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基于MBD的集成式CAPP技术研究 与系统开发
发布时间：2023-01-03 13:33
摘 要 I
Abstract III
Contents VII
第1 章 绪论 1
1.1课题的研究背景 1
1.2CAPP 研究概述 2
121基于三代设计语言的CAPP系统发展比较 2
122国内外CAPP系统集成方式发展概述 3
123基于MBD模式下工艺设计研究概述 4
1.3基于MBD技术的CAPP研究面临的问题与发展趋势 5
1.3.1基于MBD技术的CAPP发展面临的问题 5
1.3.2基于MBD技术的CAPP发展趋势 5
1.4论文的主要研究内容及意义 6
第2章 工艺设计集成系统总体方案设计 8
2.1系统总体需求分析 8
2.2系统体系结构 8
2.2.1集成系统总体框架 8
2.2.2集成系统总体研究目标 10
2.2.3基于MBD技术的集成式的CAPP系统功能设计 10
2.3基于MBD模型的统一数据源在集成中的传递与集成应用 11
2.4集成系统的数据信息设计 12
2.4.1集成系统的输入输出 12
2.4.2MBD 数据集 13
2.4.3工艺信息集成模型设计 15
2.5系统开发支撑技术分析 16
2.5.1系统开发环境及工具选择 16
2.5.2基于UG NX的二次开发技术 16
2.6本章小结 18
第3章 基于Web技术的信息管理集成平台研究 19
3.1基于Web技术的网络化应用 19
3.1.1Web客户端技术 19
3.1.2Web服务器技术 20
3.2基于Web的信息管理集成平台架构设计 20
3.2.1基于Web技术下的产品制造信息在集成过程中的作用 20
3.2.2基于Web平台的资源信息与工艺设计系统集成架构体系设计 21
3.3基于Web信息管理平台的应用与开发关键技术 23
3.3.1基于B/S模式的应用开发技术 23
3.3.2基于Web技术的信息管理平台与集成系统内嵌交互控制 23
3.4基于B/S模式的产品与信息管理结构树 24
3.4.1基于数据库的工艺资源结构树设计 24
3.4.2基于XML的产品结构树设计 25
3.5基于 MBD 模型的可视化技术 26
3.6本章小结 27
第4章 基于MBD的集成式CAPP系统关键技术研究 28
4.1基于统一数据源的集成式工艺设计 28
4.1.1基于特征工序分组的工艺设计过程 28
4.1.2工艺属性信息的定义 29
4.1.3特征工序分组原则 30
4.2船用柴油机三维工序模型逆向生成技术 31
4.2.1逆向生成中间工序模型问题求解描述 31
4.2.2基于信息映射的工序模型逆向生成原理 33
4.2.3零件工艺结构与工序模型辅助工具匹配关系 35
4.2.4船用柴油机关键件的工序模型逆向生成流程 36
4.3工序模型逆向自动化生成实现关键技术 37
4.3.1特征位置的自动获取 37
4.3.2余量参数的自动获取 38
4.4本章小结 39
第5章 基于MBD技术的集成式CAPP原型系统实现 40
5.1系统简介 40
5.2工艺设计集成系统操作流程 40
5.3主界面 41
5.4工艺设计过程界面 42
5.4.1工艺属性信息的配置与定义 42
5.4.2特征工序分组 42
5.4.3工艺编辑与工艺结构分析 43
5.5工序模型辅助生成过程实例及界面 43
5.5.1工序模型辅助生成工具集 43
5.5.2工序模型生成实例 44
5.6产品信息与工艺资源信息管理 4 5
5.6.1产品信息管理 4 5
5.6.2刀具及切屑参数信息管理 47
5.6.3夹具/量具/工艺术语管理 48
5.7工艺文档 49
5.8工序模型切削过程仿真 50
5.9本章小结 51
总结与展望 53
总结 5 3
展望 54
参考文献 5 5
攻读硕士学位期间取得的研究成果 58
致 谢 59
Contents
Abstract(Chinese) I
Abstract(English) III
Chapter 1 Introduction 1
1.1Research Background 1
1.2Research Summarize 2
1.2.1Develompent Summarize of CAPP System Based on Three Design Language 2
1.2.2Develompent Summarize of Integrated Way about CAPP System Domestic..3
1.2.3Research of Process Design Based on MBD Technology 4
1.3Research of Confronting Problem and Development Tendency about CAPP based
on MBD 5
1.3.1Confronting Problem of CAPP development Based on MBD 5
1.3.2Development Tendency of CAPP Based on MBD 5
1.4Research Contenrs and Significance of this Paper 6
Chapter 2 the Process Design integrated System Integral Program Design 8
2.1System Demand Analysis 8
2.2Integrated System's Structure 8
2.2.1Integrated System's Integral Framework 8
2.2.2Research of Integrated System's Objective 10
2.2.3Function Design of Integrated CAPP System Based on MBD 10
2.3Transmission and Application of Information Integrated Based on the Unify MBD
model 11
2.4System Development Supporting Technology 12
2.4.1Input and Output of Integrated System 12
2.4.2Data Sets Based on MBD 13
2.4.3Process Information Integrated model Design 15
2.5System Development Supporting Technology 16
2.5.1System Development Environment and Instrument Choice 16
2.5.2UG NX Application Development 16
2.6Chapter Summary 18
Chapter 3 Research platform of Parts information integration and management Based on WebTechnology 19
3.1Technology Application of Web 19
3.1.1Client-Side Technique Based on Web 19
3.1.2Server Technique Based on Web 20
3.2Construction of relation with integrated System model based on Web 20
3.2.1Function of parts information at integration process based on Web 20
3.2.2Framework of information management and prcess design system integration
based on Web 21
3.3Technology Application of Information Management Platform based on Web 23
3.3.1Technology Development based on B/S System 23
3.3.2Inset Interaction Control between Information Management Platform and
Integrated System 23
3.4Production Tree Based on B/S mode 24
3.4.1Design of Production Tree Based on Database 24
3.4.2Design of Production Tree Based on XML 25
3.5Visualization Technology Based on MBD model 26
3.6Chapter Summary 27
Chapter 4 The Research Technology of Integrated CAPP System Based on the MBD model 28
4.1Integrated Process Design Based on Unify Data Source 28
4.1.1Process Design Based on Feature Process Group 28
4.1.2Definition of Process Attribute Information 29
4.1.3Principle of Feature Process Group 30
4.23D-Process Model Generate Technology in Reverse based on Marine Diesel Engine 31
4.2.1Description and Problem Solving of Process model Generate in Reverse 31
4.2.2Principle of Process model Generate in Reverse based on Information
Mapping 33
4.2.3Matching Relation between Process Structure and Auxiliary Tool of Process
Model Generation 35
4.2.4Process of model Generation in Reverse about Marine Diesel Engine Parts.36
4.3Technology to Realize Process Model in Reverse by Automatic Generation 37
4.3.1Acquisition Feature Position by Automatic 37
4.3.2Acquisition Process Parameters by Automatic 38
4.4Chapter Summary 39
Chapter 5 Implement of Marine Diesel Complicated Parts CAPP Integrated System Based on MBD 40
5.1System Summary 40
5.2System Operating flow 40
5.3System Main Interface 41
5.4Interface of Process Design 42
5.4.1Definition and Configuration of Process Attribute Information 42
5.4.2Feature Process Group 42
5.4.3Process Structral Analysis and Complile 43
5.5Interface of Process Model Generation and Procjects 43
5.5.1Tool of Manufacturing Procedure Generation 43
5.5.2Process Model Generate procjects 44
5.6Information resource Management Module 45
5.6.1Interface of Tools Management 45
5.6.2Interface of Machine and Post Management 46
5.6.3Interface of Technics Management 48
5.7Customized Workshop Documents 49
5.8Virtual Process Model Simulation 5 0
5.9Chapter Summary 51
Conclusion and Prospect 53
