CIMS环境下基于特征的产品模型

CIMS环境下基于特征的产品模型注意：本文已经在《机械科学与技术》(1998,17(1):129～131)杂志发表
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李龙梅  张暴暴  冯辛安  刘晓冰
(大连理工大学CIMS中心  大连  116024)

 摘要：CAD/CAM是CIMS的核心，基于特征的产品建模是实现CAD/CAM集成的关键，本文通过分析典型CIMS中工程设计分系统功能模型，给出CIMS环境下CAD/CAM产品特征模型。
关键词：特征  产品信息模型  CAD/CAM
中图号：TP39

1.  CIMS集成产品模型与CAD/CAM基于特征的产品模型  计算机集成制造系统CIMS作为新一代工厂自动化模式之一覆盖了产品的整个生命周期。机械产品的生命周期包括从产品的市场需求分析、立项论证、生产决策、产品设计、工艺设计、加工制造、装配、测试到销售和售后服务的全过程。CIMS集成产品模型是产品生命周期中全部数据的集合，它是整个CIMS研究和处理的对象，所有类型的产品信息都集中储存在这个集成的产品信息模型中，信息的表达已将产品生命周期中的不同阶段都考虑进去，是整个企业在生产周期的任何阶段能共享的信息模型，它能在整体上和局部级上支持各种应用活动，使得面向制造、面向装配、面向质量等成为可能。集成产品模型是以用户需求、市场分析为出发点，以产品设计制造模型（CAD/CAM的模型）为基础，在产品整个生命周期内不断扩充、不断更新版本的动态模型。它应能克服以往仅从某一特定阶段的数据需求和数据处理的特点来建立数据模型，改善对产品产品生命周期中所有数据需求的全局分析的不足，而使得在产品生命周期中各阶段实现信息交换与共享。

  工程设计分系统CAD/CAM是CIMS的核心。 CAD/CAM就是按照产品设计-制造的实际进程，在计算机里实现应用程序所需要的信息处理和交换，形成连续的、协调的和科学的系统。实现CAD/CAM一体化的关键在于信息的集成。基于特征的产品模型，是实现CAD/CAM有效集成最佳方法，是CIMS集成产品模型的一个子集，是集成产品模型的基础模型，也是CAD/CAM系统中数据共享的核心。

  传统的基于实体造型的CAD系统仅仅是几何形状的描述，缺乏对产品零件信息的完整描述，与制造所需信息彼此是分离的，从而导致CAD/CAM系统集成的困难。将特征概念引入CAD/CAM，出现了产品特征模型。基于特征的建模是CAD建模的一个新的里程碑，它是CAD/CAM技术的发展和应用到达一定水平，要求进一步提高生产组织的集成化及自动化程度的历史进程中逐步发展起来的。基于特征的建模着眼于更好地表达产品的完整技术和管理信息，为建立产品集成信息模型服务，它使产品设计在更高层次上进行，设计人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，直接体现了设计意图，使建立的产品模型容易为非设计人员理解并便于组织生产，设计图样更容易修改，有助于加强产品设计、分析、工艺准备、加工检验各部门之间的联系，更好地将产品设计意图贯彻到下游环节，并及时得到意见反馈。因此特征建模是解决产品模型建立的可靠途径，于是出现了许多关于特征建模的研究。

  对特征技术的研究工作，主要可以概括为七个方面：特征的定义与分类、特征识别、特征建模、特征表达、特征检验、特征映射和特征数据库。特征的定义和分类的研究是特征技术研究的基础，但到目前为止，对特征定义和分类的研究还没有形成一个统一的标准，这是因为特征的定义和分类受到特征研究应用背景的制约。CAD/CAM的特征建模究竟应当包含哪些特征，各说不一。作者认为，作为CIMS的核心－－CAD/CAM系统的开发应用，完全可以按照CIMS信息集成的概念进行,由于CAD/CAM最终要集成到CIMS中，基于特征产品模型最终要为CIMS中所有子系统共享，所以在研究特征造型时不仅需要考虑CAD/CAM本身的信息需求，而且需考虑其在CIMS中的地位、作用及其与CIMS中其它分系统之关系。本文就是通过研究典型CIMS中工程设计分系统功能模型各二级子系统的信息需求、本分系统与其它分系统信息联系，得出基于特征的建模应包含的特征定义与分类。

