幾何演變過程驅(qū)動的工藝知識服務(wù)模型*

付繪澄，張?zhí)A，胡小光

(1.貴州師范大學(xué) 機(jī)械與電氣工程學(xué)院，貴陽 550025；2.大連理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連 116000)

0 引言

隨著三維建模技術(shù)及MBD技術(shù)的發(fā)展，如何有效的重用產(chǎn)品設(shè)計過程的知識，實現(xiàn)制造過程的智能化已成為當(dāng)今亟須解決的難點[1]。為了實現(xiàn)產(chǎn)品的智能化制造過程，作為支撐的知識是突破點和創(chuàng)新的源泉。面對當(dāng)今的大數(shù)據(jù)時代，現(xiàn)存的知識獲取和表示還是難以滿足設(shè)計者的需求。對企業(yè)實際生產(chǎn)實例知識的有效檢索和提取，是提高知識重用和提高生產(chǎn)效率的有效途徑。

工藝知識的復(fù)用是實現(xiàn)知識價值的關(guān)鍵點，國內(nèi)外科研工作者對此進(jìn)行了大量的研究。文獻(xiàn)[2]提出三維工序模型在相似的特征環(huán)境中的匹配方法，有效地實現(xiàn)了加工特征環(huán)境的檢索與工藝的匹配，存在局限于特定特征環(huán)境的條件，不具有廣泛性；文獻(xiàn)[3]提出了幾何演變驅(qū)動下的知識表示，圍繞幾何演變機(jī)理對特性進(jìn)行詮釋，但是忽略了知識需求和加工意圖；同時在匹配方面，可以將前驅(qū)三維工序模型轉(zhuǎn)化為二維工序圖[4]，然后提取圖元，轉(zhuǎn)化為子圖匹配問題，顯著提高匹配效率；分級分配算法是將模型轉(zhuǎn)化為面和點[5]，建立屬性鄰接圖并構(gòu)造目標(biāo)函數(shù)的映射矩陣，尋找最優(yōu)行和列最優(yōu)映射矩陣。在三維裝配體模型中以狀體屬性設(shè)計單元為基礎(chǔ)找出相似性，實現(xiàn)知識的重用[6]。上述方法在一定方面都具有較好的效果，三維模型的知識獲取研究方面也已取得長足的進(jìn)步。

采用上述的一些優(yōu)化算法在一定程度上提升知識推送的效率，但都具有一定的缺點。本文核心技術(shù)在于毛坯的幾何性變化過程，挖掘變化中的工序模型知識，將工序模型知識依據(jù)屬性鄰接圖進(jìn)行表示；然后根據(jù)特征信息檢索實現(xiàn)知識的匹配。所提方法很好的解決了實際應(yīng)用中的產(chǎn)品匹配問題，更為簡潔和具體，更有效的減少人力、物力。

1 幾何演變過程知識表示與推送

零件產(chǎn)品加工過程是一個求精與細(xì)化的過程，在特征加工過程中伴隨著工序模型幾何尺寸的改變，其中尺寸的變化蘊含著各種工藝知識。為此，為滿足加工過程中工藝知識的可重用性和提高設(shè)計效率，本文提出一種幾何演變驅(qū)動的知識表示方法和推送模型。機(jī)械加工過程中的幾何尺寸變化是驅(qū)動基礎(chǔ)，首先針對零件三維模型采用B-rep表示方法，構(gòu)建屬性鄰接圖，進(jìn)行特征識別存儲在知識庫中。

同時對于知識推送過程，采用另一條主線進(jìn)行。對圖1表述后的實例，進(jìn)行工藝細(xì)化，提取關(guān)鍵的特征要素，檢索實例庫。找到特征匹配的實例，從數(shù)據(jù)庫中將信息提取出來推送給設(shè)計人員，達(dá)到知識服務(wù)的目的。

圖1 幾何演變過程工藝知識推送模型

2 工藝知識表示方法

2.1 幾何演變過程的表示

通常情況產(chǎn)品的生產(chǎn)過程都是實現(xiàn)從原材料或半成品到產(chǎn)品的生成過程，基本步驟包括：原材料、生產(chǎn)預(yù)備工作、毛坯制造、機(jī)械加工及熱處理、產(chǎn)品的調(diào)試及性能實驗。始于毛坯模型，在產(chǎn)品形狀的幾何演變過程是一個依據(jù)設(shè)計模型向工序模型轉(zhuǎn)化的過程，在幾何變化過程中可以看成是一系列工序模型組成，工序模型表示如下：

(1)

其中，零件產(chǎn)品設(shè)計模型為Md，毛坯制造模型為Mb，n表示工序總數(shù)量，Sx表示第i組工序加工的特征數(shù)量，Wxy表示第x道工序第y個加工的特征。

(2)

其中，Mbt表示第t道工序模型。

生成工序模型的過程就是先通過設(shè)計模型求解毛坯模型，再由毛坯模型還原設(shè)計模型，從生產(chǎn)制造的角度來看，產(chǎn)品模型是一系列工序模型和幾何演變過程形成的。直接改變毛坯的尺寸、外形和性能等，使之成為合格的產(chǎn)品。

