产品数据集成

产品数据集成

清华大学国家CIMS工程技术研究中心　张和明　孙喜杰　张玉云

一、引言

并行工程(CE)需要使用一系列先进的计算机辅助技术,如CAD、CAPP、CAM、CAE(计算机辅助工程分析)、CAFD(计算机辅助工装系统设计)、DFA(面向装配的设计)、DFM(面向制造的设计)、MPS(加工过程仿真)等。为了在各应用子系统之间进行有效的信息传递和产品数据交换,实现并行产品开发,产品数字化建模和基于STEP的产品信息集成成为并行工程中的关键技术之一。

产品生命周期数字化定义与数据管理包括以下几个方面的内容:

全局产品模型定义 CE产品开发过程的实现依靠各种计算机辅助工具,工具之间所交换的信息必须以计算机可识别的形式表达。这些工具可能是构造在同一种平台上的,但更多的情况是不同平台上的计算机辅助工具用于全企业或企业之间协作的产品开发。这就导致了在产品生命周期中,存在着上下游环节信息接口的问题。

数字化工具定义　即广义的计算机辅助工具集。被广泛用于CE产品开发的各个环节。

产品数据管理 CE产品开发过程中的各种计算机辅助工具将产生大量的中间数据、图形、文档或资料。为了保证设计前后的一致,必须按产品结构配置的思想,对它们进行全局的管理与控制。

二、CAD/CAPP集成

在CAD/CAPP集成中有两个最为关键的问题:零件信息的描述及工艺的自动生成方法。研究零件信息描述的目的是实现CAD/CAPP的信息集成。成组技术(Group Technology,GT)编码是普遍使用的零件信息描述方法。由于其码位有限,必然要丢失一些详细的零件信息,而无法满足CAPP进行详细工艺设计时的需要。由于零件可以用CAD系统建模,因此,直接用CAD模型作为CAPP的输入,可以避免GT编码描述的局限性。在商品化CAD系统下实现CAD/CAPP集成是当前信息集成研究的热点问题之一,而且迄今仍然是一个尚未完全解决的课题。

一些早期工业应用的CAD系统基本上是以对象的几何模型作为建模的基础,而CAPP工艺设计所需的信息是包含加工信息的高层特征,基于特征的零件信息表示是CAPP对CAD输出的基本要求。目前,许多商品化CAD软件如Pro/Engineer、I-DEAS、UG等纷纷推出基于特征的造型方法。

特征是构成零件信息的结构单元。根据CAD和CAPP的侧重点不同,特征可分为设计特征和制造特征两种。许多设计特征和制造特征是等同的,存在着相互重叠,但也有一些是不同的。二者虽选用相同的特征,但对同一组特征的表示、组织、调用和参数处理等方面仍存在着一定的差异。现代商品化CAD软件虽纷纷采用特征造型的新技术,但其构造特征也仅仅限于形状特征,造型数据仍然无法完整地描述产品信息,如公差、粗糙度、材料特性等。这使得它们也无法摆脱传统CAD系统的局限性,不能强有力地支持CAPP等工程应用所需的高层信息。因此, 还必须进行设计领域特征信息向制造领域特征信息的映射处理。

目前主要采用三种方法实现CAD/CAPP集成,即特征识别、基于特征的设计和交互式特征定义。而基于商品化CAD系统实现CAD/CAPP集成一般有两种途径:一是在商品化CAD软件上开发具有制造特征功能的软件,使设计信息可为CAPP直接使用;二是基于CAD软件实体造型,开发制造特征识别与提取系统,为CAPP等应用系统提供制造特征信息。863/CIMS关键技术攻关项目"并行工程"中的工程数据产品信息集成就是采用了后一种途径,实现CAD/CAPP间的信息集成。

