數(shù)字節(jié)點(diǎn)鏈驅(qū)動(dòng)的孿生工序動(dòng)態(tài)模型構(gòu)建

成 彬，樊 琛

(1.西安建筑科技大學(xué) 理學(xué)院,西安 710055；2.西安建筑科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,西安 710055)

1 引言

隨著數(shù)字化制造水平的快速發(fā)展，對(duì)虛擬制造為基礎(chǔ)的集成技術(shù)的發(fā)展有更高的要求。全三維數(shù)字化工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)主要以三維工序模型為研究對(duì)象，三維模型蘊(yùn)涵了豐富的設(shè)計(jì)信息、工藝信息及加工信息，需要對(duì)模型進(jìn)行信息獲取、關(guān)系挖掘及各級(jí)模型的構(gòu)建，才能為后續(xù)的加工制造環(huán)節(jié)提供可靠的數(shù)據(jù)支撐。三維工序模型作為CAD/CAPP/CAM系統(tǒng)集成的實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)，對(duì)其進(jìn)行信息獲取與模型重構(gòu)一直是數(shù)字智能化設(shè)計(jì)與制造領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[1-2]。

目前，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)三維工序模型構(gòu)建和數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行了大量研究。Wan等[3]研究了工藝模型的創(chuàng)建方法，通過分析零件加工過程以及工藝模型的建模過程，提出了基于工藝知識(shí)的順序和逆序的建模方法。Wen Y等[4-5]提出一種從模型剖視圖中識(shí)別特征并重建三維模型的方法。曾鵬飛[6]提出了一種裝配工藝信息集成管理方法，基于MBD技術(shù)構(gòu)建了裝配工藝信息集和裝配工藝MBD模型及其層次關(guān)系。于勇等[7]為提高工序模型構(gòu)建方法的實(shí)用性和對(duì)加工過程描述的準(zhǔn)確性，提出基于MBD模型的工序模型構(gòu)建方法。張賀等[8-9]針對(duì)三維工序模型構(gòu)建工作量大等問題，基于體分解和分割面等方法，提出鑄造毛坯模型和三維工序模型自動(dòng)生成方法。周祖德等[10]根據(jù)智能制造的發(fā)展模式，結(jié)合數(shù)字孿生技術(shù)的特點(diǎn)，從不同角度介紹數(shù)字孿生技術(shù)在智能制造領(lǐng)域的關(guān)聯(lián)應(yīng)用。陶飛等[11]提出數(shù)字孿生模型構(gòu)建是實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生落地應(yīng)用的前提。Liu等[12-14]提出基于數(shù)字孿生技術(shù)的工藝評(píng)定方法，實(shí)現(xiàn)在加工條件動(dòng)態(tài)變化和制造資源不確定的情況下對(duì)工藝方案進(jìn)行評(píng)價(jià)。Zhao等[15]提出面向制造工藝的數(shù)字孿生模型，構(gòu)建加工工藝多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的層次模型和映射策略。Miller等[16]基于MBD模型的基礎(chǔ)上，提出擴(kuò)展CAD模型的潛在價(jià)值和拓展數(shù)據(jù)的可視化。

綜上所述，以上文獻(xiàn)主要將數(shù)字孿生應(yīng)用于裝配后端的研究，缺乏對(duì)孿生基礎(chǔ)模型定義及功能的拓展研究。因此，基于工藝孿生語義及相關(guān)定義和應(yīng)用，通過工序序列譜的構(gòu)建原理生成數(shù)字化工序節(jié)點(diǎn)鏈，以加工單元體為最小加工模型，構(gòu)建基于加工特征的孿生工序模型的數(shù)據(jù)信息和模型信息的驗(yàn)證系統(tǒng)。

2 語義信息獲取

2.1 基本概念

定義1機(jī)加工工藝要素(machining process elements,MPE)，指基于機(jī)加工間的設(shè)計(jì)模型，構(gòu)建面向數(shù)字孿生的機(jī)加工工序動(dòng)態(tài)模型的工藝特征所需的特征類型、加工尺寸大小、加工定位及方位、形位公差及基準(zhǔn)關(guān)聯(lián)參考等主要表達(dá)要素，從而完整的構(gòu)建模擬物理加工的證實(shí)過程和主要屬性。

