（航空宇航制造工程专业论文）基于web的工艺设计方法的研究与实现.pdf

南京航空航大大学硕十学位论文 摘要 ( 随着信息技术和计算机网络技术的发展，使得产品的设计制造环境发生了根本性 的变：比，为了能给制造工程师提供种工艺设计工具，达到缩短工艺设计的周期、提 高设计效率，降低生产成本的目的，有必要对基于w e b 的工艺设计方法进行深入的研 究。、l 。本文对基于w e b 的工艺设计方法涉及的关键技术进行了深入的探讨： 探讨了特征技术和参数化技术，详细介绍了基于特征参数化的工艺设计方法。 探讨了三层结构的浏览器n 务器模型，指出采用基于w e b 测览器n 务器体系 结构是目前软件开发的个重要方向，论述了基于w e b 的应用软件的开发技 术。 详细介绍了工艺数据和知识，探讨了w e b 与数据库的集成方法，设计了用于轴 类零件制造分析系统的工艺数据库。 在上述关键技术研究的基i 田工设讦并发了轴类零件工艺设计系统，经试用表明 该系统可以有效的缩短工艺设计周期。 一 、关键词：工艺、数据库、特征、参数化、j a v a 、w e b 基于w e b 的工艺设计方法的研究与实现 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e i o p m e n to fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y a n d c o m p u t e r n e t w o r k t e c h n o i o g y ，e s s e n t i a lc h a n g eh a st a k e np l a c ei n t h ed e s i g na n dm a n u f a c t u r i n g e n v i r o n m e n to fp r o d u c t i no r d e rt op r o v i d e a ne f f e c t i v et o o lo fp r o c e s s p l a n n i n gf o rm a n u f a c t u r i n ge n g i n e e r s ，s h o r t e nt h ec y c l eo fp r o c e s sp l a n n i n g ， i m p r o v e t h ee f f i c i e n c yo fd e s i g na n dr e d u c et h ec o s to fp r o d u c t i o n ，i t is n e c e s s a r yt od e e p l ys t u d yw e b b a s e dp r o c e s sp l a n n i n g t h ek e yt e c h n o j o g i e sr e l a t et ow e b b a s e dp r o c e s sp l a n n i n ga r ed i s c u s s e d i nd e t a i li nt h et h e s i s ： t h ef e a t u r et e c h n o l o g ya n dp a r a m e t r i c t e c h n o l o g y i nt h e c o m p u t e r i n t e g r a t e dm a n u f a c t u r i n ga r ed i s c u s s e d a na p p r o a c ht op r o c e s sp l a n n i n gb a s e d o n p a r a m e t e r i z e df e a t u r e i sp r o p o s e d t h et h e s i si n t r o d u c e st h r e et i e ro fb r o w s e s e r v e ra n dp o i n t so u tt h a t t h ew e b b a s e db r o w s e s e r v e rc o m p u t i n gm o d e lw i i ib et h et r e n do fa p p l i e d s o f t w a r e d e v e l o p m e n tt e c h n o l o g i e so fw e b b a s e da p p l i e ds o f t w a r ea r ea l s o i n t r e d u c e d d a t aa n dk n o w l e d g ew h i c hi sm o s ti m p o r t a n ti np r o c e s sp l a n n i n gi s i n t r o d u c e di nd e t a i i t h ep r o c e s sp l a n n i n gd a t a b a s ea p p l l e dt om a n u f a c t u r i