基于MBD的叶片泵建模与工艺信息集成一体化研究

yuanzewei

随着数字化网络化设计与制造技术(CAD／CAM／CAE)在产品研制过程的广泛应用，基于模型定义(ModelBasedDefinition，MBD)技术已成为制造业信息化的发展趋势．MBD技术是一种将产品几何和非几何信息、相关设计定义、工艺描述属性以及管理等信息集中表达于产品三维模型中的先进数字化定义方法。MBD技术将三维实体模型作为企业生产制造过程的唯一依据，改变了传统以二维图纸为主、三维模型为辅助的设计制造方法。

MBD技术的应用以美国波音787飞机为代表，其研制生产过程全面采用MBD技术，实现过程制造数字化、协同化、无纸化作业，使飞机的研制周期减少50，成本降低，工作量大大减少，在管理水平和效率提升方面取得了巨大进步，国内MBD技术的研究应用已在航空企业取得很多成果，在其他大型装备制造业也逐渐推行开来，但与国外先进企业相比仍有不小差距，主要表现在：MBD技术没有贯穿于产品的全生命周期；工艺设计部门所发放的三维数字模型仅包含部分工艺信息；基于三维模型的工艺信息获取主要还是手动录入方式；没有建立工艺信息与几何信息之间的关联；效率低，易出错。

为了实现MBD技术的深化应用，本文以叶片泵装配作为研究对象，提出面向装配工艺设计过程的MBD模型，并以泵轴工艺规划为实例进行应用验证。

1叶片泵装配工艺MBD模型

1．1叶片泵装配设计

叶片泵是现代液压系统的重要组成部分，其功能是将机械能转化为液体的压力能，向系统提供压力油从而驱动系统运转。与其他泵类相比，叶片泵具有尺寸小、结构紧凑、运转平稳等优点，被广泛应用于工程机械的压力系统，叶片泵装配是对其工艺设计和加工的一次总检验。

当前，企业的叶片泵建模工艺设计过程如图1所示。首先，根据企业实际生产情况，对产品模型进行装配单元划分，形成装配特征结构树；然后，进行基准定位信息确定，选取最优装配方案和组织方式，明确装配过程信息以及工艺流程信息，确定加工设备、工装等资源；最后，确定物料供给和工作场地的工艺布置。



图1叶片泵装配工艺设计过程

1．2装配工艺信息MBD模型

根据装配工艺属性，参照国内外相关标准，结合叶片泵建模装配工艺规程，创建的装配工艺信息MBD模型结构如图2所示。



图2装配工艺信息MBD模型结构

装配工艺信息MBD模型由三维设计模型、装配工艺信息集成模型和其他工艺特征模型三大模块构成。三维设计模型是设计者根据企业需要构建的三维实体模型，是装配工艺设计环节和加工制造过程的重要依据。装配工艺信息集成模型主要用以辅助装配工艺规划，是对三维实体建模进行信息提取、规划和补充的结果，是工艺信息集成的核心模块，装配工艺信息的其他工艺特征模型是对集成模型的补充和拓展。

装配工艺信息集成模型由装配结构树、装配工艺特征和详细工艺过程等组成，装配结构树是三维装配模型单元划分和装配顺序划分的结果，可以清楚地反映零部件之间的隶属层次和配合关系，同时更便于访问零部件相关工艺信息。装配工艺特征是实体层(几何特征、几何形面、集合区域)和扩展层(尺寸公差、形位公差、表面粗糙度、工艺要求、工装设计、标注及注释等)的结构化定义和表示。

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2基于MBD的工艺信息集成管理

2．1装配车间管理系统工艺信息功能设计

装配车间管理系统是数字化网络化制造技术集成应用的人机交互系统，它以车间计划调度管理为中心，通过各模块系统集成，实现信息及时到达和共享，完成整个车间生产操作(图3)，其中，工艺信息管理主要由产品信息查看、产品管理选择集、工艺工装信息查看和装配视频查看四部分组成。

产品信息查看主要包括产品零部件的名称、代号、设计人员、技术要求等相关信息。可随时对这些信息进行添加、修改和完善操作。工艺工装信息查看包括装配工艺过程卡、装配工序卡、工装明细表以及装配体结构树及零件信息查看。其中，工装明细表的内容包括加工零件所需刀具、夹具、量具、模具等，主要是对零件加工所需工装的规划。

装配视频查看是把三维设计软件环境中制作的装配视频放置于Tomcat服务器中，通过管理系统供相关设计、装配和加工人员查看，使装配操作更加直观，同时可提高装配效率。



图3装配车间管理系统模型构成

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2基于MBD的工艺信息集成管理

2．1装配车间管理系统工艺信息功能设计

装配车间管理系统是数字化网络化制造技术集成应用的人机交互系统，它以车间计划调度管理为中心，通过各模块系统集成，实现信息及时到达和共享，完成整个车间生产操作(图3)，其中，工艺信息管理主要由产品信息查看、产品管理选择集、工艺工装信息查看和装配视频查看四部分组成。

