基于MBD 模型的结构化工艺设计流程

娄 起，焦光明，李文生，林忠亮，赵 侦，叶 瑞，柳思成，张晓玲

（航天精工股份有限公司 天津 300300）

0 引言

机械加工工艺是利用传统机械加工的方法，按照合同/标准/图纸/图样中规定的形状、尺寸、公差，使毛坯的形状、尺寸、相对位置和性能成为合格零件的全过程，是贯穿于机械生产加工类企业全过程的指导性文件/语言。

MBD（Model Based Definition），即采用一个集成化的三维数字化实体模型表达完整的产品定义信息，并作为产品制造过程中的唯一依据。MBD 技术使三维模型成为产品几何信息与非几何信息的唯一表达载体，实现了全三维数字化定义，产品定义方式的改变推动了工艺设计方式的改变，传统基于二维的工艺设计方式将被基于全三维模型的计算机辅助工艺设计与规划技术所取代，从而实现全三维数字化设计制造[1]。

机械生产制造中引进MBD 模型概念，带动数字化制造技术的革命性变化。基于MBD 思想，实现机械加工从基于二维的设计工艺模式到基于MBD 立体模型的设计工艺模式转变，通过定制开发，实现机械产品一次性批量性输出MBD 模型、图例和三维空间尺寸标注展示，提高设计效率，缩短研发周期，提高工艺可视化效果。基于MBD 思想，工艺制造过程作为设计下游的重要环节，直接关联和使用设计模型，保证数据一致性，减少差错，实现MBD 设计模型驱动工艺工序模型，实现多环节模型、参数时时联动，建立全链条可视化的工艺编制和输出模式。基于MBD 思想，构建出一个企业级产品全生命周期数据自动化管理平台，实现对产品多维度参数数据的系统化管理，为企业资源信息管理环节、成本核算管控环节、生产制造执行环节、销售维保服务环节等提供准确、实时、有效的数据支撑。

1 基于MBD设计的工艺发展

习近平总书记指出：“当今世界正经历百年未有之大变局，科技创新是其中一个关键变量。我们要于危机中育先机、于变局中开新局，必须向科技创新要答案。”基础工艺研究是科技创新的根基，大多数从事机械生产加工企业的生产工艺均起步于二维文档式管理模式。近年来，随着科技创新的不断发展，二维文档式的管理模式已不能满足企业高速发展中对庞大数据量的需求，一些航空、航天、汽车等领域的企业开始着力于基础工艺研究。

机械加工工艺从二维文档式管理向三维数字化管理发展，通过数字化模型直接驱动，直接实现MBD 模型从产品设计、工艺研究到制造执行的全流程打通。

三维数字化制造工艺设计MBD 的模型处理是目前制造企业的难点，国内外的很多学者做了大量研究，并形成了相关研究成果。其中针对复杂MBD 模型数据大、存储、传输困难等问题，研究利用贪心算法-哈夫曼压缩算法对MBD 模型数据轻量化的方法，可大大提高模型数据的处理效率，解决模型的数据占计算机内存大、文件大的问题[2]。采用基于半空间相交法的工艺模型创建方法，快速准确的逆向生成制造特征体和工序模型，达到生成可读性更强的工艺MBD 模型的目的，并将其作为一种三维可视化的工艺参考文件输出保存，可大大提高工艺设计的质量和效率，实现工艺设计模式由二维向三维的转型[3]。

产品全生命周期管理（Product Lifecycle Management，PLM）平台是实现基于模型的模块化设计与工艺协同平台，是完成协同流程构建，基于三维的全生命周期协同管理PLM 系统应用环境及结构化工艺设计平台，可实现全方位的产品数据管理（Product Data Management，PDM）和结构化工艺管理（Teamcenter Manufacturing，TCM），开展产品的三维数字化模型库构建、三维数字化工艺的创建与三维模块化工艺的流程审签、工艺BOM 和制造BOM 精细化管理。工艺设计直接关联和使用设计模型，保证数据一致性，减少差错，实现设计模型驱动工艺模型，实现两者瞬时同步更新，建立三维立体的工艺编制和输出模式。

