（机械工程专业论文）基于pdm的可重用设计资源研究及其应用.pdf

摘要 随着制造业市场需求的变化，大规模设计模式已经不再适应当今的的市场， 现在的市场已经和以前不同，客户提出了各种各样的个性化需求。对市场做出 快速的响应是企业的核心竞争力。在这种情况下，形成了大规模定制模式，模 块化设计、可重用设计得到了广泛的应用，产品数据管理( p d m ) 成为了主要的 设计平台。c a d 模型作为一类重要设计资源，其数量随着三维c a d 技术推广而剧 增。为了提高设计资源的可重用性，从而减少企业产品开发的成本，论文围绕 构建可重用设计资源、可重用设计资源的管理、可重用设计资源的编码等关键 技术展开研究。具体内容如下： ( 1 ) 通过对p d m 软件系统的体系结构和设计重用单元进行深入的研究以后， 提出了基于p d m 的可重用设计体系结构。 ( 2 ) 探讨了基于p d m 平台构建可重用设计资源的关键技术，并对各种设计技 术对设计重用的支持性进行了分析。结合具体企业的产品给出了具体的构建方 法。 ( 3 ) 针对企业中不同的设计资源，采用不同的方法来进行构建，同时探讨了 如何在p d m 平台上对设计资源进行管理，对基于p d m 的产品开发模式也进行了 研究。详述了基于p d m 平台之上重用设计资源的管理方法、设计重用单元的引 用模式及面向检索的数据属性设计方法。 ( 4 ) 通过企业信息化需求的分析，探讨了企业编码的过程中一些尤其值得注 意的问题。结合企业的产品特点，提出了设计资源的编码的原则，设计了设计资 源编码体系，最后基于e p d m 平台开发了可重用设计资源的编码器，提高了企业 的可重用设计资源的利用。 上述研究方法在企业得到了应用，实践证明构建基于p d m 的可重用设计资 源，减少了企业的冗余数据，缩短了企业的交货期，提高了产品的设计效率， 最终提高了企业的核心竞争力。 关键词：设计重用，设计资源，p d m a b s t r a c t a st h er e q u i r e m e n t si nt h em a n u f a c t u r i n gh a sc h a n g e d ，t r a d i t i o n a lm a s s i v e d e s i g n p a t t e r nc a l ln o ta d a p tt ot h ec u r r e n tm a r k e t t o d a y sm a r k e ti sn o tt h es a m e a sb e f o r e c u s t o m e r sh a v ev a r i o u si n d i v i d u a ln e e d s t h ea b i l i t yt om a k eq u i c kr e s p o n s et ot h e m a r k e tb e c o m e st h ec o r ec o m p e t e n c eo fae n t e r p r i s e u n d e rt h ec i r c u m s t a n c e ，m o d u - l a rd e s i g na n dd e s i g nr e u s ea r ew i d e l yu s e d p r o d u c td a t am a n a g e m e n t ( p d m ) b e c o m e sam a i nd e s i g np l a t f o r m a sak i n do fi m p o r t a n td e s i g nr e s o u r c e ，t h en u m b e r o fc a dm o d e l si n c r e a s er a p i d l yw i t hb r o a d l ya p p l i c a t i o no f3 dc a ds y s t e m s i no r - d e rt oi m p r o v et h er e u s a b i l i t yo fd e s i g nr e s o u r c e sa n dr e d u c et h ec o s to fp r o d u c td e - v e l o p m e n t ，s o m ek e yt e c h n o l o g i e sa r er e s e a r c h e d ，s u c ha s c o n s t r u c t i o no fr e u s a b l e d e s i g nr e s o u r c e ，m a n a g e m e n to fr e u s a b l ed e s i g nr e s o u r c ea n dc o d i n go fr e u s a b l ed e - s i g nr e s o u r c e t