Conclusion 53
Prospect 54
References 5 5
Published Thesis for Master's Degree 5 8
Acknowledgements 59
第 1 章 绪论
1.1课题的研究背景
计算机辅助工艺过程规划(Computer Aided Process Planning，简称CAPP)是指借 助于计算机硬件技术和信息处理技术，辅助工艺设计人员完成零件工艺规程设计和工 艺数据的有效管理。由于传统的二维CAPP系统，虽然能够在一定程度上解决手工工 艺规划效率低、信息管理差、信息传递滞后等问题。与此同时随着制造业信息化的快 速发展，三维 CAD 技术在现代加工制造型企业以经得到了广泛的应用，如果 CAPP 系统继续使用以二维图为主的设计模式，将使得产品数据传递过程复杂且不直观［1-3］。 这种模式俨然已不符合当前三维模式下设计制造集成的要求。
随着数字化技术经过多年的快速发展，其已成为当前现代化设计制造技术的基础。 基于模型定义技术(Model Based Definition，MBD)的零件模型做为生产制造活动过 程中的唯一数据源。且以该三维实体模型为辅的设计制造方法，可以大大缩短产品全 生命周期，降低生产成本，提高了产品质量。三维数字化工艺规划的目标是以产品零 件三维模型为基础，开发面向 MBD 模式的快速工艺设计、三维工序模型自动生成、 无纸化三维工艺文件、加工制造工艺过程数据的高效管理［4-6］。目前，基于MBD技术 的应用仅在我国的航空航天方面得到了一定的发展，船舶行业虽然也开展过大量的研 究工作，但远未得到很好的应用，究其原因：一方面船舶行业还没制定一套标准的 MBD规范，包括MBD定义、通用要求、术语、尺寸和公差、注释和编号等，与此同 时，船舶行业产品结构复杂，尺寸涉及的数据信息较多，如以 MBD 模型做为设计制 造集成一体化的数据载体和依据，将使工艺设计制造活动发生根本性变革。另一方面 虽然三维CAPP得到了一定发展，但是当前的CAPP系统所采用的工艺规划方法与上 游的产品数字化定义和下游对快速数控编程的需求已难以适应，工艺规划过程未能很 好的利用 MBD 三维模型信息，工艺执行过程缺乏对三维数字化工艺的支持，导致工 艺仍然是将3D模式转换至2D模式。当工艺更改频繁时，修改工作效率低下、集成性 差。
然而，无论是船舶行业还是航空航天行业，开展基于 MBD 技术的全三维模式的 设计制造集成技术主要需要解决工艺设计能围绕 MBD 模型开展，工艺实施过程能对 三维数字化工艺支持，工艺规划能利用工艺信息快速生成三维工序模型。以 MBD 三 维模型做为统一的数据源进行产品设计、工艺规划、加工制造、产品检测、产品分析。 可从根本上改变传统的以二维工程图为主、以三维实体模型为辅的设计制造方式。因 此，随着MBD技术在船舶行业的不断应用，开展基于MBD技术的CAD/CAPP/CAM 集成体系下的三维工艺设计方式以及对三维工艺的有效应用实施已经成为当前国内外 对全三维数字化设计制造研究热点。开发出一套基于 MBD 技术船用柴油机关键件的 三维集成式 CAPP 系统，是对开展船舶制造行业实施三维数字化设计制造集成一体化 的重要探索。
1.2CAPP研究概述
1.2.1 基于三代设计语言的 CAPP 系统发展比较
随着 CAPP 技术经过多年的发展与推广应用，先进设计制造技术不断要求 CAPP 技术创新，从20世纪60年代产生开始，CAPP不断的创新了设计方式，从设计语言 的发展历程角度出发，主要包括：基于二维图模式的CAPP系统、基于三维模型的三 维CAPP系统、基于MBD技术的CAPP系统。基于三代设计语言衍生出的CAPP系 统在工艺设计方式上不断的体现出实用性与高效性。三种模式的CAPP在工艺设计方 式上的技术特点比较如表 1.1 所示：
表 1.1 基于三代设计语言的 CAPP 技术特点比较 Table.1.1 The technical feature of CAPP based on three design language
序
号 比较内容 基于二维图的
CAPP系统 基于三维模型的
三维CAPP系统 基于MBD的
CAPP 系统
1 针对产品设计，如何 分析二维图纸，以填 以三维模型及数据进 以三维数模为信
开展工艺设计。 表式和文字描述为主 行定量分析并结合文 息载体来开展工
完成工艺设计。 字描述进行工艺设计。 艺设计。
2 零件中间工序加工状 以工序简图表达，需 工序简图表达以三维 以三维工序模型
态表达方式上。 重新绘制二维工序简 模型投影而成，不需重 表达，并标注 PMI
图，图形效果差。 新绘制。 信息，清晰易懂。
3 在可视化工艺设计方 面向二维，无法实现 可实现简单的可视化。 三维模型含工艺
式上。 可视化设计 设计所需信息，可 视化设计效果好。
4 在工艺执行过程中信 采用二维工程图与工 以工艺文档与网络化 采用数字化样机
息传递方式上。 艺卡片形式，信息传 技术实现信息之间的 模式与网络技术，
递效率低。 传递。 实现“无纸化”数 字化信息传递。
5 与 CAD 信息集成形 不能利用二维图形的 可直接集成在 CAD 可与CAD无缝集
式上。 信息，主要通过工艺 中，三维模型的信息需 成，能直接从基于
人员添加工艺信息， 转换为用于工艺设计 MBD三维模型获
易形式 “信息孤岛”。 的信息。 取工艺信息。
6 能否向CAM提供的 工艺设计仅限于二维 能获得三维毛坯模型。 为CAM系统提供
加工数据及零件毛坯 模式，无三维模型， 毛坯模型及各中
模型。 不能实现。 间工序模型，并提 供加工工艺数据。
1.2.2 国内外 CAPP 系统集成方式发展概述
随着上个世纪 80 年代以来，机械制造业对 CIMS （ Computer Integrated Manufacturing Systems，计算机集成制造系统）的应用以及其它先进制造系统的快速发 展，进而导致相关制造企业对 CAD/CAPP/CAM 集成化水平的提高有着迫切的需求。 CAPP 作为 CAD、CAM 之间信息转换与信息传递的纽带。在设计制造集成过程中， CAPP要求从CAD模块中获取零件的几何信息、材料信息、工艺信息等，以替代人机 交互的零件信息输入［7］; CAPP的输出则是CAM所需的设备、工装、切削参数、装 夹参数信息等，从集成难度的角度出发，CAPP与CAM之间的集成较易实现，而当前 CAD系统提供的设计信息与CAPP所需的工艺信息大不相同，所以CAD/CAPP间的 信息集成是主要需解决的问题。此外，由于CAPP与CAD、CAM系统研究侧重点不 一样，而且是相互独立发展的。因此导致集成的难度加大。而集成的难点在于实现各 个系统之间的数据交换、数据传递遵循统一的机制;并且在设计制造集成的整个过程 中始终以唯一的产品数据源展开，以确保数据信息的一致性。目前，国内外对 CAD/CAPP集成方法进行过大量研究和探索，开发出一些面向集成的CAPP软件。集 成方法与研究状况主要集中在以下情况［8］:
（1）提出基于中间文件格式的集成方法。目前用于数据交换标准格式文件包括 STEP［9-10］、IGDS、XML［11］、PDES 等，这种集成方法必须遵循中间文件格式的数据结 构，将 CAD 零件设计信息和补充的加工工艺信息经中间文件格式处理器处理成中性 文件，CAPP接收中性文件后经过特征识别模块的前置处理将设计特征模型转换为 CAPP可以识别的制造特征模型。清华大学开发的THCAPP系统和西工大的3D-CAPP Framework 就是采用这种基于中间格式文件的集成方法。这种方法由于中间格式文件 的数据交换标准非常的复杂，尚未制定统一标准的中间格式文件，加上需开发特征识 别模块程序，研发周期长，运行效率低，不适合当前集成模式下快速工艺设计的要求。
（2） 采用基于产品数据管理（Product Data Management，PDM ）的集成方法。 该方法主要是利用数据库技术和网络技术，在PDM平台下将CAD、CAPP系统联系 起来，CAPP从PDM中获得CAD存取的产品零件几何信息以及部分的工艺信息，根 据零件特征加工的相似性，从典型零件工艺库中匹配得到该零件的加工工艺。通过这 种数据共享的方式，由 PDM 来完成各个系统之间的信息数据管理与传递。华中科技 大学的开目CAPP和北京艾克斯特的XTCAPP采用这种方法集成的。这种方法能有效 提高数据的传输效率，而且上游部门能根据下游部门的反馈信息及时更正自己设计信 息。
（3） 通过直接集成的方法［12-13］。这种集成方法也可称为专用集成方法，主要因为 该方法主要针对基于特定的零件特征，通过集成系统中的特征识别功能模块获取零件 模型上特征信息，并以交互式形式输入 CAPP 系统所需的而 CAD 系统生成的零件模 型中没有的某种加工信息。这种以人机交互式输入方式工作量小、合适特定的零件类 型。比如北京航空航天大学的EXCAPP系统和美国的TIPPS系统采用的是这种集成方 法。
123基于MBD模式下工艺设计研究概述
早在 20 世纪 90 年代，基于 MBD 全三维数字化的无纸设计技术以孕育而生，以 MBD技术开展设计制造集成一体化经过了多年的发展，已在航空航天制造业中取得了 巨大的成功，例如美国的波音公司在波音787新型客机研制过程中，采用 MBD 技术 实现将三维数字化产品定义、三维数字化工装设计、装配、加工检测的高度集成与协 同。有效的减少了飞机制造的研发与制造时间。
目前，在国内飞机制造企业还没有完全实现设计制造集成于一体的全三维数字化。 与此同时对开展 MBD 技术的应用研究正处于探索阶段，主要集中在国内的航空航天 企业以及与其合作的相关科研院所与高校。然而在船舶制造行业中，MBD技术更是处 于起步阶段。其中在我国航空航天制造方面，经过多年的研究探索，以 MBD 技术进 行产品定义、工艺设计与可视化、工艺数据共享与集成方法等方面开展过大量的研究。
西北工业大学的田富君等［14-15］以SpinFire软件为平台，开发出集成化工艺规划的 3D-CAPP原型系统，通过CATIA将标注的MBD三维模型转换为U3D轻量化中性格 式文件，经过原型系统开发的制造特征识别算法程序提取轻量化模型的上制造特征。 将制造特征定义为加工元，作为加工工步来规划工艺。并采用基于模糊G-均值聚类算 法，规划加工元生成加工工步。该方法有效的解决了基于MBD技术的CAD/CAPP系 统间设计特征向制造特征的转换。工艺设计的加工工序信息、工序模型信息等均以嵌 入式发布于PDF格式的工艺文件中。有效的解决了三维工艺显示问题。
万能［16］、窦光继［17］等人在UG平台下二次开发，采用工艺结构树来表述机加工艺 对象，提出了一种以面向工艺实施过程的方法和基于 MBD 三维模型工艺信息表达与 集成方案。以 MBD 三维工序模型为工艺信息的载体，开发出三维工艺设计模块、三 维工艺管理模块、工艺制造现场实施模块，整个体系形成了闭环的反馈机制，能对工 艺变更做出快速的反应。能有效的提高了三维工艺传递的可理解性与准确性。
沈阳理工大学郝博［18］等人利用 MBD 规范参数化建模，并建立数字化工艺模型， 通过模拟仿真，确定合理的、可行的全三维制造工艺，实现无纸化三维工艺设计。该 方法有效的缩短了产品全生命周期，提高产品快速制造能力。
国内航空航天相关企业在数字化工艺实施上做过大量的研究工作［19-21］，并在实际 生产制造过程中已经应用MBD技术。主要利用PDM软件、三维设计软件、终端三维 显示设备三者之间建立的高度集成环境，有效的解决了产品数据的数字化表达、存储 和交换。部分实现了设计、工艺、制造、检测等对信息的有效集成与协同及共享。
综上所述，国内外学者在航空航天制造业开展MBD技术的设计制造、信息集成、 产品数据管理等方面研究取得了较为客观的成果，但是在船舶制造业三维设计制造集 成中，仍然需制定合适的MBD规范体系，探究基于MBD技术的工艺设计模式，并将 MBD模型体现在产品生命周期的一系列制造活动过程中，成为设计制造集成的唯一数 据源。这方面的问题仍需进行必要的研究工作。
1.3基于MBD技术的CAPP研究面临的问题与发展趋势
1.3.1基于MBD技术的CAPP发展面临的问题
由于基于 MBD 技术的三维工艺设计问题的复杂性和我国数字化技术发展水平的 限制，以及美国波音公司对 MBD 技术垄断和资料的不公开，导致国内企业不能完全 参考借鉴。致使与基于MBD技术的CAD设计系统相比，CAPP技术的研究进展滞后, 以成为当前开展 MBD 技术的设计制造集成面临的问题，现阶段，基于 MBD 技术的 CAPP系统开发仍然存在以下不足：
(1)并行协同设计上，面向产品全生命周期的各个阶段中，各个部门未能很好协调 工作，使信息交流与通讯不及时，导致后续环节中出现的问题不能极早的发现，致使 产品可制造性、可维护性降低，从而大大的增加了制造时间和成本。
(2)信息集成上，基于 PDM 技术、数据库技术的信息数据共享技术已经运用的相 当成熟，但是现阶段基于MBD技术的信息集成方式脱离了三维数模，基于MBD的三 维数模作为统一信息数据源的设计制造集成研究不够深入，远远没能到达设计制造集 成全三维化的目的。
