（材料加工工程专业论文）级进模cad系统中协同设计的关键技术研究.pdf

华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 i 摘摘 要要 级进模作为一种高效、精密的模具在制造领域得到广泛应用。由于级进模结构 复杂、零件精度及可靠性要求高、使用寿命要求长，其设计、制造周期比一般模具 要长得多。因此，如何提高级进模设计和制造的效率是一个急待解决的问题。本文 在分析级进模设计过程及特点的基础上，从理论和实践两个方面，研究了级进模 cad 系统中实现协同设计的关键技术。 分析了产品协同设计的过程，阐述了协同设计的组织方法和网络支持环境。针 对级进模设计的特点，深入研究了级进模协同设计模式及类型，运用协同设计思想 建立了级进模 cad 系统中协同设计的体系结构。 根据协同设计中的数据类型的不同，分别采用可扩展标记语言（xml）和用户自 定义对象（udo)作为数据存储方式，实现了数据的存储，实现了在 xml 中对数据的 创建，修改等编辑操作。协同设计系统不仅需要本地数据操作，还需要进行网络通 讯，本文研究了采用 c/s 模型，实现了设计成员之间的数据传递。 协同设计思想的一个重要理念是同步。本文讨论了协同设计中的同步问题，描 述了同步问题的数学模型，实现了信息资源同步，即数据信息同步、模型信息同步 和消息同步。 最后，在上述研究的基础上，开发了基于 nx 平台的级进模协同设计系统，并给 出了一个设计实例，初步验证了级进模协同设计理论和技术的实用性。 关键词：关键词： 级进模、协同设计、可扩展标记语言、网络模型、同步 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 ii abstract as a highly efficient and sophisticated tool, progressive die has been applied widely in manufacturing field. the structure of progressive die is very complex. with the demands of high-reliability and high-precision, its manufacture cycle is much longer than other dies. therefore, how to improve the efficiency of the design and the manufacture is a pressing issue. in this article, based on progressive die design, the key technologies of collaborative design on progressive die are discussed. the collaborative design process, organizing methods and network support environment are introduced. according to the features of design, design pattern and design type are discussed. by adopting the idea of collaborative design, the framework architecture is constructed. according to the difference of data types, xml and udo as data storage methods are used separately. the establishment of xml for data, such as edit, deletion, etc is achieved. with the system requirements, it needs not only local data operation, but also network communications. the article examined system network transmission methods used c/s framework for the realization of the data transmission between members of the design team. one of the key technologies in collaborative design is synchronization. this article discusses the synchronization in collaborative design, describes its mathematical model, and achieves information resources synchronization. based on nx platform, an overall architecture of