三、三维数字化产品建模

三维数字化产品建模是工程设计的重要环节,其早期是以几何建模为主,然后发展成为特征建模。另外,机械产品的CAX、DFX等软件技术发展非常迅速,由于各应用系统具有独立的数据结构,缺乏统一的信息模型,这就造成了产品数据在各应用系统中难以进行有效的信息交换与共享。因此,数字化产品建模是贯穿工程设计的核心信息,产品信息的完备性、抽象性和可操作性对于CIMS的信息集成和CAX/DFX之间的数据交换具有决定性的影响。

为了避免不同应用系统之间点对点的网型数据转换对多种数据转换接口开发的要求,国际上一些标准化组织通过制定相应的标准,实现产品数据的交换。如美国的初始图形交换标准(Initial Graphics Exchange Specification,IGES)能有效地支持CAD/CAPP的信息集成, 但IGES标准主要支持CAD系统的图形信息交换,不支持产品开发的后续过程设计系统。为了能支持整个产品生命周期的产品数据交换,国际标准化组织ISO 10303 从1984年开始开发产品数据交换标准STEP(Standard for the Exchange of Product Model Data),一些应用协议已陆续开发完成并在工业中应用和实施。STEP作为产品生命周期交换标准,用于定义覆盖产品开发各个环节的信息模型和交换方法。其核心思想包括:层次结构概念(应用层、逻辑层、物理层)、Express信息建模语言定义产品数据模型、多种信息交换途径等。

对于机械零件产品,建立其产品模型必须考虑到产品整个生命周期中各个过程所需要的信息,如设计过程、工艺规划、加工过程等。一个完整的产品信息模型不仅是产品数据的集合,还应反映出各类数据的表达方式以及相互间的关系。产品信息模型不但包含了产品的加工和非加工特征信息,还包含了零件模型底层的几何拓扑信息。构成产品零件的特征包括方位特征、形状特征、精度特征和技术管理特征。形状特征可分为基本特征、复合特征和阵列特征等。近30年来,产品数据建模技术经历了从线框建模、表面建模到实体建模等三个过程 ,相应的产品信息表达层次也不断提高。对于工程应用而言,利用各种几何造型系统获得的产品信息模型,至少存在以下两方面的不足:

产品数据不完备　只涉及产品的几何形状数据,而反映设计意图和工艺要求的信息,如公差、粗糙度、材料、热处理等没有表达,难以满足产品数据交换和信息集成的需要。

数据的抽象层次低　只用低层次的几何、拓扑信息来表达零件信息,不能提供高层次的概念实体,不利于工程设计的数据表达。

基于特征的零件信息建模技术采用了具有一定工程意义的特征作为基本构造单元,使整个信息模型具有丰富的语义,并提供高层次的产品信息,以完整、全面地描述产品信息模型。特征建模既继承了几何建模的优点,又弥补了其存在的种种缺陷,是现代CAD系统普遍采用的技术。特征建模与几何建模是相互联系的,几何建模提供了面向几何的产品信息的表现形式 ,特征建模提供了连接工程知识和几何信息的工具。特征向下细分需要几何建模提供产品的几何形状信息,向上则反映工程语义的高层次信息。

STEP是一套关于产品整个生命周期内数据的表达与交换的国际标准。它提供了一种不依赖于具体系统的中性机制,支持产品信息在不同的计算机应用系统之间集成与交换的完整性和一致性。它不仅适合于中性文件交换,而且是实现共享产品数据库及产品数据长期存档的基础。

STEP标准结构如图所示,其核心部分是中间圆所包括的范围,它由描述产品数据的形式化建模语言Express语言规范、STEP实现方法、集成资源和一致性测试标准这四大部分组成。外层表示STEP标准的各个应用协议及STEP标准规定的用来测试某一应用是否与STEP标准一致的抽象测试套件。STEP使用了形式化的数据规范语言Express来描述产品数据的表达。集成资源提供了产品信息表达的资源构件。不同应用中相似的信息可以用一个资源构件表达,资源构件可经过修改和增加约束、关系及属性来支持特殊的应用。集成资源定义了产品数据的全局信息模型。STEP中定义的应用协议通过解释集成资源来满足特定应用的信息要求。

