船体零件工艺信息可视化校验方法

汪 骥， 谢睿聪， 李 瑞， 刘 晓， 宋宜伦

(1.大连理工大学 工业装备结构分析国家重点实验室， 辽宁 大连 116024；2.高新船舶与深海开发装备协同创新中心， 上海 200240；3.大连市第二十四中学， 辽宁 大连 116001)

船体零件工艺信息可视化校验方法

汪 骥1,2， 谢睿聪1， 李 瑞1， 刘 晓1， 宋宜伦3

(1.大连理工大学 工业装备结构分析国家重点实验室， 辽宁 大连 116024；2.高新船舶与深海开发装备协同创新中心， 上海 200240；3.大连市第二十四中学， 辽宁 大连 116001)

在目前基于Tribon的船舶生产设计中，船体零件信息分散记录在多个文件中，加工工艺信息在二维设计视图中仅以文字标注形式显示，既不利于工艺信息的观察，也不利于设计人员的检查校验，因此零件工艺信息可视化校验方法的研究对船体零件工艺信息可视化应用技术的发展具有重要意义。对船体零件工艺信息进行分析，建立零件生产信息与外形工艺信息的映射关系；研究船体零件工艺信息可视化校验方法，确定平面外形工艺信息以及局部三维立体校验方案；开发.NET环境下的船体零件工艺信息可视化校验软件系统。

船体零件；工艺信息；可视化校验；.NET环境

0 引言

产品数据管理(Product Data Management,PDM)是一项用来管理所有与产品相关信息(包括零件信息、配置、文档、CAD文件、结构、权限信息等)和所有与产品相关过程(包括过程定义和管理)的技术。该技术不仅可以提高生产效率，有利于对产品进行管理，还加强了对于文档、图纸、数据的利用，使工作流程规范化。

近年来，许多学者针对制造数据管理进行了广泛探索。蒋辉[1]提出了基于物料项清单演变的制造数据管理，但其缺乏对制造过程几何信息的定义和解释，无法支持制造全过程数字化需求。王建涛[2]建立了一个集零件信息、材料库、标准件于一体的基于PDM集成化数据管理模型，体现出信息集成的思想，却因船体零件工艺性特色而受到了应用上的限制。EYNARD等[3]提出了基于统一建模语言的建模方法。周丹晨等[4]提出基于Web的制造数据集成化管理思想，利用网络化制造技术和动态服务器网页技术开发了制造数据集成管理系统。吴涛等[5]研究了基于网络化制造数据转换和传输技术，建立了一种网络化的数据转换和传输模式。

然而，在目前基于Tribon的船舶生产设计中，PDM技术的应用尚不成熟，零件信息分散记录，且零件的加工工艺信息在二维设计视图中仅以文字标注形式显示，不利于工艺信息的观察，也不利于检查校验。因此，研究零件工艺信息及其可视化校验并开发相应的软件显得尤为重要。

本文对船体零件工艺信息进行分析，建立零件生产信息与外形工艺信息的映射关系，研究船体零件工艺信息可视化校验方法，确定平面外形工艺信息以及局部三维立体校验方案，并在.NET环境下开发船体零件工艺信息可视化校验软件系统。

1 船体零件信息分析

在船舶制造过程中大量使用格式为DBF的数据库文件，解决其存储方案实质上就解决了其他文件格式的存储问题[6]。在当前的生产过程中，每个分段下都有对应的数据库文件DBF文件，用于定义和存储本分段下所有专业层次的数据信息。分段下零件信息数据库文件“分段号.DBF”中包含了该分段下所有专业层次的零件数据信息，每个零件数据记录中包含多个字段，比如件号、名称、下料方式、厚度、材质、规格、左右舷信息等。

在存放分段零件相关文件的文件夹“分段号数切件”中，数据库表文件“分段号.TAB”主要定义了零件号与零件绘图交换文件DXF文件的映射关系。

为了满足对零件基本信息的浏览查看需求进一步的可视化操作，从数据库文件以及表文件中抽象生成单个零件的生产信息描述对象BoatComponent。该描述对象包含了零件绘图交换文件与零件生产信息数据库文件之间的映射关系。

首先，需解析数据库文件，生成该分段下所有数控套料零件的生产信息描述对象集合；然后，解析数控专业下的表文件，读取控零件的数据库文件属性值，同样生成零件生产信息对象集合；最后，将表文件生成的零件生产信息集合与TAB文件生成的零件生产信息集合结合起来，根据“件号”属性，将两个集合的对象合并为一个集合，如图1所示。

图1 计算完整零件生产信息流程

通过上述方法，最终能够建立零件生产信息与外形工艺信息的映射关系，如图2所示。

图2 零件信息数字化描述对象

2 船体零件工艺信息可视化校验方法

2.1 平面外形工艺信息可视化校验方法

每个DXF文件对应一个零件，文件中定义了该零件外形工艺信息，包括：外板构件形状、尺寸和相互位置信息；内孔形状、尺寸和位置信息；坡口位置、定位线、装配线等数据信息。为了构建零件的外形工艺信息描述对象，需要先导入DXF文件，将需要的相关零件信息数据从DXF文件中定义的图形元素中解析出来，生成数字化的信息对象，然后再对其进行研究和转换，构建可用于二维和三维可视化的零件外形工艺信息数字化描述对象。

