機加工藝三維可視化表示與生成技術(shù)研究

張中偉，田錫天，黃利江，辛宇鵬

（西北工業(yè)大學(xué) CAPP與制造工程軟件研究所，西安 710072）

0 引言

計算機輔助工藝規(guī)劃(Computer Aided Process Planning，CAPP)是將產(chǎn)品設(shè)計信息轉(zhuǎn)換為各種加工制造、管理信息的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是企業(yè)信息化建設(shè)中聯(lián)系設(shè)計和生產(chǎn)的紐帶，同時也為企業(yè)的管理部門提供相關(guān)的數(shù)據(jù)，是企業(yè)信息交換的中間環(huán)節(jié)。工藝規(guī)程作為工藝規(guī)劃的輸出結(jié)果，在整個工藝過程中有著不可替代的作用。目前，多數(shù)制造企業(yè)的工藝規(guī)程還是以二維紙質(zhì)文檔的形式下發(fā)到車間，這種傳統(tǒng)的信息傳遞方式存在以下缺點：1）信息傳遞效率較低，限制了管理和生產(chǎn)效率的提升；2）生產(chǎn)一線的信息更新難以及時、準(zhǔn)確的反饋和控制；3）紙質(zhì)文檔易于損壞，易受油漬、粉塵等污染，使得數(shù)據(jù)和圖跡模糊不清；4）二維工序圖繪制繁瑣，表達(dá)不直觀，有時易產(chǎn)生歧義。隨著制造企業(yè)信息化的深入，以及三維CAD軟件的普及，利用三維模型表達(dá)工藝信息已是一種趨勢，采用這種無紙化的工藝表達(dá)方式具有以下優(yōu)勢：1）管理方式靈活，信息交換和傳遞方便，檢索準(zhǔn)確快速；2）表現(xiàn)手段豐富，以三維模型和交互手段實現(xiàn)紙質(zhì)工藝文件不可能提供的表達(dá)方式，更加直觀、清晰地表現(xiàn)加工過程，減少工人了解加工過程所需的時間，提高生產(chǎn)效率[1]。因此，研究工藝信息的三維可視化表示技術(shù)具有積極的理論意義和迫切的現(xiàn)實需求。

目前，國內(nèi)對可視化工藝的研究主要集中在可視化裝配和仿真方面，針對機加的三維可視化工藝研究較少。為此，本文針對機加工藝三維可視化應(yīng)用技術(shù)，研究了機加工藝的三維可視化表示方法，在此基礎(chǔ)上建立了面向工藝過程的工藝信息模型，并對三維可視化工藝生成關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究。

1 機加工藝三維可視化表示方法

可視化技術(shù)是以三維表現(xiàn)技術(shù)再現(xiàn)三維世界中的物體，利用三維形體來表示復(fù)雜的信息。它通過一種仿真的、三維的并且具有實時交互能力的方式來傳遞信息。三維可視化工藝是在虛擬環(huán)境下，借助虛擬現(xiàn)實技術(shù)的可視性特征，對工藝信息和零件加工結(jié)果進(jìn)行圖形圖像處理與顯示，以達(dá)到工藝信息直觀可感知的目的。通過機加工藝的可視化，企業(yè)能夠：1）實現(xiàn)工藝設(shè)計信息的可視化提取、交互和修改，為傳統(tǒng)加工工藝提供信息；2）實現(xiàn)機加工藝現(xiàn)場信息的可視化認(rèn)知、提取和交換，改變傳統(tǒng)以紙質(zhì)文檔傳遞信息的模式；3）車間現(xiàn)場能將工藝更改建議以可視化的形式進(jìn)行反饋。

虛擬環(huán)境可以提供給設(shè)計者以及現(xiàn)場人員多方面的感觀認(rèn)識，其中視覺感受可以有顏色、大小、形狀等，顏色通常給人以直接的視覺沖擊，作為可視化的有效方式應(yīng)用到諸多領(lǐng)域的科學(xué)可視化中[2]。在三維可視化工藝表示中，采用基于顏色和標(biāo)注模式的可視化表示方法[3]，首先給出可視化工藝表示的相關(guān)定義。

