（机械设计及理论专业论文）一种新型产品信息模型及其软件实现技术研究.pdf

摘要 目前制造业信息技术应用特征是产品设计、分析、制造、装配等分阶段构建 模型，信息冗余度大、数据一致性差，在异构环境下运行，使用成本高、效率低， 产品信息难以集成和继承。产品数字化模型的本质是信息的载体，信息完备的模 型应是制造业信息技术研究的重点。建立更为先进的模型构造理论，研究科学的 模型构造方法和技术是实现产品信息有效的集成与继承，构建可以为产品生命周 期提供全方位支持的集成软件系统的理想途径。 论文以国家自然科学基金重点项目“工程与产品设计理论方法”( 6 0 6 3 5 0 2 0 ) 为支撑，创新地提出集基本体、检索体、控制体和智能体为同一结构的“一元四 体 产品信息模型结构体系和“独立单元信息”概念。通过对产品信息的分类、 信息特点的归纳以及产品信息的数据空间模型结构的构建，建立了几何拓扑基本 体与产品生命周期各阶段独立单元信息的联系，研究信息与模型的跟随技术，形 成模型的检索体。研究独立单元信息的存储和读取控制、模型信息的管理控制、 模型与外部资源的交互控制，实现模型信息与工作过程的“配送”机制，充分体 现模型的服务功能，完成模型的控制体研究。 论文研究了a c i s h o o p s 集成平台的组件技术、数据结构及应用程序框架， 提出建立产品信息模型的技术路线。最后，开发一种基于产品信息模型理论的产 品信息集成软件系统，该系统实现了线框模型、曲面模型和实体模型的构建、模 型编辑、模型显示等c a d 系统具备的基本功能，借助a c i s 的属性机制实现了 “一元四体模型的创建，并在汽车典型零件设计中加以验证。论文研究工作对 信息、机械等工程技术领域的研究都有重要的理论和实际应用意义。 关键词：一元四体；独立单元信息；信息集成；a c i s ；h o o p s i 属性 a b s t r a c t n o w a d a y s ，t h ec h a r a c t e r i s t i co fm a n u f a c t u r i n gi ta p p l i c a t i o ni s t h em o d e li n p r o d u c td e s i g n ，a n a l y s i s ，p r o c e s sp l a n n i n ga n da s s e m b l ys t a g e si sd i f f e r e n t ，w h i c h l e a d sb i gi n f o r m a t i o nr e d u n d a n c y ，l a c kd a t ac o n s i s t e n c y ，h i g hc o s t ，l o we f f i c i e n c y ， a n di n f o r m a t i o ni n t e g r a t e da n di n h e r i t e dh a r d l y t h ee s s e n c eo fp r o d u c td i g i t a l m o d e li st h a tm o d e li st h ec a r r i e ro fi n f o r m a t i o n ，a n dm o d e lw i t hf u l li n f o r m a t i o ni s c r u c i a lp a r to fm a n u f a c t u r i n gi t t h e r e f o r e ，f u r t h e ra d v a n c e dt h e o r i e s ，s c i e n t i f i c m e t h o d o l o g i e s a n dm o d e l i n g t e c h n i q u e a r e i n p l e m e n t i n gp r o d u c t i n f o r m a t i o n i n t e g r a t e da n di n h e r i t e de f f i c i e n t l y m o r e o v e r ，d e v e l o p i n gt h ei n t e g r a t i n gs o f t w a r e s y s t e mw h i c hc a no f f e r sg e n e r a ls u p p o r t sf o rp r o d u c tl i f e c y c l ei st h ei d e a lc h a n n e l t h er e s e a r c hi sb a s e do n t h et h e o r e t i c a lm e t h o d o l o g yo fp r o j e c ta n dp r o d u c t d e s i g n ，b e i n gt h en a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o n ( 6 0 6 3 5 0 2 0 ) p r o j e c t t