（机械制造及其自动化专业论文）面向4d信息模型的产品设计评价技术研究.pdf

中文摘要 现有三维c a d 系统设计过程采用的是基于历史的参数化特征造型系统，它 在传统的几何造型器基础上跨越了一大步，可以集成产品各阶段的工程信息，且 造型过程简洁直观，但是依然存在很多不足，如跨特征的语义难以表达；造型过 程参数联系不能跨越历史的次序；不能有效支持并行、协同设计过程等。为了解 决目前实际存在的问题，在导师的指导下，本课题组提出了4 d 信息模型的概念、 内涵与体系结构，并着手建立一套完整的产品4 d 信息系统。 面向4 d 信息模型的产品设计评价是4 d 信息系统实施的关键技术，是其重 要支持工具，是4 d 信息系统环境下设计过程中协同求解、获取全局最优的重要 保证。开展面向4 d 信息模型、服务于产品整个生命周期的产品设计评价原理、 体系、规范及方法的系统研究，对于4 d 信息系统实践中的进一步应用与发展具 有重要意义。 本文首先分析了4 i ) 信息模型的发展现状，对其在机械领域与其它领域的应 用的异同进行了研究。并对设计评价的发展现状进行了探讨，对主流设计评价方 法进行了优缺点分析。在对当前三维c a d 设计系统进行分析的基础上，阐述了 4 d 信息模型的基本概念。基于对象，将产品4 d 信息模型分为三个层次，即数 据层、数据对象层和业务对象层，详细阐述了各层次的结构和内涵，分析了产品 4 d 信息模型的三维视图描述及其体系结构。 针对4 d 信息模型的固有特点，建立了面向4 d 信息模型的产品设计评价系 统的体系结构，并详细地介绍了系统的构成。根据设计进行不同阶段的特点和具 体需求，分别制定了不同的评价体系及相应的评价机制。然后还进一步研究了系 统具体的实现方法。研究了应用小波神经网络算法进行机械产品设计综合评价的 方法。针对动态评价过程中出现的信息不完备问题，提出了“桩模块”方法及设 计资源搜索算法。 最后，以具体产品“电磁缓速制动器”为例，应用s o l i d w o r k s 提供的a p i 进行了系统应用的初步研究。 关键词：4 d 信息模型，评价系统，动态评价，桩模块，产品设计 a b s t t a c t t h ec u r r e n t3 - d i m e n t i o np r o d u c td e s i g np r o c e s si sap a r a m e t e r i z e dt r a i ts c u l p t i n g s y s t e m ，w h i c hh a sm a d eg r e a tp r o g r e s so v e rt r a d i t i o n a lg e o m e t r ys c u l p t i n gs y s t e m i t c a r li n t e g r a t ea l lt h ep r o j e c ti n f o r m a t i o ni na l ld e s i g ns t a g e s ，a n di t ss c u l p t i n gp r o c e s s i sm u c hm o r ec o m p a c t ，b u tt h e r ea r es t i l ls o m ep r o b l e m sw i t hi t i no r d e rt os o l v e t h e s ep r o b l e m s ，t h ec o n c e p t ，m e a n i n ga n da r c h i t e c t u r eo f4 - d i m e n t i o n ( 4 d ) i n f o r m a t i o nm o d e la r ea d v a n c e d ，a n dai n t a c t4 dp r o d u c ti n f o r m a t i o ns y s t e mi s e s t a b l i s h e d ，t os o l v et h et e c h n i c a lp r o b l e m sr e l a t e dt oi t t h e4 di n f o r m a t i o nm o d e lo r i e n t e d p r o d u c td e s i g n a s s e s s m e n ti sak e y t e c h n o l o g ya n dav i t a ls u p p o r t i n gt o o lf o rt h ei m p l e m e n to f4 di n f o r m a t i o ns y s t e m i t i sag u a r a n t e ef o rt h ec o o p e r a t i v eq u e r ya n do b t a i n i n go v e r a l lo p t i m u m t h er e s e a r c h o nt h et h e o r y , a r c h i t e c t u r e ，m l e sa n dm e t h o do fp r o d u