the collaborative design system on progressive die has been designed and developed. in this article examples are given，and conclusions are drawn and the further works are pointed out in the end keywords: progressive die; collaborative design; xml; network framework; synchronization 独创性声明独创性声明 本人声明所呈交的学位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，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密，在_年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密 。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 1 绪论绪论 随着市场竞争的日益激烈及全球市场的形成，对制造业来说，21 世纪企业竞争 的核心将是新产品的开发能力及制造能力。为适应市场的变化，提高产品竞争力， 缩短产品的生产、制造周期，必须提高设计效率，cad 技术成为实现这一目标的根本 途径 1。模具作为许多工业部门生产的基础工艺装备，将直接制约着产品的质量和新 产品的开发，级进模作为一种高效、精密的模具，其作用也日益显著 2。但是，级进 模结构复杂、零件多、零件精度及可靠性要求高、使用寿命要求长，其设计、制造 周期比一般模具要长得多。因此，如何提高级进模设计和制造的效率是一个非常关 键、急待解决的问题。采用模具 cad 技术是解决上述问题的有效手段 3。研究和开发 模具 cad 系统对于提高模具设计制造水平、缩短产品生产周期、增强企业竞争力都 有很大的促进作用。 1.1 国内外级进模国内外级进模 cad/cam 系统的研究概况系统的研究概况 板金零件产品在人们现在的生活中扮演着越来越重要的角色。作为一种精密、 高效的板金零件生产工艺装备，级进模也日益受到青睐。提高设计效率和设计质量， 已成为级进模开发商的迫切需求，许多级进模生产商开发了自己的级进模 cad 系统。 日立、日电、富士通和松下电器等公司早在 20 世纪 70 年代中期就成功地将 cad 技术应用于冲压模具的设计和制造 4， 开发出以提高计算和绘图效率为主的冲模 cad/cam 系统，使设计时间缩短了 1/2 以上。德国 stepper 公司针对其公司级进模的 设计特点 5，自行开发了 kiwi 系统，该系统是在 me10-cad 图形软件基础上开发的， 由毛坯展开计算、交互条料排样和模具结构设计等功能组成。 到 20 世纪 80 年代中期，cad/cam 技术已较为普及。大多数 cad/cam 系统都提供 了二次开发的接口，以便用户定制专用系统。芬兰的金属加工和热处理实验室将 fortran 语言编写的计算程序与三维 cad/cam 软件 auto-trol 集成在一起，由 auto-trol 提供二维制图、三维线框建模、基于体积的弯曲展开功能和 cam 功能，而 计算程序则负责计算卸料力、冲裁力、弯曲半径和材料利用率等，实现部分模具组 件的自动化设计，并可生成零件列表。日本富士通和松下电器联合推出了基于 cadam 的级进模 cad/cam 系统，用来提高电子产品和精密机加工零件的设计生成效率 4。一 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2 些商业化的级进模 cad/cam 软件也在这一时期出现，如 auto-trol 系统，fanuc cad/cam 系统、adms die master 系统、u-graph 系统、striker 系统等。相较于第 一代的级进模 cad/cam 系统，第二代系统在交互式图形技术和三维建模方面有很大 提高，提供了大量的分析设计功能。但是，这些系统大都是基于过程语言设计的， 仍以交互为主。系统只能进行一些相对简单地计算和数据提取，如生成零件列表和 模具尺寸识别，大多数重要决策，如凸、凹模形状的确定，成形性分析和条料排样 等，仍要由设计人员交互完成。 80 年代末 90 年代初，人工智能技术在工程领域受到广泛的重视和应用。有些研 究人员也开始研究级进模的智能设计技术。但是，由于级进模设计的复杂性，绝大 多数的智能化级进模 cad/cam 系统在应用上都有严格地限制。 国内在模具 cad/cam 系统方面的研究起步较晚，但也取得不少成果。1982 年， 华中理工大学与国营 733 厂合作开发的精冲模 cad/cam 系统，采用编码法进行产品 图形输入 6，工艺计算模块可对工件的精冲工艺可行性进行判断、并可对毛坯进行优 化排样 7-9。而结构设计模块，则采用了通用模架和标准模芯结构，凡与零件形状无 关的模具零件均按统一规格设计，以标准形式存储在数据文件和图形库中，需要设 计的仅仅是与零件形状有关的部分， 如凹模型腔、 齿圈压板、 顶杆的数量和布置等 10， 11。