2.  CIMS中工程设计分系统的功能模型  一般可以将CIMS分为四个功能分系统和两个支撑分系统。四个功能分系统分别是工程设计分系统、管理信息分系统、制造自动化分系统和计算机质量保证分系统。两个支撑分系统分别是数据库和网络支撑分系统。

  图(1)所示为典型的工程设计分系统的功能模型图。工程设计分系统由产品数据管理（PDM）、产品设计、工艺设计和制造准备四个二级子系统组成。从这个图中我们可以清楚地看出系统内部数据信息的需求和流动。首先通过PDM将产品开发计划、生产经营计划管理等信息传到产品设计模块，将产品设计模块输出产品的技术报价、BOM表、图纸、技术文档等信息所形成的产品设计模型返回到PDM；工艺设计分系统从PDM中获取有关信息，完成工艺设计并将设计结果，如：工艺规程、专用工装图等技术文档返回PDM；制造准备模块从PDM中获得信息，编制数控加工、夹具需求计划等制造数据信息和各类技术文档返回PDM。产品设计、工艺设计和制造准备之间的信息通过PDM传送，改善数据的统一性和安全性。最后形成的基于特征的产品模型就存在于PDM中了。

  工程设计分系统的输入信息是市场信息和管理信息分系统传递的生产管理信息，输出Ｏ１将又成为质量保证分系统、制造自动化分系统、管理信息分系统的输入。在CIMS环境下，工程设计分系统应与生产管理、质量管理、制造自动化集成起来，因此特征建模时，应考虑这些分系统的信息需求。例如，质量保证分系统的功能是规划和执行企业的质量保证活动，它需要工程设计分系统提供有关产品几何数据、零件、原材料的基本数据、图纸、零件明细、产品结构、标准规范、加工、装配与检测规程和程序等，并从质量保证角度向CAD模块提出产品质量方面的要求和修改设计的意见，提出有关质量方面的要求和达到质量要求建议采取的措施，通过生产控制和维修实现质量控制。由于安排生产作业计划、物料需求计划、能力平衡计划、合同管理、仓库管理等需在管理信息分系统中完成，所以管理信息分系统与工程设计分系统之信息交换包括：供应商、用户基本数据，用户订单和车间下达任务的有关数据、图纸、零件明细、产品结构有关工具、消耗品数据、工艺规程等。

3.  特征的定义与分类  3.1特征的定义  在一个产品整个生命周期中产生的信息很多，其中包括：设计信息、制造信息、管理信息、质量信息、使用和维护信息等。这些信息又被CIMS中其它系统以不同的方式使用。产品设计初始特征模型是由设计人员建立的，然而在产品整个生命周期内，这个特征模型的不断完善需要设计师、工艺师、质量检测人员等的共同协作。

  本文对特征的定义是在CIMS环境下，特征是产品生命周期内信息完整描述的载体，特征是一种信息表示方法，包括几何信息和非几何信息。

  尽管特征的定义由于应用的不同而有差异，但特征的性质和作用是基本一致的。首先特征是低层的几何元素与零部件间联系的桥梁，特征将构成特征的几何元素有机地结合起来，形成能够表达特定功能或含义的形状结构，以体现面向应用的形状信息；此外，特征的组成元素可以作为尺寸 公差、表面粗糙度等加工信息的相关载体，使得工艺信息能完整地借助特征而得到表达。基于特征的产品模型不仅能支持各种应用所需的产品定义信息，而且能提供符合人们思维的高层次工程描述术语，并反映设计和制造意图，从而克服现行CAD/CAM系统中产品信息定义不完备性和低层数据抽象性的不足。为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几何信息以外，还包括在设计、工艺规划和制造过程中需要技术、功能等信息，即特征给各种数据赋予了一定的语义。特征建模所需处理的数据纷繁复杂，系统中的数据类型繁多，数据之间的关系也十分复杂，既包括反映产品形状几何拓朴信息的几何模型，又有反映设计结构功能的设计模型，还需处理具有加工特点和装配特性的制造模型，既要存储静态的产品标准、规范等信息，又要涉及动态产品设计、制造过程信息。

3.2特征的分类  在对CIMS工程设计分系统各子系统信息交换分析的基础上，从特征建模的角度出发可以将零件特征分以下6类:

