（计算机软件与理论专业论文）复杂产品参数化设计几个关键技术的研究.pdf

山东大学硕士学位论文 复杂产品参数化设计几个关键技术的研究 硕士研究生：吕琳 指导教师：孟祥旭教授 摘要 产品的参数化技术历来是c a d 领域研究的重要内容。近几年，复杂产品的参数 化技术逐渐成为研究与应用的热点。由于在复杂产品的设计、建模等不同过程中蕴 含了大量行业知识，且这些知识复杂多样、形式灵活，多以经验的形式分散存在， 所以如何在参数化设计中更为有效的表示和利用它们，同时使之得以形式化的保存 下来，并随着技术的改进、产品的升级而增加和更新，而不是随着人员的变动而 消失，充分发挥其作用是一个关键问题。 目前，针对产品参数化设计建模的不同过程已出现了许多理论研究和操作方 法，但仍缺乏知识层次上对产品设计、建模、装配整个过程的支持。本论文通过 对设计知识的分类和形式化表示，使之有效保存下来；通过行业特征建模和语义 装配，使之在复杂产品参数化建模中得到充分利用：通过对产品、零部件、模板、 实例的知识描述，实现复杂产品参数化零部件管理与重用。这些工作也是国家8 6 3 计划项目“虚拟样机若干关键技术及其典型应用研究”和山东省科技发展计划项 目“s e m a n t i cw e b 环境下产品的虚拟制造技术”的研发工作的一部分，有着重要 的理论意义和实际应用价值，部分成果在济南二机床集团的机械压力机设计中得 到实际应用。 本文主要工作与贡献如下： l 、在分析计算机辅助产品设计现状的基础上，给出一个融合知识的参数化设 计总体框架，提出融合行业知识的特征建模方法和基于语义的装配模型，使复杂 山东大学硕士学位论文 产品的参数化建模和装配过程抽象层次更高，含有更多的工程信息和设计意图。 并结合曲柄机械压力机横梁主传动的设计建模，给出实现实例。 2 、针对上述设计建模过程中行业知识表示和使用的闯题，给出设计知识的分 类和形式化描述，对表格知识、过程知识和交互知识进行统一表示，通过表格求 解器实现了由静态表格到查表知识的过渡，通过资源化操作实现了企业内设计知 识的合理保存、高效使用和动态扩充。 3 、面向系列化产品零部件设计环节，提出了一种参数化零部件库的建模方 法，支持基于实例的设计和变型设计，并实现了该系统，辅助设计者利用现有c a d 软件进行产品设计建模，通过产品数据视图和模型资源视图对零部件模型进行统 一管理，以达到各类模型独立于c a d 软件的合理资源共享 关键词：行业知识参数化设计特征语义装配 i i 山东大学硕士学位论文 s t u d y o ns o m ek e yp r o b l e m si np 删c d e s i g no f c o m p l e xp r o d u c t s g r a d u a t es t u d e n t ：l vl i n d i r e c t o r ：p r o f e s s o rm e n g x i a n g x u a b s t r a c t p a r a m e t r i cd e s i g ni sa l w a y sav e r yi m p o r t a n tt o p i ci nt h er e s e a r c hf i e l do fc a d e s p e c i a l l y , p a r a m e t r i cd e s i g no fc o m p l e xp r o d u c t si sb e c o m i n go n eo ft h es t u d y i n g h o t s p o t si nr e c e n ty e a r s c o m p l e xp r o d u c t sa r er e f e r r e dt ot h ep r o d u c t sw i t hc o m p l e x r e q u i r e m e n t , c o m p o s i n g , i n s i d et e c h n o l o g ya n dp r o c e s so f d e v e l o p m e n t ，w h i c hi n v o l v e m u c hd o m a i nk n o w l e d g ei nt h ed e s i g np r o c e s s t h e n ，t or e p r e s e n ta n du t i l i z et h i s c o m p l i c a t e dk n o w l e d g ee f f e c t i v e l ya n de f f i c i e n t l yi np a r a m e t r i cd e s i g ni s ab i g c h a l l e n g e ，w h i c hw i l lu n d o u b t e d l yh e l pt oa v o i dl o t so fr e p e t i t i v ew o r k , s h o r t e nt h e c y c l eo fd e v e l o p m e n ta n dl o w e