汪 驥， 謝睿聰， 李 瑞， 劉 曉， 宋宜倫

(1.大連理工大學(xué) 工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 遼寧 大連 116024；2.高新船舶與深海開發(fā)裝備協(xié)同創(chuàng)新中心， 上海 200240；3.大連市第二十四中學(xué)， 遼寧 大連 116001)

船體零件工藝信息可視化校驗(yàn)方法

汪 驥1,2， 謝睿聰1， 李 瑞1， 劉 曉1， 宋宜倫3

(1.大連理工大學(xué) 工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 遼寧 大連 116024；2.高新船舶與深海開發(fā)裝備協(xié)同創(chuàng)新中心， 上海 200240；3.大連市第二十四中學(xué)， 遼寧 大連 116001)

在目前基于Tribon的船舶生產(chǎn)設(shè)計(jì)中，船體零件信息分散記錄在多個(gè)文件中，加工工藝信息在二維設(shè)計(jì)視圖中僅以文字標(biāo)注形式顯示，既不利于工藝信息的觀察，也不利于設(shè)計(jì)人員的檢查校驗(yàn)，因此零件工藝信息可視化校驗(yàn)方法的研究對(duì)船體零件工藝信息可視化應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。對(duì)船體零件工藝信息進(jìn)行分析，建立零件生產(chǎn)信息與外形工藝信息的映射關(guān)系；研究船體零件工藝信息可視化校驗(yàn)方法，確定平面外形工藝信息以及局部三維立體校驗(yàn)方案；開發(fā).NET環(huán)境下的船體零件工藝信息可視化校驗(yàn)軟件系統(tǒng)。

船體零件；工藝信息；可視化校驗(yàn)；.NET環(huán)境

0 引言

產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理(Product Data Management,PDM)是一項(xiàng)用來(lái)管理所有與產(chǎn)品相關(guān)信息(包括零件信息、配置、文檔、CAD文件、結(jié)構(gòu)、權(quán)限信息等)和所有與產(chǎn)品相關(guān)過(guò)程(包括過(guò)程定義和管理)的技術(shù)。該技術(shù)不僅可以提高生產(chǎn)效率，有利于對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行管理，還加強(qiáng)了對(duì)于文檔、圖紙、數(shù)據(jù)的利用，使工作流程規(guī)范化。

近年來(lái)，許多學(xué)者針對(duì)制造數(shù)據(jù)管理進(jìn)行了廣泛探索。蔣輝[1]提出了基于物料項(xiàng)清單演變的制造數(shù)據(jù)管理，但其缺乏對(duì)制造過(guò)程幾何信息的定義和解釋，無(wú)法支持制造全過(guò)程數(shù)字化需求。王建濤[2]建立了一個(gè)集零件信息、材料庫(kù)、標(biāo)準(zhǔn)件于一體的基于PDM集成化數(shù)據(jù)管理模型，體現(xiàn)出信息集成的思想，卻因船體零件工藝性特色而受到了應(yīng)用上的限制。EYNARD等[3]提出了基于統(tǒng)一建模語(yǔ)言的建模方法。周丹晨等[4]提出基于Web的制造數(shù)據(jù)集成化管理思想，利用網(wǎng)絡(luò)化制造技術(shù)和動(dòng)態(tài)服務(wù)器網(wǎng)頁(yè)技術(shù)開發(fā)了制造數(shù)據(jù)集成管理系統(tǒng)。吳濤等[5]研究了基于網(wǎng)絡(luò)化制造數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和傳輸技術(shù)，建立了一種網(wǎng)絡(luò)化的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和傳輸模式。

然而，在目前基于Tribon的船舶生產(chǎn)設(shè)計(jì)中，PDM技術(shù)的應(yīng)用尚不成熟，零件信息分散記錄，且零件的加工工藝信息在二維設(shè)計(jì)視圖中僅以文字標(biāo)注形式顯示，不利于工藝信息的觀察，也不利于檢查校驗(yàn)。因此，研究零件工藝信息及其可視化校驗(yàn)并開發(fā)相應(yīng)的軟件顯得尤為重要。

本文對(duì)船體零件工藝信息進(jìn)行分析，建立零件生產(chǎn)信息與外形工藝信息的映射關(guān)系，研究船體零件工藝信息可視化校驗(yàn)方法，確定平面外形工藝信息以及局部三維立體校驗(yàn)方案，并在.NET環(huán)境下開發(fā)船體零件工藝信息可視化校驗(yàn)軟件系統(tǒng)。