h ew o r k so f t h i sd i s s e r t a t i o ni sa sf o l l o w s ： ( 1 ) t h ea r c h i t e c t u r eo fp d mi sr e s e a r c h e da sw e l la st h ec o n c e p ta b o u tp d m t h e c r e a t i o na n dm a n a g e m e n to fd e s i g nr e u s eu n i ti sa l s or e s e a r c h e d t h ea r c h i t e c t u r eo f d e s i g nr e u s eb a s e d o np d m p l a t f o r mi sr e s e a r c h e da f t e rad e e pr e s e a r c ha b o u ta r c h i t e c t u r eo fp d ma n dd e s i g nr e u s eu n i t ( 2 ) s e v e r a lk e yt e c h n o l o g i e sa b o u tc o n s t r u c t i n gr e u s a b l ed e s i g nr e s o u r c eb a s e d o np d mp l a t f o r mw e t er e s e a r c h e d t e c h n o l o g i e sf o rs u p p o r t i n gd e s i g nr e u s ea l s o w e r ea n a l y z e d ( 3 ) t h et h e s i sa n a l y z e dd i f f e r e n tm e t h o d st oc o n s t r u c tr e u s a b l ed e s i g nr e s o u r c e a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i co ft h ed e s i g nr e s o u r c e t h em a n a g e m e n to fr e u s a b l e d e s i g nr e s o u r c ea n dp r o d u c td e v e l o p m e n t m o d ew e r ea l s or e s e a r c h e d t h ei m p l e m e n t m e t h o d so fd e s i g nr e s o u r c eu n i t ，p a t t e mo fu s i n gt h ed e s i g nu n i ta n dt h ed a t ap r o p 。 e r t y o r i e n t e ds e a r c h e so np d mi m p l e m e n t a t i o nw e r e e l a b o r a t e d ( 4 ) b ya n a l y z i n gt h es i t u a t i o ni nt h ee n t e r p r i s e ，t h ea u t h o rf o u n dt h ep r o b l e m s a b o u tc o d i n gs y s t e m a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i co ft h ep r o d u c t ，t h ea u t h o r p r o v i d e dt h ec o r r e s p o n d i n gc o d i n gm e t h o df o rr e u s a b l ed e s i g nr e s o u r c e t h ep r i n c i - p i ea n dm a t t e r sn e e d e da t t e n t i o na b o u tc o d i n gm e t h o do fr e u s a b l ed e s g i nr e s o u r c e a l s ow e r er e s e a r c h e d t h ec o d e ro fr e u s a b l ed e s i g nr e s o u r c eb a s e do ne n t e r p r i s e p d mw a sd e v e l o p e d ，w h i c hi m p m v e dt h eu t i l i z a t i o nr a t i oo ft h er e u s a b l