（机械制造及其自动化专业论文）基于异构cad平台的协同设计系统研究.pdf

沈阳工业大学硕士学位论文 摘要 协同c a d 作为c a d 技术与c s c w 技术的结合，可以有效地缩短产品开发周期， 充分地利用异地资源，降低产品的设计成本，近年来这方面的研究工作正在不断深入。 异构c a d 系统的协同设计也是其中重要的研究方向。由于各个商品化c a d 系统之间从 上层的建模操作到底层的数据结构都有较大的不同，这给异构c a d 系统之间的同步协 同设计带来了很大的挑战。为了让异构c a d 平台支持同步协同设计活动，本文就异构 c a d 平台的协同设计系统的几个关键问题开展研究。 产品表示模型对于异构c a d 平台的协同设计系统是很重要的。本文在介绍了参数 化产品建模技术的基础上，提出了基于中性建模命令的协同产品建模技术：一个是使用 面向对象技术，以类和对象的形式来表示中性建模命令；另一个是直接用拓扑元素的拓 扑类型和该拓扑元素在世界坐标系中的几何信息来表示边界拓扑元素。本技术很好地解 决了异构c a d 平台协同设计系统地产品模型的表示问题。 本文提出了基于产品设计历史的直接增量传输算法，以满足协同建模对精确模型传 输的实时性要求；采用标识机制来维护和增量更新接收端的实体模型；提出了变动元素 的确定方法，解决了编码和传输以及变动基元集模型融合等技术，有效地减少了网络数 据流量，提高了协同设计效率。 本文建立了一种协同信息交换方法来实现协同设计中的产品数据交换和协同感知， 极大地减小了同步协同设计时的网络传输量；利用微软s q ls e r v e r2 0 0 0 提供的m e t a d a t as e r v i c e s 功能创建数据库架构的知识库；数据的网络传输是通过t c p i p 协议和 s o c k e t 编程实现的。 结合上述理论和方法，利用v i s u a lc + + 和v i s u a lb a s i c ，基于s o l i d w o r k s 和p r o e 平台，开发了基于异构c a d 平台的协同设计系统，系统实现了成员和控制权的管理、 产品模型的表达、模型数据的增量传输、协同成员间的信息交流等功能。通过实例证明 本文提出的理论和方法正确，在同步协同设计的产品建模应用中，具有很强的实用性。 关键词：协同设计，产品建模，协同感知 基于异构c a d 平台的协同设计系统研究 r e s e a r c ho fc o l l a b o r a t i v es y s t e mb a s e d0 1 1 h e t e r o g e n e o u sc a d p l a t f o r m a b s t r a c t i n t e g r a t e dw i t ht h ec a dt e c h n o l o g ya n dc s c wt e c h n o l o g y ，t h ec o l l a b o r a t i v ec a d ， w h i c hi sa b l et os h o r t e nt h ep r o d u c td e v e l o p m e n tt i m e ，m a k eb e s tu s eo f r e m o t er e s o u r c e sa n d r e d u c e st h ed e s i g nc o s t ，h a sm a d ear a p i da n df u r t h e rp r o g r e s si nt h ep a s td e c a d e t h e c o l l a b o r a t i v ed e s i g nb e t w e e nh e t e r o g e n e o u sc a d s y s t e m si sa ni m p o r t a n ta s p e c tf o rr e s e a r c h t h ec o l l a b o r a t i v ed e s i g nw i t h i n 妇o g e n e o u sc a ds y s t e m sb e c o m e sas i g n i f i c a n tc h a l l e n g e b e c a u s eo ft h e 掣e a td i f f e r e n c eb e t w e e nt h em o d e l i n go p e r a t i o n sa n du n d e r g r o u n dd a t a s l n l c t i i 坤so fd i f f e r e n ts y s t e m s i no r d e rt oe n a b l ei t t h i sd i s s e r t a t i o nm a i n l yd e a l sw i t h c o l l a b o r a t i v es y s t e mb a s e do nh e t e r o g e n e o u sc a dp l a t f o r ma n ds o m er e