歐立銘， 徐曉剛， 孫元元

（海軍大連艦艇學(xué)院裝備自動(dòng)化系，遼寧 大連 116018）

協(xié)同虛擬維修是指在虛擬、共享的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，多個(gè)分散的用戶，共同對(duì)同一大型裝備進(jìn)行維修。大型裝備規(guī)模龐大，零部件多。協(xié)同虛擬維修的所有活動(dòng)是圍繞零件展開的，需要獲取零件的維修信息。因此，要把零件有關(guān)維修的信息組織起來。如果每個(gè)用戶都對(duì)零件的信息都做一個(gè)自主描述，那么勢(shì)必會(huì)造成其它用戶的理解障礙。如何有效組織這些零件信息，并支持多用戶異地共享是個(gè)問題。

目前，零件信息的描述方法有：分類編碼描述法、形面要素描述法、圖論描述法、特征描述法、拓?fù)涿枋龇ê椭R(shí)表示描述法等[1]。其中，特征描述法適宜描述比較復(fù)雜的非回轉(zhuǎn)體類零件。其思想是從零件的所有信息中抽象出一些能夠用通用要素和屬性組成特征集合，目的是提供一種統(tǒng)一的零件信息描述方式，實(shí)現(xiàn)零件信息在異地用戶間的傳輸、共享。人們根據(jù)應(yīng)用需求，對(duì)零件的特征做出了不同的定義。從事CAD的人，認(rèn)為特征包括草圖特征、放置特征和基準(zhǔn)特征等，以體現(xiàn)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)意圖[2]。從事CAPP的人，認(rèn)為特征包括形狀特征、精度特征、材料特征、技術(shù)特征和管理特征等，以反映設(shè)計(jì)者與制造者的意圖[3-4]。

維修是為保持或恢復(fù)產(chǎn)品處于可使用狀態(tài)所進(jìn)行的維護(hù)、保養(yǎng)、修理、改進(jìn)、翻修、檢查等活動(dòng)。因此，傳統(tǒng)的從設(shè)計(jì)、制造等應(yīng)用需求出發(fā)定義的零件特征模型不能滿足協(xié)同維修應(yīng)用需求。本文分析協(xié)同維修過程所需的信息，從零部件幾何關(guān)系等固有屬性出發(fā)，構(gòu)建了面向協(xié)同維修的虛擬樣機(jī)零件特征模型。

1 零件特征模型構(gòu)建

首先分析維修過程信息，提取出有用的信息組成特征集合，構(gòu)建特征模型，最后對(duì)特征模型進(jìn)行了形式化描述。

1.1 協(xié)同維修過程分析

協(xié)同維修是虛擬樣機(jī)—維修工具—維修人員三者之間的交互活動(dòng)，是更換或維修故障零部件為目的的部分拆裝活動(dòng)。每一步的拆裝活動(dòng)都是以零部件為中心，以解除零部件之間的約束關(guān)系為目的。進(jìn)一步說，拆裝是圍繞零部件的特征進(jìn)行的，即零件的固有屬性決定了需要的維修工具、維修人員等維修資源信息。因此，協(xié)同維修不需要零部件的尺寸、材質(zhì)等工藝制造信息，只需要由這些固有屬性決定的維修信息，具體包括零部件拆裝序列、拆裝工具、人員協(xié)作信息和拆裝方向等。

在分析協(xié)同維修過程所需信息后，下一步將這些提取出的有用信息組成特征集合，構(gòu)成零件特征模型。

1.2 零件維修特征模型

特征是根據(jù)應(yīng)用需求對(duì)真實(shí)零件的一些固有要素進(jìn)行的抽象。從自身需求出發(fā)定義的特征應(yīng)該符合其他人的應(yīng)用需求，這就要求特征能表示為某些更為基本的“通用特征”的組合。從協(xié)同維修的需求出發(fā)，本文的零件特征模型從拆裝規(guī)則和協(xié)作信息兩方面，抽取了拆裝序列、拆裝運(yùn)動(dòng)、人員角色和維修工具等特征（如圖1所示）。

圖1 零件維修特征模型

1）拆裝規(guī)則 從機(jī)械角度看，零件之間存在聯(lián)接、定位和傳動(dòng)等基本幾何關(guān)系。零件之間的這些幾何關(guān)系決定了維修時(shí)零件的拆裝順序以及零部件間為避免穿越所受到的運(yùn)動(dòng)約束。維修活動(dòng)就是依據(jù)零部件之間的幾何關(guān)系拆裝一系列零部件的過程。確定拆裝規(guī)則需要人們了解實(shí)體裝備的構(gòu)造，分析零部件間的幾何關(guān)系，熟悉實(shí)際維修過程。