rt h e c o s to fp r o d u c t s f u r t h e r m o r e ，t h ed o m a i n k n o w l e d g es h o u l db es a v e da n du p d a t e dw i t ht h ei m p r o v e m e n to ft e c h n o l o g i e sa n d p r o d u c t s m a n ya p p r o a c h e st ot h ep a r a m e t r i cd e s i g no fc o m p l e xp r o d u c t sa n dd o m a i n k n o w l e d g er e p r e s e n t i n gh a v eb e e nb r o u g h tf o r w a r d ；h o w e v e r , m o s to f t h e m a r er e l a t e d t oac l t a i l lp r o c e s sa n dc a n n o td e s c r i b et h ew h o l ep r o c e s so fd e s i g n , m o d e l i n ga n d a s s e m b l y i nt h i st h e s i s ，w ed i s c u s st h ec l a s s i f i c a t i o no fd e s i g nk n o w l e d g e t or e p r e s e n t a n dm a i n t a i ni te f f e c t i v e l y , p r o p o s ed e s i g nf e a t u r e si n t e g r a t i n gd o m a i nk n o w l e d g ea n d a s s e m b l ys a n a n t i c st ou t i l i z ei ti np a r a m e t r i cm o d e l i n ga n da s s e m b l y , p u tf o r w a r dt h e k n o w l e d g ed e s c r i p t i o no f p r o d u c t s ，c o m p o n e n t s ，t e m p l a t e s ，i n s t a n c e st oi m p l e m e n t t h e m a n a g e m e n ta n dr e u s i n go f p a r a m e t r i cm o d e l s m e a n w h i l e ，t h i sw o r ki sp a r to f t h er e s e a r c h a n dd e v e l o p m e n to ft h ep r o j e c t s “s o m ek e yt e c h n o l o s i e sa n dr e p r e s e n t a t i v ea p p l i c a t i o n r e s e a r c h0 1 1v m u a lp r o t o t y p e s p 鲫_ c db yn a t i o n a l8 6 3h i - t e c hp r o g r a ma n d “v i r m a l m a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g yi ns e n m n t i cw e b ns p o n s o r e db ys c i e n c e & t e c h n o l o g yc o m m o f 山东大学硕士学位论文， s h a n d o n gp r o v i n c e , w h i c hh a si m p o r t a n ta c a d e m i ca n dp r a c t i c a lm e a n i n g s s o m eo f f l a e r e s u l t sh a v eb e e nu s e dp r a c t i c a l l yi nj i e rm a c h i n e - t o o lg r o u pc o l t d ，w h a c hi st h e l a r g e s tp r e s sm a k e ri nc h i n a t h ec o n t r i b u t i o n so f t h i st h e s i sa r e ： 1 a f t e ra n a l y z i n gt h ec u r r e n ts t a t u so fc o m p u t e r - a i d e dd e s i g ns y s t e m s ，w e p r o v i d eaf r a m e w o r ko