1 船體零件信息分析

在船舶制造過(guò)程中大量使用格式為DBF的數(shù)據(jù)庫(kù)文件，解決其存儲(chǔ)方案實(shí)質(zhì)上就解決了其他文件格式的存儲(chǔ)問(wèn)題[6]。在當(dāng)前的生產(chǎn)過(guò)程中，每個(gè)分段下都有對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)文件DBF文件，用于定義和存儲(chǔ)本分段下所有專業(yè)層次的數(shù)據(jù)信息。分段下零件信息數(shù)據(jù)庫(kù)文件“分段號(hào).DBF”中包含了該分段下所有專業(yè)層次的零件數(shù)據(jù)信息，每個(gè)零件數(shù)據(jù)記錄中包含多個(gè)字段，比如件號(hào)、名稱、下料方式、厚度、材質(zhì)、規(guī)格、左右舷信息等。

在存放分段零件相關(guān)文件的文件夾“分段號(hào)數(shù)切件”中，數(shù)據(jù)庫(kù)表文件“分段號(hào).TAB”主要定義了零件號(hào)與零件繪圖交換文件DXF文件的映射關(guān)系。

為了滿足對(duì)零件基本信息的瀏覽查看需求進(jìn)一步的可視化操作，從數(shù)據(jù)庫(kù)文件以及表文件中抽象生成單個(gè)零件的生產(chǎn)信息描述對(duì)象BoatComponent。該描述對(duì)象包含了零件繪圖交換文件與零件生產(chǎn)信息數(shù)據(jù)庫(kù)文件之間的映射關(guān)系。

首先，需解析數(shù)據(jù)庫(kù)文件，生成該分段下所有數(shù)控套料零件的生產(chǎn)信息描述對(duì)象集合；然后，解析數(shù)控專業(yè)下的表文件，讀取控零件的數(shù)據(jù)庫(kù)文件屬性值，同樣生成零件生產(chǎn)信息對(duì)象集合；最后，將表文件生成的零件生產(chǎn)信息集合與TAB文件生成的零件生產(chǎn)信息集合結(jié)合起來(lái)，根據(jù)“件號(hào)”屬性，將兩個(gè)集合的對(duì)象合并為一個(gè)集合，如圖1所示。

圖1 計(jì)算完整零件生產(chǎn)信息流程

通過(guò)上述方法，最終能夠建立零件生產(chǎn)信息與外形工藝信息的映射關(guān)系，如圖2所示。

圖2 零件信息數(shù)字化描述對(duì)象

2 船體零件工藝信息可視化校驗(yàn)方法

2.1 平面外形工藝信息可視化校驗(yàn)方法

每個(gè)DXF文件對(duì)應(yīng)一個(gè)零件，文件中定義了該零件外形工藝信息，包括：外板構(gòu)件形狀、尺寸和相互位置信息；內(nèi)孔形狀、尺寸和位置信息；坡口位置、定位線、裝配線等數(shù)據(jù)信息。為了構(gòu)建零件的外形工藝信息描述對(duì)象，需要先導(dǎo)入DXF文件，將需要的相關(guān)零件信息數(shù)據(jù)從DXF文件中定義的圖形元素中解析出來(lái)，生成數(shù)字化的信息對(duì)象，然后再對(duì)其進(jìn)行研究和轉(zhuǎn)換，構(gòu)建可用于二維和三維可視化的零件外形工藝信息數(shù)字化描述對(duì)象。

DXF文件是由很多“組碼”和“值”組成的“數(shù)據(jù)對(duì)”構(gòu)造而成的。對(duì)DXF文件的解析流程基本是逐行讀取數(shù)據(jù)，判斷組碼含義，并將其后的值存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)對(duì)象中。本文應(yīng)用的DXF文件組碼格式為設(shè)計(jì)人員特殊定義的格式。根據(jù)解析DXF文件生成的一系列DxfEntityData數(shù)據(jù)集合，依據(jù)每項(xiàng)數(shù)據(jù)的零件信息類別屬性，將該DxfEntityData數(shù)據(jù)集合轉(zhuǎn)換為描述零件外形工藝信息描述對(duì)象ComponentDxfData。

