王洪申, 王道俊, 曹玉法

(蘭州理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院, 甘肅 蘭州 730050)

基于模型定義(Model Based Definition,MBD)將產(chǎn)品的三維模型和工程語義信息結(jié)合在一起,實(shí)現(xiàn)了全三維制造的模式,是全三維制造的基礎(chǔ)[1].產(chǎn)品的MBD信息中包含表達(dá)產(chǎn)品幾何、拓?fù)湫畔⒌娜S幾何模型,還有表達(dá)產(chǎn)品工程語義的標(biāo)注信息和屬性信息[2-3]等.計(jì)算機(jī)可以從產(chǎn)品MBD數(shù)據(jù)集中提取需要的幾何和工程語義信息,并自動傳入制造后續(xù)環(huán)節(jié),如虛擬裝配、加工規(guī)劃[4-6]、產(chǎn)品檢驗(yàn)等,為實(shí)現(xiàn)后續(xù)環(huán)節(jié)的智能化制造提供必要條件.這種自動提取信息的方式越來越受到重視[7].產(chǎn)品MBD信息是產(chǎn)品制造信息的源,其中的標(biāo)注信息必須準(zhǔn)確無歧義.

工程中,通常將三維模型的面作為主要標(biāo)注對象[8].但商用CAD軟件對產(chǎn)品進(jìn)行三維造型時(shí),常將工程語義上整體的曲面(本文稱為工藝面)表達(dá)成拓?fù)浞蛛x的多個(gè)曲面(本文稱為造型面).造成這種現(xiàn)象的原因：

1) 為了滿足三維幾何造型需要.例如,同一個(gè)回轉(zhuǎn)面被表達(dá)成多個(gè)曲面, creo和UG軟件將圓柱面、圓錐面和球面用整個(gè)沿著過回轉(zhuǎn)軸的某一平面切分為兩個(gè)子面.本文稱為第一類分割造型面.

2) 造型操作(如分割、陣列等)形成,如圖1所示,本文稱為第二類分割造型面.這種造型面與工藝面并不一一對應(yīng)的現(xiàn)象通常會使幾何標(biāo)注信息的歸屬出現(xiàn)困難.

從工程語義的角度理解,圖1中花鍵外徑的10個(gè)圓柱面是屬于一個(gè)圓柱,因此當(dāng)在10個(gè)圓柱面中的一個(gè)面上標(biāo)注信息時(shí),看圖的工程技術(shù)人員會根據(jù)領(lǐng)域知識解析出其他9個(gè)圓柱面也有同樣的標(biāo)注要求.但計(jì)算機(jī)卻需要采用專用的識別算法或系統(tǒng)才能實(shí)現(xiàn)正確理解,使問題復(fù)雜化.如果對三維模型中每個(gè)拓?fù)浞蛛x的曲面都進(jìn)行標(biāo)注,無疑與工程實(shí)踐相矛盾,也會使模型標(biāo)注的信息過于繁復(fù).

針對這種情況,目前一些商用軟件為用戶提供面綁定的工具,允許用戶將多個(gè)面綁定在一起,進(jìn)行一次性標(biāo)注.圖1是Creo軟件的解決方案,用戶可通過交互式鼠標(biāo)選擇,將選定面綁定,再進(jìn)行標(biāo)注,但由于沒有對選擇的曲面進(jìn)行一定規(guī)則的判斷,用戶可以將完全不同的面綁定在一起,所以導(dǎo)致標(biāo)注出錯(cuò).NX軟件的解決方案與Creo的解決方案類似,綁定時(shí)沒有判斷識別特征與標(biāo)注的匹配問題,容易導(dǎo)致用戶標(biāo)注出錯(cuò).本文針對目前商用軟件存在以上不足,從幾何造型的層面研究了解決策略,并通過編程驗(yàn)證了本文方法的可行性.

