面向自制件工藝的擴(kuò)展設(shè)計(jì)BOM構(gòu)建

王廷軍，崔嘉超，張 克

（中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一三研究所，鄭州 450015）

0 引言

傳統(tǒng)的工藝設(shè)計(jì)過(guò)程為，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工程師在CAD系統(tǒng)中完成產(chǎn)品設(shè)計(jì)后，將產(chǎn)品設(shè)計(jì)BOM及其圖文檔提交PDM系統(tǒng)審核。審核通過(guò)后，產(chǎn)品數(shù)據(jù)將被傳入CAPP系統(tǒng)，工藝設(shè)計(jì)人員利用CAPP系統(tǒng)以創(chuàng)生或派生的方式編制自制件加工工藝。傳統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)過(guò)程如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)的工藝設(shè)計(jì)過(guò)程

零件加工工藝規(guī)程的制定是以零件工藝特征信息為依據(jù)。傳統(tǒng)的人工查詢圖紙獲取工藝特征信息的方式效率低。從提高工藝設(shè)計(jì)效率角度出發(fā)，要求將工藝特征信息從圖文檔中提取出來(lái)，傳遞給CAPP系統(tǒng)，并以設(shè)計(jì)BOM為基礎(chǔ)構(gòu)建起一個(gè)可以囊括零件特征信息的BOM結(jié)構(gòu)。

1 零件特征信息模型

1978年6月由麻省理工學(xué)院Gossard教授在《CAD零件的特征表示》一文中首次提出特征概念[1]。在此之后國(guó)內(nèi)外學(xué)者從不同視角對(duì)特征技術(shù)進(jìn)行了研究，并分別從面向設(shè)計(jì)、面向制造和面向工藝設(shè)計(jì)等多方面對(duì)特征做出了不同的定義。

為適應(yīng)CAD/PDM/CAPP系統(tǒng)集成的需要，有的學(xué)者提出特征應(yīng)該是信息的集合，其中劉漩教授[2]給出的特征定義為“攜帶著各種工程信息，并具有某種工程功能的命名幾何體”。特征是一組與產(chǎn)品描述相關(guān)的信息的集合。這些信息不僅包括零件的幾何拓?fù)湫畔?，還包括零件工藝約束信息等非幾何信息。依據(jù)不同的分類標(biāo)準(zhǔn)對(duì)特征進(jìn)行分類，可以得到不同的特征分類結(jié)果。從面向工藝設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，特征可以分為形狀特征、精度特征、材料特征、裝配特征等。

工藝設(shè)計(jì)人員編制零件加工工藝需考慮材料、零件特征信息、企業(yè)現(xiàn)有的制造資源統(tǒng)稱為工藝特征信息，這些信息分散的存在于和產(chǎn)品相關(guān)的圖文檔中。為滿足工藝設(shè)計(jì)人員在制定自制件加工工藝時(shí)快速查詢工藝約束條件的需求，需要對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)BOM進(jìn)行擴(kuò)展形成囊括工藝特征信息的擴(kuò)展設(shè)計(jì)BOM。

1.1 擴(kuò)展設(shè)計(jì)BOM信息結(jié)構(gòu)模型

產(chǎn)品設(shè)計(jì)BOM的末級(jí)節(jié)點(diǎn)為零件，擴(kuò)展設(shè)計(jì)BOM的末級(jí)節(jié)點(diǎn)為零件工藝特征信息。以產(chǎn)品設(shè)計(jì)BOM為基礎(chǔ)構(gòu)建產(chǎn)品擴(kuò)展設(shè)計(jì)BOM需要將產(chǎn)品設(shè)計(jì)BOM中的末級(jí)節(jié)點(diǎn)零件按分段和特征進(jìn)行再分解，在形式上形成零件—分段—特征三個(gè)層級(jí)。參照形狀特征的劃分標(biāo)準(zhǔn)，將工藝特征信息分為零件級(jí)、分段級(jí)和特征級(jí)等三個(gè)等級(jí)。從全局上、整體上對(duì)自制件進(jìn)行描述和要求的工藝約束信息如整體尺寸、零件材料等信息定義為零件級(jí)工藝特征信息；用于描述各個(gè)分段加工制造后需要達(dá)到的幾何狀態(tài)的工藝特征信息定義為分段級(jí)工藝特征信息；針對(duì)零件局部進(jìn)行描述的工藝特征信息定義為特征級(jí)工藝特征信息。軸類零件典型結(jié)構(gòu)層次劃分和工藝約束信息等級(jí)劃分如圖2所示。

