基于本體的軸類零件外圓工序尺寸參數(shù)的自動(dòng)生成方法

王家浩 ,黃美發(fā),2 ,李 健

(1.桂林電子科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,廣西 桂林 541004;2.桂林電子科技大學(xué) 廣西制造系統(tǒng)與先進(jìn)制造技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣西 桂林 541004)

在“中國制造2025”背景下,如何提升產(chǎn)品工藝設(shè)計(jì)自動(dòng)化水平,推進(jìn)智能制造,是國內(nèi)機(jī)械行業(yè)的焦點(diǎn)問題。軸類零件作為機(jī)械產(chǎn)品中的重要零件,其工藝設(shè)計(jì)是連接產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造的橋梁與紐帶,關(guān)乎加工制造的效率和最終產(chǎn)品的質(zhì)量[1]。在傳統(tǒng)的工藝設(shè)計(jì)領(lǐng)域,軸類零件的工藝設(shè)計(jì)尤其是外圓工序尺寸參數(shù)的生成,主要依賴設(shè)計(jì)人員查詢手冊(cè)或經(jīng)驗(yàn)取值,效率低,且設(shè)計(jì)人員對(duì)工藝設(shè)計(jì)的理解差異會(huì)導(dǎo)致設(shè)計(jì)結(jié)果的不確定性[2],影響工藝設(shè)計(jì)的一致性,進(jìn)而限制了軸類零件工藝設(shè)計(jì)的自動(dòng)化水平。

計(jì)算機(jī)輔助工藝設(shè)計(jì)(CAPP)作為連接計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)與計(jì)算機(jī)輔助制造(CAM),實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品工藝設(shè)計(jì)自動(dòng)化的關(guān)鍵技術(shù)[3],近年來,被部分學(xué)者引入軸類零件工藝設(shè)計(jì)的研究中。張賀等[4]針對(duì)人工構(gòu)建三維工序模型的低效率問題,提出了一種基于體分解的三維工序模型自動(dòng)生成方法。蔡衛(wèi)東等[5]基于正向推理策略,借助工藝規(guī)則推理機(jī)實(shí)現(xiàn)了軸類零件工序優(yōu)先級(jí)數(shù)決策和加工路線的自動(dòng)排序。Yu等[6]應(yīng)用計(jì)算機(jī)開發(fā)工具,基于軸類零件加工工藝信息代碼實(shí)現(xiàn)了工序圖的自動(dòng)生成。Wan等[7]根據(jù)零件實(shí)際加工制造,提出了基于加工知識(shí)的MBD工藝模型構(gòu)建方法。任紹川等[8]基于動(dòng)態(tài)向量法、圖解追蹤法及高斯列主元消去法,實(shí)現(xiàn)了工序尺寸的自動(dòng)解算。

以上研究從模型構(gòu)建、工藝決策、工序圖生成、工序尺寸解算等方面解決了軸類零件工藝設(shè)計(jì)自動(dòng)化的部分問題,但各自依托的CAPP系統(tǒng)相互獨(dú)立且異構(gòu),限制了相關(guān)工藝知識(shí)的共享與傳遞,從而降低了工藝設(shè)計(jì)效率。針對(duì)上述問題,將本體技術(shù)引入軸類零件外圓工序尺寸參數(shù)自動(dòng)生成方法的研究中。本體是共享概念模型明確的形式化規(guī)范說明,構(gòu)建本體是促進(jìn)異構(gòu)系統(tǒng)間語義互操作、增強(qiáng)知識(shí)共享與重用的重要手段[9-10]。根據(jù)軸類零件外圓工序尺寸參數(shù)的生成流程,利用網(wǎng)絡(luò)本體語言(web ontology language,簡(jiǎn)稱OWL)構(gòu)建軸類零件外圓工序尺寸參數(shù)生成的本體模型。通過利用語義網(wǎng)規(guī)則語言(semantic web rule language,簡(jiǎn)稱SWRL)構(gòu)建軸類零件外圓工序尺寸參數(shù)生成的推理規(guī)則,并借助Jess推理機(jī)實(shí)現(xiàn)軸類零件外圓工序尺寸參數(shù)的自動(dòng)生成。