定義2工藝孿生語義模型(process twin semantic model,PTSM)，以機(jī)加工特征動(dòng)態(tài)生成為目標(biāo)，以加工工藝規(guī)范等為關(guān)聯(lián)規(guī)則，以機(jī)加工工藝要素為語義生成語義要素：加工特征、加工方法、加工尺寸及精度、加工部位及數(shù)量和技術(shù)要求，描述工藝加工過程主要屬性和工藝內(nèi)容，從而生成機(jī)加工工藝孿生語義模型PTSM：

(1)

式中：MF表示加工特征類型，MM表示加工特征所需的加工方法，MSA表示加工特征的尺寸和精度，MPN表示加工特征的位置和數(shù)量，TR表示加工過程的技術(shù)要求。

定義3機(jī)加工三維加工工序序列譜(3D machining sequence spectrum,MSS)，簡(jiǎn)稱加工序列譜，指在工藝孿生語義模型的基礎(chǔ)上，整合每道工序加工特征的工藝要素和語義要素信息所形成的三維加工序列譜模型，用來指導(dǎo)零件加工過程的全部特征并生成加工序列樹譜，序列譜表示為

(2)

定義4三維工序譜動(dòng)態(tài)模型(3D process spectrum dynamic model,PSGM)，指以工藝孿生語義模型和三維工序譜作為數(shù)據(jù)、模型驅(qū)動(dòng)，通過特征布爾運(yùn)算原理來描述物理實(shí)體從毛坯到成品的虛擬工序模型動(dòng)態(tài)生成過程的模型，模型表示為

(3)

式中：MVi表示第i道的三維工序模型。

定義5孿生工序動(dòng)態(tài)模型(twin process dynamic model,TPDM)，指在虛擬空間將物理加工過程與三維工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)深度融合，以語義要素為數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)，以三維工序譜動(dòng)態(tài)模型為橋梁，刻畫零件物理加工狀態(tài)的動(dòng)態(tài)衍化過程模型，該模型表示為：

TPDM={PTSM,PSGM}

(4)

2.2 信息獲取與映射

設(shè)計(jì)MBD模型包含設(shè)計(jì)特征的幾何信息和非幾何信息，將設(shè)計(jì)特征信息映射到加工過程的前提是準(zhǔn)確獲取設(shè)計(jì)特征的要素信息。為提高特征識(shí)別效率，在不影響識(shí)別特征質(zhì)量和功能的前提下，需要對(duì)設(shè)計(jì)模型進(jìn)行相應(yīng)的前處理操作，主要包括特征形狀抑制和簡(jiǎn)化、結(jié)構(gòu)分解和調(diào)整等，特征形狀抑制和簡(jiǎn)化是將特征形狀對(duì)獲取結(jié)果無影響的操作進(jìn)行抑制，例如對(duì)螺紋特征進(jìn)行抑制、盲孔特征的底面的錐角可視為平面簡(jiǎn)化處理；特征分解是將一個(gè)復(fù)雜特征拆分為2個(gè)特征的組合，例如沉頭孔可分為兩個(gè)簡(jiǎn)單孔的組合；特征調(diào)整是對(duì)復(fù)制、鏡像、陣列等操作后的特征進(jìn)行關(guān)聯(lián)關(guān)系的刪除。如圖1所示，以孔特征為例描述信息獲取過程。

圖1 孔特征信息獲取過程Fig.1 Hole feature information acquisition process

3 數(shù)字工序節(jié)點(diǎn)鏈構(gòu)建

智能制造模式下，加工特征作為機(jī)加工過程的核心單元，其完整的語義要素?cái)?shù)據(jù)是驅(qū)動(dòng)構(gòu)建工藝孿生語義模型的基礎(chǔ)，搭建工序節(jié)點(diǎn)鏈對(duì)加工順序信息管理，以工序節(jié)點(diǎn)鏈為主線描述特征動(dòng)態(tài)加工優(yōu)先順序和最終設(shè)計(jì)意圖。