ed e s i g nr e s o u r c e n t h ea b o v em e t h o d sw e r ea p p l i e di no n ee n t e r p r i s e i th a db e e nf o u n dt h a tt h e c o n s t r u c t i o no fr e u s a b l ed e s i g nr e s o u r c eb a s e do i lp d mp l a t f o r mr e d u c e dr e d u n d a n t d a t ai nt h ee n t e r p r i s e i ta l s or e d u c e dt h et i m et ob r i n gt h ep r o d u c tt ot h em a r k e ta n d i m p r o v e t h ed e s i g ne f f i c i e n c y k e yw o r d s ：d e s g i nr e u s e ，d e s g i nr e s o u r c e ，p d m i l l 武汉理工大学硕士学位论文 第l 章绪论 1 1p d m 技术研究背景和意义 1 1 1 研究背景 随着信息化建设的不断推进，市场趋势的不断变化导致了企业的竞争模式 发生了前所未有的变化，市场已经由以前的稳定的市场转变为动态多变的市场， 消费者对产品的要求也在不断变化，不仅仅满足于产品的基本功能，而是在满 足其基本功能的同时不断提出新的个性化需求，因此企业不能继续通过以前传 统的大规模生产模式来应对消费者。企业要想在激烈的竞争环境中生存必须要 制定具有针对性的策略。麦克波提出了三种基本的竞争策略方式帮助客户处于 竞争优势地位。在三项基本的策略中，低成本策略和产异化策略显得尤为突出。 低成本策略：在为客户提供满足客户要求及质量的同时由于其消耗产品的 成本比较低，进而能够具有较低的价格，并以此来打动客户【1 1 。 产异化策略：在满足客户基本需求的同时，不断挖掘满足客户一些个性化 的需求，因此企业为了成功和生存必须提高他们产品的研发速度，尽可能地使 产品多样化，确保产品具有低成本和高质量。然而，这对产品开发工程师而言 是一个严峻的考验，这对计算机辅助设计也具有着极大的吸引力。随着c a d 、 c a m 、c a e 、c a p p 等一大批计算机辅助技术的应用方便了设计工程师在短时 间内做出更加明智的决策。 基于这一重要的时代背景，美国的一些研究机构对制造业进行了重新的思 考，提出了一系列新思想、新观点。大规模定制生产模式、敏捷制造顺势而生， 模块化设计、设计重用技术在企业也得到了广泛而深入的应用。产品数据管理 ( p d m ) 能够作为一个对设计重用支持的平台而越发受到关注。 1 1 2 研究意义 在与世界经济接轨的同时，我们也遭受了严峻的考验，市场的开放化导致 了激烈的竞争。如何帮助企业面对激烈的竞争这是一个重要的课题。客户需求 武汉理工大学硕士学位论文 日益多样化，产品功能不断完善，设计方案也不断变得益加复杂，企业只有运 用相应的办法才能在激烈的市场竞争之中获胜。由于当前的世界经济已经从资 源经济转变为体验经济【2 】。如何快速地响应多变的市场，以及如何保证企业具有 强劲持续的创新能力成为了企业的当务之急，也是一个现代化的企业所具备的 核心竞争力。 2 1 世纪的企业面对着巨大的挑战，具体表现为以下几个方面： ( 1 ) 信息量急剧膨胀。随着信息技术的不断进步，基于信息技术的相关技术 在企业中得到广泛的运用，使企业真切地感受到了技术进步带给企业的益处， 同时全球范围内的新技术、新产品的不断出现也是企业感受到了技术进步的压 力和技术进步对管理变革的要求。 ( 2 ) 顾客需求差异。经济的快速持续增长，改变了人民的生活水平，用户的 需求也发生了变化，需求和期望变得越来越高，需求的结构层次也由低层次向 高层次发展。这主要体现在两个方面：一方面，表现为对产品规格、颜色、数 量呈现个性化、差异化的要求，这种要求完全由于客户自己的喜好决定的，具 有着不确定性；另一方面，要求在产品在满足功能、质量、安全的同时，价格 要尽量地低廉。 ( 3 ) 市场全方位开放导致的全球竞争。世界市场变得越来越开放使得全球范 围内的设计与制造已经成为可能，企业如何才能赢得全球化市场的竞争，这就 要求企业不仅需要具有高质量的产品，而且必须要具备全球化的技术支持与售 后服务。 ( 4 ) 交货期缩短。企业的竞争实际上可以归结为对市场响应能力的竞争，传 统的“大鱼吃小鱼 模式已经发生了变更，而是“快鱼吃慢鱼 。谁能最先推出 新产品，谁就能占领市场的最高端，引领潮流，进而获得市场的主动权。 ( 5 ) 创新设计。创新在企业中处于核心地位，企业只有在以前的产品的基础 上不断优化产品满足多变的市场和客户的个性化需求，持续进行创新，才能为 企业挣取更多的利润，使企业永远领先。 