基于MBD 的焊接工艺一体化设计知识系统研究

王连坤， 程 磊， 武保同， 王云锋

（1.江苏徐工国重实验室科技有限公司， 江苏 徐州 221004； 2.高端工程机械智能制造全国重点实验室， 江苏 徐州 221004；3.雁栖湖基础制造技术研究院（北京）有限公司）， 北京 101408）

0 引言

当前产品设计定义技术多以“三维设计、 二维出图”为主，因此，基于二维图纸进行的工艺设计无法清晰、有效、 全面的继承和传递三维设计信息和准确的表达设计意图，难以满足甚至会削弱工程机械产品设计实现，增加了生产制造环节的出错的概率， 严重影响了高端工程机械的研制水平。 同时工艺设计制造信息因在各环节传递过程中匹配迭代能力的不足， 导致制造各环节数据流通不畅，造成制造数据孤岛现象。

随着国内外大型装备制造企业的数字化技术发展迅速，基于模型定义（Model-Based Definition，MBD）的数字化设计与制造技术已经成为制造业信息化的发展趋势[1]。基于MBD 的三维工艺设计是以产品三维模型为工艺设计、制造的唯一依据建立的[2]。 本文从突破基于MBD 的数字样机关键技术入手，克服试验数据离散、专用知识少等问题，着手开发工程机械焊接设计的专业软件，储备大量试验数据并建立工程数据知识库， 编制国内国际行业标准文件，形成一套完善的焊接工艺一体化设计标准体系，从根本上提升焊接工艺设计能力。

1 焊接工艺一体化知识系统设计方法

焊接工艺一体化设计知识平台基于MBD 的数据样机关键技术，在焊接结构设计、工艺设计和生产制造等方面，建立工程数据与知识库，开发专用工业软件，搭建标准流程体系。 同时焊接工艺一体化设计软件对接PDM 系统，驱动由EBOM 转化生成PBOM，建立EBOM 和PBOM的关联机制和转化规则，并与ERP 系统数据互通，进行生产管理数据和制造MBOM 的设计，统一研发数据源，创建基于MBD 的工程机械焊接工艺一体化设计模式，实现数据结构化和可追溯管理。

1.1 焊接工艺一体化知识库设计

知识库的建立是基于大量工程实践过程中所采集到的试验数据基础上的。焊接试验数据包括焊接材料、尺寸信息、焊接方法、设备、焊丝信息、焊接参数等参数信息，通过仿真验证对这些参数信息进行有组织地关联组合，得出最优参数组合， 并结合工程实践对所选定参数组合进行充分验证、参数优化分析，获取最优实验数据。

焊接工艺一体化知识库包含数据共计127 万余条，构建并细化为焊接工艺数据库，集成试验数据库、仿真数据库。如图1 所示，细化分类后的数据库作为为知识模型的建立提供基础数据， 支撑知识模型和知识条目构建工作。 知识库不仅为实验验证、产品设计、工艺设计与工艺仿真等工作提供基础数据和预测模型， 同时会通过知识推送、变量预测与模型修正等方式，将各个应用阶段产生的结果数据反馈到基础数据， 形成知识建模与知识库构建环节的数据知识的闭环动态迭代， 实现知识库智能学习，优化完善基础数据、预测模型和知识条目。

图1 焊接工艺一体化知识库体系

工艺知识库系统化建设能够将知识数据结构化应用在产品设计过程，并通过基于MBD 的三维模型将模型信息和参数信息传递至工艺设计平台， 促使焊接工艺设计关键过程的知识驱动，实现产品与工艺协同设计过程。如图2 所示， 产品设计过程基于焊接工艺一体化知识库通过检索母材规格、焊缝长度等知识条目，对比提取知识库中典型工艺模型的最优焊接方法，再结合接头形式、母材厚度等参数信息提取相应的接口设计参考模型， 从而确定坡口和接头的设计方案。 在产品设计确定模型焊接方法的同时， 工艺设计可根据焊接方法进行焊接设备的选择，并通过焊接仿真确定焊接顺序的设计。随着产品设计过程中的焊接方法、接头、母材参数等参数信息的确定，工艺设计过程再结合焊接试验和仿真数据匹配确定焊材选型和焊接参数的选择。 整个产品设计和工艺设计流程建立在焊接工艺一体化知识库体系上并基于MBD 三维模型进行协同设计，解决了传统工艺设计数据源不统一、数据参数传递失效性和时效性的问题， 打破了传统产品设计、焊接设计、焊接试验、生产制造之间的孤岛作业的壁垒，疏通了各环节数据的流通，提升设计质量和缩短产品上市周期。

图2 基于MBD 的产品与工艺协同设计流程

1.2 焊接工艺一体化平台的设计方法

基于MBD 三维化焊接工艺设计的实现需具备完整的显示设计制造参数、快速构建焊接工艺设计模型、精准的传递数据并直观的指导现场作业的特点。 因此工艺设计过程中产品模型的工艺信息正确传递、 参数信息精准表达至关重要。

1.2.1 焊接工艺信息三维表达

为保证产品设计信息传递无误， 焊接工艺一体化设计平台在工艺设计过程中完全继承了产品设计模型信息，并融合传统工程图的设计信息，通过模型几何、属性、标注多维度表达产品与工艺设计信息，如图3 所示。

图3 三维设计/工艺信息协同表达

工艺信息以符号化组合表达方式，包含工艺符号、焊接方法代号、工艺参数、质量控制信息、辅材信息等工艺信息参数， 自动分类不同标注类型和标注要素的工艺参数，规范化、符号化工艺信息的三维表达模型，并基于三维表达模型建立模型特征识别和解析规则，识别MBD 设计模型的工艺语义和制造需求，通过信息继承，实现产品设计/工艺信息协同语义映射和工艺信息三维标注。

三维标注信息和产品设计参数信息会同三维模型按照工艺设计流程传递下去，并做为三维工艺设计内容的一部分进行发布，实现产品、工艺、工厂、资源等数据的有机关联和结构化组织，保证数据的一致性、有效性和重用性。

1.2.2 工艺模型快速构建方法

为实现工艺模型的快速构建， 采样了动态级进的方式，建立工艺规程树结构，通过将工艺模型的几何模型、属性和标注信息等参数信息一次性分配到对应的工序工步中， 形成以工序工步为最小单位且包含工艺信息的单元几何模型。如图4 所示，各单元几何模型按工艺规程树结构，并基于参数化技术、工艺特征技术及特征构建技术等技术支撑，以动态演变的方式逐级焊接拼装，实现工艺模型的快速自动构建过程。 以动态级进快速构建工艺模型的方式可以实现各工序工步间相互切换， 快速查看已规划工序工步的焊接工艺内容和工艺参数信息。

图4 动态级进工艺模型快速构建流程示意

工艺模型构建过程中各工序工步以动画仿真的形式表达工艺焊接拼点顺序的演变，通过视角变化、透明功能提升、动画序列可视化交互、动画过程中参数标注可见性控制等三维动态视图， 直观的展现工序工步间焊接拼点的顺序，实现工艺路径的规划和验证，实时查看工艺规划路径、验证焊接拼装过程装配干涉问题。

2 三维可视化发布

三维可视化发布是对基于轻量化模型的三维焊接工艺内容的可视化展现，满足现场终端设备或移动设备的三维工艺模型查看、工艺参数信息读取、焊接装配路径动画展示、简单的三维模型处理、以及现场作业培训的需求。

模型轻量化处理是通过轻量级算法检索并识别三维数模的几何特征，设置几何参数，确保在几何特征不失真的情况下，最小化几何元素的数量，融合模型组件和特征，网格化处理模型数据，形成三维轻量化模型格式文件，实现三维模型的网页化浏览和移动设备的浏览，如图5 所示。

图5 面向制造的三维焊接工艺可视化发布

焊接工艺一体化设计平台三维焊接工艺可视化发布流程如下：

（1）将三维工序模型、工装模型、毛坯模型、PMI 标注信息等通过轻量化处理转变成三维轻量化模型格式文件。

（2）读取工艺信息结构化数据，融合结构化数据和轻量化文件，建立工艺模型可视化发布模板，搭建工艺模型与工艺可视化发布语义映射关系， 实现三维可视化发布信息的快速组织。

（3）组织数据快速建立工艺规程树结构，融合工序工步制造参数信息，提取三维工艺模型的可发布内容列表，封装三维模型对象的发布行为。

（4）基于模板的工艺信息反射，建立面向发布内容和发布行为的映射关系，将不同的关系定义为发布规则。

（5）解析发布规则，实现面向不同分类用户的三维工艺文件动态发布，并通过MES 系统传递数据至现场终端设备或网络发布移动设备端， 完成三维焊接工艺可视化发布。

3 结束语

基于MBD 焊接工艺一体化设计平台的建设，突破了信息表达、模型构建和可视化发布等关键技术，构建了覆盖全系列工程机械产品的焊接工艺知识库， 建立了企业一体化协同模式。

平台建设集成CAD/PDM/ERP/MES 等系统， 统一产品设计和工艺设计环境，统一数据格式，实现工艺设计数据驱动生成PBOM 和工艺路线， 实现数据管理结构化可追溯管理，实现现场三维可视化发布。

通过建设焊接工艺一体化设计平台系统的研究，围绕三维数字化信息表达、三维焊接工艺设计、模型构建以及三维可视化发布等关键技术，研制并编写了34 项企业标准，13 项国家/行业标准，以及3 项国际标准，建立并完善国际国内工程机械行业标准体系，为设计、工艺、制造的一体化管理提供技术支撑。