fk n o w l e d g e - b a s e dp a r a m e t r i cd e s i g no fc o m p l e xp r o d u c t s t h r o u g hd e s i g nf e a t u r e si n t e g r a t i n gd o m a i nl m o w l e d g ea n da s s e m b l ys e m a n t i c s , w e i n t e g r a t em o r ee n g i n e e r i n gi n f o r m a t i o na n dd e s i g ni n t e n t i o ni n t op a r a m e t r i cm o d e l i n g a n da s s e m b l y ad e s i g ni n s t a n c eo ft h em u l t i l i n k a g ed r i v es y s t e mo fm e c h a n i c a l p r e s s e si sp r o v i d e dt oi l l u s t r a t et h er e a l i z a t i o n 2 w ec l a s s i f yd o m a i nk n o w l e d g ei nd e s i g np r o c e s si n t ot a b l ek n o w l e d g e 。p r o c e s s k n o w l e d g ea n di n t e r a c t i v ek n o w l e d g e t h e n , w ep r o p o s et h eu n i f o r md e s c r i p t i o no f t h e ma n du s et h et a b l es o l v e rt or e p r e s e n ta n ds o l v et a b l ek n o w l e d g e f u r t h e r m o r e ， t h r o u g l lc o n v e r t i n gt h e s el d n d so fk n o w l e d g e 幻 r 龉o u x c e ：u s e f u lk n o w l e d g em a y t o b es o l i d i f i 缸w h i c hd o e sh e l pt ot h ee f f e c t i v eu t i l i z a t i o na n dd y n a m i ce x p e n d i n go f t h e v a r i o u sa n da b u n d a n td e s i g nk n o w l e d g e 3 w ed i s c u s st h ek n o w l e d g ed e s c r i p t i o no fp r o d u c t s ，c o m p o n e n t s ，t e m p l a t e s ， i n s t a n c e s ，b a s e do nw h i c hw eh a sd e v e l o p e dap a r a m e t r i cp a r t c o m p o n e n tm a n a g e m e n t s y s t e m w i t ht h i ss y s t e m , d e s i g n e r sm a ym a n a g et h em o d e l si np r o d u c tl o g i c ，w h c h a r cb u i ri nd i f f e r e n ts y s t e m s b e s i d e s ，t h es y s t e ms u p p o r t st h ed e s i g n e r st ou s eo r u p l o a dd e s i g nt o o l s ，w h i c hm a ym a k et h em o d e l i n gp r o c e s sm o r ec o n v e n i c n l k e y w o r d e ：d o m a i nk n o w l e d g e , p a r a m e t r i cd e s i g n , f e a t u r e , a s s e m b l ys e m a n t i c s 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 r 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，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责任由本人承担。 论文作者签名：璺苎唪日期：缝! 