基于以上环境，企业必须运用各种产品的设计方法、最新技术，最大程度 地对企业已有的资源实现重用【3 】，实现最大程度内部一致性和外部多样性，满足 市场的个性化需求，最终获得更多的利润。 随着企业信息化建设的不断推进，使用了众多的信息化工具，各个单元的 工具得到了广泛的应用，但形成了一个个“信息孤岛 ，究其原因是这些系统没 有能够很好地集成c a d 、c a e 所产生的大量的数据。由于企业没有对大量的基 2 武汉理工大学硕士学位论文 础数据进行标准化和规范化，产品开发时没有模块化的设计重用资源的支持， 再加上各系统缺少直接有效的集成方式，以上所有的原因综合在一起导致了企 业设计重用效率低下。 另外，在产品的开发过程中，c a d 使用层次太低，仅仅被当做一个绘图工 具，没有设计方法学的支持，不能充分利用已有的零部件资源，这些问题使得 产品开发设计人员始终处于被动局面：没有足够的时间和精力去考虑产品的系 列化、标准化以及对产品的长远规划；无法能够在最短的时间内搜索到能够直 接重用或者能够进行变型设计参考资料的技术文件。 一份研究报告表明：当设计工程师超过4 人时，将导致零部件数量无限制 的增长，然而，每增加一个新零件的年平均费用大约为2 5 0 - 5 0 0 欧元，这包括 了设计、工艺、工装、装配、维护以及仓库的成本。因此，利用“先进 的c a d 系统每年设计的千种甚至几千种“新 零件能够减少1 0 0 , - 1 5 ，那么降低的成 本也是相当可观的。由此可见，在p d m 的支持下，对产品进行标准化、规范化 降低零部件种类，使得设计工程师能够快速的检索到相同或者相似的设计并且 尽可能进行重用，做到设计人员增加不影响或者很少影响零件数量的增加，这 将大幅降低生产成本，同时便于企业进行管理，具有着重要意义。 1 2 设计重用技术研究现状 重用技术起源于计算机软件开发的领域，之后受软件开发中重用的启发进 行了推广，对于重用中的许多问题，人们依然处于进一步探索之中，目前还没 有形成统一的理论。至2 0 世纪末。设计重用的研究达到了阶段性的高潮，其中 以9 8 年在英国b r u n e l 召开的首届设计重用国际会议为主要标志。这次大会标志 着重用研究取得了突破，特别是在软件工程应用，然而，在复杂的机电产品设 计方面理论研究依然进展缓慢，突出表现在理论研究与产品开发实践处理的关 系上。这次大会的召开形成了一些重要的研究成果，例如大会对设计重用进行 分类，设计重用被划分为产品开发的创新研究以及设计重用的认知研究。r u j u n w a n g 4 j 等人提出面向d r m ( d e s i g nr e s o u r c em a n a g e m e n t ) 的管理方法，提出了 一种增强的可理解、可定制、可重用的产品模型。d a v i db a x t e r l 5 】等人提出了一 个将需求管理和设计知识重用集成的框架，分析了当前设计知识重用的方法， 主要包括：设计方法论、功能、和基于本体等方法。j o o n m y u nc h o l 6 】对零件库采 用本体元的方法进行了尝试。m e r v ir a n t a l 7 1 对可重用产品模型中需求的表示方法 武汉理工大学硕士学位论文 进行研究。 在我国设计重用的研究伴随着分类而进行，主要在1 9 5 0 年左右开始。国内 对设计重用的研究主要集中在清华大学、上海交通大学，浙江大学和重庆大学。 上海交通大学国家模具中心的王玉发表了多篇文章深入讨论了设计重用的概念 及其内涵、产品设计的重用过程框架和关键技术、基本方法及重用设计历史建 模。华中科技大学的张国军详细讨论了可重用设计原理与框架体系。齐峰【8 1 等人 对大规模定制环境下的资源的可重用模型进行了研究，同时研究了可重用资源 的使用过程。吴守飞【9 】等人研究了在大规模定制平台下设计重用支撑平台如何构 建以及基于该平台的设计过程。华中科技大学车争从软件工程角度对重用的关 键问题进行了研究。 然而，设计重用也存在着一些问题，传统的c a d 系统一般仅仅能够表达产 品的几何数据相关的信息，主要有约束、参数化信息以及特征等。这些基于几 何数据的信息很难在产品开发时实现重用，与设计原理、设计目的相关的信息 往往没有能够表示出来。个人往往很难重用别人的设计、经验和设计观察力。 以往的设计资源库是单独构建，需要与c a d p d m 分别进行集成，这造成了设 计资源的管理上的困难，与此同时多系统的集成的稳定性也是一个难以克服的 困难。有的专家学者提出了基于p d m 来管理设计资源，但是目前还仅仅局限于 标准件库，而对于企业的通用件则没有能够充分考虑，实际上只实现了零件的 简单替换，重用的程度依然不够，因此还需要做进一步的研究，提高企业设计 资源的可重用度。 技术问题主要来源于信息和知识的继承。特别地，设计信息是高度非结构 化，许多方面的信息不能通过一致的、可交换的方式来表示，即使是同一类型 的信息也可以通过不同的形式来表达。例如很多c a d 软件有他们自身的表示产 品信息的数据结构，这在一定程度上也限制了他们之间的数据交互。 