CN112507451B - 基于模型几何元素驱动的焊接工艺设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于模型几何元素驱动的焊接工艺设计方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)根据焊缝建立定位基准，确定目标产品的焊接类型，并分类；(2)针对不同焊接类型，确定其对应的几何信息；(3)基于特征识别获取目标产品中各构件的几何元素，匹配确定焊接类型；(4)焊接工艺生成：根据创建的焊接工艺知识库，基于知识推理方法实现焊接工艺生成。本发明可以实现焊接工艺的智能化设计，既缩短了构件产品焊接工艺设计周期，又提高了焊接工艺质量。

Description

基于模型几何元素驱动的焊接工艺设计方法
技术领域
本发明涉及一种焊接工艺设计方法，尤其涉及一种基于模型几何元素驱动的焊接工艺设计方法。
背景技术
虽然在船舶组立产品设计阶段，越来越多采用三维CAD建模技术，以三维模型取代原有的二维图纸，但在组立产品的焊接工艺设计阶段，焊接工艺知识的重用还不够充分，主要以工艺人员编写为主，未实现通过自动识别船舶组立产品模型中几何元素信息的方式，来开展相关的焊接工艺设计工作，从而达到提升工艺设计效率的目的。
目前的三维焊接工艺借助计算机来制定船舶组立产品的焊接工艺，可以解决传统手工编制中效率低、易出错、不稳定的问题，但是焊接工艺设计的载体依然是二维的图纸和表格，三维模型没有完全贯穿到船舶组立产品的工艺设计过程中，难以实现焊接工艺数据与三维模型中几何元素的有效关联，导致产品的焊接工艺数据与模型结构数据相互分离，无法进一步提高焊接工艺设计的智能化程度。
现有技术存在以下缺点：第一，传统装焊工艺设计主要是以二维方式表述(图纸、工艺卡片等)，这种表述方法无法充分利用三维建模数据，大量工艺信息仍然依赖人工编写。第二，产品之间一致性差。由于对图纸的理解程度不同，同一个构件由不同的工艺人员编制工艺时，将会得到不同的方案，缺乏一致性，而却在构件产品设计初级阶段难以全面、正确地考虑焊接工艺性，焊接工艺方面存在问题的反馈和修改难以实现。第三，设计难度大，知识易流失。工艺设计是统筹构件产品技术要求、企业经济效益和社会效果的整体优化过程，涉及面广，处理信息量大，因此需要具有丰富焊接经验的工艺技术人员才可以胜任，而这样的经验的取得和积累则是一个长期的过程，没有知识库的借鉴和积累，导致知识随着人员的更迭而流失，缺乏知识的积累和重用手段。
发明内容
发明目的：本发明旨在提供一种焊接质量高、工艺制定效率高的基于模型几何元素驱动的焊接工艺设计方法，以解决上述问题。
技术方案：本发明的基于模型几何元素驱动的焊接工艺设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)根据数据集产品的焊缝建立定位基准，确定产品的焊接类型，并分类；
(2)针对不同焊接类型，确定其对应的几何信息；
(3)基于特征识别获取目标产品中各构件的几何元素，匹配分类后的焊接类型；
(4)根据焊接工艺知识库，基于知识推理方法实现焊接工艺生成。
所述步骤(1)具体包括以下步骤：
(1.1)建立定位基准：每条焊缝由一系列离散的焊缝点组成，即S＝{s1,s2,…sn}，每个焊点可以用一个笛卡尔坐标系表示，如图3、4所示。Oxyz为固定的世界坐标系，焊缝坐标系O0x0y0z0的定位为：原点O0位于焊缝上一点，x0轴是焊缝曲线在O0的切线，z0轴在O0处两板表面法线的角平分线，y0轴由右手定则确定。将构件按照焊件接缝所处的空间位置，可分为平焊、横焊、立焊和仰焊位置，分别用焊缝倾角和焊缝转角来表示；
(1.2)焊接位置确定后，将每个焊接位置按照坡口类型进行分类，按照坡口角度、坡口面角度、钝边长度、根部间隙、板厚的不同可分为I形坡口、V形坡口、X形坡口、U形坡口、双U形坡口。
所述步骤(2)具体包括以下步骤：
(2.1)建立目标产品的三维模型；
(2.2)检索模型主体下的一系列几何特征；
(2.3)获得几何特征对应的具体属性；
(2.4)获取几何特征拓扑形成的几何元素。
所述几何特征为：点、线、面、圆弧、圆或矩形的几何形状。
所述属性为：长度、面积、曲率。
所述步骤(4)包括以下步骤：
(4.1)输入目标产品的几何元素信息A0，并设定A0中的元素的权值(x1,x2……xn)；
