機(jī)加工藝三維可視化表示與生成技術(shù)研究

張中偉，田錫天，黃利江，辛宇鵬

（西北工業(yè)大學(xué) CAPP與制造工程軟件研究所，西安 710072）

0 引言

計(jì)算機(jī)輔助工藝規(guī)劃(Computer Aided Process Planning，CAPP)是將產(chǎn)品設(shè)計(jì)信息轉(zhuǎn)換為各種加工制造、管理信息的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是企業(yè)信息化建設(shè)中聯(lián)系設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的紐帶，同時(shí)也為企業(yè)的管理部門(mén)提供相關(guān)的數(shù)據(jù)，是企業(yè)信息交換的中間環(huán)節(jié)。工藝規(guī)程作為工藝規(guī)劃的輸出結(jié)果，在整個(gè)工藝過(guò)程中有著不可替代的作用。目前，多數(shù)制造企業(yè)的工藝規(guī)程還是以二維紙質(zhì)文檔的形式下發(fā)到車(chē)間，這種傳統(tǒng)的信息傳遞方式存在以下缺點(diǎn)：1）信息傳遞效率較低，限制了管理和生產(chǎn)效率的提升；2）生產(chǎn)一線的信息更新難以及時(shí)、準(zhǔn)確的反饋和控制；3）紙質(zhì)文檔易于損壞，易受油漬、粉塵等污染，使得數(shù)據(jù)和圖跡模糊不清；4）二維工序圖繪制繁瑣，表達(dá)不直觀，有時(shí)易產(chǎn)生歧義。隨著制造企業(yè)信息化的深入，以及三維CAD軟件的普及，利用三維模型表達(dá)工藝信息已是一種趨勢(shì)，采用這種無(wú)紙化的工藝表達(dá)方式具有以下優(yōu)勢(shì)：1）管理方式靈活，信息交換和傳遞方便，檢索準(zhǔn)確快速；2）表現(xiàn)手段豐富，以三維模型和交互手段實(shí)現(xiàn)紙質(zhì)工藝文件不可能提供的表達(dá)方式，更加直觀、清晰地表現(xiàn)加工過(guò)程，減少工人了解加工過(guò)程所需的時(shí)間，提高生產(chǎn)效率[1]。因此，研究工藝信息的三維可視化表示技術(shù)具有積極的理論意義和迫切的現(xiàn)實(shí)需求。

目前，國(guó)內(nèi)對(duì)可視化工藝的研究主要集中在可視化裝配和仿真方面，針對(duì)機(jī)加的三維可視化工藝研究較少。為此，本文針對(duì)機(jī)加工藝三維可視化應(yīng)用技術(shù)，研究了機(jī)加工藝的三維可視化表示方法，在此基礎(chǔ)上建立了面向工藝過(guò)程的工藝信息模型，并對(duì)三維可視化工藝生成關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究。

1 機(jī)加工藝三維可視化表示方法

可視化技術(shù)是以三維表現(xiàn)技術(shù)再現(xiàn)三維世界中的物體，利用三維形體來(lái)表示復(fù)雜的信息。它通過(guò)一種仿真的、三維的并且具有實(shí)時(shí)交互能力的方式來(lái)傳遞信息。三維可視化工藝是在虛擬環(huán)境下，借助虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的可視性特征，對(duì)工藝信息和零件加工結(jié)果進(jìn)行圖形圖像處理與顯示，以達(dá)到工藝信息直觀可感知的目的。通過(guò)機(jī)加工藝的可視化，企業(yè)能夠：1）實(shí)現(xiàn)工藝設(shè)計(jì)信息的可視化提取、交互和修改，為傳統(tǒng)加工工藝提供信息；2）實(shí)現(xiàn)機(jī)加工藝現(xiàn)場(chǎng)信息的可視化認(rèn)知、提取和交換，改變傳統(tǒng)以紙質(zhì)文檔傳遞信息的模式；3）車(chē)間現(xiàn)場(chǎng)能將工藝更改建議以可視化的形式進(jìn)行反饋。