四、产品数据集成系统实现

并行产品开发的基本支持条件之一是计算机辅助工具之间必须有效地进行产品数据的交换和信息集成。并行工程中产品数据集成的主要目的是实现计算机辅助产品开发的信息集成。集成系统的总体要求是:以某结构件为对象,利用Pro/E的开发工具建立特征造型用户界面 ,在产品几何模型的基础上进行特征二次建模。利用STEP方法和技术,为下游制造过程提供特征信息。工作流程如下:

(1)信息建模　由系统开发者根据CAPP对特征的需求,参照STEP应用协议AP214,建立面向并行工程应用的特征信息模型,用Express表达。该模型经Express2expg的处理,可以将Expr ess模型转换成Express-G的图形化模型,便于直观理解。

(2)模型处理　用Express表达的特征信息模型不能被应用程序直接处理,因此,要经过相应的模式转换器,如Express2c++,将其处理成计算机能接受的ROSE数据结构和C++类。这二者在内容上是一致的,只不过ROSE数据结构定义的关系是面向ROSE库内存管理的,而 C++则便于应用程序的处理。

(3)实例化　以Pro/E为CAD开发平台。Pro/E的特征造型方便快捷,但特征表达完全不能支持CAPP做工艺设计。所以,实例化阶段主要是将Pro/E定义的特征通过Pro/D进行二次开发 ,形成与特征信息模型相对应的特征内存表达,或者利用ROSE的库函数,将特征信息模型内存数据转换成ROSE物理数据。

(4)数据交换 ROSE物理数据是压缩了的不可读格式,而且包含了模型信息。为了支持后续CAPP系统应用,可通过三条途径:

·利用ST-Oracle转换成Oracle的表;

·通过ST-Object Store转换成OODB的对象;

·经过形式转换生成STEP物理文件。

为了避免CAPP直接读庞大的STEP物理文件,建立了一个基于ROSE和Delta文件管理工具的交换程序,将特征信息模型特征转换成CAPP可读的格式,并且每次分析CAD生成的特征文件版本的变化,使下游功能模块的工作遵循渐进式的设计方法。

五、结论与展望

STEP作为一种即将在工业中广泛应用的标准,已引起全世界的普遍重视。但目前如何利用STEP支持CAD/CAPP/CAM信息集成还有很多值得研究的问题。对CAD后续应用系统来说,从商业化CAD系统直接得到需要的信息是比较困难的,因为CAD中的数据以几何、拓扑、实体为主。要支持后续的应用,必须附加加工特征信息。为此,对CAD要进行适当的二次开发。

根据对最新资料的分析,广义的计算机辅助产品开发可能向功能集成和协作化方向发展 ,具体体现在以下几个方面:

CAD系统功能接口趋向STEP标准化　传统的CAD/CAPP集成是通过特征识别或用户化特征建模的手段实现。随着各CAD系统纷纷向STEP发展,遵循AP214、AP213、AP224的CAD系统将使 CAD/CAPP集成问题得到彻底解决。当然也应该看到,CAD/CAM系统完全实现STEP还需要较长的时间。

变量化设计　参数化特征设计是CAD的一次革命,但作为一种全约束相关性的方法,它也给工程设计带来了过多的约束。最新的发展趋势之一是变量化设计,它能使工程设计人员在设计的开始无需过多地考虑特征的约束定义,而集中于功能设计,类似于工程师的设计习惯。目前,这一技术正在发展之中。

基于网络的协同设计　单点微机或工作站上的CAD系统越来越不能满足并行工程、敏捷制造和拟实制造的需求,因此,网络上协作产品开发模式应运而生。实现这种模式的基础是C AD/CAM系统必须建立在相关的共享数据库上,研究内容涉及基于广域网络环境的PDM或集成框架、Agent-based工程、共享设计空间(Design Space)和约束网络等。

人机集成与虚拟现实(VR) VR可以作为一种仿真手段用在产品开发中,能在设计的早期就发现在装配、加工、生产中存在的问题,特别有利于支持并行工程、拟实制造和敏捷制造。