  1)形状特征：零件上有一定拓扑关系的一组几何元素所构成的一个特定形状。它具有特定的功能及其特定的加工方法集。形状特征可以分为主形状特征和辅形状特征。其中主形状特征用于构造零件的主体形状(如圆柱体、圆锥体等)，辅形状特征用于对主特征的局部修饰(如倒角、键槽、退刀槽、中心孔等)。辅形状特征附加于主特征之上，或附加于另一辅特征之上，根据辅特征的特点还可以将之进一步划分为简单辅特征、组合辅特征和复制辅特征。简单辅特征是指如倒角、退刀槽等单一特征；组合辅特征是由一些简单辅特征组合而成的特征如阶梯孔等；复制辅特征是同一辅特征按一定规律在空间不同位置上复制而成的特征，如周向均布孔、矩阵列孔等。也可以按获得形状的加工方法不同将形状特征分类。

  2)精度特征：用于表达零件各要素尺寸公差、形状公差、位置公差和表面粗糙度等精度要求信息。需特别指出的是，一般形位公差除公差项目名、公差值、基准外，还应包含公差检测原则(如包容原则、最大实体原则等)。精度特征是形成零件质量指标的主要依据。

  3)管理特征：用于描述零件的管理信息，如标题栏中的设计者、批量、一台份的件数、零件与其它产品的借用与通用关系、日期、编码以及生产管理中MRP－II所需信息，和设计过程管理，包括版本管理，使用者权限设定与管理，审定等，并为PDM提供所需的信息。

  4)技术特征：用于描述零件的性能、功能等相关信息。说明外观要求、搬运要求等图纸上无法在图上标注的要求，零件运行过程中工况条件（常规、极限），载荷与约束条件，为CAE提供模拟信息，为性能实验，分析计算、优化，有限元前处理提供条件。

  5)材料特征：用于描述零件材料的类型、理化指标及热处理等特殊要求、表面处理的信息集合。

  6)装配特征：用于表达零件在装配过程中所需用的信息，如与其它零件之配合、配作等关系，装配尺寸链信息、父项子项的信息。为装配工艺提供必要的信息。如组成产品的零部件之间在装配中的关系可分为：

  层次关系：机械产品是由具有层次关系的零部件组成的系统

  装配关系：包括描述实体模型几何元素之间直接的相互关系的几何关系，比如平面贴合、点面接触相切；描述零部件之间高于几何测层次的机械关系，如螺纹联接、键联接等；描述零部件之间运动关系（相对运动或传递运动），如相对转动，齿轮传动等。

  参数约束关系：设计中的参数分为两大类，一类是从上一层传递下来的参数，本层设计部门必须满足，而且无权直接修改，称之为继承参数，一类是设计中产生的新参数，它们有的是从继承参数中导出的，有的是根据当前设计需要制定的统称为生成参数。当继承参数改变时，相关的生成参数要随之调整。

  以上特征中，形状特征和精度特征是与零件建模直接相关的特征，而其余特征是CAPP系统选择毛坯、下料、制定工艺的依据，是质量保证系统制定质量检测规划的依据。特征之间的关系有反映主形状特征之间的空间相互位置关系的邻接关系；辅助特征从属于一个主特征或另一个辅特征时构成的附属关系；描述特征类之间关联属性而相互引用的引用关系；不同层次特征之间的继承关系等。

  以上特征是根据产品的对象定义的，支持产品生命周期多个阶段的通用特征，不同阶段之间的信息传递主要是通过基本特征这个信息载体，又可以称为基本特征。基本特征对不同应用领域具有不同视口、不同投影与继承，是特征模型支持下游操作和模型本身不断完善的途径。各个分系统结合各自不同信息，就形成了各自的应用特征，如工艺特征、制造特征、检测特征。所以应用特征，是面向具体应用领域或具体应用系统的专用特征，它满足具体系统的操作要求，同时它的信息是可以从基本特征中导出的。

图1 工程设计自动化分系统功能模型图

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

参考文献

[1]冯辛安主编，CAD/CAM技术概论，北京：机械工业出版社.1995.

[2]贺建平、丁秋林、孙正兴，基于特征的产品信息建模技术研究，计算机辅助设计与制造,96(3).

[3]肖田元，CIMS与先进制造技术，工程设计CAD及自动化,96(4).

[4]唐荣锡、张关康、关红明，结合国情研究特征造型技术，计算机辅助设计与图形学学报,92(4).

[5]潘东、张申生、步丰林，基于装配的并行设计辅助系统的研究，计算机辅助设计与制造,96(7).

[6]C Kim and P J O’Grady,  A representation formalism for feature-based design ,Computer Aided Design, 1996, 28(6/7)