CIMS環(huán)境下基于特征的產(chǎn)品模型

CIMS環(huán)境下基于特征的產(chǎn)品模型注意：本文已經(jīng)在《機械科學(xué)與技術(shù)》(1998,17(1):129～131)雜志發(fā)表
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李龍梅     張暴暴    馮辛安    劉曉冰
(大連理工大學(xué)CIMS中心  大連  116024)

 摘要：CAD/CAM是CIMS的核心，基于特征的產(chǎn)品建模是實現(xiàn)CAD/CAM集成的關(guān)鍵，本文通過分析典型CIMS中工程設(shè)計分系統(tǒng)功能模型，給出CIMS環(huán)境下CAD/CAM產(chǎn)品特征模型。
關(guān)鍵詞：特征    產(chǎn)品信息模型   CAD/CAM
中圖號：TP39

1.        CIMS集成產(chǎn)品模型與CAD/CAM基于特征的產(chǎn)品模型        計算機集成制造系統(tǒng)CIMS作為新一代工廠自動化模式之一覆蓋了產(chǎn)品的整個生命周期。機械產(chǎn)品的生命周期包括從產(chǎn)品的市場需求分析、立項論證、生產(chǎn)決策、產(chǎn)品設(shè)計、工藝設(shè)計、加工制造、裝配、測試到銷售和售后服務(wù)的全過程。CIMS集成產(chǎn)品模型是產(chǎn)品生命周期中全部數(shù)據(jù)的集合，它是整個CIMS研究和處理的對象，所有類型的產(chǎn)品信息都集中儲存在這個集成的產(chǎn)品信息模型中，信息的表達已將產(chǎn)品生命周期中的不同階段都考慮進去，是整個企業(yè)在生產(chǎn)周期的任何階段能共享的信息模型，它能在整體上和局部級上支持各種應(yīng)用活動，使得面向制造、面向裝配、面向質(zhì)量等成為可能。集成產(chǎn)品模型是以用戶需求、市場分析為出發(fā)點，以產(chǎn)品設(shè)計制造模型（CAD/CAM的模型）為基礎(chǔ)，在產(chǎn)品整個生命周期內(nèi)不斷擴充、不斷更新版本的動態(tài)模型。它應(yīng)能克服以往僅從某一特定階段的數(shù)據(jù)需求和數(shù)據(jù)處理的特點來建立數(shù)據(jù)模型，改善對產(chǎn)品產(chǎn)品生命周期中所有數(shù)據(jù)需求的全局分析的不足，而使得在產(chǎn)品生命周期中各階段實現(xiàn)信息交換與共享。

 

    工程設(shè)計分系統(tǒng)CAD/CAM是CIMS的核心。 CAD/CAM就是按照產(chǎn)品設(shè)計-制造的實際進程，在計算機里實現(xiàn)應(yīng)用程序所需要的信息處理和交換，形成連續(xù)的、協(xié)調(diào)的和科學(xué)的系統(tǒng)。實現(xiàn)CAD/CAM一體化的關(guān)鍵在于信息的集成�；�于特征的產(chǎn)品模型，是實現(xiàn)CAD/CAM有效集成最佳方法，是CIMS集成產(chǎn)品模型的一個子集，是集成產(chǎn)品模型的基礎(chǔ)模型，也是CAD/CAM系統(tǒng)中數(shù)據(jù)共享的核心。

    傳統(tǒng)的基于實體造型的CAD系統(tǒng)僅僅是幾何形狀的描述，缺乏對產(chǎn)品零件信息的完整描述，與制造所需信息彼此是分離的，從而導(dǎo)致CAD/CAM系統(tǒng)集成的困難。將特征概念引入CAD/CAM，出現(xiàn)了產(chǎn)品特征模型�；�于特征的建模是CAD建模的一個新的里程碑，它是CAD/CAM技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用到達一定水平，要求進一步提高生產(chǎn)組織的集成化及自動化程度的歷史進程中逐步發(fā)展起來的�；�于特征的建模著眼于更好地表達產(chǎn)品的完整技術(shù)和管理信息，為建立產(chǎn)品集成信息模型服務(wù)，它使產(chǎn)品設(shè)計在更高層次上進行，設(shè)計人員的操作對象不再是原始的線條和體素，而是產(chǎn)品的功能要素，直接體現(xiàn)了設(shè)計意圖，使建立的產(chǎn)品模型容易為非設(shè)計人員理解并便于組織生產(chǎn)，設(shè)計圖樣更容易修改，有助于加強產(chǎn)品設(shè)計、分析、工藝準備、加工檢驗各部門之間的聯(lián)系，更好地將產(chǎn)品設(shè)計意圖貫徹到下游環(huán)節(jié)，并及時得到意見反饋。因此特征建模是解決產(chǎn)品模型建立的可靠途徑，于是出現(xiàn)了許多關(guān)于特征建模的研究。