交流也是一个大的问题，因为每个设计者发现很难重用设计、经验以及其 他的设计意图。这直接导致设计中的索引、检索、修改等设计重用行为出现了 问题。例如设计工程师试图查找相关设计来解决新的问题特别是过去的设计环 境和当前的环境完全不一样时。此外，环境和问题本身的差异也使得理解和修 改过去的设计变得十分困难。 1 3 研究内容 4 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 1 课题来源 本课题来源于某包装企业信息化过程中的项目支持。 1 3 2 研究内容 本文结合该企业的项目实践，主要研究内容有： ( 1 ) 基于p d m 的可重用设计资源库的研究。以三维c a d 软件s o l i d w o r k s 为 工具，以e n t e r p r i s ep d m 为平台，研究了参数化设计技术，配置设计技术和智 能零部件技术在构建可重用设计资源库的应用，研究了企业重用设计资源库功 能单元的建立步骤和建立方法。 ( 2 ) 企业信息分类及编码技术的研究。通过对企业产品的深入分析，比较了 企业传统编码体系存在的问题并结合了企业具体情况，开发了以产品开发为核 心的编码体系，基于e n t e r p r i s ep d m 开发了一套企业编码器。 ( 3 ) 研究基于可重用设计资源库的产品开发模式。分析了基于可重用设计资 源库的产品开发模式，全面阐述了面向产品全生命周期的设计方法，详述了基 于p d m 的可重用资源的实现方法、引用模式以及面向检索的数据属性设计方法。 1 3 3 论文结构 本论文主要由六章组成： 第一章，介绍了论文研究的背景和意义以及本文的研究来源和内容。 第二章，介绍了p d m 的基本概念、体系结构、设计重用技术的定义、设计 重用单元概述，提出了基于p d m 的设计重用系统体系结构。 第三章，研究了构建基于p d m 的可重用设计资源的关键技术，对设计重用 的几种技术进行了比较分析，阐述了设计资源的组成及层次关系。 第四章，针对具体企业，结合企业的产品特点，应用各种设计资源的构建 方法构建企业可重用设计资源，并研究了基于p d m 的产品开发模式。 第五章，针对企业可重用设计资源，提出了其编码的方式，并基于e p d m 进行了编码插件的开发。 第六章，总结全文的研究内容和下一步的研究工作。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章p d m 技术及设计重用使能技术 2 1p d m 基本概念及其基本功能 2 1 1p d m 的基本概念 随着信息化建设的不断推进，c a x 技术在我国的各大企业得到广泛的运用， 这些技术的应用使企业感受到了信息化带给企业的益处，切实提高了企业开发 产品的能力和市场的竞争力。然而，由于这些工具的使用导致了大量的设计数 据和技术文档的产生，企业所积累的数据呈爆炸式的增长，另一方面，由于企 业实施了各种各样的工程应用系统，各个系统是一个个独立的系统单元，因此 在企业内部形成了众多的“信息孤岛”，这些问题的出现严重影响了企业的企业 的发展，成为制约企业不断前进的一座大山。在这种情况下，产品数据管理 ( p r o d u c td a t am a n a g e m e n t ，p d m ) 应孕而生。p d m 系统是一种软件工具，使企 业有效地管理产品开发过程中所有的与产品相关的数据，帮助设计工程师、管 理者以及其他人员更为有效地重用已有的产品数据和设计流程【l0 1 。 实际上p d m 并没有一个严格规范的定义，世界上的各个研究组织也先后给 p d m 制定过并不严格的定义，例如美国的国际咨询公司c i m d a t a 给p d m 下了 一个概括性的定义：p d m 是一门管理所有与产品相关的信息和所有与产品相关 的过程的技术i l 。 p d m 实际上从2 0 世纪8 0 年代提出以后一直不断地在发展，其内涵也在不 断地丰富，先后可以划分为四个阶段，如图2 1 所示。 j ，。 钞向旷书卜 图2 1p d m 演变过程 第一个阶段是2 0 世纪8 0 年代初，p d m 概念刚刚提出，为了解决大量图文 6 武汉理工大学硕士学位论文 档管理混乱和存储的问题，此时的p d m 属于基于图文档管理的p d m ，管理对 象是图文档。 第二阶段，2 0 世纪中期开始，p d m 能够支持流程管理，通过流程管理企业 可以简化工作程序，使得工作变得更规范，1 9 9 7 年，i b m ，s d r c ，r t c 与o m g 一同公布了c o r b a 草案，此阶段的p d m 是面向过程的p d m 。 第三阶段，到了2 0 世纪9 0 年代中期，随着i n t e m e t 、c r o b a 、j a v a 技术的 不断涌现，构建了基于这些新信息技术层面上的p d m ，更加强调企业之间在商 务上的协同，此时p d m 是面向商务协同的p d m p c 。 