（机械制造及其自动化专业论文）用户无编程变量化设计理论研究与实践.pdf

重压丕堂亟堂焦迨塞主童摘噩 摘要 ；2 l 世纪制造业竞争的核心是以知识创新为基础新产品的竞争，各类 制造企业都把产品设计、产品创新作为自身发展的根本：0 本文通过分析计 算机辅助技术在产品设计领域的应用状况，当前c a d 软件开发与应用现状 以及所存在问题的基础上，对产品设计方法学发展战略和市场发展对产品 设计提出的新要求进行了较详细的探讨。提出在产品设计领域应用用户无 编程变量化设计技术来实现设计、生产、制造的数据共享，提高制造系统 的集成度，达到c a d 软件系统的可重用性、可继承性、可扩展性，从而 促进c a d 技术向产品设计、制造全过程进行延拓。 本文从产品设计方法和软件设计方法两个层面对用户无编程变量化 设计技术进行研究，提出了一些新的思想和方法。 f 从产品设计方法角度了研究基于s t e p 无编程变量化核心技术、变 量化装配设计关键技术、论述s t e p 模型在产品变量化设计中的基础地 位；通过对知识工程的研究，提出应用知识工程的方法对领域知识进行归 纳、封装和继承，达到设计智能化的目的。 从c a d 软件设计的角度，提出c a d 软件设计原子对象的概念与模型， 原子对象类的概念，原子对象的模糊聚类方法以及原子对象的可靠性分配 评判休系；如何基于原子对象对无编程变量化设计思想实现软件化，构建 c a d 软构件，并以c a d 集成框架为基础，通过c a d 软构件集成，实现各c a d 工具间的互操作及数据集成、控制集成和过程集成，可以在短时间内为用 户提供最好的c 妲工具，形成开放而高效的设计环境并实现设计资源重组 和c a d 软件集成。丫7 根据理论研究，开发了原型系统一用户无编程变量化自建功能型c a d ( u v c a d ) 。该系统在长安汽车集团公司焊接夹具c a d c a p p 工艺技术信息 管理系统的设计中得到了具体的应用，初步实现智能辅助设计，达到了缩 短设计周期，提高设计质量的目的。 关键词：用户无编程变量化设计产品模型知识工程 原子对象软构件 重庞盍堂亟堂僮趋童羞奎摘囊丛b 监! ) a b s t r a c t i n2 1c e n t u r y ，t h em o s tk e r n e lc o m p e t i t i o n o fm a n u f a c t u r i n gi s t h e c o m p e t i t i o n o fn e w p r o d u c t w h i c hi sb a s e do n k n o w l e d g e i n n o v a t i o n ，t h e r e f o r e ，a l l k i n d so f m a n u f a c t u r i n ge n t e r p r i s e s c o n s i d e rp r o d u c t - d e s i g na n dp r o d u c t i n n o v a t i o nt h er o o to fi t s e l f s d e v e l o p m e n t a c c o r d i n gt oa n a l y z i n gt h ea p p l i c a t i o ns i t u a t i o no f c o m p u t e r a i d e dt e c h n o l o g yi np r o d u c td e s i g nf i e l da n dt h ec u r r e n t d e v e l o p m e n t ，a p p l i e a t i o n ns i t u a t i o na n de x i s t i n gq u e s t i o no ft h e c a d s o f t w a r e ，t h ed e v e l o p m e n ts t r a t e g yo fp r o d u c td e s i g nm e t h o d o l o g ya n d w h a tm a r k e td e v e l o p m e n tp u t sf o r w a r dn e wd e m a n di np r o d u c td e s i g n h a sb e e nd i s c u s s e di np a r t i c u l a r at h o u g h to fu s e rn o p r o g r a m m i n gv a r i a t i o n a ld e s i g nh a sb e e n p r e s e n t e da n du s e di np r o d u c td e s i g nf i e l dt oa c h i e v et h e d a t a s h a r i n go fd e s i g na n dm a n u f a c t u r i n g ，e n h a n c et h ei n t e g r a t i o