虛擬環(huán)境可以提供給設(shè)計(jì)者以及現(xiàn)場(chǎng)人員多方面的感觀認(rèn)識(shí)，其中視覺(jué)感受可以有顏色、大小、形狀等，顏色通常給人以直接的視覺(jué)沖擊，作為可視化的有效方式應(yīng)用到諸多領(lǐng)域的科學(xué)可視化中[2]。在三維可視化工藝表示中，采用基于顏色和標(biāo)注模式的可視化表示方法[3]，首先給出可視化工藝表示的相關(guān)定義。

1.1 工藝MBD模型

工藝MBD模型是指在三維機(jī)加工藝設(shè)計(jì)環(huán)境中，采用MBD技術(shù)建立的能表達(dá)零件加工要求和加工狀態(tài)的三維模型。它由設(shè)計(jì)MBD模型、工序MBD模型和工藝屬性三部分組成，因此可以將工藝MBD模型M表示為：

從制造角度考慮，將工序M BD模型以加工特征為基本單元進(jìn)行組織，用不同的顏色標(biāo)識(shí)不同的加工特征。加工特征不僅能夠表示零件的幾何信息，對(duì)于工藝設(shè)計(jì)所需要的形位公差、表面粗糙度等非幾何信息也能夠很好地進(jìn)行表達(dá)。因此，可以將工序MBD模型表示為：

1.2 三維可視化工藝

三維可視化工藝是以工藝MBD模型為基礎(chǔ)和載體來(lái)表達(dá)零件工藝過(guò)程和工序加工結(jié)果，并具有實(shí)時(shí)交互能力的工藝展示方式。它能把零件設(shè)計(jì)信息、制造資源信息、工藝設(shè)計(jì)信息和管理信息整合后以數(shù)字量的形式傳遞到車(chē)間現(xiàn)場(chǎng)，并展示出來(lái)。因此，三維可視化工藝可以表示為：

式中：M表示發(fā)放的工藝MBD模型，一個(gè)零件對(duì)應(yīng)一個(gè)工藝MBD模型；為第次交互操作，瀏覽一份工藝可能包括多個(gè)操作，表示所有操作的集合。

根據(jù)上述對(duì)三維可視化工藝的定義，建立工藝MBD模型是關(guān)鍵。在建立工藝M BD模型時(shí)采用結(jié)構(gòu)化的工藝設(shè)計(jì)方法，以結(jié)構(gòu)化的形式來(lái)描述工藝方法和步驟，因此，工藝設(shè)計(jì)結(jié)果已不是傳統(tǒng)意義上的工藝規(guī)程和工序卡。結(jié)構(gòu)化的工藝設(shè)計(jì)方法采用自頂向下的手段，通過(guò)零件生成過(guò)程逐層分解來(lái)構(gòu)建工藝過(guò)程，將工藝關(guān)聯(lián)到相關(guān)對(duì)象，將零件三維信息、資源三維信息、工藝三維信息同管理信息整合到一起，得到完整的工藝MBD模型。利用工藝MBD模型，結(jié)合虛擬展示技術(shù)，將工藝信息以全三維數(shù)字量的方式傳遞到車(chē)間現(xiàn)場(chǎng)。現(xiàn)場(chǎng)操作人員通過(guò)交互瀏覽工藝模型，能快速準(zhǔn)確的獲取所需信息。

2 面向工藝過(guò)程的工藝信息建模

在傳統(tǒng)二維工藝設(shè)計(jì)過(guò)程中，零件工藝信息模型中的尺寸公差、形位公差、表面粗糙度等非幾何信息通常與三維模型相分離，或者沒(méi)有三維模型，導(dǎo)致零件信息關(guān)聯(lián)性差[4]。在三維機(jī)加工藝設(shè)計(jì)環(huán)境下，通過(guò)建立工藝MBD模型，將尺寸公差、形位公差、表面粗糙度和工藝設(shè)計(jì)信息等信息與三維模型緊密關(guān)聯(lián)[5]。根據(jù)工藝設(shè)計(jì)和加工過(guò)程對(duì)信息的不同需求，對(duì)零件加工過(guò)程中所涉及的信息進(jìn)行分析和分類(lèi)，建立面向工藝過(guò)程的工藝信息模型，如圖1所示。該模型信息量大，涉及的信息類(lèi)型和關(guān)系復(fù)雜，為了更好的滿(mǎn)足工藝規(guī)程所需信息的需求，按照信息類(lèi)型將信息模型分為模型層、工藝層和資源層三層結(jié)構(gòu)。

