一种基于MBD的焊接工艺规划方法及装置
技术领域
本发明涉及焊接工艺规划领域，尤其涉及一种基于MBD的焊接工艺规划方法及装置。
背景技术
当前推进信息化与工业化深度整合的进程中，智能制造是主攻方向，数字化技术以其独特的可视化、高效率、直观性成为智能制造发展的核心技术。随着国内外大型制造企业数字化技术的迅猛发展，三维数字化技术得到广泛应用。
然而，传统的焊接工艺设计方法，依托于设计部门发放的二维工程图，在计算机辅助工艺规划(Computer Aided Process Planning,CAPP)系统中绘制工序模型的二维工程简图，并在二维的工艺卡片中手工录入工艺规程、工序、工步等工艺信息，最后打印输出纸质工艺文件。经过流程签审等工作，再以纸质工艺卡片形式下发至生产单位，加上生产现场配套的操作说明、安全规程等纸质文件，最终指导生产人员加工制造的工艺体系，由于缺乏形象化、三维空间化的工艺设计功能，产品的设计与工艺数据不能有效共享，工艺编制和车间现场不能很好沟通，而且设计更改、工艺更改信息不能得到合理贯彻，导致工艺设计周期长、资源浪费较为严重。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供了一种基于MBD的焊接工艺规划方法及装置，以解决现有焊接工艺设计周期长、资源浪费较为严重的问题。
在本发明实施例的第一方面，提供了一种基于MBD的焊接工艺规划方法，包括：
创建MBD焊接模型，并编制MBD焊接模型的相关标准，根据所述相关标准，确定焊接工艺规划的全部信息，在CAD的焊接模型中对焊接工艺规划的全部信息进行定义、标注；
建立焊接工艺知识库，提取MBD焊接模型的相关信息，基于所述相关信息通过知识库进行推理，得到初始焊接工艺参数；
对MBD焊接模型进行焊接仿真模拟，根据仿真模拟结果对所述初始焊接工艺参数进行修正，得到最优焊接工艺参数；
通过热机耦合有限元分析和粒子群算法对焊接工艺顺序进行数值仿真，得到最优焊接顺序；
根据最优焊接工艺参数和最优焊接工艺顺序，构造MBD工艺模型。
在本发明实施例的第二方面，提供了一种用于基于MBD的焊接工艺规划的装置，包括：
MBD焊接模型创建模块，用于创建MBD焊接模型，并编制MBD焊接模型的相关标准，根据所述相关标准，确定焊接工艺规划的全部信息，在CAD的焊接模型中对焊接工艺规划的全部信息进行定义、标注；
焊接工艺参数推理模块，用于建立焊接工艺知识库，提取MBD焊接模型的相关信息，基于所述相关信息通过知识库进行推理，得到初始焊接工艺参数；
仿真修正模块，用于对MBD焊接模型进行焊接仿真模拟，根据仿真模拟结果对所述初始焊接工艺参数进行修正，得到最优焊接工艺参数；
焊接工艺顺序仿真模块，用于通过热机耦合有限元分析和粒子群算法对焊接工艺顺序进行数值仿真，得到最优焊接顺序；
MBD工艺模型构造模块，用于根据最优焊接工艺参数和最优焊接工艺顺序，构造MBD工艺模型。
在本发明实施例的第三方面，提供了一种电子设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如本发明实施例第一方面所述方法的步骤。
在本发明实施例的第四方面，提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现本发明实施例第一方面提供的所述方法的步骤。
本发明实施例中，基于CAD和CAE软件，创建MBD焊接模型，编制模型相关标准，对工艺设计的全部信息进行定义标注后，通过焊接工艺知识库对工艺参数进行推理，并基于焊接仿真模拟进行工艺参数修正，通过热机耦合有限元分析和粒子群算法进行焊接顺序的数值仿真，根据最优焊接工艺参数和最优焊接顺序构造MBD工艺模型，以实现焊接工艺规划。从而解决了现有焊接工艺设计周期长、资源浪费较为严重的问题，可以缩短工艺设计周期，提高工作效率，减少资源浪费，保障实施过程人力及材料的合理配置，并保证产品质量。