(3)可扩展性差。当前的CAPP系统基本都是封闭性系统，很难支持用户对系统功 能的修改和扩充，难以二次开发以满足不同企业和用户的需求。
1.3.2基于MBD技术的CAPP发展趋势
当前，基于 MBD 技术的 CAPP 系统的研究与应用越来越引起了企业的重视，基 于MBD技术的集成化CAPP系统的研发主要沿着以下几点的发展趋势：
(1)全三维集成化。随着当前制造业新技术的不断突破，制造业集成必将面向全 生命周期，以基于三维集成模式下的产品设计、三维检测/装配规划、三维数控工艺及 三维数据检测采集大大的提高了企业工艺和制造水平。作为连接上游的产品设计与下 游的快速数控编程的CAPP系统，必将朝着基于MBD技术的全三维集成化发展。
(2)网络化，并行化，智能化。在当前企业设计制造的大环境下，产品设计部门、 工艺设计部门、加工制造部门之间必须要求并行，下游部门就产品的可加工性、加工 经济性等制造因素及时为上游产品设计的优略提供可评估性指标，同时应考虑能将工 艺专家的经验和知识积累起来，以发挥智能技术在CAPP发展中的作用。使CAPP系 统在整个 CAD/CAPP/CAM/ERP/PDM/CAQ 的大集成环境下起到中枢作用，这必然需 要借助于网络化技术和智能技术。
(3)三维可视化。CAPP系统必将从整体上改变传统的工艺设计方式，基于MBD 的可视化技术在工艺设计过程的实施，将完善工艺现场可视化的在线执行系统，实现 工艺现场无纸化，并能确保工艺设计与工艺执行过程的一致性，更好的发挥三维模型 在整个设计制造过程中作用。
1.4论文的主要研究内容及意义
本课题的研究对象是某船用柴油机企业的关键零件。就当前基于 MBD 技术的集 成式三维 CAPP 系统以及数字化设计制造中的工艺设计系统在集成方面普遍存在关键 技术问题进行了分析和研究，论文各章节内容安排如下：
第一章主要给出了基于三代设计语言的CAPP系统的发展比较以及CAPP系统在 集成方式与在 MBD 模型下的发展概述，在此基础上说明了本文要研究的问题并对其 研究发展中面临的问题与发展趋势进行了分析，最后介绍了本文的研究内容与意义。
第二章构建了基于 MBD 技术的集成式 CAPP 系统的架构，对其总体的功能模块 设计以及数据源传递与应用进行了阐述，并分析了集成系统数据信息输入与输出、信 息集成模型设计以及系统开发的支撑技术。
第三章介绍了内嵌于工艺设计集成系统的产品/资源信息管理平台，主要包括信息 管理平台的架构体系的构建，以及基于 Web 技术的产品/资源信息平台对工艺设计集 成系统的辅助优势，最后分析了信息管理平台集成接口与控制、产品信息管理结构树 以及MBD可视化技术。
第四章详细的分析了基于 MBD 的集成式 CAPP 信息集成关键技术，包括采用的 基于统一数据源的三维集成式的详细工艺设计过程，同时指出数字化三维工序模型自 动生成技术存在的难点问题，并给出了本文所采用三维工序模型逆向辅助生成技术， 阐述了三维工序模型的逆向生成对三维工序信息自动获取过程。
第五章主要对基于 MBD 技术的集成式 CAPP 系统的操作流程进行了介绍，对原 型系统的平台关键功能界面加以展示，并对本文三维工序模型自动生成过程实例进行 了说明。
最后对全文进行了总结，并进一步展望了基于 MBD 技术的三维集成式 CAPP 系 统今后的研究方向。
开发的基于 MBD 技术的三维集成式 CAPP 系统，采用特征工序分组的三维工艺 设计方式，利用三维工艺信息与CAD中的PMI信息生成三维工艺模型。而生成三维 工艺模型可直接用于 CAM 系统实现数控编程。这样有效的提高了三维工艺设计中的 三维信息表达与信息集成的效率，保证了基于统一数据源的设计制造集成，实现了三 维信息模型在CAD、CAPP及CAM之间的传递与共享。
本课题在基于MBD技术的三维CAD/CAPP/CAM设计制造集成大环境下，针对 船用柴油机关键件的三维工艺设计方法、信息的管理与三维信息集成、三维工序模型 生成作了深入研究，这对数字化设计制造集成研究具有重要的理论与实际意义。
第 2 章 工艺设计集成系统总体方案设计
2.1系统总体需求分析
系统总体需求最关键的是功能需求，本系统以船用柴油件关键件为对象，解决全 三维设计制造集成中基于全三维模型的工艺设计过程中相关问题，以提高三维工艺设 计的效率，保证工艺设计的正确性、三维工艺的可理解性。基于 MBD 技术的集成式 CAPP系统在功能上主要需解决以下基本问题［22-23］：
(1)统一数据源快速工艺设计 以三维工艺模型做为数字化传递的唯一数据源， 能高效利用三维模型为核心的三维标注和对属性信息的附加，快速为三维数模设计出 加工工艺信息，并在该模式下实现设计结果能快速应用于下游CAM系统与工艺现场。
(2)全三维工艺设计 工艺设计过程中完全基于全三维模型模式，以保证工艺设 计的可视化；加工工艺数据的传递全三维化，以保证工艺执行过程的可理解性、高效 性。
(3)工艺模型生成 作为全三维设计制造集成式的CAPP系统，工艺模型不仅表 达了模型的设计信息，并且包含了工艺设计信息，工艺模型的生成是保证 CAD/CAPP/CAM 三者基于 MBD 模型的数据信息传递的核心。
(4)工艺设计的后处理 也是工艺工作重要的一部分，对工艺设计结果进行后处 理是保证工艺实施的前提，也是验证工艺设计结果正确与否的保证。
(5)基础数据有效管理 工艺设计过程中需要少量基础数据工艺模版数据，例如 企业工艺资源，典型零件加工工艺模版等，在设计制造集成协同过程中也会产生大量 的数据。对基础数据的高效管理才能保证系统运行的稳定性。
(6)支持设计制造过程的协同 系统应支持开放接口，实现设计制造过程的协同， 使工艺设计制造过程中，通过工艺人员、制造人员与产品设计人员协同，使产品设计 的初期阶段，设计人员能充分的考虑到产品模型结构上的工艺性、可制造性。为后续 的工艺设计提供基础，以减少产品研制的返工工作量。
2.2系统体系结构
2.2.1 集成系统总体框架
基于MBD技术的集成式CAPP系统作为连接上游CAD与下游CAM的桥梁，必 需考虑到信息在子系统之间有效传递，根据基于 MBD 技术的 CAD 产品设计、基于 MBD的CAM加工模块的要求与CAPP子系统的功能需求的分析，在结合企业对数字
化设计制造集成的实际情况。该总体设计制造集成系统总体框架如 2.1 所示，共划分 为以下三层：
（1） 核心层 核心层主要包括集成系统三个子系统的功能模块，包括CAD的参 数化建模、MBD模型定义、完备性检查；CAPP系统的工艺属性定义、工序分组、工 序生成与三维工序模型生成；CAM系统的导轨规划、后置处理、切削仿真。三大子系 统以三维工艺模型为数据交换主线。
（2） 应用层 应用层主要为对系统集成平台的工艺结果处理，包括 Teamcenter 工艺管理、三维工艺应用加工现场、以及三大子系统之间的工艺协同反馈机制及与工 艺现场反馈机制环境构建。
（3） 数据层 数据层是辅助基于MBD技术的CAD/CAPP/CAM系统运行的基础, 包括特征数据库、特征加工工艺库、工艺信息知识库、典型零件工艺数据库、产品数 据信息库、制造资源数据库。其中制造资源数据库与工艺信息知识库为集成工艺设计 系统提供了工艺设计参考。
CAPP模块
图2.1基于MBD技术的集成式CAPP系统的总体框架
Fig.2.1The structure of integration CAPP based on MBD
2.2.2 集成系统总体研究目标
运用基于统一数据源的 MBD 模型设计出的三维工艺模型，能最大限度的利用和 继承数据源头的设计信息及部分工艺信息，从而减少工艺设计和产品设计对信息理解 上的偏差，降低出错率，并满足数控编程以及仿真系统对信息集成的要求，即通过对 机加工的切削过程进行全程仿真检验，最大限度的将问题暴露在设计工艺规划环节， 能有效的降低后续更改成本和时间［24-27］。研究加工特征的定义方式和三维工序模型生 成原理，创建与设计与和制造联系的工序模型，在此基础上开发客户化的辅助工具， 定制出与三维工序模型关联的三维工艺，最终通过直观的三维工艺规划流程模式来表 达出零件三维工艺的可视化，可提高工艺信息的易理解性，从而有效提高生产制造阶 段的效率。
2.2.3基于MBD技术的集成式的CAPP系统功能设计
根据前文对集成平台的体系结构的分析，本文对基于 MBD 技术的 CAPP 平台功 能设计进行详细的划分，以满足设计制造集成的要求，平台的功能主要包括权限管理、 工艺设计、工艺输出。如图2.2所示，下面将对主要功能详细的描述：
(1)权限管理 主要是确认总集成系统下各子系统对功模块的使用，以保证MBD 模型数据的安全性和数据源的统一性。
(2)工艺设计 工艺设计模块从对零件模型进行工艺设计的角度主要分为三大功 能，包括工艺性检查、零件工艺规划、工序模型生成。a.工艺性检查主要指对CAD部 门的MBD模型是否符合工艺加工制造的要求进行模型分析。.工艺规划分可为分为两 种工艺设计功能步骤，一种是零件为系统的典型零件，直接加载该典型零件工艺并对 零件特征做简单的工艺修订；另一种则需要对零件工艺属性定义，然后采用下文第三 章中的工序特征分组的方式对零件工序进行工序与工步的规划。c.完成工艺的最终规 划后，特征的加工工艺是以加工工步为基本单元，工艺人员根据规划好的三维工艺结 构，利用下文第五章阐述的三维工序模型辅助生成工具生成加三维工序模型。三维工 序模型的生成是全三维工艺设计最基本的要求，三维工序模型为加工制造检测提供了 模型检验标准，是三维可视化的基础；同时导出模型，制作工序加工的动态仿真过程， 作为生产制造现场的三维可视化加工动态模拟过程文件。
(3)工艺输出 工艺输出的模块作为工作现场技术指导的信息来源，不仅包括零 件机加工工艺过程，而且应包括工艺过程中所使用的工艺资源信息，系统采用的基于 web 技术的工艺发布与工艺管理系统平台，不仅保证工艺设计结果无纸化的实施与工 艺反馈机制的建立，也便于工艺资源信息的维护管理。
棊于MBD的集成式CAPP系统
里 TJ- 管 艮 KT 权
I - 一 - - I
H I 丄 - 丄 - 丄 - rl
系 统 登 入 权限设计 工艺性检查 特征工艺修订 L属性信息定义 「工序工步规划 工序模型生成 工序加工仿貞 工艺资源管理 工艺发布与反馈
图2.2基于MBD技术的集成式CAPP系统功能结构
Fig.2.2 The functional structure of integration CAPP based on MBD
2.3基于MBD模型的统一数据源在集成中的传递与集成应用
基于MBD模型的统一数据源在设计制造集成中数据传递是指利用三维MBD模型 做为唯一制造活动的依据，在产品全生命周期的各个制造部门可以直接利用 MBD 模 型，并行开展工作，利用这种三维 MBD 模型的传递模式大大的缩短了数据的传递流 程，而且由于三维模型的直观性，因此相比传统的串行数据传递方式（部门-图纸-部 门），其传递工作效率有着显著的提高。因此构建统一数据源的MBD模型是建立设计 制造集成数据传递的基础，本文通过集成式工艺设计系统将 MBD 设计模型设计成 MBD工艺模型，然后以MBD工艺模型为核心，将产品全生命周期中工装设计、产品 制造、数控编程、工艺仿真、产品检测等一些列活动融为一个整体。图 2.3 描述了基 于MBD工艺模型在各部门的传递模式。
MBD设计模型
MBD工艺模型
工装设计 产品制造 数控编程 工艺仿真 产品检测 ……
图2.3基于MBD工艺模型的传递模式
Fig.2.3The transmit pattern of process modle based on MBD
工艺设计集成系统做为连接上游的CAD产品数字化定义与下游的CAM数控编程 仿真的桥梁，在信息集成过程中，CAD、CAPP、CAM三大系统对MBD模型集成信 息数据类型有着不同的要求，CAD系统主要对模型进行数字化定义生成MBD设计模 型，主要是添加模型的几何设计信息，并添加部分的加工工艺要求等非几何信息为 CAPP工艺设计服务，CAPP系统根据MBD设计模型上的加工工艺要求与尺寸信息关 联特征对象添加模型特征的加工工艺信息，并使模型特征关联工艺以及 PMI 信息。
CAPP 系统最终根据下游相应的集成系统对三维 MBD 模型信息的要求，生成相应的 MBD工艺模型。例如下游的CAM系统直接读取CAPP系统的MBD工艺模型中的工 艺信息与尺寸信息直接用于数控编程。因此可得到基于 MBD 技术的 CAD、 CAPP、
CAM信息集成流图如图2.4所示。PMI信息为CAD、CAPP、CAM三者之间信息集 成的纽带，工艺模型中的工艺信息以及关联的模型特征信息为 CAM 系统数控编程的 基础。
工艺模型
图2.4基于MBD技术的CAD/CAPP/CAM信息集成流图
Fig.2.4The information integration flow of CAD/CAPP/CAM based on MBD
2.4集成系统的数据信息设计
2.4.1 集成系统的输入输出