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	产品数据集成清华大学国家CIMS工程技术研究中心　张和明　孙喜杰　张玉云一、引言并行工程(CE)需要使用一系列先进的计算机辅助技术,如CAD、CAPP、CAM、CAE(计算机辅助工程分析)、CAFD(计算机辅助工装系统设计)、DFA(面向装配的设计)、DFM(面向制造的设计)、MPS(加工过程仿真)等。为了在各应用子系统之间进行有效的信息传递和产品数据交换,实现并行产品开发,产品数字化建模和基于STEP的产品信息集成成为并行工程中的关键技术之一。产品生命周期数字化定义与数据管理包括以下几个方面的内容: 全局产品模型定义 CE产品开发过程的实现依靠各种计算机辅助工具,工具之间所交换的信息必须以计算机可识别的形式表达。这些工具可能是构造在同一种平台上的,但更多的情况是不同平台上的计算机辅助工具用于全企业或企业之间协作的产品开发。这就导致了在产品生命周期中,存在着上下游环节信息接口的问题。数字化工具定义　即广义的计算机辅助工具集。被广泛用于CE产品开发的各个环节。产品数据管理 CE产品开发过程中的各种计算机辅助工具将产生大量的中间数据、图形、文档或资料。为了保证设计前后的一致,必须按产品结构配置的思想,对它们进行全局的管理与控制。二、CAD/CAPP集成在CAD/CAPP集成中有两个最为关键的问题:零件信息的描述及工艺的自动生成方法。研究零件信息描述的目的是实现CAD/CAPP的信息集成。成组技术(Group Technology,GT)编码是普遍使用的零件信息描述方法。由于其码位有限,必然要丢失一些详细的零件信息,而无法满足CAPP进行详细工艺设计时的需要。由于零件可以用CAD系统建模,因此,直接用CAD模型作为CAPP的输入,可以避免GT编码描述的局限性。在商品化CAD系统下实现CAD/CAPP集成是当前信息集成研究的热点问题之一,而且迄今仍然是一个尚未完全解决的课题。一些早期工业应用的CAD系统基本上是以对象的几何模型作为建模的基础,而CAPP工艺设计所需的信息是包含加工信息的高层特征,基于特征的零件信息表示是CAPP对CAD输出的基本要求。目前,许多商品化CAD软件如Pro/Engineer、I-DEAS、UG等纷纷推出基于特征的造型方法。特征是构成零件信息的结构单元。根据CAD和CAPP的侧重点不同,特征可分为设计特征和制造特征两种。许多设计特征和制造特征是等同的,存在着相互重叠,但也有一些是不同的。二者虽选用相同的特征,但对同一组特征的表示、组织、调用和参数处理等方面仍存在着一定的差异。现代商品化CAD软件虽纷纷采用特征造型的新技术,但其构造特征也仅仅限于形状特征,造型数据仍然无法完整地描述产品信息,如公差、粗糙度、材料特性等。这使得它们也无法摆脱传统CAD系统的局限性,不能强有力地支持CAPP等工程应用所需的高层信息。因此, 还必须进行设计领域特征信息向制造领域特征信息的映射处理。目前主要采用三种方法实现CAD/CAPP集成,即特征识别、基于特征的设计和交互式特征定义。而基于商品化CAD系统实现CAD/CAPP集成一般有两种途径:一是在商品化CAD软件上开发具有制造特征功能的软件,使设计信息可为CAPP直接使用;二是基于CAD软件实体造型,开发制造特征识别与提取系统,为CAPP等应用系统提供制造特征信息。863/CIMS关键技术攻关项目"并行工程"中的工程数据产品信息集成就是采用了后一种途径,实现CAD/CAPP间的信息集成。三、三维数字化产品建模三维数字化产品建模是工程设计的重要环节,其早期是以几何建模为主,然后发展成为特征建模。另外,机械产品的CAX、DFX等软件技术发展非常迅速,由于各应用系统具有独立的数据结构,缺乏统一的信息模型,这就造成了产品数据在各应用系统中难以进行有效的信息交换与共享。