同时，改变了传统的以工程图纸为主、三维实体模型为辅的设计制造方法，使三维综合化模型成为设计制造过程中的唯一依据，克服了工程图纸复用性低，可读性差的问题。实现基于MBD模型的焊接工艺自动规划，减少了对设计人员经验的依赖，改变了传统的工作方式，为企业节约了设计时间，缩短了产品建造周期，在提升生产效益和市场竞争力方面具有重要意义。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单介绍，显而易见地，下面描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获取其他附图。
图1为本发明的一个实施例提供的基于MBD的焊接工艺规划方法的流程示意图；
图2为本发明的一个实施例提供的基于MBD的焊接工艺规划方法的另一流程示意图；
图3为本发明的一个实施例提供的用于基于MBD的焊接工艺规划的装置的结构示意图。
具体实施方式
为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
本发明的说明书或权利要求书及上述附图中的术语“包括”以及其他相近意思表述，意指覆盖不排他的包含，如包含一系列步骤或单元的过程、方法或系统、设备没有限定于已列出的步骤或单元。
请参阅图1，图1为本发明实施例提供的一种基于MBD的焊接工艺规划方法的流程示意图，包括：
S101、创建MBD焊接模型，并编制MBD焊接模型的相关标准，根据所述相关标准，确定焊接工艺规划的全部信息，在CAD的焊接模型中对焊接工艺规划的全部信息进行定义、标注；
基于MBD焊接模型创建的需要，进行MBD相关标准的编制。所述MBD(Model BasedDefinition，基于模型的定义)焊接模型的相关标准至少包括MBD三维模型的定义与创建标准、MBD三维标注标准和MBD焊接模型的焊接工艺信息表达的标准。
MBD焊接模型的定义与创建标准中，包括MBD焊接模型的基本定义以及数据集完备性要求、生成三维工程图的技术要求。
MBD焊接模型标注标准中，包括MBD模型数据集在三维环境中的表达，具体包括：MBD模型视图角度的选择，标注面的建立规范，尺寸、基准及公差、表面粗糙度、注释及特征控制框、焊缝的注法剖视图绘制规范，MBD焊接模型中零部件序号编排方法，零部件明细表绘制规范。
MBD模型中焊接工艺信息的表达标准中，包括焊接工艺参数和焊接顺序的表达方法。
根据所编制的MBD标准集合，确定焊接工艺规划所需要的全部信息，包括零件模型、尺寸标注、技术要求、焊缝信息及属性注释等，并在CAD软件的三维标注模块中对工艺设计的全部信息进行定义与标注，完成MBD焊接模型的创建。
S102、建立焊接工艺知识库，提取MBD焊接模型的相关信息，基于所述相关信息通过知识库进行推理，得到初始焊接工艺参数；
所述MBD焊接模型的相关信息包括模型的几何信息和非几何信息。
所述焊接工艺知识库中包括事实类知识和规则类知识，事实类知识包括资料库和实例库，资料库中包括母材材料库、焊材库、焊剂库、焊接接头、焊接设备库，实例库中存储焊接工艺规划的实例；规则类知识包括焊接方法相关规则、焊接设备选取相关规则、坡口形式相关规则、焊材与焊剂相关规则、焊接参数相关规则、焊前及焊后处理相关规则。
其中，规则类知识的存储采用条件判断的形式，如：当满足条件1，条件2，……条件n，则输出结论1，结论2，……结论n。