圖2 軸類零件典型結(jié)構(gòu)層次劃分和工藝約束信息等級(jí)劃分

面向自制件工藝的擴(kuò)展設(shè)計(jì)BOM，需要在產(chǎn)品設(shè)計(jì)BOM所包含信息的基礎(chǔ)上增加對(duì)自制件結(jié)構(gòu)層次劃分信息、工藝特征信息等級(jí)劃分信息、工藝特征信息與其約束對(duì)象的關(guān)聯(lián)關(guān)系信息的表達(dá)。為了清楚的表達(dá)上述信息，面向自制件工藝的擴(kuò)展EBOM應(yīng)具有以下特點(diǎn)：

1）面向自制件工藝的擴(kuò)展EBOM要能夠反映諸如線性尺寸、尺寸公差、形狀和位置公差以及粗糙度等工藝約束信息。

2）面向自制件工藝擴(kuò)展EBOM數(shù)據(jù)傳遞給CAPP系統(tǒng)后能夠以可視化的樹(shù)形結(jié)構(gòu)顯示，并可以實(shí)現(xiàn)和CAD工程圖文檔標(biāo)注信息的聯(lián)動(dòng)。

3）面向自制件工藝的擴(kuò)展EBOM要能夠反映出自制件在結(jié)構(gòu)上的層次劃分、工藝約束信息的等級(jí)劃分、工藝約束信息和自制件實(shí)體的關(guān)聯(lián)關(guān)系。

面向自制件工藝的擴(kuò)展EBOM信息結(jié)構(gòu)模型如圖3所示。

1.2 擴(kuò)展EBOM的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

依據(jù)面向自制件工藝的擴(kuò)展EBOM和產(chǎn)品設(shè)計(jì)BOM的區(qū)別，利用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)記錄面向自制件工藝的擴(kuò)展設(shè)計(jì)BOM，需要在產(chǎn)品設(shè)計(jì)BOM記錄的基礎(chǔ)上，通過(guò)增加層級(jí)關(guān)系表和節(jié)點(diǎn)屬性表來(lái)描述。層級(jí)關(guān)系表用于描述特征、分段和自制件之間的從屬關(guān)系。節(jié)點(diǎn)屬性表用于描述每個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的工藝約束條件。層級(jí)關(guān)系表如表1所示，節(jié)點(diǎn)屬性表如表2所示。

圖3 面向自制件工藝的擴(kuò)展EBOM信息結(jié)構(gòu)模型

表1 擴(kuò)展設(shè)計(jì)BOM的層級(jí)關(guān)系表

表2 擴(kuò)展EBOM的節(jié)點(diǎn)屬性表

2 信息關(guān)聯(lián)與擴(kuò)展設(shè)計(jì)BOM的形成

將圖文檔中的工藝約束信息提取出來(lái)，并與其約束對(duì)象關(guān)聯(lián)，從而構(gòu)建基于產(chǎn)品設(shè)計(jì)BOM的面向自制件的工藝擴(kuò)展設(shè)計(jì)BOM。需要利用CAD系統(tǒng)提供的API函數(shù)開(kāi)發(fā)智能識(shí)別模塊。利用該智能識(shí)別模塊完成工藝約束信息的提取和對(duì)應(yīng)關(guān)聯(lián)。智能識(shí)別模塊結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 智能識(shí)別模塊結(jié)構(gòu)圖

自制件的分段，要依據(jù)國(guó)家或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或企業(yè)的工藝習(xí)慣。對(duì)于常見(jiàn)的零件類型，如軸類零件、箱體零件、盤(pán)類零件等，每種分類選取一個(gè)典型零件，由企業(yè)組織有經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)人員對(duì)其進(jìn)行分段，分段方案通過(guò)評(píng)審后進(jìn)行存檔。當(dāng)需要對(duì)新的零件進(jìn)行分段劃分時(shí)，設(shè)計(jì)人員可以參照存檔的分段實(shí)例進(jìn)行劃分。

