航空液壓殼體零件三維設(shè)計(jì)變更檢查及更改文件生成

摘 要：為了提升航空液壓殼體零件三維設(shè)計(jì)變更檢查的效率，并解決傳統(tǒng)更改通知單信息表達(dá)不夠直觀的問題，設(shè)計(jì)了航空液壓殼體零件三維設(shè)計(jì)變更檢查自動(dòng)化及更改信息可視化表達(dá)方案。研究基于圖匹配的特征識別技術(shù)，定義設(shè)計(jì)特征最短搜索路徑和主方向?qū)傩?，提出基于特征匹配的更改信息識別辦法，研究基于3DPDF的更改信息可視化表達(dá)技術(shù)，開發(fā)相應(yīng)的系統(tǒng)，在提高更改檢查效率的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了更改信息的可視化表達(dá)。

關(guān)鍵詞：航空液壓；殼體零件；設(shè)計(jì)特征；變更檢查；3DPDF

中圖分類號：V214.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號：1671-5276（2024）04-0129-05

3D Design Modification Inspection and Change File Generation of Aviation Hydraulic Shell Parts

LIU Yangyang¹，ZHOU Laishui¹，HUANG Binda²

（1. College of Mechanical and Electrical Engineering， Nanjing University of Aeronautics and Astronautics， Nanjing 210016， China; 2. AVIC Jincheng Nanjing Engineering Institute of Aircaft System， Nanjing 211106， China）

Abstract：In order to improve the efficiency of 3D design change inspection for aviation hydraulic shell parts and resolve the intuitiveness of information expression of traditional change notice， a scheme of automatic 3D design change inspection and visual expression of change information for aviation hydraulic shell parts was designed. The feature recognition technology based on graph matching was studied， the shortest search path and main direction attribute of design features were defined， the change information recognition method based on feature matching was proposed， the change information visualization representation technology based on 3DPDF was studied， and the corresponding system was developed， which not only improved the efficiency of change detection， but also realized the visual representation of change information.

Keywords：aviation hydraulic; shell part; design feature; change inspection; 3DPDF

0 引言

作為航空零部件的其他裝配載體，航空液壓殼體零件在基于液壓油路的航空飛機(jī)控制系統(tǒng)中占據(jù)主導(dǎo)地位，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工精度要求高^[1]。在非數(shù)字化的設(shè)計(jì)流程中，航空液壓殼體零件三維設(shè)計(jì)變更信息的提取大多依靠人工檢查，以舵機(jī)殼體零件為例，完整表達(dá)其零件結(jié)構(gòu)所需的視圖高達(dá)上百個(gè)，這對于更改檢查來說是一個(gè)極其龐大的工作量。除此之外，非數(shù)字化的更改通知單以紙質(zhì)文件為載體，信息傳遞能力有限，無法直接關(guān)聯(lián)到三維模型的空間結(jié)構(gòu)。以上種種弊端使得更改檢查遺漏、更改通知文件與模型三維設(shè)計(jì)不匹配的情況時(shí)有發(fā)生，大大拖延了相關(guān)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)周期。

在全三維數(shù)字化設(shè)計(jì)的情況下，模型三維設(shè)計(jì)的更改檢查工作本質(zhì)上是模型匹配，其相關(guān)技術(shù)已有眾多學(xué)者在研究。冷鈺琳等^[2]提出了基于幾何矩的形狀匹配算法。閆潔等^[3]通過粒子群算法提取面相似度，進(jìn)而計(jì)算模型整體的相似度。盧文翔等^[4]設(shè)計(jì)了零件點(diǎn)云粗配準(zhǔn)方法，提高了配準(zhǔn)精度與效率。目前，模型比對技術(shù)主要關(guān)注模型的相似性而非具體的模型差異。

針對上述問題，本文研究了航空液壓殼體零件變更檢查自動(dòng)化及更改信息可視化表達(dá)技術(shù)。通過研究基于圖匹配的特征識別技術(shù)提取零件三維設(shè)計(jì)信息，通過自定義屬性，設(shè)計(jì)基于特征匹配的更改信息識別辦法，研究基于3DPDF的三維可視化更改文件形式，并開發(fā)相應(yīng)的系統(tǒng)，在提高航空液壓殼體三維設(shè)計(jì)變更檢查效率的同時(shí)實(shí)現(xiàn)更改信息的可視化表達(dá)，縮減航空液壓殼體零件的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)周期。