nd e g r e e o fm a n u f a c t u r i n gs y s t e m ，i m p l e m e n t et h er e u s e ，i n h e r i t i o na n d e x t e n s i o no ft h ec a ds o f t w a r e s y s t e m ,c o n s e q u e n t l yp r o m o t e e x t e n d i n gc a dt e c h n o l o g yt ow h o l ep r o c e s so fp r o d u c td e s i g na n d m a n u f a c t a r i n g t h i sp a p e rh a sd o n es o m er e s e a r c hw o r ko nu s e rn o p r o g r a m m i n g v a r i a t i o n a l d e s i g na n d s o m en e wt h o u g h t sa n dm e t h o d sh a v eb e e n p r e s e n t e d ，w h i c hh a sb e e no nt h ev i e wo ft w ol a y e r ：p r o d u c td e s i g n m e t h o da n dc a ds o f t w a r ed e s i g nm e t h o d o nt h ev i e wo fp r o d u c td e s i g nm e t h o d t h ek e r n e lt e c h n o l o g yo f n o p r o g r a m m i n gv a r i a t i o n a lb a s e do ns t e pa n dv a r i a t i o n a la s s e m b l y d e s i g nh a sb e e ns t u d i e d ，t h es t e pm o d e l sf u n d a m e n t a lp o s i t i o no n p r o d u c t v a r i a t i o n a l d e s i g n h a sb e e n d i s c u s s e d a c c o r d i n g t o r e s e a r c h i n gi nk n o w l e d g e b a s e de n g i n e e r i n g ，t h em e t h o do fa p p l y i n g k n o w l e d g e b a s e de n g i n e e r i n g i n c o n c l u d i n g ，e n c a p s u l a t i n g a n d i n h e r i t i n gd o m a i nd e s i g nk n o w l e d g eh a sb e e np r e s e n t e d ，t h e r e f o r e a c h i e v i n gi n t e l l i g e n t i a ld e s i g n o nt h ev i e wo fc a ds o f t w a r ed e s i g nm e t h o d ，t h ec o n c e p ta n dm o d e l o fa t o mo b j e c ta n dt h ec o n c e p to fa t o mo b j e c tc l a s su s e di nc a d s o f t w a r e d e s i g n ，t h e a t o mo b j e c t s i l l e g i b i l i t yp o l y m e r i z a t i o n i i 重匮盔堂亟堂焦监毫一一一 芸塞擅墨( b 查a 丛) m e t h o da n dr e l i a b i l i t yd i s t r i b u t i o n j u d g e m e n ts y s t e m h a sb e e n p r e s e n t e d ，a n dt h ec o n t e n to fh o wt or e a l i z et h et h o u g h to fu s e r n o p r o g r a m m i n g v a r i a t i o n a l d e s i g n ， c o n s t r u c ts o f t c o m p o n e n t ， r e a l i z ed a t a ，c o n t r o l ，a n dp r o c e s si n t e g r a t i o nh a sb e e na n a l y z e d u s i n gt h em e t h o do