基于特征本體的三維工序模型生成方法研究

曹文鋼，張乃鵬，姜康，張紅旗，王璐

(1. 合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，安徽合肥230009;2. 中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所，安徽合肥230031)

隨著三維CAD 技術(shù)在企業(yè)數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造中的廣泛推廣和應(yīng)用，傳統(tǒng)的二維CAPP 系統(tǒng)已不能滿足工藝設(shè)計(jì)與管理的需要。在三維環(huán)境下進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)、工藝資源管理、工藝知識表達(dá)等已成為企業(yè)工藝信息化發(fā)展的新需求。發(fā)展3D-CAPP 的關(guān)鍵技術(shù)之一是三維工序模型的構(gòu)建和表達(dá)。現(xiàn)階段針對工序模型表達(dá)的研究主要停留在單一地運(yùn)用三維CAD 系統(tǒng)交互建模的層面上［1－2］，沒有將工藝設(shè)計(jì)知識充分融入到建模過程中，導(dǎo)致建模效率低下，不便于信息的集成和3D-CAPP 技術(shù)的推廣。針對上述問題，提出了一種借助CAM 加工仿真軟件、面向工藝知識本體生成工序模型的方法。充分運(yùn)用本體知識引導(dǎo)工序模型的構(gòu)建，以此來提高三維工藝設(shè)計(jì)的效率和工藝信息的表達(dá)能力，為3D-CAPP 技術(shù)的研究與應(yīng)用提供更有利的技術(shù)支持。

1 特征本體的構(gòu)建和表達(dá)

工藝知識的有效組織和管理是高效構(gòu)建工序模型的重要前提。作者采用基于制造特征的工藝知識管理方法［3］，在對企業(yè)產(chǎn)品零件特征進(jìn)行分析、歸納的基礎(chǔ)上，將零件的制造特征進(jìn)行分類管理，創(chuàng)建企業(yè)的零件特征庫。然后再對企業(yè)的工藝知識進(jìn)行組織、分類，將制造特征與該特征相關(guān)的工藝知識相關(guān)聯(lián)，并將典型特征及其關(guān)聯(lián)的工藝知識封裝為特征本體。通過構(gòu)建特征本體來組織和表達(dá)工藝知識、反映工藝知識之間的聯(lián)系，并以此來引導(dǎo)工序模型的構(gòu)建。特征本體是對特征工藝知識的描述和總結(jié)。特征本體的構(gòu)建過程就是從工藝知識中提取與制造特征相關(guān)聯(lián)的概念、關(guān)系和屬性，并合理地組織和表達(dá)的過程。特征本體的結(jié)構(gòu)可由一個(gè)四元組表示［4］:

FI 表示特征的標(biāo)識信息，包括特征所屬零件、特征ID 號、特征加工次序等基本信息。C 表示特征加工領(lǐng)域的相關(guān)概念集合，包括特征加工方法類、機(jī)床類、夾具類、刀具類等。R 為所定義概念間的關(guān)系集合，包括繼承關(guān)系、并列關(guān)系以及特征加工時(shí)所涉及的基準(zhǔn)關(guān)系、定位關(guān)系、約束關(guān)系等。A 為概念和關(guān)系的屬性集合，屬性是對所定義類的性質(zhì)描述，如機(jī)床的基本屬性包括機(jī)床編號、名稱、主軸轉(zhuǎn)速、最大功率等。

基于上述思想完成典型零件特征本體的創(chuàng)建，并通過OWL (Ontology Web Consortium)本體描述語言對特征本體進(jìn)行編碼，將本體中定義的概念、關(guān)系和屬性映射到具體的工藝知識載體中，如數(shù)據(jù)庫文件［5］。得到的本體映射文件可以輔助CAM 加工仿真軟件進(jìn)行特征建模操作，實(shí)現(xiàn)特征本體信息向機(jī)加工操作的映射，為三維工序模型的生成提供輔助支持。

2 三維工序模型的構(gòu)建流程

工序模型的生成過程就是一種三維模型隨工序內(nèi)容不斷演變的動(dòng)態(tài)創(chuàng)成過程。通過特征本體信息的引導(dǎo)、借助CAM 軟件的建模仿真功能實(shí)現(xiàn)工序模型的生成。三維工序模型整體構(gòu)建框架如圖1 所示。

