（机械设计及理论专业论文）基于语义的智能装配与工艺资源管理系统研究.pdf

基于语义的智能装配与工艺资源管理系统研究 摘要 计算机辅助工艺设计( c a p p ) 是实现企业信息化中的重要环节，而 虚拟装配工艺设计是计算机辅助工艺研究和应用中的重要和关键技 术，工艺资源管理则是完整的工艺设计循环中不可或缺的一环。本文 从知识层面的数据共享出发，研究了虚拟环境下基于语义的装配规划 以及基于w e b 的工艺资源管理与协作技术，提出了基于本体的装配语 义模型，并对异构装配信息的映射和本体化、虚拟装配环境下的智能 扣件、w e b 环境下的三维模型共享和协作、工艺资源的组织和权限管 理等关键技术进行了深入的研究。主要的研究工作包括如下内容： 1 、分析了现行的3 d v a p p 系统中存在的对于装配过程中的装配关 系、几何特征、几何约束、公差信息等语义性信息表达和描述机制的 不完善之处，并在确立了装配模型设计的原则的基础上，提出了基于 语义的3 d v a p p 系统的系统架构，并着重分析了装配语义的定义以 及基于本体论的装配语义的建立方法。 2 、通过词汇收集、整理形成了装配本体各层次本体的形式化描述， 并采用o w l 进行了描述，并在此基础上，着重分析了c a d 系统到本 文所建立的语义模型的信息映射和本体实例化问题。 3 、在分析了工艺设计流程的基础上，分别对工艺资源管理过程涉 及到的w e b 协作模块中的与c a d 系统的集成、三维文件的共享与可视 化、工艺文件的处理与统计等功能的分析和设计进行了分析和研究， 并重点对三维文件在w e b 上的共享和可以化，权限和用户管理等问题 的处理机制作了分析和阐述。 4 、实现了基于语义的3 d i v a p p 系统原型，其中包括：从s o l i d w o r k s 环境中导出三维模型、语义信息，o p e ni n v e n t o r 支持下的虚拟环境中 智能装配扣件的算法流程和实现以及基于w e b 的工艺资源管理平台 中用户数据、权限管理以及三维模型的共享和可视化。 关键词：虚拟现实虚拟装配装配语义工艺资源管理w e b 协作 r e s e r a c ho ni n t e l l i g e n ta s s e m b l ya n d c r a f tr e s o u r c em a n a g e m n e ts y s t e mb a s e d 0 ns e 【a n t i c s a b s t r a c t c a p p ( c o m p u t e ra i d e dp r o c e s sp l a n n i n g ) i st h ei m p o r t a n tp a r t o f e n t e r p r i s ei n f o r m a t i o ns y s t e m ，a n d v i r t u a l a s s e m b l y ，c r a f tr e s o u r c e m a n a g e m e n ta n dw e bc o l l a b o r a t i o na r et h ec o r ec o m p o n e n t so fc a p p f r o mt h ep e r s p e c t i v eo fk n o w l e d g es h a r i n g ，t h i sd i s s e r t a t i o ns t u d i e dt h e v i r t u a la s s e m b l yp r o c e s sp l a n n i n ga n dc r a f tr e s o u r c em a n a g e m e n ta n d c o l l a b o r a t i o nb a s e do ns e m a n t i c s i tp r o p o s e das e m a n t i cm o d e lo f a s s e m b l yp r o c e s sa n d r e s e a r c h e do nt h ek e yt e c h n o l o g ya sf o l l o w s ： s e m a n t i ci n f o r m a t i o ne x t r a c t i o nf r o mc a ds y s t e m ，i n t e l l i g e n td r a g g e ri n v i r t u a le n v i r o n m e n t ，3 d i m e n s i o n a lm o d e lv i s u a l i z a t i o no nw e ba n dc r a f t r e s o u r c ea n da c c e s sp r i v i l e g em a n a g e m e n t t h ew o r k sc o m p l e t e dc a nb e s u m m a r i z e da