0 引言
计算机辅助工艺规划(Computer Aided Process Plamung，CAPP)是将产品设计信息转换为各种加工制造、管理信息的关键环节，是企业信息化建设中联系设计和生产的纽带，同时也为企业的管理部门提供相关的数据，是企业信息交换的中间环节。工艺规程作为工艺规划的输出结果，在整个工艺过程中有着不可替代的作用。目前，多数制造企业的工艺规程还是以二维纸质文档的形式下发到车间，这种传统的信息传递方式存在以下缺点：1)信息传递效率较低，限制了管理和生产效率的提升：2)生产一线的信息更新难以及时、准确的反馈和控制；3)纸质文档易于损坏，易受油渍、粉尘等污染，使得数据和图迹模糊不清；4)二维工序图绘制繁琐，表达不直观，有时易产生歧义。随着制造企业信息化的深入，以及三维CAD软件的普及，利用三维模型表达工艺信息已是一种趋势，采用这种无纸化的工艺表达方式具有以下优势：1)管理方式灵活，信息交换和传递方便，检索准确快速；2)表现手段丰富，以三维模型和交互手段实现纸质工艺文件不可能提供的表达方式，更加直观、清晰地表现加工过程，减少工人了解加工过程所需的时间，提高生产效率。因此，研究工艺信息的三维可视化表示技术具有积极的理论意义和迫切的现实需求。
目前，国内对可视化工艺的研究主要集中在可视化装配和仿真方面，针对机加的三维可视化工艺研究较少。为此，本文针对机加工艺三维可视化应用技术，研究了机加工艺的三维可视化表示方法，在此基础上建立了面向工艺过程的工艺信息模型，并对三维可视化工艺生成关键技术进行了研究。
1 机加工艺三维可视化表示方法
可视化技术是以三维表现技术再现三维世界中的物体，利用三维形体来表示复杂的信息。它通过一种仿真的、三维的并且具有实时交互能力的方式来传递信息。三维可视化工艺是在虚拟环境下，借助虚拟现实技术的可视性特征，对工艺信息和零件加工结果进行图形图像处理与显示，以达到工艺信息直观可感知的目的。通过机加工艺的可视化，企业能够：1）实现工艺设计信息的可视化提取、交互和修改，为传统加工工艺提供信息；2）实现机加工艺现场信息的可视化认知、提取和交换，改变传统以纸质文档传递信息的模式；3）车间现场能将工艺更改建议以可视化的形式进行反馈。
虚拟环境可以提供给设计者以及现场人员多方面的感观认识，其中视觉感受可以有颜色、大小、形状等，颜色通常给人以直接的视觉冲击，作为可视化的有效方式应用到诸多领域的科学可视化中。在三维可视化工艺表示中，采用基于颜色和标注模式的可视化表示方法，首先给出可视化工艺表示的相关定义。
1.1 工艺MBD模型
工艺MBD模型是指在三维机加工艺设计环境中，采用MBD技术建立的能表达零件加工要求和加工状态的三维模型。它由设计MBD模型、工序MBD模型和工艺属性三部分组成，因此可以将工艺MBD模型M表示为：
式中：DM为设计部门发放的设计MBD模型，是工艺规划的唯一依据；OPMi表示第i个工序MBD模型，它是零件加工过程中每道工序所对应的中间模型，同时也是工序设计的结果，一个工艺MBD模型包含多个工序MBD模型；Attrmj表示工艺MBD模型的工艺属性信息，工艺属性指零件的工艺规划信息和工艺设计信息，如零件的分工路线信息、工艺规程信息等。工艺属性信息一般不直接标注在三维模型上，而是与三维模型相关联，以属性的形式定义在模型中。
从制造角度考虑，将工序MBD模型以加工特征为基本单元进行组织，用不同的颜色标识不同的加工特征。加工特征不仅能够表示零件的几何信息，对于工艺设计所需要的形位公差、表面粗糙度等非几何信息也能够很好地进行表达。因此，可以将工序MBD模型表示为：
式中：Fi表示该道工序所要加工的第i个加工特征；Notej表示与该工序模型相关的注释信息，如表面处理方法、热处理方法等；Markk表示与该工序模型相关的标记信息，如定位、装夹基准等：AttrIPMI表示工序模型的工艺属性信息，主要指工序模型的加工工序信息，如工序名称、工序内容、机床、工装等信息。这些信息同样以属性的形式定义。
1.2 三维可视化工艺
三维可视化工艺是以工艺MBD模型为基础和载体来表达零件工艺过程和工序加工结果，并具有实时交互能力的工艺展示方式。它能把零件设计信息、制造资源信息、工艺设计信息和管理信息整合后以数字量的形式传递到车间现场，并展示出来。因此，三维可视化工艺可以表示为：