本文采用基于規(guī)則的特征識(shí)別方法進(jìn)行特征識(shí)別。通過(guò)定義特征的邊界語(yǔ)義對(duì)特征進(jìn)行描述，例如孔特征可以描述為：孔開(kāi)始于一個(gè)入口，孔面共軸，孔的所有面順序相連，孔終止于一個(gè)有效的孔底面。采用相同的方法對(duì)盡可能多的特征進(jìn)行描述，并將特征描述存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中，形成特征描述集。利用基于CAD系統(tǒng)二次開(kāi)發(fā)的智能識(shí)別模塊，將零件邊界語(yǔ)義和智能識(shí)別模塊的特征描述集進(jìn)行比較，從而識(shí)別出零件的特征。按遍歷到的先后順序?yàn)樘卣鬟M(jìn)行編號(hào)。同時(shí)將該編號(hào)以擴(kuò)展屬性的方式附加在特征以及特征包括的所有圖元上，該擴(kuò)展屬性被命名為“xuhao”。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工程師完成零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后，為保證零件加工制造后可以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)功能，需要對(duì)零件工程圖中的圖元進(jìn)行約束。工藝約束信息和零件圖元間關(guān)聯(lián)關(guān)系的建立也正是在工藝約束信息標(biāo)注過(guò)程中實(shí)現(xiàn)的，擴(kuò)展信息標(biāo)注界面如圖5所示。

圖5 擴(kuò)展信息標(biāo)注界面

工藝屬性信息的標(biāo)注是利用屬性塊的方法實(shí)現(xiàn)的。利用ObjectARX語(yǔ)言將各種工藝約束信息的標(biāo)注定義為帶有屬性的圖塊[3]，并為帶有屬性的圖塊以及屬性塊中每一個(gè)關(guān)聯(lián)屬性命一個(gè)具有確定意義的名字如“cucaodu”等。工藝約束條件的標(biāo)注需要完成兩方面的工作，一方面將工藝特征值賦給工藝約束屬性快的對(duì)應(yīng)屬性；另一方面在點(diǎn)擊圖元時(shí)將激發(fā)出“擴(kuò)展信息標(biāo)注”的人機(jī)交互界面，定義標(biāo)注的工藝約束條件的等級(jí)。工藝約束信息的等級(jí)信息、所屬特征的名稱信息、所屬分段的名稱信息以擴(kuò)展屬性的方式和工藝約束條件屬性塊關(guān)聯(lián)，并將它們分別命名為“dengji”、“tezheng”和“fenduan”。經(jīng)過(guò)工藝約束信息標(biāo)注之后將在零件工程圖中形成一個(gè)工藝約束信息集。工藝約束信息集的結(jié)構(gòu)模型如圖6所示。

利用工藝特征信息和擴(kuò)展信息標(biāo)注模塊進(jìn)行標(biāo)注[5]，自制件的工程圖中包含三個(gè)方面的信息。

1）工藝約束信息的等級(jí)劃分。

2）工藝約束信息與所屬的零件或分段或特征的映射關(guān)系。

3）零件、分段、特征間的隸屬關(guān)系。

因此完成工藝約束信息的標(biāo)注之后，圖文檔中已經(jīng)具有在產(chǎn)品設(shè)計(jì)BOM的基礎(chǔ)上構(gòu)建面向自制件工藝的擴(kuò)展設(shè)計(jì)BOM的所需的全部信息。

圖6 工藝約束信息結(jié)構(gòu)模型

3 信息提取與面向自制件工藝的擴(kuò)展EBOM的形成

通過(guò)遍歷零件圖中的每一個(gè)工藝約束信息屬性塊[4]，讀取CAD工程圖中每一個(gè)屬性塊的屬性信息和擴(kuò)展屬性信息獲取工藝特征信息以及和被約束對(duì)象的關(guān)聯(lián)關(guān)系，將圖元層次關(guān)系寫(xiě)入層次關(guān)系表，將零件圖元和工藝約束信息關(guān)聯(lián)關(guān)系寫(xiě)入節(jié)點(diǎn)屬性表，就可以在PDM系統(tǒng)中構(gòu)建起面向自制件的擴(kuò)展設(shè)計(jì)BOM。下面分三種情況進(jìn)行討論層次關(guān)系表和節(jié)點(diǎn)屬性表的寫(xiě)入情況，擴(kuò)展EBOM信息信息提取如圖7所示。

當(dāng)遍歷到的某一工藝特征信息圖塊其擴(kuò)展屬性名為“dengji”的擴(kuò)展屬性值為“分段級(jí)”，則該工藝特征信息的等級(jí)屬分段級(jí)，即該工藝特征信息的約束對(duì)象為分段。層次關(guān)系表中描述該分段的記錄為：提取自制件的零件名寫(xiě)入“父項(xiàng)名稱”字段，提取工藝約束信息屬性塊關(guān)聯(lián)的擴(kuò)展屬性名為“fenduan”的擴(kuò)展屬性的屬性值寫(xiě)入“子項(xiàng)名稱”字段。同時(shí)將工藝約束信息圖塊的屬性信息寫(xiě)入節(jié)點(diǎn)屬性表的各個(gè)屬性項(xiàng)，將被約束對(duì)象的名稱寫(xiě)入節(jié)點(diǎn)屬性表的“節(jié)點(diǎn)名稱”字段。

當(dāng)遍歷到的某一工藝特征信息圖塊其擴(kuò)展屬性名為“dengji”的擴(kuò)展屬性值為“特征級(jí)”，則該工藝特征信息是特征級(jí)，即該工藝特征信息的約束對(duì)象為特征。層次關(guān)系表中描述該分段的記錄為：取工藝約束信息屬性塊關(guān)聯(lián)的擴(kuò)展屬性名為“fenduan”的擴(kuò)展屬性的屬性值寫(xiě)入“父項(xiàng)名稱”字段，提取工藝約束信息屬性塊關(guān)聯(lián)的擴(kuò)展屬性名為“tezheng”的擴(kuò)展屬性的屬性值寫(xiě)入“子項(xiàng)名稱”字段。同時(shí)將工藝約束信息圖塊的屬性信息寫(xiě)入節(jié)點(diǎn)屬性表的各個(gè)屬性項(xiàng)，將被約束對(duì)象的名稱寫(xiě)入節(jié)點(diǎn)屬性表的“節(jié)點(diǎn)名稱”字段。

當(dāng)遍歷到的某一工藝特征信息圖塊其擴(kuò)展屬性名為“dengji”的擴(kuò)展屬性值為“零件級(jí)”，則該工藝特征信息是零件級(jí)，即該工藝特征信息的約束對(duì)象為自制件整體。層次關(guān)系表中描述該分段的記錄為：將“null”字符寫(xiě)入“父項(xiàng)名稱”字段，提取自制件的零件名寫(xiě)入“子項(xiàng)名稱”字段，同時(shí)將工藝約束信息圖塊的屬性信息寫(xiě)入節(jié)點(diǎn)屬性表的各個(gè)屬性項(xiàng)，將被約束對(duì)象的名稱寫(xiě)入節(jié)點(diǎn)屬性表的“節(jié)點(diǎn)名稱”字段。

經(jīng)過(guò)市場(chǎng)調(diào)查獲得客戶需求、基于客戶需求進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)、提取圖紙信息形成產(chǎn)品設(shè)計(jì)BOM、產(chǎn)品設(shè)計(jì)BOM基礎(chǔ)上經(jīng)過(guò)兩分解一關(guān)聯(lián)形成擴(kuò)展設(shè)計(jì)BOM。經(jīng)過(guò)上述環(huán)節(jié)，形成的產(chǎn)品設(shè)計(jì)BOM可以作為CAD系統(tǒng)和PDM系統(tǒng)間的集成橋梁，面向自制件的擴(kuò)展設(shè)計(jì)BOM可以作為CAD系統(tǒng)和CAPP系統(tǒng)集成的橋梁。從而為企業(yè)構(gòu)建統(tǒng)一的產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計(jì)平臺(tái)做好了數(shù)據(jù)上的準(zhǔn)備。

圖7 擴(kuò)展EBOM信息提取

圖8 面向自制件工藝的擴(kuò)展EBOM的形成

4 結(jié)束語(yǔ)

本文首先對(duì)構(gòu)建擴(kuò)展EBOM的必要性和面向自制件工藝的擴(kuò)展EBOM的功能和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行了分析，并據(jù)此定義了面向自制件工藝的擴(kuò)展EBOM的樹(shù)形結(jié)構(gòu)及節(jié)點(diǎn)屬性表。最后對(duì)基于產(chǎn)品設(shè)計(jì)BOM構(gòu)建面向自制件工藝的擴(kuò)展設(shè)計(jì)BOM的實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行論述。