褚長(zhǎng)勇 梁合宜

1(杭州電子科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 浙江 杭州 310018)2(浙江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 浙江 杭州 310006)

0 引 言

在機(jī)電產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)過程中，基于模型的系統(tǒng)工程MBSE(Model Based Systems Engineering)用模型取代文本，有效地解決了系統(tǒng)模型迭代困難的問題[1-3]，但不同的設(shè)計(jì)者對(duì)系統(tǒng)模型的理解存在差異，導(dǎo)致最終得到的產(chǎn)品幾何模型在結(jié)構(gòu)、功能等方面存在較大差異[4]。因此實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)模型與幾何模型之間的快速轉(zhuǎn)換能夠幫助結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)者更好地理解系統(tǒng)模型，提升產(chǎn)品設(shè)計(jì)研發(fā)效率，規(guī)范產(chǎn)品設(shè)計(jì)流程。文獻(xiàn)[5-6]利用系統(tǒng)建模語言SysML(System Modeling Language)的特性生成特定領(lǐng)域配置文件，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)層模型與計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)CAD(Computer Aided Design)模型之間的轉(zhuǎn)換。文獻(xiàn)[7-8]利用SysML擴(kuò)展機(jī)制，構(gòu)建幾何信息模型，并采用三元圖文法TGG(Triple Graph Grammar)實(shí)現(xiàn)從SysML模型至CAD模型的轉(zhuǎn)換。上述方法分別存在無法根據(jù)系統(tǒng)模型生成新的CAD模型；數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換次數(shù)多，流程復(fù)雜等問題，降低了模型轉(zhuǎn)換效率和準(zhǔn)確性。針對(duì)上述問題，本文在前人研究的基礎(chǔ)上提出基于XML與STEP映射的系統(tǒng)幾何模型快速轉(zhuǎn)換方法，這一方法可根據(jù)系統(tǒng)模型中各部件之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系得出相關(guān)幾何結(jié)構(gòu)，從而快速得出系統(tǒng)模型對(duì)應(yīng)的初始CAD模型，提高產(chǎn)品迭代速度。

1 模型轉(zhuǎn)換關(guān)鍵問題

對(duì)于數(shù)字化模型，其系統(tǒng)模型與幾何模型之間的轉(zhuǎn)換本質(zhì)上是數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換。可擴(kuò)展標(biāo)記語言XML具有良好的獨(dú)立性[9]，能夠?qū)崿F(xiàn)各種數(shù)據(jù)格式之間的轉(zhuǎn)換。因此，將其作為系統(tǒng)模型向幾何模型轉(zhuǎn)換的橋梁，以此串聯(lián)起如圖1所示的整個(gè)模型轉(zhuǎn)換流程。

圖1 模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換流程

根據(jù)圖1所示的流程，實(shí)現(xiàn)模型數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換需要解決三個(gè)關(guān)鍵性問題。首先是實(shí)現(xiàn)機(jī)電產(chǎn)品系統(tǒng)模型幾何信息的添加。由于復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)的組成部分較多，這里的幾何信息包括了零部件的形狀信息和零部件之間的相對(duì)位置關(guān)系。其次是模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的開發(fā)，包括XML文檔的快速解析和XML/STEP映射庫構(gòu)建兩個(gè)關(guān)鍵性問題。

2 機(jī)電產(chǎn)品幾何信息模型構(gòu)建

SysML是一種圖形建模語言，由統(tǒng)一建模語言UML發(fā)展而來[10]，相較于UML，SysML能夠更好地對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行描述。由于SysML的常用模型元素中沒有用于表示幾何信息的元素，因此需要利用SysML的擴(kuò)展機(jī)制來實(shí)現(xiàn)模型元素的自定義[11-12]。SysML擴(kuò)展機(jī)制有兩種:在SysML中定義新的元模型(heavyweight)和在SysML已有模型元素中自定義版型(lightweight)。為了方便SysML圖的繪制，本文采用lightweight方法進(jìn)行擴(kuò)展。

2.1 基本幾何元素定義

在概念設(shè)計(jì)階段，產(chǎn)品零部件的形狀主要由簡(jiǎn)單的幾何形狀來表示[4]，經(jīng)由后期詳細(xì)設(shè)計(jì)和優(yōu)化設(shè)計(jì)得到最終結(jié)果。在幾何學(xué)中，長(zhǎng)方體、圓柱等簡(jiǎn)單的幾何形狀均由點(diǎn)、線、面這三種基本幾何元素構(gòu)成的。這里定義基于《block》元模型的新模型元素《basicGeometricElement》來表示點(diǎn)、線、面這三種基本幾何元素及其之間的關(guān)系，如圖2所示。