产品信息查看主要包括产品零部件的名称、代号、设计人员、技术要求等相关信息。可随时对这些信息进行添加、修改和完善操作。工艺工装信息查看包括装配工艺过程卡、装配工序卡、工装明细表以及装配体结构树及零件信息查看。其中，工装明细表的内容包括加工零件所需刀具、夹具、量具、模具等，主要是对零件加工所需工装的规划。

装配视频查看是把三维设计软件环境中制作的装配视频放置于Tomcat服务器中，通过管理系统供相关设计、装配和加工人员查看，使装配操作更加直观，同时可提高装配效率。



图3装配车间管理系统模型构成

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2．2MBD建模与工艺信息集成管理总体结构设计

采用上述建模技术，运用NX／OpenMenuScript、NX／API等函数功能模块，结合VC++6.0中MFC类库对NX进行相应功能的开发，利用ADO(ActiveXDataObject)技术对SQLSever2008数据库进行访问连接，以Tomcat7为服务器，采用JavaWeb语言设计装配车间管理系统，从而实现NX和管理系统的工艺信息数据融合。基于MBD的工艺信息与管理系统集成框架如图4所示。



图4基于MBD的工艺信息与管理系统集成框架

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2．2MBD建模与工艺信息集成管理总体结构设计

采用上述建模技术，运用NX／OpenMenuScript、NX／API等函数功能模块，结合VC++6.0中MFC类库对NX进行相应功能的开发，利用ADO(ActiveXDataObject)技术对SQLSever2008数据库进行访问连接，以Tomcat7为服务器，采用JavaWeb语言设计装配车间管理系统，从而实现NX和管理系统的工艺信息数据融合。基于MBD的工艺信息与管理系统集成框架如图4所示。



图4基于MBD的工艺信息与管理系统集成框架

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2．2MBD建模与工艺信息集成管理总体结构设计

采用上述建模技术，运用NX／OpenMenuScript、NX／API等函数功能模块，结合VC++6.0中MFC类库对NX进行相应功能的开发，利用ADO(ActiveXDataObject)技术对SQLSever2008数据库进行访问连接，以Tomcat7为服务器，采用JavaWeb语言设计装配车间管理系统，从而实现NX和管理系统的工艺信息数据融合。基于MBD的工艺信息与管理系统集成框架如图4所示。



图4基于MBD的工艺信息与管理系统集成框架

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整个集成系统由三维软件二次开发模块、数据库服务模块和管理系统模块组成。
(1)在三维软件中设计或加载装配体产品模型，在VisualC++6.0和NXAPI函数开发的用户可视化界面中进行相关层次的操作(装配树信息建模、配套信息建模、工艺特征建模)，最后将信息存入对应的数据库中，以便后续查看或修改使用。
(2)数据库服务模块．本文选用SQLServer2008为系统数据库．其优点是可以集成任何形式的数据，有效管理并存储庞大的用户信息和数据资料，并且可利用其全面审核功能来提高服务的安全性。数据库服务模块一方面可以将NX环境中提取或添加的模型信息以报表(主要分为产品信息、配套信息和T艺特征信息三部分)的形式分块存取；另一方面可以借助Tomcat7服务器连接管理系统，在管理系统中实现信息查看和共享。
(3)管理系统模块是MBD建模与工艺信息集成一体化的系统平台，也是企业内各类人员处理自身职责、企业内部协同化、网络化的平台。

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整个集成系统由三维软件二次开发模块、数据库服务模块和管理系统模块组成。
(1)在三维软件中设计或加载装配体产品模型，在VisualC++6.0和NXAPI函数开发的用户可视化界面中进行相关层次的操作(装配树信息建模、配套信息建模、工艺特征建模)，最后将信息存入对应的数据库中，以便后续查看或修改使用。
(2)数据库服务模块．本文选用SQLServer2008为系统数据库．其优点是可以集成任何形式的数据，有效管理并存储庞大的用户信息和数据资料，并且可利用其全面审核功能来提高服务的安全性。数据库服务模块一方面可以将NX环境中提取或添加的模型信息以报表(主要分为产品信息、配套信息和T艺特征信息三部分)的形式分块存取；另一方面可以借助Tomcat7服务器连接管理系统，在管理系统中实现信息查看和共享。
(3)管理系统模块是MBD建模与工艺信息集成一体化的系统平台，也是企业内各类人员处理自身职责、企业内部协同化、网络化的平台。

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整个集成系统由三维软件二次开发模块、数据库服务模块和管理系统模块组成。
(1)在三维软件中设计或加载装配体产品模型，在VisualC++6.0和NXAPI函数开发的用户可视化界面中进行相关层次的操作(装配树信息建模、配套信息建模、工艺特征建模)，最后将信息存入对应的数据库中，以便后续查看或修改使用。
(2)数据库服务模块．本文选用SQLServer2008为系统数据库．其优点是可以集成任何形式的数据，有效管理并存储庞大的用户信息和数据资料，并且可利用其全面审核功能来提高服务的安全性。数据库服务模块一方面可以将NX环境中提取或添加的模型信息以报表(主要分为产品信息、配套信息和T艺特征信息三部分)的形式分块存取；另一方面可以借助Tomcat7服务器连接管理系统，在管理系统中实现信息查看和共享。
(3)管理系统模块是MBD建模与工艺信息集成一体化的系统平台，也是企业内各类人员处理自身职责、企业内部协同化、网络化的平台。