圖1 三維工序模型整體構(gòu)建框架

2.1 設(shè)計(jì)模型向毛坯模型的轉(zhuǎn)換

三維工序模型的生成始于毛坯模型，設(shè)計(jì)模型向毛坯模型的轉(zhuǎn)換是設(shè)計(jì)模型向工序模型轉(zhuǎn)換的第一步，也是生成三維工序模型的關(guān)鍵技術(shù)之一［6］。從制作的角度來考慮，零件模型可以看成是由一系列加工活動(dòng)逐步對毛坯模型進(jìn)行切削加工后形成的。設(shè)Mb代表毛坯制造模型，Md代表零件設(shè)計(jì)模型，Pij為第i道工序加工出的第j 個(gè)制造特征，n 代表總的工序數(shù)，Si為第i 組工序加工出的特征數(shù)，Mbk代表中間工序模型，則零件的加工制造過程可表達(dá)為:

第k 道工序的工序模型為:

生成工序模型的過程就是先通過設(shè)計(jì)模型求解毛坯模型，再由毛坯模型還原設(shè)計(jì)模型，并在還原設(shè)計(jì)模型的過程中結(jié)合特征本體信息完成加工特征創(chuàng)建，生成中間工序模型。文中選擇Pro/ENGINEER 軟件中的數(shù)控加工模塊(Pro/NC 模塊)作為CAM 建模仿真平臺實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)模型向毛坯模型的轉(zhuǎn)換。Pro/NC 模塊可以提供車削、銑削、鉆削、線切割等多種仿真加工和編程功能。在創(chuàng)建制造模型方面提供了特征驅(qū)動(dòng)、實(shí)體驅(qū)動(dòng)、曲面驅(qū)動(dòng)等CAM 驅(qū)動(dòng)模型，能使加工模型的建立和刀具軌跡的編輯修改實(shí)現(xiàn)參數(shù)化［7］。因此，借助Pro/NC 模塊來輔助生成三維工序模型能達(dá)到良好的應(yīng)用效果。通過Pro/NC 模塊轉(zhuǎn)換得到的毛坯模型能夠繼承原設(shè)計(jì)模型中的信息，再借助二次開發(fā)的三維工序模型輔助生成工具對原模型的尺寸邊界、公差及一些數(shù)控特征進(jìn)行修正，即可保證CAD和CAM 之間信息的有效集成和共享。

2.2 基于特征本體信息的NC 加工操作設(shè)置

通過二次開發(fā)三維工序模型輔助生成工具，借助外部數(shù)據(jù)庫文件與Pro/NC 模塊之間創(chuàng)建接口的Pro/Toolkit 應(yīng)用程序可以實(shí)現(xiàn)特征本體映射文件的調(diào)用，輔助Pro/NC 模塊加工操作的設(shè)置。例如通過刀具應(yīng)用管理程序，可搜索切削刀具并將和刀具相關(guān)的參數(shù)及加工數(shù)據(jù)從外部刀具數(shù)據(jù)庫傳遞到Pro/NC 模塊，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)本體文件信息向NC 制造操作的映射。特征本體中的加工方法可以映射為Pro/NC 模塊中的車削、銑削等加工命令，工藝參數(shù)可以映射為NC 建模幾何參數(shù)，工藝要求和輔助工藝可以映射為三維環(huán)境下的工藝信息標(biāo)注。在特征本體映射文件的引導(dǎo)下，采用特征分解造型方法，通過在毛坯模型上進(jìn)行一系列的布爾減操作，也就是在Pro/NC 模塊下通過創(chuàng)建與材料切除過程相對應(yīng)的加工特征將毛坯模型轉(zhuǎn)換為各工序模型。完成相應(yīng)特征的NC 序列設(shè)置后，Pro/NC 模塊會(huì)根據(jù)規(guī)劃好的加工過程，自動(dòng)生成刀具軌跡數(shù)據(jù)，并可實(shí)現(xiàn)數(shù)控加工程序的輸出。特征本體信息向NC 操作命令的映射如圖2 所示。