作为连接设计与制造桥梁的工艺设计集成系统，其重点功能是根据基于 MBD 的 三维模型，规划出零件的详细加工工艺，同时需满足设计制造集成全三维的要求。因 此工艺设计结果必须生成 CAM 所需的以三维模型为信息载体的加工工艺信息和加工 仿真所需的三维模型以及现场可视化三维工艺文档。系统的主要输入为零件的 MBD 三维模型、工艺信息模版、工艺知识。输出的是零件设计的三维工艺——三维工艺技 术文档、三维工艺模型信息。其中三维模型信息包括含加工工艺的工艺模型，以及由 工艺模型根据模型用途衍生来的三种模型，即毛坯模型、轻量化模型、精确模型。如 的区别，传统的CAPP系统以二维工艺图纸、工艺作业指导书、工艺卡片等纸质化形 式作为信息的输出结果。由于基于MBD的设计是基于全三维形式，因此CAPP系统 的信息强调的无纸化信息输出，现将基于 MBD 技术的全三维 CAPP 系统输出类型描 述如下：
(1)工艺模型 工艺模型是以集成式的全三维模型为对象，将传统的二维产品设 计信息以PMI形式表达于三维模型中，主要包括产品的尺寸信息、定位信息、公差信 息。并将三维工艺设计的工艺信息负载于三维模型中。以基于统一数据源的三维数字 化模型贯穿于整个设计制造集成中。工艺模型主要用于下游 CAM 系统的三维信息输 入。
(2)毛坯模型 毛坯模型对生产工艺规划以及加工制造仿真及NC代码的生成有 着至关重要的影响，零件是由毛坯过程经过一系列的切削加工生成的，因此CAPP系 统应能在工艺规划过程中考虑产品模型的毛坯模型。
(3)轻量化模型为了提高三维数模在工艺加工中心的传递效率，CAPP系统在 工艺设计过程中需给加工制造现场提高工序加工过程中的三维中间状态，本文采用基 于JT形式的轻量化的中间工序模型表达加工模型的状态及工艺信息，具体过程详见下 文第三章 3.5 节内容所示。
(4)精确模型 三维精确模型主要为后续质监部门在产品质量的检测过程提供样 板对比模型，精确模型不仅需要包括产品模型上的详细的几何结构及拓扑信息，并能 包含检测时所需的检测信息。
(5)三维工艺文档 三维工艺文档作为CAPP系统的工艺文件输出，是指导加工 生产制造的重要性文件，本文采用基于Web技术的无纸化在线作业工艺文档以及基于 Excel的车间三维工艺文档两种模式，实现工艺过程表述-模型浏览-工艺管理于一体化。
2.4.2MBD数据集
MBD(Model Based Definition)，即基于模型的定义，是用三维实体模型来完整表 达分散在三维模型与二维工程图样中的所有设计与制造信息。零件的 MBD 数据集包 括实体几何模型、零件坐标系统、尺寸、公差和标注、工程说明、材料需求及其他相 关定义数据［28］。MBD数据集组成如图2.6所示。
Fig.2.6 The constitute of DS based on MBD
一个零部件产品数字化定义的 MBD 数据集包含精确的三维实体模型，它通过模
型指定的几何集关联了产品的三维几何信息、零部件表信息以及表述一个产品所必需 的尺寸、公差和注释信息。通过对 MBD 技术的实施，从本质上改变以往以二维工程 图为主，三维模型为辅的制造模式［29-31］，其次由于 MBD 技术不仅包含了几何信息与 非几何信息，同时可以包含加工制造所需的工艺信息、材料信息等。因此只需按照工 艺设计制造集成的要求分类管理组织，即能有效满足基于 MBD 技术的统一数据源设 计制造集成需求。MBD建立的产品三维实体模型如图2.7所示。
图2.7 MBD三维实体模型
Fig.2.7 The three-dimensional entity model based on MBD
2.4.3 工艺信息集成模型设计
在传统的二维工艺设计制造集成过程中，产品的工艺信息集成性差，主要表现为 工艺信息的表达二维化，且工艺信息与产品信息关联性差，模型特征的几何信息和非 几何信息与特征的加工工艺信息处于分离的状态，这对于信息的集成带来了很大的困 难。而在MBD模式下，以零件的MBD工艺模型做为集成信息的载体，能将工艺模型 中的公差信息、表面粗糙度信息、工艺设计信息分别与三维实体模型中相应的特征有 效的建立关联关系［32］。工艺信息集成模型对象主要由工序层、工步层及PMI信息、加 工特征信息组成。本文从工艺设计制造集成的角度出发研究工艺设计过程中涉及的集 成信息以及工艺信息与零件模型特征之间的关系。本文建立的基于 MBD 技术的工艺
信息集成模型，如图 2.8 所示。
转速 进给
图2.8基于MBD技术的工艺信息集成模型
Fig.2.8 The model of process information integration based on MBD
通过工艺模型实现工艺信息的集成，主要是指建立工序信息、工步信息、加工特 征与PMI信息之间的集成关联关系。其中工序层信息为工艺信息的顶层信息，一道工 序信息包含一个或多个工步信息及加工特征。
工步做为加工制造的最小的单元，工步层包含了设计制造集成的关键信息，由工
序模型生成参数、仿真文件、加工资源与切削参数组成。其中工序模型生成参数定义 为工序模型逆向辅助生成所需要的数据信息，仿真文件为 CAM 系统自动编程所依据 的重要模板编程信息，而加工资源与切削参数为生成加工现场重要的加工数据，记录 了该工步加工时采用的加工方法、加工设备与刀夹具信息。
加工特征是由PMI标注和工艺属性组成，PMI标注定义了该加工特征尺寸信息、 表面粗糙度、定位基准加工要求等信息，并关联该特征的位置信息。工艺属性描述了 该特征的加工余量、加工过程、加工方法等信息。加工过程描述为该特征的加工工步 过程。加工特征的PMI标注与工艺属性信息紧密关联。通过构建工艺信息模型中信息 之间关联关系，保证了工艺信息集成的高效性。
2.5系统开发支撑技术分析
2.5.1 系统开发环境及工具选择
表 2.1 系统开发及运行环境
Table.2.1System development and operating environment
序号 软件 用途
1 MS Windows XP/Windows 7 操作系统
公 2 UG NX7.5 以上 CAD 系统
共 3 SQL Server2000 产品工艺基础数据库
环 4 JT2Go9.0 以上 三维文件浏览软件
境 5 Teamcenter9.0 以上 PDM 软件
6 3D VIA Composer 工序模型切削过程仿真
开 7 Visual Studio2008 以上 与 UG 集成开发工具
发 8 Dreamweaver 8.0 基于Web技术的信息管理平台
环 的开发工具
境
开发 9 C++语言 UG NX开发语言
语言 10 Asp；Asp.net；Vbscript 基于 web 开发语言
2.5.2基于UG NX的二次开发技术
NX 软件不但具有实体造型、曲面造型以及虚拟装配等设计功能，而且具有有限 元分析、机构动力学分析和仿真模拟等功能，另外它所提供的二次开发功能强大、便 于用户开发专用的系统［33］。
NX Open API是NX提供的一个二次开发工具之一，它可以选择多种开发语言及 界面设计工具，对于各种开发语言提供了统一的通用的 API 接口。本系统中用到的
NX Open 的三个个工具为 NX Open Menu Script、NX Open Block UI Styler 和操作记录 Journaling。其中 NX Open 应用程序中，除 NX Open Menu Script、NX Open Block UI Styler夕卜，还包括应用程序(DLL)和NX Open API库函数2部分，其中NX Open Menu Script、NX Open Block UI Styler是应用程序与用户交互的工具，从菜单和工具条可以 启动应用程序、对话框等，在对话框激活控件时将调用相应的回调函数，应用程序(回 调函数)利用编程语言和NX Open提供的相应的相应应用编程接口进行编码［34］。
(1)菜单和工具条：NX Open提供了菜单和工具条开发工具MenuScript，它提供 用户创建并编辑NX的菜单及工具条。菜单文件扩展名为.men,工具条文件扩展名 为.tbr,这两类文件放在应用程序目录的Startup子目录中。
(2)对话框：NX Open Block UI Styler可以进行用户交互界面的定义。从NX6 版本以后NX引入了 Block UI Styler对话框类型的用户界面，统一了用户在使用NX 设计工具的体验oBlock UI Styler支持了丰富的控件种类，在设计好对话框保后保存时， 选择开发语言为C++，会自动生成与之对应的*.dlx、*.hpp、*.cpp三个文件，用于下 一步的编程使用；其中*.dlx文件放在应用程序目录的Application子目录中。
(3)Journaling即操作记录，是一个非常实用的工具，虽然利用它将在NX中的 操作编译成了 DLL或者是EXE文件，但是同样帮助用户获得了一些有用的代码，不 用再利用大量的时间进行API函数的查询，大大的提高了编程效率。
(4)应用程序：编程语言源代码程序，在Visual Studio集成开发环境中创建、编 辑、编译连接并运行，生成.dll文件，放在应用程序目录的Startup，Application或Udo 子目录中。
(5)NX Open API 库函数：默认存放在“％UGII_BASE_DIR%\ugopen” 目录中。在 创建应用程序时，需要对其进行配置。NX Open应用程序框架如图2.9所示：
图2.9 NX Open应用程序框架
Fig.2.9 The application framework of NX Open
2.6本章小结
本章阐述了全三维模式下基于 MBD 技术的船用柴油机零件 CAPP 集成系统总体 方案及设计思路，概述了集成式CAPP系统的需求分析、总体框架与功能设计，并介 绍了 MBD 数据集、基于 MBD 模型统一数据源的信息传递与集成应用、工艺信息集成 模型设计以及系统集成开发的支撑技术。
第3章 基于Web技术的信息管理集成平台研究
根据设计制造集成以及企业数字化工艺实施的要求，需要利用Web技术来实现工 艺资源信息的共享、无纸化三维工艺的发布、工艺设计制造集成中信息的反馈、零件 产品的管理等功能要求。本章将从信息管理平台整体结构以及与工艺设计建立的关联 关系、实施关键技术方面作介绍。
3.1基于Web技术的网络化应用
随着新世纪的来临和信息技术的迅速发展，以因特网为代表的信息技术的广泛应 用，将导致制造企业信息的管理与生产模式产生本质上的变革，企业制造信息化着重 强调信息在整个产品生命周期中能达到信息的共享，以及制造活动对信息的变更能做 出快速的反应。
当前，基于 Web 的信息技术与制造技术的结合是机械制造技术未来发展的主要方 向之一。制造业信息化的目标是将先进的计算机技术与先进的加工制作技术应用到产 品全生命周期中，使加工制作过程能对信息的变更能做出快速的响应，从而保证加工 制造的高质量与高效率，进而全方位提升企业在信息时代全球化市场竞争中的管理能 力。
随着 Web 信息技术应用软件的开发，信息在 Web 软件中的传递过程与应用始终 离不开客户端与服务端，因此，基于Web技术开发的软件与系统主要是采用的客户端 技术与服务端技术两大类。
3.1.1 Web客户端技术
Web客户端的主要作用是显示信息的内容。其主要设计技术主要包括：HTML （Hypertext Markup Language，超文本标记语言）、Java Applet、脚本程序、CSS （Cascading Style Sheets，级联样式表）、DHTML （Dynamic HTML，动态的 HTML）、 ActiveX技术、VRML技术［35］。这些客户端设计技术构成Web开发的基础，现描述如 下。
HTML 和 DHTML 是构成 Web 页面的主要工具，其中 DHTML 是构成动态的 HTML页面的基础，使用户只需在浏览器的支持下，获得更好的动态信息与更高的信 息显示效果。
Java Vapplet，即Java小应用程序；而脚本程序则是嵌入在HTML文档的程序， 用于编写脚本程序语言主要有JavaScriprt和VBScript。在Web开发过程中，采用Java 程序可提供动画、音频和音乐等多媒体服务。而脚本程序可动态的创建页面，大大的 提高用户与Web页面之间的交互性，同时易于使用、变量类型灵活和无需编译。保证 了信息的显示的高效性。
CSS技术应用主要是提高开发者信息显示格式的控制，VRML技术的应用则是使 Web技术页面从静态的二维向三维转变，VRML是一种基于本文的语言，可应用于任 何平台，方便了用户对虚拟世界的理解。而ActiveX技术的使用，可保证在Web页面 中能插入多媒体效果、交互式对象以及复杂程序。其主要是提供了快速在 Internet/Intranet创建程序集成和内容的方法。是Web页面从静态二维化向三维动态的 实现技术的基础。
3.1.2 Web服务器技术
基于Web的应用软件中服务器端的开发技术主要为：ASP (Active Server Paper)> PHP、JSP等。本文开发的基于Web技术的信息管理集成平台采用的开发技术为ASP 技术。ASP的主要特点是能结合很多的Web元素，如脚本程序、HTML页面、各种应 用组件等于一体，形式一个运行于网站服务器的应用程序，把大部分的数据处理代码 放在服务器里处理，然后把结果以静态页面HTML的形式发送给浏览者，这样大大的 提高了浏览者的访问速度［36］。
