几何产品智能公差规范设计方法和可视化公差标注系统

技术领域

本发明涉及几何产品制造领域，具体涉及一种几何产品智能公差规范设计方法及其可视化公差标注系统。

背景技术

计算机辅助公差（CAT－ComputerAidedTolerance）技术是指在机械产品的设计、加工、装配、检测等过程中，利用计算机对几何产品的尺寸、形位和表面形貌进行公差规范设计标注、优化和监控，力图用最低的成本设计并制造出满足用户几何精度要求的产品。在机械产品的设计、制造和计量过程中公差是必不可少的信息，设计过程中微小的公差变化都会引起制造成本的上升或产品质量的下降。同时CAT是实现CAD和CAM集成的核心技术之一，并已成为影响设计、制造和计量信息集成的瓶颈环节。

目前的公差设计可视化标注软件包主要包括CATIA3DFunctionalTolerancingandAnnotation、VSA-GDT及TI/TOL3D+，但是它们都是基于第一代GPS标准，以人工手工方式来进行公差规范设计标注块中的图样符号或数据的选择或输入，且它们大多数都只支持最简化公差规范设计的生成与可视化标注。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种几何产品智能公差规范设计方法和可视化公差标注系统，该几何产品智能公差规范设计方法和可视化公差标注系统可以很好地解决上述问题。

为达到上述要求，本发明采取的技术方案是：提供一种几何产品智能公差规范设计方法，包括以下步骤：

a、将公差规范设计标注分为多个具有不同完整度的知识层级，每个层级对应产品生命周期的一个阶段；

b、从GPS标准体系提取出公差标注信息，所述公差标注信息块需要依据不同的公差规范设计完整度被安置在不同的层级上形成多层级公差知识模式，并将所述多层级公差知识模式存储至数据库中；

c、根据所述多层级公差知识模式生成所述多个层级的公差规范设计标注。

进一步的，步骤c生成多个层级公差规范设计标注的方法具体为：

、将用户选择的几何特征的特征参量或输入的功能需求描述转换生成最简化公差规范设计标注，即第一层级；

、根据所述最简化公差规范设计标注，推导生成标注了缺省符号或操作数据的半完整公差规范设计标注，并生成半完整的公差规范设计标注中操作算子和操作算子内部相关控制实体的详细解释，即第二层级；

、结合所述半完整公差规范设计标注和输入的约束项，推理生成与所述半完整公差规范设计标注最相匹配的制造过程与方法标注，得到一个新的半完整公差规范设计标注，即第三层级；

、根据所述新的半完整公差规范设计标注推理生成计量操作算子，最终生成完整的公差规范设计标注，即第四层级。

进一步的，操作算子包括几何特征的分离、提取、过滤、结合、重构、集成和评估。

进一步的，数据库利用SQLServer2000数据库系统搭建，包括几何特征公差带表、功能公差关联表、公差规范设计表、参数表、约束表、测量数据表、计量策略表。

提供一种可视化公差标注系统，包括：

主程序模块，用于调用系统其他模块的执行，并提供与其他软件连接的接口；

用户界面模块，用于生成用户界面，提供输入与选择接口，设置约束条件以及输出可视化公差规范设计标注块；

多层级公差知识模式处理模块，用于根据所处的产品生命周期来提取并生成相应层级的公差标注信息；

数据库访问模块，用于对数据库存储的GPS数据和信息的存取；

公差标注生成模块，对用户输入的公差标注参量进行整理和分析，结合新一代GPS公差规范标准生成公差标注符号或数据；

公差标注修改模块，提取出原来生成的公差规范设计标注块，结合用户输入的更改信息对原来的标注块进行修改，形成新的标注块。同时，提供约束关联智能判断机制，如果用户更改的内容存在相互不相容或者与GPS标准规定不一致的地方，软件将智能地给予提示；