sf o l l o w s ： 1 b ya n a l y z i n gc u r r e n t3 d 心ps y s t e m ，t h ed i s s e r t a t i o np r o p o s e d t h ea r c h i t e c t u r eo fc 姆ps y s t e mb a s e do ns e m a n t i c s ：3 d 斟陋pa n da l s o d i s c u s s e do nt h ed e f i n i t i o no fa s s e m b l ys e m a n t i ca n dm e t h o d so f c o n s t r u c t i n ga s s e m b l ys e m a n t i c sb a s e do no n t o l o g y 2 b yg a t h e r i n gk e yc o n c e p t so fa s s e m b l yp r o c e s s e s ，i nc h a p t e r3 ，t h e d i s s e r t a t i o np r o p o s e dt h ef o r m a t i o no fa s s e m b l yo n t o l o g y ，d e s c r i b e d t h e mi no ，la n ds t u d i e dt h ei n f o r m a t i o ne x t r a c t i o nf r o mc a ds y s t e m s a n do n t o l o g yi n s t a n t i a t i o n 3 t h r o u g hd e e pa n a l y s i so nt h ep r o c e s so fa s s e m b l yp r o c e s sp l a n n i n g ， i nc h a p t e r4 t h ed i s s e r t a t i o nr e s e a r c h e do n3 - d i m e n s i o n a lm o d e ls h a r i n g a n dv i s u a l i z a t i o no nw e b ，c r a f tf i l ea c c e s sp r i v i l e g em a n a g e m e n ta n d s t a t i s t i c sa n du s e rm a n a g e m e n t 4 i nc h a p t e r6 ，t h ed i s s e r t a t i o ni m p l e m e n t e dt h ep r o t o t y p eo ft h e 3 d i v a p ps y s t e m ，i n c l u d i n gi n f o r m a t i o ne x t r a c t i o nm o d u l e ，i n t e l l i g e n t d r a g g e rm o d u l eb a s e do no p e ni n v e n t o ra n dc r a f tr e s o u r c em a n a g e m e n t m o d u l eo nw e b 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：壬殳童矗 日期：兰竺墨：童：主 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位 本人签名： 导师签名： 适用本授权书。 e t 期：兰堕：i ：堇 日期： 兰壁墨：兰：至 北京邮电大学硕士学位论文 1 1 研究背景 第1 章绪论 随着先进制造技术和信息技术的进步和发展，利用信息技术来改造和提升制 造业已经成为当代制造业发展的一个重要趋势。在过去的2 0 多年里，c a d 技术 及其应用系统在制造业中获得了广泛的应用和推广，极大地提高了产品的设计效 率和生产加工的自动化水平。但是，作为产品制造过程重要环节的产品装配及其 工艺设计过程却缺乏足够的辅助工具。于是近年来，基于虚拟现实技术的虚拟装 配技术被提出来并得到了广大专家学者的深入研究，多种基于三维虚拟技术的装 配工艺辅助设计系统也先后被开发出来。但是，由于装配工艺设计过程与人的知 识与经验密切关联，仅仅表现形式上的虚拟现实化并不能大幅度提高装配工艺设 计的智能化程度，不能实现知识层面上的共享，另一方面，工艺知识来源于工艺 人员和已有的成熟工艺，因此需要对已有的工艺资源进行有效的管理，完成对成 熟工艺知识的收集，从而形成一个完整的设计循环。因此，研究基于语义的智能 装配与工艺资源管理系统是很有必要的。 1 1 1 虚拟装配与c a p p 产品装配过程的设计和规划直接影响了产品的成本和性能。根据有关的统 计，在工业化国家中产品的生产过程中大约1 3 左右的人力，超过4 0 的生产费 用和产品生产制造总工时的4 0 - - 6 0 被用于产品的装配过程。