Point類型中包含了坐標(biāo)定義，以確定點(diǎn)的位置。Line類型由Point組成，并衍生出straightLine和curve兩種子類型。Plane由Line構(gòu)成，同時(shí)根據(jù)構(gòu)成Plane的Line的不同引申出不同的Plane子類型，限于篇幅，這里只給出了roundPlane和rectanglePlane兩種子類型的定義。

2.2 基本幾何形狀定義

在CAD軟件中，幾何模型大都由長(zhǎng)方體、圓柱體、球體這三種基本幾何形狀通過相應(yīng)的布爾運(yùn)算得到的。因此，本文以基本幾何元素為基礎(chǔ)，構(gòu)建包含以上三種基本幾何形狀的基本形狀庫，如圖3所示。以《block》為元模型，定義由《shape》表示的基本形狀模型元素。每一個(gè)新的基本幾何形狀中都定義了相應(yīng)的尺寸參數(shù)，用戶還可以通過SysML的stereotype擴(kuò)展機(jī)制添加其他的形狀信息以完善形狀庫。如通過對(duì)Cylinder中的尺寸參數(shù)添加約束信息(diameterTop

圖3 基本幾何形狀定義圖

2.3 幾何約束信息定義

機(jī)電系統(tǒng)CAD模型中，各零部件之間通過幾何約束實(shí)現(xiàn)裝配。在概念設(shè)計(jì)過程中，零部件由基本幾何形狀表示，而各個(gè)幾何體之間的約束關(guān)系主要有位置約束和角度約束[13-14]，兩者分別由《positionConstraint》和《directionConstraint》表示，且都由《constraint》元模型擴(kuò)展得到。

圖4中展示了幾個(gè)與平面相關(guān)的幾何約束關(guān)系定義，其中平面固定約束(PlaneFixed)需要用戶提供平面中一個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)(pointVal)以確定固定點(diǎn)，同時(shí)提供平面法向量方向(normalVal)以確定平面在水平方向上的轉(zhuǎn)動(dòng)角度。

圖4 幾何約束定義圖

3 模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)開發(fā)

如圖1所示，模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)通過解析導(dǎo)入的XML文檔獲取其中有效的幾何信息，以此在企業(yè)現(xiàn)有產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫中檢索擁有相似結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品，如果沒有相似產(chǎn)品則根據(jù)XML/STEP映射庫中的映射規(guī)則導(dǎo)出對(duì)應(yīng)的初始CAD模型。

3.1 系統(tǒng)模型XML文檔解析方法

本文采用Java對(duì)XML文檔進(jìn)行解析。目前，Java解析XML文檔主要有DOM、SAX、JDOM、DOM4J四種方法。四種方法的解析原理及其所采用的方法各不相同[15-17]，它們各自的優(yōu)缺點(diǎn)如表1所示。

表1 XML解析方法比較

續(xù)表1

由表1可知，DOM4J是目前XML文檔解析技術(shù)中最優(yōu)秀的。因此，本文采用DOM4J作為XML文檔的解析技術(shù)。XML的解析流程如圖5所示。

圖5 DOM4J解析XML文檔流程

3.2 XML/STEP映射研究

在XML文檔中，采用XML Schema對(duì)文檔結(jié)構(gòu)進(jìn)行定義[17]；在STEP文檔中，則用EXPRESS語言來描述產(chǎn)品信息。因此，要實(shí)現(xiàn)XML/STEP數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，其關(guān)鍵就在于XML Schema與EXPRESS之間映射關(guān)系的定義。2000年10月，ISO提出了XML對(duì)EXPRESS表述的兩種聯(lián)編方式[18-19]:早聯(lián)編(EarlyBinding)和晚聯(lián)編(LateBinding)，為XML Schema和EXPRESS之間映射關(guān)系的構(gòu)建提供了理論基礎(chǔ)。在早聯(lián)編中，XML標(biāo)記與EXPRESS數(shù)據(jù)模型中的數(shù)據(jù)類型及屬性直接對(duì)應(yīng)。而晚聯(lián)編則是其定義的XML標(biāo)記直接與EXPRESS的元數(shù)據(jù)對(duì)象(包括實(shí)體、屬性、數(shù)據(jù)類型等)相對(duì)應(yīng)。