公差标注绘制模块，用于计算标注符号中各个符号元素或数据元素所占的空间，在用户界面或其它CAD软件中的电子设计制图上完成公差标注块的绘制。

进一步的，用户界面模块包括用户进行输入或选择标注信息的公差标注用户界面模块和显示标注块的公差标注图形界面模块。

该几何产品智能公差规范设计方法和可视化公差标注系统具有的优点如下：

（1）基于多层级GPS公差知识模式，可以将几何产品的功能需求智能地转化为GPS最简化公差规范设计标注并为每一个最简化标注生成相匹配的完整公差规范设计标注，彻底实现了从“手动查表输入公差”到“自动生成公差规范设计标注”的飞跃，并为每一个完整公差规范设计标注提供了详细的语义解释和操作规范指导，大大方便了加工制造人员和计量人员对公差图样标注的理解与使用；

（2）提供了多个层级上拥有不同完整度的公差规范设计标注，用户可以根据需要动态地查看拥有不同完整度的公差规范设计标注块，解决了公差规范设计标注的图样简洁性与公差规范设计标注的不确定度之间的矛盾；

（3）提供了用户修改标注及其修改内容的智能检查机制，用户可以通过菜单更改公差规范设计标注中的具体符号或操作数据，而系统可以动态、实时地更新其显示的相应图样标注，确保了用户的所见即所得，同时，如果用户更改的内容存在相互不相容或者与GPS标准规定不一致的地方，软件将智能地给予提示；

（4）可以方便地嵌入其它CAD软件进行计算机辅助公差设计和相关知识的共享。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，在这些附图中使用相同的参考标号来表示相同或相似的部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本发明方法的流程图；

图2为本发明多个层级公差规范设计标注块生成的知识推理过程图。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合附图及具体实施例，对本申请作进一步地详细说明。

在以下描述中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”、“示例”等等的引用表明如此描述的实施例或示例可以包括特定特征、结构、特性、性质、元素或限度，但并非每个实施例或示例都必然包括特定特征、结构、特性、性质、元素或限度。另外，重复使用短语“根据本申请的一个实施例”虽然有可能是指代相同实施例，但并非必然指代相同的实施例。

为简单起见，以下描述中省略了本领域技术人员公知的某些技术特征。

根据本申请的一个实施例，提供一种几何产品智能公差规范设计方法，如图1所示，包括以下步骤：

a、将公差规范设计标注分为多个具有不同完整度的知识层级，每个层级对应产品生命周期的一个阶段；

b、从GPS标准体系提取出公差标注信息，所述公差标注信息块需要依据不同的公差规范设计完整度被安置在不同的层级上形成多层级公差知识模式，并将所述多层级公差知识模式存储至数据库中；

c、根据所述多层级公差知识模式生成所述多个层级的公差规范设计标注。

本发明设计并实现了一个基于多层级知识细化原则的公差知识模式，它每一层级都对应着拥有不同完整度的公差规范设计标注，最上层为最简化的公差规范设计标注，最下层为最完整的公差规范设计标注，任意两层之间都有一个态射来定义并执行知识细化原则以确保任意上下两层级之间知识的完整性和一致性。这个多层级公差知识模式集成了GPS形位公差、尺寸公差和表面形貌公差规范设计与计量认证所需的全部知识，特别是一系列封装好的知识模糊推理规则，所以它包含了一系列结构化的知识实体和它们之间关系态射。这些关系态射通过类型机制来定义它们所代表的实际语义及内容，例如推理规则及其语义，函数依赖及其定义等。这些集成建模的知识实体、实体的属性和关系态射都被依据不同的公差规范设计完整度需要被安置在不同的模式层级上。

根据本申请的一个实施例，步骤c生成多个层级公差规范设计标注的方法具体为：

、将用户选择的几何特征的特征参量或输入的功能需求描述转换生成最简化公差规范设计标注，即第一层级；

、根据所述最简化公差规范设计标注，推导生成标注了缺省符号或操作数据的半完整公差规范设计标注，并生成半完整的公差规范设计标注中操作算子和操作算子内部相关控制实体的详细解释，即第二层级；

、结合所述半完整公差规范设计标注和输入的约束项，推理生成与所述半完整公差规范设计标注最相匹配的制造过程与方法标注，得到一个新的半完整公差规范设计标注，即第三层级；

