（机械电子工程专业论文）基于物理模型的数据管理系统实现.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 进入二十一世纪后，随着经济的全球化。中国正在加速成为世界的“制造工 厂”之一大量的制造企业为了在激烈的市场竞争中占有一席之地，必须在保证 质量的前提下，尽量缩短产品研发周期。现有的产品建模和设计方法在以下方面 存在不足：1 仅仅能描述几何信息，而产品设计过程受到诸多非几何因素的制约； 2 忽视了设计过程经验的利用。对于大多数制造企业来说，如何利用现有的资源 尽可能地发掘对设计有用的经验信息是十分现实的问题。在研究了国内外建模理 论现状后，我们提出了物理模型的概念。它与现有c a d 系统的几何模型、拓扑 模型，特别是装配模型结合起来，便可以描述和记录机械零、部件的几何信息、 拓扑信息、装配信息以及产品的载荷等物理、力学信息。而在物理模型基础上进 行合理化设计则是对产品设计理论的一个突破。本文旨在建立一个在物理模型基 础上的数据管理系统，通过对合理化设计过程中的相关设计信息进行有效的组织， 就能实现数据的共享，特别是设计经验的利用。课题在c a d 软件p r o e n g i n e e r 平台上进行开发。通过对系统的开发和工程实例的应用，可以证明基于物理模型 的合理化设计数掘管理系统能有助于实现数据的集成和共享，有助于缩短产品研 发周期，提高企业的市场竞争能力。 本文分六章层层展开。详细介绍了基于物理模型合理化设计数据管理系统的 数据管理模型，系统体系结构，设计信息的捕获、组织，并通过工程实例介绍了 设计信息的利用。第一章主要介绍了课题提出的背景，分析了现有设计理论和方 法的不足，指出了它们在信息集成、利用方面存在的缺陷，明确了基于物理模型 合理化设计方法的目标，指出了课题研究的关键问题经验利用，并安排了全 文的工作；第二章简要介绍了产品建模方法的发展，明确了物理模型自上而下、 逐步求精的设计思想：第三章介绍了物理模型，包括物理模型的定义、体系结构、 数据结构、主要功能模块，最后指出在物理模型基础上进行合理化设计的必要性； 第四章介绍了合理化设计的经验管理模型，进而从更广的层面上给出了设计数据 的管理模型。还介绍了对设计信息进行版本管理的方法，为后面介绍数据管理系 统的实现打下基础；第五章具体介绍数掘管理系统的实现。首先给出了在物理模 型基础上的数据管理系统的体系结构。接着从设计信息的捕获、组织方面进行了 山东大学硕十学位论文 详细的介绍；第六章通过原型系统在工程实例减速箱设计中的应用，说明了 数据管理系统对设计信息的捕获、组织和利用。进一步验证了课题的可行性。最 后对课题进行了总结和展望。 关键宇：物理模型，经验管理，数据管理，版本管理，p r o e n g i n e e r 山东大学硕+ 学位论文 a b s t r a c t i n f l u e n c e db yt h ee c o n o m i cg l o b a l i z a t i o n 。c h i n ai sb e c o m i n go n eo ft h ew o r l d s ”m a n u f a c t u r i n gp l a n t s ”a taf a s t e rp a c es i n c et h ev e r yb e g i n n i n go ft h i sc e n t u r y i n o r d e rt os u r v i v ei nt h ed r a s t i cc o m p e t i t i o nf o rt h em a r k e t ，m o s tm a n u h c t o r i e sh a v et o s h o r t e nt h e i rp r o d u c td e v e l o p i n gc y c l eo nt h ep r e m i s eo fe n s u r i n gt h eq u a l i t yo ft h e p r o d u c t s h o w e v e r , t h ep r o d u c td e s i g n i n gm e t h o d sa n dm o d e l i n gi ne x i s t e n c eh a v e s o m ed e f i c i e n c i e s ，s u c ha s ，1 t h e yc a no n l yd e s c r i b eg e o m e t r i ci n f o r m a t i o n ，a n dt h e d e s i g n i n gp r o c e s si si n f e c t e db ym a n yn o n - g e o m e t r i c a lf a c t o r s ；2 n l e yi g n o r et h e u t i l i z a t i o no fd e s i g n i n ge x p e r i e n c ew h i c hi sg a i n e dd u r i n gp r o