基于本體的軸類零件外圓工序尺寸參數的自動生成方法

王家浩 ,黃美發,2 ,李 健

(1.桂林電子科技大學 機電工程學院,廣西 桂林 541004;2.桂林電子科技大學 廣西制造系統與先進制造技術重點實驗室,廣西 桂林 541004)

在“中國制造2025”背景下,如何提升產品工藝設計自動化水平,推進智能制造,是國內機械行業的焦點問題。軸類零件作為機械產品中的重要零件,其工藝設計是連接產品設計與制造的橋梁與紐帶,關乎加工制造的效率和最終產品的質量[1]。在傳統的工藝設計領域,軸類零件的工藝設計尤其是外圓工序尺寸參數的生成,主要依賴設計人員查詢手冊或經驗取值,效率低,且設計人員對工藝設計的理解差異會導致設計結果的不確定性[2],影響工藝設計的一致性,進而限制了軸類零件工藝設計的自動化水平。

計算機輔助工藝設計(CAPP)作為連接計算機輔助設計(CAD)與計算機輔助制造(CAM),實現產品工藝設計自動化的關鍵技術[3],近年來,被部分學者引入軸類零件工藝設計的研究中。張賀等[4]針對人工構建三維工序模型的低效率問題,提出了一種基于體分解的三維工序模型自動生成方法。蔡衛東等[5]基于正向推理策略,借助工藝規則推理機實現了軸類零件工序優先級數決策和加工路線的自動排序。Yu等[6]應用計算機開發工具,基于軸類零件加工工藝信息代碼實現了工序圖的自動生成。Wan等[7]根據零件實際加工制造,提出了基于加工知識的MBD工藝模型構建方法。任紹川等[8]基于動態向量法、圖解追蹤法及高斯列主元消去法,實現了工序尺寸的自動解算。

以上研究從模型構建、工藝決策、工序圖生成、工序尺寸解算等方面解決了軸類零件工藝設計自動化的部分問題,但各自依托的CAPP系統相互獨立且異構,限制了相關工藝知識的共享與傳遞,從而降低了工藝設計效率。針對上述問題,將本體技術引入軸類零件外圓工序尺寸參數自動生成方法的研究中。本體是共享概念模型明確的形式化規范說明,構建本體是促進異構系統間語義互操作、增強知識共享與重用的重要手段[9-10]。根據軸類零件外圓工序尺寸參數的生成流程,利用網絡本體語言(web ontology language,簡稱OWL)構建軸類零件外圓工序尺寸參數生成的本體模型。通過利用語義網規則語言(semantic web rule language,簡稱SWRL)構建軸類零件外圓工序尺寸參數生成的推理規則,并借助Jess推理機實現軸類零件外圓工序尺寸參數的自動生成。

1 表示模型的構建

軸類零件外圓工序尺寸參數包括工序尺寸及公差、工序余量、加工總余量等內容,其生成過程涉及設計特征分析、加工方案推理、工序尺寸參數選擇等環節。為充分表示參數生成過程多對象間的復雜關系并描述相關語義信息,建立由零件結構層、設計特征層、特征映射層和加工特征層構成的外圓工序尺寸參數生成的表示模型。

1.1 零件結構層

1.2 設計特征層

設計特征層的功能是從零件模型中提取零件及其外圓軸段相關設計特征,并描述零件及其外圓軸段與設計特征間的從屬關系。零件相關設計特征包括毛坯類型(BT)、公稱零件總長度(NTL)、零件材料(Ma)、熱處理(HT)、最大毛坯直徑(MBD)和外圓軸段數量(CPSN)。零件設計特征的集合DPD可表示為

其中:毛坯類型分為棒料(Bar)、鍛件(Forging)和鑄件(Casting)等;零件材料分為鋼 (Steel)、鑄鐵(Cast-Iron)和有色金屬(Non-f Metal)等;熱處理分為預備熱處理(CHT)、去應力熱處理(SRHT)、最終熱處理(FHT)和表面熱處理(ST)。

