基于MBD的船舶管件三维工艺设计方法

李瑞,张刚,汪骥,刘晓,刘玉君

(大连理工大学 船舶工程学院,辽宁 大连 116024)

船舶设计制造需要多部门、团队协同工作,但目前各单位、部门之间缺乏协同作业模式,设计阶段与制造阶段的数据源不统一,造成信息得不到有效传递、效率低、研发周期长。模型定义(model based definition,MBD)技术是以集成的三维实体模型完整表达产品信息的一种定义方式[1],摒弃以往以“二维为主,三维为辅”的设计制造模式,对产品的工艺规划、加工指导的方式、生产车间的管理等产生巨大影响[2]。近年来,随着数字化的要求不断提升,三维工艺设计成为热点问题。一方面将三维模型充分应用到协同设计模式[3]中,在构建的船舶三维实体模型的基础上进行三维工艺设计和加工制造工作,将三维模型添加信息转换为EBOM模型与MBOM模型,最后输出为XML文件进行数据的传输,但这种方式中三维模型与工艺信息是两个相互独立的个体,没有形成相互依存的指示关系,生产制造阶段缺乏有效的作业指导;另一方面是借助MBD技术实现协同设计[4],构建船舶MBD设计模型与MBD工艺模型,借助MBD模型信息标注的优势,能够将模型与工艺信息形成相互依存的整体,进而作为船舶产品设计与制造过程中的唯一数据源,贯穿船舶设计、建模、工艺、制造、检验过程。但由于船舶产品的复杂性,MBD技术在船舶领域的应用还处在探索和试验的阶段[5-6]。考虑以船舶管件作为研究对象,探讨基于MBD技术实现船舶管件的三维工艺设计并生成三维作业指导书,实现设计、工艺、制造阶段的协同,为MBD技术在船舶领域的深入应用提供借鉴。

1 总体方案规划

基于MBD的船舶管件三维工艺设计是指在船舶管件MBD设计模型的基础上进行工艺设计,生成船舶管件MBD工艺模型的过程,在此过程中主要包括构建船舶管件MBD工艺模型和辅助工艺设计系统两大内容。基于对MBD技术和辅助工艺设计方法的研究,构建基于MBD的船舶管件三维工艺设计总体方案,见图1。

图1 基于MBD的船舶管件三维工艺设计总体方案

在该方案中,船舶管件MBD设计模型是工艺设计的起点,基于CATIA二次开发技术实现面向工艺设计过程的MBD设计模型信息自动提取,为船舶管件辅助工艺设计系统提供信息基础;构建以工艺实例库、工艺规则库、设备资源库等为主的工艺知识库,为辅助工艺设计系统的工艺实例重用和自动工艺决策提供知识基础,其中,自动工艺决策内容包括:加工方法、加工设备等的选择决策,工艺路线、数控加工工序等的规划决策,无余量下料长度、弯曲角度、回弹延伸数据等的计算决策,以此实现基于知识的工艺路线自动规划、工艺参数的程序化计算等,生成完整且详细的工艺信息;最后,基于对MBD数据集规范定义的研究,将生成的工艺信息集成为工艺信息树,结合模型轻量化处理,生成基于MBD的船舶管件三维作业指导书,实现对工艺现场的可视化指导。

从整体来看,船舶管件MBD模型贯穿整个方案,在三维工艺设计过程中作为唯一数据源,有着传递工艺信息的重要作用,使得信息的传递更加直观,消除二义性,可有效改善传统的船舶管件设计制造模式的弊端。

2 MBD设计模型信息的管理

船舶管件设计信息是工艺设计的基础信息,设计信息的完整性和准确性对工艺设计的规范性和准确性有重要影响,传统的船舶管件设计制造模式需要依靠工艺人员与设计人员的反复交流确认,浪费人力、工时,为此,需实现一种面向工艺设计过程的模型设计信息获取方式,在三维环境下开发MBD模型设计信息管理系统。