對(duì)DXF文件中解析生成的零件外形工藝信息描述對(duì)象進(jìn)行分析，將其轉(zhuǎn)換為適用于.NET環(huán)境的Windows窗體應(yīng)用開發(fā)平臺(tái)下圖像設(shè)備接口GDI+的數(shù)據(jù)，繪制零件的平面預(yù)覽視圖，顯示零件的表面劃線、定位、開孔、輪廓信息以及加工位置，繪制零件平面設(shè)計(jì)圖形的流程(見(jiàn)圖3)，其中關(guān)鍵技術(shù)是確定坐標(biāo)變換的算法。

圖3 繪制零件平面設(shè)計(jì)圖形流程

DXF文件中坐標(biāo)使用的是世界坐標(biāo)系，而Windows窗體顯示坐標(biāo)則是使用屏幕坐標(biāo)系。由于坐標(biāo)系不同，在Windows窗體顯示零件平面設(shè)計(jì)圖形之前必須進(jìn)行坐標(biāo)變換。在此基礎(chǔ)上，為了保證繪制的圖形清晰醒目并可以按照設(shè)計(jì)人員的操作進(jìn)行放大縮小，需要將圖形繪制在屏幕中心，且支持縮放。因此，坐標(biāo)變換的算法包含了2個(gè)方面：世界坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為屏幕坐標(biāo)系，動(dòng)態(tài)計(jì)算坐標(biāo)以實(shí)現(xiàn)縮放和居中顯示需求。

點(diǎn)的坐標(biāo)變換是最基本的變換算法。繪制零件圖形需要涉及到線、圓弧、文字、標(biāo)注坡口以及切割坡口數(shù)據(jù)，應(yīng)用的坐標(biāo)以及角度變換機(jī)制也會(huì)有所不同。

2.2 局部三維立體可視化校驗(yàn)

與船體零件平面外形繪制相類似，在采用OpenGL繪制三維示意圖形時(shí)，涉及到零件的表面劃線、定位、開孔、輪廓信息以及加工位置的顯示。下面以船體零件坡口為例介紹局部三維立體可視化的方案及校驗(yàn)。

圖4是零件坡口的標(biāo)準(zhǔn)形式，它參考了HANA和Tribon坡口的表示方式。坡口表達(dá)式中各字母定義唯一，既有利于對(duì)坡口進(jìn)行分類和記憶，又有利于用計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算和管理。坡口全稱:

DyyKwwSmmNnnAaLxx1BbLxx2。

其中大寫字母代表的含義如下：D為坡口根；K為根距底邊的距離 (封閉尺寸﹑重復(fù)尺寸略)；S為上坡口角度；N為下坡口角度；A為上表面削斜；B為下表面削斜；L為坡口削斜長(zhǎng)度。

圖4 零件坡口標(biāo)準(zhǔn)形式

為了方便三維坡口圖形的計(jì)算和繪制，定義三維坡口圖形以立方體為基礎(chǔ)，結(jié)合坡口參數(shù)的運(yùn)算，在立方體上進(jìn)行“切割”，最終形成準(zhǔn)確的坡口圖形，如圖5所示。

圖5 基礎(chǔ)立方圖與三維坡口圖形的變換

利用OpenGL創(chuàng)建不同的多邊形和四邊形。最初創(chuàng)建三維幾何物體，關(guān)鍵的參數(shù)是每個(gè)頂點(diǎn)的坐標(biāo)，保證組成的幾何物體圖形正確。在計(jì)算頂點(diǎn)坐標(biāo)的時(shí)候，確定以默認(rèn)立方體坐標(biāo)頂點(diǎn)為基準(zhǔn)，結(jié)合坡口代碼參數(shù)的定義和數(shù)值，生成實(shí)際三維坡口圖形頂點(diǎn)坐標(biāo)的變換算法。下面以坡口類型DyyKwwSmmNnnAaLxx1BbLxx2為例，介紹頂點(diǎn)坐標(biāo)的計(jì)算方法。

由圖6可知，最終的坡口三維圖形總共包含16個(gè)頂點(diǎn)，其中兩邊頂點(diǎn)關(guān)于Y軸互相對(duì)稱，因此以一側(cè)頂點(diǎn)的坐標(biāo)計(jì)算為例，另一側(cè)也能相應(yīng)求得。