DXF文件是由很多“组码”和“值”组成的“数据对”构造而成的。对DXF文件的解析流程基本是逐行读取数据，判断组码含义，并将其后的值存储到数据对象中。本文应用的DXF文件组码格式为设计人员特殊定义的格式。根据解析DXF文件生成的一系列DxfEntityData数据集合，依据每项数据的零件信息类别属性，将该DxfEntityData数据集合转换为描述零件外形工艺信息描述对象ComponentDxfData。

对DXF文件中解析生成的零件外形工艺信息描述对象进行分析，将其转换为适用于.NET环境的Windows窗体应用开发平台下图像设备接口GDI+的数据，绘制零件的平面预览视图，显示零件的表面划线、定位、开孔、轮廓信息以及加工位置，绘制零件平面设计图形的流程(见图3)，其中关键技术是确定坐标变换的算法。

图3 绘制零件平面设计图形流程

DXF文件中坐标使用的是世界坐标系，而Windows窗体显示坐标则是使用屏幕坐标系。由于坐标系不同，在Windows窗体显示零件平面设计图形之前必须进行坐标变换。在此基础上，为了保证绘制的图形清晰醒目并可以按照设计人员的操作进行放大缩小，需要将图形绘制在屏幕中心，且支持缩放。因此，坐标变换的算法包含了2个方面：世界坐标系转换为屏幕坐标系，动态计算坐标以实现缩放和居中显示需求。

点的坐标变换是最基本的变换算法。绘制零件图形需要涉及到线、圆弧、文字、标注坡口以及切割坡口数据，应用的坐标以及角度变换机制也会有所不同。

2.2 局部三维立体可视化校验

与船体零件平面外形绘制相类似，在采用OpenGL绘制三维示意图形时，涉及到零件的表面划线、定位、开孔、轮廓信息以及加工位置的显示。下面以船体零件坡口为例介绍局部三维立体可视化的方案及校验。

图4是零件坡口的标准形式，它参考了HANA和Tribon坡口的表示方式。坡口表达式中各字母定义唯一，既有利于对坡口进行分类和记忆，又有利于用计算机进行计算和管理。坡口全称:

DyyKwwSmmNnnAaLxx1BbLxx2。

其中大写字母代表的含义如下：D为坡口根；K为根距底边的距离 (封闭尺寸﹑重复尺寸略)；S为上坡口角度；N为下坡口角度；A为上表面削斜；B为下表面削斜；L为坡口削斜长度。

图4 零件坡口标准形式

为了方便三维坡口图形的计算和绘制，定义三维坡口图形以立方体为基础，结合坡口参数的运算，在立方体上进行“切割”，最终形成准确的坡口图形，如图5所示。

图5 基础立方图与三维坡口图形的变换

利用OpenGL创建不同的多边形和四边形。最初创建三维几何物体，关键的参数是每个顶点的坐标，保证组成的几何物体图形正确。在计算顶点坐标的时候，确定以默认立方体坐标顶点为基准，结合坡口代码参数的定义和数值，生成实际三维坡口图形顶点坐标的变换算法。下面以坡口类型DyyKwwSmmNnnAaLxx1BbLxx2为例，介绍顶点坐标的计算方法。

由图6可知，最终的坡口三维图形总共包含16个顶点，其中两边顶点关于Y轴互相对称，因此以一侧顶点的坐标计算为例，另一侧也能相应求得。

图6 坡口三维视图

首先坡口三维图形的基础立方体的顶点坐标是已知的，即图7中A、B、C、D4个顶点坐标已知。结合坡口参数，将立方体经过“切削”变成期待的坡口图形之后，A、B2个顶点不再是最后几何物体的实际顶点。为了成功绘制坡口三维几何图形，需要计算A1、Sa1、S、N、Nb1以及B16个顶点坐标。计算得出A1、B1、S、N、Sa1和Nb1点的坐标之后，结合已知的C、D点，再进行关于Y方向的对称变换，最后得到16个顶点坐标。满足OpenGL绘制几何物体的参数需求，最终可以绘制出由坡口编码参数决定的、满足坡口定义的坡口三维示意图。

图7 坡口三维视图单侧顶点坐标

由于坡口代码有很多种类别，提供的坡口参数数值不一样，每种坡口图形顶点坐标的计算方法也有所不同，但是计算算法的核心都是对已知的顶点进行坐标平移变换，具体流程如图8所示。

图8 绘制坡口三维示意图流程

3 可视化校验系统开发

基于对上述零件工艺可视化的研究，采用VisualStudio2010开发的软件系统，建立零件工艺信息可视化校验软件系统，主要包含主窗体、零件列表显示模块、零件数字化描述对象模块、零件可视化模块以及文件操作模块共5大模块。