l a t e d k e y t e c h n o l o g i e s t h ep r o d u c tm o d e li sv e r y i m p o r t a n t f o rt h ec o l l a b o r a t i v e s y s t e m b a s e do n h e t e r o g e n e o u sc a dp l a t f o r m ap r o d u c tm o d e l i n gt e c h n o l o g yb a s e do nn e u t r a lm o d e l i n g c o m m a n di sd e v e l o p e di n t h i sp a p e ra c c o r d i n gt ot h ep r o d u c tm o d e l i n gt e c h n o l o g yw i m p a r a m e t e r ：o n ei st h eo r i e n to b j e c tt e c h n o l o g y ，t oe x p r e s st h en e u t r a lm o d e l i n gc o m m a n dw i t h c l a s sa n do b j e c t , t h eo t h e ro n ei su s i n gt h et o p o l o g yc a t e g o r yo f t o p o l o g yt y p ed i r e c t l ya n dt h e g e o m e t r yi n f o r m a t i o no ft h et o p o l o g yc a t e g o r yi n t h ew o r l dc o o r d i n a t et oe x p r e s st h e b o u n d a r yt o p o l o g yc a t e g o r y t h et e c h n o l o g ys o l v et h ep r o b l e mo fi n d i c a t i o no fp r o d u c t m o d e l i n go f t h ec o l l a b o r a t i v es y s t e mb a s e do nh e t e r o g e n e o u sc a dp l a t f o r m ad e s i g nh i s t o r y - b a s e dd i r e c ti n c r e m e n t a lt r a n s m i s s i o na l g o r i t h mi sd e v e l o p e di nt h i s p a p e ra c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n to fr e a l t i m et r a n s m i s s i o no fa c c u r a t ec a dm o d e li n c o l l a b o r a t i v em o d e l i n gs y s t e m s t h ei n c r e m e n t a lm o d e li se x p r e s s e di nm e a n so fc h a n g e d p r i m i t i v e s c h a n g e dp r i m i t i v e si sc o m p o s e do ft h et o p o l o g i c a le l e m e n t sc h a n g e di no n eo f m o d e l i n go p e r a t i o nw h i c hc a nb ec l a s s i f i e dt oa d d e de l e m e n t s ，d e l e t e de l e m e n t sa n dm o d i f i e d e l e m e n t s t h ea l g o r i t h mm a k e su s eo fi d e n t i f y i n gm e c h a n i s mo fe n t i t i e st om a i n t a i na n d u p d a t et h es o l i dm o d e l t h ep a p e rg i v e st h em e t h o d so fd e t e r m i n i n g ，c o d i n ga n dt r a n s m i t t i n g c h a n g e dp r i m i t i v e sa n ds o l v e st h ep r o b l e mo f r e c o n s t r u c t i n gt h er e s u l tm o d e le o r r e e t l y e m p