1 表示模型的構(gòu)建

軸類零件外圓工序尺寸參數(shù)包括工序尺寸及公差、工序余量、加工總余量等內(nèi)容,其生成過程涉及設(shè)計(jì)特征分析、加工方案推理、工序尺寸參數(shù)選擇等環(huán)節(jié)。為充分表示參數(shù)生成過程多對(duì)象間的復(fù)雜關(guān)系并描述相關(guān)語義信息,建立由零件結(jié)構(gòu)層、設(shè)計(jì)特征層、特征映射層和加工特征層構(gòu)成的外圓工序尺寸參數(shù)生成的表示模型。

1.1 零件結(jié)構(gòu)層

1.2 設(shè)計(jì)特征層

設(shè)計(jì)特征層的功能是從零件模型中提取零件及其外圓軸段相關(guān)設(shè)計(jì)特征,并描述零件及其外圓軸段與設(shè)計(jì)特征間的從屬關(guān)系。零件相關(guān)設(shè)計(jì)特征包括毛坯類型(BT)、公稱零件總長度(NTL)、零件材料(Ma)、熱處理(HT)、最大毛坯直徑(MBD)和外圓軸段數(shù)量(CPSN)。零件設(shè)計(jì)特征的集合DPD可表示為

其中:毛坯類型分為棒料(Bar)、鍛件(Forging)和鑄件(Casting)等;零件材料分為鋼 (Steel)、鑄鐵(Cast-Iron)和有色金屬(Non-f Metal)等;熱處理分為預(yù)備熱處理(CHT)、去應(yīng)力熱處理(SRHT)、最終熱處理(FHT)和表面熱處理(ST)。

外圓軸段相關(guān)設(shè)計(jì)特征包括毛坯直徑(BD)、公稱外圓直徑(NCD)、外圓表面粗糙度(CRa)、尺寸公差等級(jí)(DTG)、幾何公差約束(GTC)、幾何公差等級(jí)(GTG)。外圓軸段設(shè)計(jì)特征的集合DSD可表示為

其中:幾何公差約束分為形狀公差(Form T)、位置公差(LocaT)、方向公差(OrieT)和跳動(dòng)公差(Run T),各類型幾何公差又可進(jìn)一步細(xì)分,例如跳動(dòng)公差又可分為圓跳動(dòng)(CircularRun-out)和全跳動(dòng)(TotalRunout)。

定義1若給定Si={Si1,Si2,…,Sin}為軸類零件Si的外圓軸段集合,其中Sij為Si的第j個(gè)外圓軸段,j=1,2,…,n,n為零件外圓軸段總數(shù),則軸段與其設(shè)計(jì)特征的從屬關(guān)系矩陣DS,6×n可表示為

1.3 加工特征層

加工特征層的主要功能是描述外圓軸段與其加工特征間的從屬關(guān)系。外圓軸段加工特征包括外圓加工方法(CMM)、外圓加工方案(CMP)、外圓工序尺寸(CPD)、外圓工序余量(CPA)、加工總余量(TMA)、工序尺寸公差(PDTG)及工序尺寸偏差(PDD),則外圓軸段加工特征元素的集合MSM可表示為

其中:外圓加工方法包括車削(Turning)、磨削(Grinding)、研磨(Lapping)等,加工方法又可進(jìn)一步細(xì)分為粗車(Rough Turning)、半精車(Semi-finishing Turning)等;工序尺寸偏差包括上偏差(UD)和下偏差(LD)。外圓加工方案是由各外圓加工方法組成的加工方法鏈,根據(jù)文獻(xiàn)[11]和相關(guān)經(jīng)驗(yàn)知識(shí),總結(jié)歸納了13種加工方案,如圖1所示。

本研究提示中醫(yī)的綜合治療對(duì)于PVOD有確切的臨床療效，希望在以后的研究中能擴(kuò)大研究的樣本量，并引入標(biāo)準(zhǔn)化的可以分級(jí)測(cè)量的主觀嗅覺測(cè)試方法和嗅覺誘發(fā)電位等客觀嗅覺測(cè)試方法，以不斷擴(kuò)展研究的深度和廣度。

圖1 外圓加工方案

定義2若給定Si={Si1,Si2,…,Sin}為軸類零件Si的外圓軸段集合,Sij為Si的第j個(gè)外圓軸段,j=1,2,…,n,n為零件外圓軸段總數(shù),則軸段與其加工特征的從屬關(guān)系矩陣MS,7×n可表示為