d u c td e s i g n i n gp r o c e s s f o rm o s to ft h ee n t e r p r i s e s ，av e r yr e a l i s t i cp r o b l e mi sh o wt od i go u tf r o mt h ep r e s e n t r e s o u r c e sv a l u a b l ee x p e r i e n c et h a ti su s e f u lf o rd e s i g n i n g a f t e rs t u d y i n gt h ep r e s e n t s t a t eo fb o t hd o m e s t i ca n df o r e i g nm o d e l i n gt h e o r i e s ，w ep r o p o s et h ec o n c e p to fp m ( p h y s i c a lm o d e l ) ，w h i c h ，c o m b i n i n gt h eg e o m e t r i cm o d e l ，t h et o p o l o g i c a lm o d e l ，a n d e s p e c i a l l yt h ea s s e m b l ym o d e l o f t h ep r e s e n tc a d s y s t e m ，c a nd e s c r i b ea n dr e c o r dt h e g e o m e t r i c a l ，t o p o l o g i c a l ，a n da s s e m b l yi n f o r m a t i o no fm e c h a n i c a lp a r t s ，t h el o a do f p r o d u c ta n do t h e rp h y s i c a la n dm e c h a n i c a li n f o r m a t i o n c a r r y i n go u tr a t i o n a l i z e d d e s i g n i n go nt h eb a s i so fp mi sab r e a k t h r o u g ht ot h ep r o d u c td e s i g n i n gt h e o r y t h i s p a p e ri n t e n d st ob u i l dad a t am a n a g e m e n ts y s t e mb a s e do nt h ep m b ye f f e c t i v e l y o r g a n i z i n gt h er e l a t e dd e s i g ni n f o r m a t i o nd u r i n gt h er a t i o n a l i z e dd e s i g n i n gp r o c e s s ，t h e d a t ac o u l db es h a r e d ，a n d ，e s p e c i a l l y , t h ed e s i g n i n ge x p e r i e n c ec o u l db eu t i l i z e d t h i s r e s e a r c hi sm a d eo nt h ep r o e n g i n e e rp l a t f o r m t h r o u g ht h ed e v e l o p m e n to ft h i s s y s t e ma n di t sa p p l i c a t i o nt oe n g i n e e r i n ge x a m p l e s ，i tc a nb ep r o v e dt h a tt h ed a t a m a n a g e m e n ts y s t e mf o rr a t i o n a l i z e dd e s i g n i n gw h i c hi sb a s e do nt h ep mc o u l d c o n d u c et ot h er e a l i z a t i o no f i n t e g r a t i n ga n ds h a r i n go f d e s i g nd a t a ，s h o r t e n i n gp r o d u c t d e v e l o p i n gc y c l e ，a n di m p r o v i n g t h ee n t e r p r i s e s c o m p e t i n ga b i l i t y t h i sp a p e ri s d e v e l o p e di n 6 c h a p t e r s a n di n t r o d u c e sa t l e n g t h t h ed a t a m a