3.1 節(jié)點(diǎn)鏈數(shù)學(xué)模型

3.1.1節(jié)點(diǎn)表達(dá)

工步節(jié)點(diǎn)(step node,SN)指描述具體加工過程最基礎(chǔ)操作步驟之間的關(guān)系，展現(xiàn)了工步屬性、工步狀態(tài)和所需加工資源信息，其表達(dá)式為

SNi={A,PS,PR}

(5)

式中:A為工步屬性集合，包括該工步序號(hào)、工步名稱；PS為工步狀態(tài)信息；PR為加工該工步所需的資源信息。

工序節(jié)點(diǎn)(process node,PN)是描述零件加工工藝過程的基本單元，其表達(dá)生產(chǎn)活動(dòng)屬性信息、工藝信息和狀態(tài)信息等，其模型表示為

PNi={NA,SN,MFi,PSGMi}

(6)

式中：NA為節(jié)點(diǎn)屬性集合，包括節(jié)點(diǎn)序號(hào)、節(jié)點(diǎn)名稱、節(jié)點(diǎn)代號(hào)等；SN為工步節(jié)點(diǎn)集合信息；MFi為加工特征語義信息；PSGMi為三維工序譜動(dòng)態(tài)模型。

工序節(jié)點(diǎn)鏈(process node chain,PNC)是指依據(jù)工藝設(shè)計(jì)意圖，將加工工藝節(jié)點(diǎn)按照一定的關(guān)聯(lián)規(guī)則有序排列，反映加工狀態(tài)及幾何特征由輸入經(jīng)工序間過程傳遞到輸出的動(dòng)態(tài)過程的工序譜模型結(jié)構(gòu)，其模型表示為：

(7)

式中:OR為節(jié)點(diǎn)間的組織關(guān)系，其中Lr為邏輯關(guān)系，Sr為結(jié)構(gòu)關(guān)系，且Sr∈[0,1]，若Sr=0節(jié)點(diǎn)前驅(qū)動(dòng)模式，則Sr=1節(jié)點(diǎn)后驅(qū)動(dòng)模式；MSS為在特征節(jié)點(diǎn)的基礎(chǔ)上形成的三維加工工序序列譜；PNi為第i個(gè)特征工序節(jié)點(diǎn)；PTSMi為第i個(gè)工序?qū)\生語義模型屬性信息；TPDMi為孿生工序動(dòng)態(tài)模型中第個(gè)i孿生工序模型。

3.1.2特征空間位置關(guān)系

特征空間位置關(guān)系主要描述特征間的空間位置拓?fù)潢P(guān)系屬性，依據(jù)特征的隸屬關(guān)系和空間位置結(jié)構(gòu)，特征間關(guān)系分為基準(zhǔn)關(guān)系、從屬關(guān)系、相交關(guān)系和陣列關(guān)系。特征空間位置關(guān)系表達(dá)為

FSIR={Rda,Rsu,Rin,Rar}

(8)

式中：Rda表示基準(zhǔn)關(guān)系，Rsu表示特征間的從屬關(guān)系，Rin表示特征間存在相交關(guān)系，Rar表示特征間陣列關(guān)系。

3.2 節(jié)點(diǎn)間關(guān)系結(jié)構(gòu)

毛坯經(jīng)過一系列加工特征的連續(xù)切除形成合格產(chǎn)品，加工特征間存在的關(guān)系即為節(jié)點(diǎn)間關(guān)系結(jié)構(gòu)，依據(jù)加工原則和屬性將節(jié)點(diǎn)間關(guān)系結(jié)構(gòu)分為節(jié)點(diǎn)順序結(jié)構(gòu)和節(jié)點(diǎn)選擇結(jié)構(gòu)。

節(jié)點(diǎn)邏輯關(guān)系指依據(jù)特征部位主次、并列、遞進(jìn)等特點(diǎn)描述節(jié)點(diǎn)間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，根據(jù)節(jié)點(diǎn)的功能作用可分為選擇節(jié)點(diǎn)、支節(jié)點(diǎn)和合節(jié)點(diǎn)，其中選擇節(jié)點(diǎn)表示節(jié)點(diǎn)順序可交換；支節(jié)點(diǎn)表示存在若干并聯(lián)后端節(jié)點(diǎn)，即并行執(zhí)行的加工工藝；合節(jié)點(diǎn)表示存在若干并聯(lián)前驅(qū)節(jié)點(diǎn)，即執(zhí)行并行加工工藝后進(jìn)行串聯(lián)。

