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硕士论丈基于特征的焊接结构设计技术研究 摘要 近年来，特征技术在c a d c a p p c a m 设计中得到了广泛应用，本文根据焊接结构 设计的特点，较全面地分析和研究了焊接结构产品开发过程中的特征定义、描述和表 达，提出了在焊接结构产品设计中采用基于统一产品特征模型的参数化设计思想。并 针对典型的焊接结构压力容器的产品结构特点、焊缝类型和接头设计要求，结合 特征技术，开发设计了适用于压力容器的焊接结构产品特征模型，并利用v b 6 0 和 m i c r o s o f ts q ls e r v e r 2 0 0 0 开发了面向压力容器的焊接结构特征设计系统。通过对 压力容器类焊接结构的分析，采用s o l i de d g e 商用c a d 软件及其提供的二次开发接 口，详细研究了焊接结构的特征造型设计、焊接接头设计以及基于几何造型的焊接工 艺辅助特征设计。最后，参照钢制压力容器制造相关标准，设计开发了一个基于特征 技术的焊接结构设计原型系统。 通过对基于特征的焊接结构设计技术的研究，在焊接结构产品开发过程中应用参 数化设计技术，可以有效地缩短产品开发周期，改善产品开发质量和提高企业的信息 化应用水平。 关键字：焊接结构，产品开发，特征技术，参数化设计 硕士论文基于特征的焊接结构设计技术研究 a b s t r a c t r e c e n t l y , f e a t u r et e c h n o l o g yh a sb e e na p p l i e dw i d e l yt oc a d c a p p c a md e s i g n a c c o r d i n gt oc h a r a c t e r i s t i c so f w e l d i n gs t r u c t u r e ，t h i sp a p e ra n a l y s e sa n ds t u d i e su p o i lt h e d e f i n i t i o n , d e s c r i p t i o na n de x p r e s s i o n o ff e a t u r et e c h n o l o g yc o m p r e h e n s i v e l yi nt h e p r o c e s so fw e l d i n gs t r u c t u r ep r o d u c td e s i g n t h es y s t e mi sb a s e do nu n i f o r mp r o d u c t d e f i n i t i o n m o d e l ，a n d t h e f e a t u r e i s t h e m e d i u m o f p r o d u c t i n f o r m a t i o n w a n s m i s s i o m b a s e d o na n a l y s i so ft h es t r u e t u 他c h a r a c t e r i s t i co fat y p i c a lw e l dp r o d u c t , m a da c c o r d i n gt ot h e s t a n d a r do f p r e s s u r ev c s $ e laf e a t u r e - b a s e dp r o d u c tm o d e lf o rw e l d i n gs t r u c t u r ed e s i g ni s p r e s e n t e di nt h ep a p e r t h em a i n o ft h es y s t e mf u n c t i o n s ，s u c ha sp a r a m e t e r i z a t i o nd e s i g n f o rp r e s s u r ev e s s e la n df o rw e l dj o i n ta r ec a r r i e do u tb ys o l i de d g ec a dr e d e v e l o p m e n t , a n dt h ef e a t u r ed a t a b a s ei se s t a b l i s h e db yu s i n gm i c r o s o f ts q ls e r v e r2 0 0 0 ，o t h e ra s s i s t a n t f u n c t i o n ss u c ha sp r o d u c tm a n a g e m e n t , m a t e r i a lm a n a g e m e n t , i i s e ra u t h o r i t ym a n a g e m e n t , a r cb u i l tu pb ym i c r o s o f tv i s u a lb a s i c6 0 t h er e s