模型層包含有與工藝設(shè)計(jì)和加工相關(guān)的幾何信息、特征信息和工藝信息。在模型層中以工序模型為載體，將相關(guān)三維標(biāo)注信息和工藝信息都定義在工序模型中，與工序模型綁定，共同構(gòu)成工序MBD模型。標(biāo)注信息主要定義本道工序的工序尺寸、表面粗糙度、形位公差、裝夾定位基準(zhǔn)和加工要求等信息，它們與對(duì)應(yīng)的模型和加工特征綁定，并根據(jù)加工特征的不同形狀分類(lèi)用不同的顏色區(qū)分表達(dá)。工藝信息包括工序和工步，一個(gè)工序MBD模型對(duì)應(yīng)一道工序，多道工步，同時(shí)包括多個(gè)加工特征，其中加工特征是指零件上具有語(yǔ)義的幾何實(shí)體，它描述工序模型上需要加工的區(qū)域，表達(dá)一個(gè)加工過(guò)程的結(jié)果。工步以視圖的形式定義在工序MBD模型下，工序和工步信息以屬性的形式定義在對(duì)應(yīng)的對(duì)象中。

工藝層定義工藝設(shè)計(jì)過(guò)程相關(guān)的信息，總體上可分為工藝規(guī)劃信息、工藝設(shè)計(jì)信息和工藝過(guò)程信息[6]。工藝規(guī)劃信息主要指零部件的工藝分工路線，根據(jù)車(chē)間資源使用情況合理分配車(chē)間任務(wù)；工藝設(shè)計(jì)信息描述零部件的加工方法和過(guò)程信息；工藝過(guò)程信息描述工藝狀態(tài)、工藝版本及工藝更改等信息。工藝層主要是一些結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)信息，主要定義在對(duì)應(yīng)幾何的屬性信息中。

資源層主要包括工藝層中所需要的制造資源庫(kù)和工藝資源，包括機(jī)加工藝設(shè)備、刀具、夾具、量具和切削參數(shù)等。

圖1 工藝信息模型

3 三維可視化工藝生成技術(shù)

三維可視化工藝以結(jié)構(gòu)化的描述方式、利用三維手段和便攜式電子文檔來(lái)表達(dá)工藝過(guò)程信息。將工藝信息以屬性和注釋的形式與三維模型綁定，利用工序模型與工藝符號(hào)來(lái)表達(dá)工序結(jié)果和制造要求。以屬性定義的工藝信息由于其不可見(jiàn)性，需要單獨(dú)提取并按一定層次結(jié)構(gòu)組織和顯示，并建立三維工序模型視圖與工藝信息之間的映射關(guān)系。

3.1 三維可視化工藝規(guī)程生成框架

三維可視化工藝生成過(guò)程總體上可分成工藝MBD模型建立、工藝數(shù)據(jù)處理（包括數(shù)據(jù)提取、數(shù)據(jù)輸出和數(shù)據(jù)解析）和工藝元素映射等幾個(gè)階段，如圖2所示。