PNC由工步節(jié)點(diǎn)SNi={SN1,SN2,…,SNm}、工序節(jié)點(diǎn)PNj={PN1,PN2,…,PNn}組成，節(jié)點(diǎn)間關(guān)系結(jié)構(gòu)執(zhí)行準(zhǔn)則：

1) 若滿足?PNk∈PN,k={1,2,…,n}，且節(jié)點(diǎn)存在Sr=(0,1)，則節(jié)點(diǎn)流無支節(jié)點(diǎn)和合節(jié)點(diǎn)，可視為單一節(jié)點(diǎn)鏈。

2) 若存在節(jié)點(diǎn)PNk、PNk+1，且節(jié)點(diǎn)可進(jìn)行順序互換執(zhí)行，且執(zhí)行后加工性能和狀態(tài)相同，則節(jié)點(diǎn)PNk、PNk+1前可添加選擇節(jié)點(diǎn)。

隨著創(chuàng)新科技的廣泛應(yīng)用，數(shù)字出版物的形式也在日新月異地發(fā)生著變化。例如，隨著增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)（AR）的逐漸成熟，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)（AR）的圖書出版也正在飛速發(fā)展。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)（AR）圖書將單調(diào)的平面圖像、人物角色變?yōu)殍蜩蛉缟?D立體形象，給予讀者視覺、聽覺的直觀感受。在國內(nèi)外大型圖書博覽會(huì)上，這種增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)（AR）圖書已經(jīng)出現(xiàn)，并且吸引了相當(dāng)?shù)淖x者群體，其未來的發(fā)展前景是相當(dāng)可觀的。

① 順序結(jié)構(gòu)。節(jié)點(diǎn)順序結(jié)構(gòu)指各相鄰兩節(jié)點(diǎn)(工序)間存在先后的加工次序，其判斷條件是加工設(shè)計(jì)意圖生成的特征序列，依據(jù)特征序列規(guī)劃信息劃分出各相鄰兩節(jié)點(diǎn)中前端節(jié)點(diǎn)和后端節(jié)點(diǎn)，并且前端節(jié)點(diǎn)的生成是后端節(jié)點(diǎn)的基礎(chǔ)，由此形成前端節(jié)點(diǎn)驅(qū)動(dòng)后端節(jié)點(diǎn)的順序結(jié)構(gòu)。

② 選擇結(jié)構(gòu)。節(jié)點(diǎn)選擇結(jié)構(gòu)指存在2個(gè)及以上的節(jié)點(diǎn)(工序)特征序列，其選擇依據(jù)是特征部位的影響關(guān)系和加工資源合理利用，依據(jù)原則和條件可分為固定關(guān)系和任意關(guān)系。固定關(guān)系即后續(xù)節(jié)點(diǎn)存在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)關(guān)系，加工過程中具有明確的先后順序；任意關(guān)系即特征之間在結(jié)構(gòu)、功能上無任何影響關(guān)系，可任意進(jìn)行加工選擇。

3.3 節(jié)點(diǎn)鏈生成原理

數(shù)字化工序節(jié)點(diǎn)鏈構(gòu)建是指依據(jù)節(jié)點(diǎn)間組織關(guān)聯(lián)關(guān)系，以工藝節(jié)點(diǎn)為基礎(chǔ)構(gòu)建實(shí)時(shí)反映加工工藝與狀態(tài)的邏輯關(guān)系模型過程，如圖2所示。該過程以節(jié)點(diǎn)觸發(fā)和基于節(jié)點(diǎn)鏈的零件工藝設(shè)計(jì)意圖描述。

圖2 數(shù)字節(jié)點(diǎn)鏈觸發(fā)機(jī)制Fig.2 Trigger mechanism of a digital node chain