l - 沈阳工业大学硕士学位论文 i n gt h i sm e t h o dm a yg r e a t l yr o d u c od a t at r a n s f e r r e da m o n gt h ec o l l a b o r a t i v es i t e sa n dm a k e c o l l a b o r a t i v ed e s i g ne f f e c t i v e l y ac o l l a b o r a t i v ei n f o r m a t i o ne x c h a n g em e t h o di sp r o p o s e dt or e a l i z i n gt h ec o l l a b o r a t i o n a w a r e n e s s 。t h i sm e t h o dr e d u c e st h ed a t af l o wo fn e t w o r kt r a n s m i s s i o n t h es t r u c t u r eo f k n o w l e d g eb a s ei se s t a b l i s h e db ym e t ad a t as e r v i c e si nm i c r o s o f ts q ls e r v e r2 0 0 0 1 1 1 e t c p i p p r o t o c a l a n ds o c k e t p r o c e d u r e a r eu s e dt o i m p l e m e n t t h ed a t an e t w o r k c o m m u n i c a t i o n o nt h eb a s i so f t h et h e o r i e sa n dt h em e t h o d sa b o v e - m e n t i o n e d ，t h ec o l l a b o m t i v es y s t e m b a s e do i lh e t e r o g e n e o u sc a dp l a t f o r mi s d e v e l o p e di nt h es o l i d w o r k sa n dp 舳 e n v i r o n m e n tb yu t i l i z i n gv i s u a lc ha n dv i s u a lb a s i c s o m ef u n c t i o n s i n c l u d i n gt h e m a n a g e m e n to fm e m b e r sa n dc o n t r o lp o w e r , t h ee x p r e s s i o no ft h ep r o d u c tm o d e l ，t h e i n c r e m e n t a lt r a n s m i s s i o no ft h em o d e ld a t a , t h ei n f o r m a t i o ne x c h a n g eb e t w e e nt h e c o l l a b o r a t i v em e m b e r sa n ds oo n , a r er e a l i z e di nt h i ss y s t e m l i v i n ge x a m p l es h o w st h e t h e o r i e sa n dt h em e t h o d sp r o p o s e di nt h i sp a p e ra r ec o r r e c ta n dh a ss t r o n gp r a c t i c a b i l i t i n c o l l a b o r a t i v ep r o d u c tm o d e l i n g k e yw o r d s ：c o l l a b o r a t i v ed e s i g n , p r o d u c tm o d e l i n g ，c o l l a b o r a t i o na w a r e n e s s 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 沈阳工业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 签名：兹纽日期：堡1 21 ：i 关于论文使用授权的说明 本人完全了解沈阳工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 沈阳工业大学硕士学位论文 1 绪论 在过去四十多年中，c a d 技术的发展为全世界工业的发展起到了很大的促进作用， 单用户的商用c a d 系统日益成熟，功能也不断完善。迸入九十年代，随着产品开发全 球化趋势的不断发展，需要跨地区在异地进行协同设计的产品h 益增多，人们对传统的 c a d 技术提出了新的要求【。