n g a n da n a l y s i s s y s t e mo f s h a f tm o d e li sa l s oe s t a b l i s h e do nt h e g r o u n d o f d i s c u s s i o no fi n t e g r a t i o no fw e ba n dd a t a b a s e a c c o r d i n gt ot h ek e yt e c h n o l o g i e sa b o v e ，p r o c e s sp l a n n i n gs y s t e mo fs h a f t i s d e s i g n e da n dd e v e l o p e d t h ea p p l i c a t i o no ft h es y s t e mc a ne f f e c t i v e l y s h o r t e nt h ec y c l eo fp r o c e s sp l a n n i n g k e y w o r d s ：p r o c e s sp l a n n i n g ，d a t a b a s e ，f e a t u r e ，p a r a m e t e r i z a t i o n ，j a v a ，w e b 2 南京航空航大大学硕士学位论文 第一章绪论 2 0 世纪中叶以来，微电子、计算机、通讯、网络、信息、自动化等科学技术的 迅猛发展，掀起了以信息技术为核心的“第三次浪潮”，正牵引着人类进入工业经济 时代最鼎盛的时期，并已叩响知识经济时代的大门。正是这些高新科学技术在制造领 域中的广泛渗透、应用和衍生，推动着制造业的深刻变革，极大地拓展了制造活动的 深度和广度，促使制造业日益向着高度自动化、智能化、集成化和网络化的方向蓬勃 发展，机械工业的全球化、柔性化、网络化、虚拟化已成为发展的重要特征。 1 1 网络信息时代的制造业 目前，在制造业中网络技术的应用主要有以下几个方面： 异地设计与制造 随着社会的进步和经济的不断发展，全球信息化的浪潮下，超大型和跨国界 项目逐渐增多，参加设计的技术人员数量也随之增加。这些技术人员可能处在不 同的地域，而项目设计本身却要求设计人员之间密切地进行联系与交流，在网上 用浏览器的方式，对产品进行设计。因此，在客户端如何用浏览器的方式进行设 计是解决网上设计的关键。用户只要有一台上网的计算机就可以在全球的任何地 方参与产品的设计，用户就某一产品使用全球统一的网络数据库，实现全球化的 分散网络设计制造全过程。 异地设计和制造是以高速计算机通信网络和多媒体技术为基础，将分布在不 同地点的设计和制造部门，通过网络系统集成为一个并行化和一体化运作的整 体。单台计算机的处理能力限制了其应用范围，只有通过计算机网络将分布在不 同地点的各个子系统互连在一起才能实现数据的交换、共享和集成，减少中间数 据的重复输入输出过程，从而大大地提高整个系统从订单、备料、设计、工艺到 生产和供货全过程的效率，加速新产品的开发，提高质量，降低成本，缩短交货 周期和压缩库存，以提高企业在市场的竞争力。“。 广域网上异地设计、异地制造的实施，可以充分发挥不同企业间的优势力量， 通过任务的分解和传达，联合不同的企业共同完成设计和制造的全过程。通过异 地设计和虚拟制造方法跨越时空，因而能提高制造企业对市场的快速反应能力、 降低企业生产调整的时间。 并行设计 传统的产品开发模式为功能部门制，信息共享存在障碍；串行的流程，在设 基- j - _ w e b 的1 艺设计方法的研究与实现 计早期不能全面考虑产品生命周期中的各种因素：基于图纸的手工设计为主，设 计表达存在二义性，缺少先进的计算机平台，不足以支持协同化产品开发”“。这 种传统的设计概念已越来越不能适应当代企业的需求。 随着全球市场的形成，产品上市时间成为市场的焦点。在产品设计阶段就同 时进行工艺过程设计，考虑产品整个生产周期的所有因素，大大缩短产品投放的 时间。这种方法在日、美企业如波音公司中已较广泛的应用，预计在2 1 世纪初 在我国企业也将广泛应用。其实质是在产品的设计阶段就充分地预报该产品在制 造、装配、销售、使用、售后服务以及报废、回收等环节中的“表现”，发现可 能存在的问题，及时地进行修改与优化。 并行工程是一种企业组织、管理和运行的先进设计、制造模式：是采用多学 科团队和并行过程的集成化产品开发模式。它把传统的制造技术与计算机技术、 系统工程技术和自动化技术相结合，在产品开发的早期阶段全面考虑产品生命周 期中的各种因素，力争使产品开发能够一次获得成功，从而缩短产品开发周期、 提高产品质量、降低产品成本。并行设计的主要优势在于可以使参与设计的人能 够在产品开发早期实现设计方案的协调和设计决策的优化，力求全面消除产品生 命周期中由于初期阶段的错误而造成的改变与反复，以便对类似产品进行在设计 时重新配置。 全球制造 近年来，全球化经营已不单是跨国公司的经营策略，中规模企业也以全球化 经营作为企业能否取得成功的主要因素来考虑。对每个企业来讲，当前的世界变 得更充满竞争性了。