第四个阶段，2 0 世纪末，随着企业的不断发展，经济全球化，要求企业经 理人不能继续从传统的业务职能方面来处理公司事务需要他们从业务流程的角 度来考虑，那么就需要各个协同产品过程、供应商集成，p d m 此时演变成一个 面向产品全生命周期的p d m 即p l m ( p r o d u c tl i f e c y c l em a n a g e m e n t ) 产品生命 周期管理。 2 1 2p d m 的核心功能 虽然各个p d m 软件厂商不断丰富自己的软件功能，但是企业实施p d m 实 际上比较关注p d m 的一些核心功能，这些功能主要包括：权限管理、系统集成、 图文档管理、过程管理、项目管理【1 4 】。其他的各种应用功能例如，产品结构管 理、零件分类管理都是基于这些核心功能。 ( 1 ) 权限管理 p d m 系统中必须对所有的用户权限的分配指定，例如规定哪些用户能够对 文档进行编辑、哪些用户只能对文档进行只读，又有哪些用户对文档既可以编 辑又可以进行状态的变更和复制。p d m 系统中可以根据用户、用户组、角色等 各种方式进行权限的赋予，再与相应的工作流程和状态进行结合，保证了数据 的安全性，确保正确的数据传给正确的使用者。 ( 2 ) 系统集成 p d m 是一个企业级的应用平台，将多种不同的应用软件集成为一个整体属 于p d m 的一个重要的核心任务。p d m 与其他应用系统进行集成才能保证各种 应用系统的数据系统的一致性，例如p d m 与c a d 的集成、p d m 与e r p 的集 成。p d m 与c a d 的集成程度最深，通过p d m c a d 系统集成应用新的产品建 模方法，p d m 与e r p 的集成也成为当前热点话题。 7 武汉理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 图文档管理 对产品信息及其他业务数据的管理是p d m 一个重要功能。p d m 中的产品 信息主要包括信息记录和各种不同的文档，常见的有三维模型、二维工程图、 设计任务书。这个功能记录了文档从产生到最终消亡，实现了产品信息全生命 周期管理。 版本管理具有着重要意义，它对文档的每次重要改动都进行了及时记录， 保证了将正确的版本发送至正确的使用者，对设计工程师而言，也方便他们对 整个设计过程进行追踪。 ( 4 ) 过程管理 过程管理也被称作为工作流管理，主要是充分利用邮件消息通知机制对产 品开发和产品变更过程进行控制，提高了文档的传递效率，实现了从概念设计、 到产品消亡整个过程中所有数据追踪与监控，这个过程通常也是可以追溯的。 ( 5 ) 项目管理 项目是为开发或者制造某个特定产品所成立的一个临时组织，p d m 中的项 目管理主要包括任务管理和进度管理两部分，它是建立在工作流程基础之上， 实现项目过程中计划、组织、人员以及相关数据的管理与配置、项目状态及进 度的审查与跟踪【1 5 】。 2 2 设计重用技术概述 2 2 1 设计重用技术定义 企业在新产品开发过程中经常进行很多重复性工作，重复性的工作主要体 现在两个方面。首先是对大量相似件或者完全相同的零件进行重复设计，这浪 费了宝贵的产品开发时间。根据一项调查报告显示，按照用户需求进行开发的 零部件大概只占1 0 ，其余都是相似或者完全相同的零部件，但是1 0 零件所 占的成本却比较多，大约有7 0 。实际上对于一般简单件都可以在以往的零部 件中找到参照，有时甚至可以直接选用，进行简单的修改；其次，新产品开发 的过程中均包含着各种各样的重复，例如产品概念设计阶段存在概念重复，结 构设计阶段存在结构的重复设计。因此，重用在产品开发中有着重要的作用， 实际上重用最早是在软件开发工程领域得到了应用，然后才慢慢拓展到其他工 程领域。 8 武汉理工大学硕士学位论文 设计重用思想是指在产品开发过程中各种设计活动中重用、引用或者参考 已有的设计成果i l6 。实际上对设计工程师而言，设计重用行为早就发生了，每 个设计工程师在进行新产品开发时，总是先在头脑里检索，试图发现以前是否 有相似的设计，由于早期的技术不能够很好地对设计重用进行支持，也缺乏对 设计重用单元进行规范的组织和管理，设计师的设计重用行为仅仅是个体行为， 没有形成群体的行为，效果不够明显。设计重用没有得到重视。 设计重用技术是指在产品全寿命设计中，借助于计算机工具重用、应用或 者参考已有的设计资源的一种技术和方法。通过实施设计重用技术对于企业缩 短新产品开发周期，尤其是当今竞争日益激烈的市场，具有着巨大的意义。 2 2 2 设计重用单元概述 设计重用单元是指为了能够为以后设计中实现重用而专门建立的单元，该 单元不仅仅包括了c a d 模型、制造工艺信息，对产品成本、可靠性、性能也进 行了描述【1 4 】。使用可重用设计单元一个最为重要的好处便是在概念设计时，设 计工程师便能够得到一个可视化、可重用的单元，不仅如此，在产品的整个开 发过程中为设计工程师决策时提供有效的信息以帮助其作出合理的决策。 