面向自制件工藝的擴展設計BOM構建

王廷軍，崔嘉超，張 克

（中國船舶重工集團公司第七一三研究所，鄭州 450015）

0 引言

傳統的工藝設計過程為，結構設計工程師在CAD系統中完成產品設計后，將產品設計BOM及其圖文檔提交PDM系統審核。審核通過后，產品數據將被傳入CAPP系統，工藝設計人員利用CAPP系統以創生或派生的方式編制自制件加工工藝。傳統工藝設計過程如圖1所示。

圖1 傳統的工藝設計過程

零件加工工藝規程的制定是以零件工藝特征信息為依據。傳統的人工查詢圖紙獲取工藝特征信息的方式效率低。從提高工藝設計效率角度出發，要求將工藝特征信息從圖文檔中提取出來，傳遞給CAPP系統，并以設計BOM為基礎構建起一個可以囊括零件特征信息的BOM結構。

1 零件特征信息模型

1978年6月由麻省理工學院Gossard教授在《CAD零件的特征表示》一文中首次提出特征概念[1]。在此之后國內外學者從不同視角對特征技術進行了研究，并分別從面向設計、面向制造和面向工藝設計等多方面對特征做出了不同的定義。

為適應CAD/PDM/CAPP系統集成的需要，有的學者提出特征應該是信息的集合，其中劉漩教授[2]給出的特征定義為“攜帶著各種工程信息，并具有某種工程功能的命名幾何體”。特征是一組與產品描述相關的信息的集合。這些信息不僅包括零件的幾何拓撲信息，還包括零件工藝約束信息等非幾何信息。依據不同的分類標準對特征進行分類，可以得到不同的特征分類結果。從面向工藝設計的角度出發，特征可以分為形狀特征、精度特征、材料特征、裝配特征等。

工藝設計人員編制零件加工工藝需考慮材料、零件特征信息、企業現有的制造資源統稱為工藝特征信息，這些信息分散的存在于和產品相關的圖文檔中。為滿足工藝設計人員在制定自制件加工工藝時快速查詢工藝約束條件的需求，需要對產品設計BOM進行擴展形成囊括工藝特征信息的擴展設計BOM。

1.1 擴展設計BOM信息結構模型

產品設計BOM的末級節點為零件，擴展設計BOM的末級節點為零件工藝特征信息。以產品設計BOM為基礎構建產品擴展設計BOM需要將產品設計BOM中的末級節點零件按分段和特征進行再分解，在形式上形成零件—分段—特征三個層級。參照形狀特征的劃分標準，將工藝特征信息分為零件級、分段級和特征級等三個等級。從全局上、整體上對自制件進行描述和要求的工藝約束信息如整體尺寸、零件材料等信息定義為零件級工藝特征信息；用于描述各個分段加工制造后需要達到的幾何狀態的工藝特征信息定義為分段級工藝特征信息；針對零件局部進行描述的工藝特征信息定義為特征級工藝特征信息。軸類零件典型結構層次劃分和工藝約束信息等級劃分如圖2所示。

圖2 軸類零件典型結構層次劃分和工藝約束信息等級劃分

面向自制件工藝的擴展設計BOM，需要在產品設計BOM所包含信息的基礎上增加對自制件結構層次劃分信息、工藝特征信息等級劃分信息、工藝特征信息與其約束對象的關聯關系信息的表達。為了清楚的表達上述信息，面向自制件工藝的擴展EBOM應具有以下特點：

1）面向自制件工藝的擴展EBOM要能夠反映諸如線性尺寸、尺寸公差、形狀和位置公差以及粗糙度等工藝約束信息。

2）面向自制件工藝擴展EBOM數據傳遞給CAPP系統后能夠以可視化的樹形結構顯示，并可以實現和CAD工程圖文檔標注信息的聯動。

3）面向自制件工藝的擴展EBOM要能夠反映出自制件在結構上的層次劃分、工藝約束信息的等級劃分、工藝約束信息和自制件實體的關聯關系。

面向自制件工藝的擴展EBOM信息結構模型如圖3所示。

1.2 擴展EBOM的數據結構

依據面向自制件工藝的擴展EBOM和產品設計BOM的區別，利用關系型數據庫記錄面向自制件工藝的擴展設計BOM，需要在產品設計BOM記錄的基礎上，通過增加層級關系表和節點屬性表來描述。層級關系表用于描述特征、分段和自制件之間的從屬關系。節點屬性表用于描述每個節點對應的工藝約束條件。層級關系表如表1所示，節點屬性表如表2所示。

圖3 面向自制件工藝的擴展EBOM信息結構模型

表1 擴展設計BOM的層級關系表

表2 擴展EBOM的節點屬性表

2 信息關聯與擴展設計BOM的形成

將圖文檔中的工藝約束信息提取出來，并與其約束對象關聯，從而構建基于產品設計BOM的面向自制件的工藝擴展設計BOM。需要利用CAD系統提供的API函數開發智能識別模塊。利用該智能識別模塊完成工藝約束信息的提取和對應關聯。智能識別模塊結構圖如圖4所示。

圖4 智能識別模塊結構圖

自制件的分段，要依據國家或行業標準或企業的工藝習慣。對于常見的零件類型，如軸類零件、箱體零件、盤類零件等，每種分類選取一個典型零件，由企業組織有經驗的設計人員對其進行分段，分段方案通過評審后進行存檔。當需要對新的零件進行分段劃分時，設計人員可以參照存檔的分段實例進行劃分。