e a r c ho nf e a t u r e b a s e dw e l ds t r u c t i l r ed e s i g nh a sg r e a tv a l u eb o t hi nt h e o r ya n d p r a c t i c e i tc a l lh e l pe n t e r p r i s et os h o r t e nt h ec y c l eo fp r o d u c td e v e l o p m e n t , i m p r o v et h e q u a l i t yo f p r o d u c t , a n dr e d u c et h ep r o d u c tc o s t k e y w o r d s ：w e l d i n g s t r u c t u r e , p r o d u c td e v e l o p m e n t , f e a t u r et c c h n o l o g y 硬士论交基于特征的焊接结构设计技术研究 1 绪论 经过近二十年来的发展，尤其是最近十年的发展，计算机辅助设计( c a d ) 、计 算机辅助工艺设计( c a p p ) 、计算机辅助制造( c a m ) 等单项技术已在企业中得到 广泛应用，这大大促进了企业信息化技术的发展，但为了实现产品在设计、工艺规划、 计算机辅助制造之间的信息交换和共享，急需要开展c a d 、c a p p 、c a m 的集成技术 研究。目前，为了提高焊接结构生产的效率和质量，各企业越来越多的开展了焊接 c a d 、c a p p 等技术应用的研究，但由于焊接加工与机械制造之间的差异，焊接c a d 、 c a p p 等技术应用中还存在着许多需要解决的问题。 本章首先介绍了先进制造技术有关概念，回顾了c a d 、c a p p 发展过程，简要说 明c a d 、c a m 集成的方式和集成的必要性，并根据国内外焊接c a d 、c a p p 现状和其 中存在的问题的分析，结合特征技术和参数化设计思想，提出了在焊接结构产品设计、 生产中采用基于统一产品特征模型的参数化设计、数据管理的构思。最后给出了论文 的研究内容和论文结构。 1 1 课题研究背景 在激烈的市场竞争下，制造业正从传统的以机械为特征的传统技术时代朝着以信 息为特征的系统技术迈进，将信息技术应用于制造领域并对之进行改造，是现代制造 业发展的必由之路i l j 。 本课题属于企业信息化领域中的先进制造技术在焊接专业中的应用。主要进行焊 接c a d 、c a p p 集成技术、压力容器焊接结构参数化设计和产品数据管理技术的研究。 目前，由于我国信息化起步较西方发达国家晚，企业内的信息化应用水平和系统 集成也参差不齐，因此开展企业应用范围内的信息化普及和各应用系统之间的集成技 术研究尤为迫切。研究和开发企业应用模块的集成可以使乔- 1 k 各应用模块之间实现资 源共享，提高系统运行效率，降低系统运行成本，并且可有效避免各应用系统之间在 信息传递过程中经常出现的误差，从而提高了产品开发的质量和效率，此外应用系统 的集成有利于企业采用先进的并行工程设计思想，从而缩短产品的上市周期，提高企 业的市场竞争能力。 在焊接领域内开展c a d 、c a p p 、c a m 技术的研究对于提高我国制造业水平具有 重要意义，由于焊接加工与机械制造在结构设计和工艺规划上存在较大的差异，因此 在焊接领域引入先进的c a d 、c a p p 和c a m 等技术还有许多问题有待进一步研究，其 中c a d 、c a p p 、c a m 的集成技术研究必将大大提升企业的信息化应用水乎。为此， 硕士论文基于特捱的焊接结构设计技术研究 本文进行基于特征的焊接结构设计技术研究，这在理论研究和工程应用上都有重要的 意义。 1 1 1 先进制造技术 自2 0 世纪7 0 年代起，受经济全球化影响，制造业的经营重心已从企业规模和产品 成本转移到用户需求和上市时间、产品质量、制造成本和售后服务。美国曾于上世纪 s 0 年代提出了先进常4 造技术( a d v a n c em a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g y ，a m t ) 的概念。先 进制造技术定义为：它不断吸收机械、电子、信息、材料、能源和现代管理等技术成 果，将其综合应用到制造全过程，实现优质、高效、低耗、清洁、灵活生产，取得理 想经济效益的制造技术的总称1 2 】 先进制造技术融入产品生命周期的全过程，如设计阶段的c a d 、c a p p 、c a e 等； 生产阶段的p p c 、r p 、c a m 、加工中心、立体仓库、f m s 等。这些先进技术也从 初期的自动化孤岛经信息化集成发展到计算机集成制造系统( c i m s ) ，再经过程集成 发展到并行工程( c e ) ，最后由企业信息共享发展到敏捷制造( a m ) 、虚拟环境( v e ) 虚拟制造( v m ) 。 随计算机技术的发展，人们开始研究如何利用计算机来支持多学科的科研人员完 成共同的课题，协同开发环境是一个利用多媒体技术、网络与通信技术、分布式处理 技术等建立的多模式协同工作环境，并具有集成一体化的多媒体多模式操作系统平台 以及适合于支持协同开发的管理，使用和创作的各种工具【3 1 。