fc a ds o f tc o m p o n e n te n c a p s u l a t i o nb a s e do nc a d i n t e g r a t i o nf r a m e w o r k ，t h eu s e r sh a v eb e e np r o v i d e dw i t ht h eb e s t c a dt o o l s ，o p e na n d e f f i c i e n c yd e s i g ne n v i r o n m e n ts o f t w a r eh a v ec o m e i n t ob e i n g u s i n gt h i sm e t h o do fs o f tc o m p o n e n t ，d e s i g nr e s o u r c e s c a nb er e c o m p o s e da n dc a ds o f t w a r ec a nb e i n t e g r a t e d f i n a l l y ，o nt h e b a s i so ft h e o r e t i c a lr e s e a r c h ，ap r o t o t y p e s y s t e m - u s e rn o p r o g r a m m i n gv a r i a t i o n a lc a d ( u v c a d )c o n c r e t e l y u s e di nt h e d e s i g n o f c h a n g a n a u t o m o b i l e g r o u p w e l d c l a m p c a d c a p p p r o c e s st e c h n o l o g ym a n a g e m e n ts y s t e mh a sb e e nd e v e l o p e d ， w h i c hh a sp r i m a r i l yr e a l i z e di n t e l l e c t u a lc a d ，s h o r t e n e dd e s i g n c y c l ea n di m p r o v e dd e s i g nq u a l i t y k e y w o r d s ：u s e rn o p r o g r a m m i n gv a r i a t i o n a ld e s i g n p r o d u c tm o d e l a t 0 1 1 卜o b j e c t k n o w l e d g e b a s e de n g i n e e r i n g s o f tc o m p o n e n t - - i l l 重庆大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 产品设计方法学发展综述 1 1 1 计算机辅助技术应用状况 2 l 世纪制造业竞争的核心是以知识为基础的新产品竞争，在当前信 息万变的网络时代，这种竞争正不断加强。统计资料表明：如能提前一个 月将新产品投放市场，将能多获得3 0 的市场占有率，其中以产品设计为 代表的概念设计过程最能体现产品中的知识含量和高技术含量“儿”o 3 。 随着以微电子技术、自动化技术、通信技术、人工智能和新材料技 术，特别是以计算机和网络技术为代表的信息技术的迅猛发展，产品设计 的范畴不断扩大，从单纯的产品设计扩展到产品规划和工艺设计。产品设 计( 包括制造) 的组织方式也从传统的顺序方式逐濒过渡到并行设计方式。 产品的设计手段也由传统的手工设计向现代化的计算机辅助设计过渡。 归纳起来，现代产品设计具有以下特点：设计手段的计算机化与拟 实化、设计过程的并行化与智能化、设计范畴的扩展化，强调设计的逻辑 性和系统性、进行动态多变量的优化、分析手段的精确化、多种手段的综 合应用、强调产品的精神功能和环保性、强调顾客的参与、强调设计阶段 的质量控制、设计与制造的一体化“】【6 j 。 因此，各类制造企业都把产品设计、产品创新作为自身发展的根本， 我国更是把知识创新提到国家发展的战略高度。国内的产品设计自动化理 论研究和新技术推广应用，也紧跟国际相关学术发展前沿，在“九五”c a d 丢图板工程取得重大成果的基础上。许多制造企业和一些专家学者己开始 在一些大型产品、支柱产品的开发方面。从过去的引进、消化、吸收，逐 步转向新产品自主开发和开发新技术的研究。以三维设计为核心的创新设 计体系正在形成，党和国家提出的技术创新战略正在得到实旌”1 。 1 1 2 产品设计方法学发展的探讨口】 8 为了满足新产品更新换代快、设计和研制周期大幅度缩短的要求， 各种新的产品开发技术应运而生；而以信息技术为核心的高新设计支持技 重庆大学硕士学位论文第一章绪论 术在产品创新设计中的大量应用，推动了设计自动化技术的迅速发展，并 在产品设计方法学的诸多方面取得了重大进展。国内设计自动化领域的研 究方向和发展目标拟体现在以下六个方面： 敏请设撇 敏捷设计技术是基于敏捷制造理论的新一代设计方法学和技术论， 它包括先进设计自动化技术，企业组织、人员、业务过程重组、管理与实 施方法等综合技术体系。 