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CIMS環境下基于特征的產品模型
CIMS環境下基于特征的產品模型注意：本文已經在《機械科學與技術》(1998,17(1):129～131)雜志發表使用者請注明文章內容出處
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李龍梅 張暴暴 馮辛安 劉曉冰
(大連理工大學CIMS中心 大連 116024)
摘要：CAD/CAM是CIMS的核心，基于特征的產品建模是實現CAD/CAM集成的關鍵，本文通過分析典型CIMS中工程設計分系統功能模型，給出CIMS環境下CAD/CAM產品特征模型。
關鍵詞：特征 產品信息模型 CAD/CAM
中圖號：TP39 1. CIMS集成產品模型與CAD/CAM基于特征的產品模型 計算機集成制造系統CIMS作為新一代工廠自動化模式之一覆蓋了產品的整個生命周期。機械產品的生命周期包括從產品的市場需求分析、立項論證、生產決策、產品設計、工藝設計、加工制造、裝配、測試到銷售和售后服務的全過程。CIMS集成產品模型是產品生命周期中全部數據的集合，它是整個CIMS研究和處理的對象，所有類型的產品信息都集中儲存在這個集成的產品信息模型中，信息的表達已將產品生命周期中的不同階段都考慮進去，是整個企業在生產周期的任何階段能共享的信息模型，它能在整體上和局部級上支持各種應用活動，使得面向制造、面向裝配、面向質量等成為可能。集成產品模型是以用戶需求、市場分析為出發點，以產品設計制造模型（CAD/CAM的模型）為基礎，在產品整個生命周期內不斷擴充、不斷更新版本的動態模型。它應能克服以往僅從某一特定階段的數據需求和數據處理的特點來建立數據模型，改善對產品產品生命周期中所有數據需求的全局分析的不足，而使得在產品生命周期中各階段實現信息交換與共享。 工程設計分系統CAD/CAM是CIMS的核心。 CAD/CAM就是按照產品設計-制造的實際進程，在計算機里實現應用程序所需要的信息處理和交換，形成連續的、協調的和科學的系統。實現CAD/CAM一體化的關鍵在于信息的集成。基于特征的產品模型，是實現CAD/CAM有效集成最佳方法，是CIMS集成產品模型的一個子集，是集成產品模型的基礎模型，也是CAD/CAM系統中數據共享的核心。 傳統的基于實體造型的CAD系統僅僅是幾何形狀的描述，缺乏對產品零件信息的完整描述，與制造所需信息彼此是分離的，從而導致CAD/CAM系統集成的困難。將特征概念引入CAD/CAM，出現了產品特征模型。基于特征的建模是CAD建模的一個新的里程碑，它是CAD/CAM技術的發展和應用到達一定水平，要求進一步提高生產組織的集成化及自動化程度的歷史進程中逐步發展起來的。基于特征的建模著眼于更好地表達產品的完整技術和管理信息，為建立產品集成信息模型服務，它使產品設計在更高層次上進行，設計人員的操作對象不再是原始的線條和體素，而是產品的功能要素，直接體現了設計意圖，使建立的產品模型容易為非設計人員理解并便于組織生產，設計圖樣更容易修改，有助于加強產品設計、分析、工藝準備、加工檢驗各部門之間的聯系，更好地將產品設計意圖貫徹到下游環節，并及時得到意見反饋。因此特征建模是解決產品模型建立的可靠途徑，于是出現了許多關于特征建模的研究。 對特征技術的研究工作，主要可以概括為七個方面：特征的定義與分類、特征識別、特征建模、特征表達、特征檢驗、特征映射和特征數據庫。特征的定義和分類的研究是特征技術研究的基礎，但到目前為止，對特征定義和分類的研究還沒有形成一個統一的標準，這是因為特征的定義和分類受到特征研究應用背景的制約。CAD/CAM的特征建模究竟應當包含哪些特征，各說不一。作者認為，作為CIMS的核心－－CAD/CAM系統的開發應用，完全可以按照CIMS信息集成的概念進行,由于CAD/CAM最終要集成到CIMS中，基于特征產品模型最終要為CIMS中所有子系統共享，所以在研究特征造型時不僅需要考慮CAD/CAM本身的信息需求，而且需考慮其在CIMS中的地位、作用及其與CIMS中其它分系統之關系。本文就是通過研究典型CIMS中工程設計分系統功能模型各二級子系統的信息需求、本分系統與其它分系統信息聯系，得出基于特征的建模應包含的特征定義與分類。 2. CIMS中工程設計分系統的功能模型 一般可以將CIMS分為四個功能分系統和兩個支撐分系統。四個功能分系統分別是工程設計分系統、管理信息分系統、制造自動化分系統和計算機質量保證分系統。兩個支撐分系統分別是數據庫和網絡支撐分系統。 圖(1)所示為典型的工程設計分系統的功能模型圖。工程設計分系統由產品數據管理（PDM）、產品設計、工藝設計和制造準備四個二級子系統組成。