此后，华中理工大学又相继研制了基于 autocad 平台和 ug 平台的级进模 cad 系 统。 浙江大学于 1990 年开发了一套智能级进模 cad/cam 系统 12，该系统适用于冲裁 件的级进模设计。冲裁件由用户通过 autocad 软件交互输入，然后自动识别出零件 形状，并进行产品的工艺性审核。模具设计部分则主要采用典型结构调用和交互设 计相结合的方法。各零件设计完成后，根据它们在装配结构中的位置进行消隐处理， 形成模具装配图。 上海交大于 80 年代中期开展冲模 cad/cam 系统的研制工作，开发出一套普通冲 裁模 cad/cam 系统 13，同时也进行了级进模 cad/cam 系统的研制工作。他们认为能 够存储级进模典型结构、标准件、标准组合及设计经验、设计方法及设计步骤，并 向用户开放的智能化数据库是成功开发级进模 cad/cam 系统的核心。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 3 1.2 级进模级进模 cad/cam 系统存在的问题及限制系统存在的问题及限制 随着计算机技术和网络技术的发展，超大型项目和跨国界项目日益增多，参加 项目设计的技术人员数量也随之增加，cad系统由面向单用户逐渐向面向多用户方向 发展，传统孤立式的工作方式、以单一信息媒体的信息交互方式己无法满足信息时 代人们的需求，信息共享和人之间的合作与交流变得越来越重要。通常一个产品的 设计小组由在各方面有不同技术和特长的人员构成，不同的设计人员分别承担各自 的设计任务，多个设计者通过联网的计算机进行图形、图像、文字和声音的交流、 讨论方案、协同工作，以提高设计质量和进度。如何在这些人之间协调工作，使产 品设计的每个环节都得以顺利进行，这是产品设计成功的关键。另外，在20世纪的 模具制造行业，往往是采用串行工程的模式来进行的 14。所谓串行工程模式，就是 指在前一工作环节完成之后，才开始后一环节的作业的工程模式。串行工程模式的 产品开发过程沿用从需求分析-初步设计-方案设计-产品设计(详细技术设计)- 加工计划控制-加工，装配，检测-实验验证(试制)-投产-售后服务-修改的流 程 15。在这种工作模式中，各个工作环节彼此分离，各环节仅从本环节的需要出发， 很少也很难考虑产品整个生命周期中的各种因素，如可制造性，结构工艺性等，因 此除了在设计后期和制造阶段发现问题时提出工程修补意见之外，开发过程的上下 游环节之间不存在经常性的信息交换。这样一旦出现问题，就必然要对原设计进行 较大范围的修改，从而构成了从概念设计到设计修改的大循环，甚至可能在不同的 环节多次重复这一过程。模具设计过程具有多环节，多反复性的特点，而且各环节 之间关系错综复杂，互相制约。这些问题的出现使我们不得不设想开发新的设计方 法。 1.3 协同设计成为协同设计成为 cad/cam 系统的发展方向系统的发展方向 原有的串行工程模式不能适应日益剧烈的社会竞争，因此协同设计方式的发展 是一个必然的趋势 16。这也是模具cad/cam系统发展的一个重要方向。 协同设计是计算机支持的协同工作（cscw）的一个重要分支 17，也己经有很多 人在这个领域作了大量的研究和开发工作，但大多数都是理想的模型，成熟的系统 并不多，特别是实时协同设计方面，更是很少有系统真正达到远程的同步协同设计。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 4 国外的通用cad平台，如autocad也有支持协同的web版本，但其功能比较单一， 主要有：通过方便的xref功能，使多人操作总装图成为可能；内置的intrenet存取 功能使之可以存取远程图纸；使用whip和dxf格式，使图纸的web发布成为可能；可 以查看、批阅远程dwg、dwf。由此可见，autocad的这种协同功能是基于文件级别上 的协同。 cocadcam是南澳大利亚大学先进制造研究中心的kao和lin开发的协同cad/cam 系统 18，它利用现有的商品化cad/cam软件提供的api开发接口，将传统的单机、单 用户系统扩展为支持协同工作的多点应用程序，这样，两个异地分布的用户就可以 实现自由曲面的协同编辑和nc加工路径的协同仿真。cocadcam己在局域网和 internet上实现，但是没有实现实体模型的协同造型和编辑修改。 onespace是美国cocerate公司推出的商业化协同系统软件，这个软件提供了比 较先进的协同产品设计环境，它增强了现有cad系统在协同设计方面的能力，通过动 态造型(dynamic modeling)与特征识别相结合的技术 19,20，实现基于特征的产品模型 协同编辑。但是这个系统有一个限制，就是它所支持的cad系统的模型数据在服务器 端都必须转换为其造型器soliddesigner的数据格式，而这种具体的数据格式是不利 于在网络上进行交换和共享的。 国内对计算机支持的协同工作（cscw）的研究始于1994年，研究工作主要集中 在理论方面。 (1) 中国科学院计算技术研究所cad开放实验室对支持cscw的数据库管理进行 了研究。 (2) 清华大学史美林、杨光信在其论文中详细地讨论了一个实时协同设计支撑 系统原型codesign的设计与实现中的若干问题。 (3) 西安交通大学设计出一个基于cscw 的协同计算机辅助系统coopcad，此 系统是基于autocad在二维模型上做了些工作。 (4) 浙江大学何发智用协作支持工具软件cocadtoolagent改造商品化 cad(autocad)系统，提出了开发cscd系统的新思路和总体技术路线，给出了通讯支 持、协议、一致性维护、并发控制、协同感知、任务和角色机制的有效实现方法。 (5) 西北工业大学对协同几何造型技术有较深入的研究，现在正研究以nx为基 础实现的实时协同造型和浏览、查询和标注以及模型协同编辑等技术。 尽管国内对基于cscw技术的协同研究已经多年，但研究重点只是在探讨计算机 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 5 支持的协同设计的可行性、协同设计中的设计问题、人员管理、合作与冲突消除、 信息共享和交流等，基本上还没有出现一个成熟的商品化软件。特别是在模具协同 设计方面的有很大的缺口。 1.4 课题的目的与意义及本文研究内容课题的目的与意义及本文研究内容 1.4.1 课题的目的与意义课题的目的与意义 个体的设计专家通常无法掌握所有领域，所有方面的知识，因而难以独立完成 整个的设计任务，这就要求多个专家协同工作，共同来完成设计。协同设计是集思 广益的创造性活动，它包括多个设计人员的实现同一般设计目标所开展的设计，分 析与决策活动。设计者为完成同一任务而工作在一起，体现了较多社会活动的内容， 而个体设计更多的是一种设计者的认识活动。企业实行并行工程时，要求设计，制 造各个过程的多项任务同时进行，交叉进行，减少设计过程的多次反复。并行工程 的协同效应使得各部门协调工作，能够对众多方案进行即时准确评价，以达到最优 方案。计算机支持的协同工作能使在不同计算机上的用户分工协作，共同高效的完 成一个复杂的问题。于是，协同设计便成为实施并行工程的重要方法之一，也是今 后发展的必然趋势。 协同设计技术实现了分阶段、分步骤的设计，解决开放的复杂设计系统的重要 手段。我们知道任何一个产品的设计都不是孤立的，他们是整个环境中的一部分， 需要进行分工协作。协同设计系统是实现社会的分工协作，支持专业化的社会产品 设计协作体系的重要工具。 模具是制造业的基本工艺装备，模具设计，制造的效率对产品的开发效率有决 定性的影响。模具设计因素的复杂性和多样性，特别是级进模，在实际设计当中， 要实现智能推理或专家系统，目前很难实现。所以，国内外模具设计软件主要是人 机交互式，模具的设计制造过程中的主要环节人主要依靠人协商完成。现代制造业 正面对一个快速多变的竞争的市场，制造企业必须以敏捷的应变与制造能力去适应 市场的挑战。因而，要求企业具有快速开发新产品，以及适应多元化的市场。目前， 远程设计和制造技术已成为制造领域中的一个重要发展方向。在级进模设计中采用 协同设计技术是提高生产效率，缩短生产周期的有效办法。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 6 1.4.2 本文研究内容本文研究内容 本课题的目标是开发级进模协同设计系统。 华中科技大学模具技术重点实验室 已经开发了一个基于ugs/nx平台的级进模设计系统，但尚不具备协同设计功能。本 研究将利用课题组在级进模cad方面已取得的研究成果， 以级进模的协同设计方法 为对象，从理论和实现方法上，对级进模的协同设计进行深入的研究，开发出基于 nx平台的级进模协同设计系统。主要有以下研究内容： (1) 研究协同设计的基本理论，建立级进模协同设计的系统框架。在级进模的 协同设计中，一个团队的各个成员之间的数据如何同步更新，并怎样进行有效的， 即时的信息交换，消息传递，从而实现模具设计中的协同工作。 (2) 研究级进模协同设计的数据模型和通讯技术。在协同的工作中，如何解决 模型的变量和数据的冲突。 (3) 各个成员之间所传递数据的管理。 (4) 通过网络实现团队各个成员之间的数据传输。 最终开发出能利用 nx 级进模设计模块，进行协同合作设计级进模的系统。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 7 2 级进模协同设计及级进模协同设计及 cad 系统结构系统结构 2.1 协同设计的基本原理协同设计的基本原理 2.1.1 产品传统设计与协同设计产品传统设计与协同设计 传统的产品开发过程是采用串行的方式进行的，串行开发过程可由图 2.1 中的 网络来表示 21。图中竖线表示转移，圆对应从需求到最终产品的各个状态，信息 p i 为激发转移的令牌，组织 o 和资源 r 是转移激发的必要条件。在这个串行的过程中， 每个转移所需的组织、资源相互孤立，只有所需的信息到达时，转移事件才被激发。 否则，组织 o、资源 r 处于等待状态。串行的产品开发未能将各过程的信息很好地集 成起来，容易造成各子过程脱节，产品设计中的制造工艺性问题不容易及早发现； 串行开发中工艺方案设计、工艺装备等的前期准备工作不能尽早开始，延长了开发 周期。后续子过程的成员、资源也不能充分利用。 图 2.1 串行开发过程网模型 传统的串行设计方式存在效率低、反复率高、周期长，成本高等问题。为了解 决这一问题，可以采用并行的方式开发，也就是协同设计过程。 