（机械设计及理论专业论文）概念工艺规划原型系统关键技术研究.pdf

西南交通大学 学位论文创新性声明 本入郑重声明：所呈交的学位论文，是本入在导师指导下独立进行研究工 作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其它个 人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人或集 体，均已在文中做了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人 承担。 本学位论文的主要创新点如下： 1 1 运用面向对象u m l 技术建立产品生命周期各阶段信息模型( 第2 章第5 节】，并仔细分析各阶段的内部联系。 2 ) 结合工程实践对概念工艺规划进行定义( 第3 章第3 节) ，确定概念工艺规 划的活动模型( 第3 章第4 节) ，并建立其信息模型( 第3 章第5 节) 。 3 1 在对3 d 实体特征模型及特征有效性维持进行深入探讨的基础上将零件 模型信息分为三个层次：包围盒、外形归类和特征，并编制接口程序对各 层的信息进行计算、归类和提取( 第4 章第2 节) 。 4 ) 将特征识别技术与基于特征设计技术相结合，分析特征相交的各种形态， 利用特征的边界信息编制算法获取对应c s g 体信息，支持特征正则布尔 运算，并运用增量式特征识别映射技术，编制制造特征概念工艺规划系统 的制造特征识别映射接口程序( 第5 章第5 、6 节) ，并基于制造特征模型， 运用模糊推理技术推导制造特征的加工方案( 第5 章第7 节) 。 5 ) 为了支持变型性概念设计，将零件相似性比较分为定性和定量两部分，根 据所获取的零件设计属性信息，基于层次等价关系进行零件层次上的模型 比照；基于从c a d 工程数据库中提取出的完整零件结构信息，编制算法 和程序，进行新建设计零件和零件库中已有模板零件的相似性评估，获得 模型的相似度和兼容特征信息( 第6 章第6 、7 节) 。 学位论文作者签名：恭絷 日期沙6 年6 月，日 西南交通大学博士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 制造业的发展及现状 随着社会的不断进步，制造由一种技术发展为一门科学。制造作为科学， 主要包括工程科学和组织科学两个方面。2 0 世纪7 0 年代末。最早将计算机技 术引入制造业的研究者，如h a r r i n g t o n 【i 】、b j o r k e f 2 】等提出以c i m ( 计算机集 成制造) 概念来将整个制造系统的所有运作进行自动化、优化及集成。图l 一1 是当时对c i m 工程科学所涉及范畴的一个示意图。内圈是材料加工及半导体 各工艺的基本物理过程，所包含的科学如原子的错位理论、材料塑性变形的 解释等，为不同的制造工艺过程的分析提供真正的科学方法和原理；中圈是 成熟的控制理论，用于对制造中机器的稳定性、稳定时间及精度进行解释； 而外圈表示f m s ( 柔性制造系统) 的排序，涉及离散事件的仿真、统计建模、 优化及排队理论等分析方法。进入2 0 世纪8 0 年代。制造业的发展证明尽 管制造中包台了各种工程科学方法，但如果不与合理有效的组织方法相结台， 则很难真正发挥作用。因而与制造活动相关的各种先进制造方式和概念也应 运而生，如及时制造j i t ( j u s t - i n t i m c ) 、精益制造o ”l m ( l e a nm a n u f a c t u r i n g ) 、 全面质量管理t q m ( t o t a lq u a l i i ym a g e m e n t ) 、并行工程4 刈c e ( c o n c u 盯印t e n g i n e e r j n g ) 等等。尽管各种先进制造方式强调的侧重点各不相同。如虚拟 制造、智能制造强调制造的技术手段；精益制造强调生产的组织管理。但目 标却是一致的；提高企业的市场竞争力。从本质上看，各种先进制造模式都 是通过组织科学与工程科学相集成，把各种制造相关的资源整合在一起，使 之得到充分、有效的利用从而使企业获得最佳效益。 目前世界经济正向全球化方向发展，在激烈的全球化经济竞争下，制 造业之间的竞争也日益白热化，其表现为：产品更新换代快、技术含量高、 性能价格比优等。处于全球市场中的制造业提高企业产品竞争力的根本策略 是：以消费者的需求为核心，加快新产品的开发、缩短产品的上市时间t ( m e t om a r k e t ) ，改善产品质量q ( q u a l i t y ) ，降低生产成本c ( c o s t ) 以及完善售前 售后服务s ( s e i c e ) 。因而，制造不但是一门科学，更是一种商务活动。制造 业必须根据消费者要求作出快速、准确反应，新的制造概念和模式，如开放 式结构制造o a m ( o p e n 时c b i t e c t u j c m a n u f a c t u r i n g ) 、敏捷制造州a m ( a 窑i l e 式结构制造o 朋订( o p e n 心c b i t e c t u j c m a n u f a c t u r i n g ) 、敏捷制造嘲a m ( a g i l e 西南交通大学博士研究生学位论文第5 耍 用户域功能域结构域 工艺域 图1 4 产品开发过程领域映射图 1 3c a d c a p p c a m 集成技术 c a d 、c a m 技术各自独立发展于5 0 年代末，而c a p p 系统的发展开始于 7 0 年代。