n a g e m e n tm o d e l ，t h es y s t e ms t r u c t u r e ，t h ec a p t u r ea n dt h eo r g a n i z a t i o no fd a t a ， w h i c ha r ea l li n c l u d e di nt h ed a t am a n a g e m e n ts y s t e mf o rr a t i o n a l i z e dd e s i g n i n gb a s e d i 山东大学硕七学位论文 o i lt h ep m ，a n da l s oi n t r o d u c e st h r o u g he n g i n e e r i n ge x a m p l et h eu t i l i z a t i o no fd e s i g n i n f o r m a t i o n t h e1 s tc h a p t e rp r e s e n t st h eb a c k g r o u n di nw h i c ht h et h e m ei s p u t f o r w a r d ，a n a l y z e st h ed e f i c i e n c i e so ft h ed e s i g n i n gt h e o r i e sa n di d e a si ne x i s t e n c e ， p o i n t so u tt h e i rl i m i t a t i o n si ni n t e g r a t i n ga n du t i l i z i n gi n f o r m a t i o n ，d e t e r m i n e st h ea i m o f t h er a t i o n a l i z e dd e s i g n i n gi d e a , i n d i c a t e st h ek e yp r o b l e mt oh es t u d i e di nt h et h e m e ， i e ，e x p e r i e n c eu t i l i z a t i o n ，a n da r r a n g e st h ew o r kf o rt h ew h o l ep a p e r t h e2 n dc h a p t e r b r i e f l ys u m m a r i z e st h ed e v e l o p m e n to fp r o d u c tm o d e l i n gi d e a s ，c o n f i r m st h ei d e ao f t o p d o w nd e s i g n i n gi np u r s u i to fp r e c i s i o ng r a d u a l l y t h e3 r dc h a p t e ri n t r o d u c e st h e p m ，i n c l u d i n gt h ed e f i n i t i o n ，t h es y s t e ms t r u c t u r e ，t h ed a t as t r u c t u r e ，a n dt h em a i n f u n c t i o nm o d u l e s ，a n dt h e ni n d i c a t e st h en e c e s s i t yo fr a t i o n a l i z e dd e s i g n i n gb a s e do n t h ep m t h e4 t hc h a p t e rd e a l sw i t ht h ee x p e r i e n c em a n a g e m e n tm o d e lo fr a t i o n a l i z e d d e s i g n i n g ，a n df u r t h e rg i v e st h ed e s i g n i n gd a t am a n a g e m e n tm o d e li nab r o a d e rs e n s e ； i ta l s oi n t r o d u c e sav e r s i o nm a n a g e m e n tm e t h o df o rd e s i g ni n f o r m a t i o n ，w h i c hl a y sa f o u n d a t i o nf o rt h ei m p l e m e n t a t i o no ft h ed a t am a n a g e m e n ts y s t e mb a s e do np m t h e 5 t hc h a p t e ri n t r o d u c e st h ei m p l e m e n t a t i o no ft h ed a t am a n a g e m