基于特征的零件结构并行设计体系研究

基于特征的零件结构并行设计体系研究徐达王兵张迎装甲兵工程学院兵器工程系，北京(100072)摘要：本文首先介绍了并行工程的定义及其实施中的关键技术，接着阐述了特征的意义及其基于特征的建模，通过对零件结构并行设计中特征设计技术、特征映射技术、工艺规划技术和可制造性评价技术等的分析，从并行工程的角度出发，得出基于特征的零件结构并行设计环境、设计流程和设计框架，从而实现了并行设计在零件结构设计方面的应用研究，并为工程应用提供指导。关键词：特征；工艺规划；可制造性评价；并行设计体系ThestudyonparalleldesignsystemofcomponentsstructureBasedoncharacteristicWangBingXuDaZhangYingDepartmentofArmsEngineering,ArmoredForceEngineeringInstitutePLA,Beijing,100072Abstract:Firstly,Thearticleintroducesdefinitionofparallelprojectanditsessentialtechnology.Andthenelaboratesthesignificanceofcharacteristicandmodelingbasedonit.Thearticleanalysescharacteristicdesigntechnology,characteristicmappingtechnology,craftplantechnologyandmanufacturalappraisaltechnologyandelicitstheenvironment,flowandframeintheparalleldesignofcomponentsstructurebasedoncharacteristic.Thearticlerealizesthecombinationofparalleldesignandcomponentsstructuraldesignandprovidestheguidanceforengineering.Keywords:characteristic;craftplan;manufacturalappraisal;paralleldesignsystem进入21世纪，经济全球化浪潮扑面而来。虽然世界已经跨入了信息社会的门槛，但其载体仍然是制造业。高度发达的制造业特别是装备制造业和先进的制造技术，已成为衡量一个国家竞争能力的标志[1]。我国的制造业总体水平与发达国家相比，还存在较大差距，已成为制约我国经济发展的瓶颈问题之一，为了解决这一问题，就需要进一步提高制造业的技术创新能力、市场快速响应能力和开拓能力，而它的实现又离不开先进制造技术。其中，并行工程就是先进制造技术中的一种，它是针对企业中存在的传统串行产品开发方式的一种根本性的改进，是一种新的设计哲理与产品开发技术。1并行工程1988年,美国国防分析研究所（IDA）以武器生产为背景,对传统的生产模式进行了分析,首次系统化地提出了并行工程的概念[2]，即并行工程是集成地并行地设计产品及其相关过程（包括制造过程和支持过程）的系统化方法，它要求产品开发人员从设计一开始即考虑产品整个生命周期中从概念形成到产品报废的所有因素，包括质量、成本、进度、环保和用户需求。并行工程强调在产品生命周期的各个阶段中，产品设计最为关键，它包括产品结构设计和工艺设计，该工作对制造和装配等各个环节具有决定性的影响作用，研究表明产品全部开发费用的70%-80%是直接或间接由产品设计阶段所决定的[3]。零件设计作为产品开发的重要环节，除需要先进的技术工具支持且与其它环节集成之外，还需要考虑按照并行设计的思想来规划零件设计的全过程，并协调与其它环节的关系。