（材料加工工程专业论文）基于过程数字化技术的数码相机结构研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 y 1 0 1 f 1 2 2 6 摘要 过程数字他技术的提出是在上世纪九十年代，以e d s 为代表的一些大型软件公 司致力于产品整体方案的研究与开发，强调注重过程设计和更改是设计的必然。过 程数字化是集成的、相关联的设计产品及并行开发的系统方法。它在信息集成的基 础上强调相关性和连续性的集成。不仅要在改进产品的开发流程中实现自上而下的 信息集成，还要实现自下而上的反馈及基于统一的全数字化产品模型的功能集成。 特征设计作为过程数字化设计的基础，担负着数据集成、数据反馈和数摒交流 的核心作用。本文以数码相机的结构开发为对象，以u g i i 软翻：为平台，鍪点研究过 程数字化技术在产品垒生命周期管理中的作用和实现从c a d c a e 到c a m 数据集成 过程中使设计更加便捷的方法和途径。作为论文工作的主要特点，率研究小只针对 电子类产晶的结构设计，完全可以拓展到大犁系统：l 程的设计中，而且在数据在不 同系统下的交换方面也进行了有益的探索平实践。论文主要研究包括： 1 过程数字化技术的基硇。特征造型设计是上世纪8 0 年代来，从三维实体造型 开始，着眼于更好主氇表达产品完整功能和生产管理信息，包括产品几何形状+ 拓抒 关系，典型功能制造技术及公差要求等数字纯信息。 2 建立集成产品信息模型的专用特征库。本文存u g i i 系统平台下，建成电子 类产品专用特征模型库，可以方便的调用特征模型来完成复杂结构件的没讣，而不 必要用虽旗本的块、卡丰、球、锥、台、孔进行；f 目 j t l 、相交、相减等这些烦琐的方式 来完成。此特征库不仅可以建立结构特征，而且可阻加入电子元器件、通用件、标 准件等形成一个公用的数据库，极大的提高设计效率。 3 ，提囱主型设计思路。产品开发设计包括了建模、出图、工艺昔羁造等各方面。 并不是所有工作都要由工程师自己采完成，坦各穗数舞文件之阔又要保持完全一致， 数据应该随时都是最新的。另外，由于数据集成造成文件信息爨过大，不便卡打开， 存储和传输，主型设计使得并行开发成为可能。 4 在w a v e 技术的基础上，分析自顶向下的设计思路和方法，利用参数化技术 ( u g i i 小的s c k e c h ) 和w a v e 技术，使得一个零件的菜一个控制尺寸发生变化后， 虢零件的其他相关尺j 会自动更新，由此引起其他相关零件自动更新，鲞至整个产 品发生变化，即牵一发而动全身。同时，由于过程数字化主线1 ，2 交织的特点，各 基于过程数字化技水的数码相机结构研究 令零佟豢整个声燕发叟交蘧嚣囊魂更躲瓣嚣嚣重，零释龚骞瓣瑟续王艺( 分橱、燕工 镣) 都会自动爨新。 5 戳数弱穗祝鸯磷究对象，建立众参数亿模垄，体现过程设计的後越毪耱，说 明过程数字化技术不仅是产品众生命周期的基础，更魑c a d c a e c a m 一体化技术 的核心。 零论文的磷究工髂瑟经全部完成，赫已将獗究成聚转纯必农产力。在她技术土 开发的d s c 1 3 0 0 2 1 0 0 数码相机已批量生产并邋销美国、德国及欧洲市场。d c 3 3 0 0 z 器d v - 2 1 0 0 萎豢夺鬟蘩试生声羚莰。 关键词：特征擞模型w a v e 技术产品数据交流 l 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t d i g n a lp r o c e s s p ) w a sb r o u g h tf o r w a r di nt h e9 0 s i nl a s t c e n t u r y s o m e l a r g e - s c a l es o f t w a r ec o r p o r a t i o n s , s u c h a se d sd e d i c a t et h e m s e l v e st or e s e a r c ha n dd e s i g n o fp r o d u c tw h o l ep r o j e e le m p h a s i z i n gp r o c e s sd e s i g na n dm o d i f i c a t i o n ，i st r e n do f d e s i g n d pi ss y s t e m i cm e t h o do f c o m p o s i t i v e ，a s s o c i a t i v ed e s i g np r o d u c t 。