引 言
基于模型定義(Model-based Definition，MBD)技術是產品數字化定義的新方法，其核心內容是產品的幾何模型，所有相關的工藝描述信息、屬性信息和管理信息(包括零件表)等都附著在產品的三維模型中。它是一個用集成的三維實體模型來完整表達產品定義信息的方法，詳細規定了三維實體模型中產品尺寸、公差的標注規則和工藝信息的表達方法。MBD改變了傳統由三維實體模型來描述幾何形狀信息以及用二維工程圖紙來定義尺寸、公差和工藝信息的分步產品數字化定義方法，使三維實體模型作為生產制造過程中的唯一依據，改變了傳統以工程圖紙為主、以三維實體模型為輔的制造方法? 。
美國波音公司作為上游企業，在2004年啟動的波音787項目中，從設計開始，在合作伙伴中全面推行MBD技術，即在3D模型中包含產品形狀以及全部制造特征在內的信息，并在管理中完全以3D模型為設計制造的唯一依據。在波音787項目的帶動下，波音公司及其主要承包商實現了向MBD制造技術體系的過渡。
1 需求分析
目前我國企業大多采用三維模型+二維圖紙的產品數字化定義方式，由于設計、制造工程師缺乏對數字化產品非幾何信息定義的統一認同形式，因此采用三維模型表達幾何信息，工藝、制造、屬性和管理信息仍以二維工程圖作為表達方式。即便對于數控機加工類零件，也需要將三維數模轉化成二維圖紙，以便遵循傳統的制圖標準將僅靠形狀無法表達的非形狀信息標示在二維圖上。由于產品數據定義以二維和三維形式來共同表達，因此下游用戶(如工藝、工裝和檢驗)在工作之前要花大量的時間和精力認真閱讀三維數模和二維圖樣。特別是對于較復雜的結構零部件，有時會存在二維與三維不一致的問題，甚至個別零部件有時用二維圖紙和文字都難以描述清楚。這使得設計生產間的協調、更改和返工較多，影響生產效率，難以完全發揮數字化技術在設計制造中的優勢。
國內航空業在設計端率先應用了MBD技術，但在工藝設計階段由于缺乏成熟的軟件系統作為支撐，未能實現設計制造的一體化。軍工電子行業由于自身的特殊性，存在典型的多型號、多狀態、小批量、多批次、預研與批產并存的復雜生產狀況，面對產品研制任務越來越艱巨、研制周期越來越短和產品質量要求越來越高的新常態，缺乏可供借鑒的成熟產品數據管理(Product Data Management，PDM)系統。本文以數字化樣機工程設計制造一體化項目為背景，探索基于MBD的設計制造一體化研制系統在軍用電子裝備中的應用，提出了一體化的數字化集成研制框架，并進行了應用實施。
2 三維工藝系統框架
基于現有的PDM系統，搭建基于三維設計模型的工藝設計管理系統，形成面向三維模型定義的工藝設計能力，建設內容涵蓋工藝設計、工藝物料清單(Process Bill of Material，PBOM)設計管理、工藝任務分工、定額管理、工裝設計管理和工藝基線管理等業務。一體化三維工藝系統總體架構如圖1所示。實現基于PBOM的結構化的工藝數據管理，為ERP、MES等生產組織信息系統提供工藝支撐數據。
圖1 一體化PDM系統總體架構
實施一體化的三維工藝設計管理平臺后工藝設計管理業務的框架如圖2所示。統一的工藝設計管理平臺實現對工藝設計各個業務的管理，實現基于三維設計模型的三維工藝設計，并實現基于全三維的工藝設計文件在制造現場的可視化展示。由于一體化的工藝設計管理數據源的唯一性，從設計、制造到管理以及檢驗信息都依據一系列的MBD規范統一定義在三維數模中，因此三維數字化模型成為設計、制造和管理的唯一依據。
3 三維工藝系統的應用實施
3．1 三維工藝系統管理業務框架
采用一體化的工藝設計管理平臺實現基于三維設計模型的工藝設計各核心業務的管理。實施一體化的設計制造管理平臺后的業務框架如圖2所示。通過三維工藝設計管理平臺實現基于全三維的工藝設計過程管理，實現基于全三維的工藝設計文件在制造現場的可視化展示，實現在統一數據源的基礎上，工藝設計環節與產品設計、制造環節相關系統的緊密集成。
圖2 三維工藝設計管理平臺業務框架
3.2 PBOM設計管理
