協同虛擬維修中的零件特征模型

歐立銘， 徐曉剛， 孫元元

（海軍大連艦艇學院裝備自動化系，遼寧 大連 116018）

協同虛擬維修是指在虛擬、共享的網絡環境中，多個分散的用戶，共同對同一大型裝備進行維修。大型裝備規模龐大，零部件多。協同虛擬維修的所有活動是圍繞零件展開的，需要獲取零件的維修信息。因此，要把零件有關維修的信息組織起來。如果每個用戶都對零件的信息都做一個自主描述，那么勢必會造成其它用戶的理解障礙。如何有效組織這些零件信息，并支持多用戶異地共享是個問題。

目前，零件信息的描述方法有：分類編碼描述法、形面要素描述法、圖論描述法、特征描述法、拓撲描述法和知識表示描述法等[1]。其中，特征描述法適宜描述比較復雜的非回轉體類零件。其思想是從零件的所有信息中抽象出一些能夠用通用要素和屬性組成特征集合，目的是提供一種統一的零件信息描述方式，實現零件信息在異地用戶間的傳輸、共享。人們根據應用需求，對零件的特征做出了不同的定義。從事CAD的人，認為特征包括草圖特征、放置特征和基準特征等，以體現產品的設計意圖[2]。從事CAPP的人，認為特征包括形狀特征、精度特征、材料特征、技術特征和管理特征等，以反映設計者與制造者的意圖[3-4]。

維修是為保持或恢復產品處于可使用狀態所進行的維護、保養、修理、改進、翻修、檢查等活動。因此，傳統的從設計、制造等應用需求出發定義的零件特征模型不能滿足協同維修應用需求。本文分析協同維修過程所需的信息，從零部件幾何關系等固有屬性出發，構建了面向協同維修的虛擬樣機零件特征模型。

1 零件特征模型構建

首先分析維修過程信息，提取出有用的信息組成特征集合，構建特征模型，最后對特征模型進行了形式化描述。

1.1 協同維修過程分析

協同維修是虛擬樣機—維修工具—維修人員三者之間的交互活動，是更換或維修故障零部件為目的的部分拆裝活動。每一步的拆裝活動都是以零部件為中心，以解除零部件之間的約束關系為目的。進一步說，拆裝是圍繞零部件的特征進行的，即零件的固有屬性決定了需要的維修工具、維修人員等維修資源信息。因此，協同維修不需要零部件的尺寸、材質等工藝制造信息，只需要由這些固有屬性決定的維修信息，具體包括零部件拆裝序列、拆裝工具、人員協作信息和拆裝方向等。

在分析協同維修過程所需信息后，下一步將這些提取出的有用信息組成特征集合，構成零件特征模型。

1.2 零件維修特征模型

特征是根據應用需求對真實零件的一些固有要素進行的抽象。從自身需求出發定義的特征應該符合其他人的應用需求，這就要求特征能表示為某些更為基本的“通用特征”的組合。從協同維修的需求出發，本文的零件特征模型從拆裝規則和協作信息兩方面，抽取了拆裝序列、拆裝運動、人員角色和維修工具等特征（如圖1所示）。

圖1 零件維修特征模型

1）拆裝規則 從機械角度看，零件之間存在聯接、定位和傳動等基本幾何關系。零件之間的這些幾何關系決定了維修時零件的拆裝順序以及零部件間為避免穿越所受到的運動約束。維修活動就是依據零部件之間的幾何關系拆裝一系列零部件的過程。確定拆裝規則需要人們了解實體裝備的構造，分析零部件間的幾何關系，熟悉實際維修過程。

2）協作信息 零件的協作信息包括人員角色特征和維修工具特征。協同維修中每個成員擔當一定的角色，承擔一定的任務分工，相互之間密切配合，使整個維修活動有序的進行。同時，在拆裝零件過程中，需要的不同的工具。有的零件可以徒手拆卸，有的則需借助錘子、錐子、鉗子、扳手等工具。

大型裝備零件數目十分龐大。構建一個完整的、滿足全程需求的零件特征模型需從分析實際維修中每個零件入手，其工作量巨大。本文采用面向對象的思想，對零件特征進行分類建模，減少工作量。

1.3 面向對象的零件特征建模

文獻[5-6]提出了面向對象的特征建模思想。其觀點是：以對象的觀點來分析現實世界中的問題，從普通人認識世界的觀點出發，把事物歸類、綜合，提取共性并加以描述。本文采用上述思想對零件，根據特征進行分類建模。其思路是：不同零件所具有的部分特征從其父類繼承，父類所具有的部分特征從某一些基類中繼承。這樣眾多的零件就可以用有序的語義關系聯接起來，避免重復建模，降低工作量。采用面向對象建模思想，使用戶只需對特征的外部接口參數進行操作，而無須知道特征內部具體的實現機制，使得建模在更高的語義層次上進行。