c td e s i g na s s e s s m e n tw h i c h o r i e n t st o4 di n f o r m a t i o ns y s t e ma n ds e r v i n gt h ep r o d u c tw h o l el i f ec y c l ei so f s i g n i f i c a n tm e a n i n gt ot h ef u r t h e ri m p l e m e n to f4 di n f o r m a t i o ns y s t e m t h ea c t u a l i t yo f4 di n f o r m a t i o nm o d e li sa n a l y z e d ，a n dt h es i m i l a r i t i e sa n d d i f f e r e n c e so fi t sa p p l i c a t i o ni nm e c h a n i c a ld o m a i na n do t h e rd o m a i na r es t u d i e d t h e a c t u a l i t yo fd e s i g na s s e s s m e n ti sd i s c u s s e d ，a n dt h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so f m a i n s t r e a ma s s e s s m e n tm e t h o d sa r ea n a l y z e d b a s e do nt h ea n a l y s eo fc u r r e n t3 d c a dd e s i g ns y s t e m ，t h eb a s i cc o n c e p t i o no f4 di n f o r m a t i o nm o d e li se x p o u n d e d b a s e do no b j e c t ，t h e4 dp r o d u c ti n f o r m a t i o nm o d e li sd i v i d e di n t ot h r e el a y e r s ， n a m e l yt h ed a t al a y e r ，t h ed a t ao b j e c tl a y e ra n db u s i n e s so b j e c tl a y e r , t h ea r c h i t e c t u r e a n dm e a n i n go fw h i c hi se x p o u n d e di nd e t a i l t h e3 dv i e wd e s c r i p t i o na n d a r c h i t e c t u r eo f4 di n f o r m a t i o na r ea n a l y z e d a i m i n ga tt h ei n h e r e n tc h a r a c t e ro f4 di n f o r m a t i o nm o d e l ，t h ea r c h i t e c t u r eo f p r o d u c ta s s e s s m e n ts y s t e mo r i e n t i n gt o i ti se s t a b l i s h e d ，a n di t sc o n s t i t u t i o ni s i n t r o d u c e di nd e t m l a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i ca n dr e q u i r e m e n to fe a c hd e s i g n s t a g e ，t h e a s s e s s m e n t s y s t e m a n dc o r r e s p o n d i n ga s s e s s m e n tm e c h a n i s m a r e e s t a b l i s h e d t h e nt h em e t h o d sa n da r i t h m e t i c o ft h es y s t e mi sr e s e a r c h e d t h e s y n t h e t i ca s s e s s m e n t a r i t h m e t i cb a s e do nw a v e l e tn e u r a ln e t w o r k si sa d v a n c e d a i m i n ga tt h ei s s u eo fi n f o r m a t i o ni m p e r f e c t i o ni nd y n a m i ca s s e s s m e n tp r o c e s s ，t h e b a s ee l e m e