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)計中，三維模型作為工藝設(shè)計的核心，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)實際中多停留于手工階段。

針對三維工序模型的構(gòu)建，王宗彥等[3]提出了由零件設(shè)計模型向毛坯模型轉(zhuǎn)換的方法，該方法著重于幾何方面的變換，構(gòu)建過程依賴于零件設(shè)計模型的創(chuàng)建方式。石云飛等[4]探索了根據(jù)工序語義構(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現(xiàn)工序設(shè)計語句的標(biāo)準(zhǔn)化，在工藝設(shè)計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)計模型拓?fù)潢P(guān)系變化極小的情況。在此基礎(chǔ)上，萬能、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)計體系之外，無法有效地進(jìn)行工藝表達(dá)，在工序模型生成過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現(xiàn)三維工序模型的生成。最后通過實例驗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)計決策，工步的操作對象限定為制造特征。

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為工步對應(yīng)的制造特征實例，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)則通過數(shù)字化工藝設(shè)計系統(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)點為最小單元，將工步對應(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三維建模方法和相應(yīng)的幾何模型操作來實現(xiàn)。本文將在模型演變過程中，與制造特征所對應(yīng)的，與工序模型進(jìn)行布爾運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大于等于對應(yīng)平面的包圍盒對角線長度，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)行實例化即可得到工序模型的變換Δij。此時，作為加工特征基元的圓柱體直徑R、高度H以及對應(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，一般通過參數(shù)化或者具體模型操作實現(xiàn)；逆向生成通常通過設(shè)計模型進(jìn)行逆推，具體可以通過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)計模型與毛坯模型幾何要素間的關(guān)聯(lián)過程。逆向生成以設(shè)計模型為基礎(chǔ)創(chuàng)建工序模型，在設(shè)計模型實現(xiàn)制造特征實例化的情況下，相應(yīng)幾何元素的關(guān)聯(lián)自動形成。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、屬性的對應(yīng)關(guān)系，需要通過對空間方位面的識別建立與產(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 加工特征基元實例的XML標(biāo)記

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

在中間工序模型生成的中，通過工序模型與特征信息、設(shè)計模型的逐道工步映射，實現(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，該集合不會對模型后續(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、屬性信息維持于原有狀態(tài)，在特征實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應(yīng)的加工特征基元類型處于確定狀態(tài)，在工藝設(shè)計的特定背景下，布爾運算的結(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現(xiàn)對元素的組織。若制造特征的幾何元素拓?fù)浔旧頍o二義性，則加工特征基元實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)，故其對應(yīng)的直徑應(yīng)小于側(cè)面2。以Drools為規(guī)則引擎，則對應(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現(xiàn)工序模型的推演生成。對于工序n中的工步j(luò)，其工步信息可通過與工藝設(shè)計系統(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中各工步的操作實例化即可得到工序n的工序模型。

模型變換的重點在于加工特征基元的實例化，該部分包含幾何體尺寸信息和基準(zhǔn)信息的確定。尺寸信息的來源分為數(shù)字化工藝設(shè)計系統(tǒng)與自行推演兩種：對于制造特征相關(guān)聯(lián)的尺寸信息可以通過工藝設(shè)計決策獲取，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。基準(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)計模型的不對應(yīng)，加工特征基元實例無法直接與毛坯模型進(jìn)行布爾運算。該問題可以通過與信息映射的同時遞歸操作實現(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)計模型直接映射坐標(biāo)MT。對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際坐標(biāo)進(jìn)行布爾運算。

中間工步所對應(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)過模型操作，已完成與設(shè)計模型的信息映射。故在此工步中，加工特征基元實例化所需的基準(zhǔn)元素可以通過設(shè)計模型對工序模型的幾何元素映射獲得。

4 實例驗證

本研究在課題組前期構(gòu)建的制造特征實例庫基礎(chǔ)上，將基準(zhǔn)信息與制造特征結(jié)合，以此為基礎(chǔ)開發(fā)了三維工序模型生成系統(tǒng)。系統(tǒng)通過與數(shù)字化工藝設(shè)計系統(tǒng)進(jìn)行集成獲取相應(yīng)工藝信息，并通過制造特征信息在工序模型構(gòu)建中的映射實現(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)計模型的面標(biāo)識相同作為目標(biāo)。

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

5 結(jié)束語

鑒于工序模型的創(chuàng)建過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)計模型信息進(jìn)行關(guān)聯(lián)，通過演進(jìn)式的映射機(jī)制解決了工序模型正向生成過程中的工序模型信息缺失問題，對工序模型賦予制造特征屬性，實現(xiàn)了工序模型信息與工藝內(nèi)容的自動關(guān)聯(lián)，并借助加工特征基元實例實現(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)實例Fig.3 Example of rough milling of annular groove

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

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