h e a m o d e lw i t hf o u rb o d i e s p r o d u c ti n f o r m a t i o nm o d e l ( a m f bm o d e l ) a r c h i t e c t u r e ， w h i c he n c a p s u l a t e sb a s i cb o d y ，r e t r i e v a lb o d y ，c o n t r o lb o d y ，a n di n t e l l i g e n tb o d y ， i sp r e s e n t e d ，a sw e l la s t h e i n d e p e n d e n tu n i ti n f o r m a t i o n ( i u i ) c o n c e p t i o n f i r s t l y ，t h r o u g hc l a s s i f y i n gp r o d u c ti n f o r m a t i o n ，s u m m i n gu pi t s c h a r a c t e r i s t i c sa n d f o u n d i n gt h ed a t as p a c em o d e ls t r u c t u r eo fp r o d u c ti n f o r m a t i o n ，r e t r i e v a lb o d yi s r e s e a r c h e d ，i n c l u d i n ge s t a b l i s h i n g t h er e l a t i o no fb a s i cb o d ya n di u i ，a n dt h e f o l l o w i n gt e c h n i q u eo fi n f o r m a t i o na n dm o d e l t h e n ，c o n t r o lb o d y i sa l s or e s e a r c h e d ， i n c l u d i n gt h ec o n t r o lo fi n f o r m a t i o ns t o r e ，r e t r i e v a l ，m a n a g e m e n ta n dt h ei n t e r a c t i o n o fm o d e la n de x t e r n a lr e s o u r c e t h es e r v i n gf u n c t i o no fm o d e li se m b o d i e df u l l yb y a c h i e v i n gt h e m a t c ht os e n d m e c h a n i s mo fm o d e li n f o r m a t i o na n dw o r k i n g c o u r s e i na d d i t i o n ，t h ec o m p o n e n t s ，d a t as t r u c t u r ea n dt h ea p p l i e dp r o g r a mf r a m e w o r k o fa c i s h o o p sp l a t f o r ma r er e s e a r c h e d 。t h e n ，t h er o u t eo fe s t a b l i s h i n ga m f b m o d e li sp r e s e n t e d as o f t w a r es y s t e mo fi n t e g r a t i n gi n f o r m a t i o ni sd e v e l o p e d ，w h i c h a c h i e v e st h eb a s i cf u n c t i o no fc a d s y s t e m ，s u c ha sc r e a t i o n ，e d i ta n dd i s p l a yo fw i r e m o d e l s ，s u r f a c em o d e l s ，a sw e l la ss o l i dm o d e l s a n da m f b m o d e lb a s e do na c i s a t t r i b u t em e c h a n i s mi si n p l e m e n t e d f i n a l l y ，i ti sv e r i f i e di na u t o m o b i l et y p i c a lp a r t s d e s i g n t h er e s e a r c hm e n t i o n e di nt h i sp a p e ri ss i g n i f i c a n ti nt h e o r e t i c a la n da c t u a l a p p l i e df o rt h ep r o j e c tt e c h n i c a lf i e l d ss u c ha si n f o r m a t i o na n dm a c h i n e r y k e y w o r d s ：a m f b ；i u i ；i n f o r m a t i o ni n t e g r a t e d ；a c i s ；h o o p s ；a t t r i b u t e 第1 章绪论 1 1 产品模型理论研究现状分析 近年来，产品模型及相关建模技术的研究一直十分活跃，国外许多专家和学 者对产品模型进行了研究，分别从不同角度对产品进行了定义。