2 数字化工艺信息传递流程

三维数字化工艺编制中，常用的两款软件：数据管理软件Teamcenter（以下简称TC）、计算机辅助设计CAD三维工具NX（以下简称NX）。Teamcenter 是基于PLM 产品全生命周期数据管理理念基础之上的管理软件，通过组合各种基础解决方案模块，用于实现制造企业复杂的产品生产PLM 远景目标，支持产品全生命周期的所有阶段，包括产品整体规划、设计开发、工艺管理、生产制造以及跟踪服务，通过该软件信息共享，不同客户端可以在整个企业中与其他客户端共享产品信息，并以最适合自身需求的方式重新组织这些共享信息（设计模型、结构信息、属性信息、资源信息等）。在三维数字化工艺编制中最核心的即为产品的设计模型与属性信息。

产品基本属性信息的传递流程大致为：“设计模型电子表格（NX 软件）→设计模型对象版本表单（TC 软件）→工艺集合属性编辑界面（TC 软件）→工艺规程属性编辑界面（TC 软件）→工艺规程卡片页表头（NX 软件）”。详细流程图见图1。

了解了三维数字化工艺中产品基本属性信息的传递流程后，不仅可在工艺编制过程中保证产品属性信息的顺畅传递流转，同时可在工艺更改/复用过程中进行产品的某一个或几个基本属性信息更改调整时，按照此信息传递流程进行操作，避免工艺编制错误，提高三维数字化工艺质量。

3 数字化工艺编制流程

3.1 工艺编制总流程

三维数字化工艺编制步骤较多，包含多个环节，按功能大致可分为：设计模型创建、工艺集合创建、工艺规程创建，3 个大的环节，详细流程见图2。

“设计模型创建”为三维数字化工艺编制的第1 个步骤，为工艺创建的源头数据操作，主要为了搭建三维数字化模型，并将模型存放在三维数字模型库中，为工艺中各个工序提供必须的设计数据信息来源，保证数据同源同宗，贯通产品设计和三维工艺的信息流。按搭建流程的先后顺序，可细分为3 个步骤：创建设计产品→创建数据集→TC 与NX 数据交互。

“工艺集合创建”为三维数字化工艺编制的第2 步，也是三维数字化工艺创建的前端操作，主要为了搭建工艺的存放位置，进行工艺的分类存放管理，实现工艺数据的结构化。操作过程比较简单，却是工艺属性信息数据传输的必须步骤，尤其是在进行数字工艺某一属性信息调整时，容易被忽略。

“工艺规程创建”为三维数字化工艺编制的第3 步，为三维数字化工艺编制的核心步骤，是工艺技术人员必须熟练掌握的内容，在工艺编制中将花费大部分的时间精力在此部分操作上。涉及步骤内容较多，大致可分为5 个步骤：TC 端工艺规程框架的搭建→NX 端同步TC 端数据→NX 端工序内容的完善→NX 端保存整本工艺→TC 端合成整本。

3.1.1 设计模型创建

设计模型创建过程主要包含：搭建设计模型架构、构建三维MBD 模型、完善模型属性信息、组织简单数据传递。“创建设计产品”可理解为三维数字化设计模型的框架，仅包含设计模型的特征属性，并无特征实体。“创建数据集”即为设计模型数据特征实体，内容含有构建三维MBD模型和完善模型属性信息，在三维数字化工艺编制中，数据集主要是UGMASTER 三维数字化模型，创建方式有两种：新建、导入本地已有模型。“TC 与NX 数据交互”主要是指将“NX 系统三维模型的属性信息”传递至TC 系统中，同时在TC 系统中对部分缺失的属性信息进行补充完善，并将TC 系统中补充的信息同步至“NX 系统三维模型”中，为保证TC 与NX 两个系统的信息时时同步一致，此处数据交互是一个交互往复的过程，因此需要重复打开NX 系统中的三维模型。