长久以来，提高 装配规划的效率和自动化程度是工艺设计人员长久以来的目标1 1 1 。 近年来，虚拟现实技术的发展为计算机辅助工艺设计提供了一种新的思路和 方法。其中，虚拟装配作为计算机辅助装配工艺设计中的一个重要环节，得到了 广泛的研究和应用。虚拟装配一般地可以被定义为：无需产品或支撑过程的物理 实现，通过分析、先验模型、可视化和数据表达等手段，利用计算机工具来安排 或辅助与装配有关的工程决策【4 1 。虚拟装配规划在最近的几年中取得了长足的发 展，它的出现有效得改善了人机协作。通过用户的虚拟操作，对装配难度的评估 以及检查装配路径的可行性等来生成合适的装配规划。由于可能的装配问题都能 够实时得在虚拟环境中体现出来，虚拟装配规划能够激发用户的创造性，最大限 度得发挥用户的经验优势。 国内外在该领域的研究现状体现出以下特剧1 】： 1 基于语义的智能装配与工艺资源管理系统研究 1 、对虚拟装配的过程和表现形式研究得较多，而忽略了虚拟装配的目的是 为了辅助装配工艺的设计，孤立的研究虚拟装配并不能本质上解决装配工艺的辅 助设计问题。这样的系统只能描述装配顺序和姿态，不能反映装配过程中所需要 的工艺规程。 2 、虚拟装配没有和前端的c a d 进行有效的集成，仅仅采用v r m l 等中间格 式的文件并不能完整地表达c a d 模型中包含的复杂的特征、装配层次和拓扑关 系等信息，亦没有考虑到装配工艺的表达。因此，亟需要一种中间的模型能够表 达此类“丢失的信息。 3 、虚拟装配需要专家系统或者智能决策系统的支持，单纯的将产品模型“虚 拟化 并不能提供足够得对产品设计及工艺设计的支持，没有语义的产品模型对 于计算机来说是无意义的。 4 、完全沉浸式的虚拟环境并不一定实用。目前的沉浸式的虚拟环境交互手 段还比较有限，处理大量的信息比较困难，因此实用性显得不强。 当然，虚拟装配和c a p p 不是全自动化的系统，虚拟装配是装配工艺设计中 一种很好的计算机辅助的手段，但是也不是简单的用计算机代替手工填写卡片和 装配动画的生成。它要能够优化工艺设计，提高工艺设计标准化水平，实现人机 有机结合的c a p p 系统不仅要能够指导生产过程，还要能对相关的工艺信息进行 管理。这样的c a p p 系统不但可以优化产品和工艺设计，还能管理相应的工艺资 源，从而对企业的信息化提供坚实的基础。 1 1 , 2 装配语义建模 产品装配模型是产品信息在计算机内的有效描述和表达，包括产品的组成、结 构、功能、零部件内在特性与外在联系等内容。它可使设计人员、分析人员和工 艺人员在计算机构建的装配环境中对产品进行装配设计、规划、分析、仿真与评 估。产品装配模型必须准确、合理地描述产品装配的完整信息，以满足装配系统 应用的需要。 近年来，有些国外学者引入了语言学上的部分研究方法来研究复杂系统建模 中信息的组织、表达以及关系的定义等问题。这种方法被称为语义建模方法1 5 1 。 语义建模是一种规范的定义，是准确获取系统信息含义的约定和定义，并对 系统数据进行组织、抽象和概念化表达而形成的各种概念的形式化描述。语义建 模定义了在特定环境下真实世界中的特征与相对应的在计算机中的表达之间的 关系【6 刀，它定义了在特定环境下真实世界中的特征与对应形式化表达之间的关 系，语义模型具有抽象性、精确性和灵活性等特点，是与实现无关而更面向用户 2 北京邮电大学硕士学位论文 的模型。语义建模研究的基本思路是将语义分析的方法和面向对象技术以及人工 智能的研究成果结合在一起，应用于系统的模型建立、相互关系表达和模型的功 能描述上。从方法学上来说，主要有3 个基本的构成要素：对象、关系和参数。对 象是语义建模方法的核心概念，是对真实世界中包含特定信息的实体的抽象；关 系是保持对象间联系的所有信息的集合；参数是被专门命名的有确切值的变量。 目前的语义建模主要包括面向数据、面向过程和面向对象3 种方式1 3 】：面向数 据的语义建模侧重于数据结构的描述，建立于实体、关系和属性之上，没有表示 过程或动态行为特征的机制；面向过程的语义建模用来描述应用的动态过程；面 向对象的语义建模可以描述对象的结构、行为和封装等特征，它支持对象、对象 间联系和对象演变的建模，具有一定动态特征。 1 1 3 工艺资源管理 通过对装配工艺设计的分析和总结，我们可以发现装配工艺设计的过程具有 如下特点： 1 、装配工艺设计是一个循序渐进的过程。装配工艺的设计和修改往往需要 很多次的循环迭代，繁琐的文件和版本管理影响了装配工艺设计的效率。 2 、装配工艺设计知识的积累和形成需要参考已有的成熟的装配工艺。这就 需要对已完成的成熟工艺进行有效的分类以及收集，方便以后的查阅。 3 、语义模型中的知识收集过程是一个循环迭代的过程。知识层面上的工艺 管理是知识收集中的一个重要环节。 基于语义的装配模型以及工艺管理形成了工艺设计过程的一个完整的循环， 因此，工艺资源管理是产品的工艺设计过程中一个不可或缺的一部分。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 虚拟技术在c a p p 及装配规划领域的国内外研究现状 目前，计算机辅助装配工艺规划主要有以下两种的实现方式：检索式和创成 式。