（机械制造及其自动化专业论文）基于元模型的自适应装配建模及变型设计研究.pdf

浙江大学硕士学饭论文摘要 摘要 为了满足客户对产品的个性化需求，有效缩短产品设计周期，提高企业市场竞争力，对 产晶装配建模，以及产品综合数据元模型的理论和方法进行了研究和分析，提溅了基于元模 型的自适应装配建模的思想。针对特定产品族一微特电机，分析了全生命周期的属性及其袭 达，疆究7 徽特露撬综合数据元模型的组织麴架和建模方法。基于徽特电机的数据元模毽， 研究了借助于装配产品的配合关系建立起闭环装配尺寸链的自适应装配建模的方法。根据前 述基本理论和方法，开发出自适应装配建模和变型设计的系统软件，最后以n j x b l 系列微特 电机的装配建模和变型设计为实例，介绍了自适应装配建模和变型设计方法及其系统软件的 应用。 本文的主要内容如下： 第一章绪论。主要介绍变型设计、装配建模和元模型建模技术的研究现状，本文的研 究背景、爱的、研究内容以及论文的缀织结构。 第二章产品综合元模型建模技术研究分析。本章主要介绍建模技术的发展、产品综合 元模型的特征和建模流程。分析了微特电机全生命周期的属性及其表达，建立了电机产i i i i 综合元模型。最磁，研究了电机综合露模型的应用。 第三章产品装配元模型变型设计分析。本章定义了装配元模型的概念，分析了面向变 型设计盼产晶装醚建模一般方法，产黼零件交型参数移交裂关系。研究了装配模鳖信息和 配合关系的表达，提出基于配合关系的自适应装配建模方法。 第四章装配冤建模及交型设计系统的实现。本章套绍装配元建模及交型设计系统软件 的开发过程。绘制该系统的数据流程图、实体结构图以及系统组织结构图，并介绍系统中 的各个主要的功能模块。分析系统的嚣求并结合实际情况，必系统的开发选定工具和平螽。 第纛章电视产品装配元模型及变囊设计实例。以n j x 8 l 系列微特电机产晶为实例，建 立电机产品的零件主模型和装配模型，利用开发的自适应装配建模和变型设计系统，根据 用户配置实现变型设计。 第六章总结与展望。阐述论文的研究工作和研究成果，同时也指出论文和系统的不足 和需要进一步深入改进的地方。最后针对产品建模和交型设计系统麓开发徽展望，指文避 一步深入研究的方向。 关键词：元模型；装配建模；自适应建模；变型设计；配合关系；全生命周期属性 l i l i i i i i i i i i i i li i i u ujj i j u u ! ! i u i l i i i i i i ii i ii l i l l l l l l l i l ti - i 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t i 认c t i no r d e rt os a t i s f yt h ei n d i v i d u a lr e q u i r e m e n to fc l i e n t s ，s h o r t e nt h ep r o d u c td e s i g nc y c l e e f f i c i e n t l ya n de n h a n c em a r k e t sc o m p l e t i o nf o rc o r p o r a t i o n s ，t h e o r i e sa n dm e t h o d so fa s s e m b l y m o d e la n dm e t a - m o d e la l ea n a l y z e d t h ei d e ao fm e t a - m o d e l - b a s e da d a p t a b l ea s s e m b l ym o d e l i n g i s p u tf o r w a r d f o rm i c r o - m o t o rp r o d u c t t h ep r o p e r t i e sa n dt h e i re x p r e s s i o na r ea n a l y z e d f r a m e w o r ka n dm o d e l i n gt e c h n i q u e so fm i c r o - m o t o rm e t a - m o d e la l ee s t a b l i s h e d t h em e t h o do f a d a p t a b l ea s s e m b l ym o d e l i n gb a s e do nm i c r o - m o t o rm e t a - m o d e li sr e s e a r c h e d ，w h i c hu s e s m a t e r e l a t i o n s h i pt of o r mac l o s e dl o o pa s s e m b l yc h a i n a na d a p t a b l ea s s e m b l ym o d e l i n ga n d v a r i a n td e s i g ns y s t e mi sd e v e l o p e da c c o r d i n gt ot h ea b o v er e s e a r c h e s f i n a