圖2 基于工藝MBD模型的三維可視化工藝生成框架

工藝MBD模型建立過(guò)程實(shí)質(zhì)是按一定的標(biāo)準(zhǔn)將幾何模型同工藝符號(hào)和文本信息綁定的過(guò)程，幾何模型表達(dá)產(chǎn)品加工各階段的幾何形態(tài)，文本信息描述各階段工藝基本信息，工藝符號(hào)表達(dá)零件加工工藝要求，工藝符號(hào)包括公差、表面粗糙度、注釋等標(biāo)注信息。在構(gòu)建工藝MBD模型時(shí)，以成熟三維CAD系統(tǒng)作為三維機(jī)加工藝設(shè)計(jì)環(huán)境，以工藝信息模型為規(guī)則，建立三維模型同文本信息、工藝符號(hào)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。在工藝數(shù)據(jù)輸出時(shí)，通過(guò)數(shù)據(jù)提取工具從三維模型中抽取工藝過(guò)程描述信息，數(shù)據(jù)處理工具將抽取出的工藝描述信息進(jìn)行分割與標(biāo)記處理，并打包成工藝數(shù)據(jù)包，此時(shí)，工藝數(shù)據(jù)的內(nèi)容包括兩部分并存儲(chǔ)在不同的文件中，一部分是以屬性定義在模型中的數(shù)據(jù)，另一部分是三維數(shù)據(jù)。工藝文件生成時(shí)通過(guò)調(diào)用電子文檔模板建立工藝文件框架，解析工藝文件數(shù)據(jù)包，將工藝數(shù)據(jù)和三維模型填充到工藝模板，由于兩部分?jǐn)?shù)據(jù)以獨(dú)立的文件裝載，要完成交互操作，則需要對(duì)這兩部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)和映射。

3.2 工藝信息提取與組織

由于大部分工藝相關(guān)信息是以三維標(biāo)注的形式直接定義在三維模型中，比如尺寸、表面粗糙度、加工要求等。工藝信息提取只針對(duì)以屬性形式定義的工藝信息。機(jī)加工藝設(shè)計(jì)時(shí)以工藝樹(shù)的形式將工藝MBD模型、工序MBD模型和工步視圖組織起來(lái)，所以對(duì)應(yīng)對(duì)象的屬性信息也形成了一顆樹(shù)。在數(shù)據(jù)提取時(shí)，采用非遞歸深度優(yōu)先遍歷算法獲取結(jié)構(gòu)對(duì)象唯一標(biāo)識(shí)，通過(guò)標(biāo)識(shí)從結(jié)構(gòu)模型中抽取工藝信息。具體過(guò)程如下：

1）獲取工藝樹(shù)根節(jié)點(diǎn)對(duì)象即工藝主模型，通過(guò)標(biāo)識(shí)和屬性名稱(chēng)提取屬性值，獲得公共信息；

2）采用深度優(yōu)先遍歷中的先序遍歷方法，遍歷根節(jié)點(diǎn)的子節(jié)點(diǎn)，獲取第1道工序模型標(biāo)識(shí)，通過(guò)標(biāo)識(shí)和屬性名提取工序基本信息和工裝基本信息等屬性信息；

3）通過(guò)上步獲取的第1道工序模型標(biāo)識(shí)繼續(xù)遍歷第1道工序模型所對(duì)應(yīng)的所有工步視圖，獲取工步基本信息；

組織提取出的工藝信息時(shí)，依據(jù)工藝信息模型將抽取的工藝信息利用XM L標(biāo)記建立不同工藝信息的描述和存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，以及三維工藝元素之間的映射關(guān)系。在編制XM L文件時(shí)，利用XM L Schema定義工藝信息模型，由于工藝信息模型實(shí)質(zhì)上是由工序、工步等工藝對(duì)象類(lèi)及其屬性相互關(guān)聯(lián)而成，所以利用XML Schema描述工藝信息模型時(shí)要遵循以下規(guī)則：

規(guī)則1：工藝對(duì)象類(lèi)映射為元素(element)，元素名稱(chēng)(name)為工藝對(duì)象類(lèi)的類(lèi)名，元素類(lèi)型(type)為由該對(duì)象建立的復(fù)合類(lèi)型。

規(guī)則2：對(duì)象之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系映射為元素與元素或元素與子元素的關(guān)系。

規(guī)則3：屬性值類(lèi)型不是對(duì)象或?qū)ο蠹系膶?duì)象類(lèi)屬性，則將其映射為元素的屬性(attribute)，屬性名映射為元素屬性名(name)，屬性值類(lèi)型映射為相應(yīng)值類(lèi)型(type)，如整型映射為integer，字符串和文本映射為string。

