三維工序模型的演進(jìn)式構(gòu)建方法*

北京航空航天大學(xué)工業(yè)與制造系統(tǒng)工程系 陳 飛 喬立紅

在數(shù)字化工藝設(shè)計(jì)中，三維模型作為工藝設(shè)計(jì)的核心，承載著大量的工藝信息。隨著三維CAD技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，基于模型的定義（Model Based Definition，MBD）技術(shù)被引入航空企業(yè)的機(jī)械設(shè)計(jì)與制造環(huán)節(jié)[1-2]，三維工序模型在企業(yè)信息化進(jìn)程中得到廣泛應(yīng)用。但是，當(dāng)前三維工序模型的創(chuàng)建在企業(yè)實(shí)際中多停留于手工階段。

針對(duì)三維工序模型的構(gòu)建，王宗彥等[3]提出了由零件設(shè)計(jì)模型向毛坯模型轉(zhuǎn)換的方法，該方法著重于幾何方面的變換，構(gòu)建過(guò)程依賴(lài)于零件設(shè)計(jì)模型的創(chuàng)建方式。石云飛等[4]探索了根據(jù)工序語(yǔ)義構(gòu)建三維模型的方法，著重于二維工序圖的構(gòu)建，其不足主要在于需要實(shí)現(xiàn)工序設(shè)計(jì)語(yǔ)句的標(biāo)準(zhǔn)化，在工藝設(shè)計(jì)中未充分利用三維模型。王飛飛等[5]設(shè)想以參數(shù)化為基礎(chǔ)進(jìn)行工序模型構(gòu)建，偏向于毛坯模型與設(shè)計(jì)模型拓?fù)潢P(guān)系變化極小的情況。在此基礎(chǔ)上，萬(wàn)能、陳剛等[6-9]提出了將工藝信息與建模信息進(jìn)行映射，從而生成工序模型的方法，但信息映射僅局限與工藝與建模之間，工序模型作為工藝載體仍游離于工藝設(shè)計(jì)體系之外，無(wú)法有效地進(jìn)行工藝表達(dá)，在工序模型生成過(guò)程中需要大量人工交互。

本文在制造特征信息模型[10]的基礎(chǔ)上，研究了特征信息在工序模型中的映射機(jī)制，利用制造特征信息實(shí)現(xiàn)三維工序模型的生成。最后通過(guò)實(shí)例驗(yàn)證了特征信息映射方案輔助工序模型生成的可行性。

1 工序信息模型的構(gòu)建

工序信息作為工序模型構(gòu)建的基礎(chǔ)，主要用于描述加工對(duì)象，操作方法以及加工參數(shù)。工藝以制造特征為基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)決策，工步的操作對(duì)象限定為制造特征。

本文將工步信息定義為制造特征信息與工藝方法的合集，并用式（1）描述。

式中，Mstep為工步信息，MF為工步對(duì)應(yīng)的制造特征實(shí)例，MT為加工方法，MP為尺寸參數(shù)，MD為工步基準(zhǔn)。尺寸參數(shù)MP與工步基準(zhǔn)MD的元素集合分別為制造特征實(shí)例在工序模型中非幾何元素與幾何元素集合的子集。制造特征的實(shí)例化以層次化特征信息模型為基礎(chǔ)，將特征的幾何形狀要素與制造信息要素進(jìn)行關(guān)聯(lián)。加工方法與尺寸參數(shù)則通過(guò)數(shù)字化工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行決策與推導(dǎo)。作為工步間不同制造特征的關(guān)聯(lián)，工步基準(zhǔn)在特征信息與工序幾何模型的映射過(guò)程中遞推獲取。以粗銑圓環(huán)槽特征為例，其工步信息模型如圖1所示。

圖1 粗銑圓環(huán)槽的工步信息模型Fig.1 Operational information model for rough milling of annular groove

工藝信息具備離散性。以工序模型正向演變?yōu)槔?，工步?jié)點(diǎn)為最小單元，將工步對(duì)應(yīng)的三維模型變換作為增量，則工序的信息模型可以表示為公式：