式中：M表示发放的工艺MBD模型，一个零件对应一个工艺MBD模型；Hi为第i次交互操作，浏览一份工艺可能包括多个操作，H表示所有操作的集合。
根据上述对三维可视化工艺的定义，建立工艺MBD模型是关键。在建立工艺MBD模型时采用结构化的工艺设计方法，以结构化的形式来描述工艺方法和步骤，因此，工艺设计结果已不是传统意义上的工艺规程和工序卡。结构化的工艺设计方法采用自顶向下的手段，通过零件生成过程逐层分解来构建工艺过程，将工艺关联到相关对象，将零件三维信息、资源三维信息、工艺三维信息同管理信息整合到一起，得到完整的工艺MBD模型。利用工艺MBD模型，结合虚拟展示技术，将工艺信息以全三维数字量的方式传递到车间现场。现场操作人员通过交互浏览工艺模型，能快速准确的获取所需信息。
2 面向工艺过程的工艺信息建模
在传统二维工艺设计过程中，零件工艺信息模型中的尺寸公差、形位公差、表面粗糙度等非几何信息通常与三维模型相分离，或者没有三维模型，导致零件信息关联性差。在三维机加工艺设计环境下，通过建立工艺MBD模型，将尺寸公差、形位公差、表面粗糙度和工艺设计信息等信息与三维模型紧密关联。根据工艺设计和加工过程对信息的不同需求，对零件加工过程中所涉及的信息进行分析和分类，建立面向工艺过程的工艺信息模型，如图1所示。该模型信息量大，涉及的信息类型和关系复杂，为了更好的满足工艺规程所需信息的需求，按照信息类型将信息模型分为模型层、工艺层和资源层三层结构。
图1 工艺信息模型
模型层包含有与工艺设计和加工相关的几何信息、特征信息和工艺信息。在模型层中以工序模型为载体，将相关三维标注信息和工艺信息都定义在工序模型中，与工序模型绑定，共同构成工序MBD模型。标注信息主要定义本道工序的工序尺寸、表面粗糙度、形位公差、装夹定位基准和加工要求等信息，它们与对应的模型和加工特征绑定，并根据加工特征的不同形状分类用不同的颜色区分表达。工艺信息包括工序和工步，一个工序MBD模型对应一道工序，多道工步，同时包括多个加工特征，其中加工特征是指零件上具有语义的几何实体，它描述工序模型上需要加工的区域，表达一个加工过程的结果。工步以视图的形式定义在工序MBD模型下，工序和工步信息以属性的形式定义在对应的对象中。
工艺层定义工艺设计过程相关的信息，总体上可分为工艺规划信息、工艺设计信息和工艺过程信息。工艺规划信息主要指零部件的工艺分工路线，根据车间资源使用情况合理分配车间任务；工艺设计信息描述零部件的加工方法和过程信息；工艺过程信息描述工艺状态、工艺版本及工艺更改等信息。工艺层主要是一些结构化的数据信息，主要定义在对应几何的属性信息中。
资源层主要包括工艺层中所需要的制造资源库和工艺资源，包括机加工艺设备、刀具、夹具、量具和切削参数等。
3 三维可视化工艺生成技术
三维可视化工艺以结构化的描述方式、利用三维手段和便携式电子文档来表达工艺过程信息。将工艺信息以属性和注释的形式与三维模型绑定，利用工序模型与工艺符号来表达工序结果和制造要求。以属性定义的工艺信息由于其不可见性，需要单独提取并按一定层次结构组织和显示，并建立三维工序模型视图与工艺信息之间的映射关系。
3.1 三维可视化工艺规程生成框架
三维可视化工艺生成过程总体上可分成工艺MBD模型建立、工艺数据处理（包括数据提取、数据输出和数据解析）和工艺元素映射等几个阶段，如图2所示。
图2 基于工艺MBD模型的三维可视化工艺生成框架
工艺MBD模型建立过程实质是按一定的标准将几何模型同工艺符号和文本信息绑定的过程，几何模型表达产品加工各阶段的几何形态，文本信息描述各阶段工艺基本信息，工艺符号表达零件加工工艺要求，工艺符号包括公差、表面粗糙度、注释等标注信息。在构建工艺MBD模型时，以成熟三维CAD系统作为三维机加工艺设计环境，以工艺信息模型为规则，建立三维模型同文本信息、工艺符号之间的关联关系。在工艺数据输出时，通过数据提取工具从三维模型中抽取工艺过程描述信息，数据处理工具将抽取出的工艺描述信息进行分割与标记处理，并打包成工艺数据包，此时，工艺数据的内容包括两部分并存储在不同的文件中，一部分是以属性定义在模型中的数据，另一部分是三维数据。工艺文件生成时通过调用电子文档模板建立工艺文件框架，解析工艺文件数据包，将工艺数据和三维模型填充到工艺模板，由于两部分数据以独立的文件装载，要完成交互操作，则需要对这两部分数据进行关联和映射。