、根据所述新的半完整公差规范设计标注推理生成计量操作算子，最终生成完整的公差规范设计标注，即第四层级。

根据本申请的一个实施例，操作算子包括几何特征的分离、提取、过滤、结合、重构、集成和评估。

根据本申请的一个实施例，数据库利用SQLServer2000数据库系统搭建，包括几何特征公差带表、功能公差关联表、公差规范设计表、参数表、约束表、测量数据表、计量策略表。

根据本申请的一个实施例，提供一种可视化公差标注系统，包括：

主程序模块，用于调用系统其他模块的执行，并提供与其他软件连接的接口；

用户界面模块，用于生成用户界面，提供输入与选择接口，设置约束条件以及输出可视化公差规范设计标注块；

多层级公差知识模式处理模块，用于根据所处的产品生命周期来提取并生成相应层级的公差标注信息；

数据库访问模块，用于对数据库存储的GPS数据和信息的存取；

公差标注生成模块，对用户输入的公差标注参量进行整理和分析，结合新一代GPS公差规范标准生成公差标注符号或数据；

公差标注修改模块，提取出原来生成的公差规范设计标注块，结合用户输入的更改信息对原来的标注块进行修改，形成新的标注块。同时，提供约束关联智能判断机制，如果用户更改的内容存在相互不相容或者与GPS标准规定不一致的地方，软件将智能地给予提示；

公差标注绘制模块，用于计算标注符号中各个符号元素或数据元素所占的空间，在用户界面或其它CAD软件中的电子设计制图上完成公差标注块的绘制。

根据本申请的一个实施例，用户界面模块包括用户进行输入或选择标注信息的公差标注用户界面模块和显示标注块的公差标注图形界面模块。

本发明支持按完整产品生命周期各阶段的次序逐步推理生成完整的公差规范设计标注，所以其分布在多个层级且每个层级对应产品生命周期的一个阶段，而每个阶段都生成拥有一定完整度的公差规范设计标注块。这里的产品生命周期主要是指几何产品的功能公差设计、加工制造和计量认证。其中，功能公差设计主要是指产品功能与功能公差参数及其匹配的公差带（simplecallout–最简化公差规范设计标注，例如，‘Ra,3.3um’）进行关联，也就是功能相关阶段（FunctionalCorrelation）；加工制造和计量认证主要是在公差规范设计标注块中设计并标注能够指导、指示这两个阶段进行正确工作的图样符号及操作数据，其最终目标是将公差规范设计标注的不确定度降到最小，也就是为工程技术人员自动生成尽可能完整的公差规范设计标注。

图2总结了本发明中完整公差规范设计的智能生成过程，它实际上是一个从最高层的最简化公差规范设计标注直到最底层完整公差规范设计标注的完善过程。以表面的二维表面轮廓公差规范设计为例，其主要包括了四个层级：

1)第一层级-Level1：这一层级重点是用于自动生成最能表征几何产品的功能需求的所有相应的最简化公差规范设计标注。实际上是为每一条几何产品的功能需求匹配一个需要关联的几何特征，并且为每一个关联的几何特征匹配一个最合适的公差参数及参数相应的公差带，也就是功能相关过程。因此，在这个层级上主要是对功能相关过程的知识推理，它的推理依据主要是从GPS功能相关标准文件中提取的推理规则库，包括功能与几何特征关联矩阵、几何特征与公差参数关联矩阵、功能与公差参数分类矩阵、功能分类导引图和公差参数选择指引表等等。这一层级输出的最简化公差规范标注十分简洁，能节省图样标注空间，可以被很清楚地标注在设计图样上。但是，它过于简略，很难被后续的加工制造以及计量人员所理解及使用，其执行不确定度很大。

2)第二层级-Level2：这一层级重点用于生成一个半完整的公差规范设计标注，它利用这一层级上的模糊推理规则为5个核心图样符号和操作数据推理生成基于最新GPS标准的缺省符号指示、缺省值或最优建议，包括规范限制的指示、滤波类型、传输带宽、评估长度和比较规则。

3)第三层级-Level3：这一层级主要是为第二层级中生成的半完整公差规范设计标注块加入专门用于指导加工制造过程和类型的符号和相关操作数据。这一层级上的推理机可以根据几何特征类型、加工方向、公差带值、截止波长和其它定义的加工过程信息图或者矩阵推理得到加工制造过程的符号标注以及加工方向的符号标注。

