王洪申, 王道俊, 曹玉法

(蘭州理工大學(xué) 機電工程學(xué)院, 甘肅 蘭州 730050)

基于模型定義(Model Based Definition,MBD)將產(chǎn)品的三維模型和工程語義信息結(jié)合在一起,實現(xiàn)了全三維制造的模式,是全三維制造的基礎(chǔ)[1].產(chǎn)品的MBD信息中包含表達產(chǎn)品幾何、拓撲信息的三維幾何模型,還有表達產(chǎn)品工程語義的標注信息和屬性信息[2-3]等.計算機可以從產(chǎn)品MBD數(shù)據(jù)集中提取需要的幾何和工程語義信息,并自動傳入制造后續(xù)環(huán)節(jié),如虛擬裝配、加工規(guī)劃[4-6]、產(chǎn)品檢驗等,為實現(xiàn)后續(xù)環(huán)節(jié)的智能化制造提供必要條件.這種自動提取信息的方式越來越受到重視[7].產(chǎn)品MBD信息是產(chǎn)品制造信息的源,其中的標注信息必須準確無歧義.

工程中,通常將三維模型的面作為主要標注對象[8].但商用CAD軟件對產(chǎn)品進行三維造型時,常將工程語義上整體的曲面(本文稱為工藝面)表達成拓撲分離的多個曲面(本文稱為造型面).造成這種現(xiàn)象的原因：

1) 為了滿足三維幾何造型需要.例如,同一個回轉(zhuǎn)面被表達成多個曲面, creo和UG軟件將圓柱面、圓錐面和球面用整個沿著過回轉(zhuǎn)軸的某一平面切分為兩個子面.本文稱為第一類分割造型面.

2) 造型操作(如分割、陣列等)形成,如圖1所示,本文稱為第二類分割造型面.這種造型面與工藝面并不一一對應(yīng)的現(xiàn)象通常會使幾何標注信息的歸屬出現(xiàn)困難.

從工程語義的角度理解,圖1中花鍵外徑的10個圓柱面是屬于一個圓柱,因此當(dāng)在10個圓柱面中的一個面上標注信息時,看圖的工程技術(shù)人員會根據(jù)領(lǐng)域知識解析出其他9個圓柱面也有同樣的標注要求.但計算機卻需要采用專用的識別算法或系統(tǒng)才能實現(xiàn)正確理解,使問題復(fù)雜化.如果對三維模型中每個拓撲分離的曲面都進行標注,無疑與工程實踐相矛盾,也會使模型標注的信息過于繁復(fù).

針對這種情況,目前一些商用軟件為用戶提供面綁定的工具,允許用戶將多個面綁定在一起,進行一次性標注.圖1是Creo軟件的解決方案,用戶可通過交互式鼠標選擇,將選定面綁定,再進行標注,但由于沒有對選擇的曲面進行一定規(guī)則的判斷,用戶可以將完全不同的面綁定在一起,所以導(dǎo)致標注出錯.NX軟件的解決方案與Creo的解決方案類似,綁定時沒有判斷識別特征與標注的匹配問題,容易導(dǎo)致用戶標注出錯.本文針對目前商用軟件存在以上不足,從幾何造型的層面研究了解決策略,并通過編程驗證了本文方法的可行性.

圖1 Creo中存在的問題Fig.1 The Problem with Creo

1 機械零件的工藝面及其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

1.1 造型面與工藝面的對應(yīng)關(guān)系

產(chǎn)品的MBD三維標注信息是工程語義,這些信息與被標注對象相關(guān)聯(lián),作為被標注對象的屬性.標注對象應(yīng)該是三維模型的工藝面,因此，標注時需要將三維模型的幾何造型面通過綁定等方式處理成工藝面,然后再進行標注.對于第一類分割造型面,需設(shè)計算法實現(xiàn)面的自動合并；對于第二類分割造型面,按照工程專業(yè)知識,通過人機交互方式將其處理成工藝面,對被處理面進行基本屬性校驗,防止選擇錯誤.圖2表示了幾何造型面和工藝面的關(guān)系,可以一個造型面對應(yīng)一個工藝面,也可以多個造型面通過綁定處理,對應(yīng)于一個具有完整工程語義的工藝面.將工藝面的標注信息作為被綁定的所有面的屬性,為后續(xù)裝配、加工過程中信息再利用提供了便利.