n tm e t h o di sa d v a n c e d f i n a l l y , t a k i n gt h es p e c i f i cp r o d u c t ，n a m e l yt h ee d d yc u r r e n tr e t a r d e r ，a s a n i i e x a m p l e ，a n dm a k i n gu s eo ft h ea p ip r o v i d e db ys o l i d w o r k s ，t h ee x p e r i m e n ts y s t e m i sd e v e l o p e d ，w h i c hd e m o n s t r a t e st h ev a l i d i t yo fa s s e s s m e n ts y s t e mo r i e n t i n gt ot h e 4 dp r o d u c ti n f o r m a t i o nm o d e l k e y w o r d s ：4 dp r o d u c ti n f o r m a t i o nm o d e l ，a s s e s s m e n ts y s t e m ，d y n a m i ca s s e s s m e n t ， b a s ee l e m e n t ，p r o d u c td e s i g n 1 i i 武汉理上大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 本文工作的国内外研究现状 1 1 1 产品4 d 信息模型 4 d 信息模型技术是计算机应用领域的新发展。虽然其研究尚处于起步阶段， 但它在建筑施工管理中的应用研究成果已在国内外引起极大的关注。在建筑施 工管理中，建筑物的建造是随时间变化的动态过程，用计算机模拟这种动态变 化过程，首先必须建立其计算机模型。然而现有的2 d 和3 d 模型技术难以描述 这种模型及其复杂的内在关系。4 d c a d 技术的提出为实现建筑施工动态模拟和 跟踪管理提供了可能。4 d c a d 是基于4 d i m e n s i o n ( 简称4 d ) 模型的计算机辅 助设计技术。所谓4 d 模型是在3 d 模型的基础上，附加时间因素，将模型的形 成过程以动态的3 d 方式表现出来。4 d 模型不仅仅是一种可视的媒介，使用户 看到物体变化过程的图形模拟，而且能对整个形象变化过程进行优化和控制。 4 d 模型理论是美国斯坦福大学c i f e ( c e n t e rf o ri n t e g r a t e df a c i l i t y e n g i n e e r i n g ) 于1 9 9 6 年首先提出的”“，随后推出了c i f e 4 d c a d 系统。该系统 将建筑物结构构件的3 d 模型与已有进度计划的各种工作相对应，建立各构件之 间的继承关系及相关性，最后动态地模拟这些构件的变化过程。由于该系统尚 未建立施工过程的整体4 d 模型，对构件变化过程也停留在组件描述，即只能表 达某些构件尚未施工、正在施工或已经完成，不能描述复杂的工序。1 9 9 8 年， c i f e 发布了新的4 d 模型应用系统4 d a n n o t a t o r 。在该系统中，实现4 d 模型技 术与决策支持系统的有机结合，借助4 d 模型显示功能，管理者能够直观地发现 场地中潜在的问题，大大提高了对施工状况的感知能力。目前，c i f e 正致力于 将4 d 模型概念应用于整个建筑工程管理领域中，发展基于网络的分布式管理工 具。应用先进的计算设备与交互工具，构建一个全数字交互工作室( i n t e r a c t i v e r o o m ) ，使旌工的各参与方能够实时的展开协同工作。i r o o m 的出现，揭示了下 ”一代的施工管理工具发展的方向。 在4 d c a d 研究领域中，比较有代表性的，还有英国的s t r a c h c l y d e 大学 p r o v i s y s 模型”1 ，s o u 出b a n k 大学的建筑后期维护的4 d 信息模型“1 。1 9 9 7 年， 英国s t r a c h c l y d e 大学的t h e o p h i l u sa d j e i k u m i 和a r k a d yr e t i k 提出了p r o v i s y s 控制模型，其生成的4 d 模型更为接近于旌工项目的实际情况，但是该系统主要 的研究方向在于如何更逼真地动态模拟施工现场，对于施工计划管理方面的研 究并不深入。英国s o u t hb a n k 大学的h o s e i nn r a d 和f a r z a dk h o s r o w s h a h i 于 武汉理工大学硕士学位论文 1 9 9 7 年建立了一个建筑物后期维护的4 d 模型，该研究的重点是在建筑物的维护 计划和自然环境的影响下，计算光照、材质颜色随时间的变化，通过建立建筑 物静态3 d 模型随时间变化的光照模型和材质模型，产生4 d 的模拟图像，为建 筑物维护期的研究提供了新的途径和方法。 