3.2.1 XML與EXPRESS之間的映射關(guān)系

由于應(yīng)用領(lǐng)域不同，XML和EXPRESS在對(duì)同一對(duì)象的描述上依舊存在較大的差異，且EXPRESS描述的內(nèi)容包含了繼承關(guān)系和模型的約束關(guān)系等復(fù)雜信息。為了實(shí)現(xiàn)兩者之間的映射，研究人員基于XML和EXPRESS的語法特性提出四條映射原則[21]，并根據(jù)原則構(gòu)建出如下XML Schema與EXPRESS基本映射關(guān)系：

(1) 由XMLSchema中的元素類型(elementtype)對(duì)應(yīng)表示EXPRESS中的實(shí)體(ENTITY)；

(2) 由XML Schema中的元素(element)對(duì)應(yīng)表示EXPRESS中的實(shí)體實(shí)例(ENTITY INSTANCE)；

(3) 由XML Schema中的元素(element)或?qū)傩?attlist)對(duì)應(yīng)表示EXPRESS中的實(shí)體屬性(ENTITY ATTRIBUTE)；

(4) 由XML Schema中的元素的嵌套子元素來對(duì)應(yīng)表示EXPRESS中的實(shí)體函數(shù)、約束等相關(guān)信息。

3.2.2 XML與EXPRESS具體映射

(1) 模式映射：指XML模式和EXPRESS模式之間的映射。其中EXPRESS模式中包括了實(shí)體和類型，由schema元素、字符集、標(biāo)識(shí)符、注釋、符號(hào)等基本元素構(gòu)成。下面是一段簡(jiǎn)化后的長(zhǎng)方形平面EXPRESS模式文件：

SCHEMA automotive_design;

TYPE rectangle_plane=SELECT

(rectangle_plane_a，rectangle_plane_b);

……

END_TYPE;

END_SCHEMA;

文件中第一句聲明引用的協(xié)議名稱，automotive_design表示引用的模式為AP214。第二句指明實(shí)體的類型，其中TYPE為關(guān)鍵字，rectangle_plane為實(shí)體名稱，SELECT是類型名。第三句表示實(shí)體rectangle_plane有兩個(gè)子類。XML模式由schema元素、根元素、復(fù)雜類型元素(ComplexTypeelement)和簡(jiǎn)單類型元素(SimpleTypeelement)組成。根據(jù)XML Schema結(jié)構(gòu)[22]，可將之前的EXPRESS模式文件表述如下：

……

(2) 數(shù)據(jù)類型映射：EXPRESS語言包含了簡(jiǎn)單數(shù)據(jù)類型、聚合數(shù)據(jù)類型、命名數(shù)據(jù)類型、構(gòu)造數(shù)據(jù)類型等多種數(shù)據(jù)類型[21]。其中，簡(jiǎn)單數(shù)據(jù)類型又分為數(shù)值型(number)、實(shí)數(shù)型(real)、整數(shù)型(integer)、字符串(string)、邏輯型(logical)等。在XML Schema中分別有小數(shù)(decimal)、float/double、整型(integer)、字符串(string)等與之對(duì)應(yīng)。其中邏輯型雖無法在XML中找到對(duì)應(yīng)的簡(jiǎn)單數(shù)據(jù)類型，但也可以通過在設(shè)置邏輯的真假來實(shí)現(xiàn)[17]。與簡(jiǎn)單數(shù)據(jù)類型的映射相似，其他數(shù)據(jù)類型同樣可以在XML Schema和EXPRESS之間構(gòu)建起映射關(guān)系。

3.3 XML/STEP映射庫的構(gòu)建

通過上述研究可知，通過建立XML Schema與EXPRESS之間的映射關(guān)系可以實(shí)現(xiàn)XML文檔與STEP文檔之間的雙向轉(zhuǎn)換，因此構(gòu)建XML Schema映射庫是十分必要的。本文將根據(jù)AP214構(gòu)建XML Schema映射庫。

