隨著三維CAD技術在企業數字化設計與制造中的廣泛推廣和應用，傳統的二維CAPP系統已不能滿足工藝設計與管理的需要。在三維環境下進行工藝設計、工藝資源管理、工藝知識表達等已成為企業工藝信息化發展的新需求。發展3D CAPP的關鍵技術之一是三維工序模型的構建和表達。現階段針對工序模型表達的研究主要停留在單一地運用三維CAD系統交互建模的層面上，沒有將工藝設計知識充分融入到建模過程中，導致建模效率低下，不便于信息的集成和3D CAPP技術的推廣。針對上述問題，提出了一種借助CAM加工仿真軟件、面向工藝知識本體生成工序模型的方法。充分運用本體知識引導工序模型的構建，以此來提高三維工藝設計的效率和工藝信息的表達能力，為3D CAPP技術的研究與應用提供更有利的技術支持。
1 特征本體的構建和表達
工藝知識的有效組織和管理是高效構建工序模的重要前提。作者采用基于制造特征的工藝知識管理方法，在對企業產品零件特征進行分析、歸納的基礎上，將零件的制造特征進行分類管理，創建企業的零件特征庫。然后再對企業的工藝知識進行組織、分類，將制造特征與該特征相關的工藝知識相關聯，并將典型特征及其關聯的工藝知識封裝為特征本體。通過構建特征本體來組織和表達工藝知識、反映工藝知識之間的聯系，并以此來引導工序模型的構建。特征本體是對特征工藝知識的描述和總結。特征本體的構建過程就是從工藝知識中提取與制造特征相關聯的概念、關系和屬性，并合理地組織和表達的過程。特征本體的結構可由一個四元組表示：
Feature ontology={FI，C，R，A}
FI表示特征的標識信息，包括特征所屬零件、特征ID號、特征加工次序等基本信息。C表示特征加工領域的相關概念集合，包括特征加工方法類、機床類、夾具類、刀具類等。R為所定義概念間的關系集合，包括繼承關系、并列關系以及特征加工時所涉及的基準關系、定位關系、約束關系等。A為概念和關系的屬性集合，屬性是對所定義類的性質描述，如機床的基本屬性包括機床編號、名稱、主軸轉速、最大功率等。
基于上述思想完成典型零件特征本體的創建，并通過OWL(ontology Web Consortium)本體描述語言對特征本體進行編碼，將本體中定義的概念、關系和屬性映射到具體的工藝知識載體中，如數據庫文件。得到的本體映射文件可以輔助CAM加工仿真軟件進行特征建模操作，實現特征本體信息向機加工操作的映射，為三維工序模型的生成提供輔助支持。
2 三維工序模型的構建流程
工序模型的生成過程就是一種三維模型隨工序內容不斷演變的動態創成過程。通過特征本體信息的引導、借助CAM軟件的建模仿真功能實現工序模型的生成。三維工序模型整體構建框架如圖1所示。
圖1 三維工序模型整體構建框架
2.1 設計模型向毛坯模型的轉換
三維工序模型的生成始于毛坯模型，設計模型向毛坯模型的轉換是設計模型向工序模型轉換的第一步，也是生成三維工序模型的關鍵技術之一。從制作的角度來考慮，零件模型可以看成是由一系列加工活動逐步對毛坯模型進行切削加工后形成的。設Mb代表毛坯制造模型，Md代表零件設計模型，Pij為第i道工序加工出的第j個制造特征，n代表總的工序數，Si為第i組工序加工出的特征數，Mbk代表中間工序模型，則零件的加工制造過程可表達為：
第k道工序的工序模型：
生成工序模型的過程就是先通過設計模型求解毛坯模型，再由毛坯模型還原設計模型，并在還原設計模型的過程中結合特征本體信息完成加工特征創建，生成中間工序模型。文中選擇Pro/ENGINEER軟件中的數控加工模塊（Pro/NC模塊）作為CAM建模仿真平臺實現設計模型向毛坯模型的轉換。Pro/NC模塊可以提供車削、銑削、鉆削、線切割等多種仿真加工和編程功能。在創建制造模型方面提供了特征驅動、實體驅動、曲面驅動等CAM驅動模型，能使加工模型的建立和刀具軌跡的編輯修改實現參數化。因此，借助Pro/NC模塊來輔助生成三維工序模型能達到良好的應用效果。通過Pro/NC模塊轉換得到的毛坯模型能夠繼承原設計模型中的信息，再借助二次開發的三維工序模型輔助生成工具對原模型的尺寸邊界、公差及一些數控特征進行修正，即可保證CAD和CAM之間信息的有效集成和共享。
2.2 基于特征本體信息的NC加工操作設置
通過二次開發三維工序模型輔助生成工具，借助外部數據庫文件與Pro/NC模塊之間創建接口的Pro/Toolkit應用程序可以實現特征本體映射文件的調用，輔助Pro/NC模塊加工操作的設置。例如通過刀具應用管理程序，可搜索切削刀具并將和刀具相關的參數及加工數據從外部刀具數據庫傳遞到Pro/NC模塊，進而實現本體文件信息向NC制造操作的映射。特征本體中的加工方法可以映射為Pro/NC模塊中的車削、銑削等加工命令，工藝參數可以映射為NC建模幾何參數，工藝要求和輔助工藝可以映射為三維環境下的工藝信息標注。在特征本體映射文件的引導下，采用特征分解造型方法，通過在毛坯模型上進行一系列的布爾減操作，也就是在Pro/NC模塊下通過創建與材料切除過程相對應的加工特征將毛坯模型轉換為各工序模型。完成相應特征的NC序列設置后，Pro/NC模塊會根據規劃好的加工過程，自動生成刀具軌跡數據，并可實現數控加工程序的輸出。特征本體信息向NC操作命令的映射如圖2所示。
圖2 特征本體信息向NC操作命令的映射
2.3 工序模型配置管理
三維工序模型是加工中間狀態模型的有向序列。為了實現前后工序模型間的有效銜接和演化，利用Pro/ENGINEER軟件的配置管理功能，通過程序控制和特征回退技術相結合的方式，建立配置與特征的對應關系。一個工序模型可能對應一個或幾個加工特征。利用工序模型和加工特征節點的對應關系，調整程序設計指針回退到指定的特征節點處，以此來隱含或隱藏節點后面的特征生成當前工序的工序模型。按此方法配置的工序模型完全是按照零件的機械加工序從毛坯模型中派生出的，能夠實現設計和制造信息的有效集成和共享。
3 實例分析
基于上述方法，開發了三維工序模型輔助生成模塊，并以某軸類零件為例來驗證生成三維工序模型的可行性。先通過模型轉換生成軸類零件的毛坯模型，然后在Pro/NC模塊下調整毛坯尺寸，參照軸類零件特征本體映射文件完成NC加工設置，依次創建軸類零件各加工特征。
借助三維工序模型輔助生成模塊和Pro/ENGINEER軟件的配置功能，以備料毛坯為出發點，參照軸類零件加工特征與工序模型間的對應關系劃分配置，每個配置下的特征就是這道工序的加工內容，如“拉伸6”特征就是銑鍵槽工序對應的加工內容。該零件的特征配置界面如圖3所示。
圖3 軸類零件的特征配置界面
通過配置加工特征與工序模型的對應關系即可借助程序控制生成只包含當前加工特征的工序模型。軸類零件特征本體信息及對應的工序模型如表1所。
表1 特征本體信息與工序模型對照表
4 結束語
產品全三維工序模型的構建技術是三維集成化CAPP系統研究的重要內容之一，是實現CAD/CAPP/CAM集成的關鍵一環。通過構建特征本體實現工藝知識向Pro/NC模塊特征建模操作的轉化，闡述了三維工序模型的構建邏輯和建模流程，并以軸類零件為例進行了驗證。結果表明該建模方法具有一定的實用性，對3D CAPP系統的研究具有借鑒意義。實現三維工序模型的構建表達后，以后的研究重點將是工序模型的三維工藝信息標注及可視化發布技術，以便為后續三維工藝技術的實際生產應用奠定基礎。
核心關注：拓步ERP系統平臺是覆蓋了眾多的業務領域、行業應用，蘊涵了豐富的ERP管理思想，集成了ERP軟件業務管理理念，功能涉及供應鏈、成本、制造、CRM、HR等眾多業務領域的管理，全面涵蓋了企業關注ERP管理系統的核心領域，是眾多中小企業信息化建設首選的ERP管理軟件信賴品牌。
轉載請注明出處：拓步ERP資訊網http://m.vmgcyvh.cn/
本文標題：基于特征本體的三維工序模型生成方法研究
相關文章