2）協(xié)作信息 零件的協(xié)作信息包括人員角色特征和維修工具特征。協(xié)同維修中每個(gè)成員擔(dān)當(dāng)一定的角色，承擔(dān)一定的任務(wù)分工，相互之間密切配合，使整個(gè)維修活動(dòng)有序的進(jìn)行。同時(shí)，在拆裝零件過程中，需要的不同的工具。有的零件可以徒手拆卸，有的則需借助錘子、錐子、鉗子、扳手等工具。

大型裝備零件數(shù)目十分龐大。構(gòu)建一個(gè)完整的、滿足全程需求的零件特征模型需從分析實(shí)際維修中每個(gè)零件入手，其工作量巨大。本文采用面向?qū)ο蟮乃枷?，?duì)零件特征進(jìn)行分類建模，減少工作量。

1.3 面向?qū)ο蟮牧慵卣鹘?/h3>

文獻(xiàn)[5-6]提出了面向?qū)ο蟮奶卣鹘Ｋ枷?。其觀點(diǎn)是：以對(duì)象的觀點(diǎn)來分析現(xiàn)實(shí)世界中的問題，從普通人認(rèn)識(shí)世界的觀點(diǎn)出發(fā)，把事物歸類、綜合，提取共性并加以描述。本文采用上述思想對(duì)零件，根據(jù)特征進(jìn)行分類建模。其思路是：不同零件所具有的部分特征從其父類繼承，父類所具有的部分特征從某一些基類中繼承。這樣眾多的零件就可以用有序的語義關(guān)系聯(lián)接起來，避免重復(fù)建模，降低工作量。采用面向?qū)ο蠼Ｋ枷?，使用戶只需?duì)特征的外部接口參數(shù)進(jìn)行操作，而無須知道特征內(nèi)部具體的實(shí)現(xiàn)機(jī)制，使得建模在更高的語義層次上進(jìn)行。

1.4 特征模型的描述

本文以某型艦炮為例，將零件初步分為管、軸、齒輪和滑塊等4個(gè)基類。其中，管類所具有的性質(zhì)是：具有聯(lián)接幾何關(guān)系（具體可分螺紋聯(lián)接、楔聯(lián)接、銷聯(lián)接、鍵聯(lián)接、花鍵聯(lián)接、過盈配合聯(lián)接、彈性環(huán)聯(lián)接、鉚接、焊接和膠接等）。在其以下的長(zhǎng)管、套管和環(huán)等父類繼承了這一屬性。其中，環(huán)在具有這一屬性的同時(shí)，又具有特定屬性：使用工具且由單人拆卸。制動(dòng)環(huán)和密封環(huán)等都是環(huán)的實(shí)例。其中密封環(huán)在繼承環(huán)的屬性的同時(shí)，又具有特定屬性：使用卸環(huán)鉤拆卸（如圖2所示）。

圖2 零件特征建模及特征描述

從圖中可以看出防護(hù)罩的維修特征信息：防護(hù)罩是第1個(gè)要被拆卸的零件。拆卸時(shí)，需要3個(gè)人徒手合作拆卸。一個(gè)人抬著一個(gè)角，沿炮管方向移動(dòng)。

2 零件特征模型的數(shù)據(jù)映射

抽象的零件信息模型需要以某種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)和管理并實(shí)例化，才能在實(shí)際運(yùn)用時(shí)調(diào)用。本文創(chuàng)建的零件信息模型存儲(chǔ)在關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)中。首先要建立數(shù)據(jù)映射，將面向?qū)ο蟮牧慵卣髂Ｐ陀成涑申P(guān)系數(shù)據(jù)類型，最后再將特征模型映射成數(shù)據(jù)表。