1) 節(jié)點(diǎn)鏈觸動(dòng)。節(jié)點(diǎn)鏈觸動(dòng)指按照節(jié)點(diǎn)間關(guān)聯(lián)關(guān)系，依次執(zhí)行節(jié)點(diǎn)所定義的加工工藝活動(dòng)，節(jié)點(diǎn)間關(guān)聯(lián)關(guān)系和節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)、終止條件共同構(gòu)成節(jié)點(diǎn)鏈觸動(dòng)條件。加工工藝節(jié)點(diǎn)表示一個(gè)加工工藝活動(dòng)，工藝活動(dòng)執(zhí)行需在上游工藝滿足設(shè)計(jì)要求前提下啟動(dòng)，且執(zhí)行后經(jīng)檢查同樣滿足相應(yīng)要求后終止。若加工工藝節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)和終止條件為工藝節(jié)點(diǎn)滿足要求且獲得物理加工工藝，則前驅(qū)節(jié)點(diǎn)終止條件可視為后端節(jié)點(diǎn)的啟動(dòng)條件。

2) 節(jié)點(diǎn)鏈信息傳遞。信息要素的傳遞必然會(huì)影響節(jié)點(diǎn)鏈發(fā)生觸動(dòng)機(jī)制，由于人員、設(shè)備、環(huán)境等因素的隨機(jī)變動(dòng)，工序節(jié)點(diǎn)鏈的信息也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，最終影響產(chǎn)品的加工質(zhì)量。工序節(jié)點(diǎn)鏈的加工工藝信息傳遞與節(jié)點(diǎn)間的組織存在密切聯(lián)系，依據(jù)節(jié)點(diǎn)邏輯關(guān)系中的串聯(lián)、并聯(lián)、交換等邏輯特點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)鏈流動(dòng)分為支節(jié)點(diǎn)和合節(jié)點(diǎn)。支節(jié)點(diǎn)是節(jié)點(diǎn)鏈流動(dòng)的分支節(jié)點(diǎn)的延伸，主要描述節(jié)點(diǎn)鏈分支部分的信息傳遞；合節(jié)點(diǎn)是節(jié)點(diǎn)鏈中集合的的部分，是對(duì)前驅(qū)所有節(jié)點(diǎn)信息的收集并指導(dǎo)下游的加工生產(chǎn)。

4 孿生動(dòng)態(tài)工序模型構(gòu)建

4.1 加工序列譜構(gòu)建

4.1.1加工單元體確定

零件加工過程中，具體的加工特征需要一系列的切削操作步驟，將組成加工特征的各個(gè)基本操作內(nèi)容概括為加工單元體，是加工特征的最小操作單元。所謂加工單元體，是指以加工特征為載體，將加工特征相關(guān)的加工設(shè)備、加工方法及加工尺寸和數(shù)量等信息與加工特征連接起來。加工單元體與加工特征一一對(duì)應(yīng)，其加工單元體關(guān)系可表示為

MUB=(MFi,MPi,MRi,MDi)

(9)

式中:MFi表示加工特征類型；MPi表示與該加工特征相對(duì)應(yīng)的加工方法；MRi表示該加工方法需要的加工設(shè)備、刀具、夾具和工裝等資源；MDi表示該加工特征的尺寸參數(shù)，包括幾何尺寸和加工余量。

加工工序的先后順序是數(shù)字化設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié)，零件加工排序過程需要考慮特征的優(yōu)先關(guān)系和聚類關(guān)系，其中優(yōu)先順序是不可逆的約束關(guān)系。優(yōu)先關(guān)系包括基面先行、先主后次、先粗后精和先面后孔等加工約束規(guī)則。建立以加工特征空間位置和工藝節(jié)點(diǎn)鏈為核心數(shù)據(jù)的特征序列庫(machining feature sequence library,MFSL)，考慮加工過程中工序、工步和定位操作等重要加工信息對(duì)不同類型的零件創(chuàng)建工藝序列模板(process sequence template,PST)，在對(duì)同一類零件設(shè)計(jì)工藝序列模板時(shí)，應(yīng)該盡可能多的添加此類零件的工藝孿生語義模型信息，同時(shí)搭建工藝序列與加工特征最大程度的關(guān)聯(lián)關(guān)系。PST表達(dá)式為