丝5 7 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或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；本人授权山东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、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论巍者始塑生新签名：、迎 i 。 山东大学硕士学位论文 第一章引言 1 1 参数化设计 随着计算机软硬件技术的日益完善，c a d 技术得到迅猛的发展。最初的c a d 系统是简单的二维绘图，所构造的产品模型都是几何图素( 点，线、圆等) 的简单 堆叠，仅仅描述了设计产品的可视形状，不包含设计者的设计思想，因而难以对 模型进行改动，生成新的产品实例。参数化的设计方法 1 - 7 l i e 是解决这一问题的 有效途径。 通常，参数化设计一般是指零件或部件的形状比较定型，用一组参数约束该 几何图形的一组结构尺寸序列，参数与设计对象的控制尺寸有显式对应，当赋予 不同的参数序列值时，就可驱动达到新的目标几何图形，其设计结果是包含有设 计信息的模型【8 】。参数化为产品模型的可变性、可重用性，并行设计等提供了手 段，使用户可以莽j 用以前的模型方便的重建模型，并可以在遵循原设计意图的情 况下方便的改动模型，生成系列产品，大大提高了生产效率。参数化概念的引入 代表了设计思想上的一次变革，即从避免改动设计到鼓励使用参数化修改设计 目前，参数化设计的研究范围已由最初的二维图纸参数化设计发展到了覆盖 产品的整个生命周期参数化设计，研究的对象除了传统的二维图纸、三维零件实 体等以外，还包括零部件问的装配关系 9 ，1 0 ，产品特征 1 1 ，1 2 ，产品变型 设计 1 3 等产品层次的参数化表示模型。这使得参数化自身的含义得到7 进一步 的拓宽。这些工作无疑进一步提高了产品的设计和生产效率，同时也成为研究的 熟点问题。 1 2 产品参数化设计 当前的c a d 建模软件都提供了参数化设计功能，通过参数驱动尺寸，甚至是 拓扑结构的变化来改变零件，可以便捷的生成一系列相似零件的三维造型与二维 图纸，避免重复设计与重复劳动。三维几何造型和二维工程绘图技术日趋完善， 山东大学硕士学位论文 在产品设计中已经占有重要地位。但是，这些参数化能力还主要体现于二维图纸、 零件的三维造型方面。在支持系列化产品设计，变型设计等方面，目前大多数c a d 系统都不具备应有的柔性。 建立产品参数化设计模型的目的在于：当给定产品一组设计参数，主要尺寸 后，根据产品的装配关系和零部件之问的约束关系，自动生成每个参数化零部件 可变参数的具体设计值，经过参数化图形的约束求解器生成实例化产品设计图 形，构成整个产品的一个设计实例，实现产品的快速变型设计【8 】。 同零件的参数化设计不同，产品的参数化设计是个更加复杂的过程，它所 要考虑的除了用参数驱动尺寸或拓扑结构外，更多的是产品的功能、规格、材料、 工艺等参数以及各个零部件之间的装配关系。不同种类的产品千差万别，各个参 数之间的驱动关系错综复杂，产品参数化模型的设计需要找到一种方法来表示参 数间的逻辑关系，并同时建立相应可行的求解机制。 参数化的产品模型本质上是一个约束模型，约束的表示及约束的满足问题是 模型的核心问题。约束满足问题，可以看成是一个带标记的有向图，节点代表问 题的变量，弧代表二元约束，通过对有向图进行求解，得到变量的可能值。不加 限制的约束满足问题具有指数阶的时间复杂性【1 4 】，不能满足实际应用的需求。 结合应用背景，对有向图加以限制，可以得到简化易解的图f 1 5 ，1 6 1 ，从而大大 降低约束满足问题的复杂度，但太多的限制影响了对实际问题的表达能力，使得 不能描述足够复杂的问题 产品参数化模型按建立的方式可以分为自下而上的实体建模方式，自上而下 的概念建模方式以及两种方式的结合。 大多数c a d 系统提供的产品建模方式是基于自下而上的。利用基本装配约束 将设计好的一组零件装配为部件，再将部件迸一步装配，最终形成产品。这种产 品建模方式的优点是建模过程直观，产品建立过程就是由已知装配体进行装配的 过程。但其缺点也是明显的。由于装配前缺乏整体的装配信息，零件间参数不匹 配而无法装配的现象经常发生，无法进行并行设计并且，对于已经建立好的产 篇2 页 山东大学硕士学位论文 品模型，由于没有考虑产品的规格，材料，工艺等相关的参数信息，很难对模型 做出直接有效的改动。其缺陷决定了单纯利用该方式无法真正实现参数化的产品 设计。 在产品设计中，功能需求的改动直接影响整个产品模型的高层结构，进而影 响到产品配置中各个零部件的改变。针对这种情况，可以自上而下对产品按功能 进行分解，通过功能映射寻找可以实现这些子功能的零部件模型，并将其整合为 一个经济可用的产品。 近年来，对这种自上而下的产品概念设计模型的研究越来越多s r c c n i v a s a 等u 7 依据几何空间关系与功能关系间的因果关系，提出了基于知识的“符号形 状转换”的设计方案选择方法；潘云鹤等【1 8 】基于抽象符号与具体形状间存在的 层次性，提出了分层构造自动型方法；还有人尝试利用“逻辑装配单元”的定义 来实现独立于几何细节描述的方案设计装配建模表示 1 9 ，2 0 。