美国制造工程实 验室制造系统集成部，h o u s t o n 大学工业工程部，w a y n es t a t e 大学工业制造工 程部，意大利s a l e r n o 大学机械工程专业等单位。另外，国际标准化组织还制定 了产品数据交换标准s t e p ( s t a n d a r df o rt h ee x c h a n g eo fp r o d u c tm o d e ld a t a ) l 卜4 1 ， 来描述整个生命周期中的产品数据，以提供一种不依赖于具体系统的中性机制。 在国内，开展这方面研究的有：清华大学国家c i m s 工程技术研究中心、浙 江大学c a d & c g 国家重点实验室，华中科技大学机械科学与工程学院、北京航 空航天大学7 2 0 所以及上海交通大学计算机科学工程系等单位。 1 1 1 产品几何模型的研究现状 经过几十年的探索，产品几何建模技术变得更加实用和成熟。几何建模理论 和技术研究的进展常被分为线框模型、曲面模型和实体模型1 5 6 】。每一种几何建 模技术都获得了长足的发展，也都有其长处和不足。线框模型在计算机内部用顶 点表、边表来表示信息数据结构，其数据结构简单、易于理解，数据存储量小， 是进一步构造实体和曲面模型的基础，但线框模型不能表示设计对象的表面和形 体的信息，存在二义问题；曲面模型( 又称表面模型) 用有向棱边围成的部分来 定义形体表面，由面的集合来定义形体，可以构造复杂的几何形状但不提供曲面 之间的相关信息；实体造型是由若干表面组成的闭包，具有完整的几何和拓扑信 息，但不能表示非流形物体，几何覆盖域小。但是，此三种模型由于不能提供产 品生命周期中诸如分析、工艺、测量等非几何信息的支持，作用有限，只有各种 几何模型结合，才能各取所长，相得益彰。目前几何建模技术正致力于改进数据 结构，各种几何模型的集成与相互转换的研究。 1 1 2 产品信息模型建模研究现状 文献【7 】从产品全生命周期的角度出发，运用哲学中本体论的思想，将产品 的性能信息包含到集成产品信息模型中，扩展并进一步完善了集成产品模型的研 究内容，初步建立了基于本体论的集成产品模型的建模理论和建模方法，并在摩 托车智能设计开发平台中成功应用，验证了运用本体论建立集成产品模型的可行 性和所建集成产品性能信息模型的可重用性、可扩充性、动态性等特点。目前， 系统只在产品设计阶段进行专家系统的智能推理，在分析阶段采用向导式的提示 方式进行，而且分析阶段的智能化有待进一步研究。 文献【8 1 提出建立“统一产品模型胗，把统一产品模型分为四个要素：组织、 过程、资源和产品信息。通过对四要素相互之间的关联分析，给出了它们之间无 冗余的直接关联，并据此构建了统一产品模型的信息视图。同时，基于物理学中 的欧姆定律提出了一个用物理方法来表示统一产品模型，对其要素量化分析做了 构想，以达到优化统一产品模型提高效率的目的。通过构建统一产品信息模型的 组织结构、全局模型向应用模型的映射过程、映射算法以及统一产品信息模型的 集成框架，一步步地实现了对统一产品信息模型的构建。然而，该文中对于数据 的存储只给出了一个框架，对信息模型的本质没有作出研究，统一产品信息模型 中的全局模型到应用模型的映射算法只是一个理论上的算法，并没有给出各个具 体的映射算子，还需要对其具体化才能得到工程实现。 文献【9 ，1 0 1 提出了基于产品物理本质的元建模技术，认为各种应用模型之所 以难以沟通，根本原因在于不同的应用领域所涉及的知识域不同，现有的模型没 有建立这些知识域之间的联系，因而无法进行信息的重用和共享。他们把产品中 那些反映物理本质的信息如质量、速度和力等属性作为信息元，用符号来描述不 同抽象程度、不同粒度、不同近似度以及不同对应关系上的各信息元之间的物理 学依赖关系，用由这些信息元及其依赖关系构成的元模型来建立起知识域之间的 联系，而后通过定性推理就可以从元模型中导出各应用分析模型，而各应用模型 的变化也能通过元模型传播到其它应用模型中去。建立基于物理本质的元模型需 要开发人员对产品的各种物理规律有清楚的了解，这在产品开发过程的初始阶段 是十分困难的。 文献 1 1 1 提出了一个基于需求的产品功能模型，该模型有两条主线：一条是 描述产品的功能，以需求为驱动，以功能满足需求，并利用功能分解来深化产品 设计；另一条是描述产品结构，产品由什么零部件构成，这些零部件又由什么子 零部件构成。这两条主线之间的联系反映了“某个功能由什么结构实现 。这个 模型虽然比以往的产品模型多了功能描述，但是它并没有描述零部件的装配关系 及运动关系等，难以满足产品设计开发全过程的需求。 