圖6 坡口三維視圖

首先坡口三維圖形的基礎(chǔ)立方體的頂點(diǎn)坐標(biāo)是已知的，即圖7中A、B、C、D4個(gè)頂點(diǎn)坐標(biāo)已知。結(jié)合坡口參數(shù)，將立方體經(jīng)過(guò)“切削”變成期待的坡口圖形之后，A、B2個(gè)頂點(diǎn)不再是最后幾何物體的實(shí)際頂點(diǎn)。為了成功繪制坡口三維幾何圖形，需要計(jì)算A1、Sa1、S、N、Nb1以及B16個(gè)頂點(diǎn)坐標(biāo)。計(jì)算得出A1、B1、S、N、Sa1和Nb1點(diǎn)的坐標(biāo)之后，結(jié)合已知的C、D點(diǎn)，再進(jìn)行關(guān)于Y方向的對(duì)稱變換，最后得到16個(gè)頂點(diǎn)坐標(biāo)。滿足OpenGL繪制幾何物體的參數(shù)需求，最終可以繪制出由坡口編碼參數(shù)決定的、滿足坡口定義的坡口三維示意圖。

圖7 坡口三維視圖單側(cè)頂點(diǎn)坐標(biāo)

由于坡口代碼有很多種類別，提供的坡口參數(shù)數(shù)值不一樣，每種坡口圖形頂點(diǎn)坐標(biāo)的計(jì)算方法也有所不同，但是計(jì)算算法的核心都是對(duì)已知的頂點(diǎn)進(jìn)行坐標(biāo)平移變換，具體流程如圖8所示。

圖8 繪制坡口三維示意圖流程

3 可視化校驗(yàn)系統(tǒng)開發(fā)

基于對(duì)上述零件工藝可視化的研究，采用VisualStudio2010開發(fā)的軟件系統(tǒng)，建立零件工藝信息可視化校驗(yàn)軟件系統(tǒng)，主要包含主窗體、零件列表顯示模塊、零件數(shù)字化描述對(duì)象模塊、零件可視化模塊以及文件操作模塊共5大模塊。

3.1 可視化模塊零件工藝尺寸設(shè)計(jì)圖顯示

設(shè)計(jì)人員可以通過(guò)選擇零件列表中的“零件”查看工藝尺寸設(shè)計(jì)圖，選擇任意的零件DXF文件查看對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)圖。軟件解析DXF成功之后，立即顯示視圖窗口，如圖9所示。

圖9 零件工藝尺寸設(shè)計(jì)視圖窗口

零件工藝尺寸設(shè)計(jì)視圖窗口主要分為3部分：繪制命令工具欄、繪制區(qū)域以及坡口信息區(qū)域。繪制命令工具欄提供繪制輪廓、繪制上表面、繪制下表面、繪制開孔、繪制坡口以及全部繪制6種可選繪制模式。

設(shè)計(jì)人員可以通過(guò)選擇不同的模式?jīng)Q定單獨(dú)繪制某部分設(shè)計(jì)信息方便查看。繪制區(qū)域顯示當(dāng)前選擇的零件平面設(shè)計(jì)圖，顯示方式為居中顯示，通過(guò)在繪制區(qū)域滾動(dòng)鼠標(biāo)滾輪來(lái)控制顯示圖形的放大和縮小。

坡口信息區(qū)域會(huì)自動(dòng)列出當(dāng)前零件的坡口加工工藝信息，分為標(biāo)注坡口和切割坡口2類。當(dāng)設(shè)計(jì)人員選擇坡口的詳細(xì)信息記錄時(shí)，上方繪制區(qū)域會(huì)點(diǎn)亮當(dāng)前選擇的坡口繪制部分。當(dāng)右鍵點(diǎn)擊坡口信息時(shí)，軟件會(huì)彈出右鍵菜單“坡口視圖”，點(diǎn)擊菜單即可打開當(dāng)前坡口的三維顯示視圖。

3.2 可視化模塊零件三維視圖顯示

坡口三維視圖窗口如圖10所示，可分為三維顯示區(qū)域、三維顯示控制界面以及坡口編碼信息顯示區(qū)3個(gè)部分。三維顯示區(qū)域顯示當(dāng)前坡口的三維示意圖形，顯示的形式由下方三維顯示控制界面的設(shè)置參數(shù)決定。三維顯示控制界面提供多種控制顯示的設(shè)置操作選項(xiàng)，包括旋轉(zhuǎn)設(shè)置、方向設(shè)置和移動(dòng)操作。坡口編碼信息顯示區(qū)域則提供當(dāng)前坡口的標(biāo)準(zhǔn)圖示、坡口編碼以及對(duì)應(yīng)全稱表達(dá)式的8個(gè)參數(shù)數(shù)值。