1.4 特征模型的描述

本文以某型艦炮為例，將零件初步分為管、軸、齒輪和滑塊等4個基類。其中，管類所具有的性質是：具有聯接幾何關系（具體可分螺紋聯接、楔聯接、銷聯接、鍵聯接、花鍵聯接、過盈配合聯接、彈性環聯接、鉚接、焊接和膠接等）。在其以下的長管、套管和環等父類繼承了這一屬性。其中，環在具有這一屬性的同時，又具有特定屬性：使用工具且由單人拆卸。制動環和密封環等都是環的實例。其中密封環在繼承環的屬性的同時，又具有特定屬性：使用卸環鉤拆卸（如圖2所示）。

圖2 零件特征建模及特征描述

從圖中可以看出防護罩的維修特征信息：防護罩是第1個要被拆卸的零件。拆卸時，需要3個人徒手合作拆卸。一個人抬著一個角，沿炮管方向移動。

2 零件特征模型的數據映射

抽象的零件信息模型需要以某種數據結構存儲和管理并實例化，才能在實際運用時調用。本文創建的零件信息模型存儲在關系數據庫中。首先要建立數據映射，將面向對象的零件特征模型映射成關系數據類型，最后再將特征模型映射成數據表。

2.1 零件特征模型的關系數據映射

關系數據模型中數據以表的形式存放，表里的數據類型是一種簡單邏輯模型，數據簡潔、獨立，但其無法表述對象的復雜語義[7]。所以必須在關系數據庫和面向對象的應用系統中間增加對象映射層，實現復雜產品對象向數據庫表的映射。利用關系數據庫表達對象，通用方法為“映射法”[8-9]。即：一個類映射為一個數據庫中的表格。表的列或字段對應類的屬性，而行或列紀錄則對應類的實例。在表格中，一個或幾個字段構成，其值是紀錄的獨特標識。如果類的屬性是一個組合類，則增加一個表格映射組合類。

2.2 零件特征模型的數據表映射

以Mysql數據庫存儲和管理零件信息模型，并構建了某型艦炮協同虛擬維修系統。以拆卸防護罩為例，介紹零件特征模型如何用關系數據模型實例化。零件的拆裝序列特征、拆裝運動特征、人員角色特征和維修工具特征需要4個表，并通過表的主鍵碼（如ToolId, AccessoryID等）關聯來實現。其中，零件表是主表，字段TurnAxias，MotionType和MotionDis等共同表達了零件的拆裝運動特征。字段ToolId與工具表關聯，表達維修工具特征。零件表用主鍵碼(AccessoryID)與協作信息表、序列表關聯，表達了零件的人員協作特征和拆裝序列特征。

由以上關聯的數據表，可得到防護罩的特征模型信息：

1）拆裝序列特征 由序列表知，防護罩可拆卸的條件是其本身處于安裝狀態。即沒有其他零件約束它，是第1個拆卸的零部件（在圖2中可看出）。

2）拆裝運動特征 為避免穿越，拆卸防護罩時，必須繞Z軸旋轉，并向右移動3米。

3）人員角色特征 拆卸防護罩需要3個人，每人站在相應位置并承擔相應任務。

4）維修工具特征 防護罩只需徒手就可以拆卸。

3 應用實例

系統選用Torque為三維引擎、MySQL為數據庫、Apache+PHP為后臺數據管理的方式開發。

在維修過程中，操作者通過外設控制虛擬人進行維修操作。虛擬人選擇零件后，查詢數據庫，獲取了零件包括拆裝序列、拆裝運動、人員角色和維修工具等特征信息。當系統判斷到條件都滿足后，拆卸進行。如圖3(a)所示，3人合作拆卸防護罩。拆卸防護罩，需要3人合作徒手拆卸。拆卸時，防護罩必須沿炮管方向移動，否則發生穿越。在圖3(a1)中，3人按照角色分工，一人在一個位置蹲下，準備抬起防護罩。在圖3(a2)中，3人抬起了防護罩，沿炮管方向移動。圖3(b), 圖3(c), 圖3(d), 圖3(e)為虛擬人拆卸護板、排殼器、啟動器和密封圈等實例。

圖3 征模型在某型艦炮協同虛擬維修系統中的應用

4 結束語

零件特征是從零件眾多信息中抽取出來的，用于滿足協同維修需求的信息組合，為參與協同的用戶提供了一個統一標準。不同用戶按此模型創建的零件，都將包含這些必備的特征信息，能夠被其他用戶理解。把零件特征模型轉化成關系數據模型，存儲在數據庫中。異地用戶通過訪問數據庫，就可獲得零件特征信息，可以實現零件信息異地傳輸與共享。

[1]許國玉. 回轉體零件特征建模方法研究[D]. 哈爾濱:哈爾濱工程大學, 2002.

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