（机械制造及其自动化专业论文）面向并行工程的cadcam集成技术研究.pdf

t h er e s e a r ch o nc o n c u r r e n t o r i e n t e d c a d c a mi n t e g r a t l 0 n a b s t r a c t f e a t u r et e c h n i q u ei sn o to n t yt h ek e yo ft h ei n t e g r a t i o no fc a d c a ms y s t e m b u ta l s ot h ec o r eo ft h ep r o d u c tm o d d i n gt e c h n i q u es o m ek e yt e c h n i q u e si n c o n c u r r e n t o r i e n t e dc a d c a mi n t e g l a t i o na r es t u d i e di nt h i sp a p e r i n c l u d i n g f e a t u r e s b a s e dm e a n i n g si nc o n c u r r e n t o r i e n t e dc a d c a mi n t e g r a t i o n a n dt h e a l g o r i t h m s f o r o b t a i n i n gm a c h i n i n g o r i e n t e d m o d e l s b yi n t e g r a t i n g f e a t u r e b a s e dd e s i g na n df e a t u r e e c o g n i t i o n t h em a i nr e s e a r c h e sc o v e rt h em l o w i n ga s p e c t s 1t h eo v e r a l ls c h e m af 0 rc a d c a mi n t e g r a t i o ni nc o n c u r r e n te n g i n e e t i n g 夺ac a d c a mi n t e g r a t i o ns c h e m af o rc o n c u r r e n te n g i n e e r i n ga n dt h e c o r r e s p o n d i n gi m p l e m e n t i n gp l a na r ep r o p o s e d as v s t e t n c o n s t r u c t i n of r a m e w o r kf o rc o n c u r r e n t o r i e n t e dc a d c a m l n e g t l a t i o n i s d e s i g n e d i n c l u d i n g a l lt h er m c t i o n a lc o m p o n e n t si na n i n t e g r a t e ds y s t e ma n dt h ew a yt h e ya r eo r g a n i z e d 2 f h er e p r e s e n t i n gm e t h o dn r e a t u r c b a s e da n dc o n c u r r e n t o r i e n t e dp r o d u c t m o d e l s t h es t r a t e g yf o rr e p r e s e n t i n gt h ec o n c u r r e n t o r i e n t e dp r o d u c tm o d e l i s p r o p o s e d t h e r e p r e s e n t a t i o n o fc o n c u r r e n t o r i e n t e d p r o d u c tm o d e i s f e a t a r e b a s e d d e s i g nf e a t u r e sa n dm a n u t a c t u r i n gt e a t u r e se x i s ti n as a m e m o d e la n da r ei n t e r r e l a t e d m a n u t a c t u r i n gf e a t u r e sa r er e c o g n i z e df r o m d e s i g n f e a t u r eb a s e dm o d e l 夺t h ep r o d u c tm o d e l s r e p r e s e n t i n gs c h e m ai sd e s i g n e dap r o d u c tm o d e li sa r e a s o n a b l ec o m b i n a t i o no ft h er e p r