成 彬 ，齊吉燕

(西安建筑科技大學(xué) a.理學(xué)院；b.機(jī)電學(xué)院，西安 710055)

0 引言

隨著三維計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(Computer Aided Design,CAD)技術(shù)應(yīng)用的深化，基于模型定義(Model-Based Definition,MBD)[1]在企業(yè)數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造中得到了廣泛的推廣和應(yīng)用，在三維環(huán)境下進(jìn)行工藝規(guī)劃，工藝資源管理。工藝知識表達(dá)等已成為數(shù)字化設(shè)計(jì)模型向智能化工藝信息模型構(gòu)建與規(guī)劃的新需求。

羅毅等[2]按照制造特征信息模型的數(shù)據(jù)組織要求，在MBD模型上進(jìn)行特征信息提取與傳遞，這類方法考慮的信息比較全面，但信息間的關(guān)聯(lián)性未體現(xiàn)，集成化程度不夠；王瑞紅等[3]提出一種基于制造特征的零件拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)模型，但模型未從設(shè)計(jì)的角度進(jìn)行分析，特征間關(guān)系考慮的不全面；Bai J等[4-5]從設(shè)計(jì)角度有效捕捉特征間的關(guān)系，有效地表征模型中包含的語義信息，但該方法沒有考慮尺寸、公差加工精度等語義信息，還不能很好地支持產(chǎn)品制造階段的應(yīng)用；Huang Rui等[6]從制造角度有效地表征模型中所包含的特征關(guān)系及制造語義信息。但基于數(shù)字化模型的智能化、自動化在工序序列智能規(guī)劃應(yīng)用中，已有的方法在精細(xì)化程度上有待提高；模型的層次化不夠明晰；關(guān)聯(lián)程度還不夠。本文充分考慮尺寸、公差等標(biāo)注信息與特征間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，同時(shí)從設(shè)計(jì)與制造的角度分析三維MBD模型。該模型使MBD特征信息模型高度集成化、智能化、自動化。

1 相關(guān)信息的的表達(dá)

1.1 三維標(biāo)注信息的表達(dá)

三維標(biāo)注信息是指直接顯示在三維模型上描述與模型制造相關(guān)的信息[7]。包括尺寸(公差)、幾何公差、表面粗糙度和注釋。

(1)將尺寸公差表示為：

DTol={TyD，VaD，S1D，S2D}

其中，TyD表示尺寸公差類型；VaD表示尺寸公差數(shù)值；S1D表示尺寸公差關(guān)聯(lián)對象1；S2D表示尺寸公差關(guān)聯(lián)對象2。

(2)幾何公差表示為：

GTol={TyG，VaG，D1G，S2G}

其中，TyG表示幾何公差類型；VaG表示幾何公差數(shù)值；D1G表示幾何公差基準(zhǔn)；S2G表示幾何公差關(guān)聯(lián)圖形對象。

1.2 制造特征的表達(dá)

制造特征是表達(dá)一定制造語義的最小單位，是制造語義的基礎(chǔ)載體[8]，是描述與特征制造活動相關(guān)信息的集合，如型腔、孔、臺階、鍵等。是由設(shè)計(jì)特征通過一定映射關(guān)系獲得的。制造特征不僅能夠表達(dá)產(chǎn)品的幾何信息，而且對于尺寸公差、形位公差及表面粗糙度等也能夠進(jìn)行表達(dá)。

以FM={TY，NA，BA，AN，GP，AC}來表示制造特征。

其中，TY表示制造特征類型；NA表示制造特征名稱；BA表示主基面；AN表示三維標(biāo)注信息；GP表示幾何屬性鄰接圖；AC表示工藝信息。

2 制造特征關(guān)聯(lián)關(guān)系模型

2.1 制造特征關(guān)聯(lián)關(guān)系定義

制造特征關(guān)聯(lián)關(guān)系是指同一MBD模型中制造特征間的組合方式。文中將制造特征間關(guān)系類型分為3種：依賴關(guān)系、鄰接關(guān)系、基準(zhǔn)關(guān)系。如圖1所示， 2與1是依賴關(guān)系；3 與4屬于鄰接關(guān)系；4 與5是基準(zhǔn)關(guān)系。

