異構(gòu)計算機輔助設計工藝數(shù)據(jù)集成技術

成宇韜， 喻天翔， 鄭菊艷， 王冬梅， 王小強

(1.上海船舶工藝研究所， 上海 200032； 2.上海申博信息系統(tǒng)工程有限公司， 上海 200032)

0 引 言

隨著“中國制造2025”的提出，中國的船舶制造業(yè)正大力加強船舶制造的自動化和智能化水平，直觀的體現(xiàn)就是各型機器人設備在船舶制造中的應用。目前國內(nèi)已有多家船廠上線了機器人制造項目，包括船體中小組立機器人焊接項目、管子流水線機器人焊接項目、型材切割流水線機器人切割項目等。這些自動化和智能化設備在船廠的使用提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，還降低了人工成本。

這些智能化設備的有效利用，必然離不開船廠的設計軟件提供工藝數(shù)據(jù)支撐，并且各型智能化設備要求的數(shù)據(jù)各不相同，不同廠家生產(chǎn)的同類型智能化設備對工藝數(shù)據(jù)的要求也存在差異。國內(nèi)各家船廠使用的生產(chǎn)設計軟件也不同，有造船及海工設計系統(tǒng)(AVEVA Marine, AM)、船舶設計軟件Tribon、船舶產(chǎn)品設計(Ship Product Design, SPD)軟件等，每一種智能化生產(chǎn)設備在船廠上線的過程中，必然需要針對船廠的生產(chǎn)設計軟件進行二次開發(fā)，獲取所需的工藝數(shù)據(jù)。

從各類生產(chǎn)設計軟件中提取工藝數(shù)據(jù)，以供船體構(gòu)件加工、裝配、焊接、管子加工等智能化設備使用；在此基礎上，提出一項異構(gòu)計算機輔助設計(Computer Aided Design, CAD)工藝數(shù)據(jù)集成技術，即從異構(gòu)CAD軟件中抽取零件信息、工藝信息及模型信息，以統(tǒng)一的格式存放，各智能化項目從數(shù)據(jù)集成平臺中獲取所需的數(shù)據(jù)。

1 異構(gòu)CAD工藝集成數(shù)據(jù)

從異構(gòu)船舶三維設計系統(tǒng)抽取船體模型幾何信息、零件屬性信息、零件加工工藝信息，并轉(zhuǎn)換為標準數(shù)據(jù)格式。提取的數(shù)據(jù)信息包括：

(1) 船體構(gòu)件加工工藝。主要包括型材的類型、材質(zhì)、規(guī)格、長度等，還包括型材的噴粉信息、端部型式、開孔信息和型材的坡口型式等。

(2) 船體構(gòu)件裝配工藝。主要包括船體構(gòu)件的裝配名、裝配內(nèi)部名、裝配描述、裝配類型、建造策略、建造場地、建造方向、計劃開始日期、計劃結(jié)束日期、實際開始日期、實際結(jié)束日期、估計重量、估計重心、計算重量、計算重心、裝配路徑名、全局坐標下的包圍盒、裝配坐標下的包圍盒。

(3) 船體構(gòu)件焊接工藝。主要包括船體構(gòu)件的連接名、連接長度、焊縫名、焊縫長度、焊接姿態(tài)、焊接類型、焊腳高度、焊縫的幾何坐標、零件內(nèi)部名、零件外部名、坡口代碼、板厚、材質(zhì)等。

(4) 管子加工工藝。主要包括管路(系統(tǒng)、管路號、管路描述、材質(zhì)、管材級別、試驗水壓、通徑、外徑、表面處理、相關附件和管零件相關屬性信息)、管子件號、管子材料、牌號、規(guī)格、彎曲半徑、下料長度、管子幾何信息等數(shù)據(jù)。圖1為管系產(chǎn)品加工工藝信息統(tǒng)一建模語言(Unified Modeling Language, UML)圖。

圖1 管系產(chǎn)品加工工藝信息UML圖

2 異構(gòu)CAD工藝數(shù)據(jù)集成的解決方案

2.1 CAD數(shù)據(jù)抽取接口

數(shù)據(jù)集成平臺從異構(gòu)CAD系統(tǒng)抽取數(shù)據(jù)依賴于各CAD系統(tǒng)提供的二次開發(fā)接口進行的二次開發(fā)。

AM系統(tǒng)主要通過PML.NET類庫調(diào)用GATEWAY類庫程序，進行對象數(shù)據(jù)的處理。

Tribon軟件主要通過串行通信端口(Cluster Communication Port, COM接口)與Vitesse程序相結(jié)合的方式抽取模型數(shù)據(jù)。

SPD軟件主要通過SPD二次開發(fā)應用程序接口(Application Programming Interface, API)抽取模型和數(shù)據(jù)。

2.2 數(shù)據(jù)平臺搭建

項目組采用產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理(Product Data Management, PDM)系統(tǒng)作為數(shù)據(jù)管理平臺[1]。PDM是理想的異構(gòu)CAD數(shù)據(jù)集成平臺，能方便地進行數(shù)據(jù)管理。設計人員可以通過PDM實時查看數(shù)據(jù)；同時，將數(shù)據(jù)保存在PDM的服務端，也能更好地確保數(shù)據(jù)安全。