ASP工作原理是当用户向浏览器地址输入网址，默认页面的扩展名是.ASP,此时 浏览器向WebServer (IIS服务器)发出请求；IIS服务器引擎开始运行ASP程序，ASP 文件按照从上到下的顺序开始处理，执行脚本命令，执行HTML页面内容；如果有访 问数据库的请求，ASP的内置ADO组件访问数据库服务器中的数据库；最后把执行 结果发送于客户端的浏览器。
由于ASP脚本集成与HTML页面中，无需编译，而且ASP能很好的结合脚本程 序，不仅易于使用JavaScriprt和VBScript语言进行页面功能设计外，还能方便的定制 ActiveX组件及第三方插件，开发人员能有效的植入动态的Web页面于开发系统中， 因此采用ASP技术开发信息管理集成平台是本文最佳选择。
3.2基于Web的信息管理集成平台架构设计
3.2.1基于Web技术下的产品制造信息在集成过程中的作用
基于Web平台技术的产品制造资源信息是依托基于MBD产品三维工艺设计制造 集成框架下不可或缺资源，它是将产品制造资源信息数据管理及数据应用充分融入到 数字化工艺设计过程中的每个环节中。产品制造资源信息包含了企业加工一个零件所 需要全部信息，包括机床、刀具、标准工艺、工艺准则等。这些信息是 CAPP、CIMS、 NC 等系统所需的最底层制造资源，而且也是工艺设计、面向生产制造计划、控制产 品生产质量的重要的数据信息依据。随着当前网络化技术的快速发展，通过建立基于 网络化的产品制造信息资源管理平台，一方面可以对数字化工艺设计过程中所需的制 造资源及工艺信息进行统一的分类管理，方便工艺设计部门、生成管理部门有关人员 进行信息的查询与管理。另一方面，通过构建的网络化环境，可实现产品制造过程中 设计人员、工艺人员以及制造人员对资源信息的有效共享，因此，基于Web技术的信 息管理能为数字化设计制造集成过程中，对制造资源信息的有效获取、应用提供了良 好的平台条件。
3.2.2基于Web平台的资源信息与工艺设计系统集成架构体系设计
基于产品三维模型的设计制造集成技术研究一直是当前复杂的系统工程，其中工 艺制造资源信息的集成是解决的集成过程中关键技术问题，本文采用Web技术构建产 品/资源信息管理与共享平台，支持设计人员与工艺人员以及制造人员在对信息的共 享。支持基于 MBD 技术的工艺设计过程中对工艺资源信息的访问与利用。信息集成 总体框架如图3.1所示，该框架总体上包含了前文第二章中基于MBD技术的设计制造 集成中的工艺设计部分，以及内嵌于集成系统中的基于Web技术的用于信息管理与共 享平台。框架中基于MBD技术的工艺设计部分内容详见第二章，此处不再阐述。
基于 Web 技术的产品/资源信息管理与共享平台采用平台接口技术内嵌于集成框 架下的工艺设计系统中，最底层为数据支撑层，主要包括web平台的所以信息的数据 库，包括加工特征库、工艺知识与准则库、工艺资源设备库等。平台建立规范的管理 规则将平台数据反馈到系统中界面中，其中这些数据包括了企业常用的机床、刀具、 量具等数据；企业车间的材料车间人员信息；以及常用的工艺知识、工艺准则，工艺 评价要求等。这些数据是企业多年积累的工艺制造加工的经验，对于工艺设计人员在 利用集成系统进行工艺设计规划起到了非常重要的向导作用。
图3.1基于web技术下的信息资源与工艺设计系统集成架构体系
Fig.3.1 The integration framework between information resources based on web and process design
system
基于Web技术的产品信息与资源信息管理平台内嵌于工艺设计集成框架系统中的 优点在于：
(1)将产品信息与资源信息通过独立的平台的进行统一的管理和集中存放，有效 的减轻了集成工艺设计系统在信息管理方面的压力，能显著的提高集成工艺设计系统 的运行效率，同时，信息管理平台采用的内嵌于集成工艺设计系统中的方式，能有效 的为集成工艺设计系统提供工艺设计所需的信息数据，从而保证工艺设计系统对信息 数据的要求，工艺设计系统可利用这些信息数据，将工艺数据添加到产品三维模型中， 形成三维工艺模型，大大提高了设计制造过程中对信息的使用效率，同时有效的保证 了工艺资源信息能在整个集成过程中实现共享。
(2)通过 Web 技术建立的信息管理平台不仅便于信息的管理，同时建立的 Web 技术的平台易于实现设计制造集成的协同，另外平台提供了对功能的扩展。企业各个 部门可在大的集成平台下根据用户的实际需要进行功能的扩展。例如生产加工过程与 车间物料的管理等。
3.3基于Web信息管理平台的应用与开发关键技术
3.3.1基于B/S模式的应用开发技术
当前随着软件开发模式及相关技术的不断的发展与完善，基于浏览器/服务器模式 (Browser/Server，简称B/S模式)的开发模式越来越受到人们的重视和应用，该开发 模式的主要由用户层、Web服务器层、数据库服务器层组成，三者之间一般由网络支 撑环境(Internet/Intranet)有机的连接在一起。由于该开发模式有效的结合了软件复用 的思想，能大大的减轻开发的工作量与降低用户开发成本。B/S模式的系统开发工作 原理图如图 3.2所示。
图3.2基于B/S模式的系统开发工作原理
Fig.3.2 The principle technology of system development based on B/S
B/S模式下的客户机只需安装浏览器软件，如Windows XP内嵌的IE即可，无需开发 前端应用程序，中间层的Web应用服务器，如Microsoft公司的IIS等是连接前端客户 机和后台数据库服务器的桥梁，主要的数据库计算和应用都在此完成，因此对中间层 服务器的要求较高，中间层的web服务器需要安装SQL Server 2000客户机的连接部 分以能够连接SQL Server2000服务器。后台数据库服务器主要完成数据库的管理。本 文采用该开发模式结合其本身的优势，能有效的实现功能业务的扩展，对于系统的升 级与维护提供了方便，同时采用网络支撑环境，可实现多用户异地对系统信息数据的 访问与同步更新，达到信息的共享与Internet无缝集成。
3.3.2基于Web技术的信息管理平台与集成系统内嵌交互控制
基于 Web 平台的产品/资源信息管理平台与工艺设计集成系统的内嵌交互控制是 通过集成系统中的资源条处理工具来实现的，主要包括对Web信息管理平台的注册、 调用、共享等控制模式。
对于Web信息平台的注册是指将信息平台内嵌入工艺设计集成系统中，为工艺设 计过程服务，注册的过程分为二种方式，一种是在系统的底层实用工具中，将基本环 境中的用户界面添加Web信息管理平台的主界面链接；另一种是在工艺设计集成系统 中将资源工具条切换 Internet Explorer 模式，将 Web 信息管理平台的主链接添加到腹 板中Open信息框中完成注册。当Web信息管理平台注册成功后，工艺人员在工艺设 计系统界面中需要调用时，将工具资源条中切换成Internet Explorer模式，登入进入即 可查看工艺资源信息。平台的开发模式是采用基于B/S开发的，在平台构建及测试过 程中，将站点测试中的 URL 更改成本地开发服务器的 IP 地址。集成平台中的 CAD/CAM 系统在其系统中按照上述注册过程，可以通过网络进行远程访问，以达到 信息共享的目的。
3.4基于B/S模式的产品与信息管理结构树
3.4.1基于数据库的工艺资源结构树设计
工艺资源结构树是资源类以及其组成（类型、对象、型号）的层次关系的描述， 总节点一般代表资源类，中间各个节点分别表示类型或对象，叶节点表示型号。因此 具体的工艺资源围绕资源类结构展开，这样可有效的管理工艺资源的从属关系。由于 基于B/S架构的CAPP系统特殊性，无法实现像基于C/S结构的软件的右键功能，因 此用户可直接点击某一类型的工艺资源节点即可进入查看该节点对应的工艺资源的详 细信息，本文采用循环递归思想，采用控制父节点标识ParentID的递归化重构的设计 方法实现基于数据库的 B/S 工艺资源结构树。遍历数据库工艺资源信息生成结构树算 法如图 3.3 所示。工艺资源数据结构表 3.1 所示。
Fig.3.3 The ergodic algorithm of process resources structure tree
表 3.1 工艺资源信息数据表结构
Table.3.1 The structure of process resources information table
字段 数据类型 备注
ID int 自动编号(主键)
Text nvarchar 资源名称
ParentID int 父节点标识
URl nvarchar 链接工艺资源详细信息
Target nvarchar _Blank _Parent
本文基于Web技术构建制造工艺资源信息管理模块，采用基于结构树的管理方式。 对工艺设计过程中的制造资源信息进行有效的分类管理。并内嵌于设计制造集成系统 中，实现三维模型的共享和集中可视化，用户人员能快速找到所需的工艺资源，便于 工艺人员按照自己的设计思想选择可利用的工艺资源信息。 在工艺资源管理制造工艺资源结构树的部分实现代码如下所示：
// 文件名:demobd.asp //
<！--#incldue file=”clsTreeView2.asp”-->
<% Dim objTV,strConn> ‘定义变量
strConn=”Provider=SQLOLEDB;Data Source=(local);Initial Catalog=capp;
User ID=capp;Password=***，” ‘设定平台数据库的路径
Set objTV=New TreeView ‘创建工艺资源结构树类的实例
Call objTV.LoadFromDB(strConn,”pro_resource”) ‘加载制造工艺资源数据表，并生成结构树
ObjTV.Display ‘显示结构树
Set objTV=Nothing ‘清空缓冲 %>
3.4.2基于XML的产品结构树设计
XML (Extensible Markup Language，可扩展标记语言)技术起源于Web中半结构 的标记语言，XML文档格式的管理新可以很容易地通过HTTP协议传输，由于HTTP 是建立在 TCP 之上的，故管理数据能够可靠传输。其应用范围从早先的 Web 信息描 述，发展到后来的数据交换的开发标准，乃至目前的服务集成和服务交互的开发技术 [37]。
由于当前企业数据信息庞大，数据格式各不相同，给企业的信息交换与共享带来 了不便，因此对于如何实现异构数据间的集成与共享，是制造信息化的一个关键性问 题。然而在网络化制造模型下，利用XML语言本身的可扩展性好、可被HTTP协议 所携带，易被Web浏览器自带的解析器解析等优势。使用XML技术可将不同数据格 式的数据进行转换，较易实现数据交换的目的［38-39］。
CAD/PDM 系统导出的 BOM 数据经数据转换接口生成 XML 格式标准的中性文 件，工艺资源管理系统接收XML数据文件并形成产品结构树。XML表达的产品结构 树文件经过Web系统平台数据接口的导入，即可使产品结构树在系统中实现重构，重 构产品结构树的部分实现代码如下所示：
// 文件名:demoxml.asp //
<！--#incldue file=”clsTreeView3.asp”-->
<% Dim objTV,strConn> ‘定义变量
strFilePath=”sample_menu.xml” ‘设定要导入产品结构树的XML文件的路径
Set objTV=New TreeView ‘创建产品结构树类的实例
Call objTV.LoadFromXml(strFilePath) ‘加载导入的XML文件，并生成产品结构树
ObjTV.Display ‘显示产品结构树
Set objTV=Nothing ‘清空缓冲 %>
3.5基于MBD模型的可视化技术
通过研究发现，经过处理的轻量化的JT三维模型中可包含设计制造各个部门所需 的不同类型的数据信息，因此 JT 模型可为产品生命周期中的参与者提供正确数据来 源，特别在三维工序模型的传递时，经处理生成轻量化模型可大大提高工序模型的传 输效率。
JT是一种专门为行业协同制定的一种文档格式，具有高性能、轻便和柔性的特点， 用于捕捉三维产品定义(CAX )数据，并对让其实现一档多用的目的，从而在整个延 伸企业内实现协作、验证和可视化操作。事实上，JT已经成为汽车行业标准的三维可 视化格式，并且是航天航空业、重型设备以及其它机械 CAD 领域中最重要的三维可 视化格式。 JT 格式具有功能强大、可流动和可延伸的特点。它含有最好的压缩功能， 结构紧凑，表述高效。有整套可视化应用程序为JT提供支持，而这些可视化应用程序 被集成在世界领先的产品生命周期管理系统之中。
在基于 MBD 的船用柴油机关键集成系统中模型保存时，在保存方式中选择 “保 存JT数据”、“保存图纸的CGM数据”和“保存数据用于快速回滚和编辑”，可方便操作 人员快速预览模型，同时修改NX7.5安装目录下的tessUGconfig文件中有关PMI的 设置。