    對特征技術(shù)的研究工作，主要可以概括為七個方面：特征的定義與分類、特征識別、特征建模、特征表達、特征檢驗、特征映射和特征數(shù)據(jù)庫。特征的定義和分類的研究是特征技術(shù)研究的基礎(chǔ)，但到目前為止，對特征定義和分類的研究還沒有形成一個統(tǒng)一的標(biāo)準，這是因為特征的定義和分類受到特征研究應(yīng)用背景的制約。CAD/CAM的特征建模究竟應(yīng)當(dāng)包含哪些特征，各說不一。作者認為，作為CIMS的核心－－CAD/CAM系統(tǒng)的開發(fā)應(yīng)用，完全可以按照CIMS信息集成的概念進行,由于CAD/CAM最終要集成到CIMS中，基于特征產(chǎn)品模型最終要為CIMS中所有子系統(tǒng)共享，所以在研究特征造型時不僅需要考慮CAD/CAM本身的信息需求，而且需考慮其在CIMS中的地位、作用及其與CIMS中其它分系統(tǒng)之關(guān)系。本文就是通過研究典型CIMS中工程設(shè)計分系統(tǒng)功能模型各二級子系統(tǒng)的信息需求、本分系統(tǒng)與其它分系統(tǒng)信息聯(lián)系，得出基于特征的建模應(yīng)包含的特征定義與分類。

2.  CIMS中工程設(shè)計分系統(tǒng)的功能模型     一般可以將CIMS分為四個功能分系統(tǒng)和兩個支撐分系統(tǒng)。四個功能分系統(tǒng)分別是工程設(shè)計分系統(tǒng)、管理信息分系統(tǒng)、制造自動化分系統(tǒng)和計算機質(zhì)量保證分系統(tǒng)。兩個支撐分系統(tǒng)分別是數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡(luò)支撐分系統(tǒng)。

    圖(1)所示為典型的工程設(shè)計分系統(tǒng)的功能模型圖。工程設(shè)計分系統(tǒng)由產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理（PDM）、產(chǎn)品設(shè)計、工藝設(shè)計和制造準備四個二級子系統(tǒng)組成。從這個圖中我們可以清楚地看出系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)信息的需求和流動。首先通過PDM將產(chǎn)品開發(fā)計劃、生產(chǎn)經(jīng)營計劃管理等信息傳到產(chǎn)品設(shè)計模塊，將產(chǎn)品設(shè)計模塊輸出產(chǎn)品的技術(shù)報價、BOM表、圖紙、技術(shù)文檔等信息所形成的產(chǎn)品設(shè)計模型返回到PDM；工藝設(shè)計分系統(tǒng)從PDM中獲取有關(guān)信息，完成工藝設(shè)計并將設(shè)計結(jié)果，如：工藝規(guī)程、專用工裝圖等技術(shù)文檔返回PDM；制造準備模塊從PDM中獲得信息，編制數(shù)控加工、夾具需求計劃等制造數(shù)據(jù)信息和各類技術(shù)文檔返回PDM。產(chǎn)品設(shè)計、工藝設(shè)計和制造準備之間的信息通過PDM傳送，改善數(shù)據(jù)的統(tǒng)一性和安全性。最后形成的基于特征的產(chǎn)品模型就存在于PDM中了。

       工程設(shè)計分系統(tǒng)的輸入信息是市場信息和管理信息分系統(tǒng)傳遞的生產(chǎn)管理信息，輸出Ｏ１將又成為質(zhì)量保證分系統(tǒng)、制造自動化分系統(tǒng)、管理信息分系統(tǒng)的輸入。在CIMS環(huán)境下，工程設(shè)計分系統(tǒng)應(yīng)與生產(chǎn)管理、質(zhì)量管理、制造自動化集成起來，因此特征建模時，應(yīng)考慮這些分系統(tǒng)的信息需求。例如，質(zhì)量保證分系統(tǒng)的功能是規(guī)劃和執(zhí)行企業(yè)的質(zhì)量保證活動，它需要工程設(shè)計分系統(tǒng)提供有關(guān)產(chǎn)品幾何數(shù)據(jù)、零件、原材料的基本數(shù)據(jù)、圖紙、零件明細、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、標(biāo)準規(guī)范、加工、裝配與檢測規(guī)程和程序等，并從質(zhì)量保證角度向CAD模塊提出產(chǎn)品質(zhì)量方面的要求和修改設(shè)計的意見，提出有關(guān)質(zhì)量方面的要求和達到質(zhì)量要求建議采取的措施，通過生產(chǎn)控制和維修實現(xiàn)質(zhì)量控制。由于安排生產(chǎn)作業(yè)計劃、物料需求計劃、能力平衡計劃、合同管理、倉庫管理等需在管理信息分系統(tǒng)中完成，所以管