l l y , t h em o d e l i n ga n d v a r i a n td e s i g no f n j x b lm i c r o - m o t o rs e r i e su s i n gt h i ss y s t e mi sd e m o n s t r a t e d m a i nc o n t e n t sa r c ： c h a p t e rif i r s t l ya n a l y s e st h er e s e a r c hs t a t u so fv a r i a n td e s i g n , a s s e m b l ym o d e l i n ga n d m e t a - m o d e lm o d e l i n g t h e n , i ti n t r o d u c e st h er e s e a r c hb k g r 0 岫d ，r e s e a r c hc o n t e n t s ，r e s e a r c h s i g n i f i c a n c ea n df r a m e w o r ko f t h i sp a p e r c h a p t e r l ii n t r o d u c e st h ep r o g r e s so fm o d e l i n gt e c h n i q u e sa n dt h ec h a r a c t e ra n dm o d e l i n g p r o c e s so fp r o d u c tm e t a - m o d e l t h ep r o p e r t i e sa n dt h e i re x p r e s s i o n so fm i c r o - m o t o rl i f e c y c l ea r c a n a l y z e d t h e n , t h e m i c r o - m o t o rr e c t a - m o d e li s e s t a b l i s h e d f i n a l l y , t h ea p p l i c a t i o no f m i c r o - m o t o rm e t a - m o d e l i sr e s e a r c h e d c h a p t e r d e f i n e sa s s e m b l ym e t a - m o d e l ，a n da n a l y s e sg e n e r a lm e t h o d so fa s s e m b l y m o d e l i n g , a n dt h ev a r i a n tp a r a m e t e ra n dv a r i a n tr e l a t i o n s h i p o fp r o d u c t d a t as t r u c t u r eo f a s s e m b l ym o d e la n dt h er e p r e s e n t a t i o n so ft h em a t e - r e l a t i o n s h i p sa r es t u d i e d t h e n , am e t h o do f a d a p t a b l ea s s e m b l ym o d e l i n ga n dp r o d u c tv a r i a n td e s i g nb a s e do nm e t a - m o d e li sp u tf o r w a r d c h a p t e ri vp r e s e n t st h ed e v e l o p i n gp r o c e s so f a s s e m b l ym o d e l i n ga n dv a r i a n td e s i g ns y s t e m t h ed a t af l o wa n de n t i t yr e l a t i o no fs y s t e ma r ee x p l a i n e di nd e t a i l i na d d i t i o n , t h ea r c h i t e c t u r ea n d f u n c t i o nm o d u l e so f t h i ss y s t e ma l ep r e s e n t e d f i n a l l y , d e v e l o p i n gt o o l so f t h es y s t e ma r ec h o s e n c h a p t e rvt a k e st h en j x b lm i c r o - m o t o rs e r i e sa sa ne x a m p l e ，e s t a b l i s h e sm a s t e rm o d e l s o fp a r t sa n dm a s t e ra s s e m b l ym o d e lo fm i c r o - m o t o ru s i n