e s e n t a t i o no ft h ef o l l o w i n ga s p e c t s b o u n d a r yg e o m e t r y b r e p d e s i g nf e a t u r e m a n u f a c t u r i n g t 乇a t u r ea n dt h e r e l a t i o n s h i pa m o n gd e s i g nf e a t u r e sa n dm a n u f a c t u r i n gf e a t u r e s 夺f e a t u r er e l a t i o ng r a p hi sd e s i g n e dt oc o m p l e t e l yd e s c r i b et h er e l a t i o n s h i p a m o n gd e s i g nf e a t u r e sa n dm a c h i n i n gf e a t u r e s 3 t h em e a n i n g sf o ro b t a i n i n gm a n u f a c t u r e o r i e n t e dm o d e l sb yi n t e g r a t i o n f e a t u r e b a s e dd e s i g na n df e a t u r er e c o g n i t i o n 夺ar e g u l a r i z e da l g o r i t h mf o rd e s i g n f e a t u r eb a s e dm o d e li s p r e s e n t e d 1 7 0 o b t a i nr e g u l a r i z e dd e s i g n l 叠a t u r eb a s e dm o d e l i nw h i c hd e s i g nf e a t u r e sc a l l b eu s e dd i r e c t l yf o rm a c h i n i n gf e a t u r e s d e c o m p o s i t i o n 夺b a s e do nr e g u l a r i z e dd e s i g n f e a t u r eb a s e dm o d e l a l lt h em a c h i n i n gf e a t u r e s r e p r e s e n t e da sv o l u m e c a nb ed e c o m p o s e df r o mt h ep a r t st o t a lm a c h i n i n g v o l u m eb yt h em a c h i n i n gf e a t u r ed e c o m p o s i t i o na l g o r i t t u n t h es e m a n t i c so f m a c h i n i n g f e a t u r e sa r et r a n s l a t e di nt h e p r o p o s e d m a c h i n i n gf e a t u r er e c o g n i t i o na l g o r i t h m a n dt h er e p r e s e n t a t i o no ft h e r e l a t i o n s h i pa m o n gd e s i g n e a t u r e sa n d t h e c o r r e s p o n d i n gm a c h i n i n g 凫a t u r e si sc o l s 1 c t e d k e y w o r d s c a d c a m i n t e g i a t i o n c o n c u r l e n te n g i n e e r i n g f e a t u r et e c h n i q u e f e a t u r e b a s e dd e s i g n f e a t u r er e c o g n i t i o n 面向并行工程1 j g c a d o a m 集成技术研究 摘要 特征技术是c a d c a m 系统集成的关键 也是产品建模技术的核心 本文 对并行工程内c a d c a m 集成中的特征技术以及采用特征设计与特征识别相 结合的方法来获得制造模型等方面的问题进行了深入的研究 论文主要包 括以下方面的内容 1 并行设计方式与环境下 c a d c a m 集成的总体机制 夺提出并行工程内的c a d c a m 集成的策略和具体实现方案 夺设计了面向并行工程的c a d c a m 集成系统构架 包括集成系统所包含的 功能组件及各组件之问的组织与管理方式等 2 基于特征面向并行工 任e l 的产品模型表示方法 夺提出面向并行工程的产品模型表示策略 面向并行工程的产品模型基于 特征表示 设计特征与制造特征并存且相互关联 制造特征从设计特征 模型中识别出来 