外圓軸段相關設計特征包括毛坯直徑(BD)、公稱外圓直徑(NCD)、外圓表面粗糙度(CRa)、尺寸公差等級(DTG)、幾何公差約束(GTC)、幾何公差等級(GTG)。外圓軸段設計特征的集合DSD可表示為

其中:幾何公差約束分為形狀公差(Form T)、位置公差(LocaT)、方向公差(OrieT)和跳動公差(Run T),各類型幾何公差又可進一步細分,例如跳動公差又可分為圓跳動(CircularRun-out)和全跳動(TotalRunout)。

定義1若給定Si={Si1,Si2,…,Sin}為軸類零件Si的外圓軸段集合,其中Sij為Si的第j個外圓軸段,j=1,2,…,n,n為零件外圓軸段總數,則軸段與其設計特征的從屬關系矩陣DS,6×n可表示為

1.3 加工特征層

加工特征層的主要功能是描述外圓軸段與其加工特征間的從屬關系。外圓軸段加工特征包括外圓加工方法(CMM)、外圓加工方案(CMP)、外圓工序尺寸(CPD)、外圓工序余量(CPA)、加工總余量(TMA)、工序尺寸公差(PDTG)及工序尺寸偏差(PDD),則外圓軸段加工特征元素的集合MSM可表示為

其中:外圓加工方法包括車削(Turning)、磨削(Grinding)、研磨(Lapping)等,加工方法又可進一步細分為粗車(Rough Turning)、半精車(Semi-finishing Turning)等;工序尺寸偏差包括上偏差(UD)和下偏差(LD)。外圓加工方案是由各外圓加工方法組成的加工方法鏈,根據文獻[11]和相關經驗知識,總結歸納了13種加工方案,如圖1所示。

本研究提示中醫的綜合治療對于PVOD有確切的臨床療效，希望在以后的研究中能擴大研究的樣本量，并引入標準化的可以分級測量的主觀嗅覺測試方法和嗅覺誘發電位等客觀嗅覺測試方法，以不斷擴展研究的深度和廣度。

圖1 外圓加工方案

定義2若給定Si={Si1,Si2,…,Sin}為軸類零件Si的外圓軸段集合,Sij為Si的第j個外圓軸段,j=1,2,…,n,n為零件外圓軸段總數,則軸段與其加工特征的從屬關系矩陣MS,7×n可表示為

1.4 特征映射層

特征映射層是模型的第3層,其功能是存儲并描述設計特征層與加工特征層各特征間的映射關系。

定義3若給定AT={BT,NTL,Ma,HT,MBD,BD,NCD,CRa,DTG,GTC,GTG,CMM,CMP,CPD,CPA}為零件及其外圓軸段的設計特征和部分加工特征,MSM={CMM,CMP,CPD,CPA,TMA,PDTG,PDD}為外圓軸段加工特征,則特征映射矩陣RDM,7×15可表示為

其中:RDM,7×15行標為MSM元素,列標為AT元素;1表示元素間存在映射關系,0表示元素間不存在映射關系。

2 本體模型的構建

軸類零件外圓工序尺寸參數自動生成的前提是對其生成過程知識的信息化處理與表示。由于表示模型無法充分描述特征映射層中多對象間的復雜關系,無法傳遞完整語義,結合本體在語義表示、知識共享與推理等方面具有的突出優勢[12-13],將本體技術引入軸類零件外圓工序尺寸參數生成方法的研究中。OWL作為一種被廣泛使用的本體語言,在建模方面具有靈活的轉換能力[14]。利用OWL進行表示模型的本體轉化,為實現外圓工序尺寸參數的自動生成奠定基礎。在本體構建方法的選擇方面,采用被廣泛應用的七步法[15]進行軸類零件外圓工序尺寸參數生成的本體模型的構建。