PST={MFSL,PTSM,MSS}

(10)

式中:MFSL表示特征序列庫，PTSM表示工藝孿生語義模型，MSS表示三維工序序列譜。

4.1.3三維工序序列譜生成

依據(jù)特征識(shí)別技術(shù)獲取零件的加工特征類型、加工方法及制造資源等信息，從而確定加工單元體的生成順序，由此可將對(duì)零件的三維工序序列管理視為加工特征、加工方法和加工裝備等要素的決策。三維工序序列譜以工序節(jié)點(diǎn)鏈為加工主線，將各道工序內(nèi)容作為節(jié)點(diǎn)進(jìn)行序列譜規(guī)劃，工序節(jié)點(diǎn)鏈的管理是三維工序序列譜生成的關(guān)鍵步驟。特征加工工序節(jié)點(diǎn)鏈管理依靠數(shù)字結(jié)構(gòu)化形式對(duì)工序信息進(jìn)行存儲(chǔ)、管理和應(yīng)用，分析節(jié)點(diǎn)間的關(guān)聯(lián)關(guān)系和觸發(fā)機(jī)制構(gòu)建了以特征為加工主線的數(shù)字化工序節(jié)點(diǎn)鏈，以語義要素代號(hào)為介質(zhì)通過節(jié)點(diǎn)鏈進(jìn)行數(shù)據(jù)輸送和反饋，并以工序節(jié)點(diǎn)鏈作為三維模型構(gòu)建依據(jù)，如圖3所示。

圖3 三維工序序列譜生成過程Fig.3 Generation process of the 3D process sequence spectrum

4.2 三維特征工序譜模型構(gòu)建

三維特征工序譜模型是基于機(jī)加工工藝要素對(duì)工藝孿生語義模型的深度解析，通過集成全部加工特征要素信息形成三維工序序列譜，然后以語義數(shù)據(jù)和基礎(chǔ)模型聯(lián)合驅(qū)動(dòng)三維特征工序譜模型生成，如圖4所示。

圖4 三維特征工序譜模型構(gòu)建Fig.4 Construction of the three-dimensional characteristic process spectrum model

基于加工特征為核心的三維特征工序譜模型構(gòu)建，其原理是在虛擬空間按照三維序列譜模型構(gòu)建方法，以三維設(shè)計(jì)標(biāo)注模型和三維工序序列譜為輸入?yún)?shù)，基于語義要素和空間位置關(guān)系獲取零件的主要屬性信息及序列信息，通過布爾運(yùn)算對(duì)待加工零件進(jìn)行工序序列模板信息匹配并更新模型，將加工特征體作為基本構(gòu)建單元，以機(jī)加工規(guī)則為約束條件，按照零件加工特征先后順序和特征間的位置關(guān)系，通過與前驅(qū)三維工序模型進(jìn)行布爾(交、并、差)運(yùn)算正向/逆向生成三維特征工序譜模型。

4.3 孿生工序模型構(gòu)建算法

孿生工序模型是在智能制造背景下衍化出來的三維模型構(gòu)建，數(shù)字空間的布爾運(yùn)算操作可視為是物理空間的切除過程，以加工特征為核心的三維工序模型構(gòu)建是孿生工序模型生成的基礎(chǔ)模型，基于上述理論方法結(jié)合文獻(xiàn)[17]工藝路線優(yōu)化算法，建立TPDM動(dòng)態(tài)構(gòu)建算法，具體算法流程如圖5所示。

圖5 TPDM動(dòng)態(tài)構(gòu)建算法流程Fig.5 TPDM dynamic construction algorithm flow

Step1：將待加工零件的設(shè)計(jì)MBD模型導(dǎo)入工藝設(shè)計(jì)模型預(yù)覽系統(tǒng)，為建立三維工序模型提供路徑規(guī)劃依據(jù)。

