2. 中国空间技术研究院 通信卫星事业部, 北京 100094;
3. 航空高端装备智能制造工信部重点实验室, 北京 100083
2. Institute of Telecommunication Satellite, China Academy of Space Technology, Beijing 100094, China;
3. Key Laboratory of Aeronautics Smart Manufacturing, Ministry of Industry and Information Technology, Beijing 100083, China
随着计算机辅助技术的快速发展，现代产品制造技术正在向全数字化方向发展，产品研制模式由传统的二维设计二维发放、三维设计二维发放向全三维设计设计与发放的趋势发展.目前几乎所有的计算机辅助设计(computer aided design，CAD)工具都可以生成产品的MBD模型，企业在得到这些MBD模型后需要分发给产品研制的下游或合作伙伴.在产品的制造过程中，一般使用计算机辅助工艺设计(computer aided process plan，CAPP)、计算机辅助制造(computer aided manufacturing，CAM)和计算机辅助检测(computer aided test，CAT)等工具来辅助生产制造，这些系统不仅需要传统的几何模型信息，更需要完整全面、可识别的几何尺寸和公差信息(geometric dimension & tolerance，GD&T)[1].但目前包含GD&T信息的MBD模型所用的商业软件均使用各自的格式，尚未形成MBD模型的标准化表达，并且这些信息是非语义的表达方式，不能被后续的软件系统和机床所识别，因此在产品的协同研制过程中，往往需要人工交互，不能实现产品研制过程中数据的流畅运转，不能打通产品研制过程中的数字线.基于此需求，许多学者围绕GD&T信息传递做了许多工作.传统的STEP标准只能传递几何信息，Tsai等[2]在STEP标准的基础上，自定义了GD&T数据模型用来传递GD&T信息.Ahmed等[3-4]使用本体技术(Web Ontology Language，OWL)在不同CAD软件间传递GD&T信息.这些工作都是基于自定义的标准，缺少一种标准化的传递方式.自STEP AP242标准出现以后，Venkiteswaran等[5]实现了将自动标注生成的CTF文件转化生成STEP AP242文件，实现了GD&T信息通过STEP AP242标准的传递，但其不能满足现有的工程实际需要，即在商业软件所生成的MBD模型中集成了GD&T信息，两者不可分割.
本文以CATIA系统构建的MBD模型为研究对象，给出一种将包含GD&T信息的MBD模型转化为STEP AP242中性文件的实现方法.通过CAA二次开发技术，提取MBD模型标注信息，建立其与几何信息之间的关联，最终生成满足STEP AP242标准的可识别的MBD模型表达，并以某型号结构件进行验证.
1 STEP AP242标准概述1983年，国际标准组织(ISO)就成立了TC184技术委员会来解决数据交换中存在的问题，其定制的标准被称为产品数据模型交换标准STEP(Stand for the Exchange of Product Model Data)，正式代号为ISO 10303.STEP标准是国际标准组织发布的用来描述整个产品生命周期的产品数据而不依赖于具体系统的中性文件.
2009年国际标准组织决定开始融合STEP AP203[6]和STEP AP214[7]标准，于2014年发布了ISO 10303-242标准(Managed Model Based 3D Engineering), 即STEP AP242[8]标准.新标准融合原有旧标准，减轻了重复劳动和开发维护的维护成本，包含了机器可读的制造装配信息表达等新特性.不仅仅是不同CAD软件间GD&T信息交换需要该标准，其也可以为产品上下游提供GD&T信息，是新一代智能制造系统的基石[9].STEP AP238是STEP标准在STEP-NC领域的子标准，使用与其他STEP子标准描述方法相同的通用资源，因此实现包含语义公差标注的STEP AP242也为STEP-NC的后续处理奠定了基础.
STEP标准使用EXPRESS语言进行描述，引入了实体(ENTITY)和模式(SCHEMA)的概念，实体之间的关系用子类(SUBTYPE)和超类(SUPERTYPE)表示，按照ISO 10303-21[10]标准规定的ASCII表达方式来最终实现信息的存储，即常见的.stp文件，又称为P21文件.在STEP标准中，规定了2种GD&T的表达方式[11]：
1) 展现(Presentation)，即把标注信息使用几何信息(直线、圆弧)展示出来而不再能被计算机识别，其主要目的是提供给人类阅读，STEP AP203/AP214/AP242均支持这种表达方法.
2) 表达(Representation)，即通过恰当的STEP实体实现GD&T信息的语义化表达，其主要目的是为促进数据自动化处理使用，如下游应用对数据的重新利用，只有STEP AP242才支持这种表达方式.