可选的，采用案例推理与规则推理相结合的焊接工艺混合推理机制进行参数推理。具体的，根据MBD焊接模型的相关信息进行案例推理，其中，案例推理初始信息至少包括母材材料、母材厚度、焊接位置、接头类型；从案例库中检索匹配与初始信息内容一致的案例，当存在与初始信息内容一致的案例时，将案例库中与初始信息内容一致的案例作为焊接工艺方案；当案例库中不存在与初始信息内容一致的案例时，则采用规则推理方法对初始焊接工艺参数进行逐级推理。
其中，采用规则推理方法对初始焊接工艺参数进行逐级推理包括：
基于焊接方法相关规则，根据母材厚度和焊接位置推理出焊接方法；
基于焊接设备选取相关规则，根据焊接方法推理出焊接设备；
基于坡口形式相关规则，根据母材厚度、接头形式推断出坡口形式；
基于焊材、焊剂相关规则，根据母材料、母材厚度和焊接方法推理出焊材和焊剂；
基于焊接参数相关规则，根据焊接方法、坡口形式、焊接位置推理出焊接参数；
基于焊前、焊后处理相关规则，根据焊接方法、坡口形式、焊接位置推理出焊前、焊后处理的方式和参数。
S103、对MBD焊接模型进行焊接仿真模拟，根据仿真模拟结果对所述初始焊接工艺参数进行修正，得到最优焊接工艺参数；
具体的，基于MBD焊接模型的相关信息及初始焊接工艺参数可以得到应力、应变、温度信息。根据焊接参数对温度场和应力、应变的影响规律，推理得到焊接工艺参数，基于推理得到的焊接工艺参数对初始焊接工艺参数进行修正，从而得到最优焊接工艺参数。
S104、通过热机耦合有限元分析和粒子群算法对焊接工艺顺序进行数值仿真，得到最优焊接顺序；
具体的，将焊接工艺顺序编码为粒子，产生焊接工艺顺序粒子，焊接工艺顺序粒子的长度为焊缝的数量，粒子中每个元素表示焊缝的编号，其中，焊缝编号在创建MBD焊接模型过程中被定义标注，可以通过提取MBD焊接模型的相关信息得到，粒子在其变化范围内随机生成；根据最优焊接工艺参数和每个粒子表示的焊接顺序进行有限元仿真分析，提取位移变形最大值，将位移变形最大值作为粒子的适应度；对粒子群进行迭代更新，每次迭代获取粒子本身的历史最优解和整个种群当前找到的最优解，当达到最大迭代次数，将最后一次的迭代计算结果解码得到的焊接顺序作为最优焊接工艺顺序。
在一个实施例中，焊接顺序的数值仿真过程如图2所示，包括：
建立粒子群算法模型：设S为n维欧氏空间中的非空集合，n等于焊缝的数量。将焊接顺序编码为粒子，产生焊接顺序粒子，粒子中的每个元素表示焊缝的编号。粒子群中第i个粒子在S中的位置记为Xi＝(xi1,xi2,...xin)T，粒子i的速度记为Vi＝(vi1,vi2,...vin)T，其他向量类似。粒子各维位置的范围根据焊缝的数量确定，在区间[1,n]内，n为焊缝的数量，粒子各维的最大速度一般为粒子范围的宽度，设定为n-1。
初始化一群随机粒子，通过迭代找到最优解，在每次迭代中，粒子通过跟踪两个极值进行更新：一个是粒子本身找到的最优解Xpbest，另一个是整个群体目前找到的最优解Xgbest。通过如下公式更新粒子的速度和位置：
式中，ω是惯性权重，定为0.8，
由于粒子每个元素代表焊缝的编号，因此需要将每次粒子迭代后的位置进行随机向上和向下取整，超出范围时按边界取值。在迭代过程中如果速度或者位置超出边界，该维的速度和位置限制为该维最大速度或边界位置。又因为粒子位置的排序代表焊缝的焊接顺序，所以不允许有重复的数码，即任意一个焊缝只能出现一次，对于重复出现的数码除了最开始出现的按照从左向右出现的顺序进行随机替换。
参数初始化：设置种群大小；设置粒子的边界和最大速度；设置最大进化代数并将当前代数设为0；初始化每个粒子的位置和速度。
建立有限元初始模型：建立焊接装配体的有限元模型；