3.1.2 工艺集合创建

“工艺集合”即多份工艺的集合体，在大多数机械生产加工企业中，虽然产品的种类千差万别，但经常会遇到同类型或相似类型产品的情况，此时一个工艺集合可作为一类产品的存储位置，方便企业数字化工艺数据的结构化管理。“工艺集合”也是作为“设计模型”与“工艺规程”的桥梁位置，在进行工艺规程某一属性信息调整时或工艺克隆操作中变更某一属性信息时，不可忽略此步骤，需打开进行“工艺集合编辑”刷新操作，才可保证模型数据传输过程的不断节。

3.1.3 工艺规程创建

第1 步：“工艺规程框架搭建”过程主要在TC 软件中完成，内容涉及工艺加工类型的选择、工艺属性信息的确认、工艺辅助文档的选择、工艺流程的搭建、工序内容的填写、工时信息的添加、设备资源信息的添加等等，“工艺规程框架搭建”将影响到整本工艺规程的核心部分。

第2 步：“NX 端同步TC 端数据”操作步骤借助工艺辅助设计模块下的数据加载按键“导航器”，在展示工艺规程书签目录的同时，实现在NX 制图工具端一键提取TC软件端的数据。

第3 步：“NX 端工序内容的完善”过程是通过NX 制图工具软件的建模、制图两个模块，完善工艺规程中各个工序的内容。其中，“建模”模块主要处理工序中的模型部分，“制图”模块主要处理工序中的文字部分。数字化工艺编制中，增加了资源信息的标准化填写要求，运用NX软件自带功能及一些专用小窗口进行资源的加载填充，所有客户端的资源信息均来源于数据库中的资源信息，保证资源信息的规范化、统一管理。

第4 步：“NX 端保存整本工艺”是为了保证NX 端填写的工序三维模型、工序内容、资源信息等存储保存，同时为满足工艺中所有信息实现结构化存储，添加了部分特殊操作，将以上信息备份存储于后台数据库中，以方便调用。首先，保存NX 端整本工艺的NX 卡片数据及各工序散落的资源信息数据。其次，将NX 端散落在各个工序中的数据，尤其是工艺电子表格中的数据，一键汇总至后台数据库中，同时将数据库中的信息传递至TC 端，以方便后续其他信息化系统的调用。最后，保存各个工序中三维模型的链接关系，防止其他工艺人员引用此本工艺时，此本工艺的链接关系丢失，以供其他工艺人员借用，方便后续其他同类型工艺的编制。

第5 步：“TC 端合成整本”是为了在TC 端进行后台数据库汇总信息的提取分配，一键操作实现所有共性文档类表头信息的自动更新替换，同时完成部分非个性化表格内容信息一键自动汇总更新。另外，此步骤中还包含对一键操作无法实现的个性化内容信息进行手动补充完善。最后为保证生产现场操作工人的可视化使用，将数字化工艺信息一键汇总合并传递至生产现场可视化的信息终端中。

3.2 工艺编制审签流程

三维数字化工艺编制完成，检查无误后发起流程审批，工艺流程审签主要包含工艺流程的发起、工艺流程的审签及工艺流程的批注3 个部分。工艺规程发起流程审批后，可以追踪当前流程所处的审批节点，在流程未达某一审批节点时，在流程中可更改该审批节点处的责任人。工艺审签（会签）人员，若收到工艺流程审签（会签）任务，需进行审阅与签署工作，在审阅过程中可采用工艺流程批注功能，对工艺规程文件内容进行在线意见批注，在线批注的意见可随工艺规程长期保存，包括工艺规程换版时均可留存，后续可实现工艺规程审签意见的追溯。