协同开发环境是为了实 现处于产品开发不同层次、不同地域的工作人员发挥个人特长，共同完成同一任务， 实现时空分布的设计活动中的协调及信息的实时交互，缩短产品开发时间，提高产品 质量讯，协同入员以群体的方式工作，其协同效益要高于单个个体效益总和。 根据协作成员之间的交互方式，协同开发的工作方式可分为面对面交互、同步分 布式交互、异步交互、异步分布式交互等四类芦】。面对面交互是指协同人员在同一地 点、同一时间协同开发，共同决策、设计；异步交互是在同一地点，不同时间交互， 可以通过共事数据库来实现；分布式交互需要网络支持，同步分布式交互，如视频会 议，电话会议等工作方式；异步分布式交互可以通过文件管理、e - m a i l 、分布式数据 库来实现。 1 1 2c a d 、c a p p 集成技术 c a d 、c a p p 系统的集成一般是以工作数据库为核心，以网络为支撑，把各种不 同功能的软件系统( 如设计、制造、工艺规划、有限元分析及信息管理等系统) 按不 同的用途有机结合起来，在统一的执行控制程序组织下，实现各种信息的传递，协调 2 硕士论文基于特征的焊接结构设计技束研究 各子系统，并达到信息交换和资源共享以及最优的整体效益c a d 、c a p p 是计算机 集成制造系统( c o m p u t e ri n t e g r a t e dm a n u f a c t u r i n gs y s t e m ，c i m s ) 的重要部分。c i m s 是在信息技术、自动化技术、管理技术、设计制造的基础上，通过计算机网络和数据 库把其有机地组成起来【6 】。可见，c a d 、c a p p 集成化是c i m s 研究的重要组成部分。 实现不同功能的软件系统之间的信息交换的方式大致有4 种： ( 1 ) 通过专用数据格式的文件交换信息； ( 2 ) 通过标准数据格式的文件交换信息； ( 3 ) 通过工程数据库来交换信息； ( 4 ) 通过统一的产品模型交换信息。 从软件发展的趋势来看，通过统一的产品模型交换信息这种方法更为软件开发商 所接受。因为这种方式采用统一的产品数据模型，并采用统一的数据管理软件来管理 产品数据，各子系统之间可直接进行信息交换，这就大大提高了系统的集成性f 7 】目 前，产品几何模型已经成熟，主流c a d 软件之间的数据转换相对便利，但在产品的工 艺信息表达方面有所欠缺。 有学者【3 ，溉1 们提出在产品生命周期全过程内建立相对统一的、基于特征的产品定 义模型，并以此模型为基础运用产品数据交换技术，实现各子系统数据交换与共享 该模型不仅能支持设计与制造各阶段的产品定义信息( 几何信息、工艺和加工信息 等) ，并能表达工程师的设计与肯4 造意图，因而特征技术已成为c i m s 的关键技术之一。 1 。1 3 产品特征模型 特征概念在1 9 7 8 年的j w s e l t e s 的学士论文( c a d 零件的特征表示脚】首次提 出，特征技术的目的是采用一种把对应非几何信息依附于对应的几何载体的方式，在 不同应用场合之间通信。 随着计算机技术的飞速发展，产品建模技术从线框模型，曲面模型、实体模型发 展到参数化特征模型、复合模型、集成产品模型。其中线框模型、曲面模型和实体模 型是面向几何的产品模型，它们广泛应用于c a d 软件系统中。几何模型是特征模型、 集成产品模型的基础，是非几何信息的载体 产品的特征模型在几何模型的基础上，添加了形状、精度、材科、管理、技术等 特征，建立了在产品生命周期内统一的产品定义模型，从而实现了信息的有效集成。 1 1 4 参数化设计 在机械产品的设计、加工中，存在大量不同尺寸系列的标准件与几何拓扑结构相 同或相似、尺寸规格不同的非标准专用零件过去工程设计人员常常因不同尺寸或相 ， 硕士论文基于特征的焊接结构设计技术研究 似零件而重复设计，耗时耗力。参数化c a d 设计利用参数驱动机制对图形进行操作， 在满足图形几何约束的条件下，通过施加尺寸约束，对图形的几何数据进行修改，从 而得到所需的设计图形【l l i 。广义的参数化设计不仅仅包括产品的几何造型设计，参数 化设计通过定义包含产品功能、特性、形状、类型等属性的约束条件模型，设计的过 程只是在此基础上设计各属性的参数而形成设计实体对象，而不同的设计过程又是不 断循环这种模型定义和参数选择过程，直到符合设计结果为止。产品的整个设计过程 就是约束规定、约束变换求解以及约束评估的约束求精过程【1 2 1 。 参数化设计不仅记录了必要的几何信息，而且还保留了图形的拓扑结构，以及各 种设计知识、设计约束等信息，对结构相同而尺寸不同的产品，就可用同一参数化模 型描述其几何形状，当产品因某些定形定位参数发生变化而导致产品的局部形状发生 更改时，系统能维护原有的设计意图，在满足原有约束关系不变的条件下，自动生成 新的图形，实现参数化设计1 ”i 。 1 2 焊接c a d 、c a p p 的国内外研究现状 1 2 1c a d 、c a p p 技术的发展进程 c a d 、c a p p 、c a m 技术自2 0 世纪6 0 7 0 年代，国际上已出现了许多性能优 良，商品化的c a d 、c a p p 、c a m 应用软件。