Step2：通過對(duì)工藝孿生語義模型的信息獲取，得到加工特征的五大要素信息，為后續(xù)加工提供數(shù)據(jù)支撐；

Step3：由特征空間位置關(guān)系構(gòu)建，依據(jù)要素信息對(duì)工序節(jié)點(diǎn)鏈組織管理，合理安排特征加工順序。

Step4：依據(jù)3.3節(jié)工序節(jié)點(diǎn)鏈構(gòu)建原理搜索相同或相似度較高的PST，為后續(xù)序列規(guī)劃匹配做基礎(chǔ)。

Step5：搜索成功后，計(jì)算匹配閾值K，將待加工特征的路徑規(guī)劃和最優(yōu)閾值K的PST進(jìn)行匹配，若搜索失敗則擴(kuò)大搜索范圍并轉(zhuǎn)置Step4。

Step6：將三維工序模型構(gòu)建原理、語義要素信息和PST融合應(yīng)用，從而構(gòu)建PSGM，繼而完成TPDM構(gòu)建。

Step7：判斷是否存在下一個(gè)工序節(jié)點(diǎn)，若存在，轉(zhuǎn)置到Step3；若不存在，則模型構(gòu)建結(jié)束。

5 實(shí)例驗(yàn)證

箱體零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、表面精度較高及壁薄且內(nèi)部為型腔形狀，由此決定了加工過程中人員狀態(tài)、設(shè)備狀態(tài)和零件狀態(tài)等數(shù)據(jù)對(duì)加工質(zhì)量產(chǎn)生重要影響，加工質(zhì)量不僅影響設(shè)備的裝配精度和回轉(zhuǎn)精度，而且影響設(shè)備的工作效率、使用性能和壽命。為保證箱體零件加工質(zhì)量和效率，減少加工資源更換成本，以主軸箱體加工過程為例，驗(yàn)證TPDM快速構(gòu)建方法。

5.1 實(shí)驗(yàn)描述

針對(duì)文獻(xiàn)[18]數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)裝配工藝設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)，研究裝配單元零件的孿生工序模型構(gòu)建。以Microsoft Visual Studio 2015為集成開發(fā)環(huán)境，以NX 12.0為研發(fā)平臺(tái)，采用NX/Open API進(jìn)行系統(tǒng)二次開發(fā)，建立箱體類孿生動(dòng)態(tài)工序模型構(gòu)建系統(tǒng)，以典型主軸箱體進(jìn)行孿生工序模型構(gòu)建驗(yàn)證，如圖6所示，主要加工特征類型為機(jī)加工階段的平面類和孔類。

圖6 箱體加工特征結(jié)構(gòu)爆炸圖Fig.6 Explosion diagram of the box processing structure

5.2 系統(tǒng)驗(yàn)證

5.2.1系統(tǒng)功能模塊

孿生工序模型是由工藝孿生語義模型要素?cái)?shù)據(jù)、工藝路徑規(guī)劃、三維工序譜模型及智能構(gòu)建算法等方法集成的數(shù)字化設(shè)計(jì)制造一體化模型。本文將傳統(tǒng)三維工序模型構(gòu)建和數(shù)字孿生技術(shù)深度融合，以主軸箱體為例開發(fā)孿生工序模型構(gòu)建系統(tǒng)，該系統(tǒng)分為三大模塊：工藝設(shè)計(jì)模型預(yù)覽、三維工序譜模型構(gòu)建、孿生工序模型動(dòng)態(tài)演示。

工藝設(shè)計(jì)模型預(yù)覽包括導(dǎo)入模型、工藝節(jié)點(diǎn)鏈預(yù)覽、零件類型和零件代號(hào)等功能，以設(shè)計(jì)MBD模型為輸入模型，基于特征類型和空間位置關(guān)系構(gòu)建加工工藝節(jié)點(diǎn)鏈。三維工序譜模型構(gòu)建包括工藝樹列表結(jié)構(gòu)、工藝孿生語義要素和工序序列模板等功能，根據(jù)設(shè)計(jì)模型和工藝節(jié)點(diǎn)鏈自動(dòng)生成產(chǎn)品工藝樹列表結(jié)構(gòu)，從而形成標(biāo)注模型、孿生工序模型和工藝路線模板模塊。標(biāo)注模型主要為當(dāng)前加工特征的PMI模型；孿生工序模型由工序模型和仿真數(shù)據(jù)組成，孿生工序模型包括工藝信息、工藝孿生語義模型要素、特征空間位置關(guān)系等數(shù)據(jù)，對(duì)虛擬實(shí)物的數(shù)字化工藝仿真產(chǎn)生準(zhǔn)確的仿真數(shù)據(jù)；將工藝樹列表、工藝信息、語義模型要素?cái)?shù)據(jù)、仿真數(shù)據(jù)等集成結(jié)果與工藝路線模板進(jìn)行匹配，從而對(duì)工序樹列表進(jìn)行動(dòng)態(tài)更新。