检索式是最早出现的规划方法，其规划能力取决于系统储存工艺的多少。检 索式装配工艺规划系统的基本思想是在系统内存储有大量的装配工艺文件，在进 行新的装配工艺设计时，通过在系统中检索合适的装配工艺文件作为基础，针对 新产品的进行编辑修改，从而生成新产品的装配工艺文件。而创成式装配工艺规 划系统采用的是基于知识的思想，它通过知识库、数据库、推理机的综合运用， 生成新的产品装配工艺。 3 基于语义的智能装配与工艺资源管理系统研究 从前人的研究来看，自动化的装配工艺设计是难以实现的。因此，研究人员 提出了采用虚拟现实技术构建虚拟装配环境来进行装配工艺设计，在虚拟装配环 境中，设计者可以像操作真实的零件一样对虚拟零件进行装配操作，通过建立产 品的虚拟模型，对产品进行数字画的预装配，检查装配规程中的干涉情况，验证 与分析产品的装配性能，从而改善产品装配的设计效率和成功率。因此，国内外 对虚拟装配规划进行了广泛和深入的研究。 德国f r a u n h o f e r 工业工程研究所( i a o ) 较早地进行了基于v r 的装配规划 系统的研究与开发i 协1 1 l 。系统通过虚拟人体模型在虚拟环境中进行装配操作，交 互地装配和拆卸。在用户交互的基础上产生装配前趋图，进行装配时间与成本分 析。通过对真实装配环境的模拟，规划者在进行产品装配规划时，能够综合考虑 装配特征和其它装配条件( 如装配空间的制约、装配零件的供应以及必需的装配 工具) 对产品装配操作的影响。 美国华盛顿州立大学在国家标准和技术研究所( n i s d 的资助下，从1 9 9 5 年启 动了虚拟装配设计环境( v a d e ) 的项目，分析了虚拟现实技术在工业装配领域的 应用前景，对虚拟装配环境、装配规划与评估等内容进行了研究该研究重点研 究虚拟现实( v r ) 技术与工程应用技术相结合，建立了一个用于评估、分析和规 划机械装配的虚拟装配环境，使设计者可以在其中访问产品的装配工艺和设备， 进行虚拟产品的装配设计评估、自动装配规划、制造仿真评估i l 引。 斯坦福大学在斯坦福集成制造协会( s i m a ) 和美国国家科学基金会( n s f ) 资 助下，开发t s t a a t ( s t a n f o r da s s e m b l ya n a l y s i st 0 0 1 ) 系统。该系统提供了一个 复杂装配的装配分析环境，用户可以在环境中进行复杂装配的分析、评估。该环 境是一个纯几何环境，重点研究了装配的几何描述和数据结构组织，提出应用无 向模块图( n d b g ) 描述零件的局部自由度：并对装配方式进行了详细的分类，以 简化装配分析的复杂度1 1 3 1 。 法国的s g a r b a y a 等对在虚拟环境中进行装配规划进行了实验，他们设计了 一个虚拟装配环境，用户在其中可以和在现实的世界( r e a lw o r l d ，r w ) 一样地进 行装配【1 5 】。实验证明：即使在虚拟环境中进行装配规划使用的时间可能要比现 实环境中多，但是在虚拟装配环境中进行装配规划仍然是可行的。 卡内基梅隆大学在美国海军研究局的项目支持下，在协同装配设计分析系 统( c o d e s ) q 研发了一个智能装配建模与仿真平台( i a m s ) 。该平台支持三维装 配与维护的仿真，提供了碰撞干涉检测、工具可达性检测、装配体稳定性检测等 功能，提供了网络协同设计的虚拟装配环境。该探讨了面向网络设计制造环境下， 虚拟装配模型、虚拟装配环境、虚拟装配设计、装配评估等研究内容的特点实现 方法1 4 l 。 4 北京邮电大学硕士学位论文 德 虱b i e l e f e l d 大学的b j u n g 等人基于构造工具箱( c o n s t r u c t i o nk i t s ) 的概念建 立了一个虚拟装配系统c o d y 1 6 】。所谓构造工具箱，是指在制造领域可重复使用 的、具有多重功能的标准零件库。c o d y 是一个基于知识的、三维交互式虚拟装 配系统，它允许设计者在虚拟环境中通过直接三维操作或简单的自然语言命令与 系统交互，利用标准的机械零件构造复杂的装配体。系统的自然语言交互功能主 要是靠c o a r ( c o n c e p t sf o ro b j e c t s ，a s s e m b l y ，a n dr o l e s ) 知识表示方法来 支持的。c o a r 是一个基于框架的语言，该语言支持机械对象的多功能建模、具有 对象组成装配模型以及这些对象组成更大的装配体时所具备的功能的描述的能 力。 香港大学的w e i y i nm a 等对虚拟装配系统和c a d 系统间的数据交换进行了研 究，提出了从虚拟环境的模型中抽取几何特征的方法【1 7 l 。此前很多的研究都是 集中在如何将c a d 模型转化为v r 模型，但是由于c a d 系统与v r 的系统模型的异构 性，v r 系统的模型很难再传回c a d 系统。于是，他们提出了在虚拟环境中抽取几 何特征的方法来将v r 模型转换给c a d 模型。