信息建模技术在机械制造领域的发展现状及其应用

信息建模技术在机械制造领域的发展现状及其应用 摘要：产品信息模型是产品数据的载体，在产品 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 、分析和制造过程中起着不可替代的作用。国内外高度重视产品信息建模理论和实现技术的研究工作，相关理论与技术的探讨尽管有一定进展，仍然不能满足复杂装备数字化设计的需求。经过一定的发展，信息建模已经在机械领域形成了自己一整套的系统，比如：CIM、PPC、CAPP、CAM、CAQ等等，它对机械制造业的发展起到不可替代的作用。下面着重研究了信息建模在机械装配当中和在机械工艺当中的应用，并进行了现状分析和展望。 关键字：信息建模；CAPP；机械装配；机械工艺 Abstract：Product information model is the carrier of product data ,in the process of product design, analysis and manufacturing plays an irreplaceable role. Attaches great importance to the product information modeling theory and implementation technology at home and abroad research, the discussion of related theory and technology in spite of some progress, still cannot meet the needs of complex equipment digital design. After a certain development, information modeling has formed its own set of in the field of mechanical systems, such as: the CIM, PPC, CAPP and CAM, CAQ and so on .It plays an irreplaceable role to the development of mechanical manufacturing. Below this paper studies the information modeling in mechanical assembly and application in the middle of the mechanical process.And the status of analysis and outlook. Keywords: information modeling; CAPP; mechanical assembly; mechanical process 【引言】 产品模型及其建模理论的研究已有几十多年的历史，它是随着 CAD 技术的发展而产生，随着 CAD/CAM 一体化技术的进步而得到迅速发展的，随着先进制造技术的发展，产品模型的应用突破了 CAD/CAM 集成的领域扩展到整个的制造自动化系统，已经成为实现自动化的一项关键技术，发展到至今，不仅有CAD/CAM，更有CIM生产 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 与控制，CAE计算机辅助工程分析，CAPP计算机辅助工艺规划，CAQ计算机辅助质量规量，ERP企业资源管理等等，与其说是更多，不如说信息建模在机械制造领域更加完整，形成了一体化，从制造到管理，更加的合理，更加的科学，这对即将到来的工业4.0无疑起到一种推动作用，工业4.0的一个重要特点就是智能化，信息建模技术可以说对机械智能化更是起到一种催化剂的作用[1]。 