虽然在过去的二十年中，c a d 、c a p p 和c a m 单元技术作为c i m s 系统的关键组成部分得到了快速的发展，但由于这些系统是从生产过程的不 同侧面分别发展起来的，实质上只是独立的自动化“孤岛”，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不相同， 信息难以交换。资源不能共享【2 1 1 。c a d 、c a p p 及c a m 的集成是保证各分散 系统之间数据和信息自动传递、转换和共享的关键，也是实现更大范围系统 集成的重要基础。因此，8 0 年代以来，c a d ，c a p p c a m 集成技术的研究成 为一个十分突出的问题，引起各工业化国家企业界和学术界的高度重视。集 成化的c a d c a p p ，c a m 系统在c i m s 和c e 中起着举足轻重的作用，是c i m s 和c e 的研究关键技术之。 c a d ，c a p p ，c a m 集成方式的发展经历了3 个阶段【2 2 ，2 3 1 。 最初形式的集成是通过专用数据格式文件来交换产品信息，属于最低层次 的集成。对同一应用环境，可通过予系统问的相互协调来实现文件层次上的 系统互联：而对不同的应用环境，需要开发子系统与专用数据文件之间的转 换接口，进行前置或后置处理。这种集成方式的特点是：数据交换原理简单， 数据转换接口程序容易实现，但无法实现广泛的数据共享，数据的安全性和 可维护性较差。因而只适用于小范围、简单类型零件的系统集成。 随着对产品数据交换的深入研究，先后出现了许多相关的数据交换标准。 如7 0 年代末，美国c a m i 开始研究初始化图形交换标准( i g e s ) ，解决二维图 中的信息共享问题。近2 0 年，各国相继制订了许多相应的数据交换标准如 c a d + i 接口、产品定义数据接口( p d d i ) 、产品数据交换规范( p d e s ) 、数据交 西南交通大学博士研究生学位论文第7 夏 一。传统的实体造型技术建立在几何表示和操作上，低层次、无工程含义的 集合操作同设计人员高层的设计概念与方法产生矛盾；其二，近十年来，计 算机集成制造系统得到了长足的发展，这就要求传统的c a d 系统除了满足自 身信息完备性之外，还必须为其它系统，如c a p p 、c a m 系统等提供构成完 整零部件模型所必须的其它信息。尤其非几何信息，如材料、公差等。 1 4 2 特征是什么 一般说到特征常指的是形状特征。从广义上说，特征的内涵远不只是形 状特征。具体的特征定义取决于所面向的应用域和3 d 数据的表示【3 4 j 。如， 使用c s g 技术设计的3 d 模型的特征定义与基于b - r e p 、使用边界表示构建模 型的特征定义完全不同。这也意味着特征本质上是应用域相关的，不存在孤 立于应用域之外的抽象特征定义。 就工艺设计域而言，对于制造，特征信息可以被视为被去除或增加的材料 体积，这取决于具体的制造过程。对于材料去除工艺，如铣削，特征可与制 造操作或切削刀具相联系。例如，简单的平底键槽可被视为普通机床的操作 特征，而t 型槽则可被视为特殊成形刀具的操作特征。这些特征可以是半自 动地转移给工艺规划程序，在工艺规划程序中可完成计算切削路径、检测碰 撞，以及产生n c 指令等，且制造特征须与具体车间的制造资源相联系。特 征概念的运用并不局限于材料去除过程，材料增加工艺，如铸造、焊接也有 对应的特征。 1 4 3 特征建模 基于特征产品建模系统的核心是特征模型的生成机制，特征模型生成机制 的好坏直接影响到基于特征的c a d 系统的性能1 3 6 】。一个基于特征的产品模型 至少包括相互联系的两部分：特征模型和几何模型。几何模型包括物体的边 界表示、c s g 或其它几何表示，而特征模型包括一系列特征、特征之间的关 系或其它高层信息( 见图1 5 ) 。 建立特征模型的方法很多，主要可分为4 类1 3 6 】： 交互特征识别：首先生成几何模型，用户通过图形交互选取构成特征的拓 扑几何元素，并提取特征。 自动特征识别：首先生成几何模型，通过特定的识别程序从结果物体中自 动找出满足要求的特征。 特征设计：首先建立特征模型，再从特征模型自动生成相应的几何模型。 西南交通大学博士研究生学位论文 第9 页 由j o s h i 和e h 触7 1 提出，目前一些商品化工艺设计软件集成了这种方法，如 t e c n o m a t i x 的p ：a r t 软件。在这个方法中。零件的b f e p 模型被表示为图的数 据结构，并通过它来搜索特定的特田骚器。掣邑尹募鬣黛掣；强撑蜷嘤；舀 耀垮湛嘈理旦埠；藐婴；耀崆匹m 萎；需缂陕灞落囊旺螅裂融尉l 剥 强瓣季i j j 蹋霉鞋麓增括零件名称、零件编号、生产数量等属性对应的行为可 以是零件编号的修改，生产数量的确定等。 