但是此种方法的算法比较复杂，缺乏 有效的验证。 国内学者在虚拟装配及相关研究方向也进行了的颇有成效的研究，主要集中 在清华大学，浙江大学和上海交通大学等几所科研院所中。 清华大学的自动化系c i m s 研究中心的曾理等在商品化c a d 软件p r o e n g i n - e e r 基础上二次开发了一个工具软件系统虚拟装配支持系统v a s s ，对系统 的关键技术，如装配模型、装配序列规划、干涉检查等进行了研究【1 8 l 。 上海交通大学的庄晓等i ”j 提出在u g 系统中以“堆积木”的形式进行产品装配 建模，采用“零件偏置体的方法提高配合约束识别的效率，并以关系图记录识 别到的配合约束关系，最终形成约束驱动的产品装配模型。 浙江大学c a d & c g 国家重点实验室万华根等【驯在基于v r 的c a d 方法研究的 过程中，提出通过“用户引导的拆卸一进行拆卸过程仿真，得到零部件的拆卸顺 序和路径，从而确定产品的装配序列。在上述理论的基础上，开发了完全沉浸式 的虚拟装配原型系统i v a s ( i m m e r s i v ev i r t u a la s s e m b l ys y s t e m ) 。在i v a s 中， 装配规划人员直接操作虚拟零部件进行拆卸规划，系统通过实时碰撞检测机制自 动保证拆卸过程的有效性。i v a s 采用c a d 软件p r o e n g i n e e r 进行装配建模，并 从装配树中提取约束信息，用于指导装配规划人员在拆卸过程中作出适当的拆卸 规划。 北京航空航天大学吴威、隋爱娜等【2 l 】采$ 2 位置混合控制的方法，将力和位 置的控制模型分别转换为约束模型和自由移动模型，并通过具有力反馈的数据手 套，使操作者在虚拟装配过程中感受到力反馈，从而实现虚拟装配过程中力觉临场 5 基于语义的智能装配与工艺资源管理系统研究 感。 北京航空航天大学的卢小平等【矧针对虚拟装配中的产品装配顺序规划问题， 提出层次化装配模型，在此基础上生成产品装配层次树结构，并给出基于装配关 联图的分层规划算法；分析简化装配关联图的有效途径，通过固定顺序判据法降 低装配序列组合复杂性，提高装配顺序规划的效率。 1 , 2 2 语义与本体论在虚拟装配建模中的应用研究现状 语义建模方法的研究目前尚处于探索阶段，整个研究方法的体系还没有规范 地建立起来。但是，由于该方法在知识( 信息) 获取和形式化描述上所体现出的显 著优点，使得它备受瞩目。 国内对于语义在装配建模中的应用尚处于起步阶段。 西北工业大学的王辉等【5 语义建模的方法引入到计算机辅助装配工艺规 划( c 从p p ) 的研究之中，提出了面向装配工艺规划的语义建模的基本概念、研究 方法和主要内容，详细阐述了面向装配工艺规划的语义建模方法中的应用对象、 语义关系以及操作等，并在此基础上描述了产品装配信息的表达方式以及基于语 义建模的装配工艺规划系统的主要结构。 浙江大学的刘振宇i 驯等提出了面向过程与历史的虚拟环境中产品装配建模 理论、方法。该理论对虚拟环境中装配模型与零件模型表达、装配关系识别、装 配运动导航、物理建模、装配历史重用等关键技术进行了深入的研究。在理论研 究的基础上，开发了虚拟装配原型系统，支持设计者在虚拟环境中直观自如地进 行以产品装配建模为核心的一系列装配设计活动。面向过程与历史的虚拟装配建 模，在虚拟环境中将基于几何约束的装配建模发展到基于工程语义的装配建模， 将基于几何模型的装配建模发展到基于物理模型的装配建模，将面向结果的装配 建模发展到面向过程的装配建模，有效地增强了虚拟装配设计的灵活性、智能性 与集成性。 浙江大学的李永立等1 2 5 l 提出了在v r m l 环境下基于语义的产品装配设计技 术理论与方法，对虚拟环境中装配模型的层次表达、常用装配语义的提取、装配 语义的分解与装配约束的映射、装配语义的驱动等关键技术进行了研究。他研究 了在v r m l 环境下产品装配模型的多层次表达，指出了装配信息在装配模型中的 分布层次，并对装配语义进行合理的约束描述，研究了装配约束的具体内容及其 特点和主要类别，在此基础上提出了装配语义的分解与装配约束映射的建立以及 v r m l 系统内装配语义的驱动模型。 西安电子科技大学的徐锦成等1 2 6 】在基于装配特征的快速装配建模的理论研 6 北京邮电大学硕士学位论文 究与应用中阐述了数字化预装配的特点及其技术的发展，在分析传统装配系统中 零部件装配方式存在的不足及零件的装配特征定义和描述方法、特征约束语义的 提取、分类方法和约束集描述形式、装配模型的特征语义约束图表达方式和装配 模型的计算机存储模式、特征约束语义的约束映射机制等关键技术的研究基础 上，提出了一种基于装配特征的零部件的装配思想和实现思路( 简称特征装配) ， 并初步实现了特征装配的原型系统。最后以齿轮泵的主体零部件为实例，验证该 系统的装配建模功能。 