1 總體技術(shù)方案

航空液壓殼體零件三維設(shè)計(jì)變更檢查及更改文件生成總體技術(shù)方案由零件三維設(shè)計(jì)信息提取、零件設(shè)計(jì)特征匹配、零件三維設(shè)計(jì)更改檢查、可視化更改單生成四部分構(gòu)成，如圖1所示。

零件三維設(shè)計(jì)信息提取是通過設(shè)計(jì)特征識別和PMI提取獲取航空液壓殼體零件的幾何結(jié)構(gòu)信息和產(chǎn)品制造信息。零件設(shè)計(jì)特征匹配是通過自定義的特征屬性標(biāo)簽來構(gòu)建更改前后零件設(shè)計(jì)特征映射關(guān)系。零件三維設(shè)計(jì)更改檢查是通過基于匹配特征的信息比對識別提取更改點(diǎn)?？梢暬膯紊墒峭ㄟ^基于3DPDF的可視化文件實(shí)現(xiàn)航空液壓殼體零件三維設(shè)計(jì)更改信息的可視化表達(dá)。

2 基于特征識別的三維設(shè)計(jì)信息識別提取

2.1 設(shè)計(jì)特征數(shù)據(jù)集定義

零件設(shè)計(jì)特征表示具有一定功能預(yù)期的模型幾何結(jié)構(gòu)，本文在設(shè)計(jì)特征幾何信息的基礎(chǔ)上，融合產(chǎn)品制造信息（PMI）對設(shè)計(jì)特征數(shù)據(jù)集F作如下定義：

F=F_a∪F_b（1）

F_a=E_DGE∪F_ACE（2）

F_b=D_I∪A_n（3）

D_I=L_OC∪S_HA（4）

A_n=T_r∪D_a∪R_a∪L_a（5）

式中：F_a表示設(shè)計(jì)特征的幾何要素，包括特征邊E_DGE和特征面F_ACE；F_b表示設(shè)計(jì)特征的非幾何要素，包括尺寸標(biāo)注集合D_I和非尺寸標(biāo)注集合A_n，其中尺寸標(biāo)注D_I集合包含定位尺寸L_OC以及形狀尺寸S_HA，而非尺寸標(biāo)注A_n集合則由形位公差T_r、基準(zhǔn)標(biāo)簽D_a、表面粗糙度標(biāo)簽R_a、文本注釋L_a等標(biāo)簽構(gòu)成。

2.2 基于子圖同構(gòu)的設(shè)計(jì)特征識別

在三維模型特征識別領(lǐng)域，基于圖匹配的方法應(yīng)用較為廣泛^[5]。其中，子圖同構(gòu)算法^[6]將需要識別的特征和零件模型以圖的形式進(jìn)行表示，由此把特征識別問題轉(zhuǎn)化為在模型屬性鄰接圖（attribute adjacency graph，AAG）中查找同構(gòu)屬性鄰接子圖問題。文本通過零件面邊信息的識別提取構(gòu)建了零件屬性鄰接圖，并設(shè)計(jì)了基于子圖同構(gòu)的設(shè)計(jì)特征提取算法，如圖2所示。

2.3 PMI信息提取

PMI信息包括與特征直接相關(guān)的形位公差、尺寸公差、表面粗糙度、基準(zhǔn)信息和非直接相關(guān)的技術(shù)要求、零件屬性等信息。主流三維建模軟件為上述信息提供了訪問接口，以NX為例，通過基于NXOpen的二次開發(fā)，能夠?qū)崿F(xiàn)PMI信息的識別提取。

3 基于特征匹配的航空液壓殼體零件三維設(shè)計(jì)變更檢查

更改前后的零件三維設(shè)計(jì)信息提取結(jié)果是互相獨(dú)立的，為了準(zhǔn)確識別設(shè)計(jì)變更，首先需要建立設(shè)計(jì)特征的前后映射關(guān)系。

基于圖匹配的特征識別算法以深度優(yōu)先的遍歷準(zhǔn)則查詢同構(gòu)子圖，對于任意已匹配的同構(gòu)子圖，存在一個(gè)或者多個(gè)“搜索路徑”，本文定義了設(shè)計(jì)特征最短搜索路徑屬性，最短搜索路徑指的是從搜索初始面出發(fā)，搜索得到某一設(shè)計(jì)特征的最短 “面邊鏈”，如圖3所示。

