面向自制件工艺的扩展设计BOM构建

2019-07-08王廷军崔嘉超

制造业自动化 2019年6期

王廷军，崔嘉超，张克

（中国船舶重工集团公司第七一三研究所，郑州 450015）

0 引言

传统的工艺设计过程为，结构设计工程师在CAD系统中完成产品设计后，将产品设计BOM及其图文档提交PDM系统审核。审核通过后，产品数据将被传入CAPP系统，工艺设计人员利用CAPP系统以创生或派生的方式编制自制件加工工艺。传统工艺设计过程如图1所示。

图1 传统的工艺设计过程

零件加工工艺规程的制定是以零件工艺特征信息为依据。传统的人工查询图纸获取工艺特征信息的方式效率低。从提高工艺设计效率角度出发，要求将工艺特征信息从图文档中提取出来，传递给CAPP系统，并以设计BOM为基础构建起一个可以囊括零件特征信息的BOM结构。

1 零件特征信息模型

1978年6月由麻省理工学院Gossard教授在《CAD零件的特征表示》一文中首次提出特征概念[1]。在此之后国内外学者从不同视角对特征技术进行了研究，并分别从面向设计、面向制造和面向工艺设计等多方面对特征做出了不同的定义。

为适应CAD/PDM/CAPP系统集成的需要，有的学者提出特征应该是信息的集合，其中刘漩教授[2]给出的特征定义为“携带着各种工程信息，并具有某种工程功能的命名几何体”。特征是一组与产品描述相关的信息的集合。这些信息不仅包括零件的几何拓扑信息，还包括零件工艺约束信息等非几何信息。依据不同的分类标准对特征进行分类，可以得到不同的特征分类结果。从面向工艺设计的角度出发，特征可以分为形状特征、精度特征、材料特征、装配特征等。

工艺设计人员编制零件加工工艺需考虑材料、零件特征信息、企业现有的制造资源统称为工艺特征信息，这些信息分散的存在于和产品相关的图文档中。为满足工艺设计人员在制定自制件加工工艺时快速查询工艺约束条件的需求，需要对产品设计BOM进行扩展形成囊括工艺特征信息的扩展设计BOM。

1.1 扩展设计BOM信息结构模型

产品设计BOM的末级节点为零件，扩展设计BOM的末级节点为零件工艺特征信息。以产品设计BOM为基础构建产品扩展设计BOM需要将产品设计BOM中的末级节点零件按分段和特征进行再分解，在形式上形成零件—分段—特征三个层级。参照形状特征的划分标准，将工艺特征信息分为零件级、分段级和特征级等三个等级。从全局上、整体上对自制件进行描述和要求的工艺约束信息如整体尺寸、零件材料等信息定义为零件级工艺特征信息；用于描述各个分段加工制造后需要达到的几何状态的工艺特征信息定义为分段级工艺特征信息；针对零件局部进行描述的工艺特征信息定义为特征级工艺特征信息。轴类零件典型结构层次划分和工艺约束信息等级划分如图2所示。

图2 轴类零件典型结构层次划分和工艺约束信息等级划分

面向自制件工艺的扩展设计BOM，需要在产品设计BOM所包含信息的基础上增加对自制件结构层次划分信息、工艺特征信息等级划分信息、工艺特征信息与其约束对象的关联关系信息的表达。为了清楚的表达上述信息，面向自制件工艺的扩展EBOM应具有以下特点：

1）面向自制件工艺的扩展EBOM要能够反映诸如线性尺寸、尺寸公差、形状和位置公差以及粗糙度等工艺约束信息。

2）面向自制件工艺扩展EBOM数据传递给CAPP系统后能够以可视化的树形结构显示，并可以实现和CAD工程图文档标注信息的联动。

3）面向自制件工艺的扩展EBOM要能够反映出自制件在结构上的层次划分、工艺约束信息的等级划分、工艺约束信息和自制件实体的关联关系。

面向自制件工艺的扩展EBOM信息结构模型如图3所示。

1.2 扩展EBOM的数据结构

依据面向自制件工艺的扩展EBOM和产品设计BOM的区别，利用关系型数据库记录面向自制件工艺的扩展设计BOM，需要在产品设计BOM记录的基础上，通过增加层级关系表和节点属性表来描述。层级关系表用于描述特征、分段和自制件之间的从属关系。节点属性表用于描述每个节点对应的工艺约束条件。层级关系表如表1所示，节点属性表如表2所示。

图3 面向自制件工艺的扩展EBOM信息结构模型

表1 扩展设计BOM的层级关系表

表2 扩展EBOM的节点属性表

2 信息关联与扩展设计BOM的形成

将图文档中的工艺约束信息提取出来，并与其约束对象关联，从而构建基于产品设计BOM的面向自制件的工艺扩展设计BOM。需要利用CAD系统提供的API函数开发智能识别模块。利用该智能识别模块完成工艺约束信息的提取和对应关联。智能识别模块结构图如图4所示。

图4 智能识别模块结构图

自制件的分段，要依据国家或行业标准或企业的工艺习惯。对于常见的零件类型，如轴类零件、箱体零件、盘类零件等，每种分类选取一个典型零件，由企业组织有经验的设计人员对其进行分段，分段方案通过评审后进行存档。当需要对新的零件进行分段划分时，设计人员可以参照存档的分段实例进行划分。