因此,数字化产品建模是贯穿工程设计的核心信息,产品信息的完备性、抽象性和可操作性对于CIMS的信息集成和CAX/DFX之间的数据交换具有决定性的影响。为了避免不同应用系统之间点对点的网型数据转换对多种数据转换接口开发的要求,国际上一些标准化组织通过制定相应的标准,实现产品数据的交换。如美国的初始图形交换标准(Initial Graphics Exchange Specification,IGES)能有效地支持CAD/CAPP的信息集成, 但IGES标准主要支持CAD系统的图形信息交换,不支持产品开发的后续过程设计系统。为了能支持整个产品生命周期的产品数据交换,国际标准化组织ISO 10303 从1984年开始开发产品数据交换标准STEP(Standard for the Exchange of Product Model Data),一些应用协议已陆续开发完成并在工业中应用和实施。STEP作为产品生命周期交换标准,用于定义覆盖产品开发各个环节的信息模型和交换方法。其核心思想包括:层次结构概念(应用层、逻辑层、物理层)、Express信息建模语言定义产品数据模型、多种信息交换途径等。对于机械零件产品,建立其产品模型必须考虑到产品整个生命周期中各个过程所需要的信息,如设计过程、工艺规划、加工过程等。一个完整的产品信息模型不仅是产品数据的集合,还应反映出各类数据的表达方式以及相互间的关系。产品信息模型不但包含了产品的加工和非加工特征信息,还包含了零件模型底层的几何拓扑信息。构成产品零件的特征包括方位特征、形状特征、精度特征和技术管理特征。形状特征可分为基本特征、复合特征和阵列特征等。近30年来,产品数据建模技术经历了从线框建模、表面建模到实体建模等三个过程 ,相应的产品信息表达层次也不断提高。对于工程应用而言,利用各种几何造型系统获得的产品信息模型,至少存在以下两方面的不足: 产品数据不完备　只涉及产品的几何形状数据,而反映设计意图和工艺要求的信息,如公差、粗糙度、材料、热处理等没有表达,难以满足产品数据交换和信息集成的需要。数据的抽象层次低　只用低层次的几何、拓扑信息来表达零件信息,不能提供高层次的概念实体,不利于工程设计的数据表达。基于特征的零件信息建模技术采用了具有一定工程意义的特征作为基本构造单元,使整个信息模型具有丰富的语义,并提供高层次的产品信息,以完整、全面地描述产品信息模型。特征建模既继承了几何建模的优点,又弥补了其存在的种种缺陷,是现代CAD系统普遍采用的技术。特征建模与几何建模是相互联系的,几何建模提供了面向几何的产品信息的表现形式 ,特征建模提供了连接工程知识和几何信息的工具。特征向下细分需要几何建模提供产品的几何形状信息,向上则反映工程语义的高层次信息。 STEP是一套关于产品整个生命周期内数据的表达与交换的国际标准。它提供了一种不依赖于具体系统的中性机制,支持产品信息在不同的计算机应用系统之间集成与交换的完整性和一致性。它不仅适合于中性文件交换,而且是实现共享产品数据库及产品数据长期存档的基础。 STEP标准结构如图所示,其核心部分是中间圆所包括的范围,它由描述产品数据的形式化建模语言Express语言规范、STEP实现方法、集成资源和一致性测试标准这四大部分组成。外层表示STEP标准的各个应用协议及STEP标准规定的用来测试某一应用是否与STEP标准一致的抽象测试套件。STEP使用了形式化的数据规范语言Express来描述产品数据的表达。集成资源提供了产品信息表达的资源构件。不同应用中相似的信息可以用一个资源构件表达,资源构件可经过修改和增加约束、关系及属性来支持特殊的应用。集成资源定义了产品数据的全局信息模型。STEP中定义的应用协议通过解释集成资源来满足特定应用的信息要求。