圖2 零件的造型面與工藝面Fig.2 Modeling surface and process surface of parts

1.2 工藝面的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計

按照機械工藝設(shè)計的要求,將具有符合數(shù)學(xué)相關(guān)要求和同樣幾何性質(zhì)的面進行組合,設(shè)計如圖3所示的零件數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)圖.為了便于擴展到裝配體,故設(shè)一個文檔中含有n個零件(模型)結(jié)點,一個零件標簽下有m個工藝面結(jié)點,每個工藝面結(jié)點下面分別有造型面的信息以及其攜帶的標注信息.由于一個工藝面可能映射多個造型面,故設(shè)一個根標簽便于管理.給每個合并好的工藝面綁定相關(guān)的標注信息,集成管理相關(guān)的造型面,并且在標注過程中以工藝面為單位進行一些標注的正確性校驗.

圖3 零件的工藝面數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)圖

parts

2 基于OpenCASCADE零件工藝面整合的實現(xiàn)

2.1 造型面合并成工藝面的算法

首先解決第一類分割造型面的綁定問題，即綁定由于造型需要而將同一回轉(zhuǎn)面分割成兩個或更多拓撲面的情況.此時相同工藝面的各造型面具有相同的類型、相同的幾何定義(如同軸、同心、等半徑等),并具有一定的連接關(guān)系(面具有相鄰性).根據(jù)這些特征設(shè)計綁定算法1,算法1計算流程如圖4所示.

圖4 算法1計算流程圖

算法1 綁定第一類分割造型面(以圓柱面為例)：

(1) 選取目標面,并判斷目標面的類型.

(2) 定義回轉(zhuǎn)面臨時存儲鏈表,如Cylin_FS(圓柱面).

(3) 遍歷目標面所在三維模型的拓撲面,將與目標面類型相同的面存在臨時儲存鏈表中.

(4) 創(chuàng)建一個結(jié)果鏈表Result_FS,先將目標面存入其中.

(5) 遍歷回轉(zhuǎn)面臨時存儲鏈表,按以下校驗規(guī)則將當(dāng)前面與目標面進行比較：① 是否具有相同的數(shù)學(xué)性質(zhì)(具體比較內(nèi)容見表1)；② 是否與結(jié)果鏈表中的任意一面具有相鄰關(guān)系.將滿足以上兩點的面存入結(jié)果鏈表中.

表1 常見面的數(shù)學(xué)性質(zhì)比較

(6) 重復(fù)執(zhí)行第(5)步,直到臨時存儲鏈表遍歷完成，得到結(jié)果鏈表.

通過算法1,將那些分割的回轉(zhuǎn)面組成一個完整的面,當(dāng)選擇其中的任一造型面時,其結(jié)果選中的是通過綁定之后的工藝面.

其次,解決第二類分割造型面的綁定問題.由于該類造型面的分割現(xiàn)象是由于用戶造型過程中進行分割、陣列等操作后形成,將原本是同一加工工序且具有相同屬性要求的工藝面分割成為不同面[9].不同的用戶造型操作往往會有區(qū)別,因此難以通過系統(tǒng)自動判斷處理.本文采用用戶交互式選定預(yù)綁定的面,再由系統(tǒng)實現(xiàn)綁定.算法2計算流程如圖5所示.

圖5 算法2計算流程圖Fig.5 Computational flow chart of the second algorithm

算法2 綁定第二類分割造型面：

(1) 用戶選定預(yù)綁定的兩個面；

(2) 判斷所選擇的造型面是否滿足以下條件：① 是否具有相鄰關(guān)系；② 是否屬于同一種類型的面；③ 是否具有相同的數(shù)學(xué)性質(zhì).

(3) 如果第(2)步中條件都滿足,則對選定面進行綁定處理,并對面進行標記.如果不滿足,則綁定失敗,系統(tǒng)輸出提示信息.

(4) 綁定兩個以上工藝面則重復(fù)執(zhí)行第(1)至(3)步.

2.2 標注系統(tǒng)

OpenCASCADE(OCC)平臺是由法國MatraDatavision公司開發(fā)的,是一套面向?qū)ο蟮?C++開發(fā)庫[10-11].本文的測試系統(tǒng)采用基于MFC和OpenCASCADE設(shè)計的三維標注系統(tǒng)[12],采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計技術(shù).系統(tǒng)主要包括四個模塊：CAD模型數(shù)據(jù)交換模塊、文檔存取模塊、顯示模塊和人機交互模塊,如圖6所示.