产品概念殴计技术 产品概念设计是产品创新设计的首要环节，它的完成需要大量的市 场预测分析、领域专家知识和新设计技术、设计规则，必须满足的各种标 准和法规、时代的审美意识和人文社会因素的要求。 全数字化垫隧塾技术 数字化主模型建模技术是三维设计技术的核心内容，是实现产品拟 实开发( v p d ) 的基础。 产品自主开发中的c a e 拭沭 三维c a d 技术解决了产品的结构设计问题，而应用c a e 技术能够解 决产品设计中的功能、强度、寿命、结构优化、可靠性等关键技术问题。 产品开发中的逆向工程技术 随着快速原型技术的迅速发展和逐步普及，逆向工程技术也得到了 相当的快速发展。目前，国内许多制造企业把逆向工程技术作为引进国外 产品的消化仿制的重要手段而得到推广应用。 网络化虚拟集约设计支l 寺技术 在强调社会化大分工与大协作的今天，没有那一个产品可以说是由 一个厂家独立完成的，而是由一个主机厂与众多配套厂共同完成的。因此， 主、配套企业在共同设计、制造产品过程中，结成了动态联盟，这个动态 联盟的职能应覆盖整个产品生命周期。因此，研究在产品的开发设计阶段， 如何通过现代网络技术，把主、配套企业联为一个跨区域的逻辑整体，是 网络化虚拟集约设计支持技术的一个新方向。 1 2 市场竞争对产品设计软件提出的要求 1 2 1 当前c a d 软件开发的现状与存在的问题 人们在产品设计过程中发现：支持产品设计的c a d 技术虽然取得了 重庆大学硕士学位论文第一章绪论 很大的发展，许多优秀的c a d c a m 支撑软件，如c a t i a 、i - d f a s 、u g i i 、 p r o e 、m d t 等，都在典型产品的开发设计工作中得到应用。但是，这些 支撑软件的开发应用对象往往是整个制造行业，而每一种典型产品的设计 都要涉及到各自的领域知识、需要专业设计工具。为了解决这个矛盾，这 些支撑软件都提供了二次开发工具，通过第三方参与，定制开发面向专门 用户的c a d 软件以满足设计用户的特殊需求。 面向专门用户而特别定制的软件，用户较少，需求不多。按照软件 工程的生命周期的划分：特别定制c a d 软件的开发目的往往是满足所针对 用户某一段时间的需求。这样，就存在着用户的需求的绝对性与定制软件 开发的相对性之间的矛盾。而且，这些支撑软件基于的平台各有差异( 如： 有的基于u n 平台，有的基于w i n d o w sn t 平台) ，随着计算机技术 的发展，设计支撑软件及其开发工具也在迅速地发展。另外，与设计相关 的领域知识也处于不断地创新之中。因此，相关技术不断变化、发展与定 制软件的相对静止之间的矛盾就凸显出来。 现在通过第三方特别定制的软件，往往是针对某一企业、行业，所 以只具有狭义的可用性， 却没有广义的通用性。当 响w 所针对用户、开发平台、 技术手段或者领域知识中 任何一个要素发生了改变 都要重新进行开发，有些 甚至是从零开始。这样软 件没有继承性与扩展性， 用于开发的人力、物力、 财力都存在着很大的浪费 ( 如图1 所示) 。 针对用户，开发平台r 技希手段一领域知识一 圈_ 矗撇敞件。j 一相应的发展趋势。 蹬1 1 。通过第三方定制软件所存在的缺陷一 我们在长期c a d 软 件应用与开发实践中，也深刻地体会到：由于通常c a d 软件所针对的是一 般用户，因此其提供软件功能是基本的绘图或建模工具。为了满足专业用 户的具体需求：零件建库、提供专业用途符号、领域知识建档、相关计算 等等，就必须针对其具体需求进行软件的二次开发、定制软件。但是，由 于普通的c a d 用户只了解如何去使用软件绘图，对于如何编写程序、开发 软件却不很熟悉，现在常采用的方法是：通过第三方( 如有编程经验的高 校或研究所) 针对专门的用户进行专门的软件定制；或者由有领域知识经 验的第三方用户针对某一行业或领域进行领域知识的收集、整理，并实行 重庆大学硕士学位论文 第一章绪论 软件化。但是，这种软件定制方案的局限在于：专业用户的具体需求是不 断地变化的，计算机技术在不断地发展，c a d 软件本身也处在不断地升级 的过程中。这样，为了满足用户的需求，或在软件定制完成后，通过追加 投资，让第三方继续完善软件；或将原来的软件重新开发。但不论是那一 种情况，都会极大地增加软件开发的成本与应用难度。 1 2 2c a d 软件开发与应用存在的需求 用户需求是技术发展的源动力，也是我们课题研究的出发点与最终 归宿。在激烈的市场竞争环境下，传统产品设计开发模式以及设计资源获 取方式已经无法适应形势的要求，由此现代产品设计产生了如下需求： 全数字化三维主j 赞型姝是实现产品拟实开发( v p d ) 的基础 随着我国“九五”期间c a d 推广应用“丢图板”工程取得重大成果 后，许多制造企业的产品设计已逐步实现了1 0 0 9 6 计算机辅助绘图和二维 产品设计，为产品的创新设计奠定了良好基础。然而，随着产品自主开发 需求的激增，以及在与国外先进企业的技术交流中，已越来越明显地感受 图1 2 一全敢罕化主梗型建撬技术。 到三维c a d 技术在产品开发设计中的重要性。