目前，主流的商业软件构建的MBD模型所生成的STEP 242格式采用了展现(Presentation)的方式表达了尺寸和公差信息，其不是语义化的，不能被后续的系统和机器所识别.如图 1所示为某型号结构件的CATIA模型，将其转换为采用展现(Presentation)方法的STEP格式以后，通过STEP TOOLS公司的STEP-NC Machine软件进行验证的结果如图 2所示.由此可以看到，GD&T的展现(Presentation)方式仅给出了尺寸和公差的标志，后续的系统和机器并不能进行识别和重用.而采用表达(Representation)方式的GD&T信息同样采用STEP-NC Machine软件进行验证后，其结果如图 3所示.可以看到，表达(Representation)方式以标准化的STEP实体真正实现了GD&T信息的机器可识别，这也是STEP AP242相较与AP203/214的主要的差别之一，其能够使CAPP或者CAM系统读取语义化的尺寸和标注信息，实现制造工艺的智能规划和优化，也可以直接与数字测量设备反馈的数据进行对比分析，最终实现产品质量的自动跟踪和控制.
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图 1 某构件的CATIA模型 Fig. 1 One component's CATIA model |
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图 2 GD&T信息展现(Presentation) Fig. 2 GD&T information-Presentation |
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图 3 GD&T信息表达(Representation) Fig. 3 GD&T information-Representation |
完整的MBD模型主要包含3方面的内容：几何信息、GD&T标注信息，以及GD&T标注信息与几何信息之间的关联关系.在此，GD&T标注信息涵盖了语义的标注信息以及非语义的文本以及工程注释等技术要求信息.STEP AP242是在STEP AP203/AP214基础上发展而来的，同样使用基于STEP标准的基础资源描述.因此，本文对于几何信息的表达未做特殊处理，采用标准的包含颜色信息的STEP AP214进行表达.针对GD&T标注信息及其与几何信息之间的关联关系，则通过CAA二次开发技术实现信息的提取.
2.1 标注信息的表达与提取CATIA模型的标注信息分为语义(Semantic)和非语义(Non Semantic)2种.语义标注具有一定的加工语义，需要满足相应的标注规范要求，在CAA中的三维标注“公差标注Tolerancing”模块有相应的行为接口和函数，如：平面度、垂直度.而非语义标注没有特定的规范要求，在该模块中没有直接行为接口，如：两平面间的尺寸.标注信息具体分类如图 4所示.
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图 4 CATIA标注信息分类 Fig. 4 CATIA GD&T information classification |
语义标注信息的提取可通过CAA中的CATTPS Interfaces Framework的相关接口和函数实现.对于非语义信息的提取，则需要将其从三维产品技术规范(technological product specification，TPS)对象中提取出工程图TPS对象，再通过二维工程图接口获取具体的内容[12].由于STEP 242扩展了几何尺寸和公差信息的可识别定义，主要补充定义了各种公差实体和基准实体，并通过实体来储存相应的数值、基准等信息，而对于文本标注、工程注释等信息并未作补充和完善，可以以字符串形式提取出来，但其依然是基于人读的信息，这些信息目前对机器识别没有特别意义.因此本文重点聚焦在语义标注、非语义标注中非语义GD&T信息的提取.提取流程如图 5所示，通过CAA自动遍历整个零件文档，自动读取该零件所包含的所有标注信息.
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图 5 尺寸及公差提取流程 Fig. 5 GD&T information extraction process |
对于不同的标准的展示方式，CATIA存储的数据是统一的，公差的各种标准和展示方式均采用上、下偏差的方式储存2组数据，公制英制数据统一使用公制数据储存，只是在展示时采用不同的显示方式.
2.2 标注信息与几何信息关联关系的表达与提取在CATIA系统中，使用工艺和拓扑相关表面(technologically and topologically related surfaces，TTRS)系统来管理公差标注.其从MBD模型中提取必要的信息，将模型各表面以二叉树的形式进行组织从而形成零件的TTRS二叉树结构.TTRS二叉树主要包含TTRS Node和TTRS Support两类元素，TTRS Node是由一个或多个TTRS Support组成，TTRS Support下对应着相应的几何元素，而组成的TTRS Node又可以递归组成新的TTRS Node.与标注信息关联的几何元素可以是边也可以是面，提取标注信息与几何信息的关联是实现模型标准化表达的关键和难点.进行两者关系的提取，首先要定位几何元素.针对CATIA构建的MBD模型，可通过CATITTRS接口得到某个标注信息所关联的几何拓扑元素CATCell.根据CATCell的维数的不同，其所其所关联的几何元素类型也不同，如表 1所示.
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表 1 CATCell中的几何元素类型 Table 1 Geometry element types in CATCell |
由STEP标准中的公差表达方式得知我们需要提取关联的几何类型为边或者面，通过CATCell的维数可以判断几何元素的类型.标注信息与几何信息关联关系的提取流程图如图 6所示.
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图 6 标注信息与几何信息的关联关系提取流程 Fig. 6 Association relationship extraction process between GD&T and geometry information |
在此过程中根据提取到的几何元素种类不同，对边和面采取不同的方法.