ga d a p t a b l e a s s e m b l ym o d e l i n ga n d v a r i a n td e s i g ns y s t e m f i n a l l y , t h ev a r i a n td e s i g no fm i c r o - m o t o ra c c o r d i n gt ot h ec l i e n t s c o n f i g u r a t i o ni sd e m o n s t r a t e d c h a p t e rv is u m m a r i z e st h ew h o l ep a p e ra n dl o o k sa h e a di n t of u r t h e rr e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n t k e yw o r d s ：m e t a - m o d e l ；a s s e m b l ym o d e l i n g ；a d a p t a b l e m o d e l i n g ；v a r i a n td e s i g n ； m a t e r e l a t i o n s h i p ；l i f e c y c l ep r o p e r t y i i - 浙江大学硕士学位论文 缩略词 一i 一一一 i i i i i i ii l l l l l l li l lf l l l li i i i i i i ii i i h i i ii ii i i _ b 加 c d l f c m d m d 回 d o m d d o 凇 d 栅 1 3 i 触 g b o m l g e s & 冁 m o f 醚p d m o m g o m t p l i b p m d p 讯 r d f l 戮 s t e p t l f f t l a c m d t l a c m r u m 臣 x m l 缩略词 b u s i n e s sm e t , a - d a m ，业务元数据模型 c a s ed a t ai n t e r c h a n g ef o r m a t c o m m o mw a r e h o u s em e t a - m o d e i ，常规数据仓库元数据模型 d a t am o d e l ，数据模型 d a t am e t a - d a t a ，数据元数据 d o c u m e n tm e t a - d a t a ，文档元数据 d o c u m e n tm a s t e rr e c o r d ，文档圭记录 d r a f tm e t a - d a t a ，工程图元数据 d r a f tm a s t e rr e c o r d ，工程图主记录 g e n e r i cb i l lo f m a t e r i a l ，通用产品结构 i n i t i a lg r a p h i c se x c h a n g es p e c i f i c a t i o n ，初始图形数据交换规范 m 雒e lm a s t e rr e c o r d ，模型主记录 m e t a - o b j e c tf a c i l i t y m e t a - d a t ab a s e dp r o d u c td a t am o d e l ，基于元数据酶产菇数据模型 o b j e c tm a n a g e m e n tg r o u p ，对象管理组织 o b j e c t - o r i e n t e dm o d e l i n gt e c h n i q u e s ，蘧向对象的建模技术 p a r t sl i b r a r y ，零件库 p a r tm e t a - d a t a ，零部件模型元数据 p a r tm a s t e rr e c o r d ，零部件主记录 r e s o u r c ed e s c r i p t i o nf r a m e w o r k ，资源描述糕架 r e l a t i 强m o d e l ，联系摸型 s t a n d a r df o rt h ee x c h a n g eo f p r o d u c tm o d e ld a m t a 踞e di m a g ef i l ef o r m a t ，标签图像文件格式 t a b u l a rl a y o u t so f a r t i c l ec h a r a c t e r i s t i c sm e t a - d a t a ，事物特性表元数据 t a b u l a rl a y o u t so f a r t i c l ec h a r a c t e r i s t i c sm a s t e rr e c o r d ，事物特性表主记录 u n i f i e dm o d e l i n gl a n g u a g e ，统一建模语言 e x t e n s i b l em a r k u pl a n g u a g e ，扩展标记语言 - 6 7 独创性声明 本人声雳斯呈交斡学位论文是本入在导瘴指导下送行翦研究工佟及取得豹 研究成果。