c a d 、c a m 技术最早应用于发达国家 的航空、军事等领域，随着计算机硬件技术和计算机图形学技术的飞速发展，c a d ， c a m 技术的应用向民用工业普及。c a d 技术的发展经历了四个阶段：第一代c a d 是计算机图形系统，该系统只能用于绘制简单的二维图形；c a d 功能不断完善，第 二代系统可以交互式的绘制各种工程图纸；第三代c a d 系统是几何造型系统，并弓i 入了三维参数化特征造型技术，大大提高了制图效率；第四代系统在几何造型的基础 上，加强了对产品的非几何信息的描述，添加了尺寸公差特征、技术特征、材料特征 等，一般称为产品模型系统l ”l 。 c a p p 系统自上世纪7 0 年代发展至今已经历了检索、派生和创成式发展过程f 1 5 】， 目前国内外也出现不少商品化的c a p p 应用系统0 6 1 。c a d 、c a p p 、c a m 长期处于 独立的发展状态，因各自在生产过程中的侧重点不同，彼此之间的模型定义、实现手 段和存储方法各有差异，信息交换共享困难。比如：c a d 系统采用面向数学和几何 学的数学模型，只能描述零件的几何信息和拓扑信息，难以描述精度、公差、表面粗 糙度和材料等非几何信息，而c a p p 、c a m 不仅需要几何信息，更需要面向制造的 非几何信息。因此，如何从c a d 中提取所需的几何信息，并为之附加上制造信息成 为真正实现c a d 、c a p p 、c a m 集成的基础性关键问题【1 7 】2 0 世纪8 0 年代以后， 由于生产发展的需要，c a d 、c a p p 、c a m 集成技术的研究开始成为一个突出的问 4 碗士论史基于特征的焊接结构设计技术研究 题，目前这一技术已在国内外取得了很大的进展，有些技术已经达到实用水平 目前基于共享工程数据库的集成方式已经广泛应用。各子系统之间通过用户接口 按工程数据库要求直接存储操作数据，这种方式提高了系统运行速度。也提高的系统 的集成化程度。随着特特征技术的出现，定义了统一的产品特征模型，设计人员可以 利用产品特征模型迅速设计出c a p p 、c a m 所能理解的产品，为实a c a d 、c a p p 、 c a m 更有效的集成提供了技术支持。 1 2 2 焊接c a d 、c a p p 的国内外研究现状 随着焊接技术的发展，广泛采用焊接结构是机械制造工艺发展的重要趋势。在一 些工业发达的国家，焊接结构已占机械坯件的4 0 左右。由于焊件设计简单，焊接 质量提高，制造周期短，成本低，经济效益好，因此焊接结构将越来越多地替代铆接 件、铸造件、锻压件，成为重要的大型设备的关键部件。虽然计算机辅助设计在机械 设计中得到了广泛应用，但对于焊接件进行计算机辅助设计软件相对较少，且未能形 成一套产品定义模型统一，特征表达全面的集成系统。 机械c a d 系统日趋成熟，功能也越来越完善，国内也出现了自主版权的c a d 系 统，但国外c a d 系统发展早、技术先进、产品成熟，仍占据着国内主要的市场份额。 目前商业化的通用c a d 平台有：p r o e n g i n e e r 、u g 、i - d e a s 、s o l i d w o r k s 、s o l i d e d g e 、 华正c a x a 等。虽说现在这些通用c a d 系统功能已经相当强大，但它们都是针对机械 零件设计制造，对焊接结构件设计功能常常不能满足焊接设计人员的需求。根据抽样 调查，国内已引进的c a d 系统利用率高、效益好的单位大约只有2 0 。而工程设计中 绘图工作只占整个设计工作量的1 8 ，设计者的大部分精力还要花在资料检索及设计 思考上t t g 。如果在现有c a d 系统上，根据本企业或行业的常规性产品或工程设计的 实际需要，有机集成各种设计资料数据，如：设计手册、制造手册中的各种数据，包 括本企业或行业产品的典型结构、经验数据、产品图形、产品标准、技术要求、原材 料的样本、计算方法与公式及工装情况等方面的资料，使设计人员从繁重的重复劳动 中解放出来。做到数据共享咿l ，并在此基础上，将本企业或行业多年来的设计经验总 结出来，定义基于特征的产品模型，采用参数化设计思想，形成有特色的设计规范、 设许方法，建立典型结构、标准、通用零部件模型，并相应地建立起数据库、图形库、 方法库、知识库及开发应用程序，并后继开发基于产品生命全周期的统一产品特征模 型的焊接c a p p 系统、弧焊机器入离线编程等系统，焊接结构的设计、生产周期将会 大大缩短，产品质量、生产效率将提到一个新的水平。 焊接工艺的编制、管理、检索在过去的很长一段时间内是以手工方式完成，其耗 费了大量的人力物力。焊接计算机辅助工艺规划( w c a p p ) 是焊接加工自动化应用 中的重要的支撑技术，是焊接工艺岜动化的前提，能够显著缝提高焊接设计效率和工 5 艺设计质量。基于产品特征模型的w c a p p 系统的引入，不仅可以大大减轻焊接技术 人员的工作繁琐程度，提高工作效率，而且有利于企业工艺设计文件的标准化及工艺 文件的管理规范化、适应当前日趋信息化的现代制造环节的需要以及为计算机集成制 造系统( c i m s ) 创造必要的技术条件 2 0 1 国内外焊接c a d 、c a p p 系统功能开发主要集中在以下方面：焊接工程图纸绘 制、工艺选择与设计、焊接成本估算、缺陷分析、焊接性能预测等。