理信息分系統(tǒng)與工程設(shè)計分系統(tǒng)之信息交換包括：供應(yīng)商、用戶基本數(shù)據(jù)，用戶訂單和車間下達任務(wù)的有關(guān)數(shù)據(jù)、圖紙、零件明細、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)有關(guān)工具、消耗品數(shù)據(jù)、工藝規(guī)程等。

 

3.  特征的定義與分類   3.1特征的定義    在一個產(chǎn)品整個生命周期中產(chǎn)生的信息很多，其中包括：設(shè)計信息、制造信息、管理信息、質(zhì)量信息、使用和維護信息等。這些信息又被CIMS中其它系統(tǒng)以不同的方式使用。產(chǎn)品設(shè)計初始特征模型是由設(shè)計人員建立的，然而在產(chǎn)品整個生命周期內(nèi)，這個特征模型的不斷完善需要設(shè)計師、工藝師、質(zhì)量檢測人員等的共同協(xié)作。

       本文對特征的定義是在CIMS環(huán)境下，特征是產(chǎn)品生命周期內(nèi)信息完整描述的載體，特征是一種信息表示方法，包括幾何信息和非幾何信息。

  盡管特征的定義由于應(yīng)用的不同而有差異，但特征的性質(zhì)和作用是基本一致的。首先特征是低層的幾何元素與零部件間聯(lián)系的橋梁，特征將構(gòu)成特征的幾何元素有機地結(jié)合起來，形成能夠表達特定功能或含義的形狀結(jié)構(gòu)，以體現(xiàn)面向應(yīng)用的形狀信息；此外，特征的組成元素可以作為尺寸 公差、表面粗糙度等加工信息的相關(guān)載體，使得工藝信息能完整地借助特征而得到表達�；�于特征的產(chǎn)品模型不僅能支持各種應(yīng)用所需的產(chǎn)品定義信息，而且能提供符合人們思維的高層次工程描述術(shù)語，并反映設(shè)計和制造意圖，從而克服現(xiàn)行CAD/CAM系統(tǒng)中產(chǎn)品信息定義不完備性和低層數(shù)據(jù)抽象性的不足。為CAD/CAM信息的真正集成、及其向CIMS的集成提供保障。

       特征除了具有一定的幾何信息以外，還包括在設(shè)計、工藝規(guī)劃和制造過程中需要技術(shù)、功能等信息，即特征給各種數(shù)據(jù)賦予了一定的語義。特征建模所需處理的數(shù)據(jù)紛繁復(fù)雜，系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)類型繁多，數(shù)據(jù)之間的關(guān)系也十分復(fù)雜，既包括反映產(chǎn)品形狀幾何拓樸信息的幾何模型，又有反映設(shè)計結(jié)構(gòu)功能的設(shè)計模型，還需處理具有加工特點和裝配特性的制造模型，既要存儲靜態(tài)的產(chǎn)品標(biāo)準、規(guī)范等信息，又要涉及動態(tài)產(chǎn)品設(shè)計、制造過程信息。

3.2特征的分類     在對CIMS工程設(shè)計分系統(tǒng)各子系統(tǒng)信息交換分析的基礎(chǔ)上，從特征建模的角度出發(fā)可以將零件特征分以下6類:

    1)形狀特征：零件上有一定拓撲關(guān)系的一組幾何元素所構(gòu)成的一個特定形狀。它具有特定的功能及其特定的加工方法集。形狀特征可以分為主形狀特征和輔形狀特征。其中主形狀特征用于構(gòu)造零件的主體形狀(如圓柱體、圓錐體等)，輔形狀特征用于對主特征的局部修飾(如倒角、鍵槽、退刀槽、中心孔等)。輔形狀特征附加于主特征之上，或附加于另一輔特征之上，根據(jù)輔特征的特點還可以將之進一步劃分為簡單輔特征、組合輔特征和復(fù)制輔特征。簡單輔特征是指如倒角、退刀槽等單一特征；組合輔特征是由一些簡單輔特征組合而成的特征如階梯孔等；復(fù)制輔特征是同一輔特征按一定規(guī)律在空間不同位置上復(fù)制而成的特征，如周向均布孔、矩陣列孔等。也可以按獲得形狀的加工方法不同將形狀特征分類。

    2)精度特征：用于表達零件各要素尺寸公差、形狀公差、位置公差和表面粗糙度等精度要求信息。需特別指出的是，一般形位公差除公差項目名、公差值、基準外，還應(yīng)包含公差檢測原則(如包容原則、最大實體原則等)。精度特征是形成零件質(zhì)量指標(biāo)的主要依據(jù)。