(4.2)选择几何信息元素中权值较大的几个参数作为约束条件，检索焊接工艺知识库中与输入参数相符的所有实例，找出满足约束条件的相似实例集I；
(4.3)对检索到满足约束条件的设计实例，将A0与工艺设计实例进行相似匹配计算；
(4.4)判断该最佳匹配实例是否符合工艺要求，若符合工艺要求，则可以以该实施例为工艺实例输出，若不符合工艺要求，对此实例按照工艺要求进行修正产生新的工艺设计参数；
(4.5)最终形成工艺文件，实现焊接工艺的生成，并且将当前的工艺设计方案作为实例加入到焊接工艺知识库中。
所述步骤(4.3)包括：
(4.3.1)计算A0的属性ai与实例集中某个实例Bi中对应属性bi的相似度：
(4.3.2)重复执行上述操作，依次求出n个属性的相似度；
(4.3.3)采用加权平均法求A0和Bi的模糊相似度：
(4.3.4)重复步骤4，分别求出目标几何元素信息A0与I中实例的模糊相似度，提取最佳匹配实例。
所述目标产品为船舶组立产品。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：
本发明可以实现焊接工艺的智能化设计，既缩短了构件产品焊接工艺设计周期，又提高了焊接工艺质量，能够解决在船舶组立产品焊接过程中存在工艺设计效率低、知识难以重用与共享等问题，使焊接工人的焊接效率得到提高，大幅提高船舶组立构件产品焊接质量。
附图说明
图1为本发明的流程示意图；
图2为本发明的结构示意图；
图3为本发明的焊接位置示意图；
图4为本发明的定位基准示意图；
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
本实施例基于CATIACAA二次开发技术，以MicroSoftVisualStudio2008和RADEV5R2016作为开发平台实施。图1、2所示了本实施例所提供的一种基于模型几何元素驱动的船舶组立产品智能化焊接工艺设计方法及系统，其智能化焊接工艺设计流程主要包括以下步骤：
((1)根据数据集产品的焊缝建立定位基准，确定产品的焊接类型，并分类。
所述步骤(1)具体包括以下步骤：
(1.1)建立定位基准：每条焊缝由一系列离散的焊缝点组成，即S＝{s1,s2,…sn}，每个焊点可以用一个笛卡尔坐标系表示，如图3、4所示。Oxyz为固定的世界坐标系，焊缝坐标系O0x0y0z0的定位为：原点O0位于焊缝上一点，x0轴是焊缝曲线在O0的切线，z0轴在O0处两板表面法线的角平分线，y0轴由右手定则确定。将构件按照焊件接缝所处的空间位置，可分为平焊、横焊、立焊和仰焊位置，分别用焊缝倾角(焊缝轴线与水平面之间的夹角，z轴与x0O0z0面所成的角)和焊缝转角(焊缝中心线和水平参照面的夹角，x0与x0O0y0面所成的角)来表示。
(1.2)焊接位置确定后，将每个焊接位置按照坡口类型进行分类，按照坡口角度、坡口面角度、钝边长度、根部间隙、板厚的不同可分为I形坡口、V形坡口、X形坡口、U形坡口、双U形坡口。
(2)针对不同焊接类型，确定其对应的几何信息。
。所述步骤(2)具体包括以下步骤：
(2.1)建立目标产品的三维模型；
(2.2)检索模型主体下的一系列几何特征；
(2.3)获得几何特征对应的具体属性；
(2.4)获取几何特征拓扑形成的几何元素，分析面几何元素之间的拓扑关系，得到模型焊缝对应的坡口类型、焊缝倾角与焊缝转角的角度。
所述几何特征为：点、线、面、圆弧、圆或矩形的几何形状。
所述属性为：长度、面积、曲率。
步骤(2)所述的确定焊接类型的几何元素信息，所指的几何元素是指诸如点、直线、面、圆弧、圆或矩形的几何形状。不同构件的几何元素信息由实体封闭空间的表面集合与定位基准元素定义；每个特征表面集的面几何元素，由面基准定位元素、面方向矢量及面尺寸参数构成。
(3)基于特征识别获取目标产品中各构件的几何元素，匹配分类后的焊接类型；
(4)根据创建的焊接工艺知识库，基于知识推理方法实现焊接工艺生成，输出焊接工艺指导书，否则重复进行工艺参数调整。工艺知识库为根据书籍、规范性文件、焊接实例搭建的现有数据库。
所述步骤(4)包括以下步骤：
(4.1)输入目标产品的几何元素信息A0，并设定A0中的元素的权值(x1,x2……xn)；
(4.2)选择几何信息元素中权值较大的几个参数作为约束条件，检索焊接工艺知识库中与输入参数相符的所有实例，找出满足约束条件的相似实例集I；
(4.3)对检索到满足约束条件的设计实例，将A0与工艺设计实例进行相似匹配计算；