文献【1 2 ，1 3 】提出了基于产品定义单元( p d u ) 的产品建模的集成核心模型。 p d u 是产品中具有某种工程含义的基本数据单元，它可以存在于产品模型的任 何层次中。该模型以p d u 的六个层次对应产品从概念设计到详细设计的六个阶 段，因而在产品模型中可以详细记录产品开发过程，不少学者将这种方法引入机 械产品建模领域，开发了各自的产品模型f 1 4 ，1 5 】。这些模型在记录产品设计过程 方面有很大的优势，但是对于功能和结构的结合上仍比较欠缺。文献【1 6 提出了 一个新的基于产品定义单元和元建模的产品模型。该模型基于产品定义单元 p d u 以解决现有的产品模型非几何信息缺乏的问题，并采用元建模机制实现模 型之间的互操作。 文献【1 7 】研制了一个分层结构的产品模型，该模型不仅由基本的集成产品模 型组成( 几何公差、装配等) ，并且含有机加工信息，如切割刀具及加工参数。 文献【1 8 在零件结构分解基础上提出了基于单元的产品结构建模方法，通过功能 与结构之间的映射实现了零件结构原形的自动生成和设计概念的图形化，并给出 了以基因单元为操作单位的单元置换技术，在产品结构优化和结构重组中具有重 要的实用价值和指导意义。 文献【1 9 】以形状要素、零件、部件三种层次的结构单元为基础，引入零部件 母图技术，研究了基于结构单元的产品建模原理及实现方法。采用面向对象技术 构造了结构单元，在其内部实现了设计数据和数据关系的封装，有效的支持了产 品变形设计。 文献 2 0 1 提出能支持全范围的p l m 信息需求的产品信息建模框架，该框架 是基于n i s t 的c p m ( c o r ep r o d u c tm o d e l ) 及其扩展、o a m ( o p e na s s e m b l y m o d e l ) 、d a i m ( d e s i g n a n s y s i si n t e g r a t i o nm o d e l ) 、p f e m ( p r o d u c tf a m i l y e v o l u t i o nm o d e l ) 。这些抽象模型使用普通语义或者某领域使用的专用语义加以 定义。c p m 描述产品的功能、结构和行为、其物理、功能的分解以及这些概念 间的相互联系；c p m 的扩展提供了一种联系设计基本原理与产品的方法；o a m 定义系统概念模型与相关的分级装配关系；d a i m 定义产品主要模型和一系列的 功能模型，即：一个专有领域模型，主模型与每个功能模型的实现和映射两个模 型：p f e m 扩展了产品族与其组件的描述以及扩展设计基本原理到产品族进化基 本原理中。此建模框架目的是产品全生命周期各个阶段都能从早期概念设计阶段 获取产品设计、装配、公差等信息，以及为下一代c a d c a m c a e 集成实现语 义上的互用。 基于功能单元来描述产品，是目前产品建模研究的一个重要趋势，因为它既 可以使设计人员免于从设计一开始就面临着对设计对象物理规律的抽象这种繁 重而困难的任务，又能满足概念设计的需要。然而，全生命周期设计技术要解决 的任务是多方位的，随着产品开发过程的推进，“功能单元”描述需要不断深化。 如何由基础的功能单元衍生出各种应用所需要的新的功能模型，保证产品开发各 阶段所使用的模型一致性、可扩充性、可集成性以及继承性，是面向产品全生命 周期建模的基本要求，也是目前各种建模方法所需解决的核心内容。 文献【2 1 认为面向对象和s t e p 技术可以满足产品建模的需要，并研究了相 应的建模策略，给出了基于对象和s t e p 技术的注塑模产品模型。文献 2 2 1 提出 一个使用s t e p 的产品模型，它的设计和实现按s t e p 标准来设计，并支持集成 产品模型结构和标准数据格式，它包括一个通用产品模型、一个产品模型数据库 及三个界面，该模型主要为c a d 服务。文献【2 3 提出了一个支持c a d 和c a m 集成的信息模型，该模型包括一个全局信息模型和局部信息模型，全局信息模型 被用来为所有的局部信息模型共享，它的结构按照s t e p 实体定义，可以从全局 信息模型中检索必要的信息。文献【2 4 提出通过中性文件来实现集成产品模型交 换，并认为产品模型数据交换标准( s t e p ) 可以实现c a d c a m 之间数据交换， 为此做了一个原形系统m d i 。 文献【2 5 针对并行工程需求，对特征的定义进行了扩展，提出了广义特征的 概念，基于广义特征和s t e p 标准建立了零件信息模型。该模型分四个层次定义 和描述零件信息，分别为零件层、广义特征层、特征层和几何拓扑层，为c a d 的后续过程，如工艺设计、可制造性评价提供了丰富的零件信息，便于实现c a d 与后续过程的并行。文献 2 6 1 对满足集成要求的特征进行定义、分类和描述，并 采用特征技术构建了产品的信息模型，为c a d c a p p c a m 各应用模块的集成提 供了实现的基础。文献【2 7 】提出了一种支持并行协同设计的多视图特征模型，通 过同构的多视图形状特征的描述模型( 也称中介模型) 而实现集成化。中介模型 服务扮演着分布式网络应用中的服务提供者的角色，各种网络应用从共享的中介 模型的对象语义数据中提取出特定的视图。