在圖3中，從初始底面出發(fā)，搜索得到設(shè)計(jì)特征的最短搜索路徑為“平面（初始面）—邊1—平面—邊2—柱面—邊3—平面—邊4—平面”，其中的面與邊節(jié)點(diǎn)包含了面邊的類型及凹凸屬性信息。

航空液壓殼體類零件主要設(shè)計(jì)特征可大致分為孔和腔體兩類，這兩類特征具有明顯的方向性。本文為這兩大類設(shè)計(jì)特征定義了“主方向”屬性。孔類特征主方向表示為圓柱面中心軸線方向，腔體類特征主方向表示為與其余面均垂直的面的法向，如圖4中黑色箭頭所示。

通過最短搜索路徑匹配加特征主方向匹配建立特征篩選準(zhǔn)則，進(jìn)一步通過人工操作進(jìn)行特征匹配，構(gòu)建出匹配特征集，隨后對設(shè)計(jì)特征非幾何要素進(jìn)行數(shù)據(jù)比對，識別差異信息，對于獨(dú)立特征集中的特征，其更改識別結(jié)果需要進(jìn)一步通過人工檢查進(jìn)行優(yōu)化，總體流程如圖5所示。

3 基于3DPDF的三維可視化更改文件生成

3.1 可視化更改文件模板設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)更改單以二維圖樣的形式傳遞到下游。該方式信息冗余度高，表達(dá)能力有限。Adobe Acrobat提供了基于3DPDF的三維模型輕量化展示方案，該文件平臺能在保證文件輕量化的同時(shí)，保留3D模型的結(jié)構(gòu)及PMI^[7]和信息，適合作為可視化更改文件的模板。

MBD環(huán)境下的三維模型視圖信息表達(dá)能力遠(yuǎn)超二維工程圖^[8]，本文通過將輕量化MBD模型的視圖作為更改信息的表達(dá)載體，在保留二維更改單內(nèi)容的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了基于3DPDF的更改文件。該文件嵌入了可供交互操作的輕量化三維模型，同時(shí)包含了條例式的更改信息，建立了更改信息與模型視圖的對應(yīng)關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)了在一個(gè)模型欄中表達(dá)多條更改信息的效果，增加了快捷操作按鈕以實(shí)現(xiàn)快速改變模型顯示模式的功能，如圖6所示。

3.2 更改文件可視化實(shí)現(xiàn)

Acrobat為傳統(tǒng)的JavaScript腳本語言增加了新的對象、方法和屬性，能通過添加文檔級JS腳本的方式自動(dòng)讀取外部XML文件并實(shí)現(xiàn)相關(guān)PDF內(nèi)容的自動(dòng)填寫。XML是可擴(kuò)展標(biāo)記語言，幾乎能在任何主流平臺間傳遞數(shù)據(jù)^[9]。

本文通過在XML文檔中定義相關(guān)標(biāo)簽與節(jié)點(diǎn)來存儲設(shè)計(jì)更改，然后在PDF中將對應(yīng)的表單域標(biāo)簽值設(shè)為XML文檔中的屬性節(jié)點(diǎn)，通過預(yù)定義文檔級JavaScript腳本實(shí)現(xiàn)XML文檔數(shù)據(jù)的自動(dòng)導(dǎo)入以及更改信息標(biāo)簽與三維模型視圖的聯(lián)動(dòng)，最終實(shí)現(xiàn)更改信息的可視化表達(dá)。

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

液壓殼體零件三維設(shè)計(jì)變更檢查及更改文件生成系統(tǒng)在NX12平臺和Adobe Acrobat Pro DC軟件上進(jìn)行開發(fā)。以航空液壓舵機(jī)殼體為例，首先通過模型信息識別得到三維設(shè)計(jì)信息，然后通過基于特征匹配的信息比對環(huán)節(jié)提取差異，得到初步的更改識別結(jié)果，隨后進(jìn)入識別結(jié)果后處理模塊，完成信息優(yōu)化和更改信息、視圖添加，最后在更改單發(fā)布模塊生成可視化設(shè)計(jì)更改文件，總體框架如圖7所示。

4.1 模型信息提取模塊

在模型信息提取模塊導(dǎo)入模型后進(jìn)行特征識別，其中特征識別結(jié)果包含特征類型、特征邊、特征面以及特征相關(guān)聯(lián)的尺寸PMI和其他注釋信息。這些信息以子節(jié)點(diǎn)形式在結(jié)果中展示，方便用戶快速定位到所需數(shù)據(jù)單元，如圖8所示。

4.2 模型信息比對模塊

模型信息比對之前要對特征識別結(jié)果進(jìn)行匹配，通過右鍵菜單激活特征匹配命令，在給定的待匹配特征中進(jìn)行選擇，建立特征對應(yīng)關(guān)系，為下一步的信息比對做鋪墊，如圖9所示。

4.3 結(jié)構(gòu)后處理模塊

對模型信息比對的結(jié)果進(jìn)一步優(yōu)化，為比對結(jié)果添加視圖依附關(guān)系和必要的文本表述，最終輸出融合了更改信息的MBD模型文件和存儲更改信息的XML文檔。為三維可視化更改單提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，其流程如圖10所示。

4.4 更改文件發(fā)布模塊

更改文件發(fā)布模塊在Adobe Acrobat軟件中進(jìn)行，打開預(yù)制的更改單模板，通過基于XML更改信息文件自動(dòng)填寫表單域，在更改列表中為更改信息單元格添加javaSrcipt腳本，實(shí)現(xiàn)模型視圖和文本域的自動(dòng)響應(yīng)，最后填寫完整信息欄即可發(fā)布，如圖11所示。

5 結(jié)語

為解決航空液壓殼體零件三維設(shè)計(jì)變更檢查效率低以及傳統(tǒng)更改單信息表達(dá)能力弱的問題，通過特征識別算法和CAD軟件開發(fā)接口對航空液壓殼體零件模型三維設(shè)計(jì)信息進(jìn)行了識別提取，對模型的設(shè)計(jì)特征級信息進(jìn)行了定義，并設(shè)計(jì)特征最短搜索路徑，定義主方向?qū)傩?，設(shè)計(jì)了基于特征匹配的更改信息自動(dòng)識別方案。最后通過3DPDF文件平臺實(shí)現(xiàn)了更改單文件的可視化表達(dá)。該方案系統(tǒng)地提高了航空液壓殼體零件模型三維設(shè)計(jì)變更檢查的效率，并對更改信息表達(dá)載體進(jìn)行了創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)了MBD模型與傳統(tǒng)更改單的融合，提高了信息傳遞效率。

參考文獻(xiàn)：

[1] 郭生榮. 航空機(jī)電系統(tǒng)綜合技術(shù)發(fā)展[J]. 航空精密制造技術(shù)，2016，52（1）：1-6.

[2] 冷玨琳，張哲，劉田田，等. 基于幾何矩的CAD模型形狀匹配算法及應(yīng)用[J]. 圖學(xué)學(xué)報(bào)，2021，42（4）：608-614.

[3] 閆潔，孫靜懿，韓文軍. 粒子群優(yōu)化三維模型相似性評價(jià)[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2020（1）：296-299.

[4] 盧文翔，熊瑞平，徐毅松，等. 基于特征分割識別的點(diǎn)云配準(zhǔn)[J]. 組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2022（4）：32-35.

[5] JOSHI S，CHANG T C. Graph-based heuristics for recognition of machined features from a 3D solid model[J]. Computer-Aided Design，1988，20（2）：58-66.

[6] 謝飛，郭宇，張紅蕾，等. 基于圖和子圖同構(gòu)算法的制造特征識別方法[J]. 南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2018，50（3）：390-396.

[7] YODERS J .Acrobat 3D 8 makes 3D/CAD file-sharing easier[J].Building Design amp; Construction， 2007（10）：48.

[8] 呂程，龔練，劉輝，等. 基于MBD的三維圖樣表達(dá)方式研究與系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)[J]. 圖學(xué)學(xué)報(bào)，2018，39（5）：951-957.

[9] 張國超，金巧園，何旭，等. 基于XML的通用接口通信調(diào)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)[J]. 電子技術(shù)與軟件工程，2022（12）：1-4.

收稿日期：2023-02-06