图2 _ 4 基于u m l 的产品模型 确定各对象类之间的关确定各对象类之间的关系。对象类之间的关系有多种：泛化关系 x 第1 8 页西南交通大学博士研究生学位论文 讨论概念工艺规划原型系统的关键接口技术： 零件外形信息获取及归类： 零件中特征有效性的曝豳 ； 墨趸堑聊錾嚣辕塑捌分币嚣鞑； ； 懿；辅毵黼蜇案善端诺始盟型王# ； =随灞畲犁裂拦群雕蓼豁丌j i i ：攀j 雾| 薹荔囊饕萋鍪霾 驿筘茹霖辅嚣苒琴釜鞋掣卤霎颦寺暑强翟皇迥馑工至觏；趔蠹轹翦j 触强 毂群能鲴彀甄煦蛾盟髓昭目譬静列确定其制造主工艺，基于其特征信息确定 其 特征制造工艺。由于3 d 实体及特征建模过程中复杂的特征相交势必造成特征 信息的丢失、退化和变异，因此本文提出采用增量式形状描述和特征信息描 述技术，在建模的过程中完成：零件外形的确定和归类、特征相交关系分析、 制造特征识别映射等。 5 ) 零件相似性评估技术 零件相似性评估能有力 地支持零件变异式的工艺规划生成、设计的可制造 评价、净成形( n c t sh a p e ) 制造和近净成形( n e a rn e 卜s h a p e ) 制造中产品的制 造方式和成本估计的确定等。而在概念工艺规划系统中若能将新设计零件与 已制造零件库中的零件设计进行有效的相似性评价，则可方便地根据已有零 件的相关信息数据来支持新设计的可制造性评价、制造资源选择和制造成本 评估。本文基于所获取的零件及特征信息，提出概念工艺规划系统的零件相 似性评估分为两个层次，一是根据设计属性对零件的等价性进行讨论；二是 进一步对零件进行结构 第2 0 页西南交通大学博士研究生学位论文 第2 章产品生命周期的建模技术 模型是对实际事物的一种抽象描述。并不局限于特定的形式，可以是数学 公式，也可以是图形、文字叙述等。因而可以这样理解：不管形式如何，只 要这种表述能回答有关某实际对象的相关问题，就可将其视为该对象的模型。 故本文产品模型可理解为：解释有关产品对象在整个产品生命周期中各种问 题的一种产品的抽象描述。 2 1 产品生命周期概念 国际标准i s 0 i e c l 2 2 0 7 ：1 9 9 5 中对产品生命周期的定义描述为：产品生 命周期p l c ( p r o d u c t l i f e c y c l e ) 是指涉及产品的概念、定义、开发、生产、 运行、维护、产品处置、生命的跨度的过程，活动和任务( 6 引。目前学术界和 企业界对产品生命周期的组成阶段没有一个统一划分，如c i m d a t a 将其划分 为三个主要的、相互作用的阶段：产品定义( p r o d u c td e f i n i t i o n ) 、生产定义 ( p r o d u c t i o nd e f i n i t i o n ) 和运作支持( o p e r a t i o n a ls u p p o r t ) ：而p t c 公司则认 为产品生命周期包括概念产生、设计、采购、生产、销售和服务等阶段从 普遍可接受的观点来看，一般将产品生命周期划分为：需求分析、概念设计、 产品设计、加工制造和服务支持等五阶段。 2 1 1 需求分析 良好的需求分析活动是市场和企业之间沟通的桥梁。需求分析是产品生命 周期的第一个子过程。在此过程中，企业识别、考察其目标市场客户的需求、 确定产品的基本功能、性能、使用环境和其它约束，并最终得到满足要求的 产品使用需求说明书。 2 1 2 概念设计 概念设计词最早是由p a l h 和b e i 乜于1 9 8 4 年在e n g i n e e r i n gd e s i g n 一书中提出的，具体定义是：“在确定任务之后，通过抽象化拟定功能结构， 寻求适当的作用原理及其组合等，确定出基本求解途径，得出求解方案6 6 1 ”。 而f r e n c e 在其著作c o n c e p t i l a ld e s i g nf o re n g i n e e r i n g 中则将概念设计定义 为：“概念设计是考虑设计问题的内容，并以方案的形式提出多个解的设计阶 段h ”。在此阶段，设计工程师根据需求分析、经验和工程知识，形成产品的 西南交通大学博士研究生学位论文第2 1 页 一个基本概念，如产品的系统特征、性能、结构、形状等。其设计方式一般 分为创新设计和变型设计两种。创新性产品设计是采用新技术、新原理和新 材料来发器始韶刍裂蚴靶黝硼髓啄；境罐溺前童鐾囊剐鳓篱邑羡引剜鲫 铲；啊盹移i 纠妻一氡誉；避鞲蚕到窝基蘩猎奇出譬。譬锌羹霭狺鐾鬻。藉 麓弱日雪列粥辐鼎蘸墓蒜墨蓍裂嚣蜀戮题研究会上首次提出的。目前普遍接受的定义是i d a 研究报告( r - 3 3 8 ) 中提出的：并行工程是一种对产品及其相关过程( 包括制造过程和支持过程) 进行并行、一体化设计的系统方法，这种方法要求产品开发人员从一开始就 考虑到产品整个生命周期( 从产品的概念形成到报废) 中的所有因素：包括 质量、成本、进度计划和用户需求等【”l 。 下游活动对上游活动的支持和反馈 图卜3并行产品开发过程 并行工程是一种企业组织、管理和运行的综合解决模式：采用多学科团队 ( t e a l i lw j r k ) 和并行过程的集成化产品开发模式。