国内关于4 d 信息模型技术的研究主要集中在清华大学以张建平为核心的课 题研究组“。6 。，从1 9 9 1 年就开始致力于建筑旌工计划三维可视化和动态管理方面 的研究，于1 9 9 5 年开发了g c p s u 系统。该系统将施工对象定义为一个3 d 整体 描述、旌工过程模拟以及结构构件实体的三维复合模型。用户交互操作这个模 型，便可在计算机屏幕上形象地构造任意指定时间、多层建筑在不同旌工层的 计划安排、实际进度以及相应的场地布置，并可直接输出其材料用量。这种施 工进度计划和场地布置的可视化模拟，使施工管理者对每一步计划和实施结果 有一个全面形象的了解，同时能够及时发现施工管理中的问题。在计划实施过 程中，交互式的构造图形和实时修改图形，可尝试和调整不同的计划策略，以 对整个施工计划和进度实施控制管理。用户也可随意检索任意时间的计划和进 度，做到对整个施工过程的动态追踪。g c p s u 系统体现了4 d 信息模型的基本 概念，其主要局限在于未实现施工对象3 d 模型与外部进度计划系统的链接。该 系统应用于北京、香港的多个实际工程，取得了良好的社会、经济效益。 4 d 信息模型技术在地理信息系统方面的研究也取得较大的进展。时态地理 信息系统的研究出现于7 0 年代后期。尝试着把时间引入空间信息系统较早的一 个方向是在地籍系统中保存历史信息。t h r i f t 在1 9 7 7 年首次提出了历史g i s 的 概念，1 9 7 8 年b a s l o g l u 和m o r r i s o n 设计了最早的历史g i s ( h i s t o r i c a lg i s ) 。1 9 8 8 年h u n t e r 提出了一个关于该方向的应用例子。1 9 9 0 年h u n t e r 和w i l l i a m s o n 提出 用创建日期和停止日期对地块进行时间标记”。他们认为在数字地籍数据库对 不同时间区间的地理信息进行整层的存储是不实际的，提出保留一个经常使用 的当前地块的图形文件，而把历史空间数据归档到另一个文件。l a n g r a n ( 1 9 9 2 ) 首先从时变空间数据存储的角度，总结出了文件系统支持下的时空立方体、快 照序列、基态修正和时空复合等四种时态数据模型”1 ；h a z e l t o n ( 1 9 9 0 ) 进行了 4 d g i s 的理论研究；g a d i a ，e t a l ( 1 9 9 1 ) 和张师超( 1 9 9 3 ) 4 i 进了时态元素( t e m p o r a l e l e m e n t ) 和时态赋值( t e m p o r a la s s i g n m e n t ) 的概念，为1 n f 关系的属性加上了时间 参照，成为时态属性，建立了一种有特色的时态模型；m i c h a e le w o r b o y s ( 1 9 9 2 ) 、 h o i n k e s ，e t a l ( 1 9 9 4 ) 和w a c h o w i c z ，e t a l ( 1 9 9 4 ) 都先后发表了面向对象数据库技术 的时空数据建模；从时空语义理解的角度，d o n n ajp e u q u e t 将时间语义理解为 事件的序列，提出了事件驱动的三域时空数据表达框架模型t r i a d ( 1 9 9 4 ) ；b i l l h i b b a r d 和d a v es a n t e k ( 1 9 9 4 ) 提出和建立5 d 数据模型；r a a f a t ，e t a l ( 1 9 9 4 1 以一 武汉理工人学硕士学位论文 个公路网为例，提出了一种符合第一范式关系的时空数据模型，并阐述了关于 历史g i s 空间拓扑关系“。 在机械领域，目前，除了本课题组吴翔博士发表的论文外，尚未见到4 d 信息模型技术在产品动态设计过程中的应用。 1 1 2 产品设计的评价技术 产品设计是一种基于知识的创造性活动，设计的进行表现为一种过程，称 为设计过程。设计过程中涉及到设计对象的数据建模，过程变换和信息的传递 及反馈。产品设计的评价可以为设计决策提供辅助支持。 有关产品设计评价的研究已有不少的方法，如：机械产品可制造性的多级 模糊综合评判方法；应用于粉末冶金领域产品可制造性评价的几何推理方法以 及分析加工零件可制造性的系统方法；基于制造约束的零件可制造性评价方法； 采用粗评、精评、综合评价三级模式进行可制造性分析的评价方法；基于优化 工艺设计，面向对象的可制造性评价方法；基于模糊集理论的产品可制造性综 合评价方法；基于装配设计准则和装配规划分析的评价方法等等。除此之外， 人们对面向成本的产品设计评价，面向环境的产品设计评价，面向维修的产品 设计评价等方面的研究也作了大量工作“。服务于产品整个生命周期的产品设 计评价体系正日趋完善。目前大多数关于评价的论文均主要针对评价方法的具 体应用，对于评价理论本身的研究较少，如何评判评价结果的合理性和客观性 也是有待解决的问题。另外，虽然目前有很多种形式各异的评价方法，但几乎 所有的这些评价系统都无一例外的需要人工提取所需评价对象的具体特征参 数，并将其输入评价系统，这显然不适用于动态评价的需要。