(a) 三維模型

(b) 制造特征關(guān)聯(lián)關(guān)系模型 圖1 三維模型及制造特征關(guān)聯(lián)關(guān)系模型

2.2 制造特征關(guān)聯(lián)關(guān)系模型

本文設(shè)計(jì)的制造特征關(guān)聯(lián)關(guān)系模型，是基于三維MBD模型的特征識別[9-11]結(jié)果，將制造特征屬性鄰接圖經(jīng)過添加虛擬面操作，使其構(gòu)成一個(gè)封閉的整體，然后由標(biāo)注信息及制造特征的屬性鄰接圖建立模型特征面間的位置關(guān)系圖，利用文中提出的判定方法，確定制造特征間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。如圖1所示，圖1b為圖1a的制造特征關(guān)聯(lián)關(guān)系模型。上層是由三維模型中制造特征按照其關(guān)系表示的關(guān)聯(lián)關(guān)系圖，從設(shè)計(jì)和制造兩個(gè)角度表達(dá)了模型的構(gòu)成；底層是根據(jù)三維標(biāo)注信息確定其關(guān)聯(lián)特征面的位置關(guān)系圖。

特征關(guān)聯(lián)關(guān)系圖(Feature Relation Graph，F(xiàn)RG)：是描述三維MBD模型中各特征間關(guān)聯(lián)關(guān)系的圖形，本文采用鄰接表法對其進(jìn)行提取存儲。將FRG定義為一個(gè)二元組 [Point，Line]，其中Point為圖的頂點(diǎn)集合，Line是Point中信息間邊組成的集合：

(1)記Point={p1,p2，...，pi，…}，它的元素pi是三維模型中第i個(gè)制造特征FMi的在圖中對應(yīng)的頂點(diǎn)簇，記pi=(pi1，pi2，...，pil，…，di)，di表示第i個(gè)制造特征的參考基準(zhǔn)。pil表示第i個(gè)制造特征內(nèi)的第l個(gè)特征面。特殊，當(dāng)參考基準(zhǔn)是特征面時(shí)，將進(jìn)行合并處理操作，即pi=(pi1，pi2，...，pil，…)。

(2)記Line={L1-2，L1-3…，Li-j，…}，Li-j為連接兩個(gè)頂點(diǎn)簇pipj邊的屬性，表示頂點(diǎn)簇pipj所對應(yīng)制造特征FMi，F(xiàn)Mj的關(guān)聯(lián)關(guān)系。關(guān)系類型由頂點(diǎn)間關(guān)系集合(L11-21，…，Lig-jp，…)經(jīng)過文中提出的判定算法提取，其中Lig-jp為連接兩個(gè)頂點(diǎn)pigpjp邊的屬性，將重合、平行、垂直、同軸、對稱等關(guān)系分別用Cp、Pr、Rt、Cx、Sy等表示。即當(dāng)Lig-jp=Pr時(shí)，表示pig，pjp間存在平行關(guān)系。因?yàn)閮上噜徶圃焯卣鏖g公共面在兩特征簇中都存在，故兩特征面關(guān)系視為重合。

關(guān)聯(lián)關(guān)系模型上層制造特征間關(guān)系的確定基于底層信息，如圖1b所示，制造特征1和3關(guān)系提取時(shí)，先調(diào)取兩制造特征中特征面的位置關(guān)系，通過判定規(guī)則進(jìn)行關(guān)系判定。由于本文是在制造特征識別結(jié)果基礎(chǔ)上進(jìn)行的，各制造特征類型及其對應(yīng)的屬性鄰接圖是已知的，即同一制造特征內(nèi)各面的關(guān)系已經(jīng)建立，此處主要構(gòu)建不同制造特征內(nèi)幾何對象間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。