1.1 工藝MBD模型

工藝MBD模型是指在三維機加工藝設(shè)計環(huán)境中，采用MBD技術(shù)建立的能表達(dá)零件加工要求和加工狀態(tài)的三維模型。它由設(shè)計MBD模型、工序MBD模型和工藝屬性三部分組成，因此可以將工藝MBD模型M表示為：

從制造角度考慮，將工序M BD模型以加工特征為基本單元進(jìn)行組織，用不同的顏色標(biāo)識不同的加工特征。加工特征不僅能夠表示零件的幾何信息，對于工藝設(shè)計所需要的形位公差、表面粗糙度等非幾何信息也能夠很好地進(jìn)行表達(dá)。因此，可以將工序MBD模型表示為：

1.2 三維可視化工藝

三維可視化工藝是以工藝MBD模型為基礎(chǔ)和載體來表達(dá)零件工藝過程和工序加工結(jié)果，并具有實時交互能力的工藝展示方式。它能把零件設(shè)計信息、制造資源信息、工藝設(shè)計信息和管理信息整合后以數(shù)字量的形式傳遞到車間現(xiàn)場，并展示出來。因此，三維可視化工藝可以表示為：

式中：M表示發(fā)放的工藝MBD模型，一個零件對應(yīng)一個工藝MBD模型；為第次交互操作，瀏覽一份工藝可能包括多個操作，表示所有操作的集合。

根據(jù)上述對三維可視化工藝的定義，建立工藝MBD模型是關(guān)鍵。在建立工藝M BD模型時采用結(jié)構(gòu)化的工藝設(shè)計方法，以結(jié)構(gòu)化的形式來描述工藝方法和步驟，因此，工藝設(shè)計結(jié)果已不是傳統(tǒng)意義上的工藝規(guī)程和工序卡。結(jié)構(gòu)化的工藝設(shè)計方法采用自頂向下的手段，通過零件生成過程逐層分解來構(gòu)建工藝過程，將工藝關(guān)聯(lián)到相關(guān)對象，將零件三維信息、資源三維信息、工藝三維信息同管理信息整合到一起，得到完整的工藝MBD模型。利用工藝MBD模型，結(jié)合虛擬展示技術(shù)，將工藝信息以全三維數(shù)字量的方式傳遞到車間現(xiàn)場?，F(xiàn)場操作人員通過交互瀏覽工藝模型，能快速準(zhǔn)確的獲取所需信息。

2 面向工藝過程的工藝信息建模

在傳統(tǒng)二維工藝設(shè)計過程中，零件工藝信息模型中的尺寸公差、形位公差、表面粗糙度等非幾何信息通常與三維模型相分離，或者沒有三維模型，導(dǎo)致零件信息關(guān)聯(lián)性差[4]。在三維機加工藝設(shè)計環(huán)境下，通過建立工藝MBD模型，將尺寸公差、形位公差、表面粗糙度和工藝設(shè)計信息等信息與三維模型緊密關(guān)聯(lián)[5]。根據(jù)工藝設(shè)計和加工過程對信息的不同需求，對零件加工過程中所涉及的信息進(jìn)行分析和分類，建立面向工藝過程的工藝信息模型，如圖1所示。該模型信息量大，涉及的信息類型和關(guān)系復(fù)雜，為了更好的滿足工藝規(guī)程所需信息的需求，按照信息類型將信息模型分為模型層、工藝層和資源層三層結(jié)構(gòu)。

模型層包含有與工藝設(shè)計和加工相關(guān)的幾何信息、特征信息和工藝信息。在模型層中以工序模型為載體，將相關(guān)三維標(biāo)注信息和工藝信息都定義在工序模型中，與工序模型綁定，共同構(gòu)成工序MBD模型。標(biāo)注信息主要定義本道工序的工序尺寸、表面粗糙度、形位公差、裝夾定位基準(zhǔn)和加工要求等信息，它們與對應(yīng)的模型和加工特征綁定，并根據(jù)加工特征的不同形狀分類用不同的顏色區(qū)分表達(dá)。工藝信息包括工序和工步，一個工序MBD模型對應(yīng)一道工序，多道工步，同時包括多個加工特征，其中加工特征是指零件上具有語義的幾何實體，它描述工序模型上需要加工的區(qū)域，表達(dá)一個加工過程的結(jié)果。工步以視圖的形式定義在工序MBD模型下，工序和工步信息以屬性的形式定義在對應(yīng)的對象中。

工藝層定義工藝設(shè)計過程相關(guān)的信息，總體上可分為工藝規(guī)劃信息、工藝設(shè)計信息和工藝過程信息[6]。工藝規(guī)劃信息主要指零部件的工藝分工路線，根據(jù)車間資源使用情況合理分配車間任務(wù)；工藝設(shè)計信息描述零部件的加工方法和過程信息；工藝過程信息描述工藝狀態(tài)、工藝版本及工藝更改等信息。工藝層主要是一些結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)信息，主要定義在對應(yīng)幾何的屬性信息中。

資源層主要包括工藝層中所需要的制造資源庫和工藝資源，包括機加工藝設(shè)備、刀具、夾具、量具和切削參數(shù)等。

圖1 工藝信息模型

3 三維可視化工藝生成技術(shù)

三維可視化工藝以結(jié)構(gòu)化的描述方式、利用三維手段和便攜式電子文檔來表達(dá)工藝過程信息。將工藝信息以屬性和注釋的形式與三維模型綁定，利用工序模型與工藝符號來表達(dá)工序結(jié)果和制造要求。以屬性定義的工藝信息由于其不可見性，需要單獨提取并按一定層次結(jié)構(gòu)組織和顯示，并建立三維工序模型視圖與工藝信息之間的映射關(guān)系。

3.1 三維可視化工藝規(guī)程生成框架

三維可視化工藝生成過程總體上可分成工藝MBD模型建立、工藝數(shù)據(jù)處理（包括數(shù)據(jù)提取、數(shù)據(jù)輸出和數(shù)據(jù)解析）和工藝元素映射等幾個階段，如圖2所示。

圖2 基于工藝MBD模型的三維可視化工藝生成框架

工藝MBD模型建立過程實質(zhì)是按一定的標(biāo)準(zhǔn)將幾何模型同工藝符號和文本信息綁定的過程，幾何模型表達(dá)產(chǎn)品加工各階段的幾何形態(tài)，文本信息描述各階段工藝基本信息，工藝符號表達(dá)零件加工工藝要求，工藝符號包括公差、表面粗糙度、注釋等標(biāo)注信息。在構(gòu)建工藝MBD模型時，以成熟三維CAD系統(tǒng)作為三維機加工藝設(shè)計環(huán)境，以工藝信息模型為規(guī)則，建立三維模型同文本信息、工藝符號之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。在工藝數(shù)據(jù)輸出時，通過數(shù)據(jù)提取工具從三維模型中抽取工藝過程描述信息，數(shù)據(jù)處理工具將抽取出的工藝描述信息進(jìn)行分割與標(biāo)記處理，并打包成工藝數(shù)據(jù)包，此時，工藝數(shù)據(jù)的內(nèi)容包括兩部分并存儲在不同的文件中，一部分是以屬性定義在模型中的數(shù)據(jù)，另一部分是三維數(shù)據(jù)。工藝文件生成時通過調(diào)用電子文檔模板建立工藝文件框架，解析工藝文件數(shù)據(jù)包，將工藝數(shù)據(jù)和三維模型填充到工藝模板，由于兩部分?jǐn)?shù)據(jù)以獨立的文件裝載，要完成交互操作，則需要對這兩部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)和映射。

3.2 工藝信息提取與組織

由于大部分工藝相關(guān)信息是以三維標(biāo)注的形式直接定義在三維模型中，比如尺寸、表面粗糙度、加工要求等。工藝信息提取只針對以屬性形式定義的工藝信息。機加工藝設(shè)計時以工藝樹的形式將工藝MBD模型、工序MBD模型和工步視圖組織起來，所以對應(yīng)對象的屬性信息也形成了一顆樹。在數(shù)據(jù)提取時，采用非遞歸深度優(yōu)先遍歷算法獲取結(jié)構(gòu)對象唯一標(biāo)識，通過標(biāo)識從結(jié)構(gòu)模型中抽取工藝信息。具體過程如下：