文献 2 8 1 j 1 恿过对机械产品建模分析， 建立了以e x p r e s s g 表达的全局集成产品模型信息需求关系，由此提出一种适 合于并行工程开发框架的“多视图 全局产品模型。该模型以s t e p ( i s o l 0 3 0 3 ) 标准的应用协议( a p ) 为基础，结合产品特征建模技术，提供了完整、无二义性、 多视图方位的集成产品模型抽象模型，实现集成产品模型的共享。 文献 2 9 在商业化c a d 软件u g s s o l i d e d g e 系统中提出了一种柔性方法， 实现c a d c a p p 集成，主要讨论了特征识别和转换、特征参数和约束提取、特 征树的重建等技术，提出面向c a d 几何模型方法集成产品信息模型，以此实现 与下游活动的集成。 文献【3 0 】研究了产品主模型与应用模型的双向映射技术，在保证信息一致、 完整的前提下实现了各应用模型的信息交换，提出了基于图元对象的产品建模方 法，该方法以图元作为产品建模的基本单元，有效的保证了集成产品模型的继承 性和变异性。 1 1 3 其它建模方法 面向过程的建模方法是把过程看作系统模型的基本部分，数据是随着过程而 产生的。最有影响的面向过程的设计方法是y o u r d o n 设计法。 面向数据的建模方法把模型的输入输出看成是最为重要的，因此，首先定义 的是数据结构，而过程模块是从数据结构中导出的，即功能跟随数据。最有影响 的面向数据的设计方法是j a c k s o n 设计法。 面向信息的建模方法与面向数据建模方法的区别就是信息和数据的区别。信 息和数据都是信息系统中最基本的术语，数据是指记载下来的事实，是客观实体 属性的值，而信息是构成一定含义的一组数据。面向信息建模方法是从整个系统 的逻辑数据模型开始的，通过一个全局信息需求视图来说明系统中所有基本数据 实体及其相互关系，然后在此基础上逐步构造整个模型，信息模型记录系统运作 所需的信息实体，如人员、地点、事物、观念等，为分析现行系统提供信息的图 形化表示。数据建模的目的是设计和实现满足系统信息需求的数据库结构，即数 据建模支持系统设计。 面向对象的分析方法是利用面向对象的信息建模概念，如实体、关系、属性 等，同时运用封装、继承、多态等机制来构造模拟现实系统的方法。传统的结构 化设计方法的基本点是面向过程，系统被分解成若干个过程。而面向对象的方法 是采用构造模型的观点，在系统的开发过程中，各个步骤的共同的目标是建造一 个问题域的模型。在面向对象的设计中，初始元素是对象，然后将具有共同特征 的对象归纳成类，组织类之间的等级关系，构造类库。在应用时，在类库中选择 相应的类。 文献f 3 1 1 提出了一种基于数据流图和设计结构矩阵进行信息建模和重组的 方法，但d f d 图存在一些不足之处：( 1 ) 关系简单。大部分的d f d 图都只表 示了顺序关系，而在实际的设计过程中，还存在并行、或、异或等关系。特别地， 当有选择关系，d f d 图便不能全面地对此进行描述。( 2 ) 不利于计算机操作且 结构零乱。d f d 模型是一种图形表示，非逻辑语言描述，不利于计算机实现； 当设计信息很多或信息层次很复杂时，d f d 模型就显得松散零乱。( 3 ) d f d 图 只考虑了设计信息，没有考虑产品的性能信息的建模和重用。 文献f 3 2 】结合产品设计中全过程成本建模的特点提出了潜信息模型的新概 念，建立了基于细胞学的潜信息模型构造框架。利用潜信息模型能够表达不全信 息或迟到信息的优点，探讨了面向设计各阶段的潜信息模型演变算法，实现设计 全过程信息的动态演变和表达提高了成本建模的效率及其平台的通用性。 1 1 4 问题与不足 从上面的研究可以看出，虽然国内外学者己经在产品模型及其建模理论方面 做了大量的研究工作，但是仍存在很多问题有待解决。 ( 1 ) 已有建模方法主要针对产品几何模型的创建，有一些涉及到功能模型 的创建，如何从改变产品模型结构的本质出发，提出一套全新的产品模型结构和 建模理论和方法，该模型结构在概念设计阶段便考虑产品全生命周期信息，建立 c a d c a p p c a m 通用的产品信息模型，实现产品设计、分析、工艺、装配等阶 段信息的共享和互动，充分发挥产品信息模型的作用是一个重要的研究课题。 ( 2 ) 虽有基于知识的产品设计方法，但知识表达方式与计算机处理方式之 间有鸿沟，没有从模型是信息的载体、信息跟随模型、模型配置信息角度去分析。 建立产品设计的信息检索和控制甚至智能为一体的集合模型，如何有效的把产品 信息跟产品结构联系起来，实现模型真正的服务功能，又是一重要研究课题。 ( 3 ) 设计产品的过程就是产品静态、动态信息不断充实、融合和附加的过 程，然而在概念设计阶段，不能充分利用c a d 技术，这是因为没有从信息集成 的角度来设计、分析产品模型结构。产品实质上是一个信息集合体，只有从信息 的观点来分析产品，才能挖掘产品模型设计的本质。 ( 4 ) 产品模型不完整，模型包含的信息不完整，不能全面支持产品的生命 周期活动。若产品包含了所有产品信息时，那么在完整表述这些信息的同时，又 如何有效、合理、简化这些大量的信息。 