协同虚拟维修中的零件特征模型

欧立铭， 徐晓刚， 孙元元

（海军大连舰艇学院装备自动化系，辽宁 大连 116018）

协同虚拟维修是指在虚拟、共享的网络环境中，多个分散的用户，共同对同一大型装备进行维修。大型装备规模庞大，零部件多。协同虚拟维修的所有活动是围绕零件展开的，需要获取零件的维修信息。因此，要把零件有关维修的信息组织起来。如果每个用户都对零件的信息都做一个自主描述，那么势必会造成其它用户的理解障碍。如何有效组织这些零件信息，并支持多用户异地共享是个问题。

目前，零件信息的描述方法有：分类编码描述法、形面要素描述法、图论描述法、特征描述法、拓扑描述法和知识表示描述法等[1]。其中，特征描述法适宜描述比较复杂的非回转体类零件。其思想是从零件的所有信息中抽象出一些能够用通用要素和属性组成特征集合，目的是提供一种统一的零件信息描述方式，实现零件信息在异地用户间的传输、共享。人们根据应用需求，对零件的特征做出了不同的定义。从事CAD的人，认为特征包括草图特征、放置特征和基准特征等，以体现产品的设计意图[2]。从事CAPP的人，认为特征包括形状特征、精度特征、材料特征、技术特征和管理特征等，以反映设计者与制造者的意图[3-4]。

维修是为保持或恢复产品处于可使用状态所进行的维护、保养、修理、改进、翻修、检查等活动。因此，传统的从设计、制造等应用需求出发定义的零件特征模型不能满足协同维修应用需求。本文分析协同维修过程所需的信息，从零部件几何关系等固有属性出发，构建了面向协同维修的虚拟样机零件特征模型。

1 零件特征模型构建

首先分析维修过程信息，提取出有用的信息组成特征集合，构建特征模型，最后对特征模型进行了形式化描述。

1.1 协同维修过程分析

协同维修是虚拟样机—维修工具—维修人员三者之间的交互活动，是更换或维修故障零部件为目的的部分拆装活动。每一步的拆装活动都是以零部件为中心，以解除零部件之间的约束关系为目的。进一步说，拆装是围绕零部件的特征进行的，即零件的固有属性决定了需要的维修工具、维修人员等维修资源信息。因此，协同维修不需要零部件的尺寸、材质等工艺制造信息，只需要由这些固有属性决定的维修信息，具体包括零部件拆装序列、拆装工具、人员协作信息和拆装方向等。

在分析协同维修过程所需信息后，下一步将这些提取出的有用信息组成特征集合，构成零件特征模型。

1.2 零件维修特征模型

特征是根据应用需求对真实零件的一些固有要素进行的抽象。从自身需求出发定义的特征应该符合其他人的应用需求，这就要求特征能表示为某些更为基本的“通用特征”的组合。从协同维修的需求出发，本文的零件特征模型从拆装规则和协作信息两方面，抽取了拆装序列、拆装运动、人员角色和维修工具等特征（如图1所示）。

图1 零件维修特征模型

1）拆装规则 从机械角度看，零件之间存在联接、定位和传动等基本几何关系。零件之间的这些几何关系决定了维修时零件的拆装顺序以及零部件间为避免穿越所受到的运动约束。维修活动就是依据零部件之间的几何关系拆装一系列零部件的过程。确定拆装规则需要人们了解实体装备的构造，分析零部件间的几何关系，熟悉实际维修过程。

2）协作信息 零件的协作信息包括人员角色特征和维修工具特征。协同维修中每个成员担当一定的角色，承担一定的任务分工，相互之间密切配合，使整个维修活动有序的进行。同时，在拆装零件过程中，需要的不同的工具。有的零件可以徒手拆卸，有的则需借助锤子、锥子、钳子、扳手等工具。

大型装备零件数目十分庞大。构建一个完整的、满足全程需求的零件特征模型需从分析实际维修中每个零件入手，其工作量巨大。本文采用面向对象的思想，对零件特征进行分类建模，减少工作量。

1.3 面向对象的零件特征建模

文献[5-6]提出了面向对象的特征建模思想。其观点是：以对象的观点来分析现实世界中的问题，从普通人认识世界的观点出发，把事物归类、综合，提取共性并加以描述。本文采用上述思想对零件，根据特征进行分类建模。其思路是：不同零件所具有的部分特征从其父类继承，父类所具有的部分特征从某一些基类中继承。这样众多的零件就可以用有序的语义关系联接起来，避免重复建模，降低工作量。采用面向对象建模思想，使用户只需对特征的外部接口参数进行操作，而无须知道特征内部具体的实现机制，使得建模在更高的语义层次上进行。

1.4 特征模型的描述

本文以某型舰炮为例，将零件初步分为管、轴、齿轮和滑块等4个基类。其中，管类所具有的性质是：具有联接几何关系（具体可分螺纹联接、楔联接、销联接、键联接、花键联接、过盈配合联接、弹性环联接、铆接、焊接和胶接等）。在其以下的长管、套管和环等父类继承了这一属性。其中，环在具有这一属性的同时，又具有特定属性：使用工具且由单人拆卸。制动环和密封环等都是环的实例。其中密封环在继承环的属性的同时，又具有特定属性：使用卸环钩拆卸（如图2所示）。