圖10 坡口三維視圖窗口

4 結(jié)論

本次研究開發(fā)的.NET環(huán)境下船體零件工藝信息可視化校驗(yàn)軟件系統(tǒng)不僅能為設(shè)計(jì)人員查看分段下數(shù)控零件的生產(chǎn)信息、尺寸外形信息以及工藝信息提供便捷完善的操作平臺(tái)，而且能通過(guò)仿真建立三維模型，提高設(shè)計(jì)人員對(duì)坡口加工的設(shè)計(jì)和檢驗(yàn)效率。

在零件平面設(shè)計(jì)方面解決了DXF文件圖形數(shù)據(jù)在Windows窗口開發(fā)平臺(tái)的移植換算問(wèn)題。在坡口工藝設(shè)計(jì)方面完成了工藝參數(shù)圖像化三維運(yùn)算，提高了零件設(shè)計(jì)生產(chǎn)自動(dòng)化水平，推動(dòng)了船舶行業(yè)設(shè)計(jì)技術(shù)的進(jìn)步。

在算法和軟件開發(fā)過(guò)程中，對(duì)某實(shí)船分段的分段數(shù)據(jù)庫(kù)文件和數(shù)切件套料下的TAB表文件進(jìn)行了導(dǎo)入分析，成功提取了零件生產(chǎn)信息，并根據(jù)結(jié)果建立了分段與零件文件的映射關(guān)系，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)繪制零件的平面設(shè)計(jì)圖，符合要求。對(duì)零件的坡口信息進(jìn)行三維建模繪制，符合標(biāo)準(zhǔn)坡口定義要求。軟件程序自動(dòng)化程度較高，顯示信息清晰完整，能提高設(shè)計(jì)人員預(yù)覽和檢驗(yàn)的效率。

[1] 蔣輝. BOM演變與制造工藝系統(tǒng)集成的研究[D]. 北京：北京航空航天大學(xué), 2002.

[2] 王建濤. 基于PDM的產(chǎn)品數(shù)據(jù)集成管理[J]. 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造，1998(3)：31-33.

[3] EYNARD B, GALLET T, NOWAK P, et al. UML based specifications of PDM product structure and workflow[J]. Computers in Industry, 2004, 55(3):301-316.

[4] 周丹晨, 殷國(guó)富, 龍紅能,等. 基于Web的制造信息集成化管理系統(tǒng)[J]. 計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng), 2003(2)：96-100.

[5] 吳濤, 宋豫川, 劉飛,等. 基于XML的網(wǎng)絡(luò)化制造信息轉(zhuǎn)換和傳輸技術(shù)研究[J]. 現(xiàn)代制造工程, 2005(8):3-6.

[6] 龔清洪, 常智勇. 基于DXF-OpenGL的繪圖軌跡優(yōu)化及仿真[J]. 制造業(yè)自動(dòng)化, 2007, 29(5):62-65.

Visualization Calibration Method for Hull Part Process Information

WANG Ji1,2, XIE Ruicong1, LI Rui1, LIU Xiao1, SONG Yilun3

(1.State Key Laboratory of Structural Analysis for Industrial Equipment, Dalian University of Technology,Dalian 116024, Liaoning, China; 2.Collaborative Innovation Center for Advanced Ship and Deep-Sea Exploration(CISSE), Shanghai 200240, China； 3.Dalian No.24 High School， Dalian 116001, Liaoning, China)

In current ship production design based on Tribon, the hull part information is record in several scattered scattered files and the process technical information in 2D design view is shown in the form of text annotation. All these things are neither conducive for designers to observe process information nor to their inspection and calibration. Thus, it is of great significance to study the part process information visualization calibration method. The hull part process information is analyzed to establish the mapping relationship between part production information and shape process information. The hull part process information visualization calibration method is studied to determine the verification scheme of planar and local stereo process information. A hull part process information visualization calibration software system is developed in .NET.

hull part; process information; visual calibration; .NET

國(guó)家科技支撐計(jì)劃資助(編號(hào)：2014BAF12B07)。

汪 驥(1978-)，男，副教授，博士,主要從事船舶與海洋結(jié)構(gòu)物先進(jìn)制造技術(shù)和管理技術(shù)方向的研究。

1000-3878(2017)01-0071-06

U671

A