其产品开发流程如图1 3 所 示。 它将传统的制造技术与计算机支持技术、系统工程技术、自动化技术相 结合，将串行的产品生命周期中各环节并行起来进行，组成多学科的小组， 在产 因素，力争使产 x 西南交通大学博士研究生学位论文第2 3 壅 的产品模型m 8 0 】、面向生命周期的集成产品模型m l 、虚拟产品模型【s 2 l 等等， 这些产品模型的应用领域和内涵不尽相同，但其提出的目的是一致的，即都 是解决产品在计算机环境中的合理定义和表达。 产品是制造业的核心，企业的各种活动都可以看成是以产品这个“变量” 为驱动而展开的【8 3 l 。从信息的角度来看，对不同产品信息的描述、收集、优 化、通讯和管理及产品信息的物质化过程，驱动着企业信息流和物质流的运 行。产品在整个生命周期中不同的生产活动阶段有不同的信息表示，如需求 信息、设计信息、制造信息、维护信息等，这些不同的信息可用相应的产品 信息模型来表示。 2 4 产品模型的表示方法 2 4 1 产品数据交换标准s t e p 在并行工程中，大型复杂产品开发过程需要大量的部门和人员参与，且企 业内及企业间存在复杂的信息交换。产品数据的表述和传递成为大型复杂产 品开发成败的关键。产品数据的表达方式经历了文字、草图、工程制图、二 维和三维数字图形、数据库、多媒体文档等演化过程。在二维工程制图时代， 工程师经过训练后采用相同的符号来表达设计意图和标注各种技术要求然 而，到了数字化模型时代，各种计算机系统却没有相同的数据表达格式，缺 乏统一的规范。且在某种意义上说，专用的产品数据存储格式是各种c a d 系 统开发公司的商业秘密，也是其参与市场竞争的主要武器。因此。存在于各 种计算机应用系统内的产品数据表达方法直接依赖于具体的应用领域和计算 机系统。 c a x 系统集成的关键是产品数据交换和共享经过二十多年的研究，其信 息集成方式而言，大体上可分为两种方式：一是与现有c a d 、c a m 商品化软 件结合，建立专用接口，实现系统集成；二是开发新一代的集成系统。后者 是解决系统集成的根本途径，然而，从底层开发一个全新的系统需要巨大的 投入、完善的技术支持，到目前为止仍没有成熟的商品化软件问世。通过各 种专用的接口来实现c a d 系统之间的数据转换，如图2 1 所示，由于专用数 据交互接口的开发和维护复杂，且数量巨大、种类繁多，不适于大范围的产 品数据交换。随着工业自动化和计算机技术的不断发展。制造业急需综合性 的可靠信息交换机制来实现c a x 系统之间的有效集成，因此，需要制订一种 统一的符号语言来建立模型，通过统一的中性数据格式或标准，各种计算机 第2 4 贾西南交通大学博士研究生学位论文 系统可实现产品信息集成，如图2 2 所示。 凰一 图2 - 1 专用接口式数据交换图2 2 统一标准式数据交换 在产品数据交换标准方面，近二、三十年来，国外做了大量的研究和制 订工作出现了许多标准，如美国的d x f 、i g e s 、e s p 、p d e s ，法国的s e t 、 德国的v d a i s 、v d a f s 等。早期的数据交换仅限于计算机绘图数据和三维几 何造型数据，随着计算机集成制造技术的兴起，要求各个计算机辅助系统能 纳入集成的产品设计、分析、制造框架内，因此交换的内容除几何图形数据 外，还包括许多非几何信息，因此，需要制定能支持产品生命周期的数据交 换标准，应用这一标准来实现各个计算机辅助系统之间的数据交换和信息集 成。故而i s o 基于p d e s 正在制订和完善产品数据表达与交换标准s t e p 。 由于i g e s 存在信息表达方式不唯一，文件存储量大。只能转换c a d 模 型，不能完整表达产品生命周期所有数据等不足，i g e s 的相关组织重新开发 了p d e s ( p m d u c td a t ae x c h 觚g es p e c i f i c a t i o n ) 标准，并将p d e s 提交到国际 标准化组织i s ot c l8 4 s c 4 。i s 0t c l 8 4 s c 4 在p d e s 的基础上制订了s t e p 。 s t e p 标准( 正式编号为i s 01 0 3 0 3 ) 提供了一种独立于任何一个c a x 系统的 中性机制来描述产品数据。它是计算机可理解的产品数据表示和交换国际标 准。本文制造特征的内涵符合s t e p 标准a p 2 2 4 应用协议中对制造特征的定 义和描述。 1 ) s t e p 体系结构 s t e p 标准体系结构包括多种组成部分，支持产品数据的交换和共享。参 与产品数据交换的计算机系统可以采用各自的数据格式存储产品，然后采用 s t e p 格式进行产品数据交换。s t e p 体系结构如图2 3 所示，主要包括数据 描述、描述方法、一致性测试方法和实施方法等几部分内容： 国 罔 一 k凰丑 旦h 亘 西! 南 嚣主理天囊= 博千品翌究番孝罕希 丢竖文! 霎雾张；墨冒馨器嚣淫话纛臻! 奏羹鹜i i ；一警主l _ _ _ 。_ _ _ 毒囊萋霎冀 了_ _ _ 二看酉鲍“孤峨i 蠹蕊r “薹l 蠢雾霎妻i 薹妻枸萄窭骞墙嘿泌固厕筏皆渊蝠 添一囊耄鳕萋蓁蕊弱繇聊翰欧畦? 