协同设计开发过程的网络模型如图 2.2 所示。由图示可知，协同设计的方法就 是优化产品设计开发流程，强调各领域的专家共同参与产品设计开发过程。在形式 上表现为在设计阶段尽早考虑产品的多种要素，多项任务平行交叉进行，并尽可能 多地交流设计信息，相互协调地开展工作。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 8 图 2.2 协同设计开发过程的网模型 并行工程从产品设计、制造全过程的角度出发 22，组建多学科产品开发团队， 强调参与者协同工作的效应， 最大限度地实现过程集成， 尽可以多地交流设计信息， 相互协调地开展工作，从而减少返工，提高设计质量 23。因此，并行工程环境下的 设计过程是一个多学科开发团队的协同设计过程。 产品开发的协同设计有以下三个明显的特征： (1) 其目的是实现产品开发的总目标。实际系统中，系统的各组成活动分别具 有各自的目标，这些子目标可能是相互影响甚至是相互矛盾的，如何系统地处理这 些子目标并保证总目标的实现是一个比较复杂的问题； (2) 协调过程实际上是一个在资源等约束条件下，通过交换信息和协商解决冲 突使被协调对象达到平稳、无冲突状态的决策过程； (3) 协调的手段是调整各活动间的关系，包括不变关系的维持、可变关系的修 改及辅助关系的取舍。 2.1.2 协同设计内容协同设计内容 协同设计 24可以定义为：地域分散的一个群体借助计算机及其网络技术，共同 协作完成一项设计任务。完成协同任务需要一个协同的工作环境，即协同设计系统。 网络化产品协同设计的基本特点是多学科小组，异地、异构环境下的合作设计。即 分布在异地的具有不同专业特长的设计小组，使用不同的设计工具，基于广域网进 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 9 行远程协作设计，在一个共享环境中对设计方案反复讨论、修改，以最快的速度、 最好的质量完成产品设计。它要求所有成员都能及时了解整体设计方案，能随时了 解设计过程的进展状态，能动态获取阶段性设计结果的信息，能方便地共享设计资 源，能有效地实现人类智能的交流。而协同设计的含义具体体现在以下几个方面 25， 26： (1) 产品设计信息的协同 在协同设计中，所有设计者面对的是同一产品信息模型。由于同一信息源在不 同设计环境中描述不尽相同，不同的服务出于不同的需要，对信息的使用方式也有 差别，因此，存在不同设计者之间的设计信息的协同。 (2) 设计过程的协同 将一个完整的、复杂的任务分解成完全独立的子任务是不现实的，也是不必要 的。设计者所承担的子任务间存在的关联性决定了设计活动必须按一定顺序协调一 致地进行。 (3) 设计工具的协同 不同设计者所使用的设计工具不完全一样，同一设计者也可能使用多种设计工 具。协同设计应提供这些设计工具的管理方法。 (4) 设计环境的协同 协同设计是跨部门、甚至跨企业的活动行为。不同部门、不同企业的设计环境 存在差异，并且这种异构的设计环境随着设计的进程是动态变化的，所以异构设计 环境的集成是协同设计系统的主要内容。 (5) 通信的协同 异构环境下设计者之间的通信是包含知识处理机制的通信。通信过程的协同包 含对不同的知识理解以及表达方式之间的转换等协调工作。 2.2 产品协同设计方法产品协同设计方法 2.2.1 协同设计工作方式协同设计工作方式 从协同成员对协同活动的贡献和对各自观点的表达方式上，将其分为以下三种 方式： 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 10 (1) 协商(或对策) 27的方式 在这种协同工作的方式下，协作者往往通过各种方式来支持自己的观点和立场， 而在这些观点和立场上的任何差异都将引起一轮新的协商(或对策)，这种协同活动 的最终结果往往具有某种具体的形式(例如一个关于会议时间安排的日程表等)。协 商的方式如图 2.3 所示。 图 2.3 协商的方式 (2) 合作的方式 这种方式的协同工作可以描述成一个协作群体共同解决一个(或多个)问题，或 协作完成一项(或多项)共同的任务，如图 2.4 所示。协作者通过协同活动的协调作 用分担问题和任务的不同子部分，以合作的方式解决共同的问题或完成共同的任务 (例如大型软件的合作开发工程等)。 图 2.4 合作的方式 (3) 创造(反映)的方式 在这种方式的协同工作中，协作成员共同对所关心的事物进行分析、讨论，如 图 2.5 所示。这种协同方式着眼于工作的过程，即对共同关心事物进行创造性的思 维和认识活动。它只是现实协同活动的某种抽象和理想化的状态，在现实中的实例 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 11 较少(一般存在于学术领域的协作研究和讨论之中)，但是对这种方式的研究具有理 论上的意义。 图 2.5 创造的方式 2.2.2 协同设计组织方式协同设计组织方式 协同设计方法，是一种全新的产品开发模式，为制造业带来了深刻的变化。协 同设计不再沿用传统的，按部门划分的组织模式，而是以产品开发对象为核心的跨 部门的多学科产品开发团队进行并行、分布的产品开发 28。 