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3工艺信息建模集成实例

这里以NX8.0为环境平台对某型号叶片泵进行参数化建模。该装配体模型由泵盖、泵体、螺钉、偏心套、泵轴、叶片、弹簧、销钉、平键、齿轮和挡圈装配而成。

(1)加载已设计好的叶片泵装配体模型．在创建的MBD信息功能菜单中选择“工艺设计信息”，通过装配模型结构树进行组织划分，并对每个零部件特征信息进行关联添加(图5)。

图5装配体结构树及关联信息实例

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3工艺信息建模集成实例

这里以NX8.0为环境平台对某型号叶片泵进行参数化建模。该装配体模型由泵盖、泵体、螺钉、偏心套、泵轴、叶片、弹簧、销钉、平键、齿轮和挡圈装配而成。

(1)加载已设计好的叶片泵装配体模型．在创建的MBD信息功能菜单中选择“工艺设计信息”，通过装配模型结构树进行组织划分，并对每个零部件特征信息进行关联添加(图5)。

图5装配体结构树及关联信息实例

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3工艺信息建模集成实例

这里以NX8.0为环境平台对某型号叶片泵进行参数化建模。该装配体模型由泵盖、泵体、螺钉、偏心套、泵轴、叶片、弹簧、销钉、平键、齿轮和挡圈装配而成。

(1)加载已设计好的叶片泵装配体模型．在创建的MBD信息功能菜单中选择“工艺设计信息”，通过装配模型结构树进行组织划分，并对每个零部件特征信息进行关联添加(图5)。

图5装配体结构树及关联信息实例

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(2)在结构树提取单元栏下“设计信息”中双击泵轴，进入零件泵轴环境中，对泵轴模型进行三维几何信息标注。完成所有零部件几何信息标注后，可在工艺设计信息对话框中查看相关信息，并进行相应附加信息的添加．在单独查看已标注好的零件信息后，可实现尺寸／公差信息的自动提取和入库功能(图6)。



图6模型信息提取／入库实例

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(2)在结构树提取单元栏下“设计信息”中双击泵轴，进入零件泵轴环境中，对泵轴模型进行三维几何信息标注。完成所有零部件几何信息标注后，可在工艺设计信息对话框中查看相关信息，并进行相应附加信息的添加．在单独查看已标注好的零件信息后，可实现尺寸／公差信息的自动提取和入库功能(图6)。



图6模型信息提取／入库实例

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(2)在结构树提取单元栏下“设计信息”中双击泵轴，进入零件泵轴环境中，对泵轴模型进行三维几何信息标注。完成所有零部件几何信息标注后，可在工艺设计信息对话框中查看相关信息，并进行相应附加信息的添加．在单独查看已标注好的零件信息后，可实现尺寸／公差信息的自动提取和入库功能(图6)。



图6模型信息提取／入库实例

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(3)企业技术人员可以直接登录管理系统，选择“艺信息台看”下的“装配体结构树及零件信息”菜单，查看已存人数据库的泵轴几何信息(图7)。

图7建模集成信息查看实例

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(3)企业技术人员可以直接登录管理系统，选择“艺信息台看”下的“装配体结构树及零件信息”菜单，查看已存人数据库的泵轴几何信息(图7)。

图7建模集成信息查看实例

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(3)企业技术人员可以直接登录管理系统，选择“艺信息台看”下的“装配体结构树及零件信息”菜单，查看已存人数据库的泵轴几何信息(图7)。

图7建模集成信息查看实例

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4结束语
本文针对叶片泵产品装配工艺过程，利用MBD技术和NX二次开发技术，实现了工艺信息模型定义，建立了MBD工艺信息集成模型，采用管理系统对产品零部件工艺信息进行统一表达和管理，通过数据库连接技术，NX与车间管理系统集成，实现了产品工艺信息从建模到完成加工装配的数字化、网络化传递和共享，基于MBD的叶片泵建模与工艺信息集成管理技术为企业产品设计、加工装配等环节的数字化、信息化协同奠定了基础。

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4结束语
本文针对叶片泵产品装配工艺过程，利用MBD技术和NX二次开发技术，实现了工艺信息模型定义，建立了MBD工艺信息集成模型，采用管理系统对产品零部件工艺信息进行统一表达和管理，通过数据库连接技术，NX与车间管理系统集成，实现了产品工艺信息从建模到完成加工装配的数字化、网络化传递和共享，基于MBD的叶片泵建模与工艺信息集成管理技术为企业产品设计、加工装配等环节的数字化、信息化协同奠定了基础。