1.4 特征映射層

特征映射層是模型的第3層,其功能是存儲(chǔ)并描述設(shè)計(jì)特征層與加工特征層各特征間的映射關(guān)系。

定義3若給定AT={BT,NTL,Ma,HT,MBD,BD,NCD,CRa,DTG,GTC,GTG,CMM,CMP,CPD,CPA}為零件及其外圓軸段的設(shè)計(jì)特征和部分加工特征,MSM={CMM,CMP,CPD,CPA,TMA,PDTG,PDD}為外圓軸段加工特征,則特征映射矩陣RDM,7×15可表示為

其中:RDM,7×15行標(biāo)為MSM元素,列標(biāo)為AT元素;1表示元素間存在映射關(guān)系,0表示元素間不存在映射關(guān)系。

2 本體模型的構(gòu)建

軸類零件外圓工序尺寸參數(shù)自動(dòng)生成的前提是對(duì)其生成過程知識(shí)的信息化處理與表示。由于表示模型無法充分描述特征映射層中多對(duì)象間的復(fù)雜關(guān)系,無法傳遞完整語義,結(jié)合本體在語義表示、知識(shí)共享與推理等方面具有的突出優(yōu)勢(shì)[12-13],將本體技術(shù)引入軸類零件外圓工序尺寸參數(shù)生成方法的研究中。OWL作為一種被廣泛使用的本體語言,在建模方面具有靈活的轉(zhuǎn)換能力[14]。利用OWL進(jìn)行表示模型的本體轉(zhuǎn)化,為實(shí)現(xiàn)外圓工序尺寸參數(shù)的自動(dòng)生成奠定基礎(chǔ)。在本體構(gòu)建方法的選擇方面,采用被廣泛應(yīng)用的七步法[15]進(jìn)行軸類零件外圓工序尺寸參數(shù)生成的本體模型的構(gòu)建。

2.1 獲取領(lǐng)域知識(shí)

軸類零件外圓工序尺寸參數(shù)生成過程的知識(shí)包括相關(guān)術(shù)語概念的定義及概念間的關(guān)系,根據(jù)GB/T 4863—2008、GB/T 1182—2008等標(biāo)準(zhǔn)的定義,確定軸類零件外圓工序尺寸參數(shù)生成過程涉及的設(shè)計(jì)特征和加工特征相關(guān)術(shù)語。設(shè)計(jì)特征相關(guān)術(shù)語包括幾何公差約束、尺寸公差等級(jí)、外圓表面粗糙度、零件材料、熱處理、毛坯類型等及其具體內(nèi)容;加工特征相關(guān)術(shù)語包括外圓加工方法、外圓加工方案、工序尺寸、工序余量、工序尺寸公差、加工總余量等及其具體內(nèi)容。

2.2 定義類及其層次關(guān)系

根據(jù)獲取的領(lǐng)域知識(shí),將表示模型中的一元關(guān)系定義為類,并建立類的層次關(guān)系,如圖2所示。其中,上下類具有父子關(guān)系。類DF、CPS、SP、MF分別表示設(shè)計(jì)特征、外圓軸段、軸類零件和加工特征。DF的子類包括BT、BD、MBD、NTL、Ma、NCD、CRa、HT、CPSN、DTG、GTG、GTC;MF的子類包括PDTG、CPA、PDD、CPD、TMA、CMM、CMP。

圖2 外圓工序尺寸參數(shù)生成類的層次關(guān)系

2.3 定義屬性

定義類及其層次關(guān)系后,需定義屬性以表示類與類之間及類與數(shù)據(jù)之間的關(guān)系,屬性類型包括對(duì)象屬性(ObjectProperties)和數(shù)據(jù)屬性(DataProperties)兩種[16-17]。對(duì)象屬性表示模型中類與類之間存在的二元關(guān)系,數(shù)據(jù)屬性表示類固有特性的數(shù)值屬性[18]。建立外圓工序尺寸參數(shù)生成屬性的層次關(guān)系,如圖3所示。