2 2 3 设计重用单元的管理 设计重用单元管理是利用企业先进的管理设计平台，对设计重用单元进行 科学的组织、维护，提升设计工程师对设计重用单元应用效率。p d m 软件，已 经成为企业一个先进的设计管理平台，它能够确保追踪设计、制造所需的大量 数据，同时能够对整个产品的设计过程进行很好地管理。因此，可以将p d m 作 为设计重用单元的管理平台，充分利用p d m 强大的搜索功能，对设计重用单元 进行属性、状态等查询，实现设计重用。 2 3 基于p d m 的设计重用系统体系结构 在软件开发的初期必须制定整个软件系统的体系结构，通过软件系统的体 系结构可以更好理解系统中各个组成部分以及其与外部环境之间的关系，这是 软件开发的基础。 9 武汉理工大学硕士学位论文 结合重用系统提出了基于p d m 的设计重用系统体系结构，如图2 2 所示。 设计人员、系统管理员、工艺人员 系统界面 c a x 工具、c a p p 、e i t p 用户操作接口；应用程序开发接i s i p d mi 重用资源库 操作系统、数据库库、网络 图2 2 基于p d m 的设计重用体系结构 该体系主要由六个层次构成，分别是用户层、使用界面层、应用工具层、 应用支持层、底层平台层。 ( 1 ) 底层平台层 底层平台层主要负责支撑系统的运行，主要包括网络、数据库、操作系统 等，这些组成部分为整个系统的运行提供了各种各样的环境支持，比如，关系 型数据库的基本操作功能支持了可重用资源在p d m 系统中的管理。 ( 2 ) 应用支持层 应用支持层提供了各种各样功能应用模块，在该层需要将各种应用工具进 行封装，从而实现与特定的工具进行数据接口。这些基本的软件服务是通过与 数据库交互来进行调用。 ( 3 ) 应用工具层 应用工具层包括了企业随着信息化而使用的各种各样的软件工具，所有的 这些工具必需能和p d m 有一个很好的集成，只有这样才能保证数据的一致性， 对各种工具产生的电子数据得到有效地管理。 ( 4 ) 使用界面层 用户可以通过各种方式来进行系统的登录来完成相关的工作，登录界面的 方式也是多种多样，既可以通过客户服务器也可以网络方式访问重用资源，通 过在资源库中进行查找有用资源，以减少产品开发时间。 ( 5 ) 用户层 用户层包括了各种各样的角色，例如工程师、系统管理员、工艺设计人员， 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 提供了基于角色访问重用资源库的功能，对于不同角色的用户也进行了权限的 划分。 2 4 本章小结 本章首先对p d m 的概念及其功能进行了介绍，同时概述了设计重用技术， 介绍了设计重用单元，以及如何通过p d m 对设计重用单元进行管理，最后提出 了基于p d m 的设计重用系统体系结构。 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章基于p d m 的可重用设计资源构建关键技术 随着计算机技术的飞速发展，越来越多的新技术不断出现，同时设计重用 是一个极其复杂的系统工程，不仅需要管理和文化的协同，更需要各种先进技 术的支持，本章主要讨论在p d m 系统软件平台上构建可重用设计资源的关键技 术。 3 1 可重用设计资源概述 设计资源是指已有产品零件的几何数据、设计知识以及方法等一切相关内 容的集合【4 j 。可重用设计资源是指在产品开发过程中能够多次重用的设计资源。 广义的可重用设计资源是指所有的可重用的设计信息的集合，更加侧重于工程 数据的可重用性、对数据进行良好的组织和管理。本文所关注的可重用设计资 源主要是指各种c a d 工具所产生的电子模型数据，包括特征、零件、部件、产 品。 设计资源的重用无论从哪个方面考虑对企业都具有着重要的意义。一方面， 这能够帮助企业进行产品快速开发，缩短产品开发周期。一个新产品的“新 通常是由于它的性能和功能与其他产品不同，这直接导致了物理结构的不同。 然而，新产品的很多零件却不是新的，只有2 0 左右是全新的，其余的都是相 似或者相同的。另一方面，重用已有设计资源能够进行连续开发，不仅提高产 品的开发质量还可以减少产品开发成本。 3 1 1 可重用设计资源的组成 本文所研究的可重用设计资源主要是指狭义的设计资源，主要包括：特征 资源、零件资源、外购件资源、标准件资源、部件资源、产品资源。其主要组 成如图3 1 所示。 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 图3 1 设计资源组成 1 ) 标准件资源 标准件资源是国家或者国际通用的一些零件的集合，比如常用的轴承、螺 母等。目前商用的c a d 软件基本上已经附带有常用的标准件，例如达索公司的 s o l i d w o r k s 在其内部就配置有常用的标准件库t o o l b o x 。 2 ) 外购件资源 外购件是指产品的设计过程中需要，但是不需要企业自己设计制造的一类 零部件，企业可以直接从合作企业购买而得到。