOM and its model are given. After that, the key techniques are discussed such as PBOM nodes generation based on assembly structure tree, PBOM nodes association with 3D process data item based on 3D process index file and so on. The proposed PBOM modeling approach can be used as guidance for the development of 3D process data management module in product data management system.

3D process planning data; product data management; PBOM; assembly structure tree

2016-12-05

国防基础科研计划资助项目(A1120131044); 国防技术基础科研计划资助项目(JSBZ2014210B007, JSBZ2015210A005, JSZL2014210B001); 国家自然科学基金资助项目(51475291)

TH122

A

1008-5300(2017)03-0061-04