四、产品数据集成系统实现并行产品开发的基本支持条件之一是计算机辅助工具之间必须有效地进行产品数据的交换和信息集成。并行工程中产品数据集成的主要目的是实现计算机辅助产品开发的信息集成。集成系统的总体要求是:以某结构件为对象,利用Pro/E的开发工具建立特征造型用户界面 ,在产品几何模型的基础上进行特征二次建模。利用STEP方法和技术,为下游制造过程提供特征信息。工作流程如下: (1)信息建模　由系统开发者根据CAPP对特征的需求,参照STEP应用协议AP214,建立面向并行工程应用的特征信息模型,用Express表达。该模型经Express2expg的处理,可以将Expr ess模型转换成Express-G的图形化模型,便于直观理解。 (2)模型处理　用Express表达的特征信息模型不能被应用程序直接处理,因此,要经过相应的模式转换器,如Express2c++,将其处理成计算机能接受的ROSE数据结构和C++类。这二者在内容上是一致的,只不过ROSE数据结构定义的关系是面向ROSE库内存管理的,而 C++则便于应用程序的处理。 (3)实例化　以Pro/E为CAD开发平台。Pro/E的特征造型方便快捷,但特征表达完全不能支持CAPP做工艺设计。所以,实例化阶段主要是将Pro/E定义的特征通过Pro/D进行二次开发 ,形成与特征信息模型相对应的特征内存表达,或者利用ROSE的库函数,将特征信息模型内存数据转换成ROSE物理数据。 (4)数据交换 ROSE物理数据是压缩了的不可读格式,而且包含了模型信息。为了支持后续CAPP系统应用,可通过三条途径: ·利用ST-Oracle转换成Oracle的表; ·通过ST-Object Store转换成OODB的对象; ·经过形式转换生成STEP物理文件。为了避免CAPP直接读庞大的STEP物理文件,建立了一个基于ROSE和Delta文件管理工具的交换程序,将特征信息模型特征转换成CAPP可读的格式,并且每次分析CAD生成的特征文件版本的变化,使下游功能模块的工作遵循渐进式的设计方法。五、结论与展望 STEP作为一种即将在工业中广泛应用的标准,已引起全世界的普遍重视。但目前如何利用STEP支持CAD/CAPP/CAM信息集成还有很多值得研究的问题。对CAD后续应用系统来说,从商业化CAD系统直接得到需要的信息是比较困难的,因为CAD中的数据以几何、拓扑、实体为主。要支持后续的应用,必须附加加工特征信息。为此,对CAD要进行适当的二次开发。根据对最新资料的分析,广义的计算机辅助产品开发可能向功能集成和协作化方向发展 ,具体体现在以下几个方面: CAD系统功能接口趋向STEP标准化　传统的CAD/CAPP集成是通过特征识别或用户化特征建模的手段实现。随着各CAD系统纷纷向STEP发展,遵循AP214、AP213、AP224的CAD系统将使 CAD/CAPP集成问题得到彻底解决。当然也应该看到,CAD/CAM系统完全实现STEP还需要较长的时间。变量化设计　参数化特征设计是CAD的一次革命,但作为一种全约束相关性的方法,它也给工程设计带来了过多的约束。最新的发展趋势之一是变量化设计,它能使工程设计人员在设计的开始无需过多地考虑特征的约束定义,而集中于功能设计,类似于工程师的设计习惯。目前,这一技术正在发展之中。基于网络的协同设计　单点微机或工作站上的CAD系统越来越不能满足并行工程、敏捷制造和拟实制造的需求,因此,网络上协作产品开发模式应运而生。实现这种模式的基础是C AD/CAM系统必须建立在相关的共享数据库上,研究内容涉及基于广域网络环境的PDM或集成框架、Agent-based工程、共享设计空间(Design Space)和约束网络等。人机集成与虚拟现实(VR) VR可以作为一种仿真手段用在产品开发中,能在设计的早期就发现在装配、加工、生产中存在的问题,特别有利于支持并行工程、拟实制造和敏捷制造。关闭窗口