1、 信息建模技术在机械制造领域的发展现状 1.1  信息建模技术在机械制造领域的研究背景 一般对产品信息模型及相应建模技术的研究，经历了从简单到复杂，从局部到整体，从单一功能到覆盖整个产品生命周期内各种活动的发展过程，提出的产品信息模型有以下几种 面向几何的产品模型[2]，产生于对产品几何形状的定义及其实现过程，面向特征的产品模型 产生于对产品几何形状及相关的工程语义的定义与实现过程，集成化全局产品模型，产生于对产品设计，开发过程一体化的定义与实现过程，面向几何的产品信息模型。 早期的产品模型由于受到计算机辅助单元技术发展的影响，大都采用面向几何的建模方法，从而奠定了产品模型的基础，这一模型包含二维图形、三维线框表面模型和实体模型几个类型，主要由线框面、实体和混合模型表示，它们可以定义为计算机内部模型，其主要的目的是表达某产品的形状，着重于产品的几何构成，由于几何模型的数据结构是专门设计表达产品几何拓扑关系的，对非几何属性数据以及设计中一些附加形状，如辅助线和文字描述信息无法合理表达，缺乏产品开发过程中所要求的工程信息，面向特征的产品信息模型。 随着人们对制造系统作为集成系统的认识的深入和信息技术的发展，产品建模进入了面向特征的阶段，为将面向几何的产品信息模型扩展，解决其不能方便地表达产品非几何信息的问题，80 年代后期出现了集几何信息与非几何信息于一体的面向特征的产品信息模型，这一模型在产品信息的局部层次上通过一组预定义的特征来实现产品的几何形状，公差及表面粗糙度的描述，对于每个具体的生产活动，都具有相应局部信息的特征与之相对应，设计者用具有明显工程含义的体素，如孔、槽等表达产品，它提供更自然的词汇来表达设计对象[3]，目前，这一模型的研究仍方兴未艾，基于特征的建模方法可以有效地描述局部信息，但是并不能完整地表达产品全局信息，例如产品的装配关系信息，产品定义与产品制造间的关系等，产品的信息关联性差，模型虽然提供了粗糙度，尺寸公差等信息，但缺乏与几何体，形状特征等之间的必然联系，同时还存在信息不完全，特征定义一致性差，导致特征识别难等问题，对产品生命周期的各个环节缺乏统一的描述，因此，产品建模仅依靠特征还不能完全描述产品开发活动中的所有信息 。 近年来，产品模型及相关建模技术的研究一直十分活跃，国外许多专家和学者对产品模型进行了研究，分别从不同角度对产品进行了定义，国际 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 化组织还制定了产品数据交换标准 STEP Standard for the Exchange of Product Model Data STEP 标准是一个非常庞大复杂的标准，迄今为止，还有许多内容尚待完善，它的目标是提供一个不依赖于任何具体系统的中性机制，以描述贯穿整个产品生命周期内的产品数据，并在不同的系统间进行数据交换时保持数据一致，在国内，开展这方面研究的有：清华大学国家CIMS工程技术研究中心、浙江大学CAD&CG 国家重点试验室、华中理工大学机械科学与工程学院、北京航空航天大学 720研究所所及上海交通大学计算机系等单位。 1.2  产品几何模型的研究现状     经过二十多年的探索，产品几何建模技术已经更加实用和成熟，每一种几何建模技术都获得了长足的发展，也都有其长处和不足，如线框模型简便实用，但不含面的信息，存在二义问题，曲面模型可以构造复杂的几何形状但不提供曲面之间的相关信息，实体造型具有完整的几何和拓扑信息，但不能表示非流形物体，几何覆盖域小，各种几何模型结合才能各取所长，相得益彰，目前几何建模技术正致力于改进数据结构，各种几何模型的集成与相互转换的研究、产品特征模型的研究、 自特征的概念产生以来，特征技术的研究一直十分活跃，许多专家和学者对特征进行了研究，分别从不同的角度对特征进行了定义 ，Pratt & Wilson 的定义[4]，特征是一个零件的表面上有意义的区域，共分为六类特征、通道特征、凹陷特征、凸起特征、过渡特征、域特征、变形特征这种特征的定义和分类方法主要是基于形状，后来被 TEP 标准采用Shah 的定义，特征是产品信息传递的载体，它能帮助设计制造或其它工程任务之间的通讯与交流，把产品信息分为五类特征 ：形状特征、精度特征、技术特征、材料特征和装配特征 Gardan 的定义，特征是零件描述或零件之间关系的有关信息集 Torben 的定义，特征是零件的形状或其它属性的信息集 。     