要想进行动态评 价，具体的各评价参数应该是自动获取，根据各单项指标的特点运用不同的评 价方法对不同设计阶段的4 d 信息模型进行评价，从中择出最优组合。 服务于产品整个生命周期的产品设计评价的研究，虽然己取得了一定的成 果，但还存在着不同程度的局限性，大体表现在以下几方面： 1 ) 对产品设计的评价往往发生在产品的详细设计完成之后，不能对产品的 前期设计阶段提供充分有效的支持，从而限制了产品设计的优化程度。 2 ) 注重单个零件的设计合理性，缺乏对产品整体的考虑。 3 ) 自动化与智能化程度较低，人工参与过多，不仅繁琐、效率低，而且容 易出错。 4 ) 现有的评价结果往往仅指出设计的不合理之处，不具备提供再设计建议 的能力，设计的改进大多还依赖于用户。 5 ) 现有的评价系统很少具有较强的自我完善能力，可能导致评价中存在的 武汉理t 大学硕十学位论文 同一问题重复发生。 6 ) 某些方法虽然理论可靠，但难以应用于实际生产当中。 7 ) 大多方法仅从某单一方面对产品设计进行评价，比如：可制造性、可装 配性等，缺乏对产品整个生命周期各阶段的整体考虑，忽视了并行工程寻求全 局最优的目标，无法保证在考虑t ( 时间) 、q ( 质量) 、c ( 成本) 、s ( 服务) 、 e ( 环境) 所有因素的前提下获锝最佳的产品设计方案。 根据4 d 信息系统动态评价的要求，系统必须要有相当的动态性和自学习功 能，显然前述的这些方法都不太能满足要求。故拟选择基于小波神经网络的模 糊综合评价法作为基本评价算法。该算法的特点是适应性强，且有相当的自学 习功能。小波神经网是小波分析与神经网络相结合的产物，它融合了二者的优 点。小波分析与神经网络的结合有两种形式，一种是先利用小波变换对信号进 行预处理，提取信号的特征向量作为神经网络的输入：另一种则是采用小波函 数和尺度函数形成神经元，达到小波和神经网络的真接融合”。本文拟选用第 二种结合方法下的小波神经网络。小波网络通过对小波分解进行平移和扩张得 到级数，由于引进了伸缩因子和平移因子，因而具有更灵活更有效的函数逼近 能力，更强的模式识别能力和容错能力。另一方面，由于小波神经元的低相关 性，可以在一定程度上克服普通神经元网络收敛速度慢、可能达到局部极小等 缺陷。小波神经网络在机械领域已经有了较为广泛的应用，如故障诊断”4 等。 小波神经网络在综合评价方面目前也已经得到一定的应用，但在机械产品评价 方面国内外类似的文章还很少见到。 1 2 课题研究的目的、意义 在当今环境下，企业在竞争激烈、不断变化的市场中能否取得良好的经济 效益并持续稳定地发展，关键在于其能否在最短的时间内响应市场的动态需求， 开发出低成本、高质量的产品，因此，必须利用某种完善的产品开发过程来实 现上述目标。这就要求产品生命周期中的各种活动所涉及的产品信息应进行统 一的描述与表达，建立完整的精确的高度一致的产品模型，以实现产品各种信 息的动态共享。 传统的产品设计过程在一定程度上具有经验性和随意性，难以满足以计算 机支持的协同工作( c o m p u t e rs u p p o r t e dc o o p e r a t i v ew o r k ，c s c w ) 为特征的并 行、协同、分布和开放的工作模式和实现对设计资源的合理安排和使用。如何 形象地表达产品设计过程中各种复杂关系，动态地分配设计过程中所需要的各 种资源和工作空间，实现产品设计过程的信息化、智能化、可视化，一直是机 械产品设计过程中亟待解决的关键问题。 4 武汉理工大学硕士学位论文 为了系统地解决上面提到的问题，本课题组一直致力于丌发一套完整的设 计信息模型4 d 信息模型，即以机械产品的3 d 模型为基础，以设计进程为 时间坐标，形成产品动态进化过程的数字化信息模型。对机械产品的空间、时 间、属性进行完整的描述，实现机械产品的时空数据统一储存、管理和设计过 程的可视化监控，并按不同需求提取，完成时序、空间和时空等多种分析。该 模型的一个重要方面是提供计算机辅助动态分析的支持，即动态评价分析。系 统提供对该功能的支持主要出于两方面的考虑，一方面是设计人员的水平参差 不齐，另一方面由于目前基于网络的分布式设计环境，进一步加剧了设计冲突 的发生。 产品的设计过程是“设计评价再设计”这样个反复的过程。设计评 价在设计过程中是十分重要的。设计过程总是伴随着大量的评价和决策，只是 许多情况下我们是不自觉地进行评价和决策而已。随着设计需求的日益复杂化， 单凭经验和直觉的评价来指导设计已愈来愈不适应时代。评价不仅是对方案的 选择评定，还应针对方案的技术、经济、美学等方面的弱点加以改进和完善， 这是设计的根本目的。通过设计评价，能有效的保证设计质量，减少设计中的 盲目性，提高设计的效率。此外，应用设计评价可以有效地检核设计方案，发 现设计上的不足之处，为设计改进提供依据。面向产品设计的评价体系可以用 于分布式协同设计环境中，及时动态地对影响产品设计的各个方面进行全方位、 分阶段、多层次、多目标的全面评价，及时产生阶段性的评价结论并反馈评价 结论信息，从而在产品的设计阶段尽早地使产品满足全生命周期中众多环节( 包 括产品功能、材料、制造过程、可加工性。可装配性、可测试性、可维护性和 可回收性等) 的要求，尽早地发现、解决开发过程中所有可能产生的矛盾和冲 突，减少反复及变更次数，缩短产品的开发时间，降低成本，提高质量。 