e n ts y s t e mi nd e t a i l f i r s t ，i ti n t r o d u c e st h es y s t e ms t r u c t u r eo ft h ed a t am a n a g e m e n ts y s t e mb a s e do np m ， a n dt h e np a r t i c u l a r l yd i s c u s s e si n f o r m a t i o nc a p t u r ea n do r g a n i z a t i o n t h r o u g ha n e n g i n e e r i n ge x a m p l e t h er e d u c e rd e s i g n i n gp r o c e s s ，t h e6 t hc h a p t e rd e m o n s t r a t e sh o w t h es y s t e mc a p t u r e s ，o r g a n i z e s ，a n du t i l i z e st h ed e s i g ni n f o r m a t i o n ，a n df u r t h e r v a l i d a t e st h ef e a s i b i l i t yo ft h er e s e a r c h f i n a l l y , t h ep a p e rm a k e sas u m m a r i z a t i o nt o t h et h e m ea n dg i v e sa ne x p e c t a t i o n k e y w o r d s ：p m ( p h y s i c a lm o d e l ) ，e x p e r i e n c em a n a g e m e n t ，d a t am a n a g e m e n t ，v e r s i o n m a n a g e m e n t ，p r o e n g i n e e r 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名：鑫蕉霆日期：! ! ! ! 盟 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本 学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：邋导师签名：论文作者签名：金冷蹬导师签名：期：w 谐- 上f 7 山东大学硕十学位论文 第1 章绪论 1 1 课题提出的背景 制造业是现代国家经济和综合国力的基础，是个国家经济发展的重要支柱， 是国民收入的重要来源。因为现代社会的大部分物质财富都是制造出来的，西方 发达国家所走过的工业现代化历程充分证明了这一点【1 1 。近年来，信息技术的飞 速发展，促使形成了一个统一的全球市场，结果导致了激烈的市场竞争，主要表 现在客户需求不断变化、产品生命周期越来越短、产品更新换代越来越快、产品 质量更高、价格越来越便宜、技术含量越来越高、服务越来越好。特别是中国在 加入了w t o 以后。所面临的挑战将更加激烈，制造企业为了在竞争中求生存， 必须尽量缩短产品开发周期和提高产品质量，以优良的性能价格比参与竞争f 2 j 。 随着网络经济和网络制造技术的进步，对产品信息，特别是设计过程信息进行描 述的产品信息模型逐步完善。接下来的关键问题就是如何在先进理念和技术的指 导下，开发出适合企业应用的合理化设计系统。基于物理模型的合理化设计就是 在先进的产品全生命周期信息模型物理模型的基础上提出的。 1 2 产品设计的理论和方法综述及存在的不足 1 2 1 模块化设计 模块化设计是以功能分析为基础，通过功能相同而性能用途不同的各模块的 互联组合而实现各种基型产品和变型产品。 模块化设计包括模块的创建和模块的综合两个过程。模块创建包括功能模块 的划分过程和功能模块的结构设计过程；模块综合则是根掘具体设计要求，进行 功能分解，并从模块集中选择合适的模块实现分解功能，并最终将分功能模块组 合形成产品。 模块化设计可以使产品的设计、制造周期大大缩短，降低成本且提高产品的 质量，并可使产品具有很大的灵活性和适应性：能快速响应用户的多品种、小批 量的需求，使产品具有很强的市场竞争力。 但是，模块化设计是建立在模块的定义和组织管理基础之上的，其对特定产 品的模块的划分不是随意的，而且一模块与另一模块之日j 的装配关系是预先确定 山东大学硕十学位论文 的，也不能随意改变，因而这也就限制了其使用范围。它适用于机床等行业中产 品功能基本相同，但多品种的产品设计。使用这种设计方法不可能建立一种通用 统一的设计环境或适应于较大范围的产品设计。 1 2 2 基于特征的设计理论 特征技术是为克服传统c a d 系统的缺陷，为了c a d c a m 集成的需要提出 的。 传统的c a d 系统的产品建模方法是几何建型，是基于形体的几何尺寸的造 型方法，它们的模型都不包括诸如定位基准、公差、表面粗糙度、加工装配精度 及材料等工程信息，因而只是产品的几何表达，不能满足产品设计及加工的要求。 