这些自上而下的 产品建模方式将工程概念与几何形状有机的结合起来，大大提高了c a d 系统表 达设计对象的能力，使c a d c a p p c a m 一体化成为可能；同时，还有利于进行 并行设计，可以缩短产品的设计周期。但由于设计问题的非结构化、功能和形状 间的关联多重性等原因，要真正实现计算机辅助方案设计还有许多问题需要进一 步研究和探讨，在目前，自上而下的产品建模方式仅限于对框架模型的理论研究， 很难应用于实际当中。 1 3 复杂产品的参数化设计 复杂产品的概念于2 0 世纪9 0 年代中期由英国萨克西斯大学的复杂产品系统 创新中心最先较为全面、系统地提出很多人给出了其定义 2 卜2 5 。一般是指 研发成本高、规模大、技术含量高、单件或小批量生产的大型产品，如航天器、 飞机、汽车、复杂机电产品等。 对于复杂产品而言，其设计过程中反复用到大量错综复杂的行业知识，这些 行业知识通过产品和技术的不断更新发展，蕴含于产品设计的各个环节，因此， 第3 页 山东大学硕士学位论文 很难建立统一的产品参数化模型。然而，如果能将这些行业知识通过形式化描述 抽象提取出来，显然可以减少设计和建模过程中的大量重复性工作，从而提高效 率，缩短设计时间。另外，行业知识迫切需要形式化的保留下来，并随着技术的 改进、产品的升级而增加和更新，不应该随着人员的变动而消失。 目前参数化系统由于受到设计知识表达能力和设计参数类型的限制，难以全 面表达设计过程中遇到的各种设计知识 2 6 - 2 8 ，因此不能满足复杂产品设计的实 际要求。为了能够将各种设计知识用于设计建模过程中，已有大量的研究工作 2 9 4 2 1 ，如将基于实例的推理以及专家系统和c a d 系统集成，借助专家系统的 知识管理功能和推理功能，对设计知识进行获取和推理求解，并将推理结果和模 型中的尺寸参数关联，达到设计知识驱动模型设计的目的。然而，由于专家系统 的引入要解决知识获取、知识冲突检测、知识库建立和维护以及专家系统和c a d 系统集成等诸多问题，使系统的构建和实现变得庞大而复杂，而且据此构造的系 统知识求解和建模过程是分离的，失去了对最终结果的解释性。 特征建模和装配历来是参数化设计的重要内容，现阶段产品建模多是利用现 有的三维c a d 软件，虽然这些技术正在不断成熟中，但仍然存在几个问题：第 一，以几何建模为主，将几何形状作为主要设计目标，产品模型虽然已经含有了 一定的功能信息，但其抽象层次依然不高；第二，软件与产品的行业知识分离， 虽然提供了一些如方程式、函数等附加约束，但表达能力有限；第三，通用性影 响了适用性，即存在不同领域不同企业需求的个性化与软件系统的通用性之间的 矛盾。针对以上几个问题，【4 3 ，4 4 】作了细致的研究，提出了装配语义的概念， 并将其定义为装配设计过程中，对零件间的装配设计意图、装配尺寸参量、装配 关系等定位约束与工程约束进行的抽象描述装配语义更贴近工程师的自然语言 习惯，具有表达的抽象性和应用领域的相关性。其d p 4 3 给出了基于语义的产品 装配模型，语义装配模型有助于将装配设计从几何层发展到语义层进行操作，由 模型维护装配语义到传统装配约束的映射但在参数化的过程中，还要考虑被约 束对象的变化。 第4 页 山东大学硕士学位论文 1 4 本文工作 本论文通过对设计知识的分类和形式化表示，使之有效保存下来；通过行业 特征建模和语义装配，使之在复杂产品参数化建模中得到充分利用：通过对产品、 零部件、模板、实例的知识描述，实现复杂产品参数化零部件管理与重用。这些 工作也是国家8 6 3 计划项目“虚拟样机若干关键技术及其典型应用研究”和山东 省科技发展计划项目“s e m a n t i cw e b 环境下产品的虚拟制造技术”的研发工作的 一部分，有着重要的理论意义和实际应用价值部分成果在济南二机床集团的机 械压力机设计中得到实际应用。 1 5 论文组织 本文第一章介绍了参数化设计和产品参数化设计的相关知识和研究现状，讨 论了复杂产品参数化设计面临韵问题以及融合知识的参数化设计的研究现状和 问题。第二章首先给出融合知识的参数化设计总体框架，然后讨论了本文的研究 实例。第三章详细讨论了融合行业知识的特征建模，以及基于语义的装配模型。 第四章讨论了设计知识的表示、求解、使用及固化，以知识三元组的形式统一表 示表格知识、过程知识和交互知识，详细介绍了表格知识的处理，并给出知识的 资源化过程。第五章讨论了产品、零部件、模板、实例的知识描述，结合实例给 出参数化零部件库管理系统的相关实现技术和方法在第六章，将对论文所做的 工作进行总结的基础上，进一步提出未来的改进。 山东大学硕士学位论文 2 1 总体框架 第二章总体框架 机械行业中，产品参数化设计的一般过程是：给定产品用户参数；设计者根 据本领域该产品模型中的知识进行推导计算，生成若干设计方案：经讨论和进一 步的计算验证，得到确定的设计方案，包含产品及零部件的设计加工参数等；利 用已经比较成熟的参数化技术进行产品建模、仿真测试；确认合格后，输出指导 加工制造的图纸，进入生产环节。 本文针对复杂产品，给出了融合知识的参数化设计总体框架( 如图2 1 所示) 。 