如圖2所示的齒輪加工過程幾何演變中幾何變更為例，根據(jù)上述屬性鄰接圖定義Mbt，在某一工序模型中具有特定數(shù)量的幾何特征變化，得到W0～W7幾何變化過程，每一過程所切除的幾何實體體積被看作是同一幾何變更(可能包含幾次走刀)。

圖2 齒輪加工幾何演變過程

2.2 加工特征拓?fù)湫畔⒑驼Z義信息

對產(chǎn)品幾何演變過程進(jìn)行表示建模時，需抓住演變過程中前、后工序模型之間的差別，并提取為較小的粒度單元表示。產(chǎn)品模型采用B-Rep模型技術(shù)來表示，一個B-Rep模型包含產(chǎn)品全部幾何要素：面、邊、點以及它們之間連接的拓?fù)湫畔7]。幾何信息和拓?fù)湫畔⒌慕Y(jié)合就足夠表達(dá)三維模型的特征和大小。提取三維模型中的B-Rep信息并用屬性鄰接圖AAG表示，屬性鄰接圖中可以通過節(jié)點和屬性將這些信息完整的表達(dá)出來。模型信息包括自身的形狀、位置、尺寸信息，以及設(shè)計者設(shè)計階段所定義的名稱、材料屬性、工序模型等多源信息。

定義：屬性鄰接圖。屬性鄰接圖是基于圖論的特征識別方法來定義圖的特征結(jié)構(gòu)，定義為A={N,E,P(N),P(E)}，其中：N表示為節(jié)點的集合，模型面都有唯一對應(yīng)的節(jié)點，E表示為兩模型面的相鄰邊，P(N)是節(jié)點對應(yīng)的屬性，P(E)是邊對應(yīng)的屬性[8]。

(1)節(jié)點屬性定義

模型節(jié)點屬性定義是根據(jù)三維模型隨工序內(nèi)容不斷變化的過程，工序模型的屬性信息不斷動態(tài)變化。其中工序模型的信息包括形狀信息、加工環(huán)境信息、材料信息、控制決策信息，工序模型節(jié)點屬性集合為P(ni)，如下所示：

P(ni)={PSh(ni),PPr(ni),PMa(ni),PCo(ni)}

(3)

式中，PSh(ni)表示工序模型形狀特征，一般使用B-Rep進(jìn)行表示，準(zhǔn)確的表示各曲面連接的空間封閉區(qū)以及邊、面及其邊界之間的拓?fù)湫畔ⅰ?/p>

PPr(ni)表示工序、工位、工步時段的加工環(huán)境，各種制造資源如車床、銑床、磨床等加工設(shè)備；機(jī)床、刀具對應(yīng)的數(shù)據(jù)和規(guī)劃等各種制造過程知識。

PMa(ni)表示制造對象材料相關(guān)信息，包括各種機(jī)械性能、物理性能和加工性能，在側(cè)面影響工序模型幾何變化過程，和產(chǎn)品的功能和性能。

PCo(ni)表示控制決策信息和一些經(jīng)驗知識，如切削用量、進(jìn)給量、工作精度等制造過程參數(shù)，這些大多由經(jīng)驗規(guī)則控制。

(2)邊屬性定義

模型邊屬性定義表示實體空間位置關(guān)系，包括面的類型、相互位置關(guān)系和鄰接關(guān)系，主要研究其中鄰接類型、接觸面之間關(guān)系。

P(ei)={PTy(ei),PPo(ei),PIt(ei)}

(4)

式中，PTy(ei)表示連接類型，表示邊屬性之間的連接形式，鍵槽配合、面配合等，以孔、軸裝配為例，有間隙配合、過渡配合和過盈配合等。

PPo(ei)表示相互位置關(guān)系，三維模型中相鄰面之間的位置關(guān)系，如互相垂直、相交、同軸等。

PIt(ei)表示與邊相連接觸面的類型屬性，在三維模型面的鄰接關(guān)系中，上下面不存在鄰接關(guān)系，中間曲面會和上下兩個平面存在鄰接關(guān)系，鄰接面包括平面-圓柱面、圓錐面-平面、平面-平面等。

產(chǎn)品機(jī)加工過程是一個動態(tài)逐步精化的過程，在加工產(chǎn)品的不同幾何結(jié)構(gòu)特征時，所需的工藝具有較大的差異，故支持制造過程的工藝知識具有較大差異。但是產(chǎn)品上某個具體的結(jié)構(gòu)特征的工藝知識具有較大的相似性，可以頻繁地進(jìn)行知識的調(diào)用和反饋，可以很好實現(xiàn)工藝知識本身的價值并直接改善產(chǎn)品工藝設(shè)計的質(zhì)量[9]。

在滿足產(chǎn)品加工過程中工藝知識的可重用性，摒棄傳統(tǒng)工藝知識固化在零件的最終形態(tài)的方法，提出將工藝知識表示在產(chǎn)品工序模型中的方法。幾何變化過程中知識表示和推送過程如表1所示，首先從工藝實例庫中取出產(chǎn)品工藝設(shè)計的實例，分解細(xì)化為較小粒度的特征知識[10]，從中篩選提取加工特征所需知識，推送給設(shè)計人員，實現(xiàn)工序模型中工藝知識的重用[11]。