(4.3.1)计算A0的属性ai与实例集中某个实例Bi中对应属性bi的相似度：
(4.3.2)重复执行上述操作，依次求出n个属性的相似度；
(4.3.3)采用加权平均法求A0和Bi的模糊相似度：
(4.3.4)重复步骤(4.1)～(4.3)，分别求出目标几何元素信息A0与I中实例的模糊相似度，提取最佳匹配(模糊相似度最大的)实例。
(4.4)判断该最佳匹配实例是否符合工艺要求，若符合工艺要求，则可以以该实施例为工艺实例输出，若不符合工艺要求，对此实例按照工艺要求进行修正产生新的工艺设计参数。
(4.5)最终形成工艺文件，实现焊接工艺的生成，并且将当前的工艺设计方案作为实例加入到焊接工艺知识库中。
(5)在使用上述系统实现智能化焊接工艺设计时，在焊接工艺知识库中存储与目标组立产品三维模型的焊接工艺设计文件对应的标识。
对焊接工艺设计文件进行相似度排序，从中选取一个构件模型并获取其对应的焊接工艺设计标识。
导出对应的焊接工艺设计文件，在该工艺设计文件的基础上结合目标构件模型，进一步完成目标构件的工艺设计文件。提升工艺人员的工艺设计能力，实现知识的积累与重用。

Claims (6)

1.一种基于模型几何元素驱动的焊接工艺设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)根据数据集产品的焊缝建立定位基准，确定产品的焊接类型，并分类；
(2)针对不同焊接类型，确定其对应的几何信息；
(3)基于特征识别获取目标产品中各构件的几何元素，匹配分类后的焊接类型；
(4)根据焊接工艺知识库，基于知识推理方法实现焊接工艺生成；
所述步骤(4)包括以下步骤：
(4.1)输入目标产品的几何元素信息A0，并设定A0中的元素的权值x1,x2……xn；
(4.2)选择几何信息元素中权值较大的几个参数作为约束条件，检索焊接工艺知识库中与输入参数相符的所有实例，找出满足约束条件的相似实例集I；
(4.3)对检索到满足约束条件的设计实例，将A0与工艺设计实例进行相似匹配计算；包括：
(4.3.1)计算A0的属性ai与实例集中某个实例Bi中对应属性bi的相似度：
(4.3.2)重复执行上述操作，依次求出n个属性的相似度；
(4.3.3)采用加权平均法求A0和Bi的模糊相似度：
(4.3.4)重复步骤4，分别求出目标几何元素信息A0与I中实例的模糊相似度，提取最佳匹配实例；
(4.4)判断该最佳匹配实例是否符合工艺要求，若符合工艺要求，则可以以该实施例为工艺实例输出，若不符合工艺要求，对此实例按照工艺要求进行修正产生新的工艺设计参数；
(4.5)最终形成工艺文件，实现焊接工艺的生成，并且将当前的工艺设计方案作为实例加入到焊接工艺知识库中。
2.根据权利要求1所述的基于模型几何元素驱动的焊接工艺设计方法，其特征在于，所述步骤(1)具体包括以下步骤：
(1.1)建立定位基准：每条焊缝由一系列离散的焊缝点组成，即S＝{s1,s2,…sn}，每个焊点可以用一个笛卡尔坐标系表示，Oxyz为固定的世界坐标系，焊缝坐标系O0x0y0z0的定位为：原点O0位于焊缝上一点，x0轴是焊缝曲线在O0的切线，z0轴在O0处两板表面法线的角平分线，y0轴由右手定则确定；将构件按照焊件接缝所处的空间位置，分为平焊、横焊、立焊和仰焊位置，分别用焊缝倾角和焊缝转角来表示；
(1.2)焊接位置确定后，将每个焊接位置按照坡口类型进行分类，按照坡口角度、坡口面角度、钝边长度、根部间隙、板厚的不同可分为I形坡口、V形坡口、X形坡口、U形坡口、双U形坡口。
3.根据权利要求1所述的基于模型几何元素驱动的焊接工艺设计方法，其特征在于，所述步骤(3)具体包括以下步骤：
(3.1)建立目标产品的三维模型；
(3.2)检索模型主体下的一系列几何特征；
(3.3)获得几何特征对应的具体属性；
(3.4)获取几何特征拓扑形成的几何元素。
4.根据权利要求3所述的基于模型几何元素驱动的焊接工艺设计方法，其特征在于，所述几何特征为：点、线、面、圆弧、圆或矩形的几何形状。
5.根据权利要求3所述的基于模型几何元素驱动的焊接工艺设计方法，其特征在于，所述属性为：长度、面积、曲率。
6.根据权利要求1所述的基于模型几何元素驱动的焊接工艺设计方法，其特征在于，所述目标产品为船舶组立产品。
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