啼酗置别蓐筮落翻剖飘：墅婪熏薹薹鎏酉 鼢力懿毖髓楚鞠琶基蓦蠹霸酗鬯羹羹囊蓉一溜翟。瑚漤峨坼堪鹾粥强国灌济交 薹委器砸万珐碾定要塞荔嚣眷嘲嶷呵】塑可雕圳醛礤瓣等崮；篇囊渤淄写摘南 墒滋滋l 删峨巨摄翅塞睡蒸些型副型吲翻鍪嚣巍；霾荽萄搿黼玛遂型滢摇 搿娶黼理露嚣瓣琶藕鬻婪磁颓矾淹肄：盎搽笳衙搭落菊。锊稚器篓鲁蔡磋哽 戛薹譬缝嬖；孵聪螋醵“鳟轻豁酗r 蛳礴；雾试罐答稻p 似硅酗黼拍簖 零蠹耋薹丽僻慨狲番薹耍i 薹薹_ 箭j 疋嘲翱；8 “； 吨彬茂翘盖隈磁璎鹕蠹琵壁蠢翼鲥萋 羹磊猢“陶照飘轴馥酮繇瞄嬲矜 靖i 馐蠢幕鬯酒裔篓妻墼鲢囊藩酬”眦鲤鲤磐默臻髓弼盼酵期蹿裒魏句卡髓阿 崩= 秘驰蔓蛐媸醐铂哺喜豁辅謦缮嚷强增喟童：蛰琵冀翟量罄斋罱始型搽； 段数_ 堀蓬蕊糖瘫并潞增穗逼涌；琵偷磷勺一五痛倒凄蓬讯湃隧淄潍灌型j 应 用协议是标准并发的核心疆“鳓奶。日月靳拍。蜒努鏊萄淄融哐。誉肴j 受 鹫美裂型强孵鋈殛臻蕈要i 囊篓囊鹜；蚕够羹藐壤臻矗催臻淄一i i ；i ；。 l 。篓藩羹霎垂 ：，矍g 薹蓁霾篓羹囊萎 缸髟i 喇蘑譬冀豫泪淄猿湃渤国蕊琅缴潼。| 壬i j 吲| 矗j 剽车“鼬捌矧域嚣嗣 ，参誊等毫妻瑟墨薯姜萋毫萋善荽薹羹霆霉童鬻冀萋| 琴囊蕊蠢篓誊藿萎 毒砉誊萋i 参j 毒 x 第2 6 页西南交通大学博士研究生学位论文 语义，以便在多个应用协议之间交换数据。应用解释勾结通过通用的产品数 据描述方法来支持多应用协议对产品数据源的互操作。 2 ) s t e p 的应用 基于s t e p 的产品数据模型可以在企业内、外供应链、企业联盟中支持产 品数据交换、共享和存档。s t e p 标准在企业界和学术界得到广泛支持，目前 许多大型项目和大型企业已经采用s t e p 标准。如波音飞机制造公司采用 s t e p 进行c 1 7 机型零部件的数据交换，将物料清单的传递时间从数周降至 几分钟，在波音7 7 7 项目中用s t e p 标准支持数字化装配，缩短了制造周期的 7 5 。洛克希德马丁公司采用s t e p 标准，在其f 1 6 和f 2 2 飞机工程中减少 了5 0 的设计加工时间。通用公司在密歇根成立了一个s t e p 转换中心( s t e p 仃a n s l a t i o nc e n t e r ) ，在各类c a d 系统之间传递产品数据。 2 4 2 统一建模语言u m l ( u h i f i e dm o d e l i n gl a n g u a g e ) 目前工业界普遍认同和采用的产品生命周期模型的建模语言有虚拟现实 建模语言v r m l ( v i r t u a lr e a l i t ym o d e l i n gl a n g u a g e ) 、统一建模语言u m l 、标 记性语言s g m l ，x m l 和产品数据标记语言p d m l 等，由于u m l 对面向对象 技术提供有力的支持，故本文重点介绍u m l 。 公认的面向对象建模语言出现于2 0 世纪7 0 年代中期，到了8 0 年代末， 面向对象技术得到了巨大的发展，不同的研究者和开发商不断推出和完善自 己建模语言，其中最有影响力的是g r a d yb o o c h 的b o o c h 方法、j 啪e s r 啪b a u g h 的o m t 、l v a rj a c o b s o n 的o o s e 和c o a d 和y b u r d o n 的o o ，o o d 方法a 各自为政面向对象方法使得各种方法不可避免地存在这样或那样的差 异这些差异限制了所有方法的推广应用基于这个认识，1 9 9 4 后著名的软 件工程学家g r a d yb o o c h 、j 锄e sr u m b a u g h 和i v a rj a c o b s o n 先后齐聚于 r o a t i o n a l 公司，携手合作，以原有的方法为基础，吸收各种方法的长处，共 同提出了新的面向对象的分析与设计语言一统一建模语言u m l ，且在1 9 9 7 年被o m x 西南交通大学博士研究生学位论文 第2 9 页 ( g e n e r a l i z a t i o n ) 表示分类继承关系，子类完全继承父类的属性和行为，如 图2 4 中。产品类可分为产品l 、产品2 两类。聚集关系( a g g r e g a t i o n ) 表示 整体与部分的关系，如图产品恐淄羹型戳固到雩济塌陡援。鳓肾筮跚蠢藿 繇，翱嚣溢诗塌罐曼誊蓦掣b 副器譬；z 影吲祭i 鳕自薹誉酉芎 眄蝗边渭猩臻 鬟蜊醋。鼍量 体积所有表面或半空闯进行扩展和相交来将增量体 积被分解为小单元，所有单元的并等于增量体积，且任何一对单元的正则交 为空：第二步是将一个单元的子集组合，产生出一个通过加工操作可去除的 体积；最后一步是，体积被归类于一个加工特征。在基于单元的分解方法中， 不同算法间最大差异在于将单元组合成不同的特征。 这个方法最主要的问题是计算复杂度，给定肛个单元，单元的所有可能组 合是单元集的幂集，即使可通过一些启发式规则来排除不可能的组合，但组 合算法的计算复杂度仍呈指数级。难以避免算法产生组合爆炸且与凸包分 解类似，单元分解同样不能保证识别出所有有意义的特征。 