1 2 3 工艺资源管理的应用研究现状 国内对于工艺管理资源的实现大多基于如下两种方式【2 8 1 ：一种是工艺自成体 系但提供与g 吲p d m 的集成接口，如各种商品化的单机或网络c a p p 系统，这 种方式的优点是工艺相对独立，灵活性好，缺点是需要在p d m 和c a p p 中各维护一 套数据，增加了数据维护与共享控制的难度，另一种是完全基于p d m 来开发 c a p p 功能，这种方式的优点是系统无缝集成、数据一致性维护与共享控制方便， 由于工艺设计部分需要针对每个企业的管理模式、产品特点和设备情况等定制， 这种方式的主要缺点是定制开发工作量大，系统维护与升级困难。 华中科技大学的刘清华提出了基于p d m 的工艺管理系统，他在研究工艺设 计及工艺信息管理的基础上，分析了工艺管理的功能需求，建立了面向产品全生 命周期集成的工艺信息模型，提出了基于p d m 的两级工艺管理方案，有效地简 化了a 廿p 系统的设计，该系统是基于p d m 的实现i 删。 广东工业大学的刘志伟等针对先进制造战略的环境下工艺设计与企业信息 的集成和优化，并开发了一套工艺管理系统。该系统从c a d 中读取零件工程图 纸信息和e r p 中读取b o m 表，在产品零件信息基础上设计工艺，为车间作业计 划与调度监控系统( c a p p s ) 提供作业计划所需要的工艺信息和设备信息，实现了 c a d ，c a p p 和c a p p s 的集成。该系统从与e r p 系统集成的角度，实现了该工艺 管理系统l 矧。 西北工业大学的周兴科等提出了基于p d m 的协同工艺管理系统，并针对工 艺信息系统对多用户协同工作与管理功能的需求，以p d m 为平台，利用w e b 技 术支持多任务与多用户的并行和异地协同工作及支持信息的并行传输和共享的 特点，提出了协同环境下，以p d m 产品为集成平台，基于x m l 的产品工艺数据 的表达和存取方式、基于w e b 的工艺文件表现方式和管理技术、零件工艺设计的 协同问题，该系统对基于p d m 的协同式工艺管理所涉及到的底层的问题提供了 很好的思路i 刈。 从以上的分析可以看出，国内对于工艺管理系统的研究有如下特点： 7 基于语义的智能装配与工艺资源管理系统研究 1 ) 工艺的管理大多基于原有的p d m 系统，研究内容大多集中在工艺管理系统 与p d m 系统的集成上。 2 ) 7 - 艺管理的实现对于多用户的协同研究较少，尤其是对基于w e b 的三维工 艺资源的管理和协作研究得较少。 1 3 论文研究内容 本论文主要的研究内容为面向3 d v a p p 的装配语义模型以及建立基于该模 型3 d i v a p p 的智能系统原型。 主要的研究点有如下几个方面： 1 、基于本体的装配语义模型的建立。包括装配过程及工艺的概念收集和分 类、装配本体的建立、装配本体从异构系统的信息映射和实例化等。 2 、基于语义的装配工艺资源管理以及w e b 协作。包括三维模型的w e b 可视化、 工艺资源的访问权限管理、用户管理与协作以及装配工艺知识的收集与整理。 3 、3 d i v a p p 系统原型实现的关键技术。包括语义信息的导入、智能扣件的 研究以及工艺资源管理的w e b 实现。 1 4 小结 本章对虚拟现实技术和基于本体的语义技术在c a p p 中的国内外研究和应用 现状进行了整理和分析，并在以上分析的基础上，提出了基于语义的智能装配与 工艺管理系统。 8 北京邮电大学硕士学位论文 2 1 引言 第2 章3 d - i v a p p 系统架构分析和设计 计算机辅助装配工艺规划软件的发展是一个逐步的过程【1 1 。最初的针对产品 二维装配图的纯粹工艺卡片的填写工具，装配工艺的填写是纯手工的，效率很低。 新近发展的基于虚拟技术的三维计算机辅助工艺设计，通过将三维数据流延伸到 工艺设计领域，使得工艺人员能够可视化得进行装配工艺的交互设计，效率得到 了很大的提高，完成了产品的几何数据层面上的共享，但是知识层面上共享还没 有建立起来，系统的智能化和自动化程度还不足以辅助工艺工程师进行工艺的设 计。因此，在原有的3 d v a p p 系统的基础上，通过引入基于语义的分析方法， 建立了基于语义的3 d w a p p 系统。本章将对该系统的系统架构和功能进行分析 和阐述。 2 2 基于语义模型的3 d - iv a p p 系统架构分析和设计 2 2 1 现行的3 d 、，a p p 系统分析 现行的三维c a p p 系统多采用本地数据库+ t m u 或等效) 的方式作为系统建 构的基础。本地数据库用于描述零件或部件的装配层次和装配关系、装配约束等。 v r m l 等基于三角面片的文件用于模型的渲染和显示。采用v r m l 文件具有如下 显著的优点： ( 1 ) 三角面片模型在模型显示、渲染和碰撞检测等方面处理简单，计算量小， 且现有的图形硬件大多支持三角形绘制的加速。 ( 2 ) 目前大多数c a d 环境都提供面片模型格式输出能力，因此三角面片模型为 本平台处理异构c a d 平台生成的零件对象提供了可能。 ( 3 ) v r m l 文件便于在网络进行传输和显示，为多用户的协同操作提供了基 础。 