1）獲取工藝樹根節(jié)點對象即工藝主模型，通過標(biāo)識和屬性名稱提取屬性值，獲得公共信息；

2）采用深度優(yōu)先遍歷中的先序遍歷方法，遍歷根節(jié)點的子節(jié)點，獲取第1道工序模型標(biāo)識，通過標(biāo)識和屬性名提取工序基本信息和工裝基本信息等屬性信息；

3）通過上步獲取的第1道工序模型標(biāo)識繼續(xù)遍歷第1道工序模型所對應(yīng)的所有工步視圖，獲取工步基本信息；

組織提取出的工藝信息時，依據(jù)工藝信息模型將抽取的工藝信息利用XM L標(biāo)記建立不同工藝信息的描述和存儲結(jié)構(gòu)，以及三維工藝元素之間的映射關(guān)系。在編制XM L文件時，利用XM L Schema定義工藝信息模型，由于工藝信息模型實質(zhì)上是由工序、工步等工藝對象類及其屬性相互關(guān)聯(lián)而成，所以利用XML Schema描述工藝信息模型時要遵循以下規(guī)則：

規(guī)則1：工藝對象類映射為元素(element)，元素名稱(name)為工藝對象類的類名，元素類型(type)為由該對象建立的復(fù)合類型。

規(guī)則2：對象之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系映射為元素與元素或元素與子元素的關(guān)系。

規(guī)則3：屬性值類型不是對象或?qū)ο蠹系膶ο箢悓傩裕瑒t將其映射為元素的屬性(attribute)，屬性名映射為元素屬性名(name)，屬性值類型映射為相應(yīng)值類型(type)，如整型映射為integer，字符串和文本映射為string。

規(guī)則4：屬性值類型是對象或?qū)ο蠹系膶ο箢悓傩?，將其映射為元素的子元素?/p>

規(guī)則5：建立映射時，由根節(jié)點對象展開，將其映射為元素，其余的類分別映射為相應(yīng)的子元素或?qū)傩浴?/p>

4 實例分析

根據(jù)上述方法，本文開發(fā)了三維機加工藝設(shè)計原型系統(tǒng)，系統(tǒng)基于VC6.0以NX7.5為平臺進(jìn)行二次開發(fā)，在三維工藝生成模塊以Adobe Acrobat[7]為平臺進(jìn)行三維工藝展示。以排氣導(dǎo)管前安裝邊零件為例，工藝人員在三維機加工藝設(shè)計環(huán)境下完成對零件的工藝設(shè)計和工藝MBD模型定義。生成三維工藝時系統(tǒng)自動將零件、工序模型、工步等的屬性信息導(dǎo)出成XML文件，并在XML文件中標(biāo)記相應(yīng)模型的位置，同時導(dǎo)出PRT格式的三維模型。系統(tǒng)在后臺打開3D PDF并裝載模板、解析XML文件完成屬性信息填充以及三維模型導(dǎo)入，由于Adobe Acrobat平臺本身提供了處理三維模型的方法，最終生成的PDF文件中的三維模型將同時帶有PM I標(biāo)注，結(jié)果如圖4所示。

通過采用三維可視化工藝表示方法，將工藝屬性、工序?qū)傩约肮げ綄傩燥@示在表格中，其他工藝信息以PM I以及顏色區(qū)分的形式定義在模型中。車間人員能夠直觀的了解加工過程和工藝信息，并能交互操作三維模型。此方法不僅適用于機加工藝的表示，同樣適用于裝配工藝的表示。

圖3 工藝信息提取過程

圖4 應(yīng)用實例

5 結(jié)束語

針對傳統(tǒng)的二維工藝卡片設(shè)計方法存在二維工序圖繪制繁瑣，表達(dá)不夠直觀且易產(chǎn)生歧義等問題，提出用三維可視化工藝代替?zhèn)鹘y(tǒng)二維工藝文件的方法。以三維工藝MBD模型替代傳統(tǒng)二維工藝簡圖，使三維工序模型成為工藝信息的載體，以交互的方式完成工藝的瀏覽。本文在給出工藝MBD模型表示方法的基礎(chǔ)上構(gòu)建了面向工藝過程的工藝信息模型，并針對三維可視化工藝生成技術(shù)做了深入研究。最終達(dá)到提升機加工藝設(shè)計表達(dá)的直觀性和準(zhǔn)確性的目的。

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