异构计算机辅助设计工艺数据集成技术

成宇韬， 喻天翔， 郑菊艳， 王冬梅， 王小强

(1.上海船舶工艺研究所， 上海 200032； 2.上海申博信息系统工程有限公司， 上海 200032)

0 引 言

随着“中国制造2025”的提出，中国的船舶制造业正大力加强船舶制造的自动化和智能化水平，直观的体现就是各型机器人设备在船舶制造中的应用。目前国内已有多家船厂上线了机器人制造项目，包括船体中小组立机器人焊接项目、管子流水线机器人焊接项目、型材切割流水线机器人切割项目等。这些自动化和智能化设备在船厂的使用提高了生产效率和产品质量，还降低了人工成本。

这些智能化设备的有效利用，必然离不开船厂的设计软件提供工艺数据支撑，并且各型智能化设备要求的数据各不相同，不同厂家生产的同类型智能化设备对工艺数据的要求也存在差异。国内各家船厂使用的生产设计软件也不同，有造船及海工设计系统(AVEVA Marine, AM)、船舶设计软件Tribon、船舶产品设计(Ship Product Design, SPD)软件等，每一种智能化生产设备在船厂上线的过程中，必然需要针对船厂的生产设计软件进行二次开发，获取所需的工艺数据。

从各类生产设计软件中提取工艺数据，以供船体构件加工、装配、焊接、管子加工等智能化设备使用；在此基础上，提出一项异构计算机辅助设计(Computer Aided Design, CAD)工艺数据集成技术，即从异构CAD软件中抽取零件信息、工艺信息及模型信息，以统一的格式存放，各智能化项目从数据集成平台中获取所需的数据。

1 异构CAD工艺集成数据

从异构船舶三维设计系统抽取船体模型几何信息、零件属性信息、零件加工工艺信息，并转换为标准数据格式。提取的数据信息包括：

(1) 船体构件加工工艺。主要包括型材的类型、材质、规格、长度等，还包括型材的喷粉信息、端部型式、开孔信息和型材的坡口型式等。

(2) 船体构件装配工艺。主要包括船体构件的装配名、装配内部名、装配描述、装配类型、建造策略、建造场地、建造方向、计划开始日期、计划结束日期、实际开始日期、实际结束日期、估计重量、估计重心、计算重量、计算重心、装配路径名、全局坐标下的包围盒、装配坐标下的包围盒。

(3) 船体构件焊接工艺。主要包括船体构件的连接名、连接长度、焊缝名、焊缝长度、焊接姿态、焊接类型、焊脚高度、焊缝的几何坐标、零件内部名、零件外部名、坡口代码、板厚、材质等。

(4) 管子加工工艺。主要包括管路(系统、管路号、管路描述、材质、管材级别、试验水压、通径、外径、表面处理、相关附件和管零件相关属性信息)、管子件号、管子材料、牌号、规格、弯曲半径、下料长度、管子几何信息等数据。图1为管系产品加工工艺信息统一建模语言(Unified Modeling Language, UML)图。

图1 管系产品加工工艺信息UML图

2 异构CAD工艺数据集成的解决方案

2.1 CAD数据抽取接口

数据集成平台从异构CAD系统抽取数据依赖于各CAD系统提供的二次开发接口进行的二次开发。

AM系统主要通过PML.NET类库调用GATEWAY类库程序，进行对象数据的处理。

Tribon软件主要通过串行通信端口(Cluster Communication Port, COM接口)与Vitesse程序相结合的方式抽取模型数据。

SPD软件主要通过SPD二次开发应用程序接口(Application Programming Interface, API)抽取模型和数据。

2.2 数据平台搭建

项目组采用产品数据管理(Product Data Management, PDM)系统作为数据管理平台[1]。PDM是理想的异构CAD数据集成平台，能方便地进行数据管理。设计人员可以通过PDM实时查看数据；同时，将数据保存在PDM的服务端，也能更好地确保数据安全。

数据管理平台同各智能化设备的数据交互采用两种方式。如果智能化设备管理系统能接入到局域网，可直接访问数据管理平台的数据库API获取零件及工艺信息。数据管理平台也可以生成包含零件和工艺信息的可扩展标记语言(Extensible Markup Language, XML)文件，提供给未接入到企业局域网的智能化设备平台使用。XML文件的转换采用的是一种基于模板的文档类型定义(Document Type Definition, DTD)到关系模式的转换算法，可以快速生成相应XML文档。

2.3 异构CAD的数据集成

异构CAD的数据集成，特别需要保证数据的一致性。基于统一的数据格式，将各CAD系统的零部件属性和工艺信息与数据集成平台进行映射，实现CAD数据智能抽取并转换成统一数据格式。异构CAD的数据集成主要存在两大冲突：结构冲突和语义冲突。

2.3.1 结构冲突

结构冲突是指异构CAD系统之间在数据项构成结构上的差异。CAD中的属性数量不同，但一个CAD的某些属性能够同另一个CAD某些属性对应。典型情况以CAD中零件的属性信息为例：一个CAD中将零件的名称、材质、规格等信息合并成一个字段；另一个CAD中则将这些零件信息分别存储在不同的字段。

在将这些信息集成到数据集成平台时，解决的方法为：把对应的冲突属性进行分裂操作，将存储在一个字段中的属性拆分到多个字段中存储；如果某一CAD系统的某些属性在其他CAD系统找不到对应的属性，则将这些属性作为冗余信息保存。

2.3.2 语义冲突

语义冲突是指同一属性在不同CAD系统的数据类型、单位、长度、精度等方面的冲突。

在进行数据转换时，为便于智能化设备的使用，数值型数据均采用双精度型，单位统一为mm；如果部分CAD系统存在多个数值型数据合并后作为字符型信息保存在一个字段的情况，则进行拆分存储。

2.4 模型重构

焊接或加工智能系统进行机器人作业规划时，均需要进行模型仿真，因此需要数据集成平台提供零件的三维模型。考虑到各智能化设备管理系统的模型通用性，项目组采用产品模型数据交互规范(Standard for the Exchange of Product Model Data, STEP)标准重构零件模型[2]。各CAD系统中，Tribon软件和SPD软件均不支持直接导出STEP文件，项目组通过二次开发导出零件模型，并转换成STEP文件格式。AM虽然可以通过命令行手工导出STEP文件，但文件是以板架为单位导出的，不是以零件为单位导出的，因此项目组通过二次开发直接生成零件的STEP文件。

STEP文件通过文件传输协议(File Transfer Protocol, FTP)保存在产品数据管理系统的服务端，可接入企业局域网的智能化设备系统可直接去服务端获取STEP文件；产品数据管理系统也可在生成数据XML文件时，将STEP文件打包放入一个压缩文件，提供给智能化设备系统使用。图2为STEP文件在中小组立焊接系统的应用。

图2 中小组立焊接系统模型仿真

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3 数据集成平台的使用

数据集成平台包含数据集成接口程序和数据平台程序两部分，在具体实施过程中可根据船厂使用的CAD软件部署相应的数据集成接口。如：中小组立焊接机器人项目，对接数据集成平台获取分段、组立、板材、型材及焊缝信息，目前已经在广东某船厂开展应用；管子智能化加工项目，对接数据集成平台获取管子托盘和加工信息，目前已在上海某船厂开展应用。

在智能化设备平台项目的实施过程中，智能化项目都与数据集成平台进行数据对接，不需要再与船厂的CAD系统进行数据对接，有效提升项目的推进效率，取得良好的实施效果。