圖3 外圓工序尺寸參數(shù)生成屬性的層次關(guān)系

對(duì)象屬性hasCPS與isCPSof互為逆屬性,表示軸類零件與其外圓軸段間的從屬關(guān)系;hasDF表示軸類零件及其外圓軸段具有的設(shè)計(jì)特征,其子節(jié)點(diǎn)表示具有的12類設(shè)計(jì)特征;hasMF表示外圓軸段具有的加工特征,其子節(jié)點(diǎn)表示具有的7類加工特征;hasCMM 的子節(jié)點(diǎn)hasCMM1,…,hasFCMM 分別表示外圓軸段初加工至終加工的加工方法;hasCPA 的子節(jié)點(diǎn)hasCPA-RT,hasCPA-Sf T 等分別表示外圓軸段粗車、半精車等工序具有的工序余量;hasCPD 的子節(jié)點(diǎn)hasCPD-RT,hasCPD-Sf T,…,hasFCPD分別表示外圓軸段具有的粗車工序、半精車工序至終加工工序的工序尺寸。

數(shù)據(jù)屬性hasDTGValue表示尺寸公差等級(jí)的數(shù)值;hasDFValue表示具有的設(shè)計(jì)特征數(shù)值信息,其子節(jié)點(diǎn)表示具有的6類設(shè)計(jì)特征的值;hasMFValue表示具有的加工特征數(shù)值信息,其子節(jié)點(diǎn)表示具有的4類加工特征的值。

2.4 定義屬性的限制

完成屬性定義后,還需定義各屬性的限制,對(duì)象屬性的定義域和值域如表1所示,數(shù)據(jù)屬性的定義域和值域如表2所示。

表1 對(duì)象屬性的定義域和值域

表2 數(shù)據(jù)屬性的定義域和值域

3 工序尺寸參數(shù)的自動(dòng)生成方法

3.1 工序尺寸參數(shù)的生成規(guī)則

軸類零件外圓工序尺寸參數(shù)的自動(dòng)生成還需良好的推理規(guī)則支持。雖然已利用OWL對(duì)表示模型進(jìn)行了本體轉(zhuǎn)化,但OWL并不具備表示一般形式規(guī)則的能力[19],不能充分表達(dá)特征映射層中包含的復(fù)雜關(guān)系,因此利用SWRL進(jìn)行外圓工序尺寸參數(shù)生成推理規(guī)則的構(gòu)建。SWRL是一種獨(dú)立于任何推理引擎的規(guī)則語言,具有很強(qiáng)的邏輯表達(dá)能力和智能推理能力[20]。根據(jù)外圓工序尺寸參數(shù)生成過程加工方案和工序尺寸參數(shù)的推理過程,利用SWRL建立的部分規(guī)則,如表3所示,其他表示類似。

表3 外圓工序尺寸參數(shù)生成推理規(guī)則

3.2 工序尺寸參數(shù)的自動(dòng)生成

為實(shí)現(xiàn)軸類零件外圓工序尺寸參數(shù)的自動(dòng)生成,利用OWL建立個(gè)體斷言并構(gòu)建相關(guān)SWRL規(guī)則,再將基于OWL和SWRL分別建立的結(jié)構(gòu)化知識(shí)和約束化知識(shí)轉(zhuǎn)化為推理機(jī)能夠識(shí)別和處理的形式。采用Jess推理機(jī)進(jìn)行推理,通過JessTab插件將結(jié)構(gòu)化知識(shí)和約束化知識(shí)分別轉(zhuǎn)化為Jess事實(shí)和Jess規(guī)則,并構(gòu)建相應(yīng)的事實(shí)庫和規(guī)則庫,最后通過Jess推理機(jī)推理生成工序尺寸參數(shù)?；贘ess推理機(jī)設(shè)計(jì)了軸類零件外圓工序尺寸參數(shù)生成知識(shí)庫系統(tǒng)的底層框架,如圖4所示。

圖4 外圓工序尺寸參數(shù)生成知識(shí)庫系統(tǒng)的底層框架

3.3 工序尺寸參數(shù)的自動(dòng)生成算法

為驗(yàn)證自動(dòng)生成方法的可行性,根據(jù)外圓工序尺寸參數(shù)自動(dòng)生成的原理,給出可行性驗(yàn)證算法,算法的具體步驟如圖5所示。

圖5 外圓工序尺寸參數(shù)自動(dòng)生成的流程圖

1)構(gòu)建零件模型并分析零件結(jié)構(gòu),分解得到若干外圓軸段,利用OWL表示零件與其外圓軸段間的從屬關(guān)系,并構(gòu)建斷言公式集APS;