PBOM的生成及管理是工藝設計和管理的起始點，也是產品設計與工藝設計的交接點，是PDM下組織整個工藝的基礎。基于PDM平臺的工藝信息管理將圍繞PBOM進行數據組織和管理，并能夠根據業務流程的關系有機地執行管理、工藝分工、工藝計劃、工藝規程編制、工藝資源管理、工藝知識管理、材料消耗定額編制、工時定額管理、工藝審批流程管理以及工裝設計與管理。
PBOM是在產品設計階段的工程物料清單(Engineering Bill of Material，EBOM)的基礎上經過重構產生的。EBOM是產品設計過程的屬性數據集，除包含產品零部件的結構尺寸、材料屬性、技術要求等信息外，其裝配屬性信息中還描述了產品零部件之間按照功能劃分的裝配結構關系。PBOM是在產品設計協同階段，工藝設計師繼承來自上游設計端的EBOM，完成從EBOM到PBOM的創建。工藝設計師在EBOM的基礎上，按照工藝實際裝配關系對EBOM結構樹進行重新構建，同時在PBOM節點上添加零部件的相關制造信息。系統PBOM結構編輯界面如圖3所示。
PBOM完成歸檔后，系統自動讀取PBOM創建時的相關制造信息，并以頂層節點作為主對象自動啟動工藝設計任務的分工流程。PBOM作為各類工藝任務分工以及工藝設計的依據，使所有工藝信息以PBOM為核心進行組織管理。
圖3 PBOM結構編輯界面
3.3 三維工藝設計
3.3.1 三維零件工藝設計過程
基于三維模型的產品數字化定義不同于傳統的三維模型，它在傳統直觀形象的三維幾何模型基礎上，在三維幾何模型中完成標注（包括尺寸、形位公差、技術要求、注釋及屬性等），完整地反映設計意圖。全三維標注的三維設計模型如圖4所示。
圖4 基于MBD的三維模型定義
工藝設計師在PDM系統中確認工藝設計任務，從PDM中的工藝任務鏈接啟動工藝編輯工具。創建新編工藝設計，并將PBOM節點信息的相關制造信息自動帶人。工藝文件掛載到PBOM節點上，如圖5所示。
圖5 工藝文件掛載到PBOM節點上
零件工藝的設計步驟如圖6所示。在工藝編輯器中進行工藝路線設計，模塊工藝設計師利用中間模型建模工具完全繼承設計模型、三維標注等信息；直接對零件幾何進行操作，實現模型的處理；在中間模型工具中直接利用設計產生的3D模型生成零件加工過程中所需的中問模型；3D中間模型方便納入PDM中進行統一管理，并建立與工序對象之間的關聯關系。
圖6 零件工藝編制步驟
零件工藝編制后生成的零件工藝流程圖最終發布在工藝規程頁面的零件工藝發布頁面，如圖7所示。
圖7 零件工藝發布頁面
3.3.2 三維裝配工藝的設計過程
工藝設計師在PDM中確認工藝設計任務后，進入工藝編輯器中，在PBOM節點上點擊需要創建的對象圖號，系統自動新建相關裝配工藝，裝配工藝的編制步驟如圖8所示。
圖8 三維裝配工藝編制步驟
在工藝編輯器中建立起工藝路線、工裝及工具要求。點擊參裝工具，系統自動載入對應圖號的PBOM結構樹，在參裝工具（如圖9所示）三維環境中將零部件分配到工序工步下，根據工藝表達需要，在對應工序工步中新建三維裝配注釋，將PBOM結構中的零部件分配至劃分好的工序或工步下。
圖9 參裝件分配工具
按圖8所示步驟設計完成的裝配工藝在PDM中保存并歸檔，最終整合所有信息，發布在三維裝配工藝的發布頁面，如圖10所示。
圖10 三維裝配工藝的發布頁面
在目前的三維工藝設計平臺下，裝配工藝的設計可以完成工藝路線內容編輯、三維零部件分配及注釋集添加等工作，實現了中小裝配的交互式三維工藝的編制以及三維可視化裝配工藝在生產現場的發布。
4 結束語
全三維實施后帶來的是整個研發設計模式的變革。它打通了三維模型從設計、工藝到生產全過程的傳遞和應用。產品數據實現了單一數據管理，避免了以往二維與三維不一致的問題。同時，它作為設計唯一授權的數據集，實現了對產品特征描述的所有定義內容以結構化的形式傳遞，提高了上下游的交互程度，使設計制造一體化上了一個新的臺階，也是設計制造模式的一場變革。
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本文標題：一體化三維工藝設計在復雜電子裝備中的應用
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