有限元仿真分析：根据最优焊接工艺参数和每个粒子表示的焊接顺序进行有限元仿真分析，提取出位移的最大值。对每种焊接顺序都要进行仿真分析，需要对每个粒子所表示的焊接顺序进行判断，如果当前的焊接顺序已经被分析过，则位移最大值和之前分析的结果相同，反之进行仿真分析。
粒子适应度评估：通过计算适应度值来评价粒子，适应度值为有限元仿真得到的位移最大值，适应度越小表示该焊接顺序越好，计算出当代粒子的最优解Xgbest。
产生新的粒子：更新每个粒子的速度；更新每个粒子的位置；更新每个粒子的最优解Xpbest和整个群体找到的最优解Xgbest。
迭代计算：当达到最大迭代次数时，停止计算，最后一次迭代计算得出的群体历史最优解经过解码得出的焊接顺序为最优的焊接顺序。
S105、根据最优焊接工艺参数和最优焊接工艺顺序，构造MBD工艺模型。
将焊接MBD模型和工艺信息按照制定的标准在数据集中表达，即可形成整个焊接过程的MBD工艺模型。
在以上实施例中，以三维CAD软件为载体，以MBD焊接模型为唯一数据输入，以三维工艺MBD模型为数据输出；依次进行MBD相关标准的建立、MBD焊接模型的创建、焊接工艺知识库的创建、信息的提取、焊接工艺参数的初步推理、仿真计算、焊接工艺参数的确定、焊接顺序的自动规划、工艺信息的存储；生成集合装配模型与工艺参数的工艺MBD模型，实现焊接工艺设计流程的可视化和自动化。
将MBD焊接模型作为焊接工艺规划过程中的唯一依据，使得整个产品生命周期内的数据唯一性得到保证，保证数据传递过程的准确性。用仿真得到的应力、应变、温度等信息对焊接工艺参数进行修正，结合仿真信息对工艺路线进行推理，大大提高了工艺规划结果的合理性。实现基于MBD模型的焊接工艺自动规划，减少了对设计人员经验的依赖，改变了传统的工作方式，为企业节约了设计时间，缩短了产品建造周期，企业提升生产效益和市场竞争力具有重要意义。
示例性的，本申请的应用实例可以以NX和ANSYS为载体，以C++和NXopen语言开发的智能焊接工艺规划系统中实现。
以某汽车前副车架为例，在基于Visual Studio 2017、NX11.0和ANSYS17.0平台，利用C++和NXopen开发语言开发的智能焊接工艺规划系统，阐述其工艺规划的过程。
根据S101所编制的MBD焊接模型的标准集合，确定焊接件工艺规划所需要的全部信息，包括尺寸、尺寸公差、形位公差与基准、表面粗糙度、技术要求、工艺信息、焊缝信息及属性注释。接着将焊接三维模型导入到NX软件，并在NX软件的三维标注模块(ProductManufacturing Information，PMI模块)中对工艺规划的全部信息进行定义与标注，完成MBD焊接模型的创建。
启动智能焊接工艺规划系统，对模型的集合信息和非几何信息进行提取，并将这些信息以XML格式保存备用。
根据提取的信息通过焊接知识库进行工艺推理，初步得到焊接设备、焊材、焊剂、焊接方法、坡口形式、预热处理、焊后热处理等焊接工艺参数。焊接知识库可以通过系统来对其中的内容进行增、删、查、改操作。
对焊接模型进行焊接仿真，系统会根据初步得到的工艺参数自动进行仿真计算，得到应力、应变、温度信息，这些结果会对初步得到的工艺参数进行修正，得到最优的方案，方案也会存储在案例库中。
将热-机耦合有限元分析与粒子群算法相结合，系统会利用算法求出最佳的焊接顺序方案。
焊接工艺信息会根据制定的MBD标准自动标注在模型中，形成焊接MBD工艺模型。工艺MBD模型以JT文件格式保存为三维工艺文件。
应理解，上述实施例中各步骤的序号大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。