从上述定义可以看出 这些定义主要是基于零件进行描述的 而特征在不同的生产环境 ，如不同产品，不同批量和不同资源环境下有不同的含义。从产品生命周期考虑，一个特征可以从一个应用领域映射到另一个领域，上述定义均在一定程度上反映了特征属性，但不完善所反映的主要是几何特征，将基因工程思想用于自上而下的机械产品结构设计，将特征看作是产品结构信息的DNA，提出了基于基因工程思想的产品结构设计模型解决了产品信息表达、组织及规划问题，把自上而下的设计过程和自下而上的装配过程有机的结合起来 并能很好地支持产品零部件结构变异，在对特征分类基础上研究了基本形状特征之间的空间关系拼装所遵循的规律，提出了基于特征关系矩阵及其有向无环图的描述方法，建立具有动态性和层次性的产品特征的数据模型，使产品模型具有更好的可描述性和可操作性 。 1.3  集成产品信息建模的研究现状   集成产品信息模型包容了上述模型所有的功能，所有类型的产品信息都集中存储在一个集成的产品信息模型中，这种集成是语义上的集成，就是在模型中已经增加了支持企业实现集成所需要的语义概念，除产品信息的中性表示和集成管理外产品的开发过程还可以由一般性产品知识支持，这种一般性产品知识由产品历史，产品开发规则，用户模型及技术需要模型等组成，它的表达已将产品生命周期中的不同阶段都考虑进去，因此，集成的产品信息模型可以完整地支持产品开发活动的需要，提出了基于产品物理本质的元建模技术，认为各种应用模型之所以难以沟通，根本原因在于不同的应用领域所涉及的知识域不同，现有的模型没有建立这些知识域之间的联系，因而无法进行信息的重用和共享，他们把产品中那些反映物理本质的信息如质量、速度和力等属性作为信息元用符号来描述不同抽象程度、不同粒度、 不同近似度以及不同对应关系上的各信息元之间的物理学依赖关系，用由这些信息元及其依赖关系构成的元模型来建立起知识域之间的联系，而后通过定性推理就可以从元模型中导出各应用分析模型，而各应用模型的变化也能通过元模型传播到其它应用模型中去，建立基于物理本质的元模型需要开发人员对产品的各种物理规律有清楚的了解，这在产品开发过程的初始阶段是十分困难的。     提出了一个基于需求的产品功能模型[5]，该模型有两条主线： 一条是描述产品的功能以需求为驱动，以功能满足需求，并利用功能分解来深化产品设计，另一条是描述产品结构，产品由什么零部件构成，这些零部件又由什么子零部件构成，这两条主线之间的联系反映了 某个功能由什么结构实现，这个模型虽然比以往的产品模型多了功能描述，但是它并没有描述零部件的装配关系及运动关系等，难以满足产品设计开发全过程的需求，提出了基于产品定义单元PDU的产品建模的集成核心模型，PDU 是产品中具有某种工程含义的基本数据单元，它可以存在于产品模型的任何层次中，该模型以PDU的六个层次对应产品从概念设计到详细设计的六个阶段，因而，在产品模型中可以详细 记录 混凝土 养护记录下载土方回填监理旁站记录免费下载集备记录下载集备记录下载集备记录下载 产品开发过程，不少学者将这种方法引入机械产品建模领域，开发了各自的产品模型，这些模型在记录产品设计过程方面有很大的优势，但是对于功能和结构的结合上仍比较欠缺，基于功能单元来描述产品，是目前产品建模研究的一个重要趋势，因为它既可以使设计人员免于从设计一开始就面临着对设计对象物理规律的抽象这种繁重而困难的任务，又能满足概念设计的需要，然而，全生命周期设计技术要解决的任务是多方位的，随着产品开发过程的推进功能单元，描述需要不断深化如何由基础的功能单元衍生出各种应用所需要的新的功能模型，保证产品开发各阶段，所使用的模型一致性、可扩充性、可集成性、以及可重用性，是面向产品全生命周期建模的基本要求，也是目前各种建模方法所需解决的核心内容，提出了一个新的基于产品定义单元和元建模的产品模型，该模型基于产品定义单元 