特征设计是面向设计和制造的全过程，它是以几何模型为基础并包括零件设 计、生产过程所需的各种信息的一种产品模型方案。它允许设计者通过组合常见 形体，如：槽、筋、凸台、键槽等来完成产品的设计，而不是使用抽象的几何点、 线、面。系统提供了用不同属性值实例化特征的能力，而且一般常用的形状特征 由系统设计者以特征库的形式提供给用户，且许多系统允许用户用自定义特征扩 展系统特征库。 特征技术的发展给产品的设计提供了一种手段，用户通过对一系列特征的实 例化和特征的自动维护达到产品的设计的目的。 但特征技术存在许多问题：设计人员在设计时必须采用系统预定义的特征来 设计产品；特征设计伎概念设计、技术设计完全受制造方法的限制；特征设计用 于变型设计时，一般和参数化设计方法结合，但特征问的交互作用对特征的影响 和设计过程中特征的有效性的维护，都是这种变型设计方法的致命缺陷。从根本 上讲特征设计是零件级的设计，特征设计无法支持概念设计和自顶向下的设计方 法，不支持产品设计的全过程。 1 2 3 基于参数设计和变量设计方法的设计 参数设计一般是指设计对象的结构形状比较定型，可以用一组参数来约定尺 寸关系。参数的求解较简单，参数与设计对象的控制尺寸有显式的对应关系，设 计结果的修改受到尺寸驱动。生产中最常用的系列化、标准化设计就是属于这一 类型。 2 山东大学硕十学位论文 变量设计中，设计对象的修改需要更大的自由度，通过求解一组约束方程组 来确定产品的尺寸和形状。约束可以是几何关系，也可以是工程约束，约束结果 的修改受到约束方程驱动。 参数设计和变量设计适用于产品的初始设计和定型产品系列设计，使产品的 设计图纸可以随着某些结构尺寸的修改和使用环境的变化而自动修改。 在变量设计中必需着重考虑的是约束满足问题( c s p 一一c o n s t r a i n t s a t i s f a c t i o np r o b l e m ) ，而设计一个高效的约束求解器则是变量设计的难点。目前 国内外基于约束的变量设计方法的实现方案主要有：数值约束求解方法迭代法、 基于规则的几何推理方法、基于图论的约束求解方法和基于构造过程的方法。 目前变量设计是c a d 系统研究的重点，其目的是为快速修改设计结果提供 一个强有力的工具，但因为表达的信息量小、约束的多样性和处理工程约束的复 杂性，使目前的变量设计系统无法完全解决设计中存在的问题。 1 2 4 基于装配模型的设计理论 目前的c a d 系统建立了产品的完整的几何模型，这种建模方法是从零件的 建模开始的，以完成零件的拼装形成整个产品几何设计为最终目标。这种方法一 方面是一种自底向上的建模方法，同时也难以表达产品的功能信息、装配信息等 设计者的设计意图，因为产品的功能不是由单个零件表现出来的，而是由不同零 件的组合即装配体实现的。因此装配模型是提供和维护产品功能设计意图的关键。 装配建模即是装配模型的建立过程，旨在建立完整的描述产品装配信息的数掘模 型，以期不仅可以表达零件的几何模型，而且可以通过表达零件之间的装配关系， 反映整个产品的功能要求和设计者的设计意刚孙。 常用的描述零件及零件之间装配关系的数据模型有两种： 关系模型：主要用联接图方式来表现零件之间装配关系，在联接图中，节点 表示零件，联接弧表示零件问的装配关系( 主要是坐标变换) 。 层次模型：以关系模型为基础，增加零件的安装顺序约束，可得到装配层次 模型，零件子装配体和装配体之间形成层次关系，装配分析和设计分析以子装配 体为研究对象。 但这两种数据模型表达的设计信息仍然十分有限，只表达了零件之间的装配 山东大学硕十学位论文 位置关系，无法从这些关系中获取更多的产品的功能要求和设计者的设计意图。 装配模型是人们为了提高c a d 的智能水平和为支持设计过程的较高层次而 提出的，它比较符合人们的自然设计过程，同时也是一种良好的设计方法，近年 来国内外对装配模型及建模方法进行了深入的研究，但至今仍未形成完整的理论 体系和实用的建模手段，目前的c a d 系统也无法支持装配建模。 1 2 5 基于实例推理技术的设计理论 在设计中引入实例推理技术( c a s e - b a s e dr e a s o n i n g _ _ c b r ) 是势在必行的。 近年来国内外的研究实践也充分地证明了这一点。 c b r 核心思想之一就是重用过去设计中的经验解决新的设计问题。c b r 最早 由s c h a n k & a b e l s o n ( 1 9 7 5 ) 提出。它是一个包括实例检索( r e t r i e v e ) 、实例重用 ( r e u s e ) ，实例修改( r e v i s e ) 、实例存储( r e t a i n ) i n 个环节循环过程，如图l 一1 所示。 c b r 先从实例库中检索出与当前问题类似的以往问题的解决方案，称为实例，再 以此为出发点，综合运用领域知识、推理技术帮助设计师不断交互修改该实例直 至产生能够解决当前问题的新方案：最后将评价合格的新方案作为实例存入实例 库中【4 1 。 图i - ! 墓丁实例的推理过程 国外在研究c b r 技术应用于设计时，主要集中在建筑设计领域，形成了一些 商用系统，也有应用于机械设计方面的，但至目前仍未有成熟的软件。