3 制造特征關(guān)聯(lián)關(guān)系模型構(gòu)建

3.1 制造特征間關(guān)聯(lián)關(guān)系判定規(guī)則

因?yàn)橹圃焯卣髂Ｐ椭兴刑卣鞫贾苯踊蜷g接地依賴于該模型的主要制造特征，故從主要制造特征開始, 逐層遞歸地尋找直接與當(dāng)前制造特征關(guān)聯(lián)的特征，依據(jù)判定規(guī)則確定其關(guān)系類型，直到所有特征間關(guān)系均被有效地加入至制造特征關(guān)系模型中, 便可完成制造特征關(guān)聯(lián)關(guān)系模型的構(gòu)建。

制造特征間關(guān)系判定規(guī)則如下：

規(guī)則1：如果兩頂點(diǎn)簇Pi，Pj中有兩特征面pig，pjp重合，特征面pjp包含于pig，且制造特征FMi，F(xiàn)Mj不依賴于同一制造特征，則FMj依賴于FMi，即：

FMj)|Lig-jp=Cp∧pjp?pig];

Then(FMi→FMj)

規(guī)則2：如果兩頂點(diǎn)簇Pi，Pj中有兩特征面pigpjp之間存在重合關(guān)系，且兩制造特征FMi，F(xiàn)Mj都依賴于同一制造特征，則FMi與FMj屬于鄰接關(guān)系，即:

If[?FMk∈[FMi],(FMk→FMi)∧

(FMk→FMj)|Lig-jp=Cp];

Then(FMi……FMj)

其中，F(xiàn)Mi……FMj表示FMj與FMi間是鄰接關(guān)系。

規(guī)則3：如果頂點(diǎn)簇Pi與Pj之間存在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)約束，并且Pi中存在Pj中特征對象幾何公差的參考基準(zhǔn)，則FMj與FMi間存在基準(zhǔn)關(guān)系，即：

If[Lig-jp=TyG∧B(Lig-jp)∈Pi];

判定兩制造特征關(guān)聯(lián)關(guān)系，首先識別兩特征簇間的標(biāo)注信息，若存在幾何公差，根據(jù)規(guī)則3，將其關(guān)系判定為基準(zhǔn)關(guān)系。若不存在，則依據(jù)規(guī)則1及規(guī)則2對其關(guān)系進(jìn)行判定。

3.2 FRG的構(gòu)建方法

在FRG的構(gòu)建過程中，所需的總體信息基于三維MBD模型的特征識別結(jié)果，計(jì)算機(jī)對結(jié)果進(jìn)行遍歷，首先遍歷該三維模型的制造特征，識別其主要制造特征，便可獲取其屬性鄰接圖，進(jìn)而識別出該制造特征的主基面，根據(jù)該面的標(biāo)注信息提取出其他制造特征中與其有標(biāo)注信息關(guān)聯(lián)的對象，通過依次提取所獲面的關(guān)聯(lián)對象，確定該三維模型內(nèi)各面的關(guān)聯(lián)關(guān)系。用有向邊連接有幾何公差關(guān)聯(lián)的兩對象，方向由基準(zhǔn)指向關(guān)聯(lián)對象，用無向邊連接有尺寸或角度關(guān)聯(lián)的兩對象，從自身出發(fā)又回到自身的標(biāo)注信息用帶箭頭的環(huán)進(jìn)行表示，稱之為自環(huán)，如圓直徑，圓柱度等。

FRG構(gòu)建的算法步驟如下：

Step1:對三維模型的制造特征識別結(jié)果進(jìn)行遍歷，即遍歷模型的制造特征集合[FMi]，識別出該模型的主要制造特征；

Step2：根據(jù)制造特征類型TY，獲取其屬性鄰接圖GP及特征主基面BA，輸入Point中，根據(jù)該面的標(biāo)注信息AN獲取與其關(guān)聯(lián)的圖形對象；