表1 1 中列出了 一些焊接领域c a d ，c a p p 的研发成果 2 1 。a 7 1 。 表ll 国内外焊接计算机辅助软件表 焊接计算机辅助软件名称 开发者 国家 w e l d i n gp r o c e d u r es e l e c t i o np r o g r a m s t o n e & w e b s t e re n g i n e e r i n g 美国 e x p e r tr o b o tw e l d i n g s i c a r da n dl e v i n e美国 s a w - s h i pb u i l d i n ge n v i r o n m e n t q u e e nu n i v e r s i t yo f b e l f a s t 美国 w e l ds y m b o l c s m美国 c r a c k w i s * t w i英国 w e l ds c h e d u l e r b a b c o c ka n dw i l c o x美国 焊接材料选择专家系统 清华大学 中国 焊接工程的数据库及专家系统 哈尔滨工业大学 中国 钢制压力容器焊接工艺评定专家系统 太原重型机械集团公司 中国 药芯焊丝电弧焊工艺专家系统 武汉大学 中国 弧焊工艺制定及咨询专家系统 搏华大学 中国 c c h 气体保护焊工艺参数专家系统 天津焊接研究所 中国 焊接工艺规程设计专家系统 哈工大，哈锅厂中国 铝合金谭棱工艺制定专家系统 哈尔滨工业大学 中国 焊接结构制造工艺计算机系统 清华大学 中国 压路机装焊c a p p 系统 清华大学 中国 焊接结构件装焊c a p p 系统 清华大学 中国 化工容器w c a p p 系统 南京理工大学 中国 低温压力容器计算机辅助工艺设计 重庆大学 中国 国外计算机辅助设计发展早，水平也较高，商业化程度高，表中的焊接c a d 、 c a p p 系统，功能以缺陷诊断与性能预测、焊接工艺选择与设计、焊工考试等为主， 而焊接c a d 系统上的研究也仅仅限于对通用机械c a d 进行简单的二次开发，添加焊接 符号绘制工具嗍；国内焊接结构生产计算机辅助系统相对发展落后，研究大多处于实 验原型阶段，近几年来逐渐成为高校、研究所以及企业的研究热点 建立大型焊接结构件的c a d 系统，可以快速地进行大型焊接件的参数化、系列化 设计，增强系统的焊接结构设计功能，节省设计时间，提高了设计质量和设计效率， 具有良好的经济效益和社会效益。 6 硕士论文基于特征的焊接结构设计技术研究 1 3 本文研究内容和论文结构 本课题属于企业信息化领域中的先进制造技术在焊接专业中的应用。主要进行焊 接c a d 、c a p p 集成技术、压力容器焊接结构参数化设计和产品数据管理技术的研 究。 本文各章内容如下： 第一章绪论，介绍了先进制造技术有关概念，回顾了c a d 、c a p p 发展过程， 简要说明c a d 、c a m 集成的方式和集成的必要性，并根据国内外焊接c a d 、c a p p 现状对其中存在的问题进行分析，结合特征技术和参数化设计思想，提出了在焊接结 构产品设计、生产中采用基于统一产品特征模型的参数化设计、数据管理的构思。 第二章，提出基于特征的焊接结构设计系统总体设计方案，介绍其网络结构、开 发软件环境，分析了系统实现的一些关键技术，为所提出的方寨提供了可行性依据。 第三章，综述了特征的定义和分类，针对压力容器焊接结构生产，定义了焊接结 构产品特征模型，并采用面向对象的方法描述焊接结构特征模型的表达。 第四章，对压力容器焊接结构进行分析，介绍压力容器焊接结构特点，焊接接头 设计要求，是本系统功能模块开发的理论基础。 第五章，详细论述了系统设计的原理和系统开发所用技术、方法，介绍了s o l i d e d g e 二次开发的函数接口，并依据焊接结构产品模型，使用s q ls e r v e r 完成了模型 的数据库实现。 第六章，介绍压力容器焊接结构特征设计系统的运行实例，以一典型的压力容器 设计为例，介绍了本系统的主要功能，如焊接材料管理，产品零部件结构管理、焊接 接头的参数化设计，接头坡口模拟功能，最后在结论中对本文进行总结，并对就迸一 步的工作进行了展望。 7 硕士论文基于特征的j 卑接结构设计技术研究 2 基于特征的焊接结构设计系统总体设计分析 随着焊接技术的发展，造船、车辆、化工设备、航空航天、锅炉、桥梁等行业广 泛采用焊接结构是枫械制造工艺发展的重要趋势。计算机辅助设计在机械设计中得到 了广泛应用，但对于焊接结构计算机辅助设计，只有少量仅限于焊接工艺或单一焊件 设计的报道，没有形成一个有机的体系。因此，建立焊接结构产品模型，对现有机械 c a d 系统进行二次开发，使其可以快速地进行焊接结构产品的参数化、系列化设计， 改变以往焊结构设计的单一性私局限性，节省设计时阊，提高了设计质量和设计效率， 具有良好的经济效益和社会效益。 