基于痕迹( h i n t ) 推理 1 9 9 3年，v a n d e n b r a n d e 和r e q u i c h a 首次提出了基于痕迹的特征识别 方法。特征痕迹是指一个特征实例存留在零件c a d 模型中的信息。在特征相 交时，一个特征的完整边界模式已不复存在，但只要它确是零件的一个特征， 就一定在零件的c a d 模型中留有痕迹，因此基于痕迹可以识别特征。特征的 痕迹可以是多方面的信息。目前所指的主要是拓扑几何信息定义的特征痕迹。 具体识别过程是：首先在零件的边界表示中提取出所有的特征痕迹；然后通 过几何推理判别每一特征痕迹对应于真实特征的可能性；最后构造出特征痕 迹所对应的完整特征。高曙明等在其基础上进一步研究1 5 5 j ，刘云华等提出了 个基于痕迹的特征模型解释新方法【5 引。 第3 0 页西南交通大学博士研究生学位论文 以单件小批量生产企业的客户需求分析为例，其需求信息模型主要解决三 个方面的问题：获取需求、表述需求和分析需求，图2 7 是用u m l 类图表述 的一个需求信息模型的示例。客户对产品的需求是多种多样的，且很可能缺 乏条理、含义模糊，故首先需理清客户的需求：其次根据所获得的客户需 求信息，采用数字化的工具进行表达、记录并存储，如图所示记录为产品的 设计任务书和产品的管理信息；最后也是最重要的工作是分析需求，根据各 类标准和知识选择科学的需求分析方法，对所表述的客户需求进行提炼、 分析、分类，如图2 7 中，在科学分析方法及各类标准的作用下，将产品设计 任务需求具体为零部件需求和产品总体需求两类，并获得其包含的具体属性 和行为。 图2 7 产品需求信息模型示例 第3 6 贾西南交通大学博士研究生学位论文 控制层 核心层 应用层 产品应用模型 图2 - 1 2 全生命周期产品信息集成模型构成 2 ) 产品主模型 产品主模型是产品信息的核心，也是应用领域的信息来源及交换、传递信 息的中心媒介。它是一个全局的、统一的信息模型，支持产品开发过程个应 用活动并使冗余信息达到最少的标准化实体集合。在产品生命周期中，协调 全局、并保证数据过程共享和数据一致。一般主模型由设计、工艺分析、结 构分析和制造等所有应用领域的共同信息组成，包括几何，拓扑、形状特征、 材料特征、精度特征、工艺特征以及其它相关属性。产品主模型的物理层包 括数据的交换和存储模式，目前对数据交换的研究热点是基于s t e p 中性文件 的数据交换。 3 ) 产品应用模型 产品应用模型是根据各应用领域的特点而建立起来的模型，它为各应用域 提供专用信息，其信息从产品主模型中提取，并以合理的形式加以归纳和组 织。由于不同的应用域对产品的信息有不同的需求所要处理的信息及信息 的组织方式也不同，因此，产品应用模型可分为表达形式和表达内容的应用 子模型，每个子模型不仅包括产品描述性数据，还包括产品应用性知识信息。 如工艺信息模型包括描述产品制造过程中的制造特征参数描述、加工精度信 息、及相关的制造资源、材料等信息。 目前集成化产品信息模型技术研究的热点是产品主模型技术，产品的主模 第3 8 页西南交通大学博士研究生学位论文 第3 章概念工艺规划的信息模型 设计者缺乏广泛的制造知识被认为是当前产品研发过程效率低的症结所 在。一个经验丰富的设计师习惯重复选择他所熟悉的加工方式和材料，而很 少考虑其它可行的加工方式和材料一个铸造经验丰富的设计师总会为其设 计产品选择铸造方式。由于产品的制造方法的更新非常迅速、产品批量小， 故s h a h 明确提出，这种由经验支配的产品设计制造方式是生产技术更新的致 命伤。并行工程思想是彻底变更传统制造业“抛过墙式”生产模式的根本途 径【9 lj ，能有效避免设计好的产品由于难以加工、甚至无法加工导致的产品设 计部分修改和彻底返工。 面向制造的设计一d f m ，即设计产品的可制造性分析是并行工程的重要内 容之一。d f m 在设计和制造之间架设起一座联系桥梁，其最终目标是一旦设 计完成，就能立即进行制造。 圈3 - 1 基于d f m a 的并行工程典型步骤 图3 - l 表示的是采用面向制造和装配的设计( d f m a ) 技术的并行工程环境 西南交通大学博士研究生学位论文第3 9 页 的典型步骤【9 2 1 。当设计者完成d f a 分析时，完成每一个零件的草图。在设计 者进一步详细设计之前，他们需确定零件材料和加工工艺。这个问题相当复 杂，因为要考虑有无数种工艺和材料的组合，且缺乏完整、准确的设计信息， 目前一般通行的做法是基于工程实践累积的经验和原则根据材料和工艺隐 含的关系排除不可行的材料和工艺。一般认为在选择各选的工艺时可采用材 料优先的方式或工艺优先的方式，而两种方式产生的结果是相同的。事实上， 工艺选择的主要约束是制造成本。 3 1 概念工艺规划与详细设计工艺规划的异同 术语工艺规划被定义为在一个设计产品被加工之前需完成的规划任务族。 可将工艺规划系统分为两个层次：低层次工艺规划和高层次工艺规划p 2 j 。通 常，低层次工艺规划是指在详细设计完成后形成的与零件制造相关的详细指 令。例如，在金属切削加工领域，低层次工艺规划包括操作序列指定、装夹 选择、机床选择、刀具选择、切削参数选择等等；而高层次工艺规划的主要 任务是设计早期阶段，尤其是概念设计阶段，对概念设计产品所进行的材料 选择、制造成本估计和可制造性分析等活动，也称为概念工艺规划。