2)從零件模型提取相關(guān)設(shè)計(jì)特征信息,利用OWL表示零件及其外圓軸段與相關(guān)設(shè)計(jì)特征間的從屬關(guān)系,構(gòu)建表示零件與其設(shè)計(jì)特征間從屬關(guān)系的斷言公式集APD和各外圓軸段與其設(shè)計(jì)特征間從屬關(guān)系的斷言公式集ASD;3)根據(jù)斷言公式集APS、APD和ASD,基于外圓加工方案生成SWRL規(guī)則,利用Jess推理機(jī)推理生成各軸段的外圓加工方案,利用OWL表示各軸段與其加工方案的從屬關(guān)系,并構(gòu)建斷言公式集AMP;

4)根據(jù)上述構(gòu)建的斷言公式集APS、APD、ASD和AMP,基于外圓工序尺寸參數(shù)生成SWRL規(guī)則,利用Jess推理機(jī)推理生成各軸段的外圓工序尺寸參數(shù)。

4 實(shí)例研究

為驗(yàn)證所提算法的可行性,以某減速器輸出軸為例進(jìn)行說明,其部分設(shè)計(jì)特征信息如圖6所示,零件的技術(shù)要求還包括調(diào)質(zhì)處理28～32HRC和材料45鋼。零件毛坯為棒料,直徑為85 mm。

圖6 某減速器輸出軸零件圖

1)根據(jù)零件設(shè)計(jì)信息在CAD 系統(tǒng)中構(gòu)建零件模型,分解得到從左至右共7個(gè)外圓軸段,構(gòu)建表示零件與其外圓軸段之間從屬關(guān)系的斷言公式集:

2)提取零件相關(guān)設(shè)計(jì)特征信息,構(gòu)建表示零件與其相關(guān)設(shè)計(jì)特征間從屬關(guān)系的斷言公式集:

以外圓軸段1為例,構(gòu)建表示軸段1與其設(shè)計(jì)特征間從屬關(guān)系的斷言公式集:

3)根據(jù)APS1、APD1和ASD1,基于外圓加工方案生成SWRL規(guī)則,推理生成各外圓軸段的加工方案,以外圓軸段1為例,構(gòu)建表示其與其加工方案間從屬關(guān)系的斷言公式集:

AMP11={CPS(cps11),CMP(CMP8),CMM(Rough Turning)),CMM(Semi-finishing Turning),CMM(RoughGrinding),CMM(FinishingGrinding),hasCMP(cps11,CMP8),hasCMM1(cps11,Rough Turning),hasCMM2(cps11,Semi-finishing Turning),hasCMM3 (cps11,RoughGrinding),hasFCMM(cps11,FinishingGrinding)};同理構(gòu)建其余軸段的斷言公式集AMP12、AMP13、AMP14、AMP15、AMP16、AMP17,由該7個(gè)斷言公式集共同組成AMP1。

4)根據(jù)上述構(gòu)建的斷言公式集APS1、APD1、ASD1和AMP1,生成各外圓軸段工序尺寸參數(shù),如表4所示。

表4 實(shí)例零件工序尺寸參數(shù)自動(dòng)生成結(jié)果 mm

5 結(jié)束語

提出了一種基于本體的軸類零件外圓工序尺寸參數(shù)的自動(dòng)生成方法,通過構(gòu)建軸類零件外圓工序尺寸參數(shù)生成的知識(shí)表示模型,利用OWL 和SWRL對(duì)其進(jìn)行本體轉(zhuǎn)化,借助Jess推理機(jī)實(shí)現(xiàn)了外圓工序尺寸參數(shù)的自動(dòng)生成,并通過實(shí)例驗(yàn)證了所提方法的可行性。該方法減少了人為干預(yù)對(duì)外圓工序尺寸參數(shù)生成過程造成的影響,保障了相關(guān)工藝知識(shí)在異構(gòu)CAPP系統(tǒng)間的共享與傳遞。下一步,將在此基礎(chǔ)上開發(fā)外圓工序尺寸參數(shù)自動(dòng)生成插件,實(shí)現(xiàn)與主流CAPP系統(tǒng)的集成。