在TC 系统中进行工艺流程审签需注意以下两点。

（1）流程退回重启：在TC 系统中若流程被退回编制者，编制者更改完成后，为严肃工艺文件的流程状态管理，重新发起流程需从流程编制者开始，不可从被退回处开始，签署流程见图3。

（2）自动电子署名：在TC 系统中文档的签署一般在“批准”节点一次性完成所有过程审签者的署名，过程的署名信息暂存于系统的服务流程字节管理中。

3.3 工艺编制常用流程

在进行三维数字化工艺搭建时，涉及一些固定化的操作步骤，为方便记忆，总结了一些常用流程，此处主要介绍3 个常用流程，涉及内容贯穿三维数字化工艺编制的整个环节中。

三维数字化工艺编制常用流程见图4。

3.3.1 单工序编制四步曲

图形处理→文字处理→单工序前后台数据交互→单工序保存。

图形处理，包含工艺中三维模型的处理与部分二维工程图的处理，主要是通过与TC 软件集成的NX 工具软件实现工序中模型处理。

文字处理有两种方式：一种直接在NX 软件前台卡片上直接编辑处理；另一种，在工序的后台数据表中完成编辑处理。大多数工艺技术人员的操作是两种方式同时采用，过程中反复进行“单工序前后台数据交互”操作，以保证单工序中前后台数据的时时同步一致。

单工序前后台数据交互，目的是为保证前后台数据的同步一致，防止工艺中数据丢失，进而满足NX 软件与TC软件的数据同步传输一致。

单工序保存，主要是针对三维数字化工艺编制者养成一个良好的操作习惯而设立，单个工序编辑完成立即进行保存，防止工艺中数据丢失。

3.3.2 保存工艺四步曲

保存工艺→导出质量检测文件→生成确认表→工艺Wave。

保存工艺，主要是保存NX 软件整本工艺的前台卡片数据信息及各工序后台数据表中的数据信息。

导出质量检测文件，主要是为带有检测气泡的工序一键创建质量检测文件，以方便质量检验人员使用，确保质量检测文件的准确性。

生成确认表，主要是将NX 软件散落在各个工序中的数据信息，尤其是后台数据表中的数据信息，一键汇总至服务器信息管理库中，同时展示在两个数据汇总表中，并将这两个数据汇总表传递至TC 软件中，以方便其他软件（例如：SAP 软件、TDM 软件、DNC 系统等）直接提取、引用。

工艺Wave，主要是为了保存各个工序中三维模型的Wave 链接关系，防止其他工艺人员引用此本工艺时，此本工艺的Wave 链接关系时间戳记丢失，方便后续其他同类型产品工艺的便捷化借用编制。

3.3.3 合成工艺三大步

更新数据→完善Excel 表数据→合并整本工艺。

更新数据，通过一键操作，触发系统运行完成工艺规程技术辅助文档和汇总文件中所有表头信息的一键自动更新替换；完成部分非个性化表格内容信息一键自动汇总更新；同时，也使TC软件自动提取NX软件中工序卡片的数据。

完善Excel 表数据，针对“更新数据”系统自动运行计算操作无法完成的个性化Excel 表格内容信息，进行手动补充完善。此步骤还包含对产品总工程图、材料汇总表等信息表内容的核对检查，针对一些不恰当信息可在此步骤进行手动更正，针对部分工艺中一些个性化信息可进行手动补充、调整。

合并整本工艺，主要是受企业部分生产现场硬件条件限制和部分个性化加工需求，将三维数字化工艺中的部分内容一键提取汇总并生成文档式工艺，保留文档式工艺功能作为一项可选择项，主要是为方便现场部分操作工人可视化使用，此步骤中还可以根据需求情况剔除部分文档页。

3.4 工艺的发布状态

三维数字化工艺完成所有的流程审签后，即完成了整本工艺规程的发布。工艺发布后，工艺规程及以下数据类、文档类文件会变更为发布状态，该工艺规程的数据源设计模型也同时变更为发布状态，发布状态的文件均变为只读状态，不可更改，方便信息的储存、记录与追溯。