3.2 工艺信息提取与组织
由于大部分工艺相关信息是以三维标注的形式直接定义在三维模型中，比如尺寸、表面粗糙度、加工要求等。工艺信息提取只针对以属性形式定义的工艺信息。机加工艺设计时以工艺树的形式将工艺MBD模型、工序MBD模型和工步视图组织起来，所以对应对象的属性信息也形成了一颗树。在数据提取时，采用非递归深度优先遍历算法获取结构对象唯一标识，通过标识从结构模型中抽取工艺信息。具体过程如下：
1)获取工艺树根节点对象即工艺主模型，通过标识和属性名称提取属性值，获得公共信息Attrmj；
2)采用深度优先遍历中的先序遍历方法，遍历根节点的子节点，获取第1道工序模型标识，通过标识和属性名提取工序基本信息和工装基本信息等属性信息AttrIPMI；
3)通过上步获取的第1道工序模型标识继续遍历第1道工序模型所对应的所有工步视图，获取工步基本信息；
4)重复第2)步和第3)步，依次遍历第2道工序到第n道工序。数据提取基本过程如图3所示。
图3 工艺信息提取过程
组织提取出的工艺信息时，依据工艺信息模型将抽取的工艺信息利用XML标记建立不同工艺信息的描述和存储结构，以及三维工艺元素之间的映射关系。在编制XML文件时，利用XML Schema定义工艺信息模型，由于工艺信息模型实质上是由工序、工步等工艺对象类及其属性相互关联而成，所以利用XML Schema描述工艺信息模型时要遵循以下规则：
规则1：工艺对象类映射为元素(element)，元素名称(name)为工艺对象类的类名，元素类型(type)为由该对象建立的复合类型。
规则2：对象之间的关联关系映射为元素与元素或元素与子元素的关系。
规则3：属性值类型不是对象或对象集合的对象类属性，则将其映射为元素的属性(attribute)，属性名映射为元素属性名(name)，属性值类型映射为相应值类型(type)，如整型映射为integer，字符串和文本映射为string。
规则4：属性值类型是对象或对象集合的对象类属性，将其映射为元素的子元素。
规则5：建立映射时，由根节点对象展开，将其映射为元素，其余的类分别映射为相应的子元素或属性。
4 实例分析
根据上述方法，本文开发了三维机加工艺设计原型系统，系统基于VC6.0以NX7.5为平台进行二次开发，在三维工艺生成模块以Adobe Acrobat为平台进行三维工艺展示。以排气导管前安装边零件为例，工艺人员在三维机加工艺设计环境下完成对零件的工艺设计和工艺MBD模型定义。生成三维工艺时系统自动将零件、工序模型、工步等的属性信息导出成XML文件，并在XML文件中标记相应模型的位置，同时导出PRT格式的三维模型。系统在后台打开3D PDF并装载模板、解析XML文件完成属性信息填充以及三维模型导入，由于Adobe Acrobat平台本身提供了处理三维模型的方法，最终生成的PDF文件中的三维模型将同时带有PMI标注，结果如图4所示。
图4 应用实例
通过采用三维可视化工艺表示方法，将工艺属性、工序属性及工步属性显示在表格中，其他工艺信息以PMI以及颜色区分的形式定义在模型中。车间人员能够直观的了解加工过程和工艺信息，并能交互操作三维模型。此方法不仅适用于机加工艺的表示，同样适用于装配工艺的表示。
5 结束语
针对传统的二维工艺卡片设计方法存在二维工序图绘制繁琐，表达不够直观且易产生歧义等问题，提出用三维可视化工艺代替传统二维工艺文件的方法。以三维工艺MBD模型替代传统二维工艺简图，使三维工序模型成为工艺信息的载体，以交互的方式完成工艺的浏览。本文在给出工艺MBD模型表示方法的基础上构建了面向工艺过程的工艺信息模型，并针对三维可视化工艺生成技术做了深入研究，最终达到提升机加工艺设计表达的直观性和准确性的目的。
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本文标题：机加工艺三维可视化表示与生成技术研究
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