然而，采用本地关系型数据库来存储模型的装配关系虽然具有查询方便，描 述层次结构方便等优点，但是在一个基于异构的多用户协同系统时却存在如下显 著的缺点： ( 1 ) 本地数据库无法在一个异构的网络环境下为多用户的协同提供数据的共 l 早o ( 2 ) 本地关系型数据库在描述几何特征、几何约束、装配工艺等语义性很强的 9 基于语义的智能装配与工艺资源管理系统研究 内容方面存在着困难。 ( 3 ) 本地关系型数据库无法为智能装配推理和专家系统提供高层次的语义知 识的描述，制约了专家系统的部署。 ( 4 ) 本地数据库无法保证在多用户的系统中数据的一致性。 ( 5 ) 本地数据库不容易在多用户中进行部署。 2 2 2 基于装配语义的3 d i v a p p 系统 2 2 2 1 系统架构分析 基于v r m l 的三维虚拟装配工艺设计系统中，装配工艺中蕴涵的丰富的信息 通过高层次的装配语义，中间层次的装配体装配关系、装配特征( 其实并不存在 独立于零件特征的装配特征，本文中装配特征指的是用于表达零件或部件间的装 配关系的特征) 、约束关系、拓扑关系、几何形状、公差信息，以及低层次的v r m l 三角面片信息进行传递和表达。根据上节中对于原有的3 d v a p p 系统的分析， 我们不难看出原有系统在中间层次所存在的缺陷： ( 1 ) 原有的系统中缺乏对于装配几何特征、几何约束、装配工艺等语义性很强 的内容的描述和表达。 ( 2 ) 原有的基于本地关系型数据库的装配关系的表达方式制约了专家系统在 本系统的部属。 ( 3 ) 原有的基于本地数据库的存储方式很大程度上限制了多用户的协同工作 的实现。 针对系统中存在的如上问题，本文提出了面向装配语义的3 d i v a p p 层次化 模型，该系统架构涵盖了了高层次的语义模型，中间层次的装配约束、几何抽象 表达以及低层次三角面片模型，形成了完整的信息传递链。 2 2 2 23 d i v a p p 系统框架结构 该系统在原有的3 d v a p p 系统的基础上，通过在信息的导入模块中导入产 品装配的语义信息：包括装配特征语义、装配约束语义和工程语义等，并将此类 语义信息本体化，最终通过本体的映射，以x m l 为信息载体，实现产品的语义 信息在c a d 系统或者专家系统、专家知识等知识载体到智能装配模块的传递和 形式化。 从功能上划分，整个系统可划分为智能装配工艺规划、工艺资源管理及w e b 1 0 北京邮电大学硕士学位论文 协作两个部分，其系统架构如图2 - 1 所示： 图2 1 系统架构 智能装配工艺规划模块 三维装配工艺设计模块从外部设计环境获取三维实体装配模型文件和语义 信息，通过本体化和本体映射导入到智能装配工艺模块中，辅助工艺人员进行交 互式装配工艺设计，并生成相应的工艺文件。 工艺资源管理及w e b 协作模块 工艺文件管理在上述装配工艺设计结果的基础上，进行工艺文件的生成、管 理与输出，包括三维模型共享、工艺文件输出，工艺文件共享、权限管理和工艺 知识维护等内容。 图2 2 显示了各个模块的数据流向关系，包括零件三维模型、语义信息、工 艺文件等。零件的三维模型主要是x 3 d f ) ( m l 模型，以便于在智能装配模块以及 w e b 协作模块间的传输以及w e b 共享。从装配体模型中获取产品的几何表示模 型信息与语义信息，几何模型以x 3 啪m l 的形式加以保存。语义信息通过本 体映射加以形式化，以x m i _ o w l 的形式加以保存。 在装配语义信息的支持下，通过智能装配扣件的辅助以及工艺知识库的支 持，对产品数据进行装配工艺设计，生成装配顺序和装配路径，并以该装配序列 为基础，对零部件模型进行虚拟装配，生成装配动画和爆炸图，如果虚拟装配的 结果不能满足用户要求，则返回到装配工艺设计模块进行修改。最后以装配顺序 为线索，生成装配工艺文件。然后将生成的装配工艺文件以及三维模型通过工艺 资源管理平台进行共享和基于w e b 的协作，通过权限管理完善产品工艺设计流 程，最后对已完成的工艺规程进行收集和分类，完善工艺知识库。以上是一个完 整的数据循环。 1 1 基于语义的智能装配与工艺资源管理系统研究 ： x ml - o w l + x 3 d a r n i l - i - - 蟹隆扣件 - - - - - - - - ! 图2 - 2 系统数据流向和循环 2 2 2 3 智能装配工艺规划模块 2 2 2 3 1 功能分析与描述 本文提出的基于语义的装配工艺规划模块的设计重点在于提高装配工艺设 计过程中的智能程度以及装配工艺知识的复用程度。设计人员通过本系统，借助 智能装配扣件的辅助，完成产品的装配工艺的规划和设计，并利用自身专业知识 和理论来完善系统装配工艺知识库。该模块需要解决以下几个问题： 该模块不是一个孤立的模块，它需要与其它应用系统如计算机辅助设计 ( c a d ) 系统、产品数据管理系统( p d m ) 进行有效的集成与数据共享，完成 装配信息的导入。 装配语义模型的建立：通过对装配过程的分析，提取领域内的核心概念，并 将其本体化，最终通过本体映射完成语义信息的传递。 智能装配扣件的开发：为了提高装配工艺设计过程中的智能程度和自动化程 度，减少工艺设计过程中的重复劳动，需要设计智能装配扣件，以提供拆卸 方向自动生成，拆卸引导、装配路径生成等功能。 