图3为本发明实施例提供的一种基于MBD的焊接工艺规划的装置的结构示意图，该装置包括：
MBD焊接模型创建模块310，用于创建MBD焊接模型，并编制MBD焊接模型的相关标准，根据所述相关标准，确定焊接工艺规划的全部信息，在CAD的焊接模型中对焊接工艺规划的全部信息进行定义、标注；
其中，所述MBD焊接模型的相关标准至少包括MBD三维模型的定义与创建标准、MBD三维标注标准和MBD焊接模型的焊接工艺信息表达的标准。
焊接工艺参数推理模块320，用于建立焊接工艺知识库，提取MBD焊接模型的相关信息，基于所述相关信息通过知识库进行推理，得到初始焊接工艺参数；
其中，所述焊接工艺知识库中包括事实类知识和规则类知识，事实类知识包括资料库和实例库，资料库中包括母材材料库、焊材库、焊剂库、焊接接头、焊接设备库，实例库中存储焊接工艺规划的实例；规则类知识包括焊接方法相关规则、焊接设备选取相关规则、坡口形式相关规则、焊材与焊剂相关规则、焊接参数相关规则、焊前及焊后处理相关规则。
基于所述相关信息进行案例推理，其中，案例推理初始信息至少包括母材材料、母材厚度、焊接位置、接头类型；
从案例库中检索匹配与初始信息内容一致的案例，当存在与初始信息内容一致的案例时，将与初始信息内容一致的案例作为焊接工艺方案；
当案例中不存在与初始信息内容一致的案例时，则采用规则推理方法逐级对初始焊接工艺参数进行推理。
进一步的，所述当案例中不存在初始信息一致的案例时，则采用规则推理方法还包括：
基于焊接方法相关规则，根据母材厚度和焊接位置推理出焊接方法；
基于焊接设备选取相关规则，根据焊接方法推理出焊接设备；
基于坡口形式相关规则，根据母材厚度、接头形式推断出坡口形式；
基于焊材、焊剂相关规则，根据母材料、母材厚度和焊接方法推理出焊材和焊剂；
基于焊接参数相关规则，根据焊接方法、坡口形式、焊接位置推理出焊接参数；
基于焊前、焊后处理相关规则，根据焊接方法、坡口形式、焊接位置推理出焊前、焊后处理的方式和参数。
仿真修正模块330，用于对MBD焊接模型进行焊接仿真模拟，根据仿真模拟结果对所述初始焊接工艺参数进行修正，得到最优焊接工艺参数；
具体的，基于所述相关信息和初始焊接工艺参数，获取焊接仿真模拟的应力、应变和温度信息；根据焊接参数对温度场、应力、应变的影响规律，推理得到焊接工艺参数，基于推理得到的焊接工艺参数对初始焊接工艺参数进行修正。
焊接工艺顺序仿真模块340，用于通过热机耦合有限元分析和粒子群算法对焊接工艺顺序进行数值仿真，得到最优焊接顺序；
具体的，将焊接工艺顺序编码为粒子，产生焊接工艺顺序粒子，焊接工艺顺序粒子的长度为焊缝的数量，粒子中每个元素表示焊缝的编号；根据最优焊接工艺参数和每个粒子表示的焊接顺序进行有限元仿真分析，提取位移变形最大值，将位移变形最大值作为粒子的适应度；对粒子群进行迭代更新，每次迭代获取粒子本身的历史最优解和整个种群当前的最优解，当达到最大迭代次数，将最后一次的迭代计算结果解码作为最优焊接工艺顺序。
MBD工艺模型构造模块350，用于根据最优焊接工艺参数和最优焊接工艺顺序，构造MBD工艺模型。
可以理解的是，在一个实施例中，所述电子设备包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现步骤S101至S105以实现焊接工艺的自动规划。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，包括步骤S101至S105，所述的存储介质包括如：ROM/RAM、磁碟、光盘等。
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