呤设计了面向并行工程的产品模型表示模式 产品模型是模型边界表示 b r e p 设计特征表示 制造特征表示及设计特征与制造特征之问相关 关系表示的有机统一整体 夺特征相关图完整地描述了设计特征之间 制造特征之间及设计特征与制 造特征之间的相关关系 3 特征设计与特征识别相结合以获取满足制造需求的特征模型的方法 夺提出设计特征模型规则化算法以便产生规则化设计特征模型 使得设计 特征可以直接用于加工特征分解 夺基于规则化设计特征模型 采用加工特征分解算法 从零件 营 b h z e 区域 中分解出所有加工特征的体积表示方式 夺加工特征识别算法同时处理了加工特征定义 产生了设计特征与相应加 工特征之间的相关关系表达 关键词 c a d c a m 集成 并行工程 特征技术 特征设计 特征识别 太原理 大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 c a d c a m 集成技术的发展及现状 从 j 与c a 技术各自独立出现至今已有近四十年的历史 在这四十年 期间 随着计算机硬件 软件 图形显示及智能模拟等方面技术的巨大进 步 c a d 与c a m 技术在其各自的领域取得了突飞猛进的发展 c a l j 技术从简单 的二维绘图到复杂的三维实体造型 从规则形体表示到可描述各种形状的 雕塑曲面造型 从线框图形显示到逼真的真实感图形显示 从静态的图形 显示到动态的仿真模拟 目前已经趋于成熟 c a m 技术不但在加工 疗面从原 始的二维甲面n c 编程发展到雕塑曲面编程 而且已经渗透到包括工艺规划 零件装配及质量保证等与产 1 5 a 甲0 造有关的备个环节 并取得了一定的成效 但是 c a d 与c a m 相对独立的发展已不能适应现代制造技术对其的需求 从而导致7 c a d c a m 集成技术的产生和发展 c a n c a m 集成技术旨在提供从 发计到生产制造的集成化系统 它的原始意义是指在计算机辅助加工 装 配的制造过程中需要并能有效地采用计算机辅助设计中所定义和生成的数 据 实现数据共享 c a d j c a m 集成技术发展到今天 已经到了一个百花齐放并极为迅速的阶 段 这除了在技术上不断出现新的研究成果与研究方向以外 主要表现为 各种功能强大的商品化c t d 7 c a t v l 集成系统相继出现并且以超乎想象的速度 更新 这其中包括 美国e d s 公司的h ig r a p h 参数化技术公司i p j l c 的 p r o e n g i n e e r 5 r d c 的i d e a s i b i 公司的c a t t a 参数化技术公司 p t c 的 s o l jd w o r k s 以色列自g c i m a t r a 9 0 等 另外 一些传统的纯c a d 软件也逐渐 加入集成的功能 其中较为典型的是美国a u t o d e s k 公司的a u t o c a d 这些软 件版本的更新速度与其强大的功能令人惊异 一些传统b j c a d c a m 领域内的 难点在这些软件中给予了很好的解决 如复杂醯面的加工 精确曲面的实 体造型 二维与三维的相关性 参数化造型 装配模拟 加工仿真等等 更加值得 提的是 无论是在国内还是在国际上 这些软件都受到了普遍 的欢迎并鼠得到了广泛的应用 产生了极大的经济效益 推动制造 业进入 了一个前所未有的发展高潮 12 并行工程概述 长期以来 产品开发大都沿着传统的顺序工程方法 遵循 概念设计 详细设计 过程设计 加工制造 实验验证设计修改 的流程 由于这种方法在发汁早期不能全而地考虑以后的可制造性 i j 装配性 质 量保证等渚多因素 使所制造的产品左很多方面达不到设计要求 这就必 然要求对设计进行修改 构成了从概念设计到加工制造 试验修改的大循 环 而且可能在不同的环节多次重复这一过程 使设计改动量大 产品开 发周惩长 成本高 难以 4 两4 足激烈的市场竞争的需求 并行工程是解决这些问题的仃效方法 它是充分利用现代计算机技术 现代通讯技术和现代管理技术来辅助产品设计带i 造的一种现代产品开发模 式 它站在产品没计 制造全过程的面度 打破传统的部门分割 封闭的 组织模式 强调多功能团队的均 同工作 重视产品开发过程的重组和优化 z 通过组成多学科产品开发队伍 改进产品开发过程 利用各种先进的计 算机辅助工具和产品数据管理等技术手段 使产品开发的早期阶段能及早 考虑下游的各种列素 达到缩短产品 f 发闫期 提高产品质量 降低产品 成本的目的 从而增强企业的竞争力 并行工程与传统生产方式的本质区 别在于它把产品开发的各个活动作为一个集成的连程 从全局优化的角度 出发 对该集成过程进行管理和控制 并日 对曼 有的产品开发过程进行不 断的改进与提高 1 3 面向并行的c a d o a m 集成策略 传统自q c a d c a v 集成从本质上来讲都是基于串行方式 在生产实践中发 现 由丁i 二同一零件在c a d c a m 集成路线 二各个环节的表示与处理方法有很大 的差异 加之很难用计算机完全代替人的经验与能力 造成了实际的集成 过程中 仍需在各环节之间进行大量的转换 同时 不可避免地产生设计 与二 艺1 作的多次反复 使实现真正含义上的集成遇到了难以克服的困难 因而 串行的c a d 7 