协同设计力图使开发者从一开始就考虑产品生命周期内的所有因素，建立以成 员合作为基础的协同工作组织集成的多学科开发团队(ipt)。ipt 是一种权力分 散、知识共享的组织结构，它把各环节的成员集合在一起，共同负责产品开发任务。 图 2.6 给出了冲压产品及其模具开发的两种不同的成员组织方式。传统的成员组织 形式以专业功能划分组织，例如产品设计、工艺设计、模具设计等部门。产品设计 部门在完成产品的结构设计以后，将结构设计的信息传递给工艺设计部门。工艺设 计部门完成设计后再传递信息供模具设计部门使用。协同设计则以产品开发对象组 织成员，围绕一种产品的开发组成一个 ipt。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 12 图 2.6 传统设计与协同设计组织方式 ipt 是由多学科开发人员组成的团队，具有以下特点： (1) ipt 是高度集成的团队，其成员必须对集体负责，保证他们的工作结果是集 成产品开发中可信赖的一部分。 (2) ipt 的成员必须相互合作，这是大量的跨学科协同得以实现的前提。 (3) ipt 成员被授权完全代表其原来所在的功能部门。 (4) ipt 是可变化的，其成员、负责人、规模等可随任务的需要进行调整。 (5) ipt 围绕产品开展工作， 每一个 ipt 都有其明确的产品对象， 负责相关的过程。 2.3 级进模结构协同设计系统体系结构级进模结构协同设计系统体系结构 2.3.1 级进模结构设计的特点级进模结构设计的特点 级进模按工序可以分冲裁、弯曲、成形，翻孔、翻边、桥接、拉深、或砸扁等 多道工序，每个工序都由不同的凸凹模来完成工作 29。级进模的设计包括冲压工艺 设计和模具结构及零件设计两大部分。冲压工艺设计的任务是依据板金零件的形状 特点确定冲压成形工序，保证在经济和技术上的合理可行，而模具结构及零件的设 计任务则是根据冲压工艺设计结果。其中工作件的设计是个重点。工作件设计主要 包括凸模设计、凹模镶块设计和安装方式设计等。在设计凸模时需考虑凸模的强度、 刚度、安装和更换；为提高细小凸模的强度，需采用带台阶凸模或者带护套的凸模； 凹模的设计通常要考虑凹模形腔的形状、精度、各型孔间的相对位置、加工和寿命 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 13 等。从级进模设计的内容和过程中来看，工作件设计即凸凹模的设计的工作量相当 的大，用的时间也比较多，而且过程很反复。如果采用传统的串行方式设计，往往 会重复相同的工作，造成设计周期加长，成本提高。一副级进模中除空工步外每个 工步都有凸凹模，每个凸凹模完成的是不同的成型工作，所以凸凹模的设计是相对 独立的完成，每个凸凹模可以单独的设计完成，最后装入模架。这点和协同设计十 分相似。协同设计的特点就是任务分开并行的完成。因此，我们的级进模协同设计 系统主要着手于凸凹模设计的协同。 2.3.2 级进模结构协同设计系统的组成级进模结构协同设计系统的组成 设计级进模结构协同设计系统首先要选用一种适合该系统需求的协同的工作方 式。综合考虑协同设计的几种工作方式，如果单独采用某一种方式进行协同设计， 都达不到我们系统地要求。采用多种方式结合协同设计能有效地避免独这一问题。 因此我们选用了合作协同和创造协同相接合的工作方式，运用在我们的系统中，如 图 2.7 所示。 图 2.7 系统工作方式 在上图工作方式下的级进模协同设计系统，先把整个凸凹模设计任务按工步或 者工作件类型分成若干子任务，分配给该工程工作组的设计人员；设计人员根据自 己的任务要求独立完成设计凸凹模设计，并返回设计好的模型文件。如果设计结果 于其他设计人员的设计有干涉或者其他冲突问题，他们之间单独的协商解决问题， 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 14 最后再次返回修改后的设计结果，完成最终的设计。 协同设计一般是由一个开发小组共同完成设计任务。既然由多人分布设计，就 需要网络支持，那系统建立时必须要选择一种网络模式 30。现在比较通用的两种网 络模式： 一是浏览器/服务器模式（b/s） 31，32。b/s模式是一种以web技术为基础的新型 的系统平台模式，它把传统c/s模式中的服务器部分分解为一个数据服务器与一个或 多个应用服务器(web服务器)，从而构成一个三层结构的客户服务器体系。 另一种为客户/服务器模式（c/s） 31。c/s模式主要由客户应用程序、服务器管 理程序和中间件三个部分组成。首先，交互性强是c/s模式固有的一个优点。在c/s 中，客户端有一套完整应用程序，在出错提示、在线帮助等方面都有强大的功能， 并且可以在子程序间自由切换。其次，c/s模式提供了更安全的存取模式。由于c/s 在逻辑结构上比b/s少一层，对于相同的任务，c/s完成的速度总比b/s处理速度快， 使得c/s更利于处理大量数据。 综合考虑 c/s 模式的特点，再加上我们的系统主要是针对局域网中的级进模系 统设计，b/s 模式不适合我们的系统，因而考虑采用 c/s 模式。 c/s模型的实质是“请求驱动”。c/s模型最终可归结为一种“请求/应答”关系。 一个请求总是首先被客户发出，然后服务器总是被动地接收请求，返回客户需要的 结果。