除了文中特别加以标洼和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成票，也不包含为获得逝姿叁茎或其他教育视掏豹学谴或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中捧了鞠确麓说蹰并表示谢意。 一始卿肚眺砌月绗 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解遗姿盘堂有权傈鏊并趣圈家有关部门或枫 构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权澎姿盘鲎 可以将学链论文的全部或部分蠹容编入有关数握库进毒亍检索和传援，霹以采蔫影 印、缩印域扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适怒本授权繁) 导师签名： 签字日期：同 名 广7，月 ， n 侈 q 年 、易彩 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 研究表明，目前大约7 0 的企业产品都是在现有产品的基础上，针对市场需求进行修 改设计来完成的。也就是说，大部分的企业产品可以通过变型设计来完成。如果不使用变型 设计或其他计算机集成系统，设计者设计一个新的产品所需的时间中只有2 5 3 0 是花费在 设计和绘图上，而其他的时间则花费在资料整理、信息采集、开会或其他事物上。但如果只 是一味地满足客户需求，m e y e r 指出这往往会使企业在不同产品或产品线之间缺乏模块化、 标准化、兼容性和共性，从而导致产品类型增多，产品制造成本和管理成本增加，进而使得 企业利润下降。所以产品变型设计必须在大批量定制思想的指导下尽可能地重用已有的零部 件，尽可能地使用标准件；同时也要在产品优化的过程中，尽可能地考虑已有的零部件、标 准件以及零部件的模块化，使得产品在变型设计过程中显得更加合理，也使得变型设计技术 能更有效地运用在企业实际生产过程中。为提高企业的设计和制造能力，最大程度地满足客 户对产品的设计和生产需要，企业必须具备一套先进的产品建模方法及快速变型设计方法。 对于现代产品的设计和制造，不管是创新设计还是变型设计，产品的建模是一个关键的、 基础的问题。过程复杂的产品必须具备一个方便于多单位协作、多学科应用协同的，能够进 行快速客户化定制的集成产品模型。 产品模型作为计算机环境下产品的数字化定义与表达，经历了二维模型、面向几何的产 品数据模型、面向特征的产品数据模型等研究阶段，正朝着面向产品生命周期的集成化产品 模型方向发展。理想的集成化产品是产品全生命周期中信息的完整表达。全生命周期产品信 息模型由产品开发过程模型、产品主模型、产品应用模型组成，一般应包含从产品的市场需 求分析、立项论证、生产决策、产品设计、工艺设计、加工制造、装配、测试到销售和售后 服务的全过程所需的所有信息。此外，它还具有可扩展性，使得在产品整个生命周期内能够 对它不断的进行补充和更新。 虽然产品集成模型的研究已经进行了许多年，但是对于集成化产品模型仍没有一个统一 的定义。这主要是因为这些研究针对不同的问题，或有着各自的研究基础，因而采用了不同 的技术方法建立集成化产品数据。现阶段研究文献中建立集成化产品数据模型的主要方法 有：基于s t e p 标准、面向对象技术、本体、元模型技术以及其他方法。 由于元模型建模有利于数据模型进行集成、共享、查询、阅读和互操作，在信息处理、 程序语言以及对象建模等领域得到了很广泛地应用。现代机械产品在设计和定制生产过程中 往往会涉及到多学科的知识，采用传统的方法建立的复杂产品模型，不能实现在不同定制产 品之间和不同学科之间信息的重用，使得产品的定制生产周期长、成本高。元模型技术能够 实现模型之间的共享和互操作以及复杂产品的模块化设计，可以提高产品的开发效率。 1 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 1 2 国内外研究现状 1 2 1 变型设计的理论方法及研究现状 变型设计是一种设计方法和设计过程，是在原有设计工作的基础上，通过一定的修改以 产生一个新的和原有设计相似的产品。变型设计并没有改变原有产品的功能和原理，它通过 对现有产品的局部结构、配置和尺寸的变异来快速地、高质量地满足客户对产品的定制需求 乜。变型设计首先在印刷电路和集成电路设计中得到应用，后来机械设计者认识到了变型 设计的优点，并将变型设计方法引入到机械产品设计过程中。 总的来说，变型设计是关于设计方法和过程的一种定义，是指提取已存在的设计或设计 计划、而不破坏原有设计的基本原理，基本结构特征和装配约束的条件下，做出特定的修改以 产生一个和原设计相似，但在功能上或外观上具有创新意义的新产品。该方法是一种参数的 修改或结构的局部调整或两者兼而有之，其根本目的是快速、高质量、低成本地生产新产品 以满足不断变化的市场的要求。 目前，国内外学者针对变型设计技术提出了很多理论和模型，主要有基于装配模型的变 型设计，模块化变型设计，基于特征的变型设计，基于参数设计和变量化设计方法的变型设 计，基于实例推理技术的变型设计，基于关系型产品模型的变型设计等等。