2.1 獲取領域知識

軸類零件外圓工序尺寸參數生成過程的知識包括相關術語概念的定義及概念間的關系,根據GB/T 4863—2008、GB/T 1182—2008等標準的定義,確定軸類零件外圓工序尺寸參數生成過程涉及的設計特征和加工特征相關術語。設計特征相關術語包括幾何公差約束、尺寸公差等級、外圓表面粗糙度、零件材料、熱處理、毛坯類型等及其具體內容;加工特征相關術語包括外圓加工方法、外圓加工方案、工序尺寸、工序余量、工序尺寸公差、加工總余量等及其具體內容。

2.2 定義類及其層次關系

根據獲取的領域知識,將表示模型中的一元關系定義為類,并建立類的層次關系,如圖2所示。其中,上下類具有父子關系。類DF、CPS、SP、MF分別表示設計特征、外圓軸段、軸類零件和加工特征。DF的子類包括BT、BD、MBD、NTL、Ma、NCD、CRa、HT、CPSN、DTG、GTG、GTC;MF的子類包括PDTG、CPA、PDD、CPD、TMA、CMM、CMP。

圖2 外圓工序尺寸參數生成類的層次關系

2.3 定義屬性

定義類及其層次關系后,需定義屬性以表示類與類之間及類與數據之間的關系,屬性類型包括對象屬性(ObjectProperties)和數據屬性(DataProperties)兩種[16-17]。對象屬性表示模型中類與類之間存在的二元關系,數據屬性表示類固有特性的數值屬性[18]。建立外圓工序尺寸參數生成屬性的層次關系,如圖3所示。

圖3 外圓工序尺寸參數生成屬性的層次關系

對象屬性hasCPS與isCPSof互為逆屬性,表示軸類零件與其外圓軸段間的從屬關系;hasDF表示軸類零件及其外圓軸段具有的設計特征,其子節點表示具有的12類設計特征;hasMF表示外圓軸段具有的加工特征,其子節點表示具有的7類加工特征;hasCMM 的子節點hasCMM1,…,hasFCMM 分別表示外圓軸段初加工至終加工的加工方法;hasCPA 的子節點hasCPA-RT,hasCPA-Sf T 等分別表示外圓軸段粗車、半精車等工序具有的工序余量;hasCPD 的子節點hasCPD-RT,hasCPD-Sf T,…,hasFCPD分別表示外圓軸段具有的粗車工序、半精車工序至終加工工序的工序尺寸。

數據屬性hasDTGValue表示尺寸公差等級的數值;hasDFValue表示具有的設計特征數值信息,其子節點表示具有的6類設計特征的值;hasMFValue表示具有的加工特征數值信息,其子節點表示具有的4類加工特征的值。

2.4 定義屬性的限制

完成屬性定義后,還需定義各屬性的限制,對象屬性的定義域和值域如表1所示,數據屬性的定義域和值域如表2所示。

表1 對象屬性的定義域和值域

表2 數據屬性的定義域和值域

3 工序尺寸參數的自動生成方法

3.1 工序尺寸參數的生成規則

軸類零件外圓工序尺寸參數的自動生成還需良好的推理規則支持。雖然已利用OWL對表示模型進行了本體轉化,但OWL并不具備表示一般形式規則的能力[19],不能充分表達特征映射層中包含的復雜關系,因此利用SWRL進行外圓工序尺寸參數生成推理規則的構建。SWRL是一種獨立于任何推理引擎的規則語言,具有很強的邏輯表達能力和智能推理能力[20]。根據外圓工序尺寸參數生成過程加工方案和工序尺寸參數的推理過程,利用SWRL建立的部分規則,如表3所示,其他表示類似。