在客户发出一个请求之前，服务进程一直处于休眠状态。一个客户提出请求 后，服务进程被“唤醒”并且为客户提供服务，对客户的请求作出所需要的应答 33， 34。这一请求/应答相应的过程可以用图2.8所示。 图2.8 c/s模式下客户进程与服务进程的请求响应过程 完成选择协同工作方式和网络模型这些前期工作后，便可以拟定系统构架。级 进模协同设计 cad 系统主要包括工程初始化，级进模凸凹模模型保存更新，消息通 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 15 信，冲突协商处理，网络管理几部分，见图 2.9。 图 2.9 系统结构 (1) 工程初始化 工程的开始总是需要初始化，设定参数等，级进模协同设计也不例外。初始化 在服务器端主要完成新建工程，邀请其他成员加入工程。另外在客户端，各个设计 人员如收到邀请加入消息，则加入该工程中。 (2) 模型保存更新 协同设计的最终结果就是得到完整的设计模型。但由于整个模型是分任务，分 开完成的，设计完成后需要以节点的形式保存。然后把分开的模型文件整合，更新 才能得到最后想要的完整设计。 (3) 消息通信 消息通信在协同设计系统中起着桥梁的作用。每个成员的工作都是分开的，但 他们工作又需要联系，消息通信就是他们之间最好的中介。在图中也可以看到，邀 请设计人员加入工程，如加入工程后的回馈，以及协商冲突和通知模型更新这些都 是通过各个成员之间的消息通信来完成的。 (4) 冲突协商 协同设计过程是一个不断发现冲突和协商消解冲突的过程。协商管理即是负责 对协同设计中的协商过程进行管理，快速高效地消解冲突，实现设计的协同。系统 中的协商主要是人工协商。人工协商是设计人员利用一定的消息通信进行沟通交流， 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 16 决定让步策略，达成相互满意的设计结果，消解冲突达成一致。 (5) 网络管理 以计算机网络为支撑的通讯环境是支持协同设计的基础手段。设计人员通过合 适的网络手段，进行实时地交流，将产品开发的特定信息类型(如数据、文件、图形 等)和信息内容，在正确的时刻，以正确的方式，传递给适当的设计人员，实现设计 的协同。网络管理提供协同设计人员需要的多种通信服务。 2.3.2 级进模结构协同设计的流程级进模结构协同设计的流程 整个级进模结构协同设计的流程如图 2.10 所示。首先在服务器端新建一个级进 模设计工程，新建工程需要设置工作目录，拷贝模架等模型文件，然后对设计任务 进行分割，并分配给项目组的成员。完成这些前期工作后，便可以向你需要的设计 人员发送邀请加入工程的消息。工程信息和消息等数据则要记录保存在服务指定的 工作目录下。当设计人员收到邀请消息，便可以加入工程，同时设定自己的工作目 录，以便存储临时的文件。加入工程后的设计人员可以浏览到该工程的相关信息， 并在远程打开服务器上的模型文件，进行凸凹模设计。设计完成后仅仅保存所设计 的 part 文件， 发送模型文件更新消息给工程中的其他设计人员， 通知他们更新模型， 其他设计人员收到消息便可以立即更新。但如果更新后发现别人的设计结果与自己 的设计有冲突时，则通过即时消息联系该设计人员，协商如何解决冲突问题。协商 后各自修改设计结果，再次保存，并发送更新被编辑的消息。通过以上流程，最终 协同完成级进模的凸凹模设计。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 17 图 2.10 设计流程图 2.4 级进模结构协同设计系统的关键问题级进模结构协同设计系统的关键问题 2.4.1 数据同步管理数据同步管理 如何保持数据的一致性和同步性是协同设计的重要环节。在同步协同设计系统 中，数据同步是在任何时刻对于任一设计人员而言，必须保证同一共享对象位于同 一位置、保持同样状态、并拥有相同的性质，即协同设计的数据要具有一致性。数 据同步除了需要快速响应本地用户的操作命令外，更需要将操作命令传播给其他协 作人员，并获取反馈，即协同设计的信息要具有实时性。在协同设计中，多个分布 的设计人员可对共同的对象同时进行操作，即并发操作，在保证实时性的前提下， 各个设计人员的操作命令都会迅速向其他协同设计人员扩散。各终端在响应任一设 计人员的操作命令前均要仔细执行协同信息的状态检测、操作者的权限检测、操作 命令的合法性检测等，最终达到协同设计的实时性，从而满足了同步协同设计的所 见即所得（what you see is what i see） 35。 为了满足协同设计数据的一致性和实用性的要求，有效的管理，可以有序、方 便的操作协同设计中的数据，是到达协同设计的目的根本。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 18 2.4.2 模型同步模型同步 当排样，选模架等前期设计完成后，便可以开始凸凹模的协同设计。先把不同 类型的凸凹模按任务分割，并把每个任务独立的分配给熟悉这一类模具的设计人员 进行设计，当设计完成后把完成的凸凹模型信息返回。虽然不同的凸凹模式独立的 设计完成，但这些凸凹模并不是单独的模具，它们是一个整体，是一副级进模中的 一部分。因此单独的凸凹模设计完成后，还需要把这些模型文件合并，也就是装在 模架上。