PDU 以解决现有的产品模型非几何信息缺乏的问题，并采用元建模机制实现模型之间的互操作，认为对象和 STEP 技术可以满足产品建模的需要，并研究了相应的建模策略给出了基于对象和STEP技术的注塑模产品模型，提出一个使用STEP的产品模型，它的设计和实现按 STEP 标准来设计[6]，并支持产品信息结构和标准数据格式，它包括一个通用产品模型，一个产品，模型数据库及三个界面，该模型主要为 CAD 服务，提出了一个支持CAD和CAM集成的信息模型，该模型包括一个全局信息模型和局部信息模型，全局信息模型被用来为所有的局部信息模型共享，它的结构按照STEP 实体定义，可以从全局信息模型中检索必要的信息，提出通过中性文件来实现产品信息交换，并认为产品模型数据交换标准 STEP 可以实现 CAD/CAM 间数据交换，他们为此做了一个原形系统 MDI 1，研制了一个分层结构的产品模型，该模型不仅由基本的产品信息组成，几何公差、装配等，并且含有机加工信息，如切割刀具及加工参数，在零件结构分解基础上提出了基于单元的产品结构建模方法，通过功能与结构之间的映射实现了零件结构原形的自动生成和设计概念的图形化，并给出了以基因单元为操作单位的单元置换技术，在产品结构优化和结构重组中具有重要的实用价值和指导意义，以形状要素、零件、部件三种层次的结构单元为基础，引入零部件母图技术，研究了基于结构单元的产品建模原理及实现方法，采用面向对象技术构造了结构单元，在其内部实现了设计数据和数据关系的封装，有效的支持了产品变形设计，针对并行工程和智能制造的信息需求，在特征技术的研究基础上，提出了融多元化特征造型和特征映射为一体的新型集成化产品信息建模机制，创建了四个层次的产品信息模型结构，满足了集成制造系统的信息需求，针对并行工程需求，对特征的定义进行了扩展，提出了广义特征的概念，基于广义特征和STEP标准建立了零件信息模型，该模型分四个层次定义和描述零件信息，分别为零件层、广义特征层、特征层和几何拓扑层，为 CAD 的后续过程，如工艺设计、可制造性评价提供了丰富的零件信息，便于实现CAD与后续过程的并行，对满足集成要求的特征进行定义、分类和描述，并采用特征技术构建了产品的信息模型为CAD、 CAPP 、CAM 各应用模块的集成提供了实现的基础，提出了一种支持并行协同设计的多视图特征模型，通过同构的多视图形状特征的描述模型，也称中介模型，而实现集成化，中介模型服务扮演着分布式网络应用中的服务提供者的角色，各种网络应用从共享的中介模型的对象语义数据中提取出特定的视图，通过对机械产品建模分析，建立了以EXPRESS-G表达的全局集成产品模型信息需求关系，由此提出一种适合于并行工程开发框架的、多视图、全局产品模型[7]，该模型以STEP ISO10303 标准的应用 协议 离婚协议模板下载合伙人协议 下载渠道分销协议免费下载敬业协议下载授课协议下载 AP为基础，结合产品，特征建模技术，提供了完整，无二义性，多视图方位的产品信息抽象模型，实现产品信息的共享，提出了全息产品建模的理论和方法 将光学中全息概念的内涵引用，于产品模型的定义，全息产品建模的内容，不仅包含产品定义数据本身，还要考虑其生命周期中所对应的应用环境定义数据，以及通过产品与环境的相互作用规律，而得到产品的、多维、信息，使得全息产品模型真正满足取代物理产品原型的需求，不同的应用环境对应不同的产品模型视图信息。通过产品环境及其相互作用来拟实反映产品在其生命周期中的演变历程，从而体现了产品模型演化与产品开发过程的融合，几何与物理信息的协调与耦合，多通道的信息表达与传输STEP建模，STEP Stand for the Exchange of Product Model Data是国际标准化组织ISO正在制订的一个产品数据表达与交换标准，也称为产品模型数据交换标准，它力图开发一系列新技术和新标准，来概括出一个在产品生命周期内具有完整性与集成性的产品模型所需的信息STEP具有以下主要特点用以支持产品生命周期中不同时期和不同应用领域信息的集成，它能完整地表示产品数据并支持产品广泛地应用领域，包括产品生命周期的各个环节2它定义了表达和交换产品信息的一种中性数据格式，它具有多种实现形式[8]。 