c a m 集成不能最大限度地发挥计算机在制造业中的厦用潜 能 需要进一步改进 而向并行工程的集成技术无疑是集成技术的一个重要的发展方向 其 主要思想是 庄计算机网络环境下 采用并行处理模式 通过c a d c a m 系统 各环节技术人员协同台作 完成产品的设计与叫 r 旭 k z 最终实现集成 因而 面向并行的c a d c a m 集成策略是 以计算机网络作为c a d c a m 集 成实现的硬件环境 采用c s c w c o m p u t e rs u p p o r t e dc o o p e r a t i v ew o r k 的 研究成果提供给c a d j c a m 各环节人员并行交互叻1 j 司进行产品模型设计与制 造的软件环境 可实现协作者之问的通讯 共享设计空间 共享模型数据 与图形及叻作过程控制等功能 同时仍然把特征技术作为c a d c a l 4 集成的 核心 研究并行发出适合于卜述并行工程环境与并行工作方式的c a d c a m 集 成系统 1 4c a d c a m 集成的核心一一特征技术 氏期以来 对c a d c a i 集成的研究郡是以特征技术为核心的 特征已成 为集成中的信息传递媒介 与特征相关的技术包括基于特征的设计技术 特 征造型 以特征为基本单位的工艺设爿 以特征为基础的加工刀位文件 生成阻及基于特征的零件装配等 迄今为止 在上述各个独立的领域内 特征技术已经有了较为成熟的研究成果 在特征分类方面 研究者提出了多种分类方法 其中包括 p r a t t 和 w i ls o r 为c a v li f c o m p u t e ra i 1 e dm a n u f a e t u r i n g i n t e r n a t i o n a l j 提出的按 形状和构造特点的分类模式 它现已被p d e sf p r o c td a t ag x c h a n g eu sj 1 l g s t e p 作为形状特征信息模型f f i m f o r mf e s t u r ei n f o r m a t i o nm o d e l 的组 成部分 c u n n jr i ga n dd i x o n 十e 据形状特征在设计中所起的作用不同 将特 征分为静态和动态两类 动态特征是传递运动和能量的产品实体 静态特 征进一步分为基本类 附加类 交类 整体形状类 宏类等五大类特征 s h a h 等人按产品定义数据的性质将产品信息分为五大类广义特征 形j 发特 征 精度特征 技术特征 材料特征及装配特征等 p d d i p r o d u c td a t a o e f i i l j t 泐1i n t e r f a c e 根据制造方法将形状特征分为复合特征 机械加工 特征 板会类特征以及车削类特征 g a n d h i 和m y k l e b u s t 根据特征体素的拓 扑相似性质 将那些具有相同拓扑 1 1 质的特征归为一类 以便用相同数e l 的参数描述特征 在特征建模方面 先后出现了特征识别方法和基于特征的造型方法 列特征识别技术 研究最多并且成果最显著的是加工特征的识别方法 其 中包括基于体积的方法 如腔体 三角体 基于表面的方法和基于神经 网络技术的方法 识别的对象有c s g 数据模型 b r e d 模型 在基于特征的造型技术方面 产生的许多特征造型系统与特征造型方 法 基于特征的造型系统利用具有工程意义与确定形状的特征直接构造零 件模型 目前大部分特征造型系统都是面向加工的 但这与c a d 在设计与制 造各环节中的核心地位是不相符的 近年来出现了可以应用于各个制造环 节 的特征造型技术的研究 而不只是狭义的面向加工 其中 m a l l tjn o 等人 提出了一个以特征为核一5 n g c a d c a v 集成构架 此构架以面向形状的特征造 型为核心 通过特征转换工具生成各种l 应用于制造 加工 装配和其他制 造环节 的制造特征模型 这为特征造型技术的研究提供了新的方向 在基于特征的工艺规划方面 也有许多的研究成果与成熟系统 但由 于一i 艺规划这个问题股与某个具体行业或企业的实际情况和生产传统有 着密切的关系 因而 大多数基于特征的工艺规划系统都是面向某个具体 应月的 很少有通用系统 对已知形 趺生成n c 刀位文件目前是一个较为成熟的技术 其难点主要 在于对复杂曲面 包括干涉问题 的处理上 就目前田内外列相关问题的研究情况与c a d c a m 发展总的趋势来分析 目前特征技术的研究方向主要有以下两方而 是特征造型与特征以别相结合的方法研究 传统的基于特征的造型 方法 主要是面向制造和某一环节 因而对其余环节仍存在特征识别问题 另外 如发展一种面向所有制造环节的特征造型技术 方面系统会非常 庞大 繁杂 另一方面对于应用会有很大的冗余 这也是不合适的 因此 基于特征的造型并不能完全代替特征识别工作 近年来兴起的特征造型与 特征识别结合的方法被认为是目前为f e 能够满足c a d c a m 集成需求的特征 模型的最有效的方法 二是面向并行协同设计方式的特征技术研究 现代c a d c a m 集成总的发 展趋势是并行 l c a d c a m 集成技术的研究 传统的特征技术的研究成果在这 种新的设计方式下并不能完全适用 