圖6 三維標注系統(tǒng)Fig.6 The system frame of 3D annotation

CAD數(shù)據(jù)交換模塊為了支持其他三維軟件CAD模型導(dǎo)入,解析成OCC基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)后供其他模塊使用；文檔存取模塊是為了記錄所標記的三維標注信息,能夠?qū)崿F(xiàn)標注信息的校驗；顯示模塊主要包括零件三維模型、三維標注圖形的顯示和管理；人機交互模塊是一個綜合的模塊,可實現(xiàn)交互式三維模型標注查詢、修改等操作.

2.3 造型面綁定成工藝面的實質(zhì)

工藝面是指從機械工程的觀點看,可以一次或一起被加工的面.本文中所提出的面的綁定并不是把面從數(shù)據(jù)層面真正地修改,而是在操作過程中,每個被綁定的子面都代表這個工藝面整體.在三維標注的正確性校驗時,其中一個子面就代表該綁定面的所有子面.工藝面整合的相關(guān)操作是為了在三維標注的系統(tǒng)中,使得標注操作更符合機械工程語義,從而為系統(tǒng)實現(xiàn)標注正確性的自動檢驗提供可行方法,也為后續(xù)的虛擬裝配和加工工藝規(guī)劃提供與工程語義相一致的相關(guān)信息.

3 標注效果檢驗

3.1 第一類造型面的綁定測試

構(gòu)造用于測試的三維模型如圖7所示,模型由圓柱切割而成.將其導(dǎo)入Creo5.0中進行拾取時發(fā)現(xiàn)同一個圓柱面被分割成多個獨立的子面,而從加工的角度,該圓柱面的標注通常應(yīng)按一個圓柱面處理.

圖7 在Creo中對造型面的拾取Fig.7 Pick up the modelling surfaces in Creo

如圖8所示,在本文所設(shè)計的標注系統(tǒng)中,拾取其中一個子面,就能選中整個圓柱面.在圓柱面的一個位置標注粗糙度,該粗糙度綁定的是整個圓柱面.再對該模型的其他子圓柱面標注粗糙度時,會提示該面的粗糙度已經(jīng)定義,從而防止了重復(fù)標注的錯誤.

圖8 三維標注系統(tǒng)的操作Fig.8 The operation of The 3D annotation system

3.2 第二類工藝面的綁定測試

以機械工程中花鍵為原型,構(gòu)造用于測試的三維模型.依據(jù)機械工程語義,花鍵是由圓柱通過銑刀加工而成,鍵的頂面都屬于一個圓柱面,且加工的要求通常也是相同的[8].但由于造型的影響,在三維模型中,頂面都變成了單獨的面,這樣給三維尺寸標注造成了困難.本文標注系統(tǒng)將相應(yīng)的面通過人工交互選擇的方式,經(jīng)過一定的數(shù)學(xué)判斷,將合適的選定面綁定在一起,作為一個工藝面,并顯示在MBD信息樹中.在對該工藝面的子面進行兩次圓柱面的標注時,會給出過定義提示(如圖9所示).

圖9 標注的檢驗Fig.9 The verification of annotation

對于平面的工藝面合并(如圖10所示)必須要檢測其幾何性質(zhì)是否相同,方能合并到一起.對于類型不同、或類型相同但解析式不同的造型面則不能合并成一個工藝面.

3.3 零件的標注

對如圖11所示的三維零件進行標注.在標注第一類工藝面時,系統(tǒng)自動識別判斷,并自動合并.在標注第二類工藝面時,需要用戶通過交互式方法,將相應(yīng)造型面定義成一個工藝面,系統(tǒng)會根據(jù)相應(yīng)判定規(guī)則判斷合理性,并給出提示.加入工藝面合并算法后,三維標注系統(tǒng)更加智能便捷,并且從數(shù)據(jù)層面上,使信息依附到模型更加準確完整.

圖11 機械零件的三維標注

4 結(jié)論

由于造型、方法等原因,常常會產(chǎn)生三維模型中造型面和工程語義中面的概念不同的現(xiàn)象,進而使標注信息歸屬困難,造成在虛擬裝配和加工規(guī)劃中對工程語義信息提取出現(xiàn)歧義.本文研究解決以上問題的方法,提出造型面和工藝面的概念,并給出了將三維模型中的造型面轉(zhuǎn)變?yōu)楣に嚸娴姆椒?較好地解決了三維標注信息的歸屬問題,為進一步實現(xiàn)對虛擬裝配和加工工藝規(guī)劃中所需語義信息的提取鋪平了道路.