其中，通过对设计知识的分类、表示和求解构建设计资源库一这个是一个知识积 累和固化的过程，可由资深设计者完成。在设计资源库的支持下，设计者在进行 一个产品的设计时，首先分析用户需求，然后通过对设计资源的匹配、调度和使 用完成产品的方案设计，接着利用融合知识的行业特征以及装配语义进行建模和 装配，其中需要参数化零部件库的支持，同时新生成的零部件入库统一管理。 图2 1 融合知识的参数化设计总体框架 第6 页 山东大学硕士学位论文 该层次模型存在下列优点：第一，行业知识的抽象描述更符合工程师的思维 习惯，设计中的交互过程更加协调自然；第二，大量重复性工作由于其语义的相 行对独立性而被封装起来，提高了工程师的设计效率，同时为企业实现分工协作 ， 提供了前提条件：第三，行业知识得以形式化的保留下来，而不是固化到某个产 品或某个程序中，并且可以随着技术的改进、产品的升级而增加和更新，不会因 人员的变动而消失 在后面的章节中，我们主要介绍行业特征建模和部件语义装配，设计知识的 分类、表示和求解以及资源化过程，以及参数化零部件库的建模方法和系统实现。 2 2 复杂产品实例 本文的研究对象是复杂产品，尤指机械类产品，即由客户定制、结构复杂、 技术含量高、生命周期长、以单件或小批量方式生产的、高成本、高风险、管理 过程复杂的大型机械产品。 本文中的大部分实例均出自大型曲柄机械压力机这一典型复杂产品，它是采 用机械传动的锻压机器，单台高l l 1 2 米，宽6 7 米，厚度3 q 米，重量上百吨， 组成零件上千件，其关键部件横梁主传动设计复杂，要求精度高。并且一条生产 线需要同时设计5 6 台压力机，全部按用户要求订货，因而设计技术含量高，设 计工作量大。 ， 曲柄压力机的工作原理是通过传动系统把电动机的运动和能量传给工作机 构，从而使坯料获得确定的变形，制成所需的工件一般由下面几部分组成： 工作机构代表压力机的工作特征，其运动规律将影响压力机的工作性能，其 受力状况则是压力机强度和刚度设计的基础一般为曲柄滑块机构，由曲轴、 连杆和滑块等零件组成。 传动系统将影响压力机的整体布置、外形尺寸、美观以及重量和成本包括 齿轮传动和皮带传动等机构 山东大学硕士学位论文 操纵系统如离合器和制动器，是压力机能否正常稳定工作的关键，它们的正 确设计与使用将会大大提高压力机的工作可靠性和寿命。 能源系统如电动机和飞轮，其正确选用与合理设计是获得足够能量的基础， 同时也给节约能量提供了途径。 支承部件如机身，所有的零部件都支承在机身上，其合理设计将降低压力机 的重量，提高压力机的刚度。 除上述基本部分以外，还有多种辅助系统与附属装置，如润滑系统、保护装 置以及气垫等，它们使压力机获得必要的辅助功能，使其安全运转，是提高压力 机使用效率不可缺少的组成部分，其设计好坏在一定程度上标志着压力机的先进 与否。图2 2 给出其实例图。 图2 2 曲桶机械压力机 主传动系统是压力机的核心部件，也是结构最为复杂一部分，分为皮带传动 和齿轮传动两部分，电动机通过皮带传动将运动传给飞轮，飞轮通过中速级人字 齿轮传动和低速级直齿轮传动两级减速将运动传给低速轴上的偏心齿轮，其基本 组成如图2 3 所示。其中，粗线框所表示的是齿轮传动部件中的主要零件，其种 第s 页 山东大学硕士学位论文 类是相对固定的，但数量依赖于不同规格压力机的具体配置。 图2 3 曲柄压力机齿轮传动基本组成 第9 页 山东大学硕士学位论文 第三章行业特征建模与语义装配 复杂产品的参数化设计不同于零件及简单装配体，它是一个复杂的过程，不 仅需要解决外型、尺寸等几何属性相关的问题，而且要综合考虑产品的功能、结 构、造型以及材料，工艺等信息，并将错综复杂的知识应用于设计、建模和装配 的每一个环节。本章详细讨论融合行业知识的特征建模和部件语义装配。 3 1 行业特征建模 特征为设计语义到几何元素间的映射建立了桥梁 4 5 】，但三维造型系统中提供 的只是一些最为通用的特征，本文称之为基础特征。在产品的参数化设计中，需 要一些抽象层次更高、更能融合行业知识的行业特征。行业特征的使用不仅能够 帮助设计人员快速的完成设计，而且可以更好的表现设计者的设计意图，使设计 者在参数化过程中根据自己的意图进行改动。 定义1 ( 行业特征) ：行业特征是一类融合行业知识的扩展特征，可以表示为 f ：- ( a t t r ，m t h d ，肘卿。其中， a t t r 表示属性及状态集，a t t r = 滞征名稀、历灞签型：耢久参教，手向参裁， 输出参数、子特征弓| 髓父子特征映射关系，i 艺要求) 。 m t h d 表示构造及操作方法集。其依据输入参数计算子特征的输入参数；依据 父子特征的映射关系，按顺序执行子特征；生成最终的输出参数，其中各子特征 的先后执行顺序呈树状结构。 m s g 表示消息反馈集，以消息的形式触发，提供用户或上层当前的状态信息。 如图3 1 ，来自设计者或上层特征的数值形式的或几何实体形式的参数传递给 某个构造方法；对数值参数按照计算逻辑求解，生成中间参数；依照中间参数与 当前的状态，依次选择某个子特征进行构造；选择需要的最终构造结果作为输出。 