( 如图2 所示) 当前研究重点应放在应用开发上：即利用国外优秀的c a d c a m 支撑软 件，如m d t ( m e c h a n i c a ld e s k t o p ) 等，结合典型产品的自主开发设计， 将产品领域设计知识与三维建模技术结合，形成各行业有代表性的全数字 化主模型设计技术，便于v p d 技术在我国产品创新设计中推广应用。 夷驰蚓i 化设 卜是产品台断设计的需求 产品设计过程是种创造性的活动，需要反复迭代才能等到较优解。 重庆大学硕士学位论文第一章绪论 基于约束的变量化设计技术正是以一种全新的思维和方式来支持产品的设 计、修改及变形设计。变量化设计技术是以几何约束和工程约束来表达产 品模型，工程约束关系中的尺寸约束用以描述产品的形状特征，拓朴结构 约束则描述产品构成要素之间的相互依赖和制约的关系。相对于参数化设 计技术是顺序解决问题方法，变量化设计技术是同步地解决所有的问题， 从而能更好地支持产品设计：对于设计对象的修改就有更大的自由度，通 过变量化设计技术，c a d 技术能向设计全过程的延拓嘲 1 0 1 “。 通过三维零件自建库将实现设计知识重用和零件管理系列化、科 学化 有关资料表明：我国制造业中7 0 以上的设计工作都是在原设计的 基础上进行的，只有3 0 以下的是全新的设计 。而企业在长期设计生产 实践中积累许多结构形式相对固定的专业零件，如果能对这些零件进行处 理，对其进行标准化、系列化、科学化管理，并能对设计知识进行归纳、 整理和重用，建立企业的标准件库和典型件库，就能提高相似零件或变型 零件的设计效率和设计知识的重用度，从而大大缩短产品开发周期，保证 产品开发质量。现有的很多标准件库或典型件库都是二维零件库，已不能 满足进行三维产品开发的需求。为此，在一个性价比比较高的三维设计平 台上，如：m d t 平台，实现复杂机械零部件的无编程变量化处理并对变量 化处理后的零件进行三维零件建库有十分重要而紧迫的现实意义。 奄哟蜘识坤轼渥知识工程槲中得到具体应用的体现 在设计过程中有许多与设计相关的领域知识，这些知识可分为一般 性知识和专门性知识；也可分为说明性知识和过程性的知识“。这些知 识对于一个产品设计企业来说是不可缺少的，通常是这些企业经过多年设 计实践中积累起来的不可多得的财富。应用知识工程( k b e ：k n o w l e d g e b a s e de n g i n e e r i n g ) 的方法对这些知识进行封装、继承，并能在设计过 程中随时方便调用，对于企业进行产品设计将有十分重要的意义。 无编程变量汜苗 计核心技书将改变传统开发模式 利用用户无编程变量化设计技术能克服传统软件开发模式的局限。 用户采用无编程变量化技术可以不用学习如何编写程序，而只需要对自己 所从事的领域知识进行归纳、整理，利用无编程变量化的方法建立相关的 三维零件库、领域知识库，从而极大扩展c a d 软件的功能，使用户能将精 力更集中于产品设计而不是c a d 软件本身。 设计资锅唾组是合理利用设计资源的途径 针对分散在自身企业内部、配套企业、高校、研究所或国家重点实 验室的设计知识、设计资源，我们研究一套相应的机制与方法，使产品设 计人员能有效地获取设计资源。通过c a d 软构件集成方法，实现各工具间 重庆大学硕士学位论文第一章绪论 的互操作，以及c a d 软件间的数据、控制和过程集成，能在短时间内提供 最好的c a d 工具，形成开放而高效的设计环境【1 0 l m l 。 1 3 用户无编程变量化设计思想的提出 1 3 ，1 应用用户无编程变量化设计思想进行产品设计 用户无编程变量化设计正是针对第三方定制c a d 软件所存在的缺陷 以及产品设计开发中出现的新需求而提出的产品设计方法，是我们在长期 c a d 软件开发与应用过程中，不断总结、归纳并参考当前产品设计、软件 设计的新方法与新技术而形成的。 用户无编程变量化技术希望提供这样一种c a d 软件开发机制：c a d 最终用户不必知道如何去编写程序代码和开发软件系统，只要利用用户无 编程变量化工具就可以实现零部件的变量化处理，设计领域知识的归纳、 封装与继承，并利用系统的无编程自建库工具，对零部件和设计领域知识 建立标准件库和领域知识库。通过统一的c a d 数据模型( 如s t e p 数据标 准) ，实现设计、生产、制造的数据共享，提高制造系统的集成度，也促 进c a d 技术向产品设计、制造全过程进行延拓。 1 3 2 用户无编程变量化设计系统层次结构与软件实现方法 用户无编 程变量化设计系 统可以从用户层 和程序员层两个 层面进行论述， 以上我们是从 c a d 用户的角度 对应用无编程变 量化的方法进行 襄蕃釜霁鲁蒜 眦s 用户矬倒龇一觥黼一 结到底都要通过软件来实现，而用户无编程变量化设计对此提出了更高的 要求：即通过c a d 软件的标准化设计实现c a d 软件的可重用、可继承、可 扩展性。为此我们在本文中提出c a d 软件设计原子对象模型的概念，并对 原子对象的模糊聚类、可靠性分配评判体系进行研究，最后实现设计资源 重庆大学硕士学位论文第一章绪论 重组和c a d 软件的集成。技术研究的体系结构如图1 3 所示。 1 3 3 用户无编程变量化设计研究的技术路线 用户无编程变量化设计系统研究既要考虑技术上的先进性，又要兼 顾工程实施与应用的可行性：另外还考虑经济因素以便于今后的应用与推 广。因此，在技术研究与系统设计上，我们从系统的集成性、可靠性与可 扩展性，软件的实用性，软件设计规范性，技术的先进性进行多方面考虑。 系统研究具体的技术路线如下： 通过各种渠道和方式( 尤其是i n t e r n e t 网) ，广泛收集和调研国内 外有关产品设计支持的文献资料与实例，并进行整理、加工，掌握 国内外在此方向的最新研究动态； 研究基于s t e p 变量化设计、知识工程、产品设计多维工程约束、 原子对象及其聚类、面向异构集成及设计资源重组等关键技术： 总体规划，初步设计，建立系统体系结构，功能模型、信息模型， 各分系统逻辑结构： 确定系统初步配置实施初步方案与进度计划，结合课题实施目标， 完成代码设计及各分系统的开发； 系统组装与测试，各应用系统集成： 原型系统进行初步应用。 1 4 本论文课题来源、提出背景及意义 本论文作者长期从事c a d 的应用、开发与研究，作了大量基础性研 究工作。其中：在进行“长安汽车冲压模具c a d c a p p 工艺技术信息管理 系统”和“长安汽车焊接夹具c a d c a p p 工艺技术信息管理系统”时， 对通过c a d 软件系统的标准化设计提高系统的可重用性、可继承性和可扩 展性有了初步而朴素的认识，以及在产品设计中引入三维主建模技术和统 一数据交换标准紧迫的现实意义。 为此，本论文在得到国家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) “产品虚 拟集约设计支持使能关键技术、集成框架与实例化研究”，以及重庆市科 委项项目“无编程自建功能型c a d ( u v c a d ) 关键技术及系统的开发研究” 支持的基础上，进行用户无编程变量化设计技术的研究。 研究包含二个层面上的意义： 产品设计方法：通过对基于s t e p 的无编程变量化核心技术、变 量化装配设计关键技术，实现对较为复杂机械设计零部件的无编程变量化 重庆大学硕士学位论文第一章绪论 处理、支持变量化装配设计、用户自建库、领域知识封装、并为用户提供 无编程工程计算多元解算器； 软件设计方法：提出c a d 软件设计原子对象模型的概念，并对原 子对象模型的模糊聚类、可靠性评判体系进行研究，即通过c a d 软件的标 准化设计实现c a d 软件的可重用性、可继承性、可扩展性，最终实现设计 资源重组和c a d 软件的集成。 1 5 本论文的结构及主要内容 根据要研究的目的，本论文主要内容和结构为： 第一章论述论文的研究背景、意义和技术路线； 第二章从产品设计方法也即用户的角度论述：通过对基于s t e p 无 编程变量化核心技术、s t e p 模型在产品变量化设计中的基础地位、通过知 识工程实现智能化设计、变量化装配设计关键技术实现对较为复杂机械设 计零部件的无编程变量化处理、支持变量化装配设计、用户自建库、领域 知识封装、多元解算器辅助解算； 第三、四章从c a d 软件设计也即程序员的角度进行论述：即如何应 用c a d 软件设计原子对象模型，原子对象的模糊聚类、可靠性评判体系对 无编程变量化设计思想实现软件化，使c a d 软件具有可重用性、可继承性、 可扩展性，并通过软构件的方法实现设计资源重组与c a d 软件集成。 第五章根据国家8 6 3 项目“产品虚拟集约设计支持使能关键技术、 集成框架与实例化研究”，以及重庆市科委项项目“无编程自建功能型c a d ( u v c a d ) 关键技术及系统的开发研究”课题要求，编制“无编程自建功 能型c a d ( u v c a d ) ”原型系统，并进行实例化研究。 第六章全文总结 1 6 本章小结 通过对产品设计方法学发展的综述，分析当前c a d 软件开发的现状、 存在的问题和需求、以及课题研究背景，提出应用用户无编程变量化设计 技术进行产品设计的思想。并从产品设计方法也即用户层和c a d 软件设计 也即程序员层分别论述本论文的研究意义、研究内容，最后简述了本论文 的篇章结构。 重庆盔堂亟堂僮诠塞墓三童周庄玉缠猩銮量丝进让的拯! 坠星塑 第二章用户无编程变量化设计的核心思想 2 。1 概述 本章我们将全面地阐述无编程变量化设计核心思想与哲理， 实现无编程变量化设计要解决的关键技术问题：s t e p 模型在实现 产品变量化设计中的基础地位：如何用知识工程的方法去解决设 计中对领域知识封装与继承的问题：研究变量化设计过程中的多 维工程约束问题、求解模型及其求解方法。 2 。2 用户无编程变量化设计方法学 2 2 1 用户无编程变量化设计的思想哲理 产品设计过程本身是一种创造性的活动，需要反复迭代才能 得到较优解。这是因为：首先，在概念设计时的设计构思只是刻 画了对象的特征，不一定是最终产品的描述；其次，设计是一个 反复迭代和渐进的过程。为此我们从产品设计过程的角度对产品 设计的概念作重新诠释j ： 定义2 2 1 1 产品设计是将对产品的市场需求映射成产 品的功能需求，并将功能需求转化成能实现该功能需求且能制造 出来的产品模型的过程，也是设计人员根据给定的约束条件，实 现产品预定的功能构思、规划及其表达的过程。 产品模型变换是这个过程最显著的特点，表现在两个方面： 从功能需求到产品的原型设计、直到设计结果包含需求 模型一功能模型一结构模型一工艺规划模型等多种模型变换。这些 变换归结为产品模型在设计各阶段不同表现形式的演化。 从功能分析到在设计师头脑中形成设计意图，直到用计 算机表示和输出，亦即从概念模型到设计最终模型的变换，将导 致产品更新换代的不断进化。 所有这些变换都包含着捕捉设计功能意图的逻辑表示和表达 产品物理构造的几何描述间的相互转换。设计思维的演化要以大 量的领域知识为背景对设计进行评估。 重庆太堂亟堂僮论塞筮三童用庄玉缉猩变量丝遮进的攘! 坠墨想 用户无编程变量化设计技术正是以一种全新的思维和方式来 支持产品的设计、修改及变形设计。据此我们从支持产品设计的 角度对用户无编程变量化设计的概念进行定义： 定义2 2 1 2 用户无编程变量化设计采用统一数据标准 以几何约束和工程约束来表达产品设计模型，支持设计向产品设 计、制造全过程进行延拓，是变量化设计技术的延伸与扩展；采 用用户无编程的方法支持零部件变量化设计与自建库，领域知识 的收集、归纳、整理与封装。 2 2 2 变量化设计与参数化设计的比较 1 1 】 变量化技术有狭义和广义之分：狭义的变量化技术是更高层 次的参数化技术，广义的变量化则包括通常所说的参数化和变量 化技术，用户无编程变量化设计技术则是对广义变量化技术内涵 的拓展，主要强调用户在采用无编程变量化技术进行零部件设 计、领域知识及设计标准化等工作。从基于约束的变量化设计技 术的实施机理来看，目前变量化技术主要有两大类型： 编程式：即采用“试错法”进行参数化绘图。 不编程式：包括基于几何约束的变量几何法，基于几何 推理的人工智能方法，基于构造过程的变量化方法，基于辅助 线的变量化方法。 相对于参数化技术是用几何约束来说明产品模型的形状特 性，从而达到设计一簇在形状或功能上具有相似特性设计方案的 特点，变量化技术是以几何约束和工程约束来表达产品模型，以 更好支持产品设计过程的一种设计技术。利用此技术对设计对象 的修改有更大的自由度，它通过求解一组约束方程来确定产品的 尺寸和形状，约束方程可以是几何关系，也可以是工程计算条件。 对它们的比较具体如表2 1 所示： 变量化设计参数化设计 驱动方式约束方程驱动尺寸驱动 求解方式同步过程顺序过程 约束类型几何约束和工程约束几何约束 设计参数与尺可以有间接关系直接关系 寸的对应关系 应用范围机械运动学分析、公差分析和系列产品的零件图形生 设计、设计过程的可视化成与处理 表2 1 变量化设计与参数化设计的比较 2 2 3 实现用户无缡程变量化设计的关键技术问置 实现无编程变量化设计，要对以下关键技术问题作专门研究： 产品设计模型统一标准的研究，这是变量化设计的关键技 术问题，也是数字化主模型建模，产品拟实开发( v p d ) 的基础： 研究在产品设计如何应用知识工程对领域设计知识进行描 述、归纳、封装、继承方法，实现c a d 技术的智能化； 如何对无编程变量化设计中多维工程约束问题进行描述， 建立多维工程约束模型，并确定如何对此约束模型进行求解。 2 3s t e p 模型在用户无编程变量化设计中的作用 2 3 1s t e p 模型的提出与含义 在产品设计过程中，为了实现c a d 技术对设计、制造全过程 以及c i m s 支持，c a d 数据交换的问题将是制造业所面临的重要问 题。c a d 数据交换包含了两方面的涵义：一是不同c a d 系统采用 了不同的数据格式，而各c a d 系统在功能上又各有侧重，如何将 各c a d 系统在数据层上实现集成是研究的重点；二是如何使企业 的c a d 技术信息能够在产品整个生命周期实现共享，并进行有效 管理将是c a d 标准化面临的重要课题n 4 】 1 ”。 8 0 年代，西方发达国家制定了国家级的c a d 数据交换标准， 如：美国的a n s i y l 4 2 6 m ( i g e s ) 、德国的v d a i s 和v d a e s 、法国 的s e t 都为c a d 技术在本国的应用普及起到了促进作用。特别是 美国的i g e s ，当前所有c a d 软件都提供了i g e s 接口。但是，这 些国家级的标准在应用中都存在着一定的局限性。为此，国际标 准化组织制定国际统一的c a d 数据交换标准，这就是现在的 i s o l 0 3 0 3 一产品数据的交换与表达( s t e p - - s t a n d a r d f o rt h e e x c h a n g eo fp r o d u c tm o d e ld a t a 标准。此标准已得到了工业界如： 国际航空航天工业、汽车工业、造船工业、建筑业、电子工业的 广泛支持许多国家把s t e p 标准转化为自己国家的标准。在我 国对应的标准号为：g b l 6 6 5 6 “】【l ”。 定义2 3 1 1 产品数据的交换与表达标准( s t e p ) 是关于 产品数据交换的系列标准，提供一种不依赖于具体系统的中性机 制，能够全面定义、描述、覆盖产品整个生命周期中应用的产品 重匮盔芏壅圭堂焦途塞 蓥三童虽庄玉绾程变量位遗i 士鲍捷尘墨塑 所有数据元m 1 。 ， 产品模型数据包括进行设计、分析、制造、测试、检验零部 件或机构所需的 几何、拓扑、公 差、关系、属性 和性能等数据。 另外还包括一些 和处理有关的数 据。产品模型为 生产制造、直接 质量控制测试和 支持产品新功能 根据产品生命周期产品信息量不断扩大r 的开发提供了全面的信息。如图2 1 所示 1 “。 s t e p 的主体内容包括集成资源( i r ) 和应用协议( a p ) 。i r 定义了产品数据的全局信息模型，也称为资源构件：a p 通过选择 合适的i r ，增加必要的约束和关系来满足特定的应用需求，另外 s t e p 还制定了描述方法( e x p r e s s 语言) 、实现方法( 交换文件 及s d a i ) 和测试方法“”。 2 3 2s t e p 模型的描述方法- - e x p r e s s 语言1 8 1 e x p r e s s 语言属于i s 0 1 0 3 0 3 s t e p 标准的一部分，即i s 0 1 0 3 0 3 1 1 描述方法：e x p r e s s 参考手册。e x p r e s s 是一种功能很强的信息建 模语言，为描述产品的数据结构和行为提供了很好的工具。其主 要内容包括模式定义( s c h e m e ) ，在模式中包括定义类型( t y p e ) ， 实体( e n t i t y ) ，关于实体及实体属性操作的有关算法( 包括： f u n c t i o n 和p r o c e d u r e ) ，以及描述实体实例之间的约束关系的全局 规则( r u l e ) 。实 体的定义具备面 向对象的一些特 一且( 直冉置 点，如：继承性、! 涨 封装性。其中实 关亲，营曩僖 体数据类型的属 _ 性表示实体的基 本特点、性能或 性质，属性说明 m l i w l l ( d 啦“- m n 。 玉盂t 睦b 脚，：产量的凡何噩盈工艺品 设计最坠i ；l 殛进1 亍设计、势奇f - 常i 谴泓试、 检验毒件t 机构所舶胴，拓 卜、譬整、 美幕、曩性和畦皇嘴菇一 撼t 导出雎d b 吐n ，：扣求产晶的蘑心、装配 节点、下雠肝节点尊p 图2 2 。实体数据类型的三种属性一 重压丕堂亟圭堂焦i 金塞蔓三重虽主玉编握变量丝途进笪毯查墨攫 建立实体数据类型的属性表示数据类型间的关系。属性名表示在 它出现的这个实体范围内由它的相连值所起的作用。属性有三种 类型：( 如图2 2 所示) 显式属性( e x pl i c i t ) ：为生成引例而具有其值的属性，生 成一个或多个有给定域的属性，且每个属性赋予一个标识符： 派生属性( d e r i v e d ) ：用某种方式计算其值的属性，派生 属性表示其值是通过对表达式求值而计算得到的性质； 反向属性( i n v e rs e ) ：其值是由按特定作用使用该实体的 引例所组成的属性，如果另一个实体己通过显式属性方式与当前 实体建立了关 系，则在当前实 体范围内可使用 反向属性描述这 种关系。 为了更好地 说明用e x p r e s s 语言描述实体的 匿2 3 ：焊接工作台模型的噼陋s s 语言描述 方法，我们以一 个焊接工作台为例来说明( 如图2 3 所示) 。其中显示属性表示 了焊接工作台的基本特征，如：几何尺寸长、宽、高等；导出属 性反映可以通过模型提供的方法求解的特性，如：工作台上肘节 的数量或位置等；反向属性提供了焊接工作台在其它实体中的相 关信息，如：在生产线上的装配位置，管理信息等。 用e x p r e s s 语言描述如下： e n t i t yw o r k t a b l e焊接工作台原子模型 s u b t y p eo f ( m o d e l )从基本模型中继承 w o r k t a b l ed i m e n s i o n ：d i m e n s i o n尺寸属性 d e r i v e s u bc h i l e ：s e t o ：? o fm o d e l = c h i i d ( m o d e l a s s e m b l y ) ： 引出底座的信息 s u bp o s i t i o n ：s e t 0 ：? o fm o d e l = p o s i t i o n ( m o d e l a s s e m b l y ) ： 引出肘节的信息 i n v e r s e s u bp a r e n t ：s e t 0 ：1 3o fm o d e l = p a r e n t ( m o d e l a s s e m b l y ) ： 装配信息 e n df n t i t y 本文将利用e x p r e s s 语言是功能强大的信息建模语言，描述 实体数据结构和行为特性，及e x p r e s s 语言与编程语言无关性、 面向对象的特性，将在下文中对约束、约束集、原子对象等概念 采用e x p r e s s 语言进行描述，从而更好地反映这些概念的内涵。 2 3 3 s t e p 模型在解决用户无编程变量化设计中的 基础地位 要实现无编程变量化设计，其中一个很重要的方面就是如何 对产品设计模型进行描述。s t e p 模型在解决变量化设计中的基础