0引言

当前，BIM技术已在设计建筑幕墙的设计阶段得到充分应用^[1-4]，但如何将BIM技术与幕墙型材智能加工制造技术深度融合，实现基于BIM的数字化智能加工，还没有实际的应用。数字化智能加工技术旨在利用BIM模型中的精确信息^[5]，驱动自动化生产设备进行智能识别、智能排产和精准加工，从而提高生产效率，减少材料浪费，保障工程质量，降低工程成本^[6]。

目前，幕墙加工流程还是采用传统流程（图1），首先需要BIM工程师根据幕墙设计师出具的图纸建立具有型材加工信息的BIM模型，之后再由幕墙设计师根据BIM模型绘制具体的型材加工图^[8-10]。

这种形式由于设计师手工绘制，会出现细节多、易出错、易遗漏的情况。在型材开始加工前，加工厂需要安排设计核查图纸是否完善、能否加工，并根据型材使用需求量，使用不同机床进行手动加工或者数控加工。在工人根据纸质图纸手动加工过程中，人为干扰多、易出错，且加工质量参差不齐^[11]；工人根据纸质图纸编制CNC数控程序时，则需要理解图纸画法并手动将图纸绘制到生产数控编程软件中，过程中非常容易出错，且效率低^[12]。

为了更好地将幕墙BIM模型与数字化智能加工进行融合，使幕墙型材的加工流程简化（图2），同时提高型材利用率，提升加工质量以及加工效率，通过本项研究开发出一款可以直接将BIM模型中所体现的型材加工特征进行标记并识别，自动转化为数控加工（CNC）文件的数字化智能加工技术，从而简化加工流程，减少因人为因素导致的材料浪费。同时开发数据到设备的管理系统（MES系统），使加工流程全过程透明，加工进度线上监测，使管理人员对全过程进行管理。对夹具进行自动化分类，减少人为失误和频繁移动夹具，同时避免撞刀导致机床损坏。

图1 传统幕墙加工流程示意

图2 优化后的幕墙加工流程示意

1 BIM模型加工特征标记识别并自动转化为数控程序

要想实现对BIM模型进行识别，首先要对建模精度进行要求，BIM模型需达到LOD400的精度。对于幕墙型材来说，需要充分利用BIM的优势，将所有要处理的孔位都在模型中体现出来，必要时可以采取碰撞检测等方法来确认模型是否符合要求。将所有的数据以模型的方式体现，这样才能为下一步模型转化提供基础，否则难以保证转化的正确性。

由加工模型直接进行数控编程，首先要实现加工特征的自动识别和分类，方便后续的加工策略匹配和参数设置。常见的幕墙型材加工特征有圆过孔，槽（长圆孔、方形孔、豁口等），机丝孔等，其中圆孔是最特殊的一种特征，可以采用钻孔策略进行加工，其余的特征需要根据特征的具体属性选择相应的加工策略。

实现全自动转码首要解决的就是特征识别问题。为解决加工特征全自动识别的难题，经过研究，确定采用不同颜色标识加工特征的方式，辅助软件自动识别；方案1是给去除特征涂颜色的方式（图3），利用图像识别技术来区分和定位这些特征。然而，在实际应用和测试阶段发现一些问题：首先，颜色信息可能会影响计算效率和识别准确度；其次，对于某些微小、复杂的加工特征，仅凭表面的颜色标记可能无法提供足够的信息量以满足精准识别的需求。因此，在方案2中进行了改进，选择在加工特征的侧壁部分进行颜色标识（图4）。

图3 去除特征涂色

图4 加工特征侧壁涂色

这一改动的优势在于：一方面，侧壁的颜色标记相较于平坦表面更具有立体感和空间指示性，有助于图像识别系统从多角度捕捉和解析特征；另一方面，侧壁颜色不易受到环境光源干扰，从而提高了特征识别的稳定性，进一步提升了计算效率和识别准确率。通过这种方法，有效地解决了方案1中存在的问题，为全自动转码过程中的特征识别提供了更为可靠和高效的解决方案。

为了实现建模过程中快速标记加工特征颜色，基于Rhino&Grasshopper开发了相应的插件，包括“Set Brep Face Color”“Set Brep Color Simple”“Colour RGB＿Quick”等（图5）。

图5 Rhino&Grasshopper插件

在进行其他加工特征的处理时，通常会采用等高精加工策略。通过软件自动识别出待加工的特征，如孔、槽或是特定的表面区域等。一旦这些加工特征被准确识别后，系统会进一步提取出一系列的关键参数，包括轮廓线的形状和尺寸、加工所需的深度以及相对于工件基准面的加工角度等。这些信息对于确保加工过程的精度和效率至关重要。例如，轮廓线定义了加工的边界，加工深度决定了材料去除量的多少，而加工角度则影响着切削工具的方向和路径规划。通过这种方式，可以实现对复杂构件的高度自动化和精确制造（图6）。