第l o 页 山东大学硕士学位论文 图3 1 行业特征示意图 定义2 ( 功能装配元) ：在根据行业特征建模时，我们把含有一定功能信息并 用于指导装配的几何元素( 如点、边、面、环等) 予以抽象，在此基础上加入语 义描述，建立到几何元素的映射即构成功能装配元，可以表示为f a e = ( i d ，以属 关系，语义描述，特征映戛如。 由于利用了零件建模阶段的特征信息，功能装配元的引入起到了在装配时不 直接依赖于几何元素的作用。功能装配元作为行业特征的一项输出参数，在行业 特征建模完成时，通过已经建立的映射进行赋值；一旦模型发生变化，映射关系 会随之更新，始终保证其正确性和有效性功能装配元是基于行业知识建立的， 是可修改的，具有可扩展性 与一般的过程定义类似，这里定义的行业特征同样包含属性描述、映射机制、 以及推导规则等要素 4 6 】。但在零件构造过程中，为了完成行业知识到偏重几何 造型的基础特征的映射，本文作了如下的扩充与修改： 1 通过封装，允许设计者利用基本的特征，构造更抽象的特征，进而构造特 征层次，其逻辑概念更加清晰；并且由于保留了各层次的信息，使得设计者可以 按照自己的设计意图改动模型，而不需要了解大量的底层细节信息 2 约束每个特征由子特征序列构造而成，高层的父特征序列可以分解为底层 的特征构成的序列，进而与三维造型系统中提供的基础特征相联系，不需要另外 复杂的特征求解过程。 山东大学硕士学位论文 3 根据计算参数的不同，可以选择不同的子特征序列进行构造，使得行业特 征的构造更加灵活。 4 将数值参数的计算与几何造型中的拓扑与尺寸结合在一起，在传统几何造 型的过程中，同时建立融合行业知识的计算逻辑。 5 加入消息输出机制，允许将当前的构造状态与问题反馈给设计者，及时 针对问题做出相应的修改。 ：蔓：二 l 行业特征：渐开线圆柱直齿轮生成| 图3 2 行业特征实例 下面以图3 2 中渐开线圆柱直齿轮为例，给出行业特征的构成。 完成一个渐开线圆柱直齿轮建模的基本特征序列是 拉伸，拉伸，阵列) ，输 入参数是齿数、模数、齿宽等根据行业知识可以得知：在装配中有意义的元素 是齿轮端面和齿侧面，因此将它们作为功能装配元，在完成建模时分别建立几何 元素到相应功能装配元的映射。这样便构成了一个行业特征：渐开线圆柱直齿轮 生成。根据这个行业特征，即可完成一个零件的建模。 一般来讲，零件由多个行业特征构成，而由于行业特征中融合了行业知识， 使得零件不但建模过程和功能描述一目了然，而且为装配提供了必要的信息。 表3 1 给出曲柄机械压力机部分行业特征实例。 第1 2 页 山东大学硕士学位论文 表3 1 曲柄机械压力机部分行业特征 对应的基本特 行业特征输入参数输出参数 征 齿轮轴粗生 旋转拉伸 ( r e v o l v e d 旋转草图 主轴面、齿轮端面、 成中心线 p r o t r u s i o n ) 基准直齿生 除料( c u t o u t ) 齿轮面、齿数、模数、 基准齿特征 成齿形角 基准人字齿 除料( c u t o u t ) 齿轮面、齿数、模数、 基准齿特征 生成齿形角、螺旋角 键槽切面、键槽形 键槽底面：b o t t o m c a p 键槽生成除料( c u t o u t ) 键槽侧面： 状、键槽深度 s i d e f a c e s ( i ) 拉伸( e x t r u d e d键的基本形状、键的 键生成 键底面，键侧面 p r o t r u s i o n ) 厚度 有了行业特征的定义，设计者即可直接完成零件建模操作。表3 2 给出曲柄 机械压力机的横梁主传动部分零件的建模过程。 表3 2 曲柄机械压力机横梁主传动部分零件建模过程 零件名称行业特征序列 高速轴齿轮轴粗n t 基准人字齿生成齿轮生成 中闻齿轮轴齿轮轴粗加工基准直齿生成齿轮生成键槽生成 钩头楔键 键生成 挡板粗加工倒角打孔 山东大学硕士学位论文 3 2 部件语义装配 现有的三维c a d 软件提供了些基本装配约束如面贴合( m a t e ) ，面对齐 ( p l a n a r a l i g n ) ，轴对齐( a x i a l a l i g n ) ，夹角( a n g l e ) 等。它们通过模型的几何 元素如面、边等来限制其自由度，本质上可以归结为点、线、面之间的关系，虽 然这种几何约束关系更适合于计算机处理，但存在几个问题： 第一，忽视了装配中蕴含的设计信息，无法表示零部件间的装配设计意图。 比如对于图3 3 ( a ) 齿轮的啮合装配来说，在装配时，我们关心的是其齿侧面，而 无需了解这个面属于哪一个具体特征f 倒l l r e i ) ，是由c u t o m 还是p r o t r u s i o n 生 成的，它在特征中属于b o t t o m c a p 、t o p c a p 还是s i d e f a e s ( j ) 等信息。 第二，忽视了装配中的工程约束如对于本文中的压力机实例，存在大量的 工程约束如齿轮与齿轮轴的装配必须指定齿轮为基础件，齿轮轴为浮动件，而键 的安装应在齿轮与齿轮轴装配之后进行等 第三，在装配时很难做到自动识别装配元素和装配关系，必须进行手动指定。 第四，对于几何信息的直接依赖，使得建模过程中的变化可能会直接导致装 配约束的失效或错误 例如，齿轮装配对于图3 3 0 ) 齿轮的啮合装配的过程中，利用传统的基本装配 约束可以选定每个齿轮的一个齿的项面和侧面，分别篪加耦合约束。