目前商品化的c a d 系统对变型设计方法均具有不同程度的支持，且有关变型设计的理论和方法成为当今c a d 研 究的一个重点。 1 基于装配模型的变型设计方法 装配模型是一个支持产品从概念设计直到零件设计，并能完整正确传递不同装配个体之 间的设计参数、装配层次和装配信息的模型。它定义和表达了在产品生命周期中有关产品的 信息，包括几何、数据、结构和关系等。装配模型是数据模型和几何模型的结合。数据模型 描述产品的结构组成信息、维持模型内部联系的参数与参数之间的关系，包括装配尺寸关系、 装配约束关系等；几何模型包含了组成该装配模型的零部件模型和自身装配整体的几何形状 特征信息。 徐新胜、方水良等针对装配产品变型设计过程中的尺寸约束问题，提出了装配产品中零 件的信息模型h 1 。根据装配产品构成零件之问的配合关系类型，定义了一组基本的约束集， 建立了反映各个约束集中构成零件之间关联关系的尺寸关系模型，与事物特性表技术相结 合，实现了装配产品从上至下的变型设计过程。 齐从谦等哺1 人提出了产品顶层基本骨架( t o pb a s i cs k e l e t o n ，t b s ) 结构来支持产品 变型设计。通过t b s 可以实现变型信息在产品设计过程中的传递、共享、继承和变更。t b s 可以结合参数化设计技术来实现大型装配设计管理、增强零部件之间的依赖性和关联、布置 空间位置、数据共享、变更传递和控制简单运动等功能。 狄长春、杜中华等m 1 提出了一种基于两级参数化装配的产品自适应变型设计系统框架， 2 一 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 综合了参数化设计技术与基于装配摸型的变型设计理论。先后建立参数化的零件模型和参数 化的装配模型，在完备的产品虚拟装配模型中可以独立变动的设计参数，引用为产品的装配 设计参数，装配设计参数与完备的产品虚拟装配模型构成完备的参数化产品装配模型。实现 了产品装配模型的装配和零件的两级参数化，以及产品的参数化变型设计，为直接利用和提 取产品实例设计模型、自动关联驱动以适应设计要求变化提供了一种快捷的方法。 何波，景旭文等h 1 提出并分析了面向变型设计的双向式分层建模方法，结合t o p - d o w n 和 d 0 硼u p 这两种设计方式的优点，建立一种双向式分层模型。首先，按t o p - d o w n 的方式进行 产品功能和子功能的分解，分析各子功能模块之间的装配层次关系、约束关系和尺寸关系。 其次，从零件建模到装配建模( d 0 釉一u p 方式) 。先将用户要求或设计任务分解，得到产品的 基本功能原理和性能参数，按一定的算法，把这些基本性能参数与事物特性表中的参数相匹 配，从实例库中搜索最相似的实例。提取此相似实例，参照优化计算的结果和用户的要求进 行实例修改，完成变型设计。 2 模块化变型设计方法 模块化设计技术是在产品功能分析的基础上，将产品分解成具有一些分功能的模块化基 本结构，通过选择和组合这些基本模块结构以组建成不同的产品。模块化设计可以使产品的 设计、制造周期大大缩短，降低成本且提高产品的质量，并可使产品具有很大的灵活性和适 应性；能快速响应用户的多品种、小批量的需求，使产品具有很强的市场竞争力。 郭津津、朱世和哺1 等探讨了面向产品族的模块化产品结构构成模式及面向产品族的模块 化变型设计的一般过程，建立了基于模块化的变型设计c a d 系统的功能结构。在产品功能分 析的基础上，将产品分解成具有一些分功能的模块化基本结构，通过选择和组合这些模块结 构以组建成不同的产品。这些基本结构可以是零件、部件或是一个系统。模块化基本结构具 有标准化的接口( 联接和配合部分) ，并且是系列化、通用化、集成化、经济化的，具有互换 性、相容性和相关性。可用较少的模块单元快速构造出大量的产品变型方案，对产品需求变 化快速做出响应。 钟诗胜、李江饽等针对模块化设计理论研究不够完善，缺乏系统结构模型，产品模块化 设计系统软件难以开发的不足，提出了产品模块系统的概念，以有限划分加细诱导层次结构 和解释结构模型( i s m ) 分别对产品模块系统结构进行了描述，并建立了产品模块系统通用结 构模型。为实现产品模块接口关系布尔矩阵的获取，结合面向对象技术，提出了基模块接口 关系扩展布尔矩阵逆向求解策略。 3 基于参数化和变量设计的变型设计方法 参数化设计是在设计对象结构比较定型的基础上，用一组参数来表示尺寸值和约束关 系，其核心是尺寸参数驱动。参数设计中参数的求解较简单，参数与设计对象的控制尺寸有 显式的对应关系，设计结果的修改受到尺寸驱动。生产中最常用的系列化、标准化设计就是 属于这一类型。 变量设计在对对象修改方面需要更大的自由度，它通过求解约束方程组来确定产品的尺 3 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 寸和形状。这些约束可以是几何关系，也可以是工程约束，约束结果的修改受到约束方程驱 动【拍1 。变量设计的重点是如何通过约束组来表达产品信息以及如何提高产品信息的处理效 率。为了提高变量设计的效率，一般都会通过借用数值计算，图论中的一些方法n 。 方水良、沈振华1 针对基于三维模型的复杂产品变型，提出了与产品建模结构相融合 的树形参数传递结构。