从上面的研究可以看出，虽然国内外学者已经在产品模型及其建模理论方面做了大量的研究工作，但是仍存在很多问题有待解决，目前的研究工作主要集中在集成产品信息建模方面，通过对特征概念的推广包含了产品生命周期内各种特征信息，解决了 CAD/CAPP/CAM 集成化中数据共享和一致性，产品信息不完全等问题，存在的主要问题是仍然以特征为中心，看问题不自然，建立的模型缺乏层次性，特征类之间的关系不明确，产品模型不完整，不能全面支持产品的生命周期活动，模型的结构非标准化，缺少对具体应用描述的支持，针对上述情况，本文重点研究了面向产品全生命周期的信息建模理论和方法，但是在实际的应用过程当中，信息建模没有实现真正意义上的远程控制，只能进行简单的数据传输之类的，没有实现真正的智能化。 2、 信息建模技术在机械制造领域的应用 2.1  信息建模在机械装配领域的应用 装配信息建模是实现装配设计序列规划等后继工作的基础。装配信息的完整性、准确性直接影响到后续环节的进行。它主要对组成产品的零件的几何形状、物理信息、相互之间的装配关系以及装配工艺等信息进行描述。 国内外很多学者根据不同的需求,对装配信息模型进行深入的研究，在上世纪年代中期,侧重于装配过程建模，提出了二维拓扑结构表达的装配模型。装配模型可表示为，其中，表示装配体，表示各零件之间的装配连接关系表示装配体中各零件实体。该模型包含的信息简单，只包含了最基本的一些连接信息。 人们提出了一种基于虚链的装配图模型,在该模型中，两个零件或装配图通过虚链相联接,装配位置由装配关系确定。和描述了一个基于特征的层次结构的装配模型，包括种关系、从属关系、结构关系、自由度、运动约束和尺寸约束,根据实体的类型、方向、位置和自由度设计一个求解表,来得到最终的装配约束解。上海交通大学的侯晓林汇等采用语言定义了装配零件间的层次关系、装配关系及参数约束和依从关系,建立了产品装配模型。北京航空航天大学的李健等在零件特征建模的基础上利用特征的概念建立产品的装配模型，实现零件在装配环境下的设计修改,使得产品的整个设计过程集成到一个统一的设计环境中，从而在一定的程度上满足了产品从总体设计到详细设计的自顶向下的设计过程[9]。 综上所述,当前己有的装配模型主要有两类关系网状型和层次树状型关系网状型模型能够描述构成装配体的零部件间的相互联系,比较直观但信息描述不符合实际产品组织结构人们的思维习惯,当产品零件数量太大时,将引起装配规划时计算量的“几何爆炸”如图一所示层次树状型装配模型符合人类思考方式,能较好地体现设计意图和产品结构,并且能降低装配规划、分析的复杂性,但各零部件之间的装配关系描述不够直观,不能涵盖零件装配操作有关的必要信息,子装配的划分没有明确的规则,因而仅依靠层次树状型装配模型无法完整地描述装配体，这种模型由于自身的缺陷,均不能完整地描述装配信息,因而都不能满足虚拟装配环境对装配模型的需要。 2.2  信息建模在机械工艺领域的应用   建立合理的工艺信息模型不仅是实现计算机辅助工艺设计系统的基础,同时对于CIMS的信息集成至关重要。国内外对于工艺信息建模的研究已经取得了一些重要成果。综合这些研究,可以发现,有些工艺模型是直接面向CAPP单元系统开发,灵活性和可扩充性有待进一步提高,同时,现有的工艺信息模型往往缺乏层次性,不便于清晰地组织与表达工艺信息[10]。而且大多数研究针对的是机加工工艺模型,对装配工艺信息建模深层次的研究还不够。     层次递进关系的工艺信息模型工艺设计是个性化较强的工作,在不同的制造 企业工艺文件的格式不同,其组织方式和工艺设计流程都有各自的特殊性。因此,要建立适应性强的工艺模型,有必要利用层次化的思想[11],将工艺信息模型分为多个层次。底层完成工艺设计信息的存储、建立工艺信息的关联关系和实现工艺信息的增、删、改等操作。