我国对计算机在焊接生产中的应用工作始于2 0 世纪8 0 年代末，对焊接结构件 c a p p 系统的研发还处于起步阶段，见诸报道的都是为特定企业的特定产品甚至零部 件开发。工作包括焊接工艺评定数据库，数值分析和数值模拟。同时也进行了焊接技 术准备工作的计算机辅助应用，如弧焊专家系统、零件工序流程编制系统、材料定额 计算系统和工时定额计算系统等应用软件的开发，以及数控自动编程系统的开发工作 【3 钔。这些焊接c a p p 系统与机械加工c a p p 一样在零件信息的表达和输入上存在困 难，解决这一困难的晟根本途径是与c a d 系统集成。但由于现有的c a d 、c a p p 系 统是从生产过程的不同侧面发展而来的，各系统的信息处理过程都存在特殊性，彼此 之间的模型定义、实现手段和存储方式均有差异，产品信息交换困难，资源难以共享。 这样造成时间和物资上的巨大浪费，影响工程设计效率，而且在数据转换过程中还可 能出现误差和人为的错误，严重阻碍企业的信息化进程。上世纪7 0 年代起人们就开 始研究c a d 、c a p p 之间数据传递和转换问题，目前这一技术在国内外均已取得了 很大的进展，有些技术已经达到使用水平。 本文认为，以数据库为核心，在c a d 设计期就采用与c a p p 系统统一的产品模 型定义和信息接口，这种集成方式信息交换原理较为简单，信息转换接口程序容易实 现，运行效率很高，适用于焊接结构产品的设计和开发。 2 1c a d 、c a p p 集成系统韵需求分析 工业生产设计应用对c a d 、c a p p 集成系统提出以下几点需求： ( 1 ) 集成性：系统集成主要体现在信息集成和系统平台的集成。信息集成的目 的是实现完整的产品模型定义和数据交互，避免重复性的工作、产品描述，减少人工 干预，降低人为错误的几率。系统平台的集成是为了支持在协同开发人员的实时交流、 决策，并提供必要的计算机辅助工具。 8 ( 2 ) 分布性：系统需要提供网络支持以满足分布性的设计活动，设计人员独立 设计的结果常常需要提交给其他人员继续修改、设计。为了有效支持分布式的设计活 动，c a d c a p p 集成系统需要具备分布性。 ( 3 ) 智能性：设计活动往往是复杂多变的，焊接工艺设计更为复杂，单凭一个 人的经验难以有效的决策和分析，集成系统需要提供专家系统、知识推理、神经网络 和人工智能来辅助设计人员，因此系统需要具备智能性 2 2 基于特征的焊接结构设计系统体系结构 2 2 1 基于特征的焊接结构设计系统体系结构 参照南京理工大学f 6 5 】开发的一个基于i n t e r n e t i n t r a n e t 网络和t c p i p 网络协 议的协同产品开发系统原型，本文基于特征的焊接结构设计系统网络结构如图2 1 所示，系统通过计算机网络，将分布式资源和用户组织在一起，提供了一个协同工作 环境。 e = = = = 气f = = = = 刁f = = = = = 专 l 奎些塾塑壁l i 奎垫鳌塑壁ii 奎些墼塑壁j 南卤卤 用 户 层 图2 + 1c a d c a p p c a m 集成系统框架 系 统 层 现有的c a d 系统对焊接结构及其工艺设计提供的支持都比较少本文在s o l i d e d g e 系统上进行二次开发，增强了该c a d 系统的焊接结构设计功能，并能以本文提 出的焊接工艺特征模型，将设计结果以参数方式存入系统数据库，解决了c a d 、c a p p 9 磺士论文基于特征的捍接结构垃计技术研究 之间产品信息传递问题。 系统在逻辑上分为用户层和系统层。用户层集成了基于特征的c a d 子系统，c a p p 子系统，c a m 子系统等应用系统；系统管理服务器负责应答各子系统发送的请求，是 用户层各子系统的信息传输媒介，并为系统提供工具服务、产品信息模型管理、共享 数据库管理等底层服务器支持。工具服务包括协同工作必须的过程监控，文件传输、 电子邮件、视频会议等；产品信息模型表达产品开发过程中使用的各种信息，包括数 据、文件、图形等多种格式的数据源；共享数据库用于存放系统的共享数据，为集成 系统的数据共享提供支持。 目前，常用的信息系统开发体系结构主要有c s 和b s 计算模式。 c s 计算模式一般是指一个应用程序的应用逻辑可以根据需要划分为两个逻辑 上分离的部分，每部分有各自不同的功能，客户机进程主要负责人机交互，并向服务 器进程发送请求，服务器进程处理该请求并返回结果。一般服务器进程在处理能力强 大的服务器上运行，该模式可以减轻客户机进程的系统开销，使其更好的完成其他应 用逻辑。 b s 计算模式实际上是一种特殊的c s 结构，客户机的人机交互功能由浏览器来 实现，服务器端除数据库服务器外增加w e b 应用服务器。用户界面由标准的h t 儿语 言实现，而应用逻辑主要集中在w e b 应用服务器上，实现应用逻辑的主要工具是 a s p ( a c t i v es e r v e rp a g e s ) 和j s p ( j a v as e r v e rp a g e s ) ，二者都提供访问后台数据 库的接口，将浏览器发出的请求处理之后对数据库进行查询，将查询结果返回给浏览 器， 从系统安装维护，平台开放型，数据安全性等方面比较。c s 结构和b s 结构各 有所长，其优缺点在表2 1 中列出。