2.1 零件特征模型的關(guān)系數(shù)據(jù)映射

關(guān)系數(shù)據(jù)模型中數(shù)據(jù)以表的形式存放，表里的數(shù)據(jù)類型是一種簡(jiǎn)單邏輯模型，數(shù)據(jù)簡(jiǎn)潔、獨(dú)立，但其無法表述對(duì)象的復(fù)雜語義[7]。所以必須在關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)和面向?qū)ο蟮膽?yīng)用系統(tǒng)中間增加對(duì)象映射層，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜產(chǎn)品對(duì)象向數(shù)據(jù)庫(kù)表的映射。利用關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)表達(dá)對(duì)象，通用方法為“映射法”[8-9]。即：一個(gè)類映射為一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)中的表格。表的列或字段對(duì)應(yīng)類的屬性，而行或列紀(jì)錄則對(duì)應(yīng)類的實(shí)例。在表格中，一個(gè)或幾個(gè)字段構(gòu)成，其值是紀(jì)錄的獨(dú)特標(biāo)識(shí)。如果類的屬性是一個(gè)組合類，則增加一個(gè)表格映射組合類。

2.2 零件特征模型的數(shù)據(jù)表映射

以Mysql數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)和管理零件信息模型，并構(gòu)建了某型艦炮協(xié)同虛擬維修系統(tǒng)。以拆卸防護(hù)罩為例，介紹零件特征模型如何用關(guān)系數(shù)據(jù)模型實(shí)例化。零件的拆裝序列特征、拆裝運(yùn)動(dòng)特征、人員角色特征和維修工具特征需要4個(gè)表，并通過表的主鍵碼（如ToolId, AccessoryID等）關(guān)聯(lián)來實(shí)現(xiàn)。其中，零件表是主表，字段TurnAxias，MotionType和MotionDis等共同表達(dá)了零件的拆裝運(yùn)動(dòng)特征。字段ToolId與工具表關(guān)聯(lián)，表達(dá)維修工具特征。零件表用主鍵碼(AccessoryID)與協(xié)作信息表、序列表關(guān)聯(lián)，表達(dá)了零件的人員協(xié)作特征和拆裝序列特征。

由以上關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)表，可得到防護(hù)罩的特征模型信息：

1）拆裝序列特征 由序列表知，防護(hù)罩可拆卸的條件是其本身處于安裝狀態(tài)。即沒有其他零件約束它，是第1個(gè)拆卸的零部件（在圖2中可看出）。

2）拆裝運(yùn)動(dòng)特征 為避免穿越，拆卸防護(hù)罩時(shí)，必須繞Z軸旋轉(zhuǎn)，并向右移動(dòng)3米。

3）人員角色特征 拆卸防護(hù)罩需要3個(gè)人，每人站在相應(yīng)位置并承擔(dān)相應(yīng)任務(wù)。

4）維修工具特征 防護(hù)罩只需徒手就可以拆卸。

3 應(yīng)用實(shí)例

系統(tǒng)選用Torque為三維引擎、MySQL為數(shù)據(jù)庫(kù)、Apache+PHP為后臺(tái)數(shù)據(jù)管理的方式開發(fā)。

在維修過程中，操作者通過外設(shè)控制虛擬人進(jìn)行維修操作。虛擬人選擇零件后，查詢數(shù)據(jù)庫(kù)，獲取了零件包括拆裝序列、拆裝運(yùn)動(dòng)、人員角色和維修工具等特征信息。當(dāng)系統(tǒng)判斷到條件都滿足后，拆卸進(jìn)行。如圖3(a)所示，3人合作拆卸防護(hù)罩。拆卸防護(hù)罩，需要3人合作徒手拆卸。拆卸時(shí)，防護(hù)罩必須沿炮管方向移動(dòng)，否則發(fā)生穿越。在圖3(a1)中，3人按照角色分工，一人在一個(gè)位置蹲下，準(zhǔn)備抬起防護(hù)罩。在圖3(a2)中，3人抬起了防護(hù)罩，沿炮管方向移動(dòng)。圖3(b), 圖3(c), 圖3(d), 圖3(e)為虛擬人拆卸護(hù)板、排殼器、啟動(dòng)器和密封圈等實(shí)例。

圖3 征模型在某型艦炮協(xié)同虛擬維修系統(tǒng)中的應(yīng)用

4 結(jié)束語

零件特征是從零件眾多信息中抽取出來的，用于滿足協(xié)同維修需求的信息組合，為參與協(xié)同的用戶提供了一個(gè)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。不同用戶按此模型創(chuàng)建的零件，都將包含這些必備的特征信息，能夠被其他用戶理解。把零件特征模型轉(zhuǎn)化成關(guān)系數(shù)據(jù)模型，存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中。異地用戶通過訪問數(shù)據(jù)庫(kù)，就可獲得零件特征信息，可以實(shí)現(xiàn)零件信息異地傳輸與共享。

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