如图3 1 中虚线所包含的生产活动。 从实践上看，概念设计的重心是产品的结构，而不是单个的零部件，着重 强调结构的功能性能否满足产品功能需求。在产品被概念化定义后，设计者 创建组成零部件的初样设计，而概念设计的最终制约因素应是产品的制造成 本：决定一个零件是外购还是自行加工，或者是否值得进一步进行详细设计。 鉴于早期设计在整个产品制造过程起着举足轻重的关键作用，若设计者仅仅 根据自身的经验，指定一个自己了解的材料工艺组合，则概念设计阶段的工 艺设计是非常简单的；但若需要在设计的早期阶段确定每一个零件较可靠的 成本估计，且考虑所有可行的工艺和材料，则这一过程会变得非常复杂，甚 至很难完成。 基于产品概念设计阶段获得的产品构造，设计者在详细设计阶段对每一个 零件进行具体设计。详细设计的目的是进一步完善概念设计的形状，使之与 所选工艺一致，并建立详细说明。在此阶段运用d f m 技术是获得良好的产品 详细设计的前提和保证。由于d f m 的准则是针对具体加工领域的因而在任 何详细设计进行之前应提供出一个加工备选列表。如果设计者在开始详细设 计后才为每一个零件选择加工域则太迟了。一个好的设计，设计者应避免完 西南交通大学博士研究生学位论文 第4 1 页 之间的一个联系，并给出一个能进行应用域相关的可制造性评价的方法p q ： n l e o d o r a c t o s 等描述了一个概念设计的专家系统，它能解释功能结构、搜索工 程解决方案，并对其进行评价【9 7 】；u m e d a 等提出功能- 行为- 状态f b s ( f 吼c t i o n - b e h a v i o 卜s t a t c ) 方法学来对功能进行建模，并基于f b s 建模方法 开发了一个计算工具来支持功能设计【9 8 l ：k i m u r a 等尝试获取并表示出产品的 背景信息，包括需求、规格、条件、约束、决策过程和其它原理规则等唧j 。 这些工作对概念设计工艺自动化有非常重要的作用，但因不能在早期产品设 计阶段提供现实、合理、可行的可制造性评价，仍远不能满足工程实践的需 要。 3 2 。2 概念工艺规划的研究现状 与概念设计相比，概念工艺规划的研究才刚刚开始，而且一般的c a p p 研 究和开发都主要集中于金属切削过程，尤其是n c 加工，很少涉及到其它应 用领域【l 】。实际上，制造工艺规划应覆盖广泛的制造过程，如铸造、成形加 工、焊接、钣金、检测，甚至装配。 w i l s o n 等是最早将材料与工艺选择进行联合研究的学者之一【l0 l 】，他研发 了一个基于f o r t r 她的材料和制造工艺选择的计算机程序。s h e a 和d e w h u r s t 【1 0 2 】 在其基础上继续进行研究，所研发的系统基于商业化的关系数据库系统，该 材料工艺选择程序称为计算机辅助材料和工艺选择c a m p s ( c o m p u t c r - a i d e d m a 括f i a i 锄dp f o c e s ss e l e c t i o n ) 。在c a m p s 中，基于输入的零件形状、大小、 产品参数、机械性质、热性质、电属性和物理属性来选择工艺。综合的工艺 集包括固化工艺、固体变形工艺、材料去除工艺、壳体成形工艺。研究基于 主工艺选择，得出可行的材料和工艺组合，但c a m p s 系统不提供每个备选工 艺的早期成本估计。 f a r r i s l 旧3 】研发了一个专家工艺序列系统( e x p e r tp r o c e s s i n gs e q u e n c e s e l e c t o r ) ，其目标是解决以前工作存在的遗漏某些可行的基本工艺和材料组合 问题。其过程分为四个步骤：几何体输入、工艺选择、材料选择和系统更新。 在零件几何体描述中，用户根据其尺寸、形状、截面和特征来进行归类。工 艺一形状关系使用模式匹配技术。基于考虑了零件几何体的规则来选择备选工 艺。在零件包围体大小限制、包围体的基本外形尺寸和截面的基础上选择主 工艺。评价零件上每个特征。以确定主工艺是否可形成该特征。如果主工艺 不能制造该特征，则系统查找主辅工艺来制造该特征。材料选择程序利用模 糊逻辑来对不确定材料约束进行建模，并选择适合的材料。最后一步是为每 第4 4 页西南交通大学博士研究生学位论文 一个完全基于c a d 信息的。所有的材料和设计属性必须通过文字方式的手工 输入。在定义零件的形状时，设计者需要选择一个综合的零件描述。一股 设计者有3 个选择：零件属于哪一个类型的文字性描述，典型零件的简单描 述和每一个类型的组件列表【9 3 】。与零件几何描述类似，分类和编码系统也存 在模糊和误分类的问题，简单的说就是很难用一个简化的文字描述集合来完 整地表述出复杂的几何体。 事实上，在设计的早期阶段确定零件的制造成本比确定低层次工艺规划更 为关键。对设计者而言。早期的零件成本信息是制造企业是否有必要进一步 对产品进行详细设计的关键因素。在现存的系统中，或没有成本估计，或成 本估计很难实现。通常与工艺相关的设计属性需手工输入，费时又易出错。 为了获得早期的成本估计，需要从零件中获得较完整的零件和特征信息。