從這個圖中我們可以清楚地看出系統內部數據信息的需求和流動。首先通過PDM將產品開發計劃、生產經營計劃管理等信息傳到產品設計模塊，將產品設計模塊輸出產品的技術報價、BOM表、圖紙、技術文檔等信息所形成的產品設計模型返回到PDM；工藝設計分系統從PDM中獲取有關信息，完成工藝設計并將設計結果，如：工藝規程、專用工裝圖等技術文檔返回PDM；制造準備模塊從PDM中獲得信息，編制數控加工、夾具需求計劃等制造數據信息和各類技術文檔返回PDM。產品設計、工藝設計和制造準備之間的信息通過PDM傳送，改善數據的統一性和安全性。最后形成的基于特征的產品模型就存在于PDM中了。 工程設計分系統的輸入信息是市場信息和管理信息分系統傳遞的生產管理信息，輸出Ｏ１將又成為質量保證分系統、制造自動化分系統、管理信息分系統的輸入。在CIMS環境下，工程設計分系統應與生產管理、質量管理、制造自動化集成起來，因此特征建模時，應考慮這些分系統的信息需求。例如，質量保證分系統的功能是規劃和執行企業的質量保證活動，它需要工程設計分系統提供有關產品幾何數據、零件、原材料的基本數據、圖紙、零件明細、產品結構、標準規范、加工、裝配與檢測規程和程序等，并從質量保證角度向CAD模塊提出產品質量方面的要求和修改設計的意見，提出有關質量方面的要求和達到質量要求建議采取的措施，通過生產控制和維修實現質量控制。由于安排生產作業計劃、物料需求計劃、能力平衡計劃、合同管理、倉庫管理等需在管理信息分系統中完成，所以管
理信息分系統與工程設計分系統之信息交換包括：供應商、用戶基本數據，用戶訂單和車間下達任務的有關數據、圖紙、零件明細、產品結構有關工具、消耗品數據、工藝規程等。 3. 特征的定義與分類 3.1特征的定義 在一個產品整個生命周期中產生的信息很多，其中包括：設計信息、制造信息、管理信息、質量信息、使用和維護信息等。這些信息又被CIMS中其它系統以不同的方式使用。產品設計初始特征模型是由設計人員建立的，然而在產品整個生命周期內，這個特征模型的不斷完善需要設計師、工藝師、質量檢測人員等的共同協作。 本文對特征的定義是在CIMS環境下，特征是產品生命周期內信息完整描述的載體，特征是一種信息表示方法，包括幾何信息和非幾何信息。 盡管特征的定義由于應用的不同而有差異，但特征的性質和作用是基本一致的。首先特征是低層的幾何元素與零部件間聯系的橋梁，特征將構成特征的幾何元素有機地結合起來，形成能夠表達特定功能或含義的形狀結構，以體現面向應用的形狀信息；此外，特征的組成元素可以作為尺寸 公差、表面粗糙度等加工信息的相關載體，使得工藝信息能完整地借助特征而得到表達。基于特征的產品模型不僅能支持各種應用所需的產品定義信息，而且能提供符合人們思維的高層次工程描述術語，并反映設計和制造意圖，從而克服現行CAD/CAM系統中產品信息定義不完備性和低層數據抽象性的不足。為CAD/CAM信息的真正集成、及其向CIMS的集成提供保障。 特征除了具有一定的幾何信息以外，還包括在設計、工藝規劃和制造過程中需要技術、功能等信息，即特征給各種數據賦予了一定的語義。特征建模所需處理的數據紛繁復雜，系統中的數據類型繁多，數據之間的關系也十分復雜，既包括反映產品形狀幾何拓樸信息的幾何模型，又有反映設計結構功能的設計模型，還需處理具有加工特點和裝配特性的制造模型，既要存儲靜態的產品標準、規范等信息，又要涉及動態產品設計、制造過程信息。 3.2特征的分類 在對CIMS工程設計分系統各子系統信息交換分析的基礎上，從特征建模的角度出發可以將零件特征分以下6類: 1)形狀特征：零件上有一定拓撲關系的一組幾何元素所構成的一個特定形狀。它具有特定的功能及其特定的加工方法集。形狀特征可以分為主形狀特征和輔形狀特征。其中主形狀特征用于構造零件的主體形狀(如圓柱體、圓錐體等)，輔形狀特征用于對主特征的局部修飾(如倒角、鍵槽、退刀槽、中心孔等)。輔形狀特征附加于主特征之上，或附加于另一輔特征之上，根據輔特征的特點還可以將之進一步劃分為簡單輔特征、組合輔特征和復制輔特征。簡單輔特征是指如倒角、退刀槽等單一特征；組合輔特征是由一些簡單輔特征組合而成的特征如階梯孔等；復制輔特征是同一輔特征按一定規律在空間不同位置上復制而成的特征，如周向均布孔、矩陣列孔等。也可以按獲得形狀的加工方法不同將形狀特征分類。 2)精度特征：用于表達零件各要素尺寸公差、形狀公差、位置公差和表面粗糙度等精度要求信息。需特別指出的是，一般形位公差除公差項目名、公差值、基準外，還應包含公差檢測原則(如包容原則、最大實體原則等)。精度特征是形成零件質量指標的主要依據。 