表3 外圓工序尺寸參數生成推理規則

3.2 工序尺寸參數的自動生成

為實現軸類零件外圓工序尺寸參數的自動生成,利用OWL建立個體斷言并構建相關SWRL規則,再將基于OWL和SWRL分別建立的結構化知識和約束化知識轉化為推理機能夠識別和處理的形式。采用Jess推理機進行推理,通過JessTab插件將結構化知識和約束化知識分別轉化為Jess事實和Jess規則,并構建相應的事實庫和規則庫,最后通過Jess推理機推理生成工序尺寸參數。基于Jess推理機設計了軸類零件外圓工序尺寸參數生成知識庫系統的底層框架,如圖4所示。

圖4 外圓工序尺寸參數生成知識庫系統的底層框架

3.3 工序尺寸參數的自動生成算法

為驗證自動生成方法的可行性,根據外圓工序尺寸參數自動生成的原理,給出可行性驗證算法,算法的具體步驟如圖5所示。

圖5 外圓工序尺寸參數自動生成的流程圖

1)構建零件模型并分析零件結構,分解得到若干外圓軸段,利用OWL表示零件與其外圓軸段間的從屬關系,并構建斷言公式集APS;

2)從零件模型提取相關設計特征信息,利用OWL表示零件及其外圓軸段與相關設計特征間的從屬關系,構建表示零件與其設計特征間從屬關系的斷言公式集APD和各外圓軸段與其設計特征間從屬關系的斷言公式集ASD;3)根據斷言公式集APS、APD和ASD,基于外圓加工方案生成SWRL規則,利用Jess推理機推理生成各軸段的外圓加工方案,利用OWL表示各軸段與其加工方案的從屬關系,并構建斷言公式集AMP;

4)根據上述構建的斷言公式集APS、APD、ASD和AMP,基于外圓工序尺寸參數生成SWRL規則,利用Jess推理機推理生成各軸段的外圓工序尺寸參數。

4 實例研究

為驗證所提算法的可行性,以某減速器輸出軸為例進行說明,其部分設計特征信息如圖6所示,零件的技術要求還包括調質處理28～32HRC和材料45鋼。零件毛坯為棒料,直徑為85 mm。

圖6 某減速器輸出軸零件圖

1)根據零件設計信息在CAD 系統中構建零件模型,分解得到從左至右共7個外圓軸段,構建表示零件與其外圓軸段之間從屬關系的斷言公式集:

2)提取零件相關設計特征信息,構建表示零件與其相關設計特征間從屬關系的斷言公式集:

以外圓軸段1為例,構建表示軸段1與其設計特征間從屬關系的斷言公式集:

3)根據APS1、APD1和ASD1,基于外圓加工方案生成SWRL規則,推理生成各外圓軸段的加工方案,以外圓軸段1為例,構建表示其與其加工方案間從屬關系的斷言公式集:

AMP11={CPS(cps11),CMP(CMP8),CMM(Rough Turning)),CMM(Semi-finishing Turning),CMM(RoughGrinding),CMM(FinishingGrinding),hasCMP(cps11,CMP8),hasCMM1(cps11,Rough Turning),hasCMM2(cps11,Semi-finishing Turning),hasCMM3 (cps11,RoughGrinding),hasFCMM(cps11,FinishingGrinding)};同理構建其余軸段的斷言公式集AMP12、AMP13、AMP14、AMP15、AMP16、AMP17,由該7個斷言公式集共同組成AMP1。

4)根據上述構建的斷言公式集APS1、APD1、ASD1和AMP1,生成各外圓軸段工序尺寸參數,如表4所示。

表4 實例零件工序尺寸參數自動生成結果 mm

5 結束語

提出了一種基于本體的軸類零件外圓工序尺寸參數的自動生成方法,通過構建軸類零件外圓工序尺寸參數生成的知識表示模型,利用OWL 和SWRL對其進行本體轉化,借助Jess推理機實現了外圓工序尺寸參數的自動生成,并通過實例驗證了所提方法的可行性。該方法減少了人為干預對外圓工序尺寸參數生成過程造成的影響,保障了相關工藝知識在異構CAPP系統間的共享與傳遞。下一步,將在此基礎上開發外圓工序尺寸參數自動生成插件,實現與主流CAPP系統的集成。