国内在实 例推理技术的研究应用方面处于引进学习和研究阶段。 4 山东大学硕士学位论文 国内外有关实例推理技术应用于设计中的理论研究和实践，均没有很好地解 决实例修改这一难题，所有这样的研究和实践可以分为两类：一是设计支持系统， 这样的系统只是一个浏览器，提供给设计者众多设计实例，并按新的设计要求自 动选择一些实例提供给用户选择，但是实例的修改是由用户和系统交换完成的。 另一类是自动设计系统，希望找到一种系统自动修改实例的方法，这是相当困难 的。 总之，以上述及的设计理论和方法，不同程度地解决了设计中一些重要问题， 但不足之处也是很明显的。归纳起来，存在的缺陷如下： ( 1 ) 仅具有对机械零部件的几何参数、拓扑结构和几何装配进行描述和显示的 能力，只能进行零部件的几何建模工作。在进行产品设计、部件设计或零件设计 时，产品的几何形态、参数的设计过程受到很多因素的制约，如工作条件、强度 条件、刚度条件、材料情况、可靠性条件等等； ( 2 ) 非常重要的一点：忽视了设计过程经验的重用。基于实例推理技术强调 了知识重用，但这一过程中，开发人员面对的仅仅是一堆抽象的数据或参数，至 于究竟为什么选择这些数据，推理的过程是怎样的，以及如何尽量避免以往设计 过程中所犯的错误等在丌发人员头脑中必须进行的工作，c b r 就显得无能为力 了； ( 3 ) 无法充分利用企业的现有资源，设计的结果往往使企业的资源空间呈膨 胀趋势，这必将造成资源的浪费、成本的增加和生产效率的低下。模块化设计和 基于实例推理技术的变型设计方法有解决这个问题的可能性，但尚缺少行之有效 的实施手段； ( 4 ) 缺少一个有效的支持设计的人机协作的环境。 1 3 本课题的提出、关键及意义 1 3 1 课题的提出 在机械工程领域，到2 0 世纪8 0 年代，由于计算机、信息技术的发展，c a d 技 术取代了手工设计，因而逐渐积累了大量的设计数据。随着产品建模理论和设计 方法的逐步完善，设计过程的数据信息更为复杂。如何利用这些数据进行设计回 山东大学硕士学位论文 溯和设计重用，成为亟待解决的问题。 为了解决当前设计理论及方法不能记录设计意图和设计过程的现状以及对在 经验的利用方面存在的问题，在物理模型的基础上，借鉴p d m 版本管理思想，在， 零件设计过程中，将零部件设计时用到的公式，参数，计算结果以及推理过程等 相关信息按不同版本形式进行动态的管理，可以方便用户查阅设计历史。并依据 某个版本进行新的设计。 以大型c a d 软件p r o e n g i n e e r 为开发平台，利用v c + + 、p r o t o o l k i t 等强 有力的开发工具，结合先进的数据库集成技术，在实现物理模型的基础上，我们 可以对产品合理化设计进行研究。 1 3 2 课题的关键一设计经验的管理利用 。 研究设计经验正是要解决设计过程中k n o w w h y 和k n o w h o w 的捕获、组 织、提取和使用问题。首先，通过过程支持工具对产品设计过程执行每一步所发 生的事件和状态信息的及时记录并加以维护，从而为管理者及时进行过程评估、 为进一步的过程改进提供度量依据。其次是对设计历史进行记录与维护，通过及 时记录设计者的设计意图，使下游活动及时理解设计意图，同时也为以后的项目 设计提供参考。 1 3 3 课题研究的意义 在知识经济受到全球重视的环境下，设计经验管理作为制造企业知识管理的 重要组成部分，既具有战略意义，又具有现实意义。基于物理模型的合理化设计理念 的提出，既丰富了物理模型的内涵又具有实践意义。它能使开发者从一次次选择、 推理、计算的重复劳动中解放出来，能大大提高开发的效率，缩短研发周期，并 能实现产品开发经验的积累。这一设计方法是综合了当今所有合理化设计方法的 优点，在先迸的产品信息模型物理模型的基础上提出来的，为合理化设计增 添了新鲜血液，必将大大推动合理化设计领域的发展。 1 4 本课题的创新点及完成的主要工作 课题的开展基于产品信息模型的物理模型，基于物理模型的合理化设计是我 们在研究当前产品设计理论和方法缺陷后，综合了几种方法的优点提出的。目前 6 山东大学硕士学位论文 4 1 9 | s ! ! 自目g 自! s g 自! ! g 自g g e 自g g ! ! 自! e ! ! 目! ! s ! s ! 自e ! ! s ! s s 还没有人从物理模型的基础上进行过合理化设计的研究。本课题的创新之处有： ( 1 ) 结合物理模型，对产品设计过程的信息分类汇总，建立了基于物理模型 的数据模型； ( 2 ) 本文从一个崭新的角度提出将零部件设计过程中的“经验”管理利用， 对设计过程信息有效组织，建立了经验管理模型； ( 3 ) 建立了数据管理系统的体系结构，在开发的原型系统中实现设计数据和 设计经验的版本管理，为产品开发的知识重用开辟了一条新途径： 在综合比较了现有设计方法的优缺点，在深入研究了物理模型的基础上，主 要进行了以下几个方面的工作： ( 1 ) 对物理模型进行了更深入的研究工作，完善了其数据结构。