式中，Mn為工序n的工序模型，Mstock為毛坯模型，Δij為工序n工步j(luò)對(duì)應(yīng)的工序模型變換，Si為工序i的工步數(shù)量。

工序模型的變換通過(guò)三維建模方法和相應(yīng)的幾何模型操作來(lái)實(shí)現(xiàn)。本文將在模型演變過(guò)程中，與制造特征所對(duì)應(yīng)的，與工序模型進(jìn)行布爾運(yùn)算的幾何體定義為加工特征基元。其信息模型與工步信息模型相對(duì)應(yīng)，由制造特征、加工方法、尺寸參數(shù)、工步基準(zhǔn)構(gòu)成。其中，尺寸參數(shù)具體化為幾何體的尺寸信息，與工步信息可以存在差別。

以銑平面的加工特征基元為例，其模型為直徑R的圓柱體，R大于等于對(duì)應(yīng)平面的包圍盒對(duì)角線長(zhǎng)度，此尺寸與工步尺寸不完全相關(guān)。將加工特征基元在工序模型進(jìn)行實(shí)例化即可得到工序模型的變換Δij。此時(shí)，作為加工特征基元的圓柱體直徑R、高度H以及對(duì)應(yīng)的基準(zhǔn)信息共同決定工步的尺寸參數(shù)。

加工特征基元集合B與制造特征MFT和加工方法MT存在映射關(guān)系，可記為：fB：(MFT，MT)→B。制造特征MFT的幾何元素集SMFT與對(duì)應(yīng)加工特征基元的幾何元素集合SB的存在映射關(guān)系fS：SMFT→SB。

加工特征基元實(shí)例的XML標(biāo)記描述如表1所示。

2 特征信息在工序模型中的映射機(jī)制

工序模型的生成方法根據(jù)模型生成的順序可以分為正向生成與逆向生成。正向生成以毛坯模型作為起始點(diǎn)，一般通過(guò)參數(shù)化或者具體模型操作實(shí)現(xiàn)；逆向生成通常通過(guò)設(shè)計(jì)模型進(jìn)行逆推，具體可以通過(guò)抑制特征或者修改幾何面元素達(dá)到特征的變換。兩種生成方式區(qū)別在于設(shè)計(jì)模型與毛坯模型幾何要素間的關(guān)聯(lián)過(guò)程。逆向生成以設(shè)計(jì)模型為基礎(chǔ)創(chuàng)建工序模型，在設(shè)計(jì)模型實(shí)現(xiàn)制造特征實(shí)例化的情況下，相應(yīng)幾何元素的關(guān)聯(lián)自動(dòng)形成。正向生成需要重新建立兩者的管理，即使毛坯模型基于產(chǎn)品模型重新建立，與產(chǎn)品模型上的幾何要素已不存在標(biāo)識(shí)、屬性的對(duì)應(yīng)關(guān)系，需要通過(guò)對(duì)空間方位面的識(shí)別建立與產(chǎn)品模型上的相應(yīng)方位面的關(guān)系，才能在正確的方位進(jìn)行幾何面的創(chuàng)建和特征的修改。

表1 加工特征基元實(shí)例的XML標(biāo)記

在工序模型正向演變過(guò)程中，工序模型中的制造特征信息從無(wú)到有、逐步生成，假定毛坯模型與設(shè)計(jì)模型不存在關(guān)聯(lián)信息，則需要對(duì)工序模型與幾何模型的幾何元素進(jìn)行整理完整映射，該過(guò)程可以與工序幾何模型推演同時(shí)進(jìn)行。

在中間工序模型生成的中，通過(guò)工序模型與特征信息、設(shè)計(jì)模型的逐道工步映射，實(shí)現(xiàn)工序模型中幾何元素信息的組織。以其中工序i工步j(luò)的工序模型Mij為例，假定工步模型Mi(j-1)的相關(guān)幾何元素已經(jīng)組織完畢，模型變換Δij所造成的的幾何元素變動(dòng)可以表達(dá)為：