4）第四层级-Level4：这一层级主要是基于多层级GPS公差知识模式中集成的GPS认证标准文件中的相关知识推理生成用于指示计量认证阶段工作的相关符号及操作数据，包括测量条件、测量仪器、测量方法、测量数据处理方法和测量结果评估方法等等。此外，第4层级上的推理机还负责将其上面层级生成的公差规范设计标注进行面向计量人员的综合、翻译和解释以确保公差规范设计在计量过程中的一致性与有效性。所以，这个层级输出的公差规范设计标注最为完整，其不确定度最小，但是这些完整的公差规范设计标注块的长度较长，需要占据较大的绘图空间，因此大量的标注完整公差规范设计会使整个电子设计图纸显得杂乱，可读性差。

为了满足不同人员、不同标注环境的需要，多层级的GPS公差规范设计建模模式可以支持动态多层级公差规范设计可视化标注的需要。也就是说，本发明的几何产品公差智能规范设计可视化标注工具可以一次性为一个位置的标注块提供多个层级、具有不同完整度的公差规范设计标注。例如，在AutoCAD中如果需要在复杂几何产品设计图样上标注公差规范设计，那么可以选择直接在这些电子图样上标注最简化的公差规范设计，而当后续计量人员需要对产品计量与认证的时候，他们可以将鼠标移动到相应公差规范设计标注块上点击右键弹出菜单来选择显示不同层级上具有不同完整度的公差规范设计标注块，而当前显示的标注块又可以响应鼠标左键双击以弹出一个含有列表文本框的弹出菜单，它包括了所有符号元素及数据的详细语义解释与操作规范指导。所有公差规范设计标注块都可以根据几何产品设计的电子图样的需要进行放大、缩小和旋转，确保了电子图样的整洁和可读；所有公差规范设计标注都可以数字化导出到产品模型数据交互规范（STEP）XML文件中，进而满足了在不同CAD/CAT软件产品中进行数据、信息和知识共享与协同，确保了在多种设计模式和环境下生成的几何产品公差设计方案的完整性与一致性。

在AutoCAD编辑对话期间，可以通过调用下列的函数为当前图形获得数据库：acdbHostApplicationServices()->workingDatabase()

在实现了公差规范设计标注自定义实体类之后，用户添加一个标注符号，就是创建了一个具体的实体对象，然后把这个对象的添加到当前AutoCAD数据库中，这样就可以把公差标注符号添加到了当前AutoCAD图形界面中。下面一段代码就是把一个公差标注实体对象添加到AutoCAD数据库中的函数：

Acad::ErrorStatusaddToModelSpace(AcDbObjectId&objId,AcDbEntity*pEntity)

{

Acad::ErrorStatuses=Acad::eOk;

AcDbBlockTable*pBlockTable;

AcDbBlockTableRecord*pSpaceRecord;

acdbHostApplicationServices()->workingDatabase()

->getSymbolTable(pBlockTable,AcDb::kForRead);

pBlockTable->getAt(ACDB_MODEL_SPACE,pSpaceRecord,AcDb::kForWrite);

pSpaceRecord->appendAcDbEntity(objId,pEntity);

pBlockTable->close();

pEntity->close();

pSpaceRecord->close();

returnes;

}

当要修改已标注的实体对象的时候，只需要先获取选中的标注符号，然后利用函数acdbGetObjectId()获得对象的句柄，再用acdbOpenObject()函数打开这个对象，就可以对选中的标注符号对象进行修改和更新了。

此嵌入式几何产品智能公差规范设计与标注软件包在AutoCAD中的使用过程为：

1）首先在启动AutoCAD绘图软件后，加载本软件包文件GPSToleranceCallout.arx;

2）如果加载成功就可以在AutoCAD软件的菜单栏的最后看到增加了公差规范设计标注的菜单项，则可以运行它来设计、生成与标注公差规范设计了。

以上所述实施例仅表示本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能理解为对本发明范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明保护范围。因此本发明的保护范围应该以所述权利要求为准。