圖2 特征本體信息向NC 操作命令的映射

2.3 工序模型配置管理

三維工序模型是加工中間狀態(tài)模型的有向序列。為了實(shí)現(xiàn)前后工序模型間的有效銜接和演化，利用Pro/ENGINEER 軟件的配置管理功能，通過程序控制和特征回退技術(shù)相結(jié)合的方式，建立配置與特征的對應(yīng)關(guān)系［8］。一個(gè)工序模型可能對應(yīng)一個(gè)或幾個(gè)加工特征。利用工序模型和加工特征節(jié)點(diǎn)的對應(yīng)關(guān)系，調(diào)整程序設(shè)計(jì)指針回退到指定的特征節(jié)點(diǎn)處，以此來隱含或隱藏節(jié)點(diǎn)后面的特征生成當(dāng)前工序的工序模型。按此方法配置的工序模型完全是按照零件的機(jī)械加工順序從毛坯模型中派生出的，能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)計(jì)和制造信息的有效集成和共享。

3 實(shí)例分析

基于上述方法，開發(fā)了三維工序模型輔助生成模塊，并以某軸類零件為例來驗(yàn)證生成三維工序模型的可行性。先通過模型轉(zhuǎn)換生成軸類零件的毛坯模型，然后在Pro/NC 模塊下調(diào)整毛坯尺寸，參照軸類零件特征本體映射文件完成NC 加工設(shè)置，依次創(chuàng)建軸類零件各加工特征。

借助三維工序模型輔助生成模塊和Pro/ENGINEER 軟件的配置功能，以備料毛坯為出發(fā)點(diǎn)，參照軸類零件加工特征與工序模型間的對應(yīng)關(guān)系劃分配置，每個(gè)配置下的特征就是這道工序的加工內(nèi)容，如“拉伸6”特征就是銑鍵槽工序?qū)?yīng)的加工內(nèi)容。該零件的特征配置界面如圖3 所示。

圖3 軸類零件的特征配置界面

通過配置加工特征與工序模型的對應(yīng)關(guān)系即可借助程序控制生成只包含當(dāng)前加工特征的工序模型。軸類零件特征本體信息及對應(yīng)的工序模型如表1 所示。

表1 特征本體信息與工序模型對照表

4 結(jié)束語

產(chǎn)品全三維工序模型的構(gòu)建技術(shù)是三維集成化CAPP 系統(tǒng)研究的重要內(nèi)容之一，是實(shí)現(xiàn)CAD/CAPP/CAM 集成的關(guān)鍵一環(huán)。通過構(gòu)建特征本體實(shí)現(xiàn)工藝知識向Pro/NC 模塊特征建模操作的轉(zhuǎn)化，闡述了三維工序模型的構(gòu)建邏輯和建模流程，并以軸類零件為例進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明該建模方法具有一定的實(shí)用性，對3D-CAPP 系統(tǒng)的研究具有借鑒意義。實(shí)現(xiàn)三維工序模型的構(gòu)建表達(dá)后，以后的研究重點(diǎn)將是工序模型的三維工藝信息標(biāo)注及可視化發(fā)布技術(shù)，以便為后續(xù)三維工藝技術(shù)的實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

【1】王恒，寧汝新.面向制造的特征設(shè)計(jì)和工序圖的自動(dòng)生成［J］.北京理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，24(5):395 －396.

【2】何寶興，鄭國磊，王自軍.基于產(chǎn)品三維模型的工藝幾何特征快速建模方法［J］. 航空精密制造技術(shù)，2009，45(1):50 －52.

【3】吳濤，張振明，耿俊浩.基于制造特征的工藝知識管理技術(shù)研究［J］.中國制造業(yè)信息化，2011，40(7):5 －7.

【4】馬安，王寧生，劉建剛.基于本體的CAPP 知識庫管理系統(tǒng)研究［J］.機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2007，26(7):876 －877.

【5】高煥明，郭明哲，張瑜，等.基于本體的工藝知識管理方法研究［J］.機(jī)械工程師，2009(3):64 －65.

【6】王宗彥，吳淑芳，秦慧斌.零件的設(shè)計(jì)模型向毛坯模型轉(zhuǎn)換技術(shù)研究［J］. 計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，2004，10(6):621 －622.

【7】姜洪奎，張蔚波，蘇樹朋.Pro/ENGINEER Wildfire5.0 數(shù)控加工行業(yè)應(yīng)用實(shí)踐［M］. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2010:1 －3.

【8】景海平.基于CAD/CAPP 集成環(huán)境的工序圖自動(dòng)生成技術(shù)研究［J］. CAD/CAM 與制造業(yè)信息化，2009(12):94 －95.