i te m p h a s e s0 1 1 c o m b i n a t i o no fr e l a t i v i t y ，a s s o c i a t i o n , b a s e do n , i n f o r m a t i o nc o m b i n a t i o n n o to n l y i n f o r m a t i o nc o m b i n a t i o ns h o u l db ec a r r i e do u tf r o mt o pt ob o t t o md u r i n gt h ep r o c e s so f i m p r o v i n gp r o d u c t s ，b u ta l s of u n c t i o nc o m b i n a t i o ns h o u l db ec a r r i e do u tf e e d b a c kf r o m b o t t o mt ot o p ，a n db a s e do nu n i f o r mw h o l en u m e r i c a lp r o d u c tm o d e l 。 f e a t u r ed e s i g ni st h eb a s eo fp r o c e s sn u m e r i c a ld e s i g n , a c t i n go nd a t ac o m b i n a t i o n , f e e d b a c k , a n dc o m m u n i c a t i o n t h i sp a p e ri st a k i n gd i g i t a lc a m e r aa sr e s e a r c ho b j e c t ， t a k i n gu g i ia ss o r w a r ep l a t f o r m , m a i nr e s e a r c ht h ed pf u n c t i o nd u r i n gp r o d u c tw h o l e l i f ec i r c l e , a n de a r l yo u tc o n v e n i e n t l ym e t h o df r o mc a d c a et oc a md a t ai n t e g r a t i o n 。 a sm a i nc h a r a c t e r i s t i co ft h i sp a p e rr e s e a r c h , , r e s e a r c ha i m sa tn o to n l ym e c h a n i c a l d e s i g nf o re l e c t r o n i cp r o d u c t s ，b u tl a r g es y s t e md e s i g n , t h ep a p e ra l s or e s e a r c he x c h a n g e b e t w e e nd i f f e r e n ts y s t e m m a i nr e s e a r c ho f t h i sp a p e ri n c l u d e s ： 1 a n a l y z i n gb a s eo fd ef e a t u r ed e s i g n ，f r o m3 de n t i t ys c u l p t , w i t hav i e wt o e x p r e s s i n gp r o d u c t sw h o l ef u n c t i o n sa n dp r o d u c em a n a g e m e n td a t am o r eb e t t e r , i nt h e 8 0 si nl a s t c e n t l k y , i n c l u d i n gp r o d u c t sg e o m e t r i cs h a p e ，t o p o l o g i c a l r e l a t i o n ， r e p r e s e n t a t i v ef u n c t i o n a lm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g y , t o l e r a n c er e q u i r e m e n ta n ds u c h n u m e r i c a li n f o r m a t i o n 2 c r e a t i n g f e a t u r es t o r a g ef o rp r o d u c t si n f o r m a t i o nm o d e l ，b yv i r t u eo fu g i i s y s t e mp l a t f o r m ，y o uc a nc o n v e n i e n t l yu s ef e a t u r em o d e lt of i n i s hd e s i g no fc o m p l i c a t e p a r t ，a n dd o nn o tn e e du b a s i cf e a t u r e ，s u c ha sb l o c k , c y l i n d e r , s p h e r e ，c o n e 协f i n i s h o p e r a t i o nb yu n i t e , s u b t r a c t , i n t e r s e c t t h ef e