信息技术的发展，使企业能在低费用和高速度的条件下获取 分布在世界各地的信息数据，并几乎能在世界范围内实时地协调和处理各种变 化，如市场需求变化、新产品的变化、经济形势的变动和竞争对手的动态等信息。 发达的交通和后勤支持能力，使企业可以在全球市场上销售产品、采购原材料和 配套件、建立生产基地。产品“在哪里做的”( m a d ei n ) 已经越来越失去它的意 义，而将以”由谁做的”( m a d eb y ) 来取代臼6 1 。过去是企业用产品推动市场。现在 则是市场拉动企业发展新产品。 全球经济发展已进入了知识经济时代，市场竞争充分表现出是高技术的竞 争、知识的竞争。科技创新转化为生产力的竞争，全球制造业必须以产品的不断 创新作为争夺市场的经营策略。企业要在接近用户的地区开辟新的市场，就必须 拿出创新产品来争取用户。没有特色和性能过硬的产品是不可能开拓国际市场 的，只能”打道回府”。企业在建立全球化制造系统时，不仅要确定组织机构的发 展战略和合作机制，还要研究全球经济关系对未来企业的影响。这些影响包括发 展中国家中新市场的出现、自e h 贸易和经济合作的地域化、大规模合作的重新组 合、世界范围内制造工业正在发生惊人的变化等等。因此，企业必须紧跟世界经 2 南京航空航天入学硕士学位论文 济的变化和面对新的发展机遇，迅速建立全球制造网络是很关键的一步。建立全 球制造网络就是要在紧靠市场的地区寻找合作伙伴，建立合作机制，并通过它了 解当地需求、提供人员和物资。但是在选择合作伙伴时，成功和风险是并存的 应分别情况采用不同的合作方式，如可以先与具有实力的企业合作，然后再进行 合资等。 网络辅助设科技术 随着计算机与网络技术的快速发展，企业将会构造一个基于w e b 的分散化网 络制造系统。这一切给c a d 技术的应用带来新的机遇和挑战。回顾过去展望未来， 网络时代的辅助设计技术( n e ta i d e dd e s i g n ，n a d ) ，是顺应这一挑战的最新方 向。网络辅助设计技术就是充分利用网络技术、数据库技术、面向产品设计制造 全生命周期，支持动态建模与产品性能设计的设计技术。在此基础上研究出新一 代的设计制造软件工具，以适应网络时代对产品设计制造的要求。计算机在设计 制造领域的应用，摆脱了手工设计制造的原始方式。随着网络时代的到来，计算 机辅助设计的方法将会被网络辅助设计方法所代替。 机械产品的网络辅助设计( n a d ) 系统涉及到各种产品数据，包括制造模型 数据、工艺数据、加工数据以及各种管理数据。采用什么样的数据结构，如何将 这些数据统- n 网络数据库中，将直接影响n a d 系统的体系结构及功能实现。2 1 世纪是网络的时代，基于w e b 的辅助设计系统可以充分利用网络的强大功能，来 保证数据的集中、共享和统一，从而实现产品的异地设计和并行工程。因此，网 络环境下的c a d 系统的开发和应用必将成为网络时代一个新的发展趋势“”。 1 2 计算机辅助工艺过程设计 计算机辅助工艺过程设计( c a p p ) 是以计算机为辅助手段，解决产品制造过程中 存在的有关材料、工装、过程等工艺问题，它是c a d 和c a m 连接的桥梁，具体描述了 产品在整个生产过程中( 包括零件加工、产品装配等) 相关的条件和过程，是生产中 必不可少的重要环节。 1 2 1 c a p p 组成原理 尽管c a p p 系统的种类很多，但大多由如图卜1 所示组成啪1 。 基于w e b 的工艺设计方法的研究与实现 c a d 系统零件图 工艺数据知 识库 ( 编码版本 规则等) 系统界面 零件信息输入 描述i 识别i 提取 工艺决策 匹配i 推理i 编辑 系统工艺文件输出 显示l 存储l 打印i l 工艺信息工艺文件 图卜1c a p p 系统组成 c a p p 在企业中的作用主要体现在o ： 建立产品、零件制造的工艺过程文件，具体规定产品在形成过程中有关的条件、 状态、过程等参数，描述零件的加工过程以及应达到的质量标准，使工艺文件规范 化、标准化。 替代了工艺设计人员的手工操作，将其从繁杂的手工编写、查阅资料、绘制简图 等工作中解脱出来，将精力放在工艺设计、工艺经验的积累、工艺知识的应用上， 可以有效地提高企业的制造工艺水平。 规范产品制造工艺，使工艺信息计算机化，为企业信息化提供基础条件，实现工 艺参数等信息的数字化，提供工艺设计信息的共享与重用水平。 使各种优化决策方法的实现成为可能，为工艺设计人员提供决策支持，包括工艺 路线决策的优化、切削参数的优化、工时定额的确定等。 1 2 2 c a p p 的设计方法 c a p p 系统根据工作原理的不同，可分为三种：派生式( v a r i a n t ) 、创成式 ( g e n e r a t i v e ) 和人工智能( e s ，e x p e r ts y s t e m ) 方法( 专家系统) 。 派生式c a p p 系统 派生式c a p p 系统的基本原理是利用零件的相似性，建立相似零件族的标准工艺。 一个新零件的工艺规程是通过检索系统中已有的相似零件的工艺规程并加以自动筛 选或编辑而成的( 如图卜2 ) 。派生式工艺过程设计系统也称检索式或变异式工艺设 4 南京航空航天大学硕士学位论文 汁系统。 回回国回 0000 图t - 2 派生式系统的工作原理 创成式c a p p 系统 创成式系统的工艺规程是根据程序中所反映的决策逻辑以及有关的制造工程数 据信息生成的( 如图卜3 ) 。