实现了与三 维设计软件p r o e n g i n e e r 的高度集成，充分利用了p r o e n g i n e e r 内部数据 信息： ( 2 ) 对物理模型的典型零件设计模块进行了完善，将设计过程的工作条件、 参数、计算公式、推理过程等信息按不同版本进行存储，并实现了与数 据库的接e l ； ( 3 ) 设计实现了与物理模型其他模块集成的合理化设计总控模块，编写代码， 实现了不同零件设计历史查询功能； ( 4 ) 将开发的原型系统应用于工程实例。 7 山东大学硕士学位论文 第2 章产品建模方法和设计方法 本章介绍产品建模方法和产品设计方法，为物理模型的引入作铺垫。 2 1 产品建模方法 所谓产品模型【5 慨是给定产品在整个产品生命周期内所有各相关信息的逻辑 积累，它以产品数据的形式存储所有信息，并提供存取和管理或操作这些数据的 算法。而物理模型的研究也属于产品建模方法的一种。目前研究主要有基于特征 【6 1 的、基于参数造型【7 1 的和基于s t e p 的建模方法。 特征建模是c a d c a m 中的一项关键技术。与纯粹几何抽象相比，特征造型 冲破了纯几何的束缚，特征可提供更有意义、更准确的表达，并可将工程特征数 据与普通图形联系起来以获得更有意义、更实用的工程计算模型。而且可以使得 产品设计的图样容易修改，因此可有效地应用于机械设计及工程计算中【8 - 9 。它可 以简单的支持产品活动的不同过程、不同层次的需求，实现这些过程之间的数据 传递。研究工作的侧重决定了有不同的特征分类定义，如设计特征、几何特征、 分析特征，制造特征和装配特征等 1 0 - 1 1 】。由于特征能表达几何与非几何的信息， 因此，基于特征的设计和基于特征实现c a d c a p p c a m 集成 1 2 - 1 3 l 是基于特征的 产品模型研究的重点。 基于参数化造型的建模方法是为了解决并行设计中的过程复杂这一问题而提 出的【4 l 。参数化设计是指参数化模型的尺寸用对应关系表示，而不需要确定具体 数值。在参数化模型中变化一个参数值，将自动改变所有与它相关的尺寸，并遵 循约束条件，能够通过调整参数来修改和控制几何形状，自动实现产品的精确造 型，这就是用户利用参数驱动【l5 】的方式进行修改和设计的机制。参数化设计的概 念已经集成到很多c a d c a m 系统，如p r o e n g i n e e r 和s o l i dw o r k s 等1 1 6 1 。参数化 设计极大的改善了图形的修改手段，提高了设计的柔性，在概念设计、动态设计， 实体造型、装配、公差分析与综合、机构仿真、优化设计等领域发挥着越来越大 的作用，体现出很高的应用价值，可以更好的支持并行设计的过程【1 7 1 。 国际标准化组织( i s o ) 为产品数据交流制定了称为s t e p ( s t a n d a r df o rt h e e x c h a n g eo fp r o d u c tm o d e ld a t a ) 的规范，它是一种产品数据交换标准。它的目的 山东大学硕士学位论文 是为所有的工程应用系统提供完整的信息不仅是几何的还由非几何的一些辅助 信息1 8 】。因此，s t e p 是当今信息时代产业现代化的一项战略性的基础技术与标 准。e x p r e s s 语言是s t e p 标准的描述语言，是i p o ( i g e s p d e so r g a n i z a t i o n ) 专门开发的新式定义语言。e x p r e s s 语言是一种信息建模语言，它提供了对集 成资源和应用协议中产品数据进行标准描述的机制【1 9 1 ，而且也用来描述中性文件 实现方式的数据模型和标准访问接口s d a i 实现方式中的所有数据模型，用这种 形式语言描述标准，使标准在计算机上的实现提供了良好的基础。由于s 1 1 i p 所 涉及的内容复杂，更重要的原因是与标准有关的很多技术还不成熟，所以，s t e p 的定制工作本身也意味着产品建模和数据交换技术的研究和发展。 到目前为止，产品建模的有关研究集中在产品的几何、拓扑、特征信息的表 达上。而对于产品设计信息设计决策过程、功能记录与表达的研究还远未成熟。 这导致如下缺陷： 1 ) 产品开发管理者难以监控产品开发进程，下游的设计活动只能被动地接收 上游的设计结果，不了解设计意图和决策依据，不利于协同产品开发； 2 ) 产品开发过程中产品开发人员的设计意图难以保持一致性，影响产品质 量； 3 ) 设计变更次数多、周期长，增加了产品开发成本。 完备的基于计算机的产品建模不仅需要表达并能操作组成最终产品的零部 件、特征、几何实体的有关的信息以及它们之间的几何、拓扑、工程语义信息，而 且还应能表达零部件、特征、几何实体以及它们之间的各种关系的进化过程、设 计决策过程、功能等其它设计历史信息物理模型基于s t e p 标准，而对设计决策 过程的记录表达研究进行了初步有意义的研究。 2 2t o p - d o w n 与b o t t o m - u p 设计方法 装配环境下产品有自顶向下( t o p d o w n ) 与自底向上( b o t t o m u p ) 两种设计 方法。 t o p d o w n 设计首先建立产品的功能表达，在此基础上设计者利用c a d 系统 不断细化零件的几何结构，从而保证零件结构满足产品的功能要求，形成产品模 型。