本文采用基于規則的特征識別方法進行特征識別。通過定義特征的邊界語義對特征進行描述，例如孔特征可以描述為：孔開始于一個入口，孔面共軸，孔的所有面順序相連，孔終止于一個有效的孔底面。采用相同的方法對盡可能多的特征進行描述，并將特征描述存儲在數據庫中，形成特征描述集。利用基于CAD系統二次開發的智能識別模塊，將零件邊界語義和智能識別模塊的特征描述集進行比較，從而識別出零件的特征。按遍歷到的先后順序為特征進行編號。同時將該編號以擴展屬性的方式附加在特征以及特征包括的所有圖元上，該擴展屬性被命名為“xuhao”。

結構設計工程師完成零件結構設計后，為保證零件加工制造后可以實現設計功能，需要對零件工程圖中的圖元進行約束。工藝約束信息和零件圖元間關聯關系的建立也正是在工藝約束信息標注過程中實現的，擴展信息標注界面如圖5所示。

圖5 擴展信息標注界面

工藝屬性信息的標注是利用屬性塊的方法實現的。利用ObjectARX語言將各種工藝約束信息的標注定義為帶有屬性的圖塊[3]，并為帶有屬性的圖塊以及屬性塊中每一個關聯屬性命一個具有確定意義的名字如“cucaodu”等。工藝約束條件的標注需要完成兩方面的工作，一方面將工藝特征值賦給工藝約束屬性快的對應屬性；另一方面在點擊圖元時將激發出“擴展信息標注”的人機交互界面，定義標注的工藝約束條件的等級。工藝約束信息的等級信息、所屬特征的名稱信息、所屬分段的名稱信息以擴展屬性的方式和工藝約束條件屬性塊關聯，并將它們分別命名為“dengji”、“tezheng”和“fenduan”。經過工藝約束信息標注之后將在零件工程圖中形成一個工藝約束信息集。工藝約束信息集的結構模型如圖6所示。

利用工藝特征信息和擴展信息標注模塊進行標注[5]，自制件的工程圖中包含三個方面的信息。

1）工藝約束信息的等級劃分。

2）工藝約束信息與所屬的零件或分段或特征的映射關系。

3）零件、分段、特征間的隸屬關系。

因此完成工藝約束信息的標注之后，圖文檔中已經具有在產品設計BOM的基礎上構建面向自制件工藝的擴展設計BOM的所需的全部信息。

圖6 工藝約束信息結構模型

3 信息提取與面向自制件工藝的擴展EBOM的形成

通過遍歷零件圖中的每一個工藝約束信息屬性塊[4]，讀取CAD工程圖中每一個屬性塊的屬性信息和擴展屬性信息獲取工藝特征信息以及和被約束對象的關聯關系，將圖元層次關系寫入層次關系表，將零件圖元和工藝約束信息關聯關系寫入節點屬性表，就可以在PDM系統中構建起面向自制件的擴展設計BOM。下面分三種情況進行討論層次關系表和節點屬性表的寫入情況，擴展EBOM信息信息提取如圖7所示。

當遍歷到的某一工藝特征信息圖塊其擴展屬性名為“dengji”的擴展屬性值為“分段級”，則該工藝特征信息的等級屬分段級，即該工藝特征信息的約束對象為分段。層次關系表中描述該分段的記錄為：提取自制件的零件名寫入“父項名稱”字段，提取工藝約束信息屬性塊關聯的擴展屬性名為“fenduan”的擴展屬性的屬性值寫入“子項名稱”字段。同時將工藝約束信息圖塊的屬性信息寫入節點屬性表的各個屬性項，將被約束對象的名稱寫入節點屬性表的“節點名稱”字段。

當遍歷到的某一工藝特征信息圖塊其擴展屬性名為“dengji”的擴展屬性值為“特征級”，則該工藝特征信息是特征級，即該工藝特征信息的約束對象為特征。層次關系表中描述該分段的記錄為：取工藝約束信息屬性塊關聯的擴展屬性名為“fenduan”的擴展屬性的屬性值寫入“父項名稱”字段，提取工藝約束信息屬性塊關聯的擴展屬性名為“tezheng”的擴展屬性的屬性值寫入“子項名稱”字段。同時將工藝約束信息圖塊的屬性信息寫入節點屬性表的各個屬性項，將被約束對象的名稱寫入節點屬性表的“節點名稱”字段。

當遍歷到的某一工藝特征信息圖塊其擴展屬性名為“dengji”的擴展屬性值為“零件級”，則該工藝特征信息是零件級，即該工藝特征信息的約束對象為自制件整體。層次關系表中描述該分段的記錄為：將“null”字符寫入“父項名稱”字段，提取自制件的零件名寫入“子項名稱”字段，同時將工藝約束信息圖塊的屬性信息寫入節點屬性表的各個屬性項，將被約束對象的名稱寫入節點屬性表的“節點名稱”字段。

經過市場調查獲得客戶需求、基于客戶需求進行產品設計、提取圖紙信息形成產品設計BOM、產品設計BOM基礎上經過兩分解一關聯形成擴展設計BOM。經過上述環節，形成的產品設計BOM可以作為CAD系統和PDM系統間的集成橋梁，面向自制件的擴展設計BOM可以作為CAD系統和CAPP系統集成的橋梁。從而為企業構建統一的產品數字化設計平臺做好了數據上的準備。

圖7 擴展EBOM信息提取

圖8 面向自制件工藝的擴展EBOM的形成

4 結束語

本文首先對構建擴展EBOM的必要性和面向自制件工藝的擴展EBOM的功能和結構特點進行了分析，并據此定義了面向自制件工藝的擴展EBOM的樹形結構及節點屬性表。最后對基于產品設計BOM構建面向自制件工藝的擴展設計BOM的實現方法進行論述。