Step3：根據(jù)關(guān)聯(lián)對象所在制造特征名稱NA，選取與其不再同一制造特征的關(guān)聯(lián)圖形對象；

Step4：根據(jù)三維標(biāo)注模型中的標(biāo)注信息類型確定連接兩幾何對象邊的屬性類型，并將兩關(guān)聯(lián)圖形對象連接，將關(guān)系屬性輸入Line中；

Step5：依次將與上一面相鄰的特征面作為操作對象，轉(zhuǎn)到Step3～Step5，直到該制造特征的各面都匹配完成；

Step6:依次將與上一制造特征相鄰的制造特征作為操作對象，轉(zhuǎn)到Step2～Step6。刪除冗余的特征關(guān)系，則底層幾何特征面間位置關(guān)系圖構(gòu)建完成；

Step7：從主要制造特征開始，依次判定其與其它制造特征間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，首先調(diào)取底層對應(yīng)頂點(diǎn)簇間的關(guān)系，通過3.1節(jié)的判定原則，確定關(guān)系類型并儲存；

Step8：將全部制造特征間關(guān)系確定完，則FRG構(gòu)建完成。

由圖1中所示模型的構(gòu)成可知，在獲取了三維模型中的制造特征及其屬性信息，依據(jù)FRG的構(gòu)建方法，通過3.1節(jié)的判定規(guī)則，即可獲取該三維模型中制造特征信息間的關(guān)聯(lián)關(guān)系及其關(guān)系屬性，則其制造特征關(guān)聯(lián)關(guān)系模型即可確定。

4 實(shí)例驗(yàn)證

本文以Microsoft Visual Studio 2012和NX10.0作為開發(fā)環(huán)境，以C++和NXopen為開發(fā)語言，按照上述方法完成開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了基于圖的制造特征關(guān)聯(lián)關(guān)系模型構(gòu)建。

結(jié)果如圖2所示，模型有2個(gè)型腔，6個(gè)孔， 2個(gè)立方塊。利用本文方法構(gòu)建的制造特征關(guān)聯(lián)關(guān)系模型如圖2b，其中立方塊B0為主要制造特征，孔H0的位置度公差的參考基準(zhǔn)為制造特征B0中的特征面，故B0，H0存在基準(zhǔn)關(guān)系； B1與B0有兩特征面重合且B1中的特征面包含于B0中的面，故B1依賴于B0；型腔P1、P2間有重合面且同時(shí)依賴于B1，故屬于鄰接關(guān)系。

(a) 零件三維模型

(b) 制造特征關(guān)聯(lián)關(guān)系模型 圖2 模型實(shí)例

本文研究的制造特征關(guān)聯(lián)關(guān)系模型中包含有特征的粗精度、基準(zhǔn)信息、特征類型、主次關(guān)系等影響加工順序的因素，故該模型可以有效推理出零件加工活動(加工元)的先后順序。將實(shí)例化的加工元按加工順序依次與毛坯做布爾運(yùn)算構(gòu)建三維工序模型。本文將制造特征關(guān)聯(lián)關(guān)系模型應(yīng)用到構(gòu)建三維工序模型的方法中，結(jié)果如圖3所示，為該模型的毛坯模型向最終零件的動態(tài)演變過程，即零件的三維工序模型。

圖3 制造特征關(guān)聯(lián)關(guān)系模型應(yīng)用實(shí)例

5 結(jié)論

本文提出一種從小粒度，低層次的特征關(guān)系中，有效地捕捉高層次制造特征的關(guān)聯(lián)關(guān)系，構(gòu)建制造特征

間關(guān)聯(lián)關(guān)系模型，并給圖的頂點(diǎn)及邊賦予相應(yīng)的屬性信息。將MBD模型多層次高度集成地進(jìn)行邏輯重組，使模型成為自動關(guān)聯(lián)的統(tǒng)一聯(lián)動的智能有機(jī)整體，更便于傳遞和共享特征信息。為進(jìn)一步驗(yàn)證該方法的有效性，本文給出了該模型在工序模型構(gòu)建的具體應(yīng)用。還可以利用該模型中的信息進(jìn)行工藝推理，工藝復(fù)用等。