该结构规定参数只允许纵向传递，避免了参数之间的交叉传递，为 产品变型设计提供了有效的变型信息传递通道，并在此基础上实现了参数传递结构的模块 化。具体是根据零部件在建模过程中的装配关系建立产品的装配模型，然后根据产品变型 特点，分析所有零部件的变型参数和产品级变型参数之间的关系。相互关联的参数形成一 条参数传递链，所有参数传递链组成一个复杂的参数传递结构。最后根据装配模型和参数 传递结构完成产品的变型设计该方法优点是能直观的反映变型意图和参数的传递路径。 但如果产品模型比较复杂，参数传递结构的建立就会相当繁琐和容易出错。 吴伟伟等n 引提出了基于参数化的机械产品尺寸变型设计，其在设计对象结构比较成熟的 基础上，用一组参数来表示尺寸值和约束关系，核心是尺寸参数驱动。这种方法将参数化设 计和产品尺寸结构变型设计结合起来；通过c a d 软件建立产品三维主模型，然后使用参数化 设计的思想建立产品参数之间的联系，最后通过变型设计系统软件开发来实现对产品参数的 操作。该方法很好地解决了产品的尺寸参数的变型，但是其也没有涉及产品的选配变型，无 法生成定制产品b o m 表。 4 基于事物特性表的变型设计 事物特性表是一种把事物的特性描述出来，并统一规定附属和显现模式的信息。我国在 g b t 1 0 0 9 1 1 事物特性表定义和原理中明确规定了事物特性表的格式。事物特性种类分7 种：尺寸和产品标准中的特性、主导特性、补充特性、功能特性、算法特性、分类特性和属 性特性；不同的特性有与之对应的特性代码( 段) 。建立事物特性表的主要目的是构建能够 进行变型的模块化系统，支持有效的检索和变型设计。一个合理的事物特性表，不仅可以方 便地进行产品的变型设计，而且也将有效地实现下游过程的变型响应。 余军合、祁国宁u 3 1 等在标准化和规范化基础上，采用事物特性表对产品和零部件族的信 息进行描述并进行变型设计。采用面向对象技术对事物特性表进行了描述，并对事物特性表 支持的变型设计原理进行阐述。所描述的基于事物特性表的变型设计包括3 d 模型设计、工艺 规划以及数控加工程序等。事物特性表通过各种特性对产品、部件和零件进行描述，从方法 学层面解决了减少零部件种类，提高零部件使用频率的问题，从而能够实现产品快速设计， 但并没有表达几何形状的所有尺寸。 吴扬东等n 射提出了基于w e b 的变型设计系统，采用了事物特性表和w e b 技术。该系统 基于w e b 的b r o w s e r s e r v e r 模式，其体系结构分为三层。第一层是客户端，用户通过浏览 器访问系统操作界面，数据库和c a d 软件。完成设计工作之后，可以将设计的新产品保存到 本机以加快系统的响应速度。系统第二层是w e b 服务层，它负责响应用户操作，访问数据服 务器，同时也访问产品设计的各种规则、工程约束等知识以完成产品的变型设计，最后返回 4 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 操作结果。第三层为数据服务器，它采用事物特性表存储了产品的性能参数、客户定制信息、 产品工艺信息等。通过对这些数据访问以产生新的符合产品规则和客户需求的产品实例。 此外，还有其他的各种变型设计技术，如基于实例推理的变型设计技术，基于特征的变 型设计技术，基于关系型产品模型的变型设计等等。 1 2 2 装配建模技术的现状 装配模型是一个支持产品从概念设计到零件设计，并能完整正确的传递不同装配体设计 参数、装配层次和装配信息的产品模型。它是产品设计过程中数据管理的核心，是产品开发 和支持设计灵活变动的强有力工具。装配模型的建立为面向装配的产品设计提供了信息来 源，并对并行工程和面向装配设计提供了支持n 5 1 。而且使用c a d 软件进行建模的过程中，无 论采用哪种建模方法，最终都是采用装配模型来描述产品的装配信息、功能要求以及设计意 图n 们。产品的装配模型一方面集成了单个零件和装配造型，另一方面集成了装配关系和层次 关系。从根本上来说，装配模型是一组零件经过一系列的装配操作后生成的具有确定装配关 系的产品模型。一个产品的装配模型不仅要描述零部件本身的信息，而且还要描述装配体内 零部件之间的层次关系、装配关系以及不同层次的装配体中的装配设计参数的约束和传递关 系。装配模型应该具有以下特征： 1 ) 支持产品的功能表达：系统应提供和人类专家思维过程相一致的建模工具，能够将 产品的功能要求映射成相应的设计概念。 2 ) 支持产品多层次抽象表达：自项向下的产品装配建模工程是一种逐步求精的求解过 程。在概念设计阶段，零部件的详细几何结构是不确定的，无法对其进行表达。详 细几何结构是在设计不同抽象层次表达方法，以简化和方便设计过程。 3 ) 支持产品生命周期中多种设计活动的集成：面向并行工程的产品装配模型环境，应 能支持与装配有关的多种设计活动的集成。 4 ) 在设计过程中能维护产品的功能需求：在设计过程中将对设计方案进行多次评估。评 估分析之后，所作的修改应不违反产品的功能要求，自动保护产品功能不变。为此， 要求系统将产品建模过程中所有用到的设计知识和设计约束保存在知识库中，从而 使产品模型具有联动修改效应，在修改中自动维护产品数据的一致性。 产品装配模型的建模过程上来说又可以分为自底向上( d o w n - u p ) 和t l 顶向下( t o p d o w n ) 两种方式。 