这些信息主要是有关各种加工方法的加工能力和对象、 各种设备及刀具的适用范围等一系列的基本知识。 图卜3 创成式系统工作原理图 创成式c a p p 系统的核心是工艺决策规则的制订和有关加工制造知识的合理描 述。其工作原理接近人类解决问题的思维方式，但由于工艺规划问题本身的复杂性 基于w e b 的：j 艺设计方法的研究与实现 而仍需依赖人的主观的经验和工艺理论，大多数工艺过程问题还不能建立实用的数学 模型和通用算法，工艺过程的知识也难以形成程序代码，这些都导致此类c a p p 系统 只能处理简单的、特定环境下的某类特定零件。 专家系统 将人工智能技术( a i ，a r t i f i c i a l i n t e l l i g e n t ) 应用于工艺自动设计中，给c a p p 的 研究带来了新的发展，其中最成功的是基于知识的c a p p 系统( 专家系统) ( 如图卜4 ) 。 专家系统主要由知识库和推理机构成，在知识表达方式上以产生式规则使用最广，近 年来框架、面向对象等知识表示方法也渐渐被采用。除了专家系统方法，一些在a i 领域最新研究成果也已在工艺规划中局部地得到应用( 如模糊逻辑和神经网络等) 。 图卜4 专家系统工作原理图 1 2 3c a p p 国内外研究现状与趋势 c a p p 自2 0 世纪6 0 年代后期诞生以来，国内外对c a p p 技术已进行了大量的探讨 与研究。由于国内外制造模式上的差异，使得对c a p p 系统实用化的研究重点不同。 国外通常采用数控加工方式，以单元技术的研究为重点，在系统功能的定制以及与 c a d c a f 的集成上，可以实现某种类零件几何特征的自动识别与提取，并自动生成 数控代码。多数情况下仍需要进行人机交互操作来实现工艺信息的转换与提取。 国内的加工方式是以普通机床加工为主，设计与制造之间需要工艺设计连接，由 于c a d 系统应用的普及，c a p p 系统要能实现从各种c a d 系统中提取零件的几何特征 南京航空航天大学硕士学位论文 和工艺信息相对比较困难，尽管在生成原理、系统结构、决策等方面，取得了很大的 进展，开发出为数众多的c a p p 系统，但实用的商品化系统数量很少。 c a p p 系统的发展趋势主要有： c a p p 模式的变更，使其与现代制造模式相融合 c a p p 从传统的运行模式转化为与p d m 相集成的模式，实现系统功能与数据 完全分离，能够通过计算机网络传输系统所需要的数据，进行跨企业、跨地区的 分布式运行，适应基于网络的异地设计与制造对企业数据的要求。 c a p p 单元技术的突破，使其实现c a d c a p p 的紧密集成 c a d c a p p 集成的主要难点在于，不同c a d 系统中几何特征和工艺信息的识 别与提取。解决的途径之一是从c a d 系统中几何模型统一起来，只需对一种模型 进行识别，另一种是研究几何特征的通用识别技术，对c a d 系统中要求的几何特 征及工艺信息进行识别与提取，这已成为c a p p 系统被企业接受的起码要求。 软件开发技术的发展，将促进c a p p 通用化的进程 目前c a p p 系统已能实现工艺数据处理的通用化，如实现工艺数据处理、工 艺表格的参数化定制，但对企业不同的功能要求需要进行专门的开发。随着软件 技术的发展，基于“软总线”技术的成熟与应用，系统功能的“即插即用”可实 现系统功能的随时添加，c a p p 象c a d 那样在企业的推广应用将为期不远。随着 工艺理论的深入和软件实施手段的丰富，c a p p 会逐步走向成熟。 1 3w e b 技术及其发展 w e b 最早是由欧洲核能研究中心c e r n ( t h ee u r o p e a nc e n t e ro fn u c l e a r r e s e a r c h ) 提出和开发成功的。c e r n 在多个国家建有加速器，科研人员也分散在各 国，而研究项目经常要延续较长的时间。为了便于联系和沟通，c e r n 的物理学家t i n b e r n e r s l e e 于1 9 8 9 年3 月提出了链接文档的构想，并于1 8 个月后实现了第一个基 于文本的w e b 原型。1 9 9 1 年1 2 月，w e b 在超文本会议( h y p e r t e x t 9 1 ) 上进行了公 开演示。 经过了几年的发展，n c s a ( n a t i o n a lc e n t e ro fs u p e r c o m p u t i n ga p p li c a t i o n ， 美国国家超级计算应用中心) 于1 9 9 3 年开发成功了轰动世界的第一个图形界面的浏 览器m o s a i c 。此后，m o s a i c 的主要作者之一m a r ca n d r e e s s e n 离开n c s a 并创办了 n e t s c a p e 通信公司，以开发w e b 客户程序、服务器程序和其他w e b 软件为主要目标。 