3.3.1 XML/STEP頭部段映射

每個(gè)STEP文件的頭部段都包括標(biāo)準(zhǔn)(ISO-10303-21)和以“HEADER”開始，以“ENDSEC”結(jié)束的文件信息兩部分。文件信息中又包含文件描述(FILE_DESCRIPTION)、文件名(FILE_NAME)和文件概要(FILE_SCHEMA)。下面為一段簡(jiǎn)化后的STEP頭部段文件：

HEADER;

……

FILE_DESCRIPTION(……);

FILE_NAME(/*name*/′abc。step′，……);

FILE_SCHEMA

((′AUTOMOTIVE_DESIGN {…}′));

ENDSEC;

上述頭部段文件在XML Schema映射庫中的Schema如下所示：

……

……

3.3.2 XML/STEP數(shù)據(jù)段映射

STEP文件數(shù)據(jù)段是實(shí)體數(shù)據(jù)模型的核心，并以點(diǎn)作為實(shí)體描述的基本元素。根據(jù)這一特點(diǎn)，STEP數(shù)據(jù)段在XML Schema映射庫中的Schema同樣應(yīng)該以點(diǎn)為基本元素，下面是一個(gè)實(shí)體點(diǎn)(POINT)的Schema表述：

……

其他實(shí)體的Schema表述與POINT相似，只需按照上述方法將所有EXPRESS語言表達(dá)的實(shí)體都生成XML Schema映射庫中對(duì)應(yīng)的Schema并保存，就可以得到完整的XML/STEP映射庫。模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)根通過調(diào)用映射庫中的映射體，生成對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)格式并導(dǎo)出。最終實(shí)現(xiàn)XML/STEP文檔之間的雙向轉(zhuǎn)換。

4 實(shí)例應(yīng)用

現(xiàn)代制造業(yè)越來越重視產(chǎn)品系統(tǒng)層的構(gòu)建，因此實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)層到結(jié)構(gòu)層的轉(zhuǎn)換能夠有效地提升產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)效率。下面以汽車雨刮器為實(shí)例，展示系統(tǒng)模型到幾何模型的轉(zhuǎn)換的過程。

4.1 產(chǎn)品系統(tǒng)模型構(gòu)建

汽車雨刮器大致可以分為驅(qū)動(dòng)器(Drive)、搖臂(ConnectingRod)和雨刮(WiperBlade)，三者通過軸(Shaft)連接在一起。由于Visio不自帶SysML模板，因此在開始創(chuàng)建相關(guān)圖形前需要將SysML 1.0這個(gè)模塊包導(dǎo)入Visio的模板庫中；根據(jù)產(chǎn)品需求選擇對(duì)應(yīng)的圖形和模型元素，如圖6所示為雨刷模塊定義圖。完成系統(tǒng)模型圖繪制后，依靠繪圖工具自身兼容的轉(zhuǎn)換接口獲得系統(tǒng)模型的XML文檔。

圖6 雨刮器模塊定義圖

4.2 模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的系統(tǒng)界面分為三個(gè)部分，從左到右分別顯示獲得的系統(tǒng)模型XML源碼、解析后的XML文件、轉(zhuǎn)換得到的STEP文檔，如圖7所示。且在操作界面中均可對(duì)相應(yīng)的文件進(jìn)行修改保存，以保證最終所獲STEP文檔的最優(yōu)化。將雨刮器系統(tǒng)模型XML文檔導(dǎo)入系統(tǒng)，解析得到有效幾何信息，并通過零部件之間的幾何關(guān)系檢索結(jié)構(gòu)相似的現(xiàn)有設(shè)計(jì)方案，根據(jù)檢索結(jié)果分別導(dǎo)出如圖8所示的兩種初始設(shè)計(jì)方案。其中，(a)為根據(jù)已有設(shè)計(jì)方案修改后得到，(b)為系統(tǒng)直接導(dǎo)出的設(shè)計(jì)方案。