a t u r es t o r a g en o to n l yc a nb ec r e a t e d m e c h a n i c a lf e a t u r e ，a l s ob ea d d e de l e c t r o n i cp a r t s ，c o m m o np a r t s ，s t a n d a r dp a r t s , s oi tc a n b ei m p r o v e dd e s i g ne f f i c i e n c yg r e a t l y 3 b r i n g i n gf o r w a r dt h ei d e ao fm a i nm o d e l p r o d u c t sd e s i g ni n c l u d e sm o d e l i n g , d r a f t i n g ，m a n u f a c t u r i n g ，a l lt h ew o r kc a nn o tb ed o n eb ye n g i n e e r st h e m s e l v e s ，b u ta l lt h e k i n d so f f i l e ss h o u l db ek e p tc o n s i s t e n t l y , a n dd a t as h o u l db eu pt od a t e o nt h eo t h e rh a n d ， d a t ai n t e g r a t i o nc a u s e sf i l e si n f o r m a t i o nt o ol a r g e ，h a r dt oo p e n ，s a v e ，a n dt r a n s m i t ，m a i n 1 1 1 基于过程数字化技术的数码相机结构研究 m o d e ld e s i g nm a k e st e a m - w o r kp o s s i b l e 4 b yv i r t u eo fw a v et e c h n o l o g y , t h ea u t h o rb r i n g sf o r w a r di d e aa n dm e t h o do f f r o mt o pt ob o t t o m , b yu s i n gp a r a m e t e ra n dw a v et e c h n o l o g y , y o uc a nm o d i f yo n ek e y d i m e n s i o no fo n ep a r t , t h eo t h e rc o r r e l a t i v ed i m e n s i o n sw i l lb er e f r e s h e da u t o m a t i c a l l y , a n dc o r r e l a t i v ep a r t sw i l lb er e f r e s h e d ，t h e n t ow h o l ep r o d u c t s m e a n w h i l e ， m a s t e r s t r o k eo fd pl , a n d2h a v et h ei n t e r l a c ec h a r a c t e r i s t i c , t h ef o l l o w i n gp r o c e s s ( a n a l y s i s ，m a n u f a c t u r e ) f o re v e r yp a r tw i l lb er e f r e s ha u t o m a t i c a l l yw h e ne v e r yp a r t i e s r e f r e s h e dd u r i n gw h o l ep r o d u c t 5 t a k i n gd i g i t a lc a m e r aa sr e s e a r c ho b j e c t s ，c r e a t i n gw h o l ep a r a m e t e rm o d e l ， i n c a r n a t i n ga d v a n t a g eo f d p , ，i n d i c a f m gd p i sn o to n l yt h eb a s i co fp r o d u c tw h o l el i f e c i r c l e ，a l s ot h ec o r eo f i n t e g r a t e dc a d c a e c a mt e c h n o l o g y r e s e a r c ho ft h i sp a p e rh a sb e e nf i n i s h e d ，n o wi th a sb e e nt u r n e do u tp r o d u c t i v i t y d i g i t a lc a m e r ad s c - 1 3 0 0 2 1 0 0 ，b a s e do n t h i st e c h n o l o g yh a v eb e e np r o d u c e dv a s t l y , a n d a r es o l di n a m e r i c a ，g e r m a n ，a n de u r o p e 。