用户希望能够通过应用现有的网络技术和协同框架，来支 持由单机单用户操作环境向分布式网络环境的转变，以实现同步协同设计的需求以及异 构系统的无缝集成 2 1 。支持c a d 协同设计的系统框架设计和功能集成是c a d 技术发展 的主要方向之一。 1 1 协同c a d 概述 随着网络的普及和产品开发的全球化发展趋势，人们意识到如果充分利用异地资源 可以大大的加快产品开发的效率，从而有效降低设计成本。协同c a d 是从二十世纪九 十年代才发展起来的新兴的产品设计方式。从斯坦福大学设计研究中心的c u t k o s k y 等 人开始的对协同c a d 方面的最初的探索到c s c w 技术与c a d 的各个分支领域相结合， 不断向底层和深层发展 3 1 。目前，协同c a d 己经成为了国际上的c a d 领域的一大研究 热点。协同设计系统的类型是多种多样的，根据各个站点在协同中的地位和分布情况， 协同设计系统可以分为集中式协同设计系统和复制式协同设计系统，以及混合式协同设 计系统；根据各个站点的响应情况，可以分为同步协同设计系统和异步协同设计系统； 根据各个站点中采用的c a d 系统的相似与否，可以分为同构系统和异构系统等。在实 际应用中，可以根据具体需要采用不同的协同设计系统，如复制式异构同步协同设计系 统。 对于协同设计的研究，国外起步较早。早期的协同c a d 大部分都是异步协同设计 系统。异步协同设计是一种松散耦合的协同工作。其特点是：多个协作者在分布集成的 平台上围绕共同的任务进行协同设计工作，但各自有不同的工作空间，可以在不同的时 问内进行工作，但通常不能迅速地从其他协作者处得到反馈信息。其代表性的工作有斯 坦福大学的c u t k o s k y 领导的s h a r e 项目和m a d e f a s t 项目；加州大学伯克利分校的 w r i g h t 等人研究开发的c y b e r c u t 系统；k i m 等人开发的c y b c r v i e w 系统等【4 】。 基于异构c a d 平台的协周设计系统研究 而同步协同设计是一种紧密藕合的协同工作，多个协作者在相同的时间内，通过共 享工作空间进行设计活动，并且任何一个协作者都可以迅速地从其他协作者处得到反馈 信息。因此近年来，其正在成为协同设计领域研究的热点之一。这方短的代表性研究工 作主要有：韩国的l e e 等人开发的基于w e b 的协同特征建模系统n e t f e a t u r e ，荷兰d e l f t 大学b i d a r r a 等开发的基于特征的协同建模系统w e b s p i f f ，德国的l u k a s 等人研发的 i o b a c o 和香港的c h a r t 等人开发的c s m 系统阿。 1 2 同步协同c a d 系统的系统结构 1 2 1 同步协同c a d 系统的集中式结构 集中式的同步协同设计系统采用客户机，服务器结构，其中服务器用于放置共享的建 模系统和中心模型，负责提供建模服务，生成中心模型；客户端则主要负责建模操作的 交互输入和模型显示。集中式的系统结构示意图如图1 1 所示。 图j 】集中式同步协同设计系统结构 r i g 1 1t h es t r u c t u r eo f c e n t r a l i z a t i o ns y n c h r o n o u sc o l l a b o r a t i v ed e s i g ns y s t e m 集中式的同步协同设计的代表性工作主要有： 荷兰d e l f t 大学b i d a r r a 等开发的基于特征的协同建模系统w e b s p i f f t 6 , r l 。服务器集 成了w e b 和建模功能，客户端则是基于j a v a 3 d 的显示终端。用户基于客户端的显示模 型和部分特征信息向服务器提交特征操作。当服务器接收到用户操作之后，执行该操作 得到结果实体。w e b s p i f f 先将精确结果模型转换为图像文件传输给客户端，以便用户 能及时的对结果进行预览。之后，再将精确结果模型转换为显示模型，并将该模型整体 传输到客户端进行更新并显示。 南澳大利亚大学先进制造研究中心的k a o 和l i n 开发了协同c a d c a m 系统 - - c o c a d c a m 【8 l ，利用现有的商品化c a d c a m 软件提供的a p i 开发接口，将传统的 一2 一 沈阳工业大学硕士学位论文 单机、单用户系统扩展为支持协同工作的多点应用程序，使异地分布的用户可以实现自 由曲面的协同编辑和n c 加工路径的系统仿真。 商品化的集中式协同系统o n e s p a c e n e t 9 是美国c o c r e a t e 公司开发的协同 c a d p l m 应用系统，是一个支持产品开发组成员之间在线协同的轻量级协同工具。它 集成了诸如工程组织、安全消息传递、在线感知和实时在线会议等概念，并提供了一整 套方案，使设计组之间能够通过w e b 进行知识共享和问题解决。该系统的客户端为 o n e s p a c e n e t 模型浏览器，能够让用户对工程数据( 诸如2 d 或者3 d 模型) 进行精确的 协同可视化、查询和标注。