自底向上的建模方法主要是通过从底层零件开始分析产品，对各个零部件进行详细设 计，然后将零件按照一定装配约束关系进行装配，同时检查零部件之间的装配干涉和冲突， 发现干涉或冲突之后返回对零件进行重新设计，重新装配，如此循环，直至最终装配模型建 模的完成。目前的商业的c a d 软件大都能够进行比较完善的零件设计，因此这种自底向上设 计方法既是商业的c a d 软件传统的方法，也是目前利用较多的设计方法。 一5 浙江大学硕士学位论文笫一章绪论 运用这种从零件设计到总体装配设计的设计过程，零、部件之间没有紧密的内在联系和 约束，产品的设计意图、功能要求以及许多装配语义信息都得不到必要的描述，不符合先概 念设计再详细设计的产品设计思路，且由于事先没有一个很好整体设计规划，没有一个全局 的考虑，不可避免的会在设计阶段出现重复工作，且随着产品复杂程度的提高和设计参与人 员的增加，干涉冲突的矛盾会更加的突出，造成了时间和精力的很大浪费。但自底向上设计 也有思路简单，操作快捷、方便等优点，容易被大多数设计人员所理解和接受。 自顶向下建模是一种高级的装配设计思想，它通过成品对产品逐步分析，然后向下设计。 具体的说是从产品市场需求分析和用户的要求出发，先建立产品的概念模型，它描述的是产 品的基本原理和功能、基本性能参数、设计计划、管理信息等，再从概念模型中获得产品设 计各功能模块的设计和装配约束关系，包括零件的装配配合类型、装配特征描述、装配尺寸 关系，然后向下直至完成各个零部件的详细设计，产品的装配模型。这种方式支持产品全生 命周期的参数相关设计，符合设计师的设计思维。 虽然自顶向下的建模方法很大程度上克服了自底向上建模方法的缺点，但是从实际工 程应用角度来说，也有一些不足，如自顶向下的建模方法要求设计人员对设计产品有一个 比较全面的理解，要了解产品的整体功能、结构和基本配合关系，对系统分析和设计人员 的要求较高；并且采用这种方法建立的零部件模型在运用到其他产品模型时，其模型信息 可能随着上层模型信息变化而变化，所以其重用性受到了一定限制。 产品装配建模技术作为数字化装配的基础，是开发虚拟制造系统的核心和关键。而产品 装配建模的关键技术是建立一个能够描述产品的层次信息、装配关系信息、设计参数及其约 束关系信息等的产品装配模型。产品装配模型是表达产品的设计功能需求，支持产品从概念 设计到装配设计，并能完整传递不同装配对象之问的装配属性的模型。目前，国内外对装配 产品建模技术已经做出了一些研究。 国外方面，i s h i r k 1 提出一种用分层语义网模型表示的装配模型，表达了零件和组件以 及零件之间的分层结构和各零件相互之间的关系。该模型中定义了四种节点：零件、组件、 紧固件、紧固过程。并且还应用了五种连接类型：覆盖、粘接、粘接并覆盖、啮合、支撑连 接。此外，还建立了各节点及连接的数据结构，将零件的各种信息如材料、安装时间、操作 工具等信息和数据封装在里面，以便支持后续的分析工作。 l e e 和g o s s a r d u 驯在与或图的基础之上提出的产品等级装配模型。它将装配体层分解成 由组件组成的树状结构，组件既可以是零件也可以是子装配体，树的顶端是成品的装配体， 末端是不可拆分的零件。l e e 弓 入了“虚链”( v i r t u a l l i n k ) 的概念，整个装配树是由“虚链” 连接起来的，每个“虚链”是一系列相关信息的集合，这样装配体的信息能够层次化存储。 “虚链”中包含了配合连接关系的完整信息，并将配合连接关系分为四种类型：a g a i n s t ，f i t ， t i g h t f i t 和c o n t a c t 虚链结构很容易确定每个组件的位置，但要计算各组件的齐次变换矩 阵，需要解大量的方程。 国内方面，上海交通大学侯晓林，张申生等n 钔采用e x p r e s s 语言定义了装配零件间的层次 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ - _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ l _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 6 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 关系、装配关系及参数约束和依从关系，建立了产品装配模型。该模型能够对零部件装配的 方向进行定义或精确描述；由于采用了c s g 命令文件引用指针和c s g 命令集的方式解决装配和 造型的实体造型实现方法，以及有设计参数到c s g 命令的特征造型技术的应用，解决了装配 模型与造型系统之间的连接问题。但模型中通过约定的产品及零部件编码表示产品层次关 系，适于表示简单的装配层次关系，可作为应用参考模型。 清华大学的宋玉银啪1 针对并行工程的需求，提出了多重装配连接图来表示产品的零件之 间的复杂装配关系，它是一种基于广义键( g e n e r a l i z e dl i n k ) 的产品装配模型。装配连接图 是由广义键把装配对象连接起来构成的装配关系图，而多重装配连接图是两个节点之间的由 多个边连接的装配连接图。基于广义链建立的产品装配模型可表示两个零件之间复杂的多重 装配关系，为装配工艺设计和制造性评价提供了丰富的信息。此外，还有很多专家学者也对 装配建模技术进行了深入研究取得了可喜的成果，推动了产品建模技术的发展和进步。 