首先,归纳工艺设计过程中需要的设计信息并通过人机交互窗口显示;然后,基于CATIA二次开发技术和循环遍历算法实现MBD设计模型结构树中非几何信息和Node Table中几何信息的提取,并显示在交互窗口相应内容下;最后,由设计人员通过交互窗口审核其所提供的设计信息是否正确且完整,以此为工艺设计过程提供完整且准确的设计信息。通过这种方式可加强设计人员和工艺人员之间的联系,提高设计信息获取的效率和质量。

在三维环境下自动提取得到的设计信息如何有效地传递到辅助工艺设计系统也非常重要,为此,采用XML文件格式实现设计信息地有效传递。XML(extensible markup language,可扩展标记语言)文件[7]的结构与CATIA软件的特征结构树表现形式极为相似,可以非常方便处理高度结构化的数据。通过研究开发基于VB的XML文件自动读写及生成程序,按照XML文件的逻辑结构,生成储存船舶管件设计信息的文件。

3 三维工艺设计

3.1 工艺知识库的构建

辅助工艺设计系统实际上是在大量工艺知识和逻辑分析的基础上,以设计信息为依据,按照船舶管件工艺设计的流程将原本需要工艺人员人为理解并处理的知识利用计算机和知识工程技术交由系统自动完成,解决工艺设计中的各种决策问题。系统的基础是工艺知识库的构建,将船舶管件工艺知识分为通用性知识和决策性知识,借助数据库软件 SQL Sever完成对工艺知识的存储和管理,进而构建了船舶管件工艺知识库。

1)通用性知识包括:标准文件、工艺手册等规范性知识,归纳典型工艺形成的工艺实例、工艺规程等实例性知识以及管坯、加工设备等资源性知识。这类知识在工艺设计过程中的应用形式一般为检索、直接引用和查看,因此,知识的表示侧重于知识内容的描述。将通用性知识以数据表的形式储存在数据库中,其中定义了知识名称、知识属性、数据类型、主键等内容。

2)决策性知识是指工艺设计过程中涉及的加工方法、设备资源的选用等方面的工艺规则和经验以及加工工艺参数的计算等知识。这类知识的结构化程度高,知识之间的联系紧密,任何信息的细微变化(如管件尺寸信息的变化)都会导致工艺路线、工艺参数、加工方法等的改变。因此,决策性知识的表示方法也应当具有过程性的特点,实现知识的动态化表示。将数据库管理方法与产生式规则法相结合,实现决策性知识的表示与储存。该方法首先将工艺规则和经验的条件及结论部分归纳为工艺规则表,储存在工艺规则库中;使用“If-Then”的决策形式,建立条件与结论部分的因果关系,模拟人工进行自动工艺决策。

船舶管件工艺知识库所包含的知识对象种类繁多,每个知识对象又包含多个属性,为了清楚描述各知识对象的结构,利用UML(Unified Modeling Language)的建模方法,构建工艺知识库中各知识对象的关系模型,来描述各知识对象之间、知识的属性与对象之间的关系。以船舶管件基本属性信息为主的弯管加工实例库关系模型见图2。

其中,弯管加工实例库中包括管件基本属性信息表、管件几何信息表、加工工艺信息表、工艺参数表、弯曲补偿数据表,这些数据表是通过管件编号建立联系的,以此完整的描述弯管的实例数据;此外,加工工艺信息表中的数据与工艺规则库中相应规则表的主外键建立联系,通过规则决策得出相应的工艺信息。

3.2 三维工艺设计过程

船舶管件三维工艺设计是以构建的工艺知识库为基础,利用系统的自动工艺决策,逐步决策推理出工艺路线的工序信息和工步信息,最终生成完整且详细的工艺信息的过程。工艺设计的最终目的是生成用于指导生产的MBD工艺模型,因此,面向MBD工艺模型的构建,建立船舶管件三维工艺设计过程逻辑模型,见图3。