模块化设计【2 0 】就是一种自顶向下的建模设计方法。 9 山东大学硕士学位论文 b o t t o m - u p 的设计方法是在整体方案已经确定的情况下进行的，设计人员在 设计中首先利用c a d 系统分别对各零件进行详细的设计，然后根据整体设计方 案定义这些零件之间的装配关系，形成产品模型。自底向上的设计方法不能完全 表达产品的功能语义，是一种被动的设计方法，所建立的产品模型是一种静态的 产品模型。 由于产品设计本身是一个反复迭代、逐步求精的过程，因此基于c a d 系统 的产品设计中，应该采用t o p d o w n + b o t t o m - u p 反馈的设计方法，零件设计与装配 设计必须结合进行。也就是从上到下的( 从上阶段到下阶段的) 正向设计与下阶段 对上阶段提出修改意见的反向设计相结合。对每个大的设计阶段( 如概念设计阶段) 可以化分成适当小的几个阶段，对各个小阶段采用t o p - d o w n + b o t t o m u p 反馈方法。 这种设计方法完全支持并行设计的思想。 产品t o p d o w n 设计+ b o t t o m - u p 反馈的设计方法一般从功能和结构两个方面 进行【2 1 1 。t o p d o w n + b o t t o m - u p 反馈方法的设计过程一般为【捌： ( 1 ) 从产品装配概念出发，根据给定的产品功能要求和设计约束，确定产品 的大致组成和形状，确定各组成零、部件之间的装配关系和相互约束关系。 ( 2 ) 根据装配关系，把产品分成若干部件或零件，在总体装配关系的约束下， 同步地对这些零、部件进行概念设计。其中所有在上一层装配体中的装配约束通 过继承关系都将成为下一层装配体的设计约束。 ( 3 ) 在完成概念设计之后，根据各层次零、部件的各自装配约束关系，利用参 数设计功能对装配图以及零，部件进行并行的详细设计，如果在设计过程中发现 与装配约束有矛盾，则要调整不合理的装配约束，进行循环迭代设计。 ( 4 ) 产品设计过程结束后，生成产品的整套设计方案，记录设计过程，同时 产生整套工程图纸。 由以上分析可以看出，产品的物理模型应建立在高层语义信息基础上，独立 于产品的零件几何模型。另外需要指出的是产品的设计过程是从概念设计阶段出 发，逐阶段确定、求解设计参数，直到详细设计阶段完全确定零件的设计参数。 因此，在设计的过程中，设计参数具有层次性。在概念设计、系统结构设计阶段 主要是确定产品的功能、子功能、装配体间的位置、装配、运动关系的参数。这 1 0 山东大学硕士学位论文 些参数是在这一阶段确定的，并最终是体现在某一具体的零件的参数上。因此进 行参数的有效管理是物理模型能够支持t o p - d o w n + b o t t o m u p 反馈设计方法的核 心，这种并行的产品设计方法是物理模型设计的主要设计机制。 2 3 本章小结 本章介绍了产品建模和产品设计的主要方法。产品建模主要包括基于特征的、 基于参数造型的和基于s t e p 的建模方法，通过分析可以看出，基于s t e p 标准的 建模技术可以满足并行工程对产品建模技术的要求；而t o p d o w n + b o u o m u p 反 馈的设计方法支持产品从概念设计到详细设计的并行设计过程。物理模型正是采 用了基于s t e p 的建模方法以及t o p d o w n + b o s o m - u p 反馈的设计方法。 山东大学硕士学位论文 第3 章产品全生命周期的物理模型 目前的c a d 系统只能对零部件进行几何建模，只能描述和显示几何参数，这 对于产品开发而言是远远不够的，因为在产品的设过程中还需要考虑强度条件、 刚度条件等物理信息。基于装配的物理模型的提出能够从根本上解决这一问题， 在零件的设计过程中不仅考虑零件自身的设计信息，而且联系装配与约束，结合 以上提出的设计机制，建立零部件的物理信息模型。 在介绍物理模型定义之前，先介绍一下装配模型的层次和装配关系。 3 1 装配模型的层次和装配关系 大多数的商业性的模型系统是面向零件的，对装配的信息只是进行了简单性 的涉及1 2 5 1 而物理模型的建立需要由装配的信息作为基础，因此，需要完整地建 立装配模型。我们要求的面向设计的产品装配模型是描述装配体中装配层次、装 配关系的数据结构，它支持产品从概念设计到详细设计的过程，它是物理模型创 建的基础，是产品开发及支持设计灵活变动的强有力工具。面向设计的产品装配 模型描述的内容： 机械零，部件之间的装配层次关系( 整机、部件，零件) 机械零、部件之间的装配关系 3 1 1 装配模型层次关系描述 装配体可以分解成若干个子装配体或零件，子装配体又可以进一步分解成若 干个子装配体或零件，由此表现出层次性。表现在装配次序上就是先由零件组装 成装配体( 部件) ，再参与整机的装配。产品零、部件之间的这种层次关系可以直 观地表示成如图3 1 所示的装配树。树的根节点是装配体( 即最终的产品) ，叶节 点是组成产品的各个零件，而中间节点则是子装配体。 装配树的层次关系也体现了实际形成产品的装配顺序。另外，装配树形象地 表达了产品、部件、零件之间的父子从属关系，