2.3 加工特征工藝知識表示模型

在實現(xiàn)對工序模型加工過程中幾何特征的識別，建立工序模型庫，首先需要確定特定工序模型的工藝過程以及所需工藝知識。工藝過程就是在機(jī)械資源環(huán)境下直接改變毛坯的形狀、尺寸和機(jī)械性能等，完成產(chǎn)品的制造；工藝知識就是在工藝過程中所運用的各種數(shù)據(jù)、技術(shù)要素、經(jīng)驗要素等廣泛的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和解決方案的集合。建立工藝知識表示模型為后續(xù)的設(shè)計和生產(chǎn)提供理論基礎(chǔ)。知識模型如圖3所示。

圖3 齒輪特征知識模型

針對圖3的產(chǎn)品幾何演變過程工藝知識模型，依據(jù)工序模型和加工特征之間的關(guān)系，將工序模型所用到的各種知識都添加到工藝規(guī)程中。同時在工藝卡片中不僅包含產(chǎn)品加工過程的流程和方案，還包含工序、工位、工步和進(jìn)給。在同一個工序中確定的設(shè)備負(fù)荷、工具和加工對象等要素；工位是夾具在安裝工件后刀具和設(shè)備所占的位置[12]；工步是在加工條件不變的條件下所完成的一部分工序任務(wù)；進(jìn)給是切削工具除去材料的量。

3 工藝知識推送

3.1 推送匹配

企業(yè)在對知識進(jìn)行管理時，大多采用電子文檔或一些結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)庫，這些方式并不能完整的表達(dá)知識之間潛在的關(guān)系，使知識存儲過于冗余。事實生產(chǎn)中的機(jī)械工藝知識具有各種結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化的連接方式，在此可以借助復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論方法來表達(dá)知識存儲和知識推送問題[13]。

在實現(xiàn)知識的存儲后，首先將知識需求模型從B-Rep模型轉(zhuǎn)化為屬性鄰接圖的表達(dá)方式，在匹配之前還要將三維模型的屬性鄰接圖分解，以此來減少計算量和增加特征識別的準(zhǔn)確性。主要分解為基面、凸面和凹面等。具體匹配步驟如下：

(1)系統(tǒng)初始化特征；

(2)獲取知識需求及導(dǎo)入三維模型；

(3)將三維模型從B-Rep轉(zhuǎn)化為AAG，同時對知識需求進(jìn)行提取關(guān)鍵詞輸入檢索系統(tǒng)實行雙線匹配；

(4) 在AAG中提取子特征，與復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中預(yù)定義的子圖進(jìn)行比較；

(5) 就鄰接子圖、鄰接矩陣、邊和定點屬性集合分別計算相似性，在Step3中關(guān)鍵詞檢索結(jié)果提取出來；

(6) 得到相似性較高的同構(gòu)子圖，需找與其映射的數(shù)據(jù)庫中知識元素；

(7) 根據(jù)(6)中得到同時符合同構(gòu)子圖和關(guān)鍵詞檢索條件的知識體標(biāo)號，根據(jù)標(biāo)號將對應(yīng)知識提取出來，推送給用戶界面；

(8) 結(jié)束。

3.2 實驗驗證

為驗證上述方法的有效性，以企業(yè)實際產(chǎn)品生產(chǎn)為實例，結(jié)合SQL server2008數(shù)據(jù)庫存儲在復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中，選取軸、箱體、齒輪等零件60件進(jìn)行特征提取的算法訓(xùn)練，作為樣本驗證匹配效果。如圖4所示得到產(chǎn)品的幾何序列，計算同類產(chǎn)品、不同產(chǎn)品的相似性。

圖4 知識庫的零件實例

首先利用UG NX建立一個簡單實例工序模型，利用上圖4所示零件庫中的零件特征進(jìn)行EMF規(guī)則闡述，可以分解為如表2所示的推送知識的詳細(xì)信息表，給出檢索結(jié)果特征模型。

表2 推送知識詳細(xì)信息表

圖5 推送過程算法訓(xùn)練

從圖5的算法訓(xùn)練結(jié)果可以看出，對輸入模型的匹配訓(xùn)練，得到幾何演變過程的推送結(jié)果見表2，分別對應(yīng)加工過程所需要的各種知識，包括對應(yīng)的刀具、加工方法等。由上圖的檢索結(jié)果和檢索過程迭代次數(shù)，可以看出，本方法在工序模型特征知識檢索和推送方面具有可行性價值，其結(jié)果對設(shè)計人員的設(shè)計過程具有指導(dǎo)性作用。

4 結(jié)論

本文針對產(chǎn)品設(shè)計過程知識表示和獲取難題，以幾何演變過程中的工藝知識為對象，借助B-rep圖對知識進(jìn)行表達(dá)和獲取，最終實現(xiàn)知識的推送。通過本文的研究為讀者研究知識表示和推送提供了借鑒性意義，并為實際生產(chǎn)應(yīng)用中提供了良好的知識匹配方法。