这样可使JT模型中可以包含PMI信息，以便可以查看模型中的PMI信息。可视 化的PMI信息可以为工艺现场和CAM环节提供服务，使得他们不再需要严重的依赖 二维工程图纸，同时，通过综合性的三维批注功能，即可实现产品在整个设计制造集 成过程中进行信息交流与共享。
3.6本章小结
本章对内嵌于工艺设计集成系统的产品/资源信息管理平台的设计及主要开发技 术进行详细的阐述，主要分析了采用基于 Web 技术的产品/资源信息管理平台在工艺 设计集成系统中的作用以及架构设计，重点讲解了信息管理平台实现的关键技术，包 括基于B/S的应用开发模式、基于数据库与XML技术的结构树实现、MBD模型的可 视化技术，以及信息管理平台采用的内嵌于工艺设计集成系统的接口控制技术。这些 关键技术的应用有效保证了工艺设计集成系统能利用三维 MBD 模型进行数字化工艺 设计。
第4章 基于MBD的集成式CAPP系统关键技术研究
基于 MBD 技术的全三维设计制造集成的水平高低很大程度取决了系统采用何种 三维工艺设计模式，以及根据三维工艺规划信息能快速生成三维工序模型。一方面合 理的工艺设计方式和三维工序模型生成是保证了下游的 CAM 系统加工仿真的信息数 据主要来源，另一方面，三维工序模型数据为加工执行现场的三维可视化提供了依据 本章对系统的工艺设计和工序模型生成功能进行了阐述，提出了特征工序分组的设计 模式和以面向机加工方法的三维工序模型逆向辅助生成方法。通过建立加工工艺信息 与建模信息之间的映射关系，以及将船用柴油机关键件以加工方法与特征类型进行分 类，有效的将零件的加工工艺过程转换为模型建模操作过程。使三维工序模型的自动 创建成为可能。
4.1基于统一数据源的集成式工艺设计
4.1.1基于特征工序分组的工艺设计过程
在MBD制造新模式下，三维数字化工艺设计是以三维数模作为唯一的制造依据, 工艺设计的结果同样以三维模型为依托，本文通过采用“特征工序分组”将工艺信息数 据设计于模型中，实现工序-特征-工艺-模型四者之间的有效关联，并解决了基于统一 数据源的设计制造集成问题。
按照下文提到的特征工序分组的原则，通过将模型特征和与模型特征相关的 PMI 设计参数及尺寸进行分组，不仅可将模型上相似的特征工序合并成组，并能将与特征 相关的PMI信息关联，形象描述了实体模型的尺寸、公差以及工艺信息。以船用柴油 机关键件为例，特性工序分组如图 4.1 所示。
为了满足基于统一数据源的 CAD/CAPP/CAM 设计制造集成的要求，本文结合的 “PMI属性标签定义法”和基于特征工序分组进行全三维工艺设计。利用CAD系统提供 MBD模型，通过全三维工艺设计生成的三维工艺模型可直接提供CAM系统进行数控 编程与制造仿真。基于特征工序分组的工艺设计流程如图4.2所示，首先载入MBD模 型并定义加工工艺属性信息（包括加工工步、方法、加工位置、余量、特征类型、刀 具信息、切削参数及机床信息），然后分析模型特征信息进行特征工序的分组，其次根 据特征工序分组信息加载工艺模板种子，利用工艺模板种子信息分别规划特征工步与 工序参数信息，若特征工序信息未规划完成则继续加载工艺模板种子直至工艺设计完 成，生成的三维工艺模型包含了模型的设计信息与工艺信息，可同时满足 CAM 系统 与工序模型生成的要求。
图4.2基于特征工序分组的工艺设计流程
Fig.4.2 The process design based on feature process group
4.1.2 工艺属性信息的定义
为了实现基于统一数据源的全三维设计制造集成，传统的工艺信息基于数据库模 式已经不能满足要求，因此本文采用基于UG的工艺属性信息的定义方式，工艺属性 信息是指完全按照工艺设计与加工制造对零件工艺的要求，确定三维工艺模型所需的 工艺信息数据集。
CAPP系统工艺属性的定义是保证基于统一数据源的工艺设计及CAPP/CAM系统 集成的前提,CAPP系统定义的工艺属性信息一方面为工艺设计服务，另一方面为CAM 系统服务。因此工艺属性信息定义不仅包括上述CAPP与CAM集成的工需的工艺属 性（加工工步、方法、刀具、进给、余量等信息），同时需满足CAPP系统对三维工序 模型创建的需求，例如对特征类型的定义。另外还包括 CAM 系统对加工仿真制造的 要求，例如程序名称、模板名称。基于统一数据的CAPP/CAM集成的工艺属性类型如 表 4.1 所示。
表4.1基于统一数据源的CAPP/CAM集成的工艺属性类型
Table.4.1 The process attribute type of CAPP/CAM system based on the only data source
CAPP 独有的属性信息 CAPP 与 CAM 共需的属性信息 CAM 独有的属性信息
当前工步 加工方法
余量 刀具 程序名称
特征类型 刀具直径 机床
转速 进给 模板名称
工步id号
4.1.3 特征工序分组原则
产品设计部门设计的MBD三维模型上的PMI信息一般是处于游离的状态，对于 三维工艺设计来说比较困难，因此需要工艺部门从工艺的角度将产品模型的PMI信息 关联的特征以尺寸、公差信息等进行特征工序分组，以满足基于全三维的工艺设计的 要求。基于特征工序分组的的分组原则主要考虑到分组顺序与分组要求的原则。
（1） 分组顺序主要是指从工艺加工与工艺设计的角度考虑，在工艺上主要考虑特 征的先后加工顺序的问题。需要全面考虑以下几点：
1） 基准面特征优先分组，考虑到零件特征的实际加工中加工定位的要求，必须把 基准面特征先分组，然后考虑其它特征。例如在加工外圆面时，一般以端面为加工定 位基准，因此需把端面特征优先分组。
2） 主特征优先分组，主特征是指相对位于主特征上的辅助特征而言，例如，面特 征优先分组，位于面特征的孔、键槽、螺纹。凹槽等后分组，因此这些辅助特征必须 在主特征分组后进行分组。
3） 非破坏性约束特征优先分组，非破坏性约束特征指后加工的特征不能破坏前面 操作所形成的特征，例如，外圆表面加工倒角和螺纹时，倒角一般需在螺纹加工前进 行，因此倒角必须先分组。
（2） 分组要求主要是从模型特征的特点和特征涉及的关联尺寸的角度出发，以及 特征的加工时间与加工经济上考虑，分组要求的内容主要需要全面考虑以下几点：
1） 约束特征工序集中分组；主要考虑工序集中的原则，例如相同类型的对称特征， 或者需要使用同一种刀具加工的约束特征，应该考虑安排在同一个特征工序分组中。
2） 特征分组加工尽量减少机床更换次数；零件含有多种不同类型的特征，以及每 个特征的加工要求不尽相同，加工过程中需要使用几种机床或某种机床，但是，更换 机床的时间和次数会增加加工时间，不利于生产效率的提高，因此，特征工序分组时 需考虑将相似特征加工安排到同一工序分组中，以减少机床的更换次数。
3） 特征分组加工考虑减少换刀次数、装夹次数；换刀次数和装夹次数会影响到零 件的加工时间，因此换刀次数和装夹次数是特征工序分组的重要的因素，例如，对于 同一大小不同位置的的孔类特征，一般使用同种刀具，应在同一特征工序分组中，对 于位于同一空间平面的不同特征加工面，一般在一次装夹中可完成多个面的加工，为 了减少换刀次数，需将这类加工特征面分在同一特征工序分组中。
4）尺寸公差关联的多特征需分布在同工序分组中，产品零件 MBD 模型中，部分 尺寸信息关联多个特征、以及同类型的多特征粗糙度信息一致，此时应将这些特征分 组在同个工序分组中。
4.2船用柴油机三维工序模型逆向生成技术
随着数字化技术的飞速发展，面向加工制造现场的三维工序模型的快速生成是数 字化工艺设计的基本要求，这也是三维CAPP与传统二维CAPP的最大的区别，即以 三维工艺模型替代传统的二维工程图的方式，做为产品加工过程中的唯一的制造信息 数据源［40-42］。从工艺设计过程的习惯的角度出发，工序模型的生成方式主要可划分为 正向和逆向。
（1） 正向工序模型生成过程指在零件设计好的情况下，根据零件毛坯模型及每个 工序加工要求，由设计人员重复零件的建模过程而得到，这样不仅增加了设计人员的 工作量，而且大大降低了工序模型生成的效率。万能［43-44］等人提出了信息映射下的三 维工序模型辅助生成方法，该方法采用正向生成工序模型，通过将设计特征与加工特 征建立映射关系的情况下，通过特征参数化建模来去除毛坯中的特征材料，生成中间 工序模型，该方法不具备通用性。
（2） 逆向工序模型生成以零件最终设计模型出发，根据零件的工艺，在零件模型 上添加模型材料以派生出零件的工序模型直至零件的毛坯的过程。该方法符合传统的 工艺设计过程，更易理解。其中文献［45］采用特征回退技术、关联复制以及常规的几何 建模等驱动生成工序模型的方法，该类方法主要针对产品模型简单的零件，对于复杂 结构的柴油柴油机零件工序模型生成质量很难保证。文献［46］采用基于数据库的工艺设 计方式和三维工序模型逆向生成方法，工艺设计过程仍采用传统的二维设计方式以及 三维工序模型生成过程的繁琐，完全不符合数字化全三维设计制造集成的要求。因此 本文结合全三维工艺设计技术并采用逆向工序模型生成方式符合数字化设计制造集成 的要求。
4.2.1逆向生成中间工序模型问题求解描述
中间工序模型是指产品从毛坯原材料形态到最终成品的过程中反应零件模型中间 加工过程所对应的模型状态［47］。三维工序模型形象地表达了零件从毛坯到成品的生产 加工制造过程中各工序动态变化，基于 MBD 的中间工序模型可以清晰的表达该工序 内容、工序基准、加工要求、检测要求等用于数控编程、加工仿真与质量检测的信息 ［48-50］。
o
零件中间工序模型的创建过程中，零件的本道工序的工序模型是由后一道工序的 工序模型通过建模操作得到，因此工序模型之间存在着前后的排序关系。本文将有关 中间工序模型定义如下：
定义1三维中间工序模型表示为n元序组
< PMn,PMn-1,.. .,PMk,.. .,PM1 >=<< IPM > ,PM1 > (4.1)
定义2假设中间第k道工序含有Sk个加工工步，则称第k道工序中各工步对应的模型 为工步模型，可表示为集合
PMk={PMSkk,...,PMkj,..,PM1k} (4.2)
其中，PM1表示零件的毛坯模型，PMn表示零件最终的设计模型，PMk表示第k 道工序对应的工序模型，IPM表示零件到毛坯过程中的中间工序模型，PMk表示第k道 工序下第j个加工工步对应的工步模型。
由上述定义可知：假定某零件的加工工艺过程含有n道工序，则会形成n-1个中 间工序模型。中间工序模型逆向创建是由给定的最终零件设计模型派生而成，因此工 序模型PMn是继承了零件的设计模型，毛坯模型继承了工序模型PM1的模型，同理, 如果第K道工序含有m个工步，则工步模型PMk继承的是工序模型PMk的模型。因 此可知在工序模型的逆向生成过程中，中间工序模型之间的关系如下图4.3所示
图4.3零件模型到毛坯模型演变过程中中间工序模型之间关系
Fig.4.3 The relationship between the intermediate process model from part to workblank
零件模型的设计过程可看作从毛坯切除材料的过程［51-52］，假定Rk表示零件第k道 工序第j个加工工步去除的材料模型，则零件设计模型的整个过程数学模型如下：
n Sk
PMn = PM1-工 工 Rk (4.3)
k=1 j=1
其中n表示零件的总工序数，Sk表示第k道工序的工步数，由4.3式以及中间工序模型 定义1可得到零件的第k道工序的工序模型的逆向求解表达式：
n Sk+1
PMk = PM. + 工 工 RjL (4.4)
i=k+1 j=1 上式 4.4 就是求解某道中间工序模型的逆向生成原理的数学表示，其中求解中间第 K 到工序模型时，模型材料的添加应从第 K+1 道工序模型开始，。由定义 2 可知，如果 零件的某中间工序模型是采用机加工方法得到，则对应的加工过程中切削材料模型部 分Rk工0 ；反之，零件的某中间工序模型是通过辅助工序（热处理、检验等）得到， 则不存在切削材料模型部分，此时Rk = 0。
4.2.2基于信息映射的工序模型逆向生成原理
加工工艺信息可描述为由加工方法、加工的轨迹线、工序余量等组成，其中加工 方法可定义如下：
定义3加工方法m元序组记为
Mach= <M1,M2,...,Mk,...,Mm> （4.5）
其中Mach为机加工的加工方法，以零件加工的工步为对象进行组织，包括车 （Tur）、铣（Mil）、磨（Pla）、刨（Gri）、孔加工（Hol）等。加工轨迹线是指加工时刀具在模型 上留下运动的轨迹（例如车加工时，刀具在模型上留下的运动轨迹为圆周型轨迹线）。 工序余量为上一道工序模型与本工序模型之间的加工变化量。
建模信息描述为建模操作组（MODL）、建模特征对象、建模参数。建模操作组是 指建模过程对零件模型采取的一系列动作，包含了拉伸（Ext）、删除（Del）/抑制（sup）、 偏置（Off）、重构（Ref）。而建模草图特征是在建模过程中的二维草图特征，对应着 加工特征。建模参数是对模型建模指定修改的尺寸量，对应着工序余量。