针对上述问题，本文重点研究产品信息模型建模理论和方法，基于 a c i s h o o p s 集成平台开发出试验性系统，并以汽车零件为例，研究其实现技 术和应用。 1 2 几何造型平台概述 c a d 技术是制造业的核心关键技术，大力发展自主c a d 系统是我国制造业 信息化发展道路中的重中之重，c a d 系统的开发伴随着计算机软硬件技术的高 速发展向着更高更深层次方向发展。基于c a d 几何造型引擎进行的c a d 系统 开发与基于某个通用c a d 系统的二次开发和完全从底层做起的开发方式相比具 有开发周期短、见效快、系统稳定性好、功能强的特点，同时也是符合市场经济 机制和合理分工原则，迅速提高国内c a d 系统技术水平和市场占有率的有效方 式。当前比较流行的c a d c a m 系统开发平台主要有a c i s 、p a r a s o l i d 、 c a s c a d e 、p e l o r u s 、d e s i g n b a s e 等。 1 2 1p a r a s o l i d 几何造型平台 p a r a s o l i d 是英国e d s ( e l e c t r o n i cd a t as y s t e m s ) 公司推出的c a d c a m 几何造型开发平台，它的前身是英国剑桥大学c a d 实验室的i a nb r a i d 和导师 c h a r l e sl a n g 以及同窗a l a ng r a y e r 在1 9 7 4 年开发的第一代实体造型软件 r o m u l u s 。p a r a s o l i d 采用的是精确的边界表示，并且混合使用了n u r b s 和 解析曲面，面向的是以复杂曲面为边界的实体造型领域，主要集中在c a d c a e c a m 应用范围，用户可用它作为平台，开发自己的应用系统，目前已有近百家 公司和研究单位将p a r a s o l i d 作为他们自己的c a d 系统的造型核心，例如著 名的系统有u g 、s o l i d w o r k s 、i c a d 等。p a r a s o l i d 支持流形造型与生成型拓 扑( 非流形造型、单元体造型、混合维造型) ，提供了布尔运算、局部操作、显 示、查询等功能【3 3 1 ，主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 复杂过渡，p a r a s o l i d 采用自由曲面和解析曲面的混合表示，提供 了丰富的边、面高级过渡和倒圆功能。 ( 2 ) 容差造型，p a r a s o l i d 从其它c a d 系统导入数据时无须对模型进行 修补，而是采用了独特的容差造型技术，通过为每个边赋予不同的容差，使模型 交换可靠、精确，避免了几何数据的丢失、缝隙的产生以及其它误差。 ( 3 ) 抽壳、等距和变厚，这是生成薄壁零件的三种操作，作为可靠的造型 器，p a r a s o l i d 支持复杂几何操作，并允许结果模型的拓扑与原始模型的拓扑 有一定的差距。 ( 4 ) 为了能够将实体模型转换为产品定义模型，p a r a s o l i d 能够提供非 几何拓扑数据，称为属性，如加工容差、表面粗糙度、表面反射率、实体透明度 和实体密度等。属性依附于模型实体。 ( 5 ) p a r a s o l i d 支持局部操作，在对模型进行局部操作时，无须关心模 型的几何结构。p a r a s o l i d 的局部操作包括：改变面几何、变换面几何、使面 成锥形、摆动面、扫描面及删除面【3 4 l 。 1 2 2c a s c a d e 几何造型平台 c a s c a d e 是由法国m d t v ( m a t r ad a t a v i s i o n ) 公司开发的c a d c a m 软件平 台，m d t v 积累了其在工业软件和几何造型软件方面十几年的经验仅用四年时 间就开发并推出了c a s c a d e ，目前c a s c a d e 已应用于机械、船舶、地球科 学、医学和土木工程等领域，其应用主要集中在专业性c a d c a m c a e 等应用 软件的开发，如法国土建机构s e t r a 开发的公路与桥梁设计软件a r c a d 、法 国地球科学结构b r g m 开发的g i s 系统等【3 5 】。c a s c a d e 主要具有以下功能： ( 1 ) 几何造型，c a s c a d e 除了提供一些基本的2 d 、3 d 曲线和曲面造型 功能外，它对于2 d 既可以直接生成几何模型也可以通过约束生成几何模型，这 便于参数化c a d 系统的开发，而对于3 d 模型则提供了基本的特征造型功能。 c a s c a d e 支持特征造型，如圆孔特征、拉伸类特征、旋转类特征，支持通过 线框或边对面进行分裂，可对两个实体进行粘合，包括面一面、边一边粘合。 ( 2 ) 可视化操作及交互对象，图形对象的显示方式包括线框、消隐、渲染 和自定义，并可对图形对象进行动态拾取操作。在图形交互方面提供了强大的功 能，对话框引擎中提供对话框生成器( 对话框命令语言d c l ) 。交互可重用模 块包2 dv i e w e r 、3 dv i e w e r 、t r e eb r o w s e r 、c o p y & p a s t e 和2 d 草图工具等。 ( 3 ) 数据存储，支持所有数据类型的存储，并提供了新颖的设计管理器， 支持产品数据管理、e u c l i d 数据库管理和e u c l i d 数据库存取等功能。 ( 4 ) 数据交换，提供了其几何与其他异构c a d 系统的接口，接口是双向 的( 输入和输出) ，接口共有三种：s t e p a p 2 1 4 、i g e s 和d x f 。 1 2 3a c i s 几何造型平台 a c i s 是美国s p a t i a l 公司推出的一个基于面向对象软件技术的三维几何造型 引擎【3 6 】。作为世界上最成熟的几何造型开发平台之一，a c i s 具有良好的几何造 型功能和数据结构，被众多软件制造商先后采用。目前在世界上已有3 8 0 多个基 于a c i s 的开发商，并有1 8 0 多个基于它的商业应用，a c i s3 dt o o l k i t 在世界上 的最终用户已近一百万，许多著名的大型系统都是以a c i s 作为造型内核，其中 比较著名的如a u t o c a d ，m d t ，c a d k e y ，m e c h a n i c a ld e s k t o p 等【37 1 。由于a c i s 的强大造型功能和特色，目前国内很多企业和高校都已经开始在a c i s 几何开发 平台上自主开发软件系统，如北航的金银花c a d 软件、上海交大的k e r e ac a d 系统、上海鲁班软件有限公司的鲁班软件、北京航空航天大学k b e 系统等。 1 2 4h o o p s 显示平台 h o o p s 是美国t s a ( t e c hs o f ta m e r i c a ) 公司开发并由s p a t i a l 公司再次销售 的产品，该产品由最初的开放状态，逐渐成为图形浏览领域内的一个功能非常强 劲的商业开发平台【3 8 】。h o o p s 3 d a f ( h o o p s3 da p p l i c a t i o nf r a m e w o r k ) h o o p s 3 d 应用程序框架就是该平台的应用核心，它提供了一整套的从几何元素定义到 复杂型面的显示和用户图形的交互的a p i 函数和图形支持库，并且为协同提供 了良好的机制。这些3 d 应用程序涉及c a d c a m c a e 、可视化和仿真等领域， 用户非常广泛，如a n t o d e s k 、s o l i d w o r k s 、d a s s a u l ts y s t e m e s 、p t c 等公司都使 用过h o o p s 。有了h o o p s 3 d a f ，用户就可站在一个高起点上，能够快速和有 效地开发和维护高性能的用户应用程序。用户通过将h o o p s 3 d a f 集成到相应 的软件开发中，可以更好地降低开发成本、优化资源和缩短产品上市时间。 a c i s 和h o o p s 的内部结构剖析在第2 章中做了详细研究。 1 3 选题背景及意义 先进制造技术的发展要求信息技术适应进程多发、需求交叉、多人协同工作 等特点。因而，理想的信息技术应该具有时效性、并行性、信息与工作目标的跟 随性、信息的低成本使用和共享、信息处理结果的可继承性等。c a x 集成为企 业带来的巨大变革有目共睹，企业越来越认识到c a d c a e c a p p c a m 实施的 重要性。然而，目前的c a x 和集成技术研究现状显然不能为“创造性 、“协 同式一、“综合性 、“虚拟式 、“智能化”等新型工作方式提供“即时可得” 的有价值信息，难以满足制造业发展对信息技术的需求。近年来，我国逐渐引进 了国际上一些比较著名的c a d 系统如a u t o c a d 、p r o e 、u g 和s o l i d w o r k s 等， 8 这些商品化的c a d 系统虽然对零件的几何信息的描述十分完善，但却无法描述 产品的非几何信息，使c a d 系统与c a e 、c a m 等系统间不能很好的共享模型 数据和信息。 本文所提出的“一元四体”新型产品信息模型，是我导师及研究团队多年研 究成果的积累，从起初的基于s t e p 的c a p p 系统信息输入模型【3 9 l 、基于s t e p 的m r b d 信息模型研究与应用【4 0 l 、基于a c i s 平台的新型c a d 模型理论及其应 用研究1 6 1 、及几何与生物动力学信息复合的模型理论及实现方法研究【4 i l 逐渐演变 而来。“一元四体 概念最早是导师在国家高技术研究发展计划专题课题申请书 1 4 2 j 中提出的。“一元四体”产品信息模型能有效解决产品生命周期信息的集成， 为机械产品设计及其过程管理提供一种新的途径和研究方法。本文所开发出的应 用软件系统，能与c a e 和c a m 系统更好的共享数据和信息，对信息、机械等 工程技术领域的研究都有重要的理论和实际应用意义，同时，对 c a d c a e c a p p c a m 集成的发展起到一定的推动作用。 本文的研究得到了国家自然科学基金重点项目工程与产品现代设计理 论方法( 项目编号：6 0 6 3 5 0 2 0 ) 的资助。