模型的上层通过不同的配置来满足不同工艺设计过程的需要。按照这种思想,本文提出了一种具有层次和递进关系的工艺信息模型。该模型由用户层、逻辑层和数据层三个层次组成,每一层又分成递进关系的几个子模型。其总体框架。层次递进关系的工艺信息模型总体框架层次递进关系工艺信息模型的最底层是数据层,其中包括“工艺信息的存储”、“工艺信息的关联关系”和“工艺信息的操作” 3个子模型。建立工艺信息模型的数据层,往往需要利用数据库管理系统DBMS提供的开发工具,建立ER模型。在产品数据管理系统PDM平台下,建立相互关联的实体对象。对工艺信息的增加、删除和更改操作是通过数据库应用程序或者PDM中的对象管理器来完成。层次递进关系工艺信息模型的中间层次是逻辑层,包括“工艺信息的表达方法”、“工艺信息的组织方式”和“工艺信息流的管理” 3个子模型,这个层次是建立用户层和数据层关系的桥梁[12]。 3、 现状分析及展望     从上面的研究可以看出，虽然国内外学者已经在产品模型及其建模理论方面 做了大量的研究工作，但是仍存在很多问题有待解决,目前的研究工作主要集中在集成产品信息建模方面通过对特征概念的推广包含了产品生命周期内各种特征信息，解决了 CAD/CAPP/CAM 集成化中数据共享和一致性,产品信息不完全等问题，存在的主要问题是仍然以特征为中心，看问题不自然，建立的模型缺乏层次性，特征类之间的关系不明确，产品模型不完整，不能全面支持产品的生命周期活动，模型的结构非标准化，缺少对具体应用描述的支持 。     对于工艺信息模型建模方法的研究,应充分考虑模型的灵活性和可扩充性。特别是在CIMS环境下,工艺信息模型作为连接产品模型、资源模型和制造模型的桥梁,模型的可管理性和可实现性变得尤为重要。基于层次递进管理的工艺信息模型通过用户层、逻辑层和数据层对工艺设计工作涉及的实体、联系及其活动进行描述,能够方便地实现同其它工程数据模型的紧密集成。由于装配工艺在信息描述详尽程度、信息重用等问题上和加工工艺不尽相同,建立适合装配工艺的信息模型应该结合装配工艺的特点进行。对于层次递进关系的工艺信息模型,在描 述不同层次、不同子模型之间的联系等方面还有诸多工作要做。     针对上述情况，本文重点研究了面向产品全生命周期的信息建模理论和方法 并结合家具制造企业的现状，研究其实现技术和应用。 【参考文献】 [1]  刘子建，艾彦迪，王平.耗散结构与时空信息差意义上的数字化设计系统性评价机械工程学报，2010,46(21):137-142 [2]  杨占勇基于的产品信息模型管理研究与实践：北京航空航天大学博士学位论文北京：机械制造及其自动化,2002,41-40 [3] Tolman FP,et al.Four Year of Product Modeling.TNO Report,BI-89-140,1989 [4]  乔立红并行工程中的工艺支持系统研究：北京航空航天大学博士学位论 文北京：北京航空航天大学，1991,30-31 [5]  王忠群，谢晓东信息系统中软件重用和演化技术的研究安黴工程科技学院 学报,2003,18(2):30-31 [6]  Gielingh W.General AEC Reference Medel.TNO Report,BI-88-150,1988 [7]  黄罜，梅宏，杨芙清基于反射式软件中间件的运行时软件体系结构中国科 学,2004,14(11):1829-1826 [8]  杜轩 陈柏鸿 彭立焱 钟毅芳 机械产品的全性能优化建模及求解[J]机械设计与之在工程，2007（04） [9]  Taylor L E.Meta-physical Product Modeling.Arizona State University,1993  [10]  陈柏鸿 钟毅芳 王周宏 多学科综合优化设计原理与方法 [M] 华中科技大学出版社。2006 [11]  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