5.2.2動(dòng)態(tài)模型驗(yàn)證

以圖6所示的零件為導(dǎo)入模型數(shù)據(jù)，依據(jù)三維MBD模型特點(diǎn)構(gòu)建數(shù)字化工藝節(jié)點(diǎn)鏈并驅(qū)動(dòng)加工特征序列的生成，形成零件類型和零件代號(hào)模板數(shù)據(jù)且儲(chǔ)存于工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)中。按照加工特征類型和工序節(jié)點(diǎn)鏈的關(guān)系自動(dòng)形成產(chǎn)品工藝樹列表結(jié)構(gòu)，如圖7所示。

圖7 孿生工序模型構(gòu)建系統(tǒng)Fig.7 Twin process model construction system

箱體機(jī)加工階段是以鑄造毛坯模型為初始模型，以圖6所示主軸孔特征F4為例，通過特征信息映射技術(shù)，識(shí)別主軸孔特征三維MBD模型并提取相關(guān)工藝數(shù)據(jù)，獲取三維孔特征工序譜模型的工藝信息、語義模型和空間位置關(guān)系數(shù)據(jù)如圖8所示。構(gòu)建虛擬實(shí)物仿真加工過程，通過語義信息集成和序列規(guī)劃完成工序節(jié)點(diǎn)鏈構(gòu)建，可查詢追溯相關(guān)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息，如圖9所示。將三維模型設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，實(shí)時(shí)更新三維特征工序譜模型，從而實(shí)現(xiàn)孿生工序動(dòng)態(tài)模型構(gòu)建過程演示，如圖10所示。

圖8 三維工序譜模型數(shù)據(jù)獲取Fig.8 Data acquisition of the 3D process spectrum model

圖9 工序節(jié)點(diǎn)鏈構(gòu)建Fig.9 Construction of PNC

圖10 TPDM構(gòu)建演示Fig.10 Construction demonstration of TPDM

6 結(jié)論

1) 該方法探索了數(shù)字孿生模型的三維基礎(chǔ)模型構(gòu)建及模塊功能的拓展研究，定義了工藝孿生語義模型及相關(guān)概念，通過工藝孿生語義模型的要素獲取規(guī)則從理論和方法上建立各種基礎(chǔ)資源間的關(guān)聯(lián)模型，構(gòu)建以加工特征為核心的工序節(jié)點(diǎn)鏈，完成加工過程的信息集成管理，通過節(jié)點(diǎn)間的關(guān)聯(lián)關(guān)系和孿生工序模型構(gòu)建算法聯(lián)合驅(qū)動(dòng)孿生工序動(dòng)態(tài)模型生成，將數(shù)字孿生應(yīng)用于三維工序模型動(dòng)態(tài)生成進(jìn)一步促進(jìn)了智能制造系統(tǒng)的應(yīng)用。

2) 系統(tǒng)試驗(yàn)表明該方法有效提高了三維工序模型的生成過程和信息追溯效率，并實(shí)現(xiàn)機(jī)加工過程產(chǎn)品狀態(tài)和結(jié)構(gòu)可視化、特征信息拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)化管理應(yīng)用。

3) 目前缺乏對(duì)物理實(shí)體、設(shè)計(jì)模型和孿生工序模型三者協(xié)同設(shè)計(jì)制造的研究，可實(shí)現(xiàn)物理空間和數(shù)字空間產(chǎn)品加工過程的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)共享，將是下一步的研究重點(diǎn)和內(nèi)容。