对于模型合并有很多种方法： (1) 命令复制。 所谓命令复制就是把凸凹设计中， 在 cad 系统里面用的所用造型造作以命令的 形式反馈，最后在服务器上重新运行这些命令，从而达到把凸凹装在模架上的目的。 这样做必须把三维 cad 系统中的所有造型命令重新编写一次，可行性很差。 (2) 模型传输 凸凹模模型通过局域网传递回服务器，然后再次装配该模型。这样做避免了命 令重写，但任然还是有缺点。因为模型文件有的会很大，对于网络条件不好的局域 网会造成网络堵塞。 综合考虑诸多因素我们采用 reopen 的办法。在 nx 三维平台中，当一个模型文 件打开以后，可以 reopen 该文件，达到更新的目的。把级进模模架的模型文件放在 服务器上，在 nx 中打开该模型文件有一个装配树，在凸凹模设计之前，每个设计 人员都分配一个字节点在装配树下，该设计人员完成了他自己的凸凹模设计后，便 把凸凹模模型加到自己的节点下，并只保存该节点。这样其他设计人员 reopen 该节 点，该节点下的模型便会更新，从而实现模型合并。 2.4.3 冲突和协商冲突和协商 冲突现象在客观世界是普遍存在的。管理学认为哪里有短缺，哪里的不同客观 实体之间有差异，哪里就有争议与冲突。协同设计也不例外。并行工程中的协同设 计强调多学科专家的共同参与，以群组方式进行工作。由于各设计者的学科知识、 目标和意图的差异，在设计过程中，必然产生设计冲突 36。 每个凸凹模是相对独立的，但它们并不是完全的独立，因为相邻的凸凹模之间 还是有一定的位置关系和约束关系。独立的设计是不会考虑到别人的问题，因此当 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 19 两个相邻的凸凹设计完成，合并后，可能会出现相互的冲突，有干涉的问题。在绝 大多数情况下，冲突可以通过协商来解决。为了解决这个问题，必须在两个设计人 员之间建立通信，使他们的设计在有冲突的时候可以进行协商，解决问题。协商后， 双方根据协商的结果自行修改自己的设计结果，再次保存该节点，实现最后的更新。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 20 3 级进模结构协同设计中的数据存储与传输级进模结构协同设计中的数据存储与传输 3.1 数据的类型及存储方式数据的类型及存储方式 3.1.1 数据类型数据类型 级进模协同设计中有很多数据，有不同类型不同作用的数据。如何很好的处理 这些数据，使其在整个设计过程中保持一致性和实用性是协同设计中的重要环节。 为此我们把级进模结构协同设计系统中所涉及到的数据根据其用途分为三类： (1) 三维模型数据 因为我们的设计是基于 nx 三维造型软件的级进模设计平台，所有的设计都保存 为三维模型文件，即 prt 文件。该模型文件主要是用来显示设计的模型，但构造模 型需要数据的支持才能实现，所以在模型数据中包括了图形特征、零件位置关系、 零件与零件之间的装配关系和约束关系以及用户通过应用程序（api）自定义的各种 数据等。 (2) 文本数据 消息是协同设计各成员之间的通信中介，文本数据主要是记录这些消息。消息 包括设计过程中的各个操作生成的消息，如邀请加入协同设计工程，更新模型文件 等操作完成后，需要通知其他设计人员而发出的消息，以及其他设计人员收到消息 后反馈回来的消息。这些消息的结构和内容都十分的简单。 (3) 列表信息数据 在一个局域网的协同设计环境中，会有很多同时进行的协同工程，每个协同工 程也有很多工程任务、设计人员、工程状态等数据。因而用列表来记录工程相关信 息、人员信息等数据，利用列表中一一对应的关系，有利于进行查询、删除、插入 等操作。下面是级进模结构协同设计系统中某个局域网中的协同设计工程列表，见 表 3.1。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 21 表 3.1 协同设计工程列表 project_name launcher work_path ip status focus yayee f: pdw_test focus 192.168.1.4 finished hrv fade d: hrv 192.168.1.5 doing sm_02 jim e: work sm_02 192.168.1.222 doing phwer gurvara e: design phwer 192.168.1.56 undo fiest mike d: work die fiest 192.168.1.32 finished 上面把级进模结构协同设计系统中的数据分为三维模型数据、文本数据和列表 信息数据。根据这三类数据的自身不同数据形式，存放位置和特点，为便于在系统 中操作，我们采用不同的方式来存储。主要有以下的两种方式：一是分类信息列表 和消息文本用 xml 格式来存储；二是用 udo 存储三维模型数据。 3.1.2 文本信息存储文本信息存储 xml(extensible markup language，可扩展标记语言)是由wk (world wide web consortium)制定的一种基于sgml (standard generalized markup lan