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CAx集成研究与应用模式CAx集成研究与应用模式3苏守宝1,范王康2,郁书好1,尹夕兵2,郑大腾3(1皖西学院计算机科学与技术系,六安237012;2六安江淮汽车齿轮制造有限公司齿轮研究所,六安237007;3合肥工业大学机械与汽车工程学院,合肥230032)摘要:分析CAD/CAM/CAE/CAPP的集成与应用模式,包括以CAD为基础的基于特征技术的计算机辅助各环节(CAx)集成、基于PDM的CAx系统集成、基于CORBA组件技术的ERP/CAx集成、基于本体和产品生命周期管理(PLM)的PDM/CAx集成,以及基于并行工程的集成与集成优化,指出随着工程图形处理、产品建模、数据交换、特征识别和敏捷制造等关键技术的发展,未来的CAx系统应用向着网络化、虚拟化和智能化的无缝集成方向发展。关键词:集成;计算机辅助制造;计算机辅助工艺规划;产品数据管理;本体中图分类号:TP39117文献标识码:A文章编号:1671—3133(2021)04—0137—06ResearchonintegrationofCAxandappliedpatternsSUShou2bao1,FANWang2kang2,YUShu2hao1,YINXi2bing2,ZHENGDa2teng3(1DepartmentofComputerScience&Technology,WestAnhuiUniversity,Luπan237012,Anhui,CHN;2InstituteofGear,LuπanJianghuaiAutomotiveGearManufactureCo.Ltd.,Luπan237007,Anhui,CHN;3SchoolofMechanicalandAutomotiveEngineering,HefeiUniversityofTechnology,Hefei230032,CHN)Abstract:AnalysizedtheintegrationforCAD/CAM/CAE/CAPPandsomeappliedpatterns,includingCADandfeatures2basedintegratingforCAx,integrationofCAxbasedonPDM,integrationofERP/CAxbasedoncomponentCORBA,integrationofPDM/CAxbasedonontologyandPLM,aswellasintegrationanditsoptimizationbasedoncurrentengineering.Itwasshownthatwiththedevelopmentofengineeringgraphicprocessing,productmodeling,dataexchanging,featureidentifying,agilemanufacturing,andotherkeytechniques,thefutureCAxinCIMSwouldbenetworked,virtualized,intellectseamlessintegratedapplicationsys2tems.Keywords:integration;CAM;CAPP;PDM;ontology自从1965年Niebel首次提出计算机辅助工艺设计(CAPP)系统的思想,至今CAPP已经历了检索式、派生式、创成式、混合式、专家系统和工具系统等不同的发展阶段,并涌现出一大批CAPP原型系统和商品化CAPP软件。随着企业信息化进程的不断深入,产品数据管理(PDM)系统、计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助工程(CAE)和计算机辅助制造(CAM)等现代设计制造技术的应用日益广泛。20世纪90年代初,出现了专用的CAD系统,初步实现CAD信息的集成,随着并行工程(CE)、敏捷制造(AM)和虚拟制造(VM)等先进制造理念的发展和应用,以及STEP标准的提出、分布式计算技术的进步和CORBA、JavaRMI技术标准的更加成熟,基于PDM的计算机辅助集成技术的研究和应用获得了迅速发展,20世纪90年代末至今,计算机集成制造系统(CIMS)在信息集成和过程集成的基础上,开始强调企业应用集成(EAI)和企业知识集成(EKI)[123]。1CAx的集成应用模式CAx系统集成应用的关键是CAD与CAPP的互联,在CIMS中,CAPP是连接设计与制造的重要桥梁和纽带,同时也是制造业企业信息化工程中的关键数7313国家973计划重点项目(2021CB318108);安徽高校省级自然科学研究(产学研)重点项目(KJ2021A087);安徽省科技攻关计划重点项目(7130306025);安徽高校省级优秀青年人才基金项目(2021SQRZ191)据源头,要求CAPP能灵活集成异构信息源[11]。CAx集成的主要目标是实现工艺系统内部(工艺路线编制,工艺规程设计,材料、工时定额计算,工装设计)的集成,简化工艺准备与工艺文件的管理,为制造资源计划/企业资源计划(MRPII/ERP)提供计算机内部优化,规范工艺设计信息,促进CAPP/MRPII/ERP的集成,为MRPII/ERP实现优化生产管理打下基础,实现CAD/CAPP/数控编程系统(NCP)的集成,为实现以PDM为基础的企业信息集成提供工艺数据。CAx的集成应用可以由各单元技术系统的单项应用逐步发展到局部集成,进而全部集成应用的水平。CAx集成应用有三个层次:第一层次是面向产品信息的CAPP集成,目标首先是实现工艺部门内部的信息共享及工艺设计与管理的一体化,工艺数据必须做到一次输入,互相关联,全程共享,并具有统一的数据结构。第二层次是CAPP与CAD的集成,CAPP必须能读取CAD产生的产品结构信息与图形信息,避免重复输入,这要求CAD系统应能自动生成设计BOM,为CAPP系统提供完整、一致、正确的BOM信息和图纸数据。