圖7 XML-STEP數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換流程

(a) 經(jīng)已有方案修改后得(b) 系統(tǒng)直接生成圖8 雨刮器初步設(shè)計(jì)方案

5 結(jié) 語

本文主要研究了基于SysML的系統(tǒng)模型幾何信息添加方法?；贘ava的XML解析方法和編程技術(shù)，開發(fā)出模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)；將由XML表述的系統(tǒng)模型進(jìn)行解析，獲取有效的幾何信息。同時(shí)，通過基于XML/STEP映射庫的轉(zhuǎn)換器獲得對(duì)應(yīng)的STEP中性文件。這一方法以XML/STEP映射庫為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)XML與STEP之間的直接轉(zhuǎn)換，為系統(tǒng)幾何模型轉(zhuǎn)換提供了新的可行方法。隨著數(shù)據(jù)庫的進(jìn)一步完善，系統(tǒng)將實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)模型到復(fù)雜高精度幾何模型的直接轉(zhuǎn)換。同時(shí)，隨著制造業(yè)信息化的深入推進(jìn)，系統(tǒng)將會(huì)集成更多的功能，如模型優(yōu)化算法等方法的加入將使模型轉(zhuǎn)換過程更加智能化，進(jìn)一步縮短產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計(jì)周期。

參考文獻(xiàn)

[1] Buede D M.The engineering design of systems:models and methods[M].2nd ed.New York:John Wiley & Sons,2009.

[2] Estefan J A. Survey of model-based systems engineering(MBSE) methodologies[R]. Seattle:INCOSE MBSE Focus Group, 2007.

[3] Friedenthal S, Griego R, Sampson M. INCOSE model based systems engineering(MBSE) initiative[EB/OL]. [2016-05-10]. https://www. researchgate. net/publication/.

[4] Komoto H, Tomiyama T. A framework for computer-aided conceptual design and its application to system architecting of mechatronics products[J]. Computer-Aided Design, 2012, 44(10):931-946.

[5] Hamid S. Integration of system-level design and mechanical design models in development of mechanical systems[D]. Stockholm：KTH-Royal Institute of Technology, 2011.

[6] Ahsam Q. An integrated approach towards model-based mechatronic design[D]. Stockholm:KTH-Royal Institute of Technology, 2011.

[7] Fan H R, Liu Y. SysML-based model integration for online collaborative design of mechatronic systems[C]// ICED13, Sungkyunkwan University, Seoul, Korea, 2013:237-246.

[8] 樊紅日. 基于SysML的復(fù)雜機(jī)電產(chǎn)品多域模型集成問題研究[D]. 杭州：浙江大學(xué), 2015.

[9] W3C.Extensible markup language(XML)[EB/OL].[2016-10-11]http://WWW.W3.org/XML/.

[10] Delligatti L.SysML distilled:A brief guide to the systems modeling language[M].Addison-Wesley Professional,2013.

[11] Bruck J, Hussey K. Customizing UML:Which technique is right for you[EB/OL]. [2008-06-19] http://www.eclipse.org/modeling/mdt/uml2/docs/articles/Customizing_UML2_Which_Technique_is_Right_For_You/article.html/.

[12] Reichwein A. Application-specific UML profiles for multidisciplinary product data integration[D]. Uni Stuttgart-Universit?tsbibliothek, 2011.

[13] Chen K, Bankston J, Panchal J H, et al. A framework for the integrated design of mechatronic systems[C]// Collaborative Design and Planning for Digital Manufacturing, 2009:37-70.

[14] Chen K.MCAD-ECAD integration:constraint modeling and propagation[D].Atlanta:Georgia Institute of Technology,2008.

[15] Ma J, Zhang S, Hu T, et al. Parallel speculative dom-based XML parser[C]// IEEE, International Conference on High PERFORMANCE Computing and Communication & 2012 IEEE, International Conference on Embedded Software and Systems. IEEE, 2012:33-40.

[16] Zhang Z Y, Chang S G, Ding T F. Research on the dynamic integrating with heterogeneous database system based XML and hibernate[J]. Applied Mechanics & Materials, 2013, 266:1717-1720.

[17] Shang J D, Zhang Y P, Hu D F. The contrast study on the method of STEP/XML data transformation[J]. Advanced Materials Research, 2012, 403-408:4103-4107.

[18] Barkmeyer E J, Lubell J. XML representation of EXPRESS models and data[J]. Manufacturing Systems Integration Division National Institute of Standards and Technology, 2004:1-3.

[19] Bergstrom P, Lafontaine R. ISO 10303-28 Product data representation and exchange:Implementation methods:XML representation of EXPRESS schemas and data[S]. Geneva, Switzerland:ISO, 2002.

[20] 左偉明. 數(shù)據(jù)標(biāo)記語言參考手冊(cè)[M]. 北京：人民郵電出版社, 2007：35-49, 51-60.

[21] 付秀娟. 基于STEP/XML的數(shù)據(jù)交換方法研究[D]. 哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué), 2009.