近几年，随着并行工程研究的r 益深入，作为并行设计核心之一的产品设 计评价的研究也越来越受到重视，并取得了一定的成果。纵观以往的研究工作， 大多为针对某一单一领域的研究，比如可制造性评价、可装配性评价等。还没 有一个系统能同时考虑影响产品质量的所有因素对产品进行全方位评价，没有 考虑产品设计评价的多阶段、多层次特性，难以实现并行工程追求全局最优的 目标。此外，以往对产品设计的评价，其研究对象多为产品的详细设计阶段， 相对忽视了对产品质量起重要作用的总体方案设计和结构设计等阶段的考虑， 这在一定程度上影响了产品最终的设计质量。随着科技的发展，目趋激烈的市 场竞争对产品的质量提出了更高的要求，人们的质量观也在不断地发生变化， 能否设计出符合当代质量观的产品已成为影响企业竞争力的重要方面。基于以 上认识，本文进行了“产品4 d 信息系统环境下的综合评价系统”的研究，以总 5 武汉理上人学硕士学位论文 体方案设计阶段、总体结构决策和结构设计阶段为主要研究对象，以追求时间 ( t ) 、质量( q ) 、成本( c ) 、知识与创新( k i ) 、环境( e ) 的全局最优为最终 目标，实现了对产品设计的多阶段多目标评价。 本课题的研究目标是要实现对产品设计的分阶段、多层次评估，以便设计 出真正具有竞争力的产品。本研究将构建支持产品4 d 信息模型设计环境的设计 评价系统模型，它以评价工具集和4 d 数字化设计数据库双向接几为核心，基本 达到实用化的水平，将后台评价模式变为前台工具集和专用数据库的辅助模式， 促进4 d 设计信息系统的实用化与商品化，并实现单目标智能评价与多目标交互 式评价的结合，及评价方法的软件化和评价结果可视化，解决评价目标的冲突 以及多目标的协调等问题，以更加高效、准确地辅助设计决策过程。 1 3 本文的工作 本文针对基于产品4 d 信息模型的产品设计的特点，建立了相应的评价体系， 进行了相关技术的探索与研究。主要开展了以下几方面的工作： 1 论述了产品4 d 信息模型的发展现状，对其优缺点进行了研究。并对设 计评价的发展现状进行了探讨，对主流设计评价方法进行了优缺点分析。分析 了传统三维设计系统的缺点，介绍了产品4 d 信息模型的组成、三维视图描述和 体系结构。 2 研究了面向产品4 d 信息模型的设计评价系统的特点和方法。针对产品 4 d 信息模型的具体特性，建立相应的评价系统体系结构，并详细地介绍了系统 的构成。建立了设计进行过程中各阶段的评价系统模型，详细论述这些模型的 组织结构，并且介绍其工作原理和相应的工作流程。 3 研究了产品设计过程中的各种评价方法的具体实现，包括可装配性评价， 可制造性评价、成本性能分析等，并分别详细阐述其原理和算法。最后针对动 态评价过程中出现的信息不完备性，提出了面向不完备信息的处理方法。 4 结合“电磁缓速制动器”，进行了评价系统应用研究。详细地介绍前面 儿章里论述的综合评价系统的具体使用方法，并且编制了相应的程序，对以此 为基础进行产品设计评价进行了初步探讨。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章产品4 d 信息模型概述 半个世纪以来，c a d ( c o m p u t e r a i d e dd e s i g n ) 技术经历了二维绘图、三维线 框造型、三维曲面造型、三维实体造型、参数化实体造型、变量化造型、行为 建模等阶段。c a e ( c o m p u t e ra i d e de n g i n e e r i n g ) 、c a m ( c o m p u t e ra i d e d m a n u f a c t u r i n g ) 技术在很大程度上依赖于c a d 技术的发展和推广应用。在c a d 技术的不断发展过程中，产品信息模型能否为分析和制造提供基础，成为c a d 技术发展的决定性因素之一，这也直接带动了c a e 和c a m 技术的发展。在这 一过程中，设计技术发生了翻天覆地的变化，从电子数据处理的引入开始，通 过几何建模和图形表达方式的改变到仿真技术和知识处理的应用，最终发展到 产品开发的虚拟化。 建模方法经历了基于功能的建模、基于过程的建模、面向对象的建模、工 作流建模等发展过程，这些建模方法的研究从不同侧面对系统分析和企业建模 的技术问题进行了探讨，并针对新的需求进行不断的完善和提高，在解决复杂 系统的分析中起了极其重要的作用。目前，较为成熟的、以功能操作为基础的 建模方法有c i m o s a 、p e r a 、i d e f ，g i m 等。1 。这些建模方法各有特点，但 都存在一定的不足。本章将详细分析目前建模工具的不足，并重点介绍产品4 d 信息模型的主要概念和基本结构。 2 1 现有3 d - c a d 系统存在的不足 现有3 d c a d 系统零件过程采用的是基于历史的参数化特征造型系统，它 在传统的几何造型器基础上跨越了一大步，可以集成产品各阶段的工程信息， 且造型过程简洁直观，但是依然存在其不足，主要表现在： 无法有效支持设计过程的完整阶段 产品的设计过程是一个复杂的创造性过程，可以分为概念设计、方案设计、 结构设计以及详细设计等几个阶段，设计阶段越到早期，产品信息越抽象越模 糊。