图3 船舶管件三维工艺设计过程逻辑模型

该过程可以分为初步规划阶段和详细规划阶段。工艺设计的初步规划阶段根据加工类别和工艺路线的决策规则,实现船舶管件MBD工艺模型中工序信息的定义;其中,船舶管件MBD工艺模型的工艺信息按照MBD数据集规范定义方式表达。详细规划阶段是对工艺路线的进一步完善,利用辅助工艺设计系统实现各工序信息下相应工步信息的自动工艺决策和参数计算,进而生成完整且详细的工艺信息;最后将新生成的工艺信息按照特定的格式处理并储存在工艺实例库中,实现对工艺实例库的扩充。因此,船舶管件三维工艺设计的过程也是构建船舶管件MBD工艺模型的过程。

4 基于MBD的三维作业指导方式

基于MBD的三维作业指导方式是指将船舶管件MBD工艺模型作为唯一数据源,运用三维的手段可视化指导工艺过程的方式,其主要包括工艺信息的表达和三维模型的表达。针对工艺信息的表达,构建基于MBD的船舶管件工艺信息表达模型(见图4),该模型将三维工艺设计过程中自动工艺决策生成的工艺信息按照MBD数据集规范定义的方式表达为MBD工艺信息树,实现工艺信息的有效传递。

图4 基于MBD的船舶管件工艺信息表达模型

针对模型的轻量化显示,采用VRML格式[8]进行船舶管件MBD工艺模型的轻量化处理。VRML 格式不仅包含零件几何信息,还包含标注信息,可以被 Cortona3D Viewer 插件解析,摆脱必须依靠三维建模软件查看三维模型的束缚,适合MBD模型的传递与显示,符合生产设计的需要。

基于MBD的三维作业指导方式的传递形式是生成三维工艺卡的电子文档,三维工艺卡集成MBD工艺信息树和轻量化三维模型,包括基本信息区、工艺信息表达区、轻量化三维模型显示区3个部分,可以实现模型的放大、缩小等基本操作。

5 应用实例

利用CATIA软件构建船舶管件MBD几何模型,SQL Sever数据库软件作为数据库管理平台,利用Visual Studio 开发了船舶管件辅助工艺设计系统,最后将生成的三维工艺卡以电子文档形式传递到工艺现场,实现工艺过程的三维可视化指导。

三维工艺设计的过程主要包括:

1)接收设计人员发布的船舶管件MBD设计模型,在三维环境下完成对MBD设计模型信息的自动提取,并审核确认信息的完整性和准确性;将设计信息导出为XML文件,MBD模型导出为VRML文件供系统调用。

2)船舶管件辅助工艺设计系统接收并读取XML文件设计信息,系统在工艺知识库的支持下,首先根据设计信息和工艺人员输入的检索条件链接工艺实例库并检索出相似的工艺实例,由工艺人员选择实例简单修改或者直接引用,生成基于实例数据的管件工艺信息,审核通过后可直接用于生成三维工艺卡。

3)若无工艺实例与之匹配,系统则会根据设计信息按照三维工艺设计的流程逐步生成工艺信息。首先根据工艺路线的决策规则进行工艺路线的初步规划,实现基于MBD的工序信息定义,并初步生成工艺信息树;然后根据初步规划后的工序信息进入详细规划阶段,确定需要完善的工步信息,系统会依据相应的工艺规则进行自动工艺决策,生成相应的工步信息并保存在工艺信息树相应工序节点下;系统进行多次自动工艺决策后生成完整且详细的基于MBD的工艺信息树。

4)最后由系统调用并集成工艺信息树和轻量化三维模型,生成三维工艺卡电子文档,传递到工艺现场,实现工艺过程的可视化指导。

6 结论

将船舶管件MBD模型作为唯一数据源,开发船舶管件辅助工艺设计系统,进行三维工艺设计,结合MBD模型生成三维工艺卡,更加直观的指导工艺生产。结果表明,基于MBD技术能够实现船舶管件设计、工艺、制造阶段的协同研制。这种方式需要精细的前序设计才能保证自动化工艺设计的准确,避免重复建模与数据源转换,缩短研发周期,有效避免信息传递的错误,增加产品合格率。这种三维工艺设计方式符合数字化设计的要求,为MBD技术在船舶领域的深入应用提供一种思路。