n e t s c a p e 获得了巨大的成功，其著名浏览器软件n e t s c a p en a v i g a t o r 推出后，它便 成为软件霸主m i c r o s o f t 的主要竞争对手之一，w e b 也随着n e t s c a p e 的成功获得了 超速发展。 在短短的几年时间里，w e b 得到了非常迅猛的发展，如今w e b 的应用已远远超过 了原先的设想，它不仅成为i n t e r n e t 上最受欢迎的应用，而且正是由于它的出现， 7 基于w e b 的j ：艺设计方法的研究与实现 i n t e r n e t 普及推广的速度也得到了大大的提高。i n t e r n e t 作为未来信息社会基础结 构的原型，其影响正在超过任何现有的技术，其中的w e b 技术则更是如同飓风一样横 扫人类社会的各个角落，迅速成为2 0 世纪最伟大的科技成果之一。 w e b 发展到今天，已经具有以下特点： w e b 是一种超文本信息系统 w e b 的超文本链接使得w e b 文档不再象书本一样是固定的、线性的，而是可 以从一个位置迅速跳转到另外的位置，从一个主题迅速跳转到另一个相关的主 题。一切都是如此简单：只要鼠标点击所需的链接即可。 w e b 是图形化的和易于导航的 w e b 之所以能够迅速流行开来，一个很重要的原因就在于它具有可以在页面 上同时显示图形和其它超媒体的性能。在w e b 之前i n t e r n e t 上的信息只有文本 形式的信息，而w e b 可以提供将图形、音频、视频信息集合于一体的特性。同时， w e b 是非常易于导航的，只需要从一个链接跳到另一个链接，就可以在各页面、 各站点之间进行浏览了。 w e b 与平台无关 w e b 对系统平台没有什么限制，无论p c 、m a c i n t o s h 、工作站还是大型机，无 论是d o s 、w i n d o w s 、m a c o s 还是u n i x ，都可以通过i n t e r n e t 访问w e b 。 w e b 是分布式的 对于w e b ，没有必要也不可能把大量图形、音频和视频信息都放在起，而 是可以分布在不同的站点上，w e b 通过超链接使这些具有不同物理位置的信息成 为一个逻辑上的整体并展现给用户。 w e b 具有新闻性 w e b 站点上的信息是动态的、经常更新的。信息的提供者可以经常的对站上 的信息进行更新，使用户访问时获得最新的信息。 w e b 是动态的、交互的 早期的w e b 页面是静态的，用户只能被动浏览。由于开发了多种w e b 动态技 术，用户现在已经能够方便的定制页面。以j a v a 为代表的动态技术使w e b 从静 态的页面变成了可执行的程序，从而大大提高了w e b 的动态性和交互性。 1 4 论文的选题及主要章节安排 近三十年来，c a d 、c a m 技术得到突飞猛进的发展，已广泛用于机械、电子、航 空、航天、汽车和船舶等各个领域，涌现了许多深受用户欢迎的著名特征造型方面的 商品软件i d e a s 、u g 一2 、p r o e n g i n e e r 等，这些软件在几何造型、分析计算、数据 管理等方面取得了巨大的成功，成为机械产品设计人员方便有效的工具。其中最著名 的p r o e n g i n e e r 一套由设计至生产的机械自动化软件，是新一代的产品造型系统， 南京航空航天大学硕士学位论文 是采用参数化设计的、基于特征的实体模型化系统，还同时具备n c 编程的功能。特 征参数化设计使设计者所使用的对象不再是简单的几何图素。而是具有功能要素和携 带工艺信息的特征。然而由于该软件没有工艺设计功能，却需要n c 编程人员根据c a d 图形进行繁琐的人机交互操作，选择零件的加工方法、加工对象、刀具参数、切削用 量和确定加工顺序等，系统才能形成零件加工的刀位文件，最后转换成n c 程序。因 此，如何进行特征参数化的工艺设计是非常重要的，也是今后计算机辅助工艺设计的 一个研究方向。 m a s c ( m o d e l i n g ，a n a l y s i s ，s i m u l a t i o na n dc o m p u t a t i o n ) 是u t r c ( u n i t e dt e c h n o l o g i e s r e s e a r c hc e n t e r ) 与南航合作的一个研究项目，是在i n t e r n e t i n t r a n e t 环境下对轴类 系统进行参数化特征造型和分析，进行工艺规程的自动产生和图纸的自动转化。本文 主要针对m a s c 系统中的工艺规程自动生成部分进行了探索性的研究，即把特征参数 化造型和工艺设计有效结合在一起，以期能给制造工程师提供一种工艺设计工具，达 到缩短工艺设计的周期、提高设计效率，降低生产成本的目的。 本文共分为七章，各章内容安排如下： 第一章绪论 第二章基于特征参数化的工艺设计 本章介绍了参数化技术和特征技术的概念，重点讨论了特征参数化的工艺设计方 法，如何进行特征造型和特征识别、工序的生成以及加工方法和加工资源的选择。 第三章m a s c 系统的总体设计 本章讨论了三层结构的浏览器且艮务器模型和w e b 基应用系统的开发技术：确定 了m a s c 系统的设计，介绍了系统的数据结构和功能模块。 