在 近净成形净成形制造工艺中，如注塑或铸造，零件形状的复杂性将显著地影 响制造成本，尤其是刀具成本。因此。合理、可信的成本估计只有在零件形 状准确描述基础上才能获得。 3 3 概念工艺规划定义 一个明确的概念工艺规划定义是概念工艺规划方法学所必须的。基于概念 工艺规划的需求和它与概念设计及详细工艺规划的关系本文给出下面的概 念工艺规划定义。 定义：概念工艺规划c p p ( c o n c e p t u a lp r o c e s sp l a n n i n g ) 是产品设计早期 阶段概念设计中的基本可制造性评价活动，其目的是确定制造工艺、选择加 工材料和制造装备，并粗略地估计出制造成本。概念工艺规划能对设计的优 化，产品形状、配置、材料选择和制造成本最小化提供支持。 概念工艺规划的活动与详细工艺规划类似。与c p p 相比。详细工艺规划 是基于完善的产品设计结构和概念工艺规划的结果来确定加工操作、操作的 顺序，选择机床、刀具、工装，确定加工参数，并估计出制造时间和成本。 3 4 概念工艺规划的活动模型 不少工艺手册提供了材料和工艺选择的向导。d i x o n 等根据材料工艺决策 途径是先确定工艺还是先确定材料将其归纳为两种方法：工艺优先法和材料 优先法，如图3 3 所示。在工艺优先方法中，输入是产品体积、大小和形状等 零件信息，确定可行的工艺。一旦选择出工艺，下一步是查找出与所选择工 一 亘查奎望查兰堕主堑壅竺兰焦笙窒 苎竺要 _ - _ _ _ _ _ _ _ - - - _ 。_ 。_ 。_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - 。_ _ _ _ _ _ - 。_ _ h _ - - _ 。_ _ _ 。_ - - _ _ 。一 艺相兼容的材料类。然后通过各种应用信息来决策出最后的可行材料类在 材料优先的方法中，搜索从应用信息开始，基于应用信息确定可行的材料类， 然后从可行的材料各选列表中，确定相关的工艺。在考虑零件信息后列出 最后的可行工艺。理论上说。两种方法应产生同样的结果 考虑零件信息 i ( 产品体积、尺寸、形状等) 选择可行工艺类型 i 选择相关材料类 l 考虑应用信息 l 选择可行材料类 考虑应用信息 ( 应力、环境等) l 选择可行材料类 l 选择相关工艺 i 考虑零件信息 ； 选择可行工艺 图3 3 材料、工艺选择的途径 根据基本制造工艺规划活动的描述【1 0 0 啪j ，本文描述的零件概念工艺规划 原型系统为材料优先的方式，系统决策的过程分为零件材料选择、制造工艺 选择、制造资源选择和制造成本估计四个方面，其活动模型如图3 - 4 所示。 用户需求 概念产 品设计 确定零 件材料 选择的材料 一选择的工艺 - 选择的资源 估计制i 造成专。r 估计的成本 确定制 造工艺 选择制 造资源 材料选择知识制造工艺知识制造资源模型成本模型 图3 1 4 概念工艺规划的活动模型 篁竺要亘重奎望查兰堕主塑壅皇兰垡鲨壅 一 概念设计活动输出产品概念设计到概念工艺规划，其控制数据为产品的用 户器求；材料选择知识、制造工艺知识、制造资源模型和成本模型是其作用 数据；选择出的材料、工艺、资源和估计出的成本是c p p 的输出数据，并将 其反馈给概念产品设计者。 3 4 1 确定零件材料a 1 在完成了初步的概念设计后，根据概念设计输出的零件信息，首先进行的 是零件材料的选择。零件材料可由多个属性来约束a 1 ) 单位重量成本 该属性是材料单位重量的成本估计。这个数值是一个近似值因为通常材 料的单位重量成本取决于材料的几何结构，如空心轴材料的单位重量成本低 于同种材料实心轴的单位重量成本。 2 ) 密度 零件单位体积的质量。 3 ) 屈服强度 材料屈服点所对应的强度值，屈服点是指材料应力测试中，应力保持一定， 而应变发生剧烈改变的那一点。 4 ) 热膨胀系数 热膨胀系数是材料受热或受冷时的热膨胀线性因子。热膨胀系数在零件加 工中影响零件的尺寸和形状。 5 ) 弹性模量 弹性模量是指材料的刚性，更精确地说，是给定材料应力和应变的比值。 6 ) 硬度 材料的硬度与其屈服强度相关，更高麴的妄_ 羹丽旖鲤料拍耕懿醵孽由割氦 勺( j 篮爨冤攫高度；事睁型其厚度相对鞍薄琶管酾；鞭帚萄币则邑= 萌阿一 个与圆柱体同轴的通孔： 两个同轴圆柱体进行布尔差操作。 3 )圆形盒体r b 和方形盒体s b 圆形盒体的特征是与包围盒的长度、宽度、高度等相比，其厚度相对较 薄。 其它的特征还可以是其顶面有很大的开放部分，基本上可认为是一个虚 西南交通大学博士研究生学位论文 第4 7 页 征工艺。在此阶段还完成产品制造的工艺排序。 图3 4 中确定制造工艺模块包括了一系列工艺选择途径，并可进一步分解 为4 个子活动，如图3 - 5 所示。 艺 制造工艺知识 图3 5 制造工艺选择 1 ) 基于材料确定工艺a 2 l 该子活动主要是基于材料的属性及材料和工艺的相互作用关系来选择制 造工艺，即选择材料的可行工艺集合。 2 ) 基于数量确定工艺a 2 2 基于该产品需加工的数量从a 2 1 中筛选合理的制造工艺。大批量加工需 要较高的生产率，并可能包含了专用的机床设备和特定的熟练加工者：而小 规模加工需要更有经验的加工者和较普通的机床设