規(guī)則4：屬性值類(lèi)型是對(duì)象或?qū)ο蠹系膶?duì)象類(lèi)屬性，將其映射為元素的子元素。

規(guī)則5：建立映射時(shí)，由根節(jié)點(diǎn)對(duì)象展開(kāi)，將其映射為元素，其余的類(lèi)分別映射為相應(yīng)的子元素或?qū)傩浴?/p>

4 實(shí)例分析

根據(jù)上述方法，本文開(kāi)發(fā)了三維機(jī)加工藝設(shè)計(jì)原型系統(tǒng)，系統(tǒng)基于VC6.0以NX7.5為平臺(tái)進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，在三維工藝生成模塊以Adobe Acrobat[7]為平臺(tái)進(jìn)行三維工藝展示。以排氣導(dǎo)管前安裝邊零件為例，工藝人員在三維機(jī)加工藝設(shè)計(jì)環(huán)境下完成對(duì)零件的工藝設(shè)計(jì)和工藝MBD模型定義。生成三維工藝時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)將零件、工序模型、工步等的屬性信息導(dǎo)出成XML文件，并在XML文件中標(biāo)記相應(yīng)模型的位置，同時(shí)導(dǎo)出PRT格式的三維模型。系統(tǒng)在后臺(tái)打開(kāi)3D PDF并裝載模板、解析XML文件完成屬性信息填充以及三維模型導(dǎo)入，由于Adobe Acrobat平臺(tái)本身提供了處理三維模型的方法，最終生成的PDF文件中的三維模型將同時(shí)帶有PM I標(biāo)注，結(jié)果如圖4所示。

通過(guò)采用三維可視化工藝表示方法，將工藝屬性、工序?qū)傩约肮げ綄傩燥@示在表格中，其他工藝信息以PM I以及顏色區(qū)分的形式定義在模型中。車(chē)間人員能夠直觀的了解加工過(guò)程和工藝信息，并能交互操作三維模型。此方法不僅適用于機(jī)加工藝的表示，同樣適用于裝配工藝的表示。

圖3 工藝信息提取過(guò)程

圖4 應(yīng)用實(shí)例

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)傳統(tǒng)的二維工藝卡片設(shè)計(jì)方法存在二維工序圖繪制繁瑣，表達(dá)不夠直觀且易產(chǎn)生歧義等問(wèn)題，提出用三維可視化工藝代替?zhèn)鹘y(tǒng)二維工藝文件的方法。以三維工藝MBD模型替代傳統(tǒng)二維工藝簡(jiǎn)圖，使三維工序模型成為工藝信息的載體，以交互的方式完成工藝的瀏覽。本文在給出工藝MBD模型表示方法的基礎(chǔ)上構(gòu)建了面向工藝過(guò)程的工藝信息模型，并針對(duì)三維可視化工藝生成技術(shù)做了深入研究。最終達(dá)到提升機(jī)加工藝設(shè)計(jì)表達(dá)的直觀性和準(zhǔn)確性的目的。

[1] 劉明輝,黃利江.基于XML的無(wú)紙化工藝應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)[J].航空制造技術(shù),2009,(3):66-70.

[2] 王潔,劉檢華,劉偉棟,等. 虛擬裝配中幾何精度可視化及其實(shí)現(xiàn)技術(shù)[J/OL].計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng), http://www.cnki.net/kcm s/detail/11.3619.TP.20120215.1638.013.htm l.

[3] 張寶源,席平.三維標(biāo)注技術(shù)發(fā)展概況[J].工程圖學(xué)學(xué)報(bào),2011(4):74-79.

[4] 田富君,田錫天,李洲洋,等.基于輕量化模型的CAD/CAPP系統(tǒng)集成技術(shù)研究[J].計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng),2010,16(3):521-526．

[5] 王境宇,鄧立營(yíng).基于CATIA的產(chǎn)品定義信息三維表達(dá)及組織方法[J],制造業(yè)自動(dòng)化,2011,33(6):130-133.

[6] 舒啟林,王成恩. 基于產(chǎn)品全生命周期的工藝信息模型[J].航空制造技術(shù),2005,(3):84-91.

[7] 李世國(guó),賈銳,馬萍. 基于Acrobat 3D的產(chǎn)品虛擬展示設(shè)計(jì)[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2007,(3):69-71.