第四章m a s c 系统的工艺数据库 本章讨论了工艺知识和数据，介绍了关系数据库的知识，对w e b 与数据库集成的 技术做了分析，说明了j d b c 技术的工作原理，并介绍了工艺数据库的设计。 第五章m a s c 系统的实现 本章以m a s c 系统中最具有代表性的两个模块工艺自动生成模块和数据库管理模 块。 第六章总结和展望 9 基于w e b 的工艺设计方法的研究与实现 2 1 引言 第二章基于特征参数化的工艺设计 计算机集成制造系统( c i m s ) 被认为是未来机械制造工业的生产模式。计算机辅 助工艺设计在c a d c a m 集成技术发展中起着纽带与桥梁作用，设计信息只能通过工艺 过程设计才能生成制造信息，产品设计只能通过工艺设计才能与制造实现信息和功能 的集成。基于特征参数化的产品信息描述为建立使c a d c a m 相对统一的、包含从计划 到制造等生产过程内所有形状功能及工艺特性的产品信息模型提供了极大的可能性。 机械加工工艺过程的设计是一个复杂的工程问题，它在很大程度上依赖于设计者的水 平和经验，同时由于工艺过程设计中所涉及的信息量大，各决策功能因不同结构工件、 不同精度等级而性质差异大，所以产生了不同的工艺设计方法。因此，如何进行特征 参数化的工艺设计是非常重要的，也是今后c a p p 的一个研究方向。 2 2 参数化技术 2 2 1 参数化设计的概念 机械设计过程的复杂性、多样性和灵活性要求设计自动化必须走参数化的例子， 参数化技术是当前c a d 技术重要的研究领域之一。所谓参数化就是将设计要求、设 计原则、设计方法和设计结果用灵活可变的参数来表示，以便在人机交互过程中根据 实际情况随时加以更改“。 参数化设计( p a r a m e t r i c ) 设计( 也叫尺寸驱动d i m e n s i o n d r i v e n ) 是c a d 技 术在实际应用中提出的课题，是指在工程设计中，用可变参数而不是固定参数表达零 件或部件装配关系，即通过修改参数以完成零件形状或部件装配关系的修改。这样， 工程设计人员可任意建立形体尺寸和功能之间的关系。任何一个参数改变，其相关的 特征也自动修正。利用参数化设计手段开发的专用产品设计系统，可使设计人员从大 量繁重而琐碎的绘图工作中解脱出来，大大提高设计速度，并减少信息的存储量。参 数化设计技术以其强有力的草图设计、尺寸驱动修改图形功能，成为初始设计、产品 建模及修改系列设计、多方案比较和动态设计的有效手段m 1 。 南京航空航天大学硕士学位论文 2 2 2 参数化技术的分类 国内外对参数化设计做了大量的研究，目前参数化技术大致可分为如下三种方 法：( 1 ) 基于几何约束的数学方法：( 2 ) 基于几何原理的人工智能方法：( 3 ) 基于特征 模型的造型方法”“。其中数学方法又分为初等方法( p r i m a r ya p p r o a c h ) 和代数方法 ( a i g e b r a i ca p p r o a c h ) 。初等方法利用预先设定的算法，求解一些特定的几何约束。 这种方法简单、易于实现，但仅适用于只有水平和垂直方向约束的场合；代数法则将 几何约束转换成代数方程，形成一个非线性方程组。该方程组求解较困难，因此实际 应用受到限制；人工智能方法是利用专家系统，对图形中的几何关系和约束进行理解， 运用几何原理推导出新的约束，这种方法的速度较慢，交互性不好；特征造型方法是 三维实体造型技术的一个新发展，特征造型是着眼于更好的表达产品完整的功能和生 产管理信息，为建立产品的集成信息模型服务。 2 2 3 参数化技术的基本思想 参数化技术出现的时间还不太长，目前正处于不断发展和完善时期，新的思想和 方法还在实践中不断出现，下面介绍参数化设计系统中涉及到的一些技术和思想： 轮廓 参数化设计系统引入了轮廓的概念，轮廓由若干首尾相接的直线或曲线组成，用 来表达实体模型的截面形状或扫描路径，轮廓上的线段( 直线或曲线) 不能断开、错 位或交叉，整个轮廓可以是封闭的，也可以不封闭。 草绘 草绘是参数化设计系统的一个重要模块，所有的参数化设计系统都提供草绘功 能。草绘的目的是建立参数化设计所需要的轮廓或路径。一般情况下草绘是在一个预 先设定的平面上进行的，这个平面叫草绘面。草绘面可以是实体上的一个平面，也可 以是非实体的几何平面，草绘在特征情况下也可以在三维空间进行。 尺寸驱动 如果给轮廓加上尺寸，同时明确线段之间的约束，计算机就可以根据这些尺寸和 约束控制轮廓的位置、形状和大小。计算机如何根据尺寸和约束正确的控制轮廓是参 数化的一个技术关键。所谓尺寸驱动是指当设计尺寸人员改变了轮廓尺寸数值的大小 时，轮廓将随之发生相应的变化。 实现尺寸驱动对设计人员来讲具有重要的意义，尺寸驱动把设计图形的直观性和 设计尺寸的精确性有机的统一起来。如果设计人员明确了设计尺寸，计算机就把这个 尺寸所体现的大小和位置信息直观的反馈给设计人员，设计人员可以迅速的发现不合 理的尺寸。另一方面，在结构设计中设计人员可以在屏幕上大致勾勒设计要素的位置 基于w e b 的工艺设计方法的研究与实现 和大小，计算机自动将位置和大小尺寸化，供设计人员参考，设计人员可以在适当的 时候修改这些尺寸。