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、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：Productinformationmodelisthecarrierofproductdata,intheprocessofproductdesign,analysisandmanufacturingplaysanirreplaceablerole.Attachesgreatimportancetotheproductinformationmodelingtheoryandimplementationtechnologyathomeandabroadresearch,thediscussionofrelatedtheoryandtechnologyinspiteofsomeprogress,stillcannotmeettheneedsofcomplexequipmentdigitaldesign.Afteracertaindevelopment,informationmodelinghasformeditsownsetofinthefieldofmechanicalsystems,suchas:theCIM,PPC,CAPPandCAM,CAQandsoon.Itplaysanirreplaceableroletothedevelopmentofmechanicalmanufacturing.Belowthispaperstudiestheinformationmodelinginmechanicalassemblyandapplicationinthemiddleofthemechanicalprocess.Andthestatusofanalysisandoutlook.Keywords:informationmodeling;CAPP;mechanicalassembly;mechanicalprocess【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，国际标准化组织还制定了产品数据交换标准STEPStandardfortheExchangeofProductModelDataSTEP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