d c - 3 3 0 0 za n dd v - 2 1 0 0h a v eb e e nt e s t i n g k e yw o r d s l m a i nf e a t u r em o d e lw a v et e c h n o l o g y p r o d u c td a t ac o m m u n i c a t i o n i v 江苏大学硕士学位论文 1 1 研究工作背景及意义 第1 章绪论 c a d 技术是一项综合性的，集计算机图形学、数据库、网络通讯等计算机及其 他领域知识于一体的高新技术；是先进制造技术的重要组成部分；也是提高设计水 平、缩短产品开发周期、增强行业竞争能力的一项关键技术。c a d 技术的特点是涉 及面广而复杂、技术变化快、竞争激烈，而且投资大、风险高、产出高。现代有名 c a d c a m 软件都是规模巨大，功能众多、系统复杂c a d 技术最早应用在机械制 造行业，采用c a d 技术进行产品设计不但可以“甩掉图板”，更新传统的设计思想， 实现设计自动化，降低产品的成本，提高企业及其产品在市场上的竞争能力：还可 以使企业由原来的串行式作业转变为并行作业，建立一种全新的设计和生产技术管 理体制，缩短产品的开发周期，提高劳动生产率。 电子产品更新快，造型、结构功能上都有非常高的要求。琳琅满目的电子产品 对于制造商来说代表着令人畏惧的挑战。要想把握稍纵即逝的市场机会，就必须永 远跟随时尚和技术的潮流。为了在产品市场上实现成功竞争，制造商必需以最快的 速度和最低的成本开发高质量的新产品。竞争要求制造商具有从概念设计到生产制 造的优化的集成的流程；要求制造商在设计，工程和生产的过程中充分利用最好的 工具和技术来提高生产效率。 过程数字化技术( d i g i t a lp r o c e s s ) 1 1 1 是c a d c a m 技术发展到上世纪9 0 年代由以e d s 为代表的大型系统软件公司提出，基于过程的数字化设计。现今，已 经成为制造业发展战略中研究的热点过程数字化技术从产品开发设计的一开始就 有明确的全局观念，综合考虑制造、装配、维护等产品生命周期中的诸因素，在信 息集成的基础上进一步实现过程集成，使产品设计与工艺设计并行，是集科学化、 自动化、系统化于一体的技术。它通过组成多学科产品开发队伍、改进产品开发流 程、利用各种计算机辅助工具等手段，使产品开发的早期阶段能够充分考虑产品生 命周期中的各环节的影响，力争产品开发一次成功，达到缩短产品开发周期，提高 产品质量，降低产品成本，从而达到增强企业竞争力的目标。 国外，最早将过程数字化技术应用于生产的是麦道公司，它早在上世纪8 0 年代 基于过程数字化技术的数码相机结构研究 就开始使用这一技术开发飞机。我国随着市场竞争机制的逐步完善，一批支柱产业 正在实现与国际接轨。汽车、航天、航空、电子、机床等制造业通过实施p d m 工程 和采用c a d 技术取得很大的成绩，也面临着新的挑战。他们所遇到的共同难题是产 品开发周期过长，所开发的产品往往不能很好的满足用户需求，并且质量难以保证。 他们迫切需要利用过程数字化技术改变传统的产品开发模式，缩短产品开发周期、 降低产品成本、提高产品质量 我公司2 0 0 1 年开始开发数码相机，数码相机是典型的电子类产品，结构紧凑， 功能多样，开发难度非常大，如果采用一般的开发模式，开发周期较长。为了缩短 产品开发周期、降低产品成本、提高产品质量，本课题利用公司技术中心现有的软 硬件资源，将过程数字化技术应用于数码相机的开发中，实现了数码相机从产品的 造型设计，实体建模，注塑流动分析到模具设计制造，快速原型的数字化开发。 过程数字化技术首先要解决信息提取、集成、传输的问题。本课题的主要目的 是实现计算机辅助产品开发的信息集成。项目总体要求是：以数码相机结构件为对 象，在特征造型的基础上，研究并行开发技术，快速建模、更改技术，利用w a v e 方法和技术，实现数据集成，支持产品的全生命周期管理开发 特征造型是并行开发和产品全生命周期管理的关键，快速便捷的建模和数字信 息关联是c a y d p d m 等计算机辅助系统与工具应用的基础，因而本课题具有重要的 研究开发意义和应用价值。 1 2 关键技术研究综述t 本课题的关键技术包括：特征数字化技术，过程数字化技术和数据交换技术。 1 2 1 特征数字化技术 在c a d 技术发展的初期，c a d 仅限于计算机辅助绘图，随着计算机软、硬件 技术的飞速发展c a d 技术才从二维平面绘图发展到三维产品建模，随之也就产生了 三维线框造型、曲面造型以及实体造型技术。而如今参数化及变量化设计思想和特 征造型则代表了当今c a d 技术的发展方向。 传统c a d 绘图软件都是用固定的尺寸值定义几何元素，要进行图面修改只有删 除原有的线条后重画，而新产品的打样设计不可避免的要进行多次的修改，进行零 件形状和尺寸的综合协调、优化，而且大多数设计工作都是在原有设计基础上的改 2 江苏太学硕士学位论文 滋。毽鼗，薪瓣c a d 系统郡增熬7 参数纯纛交麓纯鼗谤模块，缆褥产i l 毳熬设谤蕤霉 以随着某些结构尺寸的修改和使用环境妁变化筒自动修改图形，这可以黼少大爨的 麓复劳动，减轻设话z 律量。 特髹造型是c a d 建模方法酌一个掰里程磷，它是在c a d c a m 技术的发展和 应用达到一定的水平，翳求进一步提高擞产组织的集成亿和自动化程度盼历史进程 巾孕弯成长起来薅。过豢豹c a d 技拳h - - 维绘强起步，经历了纛缝线橼，瑟霹秘实 体造型发展阶段，都是鬻眼予究菩产品的几何描述能力，亦即只描述了产品的几何 德怠；繇褥 蒌逡逡粼是麓羧予受好途袭遮产磊究整茨功裁嚣生产管建繁悫，舞建立 产品的集成信息模型服务。特征( f c a t u r e ) 在这垦作为一个专业术添，兼有形状嗣场能 掰秭属髋，它包括产晶的特定a 何形状、拓矜哭系，典嫠功藐、绘鹜表豕方法、秘 逡技术秘公差娶求。特缀造型技术使得产品盼设计工佟在更高髓层次上避行，设计 人员的操作对象不再是原始的线条和体索，而鼹产品的功能要索。特饺的弓| 用瀛接 体现7 後诗意灏，搜褥建立豹产瀑模型蹩容易为人理鼹秘组织：嶷产，魏湃发薪我 的基予统一产鼎信息横烈的c a d c a p p c a m 集成系统俐造了前提。 特征逢羹熬兴起势不是偶然懿，鸯嚣今因綮壹接导致7 密豹氆瑷裟应建。一方 面，传统的实体造型技术是建纛在几何袋示和操作上的，底屡次的无廉用含义盼几 褥搽佟麓设诗入员高菇既设诗檄念产生了矛霪。舅一方嚣，近巾年簿c i m s 褥粼长 足发展，这就要求传统的系统除了满怒盘身应用的完餐性之外，还必须满足集成化 的要求，郎必须为其它系统如计算机辅助分析系统( c a e ) 、计舞机辅助工艺蕊划系 统( c a p p ) 、计簿扭壤助剃造系统( c a m ) 等掇供反映设诗人掇设计爨强懿嚣a 褥 信息，如材料、公差等等。在遮两个因豢的直羧推动下，特征造型技术得到了广泛 麓筏蠢发浸。就终，麸系统集藏躲袁度寒分椽传统豹c a d 技零，其圭袋不是菇麴下 几点 2 3 】： 不支持完整翁设译邈程 产潞的设计过程包括产品功能设计，概念设计，详躐设计阶段，而传统的c a d 系统只涉及产晶的详细设计阶段。此外，也缺麓记录设计过程的能力，无法记漾设 计人员麓没谤意强，不蠖后续赴理。 内部数据结构不完熬 产赫豹设谤魂容缀誊枣，毽据7 黟熬懿多耱震毪，鲤足寸，公差，糖辩，浚谤 约束等，而目前的c a d 系统还不能全弱覆盖这些内容。 基于过程数字化技术的数码相机结构研究 操作对象层次低 只能支持低级的点、线、面、体等几何信息和拓扑信息，而工程人员思维和交 流的高级信息元难以与这些低级信息建立直接的联系 多种设计活动无法集成起来 由于不同的设计活动采用不同的产品模型，它们的信息交流难以顺利进行，使 设计行为分散，数据不统一，不利于数据共享和重用 为此，作者特别致力于特征造型基础上的参数化设计技术研究和应用，一方面 建立了用于数码相机及电子类产品的专用特征数据库，从而使设计人员集中精力处 理较高层次的设计问题，使得设计更快速、方便，并且设计质量也得以保证。另一 方面，特征是一个高层次的设计概念，内部包含了大量设计意图，这些设计意图对 于设计的维护以及后续的分析、综合等过程有着重要的意义，对于提高系统的自动 化程度以及解决与在数据交换过程中存在的不连续性也有很大帮助。然而同一文件 中庞大的数据信息使得文件传输成为障碍，主模型设计方法的提出，使这一障碍迎 刃而解 1 2 2 过程数字化技术 1 9 7 4 年前后，美国最先推出二维为主的数字绘制工程图的技术，1 9 8 8 年左右， 又推出了基于特征的数字化参数化建模技 术，之后很快发展为超变量几何的全相关 建模技术；1 9 9 5 年开始，以e d s 为代表 的系统软件公司推出了基于过程( 设计过 程，工艺过程、模具开发制造过程) 的数字过程导引技术( 如图1 1 所示) 【1 1 ； 但不管怎么发展，在当时所有的 图i - 1c a x 技术的发展进程 c a d c a m 软件中构造一个几何元素， 都必须要由设计者提供设计对象的几何结构数据。哪怕画一个圆，你必须输入一个 半径或直径的数值。你不输入，系统就停下来不工作。至于为什么要输入这个结构 数据值，而不输入其它的值? 其依据是什么? 为什么是优的? 只有设计者自己清楚。 所以眼下绝大部分的c a d 软件，说到底，都仅仅是一个几何建模工具，还不是一个 真正意义上的设计工具，实际上每一个结构设计参数都是依据于一定的设计原理、 4 江苏大学硕士学位论文 准则、规范、经验的，都是要优的。 经过多年的推广，c a d 技术已经广泛地应用在机械、电子、航天、化工、建筑 等行业。应用c a d 技术起到了提高企业的设计效率、优化设计方案、减轻技术人员 的劳动强度、缩短设计周期、加强设计的标准化等作用。c a d 技术应用越来越广泛， 越来越深入，正朝着开放、集成、智能和标准化的方向发展。首先，开放性是决定 一个系统能否真正达到实用化并转化为现实生产力的基础，这主要体现在系统的工 作平台、用户接口、应用开发环境及与其他系统的信息交换等方面。其次，集成是 向企业提供一体化的解决方案。并行工程是一种集成，过程数字化技术也是一种集 成。通过集成能最大限度地实现企业信息共享，建立新的企业运行方式，提高生产 效率。智能和标准化则是今后一段时间数字化技术发展和研究的方向。标准化库和 智能化专家库使c a d 集成度进一步提高。 近年来，我国c a d 技术的开发和应用取得了长足的发展，除对许多国外软件进 行了汉化和二次开发以外，还诞生了不少具有自主版权的c a d 系统，如高华c a d ， 开目c a d 等。但是，我国c a d c a m 技术不管是从产品开发水平还是从商品化、市 场化程度都与发达国家有不小的差距由于国外c a d 忙a m 技术出现得较早，开发 和应用的时间也较长，所以它们发展比较成熟。而我们传统的串行作业设计、开发 过程，往往会造成产品开发过程中出现反复，使产品开发周期长、成本增加。如果 把产品设计中的各个串行过程尽可能多地转变为并行工程，在设计时考虑到下面工 序中的可制造性、可装配性，则可以减少反复，缩短开发时间。过程数字化技术便 是基于这一思想的先进制造模式。 p d m ( 产品数据管理) l ”叫是从管理c a d c a m 系统的高度上诞生的先进的计 算机管理系统软件。它管理的是产品整个生命周期内的全部数据。过程数字化技术 是工程技术人员根据市场需求设计的产品、编写的工艺、分析的结果、编写的加工 程序，是产品数据管理的核心部分。p d m 系统除了要管理上述数据外，还要对相关 的市场需求、分析、设计与制造过程中的全部更改历程、用户使用说明及售后服务 等数据进行统一有效的管理。p d m 系统实现并行工程，提高产品设计效率，支持全 面质量管理，实现人、过程、技术三者的平衡。由此可见，p d m 系统管理的产品信 息将涉及到企业的产品设计、工艺、制造、经营和服务等部门。作为核心部分的过 程数字化技术为p d m 系统提供基础性数据。 前几年的参数化设计只能做到保持在尺寸大小上的零部件之间的相关性。全相 基于过程数字化技术的数码相机结构研究 关是指：在产品内部不仅保持尺寸大小的相关性，而且还具有结构形状的相关，也 就是几何相关，更具有过程相关，不管是工业设计c a i d ，还是概念设计、结构设计 ( c a d ) ，还是工程分析( c a e ) 、工模夹具设计与制造、数控编程( c a m ) ，这中 间任一阶段的结构数据的改变都会引起其它过程做出相关的变化过程数字化技术 的就是要实现产品的全相关 过程数字化技术起初主要针对零件设计的数字化，目的是可以使零件的设计、 分析、工艺、制造通过参数化技术准确、快速的变成产品。本课题在研究过程中将 过程数字化技术分为两条主线( 如图1 - 2 ) ： 主线l ：零件制造过程线。设计体现在3 c p 的过程中，是针对某个零件来讲的。 是一个全过程。研究的目的是要求做到对零件进行修改后，后续对此零件的分析、 工艺、加工制造( 包括模具结构、n c 程序等) 会自动更新，而不需要再逐一操作一 遍。本课题以u g i i 软件为开发平台进 行数码相机结构设计开发，利用u g i ir i 习 的强大功能来实现过程数字化。分析| 挚i 数据在系统内部及不同系统之间的传l 零l i 件i 输标准。 i 制l 主线2 ：产品设计过程线。设计i 篝i 体现在全生命周期管理中，一个零件i 程f 的改动会引起整个产品的改变。过去，ii ll 需要人工逐一对零件进行更改，不仅jl 费时费力，还非常容易出错，过程数 字化的提出，使得一个零件更改后， 其他与之相配合的相关零件会自动更 新。( 与之相对应，主线l 中每个零件 l 过程数字化技术 图1 2 过程数字化技术 的后续分析、加工等也会自动更新。这些都是交织在一起的。) 本课题以u g i i 软件 的w a v e 技术为基础，实现数码相机的全生命周期设计。 数码相机作为一种高新技术产品，复杂的内部结构和密集的电子电路之间存在 着密切的配合问题。过去，必须等样机制作出来后才能检查、调整，不仅开发时间 长，电路调整困难，而且因为模具等的调整，造成很大浪费。应用过程数字化技术 6 甲由l 圈 江苏大学硕士学位论文 设计数字化模拟相机，在设计初期就布置好结构与电路的配合与数码相机整体数字 模型，使修改由原来几小时甚至几天时间减少到现在的几十分钟乃至几分钟时间。 而且，模具投入后不需要做太大调整，既节约了资金，更缩短了开发周期。 1 2 3 数据交换技术 c a d c a m 技术在工业界得到了广泛应用，越来越多的用户需要把他们的数据 在不同的c a d c a m 系统之间进行交换。c a d 软件发展到今天，形成了两种核心技 术uj ，即e d s 的p a r a s o l i d 核心技术以及p t c 公司的a c i s 核心技术。两种核心的发 展必然导致一些企业用户用u n i g r a p h i c s ，另一些用户用p r o e ，还有一部分用户用 其他一些软件。这样在产品更新换代，企业协作的图形文件数据交换中，必然形成 一个图形文件转换的问题。 c a d c a m 之间的信息集成实质上就是c a d 与c a m 系统之间数据的自动交换。 现阶段数据交换主要有两种方式：睁1 2 】 直接数据交换 直接数据交换方式就是在两个相互关联的系统之间开发专用数据接口，通过共 同确定相互间的数据结构和数据转换机制建立各系统之间一一对应的翻译程序，从 而直接从一个系统中读取数据，然后按照映射关系写入另一系统( 如图1 3 所示) 。 其特点是接口模块设计易于实现，针对性强，运行效率高，但是接口的数目随不同 应用系统的增加而成倍的增加，从而大大增加了系统的复杂性。 图i - 3专用接口数据交换 间接数据交换 间接数据交换方式是一种使用标准数据格式的交换方法( 如图1 4 所示) 。就是 将相互关联的所有系统的数据转换成中间格式存储，建立中性文件或标准数据库， 这种格式独立于任何一个c a d c a e c a m 系统，各系统只需提供两个翻译程序：前 处理程序和后处理程序其特点是通用性和适应性强，因而被广泛应用于 c a e i c a e c a m 信息集成中 数码相机在开发过程中，从概念设计到模具加工制造都涉及到数据交换。数据 交换不仅在c a d 系统中不同的软件( 如：u g i i 、p r o e 、a u t o c a d 等) 问进行。还 7 基于过程数字化技术的数码相机结构研究 在不同系统( 如；c a d 与c a e ，c a d 与c a m ，c a d 与p o w e r - p c b ) 间进行数据 交换是过程数字化技术在数码相机开发过程中数据传输的纽带，分析数据交换技术， 有助于选择适当的数据交换方法，使数据交换更简洁更有效。 f f 悸9 国延乡托习 l炒d 酬 1 ， 图l - 4 采用s t e p 格式进行数据交换 1 3 企业内存在的c a d c a m 问题 对国内企业中c a d 的应用进行调查后得出如下结论：很多所谓c a d 应用很好 的企业，也只是做到用手工出图转变为计算机出图。计算机出图有很多优点，漂亮、 规范、修改容易、存档方便等，但是如果只是停留在这个阶段，就失去了c a d 的作 用。因为c a d 是辅助设计，不是辅助绘图。既然是设计就不但想到产品的机械模型， 还应想到产品的结构分析、运动机构分析和生产加工处理等，只有这样才能真正发 挥c a d 的作用。 另外，企业不惜血本买进大量的工作站系统，事隔几年却并未带回效益。究其 原因有很多，但最主要的原因是：系统软件和c a d 软件使用太复杂，并不能使每个 设计人员都完全掌握。技术人员不可能在有限的时间内既精通本专业，又精通另外 的计算机专业所以必须使系统软件和c a d 软件的使用更简单更容易，只有这样 c a d 才能真正得到普及，c a d 才能真正发挥作用。 还有，虽然现有的c a d 、c a e ，c a p p 、c a m 系统在过去几十年中得到了迅速 发展，并达到了相当高的技术水平，也取得了可观的经济效益。但由于它们是从生 产过程的不同侧面分别发展起来的，实际上，它们只是分别独立的自动化“孤岛”，l h j 各自的信息处理过程都存在着特殊性，彼此间的模型定义、实现手段和存取方法均 有差异，信息交换难，资源不能共享。 8 江苏大学硕士学位论文 1 4 c a d 技术急需解决的问题及本课题研究的对象 正如前段所讲，c a d 技术发展到今天已经逐步向简单、易用、便于操作和系统 要求低的方向迈进。然而对于软件来讲，越简单，越容易学，就越普通，越不专业 对于企业来讲，希望以最快的速度开发出最好的产品。这就需要企业根据自身情况 在现有软件的确基础上开发适合自己用的功能。同时，随着c a d 技术的发展和制造 业分工的越来越精细，多种软件平台需要信息互通，统一的数据转换标准是其中不 可缺少的纽带。 本课题以u g i i 软件为平台，以数码相机结构为研究对象，主要做了以下几个方 面工作： 利用特征造型技术、自定义特征技术，制作电子类消费品结构设计中的基本专用 特征数据库，实现数码相机快速三维设计； 提出主模型设计思路和方法，减少了过程数字化技术中数据的传输量； 利用w a v e 技术。建立数码相机结构关联组，按照自顶向下的设计方法，建立 全关联的数码相机模型，实现数码相机的全生命周期管理，使数码相机从概念设 计到模具制作的过程，数字信息连续，实现零件生产的过程连续 分析了i g e s 、d x f ，特别是s t p 标准数据传输、转换格式，为产品在设计过程 中不同设计软件间的数据传输铺平道路。 9 基于过程数字化技术的数码相机结构研究 第2 章基于特征的参数化i r 4 - - 技术 2 1 面向特征的设计 参数化技术和特征技术都是当今计算机辅助设计中的关键技术。这两者的结合 使用，将使c a d 技术得到更好的发展。基于特征变量的参数化设计方法，可以补充 三维c a d 系统的功能。它的建模交互性好，程序设计效率高，为企业快速建立部件 库、产品网上发布和快速设计提供了途径 随着计算机硬件和c a d 技术的不断发展，三维c a d 系统正逐渐得到重视和普 及。三维造型技术一般有线框造型、曲面造型和实体造型。而特征造型是基于这三 种技术之上的以特征为主的造型方法c a d 造型技术中所谓的特征是指构成零件的 基本几何体及其与之相关的参数。这里提到的特征是狭义的形体特征。与传统的布 尔运算操作相比较，基于特征的造型技术更加简单、易于操作和理解，目前流行三 维c a d 软件大多采用基于特征的造型方法。从造型技术发展的角度来看，特征造型 是高于传统造型的先进造型技术。在产品设计中，一般先构造基本的简单实体，然 后通过特征增加或特征删除等操作实现添料和除料，从而实现复杂产品几何造型。 2 3 1 特征的定义和分类1 1 4 - 1 l 特征的概念自产生以来，许多学者就对其进行了广泛的技术研究，并从不同的 角度对特征进行了定义。从设计观点看，特征是由几何和拓扑元素组成的形状特性； 从制造的观点看，特征表示与制造相关的形状和技术属性；从构造c a d c a m 集成 化产品信息模型的目的出发，从并行工程来看，特征是人们对产品及其零件所关心 的部分，是一组与零件的描述相关的信息集合。在c a d c a m 的不同阶段，虽然处 理相同的产品数据，但不同的阶段对数据的组合和处理方法不同。在设计阶段，设 计者从功能的角度看产品；而在制造阶段，工艺人员从生产的角度看产品。由于观 察角度的不同，对产品数据的理解也不同。因此，在c a d c a m 集成过程中共享或 交换的应该是信息，而非数据，并且不同阶段对信息有相同的理解，特征恰好用来 解决这个问题。特征是一个零件的形状和其他属性的信息集，该信息集可用于该零 件及其所在装配体的设计制造和性能分析。按不同的观点，特征可分为以下6 类【5 ，1 4 ( 如图2 1 ) ： 1 0 江苏大学硕士学位论文 ( 1 ) 形状特征( f o r mf e a t u r e s ) ：用于 描述有一定工程意义的几何形状信息， 是非几何特征( 精度特征、材料特征) 的载体，非几何特征信息作为属性或约 束附加在形状特征的组成要素上。形状 特征又可分为主形状特征和辅助形状特 图2 - 1 特征的分类 征( 简称主特征和辅特征) 。主特征用于构造零件的主体形状结构，辅特征用于对主 特征的局部修饰( 如倒角键槽圆孔等) ，他附加主特征或其它辅特征之上。 ( 2 ) 精度特征( p r e c i s i o nf e a t u r e s ) ：用于描述几何形状和尺寸的许可变动量或 误差。例如尺寸公差，几何公差( 形位公差) 、表面粗糙度等 ( 3 ) 装配特征( a s s e m b l y f e a t u r e s ) ：用于表达零件在装配过程中需使用的信息。 ( 4 ) 材料特征( m a t e r i a lf e a t u r e s ) ：用于描述材料的类型与性能及热处理等信息。 ( 5 ) 附加特征( a d d i t i o n a lf e a t u r e s ) ：用于表达一些与上述特征无关的其它信息， 如用于描述零件设计的g t ( 成组技术) 码等管理信息特征。 ( 6 ) 性能分析特征( a n a l y s i sf e a t u r e s ) ：用于表达零件在性能分析时所使用的信 息，如有限元网格划分等。 2 1 2 特征造型1 2 0 z 3 1 特征造型技术是为了在设计阶段能够捕捉除了产品几何拓扑信息以外的设计和 制造意图的高层描述而产生的，通常采用参数化的特征来描述物体的几何形状及其 功能关系，每个特征与一组属性相联系，设计师能直接利用功能特征进行高层次运 算和操作，如倒角、加筋、开槽，打孔等来设计产品模型。这种基于特征的设计方 法从一开始就把特征融合到产品模型中，并试图提供更丰富的产品信息，与后续过 程实现信息共享和集成。所以，本课题在对数码相机结构进行设计时，完全采用特 征造型技术。 在工程应用中，一种简便可行的方法 一。 是在现有商品化软件的基础上构造特征造 型系统，建立用户定义的特征库。设计人 员按照预先定义的特征来建立产品信息模 型，使得产品设计过程成为特征库中的特 图2 - 2 特征造型方法 基于过程数字化技术的数码相机结构研究 征实例化的过程，以实例化的特征为基本单元，建立产品信息模型( 如图2 - 2 ) 。这 种方法的特征表示一致性好，便于特征识别。例如：在u g i i 的m o d e l i n g 环境中， 其特征命令有轮廊特征、处理特征和阵列特征三大类。轮廓特征包括添料特征和除 料特征各类拉伸( e x t r u d e ) 和肋板都属于添料特征。切除( t r i m ) 相关的特征和孔均 属于除料特征。处理特征中的倒角、抽壳、螺旋、腹板等可以快速完成零件的后期 造型处理。阵列特征中的阵列、镜像避免了重复设计，达到了合理利用现有实体信 息的目的。 另外，u g i i 在零件造型过程中，采用特征树( n a v i g a t o r ) 来管理整个造型过程。 特征树为设计人员提供了许多便利。对于整个实体，可以清楚地浏览其造型过程中 特征的先后顺序，并可对特征进行复制、删除、 交换次序等操作。对于单个特征而言，可以编 辑其特征名称，修改其特征参数。而且，可以 通过造型中自动生成的特征参数和建立特征变 量表来实现参数化，其参数技术融合于特征造 型之中。如图2 3 为在u g i im o d e l i n g 环境下用 图2 - 3 特征造型 特征造型制作数码相机电子元器件。 特征识别或特征造型可以解决基于特征的信息建模问题。特征是与具体应用相 关的，不同的产品类型有其各自不同的结构特征，不同的应用领域作为特征的几何 元素可能是完全不同的，一个几何元素在不同的应用中可能被视为不同的特征，因