三维数字化工艺发布时，同时完成工艺中数据信息传递至中间数据表（此表的数据可直接供其他信息系统直接引用），在中间数据表中发布信息将被打上特殊标记，借助数据端口的开发，可触发数据信息的自动化传输，完成多链条数据信息的自动流转。例如：工艺发布的同时，可触发信息传递，自动将工艺BOM 数据与工艺路线数据等信息传递至生产制造管理的SAP 系统中，方便一线车间组织生产。

3.5 工艺相关系统的集成

现有三维数字化全生命周期管理系统与生产管理系统、试验检测系统以及工艺相关信息化系统的集成开发，并推动各系统的升级、优化、完善，保证数字化模型设计和工艺设计在线并行协同应用，可以提升工艺设计、生产制造、试验检测的数字化能力，即以覆盖产品全生命周期业务活动的全流程打通，实现工艺PBOM、MBOM 的流程审签与精细化管理，实现基于MBD 模型的设计与验证、基于MBD 模型的设计与工艺协同、数据贯通集成与资源柔性配置的智能制造，最终可进行产品全生命周期一体化的工程与管理协同。

三维数字化工艺是借助TC 软件端的模块化设计功能，开展不同类型工艺的设计；单道工序内通过三维模型库数据信息，进行工序的一键出图与快速PMI 标注；通过MBD设计模型的驱动，实现整本工艺中各个工序模型的联动，进而实现过程加工程序的设计驱动；借助专业级的资源数据库，实现工艺资源数据的一键加载；直接引用设计端MBD模型，一键生成过程检验气泡图，为现场生产操作人员与质量检验人员提供参考图例；一键生成各个工序过程检验卡片与终检质量检验卡片，解放质量检验人员劳动力；实现三维数字化工艺部分内容的一键提取汇总生成文档式工艺，适应现场硬件环境要求，满足部分操作工人个性化的使用需求；在TC 软件中借助流程管理模块，进行电子流程审签，打通工艺系统与生产制造管理系统（SAP 系统）数据传输接口，在三维数字化工艺审签发布的同时，实现生产制造数据的自动化传输；通过生成确认表的简单操作，完成NX 软件中整份工艺散落数据的一键汇总、结构化存储，以方便其他信息系统直接引用。三维数字化工艺编制流程及数据传输示意图见图5。

4 结语

基础工艺研究工作中工艺基础数据的完整性、可传递性与质量可靠性，决定了三维数字化工艺系统应用的成效，根据工业基础件技术发展需要，通过完善基础知识库，开展专业级的工艺基础数据库、三维模型库、资源数据库、加工参数库、工时信息库等的建设完善工作，提升产品研发设计能力、工艺数字化验证能力、生产执行自动化能力。

通过数字化工艺编制工作的推进，开展工艺标准化管理工作，推进工艺技术状态管控、工艺内容标准化管理、工艺资源标准化管理等工作，完善机械加工工艺标准化体系建设，摒弃了机械加工中资源编码以往依靠人工控制的方式，建立系统在线自动查重、发码，使管理更规范、高效、准确，解决了机械加工资源编码不规范，工模具、工艺管理不统一，无法重复复用等问题，使工艺技术管理走向规范化、标准化，对工业基础件行业中的产品设计、工艺管理、生产技术准备带来了革命性的改变。

工业基础件行业，工艺设计需要根据订单需求与生产计划进行排产，通过创建三维数字化工艺平台，进行工艺资源数据、知识数据、参数数据、图形数据、检测数据等的结构化储存，方便自动化调用，信息流贯通、数据准确同源，达到精准开发与生产交付能力提升，实现快速创建审签与迭代更新，彻底实现从依靠个人“经验设计”向基于企业知识工程“预测设计”的跨越式发展。