由于焊接设计内容所涉及的技术范围广和部门多， 设计过程复杂，需要应用到c a d 技术、w p s 、p q r 、各类标准和技术文件，同时涉 及到设计、捡验、制造、采购、设备、人力资源等部门。因此，系统的开发必须满足 企业在焊接设计应用中的信息集成性、应用分布性的要求。为此，系统采用c s 和 b s 混合体系结构1 6 6 1 ，c s 结构为焊接工艺的主要设计和管理人员提供了界面友好、 功能强大和业务复杂的操作环境，而b s 结构为不同部门用户之间提供界面一致、设 置灵活和维护方便的操作环境。 2 2 2 基于特征的焊接结构设计系统c a d 软件环境 本文采用的c a d 软件是u g s 公司基于w i n d o w s 操作系统开发的高效、易用的三维 实体造型系统s o l i de d g e ，s o l i de d g e 提供完全三维参数化的实体几何环境，系统 1 0 硬士论文 基于特征的焊接结均设计技术研究 表2 1c s 结构与b s 结构优缺点比较表 比较项目c s 结构 b s 结构 人机交互 界面友好，可实现复杂功能良好 客户机安装安装应用程序和数据库接口 只需安装标准的w e b 浏览器 简单复杂，锾要安装数据库服务器软 服务器安装 一般只需安装数据库服务器软件件，w e b 服务器软件等 低高。服务器处理大部分应用逻辑。 服务器负载 应用逻辑大部分由客户机处理管理也比较复杂 系统安全性 高低 系统升级维护客户端升级工作量大客户端易于改动 成本低，开发方便 综合性能及成本开发成本高，复杂功能难以实现 功能强大技术成熟 由零件( p a r t ) 、装配( a s s e m b l y ) 、工程制图( d r a f t i n g ) 及钣金( s h e e tm e t a l ) 四 大功能模块组成，并附带基于管理的设计工具，在设计阶段就融入管理，达到缩短产 品上市周期，提高产品品质，降低费用的目的。s o l i de d g ei n s i g h t 技术直接嵌入 c a d 系统的设计管理工具，提供设计管理、增加设计协同能力。帮助用户节约修改和 工序更改时间，最大程度地满足日益增长的复杂产品的设计需要，以适应不断变化的 市场需求。 s o l i de d g e 与目前基于特征的三维实体造型软件一样，其构造的模型都只包含产 品实体的几何和拓扑信息，这些为c a p p 进行工艺规程设计提供了最基本的数据。但 c a p p 除了需要几何和拓扑信息外，还需要产品的工艺信息，如材料特征信息、焊接工 艺信息、热处理信息等。要利用s o l i de d g e 实现c a d 和c a p p 的集成，s o l i de d g e 提供 了丰富的开发函数和接口，可以利用w i n d o w s 平台上的开发工具v b 、v c 对其功能进行 扩展，在模型的几何特征基础上添加材料特征和加工特征，并将它们与几何特征信息 一起从摸型中提取出来存入统一数据库，以备c a p p 子系统访问和利用。 s o l i de d g e 提供多种数据接口s o l i de d g e 在内部是以p a r a s o l i d 格式进行存 储，应用程序如果能够读写p a r a s o l i d 格式，就能直接处理s o l i de d g e 数据，而不 需要进行任何中间数据转换，系统也支持多种中性文件格式i g e s 、p a r a s o l i d 、或s t e p 文件格式，并且s o l i de d g e 提供自己的数据转换器，用户可以编写自己的数据转换 器，并集成在s o l i de d g e 程序中，便于与特定的c a p p 集成。 s o l i de d g e 软件开发包提供了一系列的c o m 接口、a p i 接口、o l e 编程支持，允 许用户用v b 、v c 开发应用程序来扩展s o l i de d g e ，甚至将c a d 系统集成到用户的应 用程序中。借助s o l i de d g e 强大的二次开发能力，本文开发了一个基于特征的焊接 硬士论文基于特征的焊接结构设计技术研究 结构设计系统的原型。 2 3 焊接结构设计系统的关键技术 2 3 1 基于特征的产品信息模型 随着c a d 、c a m 技术的发展，从最早的二维线框模型开始，产品模型经过三个 发展阶段：几何模型、特征模型和集成产品模型，建立完整的产品信息模型满足产品 从设计、工艺规划到制造加工整个过程信息需要是c a d 、c a m 集成的关键技术之一。 产品信息模型的发展经历从简单到复杂、从局部到整体、从单一功能到覆盖整个生命 周期内的各种活动的发展过程1 3 。 产品生产过程需要大量的描述产品特征的几何信息和非几何信息，包括几何、拓 扑、尺寸、公差、工艺、加工、装配、管理、材料等描述信息。几何模型由于自身的 局限性，仅能描述产品的几何数据，难以表达其他非几何特征，特征模型的出现使产 品模型能够完整的、全面的表达产品信息，各应用系统可以直接从产品模型中抽取所 需的信息。结合焊接生产，焊接产品模型需要表达的以下信息： 几何信息：描述产品零件几何相关信息，这些信息大部分都能在c a d 系统中 明确的表达，包括形状特征、拓扑关系、尺寸公差，精度信息等。 