由于船用柴油件关键件体积庞大，各加工特征形状各异，在逆向工序模型生成过 程中，加工方法与建模操作组之间涵盖了一对一、一对多的多重映射关系，在建立映 射的过程中，加工方法与加工特征分类不同对应着不同的映射。加工特征的分类如下 图 4.4 所示，下面以船用柴油机关键件的特征与加工方法说明和建模操作组之间的映 射关系，主要分为以下几种映射关系：
Fig.4.4 The feature class of marine diesel engine part
车加工的运动轨迹为回转运动，而车加工的轨迹线形成的特征区域的不同与模型 建模特征采取的操作映射有所不同，以船用柴油机常用零件的特征区域类型的不同而 划分为以下三种车加工特征。
（1）含轨迹线特征:主要指车加工过程中模型上保留车加工形成的轨迹线区域特 征，（如图4.4a所示），映射为建模操作中的偏置。
（2） 圆环形特征：主要指模型上的环形的特征，一般不含轨迹线区域特征，（如 图4.4b所示），映射为建模操作的重构。
（3） 其它特征：其它通过车加工的复杂特征，映射为建模操作的拉伸。 铣加工主要是针对特征面采取的平面去除材料的过程，根据关键件的特征铣加工
分类，主要以下两种特征。
（1） 表面特征：主要指模型上普通的表面的特征，（如图 4.4c 所示），映射为建 模操作的偏置。
（2） 复杂面特征：模型上一些不规则的复杂特征面，（如图 4.4d 所示），映射为 建模操作的拉伸。
孔加工是船用柴油机常用零件所采用的最普遍的加工方法之一，其加工特征的分 类情况主要包括以下三种：
（1） 贯穿多特征孔：主要指贯穿在模型上的多个特征孔，（如图 4.4e 所示），一 般是通过多个工步加工生成，映射为建模操作的拉伸。
（2） 普通特征孔：主要指模型上的各类普通孔，（如图4.4f所示），列如，螺纹孔、 通孔，映射为建模操作的删除/抑制。
（3） 其它特征孔：除上述的其它的孔类，列如不规则台阶孔，映射为建模操作的 重构/拉伸。
磨削和刨削的加工与铣削的加工方式类似，映射为拉伸和偏置操作，按照上述所 建立的映射基础上建立映射约束，保证构建以面向加工方法的辅助工具系统，方便工 艺人员快速的创建中间工序模型。
本文通过构建的加工方法与建模操作的对应关系，将每种加工方法与对应的辅助 生成工具建立关联关系，并将二者进行封装，使的零件的工序模型的创建能以面向加 工工艺信息为出发，从零件的设计模型为工序模型创建起点，一步一步在辅助工具的 帮助下派生出零件中间的模型状态，直至零件的毛坯状态。中间工序模型的逆向生成 过程如图4.5所示。
Fig.4.5 The reversal generate process of intermediate process model
4.2.3零件工艺结构与工序模型辅助工具匹配关系
在零件的全三维工艺设计过程中，零件的加工工艺结构以结构化形式组织，为满 足工序模型的生成及后续集成制造过程提供信息支持的要求，零件工艺结构以三层树 状结构形式组织，第一层次为加工工序的概念，该层主要考虑实际车间调度和加工效 率的问题；第二层次为工序下加工特征的概念，该层指出零件工艺流程以加工特征为 最小单元，工艺加工特征与模型对应特征部位关联；第三层次为特征对应的加工工步 概念，一个加工特征对应一个加工工步，该层信息包含加工特征的特征类型、加工方 法、余量信息。系统根据加工特征的特征类型与加工方法匹配得到对应工序模型辅助 生成工具，零件工艺结构与工序模型辅助工具匹配关系如图 4.6 所示。零件工艺加工 流程树状上下顺序表示零件的加工工序顺序，每个工序包含该道工序所需加工的加工 特征信息。逆向工序模型生成过程中从工艺流程树中自下而上得到工序模型辅助生成 工具。
零件加工工艺流程
-加工特征n
图 4.6零件工艺结构与工序模型辅助工具匹配关系示意
Fig.4.6 The matching relation between process structure and the process model auxiliary means
4.2.4船用柴油机关键件的工序模型逆向生成流程
本文在零件各中间工序模型创建过程中采用UG的WAVE技术确保各中间工序模 型的关联性，当某个中间工序模型发生修改时，后续的工序模型会自动的更新。工序 模型逆向生成流程如图 4.7所示。工序模型逆向生成过程主要分为四步工作：
(1)确定零件模型的加工工艺过程：从零件设计模型出发，根据前文所述的基于 特征工序分组的方法，通过加载特征工艺模板种子进行三维工艺设计，设计出零件每 个加工工序的加工特征、每个工序下的特征的工步信息。
(2)确定相应的生成工具：根据上步工艺设计内容，以工步信息为单元，利用上 文所述的方法，加载每个工步的所需辅助工具。
(3)确定特征与建模参数信息：a：根据上步所匹配的生成工具，通过遍历特征 属性关联内容，自动获取工步关联的模型特征部位.b:同理遍历工艺属性信息，自动获 取余量信息，余量信息即转换成建模参数(例如，铣削加工面时，加工余量值转换过 来的拉伸面的距离值即为建模参数值，而车端面大小时，建模参数由工步信息加工后 端面直径值转换为重构端面直径值得到)。
(4)生成工序模型：根据上一步的操作，自动生成建模操作并隐藏无关尺寸，将 特征的一些设计尺寸修改成工序尺寸即可得到中间工序模型，并判断生成的工序模型 是否合理，如合理则结束本道中间工序模型的创建，不合理则反馈到第二步直至工序
模型创建合理。直至零件所有的工序模型创建完成；在零件各中间工序模型创建过程 中采用UG的WAVE技术确保各中间工序模型的关联性，当某个中间工序模型发生修 改时，后续的工序模型会自动的更新。
开始
零件设计模型
图4.7工序模型逆向生成流程图
Fig.4.7 The flow chart of process model generate by reverse
4.3工序模型逆向自动化生成实现关键技术
4.3.1 特征位置的自动获取
三维工序模型的自动化生成技术一直提高数字化制造水平过程中急需解决的一项 技术难点，究其原因主要是数字化设计制造集成水平不高，工序模型的生成过程不能 直接利用零件的工艺信息，以及根据提供的工艺信息不能直接改变三维模型生成指定 的工序模型，这些技术难点是阻碍数字化制造集成发展的关键问题。
本小节按照前文所述的工序模型逆向自动化生成的流程与方法，将详细的分析工 序模型自动化的生成的关键技术之一，即特征位置的自动获取。当前开展基于 MBD 技术的设计制造集成技术的研究，最基本的出发点是产品零件的 PMI 信息，零件的 PMI信息模型包含了多种实体信息，该信息模型完全符合实体属性联系方法，即E-R
(Entity-Relationship Approach)模型。该信息模型是研究PMI信息模型以及组成要素 之间关系的有效方法。
本文零件的工艺信息采用了以“组”为单位的树状工艺结构树，零件工艺总体可分 为总体组属性信息和PMI属性信息。总体组属性信息是对整个零件的工艺描述，主要 包括零件的工序信息、PMI分组信息等。PMI属性信息是指具体描述某个PMI信息包 含在模型上的信息，包括 PMI 尺寸类型、关联特征、特征位置、尺寸数值等。依据 E-R方法，将上述包含的组属性和PMI属性构建零件工艺实体E-R图见4.8所示：
Fig.4.8The E-R image of part process entity
通过构建零件工艺组属性和PMI属性之间的关联关系，工序模型辅助生成工具通 过遍历零件工艺，自动获取组属性信息，从而访问组属性下PMI属性信息，进而得到 特定的PMI信息所关联的特征位置、尺寸信息等。通过以上自动遍历过程得到建模操 作对象。
4.3.2 余量参数的自动获取
由前文中可知，零件的余量参数信息在工序模型建模中直接映射为建模过程中的 建模参数，余量参数的自动获取过程为对工艺信息的直接遍历，通过遍历工序组中的 工艺信息而获得。因此工序模型辅助工具自动获取余量参数比获取特征位置相对较容 易，实现余量参数的自动获取部分代码如下所示：
Group *gro=dynamic_cast<Group *> (obj[0]); NXString y;
std::vector<NXOpen::NXObject::AttributeInformation>attst= gro->GetAttributeTitlesByType(NXObject::AttributeTypeString);
for(size_t z=0;z<attst.size();z++) {
if(!strcmp(attst[z].Title.GetLocaleText(),"余量"))
y=gro->GetStringAttribute(attst[z].Title);
PropertyList*list1 = string0->GetProperties(); list1->SetString("Value",y);
4.4本章小结
本章主要是对集成式CAPP系统中的三维工艺设计方式和自动三维工序模型生成 的相关技术进行了详细的阐述。主要介绍了基于特征工序分组的详细设计过程。并重 点对当前数字化三维工序模型生成技术的方法、逆向生成中间工序模型问题求解、基 于信息映射的工序模型逆向生成原理、零件工艺结构与辅助工具匹配关系。最后详细 的分析了生成的具体流程以及实现自动化生成关键技术。这些关键技术的实施有效解 决了集成式CAPP系统对数字化设计制造集成领域中的技术难点。使数字化制造技术 能不断向前发展。
第5章 基于MBD技术的集成式CAPP原型系统实现
5.1系统简介
基于MBD技术的集成式CAPP系统利用船用柴油机关键件的MBD设计模型，采 用“特征工序分组”的工艺设计方式解决了工艺信息的三维化表达难的问题，充分的利 用了特征的PMI信息及工艺模型信息实现CAD/CAPP/CAM之间三维信息传递、转换 及集成，完成了三维工序模型的自动生成与三维工艺技术文档的生成。利用Web技术 对工艺资源信息与产品信息进行了有效的管理与分享。
基于 MBD 技术的集成式 CAPP 系统利用三维工艺模型实现了 CAD/CAPP/CAM 之间的集成，本系统及设计方案的创新点在于：
(1)通过构建三维工艺模型，将零件MBD模型的PMI设计信息与三维工艺信息进 行有效的关联，实现了基于 MBD 技术的三维工艺模型的设计制造的信息集成与过程 集成，保证了设计制造集成过程中统一数据源的集成方式；
(2)提出了采用三维工序模型逆向生成方式，通过构建船用柴油机关键件的特征类 型及特征加工方法与建模操作之间的映射关系，实现将自动获取的工艺信息转换成建 模操作过程，有效的提高了工序模型生成的效率；
(3)通过构建基于Web的产品与工艺资源的信息管理平台，采用内嵌于工艺设计集 成系统的方式，对资源信息进行了有效的管理，同时保证了产品/资源信息在 CAD、 CAPP、CAM系统之间的有效共享。
5.2工艺设计集成系统操作流程
基于 MBD 技术的集成式 CAPP 系统包括了三维工艺设计集成系统以及内嵌于集 成系统的产品/资源信息管理平台。此处介绍工艺设计集成系统操作流程，首先，进入 系统，选择 MBD 设计模型，如果零件是已有的典型工艺零件，直接载入该典型零件 工艺，或者采用“特征工序分组”的工艺设计方式，规划零件的初步的加工工步，添加 工艺信息，合并工步生成加工工序。最终根据三维工艺信息，匹配生成零件的中间加 工工序模型，并根据下游各个制造部门对工艺模型的要求，生成相应的三维工艺模型。 本系统为下游的CAM系统，直接读取MBD三维工艺模型。图5.1为工艺设计集成系 统的流程图。
Fig.5.1 Flow chart of integrated system
5.3主界面
启动NX 7.5，选择工具条中的基于MBD技术的三维集成式CAPP系统即可进入 工艺设计集成系统，切换左侧的 Internet Explorer 登入即可进入产品/资源信息管理平 台，集成平台下的CAD及CAM系统采用异地访问本机IP地址形式即可访问本系统 中的产品/资源工艺信息。实现信息的共享。
图 5.2 系统主界面
Fig.5.2 Interface of key system
5.4工艺设计过程界面
5.4.1工艺属性信息的配置与定义
工艺属性信息的配置与定义过程界面如图 5.3 所示。工艺人员直接根据实际应用 需求，直接勾选系统中的工艺属性信息。系统方便用户对工艺属性信息的添加、修改 删除和调整顺序等。
图 5.3 工艺属性信息的定义与配置
Fig.5.3 Definition and configuration of process attribute information
5.4.2 特征工序分组
特征工艺分组操作主要包括新建特征工序组；取消特征工序组；将特征无关的 PMI 信息从工序组中移除；以及将特征关联的PMI添加到工序组中四步操作。一个特征组 即为一个加工工步单元。特征工序分组操作如图5.4所示。
5.4.3 工艺编辑与工艺结构分析
零件工艺设计的工艺结构界面如图 5.5 所示。特征工序信息可直接点击做编辑修 改，工艺结构信息顶层为加工工序层与工步层，工序信息包含了工序模型生成关键参 数（加工方法/特征类型/余量）；资源设备信息（刀具/刀具直径/机床）；仿真切削参数 （转速/进给）；CAM加工仿真模板文件（程序名称/模板名称）；以及工步排序参数（工 步id号）。可以直接修改工步id号对工序工步进行加工顺序的调整。