许多传统的研究成果在这种新的集成 方式下应该有所转变 1 5 本文的研究内容 本文在充分利用已有的研究成果的基础上 对并行设计 方式中的特征 技术 采用特t 征设计和特征识别相结合的疗法来获得南i 造模型等方面的问 题进行了深入的研究 论文主要包括必下方面的内容 l 对并行叻 同设计方式下 基于特征的 a d c a m 集成的总体机制进行研究 上要包括集成系统的构架等方面 2 对面向并行集成方式的特征模型表示模式进行r 研究 面向并行集成方 式的特征模型表示模式是芹行设计方式中特征技术的一个重要的研究 方向 传统的表示方法在新的设计思想与工作方式f 必须有所改变才能 适应 3 对特征设计与特征识别相结合以获取满足制造需求的特征模型的方法 进行j 研究 该研究旨存解决设计与制造模型的不一致性问题 是集成 工作顺利实现的一个重要环节 本文仅对整个集成构架中特征设计与特 征识别技术在面向加工领域的应用进行r 探讨 第二章面向并行的c a d c a m 集成系统构架 面向并行的c a d j c a 集成系统包括多个功能模块 以及各漠块之间的通 讯 相互调用等问题 21 设计特征库 c a d c a m 集成中最基本的工作是零件形状的设计 这将成为集成工作展 开的基础 而向并行6 9 c a d c a m 集成系统中采用特征设计的方法来获得零件 的形状 21 1 采用特征设计的必要性 特征设计是指 零件模型1 1 r 以直接利用各种特征进行定义 其主要优 点在于设计者可以在设计模型中存储非几何信息 包括形状公差 位置公 差 尺 十公差以及各种不同特征之间的相互约束关系 它们将为零件工艺 规划 零件加 及零件装配等集成的其它环节提供重要的支持 保证集成 工作的顺利实现 特征发计的工作在并行的集成环境中是由设计员来完成的 在零件形 状设计阶段一次就耍求生成满足设计与制造各月 节要求的特征模型儿乎是 不可能实现的 这是基于两个方面的原冈 一方面不可能也没有必要要求 设计员同时具备全面而又丰富的工艺知识 另 方面很难一次提供同时满 足形状 加工及装配等环节要求的特征 所以 虽然集成要求的零件模型 是面句韦i 造 但是对设计员来讲 最关心的仍然是零件的形状 在这种情况下 似乎在设计员参与的零件形 发设讨阶段采用传统的实 体造型方法就可以了 为什么我化还要采用特征设计方法来完成这一工作 呢 面向并行a j c a d c a m 集成中 制造模型是从设计模型中转换而来的 从 纯粹的实体模型中获取特征表示的制造模型 传统的特征识别 一方面 不能处理复杂的形状 另一方面不能处理特征相关关系 采司特征设计方 法获得的设计模型虽然是面向形状的 但该模型中包含有各种非几何信息 l 特征语义 公差及特征相关关系等 这些将有助予克服传统特征识别 方法的缺陷 因此 采用特征设计是必要钓 2 1 2 设计特征库 采用特饪设计方法来获取面句形状的设计特征模型 就必须提供一个 设计特征庠 这是面句并行5 j c a d c a m 粪成系统中的一个很重要的组成部 分 特征设计的过程是向设计毛坯上添加一个一个的设计特征 设汁特征 的定位是尺寸标注 这些特征是各种预定义特征类中的各种模式化定义的 具体引用 也可以认为足数值化引用 这种预定义特征类便是设计特征库 显然 设训特征库中的特征是形状特征 他们具有高层的工程语义 一般包括基本形状特征r 立方体 圆柱体 球体 锥体与环体等 和用户 白定义特征 拉伸体 扫描体 回转体及由两个或两个以k l 9 设计特征组 合丽成的复台设计特征 22 几何造型器 无论是传统的几何造型系统 还是现代的基于特征f l g c a r v c a 集成系 统 几何造型的功能都是不可或缺的 只是其所处的地位与外在的表现形 式有所不同而已 传统的三维几何造型系统中 复杂形状通过几何造型功 能来得到 几何造型功能是几何造型系统中的最核心的部分 c d c a m 集成中 虽然问题涉及的范畴已不再只是生成复杂的三维形状 日j 么狭隘 但零件形状的显示及模型的几何关系与拓扑关系的生成功能仍 然是一个必不可少的组成部分 这部分工作是在集成的设汁环节中完成的 面司并行i j a i c a m 集成构架中 发计环节采用的是特征设计方法 在特征 设计的过程中 设计特征添加后模型的正确几何关系与拓扑关系是通过几 何造型功能来得到的 最常用的是正则化的并 交 差集合运算 在面向 并行的c 加 a m 集成系统中 我们将这些几何运算工具称为几何造型器 这 呈的几何造型并不直接以集合运算的名义出现 而足以各种具有工程含义 的特征语义 如打孔 砂轮 越程槽等 出现 2 3 特征造型器 特征造型器指设训员构造设汁特征模型时宜接采用的特征造型工具 它完成从设计特征库中引用设计特征 根据特征类型选择合适的几何造型 器以及列尺寸标注 特征进行定位等功能 传统的对特征造型技术的研究大多都是面向加工的 这里的特征造型 器所产生的设计特征模型应该适用j 二面向并行自0 c a d 7 c a m 集成系统中各制 造环节的需求 2 4 特征识别器 特征设计是而向零件形状的 制造模型的获得足通过对设计特征模型 连行特征识别来实现的 在面向并行的c a j c a m 集成构架中 将特征识别的 功能模块称为特征识别器 制造是包含多个方面涵义的 在集成环境q i 应用于不同制造环节的 