外购件可以直接从相关的网站 进行免费下载，比如主流网站3 dc o n t e n t c e n t r a l ，就提供了大量常用的外购件进 行下载，当然用户也可以根据自己的需求进行手工建模，这需要花费一定的时 间。 3 ) 特征资源 在实体建模中，构成实体模型的基本元素就是特征，它不仅仅描述了信息 的集合，而且有关产品的功能也有体现。由于特征从本质上来讲也属于参数化 的实体，其大小也能够随尺寸而进行改变，因此可以通过利用有限的特征进行 组合从而生成大量种类多样的零件实体模型，结合c a d 中的参数化功能就能实 现零部件的通用化系列化。 4 ) 零件资源 零件是组成机械是组成机械基本单元，同时也是制造过程的基本单元。通 过对企业零件进行相似分析，对相似的零件抽取共同的特征进行建模，进行新 零件设计时可以直接进行借鉴。 5 ) 部件资源库 武汉理工大学硕士学位论文 将产品根据功能进行划分，可以化为多个功能模块，每个功能模块对应的 部分就是一个部件，它是产品组成的重要组成单元，对通用相似的部件进行建 模，产品开发的过程中可以通过模块化设计，进而提高产品开发设计的效率。 6 ) 产成品资源 根据企业产品特点结合用户需求而将企业产品划分一组组相似的部分。通 常情况下不需做修改，直接重用产品就能实现用户需求。 3 1 2 可重用设计资源的层次 本文所研究的可重用设计资源主要是c a d 产生的模型，可以将设计资源的 重用性分为四个层次，具体如表3 1 所示。 表3 1 设计重用的层次 重用层次作用 特征层 零件层 部件层 产成品层 借助有限的特征构建无限的零件实体模型 充分利用零件相似性，减少重复建模次数 通过功能模块划分，在设计开发过程中进行模块化设计 利用配置设计和参数化设计技术快速建模，提高效率 3 1 3 可重用设计资源库结构与管理 设计工程师对设计重用单元的重用效率与可重用设计资源库的组织与结构 有着十分密切的关系，可重用设计资源库的管理和维护是保证可重用设计单元 重用的重要基础。 1 ) 可重用设计资源库的结构 每个企业的产品都有自己的特点，产品特点的不同也导致每个企业的产品 的开发模式是不一样的，对可重用设计资源库的组织也会有所差异。一般而言， 企业的可重用设计资源库的组织形式是由企业产品的系列以及各个系列之间零 部件的共享程度而决定。下图3 2 列举了不同企业的两种不同的可重用设计资源 库的组织形式。 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 国粤翼罂曼燃国。璧蔫著掣 审。节辫累列 昌；焉篷穗 j ! 竺苎一 固运鬲藩一 o - ) 基础件瘁 一j 部件库 叭i 、澜删 3 纂琵耄慧裂 国。燃删宝嚣嵩嚣麓翥 p 竺垡苎 ：；曷菇菇篆茹 。基础件摩 园。葺并库 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参数化设计是对已经定义好的参数修改，能够实现图形关联部分的自动修 改【2 1 1 1 2 2 1 。特征是指产品上具有一定语义信息的一组几何实体，这些几何实体能 够实现一些特定的功能圆】。另外一个比较认可的特征的定义：是对产品几何形 状的一种表示，能够将产品生命周期内的几何形状和功能通过图形来表示1 2 4 。 特征建模被认为是几何建模的扩展应用，因为通过几何建模的方法仅仅存储了 产品模型的几何信息，而特征建模将功能信息与几何信息进行了关联。例如终 端用户对形状的使用或者形状的可制造实现的方式。 基于特征的c a d 产品造型可以为四个层次：草图、特征、零件和产品，如 图3 1 所示。其中特征是三维造型的基本单元。 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 草图 l 。一。 特征 i - - 一- 零件 l - - - - 一 产品 图3 3 基于特征的c a d 产品造型 草图提供生成特征的基本信息，如拉伸特征的截面等，草图中存在着几何 约束与尺寸约束。从草图生成特征需要追加特征构建参数，如拉伸特征中的深 度等。 在特征层次中，特征之间的关系十分复杂，既包括类似于草图中的尺寸约 束和几何约束，还有特征之间的父子关系和时序关系。 一系列的特征经过组合、剪裁、阵列、镜向等操作形成零件模型，零件模 型中需要体现设计意图，反映产品的基本特性。 零件按照装配要求生成产品的整体模型，c a d 软件不仅支持静态装配，还 可以演示产品中零件的相互运动关系。在产品总体层次体现设计意图，如产品 中零件的相互空间位置等。 当前的c a d 主要是以约束造型为核心将尺寸驱动作为特征，按照先画草图， 然后输入准确尺寸完成的最终设计，即把特征作为操作单位，对特征信息进行 参数化，将参数化和特征设计灵活地组合起来运用的一种技术。基于特征进行 设计时设计工程师通过交互式系统中制定一个特征模型，例如通过图形用户接 口可以在类库中通过指定参数值生成新的特征实例，并且将它添加到模型之中。 一些系统设置了用户自定义特征，用户可以生成新特