图6 其他加工特征识别

将模型特征进行准确识别后，为了实现由BIM模型自动转换为数控程序这一关键步骤，经过对近10款数控编程软件的考察和试用，最后筛选出2款软件，Power Mill(Autodesk公司开发的数控编程软件）和Master CAM，这2个软件是目前机械行业应用比较广的数控编程软件，都能满足工厂的要求，且支持二次开发，具备开发全自动转码软件的基础。但经过多方面对比，最终选定开发周期相对较短、二次开发较为成熟的Power Mill实现模型自动转换为数控程序，最终形成成熟的自动转换软件，软件包含了以下几个功能：

1）导入模型。软件支持多种格式三维模型导入，例如STEP、STL、IGES等，并能够自动检测和修复模型中的几何问题，使模型能够进行后续的编程。同时具备进行模型预览、尺寸检查以及模型位置和方向调整等功能，方便使用者能查看数控加工所需的数据模型。

2）设置机床。能够配置机床的基本参数，如机床类型、工作台尺寸、主轴转速范围、进给速度限制等。还可以设置刀具信息，比如刀具类型、直径、长度等。提供设置坐标系、安全高度和平面选择等功能，以确保生成的数控程序与实际机床的操作要求相匹配。

3）特征识别。能够对之前进行特征标记后的模型进行识别，对不同特征之间能够分类。

4）选择策略。自动分析模型的几何特征，根据特征类型智能推荐合适的加工方法。同时考虑材料属性、加工精度要求以及刀具特性等因素，以确定最佳的加工顺序、走刀路径和切削参数。

5）计算刀路。根据已设定的加工策略和参数，自动规划出刀具的运动轨迹。确定刀具的起点、终点、进给速度、切削深度以及刀具路径的优化，以确保加工效率和表面质量。同时考虑刀具的磨损和更换时机，以及避免碰撞和过切等问题，从而生成一条既安全又高效的刀具路径。

6）模拟仿真。在虚拟环境中精确再现刀具的运动轨迹，展示刀具如何沿着预定路径移动并对工件进行加工的过程。包括实时显示刀具路径、加工过程中的材料去除情况、工件形态的变化以及可能出现的碰撞风险。同时可以从不同角度观察模拟结果，并对刀路进行调整以优化加工效果。

7）生成程序。通过上述步骤确认刀路无误后，输出符合标准格式（如G代码）的指令文件，以确保高效的零件制造和材料利用率。

通过软件的自动转化，因人为导致的失误大大降低，每个构件的计算时间在3 min左右，效率比人工编程提升10倍左右，避免了路径规划错误导致的机床损坏，同时又能够保证良好的加工质量（图7～图10）。

图7 自动编程界面

图8 云计算界面

图9 自动后处理生成NC程序

图1 0 刀路模拟仿真

2 MES系统

为达到幕墙设计模型与智能工厂的数字化链接，开发MES系统，通过不同端口实现加工料单、文件、数据的传输，实现数据驱动智能设备的无纸化自动化高效生产，实现各个生产环节中数据透明。通过对加工特征的实时识别和跟踪，可以快速响应设计变更、材料性能变化等情况，动态调整加工方案，保证产品质量和工期控制。使管理人员对各项生产经营活动进行事先计划、事中控制和事后反馈。

数据到设备的管理系统（MES系统），主要通过八二制造系统服务器，连接各个部门，由各部门将相关的型材加工数据上传到服务器，再由服务器通过交换机，随后服务器利用网络交换机将这些数据精准地分发到加工车间内的各个机床操作终端及上机位（图11）。

图1 1 MES系统网络部署

MES系统不同应用端包含了用户管理、设计文件管理、装配和加工管理以及生产端操作等功能见表1。

表1 MES系统功能清单

1）用户管理：支持用户认证、权限分配、角色管理等功能，以确保只有经授权的用户才能访问相应的系统模块，且所有的操作都被记录下来用于审核和追踪。

2）设计文件管理：提供了对设计文件的创建、修改、查看、导出以及安全访问控制等功能，以确保所有相关的设计文件能够被有效地组织、管理和更新，同时保证只有授权人员可以访问或修改这些文件。

3）装配和加工管理：包含了装配明细管理和加工单管理，用于跟踪和管理生产过程中的装配和加工任务，旨在确保装配和加工过程高效、准确地进行，并能实时监控生产状态以及时响应变化。

4）生产端操作：提供了登录、下料、打孔等实际生产操作的功能，并支持相关参数的设置和调整。

这些功能共同构成完整的生产管理系统，旨在提高生产效率，优化生产流程，确保生产任务的顺利执行。

3结语

1）提出了一种BIM模型标记识别方法，通过侧壁的颜色标记，使图像识别系统从多角度捕捉和解析特征，进一步提升了计算效率和识别准确率。

2）开发了BIM模型可以直接转化为数控加工文件的程序，减少了人工出具加工图以及编程带来的材料浪费和加工设备损坏的风险。

3）开发了数据到设备的管理系统（MES系统），该系统支持用户管理、设计文件管理、装配和加工管理以及生产端操作等功能，实现了数据到设备的无缝连接，提高了生产效率并确保了生产任务的顺利执行。