同时该产品可以支持三维产品的协同查看和协同建模，但是 不能实现异构c a d 系统之间的协同，只能在o n e s p a c e 提供的建模器下实现协同工作。 0 n e s p a c e n e t 是协同设计领域中少有的基本可以实用的应用软件。 集中式的同步协同设计系统的优点是系统结构简单、并发控制容易，一般适用于交 互不是很频繁，交互对象相对简单的协同系统中。但其存在网络负载重、通信延迟明显、 中心服务器易成瓶颈等问题，而且从现有的研究和商品化系统来看，采用集中式结构的 同步c a d 协同设计系统往往都是基于同构c a d 系统或者同构建模客户端的，目前还没 有基于异构c a d 的集中式系统出现。 1 2 2 同步协同c a d 系统的复制式结构 复制式同步设计系统采用在每个站点都放置建模系统和存储共享模型的方法，通过 使所有站点同步执行相同的建模操作，生成同样的三维模型，实现同步协同设计。复制 式的系统结构示意图如图1 2 所示。 图1 2 复制式同步协同设计系统结构 f i g 1 2t h es t r u c t u r eo f d u p l i c a t i o ns y n c h r o n o u sc o l l a b o r a t i v ed e s i g ns y s t e m 复制式的同步c a d 协同设计系统的代表性工作主要有： 基于异构c a d 平台的协同设计系统研究 英国n a m 等人开发的c o l l i d e t l o 1 1 】环境和s y c 0 3 d 系统【1 2 】。c o l l i d e 环境是为多个 协同用户使用独立的c a d 系统提供接口的插件程序，s y c 0 3 d 则是在c o l l i d e 基础上设 计的基于复制式结构的同步协同设计系统。c o l l i d e 环境使用了p r i v a t es t a g e s h a r e ds t a g e 结构，分离用户在不同时刻需要的不同设计平台，例如用户在平时只关注于p r i v a t es t a g e ， 而在需要协同时通过锁机制允许用户单独将p r i v a t es t a g e 中的结果提交到s h a r e ds t a g e 进 行协同。 德国的l u k a s 等人研发的t o b a c o 系统中【”】，客户端的能力得到了极大的增强， 具备了操作处理的能力。而服务器则作为初始联络的手段，不再具有建模操作处理能力。 ；f o b a c o 利用c o r b a 进行网络通讯，采用地板控制( f l o o rc o n t r 0 1 ) 的方法进行并发 控制，通过在站点之问传递c a d 命令来更新结果模型，并通过任务管理器和历史纪录 来辅助协同过程。 美国i m p a c t x o f t 公司开发的i x s p e e d v 5 系统是基于c a t i a v 5 的第三方协同设计 环境。i xs p e e d 系统支持处于迭代式开发阶段的用户，通过电子邮件或者无线设备进行 设计变更的共享与合并，能够显著缩短设计周期。该系统的特点在于支持功能建模 ( f u n c t i o n a lm o d e l i n g ) ，能够让设计者用一种与创建顺序无关的方式定义设计行为和 功能性规则，而由设计环境自动生成相应的几何模型。 i o w a 大学i n t e r n e t 实验室的k a n g 和g r a d y 等着眼于i n t e m c t 环境下协同设计的研究， 提出了一个基于w w w 的协同设计系统的总体结构，并加以实现，称为c y b e r v i e w ，它 采用v r m l 在浏览器下实现分布设计小组的协同浏览，产品模型采用s t e p 描述，他们 做的主要工作是实现s t e p - v r m l 转换、s t e p o o d b 存储以及v r m l 浏览器。 c y b e r v i e w 只能实现协同浏览，不能实现协同建模等进一步功能。 复制式同步协同设计系统的优点是网络负载轻、站点的交互功能强、响应速度快， 其主要不足在于系统结构复杂、不同设计系统之间的语义通信和数据通信困难、并发控 制困难等。据我们所知，目前采用复制式结构的同步c a d 协同设计系统也都是基于同 构c a d 系统或者同构建模客户端的，目前还没有基于异构c a d 的复制式系统出现。 一4 沈阳工业大学硕士学位论文 1 3 异构协同设计系统研究综述 1 3 1 协同设计产品模型的建立 协同产品模型是在产品协同设计工作过程中逐渐建立的，因此，产品模型信息不应 当是孤立和静态的，它随着产品设计过程不断丰富完善，还要体现设计、生产过程中的 设计思想、工程约束关系和各领域之间的相互关联。 适应协同设计的产品表示模型既要满足单用户设计的需要，又要满足多领域设计者 协同工作的需要；既要面向结果( 对产品最终结果的描述和定义) ，又要面向过程( 支 持全生命周期生产过程的信息处理) ：既能保证合理编辑操作的实现，又能在协同成员 间方便地传输。一个好的产品表示模型将为协同建模过程中的产品数据交换打下良好的 基础。 