3)管理特征：用于描述零件的管理信息，如標題欄中的設計者、批量、一臺份的件數、零件與其它產品的借用與通用關系、日期、編碼以及生產管理中MRP－II所需信息，和設計過程管理，包括版本管理，使用者權限設定與管理，審定等，并為PDM提供所需的信息。 4)技術特征：用于描述零件的性能、功能等相關信息。說明外觀要求、搬運要求等圖紙上無法在圖上標注的要求，零件運行過程中工況條件（常規、極限），載荷與約束條件，為CAE提供模擬信息，為性能實驗，分析計算、優化，有限元前處理提供條件。 5)材料特征：用于描述零件材料的類型、理化指標及熱處理等特殊要求、表面處理的信息集合。 6)裝配特征：用于表達零件在裝配過程中所需用的信息，如與其它零件之配合、配作等關系，裝配尺寸鏈信息、父項子項的信息。為裝配工藝提供必要的信息。如組成產品的零部件之間在裝配中的關系可分為： 層次關系：機械產品是由具有層次關系的零部件組成的系統 裝配關系：包括描述實體模型幾何元素之間直接的相互關系的幾何關系，比如平面貼合、點面接觸相切；描述零部件之間高于幾何測層次的機械關系，如螺紋聯接、鍵聯接等；描述零部件之間運動關系（相對運動或傳遞運動），如相對轉動，齒輪傳動等。 參數約束關系：設計中的參數分為兩大類，一類是從上一層傳遞下來的參數，本層設計部門必須滿足，而且無權直接修改，稱之為繼承參數，一類是設計中產生的新參數，它們有的是從繼承參數中導出的，有的是根據當前設計需要制定的統稱為生成參數。當繼承參數改變時，相關的生成參數要隨之調整。 以上特征中，形狀特征和精度特征是與零件建模直接相關的特征，而其余特征是CAPP系統選擇毛坯、下料、制定工藝的依據，是質量保證系統制定質量檢測規劃的依據。特征之間的關系有反映主形狀特征之間的空間相互位置關系的鄰接關系；輔助特征從屬于一個主特征或另一個輔特征時構成的附屬關系；描述特征類之間關聯屬性而相互引用的引用關系；不同層次特征之間的繼承關系等。 以上特征是根據產品的對象定義的，支持產品生命周期多個階段的通用特征，不同階段之間的信息傳遞主要是通過基本特征這個信息載體，又可以稱為基本特征。基本特征對不同應用領域具有不同視口、不同投影與繼承，是特征模型支持下游操作和模型本身不斷完善的途徑。各個分系統結合各自不同信息，就形成了各自的應用特征，如工藝特征、制造特征、檢測特征。所以應用特征，是面向具體應用領域或具體應用系統的專用特征，它滿足具體系統的操作要求，同時它的信息是可以從基本特征中導出的。 &n
bsp; 圖1 工程設計自動化分系統功能模型圖 Feature-Based Product Model In CIMS
Li Longmei, Zhang Baobao, Feng Xinan, Liu Xiaobing
(CIMS Centre of Dalian University of Technology, Dalian, P.R. China, 116024) ABSTRACT: CAD/CAM is a core element in CIMS, and hence the feature-based product modeling is the key to CAD/CAM integration. In this paper, a typical functional model of automatic engineering design system of CIMS is analyzed, and the definition and classification of features in CIMS-oriented and feature-based product modeling are discussed. Keywords: Feature, Product information model, CAD/CAM 參考文獻 [1]馮辛安主編，CAD/CAM技術概論，北京：機械工業出版社.1995. [2]賀建平、丁秋林、孫正興，基于特征的產品信息建模技術研究，計算機輔助設計與制造,96(3). [3]肖田元，CIMS與先進制造技術，工程設計CAD及自動化,96(4). [4]唐榮錫、張關康、關紅明，結合國情研究特征造型技術，計算機輔助設計與圖形學學報,92(4). [5]潘東、張申生、步豐林，基于裝配的并行設計輔助系統的研究，計算機輔助設計與制造,96(7). [6]C Kim and P J O’Grady, A representation formalism for feature-based design ,Computer Aided Design, 1996, 28(6/7)
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