制造模型都是采用特征识别方法来实现 这些模型是由各种制造特征 如 加工特征 装配特征等组成 由于应用目的的不同 制造特征与设计特征 往往不是完全数的 同时 面向不同应用目的的制造特征也不会是完全 一致的 在很多情况下可能会有很大的区别 c a d c a m 集成中的特征识别器 应该可吼从设计特征模型i p 识别出各种制造特征并最终生成面向不同应用 的制造特征模型 囡而 面向不同的制造环节 应该有不同的特征识别器 如加工特征识别器 装配特征识别器等 本文的研究重点足加 r 特征识别 器 面向并行的特征识别与传统意义 的特征识别是有区别的 传统的特 征识别的研究列象大多是实件模型 而本文所指的特征识别的研究对象是 设计特征模型 面向并行的特征识别是通过特征设计与特征识别相结合的 方法来获得面向制造的特征模型 2 5 面向并行的c a d c a m 集成系统构架 以上介绍了面向并行的c a d j c a m 集成系统中所包括的主要组成部分 对 这些部分合理地组织 便可形成c a d c a m 集成系统构架 实际上 面向并行 i b c a d c a m 集成就是与零件模型相关的各种数据 包括几何与非几何数据 在这些功能模块之间的提取 传递 处理乃至最终生成所需模型的过程 可以描述如下 1 设计与制造集成工作的最初阶段无疑是单一零件形状的发计 首先 发 r 计员从设训特征库中引用设汁工作所需的设计特征 其中包括设计毛 坯 然后进行没计特征的添加过程 其巾包括尺寸标注方式的设计特 征定位 利用被工程特征语义封装起来的几何造型器产生正确的模型几 何关系与拓扑关系 各种公差的标注以及相应的设计特征相关关系的定 义等步骤 特征设计的工作产生发计特征模型 该模型中应该包含有已 引用设计特征的特征语义 几何与拓扑数据 相应的工艺信息 设计过 程中的定位方式与定位尺寸以及特征相关关系等信息 并且所有这些信 思能够被方便地提取出来 2 设计与制造集成工作的另一个阶段便是制造特征的识别 这部分工作由 特征识别器来完成 特征识别器处理的对象是设计特征模型 采用的方 法是特征设计与特征识别相结合的方法 加工特征识别器可以从设计特 征模型中识别出可直接用 丁零件加工的加工特征 装配特征识别器可以 从设训特征模型中识别出可直接用于零件装配模拟的装配特征 加工特 征与装配特征统称为制造特征 它们与设计特征之间有一定的对应关 系 这种面向不同应用领域的特征之问的相互关系应该在产品模型中 l 三 确有效的体现出来 3 制造模型的产生是c a d c a m 集成工作中的一个很重要的部分 对加工特 征模型 可以通过对识别出来的加工特征进行合理的工艺规划来获得 其中包括各个特征加工方法的确定 机床的选择 刀具的选择以及特征 加工顺序的确定等 对于一些不规则的曲面加工区域 还要进行k c 加工 编程的工作 剥装配特征模型 则需要用专门的装配处理模块来生成 应该指出的是 以 二介绍的c a d c a m 集成过程是在并行的集成环境中实 现的 虽然上述各部份仍然有着明显的先后顺序 但这种先后顺序是r a 于 设计与制造集成的各弧节之间存在着不可避免而且必须遵循的相互依赖关 系 包括处理对象与处理过程的相互依赖 并不是对并行集成的否定 也就是随 所谓并行集成 绝对不是指设计与制造各环节的技术人员完全 同时地参与零件的设计 加工与装配等工作 而是在并行集成的软硬件环 凌中 对堤t l 与制造各环节人员的工作进行合理的组织与有效的管理 避 免传统串行集成方式中出现的不必要返工而严重影响集成效率的情况 以 最大限度地发挥计算机在生产制造中的应用潜能 具体来讲 面向并行的集成系统的集成过程中 并行处理主要表现在 以下几厅面 太原堙工人学硕士学值论文 j 设计员在零件形状设计的一定阶段 如果需要定的工艺指导和其他的 协作活动 可咀通过并行协同设计平台提供的通讯方式由相应的工艺人 员加入协同设计工作 2 参加协作的工艺人员可以在设计员没计零件形状的过程中对其工艺不 合理的地方提出修改意见 这种修改意见也是由并行协同设计平台提供 的通讯方法来传递的 3 参加协作的工艺人员可以对设计员正在设训的模型和最终设计模型叫 工艺信息不完善或不正确的地方直接进行补充和修改 这是因为并行集 成环境将提供给发计员与备工艺人员共享的设计空问与共享的数据模 犁 零件加工 装配等应用环节 一一了7 一 r 一 二乏 一 一 l 一1 毫三王j j 三三三 1 三王三 三三 加工特征模型 装配特征模型 一 加工辱征识别器 一一 生成 一一一 三三三三三三j i 一一 一 l j 兰 三三乏 脯造型器 太原型工大学醪卜学位论文 4 对设计人员和各工艺人员动态地加入 退出及协同进行设计与制造集成 的活动应该有一个合理的管理机制 这也是由并行集成环境f 并行协同 殴计平台j 来提供的 在并行协同设计平台的支持f 面向并行工作方式的c a d c a m 集成及相 关技术是本文的研究重点 因此 集成构袈必须体现c a d c a i 并行集成的特 点 应该适合于并行协同设计这样个新的工作方式与环境 基丁特征面向并行的c a l l c a m 集成系统构架如图2l 所示 26 本章小结 本章论述了面向并行的c a d c a m 集成系统中所包含的各个功能组件 并 对这些功能组件进行了合理细织与安排 形成了面向并行的c