1) 若关联几何信息为面：Catia中颜色信息有255×255×255共1 600多万种颜色，一个面对应一个颜色.后续在生成STEP文件时，本文通过颜色确定该面.在进行颜色着色时，首先将目标面颜色着色历史进行比较：若已存在，则提取其他关联关系时已经标记的该面，直接储存该面的颜色信息；若不存在；则对该面进行B-rep实例化后使用CATIVisProperties接口进行着色.
2) 若关联几何信息为边：CATIA软件中与STEP标准中对于曲线有不同的分类方法和定义，不能直接提取线的定义参数来确定对应的边.本文中采用提取边的起点、终点和形成该边的2个面的信息来唯一确定该边.确定形成该边的面的方法是遍历所有的三维CATCell，检查上面得到的二维CATCell是否是某个三维CATCell的边，如是则该三维CATCell即为定位的的面，然后使用1)的方法对该面进行着色标记.
根据上述流程得到的标注信息与几何信息之间的关联关系采用XML格式进行表达和存储，为后续MBD模型的STEP表达提供基础，非语义几何尺寸公差和垂直度公差信息提取的XML内容如图 7所示.
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图 7 尺寸公差信息的XML表达 Fig. 7 XML format of GT&T information |
STEP标准使用实体(ENTITY)模型来储存和表达所包含的数据信息，将所要表达的几何、非几何信息映射到实体模型中去，才能实现信息通过STEP标准进行表达.为了实现机器可读的语义公差信息的表达，需使用表达(Representation)的方式来生成STEP实体.
公差分为尺寸公差和几何公差，其中几何公差信息根据有无参考元素分又为2种情况[13]：
1) 自参考公差实体，不带有基准面，使用geometric_tolerance实体；
2) 交叉参考公差实体，带有关联的基准面，使用geometric_tolerance_with_datum_references实体.
如平面度公差实体为flatness_tolerance，其EXPRESS模型如图 8所示，继承其超类geometric_tolerance的属性.平面度公差实体属于自参考公差，在生成实体时只需要关联所附属的几何信息geomeric_tolerance_target而没有参考基准.通过如图 9所示的P21文件最终存储，实现标准的格式化表达(Representation).
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图 8 Flatness_tolerance及其超类的EXPRESS模型 Fig. 8 EXPRESS model of Flatness_tolerance and its supertype |
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图 9 平面度公差实例 Fig. 9 Flatness tolerance instantiation |
MBD模型表达为STEP242格式转换的流程如图 10所示.首先读取XML文件和包含几何信息STEP 214文件，根据XML中每一项公差标注在STEP AP214中寻找相应的几何信息；根据STEP标准生成公差实体并关联几何信息，完成STEP AP242文件的生成.
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图 10 STEP242格式生成过程 Fig. 10 STEP 242 format file generating process |
本文以CATIA系统构建的某型号结构件MBD模型为例进行了验证，如图 11所示为验证过程.可以看到，STEP-NC Machine能够正常显示语义标注信息，并且与标注信息相关的几何元素能够高亮显示.输出的STEP AP242文件使用美国国家标准与技术研究院(National Institute of Standards and Technology，NIST)的STEP File Analyzer和STEP-NC Machine工具分别进行了解析和验证.
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图 11 基于STEP AP242的MBD模型表达验证过程 Fig. 11 Verification process of MBD model expression based on STEP AP242 |
STEP-NC Machine工具的解析结果如图 12所示，直观的展示了通过该方法生成的STEP文件中包含的机器可识别的各种公差标注信息及其具体的数值、参考信息，而不是原来如图 2所示的机器不可识别的标注信息；STEP File Analyzer解析结果如表 2所示，验证了生成的STEP AP242文件的完整性，并将标注结果统计出来.通过2个软件的读取和验证，证明了通过本文所给方法将MBD模型转换为STEP AP242文件，不仅包含了传统的几何信息，还包含了正确的GD&T信息，并且这些信息是语义化的，能够被其它软件和工具所识别.
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图 12 STEP-NC中的解析结果 Fig. 12 Analytic results in STEP-NC |
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表 2 STEP File Analyzer中的解析结果 Table 2 Analytic results in STEP File Analyzer |
本文利用CAA二次开发技术，基于XML通过颜色标记定位的方法给出了MBD模型信息的表达、提取方法以及STEP 242的表达方法，并以某型号结构件为例进行了验证，实现了MBD模型几何尺寸和公差信息的语义化、标准化表达，可以实现MBD模型人读到机读的模式转化，为产品研制全生命周期各个环节的数据传递奠定基础.后续的研究可侧重在基于STEP AP242的MBD模型的应用上，实现研制环节中的工艺自动规划、智能测量和闭环控制反馈，从而打通产品研制过程中的数字线，实现新一代智能制造系统.
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