同济大学的张健，雷雨成，李世康等曙在对基于装配规则的机械产品装配设计的必要性 进行论证的基础上。提出了产品装配设计规则库和产品装配设计基本流程。提出在产品总体 结构上，采用自项向下的设计方式进行组织；对于零部件，如需重新设计，则采用和总体 结构相同的组织方式：如果零部件系沿用件，则只需将已有零部件通过一定方式加入装配树 中。实现装配产品设计的智能化和自适应性 罗显光，张予川，卢难舜等馏1 提出多叉树装配模型和有序表来表达装配序列的方法，通过 建立正确的装配模型树，提取零部件之间的约束关系，定义零部件的装配路径，得到装配序 列。建立链表结构，对零部件的装配过程进行仿真，以直观的方式对装配序列规划进行检查， 从而得到所需的装配序列。通过多叉树装配模型和有序表表达装配序列具有层次分明、结构 简单、算法易于在计算机中实现的特点，具有较好的通用性。 目前许多成熟的c a d 系统都可以实现产品的装配建模。如p t c 公司的p r o e n g i n e e r ， u g s 公司的u g ，s o l i d e d g e ，达索公司的c a t i a ，s o l i d w o r k s 等。这些软件都能基于实体建 模方法实现非常完善的零件模型，装配模型的建模。利用这些c a d 系统软件创建的产品三 维模型可以实现变型设计和可视化设计，实现产品装配、运动仿真和运动干涉检查，达到 产品运动特性分析的目的；另外采用三维实体设计使得设计的产品更加形象化，而且可以 采用c a d 软件的功能实现三维实体向二维工程图的转化，这大大加快了产品设计效率。 1 2 3 元模型建模技术的现状 元( m e t a - ) 的概念很早就在计算机领域中得到了应用，如元数据、元语言、元知识、 元代码等等。它有“超”、“典型”、“基本”的意思。元模型建模至少出现1 0 年，最先是应 用于软件行业。元模型是软件( 甚至是硬件) 开发时数据集成的基础，即使人们不经常把它们 被称为元模型。后来出现的支持多种方法学的元c a s e ( m e t ac a s e ) 工具没有一个固定的元 模型，但是用p , - 7 p a 利用这种工具的开发工具包来进行相应的设置，从而使之支持已有的任 - 7 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 何元模型。随后出现了元模型的驱动技术和标准。例如u 虬( u n i f i e dm o d e li n gl a n g u a g e 统一建模语言) ，c d i f ( c a s ed a t ai n t e r c h a n g ef o r m a t ) 。 元模型善于从集成和互操作的低层次细节进行抽象，还能帮助把问题划分垂直子问题。 例如，通过把工具集成问题分离成1 个元模型集成问题，一个数据复制问题和通信问题，每 一个都能够单独解决，因此增加了问题解决的通用性，从而增加了扩展性和可维护性等。元 模型在软件行业发展的比较快，目前它的主要用途有：( 1 ) 作为数据仓库的概念范例( 2 ) 作为数据仓库用于存储软件工程和相关数据；( 3 ) 作为建模工具( 例如c a s e ) 的概念范例；( 4 ) 用来定义建模语言例如对象分析和设计；( 5 ) 作为构成建模工具互操作技术领域的重要组 成部分；( 6 ) 作为一种工具，帮助理解不同建模语言概念之间的关系。 毛媛和肖田元等瞳3 州指出元模型是关于模型的模型，是关于如何建立模型、模型的语 义或模型之间如何集成和互操作等信息的描述，是对某一特定领域建模环境的规范定义，它 定义了该领域的语法和语义，能够表示该领域内的所有或全部系统。元模型比模型的抽象程 度高，因此能够较好地解决模型集成中的问题。同理，元元模型( m e t a m e t a m o d e l ) 是对特 定元模型建模环境中的语法和语义的规范定义 马浩海，麻志毅晗即指出描述应用系统中运行时实体及其关系的信息组成了系统的模型， 而定义和表示这些模型的模型称之为元模型元模型定义了系统建模时用到的元信息，它包 括所有的元概念( 建模构造物) 的语法、语义及约束信息将表示和操作这些元信息的能力称 为元建模。 t a k e s h i 和n o r i a k i 啪1 指出元模型可以看成定义成来表达其他子模型的模型，尤其是r d f ( r e s o u r c ed e s c r i p t i o nf r a m e w o r k ) 资源类型和r d f 属性类型。r d f s 类是一种表达r d f 资源 类型的模型，r d f s 属性是表达r d f 属性的模型。如图1 1 所示。 图1 i 兀模型管理的概念 综合上述，软件行业的元模型( m e t a - m o d e l ) 是用来描述数据模型的模型，是对于一个 具体模型的抽象，它是关于数据模型的基本概念、基本关系、基本约束的语义。 一个完整的元模型包括了模型构架、数据及其表达、模型功能及其应用，还应该包含建 模的步骤、建模的原则。具体的内容应该包括：数据模型的描述、数据模型的来源和所有者、 数据模型的处理信息说明及数据模型转换方法描述等。 _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _