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(tǒng)的工藝設(shè)計過程為，結(jié)構(gòu)設(shè)計工程師在CAD系統(tǒng)中完成產(chǎn)品設(shè)計后，將產(chǎn)品設(shè)計BOM及其圖文檔提交PDM系統(tǒng)審核。審核通過后，產(chǎn)品數(shù)據(jù)將被傳入CAPP系統(tǒng)，工藝設(shè)計人員利用CAPP系統(tǒng)以創(chuàng)生或派生的方式編制自制件加工工藝。傳統(tǒng)工藝設(shè)計過程如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)的工藝設(shè)計過程

零件加工工藝規(guī)程的制定是以零件工藝特征信息為依據(jù)。傳統(tǒng)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(shè)計效率角度出發(fā)，要求將工藝特征信息從圖文檔中提取出來，傳遞給CAPP系統(tǒng)，并以設(shè)計BOM為基礎(chǔ)構(gòu)建起一個可以囊括零件特征信息的BOM結(jié)構(gòu)。

1 零件特征信息模型

1978年6月由麻省理工學(xué)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(nèi)外學(xué)者從不同視角對特征技術(shù)進行了研究，并分別從面向設(shè)計、面向制造和面向工藝設(shè)計等多方面對特征做出了不同的定義。

為適應(yīng)CAD/PDM/CAPP系統(tǒng)集成的需要，有的學(xué)者提出特征應(yīng)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(chǎn)品描述相關(guān)的信息的集合。這些信息不僅包括零件的幾何拓?fù)湫畔?，還包括零件工藝約束信息等非幾何信息。依據(jù)不同的分類標(biāo)準(zhǔn)對特征進行分類，可以得到不同的特征分類結(jié)果。從面向工藝設(shè)計的角度出發(fā)，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(shè)計人員編制零件加工工藝需考慮材料、零件特征信息、企業(yè)現(xiàn)有的制造資源統(tǒng)稱為工藝特征信息，這些信息分散的存在于和產(chǎn)品相關(guān)的圖文檔中。為滿足工藝設(shè)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(chǎn)品設(shè)計BOM進行擴展形成囊括工藝特征信息的擴展設(shè)計BOM。

1.1 擴展設(shè)計BOM信息結(jié)構(gòu)模型

產(chǎn)品設(shè)計BOM的末級節(jié)點為零件，擴展設(shè)計BOM的末級節(jié)點為零件工藝特征信息。以產(chǎn)品設(shè)計BOM為基礎(chǔ)構(gòu)建產(chǎn)品擴展設(shè)計BOM需要將產(chǎn)品設(shè)計BOM中的末級節(jié)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(biāo)準(zhǔn)，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(tài)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(shè)計BOM，需要在產(chǎn)品設(shè)計BOM所包含信息的基礎(chǔ)上增加對自制件結(jié)構(gòu)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(guān)聯(lián)關(guān)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(yīng)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(shù)據(jù)傳遞給CAPP系統(tǒng)后能夠以可視化的樹形結(jié)構(gòu)顯示，并可以實現(xiàn)和CAD工程圖文檔標(biāo)注信息的聯(lián)動。

3）面向自制件工藝的擴展EBOM要能夠反映出自制件在結(jié)構(gòu)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(guān)聯(lián)關(guān)系。

面向自制件工藝的擴展EBOM信息結(jié)構(gòu)模型如圖3所示。

1.2 擴展EBOM的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

依據(jù)面向自制件工藝的擴展EBOM和產(chǎn)品設(shè)計BOM的區(qū)別，利用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫記錄面向自制件工藝的擴展設(shè)計BOM，需要在產(chǎn)品設(shè)計BOM記錄的基礎(chǔ)上，通過增加層級關(guān)系表和節(jié)點屬性表來描述。層級關(guān)系表用于描述特征、分段和自制件之間的從屬關(guān)系。節(jié)點屬性表用于描述每個節(jié)點對應(yīng)的工藝約束條件。層級關(guān)系表如表1所示，節(jié)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(jié)構(gòu)模型

表1 擴展設(shè)計BOM的層級關(guān)系表

表2 擴展EBOM的節(jié)點屬性表

2 信息關(guān)聯(lián)與擴展設(shè)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(guān)聯(lián)，從而構(gòu)建基于產(chǎn)品設(shè)計BOM的面向自制件的工藝擴展設(shè)計BOM。需要利用CAD系統(tǒng)提供的API函數(shù)開發(fā)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(yīng)關(guān)聯(lián)。智能識別模塊結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 智能識別模塊結(jié)構(gòu)圖

自制件的分段，要依據(jù)國家或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或企業(yè)的工藝習(xí)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(yè)組織有經(jīng)驗的設(shè)計人員對其進行分段，分段方案通過評審后進行存檔。當(dāng)需要對新的零件進行分段劃分時，設(shè)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(guī)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(shù)據(jù)庫中，形成特征描述集。利用基于CAD系統(tǒng)二次開發(fā)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(jié)構(gòu)設(shè)計工程師完成零件結(jié)構(gòu)設(shè)計后，為保證零件加工制造后可以實現(xiàn)設(shè)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(guān)聯(lián)關(guān)系的建立也正是在工藝約束信息標(biāo)注過程中實現(xiàn)的，擴展信息標(biāo)注界面如圖5所示。

圖5 擴展信息標(biāo)注界面

工藝屬性信息的標(biāo)注是利用屬性塊的方法實現(xiàn)的。利用ObjectARX語言將各種工藝約束信息的標(biāo)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(guān)聯(lián)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(biāo)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(yīng)屬性；另一方面在點擊圖元時將激發(fā)出“擴展信息標(biāo)注”的人機交互界面，定義標(biāo)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(guān)聯(lián)，并將它們分別命名為“dengji”、“tezheng”和“fenduan”。經(jīng)過工藝約束信息標(biāo)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(jié)構(gòu)模型如圖6所示。

利用工藝特征信息和擴展信息標(biāo)注模塊進行標(biāo)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(guān)系。

3）零件、分段、特征間的隸屬關(guān)系。

因此完成工藝約束信息的標(biāo)注之后，圖文檔中已經(jīng)具有在產(chǎn)品設(shè)計BOM的基礎(chǔ)上構(gòu)建面向自制件工藝的擴展設(shè)計BOM的所需的全部信息。

圖6 工藝約束信息結(jié)構(gòu)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(guān)聯(lián)關(guān)系，將圖元層次關(guān)系寫入層次關(guān)系表，將零件圖元和工藝約束信息關(guān)聯(lián)關(guān)系寫入節(jié)點屬性表，就可以在PDM系統(tǒng)中構(gòu)建起面向自制件的擴展設(shè)計BOM。下面分三種情況進行討論層次關(guān)系表和節(jié)點屬性表的寫入情況，擴展EBOM信息信息提取如圖7所示。

當(dāng)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(guān)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(guān)聯(lián)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(jié)點屬性表的各個屬性項，將被約束對象的名稱寫入節(jié)點屬性表的“節(jié)點名稱”字段。

當(dāng)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(guān)系表中描述該分段的記錄為：取工藝約束信息屬性塊關(guān)聯(lián)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(guān)聯(lián)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(jié)點屬性表的各個屬性項，將被約束對象的名稱寫入節(jié)點屬性表的“節(jié)點名稱”字段。

當(dāng)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(guān)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(jié)點屬性表的各個屬性項，將被約束對象的名稱寫入節(jié)點屬性表的“節(jié)點名稱”字段。

經(jīng)過市場調(diào)查獲得客戶需求、基于客戶需求進行產(chǎn)品設(shè)計、提取圖紙信息形成產(chǎn)品設(shè)計BOM、產(chǎn)品設(shè)計BOM基礎(chǔ)上經(jīng)過兩分解一關(guān)聯(lián)形成擴展設(shè)計BOM。經(jīng)過上述環(huán)節(jié)，形成的產(chǎn)品設(shè)計BOM可以作為CAD系統(tǒng)和PDM系統(tǒng)間的集成橋梁，面向自制件的擴展設(shè)計BOM可以作為CAD系統(tǒng)和CAPP系統(tǒng)集成的橋梁。從而為企業(yè)構(gòu)建統(tǒng)一的產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計平臺做好了數(shù)據(jù)上的準(zhǔn)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(jié)束語

本文首先對構(gòu)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(jié)構(gòu)特點進行了分析，并據(jù)此定義了面向自制件工藝的擴展EBOM的樹形結(jié)構(gòu)及節(jié)點屬性表。最后對基于產(chǎn)品設(shè)計BOM構(gòu)建面向自制件工藝的擴展設(shè)計BOM的實現(xiàn)方法進行論述。