1 3 2 精确产品模型的快速传输 同步协同的产品建模技术支持多个设计人员在共享工作空间中对产品的三维模型 进行设计、修改和观察，它是提高产品三维建模速度和质量的新途径。在同步协同设计 系统中，三维c a d 模型能否通过网络快速传递给协同成员，对协同设计的同步效果起 着决定性的作用。由于网格模型只是精确产品模型的逼近表示，虽能用于支持产品的网 上浏览、标注，但是设计人员却无法基于网格模型进行产品的精确设计与修改，因此它 不能真正满足三维同步协同设计的需要。基于边界表示模型的增量传输算法由于注重于 模型的几何同步，在很大程度上丢失了模型的设计信息，不利于后续协同设计的进行， 所以，寻找一种既能减小数据传输量，又能保留模型的完整设计信息的产品模型的快速 传输方法是亟待解决的关键问题。 1 3 3 协同设计中的协同感知 在协同设计过程中，为了使异地站点之间实现有效的资源共享，设计者需要在各个 站点之间进行协同感知。由于c a d 主要建模技术己经从几何建模发展成为特征建模， 为了解决在协同感知过程中保留诸如特征、参数和约束等参数化信息的问题，当今流行 的协同感知系统多采用基于参数化特征的感知方式。参数化c a d 协同感知技术主要采 基于异构c a d 平台的协同设计系统研究 用基于a p i 技术的方法。目前采用基于a p i 技术的典型参数化c a d 协同感知系统有 t r a n s l a t i o nt e c h n o l o g i e s 公司开发的a c e - u - t r a m 系统【1 4 1 。 1 4 本文的研究目标 通过以上分析可知，目前对异构c a d 系统间的协同设计研究尚处于探索阶段。对 于异构c a d 的分布式协同设计，多个设计专家在不同c a d 系统上进行合作实现设计目 标，其难点在于如何在异构c a d 之间传递设计意图及设计模型，其关键在于如何将一 个c a d 系统的设计信息快速完整的转换以及传输给不同c a d 系统。本文的目标是在了 解协同设计的产品建模技术的基础上，构建兼容各个c a d 系统建模操作的中性建模命 令集；采用基于产品设计历史的精确产品模型快速传输方法，以满足减少数据交换量， 增强系统响应能力的要求；然后通过基于x m l 的数据交换技术，将每个站点的特征操 作通过基于t c p i p 协议的网络传输实时交换到其他站点去协同执行从而达到同步协同 的设计目的。 1 5 本文的组织结构 本文共分为六章： 第一章：绪论，主要阐述协同设计的发展、特点和研究现状、分析了协同产品建模 的关键技术，介绍了论文的选题依据、主要的研究工作和论文的组织结构。 第二章：在介绍参数化特征建模技术的内容的基础上，重点介绍基于中性建模命令 的产品建模技术。 第三章：提出了基于产品设计历史的精确模型的直接增量传输算法，对相关定义、 算法框架和具体流程都作了详细的阐述。 第四章：详细介绍了基于x m l 的协同感知的实现方法和相关技术和基于t c p i p 协议的协同数据网络传输的实现方法。 第五章：创建了以s o l i d w o r k s 和p r o e 为开发平台的异构同步协同建模原型系统。 第六章：总结所做的工作和创新点，并对未来工作的重点和方向提出了建议。 一6 沈阳工业大学硕士学位论文 1 6 小结 本章在回顾c a d 技术发展的历程，总结协同设计的产生、发展和研究现状的基础 上，分析了异构同步协同设计中的几个关键问题，也就是本文的研究重点。介绍了课题 的来源、意义和论文的主要研究工作。最后，对论文的组织结构进行了说明。 基于异构c a d 平台的协同设计系统研究 2 异构协同设计系统中的产品建模技术 2 1 产品建模技术的发展 产品的三维c a d 模型能够真实地表达产品的外观形状和结构特征，是实现产品装 配设计、运动学与动力学仿真、性能分析与优化、以及数控加工的基础。三维c a d 技 术正在逐步取代传统手工作业方式的产品设计、绘图、分析计算和制造加工等工作，并 将成为制造企业开发新产品的必备手段、企业技术改造的主要内容和参与国际生产合作 的前提条件。建模技术是c a d 技术的核心和基础，是产品信息化的源头【l 鲥。 在c a d 数十年的发展过程中，产品的数据模型从几何模型发展到了特征模型和集 成产品模型的阶段，所表示的几何体信息也越发的准确和完整，这反映了产品模型及相 应的建模技术从简单到复杂，从局部到整体，从单一功能到覆盖整个生命周期内各种活 动的发展过程。图2 1 概括地描述了建模技术的发展历程。 图2 1 建模技术的发展 f i g 2 1t h ed e v e l o p m e n to f m o d e l i n gt e c h n o l o g y 2 2 特征建模技术的产生及特点 c a d 技术发展到实体建模阶段时，实体模型对于产品几何形状的描述已经相当的 准确和完整了t 但是由于几何建模系统几乎全部建立在几何模型基础上，所表达的只是 抽象的、缺乏产品工程意义的凡何信息，而难以在模型中表达公差、精度、表面粗糙度 沈阳工业大学硕士学位论文 和材料热处理等工艺信息，使设计和制造信息不连贯，无法满足c a d 下游的c a p p 、 c a m 等的需要，使信息传递、资源共享和c i m s 的实现较为困难。