现有3 d c a d 系统要求设计者自始至终对设计要求和结果十分清晰和明确， 使设计人员往往在概念设计阶段就被迫过多地局限于大量繁琐的设计细节，无 暇专注于更高层次的富有创造性的设计活动。因而它无法有效支持产品概念设 计阶段的活动。 设计过程的一致性维护较差 设计是一个循环反复的过程，在设计周期中几何模型的尺寸会被修改多次， 要求系统能自动捕捉设计者的意图，自动完成产品设计的维护工作。它是c a d 7 武汉理工大学硕士学位论文 工具需要不断完善的问题之一，特别是面向工程应用后，要求会不断提高。一 个简单的例子是在孔轴配合时，修改了孔的直径，轴的直径也应跟着变化，这 些实际应用要求设计工具支持面向工程的复杂语义的维护。 设计过程不符合工程设计人员的思维习惯 现有3 d c a d 系统支持b o t t o m u p 的设计过程，即先构造零件，然后定义零 件间的装配关系，而实际工程师设计过程是个t o p d o w n 的过程，即工程设计 人员往往是通过定义一个结构草图作为原型，通过一些高层次的设计指令不断 定义约束和调整参数值，逐步细化参数以达到最佳的设计结果。因此，用现有 的三维设计工具进行设计时，涉及高层次的定义活动实际e 由设计员在头脑里 首先思维完毕，然后再由设计工具实施记录。 无法有效支持并行、协同设计过程 一个复杂的设计对象，需要多个设计人员多方面、多层次、多阶段设计活 动的参与，这就要求从设计初始阶段就考虑到产品从概念设计到最终消亡的整 个生命周期的众多因素，强调设计过程的并行协调，现有3 d c a d 系统对于分 布式协同设计过程的支持很有限，无法有效地支持并行设计过程。“。 不支持过程特征 当前主流的3 d c a d 系统都已经可以支持基于特征的建模，但是却不能支 持过程特征，不支持时间特征的集成。这就极大的制约了过程的可重用性。而 事实上增强过程的可重用性对缩短产品开发周期、提高工作效率等方面有极大 的作用。 总之，现有3 d c a d 系统与实际应用还存在一定的差距，随着设计理论和 设计工具的深入研究，商用c a d 系统将会在提高设计效率与设计质量方面做出 更大贡献。 2 2 产品4 d 信息模型的概念 产品4 d 信息模型的提出就是为了从根本上解决上述问题，增强设计过程的 可追溯性与可重用性，提高产品设计效率，并且使设汁过程更符合设计者的思 维习惯，从而进一步实现产品设计过程的自动化。 产品4 d 信息模型( 4 一d i m e n t i o np r o d u c ti n f o r m a t i o nm o d e l ，4 d p 1 m ) 是基 于信息理论和计算机技术，在现代设计方法学的指导下，对产品全生命周期中 的内部信息( 所有与产品有关的几何、技术和管理方面的数据) 和外部信息( 产 品赖以产生的环境、知识和规则) 进行的结构化的集成“1 。 2 2 1 产品4 d 信息模型的基本结构 武汉理工大学硕十学位论文 产品4 d 信息模型强调从全生命周期的角度出发，通过建立产品各种信息之 间的联系，在计算机中实现对产品的动态完整描述，即建立一个虚拟动态全息 产品模型。为产品全生命周期中的所有用户提供一个统一的产品对象，通过此 产品对象能够及时了解到所有的产品信息，并且可以很轻松的获取与产品相关 的装配、制造等信息。 4 d p i m 通过业务对象层和数据对象层来对实现对产品形成过程中的所有信 息进行结构化集成。通过4 d p i m 可以在产品的整个生命周期中对种类各异的信 息及其之间动态变化的联系进行有效的管理。在4 d p i m 中对产品信息的描述自 顶向下分为业务对象层、数据对象层和数据层三个层次，如图2 1 所示。 业务对象层 数据对象层 数据层 图2 14 d p i m 的基本组成结构 业务对象层 业务对象层的基本构成单元是业务对象，首先介绍业务对象的概念。 业务对象( b u s i n e s so b j e c t ，b o ) ：描述某一个事物( 如零件部件、项目和 顾客等) 某一视图信息，如模型业务对象和工程图纸业务对象等。根据不同的 应用需求，对产品信息进行不同层次的抽象，逻辑上可以形成不同的业务对象。 业务对象由其属性元数据和逻辑联结的多个业务对象和数据对象组成。 数据对象层 数据对象层的基本构成单元是数据对象，首先介绍数据对象的概念。 数据对象( d a t ao b j e c t ，d o ) ：描述和控制外部文件，由描述文件属性的数 据记录( 数据对象元数据) 和文件的存储位置两大部分组成。它从文档物理属 性上对产品文档信息进行抽象和分类描述。数据对象通过逻辑联系对象同业务 对象相联，同时通过索引指针指向物理文件。 武汉理上大学硕十学位论文 数据对象层的重点是对产品数据的管理。对数据层中的数据进行封装，加 入各种管理信息，这是对数据正确使用、保证数据质量所必须的信息。如产品 数据在全生命周期中的状态信息、产品数据的系统信息、版本信息等。数据对 象层为产品模型中的各种数据附加上一定的数据语义。 数据层是在c a d 系统中形成的产品几何描述，不包含任何的管理和组织方 面的信息，它的重点是如何对产品几何进行精确的表达，如产品的参数模型、 特征模型。