（机械设计及理论专业论文）基于特征识别的cadcapp信息集成.pdf

塑坚查兰堕主兰竺堡皇! ! 生 摘要 c a d c a p p 信息集成，是一个计算机图形学、计算机辅助设计、计算机辅 助土艺规划等研究领域的相互交叉的典型课题。这项研究对于建立完整的产品 数据信息系统，推动信息的共享和集成以及c d 订s 的发展，具有重要的学术意 义和应用价值。 本文提出了一种基于特征识别的c a d c a p p 信息集成的方法。在二维工程 图样的基础上，自动提取产品的零部件信息和单个零件的几何特征信息，然后 建立面向集成数据库，为参数式c a p p 系统提供工艺信息，形成c a d c a p p 的 、， 信息集成。r 1 7 本文研究内容的重点是基于特征识别的产品特征信息的识别和组织。对单 个零件工程图通过二维特征识别的方法，自动提取几何特征信息；通过几何特 征之间的关联和规则匹配，获取实体特征信息以及实体的属性信息。然后，在 二维工程图样的基础上，通过工程图样中的产品明细表，获得产品的零部件信 息和产品的装配隶属关系，生成产品装配树。 第二步，对零件信息进行整理和组织。f 首先建立面向制造的集成数据库： 然后将几何特征信息转换成具有工程语义的功能特征，并建立功能特征和加工 面之间的关联以及功能特征和相应的加工操作之间的对应关系，生成对应于具 体产品零件工程图样的特征数据库。卢7 v 最后，建立基于数据库的集成化c a p p 系统的零件信息输入接口。当生成 s 产品工艺文件时，在对应的面向制造的集成数据库中，根据具体的加工操作和 加工面，搜索对应的特征信息，实现工艺信息的自动获取；并通过产品装配树 等信息获取整个产品的相关属性，实现产品信息的汇总。j 这样，有效地实现基于特征识别的信息集成。 关键词：工程图样、特征识别、c a d 枣c a p p 、信息集成 浙江大学硕士学位论文 摘要 a b s t r a c t t h ei n f o r m a t i o ni n t e g r a t i o no fc a d c a p pi sat y p i c a lt a s kt h a tal o to fr e s e a r c h f i e l d ss u c ha sc gc a da n dc a p pi n t e r c r o s so n ea n o t h e r t h i sr e s e a r c hh a s i m p o r t a n tl e a r n e dm e a n i n ga n da p p l i c a t i o nv a l u ef o rb u i l d i n gc o m p l e t ep r o d u c t d a t a i n f o r m a t i o ns y s t e ma n dd r i v i n gt h es h a r i n ga n di n t e g r a t i n go fi n f o r m a t i o na n dt h e d e v e l o p m e n t o f c i m s t h i sd i s s e r t a t i o np r o p o s e dam e t h o do f i n f o r m a t i o ni n t e g r a t i o no f c a d c a p pb a s e d o nf e a t u r er e c o g n i t i o n f i r s t ，t h ep a r t si n f o r m a t i o na n d g e o m e t r y f e a t u r ei n f o r m a t i o n o fp r o d u c t sw a se x t r a c t e da u t o m a t i c a l l yo nt h eb a s eo f2 de n g i n e e r i n gg r a p h i c s t h e n ，f e a t u r ed a t a b a s ew a sb u i l tt op r o v i d et e c h n i c si n f o r m a t i o nf o rp a r a m e 埘c c a p p s y s t e m f i r s t , t h ee m p h a s i so ft h i sd i s s e r t a t i o nw a st h er e c o g n i t i o na n do r g a n i z a t i o no f p r o d u c ti n f o r m a t i o nb a s e d o nf e a t u r er e c o g n i t i o n g e o m e t r yf e a t u r ei n f o r m a t i o nw a s e x t r a c t e d , a n de n t i t yf e a t u r ea n dt h ea t t r i b u t ei n f o r m a t i o nw e r eg o tb yt h er e l e v a n c y a n dr u l em a t c h i n ga m o n gg e o m e t r yf e a t u r e t h e n , t h ep a r t si n f o r m a t i o na n dt h e s u b j e c t i o nr e l a t i o n s h i po fp r o d u c t sw e r eg o tb yp r o d u c t l i s ti no r d e rt ob u i l dp r o d u c t a s s e m b l yt r e e s e c o n d l y , t h i sd i s s e r t a t i o no r g a n i z e d t h ei n f o r m a t i o t tb u i l dt h ed a t a b a s eo r i e n t e dt o m a n u f a c t u r i n g t h i sm e t h o dt r a n s f e r r e d t h e g e o m e t r yi n f o r m a t i o ni n t o f u n c t i o n f e a t u r ew i t he n g i n e e r i n gm e a n i n g s ，a n db u i l tt h er e l e v a n c yo ff u n c t i o nf e a t u r ea n d t h em a c h i n i n gf a c ea n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nf u n c t i o nf e a t u r ea n dm a c h i n i n g o p e r a t i o n , a n dp r o d u c e d t h ef e a t u r ed a t a b a s e o f p r o d u c te n g i n e e r i n gg r a p h i c s f i n a l l y ，b u i l d t h ei n t e r f a c eo fp a r a m e t r i cc a p ps y s t e m # p 女e n p r o d u c i n g t h e t e c h n i c sf i l e s ，t h es y s t e ms e a r c h e dt h ef e a t u r ei n f o r m a t i o ni nt h ef e a t u r ed a t a b a s e o r i e n t e dt om a n u f a c t u r ea c c o r d i n gt om a c h i m n g o p e r a t i o na n dm a c h i n i n gf a c e ，a n d r e a l i z e dt h ea u t o m a t i ce x l r a c f i o no ft e c h n i c si n f o r m a t i o n ，a n dr e a l i z e dt h ec o l l e c t i o n o f p r o d u c ti n f o r m a t i o nb yp r o d u c ta s s e m b l y t r e e t h ei n f o r m a t i o n i n t e g r a t i o no f c a d c a p p w a sr e a l i z e de f f e c t i v e l y k e yw o r d ：e n g i n e e r i n gg r a p h i c s ，f e a t u r er e c o g n i t i o n ，c a d c a p ei n f o r m a t i o n i n t e g r a t i o n 2 塑笙查兰堡主兰垡堡壅墨二童! ! ! 生 1 1 引言 第一章绪论 在现代化的工业企业中，数据的共享和集成程度越来越成为决定企业能否 进一步高速发展的关键因素。在2 0 世纪末，企业在其设计和生产过程中开始广 泛使用c a d 、c a p p 等先进的计算机辅助技术，新技术的应用在促进生产力发 展的同时也带来了新的挑战。由于在通常情况下，企业发展初期c a d 、c a p p 和c a m 等计算机辅助系统是各自独立发展起来的，缺乏统一的规划，虽然各 计算机辅助单元的技术已经日益成熟，但各个单元自成体系，彼此之间缺乏必 要的信息沟通与协调，给它们之间的数据共享带来了困难。而在众多的计算机 辅助软件系统中c a d 和c a p p 的数据集成尤为重要，c a d c a p p 的集成是指 c a d 和c a p p 之间的信息共享。c a d c a p p 的集成包括信息集成、网络集成和 功能集成。信息集成主要解决异构数据源和分布式环境下的数据交互操作和数 据共享等问题：网络集成解决异构和分布式环境下网内和网间的设备互连、传 输介质互用、网络软件互操作和数据互通讯问题：功能集成则以解决应用互通 互换、应用程序互操作以及界面一致性等为主；其中信息集成是c a d c a p p 集 成的实质性需要，因而倍受国内外研究人员的关注。目前的c a d 系统中，二 维c a d 系统通常只提供实体的二维几何信息，而三维c a d 系统无论是用线框 法( m i r e f r a m e ) ，还是构造实体几何法( c s g ) 或边界表示法( b r e p ) ，虽然 能精确完楚地表示三维物体，但不能为c a p p 提供高层次的零件特征信息。而 目前的c a p p 系统，采用的零件描述方法，无论是编码法，还是专用语言或表 面元素法，虽然可以在一定程度上满足c a p p 的设计要求，但需要对零件信息 重新输入。这样不仅工作量大，使在d 系统中的设计意图不能很好地反应 在后续过程中；而且可能造成c a d 、c a p p 系统描述的不一致性，形成新的数 据孤岛，不利于整个企业c i m s 的有力实旌。因此，c a d c a p p 的集成不仅是 解决c a p p 信息输入问题的根本途径，也是c 订s 信息集成的迫切要求，建立 个能够将通用c a d 系统和专用c a p p 系统集成起来的面向对象的信息集成 系统成为当务之急。“1 现代化的工业企业同时要求企业具有良好的兼容性和专业性，要求该企业 能够尽量利用现有的符合工业标准的零部件，需要企业具有良好的信息触觉， 敏锐地感受到各种相关的变动：并且工厂的规模越来越大，地域分布越来越广， 以往的集中式、大而全的企业模式不能适应现代化的要求。这就对二十一世纪 的新型企业提出了更高的要求，要求信息集成不仅要在工厂内部实现，而且需 要在确保安全的情况下同外界进行准确及时的信息交流，这些促进了基于w e b 的数据库访问技术的发展。w e b 数据库访问技术是i n t e r n e t 和数据库技术共同 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 的发展方向，也是i n t r a n e t 应用研究的关键。近年来，国际互联网的蓬勃发展 对数据库技术产生了重大的影响，这不仅促进了数据库管理系统向着支持网络 模式的方向发展，更促进了基于网络的数据库应用系统的发展。w e b 作为 i n t e m c t i n t r a n c t 的核心应用，具有信息量大、范围广和开放性等特点；而数据 库技术则是一种比较成熟的技术，结构严谨，数据紧凑，具有良好的可读性和 保密性。二者这种对立互补的特性使其相互结合成为大势所趋。特别是，随着 c i m s 、p d m 等新技术的出现，对c a x 之间的集成提出了更高的要求，这样针对 企业生产中的实际情况，形成了三个基本观点： 1 ) 企业生产的各个环节必须统一规划，全盘考虑，对c a d 、c 婶p 等应用 系统进行统一的协调规划，使它们具有良好的兼容性和一致性； 2 ) 信息的采集、传递和加工处理贯穿整个生产过程，能够使在各个专业 部门产生的设计产品不同方面的数据在部门之间传递、共享，并保证数据的准 确、可靠与安全： 3 ) 信息的提取与管理。在广泛应用了计算机辅助系统的今天，如何减少 工程师花费在对设计结果的处理上的精力，以缩短产品的开发周期是十分关键 的。 这就对e a x 之间的集成提出了具体的目标和发展方向。 1 2 二维图形特征识别2 1 8 1 特征识别是利用几何造型系统和绘图系统所提供的数据模型( 文件) ，对几 何模型进行解释，以鉴别针对应用的特征。特征识别可以由用户交互地进行。 用户在构造几何模型后，通过拾取屏幕上模型影像中的几何实体或者图形中的 视图投影来定义特征，再将特征参数或精度属性等信息添加到所识别出的零部 件特征构成中去，形成特征模型。目前，特征识别的自动化程度越来越高，特 征识别的自动化是研究人员的努力目标。 特征自动识别技术，起初是图形学和c a d 专业人士的研究内容之，主 要以产品的三维模型为识别基础，自动识别产品的工艺制造特征。近些年来， 特征自动识别方面的工作也引起了从事计算机视觉和图形理解研究的人士的注 意，因为解决这些技术问题的本质有着许多的共同点。关于2 1 d 特征识别的文 献报道不是很多，但2 1 3 特征识别具有十分重要的现实意义。因为一方面实际 生产过程中大量使用二维产品设计c a d 系统，生成的是2 d 产品信息数据；另 一方面，二维c a d 系统作为直观的视图表示方法，具有非常突出的优点。 特征自动识别是一项具有挑战性的工作，识别目标与应用目的密切相关。 2 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 从图形中识别零件的特征是非常有用的。在过去二十年中，发展了一些特征识 别算法，大部分是基于体( v o l u m e ) 的和基于面( s u r f a c e ) 的，包括模式匹配， 实体生长( e n t i t y g r o w i n g ) ，体分解( v o | u m e d e c o m p o s i t i o n ) 。因为用图( g r a p h ) 能够表示各种关系结构，所以在特征识别中基于图匹配的方法比较多。例如在 三维模型问题中，一种流行的方法是把特征定义成由面和边组成的图结构模式， 然后在物体的边界中搜索这些模式。搜索方式包括子图同构检测 ( s u b g r a p h i s o m o r p h i s m d e t e c t i o n ) 。纯子图同构问题是一个完全非多项式问题 ( n p ( n o n p o l y n o m i a l ) - c o m p l e t e ) ，计算所需要的时间随问题的规模增大而快 速增长。因此就有了各种乖j 用启发式的非确定性算法求解图同构问题。由于特 征之间的相交会破坏特征的图结构模式，用图搜索方法检测相交特征就有困难。 使用图匹配算法进行特征识别。他们在特征描述上，使用了这样一些几何信息， 如：平行度，垂壹度，面的几何信息，面的数量，面的连接性，边和面的分类 等。应用句法模式识别进行特征识别，在对边、顶点、面的凸凹性 ( c o n v e x c o n c a v e ) 分类的基础上，发展出一种形状文法( s h a p e g r a m m a r ) 。利 用模板匹配，研制了一种基于规则( r u l e b a s e d ) 的特征识别器，对孔、槽、穴 等特征，用模式规则建立特征模板，用模式匹配算法进行匹配识别。上述方法 中大部分采用自上而下的方式，从物体的实体表示( b r e p ，c s g ) 数据中识别 特征。 综上所述，特征识别的方法主要有四类：语义模式匹配、基于规则法、基 于图形法和体分解法。前三种方法都是以几何实体( 面、边和顶点) 的模式匹 配为基础，通过特征语法分析来识别出特征，但它们对特征的模式及其在模型 中的描述方法各不相同：语义模式法用一系列表示为字符串码的几何元素( 如 直线段和圆弧段) 来描述二维几何模式，每一个码表示一个特征的几何元素； 基于规则法应用模型中元素所必需的且充分的条件，如凸凹性、正交性和邻接 性等作为生产规则来描述特征：而基于图形法则是用线、点表示物体的面，相 邻面结点的连接表示相邻面间的边，连接属性代表边的凸凹性的图结构来表达 特征的构成；而体分解法直接模拟加工过程，它通过标识从原材料上切除的材 料，将它们分解成不同加工操作所对应的加工制造单元而识别出特征。 1 3c a p p 和c a d ，c a p p 集成 c a p p ，计算机辅助工艺过程设计，即根据计算机中存储的图纸数据，参考 工艺数据库中的经验系统进行工艺过程分析，并定出最佳工艺路线和工艺参数。 信息集成是c m s 的基础与关键。作为连接设计与制造的纽带，计算机辅助工 艺设计，即c a _ p p 技术( c o m p u t e r a i d e d p r o e e s s p l a n n i n g ) 在其中更是占有十分 重要的地位。这是因为c a d 的设计信息只有经过c a p p 系统才能转化为c a m 的制造信息；企业的m i s 系统和p d m 系统也必须依靠c a p p 系统为其提供准 确可靠的数据来源。c a p p 对于保证产品质量、缩短生产周期、降低制造成本 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 和提高经济效益都具有极为重要的作用。 c a p p 系统的工作原理可以分为检索式、派生式和创成式三种基本模式。 其中：1 检索式系统本质上是一个已有工艺文件的管理系统。它通常以图纸图 号、零件编号、几何参数或使用目的等作为特征进行分类编码，并将设计好的 零件工艺文件按编码存储。编制新零件工艺上，只要识别编码，由计算机找出 相似零件的工艺文件，换上新的表头，做一些必要的修改即可打印出新零件的 工艺。这种系统的优点是简单，易于建立且实用，但是适用面很窄，当找不到 相似的零件，或相似形很差时，实际上就无法使用，它只适合于产品系列化程 度很高或产品生命期很长，但经常需要根据用户的要求做一些微小改动的企业。 2 派生式c a p p 系统一般利用成组技术的分类编码系统对原有产品的所有零件 进行编码，并将它们划分为零件族，为每一个零件族编制一份包括族内零件所 有工艺的标准工艺规程。编制新零件工艺时，首先对新零件编码，按照编码识 别该零件所属的零件族，从而调出该族的标准工艺文件，通过自动筛选或人工 交互增删编辑后即可“派生”出零件的工艺规程。派生式系统和检索式系统都 是利用零件的相似性进行检索和修改，因此，它们的特点和应用场合相类似。 由于派生式系统利用的是零件族的标准工艺文件而不是某一具体零件的工艺文 件，因此，适用性比检索式更广些。3 创成式c a p p 系统不是利用相似零件的 工艺文件进行工作，而是基于一般的设计规则，程序系统中反映的决策逻辑和 制造工程数据信息，根据零件的几何特征、物理特征、生产要求和其他工艺参 数自动生成新零件的工艺过程。其中决策逻辑来自工艺设计师的经验，以及它 们所依据的设计方法、设计手册和规范等。通常以专家系统的方式实现。显然， 这种方法可以摆脱对操作人员知识和经验的依赖；能产生高质量的新零件工艺 过程；能适应生产条件的变化和生产技术的发展，并有可能建立起通用性好的 自动化程度很高的c a p p 系统，因此它适合于各种类型的企业。是c a p p 发展的 方向。然而，虽然创成式c a p p 是较理想的系统模型，但由于制造过程的离散性、 产品品种的多样性、生产环境的复杂性、事件发生的随机性、系统状态的模糊 性等因素，使工艺过程的设计成为相当复杂的决策过程，因此要开发有一定适 用面的创成式c a p p 系统还有相当的难度。 所谓集成，是指将分散的，各种因素或单位结合和调和成为一个更加和谐 的整体根据美国信息技术协会( i t a a ) 的定义，信息系统集成是根据一个复杂 的信息系统或子系统的要求把多种产品和技术验明并连接入一个完整的解决方 案的过程。 信息集成是一种系统的思想和方法，它涉及到软件和硬件等技术问题，但 决不仅仅是技术问题可以这样说，信息集成是以集成的信息为目标，以功能的 集成作为结构，以平台的集成作为技术基础，以人的集成作为根本保证集成化 的信息系统将为组织的各级决策者提供及时准确，一致而适用的信息。 4 塑垩盔兰堡主兰垡丝壅 一墅二兰! ! ! 生 目前，处理的数据越来越庞大、计算机网络越来越复杂、系统的智能水平 越来越高是计算机系统发展的总趋势。因此，未来的信息管理系统的特征将是 处理复杂对象、分布、智能。在复杂对象处理方面，面向对象数据库、多媒体 数据库将会由于广泛的应用背景和强大系统实验而迅速发展。在数据分布方面， 客户服务器数据库系统将快速发展，并在应用上取的良好效果。在智能化方面， 数据库和人工智能将在各自的领域不断发展、不断取得新的成果。二者结合方 面的研究将不断地利用二者的成果研制出新型的系统。任何时候两方面的结合 都是必耍的。 1 4 国内外研究和开发现状 目前，由于市场上流行的c a d 、c a p p 产品很多，其中大多产品是面向单 一功能的具体应用，并且没有统一的数据交换标准，相互之间的数据交流问题 很难解决。关于c a d c a p p 信息集成的研究主要集中在如何解决c a p p 中所需 工艺参数的获得问题上，根据数据获得方式的不同主要有以下几种方式： 1 4 1 传统的自动特征识别h 1 6 1 c a p p 在制定工艺参数的时候需要与加工相关的零件特征数据：而特征识 别就是从c a d 系统给出的零件几何描述中获取零件的特征数据。基于图形理 解的二维特征识别是一种在图形理解的基础上对二维图形进行特征识别并形成 详尽的基于实体的拓扑信息和几何信息的方法，从而可以在二维图纸的基础上 直接产生c a p p c a m 中所需的各种数据，这是计算机图形学领域中很有意义的课 题。目前国际上对该问题的研究已取得了相当的进展，并提出了一些从c a d 数据库中自动识别零件特征的算法。其主要优点是这种方法是从二维c a d 图形 中获取c a p p 所需零件信息的最直接的方法，不需特别说明就可以自动提取加工 信息。但尚存在如下瓶颈问题： ( 1 )如何排除识别过程中的病态解? ( 2 )如何不遗漏地找到多视图中对应的所有解? ( 3 ) 如何尽可能地扩大算法的适用范围，使其涵盖所有的机械图形? ( 4 ) 大多只对形状特征进行结构方面的识别，没有与制造过程进行联系， 因此还没有作为制造特征。 ( 5 ) 无法从实体造型中获取不存在的信息，比如公差、粗糙度等，而这些 对于c a p p 来说是至关重要的。 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 i 4 2 基于标准的数据交换阳1 3 1 数据交换方式也是在信息集成过程中经常采用的一种方式，它既可以按指 定的数据接口进行，也可以通过标准数据形式连接，其中后者还可以实现广泛 的数据共享。许多系统已经尝试使用i g e s 、d x f 、s t e p 等标准进行c a d i c a p p 的集成，并取得一定进展。目前数据交换通常存在三种层次的交换： 1 ) 内部数据接口：用于存储整个设计阶段所完成的所有信息，包括几何 拓扑信息、形状特征和非几何特征信息以及参数化信息等； 2 ) 外部数据接1 ：2 ：以s t e p 、i g e s 等中性文件的实现方式与其它c a x 系 统进行数据交换； 3 ) 集成数据库接口：通过信息集成平台以及作为集成环境中数据存储、 交换枢纽的全局数据库，实现与其他计算机辅助系统的数据交换。 由于s t e p 标准是国际化的数据交换标准，具有覆盖面广、数据表示层次 深、无二义性、适于计算机处理等优点，因此在选择中性文件标准时首选s t e p 。 s t e p 标准的目标是建立贯穿产品生命周期个阶段的完整产品定义数据模型， 它将成为c a d c a p p 的真正集成提供一个良好的基础；同时也考虑到其它标准 如i g e s 、d x f 等已经被工业界广泛采用，故也可以在实际中采用。当前，s t e p 标准的发展成熟和广泛应用，使主流c a d 产品都支持s t e p 标准、支持a p 2 2 4 的c a p p 系统开始出现，开发基于s t e p 的“即插即用”型c a d c a p p 集成工具成 为可能。 但目前的c a d 系统尚不能提供c a p p 需要的标准格式的零件数据，各种 标准( 包括s t e p 标准) 都还不尽完善，故不能实现c a d c a p p 的完全集成。 1 4 3 特征造型和参数化设计n 2 1 特征造型就是基于零件特征的直观三维造型设计，其设计数据库中将包含 完整的特征定义数据。特征设计可以实现对零件特征的准确描述，简化零件几 何规范，并捕捉设计者的设计思想，特征造型将产品设计提高到一个较高的层 次，使产品设计的对象不再是简单的几何要素，而是产品的功能要素，这就大 大方便了产品的表达；而参数化的功能不仅仅是在产品表达和设计上提供了很 多方便，而是使得工艺信息的提取变得轻而易举。因此，设计者不仅可以为 c a d 、c a p p 、c a m 等应用环节提供共同的数据基础，而且为实现智能化c a d 提供了可能性。且前基于特征造型的参数化设计软件如p r o e 和u g 等获得广 泛应用。 6 塑翌查兰堕主兰垡堡茎 一一兰! 生! ! 羔l 但是特征设计有待解决的问题很多，如特征的定义与划分、设计特征与制 造特征的统一协调、特征数据库的建立与管理等，具体主要有以下几点： 1 ) 就特征而言，大部分特征造型软件中的特征都是在三维造型的基础上 实现的，而特征造型的出发点是几何模型，特征本身所携带的工艺信息少，甚 至不包含工艺信息； 2 ) 就表达方式而言，三维造型所获得的c a d 文件与传统的工程图有着本 质的区别。如果用这种特征造型方法所获得的c a d 文件和c a p p 集成势必会 造成工艺信息提取的困难。 3 ) 在参数化方面，目前许多参数化仍然只具有几何学和图形学上的意义， 作为c a d c a p p 集成的手段却不能满足要求。 因此目前实用化程度不高。 1 5 当前研究热点 1 5 1 基于网络环境的多任务并行c a d c a p p 信息集成 现代制造业中的c a d c a p p 集成具有以下特点： 1 ) c a d 、c a p p 是整个c i m s 系统中的有机组成部分，它本身要与其它应 用系统( 如c a m 、m i s 等) 进行数据交换与共享； 2 ) 工艺设计本身是由不同性质的任务( 如工艺设计任务的指派与管理、 工艺路线规划、工时定额的确定等) 组成； 3 ) 工艺设计中涉及的任务要由分布在不同工作组的人员共同协作完成， 存在一个多任务协调和设计过程管理的问题。 这就决定了现代的集成设计系统是基于网络与数据库的多任务并行集成平 台。如图所示： 浙江大学硕士学位论文 第一章结论 图1 1c a d c a p p 集成数据管理平台 1 5 2 基于p d m 的c a d c a p p 集成乜8 1 我们按p d m 系统在企业信息系统中的地位将其分为两类：企业级p d m 和部门 级p d m 。起初，p d m 系统主要解决产品定义和产品制造的集成问题，p d m 系统主要 是支持产品制造过程的。近年来。随着并行工程的逐渐深入。d f x 技术在产品设 计过程中的广泛应用，p 叭对开发过程的支持日趋重要，所以部门级p 踟的核心 功能是对企业设计过程的支持，即p d m 系统成为企业设计过程的工具与平台企 业级p d m 系统管理着整个企业的所有产品数据，支持产品各个生命周期的数据 管理过程，对应市场、设计、制造和服务等企业经营过程的各个业务系统都构造 在p d m 系统之上，形成单一产品数据源。在波音公司的d c a c m r m 中，企业级p d 矾 系统的引入简化了企业应用软件系统。据悉，通过实施p d m 系统，波音公司把原 来应用的8 0 0 多种软件简化为四种主要软件。 p d m 在企业的信息集成过程中可以被看作是起到一个集成”框架 ( f r a m e w o r k ) ”的作用。各种应用程序诸如c a d c a m c a e 、e d a 、o a 、c a p p 、m r p 等，将通过各种各样的方式，如应用接口、开发( 封装) 等，直接作为一个个对象 ( o b j e c t ) ”被集成进来，使得分布在企业各个地方、各个应用中使用( 运行) 的所 有产品数据得以高度集成、协调、共享，所有产品研发过程得以高度优化或重组。 1 5 3 基于图形单元的零件自组织信息集成n 钉 设计制造系统的高技术发展，要求产品设计与制造的各个环节相互渗透、 同期介入、信息共享和相互协调；要求对产品的信息描述、表达和传递是完整、 塑垩查兰塑圭兰垡堡壅 一坌= 兰! 童! 统一、灵活和简易的。基于上述观点，有些学者提出图形单元建模的方法，把 零件中相似的结构或零件族结构作为图形单元，即是把一个对象通过要素离散 化。通过图形单元的拚接和替换表达零件的加工特征，即经过离散的对象动态 的组合恢复整体，在拼接和编辑过程中，相关特征保持着整体性和局部性的统 1 5 4 学院派c a d c a p p 集成系统 近年来，有些学者将神经元网络、模糊理论、基因算法、p e t r i 网等用于 c a d c a p p 系统的开发，企图建立一种理想化的数学模型和算法来解决 c a d i c a p p 集成中的问题，但就目前的研究现状看，这种理论的适用对象和能 解决问题的能力非常有限，目前的研究还处于初级阶段。 1 6 当前c a d i c a p p 信息集成系统中存在的问题 虽然目前开发的各类c a d 、c a p p 系统约有上百种之多，但是它们在实际 生产中的应用发挥的作用不是很大，特别是在涉及到系统之间的数据交换时， 大量在c a d 系统中获得的数据只能在c a d 系统内部使用，而与之相联系后续 系统如c a p p 、c a m 等所需要的数据往往需要人工输入，这样不仅造成数据孤 岛，使相互之间的正常数据交流不能正常进行，而且使后续加工工艺智能化的 程度不高。一般来说，c a d 偏重于产品的几何和拓扑信息，c a p p 则关心产品的 工艺信息，二者之间并不一定存在对应的映射关系，这就使c a d c a p p 系统集成 比较困难。c a d c a p p 在生产实际中的应用情况尚不能令人满意，主要是下面 几个关键问题尚未得以有效解决： 1 6 1 c a d 、c a p p 系统的开发设计方法 目前的c a p p 系统尚来很好地解决系统与数据的分离、知识与决策的分离， 从开发模式上看大多为专用型系统，往往是单纯为了解决某一个或几个工艺规 划中的问题而开发的系统，因此系统的扩充与更新困难，开发周期长，可移植 性不高；并且目前的c a p p 系统大多是基于单机环境，相互之间的数据不能通 过网络共享和更新。 1 6 2 零件信息描述和输入的问题 现有c a p p 系统大多数依靠人工输入零件信息，费时费力且难以保证输入 的正确性，给c a p p 的推广应用带来困难。零件信息的描述已成为阻碍c a p p 塑坚查兰堕圭堂垡丝塞 笙二童! ! ! 生 发展的一个瓶颈。尽管人们提出了从分类编码到图形要素描述的许多方法，但 仍未取得令人满意的效果。与此相对应的是，目前基于图形理解的二维特征识 别现在已经取得很大进展，在c a p p 中所需要的基本几何形状( 如槽、孔、台 阶等) 均可以获得完整的信息。这样只需要运用先进的面向对象数据库技术将 在特征识别过程中获得的相应几何形状的加工信息存储到相应的数据库中， c a p p 过程中所需要的数据就可以在数据库中检索得到，从而解决了零件信息 的输入问题。 1 6 3 智能化、网络化程度有待于提高 由于传统的c a d c a p p 系统主要是基于p c 机，其使用的数据库也大多是 单机版，这在很大程度上限制了网络化程度的提高。同时由于人工智能方面的 研究成果在实际应用还存在着一定的实用性问题，所以智能化的程度不高。 1 7 信息集成系统的发展趋势 纵观近几年信息集成的发展历程和当前生产部门对信息集成的需求情况 看，有如下发展趋势； 1 7 1 智能化、集成化 自从t c c h a n g e 给出了“工艺自动设计”的明确定义后，工艺决策过程的 自动化得到了全面的发展。面向并行工程下产品设计的c a p p 工艺决策加工元 模型将工艺决策与产品设计有机结合，在理论和实践上对工艺决策模型、算法 进行了有益的探讨与研究；基于神经网络的工艺设计实例推进索引模型运用特 征技术初步实现了回转类零件c a d c a p p 的集成；在建立统一产品定义模型基 础上，采用框架结构、黑板结构的描述形式，将产生式规则应用于工艺过程的 逻辑决策；基于制造信息建模、零件模型信息的正向离散与工艺设计基元信息 的反向集中、基础数据与工艺设计决策控制分离的模型提高c a p p 系统的柔性； 模糊p e t r i - o p n 网技术则针对装夹与定位方案提出可选工艺路线的决策方法； p d g 决策( 工艺决策图) 实现了工艺过程设计；基因遗传算法引入c a p p 系统 从理论上实现了工步排序的优化。 1 7 2 采用面向对象技术 将关系数据库技术和人工智能技术结合起来。按照c a d c a p p 集成的观 点，c a d 与c a p p 之间产品和零件信息的传输，都应该以工程数据库为媒介， 塑至查兰堡主兰垡堡塞苎二兰! ! 笙 这样才能保证数据的一致性、完整性、独立性和安全性r 并减少数据的冗余， 实现数据的共享。事实上，c a p p 系统中将工艺知识建立在数据库上，司以增 强推理机与规则的相互独立性，使得规则便于扩充与修改，还可以简化推理机 的实现方法。应用关系数据库来表达工艺决策过程所需要的知识的理论依据是： 关系数据库中的关系和谓词演算中的一阶谓词有着一一对应的关系，一个关系 可以看成是一个谓词的外延表示，反之，一个谓词也可以认为是一个关系的内 涵表示。因此，“关系”也就成为一种用来表示知识的方法。采用数据文件来表 达工艺知识的c a p p 系统，进行决策推理的时候先要读取数据文件，在内存中 建立知识模型( 主要是由前提链表和结论链表构成的知识链) ，然后在规则链表 中搜索与已知事实相匹配的项，从而得到相应的结论。 1 7 3 采用网络技术和分布式技术 传输线路带宽等问题引起的传输速度的限制，使得基于超文本方式的 w w w 的发展受到限制，但随着i n t e m e t 新技术( 如：a t m 、f d d i 、h f c 、v o d 、 c a b l e m o d e m 、b i s d n 等) 的不断出现和飞速发展，这些问题必将迎刃而 解。相信，在不久的将来，具有超前思维的w w w 技术的优势与数据库技术的 充分结合而会得到更充分的发挥，它们的充分结合成为发展的必然趋势。目前， i n f o r m i x 与n e t s c a p e 公司在w e b 应用领域的合作，微软和s y b a s e 公司的寻求 合作，便是这一趋势的有力说明。我们所处的这个世界处在不断变化中，信息 化进程正在不断发展c p u 的能力、网络的带宽和存储容量都在迅速扩大，信息 的加工、管理和使用正在成为人类工作和生活的重要内容。随着a t m 、f d d i 、 快速以太网、i m l 、j a v a 等技术的出现和发展，将最终导致电视会议、家庭 购物、家庭影院等设想的实现。这更加速了w e b 与数据库的结合。所以，w w w 与数据库的结合成为发展的必然趋势。 1 8 课题的背景 企业的设计、生产和进一步发展过程中，产生了整体优化的需求。为了提 高企业整体的生产效率，光靠c a d 、c a p p 等系统的独立应用是不能解决问题 的。在整个生产过程中c a d 、c a p p 的单独应用只占较小的比例，剩下的一大 部分工作涉及到信息查询、资料汇总管理等。只有从产品设计、加工全周期的 观点出发，方方面面地考虑到，并提供各个环节之间的集成，才能提高生产效 率。同时，企业在设计阶段产生的数据如果能够经过较好的组织和优化，使之 能够直接应用于后续阶段的工艺设计和制造过程中，可以大大提高企业的生产 效率和自动化程度，为整个企业的c i m s 规划提供良好的基础。 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 1 9 本文的研究内容 本文的研究内容主要是在二维工程图的基础上，自动提取产品的零部件信 息和单个零件的几何特征信息，然后形成面向制造的特征数据库，为参数式 c a p p 系统提供工艺信息，形成c a d c a p p 的信息集成。其中研究的重点是基 于特征识别的产品特征信息的识别和组织。 1 1 0 小结 本章介绍了特征识别、c a d c a p p 集成以及基于特征识别的c a d c a p p 集成的历史、现状和发展趋势，包括当前的研究熟点、存在的问题和发展趋势： 分析了该课题提出的背景，并提出了研究目标。 1 2 塑堑查兰堡主兰堡堡奎 笙三皇墨竺查墨盟坌塑皇! ! 墨一 第二章系统方案的分析与确定 本章主要介绍系统运行及开发环境，确定系统的组成部分和实现功能，确 定整体解决方案。 2 1 系统运行及开发环境的确定 系统运行于w i n d o w sn t 4 平台下，该平台支持数据库的远程访问。下面详 细介绍数据库、服务器及开发工具的选择与分析。 2 1 1 面向对象关系数据库 随着技术的进步和市场需求的推动，关系数据库系统的功能越来越强，种 类不断增加，其应用领域已多得难以统计，如：联机事务处理( o l t p ) 、联机分 析处理( o l a p ) 、决策支持系统( d s s ) 、数据仓库( d a t a w a r e h o u s e ) 和数据集市 ( d a t a m a r t ) 等新概念。面向对象的数据库系统及通用( u n i v e r s a l ) 数据库系统， 大多也是在关系数据库系统的基础上进行的扩展。面向对象关系数据库的几大 特点： 2 1 1 1 面向对象关系数据库适合于应用领域的发展 随着数据管理技术的发展，在七十年代初，提出了关系数据理论，建立了关 系数据方法，继而诞生了关系数据库系统。关系数据库系统管理的数据，其结构 较为简单，数据本身以二维表形式进行存储；表之间的数据联系通过一个表的码 与另一个表的外码的连接来体现。关系数据库系统提供了强大的查询功能，提供 了十分方便、易用的非过程化的查询语言( 已形成关系数据库语言国际标准 s q l ) ，从而获得了极为广泛的应用，大大促进了数据处理应用的飞速发展。 2 1 1 2 面向对象关系数据库适合于复杂数据。复杂查询 应用需求是数据库管理系统和其它数据管理软件发展的推动力。不同的应 用领域需要管理不同的数据类型；数据复杂程度的不同对数据所需进行的查询 的复杂程度不同，同时对数据的其它操作处理如数据安全性、并发控制、故障 恢复等的要求也不同。 不同类型的应用所适用的数据管理软件不同。对于简单数据简单查询的正 文处理需求，传统的文件系统就能很好地解决；符合s q l 标准的关系数据库系统 经过多年的发展和完善，能够很好地满足简单数据复杂查询的数据处理应用的 塑坚查兰堡主兰垡鲨塞蔓三兰墨竺互墨堕坌塑量! ! 室一 需求；对于复杂数据简单查询的应用，关系数据库系统就不再适合了，面向对象 数据库系统则满足这种类型的应用的需要；而对于数据和查询的复杂程度都很 高的应用，就需要采用对象一关系数据库系统了。 2 1 1 3 面向对象的关系数据库是发展的大趋势 一方面的应用需求是新的多媒体应用的计算机化。而面向对象关系数据库 很好地适应了这一应用需求。应用的发展正以惊人的速度将复杂数据计算机化。 另一方面的应用需求是：传统的数据处理应用深入发展基于复杂数据的 决策支持查询日益增长，面向对象的关系数据库为这些应用提供了很好的解决 方案。 2 1 2 面向对象关系数据库的开发模式比较 目前随着应用的逐步成熟，数据库的开发模式已经走过了最初的以大型机 为中心的应用集中式模式，日前比较流行的是基于网络的分布式应用。其开发 模式主要可以分为以下两种模式： 2 1 2 1 客户机服务器应用模式 客户机服务器应用模式的框架主要由三部分组成：客户机、服务器和中间 件。其中，客户机的主要功能是执行用户一方的应用