a d c a m 集成系 统构架 第三章基于特征面向并行的产品模型表示 传统的特征模型表示方法不再适用于并行c a o a v l 集成方式 本章提出 厂面向并行的产品模型表示法 31 计算机模型 在科学和工程技术领域中常常利用各种模型来研究对象的某些特性 往往能取得事半功倍的成效 例如物质的分子和原子结构模型 大型工程 的没计模型 在机械类产品研制开发过程中也常使用各种模型来解决设计 和制造中的神种问题 例如b 机设汁初期为了验证飞机空气动力性能就需 要制作飞机的风洞实验模型 这种用物质材料制作成的产品模型我们称为 物理模型 它通常需要花费比较大的制作成本和较长的制作时间 随着电f 计算机及软件技术的迅速发展 人们已可以用计算机系统来 建立产品 或研究对象1 的数学模型 称为计算机模型 计算机模型与物 理模型相比较有很多优点 主要有 1 计算机稹型是用适当的数学方法和相应的数据来描述并存储在计算机 系统内的 所以花费的成本低 建立模型的周期短 2 对于听十产品可方便地建立满足不同需求的多种计算机模型 而且又便 于修改 为产品的优化设计和改型设计提供了有力手段 3 根据计算机模型可以方便而叉快速地完成各种工程分析所需的计算工 作 并加速产品的j 一艺规划等后续工作的进行 d 计算机模型可以方便地模拟产品 对象 的各种运动状态 达到动态仿 真的程度 想要用物理模型来实现上述效果往往要需要付出很大的代 价 对于某些特殊的研究对象 用物理模型很难甚至无法实现模拟和动 态仿真 5 计算机模型在原则上不受尺寸大小的限制 可以方便地对模型实施比例 变换 6 计算机模型便 f 人们观察产品的内部 内腔 而物理模型则很难做到 这一点 由于有以上很多优点 人们从6 0 年代开始就想利用计算机来建立产品 爪蟓堙工大学颀 l 学位i 仑文 对象1 的计算机模型 为此 需要研究解决两个主要问题 其一是计算 机模型的描述方法和相应的存储用数据结构 其二是模型的建造技术 这 两方面构成产品建模的主要研究内容 8 0 年代中期以前 计算机模型主要应用于计算机辅助设计领域 研究 的主要问题是产品的几何形状如阿在汁算机内定义与描述和几何模型的构 造方法 该方法的研究从二维发展到 维 从多而体模型发展到精确曲面 模型 但由于建立的模型缺乏工艺规划等后续工作所需的信息 故而尚不 能称为产品模型 而只是一种几何模型 相应地 用于构造几何模型的技 术称为几何造型技术 它一直是计算机辅助设计领域内研究的核心内容 随着几何造型技术的逐渐成熟 人们希望能够产生满足c a d c ar v 集成要 求的产品模型 在这种产品模型中 可应用于产品制造各环节中 各种数 谢f 包括非几伺信息 都应能被有机而合理的组织在计算机表示的模型中 产品模型的非几何信息可以通过适当的途径列方法与几何信息 泪联系 所 以儿何模型是构成产品模型的基础 3 2 模型表示方法 用于产品的计算机模型的描述方法和相应的存储用数据结构 是产品 建模技术的主要研究内容之一 在本文巾称之为模型表示方法 对于计算 机模型的表示 从爿于计算机辅助设计的几何模型到用于c a 0 c a m 集成的产 品模型的发展过程中 已经提出了许多方法 其中包括线框模型的表示 睦面模型的表示 实体模型的表示 以及特征模型的表示等 3 2 1 线框模型 线框模型的表示形式是用直线或曲线段表示形体的边界 是最早出现 的计算机模型表示模式 主要用于二维的绘图功能 线框模型产生的图形 可能会有二义性 并且不能表示曲面体 无法应用于工程分析和数控加工 刀具轨迹的自动计算 不能满足c a d c a m 集成的需要 3 22 曲面模型 在线框模型的各封闭线框上定义相应曲面就形成曲面模型 简单说来 构造曲面模型的过程就是在线框模型的构架 卜蒙上一 张皮 曲面模型可以 13 太原理 二大学佞十学位论迁 精确定义零件的外表面几何形状及边界 曲面模型用的曲面有多种表示方法 它们可以是较简单的解析吐面 也可以是自由曲面 如孔斯曲面 b e z ie 州自面 b 样条曲面以及当今该领域 内的研究热点非均匀有理b 样条 n l i i b s 曲面等 平面是曲面模型中常用 的 通常把它看成曲面退化状态 曲面模型中所包含的各单张曲面之问还 俘在曲面的拼接 过渡 些产品形状区域的表示还需要对曲面进行剪裁 求交等运算 这些都是曲面造型领域内的传统难题 其中一些方面已经有 了较为成熟的研究成果 还有一些问题仍然在进行了更深入的研究工作 曲面模型避免了线框模型的二义性 由丁二定义了面 利用削隐技术 可以根据不同的观察方向消除隐藏线和隐藏面 可以对面着色 象实体模 型 样显示出逼真的色调图形 3 2 3 实体模型 对实体模型 需要能区分物体的内部和外部以及在此基础匕如何识别 三维物体的表面及计算物体的特性等 从实体造型技术产生至今 产生了 很多的表示方法 其中主要包括构造实体几何法 c s o 法 边界表示法 f b r e p 法 扫描表示法以及分解表示法 其中最常用的是构造实体几伺 法与边界表示法 324 特征模型 特征模型指基于特征的零件模型 特征模型是应q a d c a m 自9 集成需求而 提出来的 它使产品设计工作在更高的层次上进行 设计员的操作对象不 再是原始的线条和体素 而是产品的功能要素 特征概念提出的本意是将 特征作为集成的信息传递媒介 