圖1 Creo中存在的問題Fig.1 The Problem with Creo

1 機(jī)械零件的工藝面及其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

1.1 造型面與工藝面的對應(yīng)關(guān)系

產(chǎn)品的MBD三維標(biāo)注信息是工程語義,這些信息與被標(biāo)注對象相關(guān)聯(lián),作為被標(biāo)注對象的屬性.標(biāo)注對象應(yīng)該是三維模型的工藝面,因此，標(biāo)注時(shí)需要將三維模型的幾何造型面通過綁定等方式處理成工藝面,然后再進(jìn)行標(biāo)注.對于第一類分割造型面,需設(shè)計(jì)算法實(shí)現(xiàn)面的自動合并；對于第二類分割造型面,按照工程專業(yè)知識,通過人機(jī)交互方式將其處理成工藝面,對被處理面進(jìn)行基本屬性校驗(yàn),防止選擇錯(cuò)誤.圖2表示了幾何造型面和工藝面的關(guān)系,可以一個(gè)造型面對應(yīng)一個(gè)工藝面,也可以多個(gè)造型面通過綁定處理,對應(yīng)于一個(gè)具有完整工程語義的工藝面.將工藝面的標(biāo)注信息作為被綁定的所有面的屬性,為后續(xù)裝配、加工過程中信息再利用提供了便利.

圖2 零件的造型面與工藝面Fig.2 Modeling surface and process surface of parts

1.2 工藝面的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

按照機(jī)械工藝設(shè)計(jì)的要求,將具有符合數(shù)學(xué)相關(guān)要求和同樣幾何性質(zhì)的面進(jìn)行組合,設(shè)計(jì)如圖3所示的零件數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)圖.為了便于擴(kuò)展到裝配體,故設(shè)一個(gè)文檔中含有n個(gè)零件(模型)結(jié)點(diǎn),一個(gè)零件標(biāo)簽下有m個(gè)工藝面結(jié)點(diǎn),每個(gè)工藝面結(jié)點(diǎn)下面分別有造型面的信息以及其攜帶的標(biāo)注信息.由于一個(gè)工藝面可能映射多個(gè)造型面,故設(shè)一個(gè)根標(biāo)簽便于管理.給每個(gè)合并好的工藝面綁定相關(guān)的標(biāo)注信息,集成管理相關(guān)的造型面,并且在標(biāo)注過程中以工藝面為單位進(jìn)行一些標(biāo)注的正確性校驗(yàn).

圖3 零件的工藝面數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)圖

parts

2 基于OpenCASCADE零件工藝面整合的實(shí)現(xiàn)

2.1 造型面合并成工藝面的算法

首先解決第一類分割造型面的綁定問題，即綁定由于造型需要而將同一回轉(zhuǎn)面分割成兩個(gè)或更多拓?fù)涿娴那闆r.此時(shí)相同工藝面的各造型面具有相同的類型、相同的幾何定義(如同軸、同心、等半徑等),并具有一定的連接關(guān)系(面具有相鄰性).根據(jù)這些特征設(shè)計(jì)綁定算法1,算法1計(jì)算流程如圖4所示.

圖4 算法1計(jì)算流程圖

算法1 綁定第一類分割造型面(以圓柱面為例)：

(1) 選取目標(biāo)面,并判斷目標(biāo)面的類型.

(2) 定義回轉(zhuǎn)面臨時(shí)存儲鏈表,如Cylin_FS(圓柱面).

(3) 遍歷目標(biāo)面所在三維模型的拓?fù)涿?將與目標(biāo)面類型相同的面存在臨時(shí)儲存鏈表中.

(4) 創(chuàng)建一個(gè)結(jié)果鏈表Result_FS,先將目標(biāo)面存入其中.

(5) 遍歷回轉(zhuǎn)面臨時(shí)存儲鏈表,按以下校驗(yàn)規(guī)則將當(dāng)前面與目標(biāo)面進(jìn)行比較：① 是否具有相同的數(shù)學(xué)性質(zhì)(具體比較內(nèi)容見表1)；② 是否與結(jié)果鏈表中的任意一面具有相鄰關(guān)系.將滿足以上兩點(diǎn)的面存入結(jié)果鏈表中.