并行工程实施中的关键技术有过程重构技术、组织结构、产品数据管理系统PDM、面向对象的设计（DFx）和协同工作环境等，而支持这些技术的底层理论包括计算机辅助技术（CAx）、数据交换标准、特征技术、数据管理技术、人工智能技术、可制造性评价技术、数控加工仿真技术和网络技术等。2特征2.1特征的定义特征包含几何信息和非几何信息。从设计观点来看，传统的特征是由几何及其拓扑元素组成的形状信息集；从制造观点来看，特征是表示与制造相关的形状和技术属性；若基于构造CAx集成化产品信息模型为目的，特征的内容主要包括形状特征、精度特征、装配特征、材料特征、性能分析特征和附加特征等。由此可知，特征是构成产品描述的形状、参数、属性和性质表达的信息集，在不同工程活动中，特征的形式和内涵不同，并且可以识别、混合和转换，且在各种应用中能覆盖该项应用的全部要求。需求特征描述了对应于需求设计中的各个阶段，用户在产品使用过程中所要求的基本功能。设计特征是具有某些功能的抽象的形状特征及其约束关系的集合。中性特征是设计与制造时的公共约束，主要由某一形状所对应的质量特征和材料特征组成。制造特征是具有工程语义的形状特征与工艺特征的集合。评价特征是评价一个零件可制造性、可装配性、可维护性等指标的集合。2.2基于特征的建模传统的特征建模技术指特征造型技术，是以实体模型为基础，用具有一定加工概念的特征作为造型的基本单元，建立零部件的几何模型，如目前商用软件中MDT、SolidWorks等均提供这种造型方法。其优点是可按照用户所熟悉的方式进行设计，而缺点在于建立的信息模型仅限于几何与拓扑信息，面向加工的信息很少，即集成度差、数据少和信息层次低。基于特征设计技术是在特征造型技术基础上发展而来的，是解决当前CAx集成的最主要途径。基于设计特征的设计是传统意义上的特征建模，它运用一系列具有一定功能的特征经过布尔运算形成零件模型，又称之为特征拼合法[4]，该方法可以准确地捕捉设计者的设计意图，通过提供的用户自定义特征功能使设计者以高效率完成专业性较强的设计工作。基于制造特征的设计可直接采用制造特征来设计零件模型，该方法模仿零件的加工过程，从零件的毛坯上逐步去掉制造特征，最终形成零件的特征模型。3基于特征的零件结构并行设计中关键技术产品的设计在其整个生命周期中占有越来越重要的地位，它要满足产品日益复杂的结构与功能的需要。其中，零件结构设计是产品设计和制造的基础，而基于特征的零件结构并行设计在设计阶段便尽早地考虑与制造有关的约束，进行可制造性评价，据此提供反馈信息并进行改进，达到一次成功的目的，从而降低了零件成本、提高了产品质量并缩短了开发周期。3.1特征设计技术基于特征的设计是在设计开始就将特征融合于零件模型中，把特征作为零件设计的基本单元，并将产品描述成特征信息的集合，特征设计使计算机辅助设计（CAD）/计算机辅助工艺规划技术（CAPP）/计算机辅助制造（CAM）真正实现集成变为可能。零件结构的设计过程实际上是特征域间的特征映射过程[5]。特征映射在产品的开发过程中起着十分重要的作用。在基于特征的零件设计中，功能特征反映了用户的需求，结构特征由功能特征产生，而制造特征是一组最能表达制造意图的几何形状及相应的加工操作，评价特征是反映评价操作的一组特征。通过功能特征、结构特征、制造特征和评价特征之间特征映射可以完成零件结构的并行设计。各特征间的映射关系如图1所示。图1特征映射关系3.2特征映射技术特征设计虽然可为CAPP、CAM等后续工作提供足够的工艺信息，但因CAD与CAPP、CAM侧重点和目的不同，导致两者在特征表达、组织、调用和参数处理等方面都存在差异，因此若该特征信息不经过转换，便不能直接为CAPP和CAM所用。因此，基于CAx特征建模仍然存在两个层面上的问题，第一层面是由于CAD系统的零件信息不经过转换常不能直接为CAPP、CAM系统所使用，所以CAPP系统不能自动输入零件信息。第二层面上，即使经过信息转换，将CAD系统的设计特征转换为CAPP和CAM系统所需的制造特征，但是因为CAD模型与CAPP和CAM模型在组织结构上存在较大差异，若不将转换后的零件信息再进行组织结构的转换，CAPP和CAM系统同样不能直接读取按CAD模型结构存储的零件信息。为了实现CAD/CAPP/CAM的无障碍集成，需要对特征的表达以及不同领域间的特征转换或映射。基于特征识别技术提取制造特征的方法可以有效地解决单一特征的识别问题，但对于相交特征的识别则无能为力。特征映射技术可以有效地解决CAx的集成技术。特征映射技术主要分为以下几种方式[6]：启发式特征映射法:是基于预定义规则来进行映射。中性结构映射法:与特征识别类似，用几何推理识别与应用领域有关的特征。体积单元分解法:一种共扼映射方法，把体积分为不同的组来产生不同应用的特征。基于图的映射法:根据特征是一些与典型子图同态的子图，基于同态图的匹配进行映射。3.3计算机辅助工艺规划技术工艺规划设计的任务是在给定的资源(机床、刀具、夹具等)的约束下，为实现预期的目标，选择和确定详细的工艺过程，使零件毛坯经过形状、性质和表面质量的改变，成为所需成品。在计算机集成制造技术和并行工程环境下，CAPP是连接CAD与CAM的桥梁。CAD系统的信息只有经过CAPP系统才能转换为CAM系统的加工信息，同时CAPP系统的输出结果也为工程管理系统、生产调度系统等提供必要依据。因此，CAPP是并行工程环境下信息集成的关键环节。3.4可制造性评价技术面向制造设计(DFM)是实现并行工程的支撑技术之一，实质是在零件设计的过程中，同时考虑与制造相关的因素，使设计者在制造工艺和制造资源的约束条件下进行零件的形状结构设计，并基于有关的制造约束对零件进行工艺信息分析和处理，目的是实现设计与制造过程的并行，从而满足成本最低和时间最短的要求。DFM是并行设计的核心，它在信息共享与集成的基础上实现了零件并行开发过程的功能集成。在零件设计早期阶段利用DFM对零件设计方案进行分析评价和优化可以大幅度降低零件成本，提高零件质量和可靠性，并缩短产品上市时间。4基于特征的零件结构并行设计体系研究4.1并行设计环境研究根据特征及零件结构设计中关键技术的分析，构造如图2所示基于特征的零件结构并行设计环境。此环境是由数据支持模块、总控模块、基于特征的并行设计模块以及用户需求模块而构成的塔形结构。任何设计过程均要依靠以往的设计经验和设计知识，在此基础上不断进行改革与创新才能得到最优设计，因此，塔基是由设计的基本知识、数据库和基本特征库组成。塔身是设计的主体，由基于特征的设计模块、工艺规划模块和可制造性评价模块构成，通过设计特征、制造特征和工艺特征等在不同设计阶段间的映射关系完成全部的设计过程。塔尖是用户的满意程度，也就是设计的终点。图2基于特征的零件结构并行设计环境4.2并行设计流程研究针对零件结构设计的特点，以基于特征的设计技术、特征映射技术、计算机辅助工艺规划技术和可制造性评价技术为依托，建立基于特征的零件结构并行设计流程，如图3所示。根据系统需求可将设计流程分为以下七步:功能分解:将概念设计阶段的设计结果和用户需求作为本模块设计的总功能，通过将总功能分解得到具有结构解的子功能。功能结构映射:将分解后的子功能映射为设计特征和中性特征。由于同一个子功能可能会与多个结构形状匹配，因此可能有多个结构设计方案满足功能需求。形状特征的映射:通过预定义映射规则，将设计中的形状特征映射为具有一定工程语义的制造特征。设计特征和中性特征映射为制造域中的工艺特征。零件的工艺规划:根据工艺规划方法，将工艺特征元整合为工序，并确定加工该结构的制造资源。可制造性评价:基于制造资源进行零件结构方案的多目标评价。优选方案获取:通过可制造性评价结果确定最优结构方案。图3基于特征的零件结构并行设计流程图4.3并行设计框架研究由以上分析，构造基于特征的零件结构并行设计体系框架，如图4所示。该体系框架包括需求获取模块、零件结构设计模块、设计特征与制造特征映射模块、工艺规划模块、零件可制造性评价模块和实体生成模块六部分。设计需求获取模块由概念设计、布局设计等前期设计结果及