數(shù)據(jù)管理平臺同各智能化設備的數(shù)據(jù)交互采用兩種方式。如果智能化設備管理系統(tǒng)能接入到局域網(wǎng)，可直接訪問數(shù)據(jù)管理平臺的數(shù)據(jù)庫API獲取零件及工藝信息。數(shù)據(jù)管理平臺也可以生成包含零件和工藝信息的可擴展標記語言(Extensible Markup Language, XML)文件，提供給未接入到企業(yè)局域網(wǎng)的智能化設備平臺使用。XML文件的轉(zhuǎn)換采用的是一種基于模板的文檔類型定義(Document Type Definition, DTD)到關系模式的轉(zhuǎn)換算法，可以快速生成相應XML文檔。

2.3 異構(gòu)CAD的數(shù)據(jù)集成

異構(gòu)CAD的數(shù)據(jù)集成，特別需要保證數(shù)據(jù)的一致性。基于統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式，將各CAD系統(tǒng)的零部件屬性和工藝信息與數(shù)據(jù)集成平臺進行映射，實現(xiàn)CAD數(shù)據(jù)智能抽取并轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一數(shù)據(jù)格式。異構(gòu)CAD的數(shù)據(jù)集成主要存在兩大沖突：結(jié)構(gòu)沖突和語義沖突。

2.3.1 結(jié)構(gòu)沖突

結(jié)構(gòu)沖突是指異構(gòu)CAD系統(tǒng)之間在數(shù)據(jù)項構(gòu)成結(jié)構(gòu)上的差異。CAD中的屬性數(shù)量不同，但一個CAD的某些屬性能夠同另一個CAD某些屬性對應。典型情況以CAD中零件的屬性信息為例：一個CAD中將零件的名稱、材質(zhì)、規(guī)格等信息合并成一個字段；另一個CAD中則將這些零件信息分別存儲在不同的字段。

在將這些信息集成到數(shù)據(jù)集成平臺時，解決的方法為：把對應的沖突屬性進行分裂操作，將存儲在一個字段中的屬性拆分到多個字段中存儲；如果某一CAD系統(tǒng)的某些屬性在其他CAD系統(tǒng)找不到對應的屬性，則將這些屬性作為冗余信息保存。

2.3.2 語義沖突

語義沖突是指同一屬性在不同CAD系統(tǒng)的數(shù)據(jù)類型、單位、長度、精度等方面的沖突。

在進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時，為便于智能化設備的使用，數(shù)值型數(shù)據(jù)均采用雙精度型，單位統(tǒng)一為mm；如果部分CAD系統(tǒng)存在多個數(shù)值型數(shù)據(jù)合并后作為字符型信息保存在一個字段的情況，則進行拆分存儲。

2.4 模型重構(gòu)

焊接或加工智能系統(tǒng)進行機器人作業(yè)規(guī)劃時，均需要進行模型仿真，因此需要數(shù)據(jù)集成平臺提供零件的三維模型。考慮到各智能化設備管理系統(tǒng)的模型通用性，項目組采用產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)交互規(guī)范(Standard for the Exchange of Product Model Data, STEP)標準重構(gòu)零件模型[2]。各CAD系統(tǒng)中，Tribon軟件和SPD軟件均不支持直接導出STEP文件，項目組通過二次開發(fā)導出零件模型，并轉(zhuǎn)換成STEP文件格式。AM雖然可以通過命令行手工導出STEP文件，但文件是以板架為單位導出的，不是以零件為單位導出的，因此項目組通過二次開發(fā)直接生成零件的STEP文件。

STEP文件通過文件傳輸協(xié)議(File Transfer Protocol, FTP)保存在產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的服務端，可接入企業(yè)局域網(wǎng)的智能化設備系統(tǒng)可直接去服務端獲取STEP文件；產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)也可在生成數(shù)據(jù)XML文件時，將STEP文件打包放入一個壓縮文件，提供給智能化設備系統(tǒng)使用。圖2為STEP文件在中小組立焊接系統(tǒng)的應用。

圖2 中小組立焊接系統(tǒng)模型仿真

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3 數(shù)據(jù)集成平臺的使用

數(shù)據(jù)集成平臺包含數(shù)據(jù)集成接口程序和數(shù)據(jù)平臺程序兩部分，在具體實施過程中可根據(jù)船廠使用的CAD軟件部署相應的數(shù)據(jù)集成接口。如：中小組立焊接機器人項目，對接數(shù)據(jù)集成平臺獲取分段、組立、板材、型材及焊縫信息，目前已經(jīng)在廣東某船廠開展應用；管子智能化加工項目，對接數(shù)據(jù)集成平臺獲取管子托盤和加工信息，目前已在上海某船廠開展應用。

在智能化設備平臺項目的實施過程中，智能化項目都與數(shù)據(jù)集成平臺進行數(shù)據(jù)對接，不需要再與船廠的CAD系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)對接，有效提升項目的推進效率，取得良好的實施效果。