本文采用基于规则的特征识别方法进行特征识别。通过定义特征的边界语义对特征进行描述，例如孔特征可以描述为：孔开始于一个入口，孔面共轴，孔的所有面顺序相连，孔终止于一个有效的孔底面。采用相同的方法对尽可能多的特征进行描述，并将特征描述存储在数据库中，形成特征描述集。利用基于CAD系统二次开发的智能识别模块，将零件边界语义和智能识别模块的特征描述集进行比较，从而识别出零件的特征。按遍历到的先后顺序为特征进行编号。同时将该编号以扩展属性的方式附加在特征以及特征包括的所有图元上，该扩展属性被命名为“xuhao”。

结构设计工程师完成零件结构设计后，为保证零件加工制造后可以实现设计功能，需要对零件工程图中的图元进行约束。工艺约束信息和零件图元间关联关系的建立也正是在工艺约束信息标注过程中实现的，扩展信息标注界面如图5所示。

图5 扩展信息标注界面

工艺属性信息的标注是利用属性块的方法实现的。利用ObjectARX语言将各种工艺约束信息的标注定义为带有属性的图块[3]，并为带有属性的图块以及属性块中每一个关联属性命一个具有确定意义的名字如“cucaodu”等。工艺约束条件的标注需要完成两方面的工作，一方面将工艺特征值赋给工艺约束属性快的对应属性；另一方面在点击图元时将激发出“扩展信息标注”的人机交互界面，定义标注的工艺约束条件的等级。工艺约束信息的等级信息、所属特征的名称信息、所属分段的名称信息以扩展属性的方式和工艺约束条件属性块关联，并将它们分别命名为“dengji”、“tezheng”和“fenduan”。经过工艺约束信息标注之后将在零件工程图中形成一个工艺约束信息集。工艺约束信息集的结构模型如图6所示。

利用工艺特征信息和扩展信息标注模块进行标注[5]，自制件的工程图中包含三个方面的信息。

1）工艺约束信息的等级划分。

2）工艺约束信息与所属的零件或分段或特征的映射关系。

3）零件、分段、特征间的隶属关系。

因此完成工艺约束信息的标注之后，图文档中已经具有在产品设计BOM的基础上构建面向自制件工艺的扩展设计BOM的所需的全部信息。

图6 工艺约束信息结构模型

3 信息提取与面向自制件工艺的扩展EBOM的形成

通过遍历零件图中的每一个工艺约束信息属性块[4]，读取CAD工程图中每一个属性块的属性信息和扩展属性信息获取工艺特征信息以及和被约束对象的关联关系，将图元层次关系写入层次关系表，将零件图元和工艺约束信息关联关系写入节点属性表，就可以在PDM系统中构建起面向自制件的扩展设计BOM。下面分三种情况进行讨论层次关系表和节点属性表的写入情况，扩展EBOM信息信息提取如图7所示。

当遍历到的某一工艺特征信息图块其扩展属性名为“dengji”的扩展属性值为“分段级”，则该工艺特征信息的等级属分段级，即该工艺特征信息的约束对象为分段。层次关系表中描述该分段的记录为：提取自制件的零件名写入“父项名称”字段，提取工艺约束信息属性块关联的扩展属性名为“fenduan”的扩展属性的属性值写入“子项名称”字段。同时将工艺约束信息图块的属性信息写入节点属性表的各个属性项，将被约束对象的名称写入节点属性表的“节点名称”字段。

当遍历到的某一工艺特征信息图块其扩展属性名为“dengji”的扩展属性值为“特征级”，则该工艺特征信息是特征级，即该工艺特征信息的约束对象为特征。层次关系表中描述该分段的记录为：取工艺约束信息属性块关联的扩展属性名为“fenduan”的扩展属性的属性值写入“父项名称”字段，提取工艺约束信息属性块关联的扩展属性名为“tezheng”的扩展属性的属性值写入“子项名称”字段。同时将工艺约束信息图块的属性信息写入节点属性表的各个属性项，将被约束对象的名称写入节点属性表的“节点名称”字段。

当遍历到的某一工艺特征信息图块其扩展属性名为“dengji”的扩展属性值为“零件级”，则该工艺特征信息是零件级，即该工艺特征信息的约束对象为自制件整体。层次关系表中描述该分段的记录为：将“null”字符写入“父项名称”字段，提取自制件的零件名写入“子项名称”字段，同时将工艺约束信息图块的属性信息写入节点属性表的各个属性项，将被约束对象的名称写入节点属性表的“节点名称”字段。

经过市场调查获得客户需求、基于客户需求进行产品设计、提取图纸信息形成产品设计BOM、产品设计BOM基础上经过两分解一关联形成扩展设计BOM。经过上述环节，形成的产品设计BOM可以作为CAD系统和PDM系统间的集成桥梁，面向自制件的扩展设计BOM可以作为CAD系统和CAPP系统集成的桥梁。从而为企业构建统一的产品数字化设计平台做好了数据上的准备。