装配信息：描述产品各零部件相对位置、装配次序、装配要求等，焊接接头 也可以看成是一种特殊的装配形式。 焊接信息；描述焊接接头、焊缝形状、焊接方法和工艺等。焊接加工是一种 特殊的加工方法，涉及的标准、规范多，本文主要工作是焊接信息在产品模 型中的表达。 管理信息：描述产品设计者、审核者，产品号等一系列有关图档管理的信息。 材料信息：描述产品所采用材料的性能信息。 一个完整的产品信息模型不但要包含几何信息和拓扑信息，还要能够表达以上工 艺、加工等一些非几何信息，应该包括多个应用域中的产品信息，并且能够在不同域 之间进行信息传递、映射和转换。特征建模系统能够提供一个完整的产品数据信息模 型，它不但包括低层次的产品几何信息和拓扑信息，丽且还包括多种非凡何信息，从 而全面描述产品从设计到生产全过程中各环节的信息及信息之间的关系，使产品信息 模型面向整个设计过程，实现c a d 、c a p p 、c a m 的信息集成。 2 3 2 特征识别及基于特征的参数化设计技术 研究c a d 、c a p p 、c a m 集成，首先要解决c a d 、c a p p 、c a m 之间数据读取、转换问 题，目前的主要方法有特征识剐、基于特征的参数化设计等 1 2 硕士论叟基于特征的捍接结构设计技术研究 2 3 2 1 特征识别 特征识别实际是针对特定应用对物体几何模型的解释。在生产过程中，特征识别 过程实际上是一个还原活动；设计师将高层次概念化了的产品信息转化成低层几何信 息，特征识别则是从几何模型中将这些信息还原成高层产品信息【6 3 1 。特征识别一般有 两种方法：一是由计算机与用户交互完成，用户在c a d 系统中选定某一几何实体来定 义特征，并赋予该几何实体对应的工程属性( 如特征参数、精度信息、技术信息等) 添加到特征模型中去；二是利用程序由计算机自动识别特征，首先是对物体几何形状 的特征进行鉴别，然后从几何模型中提取特征的参数，然后将特征数据按系统定义的 特征模型组织，存入数据库。 根据物体几何模型建模类型不同，有不同的识别方法。由于实体几何( c s g ) 模 型中的许多特征已经以体素的形式存在，因此它的特征识剐并不复杂，只需将体素组 合成特征即可，边界表示法( b r e p ) 模型的特征识别主要有四种方法；语义样式 ( s y m a e t i c - p a t t e mm e a l o d s ) 、基于规则法( r u l e b a s e dm e 吐妁d s ) 、基于图法 ( g r a p h - b a s e dm e t h o d s ) 和体素分解法( v o l u m e d e c o m p o s i t i o nm e t h o d s ) 前三种方 法都是以几何实体( 面、顶点和边) 的样式匹配为基础，既考患样式的拓扑，也考虑 其几何。但特征的样式及其在模型中的描述方法各不相同。体索分解法则是与上述三 种完全不同的方法。它是通过确定零 牛中去除的材料来得到所要寻找特征的物体，并 将这些材料分解成多个体素。逐步去除。这个过程与加工过程有十分相似之处【6 3 】。 特征识别技术提供了从没有任何面向特征信息的几何模型中提取特征的方法，它 已经在工程应用中，尤其在c a d 、c a p p 的集成方面显示出了其价值但它仍然存 在一些问题，如：识剐过程十分复杂，且仅对有限的简单几何特征有效，在识剐复杂 特征时容易出错，不能识别几何模型中没有表示出的信息，这些信息需要人工添加。 若是在产品设计时便采用参数化特征设计，产品和特征信息关联，那么这些特征识剐 就变得容易得多。 2 3 2 2 基于特征的参数化设计 参数化c a d 设计是当前c a d 技术的重要研究领域之一，它是指设计对象的结 构形状比较相似，可以用一组参数来约束尺寸的关系，参数与设计对象的控制尺寸有 明显的对应，设计结果的修改受尺寸驱动的影响，所以也称参数尺寸驱动【l ”通过参 数化设计，只要改变关键参数，就可以绘出一系列结构相似而尺寸不同的图形。本文 中焊接接头设计采用c a d 中的参数化设计功能，通过对压力容器各类不同几何形式 的焊接接头的特征分析和分类研究，应用面向对象技术和s o l i de d g e 的二次开发功能 硕士论文 基于特征的焊接结构设计技术研究 进行接头的模块化设计，以形成企业应用范围内的系列化标准接头类型库，在每次应 用时只需生成它的一个实例即可。这种接头模块的参数化设计只需一次开发并可多次 重复使用。实现焊接接头参数化设计不仅可提高工艺设计人员的工作效率，而且也有 利于焊接工艺的规范化设计和管理工作，将接头参数作为焊接接头特征的属性保存于 产品模型，可以向后续的焊接c a p p 、焊接机器人路径设计提供必要的信息 2 3 3s o l i de d g e 二次开发技术 c a d 软件的二次开发是指在现有的软件基础上，为了提高和完善软件功能，使之 更加符合用户需求，而对软件做的开发工作。其目的是提高设计质量和效率，充分发 挥通用c a d 软件的价值【1 9 1 。s o l i de d g e d 用户提供了采用标准的w i n d o w s “对象链接 与嵌入( o l e ) 技