表1 常見面的數(shù)學(xué)性質(zhì)比較

(6) 重復(fù)執(zhí)行第(5)步,直到臨時(shí)存儲鏈表遍歷完成，得到結(jié)果鏈表.

通過算法1,將那些分割的回轉(zhuǎn)面組成一個(gè)完整的面,當(dāng)選擇其中的任一造型面時(shí),其結(jié)果選中的是通過綁定之后的工藝面.

其次,解決第二類分割造型面的綁定問題.由于該類造型面的分割現(xiàn)象是由于用戶造型過程中進(jìn)行分割、陣列等操作后形成,將原本是同一加工工序且具有相同屬性要求的工藝面分割成為不同面[9].不同的用戶造型操作往往會有區(qū)別,因此難以通過系統(tǒng)自動判斷處理.本文采用用戶交互式選定預(yù)綁定的面,再由系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)綁定.算法2計(jì)算流程如圖5所示.

圖5 算法2計(jì)算流程圖Fig.5 Computational flow chart of the second algorithm

算法2 綁定第二類分割造型面：

(1) 用戶選定預(yù)綁定的兩個(gè)面；

(2) 判斷所選擇的造型面是否滿足以下條件：① 是否具有相鄰關(guān)系；② 是否屬于同一種類型的面；③ 是否具有相同的數(shù)學(xué)性質(zhì).

(3) 如果第(2)步中條件都滿足,則對選定面進(jìn)行綁定處理,并對面進(jìn)行標(biāo)記.如果不滿足,則綁定失敗,系統(tǒng)輸出提示信息.

(4) 綁定兩個(gè)以上工藝面則重復(fù)執(zhí)行第(1)至(3)步.

2.2 標(biāo)注系統(tǒng)

OpenCASCADE(OCC)平臺是由法國MatraDatavision公司開發(fā)的,是一套面向?qū)ο蟮?C++開發(fā)庫[10-11].本文的測試系統(tǒng)采用基于MFC和OpenCASCADE設(shè)計(jì)的三維標(biāo)注系統(tǒng)[12],采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)技術(shù).系統(tǒng)主要包括四個(gè)模塊：CAD模型數(shù)據(jù)交換模塊、文檔存取模塊、顯示模塊和人機(jī)交互模塊,如圖6所示.

圖6 三維標(biāo)注系統(tǒng)Fig.6 The system frame of 3D annotation

CAD數(shù)據(jù)交換模塊為了支持其他三維軟件CAD模型導(dǎo)入,解析成OCC基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)后供其他模塊使用；文檔存取模塊是為了記錄所標(biāo)記的三維標(biāo)注信息,能夠?qū)崿F(xiàn)標(biāo)注信息的校驗(yàn)；顯示模塊主要包括零件三維模型、三維標(biāo)注圖形的顯示和管理；人機(jī)交互模塊是一個(gè)綜合的模塊,可實(shí)現(xiàn)交互式三維模型標(biāo)注查詢、修改等操作.

2.3 造型面綁定成工藝面的實(shí)質(zhì)

工藝面是指從機(jī)械工程的觀點(diǎn)看,可以一次或一起被加工的面.本文中所提出的面的綁定并不是把面從數(shù)據(jù)層面真正地修改,而是在操作過程中,每個(gè)被綁定的子面都代表這個(gè)工藝面整體.在三維標(biāo)注的正確性校驗(yàn)時(shí),其中一個(gè)子面就代表該綁定面的所有子面.工藝面整合的相關(guān)操作是為了在三維標(biāo)注的系統(tǒng)中,使得標(biāo)注操作更符合機(jī)械工程語義,從而為系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)標(biāo)注正確性的自動檢驗(yàn)提供可行方法,也為后續(xù)的虛擬裝配和加工工藝規(guī)劃提供與工程語義相一致的相關(guān)信息.

3 標(biāo)注效果檢驗(yàn)

3.1 第一類造型面的綁定測試

構(gòu)造用于測試的三維模型如圖7所示,模型由圓柱切割而成.將其導(dǎo)入Creo5.0中進(jìn)行拾取時(shí)發(fā)現(xiàn)同一個(gè)圓柱面被分割成多個(gè)獨(dú)立的子面,而從加工的角度,該圓柱面的標(biāo)注通常應(yīng)按一個(gè)圓柱面處理.

圖7 在Creo中對造型面的拾取Fig.7 Pick up the modelling surfaces in Creo

如圖8所示,在本文所設(shè)計(jì)的標(biāo)注系統(tǒng)中,拾取其中一個(gè)子面,就能選中整個(gè)圓柱面.在圓柱面的一個(gè)位置標(biāo)注粗糙度,該粗糙度綁定的是整個(gè)圓柱面.再對該模型的其他子圓柱面標(biāo)注粗糙度時(shí),會提示該面的粗糙度已經(jīng)定義,從而防止了重復(fù)標(biāo)注的錯(cuò)誤.

圖8 三維標(biāo)注系統(tǒng)的操作Fig.8 The operation of The 3D annotation system

3.2 第二類工藝面的綁定測試

以機(jī)械工程中花鍵為原型,構(gòu)造用于測試的三維模型.依據(jù)機(jī)械工程語義,花鍵是由圓柱通過銑刀加工而成,鍵的頂面都屬于一個(gè)圓柱面,且加工的要求通常也是相同的[8].但由于造型的影響,在三維模型中,頂面都變成了單獨(dú)的面,這樣給三維尺寸標(biāo)注造成了困難.本文標(biāo)注系統(tǒng)將相應(yīng)的面通過人工交互選擇的方式,經(jīng)過一定的數(shù)學(xué)判斷,將合適的選定面綁定在一起,作為一個(gè)工藝面,并顯示在MBD信息樹中.在對該工藝面的子面進(jìn)行兩次圓柱面的標(biāo)注時(shí),會給出過定義提示(如圖9所示).

圖9 標(biāo)注的檢驗(yàn)Fig.9 The verification of annotation

對于平面的工藝面合并(如圖10所示)必須要檢測其幾何性質(zhì)是否相同,方能合并到一起.對于類型不同、或類型相同但解析式不同的造型面則不能合并成一個(gè)工藝面.

3.3 零件的標(biāo)注

對如圖11所示的三維零件進(jìn)行標(biāo)注.在標(biāo)注第一類工藝面時(shí),系統(tǒng)自動識別判斷,并自動合并.在標(biāo)注第二類工藝面時(shí),需要用戶通過交互式方法,將相應(yīng)造型面定義成一個(gè)工藝面,系統(tǒng)會根據(jù)相應(yīng)判定規(guī)則判斷合理性,并給出提示.加入工藝面合并算法后,三維標(biāo)注系統(tǒng)更加智能便捷,并且從數(shù)據(jù)層面上,使信息依附到模型更加準(zhǔn)確完整.

圖11 機(jī)械零件的三維標(biāo)注

4 結(jié)論

由于造型、方法等原因,常常會產(chǎn)生三維模型中造型面和工程語義中面的概念不同的現(xiàn)象,進(jìn)而使標(biāo)注信息歸屬困難,造成在虛擬裝配和加工規(guī)劃中對工程語義信息提取出現(xiàn)歧義.本文研究解決以上問題的方法,提出造型面和工藝面的概念,并給出了將三維模型中的造型面轉(zhuǎn)變?yōu)楣に嚸娴姆椒?較好地解決了三維標(biāo)注信息的歸屬問題,為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對虛擬裝配和加工工藝規(guī)劃中所需語義信息的提取鋪平了道路.