由此可以看出，尺寸驱动可以大大提高设计的效率和质量。 变量驱动 也叫变量化建模技术。变量驱动将所有的设计要素如尺寸、约束条件、工程计算 条件甚至名称都视为设计变量，同时允许用户定义这些变量之间的关系式已经程序逻 辑，从而使设计的自动化程度大大提高。变量驱动进一步扩张了尺寸驱动技术，给设 计对象的修改增加了更大的自由度。 合理性检查 参数化设计系统中，计算机能够帮助设计人员正确的标注尺寸，过多和过少的尺 寸都能被计算机发觉，计算机会在适当的时候向设计人员提出忠告。 2 3 特征技术 2 3 1 特征的概念 自2 0 世纪7 0 年代末提出特征概念以来，至今仍未有一个严格的完整的定义， 比较一致的意见认为特征是具有属性，与设计、制造活动有关，并含有工程意义的 基本几何实体或信息的集合o “。特征包括以下几个方面：第一，形状信息，特征是 低层次的几何元素( 点、线、面、体) 与实体( 零件) 之间的联系桥梁。特征将特 定的几何元素有机组合，形成能够表达特定功能或特定意义的形状结构，使面向加 工的形状信息通过特征得以实现；第二，精度信息，与产品几何变动量相关的信息 集合。第三，特征不仅与几何形状有关，还包括加工、检验、装配等过程信息。第 四，材料信息，零件材料的成份、条件等相关信息的集合。其中，形状是产品设计 制造人员考虑问题的焦点，通常也是其它信息的载体。 这个定义强调了特征具有包括几何形状、精度、技术特征和管理等属性，同时 强调了特征是与设计活动和制造方法有关的几何实体，因而是面向设计和制造的， 而且该定义还强调了特征含有工程意义的信息，即特征反映了设计者和制造者的意 图。 2 3 2 特征的抽象和分类 实际上在c a d 相关的各个领域都引用了特征这个概念。特征所包含的信息和内 容还在不断增加。特征试图能够反映机械设计制造各个方面的信息。目前大多数专 家认为零部件可用以下几种特征类型来描述。”： 形状特征 南京航空航天大学硕士学位论文 形状特征( f o r mf e a t u r e ) 用于描述某个有一定工程意义的几何形状信息，是 产品信息模型中最主要的特征信息之一。它是其它非几何信息如精度特征、材料特 征等的载体。非几何信息作为属性或约束附加在形状特征的组成要素上。 形状特征又分为主特征和辅特征。主特征( m a i nf e a t u r e ) 用于构造零件的主 体形状结构；辅特征则用于对主特征的局部进行修饰，它依附在主特征之上。辅特 征又有正负之分，正特征向零件加材料，用来描述如凸台、筋板等形状实体；负特 征向零件减材料，用来描述孔、槽之类的形状。在辅特征中还包括修饰特征，用来 表示印记和螺纹等。 装配特征 装配特征( a s s e m b l yf e a t u r e ) 用于表达零件的装配关系，以及在装配过 程中所需的信息，包括简化表达、模型替换、包封、边界盒等等，有时也包括 在装配过程中生成的形状特征，如配钻等。 精度特征 精度特征( p r e c i s i o nf e a t u r e ) 用于描述几何形状和尺寸的许可变动量或 误差，如尺寸公差、形位公差、表面粗糙度等。精度特征又可细分为形状公差 特征、位置公差特征、表面粗糙度等。 材料特征 材料特征( m a t e r i a lf e a t u r e ) 用于描述材料的类型与性能以及热处理等信 息。如性能规范( 机械特性、物理特性、化学特性、导电特性等) 和材料处理 方式与条件( 如整体热处理、表面热处理等) 。 性能分析特征 性能分析特征( a n a l y s i sf e a t u r e ) 用于表达零件在性能分析时所使用的 信息，如有限元网格划分等，有时也称技术特征。 补充特征 补充特征( a d d i t i o n a lf e a t u r e ) 用于表达一些与上述特征无关的产品信 息，如用于描述零件设计的g t ( 成组技术) 码等管理信息的特征，也可称为管 理特征。 一般把形状特征与装配特征叫做造型特征，因为它们是实际构造出产品外 形的特征。其它的特征称为面向过程的特征，因为它们并不实际参与产品几何 形状的构造，而属于那些与生产环境有关的特征。 基= j 二w e b 的上艺设计方法的研究与实现 图2 - 1 特征分类图 形状特征是描述零件或产品的最主要的特征，有必要对它再详细分类。 2 3 3 形状特征 跟据形状特征在构造零件中所起的作用不同，可分为主形状特征( 简称主特征) 和辅助形状特征( 简称辅特征) 两类。”： ( 1 ) 主特征。主特征用来构造零件的基本几何形体。根据其特征形状的复杂程度 又分为简单主特征和宏特征两类：1 ) 简单主特征，主要指圆柱体、圆锥体、长方 体、圆球等简单的基本几何形体。2 ) 宏特征，指具有相对固定的结构形状和加工 方法的形状物征，其几何形状比较复杂，而又不便于进一步细分为其它形状特征的 组合。如盘类零件、轮类零件的轮幅和轮毂等，基本上都是由宏特征及附加在其上 的辅特征( 如孔、槽等) 构成。宏特征的定义可以简化建模过程，避免各个表面特 征的分别描述，并且能反映出零件的整体结构、设计功能和制造工艺。 ( 2 ) 辅特征。辅特征是依附于主特征之上的几何形状特征，是对主特征的局部修 饰，反映了零件几何形状的细微结构。辅特征附于主特征，也可依附于另一辅特征。 