第三层次是逐步实现与MRPII/ERP等管理信息系统的集成,为这些系统提供产品结构树、产品零/部件工艺路线表、工时定额表、材料定额表、工装汇总表和工艺明细表等工艺信息。111以CAD为基础的基于特征技术的CAx集成三维CAD模型包含CAE系统所需的属性,能进行CAE工作的前处理和后处理,将信息方便地与CAE系统进行交换,实现CAD与CAE的集成,提高产品的设计水平和设计质量。CAD能为CAPP和CAM系统提供设计的基础信息,通过特征技术等实现CAD与下游CAPP、CAM等应用系统的信息集成。CAD/CAM系统集成,要求整个产品设计过程中的各个阶段、每一设计步骤都能有效地使用CAD技术,要求设计信息能自动转化为CAM系统的信息,逐步形成一个以CAD/CAM共享工程数据库的CIMS,实现对产品的设计、控制和制造过程的自动化。特征识别是将几何模型的某一部分与预定义的特征型相比较,识别出相匹配的特征例,从而实现直接从几何模型数据库中获得所需要的输入信息。特征识别包括形位公差和粗糙度的符号特征识别[5,6]。形状特征识别的实现包括:搜寻特征库,匹配拓扑/几何模式;从数据库中提取已识别的特征;确定特征参数(如孔径、槽深等);完成特征的几何模型;将简单的特征进行组合,以获得高级特征。实现的关键技术主要有:匹配、构形元素(点、线、面等)生长、体积分解和从构造实体几何表示法(CSG树)中识别特征等。采用特征识别技术从CAD中获取CAPP所需信息,基于模式识辨理论的特征技术是实现CAx系统集成的有效方法,它是从产品的实体模型出发,自动识辨出具有一定工程意义的加工特征,进而生成产品的特征模型和制造信息。文献[7]等应用CAD/CAPP/CAM集成进行平滑回转体设计、制造工艺设计,用CSG模型构建立体几何模型,同样的零件数据用于全部CAD、CAM、CAPP模块中。基本原始特征如柱特征,用于建立零件主要形状;制造特征,如凹槽、螺纹是附在相应原始特征上,以修改局部形状和添加高级制造信息,提出转换金属框架实体到CSG原形的特征识别算法;采用成组技术(GT)编码系统和过程权重方法,以识别零件和产生相应工艺设计,并通过实例和切割实验,以证实和检验所提出的CAx集成系统。邵晓东等提出并实现了一种基于特征的异构CAD模型转换方法[13],以特征操作为核心,从特征层和几何层访问CAD模型信息并实现其转换,不仅使转换后的模型在几何形状上与原模型相同,且保证转换前后模型的特征树、尺寸及约束等信息的一致性,转换后的模型可以在目标系统下进行基于特征的修改和编辑。文献[9]提出基于特征技术CAx集成系统,由CAD子系统、面向制造的设计(DFM)评价系统、CAPP子系统和CAM子系统组成,CAD子系统采用特征识别技术通过STEP接口集成于系统中(如图1所示)。文献[10]等引入智能计算机集成系统进行可靠的设计特征识别,以便实现自动工艺设计,描述了一种基于规则的计算机集成制造系统(CIMS)以识别STEP格式的构件特征,将STEP设计文件用作产生详细制造工艺的信息源,使得多制图1基于特征技术的CAD/CAPP/CAM集成体系结构831造用途的各种相异格式的CAD系统的产品设计,能够互联并自动解析,提出一种基于规则推理的方法为金属切割创建最优工艺设计。事实上,当前CAD系统都是基于几何造型特征的,而不是工程实践中的设计特征或制造特征。因此,产品模型数据不足、应用系统间的不兼容性一直是系统集成的主要障碍,特别是设计与工艺规划的集成,这一问题更加明显。ZhouXH等提出在一个商用CAD系统平台上,对CAD/CAPP进行双向集成的实用方案[4],讨论了关于设计特征和制造特征的关键技术,如特征识别与转换、特征参数与约束提取、特征树重建、工艺规划、自动工艺编制、3D素材选用和CAD模型生成等,提取的特征及其相关技术信息和知识,被封装在面向几何的CAD模型中,形成集成的产品信息模型,以便与下游活动有效集成。112基于CORBA、COM/COM+、JavaRMI组件技术的ERP/CAx集成CORBA是分布式对象管理参考模型核心系统的功能描述和规范,用于建立应用系统的通用集成框架,在分布异构的环境上实现基于对象软件的可复用、可移植和互操作性,具有分布进程管理和通信管理功能,提供对成员系统的封装和成员系统之间的隔离,构造的软件系统具有构件独立、网络透明、异构互联、系统规模可调、数据和操作界面统一等特点。COM/COM+、JavaRMI组件常用于开发PDM和ERP数据交换中,为PDM和ERP系统集成提供技术支撑[8,14,15]。通过CORBA规范可实现PDM服务封装机制,既向用户提供符合标准的访问机制以便二次开发和系统集成,又为实现最终的“PDM使能部件”标准奠定基础。将BOM表及其中的字段作为组件的COM/COM+类对象,给出访问这些对象的具体实现方法,并在接口中描述访问该对象的方法和属性,最后按照DLL或EXE的形式,将其编译生成COM/COM+服务器组件。CAD/CAM、ERP和PDM三者之间信息的传递是围绕BOM及产品结构,构成了企业内部信息集成的主线,从而实现整个产品生命周期数据的数字化。113基于PDM的CAx系统集成产品数据管理(PDM)是以产品为管理核心,对工程数据、文档、产品信息、技术数据、技术信息、图像管理及其他产品定义信息进行有效组织,实现产品设计阶段内所有相关的数据、过程和资源的一体化集成管理,为企业内应用系统的集成和数据传递提供支撑环境,从根本上解决CAx各单元技术之间的数据交流[16]。PDM能正确获取和操纵异构分布数据,实现应用封装与集成,提供完善的应用开发方法和工具;有效地控制信息和流程,拥有统一的用户界面,采用标准的工作流和过程管理;能够管理产品全生命周期配置;支持丰富的协同产品开发工具。通过PDM系统将各种CAx信息化孤岛集成起来,利用计算机系统,控制产品的整个开发设计过程,通过逐步虚拟的产品模型,最终形成完整的产品描述、生产过程描述以及生产过程控制数据。PDM与CAx系统的集成关系从低到高可分为
本文标题:CAx集成研究与应用模式
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