式中，ΔN為此次模型變換中新生成的元素集合。ΔD為相應(yīng)消失的元素集合，該集合不會(huì)對(duì)模型后續(xù)變換產(chǎn)生作用。ΔC為幾何位置或形狀發(fā)生變化的元素，該部分元素雖然在幾何性狀上發(fā)生變化，但其標(biāo)識(shí)、屬性信息維持于原有狀態(tài)，在特征實(shí)例的角度可歸于未更改集合。綜上，工步i的工序模型中僅需對(duì)新生成的幾何元素集ΔN進(jìn)行組織即可。

在模型變換中，特定制造特征在特定加工方法下所對(duì)應(yīng)的加工特征基元類(lèi)型處于確定狀態(tài)，在工藝設(shè)計(jì)的特定背景下，布爾運(yùn)算的結(jié)果集合具備一定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，將此拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)賦予特征層面的意義即可實(shí)現(xiàn)對(duì)元素的組織。若制造特征的幾何元素拓?fù)浔旧頍o(wú)二義性，則加工特征基元實(shí)例中的幾何元素集合SB與ΔN存在一一映射關(guān)系，記為fBN：SB→ΔN。結(jié)合映射關(guān)系fS可以獲取ΔN與制造特征幾何元素集合之間的映射關(guān)系，即ΔN =fBN(fS(SMFT))。以環(huán)形槽為例，幾何元素集合的映射關(guān)系如圖2所示。

圖2 幾何元素映射關(guān)系Fig.2 Mapping of geometric elements

對(duì)于部分存在二義性的特征，可以利用規(guī)則進(jìn)行區(qū)分。以環(huán)形槽的側(cè)面1為例，若以規(guī)則進(jìn)行判斷，根據(jù)制造特征的定義可知其位置處于內(nèi)環(huán)，故其對(duì)應(yīng)的直徑應(yīng)小于側(cè)面2。以Drools為規(guī)則引擎，則對(duì)應(yīng)規(guī)則如下：

3 工序模型的推演生成

本文采用正向的方式實(shí)現(xiàn)工序模型的推演生成。對(duì)于工序n中的工步j(luò)，其工步信息可通過(guò)與工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)的集成取得。根據(jù)工步信息將加工特征基元在工序模型進(jìn)行實(shí)例化獲取該工步的模型變換，將其賦予工步(j-1)的幾何模型可獲取該工步的工步模型。將工序n中各工步的操作實(shí)例化即可得到工序n的工序模型。

模型變換的重點(diǎn)在于加工特征基元的實(shí)例化，該部分包含幾何體尺寸信息和基準(zhǔn)信息的確定。尺寸信息的來(lái)源分為數(shù)字化工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)與自行推演兩種：對(duì)于制造特征相關(guān)聯(lián)的尺寸信息可以通過(guò)工藝設(shè)計(jì)決策獲取，不存在相關(guān)性的尺寸則需要根據(jù)具體模型基于規(guī)則推斷或人工交互確定?；鶞?zhǔn)信息則需要利用工序模型中的幾何元素映射信息。

由于毛坯模型與設(shè)計(jì)模型的不對(duì)應(yīng)，加工特征基元實(shí)例無(wú)法直接與毛坯模型進(jìn)行布爾運(yùn)算。該問(wèn)題可以通過(guò)與信息映射的同時(shí)遞歸操作實(shí)現(xiàn)，可分為毛坯模型與中間工序模型兩部分的基準(zhǔn)映射。

對(duì)于毛坯模型的基準(zhǔn)映射，主要參考數(shù)控程序中的坐標(biāo)系定位機(jī)制，獲取毛坯模型與設(shè)計(jì)模型直接映射坐標(biāo)MT。對(duì)于以毛坯表面作為粗基準(zhǔn)的工步，由于其精度要求較低，可以將加工操作的基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換為毛坯模型中的實(shí)際坐標(biāo)進(jìn)行布爾運(yùn)算。

中間工步所對(duì)應(yīng)的加工操作多以已加工面或其相應(yīng)軸作為基準(zhǔn)。該幾何集合在前序工步中經(jīng)過(guò)模型操作，已完成與設(shè)計(jì)模型的信息映射。故在此工步中，加工特征基元實(shí)例化所需的基準(zhǔn)元素可以通過(guò)設(shè)計(jì)模型對(duì)工序模型的幾何元素映射獲得。

4 實(shí)例驗(yàn)證

本研究在課題組前期構(gòu)建的制造特征實(shí)例庫(kù)基礎(chǔ)上，將基準(zhǔn)信息與制造特征結(jié)合，以此為基礎(chǔ)開(kāi)發(fā)了三維工序模型生成系統(tǒng)。系統(tǒng)通過(guò)與數(shù)字化工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行集成獲取相應(yīng)工藝信息，并通過(guò)制造特征信息在工序模型構(gòu)建中的映射實(shí)現(xiàn)了工序模型的正向生成。

系統(tǒng)界面如圖3所示。模型中的幾何元素映射結(jié)果以與設(shè)計(jì)模型的面標(biāo)識(shí)相同作為目標(biāo)。

以前述粗銑圓環(huán)槽為例，按照表1所示XML標(biāo)記，其加工特征基元實(shí)例表述如圖4所示。

5 結(jié)束語(yǔ)

鑒于工序模型的創(chuàng)建過(guò)程多與工藝信息脫離，本文綜合基準(zhǔn)信息與制造特征建立了工藝信息模型，將工藝信息與設(shè)計(jì)模型信息進(jìn)行關(guān)聯(lián)，通過(guò)演進(jìn)式的映射機(jī)制解決了工序模型正向生成過(guò)程中的工序模型信息缺失問(wèn)題，對(duì)工序模型賦予制造特征屬性，實(shí)現(xiàn)了工序模型信息與工藝內(nèi)容的自動(dòng)關(guān)聯(lián)，并借助加工特征基元實(shí)例實(shí)現(xiàn)了工序模型的生成，為后續(xù)工序模型標(biāo)注和工藝展示提供模型支持。

圖3 粗銑圓環(huán)槽的系統(tǒng)實(shí)例Fig.3 Example of rough milling of annular groove

圖4 加工特征基元實(shí)例的XML描述Fig.4 XML example of instances of manufacturing feature elements

[1] Qiao L, Zhang J. Integrated process planning based on 3D product models. Key Engineering Materials, Jin Z, 2009: 407-408, 298-302.

[2] Alemanni M, Destefanis F, Vezzetti E. Model-based definition design in the product lifecycle management scenario. International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2011, 52(1-4): 1-14.

[3] 王宗彥，吳淑芳，秦慧斌. 零件的設(shè)計(jì)模型向毛坯模型轉(zhuǎn)換技術(shù)研究. 計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng), 2004(6): 620-624.

[4] 石云飛，張樹(shù)生，成彬，等. 工藝語(yǔ)義驅(qū)動(dòng)的序列三維模型構(gòu)建系統(tǒng). 計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng), 2009(11): 2133-2139.

[5] 王飛飛，盛步云，肖聃. 基于三維的工藝變型設(shè)計(jì)研究與實(shí)現(xiàn). 機(jī)械制造, 2009, 47(7): 62-65.

[6] 萬(wàn)能，常智勇，莫蓉. 機(jī)加工藝設(shè)計(jì)的三維新模式研究. 計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng), 2011, 17(9): 1873-1879.

[7] 陳剛，常智勇，萬(wàn)能，等. 基于信息映射的三維工序模型輔助生成方法. 機(jī)械科學(xué)與技術(shù), 2011, 30(10): 1649-1653.

[8] 萬(wàn)能，趙杰，莫蓉. 三維機(jī)加工序模型輔助生成技術(shù). 計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng),2011, 17(10): 2112-2118.

[9] 唐健鈞，賈曉亮，田錫天，等. 面向MBD的數(shù)控加工工藝三維工序模型技術(shù)研究. 航空制造技術(shù), 2012(16): 62-66.

[10] 葛晨，喬立紅. 制造特征信息建模及其實(shí)例化方法. 計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng), 2010(12): 2570-2576.