        3)管理特征：用于描述零件的管理信息，如標(biāo)題欄中的設(shè)計者、批量、一臺份的件數(shù)、零件與其它產(chǎn)品的借用與通用關(guān)系、日期、編碼以及生產(chǎn)管理中MRP－II所需信息，和設(shè)計過程管理，包括版本管理，使用者權(quán)限設(shè)定與管理，審定等，并為PDM提供所需的信息。

       4)技術(shù)特征：用于描述零件的性能、功能等相關(guān)信息。說明外觀要求、搬運要求等圖紙上無法在圖上標(biāo)注的要求，零件運行過程中工況條件（常規(guī)、極限），載荷與約束條件，為CAE提供模擬信息，為性能實驗，分析計算、優(yōu)化，有限元前處理提供條件。

   5)材料特征：用于描述零件材料的類型、理化指標(biāo)及熱處理等特殊要求、表面處理的信息集合。

   6)裝配特征：用于表達零件在裝配過程中所需用的信息，如與其它零件之配合、配作等關(guān)系，裝配尺寸鏈信息、父項子項的信息。為裝配工藝提供必要的信息。如組成產(chǎn)品的零部件之間在裝配中的關(guān)系可分為：

   層次關(guān)系：機械產(chǎn)品是由具有層次關(guān)系的零部件組成的系統(tǒng)

   裝配關(guān)系：包括描述實體模型幾何元素之間直接的相互關(guān)系的幾何關(guān)系，比如平面貼合、點面接觸相切；描述零部件之間高于幾何測層次的機械關(guān)系，如螺紋聯(lián)接、鍵聯(lián)接等；描述零部件之間運動關(guān)系（相對運動或傳遞運動），如相對轉(zhuǎn)動，齒輪傳動等。

   參數(shù)約束關(guān)系：設(shè)計中的參數(shù)分為兩大類，一類是從上一層傳遞下來的參數(shù)，本層設(shè)計部門必須滿足，而且無權(quán)直接修改，稱之為繼承參數(shù)，一類是設(shè)計中產(chǎn)生的新參數(shù)，它們有的是從繼承參數(shù)中導(dǎo)出的，有的是根據(jù)當(dāng)前設(shè)計需要制定的統(tǒng)稱為生成參數(shù)。當(dāng)繼承參數(shù)改變時，相關(guān)的生成參數(shù)要隨之調(diào)整。

        以上特征中，形狀特征和精度特征是與零件建模直接相關(guān)的特征，而其余特征是CAPP系統(tǒng)選擇毛坯、下料、制定工藝的依據(jù)，是質(zhì)量保證系統(tǒng)制定質(zhì)量檢測規(guī)劃的依據(jù)。特征之間的關(guān)系有反映主形狀特征之間的空間相互位置關(guān)系的鄰接關(guān)系；輔助特征從屬于一個主特征或另一個輔特征時構(gòu)成的附屬關(guān)系；描述特征類之間關(guān)聯(lián)屬性而相互引用的引用關(guān)系；不同層次特征之間的繼承關(guān)系等。

    以上特征是根據(jù)產(chǎn)品的對象定義的，支持產(chǎn)品生命周期多個階段的通用特征，不同階段之間的信息傳遞主要是通過基本特征這個信息載體，又可以稱為基本特征。基本特征對不同應(yīng)用領(lǐng)域具有不同視口、不同投影與繼承，是特征模型支持下游操作和模型本身不斷完善的途徑。各個分系統(tǒng)結(jié)合各自不同信息，就形成了各自的應(yīng)用特征，如工藝特征、制造特征、檢測特征。所以應(yīng)用特征，是面向具體應(yīng)用領(lǐng)域或具體應(yīng)用系統(tǒng)的專用特征，它滿足具體系統(tǒng)的操作要求，同時它的信息是可以從基本特征中導(dǎo)出的。

 

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圖1 工程設(shè)計自動化分系統(tǒng)功能模型圖

  

Feature-Based  Product  Model  In  CIMS 
Li Longmei, Zhang Baobao, Feng Xinan, Liu Xiaobing
(CIMS Centre of Dalian University of Technology, Dalian, P.R. China, 116024)

 

ABSTRACT:  CAD/CAM is a core element in CIMS, and hence the feature-based product modeling is the key to CAD/CAM integration. In this paper, a typical functional model of automatic engineering design system of  CIMS  is  analyzed,  and the definition and classification of features in CIMS-oriented and feature-based product modeling are discussed.

Keywords:  Feature, Product information model, CAD/CAM

 

參考文獻

[1]馮辛安主編，CAD/CAM技術(shù)概論，北京：機械工業(yè)出版社.1995.

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[5]潘東、張申生、步豐林，基于裝配的并行設(shè)計輔助系統(tǒng)的研究，計算機輔助設(shè)計與制造,96(7).

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