这样的设计 并不能符合设计人员的啮合装配的意图，并且当齿轮的齿数发生变化，原有的参 与装配的齿可能不存在了，导致参与的装配面丢失，则装配时必然出现错误。 为了使装配过程更能体现设计者的意图，当参数装配的零部件发生拓扑形状 的变化后，系统能够自动修改并重新装配，需要建立融合行业知识的装配模型和 求解机制为此，本文给出装配语义新的定义。 定义3 ( 装配语义) ：装配语义指行业中融合设计知识的装配关系，可表示为 第1 4 页 山东大学硕士学位论文 a s = ( a t t r ，p r s ，e e s ) 其中， a t t r 表示属性及状态集，a t t r - ( 名称，所属类型，输a 参教，输出参教x p r s 表示定位约束集，由定位约束三元组( 基净兹渡z 约勇邑动磁袭目阮，菇 臣蝴组成 e r a 表示工程约束集，包含装配工程约束的形式化描述。 一个装配语义实际上是一个能够完成功能上相对独立且有明确语义信息的装 配过程描述设计人员利用装配语义对零部件进行装配时，根据定位约束三元组， 来完成装配语义到传统装配约束的映射以及功能装配元到最终装配元素( 如点、 边、面、环等) 的映射然后，利用一般的装配约束求解方法完成实际的装配定 位图3 3 g o ) 中的过程给出了齿轮之间啮合装配的过程。 i罄耋鬈“4慧篡卜_一趸蕊卜匪垂受圃ib ! 陷合( 齿轮，齿轮2 d ) lo 一o “i ( a ) 传统装配 ( b ) 知识装配 图3 3 齿轮啮合装配 山东大学硕士学位论文 下面给出两个装配语义实例： ( 1 ) 齿轮轴一键联接( 见图3 4 ) g e a r - s h a f t - k e yj o i n t ( 属性集 定位约束集 蚴a l i a ( g e a r ：m a i n a x i a l f a e e , s h a f t ：m a i n a 】【i a l f a e e ) ； p l a n a r a l i g n ( g e a r ：k e y s l o t s i d e f a e e ，s h a f t ：k e y s l o t s i d e f a e e , o f f s e t ) ； p l a n a r a l i g n ( g e a r ：e n d f a c e ，s h a f t ：e n d f a c o ，o f f s e t ) ； m a t e ( s h a f t ：k e y s l o t s i d e f a c e ，k e y ：s i d e f a e e ) ； m a t e ( s h a f ：k e y s l o t b o t t o m f a c e , k e y ：b o t t o m f a c 曲； p l a n a r a l i g n ( g e a r ：e n d f a c e , k e y ：f o r w a r d f a c e ，o f f s e t ) ； ，工程约束集 齿轮端面齿槽中心键槽中心键中心连线在同一直线上，允差为0 0 3 ) 图3 4 装配语义：齿轮讳 键联接 第1 6 页 山东大学硕士学位论文 ( 2 ) 齿轮外啮合( 见图3 5 ) m e s h ( ，属性集 定位约束集 m a t e ( o e a r l ：b e n c h m a r k t o o t h f a e e ，g e a r 2 ：b e n c h m a r k - t o o t h f a c e ) ； p l a n a r a l i g n ( g e a r l ：e n d f a c e , g e a r 2 ：e n d f a c e , o f f s e t ) ； 工程约束集 主动齿轮：g e 盯1 。从动齿轮：g e a r 2 ； 传动比i = g e a r 2 ：z g e a r l ：z ； 、 p l a n a rg e a r l ：e n d f a c c 图3 5 装配语义：齿轮外啮合 设计者根据定义好的装配语义，即可进行部件装配。图3 6 给出了利用装配 语义进行曲柄机械压力机横梁主传动部件高速级与中间级的语义装配过程图3 6 c a ) 中箭头起始端为浮动件，终止端为基础件首先，中间齿轮轴m i d d l eg e a r s h a f t ，钩头楔键- h e a d l 却盯k | e y 和中间人字齿轮h e r r i n g - b o n e g e 缸通过齿轮- 山东大学硕士学位论文 轴- 键联接g e a r - s h a f t - k e yj o i n t 进行装配；然后由齿轮外啮合m e s h 语义进行高速 齿轮轴碰g hs p e e dg e a rs h a f 与中问人字齿轮h e r r i n g - h o n eg e a r 的啮合装配。整 个主传动部件的装配模型如图3 7 所示。 ( a ) 语义装配序列 0 ) ) 装配部件实例 图3 6 曲柄机械压力机横粱主传动高速级与中间级的语义装配过程 3 3 小结 图3 7 闭式四点曲柄机