特征建模就是在这 种背景下诞生的，它是几何建模技术的新一代发展。 特征建模以实体模型为基础、用具有一定设计或加工功能的特征作为建模的基本单 元，建立产品的特征模型，面向整个设计、生产制造和管理过程，改变了几何形状和加 工工艺、管理信息相互分离、资源不能共享的局面【蛳。特征模型表达高层次的具有功能 意义的实体，如孔、槽等，其操作对象不是原始的几何元素，而是产品的功能要素，包 含产品的技术信息和管理信息，体现设计者的意图。 特征建模技术利用具有工程意义与确定形状的特征直接构造零件模型，与传统的几 何建模方法相比，具有以下的特点： ( 1 ) 特征建模着眼于更好地表达产品的完整的技术和生产管理信息，为建立产品的 集成信息模型服务。它的目的是用计算机可以理解和处理的统一产品模型，替代传统的 产品设计和施工成套图纸以及技术文档，使得一个产品的设计和生产准备各环节可以并 行展开，信息流畅通； ( 2 ) 特征建模为设计人员提供了高层的符合设计思维的人机交互语言，改变了传 统的基于几何拓扑的低层次交互设计方法，使设计工作在更高的层次上进行，建立的产 品模型容易为别人理解，便于组织生产。设计的图样更容易修改，使设计更加快捷方便， 设计人员可以将更多的精力用在创造性构思上，有助于设计质量的提高： ( 3 ) 特征建模有助于加强产品设计、分析、工艺准备、加工、检验各部门间的联系， 更好地将产品的设计意图贯彻到各个后续环节并且及时得到意见反馈，为开发新一代的 基于统一产品信息模型的c a d c a p p c a m 集成系统创造了条件： ( 4 ) 特征建模有助于推动行业内的产品设计和工艺方法的规范化、标准化和系列化， 使得产品设计中及早考虑制造要求，保证产品结构有更好的工艺性； ( 5 ) 特征建模将推动各行业实践经验的归纳总结，从中提炼更多规律性知识，以丰 富各领域专家的规则库和知识库，促进智能c a d 系统和智能制造系统的逐步实现。 基于异构c a d 平台的协同设计系统研究 2 3 参数化设计方法 2 3 1 参数化设计方法的提出 参数化设计是c a d 技术在实际应用中提出的课题。对很多企业，设计工作往往是 变型或系列化设计，新的设计经常用到已有的设计结果。传统的建模方法只能建立固定 的设计模型，只存储最后的结果，而不关心设计的过程。模型一旦建立，修改时必须重 新建模，从而使得设计中存在大量重复劳动。严重影响了设计效率，无法满足市场需求。 在这种情况下，参数化设计方法应运而生【”j 。 参数化设计就是指采用参数化模型，模型的尺寸用对应的一组参数来定义并约定尺 寸关系，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建模。参数化设计 极大地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、实体建模、 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。 参数化c a d 系统与传统c a d 系统的最大区别就在于可以处理在设计过程中起核心 作用的设计知识和设计约束等非几何信息，它存储了设计的整个过程，也就是说，系统 不仅记录建立的几钶形体，同时也记录设计意图，即几何间的关系。当你改变参数时， 几何关系保持不变，从而达到设计出一族而非单一的产品模型。 2 3 2 参数化设计的主要技术特点 ( 1 ) 基于特征：将某些具有代表性的平面几何形状定义为特征，并将其所有尺寸存 为可调参数，进而形成实体，以此为基础来进行更为复杂的几何形体的构造； ( 2 ) 全尺寸约束：将形状和尺寸联合起来考虑，通过尺寸约束来实现对几何形状的 控制。建模必须以完整的尺寸参数为出发点，不能漏注尺寸，也不能多注尺寸； ( 3 ) 尺寸驱动设计修改：通过编辑尺寸数值来驱动几何形状的改变； ( 4 ) 全数据相关：尺寸参数的修改导致其他相关模块中的相关尺寸得以全盘更新。 9 0 年代初期，s d r c 公司的开发人员在摸索了几年参数化设计后，发现参数化设 计尚存在许多不足之处。为此，提出了变量化建模技术。变量化建模技术保留了参数化 技术的优点，但在约束定义方面做了根本性的改变。将参数化技术中所需定义的尺寸“参 数”进一步区分为形状约束和尺寸约束，而不是象参数化技术那样只用尺寸来约束全部 沈阳工业大学硕士学位论文 几何。变量化设计使设计过程相对宽松，可以用于公差分析、运动机构协调、设计优化、 初步方案设计选型等，尤其在做概念设计时更是得心应手。事实上，我们现在所用的参 数化技术就是改造后的变量化技术。 2 3 3 参数化设计的主要方法 多年来，关于参数化设计方法的研究取得了很大的进展，形成了几种比较成熟的方 法，简要介绍如下； ( 1 ) 基于几何约束的变量几何法 这是一种面向非线性方程组整体求解的代数方法。它将几何形状定义为一系列的特 征点，将约束关系转换成以特征点坐标为变量的非线性约束方程组，当约束发生变化时， 通过n e w t o n - r a p h s o n 法迭代求解方程组，求出一系列新的特征点，从而生成新的几何 模型。这种方法的通用性好，但缺乏对约束检查的有效手段，局部修改性能不好。模型 越复杂、约束越多，约束方程组的规模就越大，越不易求解，且由于方程组的解可能不 是唯一的，将影响几何形状的唯一性。 ( 2 ) 基于几何推理的人工智能方法 该方法的基本思想是将约束关系存入事实库，通过推理机的推理作用，从规则库中 选取规则并应用于现有事实，推理的结论作为新的事实，推理史记录了所有成功的应用 规则并提供给重构过程，构造出符合设计要求的几何体。a i d e r e i d 法是采用人工智能的 典型参数化方法，其推理过程示意图如图2 2 所示。 约束 图2 2a l d e f e l d 法示意图 f i s 2 2d i a g r a mo f a l d e f e l dm e t h o d 基于异构c a d 平台的协同设计系统研究 该方法的主要优点是表达简洁、直观，通过谓词可以表达很复杂的约束，如相切等， 这是其他方法所无法比拟的，且可以避免变量几何法的不稳定性循环，但系统庞大，计 算量大，约束求解速度慢，无法处理循环约束，求解全局约束的能力也比较差。 ( 3 ) 基于生成历程的过程构造法 该方法采用一种称为参数化履历( p a r a m e t r i ch i s t o r y ) 的机制，通过记录几何体素 在图形构成过程中的先后顺序及连接关系，捕捉设计者的意图。不像变量几何法那样求 解非线性方程组，因此该方法可以处理很复杂的模型，常用于三维实体或曲面的参数化 建模。但一般只适于结构相同而尺寸不同的零件设计，设计的柔性不足。 ( 4 ) 编程求解方法 该方法通过分析模型的特点，以尺寸为变量，确定各尺寸变量之间的数学关系，输 入参数以给定变量值，然后确定其它变量的值，完成约束求解，并用编程语言在c a d 软件中实现( 当前的多数c a d 系统都提供了此项功能) 。该方法主要用于表达过程性 的约束，特别适合于表达工程约束。但只适用于拓朴关系确定的图形，如果拓朴关系变 化了，必须重新编制相应的程序，所以灵活性不足，并且复杂零件的程序编制有很大的 难度。这种方法通常用于对c a d 的二次开发中。 参数化设计技术经过十多年来的发展，已经成为c a d 技术的重要分支，现代主流 的c a d 软件，如p r o e 、s o l i d w o r k s 、u g 等都实现了参数化。 2 4 中性建模命令的构建与表示 通过上述介绍，我们了解了协同设计中的产品建模技术。但在异构同步协同设计系 统中，因为各个c a d 系统之间的建模操作和数据结构都不一样，所以试图采用同构系 统的解决方法来解决异构系统的问题是不现实也是不可能的。只能依据异构系统的特点 完成异构数据的集成。而异构集成环境必须克服异构系统之问的差异，建立有效产品数 据模型，才能实现产品数据的顺利交换并保证产品数据的完整性和一致性。 2 4 1 通过合并各类参数化特征操作来构建 参数化特征建模方法是当今广泛采用的c a d 产品建模方法，它符合设计习惯，支 持变动设计和智能化设计，是目前最先进的产品建模手段之一。在当今主流c a d 系统 之间，基本的建模操作无论是名称上还是工程语义上都是相似的。但是由于c a d 厂商 沈阳工业大学硕士学位论文 相互竞争而积极创新，不同c a d 系统的同类建模操作的参数之间却总有差异【l 引。为了 让异构c a d 同步协同设计平台有效地支持参数化特征建模方法，建模命令将根据参数 化特征建模操作来构建。也就是说，每条建模命令都对应着一个或几个商用c a d 系统 中的参数化特征建模操作。 为了保证每个系统建模操作能够比较容易地转换成为相应的中性建模命令，中性 建模命令集被设计成为平台中各c a d 系统的参数化特征建模操作的并集，如图2 3 所 示，如果平台涵盏p r o e ，m d t 和s o l i d w o r k s 三个c a d 系统，那么将这三个系统中所有 的参数化特征建模操作归纳合并后即为平台所使用的中性建模命令集合。 对于每条具体的中性建模命令来说，其命令参数采用各c a d 系统中对应操作的参 数的并集，如图2 4 所示，表示拉伸特征的中性建模命令的参数采用p r o e ，m d t 和 s o l i d w o r k s 三个系统中拉伸特征参数的并集。举例来说，在s o l i d w o r k s 和p r o e 系统中 支持双向拉伸操作，而m d t 系统仅支持单向拉伸操作，那么根据参数并集构建原则， 表示拉伸特征的中性建模命令的参数既支持双向拉伸的表示，也支持单向拉伸的表示。 图2 3 操作的并集 f i g 2 3u n i o no f o p e r a t i o n 图2 4 操作参数的并集 f i g 2 4u n i o no f o p e r a t i o np a r a m e t e r 基于异构c a d 平台的协同设计系统研究 2 4 2 中性建模命令表示 为了使建模命令更直观，本文使用面向对象技术，以类和对象的形式来表示中性建 模命令。对于每条中性建模命令，它都表示为一个类，这个类具有相应的类属性和类函 数。在协同设计过程中，该中性建模命令类实例化为一个对象，便可以调用其对象函数 或者访问其对象属性。除此之外，每个中性建模命令对象都可以转化为相应的字符串表 示，该字符串表示仅包含对象名称和对象属性，用以在网络上传输。中性建