根据辅特征的特点，将其进一步分为简单辅特征、复制特征和组合特征。1 ) 简单 辅特征，指倒角、退刀槽、螺纹、花键、v 形槽、t 形槽、u 形槽等单一特征。它 们可以附加在主特征上，也可以附加在辅特征上，从而形成不同的几何形体。例如， 若将螺纹特征附加在主特征外圆柱体上，则可形成外圆柱螺纹；若将其附加在内圆 柱面上，则形成内圆柱螺纹。同理花键也相应可形成外花键和内花键。因此无须逐 一描述内螺纹、外螺纹和外花键等形状特征，避免了由特征的重复定义而造成特征 1 4 南京航空航天大学硕士学位论文 库数据的冗余现象。2 ) 组合特征，指由些简单辅特征组合而成的特征，如中心 孔、同轴孔等。3 ) 复制特征，指由一些同类型辅特征按一定的规律在空间的不同 位置上复制而成的形状特征。如周向均布孔、矩形阵列孔、油沟密封槽、轮缘( 如 齿圈、v 带轮槽等) 。 2 3 4 特征的联系 为了方便描述特征之间的联系，引入特征类、特征实例的概念。特征类是关于 特征类型的描述，是所有相同信息性质或属性的特征概性的特征概括。特征实例是 对特征属性赋值后的一个特定特征，是特征类的一个成员。特征类之间、特征实例 之间有如下的联系： 1 继承联系。继承联系构成特征之间的层次联系，位于层次上级的叫超类特征， 位于层次下级的叫亚类特征。亚类特征可继承超类特征的属性和方法，这种继承联 系称a k o ( a k i n d o f ) 联系。如特征与形状特征之间的联系。另一种继承联系是 特征实例之间的联系，这种联系称为i n s a ( i n s t a n c e ) 联系。如某一具体的圆柱 体特征类的一个实例，它们之间反映了i n s a 联系。 2 邻接联系。反映形状特征之间的相互位置关系，用c o n t ( c o n n e c t t o ) 表示。构 成邻接联系的形状特征之间的邻接的状态可共享。例如一根阶梯轴，每相邻两个轴 段之间的关系就是邻接联系，其中每个邻接面的状态可共享。 3 从属联系。描述形状特征之间的依从或附属关系，用i s t ( i s s u b o r d i n a t e t o ) 表示。从属的形状特征依赖于被从属的形状特征而存在，如倒角附属于圆柱体。 4 引用联系。描述特征类之间作为关联属性而相互引用的联系，用r e f ( r e f e r e n c e ) 表示。引用联系要存在于形状特征对精度特征、材料特征的引用。 2 3 5 特征的表示方法 目前，常用的特征的表示方法主要有以下三种： 1 基于b - r e p 的方法：在b - r e p 方法中，特征被定义为一个零件的相互联系的面 的集合( 面集) 。这些特征也被称为“面特征”。b - r e p 模型是基于图的，所有的几何 拓扑信息显式地表达在面、边、顶点、图中，因此，b - r e p 模型常被称为赋值的模型。 b - r e p 表示特征的方法受到许多研究者的喜欢，这是因为可以得到充足的信息以及它 是基于图的表示方法( 许多特征识别系统是基于图表示的) 。b - r e p 模型可以与属性值 ( 如表面粗糙度，材料等) 、尺寸和公差联系在一起，b - r e p 方法的缺点是它与特征体 素和体积特征没有直接的联系，特征操作( 如删除特征) 难于进行。 2 基于c s g 的方法：基于c s g 的特征表达方法将特征定义为体积元素，体积元素 通过布尔操作构造零件。使用c s g 表示方法简捷、有效、易于编辑和操作体素，并提 1 5 基于w e b 的工艺设计方法的研究与实现 供c s g 和特征体素之间有意义的联系，而且二叉树可用于特征模型的构造。对于特征 提取，c s g 模型的主要问题是其表示的不唯一性，以及缺少对低层的构形元素的显式 表达。然而，给c s g 模型赋值，推导出其相应的边界表示，就可以克服这些问题。 3 基于混合c s g b r e p 的方法：由于c s g 和b - r e p 表示方法都各有优缺点，因此， 汲取二者优点的混合表示方法便产生了。在这种方法的系统中，模型首先以c s g 方法 存储，在显示时生成b - r e p 模型。c s g 方法表示可以转化为b - r e p 表示，但此种转化 不可逆转。 2 4 特征参数化的工艺设计方法 一般零件的特征参数化工艺生成的流程图如图2 2 2 4 1 特征造型 图2 - 2 特征参数化工艺设计流程图 目前表示3 d 图形且被大家所广泛熟悉的是结构实体几何( c s g ) ，这种模型在设 计过程中有明显不足。特征造型的目的就是生成零件的3 d 模型，同时避免象c s g 模 型在设计过程中出现的问题。特征造型设计过程即首先构造基特征，在基特征上加入 从属特征，形成零件设计的中间过程，再加入从属特征，直至最终零件设计完成。如 果基特征就是最终零件，这便是特征造型的最简单过程。从中可以看出，零件由参数 化特征( 基特征、从属特征) 组成，基特征只能由设计特征产生，可以把它看作是零 件的毛坯；从属特征可以由设计特征或标准特征形成。当从属特征加入到基特征( 或 1 6 南京航空航天大学硕士学位论文 零件) 时，可以通过切割( c u t ) 、联结( j o i n ) 及相交( i n t e r s e c t i o n )