3.1 可视化模块零件工艺尺寸设计图显示

设计人员可以通过选择零件列表中的“零件”查看工艺尺寸设计图，选择任意的零件DXF文件查看对应的设计图。软件解析DXF成功之后，立即显示视图窗口，如图9所示。

图9 零件工艺尺寸设计视图窗口

零件工艺尺寸设计视图窗口主要分为3部分：绘制命令工具栏、绘制区域以及坡口信息区域。绘制命令工具栏提供绘制轮廓、绘制上表面、绘制下表面、绘制开孔、绘制坡口以及全部绘制6种可选绘制模式。

设计人员可以通过选择不同的模式决定单独绘制某部分设计信息方便查看。绘制区域显示当前选择的零件平面设计图，显示方式为居中显示，通过在绘制区域滚动鼠标滚轮来控制显示图形的放大和缩小。

坡口信息区域会自动列出当前零件的坡口加工工艺信息，分为标注坡口和切割坡口2类。当设计人员选择坡口的详细信息记录时，上方绘制区域会点亮当前选择的坡口绘制部分。当右键点击坡口信息时，软件会弹出右键菜单“坡口视图”，点击菜单即可打开当前坡口的三维显示视图。

3.2 可视化模块零件三维视图显示

坡口三维视图窗口如图10所示，可分为三维显示区域、三维显示控制界面以及坡口编码信息显示区3个部分。三维显示区域显示当前坡口的三维示意图形，显示的形式由下方三维显示控制界面的设置参数决定。三维显示控制界面提供多种控制显示的设置操作选项，包括旋转设置、方向设置和移动操作。坡口编码信息显示区域则提供当前坡口的标准图示、坡口编码以及对应全称表达式的8个参数数值。

图10 坡口三维视图窗口

4 结论

本次研究开发的.NET环境下船体零件工艺信息可视化校验软件系统不仅能为设计人员查看分段下数控零件的生产信息、尺寸外形信息以及工艺信息提供便捷完善的操作平台，而且能通过仿真建立三维模型，提高设计人员对坡口加工的设计和检验效率。

在零件平面设计方面解决了DXF文件图形数据在Windows窗口开发平台的移植换算问题。在坡口工艺设计方面完成了工艺参数图像化三维运算，提高了零件设计生产自动化水平，推动了船舶行业设计技术的进步。

在算法和软件开发过程中，对某实船分段的分段数据库文件和数切件套料下的TAB表文件进行了导入分析，成功提取了零件生产信息，并根据结果建立了分段与零件文件的映射关系，实现自动绘制零件的平面设计图，符合要求。对零件的坡口信息进行三维建模绘制，符合标准坡口定义要求。软件程序自动化程度较高，显示信息清晰完整，能提高设计人员预览和检验的效率。

[1] 蒋辉. BOM演变与制造工艺系统集成的研究[D]. 北京：北京航空航天大学, 2002.

[2] 王建涛. 基于PDM的产品数据集成管理[J]. 计算机辅助设计与制造，1998(3)：31-33.

[3] EYNARD B, GALLET T, NOWAK P, et al. UML based specifications of PDM product structure and workflow[J]. Computers in Industry, 2004, 55(3):301-316.

[4] 周丹晨, 殷国富, 龙红能,等. 基于Web的制造信息集成化管理系统[J]. 计算机集成制造系统, 2003(2)：96-100.

[5] 吴涛, 宋豫川, 刘飞,等. 基于XML的网络化制造信息转换和传输技术研究[J]. 现代制造工程, 2005(8):3-6.

[6] 龚清洪, 常智勇. 基于DXF-OpenGL的绘图轨迹优化及仿真[J]. 制造业自动化, 2007, 29(5):62-65.

Visualization Calibration Method for Hull Part Process Information

WANG Ji1,2, XIE Ruicong1, LI Rui1, LIU Xiao1, SONG Yilun3

(1.State Key Laboratory of Structural Analysis for Industrial Equipment, Dalian University of Technology,Dalian 116024, Liaoning, China; 2.Collaborative Innovation Center for Advanced Ship and Deep-Sea Exploration(CISSE), Shanghai 200240, China； 3.Dalian No.24 High School， Dalian 116001, Liaoning, China)

In current ship production design based on Tribon, the hull part information is record in several scattered scattered files and the process technical information in 2D design view is shown in the form of text annotation. All these things are neither conducive for designers to observe process information nor to their inspection and calibration. Thus, it is of great significance to study the part process information visualization calibration method. The hull part process information is analyzed to establish the mapping relationship between part production information and shape process information. The hull part process information visualization calibration method is studied to determine the verification scheme of planar and local stereo process information. A hull part process information visualization calibration software system is developed in .NET.

hull part; process information; visual calibration; .NET

国家科技支撑计划资助(编号：2014BAF12B07)。

汪 骥(1978-)，男，副教授，博士,主要从事船舶与海洋结构物先进制造技术和管理技术方向的研究。

1000-3878(2017)01-0071-06

U671

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