该模块各部分功能如图2 3 所示： 1 2 北京邮电大学硕士学位论文 图2 - 3 功能划分 2 2 2 4 工艺资源管理及w e b 协作模块 2 2 241 功能分析与描述 从设计师的设计图纸到指导实际生产的工艺文件和图纸，设计数据以不同的 方式通过不同的介质被解析、重组和转换。不同的企业管理方式和人员处理这些 数据采用的方式和介质是不同的。 传统和制造企业采用的纸介质和人员的手工传递极容易造成信息的失真、延 迟或者丢失。这与中小制造企业所要求的快速、灵活是格格不入的。相比之下， 虽然大型的商业e r p 、p d m 软件在信息集成、处理能力上有良好的表现，但是面 对中小型企业独特的工艺流程和快速多变的要求，存在着部署困难、可配置性差 等缺点。因此，该工艺管理模块，需要解决如下问题： ( 1 ) 具备与大型商业软件类似的与主流c a d 软件的集成能力。 ( 2 ) 快速准确的信息传递手段。 ( 3 ) 良好的文件管理功能。 同时，为了提高工艺文件管理过程和网络协作的智能性，该模块引入对如下 特性的支持： ( 1 ) 工艺知识和概念的收集和本体化，以形成工艺知识库。 ( 2 ) 工艺知识查询 1 3 基于语义的智能装配与工艺资源管理系统研究 2 3 小结 本章分析了基于语义的3 d i v a p p 的功能和系统架构，系统可分为智能装配 规划模块和工艺资源管理和w e b 协作模块，前者负责在装配知识库的辅助下装配 工艺的规划和生成，后者负责工艺资源的管理。 1 4 北京邮电大学硕士学位论文 3 1 引言 第3 章面向3 d - v a p p 的装配语义模型 计算机辅助装配工艺规划软件的发展是一个逐步的过程1 1 l 。从最初的面向纯 二维图纸的工艺填表工具，到新近发展的面向三维c a d 数据的三维c a p p ，从改 进工作效率的层面上来说，最初的二维工艺填表工具部分得完成了工艺编制中的 重复性劳动，实现了工艺表格的电子化，新近的三维c a p p 贝j j 融入了前端c a d 的 三维模型数据，完成了从二维到三维的飞跃，将三维c a d 数据延伸到了工艺设 计中，使得工艺人员得以可视化得完成工艺的设计，实现了三维数据在工艺设计 中的复用。但是，目前的三维c a p p 系统实现中采用的大多是基于v r m l 模型或 者其他基于三角面片的数据格式，采用此类数据模型具有轻量化和易于在网络上 传输的特点，但同时也带来了数据描述力不够的缺点：采用三角面片的模型在模 型的显示上比较简单，但是却无法精确得描述零件模型的特征，装配关系等至关 重要的信息。现行的系统多采用本地数据库的方式来描述装配层次关系，部分得 解决这个问题，但是采用这种方式限制了特征和装配关系等非几何要素在网络上 的传输和共享，无法实现多用户的协同设计。本文所提出的面向3 d v a p p 的装 配工艺语义模型通过把三维模型数据中的非几何要素提取出来，并建立基于语义 的采用x m l 摧i 述的装配模型，解决了智能装配系统中装配关系的描述问题，为 多用户协同设计和智能装配分析与推理打下了基础。 本章主要分析了面向3 d v a p p 系统的语义模型的层次结构和设计原则。 3 2 面向3 d - v a p p 的装配语义模型 3 2 1 装配语义模型的设计出发点 装配模型是采用计算机能够处理的“语言 描述产品的结构、属性、关系等 特征，并能够加以处理的数字化的表达方式。研究面向三维c a p p 的智能装配技 术需要建立“智能的装配描述模型。为此，需要解决如下几个问题： 问题l ：三维c a p p 系统需要与前端的c a d 系统进行集成，但是各个不同的 c a d 系统采用不同的建模系统和文件格式，如何保证该模型能够与不同的c a d 系统进行集成? 基于语义的智能装配与工艺资源管理系统研究 问题2 ：三维c a p p 系统需要复用前端c a d 系统的三维模型数据，并在c a p p 系统中为工艺设计提供支持，如何复用? 问题3 ：该语义模型如何与原有的基于v r m l 的模型进行交互? 问题4 ：现代制造和装配环境下要求多用户的协同，如何在多用户协同的环 境下完成虚拟的装配过程? 装配模型如何对多用户的协作提供支持? 问题5 ：装配模型如何保证异构环境下的数据可交换性。 针对问题1 ，为了与不同的q 蛐系统进行集成( 本系统中采用的基准c a d 系统 是s o l i d w o r k s ) ，采用分层的系统结构是通常采用的方法，通过建立独立于c a d 系 统的装配语义描述层，提取不同系统的共性，保证了对于异构系统统一的接口映 射和系统集成。 针对问题3 和5 ，从技术上的角度来说，采用统一的数据描述格式x m l 保证了 语义模型与原有的v r m i 膜型在底层数据上的一致。 综上所述，通过以上的分析，本文提出了如下层次结构： 通过将装配语义关系与几何模型表示分离，即元数据与表示的分离，形成了 装配c a p p 系统构成的三个层次：产品层、语义表示层和模型表示层。高层次的 产品层主要定义产品的功能、结构、设计指标。中间层次的零件语义，装配约束 语义和几何语义表示层通过形式化的语言，定义了组成产品的各个零部件之间的 层次和