图2 零件特征建模及特征描述

从图中可以看出防护罩的维修特征信息：防护罩是第1个要被拆卸的零件。拆卸时，需要3个人徒手合作拆卸。一个人抬着一个角，沿炮管方向移动。

2 零件特征模型的数据映射

抽象的零件信息模型需要以某种数据结构存储和管理并实例化，才能在实际运用时调用。本文创建的零件信息模型存储在关系数据库中。首先要建立数据映射，将面向对象的零件特征模型映射成关系数据类型，最后再将特征模型映射成数据表。

2.1 零件特征模型的关系数据映射

关系数据模型中数据以表的形式存放，表里的数据类型是一种简单逻辑模型，数据简洁、独立，但其无法表述对象的复杂语义[7]。所以必须在关系数据库和面向对象的应用系统中间增加对象映射层，实现复杂产品对象向数据库表的映射。利用关系数据库表达对象，通用方法为“映射法”[8-9]。即：一个类映射为一个数据库中的表格。表的列或字段对应类的属性，而行或列纪录则对应类的实例。在表格中，一个或几个字段构成，其值是纪录的独特标识。如果类的属性是一个组合类，则增加一个表格映射组合类。

2.2 零件特征模型的数据表映射

以Mysql数据库存储和管理零件信息模型，并构建了某型舰炮协同虚拟维修系统。以拆卸防护罩为例，介绍零件特征模型如何用关系数据模型实例化。零件的拆装序列特征、拆装运动特征、人员角色特征和维修工具特征需要4个表，并通过表的主键码（如ToolId, AccessoryID等）关联来实现。其中，零件表是主表，字段TurnAxias，MotionType和MotionDis等共同表达了零件的拆装运动特征。字段ToolId与工具表关联，表达维修工具特征。零件表用主键码(AccessoryID)与协作信息表、序列表关联，表达了零件的人员协作特征和拆装序列特征。

由以上关联的数据表，可得到防护罩的特征模型信息：

1）拆装序列特征 由序列表知，防护罩可拆卸的条件是其本身处于安装状态。即没有其他零件约束它，是第1个拆卸的零部件（在图2中可看出）。

2）拆装运动特征 为避免穿越，拆卸防护罩时，必须绕Z轴旋转，并向右移动3米。

3）人员角色特征 拆卸防护罩需要3个人，每人站在相应位置并承担相应任务。

4）维修工具特征 防护罩只需徒手就可以拆卸。

3 应用实例

系统选用Torque为三维引擎、MySQL为数据库、Apache+PHP为后台数据管理的方式开发。

在维修过程中，操作者通过外设控制虚拟人进行维修操作。虚拟人选择零件后，查询数据库，获取了零件包括拆装序列、拆装运动、人员角色和维修工具等特征信息。当系统判断到条件都满足后，拆卸进行。如图3(a)所示，3人合作拆卸防护罩。拆卸防护罩，需要3人合作徒手拆卸。拆卸时，防护罩必须沿炮管方向移动，否则发生穿越。在图3(a1)中，3人按照角色分工，一人在一个位置蹲下，准备抬起防护罩。在图3(a2)中，3人抬起了防护罩，沿炮管方向移动。图3(b), 图3(c), 图3(d), 图3(e)为虚拟人拆卸护板、排壳器、启动器和密封圈等实例。

图3 征模型在某型舰炮协同虚拟维修系统中的应用

4 结束语

零件特征是从零件众多信息中抽取出来的，用于满足协同维修需求的信息组合，为参与协同的用户提供了一个统一标准。不同用户按此模型创建的零件，都将包含这些必备的特征信息，能够被其他用户理解。把零件特征模型转化成关系数据模型，存储在数据库中。异地用户通过访问数据库，就可获得零件特征信息，可以实现零件信息异地传输与共享。

[1]许国玉. 回转体零件特征建模方法研究[D]. 哈尔滨:哈尔滨工程大学, 2002.

[2]吴 敏. 基于约束和特征的结构类零件实体模型重建关键技术研究[D]. 南京: 南京航空航天大学, 2004.

[3]韩志刚. 基于特征提取的汽车零件CAPP技术研究[D].南京: 南京理工大学, 2003.

[4]汪惠芬, 张友良, 罗定志. 协同开发环境中的产品定义模型[J]. 计算机集成制造系统, 2001, 7(3):26-31.

[5]张岩涛. 钣金零件全息特征模型与映射研究[D]. 西安: 西北工业大学, 2004.

[6]宋大虎. 面向网络协同设计的零部件库关键技术研究[D]. 北京: 机械科学研究院, 2002.

[7]王建德. 基于特征的零件库信息模型及其实现的研究[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工程大学, 2006.

[8]李建军. 面向对象的产品结构信息模型管理研究[J].机械工程学报, 2001, 39(1): 83-86.

[9]杨龙波. 产品数据管理基础研究[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工程大学, 2002.