图 5.5 零件设计工艺节点
Fig.5.5 Note of process design
5.5工序模型辅助生成过程实例及界面
5.5.1 工序模型辅助生成工具集
工序模型辅助生成工具集采用前文所述的以加工方法和加工特征分类，不同的加 工方法和加工特征调用不同的工具集，本文列举部分典型工序模型辅助生成工具集如 图 5.6 所示，车圆环型特征的辅助工具，铣普通特征面的辅助工具和普通特征孔加工 的辅助工具。
5.5.2 工序模型生成实例
以船用柴油机关键件曲柄销轴承盖为例说明，图 5.7 左侧为曲柄削轴承盖基于
MBD的设计模型，其机加工工艺过程如表5.1所示。
表 5.1 曲柄销轴承盖机加工过程 Table.5.1 Process of Crank Pin Bearing Cover
工序（步）号 加工说明 余量 工序的工步数（Sk）
NO.10 加工中心 7
NO.1001 粗铣哈夫面，铣去余量 2mm 2mm
NO.1002 精铣哈夫面 0
NO.1020 钻扩铰2x015.5 0
NO.1030 钻铣止口槽 0
NO.1040 钻扩对左、右螺孔 M68 0
NO.1050 铣左、右侧凹坑面 0
NO.1060 钻对两侧外圆上的螺孔 2xM16 0
NO.20 扩攻两侧凹坑面孔 0 1
图 5.7为曲柄销轴承盖工序模型逆向生成实例界面，工序模型逆向创建过程如下： a：首先将零件的设计模型（图5.7左侧模型）上的无关尺寸隐藏，即可作为工序NO.20 的工序模型；b：工序NO.20含有1个工步，即扩攻复杂特征类的凹坑面孔，则调用 复杂孔类加工辅助工具，遍历特征属性关联信息，自动识别操作特征孔，并隐藏无关 尺寸，以生成操作后得到工序NO.10中的工步NO.1060的工步模型;c:同理工序NO.10 中的工步NO.1050的工步模型创建则是根据前道工步NO.1060的特征工艺信息，即对 外圆上的螺孔2xM16普通特征孔的加工，调用处理普通特征孔的辅助工具，遍历特征 属性信息，自动识别操作特征孔位置生成建模操作，得到工步NO.1050的工步模型。
以此类推直至零件毛坯的过程。由于篇幅有限，此处不再一一阐述。整个过程采用无 历史建模的几何操作方法，建模过程效率高。
图 5.7 工序模型生成实例
Fig.5.7 Process Model Generate procjects
5.6产品信息与工艺资源信息管理
5.6.1 产品信息管理
系统切换至产品信息与资源信息管理平台，从左侧菜单导航中点击选择产品管理， 产品结构信息主界面如图 5.8 所示，点击每个产品信息结构树的节点，即可查看该产 品的详细的信息。
图 5.8 产品信息结构树
Fig. 5.8 The product information structure tree
产品信息结构树的管理与配置过程为：点击左侧菜单导航中的系统维护，从展开
的子菜单中点击配置产品结构树，配置界面如图 5.9 所示。如果要增加一级节点，直 接输入添加要增加的节点的名称与说明。刷新即可在产品结构树中一级节点处看到新 增加的产品节点。
图5.9配置产品结构树界面
Fig. 5.9 The interface of configurating the product structure tree 其中，如果激活按钮表示可激活该节点，如果点击激活该节点，会提示如图 5.10 所示的消息对话框，表示该节点下面的子节点直接被删除，直接访问该节点即可访问 产品信息，如果不激活该节点，表示该节点包含有下一级子节点，点击下一级子节点 进入二级节点管理界面如图5 . 1 1 所示。
节至名称 节点说明 増加 濡空|
所有一皴节点
自动輪号 节点名称 节点说明 是否激活 换作
1 平装胶订机 平装胶订机 X 修改II激活II子节点il r
2 主轴装置总成 X 修改II潮活II子节点il厂
3 正三轮摩托车 未自两贡的清息 團 X 修改II激活II子节点il厂
4 连杆
齿轮 ?J如果激活此节点，则子节点将全部删除.确定激活吗？ V 修|改il撤销il厂
5 V 修改il撤销il厂 |重蚤所选
|［确定'il 1取消 0全部删除所选
共有5条记录第1/1页毎页20* W 1用
图 5.10 激活节点提示对话框
Fig. 5.10 The prompted dialogue of activating nodes
图 5.11 二级节点管理界面
Fig. 5.11 The interface of manage the level 2 nodes 在该二级节点管理界面中，在相应的节点上点击修改/撤销/删除等按钮，即可对已 选的节点进行节点信息的修改，撤销修改，删除节点操作。
5.6.2 刀具及切屑参数信息管理
中间是刀具资源的结构树，刀具资源库来源于 SANDVIK、WALTER、SCEO、
ISCAR等主流刀具商的样本手册数据；右边是点击SANDVIK情况下铣削刀具的选择 界面。
选择主界面左侧菜单导航中的的资源管理。点击刀具以及切削参数，显示的即为 刀具及切削参数信息管理界面如图5.12所示。点击中间刀具结构管理树，进入子节点 可查看该刀具的型号。
图 5.12 刀具信息管理界面
Fig. 5.12 The interface of tool management
例如点击子节点下的可乐满切削单元，即可显示该刀具的所有型号（DCKNR、
DCLNR、DCRNR 等），点击 DCKNR 信号刀具，右侧显示了该型号刀具所有信息。
如图5.13所示。点击界面中的二维图与三维图即可查看该刀具的二维与三维形状。如
图 5.14 和 5.15 所示。点击标准刀片可查看该订货号对应的刀片型号。
图 5.13 所有 DCKNR 刀具信息
Fig. 5.13 The interface of all the DCKNR tools
5.6.3 夹具/量具/工艺术语管理
夹具量具及工艺术语管理界面如图5.16所示。点击界面中间的管理结构树节点 即可进入查看如界面右侧对应的工艺资源。
图 5.16 夹具/量具/工艺术语信息管理界面
Fig. 5.16 The interface of manage fixture/measuring tool/technics
对夹具量具及工具术语的信息管理维护从主菜单导航中系统维护进入，通过点击
维护结构树节点进入维护界面，如图5.17界面所示。用户可直接可以对工艺资源节点
下的具体资源信息做编辑，即修改/删除/增加等操作。
图 5.17 夹具/量具/工艺术语信息编辑界面
Fig. 5.17 The interface of editing fixtures/measuring tools/technics
5.7工艺文档
车间工艺文档是指导加工制造人员日常生产的重要性文件，本系统工艺文档以两 种形式输出，图5.18所示为基于Web的车间文档界面，工艺文档直接从工艺设计集成 系统直接导出，生成的三维工艺模型导出JT模型，附在结构化工艺树下，直接点击对 应工序模型节点，即可进入三维插件环境中查看详细的PMI模型信息。图5.19所示为 基于 Excel 的三维工艺文档。三维工序模型可直接在工艺文档中查看产品制造信息 （PMI），用户直接点击相应的三维工序模型即可。PMI信息查看界面如图5.20所示。
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图 5.18 车间文档界面
Fig.5.18 Interface of shop document
图 5.19 Excel 三维工艺文档
图 5.20 JT 模型 PMI 信息查看
Fig.5.20 PMI information of JT model
5.8工序模型切削过程仿真
通过虚拟加工仿真软件及技术可以动态的演示零件的加工过程中工序模型的加 工过程，采用 3DVIA Composer 软件仿真零件的加工过程，将生成的加工动画发至加 工生产制造现场，做为工艺加工的指导性技术文件。图5.21为仿真导出的加工过程三 维动画。
图 5.21 加工过程动态仿真
Fig.5.21Virtual machining process
5.9本章小结
本章简单介绍了基于MBD技术的三维集成式CAPP系统的工作流程及主要功能 模块，分别从工艺设计；工序模型的创建；产品信息与工艺资源信息管理与共享，工 序加工的动态过程仿真以及车间工艺文档进行了阐述，进一步验证了原形系统的有效 性。
52
总结与展望
总结
本文针对船舶行业中基于MBD技术的三维CAPP及其设计制造集成的应用需求。 以及结合当前基于 MBD 统一数据源的 CAD/CAPP/CAM 设计制造集成过程中信息集 成难的现状，构建了基于MBD技术的CAPP系统集成框架体系及基于Web的信息集 成与管理平台。本文详细分析了采用三维集成式的工艺规划方式与过程、系统实现集 成的关键技术。开发的基于MBD技术的CAPP系统实现了与上游的CAD系统和下游 CAM系统集成，整个设计制造集成过程中均采用统一的数据源。为开展基于MBD技 术的数字化制造技术向集成化、三维化、可视化发展提供了有益的借鉴作用。论文的 研究工作及取得的成果主要体现在几个方面：
(1)通过对比分析了基于三代设计语言的CAPP系统特点及当前基于集成化CAPP 研究现状，并针对当前基于 MBD 技术的工艺设计集成遇到的关键技术问题，提出了 将三维工艺模型做为集成式CAPP系统工艺设计的信息载体，以解决基于统一数据源 的设计制造集成问题。最后阐述了本课题的实际的研究意义。
(2)将MBD模型做为工艺设计集成系统的数据源头，通过构建工艺信息集成模型, 提出了“特征工序分组”的工艺设计方式，实现将MBD模型工艺设计成三维工艺模型。 保证制造各部门能有效的利用三维工艺模型开展一系列制造活动，最终能有效的提高 了各制造部门三维加工制造水平。
(3)将构建的基于 Web 产品信息与制造资源信息管理平台有效的集成于工艺设计 系统中，分别从信息管理平台实现的关键技术、与工艺设计系统集成体系关系、信息 管理结构树设计等几个方面构建体系结构，实现了资源信息为工艺设计所用，通过 Web技术的信息管理，解决了信息的网络化与共享性问题。
(4)对数字化制造过程中的三维工序模型生成进行了深入的研究。分析当前三维工 序模型的生成方式与利用工艺信息自动生成工序模型中关键技术特点，提出了工序模 型逆向的生成方法与生成原理，通过将船用柴油机关键件的特征信息分类，构建了特 征信息与建模信息之间的映射。开发工序模型辅助工具自动获取工艺信息逆向生成工 序模型，有效的提高三维数字化制造水平。
(5)在结合基于MBD技术的全三维设计制造集成的要求，在UG NX平台上，构建 了基于MBD技术的三维集成式CAPP系统。并将构建的产品/资源信息管理平台集成 于工艺设计系统中。设计了集成式CAPP系统的功能模块，并对基于三维集成的工艺 设计过程重点进行了剖析。简单的介绍了系统实现涉及的相关技术，主要包括：基于 NX OPEN二次开发工具，基于工艺信息模型的信息集成技术、基于数据库与XML技 术的信息结构树构建等。
(6)针对船用柴油机企业三维数字化制造实际需要，在 UG NX 平台上开发并集成 了 Web信息管理平台的集成式CAPP系统，系统工艺设计基于三维MBD模型，利用 三维工艺模型生成工序模型，并结合具体的实例，验证了课题研究对三维 MBD 数字 化设计制造集成的可行性和实用性。
展望
由于当前基于MBD技术的三维集成化CAPP系统仍存在大量问题尚未解决，且 基于MBD的设计制造集成技术一直是处于不断发展中。虽然本文解决了基于MBD统 一数据源的 CAD/CAPP/CAM 之间的三维数字化集成问题。但是由于研究工作时间有 限，加之作者对实际工艺设计经验的不足，三维工艺设计集成式系统仍存在许多不足 和需改进与完善的地方，主要表现在以下几个方面：
(1)本文构建的集成式工艺设计系统，主要解决了基于统一数据源的设计制造集成 问题，但是在整个产品生产周期中，需要考虑各个设计制造部门在整个设计生产过程 中的协同，完善三维环境下产品数据接口。实现三维 CAPP 系统应用的标准化。
(2)系统集成功能的扩展问题。三维工艺设计系统虽然实现了与CAD及CAM系统 之间的信息集成和过程集成，但对于实现CAPP与PDM以及CAX之间的集成有待更 深入的研究；基于工艺模型的信息集成还需不断扩大，以支持装配系统、检测系统对 工艺信息的要求。
(3)系统工序模型生成中涉及到特征的识别与自动获取；随着智能化技术的发展， 在工艺设计阶段需进一步开展特征识别技术，实现特征识别的自动化工艺设计研究。
(4)CAPP系统功能扩展问题。CAPP系统做为辅助工艺人员工艺设计，其不仅仅 只是对零件的加工过程进行设计，应该不断的扩展系统的功能，例如对材料及工时定 额的计算、对工序尺寸及公差的计算等，使系统更全面、更完备的支持全三维的工艺 设计。
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