数据层一个重要的特点是产品数据的可交换性和一致性表达，能够 实现产品数据的一致性转换，如基于s t e p 和p l i b 标准对产品信息进行表达。 在产品设计过程中会产生大量的信息，对这些信息进行有效的分类和组织 是快速查询和浏览的基础。业务对象层相对数据对象层而言具有更抽象的性质， 通过业务对象和数据对象之间的结构化集成来实现产品模型的描述。如零件基 本记录是一个业务对象，描述一个零件的基本属性，通过这个入口能够查询和 浏览零件的各种视图如几何模型、工程图和使用说明等。产品信息的分类、组 织和结构化是业务对象层的主要内容，当然在业务对象层也包含数据的管理信 息。通过业务对象层来表达产品模型中的各视图信息。 业务对象层、数据对象层和数据层之间通过各种联系对象r 统一组织起来。 在4 d p i m 中各数据之间存在各种映射和转换关系，如c a d 模型和c a p p 模型 以及n c 程序之间的映射和转换关系，主要是通过对业务对象、数据对象和联系 对象的动态管理来实现。因而，在产品4 d 信息中主要是对各种业务对象、数据 对象和联系对象的构造和描述，也是对各种关系的表达。 业务对象层 数据对象层 数据层 零件基奉记录 p a r t b r i i 模型基本记录工程图基本记录l 文档基本记录l m o d e l b r ( c r a w b r ) l ( d o c b r ) l l 垒。鑫l 。星叁 图2 2 零件基本记录( p a r t b r ) 及其构成 武汉理工大学硕士学位论文 图2 2 用一个零件基本记录( 它是4 d p i m 的一个局部组成部分) 来说明业 务对象层、数据对象层和数据层的涵义。图2 2 中零件基本记录( p a r t b r ) 、模 型基本记录( m o d e l b r ) 、工程图基本记录( d r a w b r ) 和文档基本记录( d o c b r ) 属于业务对象，c a d 模型、c a d 工程图、1 g e s 文件和使用说明属于数据对象， 而4 d p i m c a x 属于产品数据层。各种对象之间通过联系对象r 组织成一个整体。 底层的数据层又由组件层、零件层、特征层和几何层组成。组件层是系 列零件的功能组合体；零件层主要反映零件的总体信息，是关于予模型的索引 指针或地址：特征层是一系列的特征子模型及其相互关系；几何层反映零件的 点、线、面的几何拓扑信息。分析这个模型结构可以知道，零件的几何拓扑信 息是整个模型的基础，同时也是零件图绘制、有限元分析等应用系统关心的对 象，而特征层则是零件模型的核心，特征层中各种特征子模型之间的相互联系 反映了特征问的语义关系，使特征成为构造零件的基本单元，具有高层次工程 含义。该模型可以方便提供高层次的产品信息，支持面向制造的应用系统 ( c a p p 、n c 编程、加工过程仿真等) 产品数据的要求。 2 2 2 产品4 d 信息模型三维视图描述 产品4 d 信息模型是对产品全生命周期中各种信息的结构化集成。对生命周 期中的产品信息从不同用户的观点来看，可以分为不同的视图描述；从产品信 息形成的过程来看，产品信息又具有阶段性。从视图观点来描述产品能够方便 地为不同的用户提供不同的产品信息，而从产品信息的阶段性来描述产品信息 能够记录产品信息的进化历史。产品信息同时具有多视图性和阶段性的特点， 面向全生命周期虚拟产品模型把这两者融为一个整体，用一个如图2 3 所示的三 维视图束描述。 第一视图维描述产品信息的层次化，把产品信息分为：数据层、数据对象 层和业务对象层。 第：视图维描述产品信息在生命周期的某一个阶段各种组成关系，及产品 生命周期中的各种域关系，如功能分析阶段对各功能单元之间的构成关系，在 结构分析阶段零件、部件和产品之间的构成关系等。 第三视图维( 也称生命周期维或者时间维描述) 产品信息在产品生命周期 中的进化过程，通过时间维能够记录产品进化过程，实现产品信息的可追溯性。 过程维说明虚拟产品模型是一个动态生成模型。 武汉理工大学硕士学位论文 评价对象参数组合 图2 3 产品4 d 信息模型的三维视图 2 3 产品4 d 信息模型的体系结构 通过建立产品4 d 信息模型，可以模拟产品设计过程的全貌，查阅设计历程， 了解产品设计过程及进展状况和未来所要进行的工作，明确认识到产品设计的 效果，实现产品设计过程管理和动态可视化地监控产品的设计过程，及时合理 配置设计过程中所需的各种资源，为产品设计方案的优化提供一种新的研究方 法。图2 4 描述了产品4 d 信息模型的体系结构。从图中可以看出，它主要包含 四个功能模块和五种数据。 1 ) 产品4 d 信息模型的功能模块 图形处理器 图形处理器实现产品4 d 信息模型的可视化功能，即实现3 d 几何模型的建 立、修改、删除等，建立三维图形的功能，并且，实现图形显示功能，即町以 以任意位置和角度对3 d 模型进行图形显示变换。 过程处理器 过程处理器实现产品4 d 信息模型的设计过程管理的功能，实现产品设计过 程的一些任务、活动等修改操作，并可实现过程的显示。 过程转换器 过程转换器实现3 d 几何模型、过程信息以及产品4 d 信息模型的接口等职 能。在过程转换器的控制下，产品数据信息进行传递和交换，过程表示是链接 武汉理= 大学硕士学位论文 过程活动等信息。过程转换器完成产品设计过程信息与产品4 d