基于特征表示的特征模型应该能使设计与 制造完全统一起来 但由于零件形状设计与零件制造的侧重点不同 完全 满足设计与制造各环节需求的特征表示方法是很难实现的 实际上以往对 特征的研究大都集中在设计与制造各自的领域内 在设计领域内 通过特 征造型建立基于形状特征的特征模型 在制造领域内 通过特征识别建立 基于制造特征的特征模型 在设计领域内 特征模型的表示方法一般都是在传统实体模型表示的 基础上 加入非几何信息及特征相关关系的定义 关于特征模型的表示方 法也一直是特征技术研究的重点所在 己产生了许多有价值的研究成果 特征造型系统产生的特征模型除了是一种有效的实体模型以外 还应 该满足以下四个方面的要求 i 特征模型中能有效的存储各种q b l 何信思 包括特征语义 各种公差等 2 特征模型中能有效地对各个特征的隶属边界几何信息进行区分 其中包 括特征录属面 特征隶属边及特征隶属顶点等 3 特征模型中包含各个形状特征的形状几何参数 4 特征模型中能有效的反映各种形状特征的相关关系 这样 特征造型系统产生的特征模型 应该可以直接用于零件加工工 艺规划及其它制造环节 但只是适用于特征模型中只包含单负特征的情 况 而对于出现正特征及特征相交的情况 还只是主要面向于零件形状 不能赢接用于零件的制造 在制造领域内 对纯粹实体模型的特征识别可以产生直接用于制造的 特征模型 这种特征模型则不再需要一个包含零件整体几何信息的实体模 型 只需包含各个制造特征的语义 形状参数 各种公差及影响特征加工 顺序的特征相关关系 如隶属关系 即可 但对形状复杂的零件以及出现 特征相交关系时这种方法与这种模型也无法有效地处理 各种特征模型在自己的领域内都有局限性 已有的特征模型表示方法 都有自己的应月重点 或是侧重于模型形状的设计特征模型 或是侧重于 模型制造功能的制造特征模型 还没有一种现存的特征模型可以作为同时 满足设计与制造各环节需求的真正的产品模型 3 3 面向并行的产品模型表示的要求 传统串行处理方式中的模型表示方法已经不能满足并行协同设计方式 的需要 面向并行的产品模型应该是一个位于并行环境中的共享数据模型 它应该也是一种真正含义e 的产品模型 这种共享数据模型 不是针对设 计与制造中任何一个单一环节 而是要同时面对集成环节中的各个设计员 与工艺员 设计 员对零件形状的修改可以引起相应制造信息的相应修改 工艺员对某一方面制造信息的修改电可以引起相应的零件形状的修改与其 他制造信息的修改 最终的模型就是在这样一个设计员与工艺员相互胁作 与交互的过程中建立起来的 也就是说 基于特征面向并行的产品模型之中 不能只是一个面向形 状的特征模型 或只是一个面向某制造环节的特征模型 而应该能同时包 含面向形状的设汁特征模型与面向备种不同制造环节的制造特征模型 而 且能够反映设计弓制造模型之间的相互约束关系 这种模型是计算机辅助 发计与制造工作并行进行的最终目的 模型一旦成功建立 就表示设计与 制造集成 丁作的完全结束 不再需要进行任何转换与处理 对基于特征面向并行的产品模型表示应满足以下几点要求 i 首先 为了满足最基本的模型图形显示的需求 面向并行的产品模型中 应该包含模型的几何数据与拓扑信息 这 要求实际上是说 面向并行 的产品模型也是一个三维实体模型 面 口j 并行的产品模型应陔能够满足各种非几何信息定义 存储与方便提 取的需求 3 面向并行的产品模型应该能够同时满足设计与制造备环节的需要 对设 计环节 该产品模型能够有效地反映产品的形状 对加工环节 该产品 模型能提供可直接用于零件加 t 的加工模型以及零件加工工艺规划 各 个特征的加工方法 机床的选择 刀具的选择以及特征加工顺序 的工 艺模型 对装配坏节 该产品模型能够提供可直接用于零件装配模拟的 装配特征及其他相关信息 4 面向并行的产品模型应该有效地反映设计与各后续制造环节的相关关 系 也就是晚 该产品模型包括从设计到制造完全相关的驱动机制 3 4 面向并行的产品模型表示 34 1 问题分析与解决方案 基于特征方法是面向并行的c a d c a m 集成策略中所采用的实现集成的 核心方法之一 所以面向并行的产品模型仍然是一种特征模型 传统的用 于特征造型技术中的特征模型表示方法已经能够满足上节所提出的前两点 要求 但对于后两点要求则无法满足 要使特征模型同时能满足设计与各制造环节的需求 最理想的方法是 找出一种既能满足零件形状设计的需要又能满足零件 9 f 工与装配等制造环 节需要的特征分类与表示方法 但由于设计与制造之间固有的1 i 一致性 特别是当零件形状上出现突起及规则制造区域内的相交部分时 使得这种 方法的难度大大增加甚至无法实现 由此可见 即便是在面向并行的 c a d c a m 集成中 设计特征与制造特征之间的转换工作还是不可避免的 所 渭并行集成 并不是指设计与制造环节绝对同时地进行 而是设计与制造 活动在并行集成环境中的台理安排与有效的管理 不管并行集成的并行化 程度有多高 零件形状的设计工作总是一个零件设计与制造集成中最先进 行的工作 所以可以说 发计特征与制造特征的转换工作的存在并不会影 响并行集成的实现 转换的工作在串行集成方式中也同样存在 但存这种串行集成方式中 设汁模型转换成各种制造模型以后 便成了相对独立的模型 无法使其同 时满足设计与制造各环节的需要 更加无法体现设计与制造之间a o t 目互