所开发的系统获得国家知识产权局颁发 的软件著作权，软著登字第0 9 0 7 3 6 号，登记号：2 0 0 8 s r 0 3 5 5 7 。 1 4 本文主要研究内容 本文着眼于“一元四体 新型产品信息模型的理论、实现方法及其应用方面 研究，论文的主要结构如图1 1 所示，第1 章为绪论，第2 章为理论创新，第3 章和第4 章实现基础研究，第5 章为理论的应用研究，最后为总结与展望。 图1 1 论文总体结构框架图 珂丽 第2 章“一元四体产品信息模型研究 目前，c a e c a m 技术在很大程度上依赖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，产品模型能否在即时反映设计者意图的同时还能 包含驱动下游各种应用活动的产品数据，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。为此，本章提出一种新型产品信息 模型。 2 1 “一元四体”产品信息模型结构及相关定义 建模过程实际是自顶向下分解和自下而上集成的过程。本文首先对模型进行 结构上重新定义和创建，从本质上改变模型对数据的管理，“一元四体”产品信 息模型的结构描述如图2 1 所示。 图2 1 “一元四体”产品信息模型结构 定义1 ：“一元四体 产品信息模型 “一元四体”( am o d e lw i t hf o u rb o d i e s ) 产品信息模型是以几何拓扑信息 的基本体为基础，集信息检索体、信息控制体、信息进化与重用的智能体于同一 结构的信息集合体，简称为a m f b 模型。a m f b 模型用于描述和定义产品全生 命周期的数字化过程中所应用的所有信息( 包括产品设计、分析、制造、装配及 维护、销售、服务到报废等环节的所有信息) ，以及这些信息之间的相互关联关 系，是一种全新的结构与关系的集合，并使其成为计算机中可实现、可用的信息。 定义2 ：基本体( b a s i cb o d y ) 基本体是几何体( g e o m e t r y ) 和拓扑体( t o p o l o g y ) 的总称。几何体是指构成模 型的纯粹的几何元素，如点( a p o i n t s ) 、曲线( c u r v e ) 和曲面( s u r f a c e ) 等，这 些元素之间不存在空间和拓扑关系。拓扑体是指模型的各个对象之间的空间关 系，它描述了几何实体之间的连接方式，如线( w i r e ) 、块( 1 u m p ) 、壳( s h e l l ) 、子壳 ( s u b s h e l l ) 、面( f a c e ) 、环( 1 0 0 p ) 、有向边( c o e d g e ) 、边( e d g e ) 和顶点( v e r t e x ) 等。几 何体和拓扑体构成了模型的基本结构。 定义3 ：检索体( r e t r i e v a lb o d y ) 检索体是指负责实现信息的检索和信息跟随模型的部分，它是信息集成的主 要途径，也是信息集成的合理粒度，主要反映了a m f b 模型的跟随性。检索体 的设计内容包括模型全生命周期中信息的分类、产品信息的数据空间描述、独立 单元信息的内容、信息的表示方法、检索接口的设计。 定义4 ：a m f b 模型的跟随性 a m f b 模型的跟随性是指与产品相关的信息与产品模型的跟随能力，反映为 模型发挥载体作用的程度。跟随性越好则模型越能充分发挥其载体作用；若跟随 性越差则模型越不能充分发挥其载体作用。 定义5 ：控制体( c o n t r o lb o d y ) 控制体是指负责提示和引导用户使用信息，控制信息与模型动态的有效配置 的部分，它保证信息利用的时效和便捷，主要反映了a m f b 模型的配送性。控 制体的设计内容包括模型信息的存储和读取控s f j ( 尤其是独立单元信息的存取与 配置) 、各种信息的管理控制( 包括与用户连接的相关操作控制) 、与外部资源 的数据交换控制( 尤其是相关数据库的设计以及数据资源的保存与恢复控制等内 容) ，是一个过程控制，体现模型的服务功能。另外还包含模型与外界的联系， 这种联系可能表现为一种“结果，与智能体有关联。 定义6 ：a m f b 模型的配送性 a m f b 模型的配送性是指模型作为主体对产品相关信息在产品生命周期各 个阶段正确、高效配置和传送信息的能力，反映了a m f b 模型服务用户的能力。 定义7 ：智能体( i n t e l l i g e n tb o d y ) 智能体是指模型可以自我生长与进化，从而实现数据重用、结构重用、过程 重用和知识重用功能，负责模型与下游应用活动中的交流和连接，主要反映了 a m f b 模型的重用性。例如c b d ( c a s eb a s e dd e s i g n ) 、e s ( e x p e r ts y s t e m ) 等相关内容。 定义8 ：a m f b 模型的重用性 a m f b 模型的重用性是指与产品相关的信息在新产品开发过程中能够再次 被使用的能力。它对于新产品开发的效率、产品的可维护性以及产品的质量和标 准化都起到重要的作用。 定义9 ：a m f b 模型信息环境 模型信息环境指产品模型在设计、分析