計算機輔助集成設計技術的發展

計算機輔助設計(CAD)、計算機輔助工程(CAE)、計算機輔助工藝規劃(CAPP)和計算機輔助制造(CAM)等應用系統在過去幾十年中得到了長足的發展。近十幾年來,信息技術的迅速發展和并行設計理念的提出,迫切要求各應用系統之間能夠實現信息共享與交換。CAD/CAM集成應用系統是CAD、CAE、CAPP和CAM等技術發展到一定程度的必然產物,是在新的生產組織和概念指導下的一種新型生產模式,它通過計算機輔助下的產品設計、工藝規劃以及數控加工等功能的集成,實現從設計到制造過程中的信息共享,縮短了產品設計制造周期,反映了現代設計制造的發展趨勢。

1 計算機輔助集成設計發展歷程

20世紀80年代到90年代初,各CAD供應商推出的與CAD系統相配合的初期PDM產品,初步實現了CAD信息的集成,其集成工具主要是專用的CAD系統。

20世紀90年代,隨著并行工程(CE)、敏捷制造(AM)和虛擬制造(VM)等先進制造理念的發展和應用,以及STEP標準的提出和CORBA技術標準的進一步成熟,許多公司相繼推出了功能更強大的PDM產品,使得計算機輔助集成技術的研究和應用獲得了迅速的發展。

20世紀90年代末至今,現代集成制造系統(CIMS)被提出,在信息集成和過程集成的基礎上強調了企業集成。在此期間,網絡技術的發展、分布式計算技術的進步、Java語言的出現和第三代PDM產品的出現使計算機輔助集成技術得到了進一步的發展。

2 計算機輔助集成設計的主要技術、工具和發展現狀

2.1 CADCAM/CAE/CAPP計技術

三維CAD為設計領域創造了一個新的空間三維CAD的模型包含了CAE系統所需的屬性,而使CAD系統能進行CAE工作的前處理和后理,將信息方便地與CAE系統進行交換,實現CA與CAE的集成,極大地提高了產品的設計水平設計質量。

CAD/CAPP/CAM在過去的幾十年中得到迅速的發展,并在工業界得到了較好的應用。三維CAD能為CAPP和CAM系統提供設計的基礎息,通過特征技術等實現CAD與下游CAPP、CAM等應用系統的信息集成。

CAD/CAM集成的目標是提高產品生產的動化程度。所謂CAD/CAM系統的集成化一般含以下3個方面的內容:a·提高CAD系統的集度,即要求整個產品設計過程中的各個階段、每一計步驟都能有效地使用CAD技術,這就要求一CAD系統(硬件和軟件)的功能要齊全,軟件集成要高;b·CAD和CAM集成,即要求設計信息能動轉化成CAM系統的信息;c·逐步形成一個以廠生產自動化為目標的CIMS。

一般來說,在高層次的CAD/CAM集成系統中,工程數據庫管理系統是一個重要的組成部分,如圖1所示。

計算機輔助集成設計技術的發展solidworks仿真分析圖片圖片1

在該系統中,所有CAD/CAM功能模塊跟工程數據庫直接連接。設計人員利用圖形終端與計算機對話,使用存貯在公共數據庫中的有關信息,實現對產品的設計、控制和制造過程的自動化。如果該集成系統中再包括企業管理信息系統,就可以成為生產高度自動化的工廠系統。

2.1.1 產品信息建模技術

產品設計的過程也是信息處理的過程,而產品建模就是生成產品數據的過程,是產品開發活動的核心。產品模型的主要類型有以下幾種。

1)基于產品結構的產品模型,在這種模型中產品結構是表達的核心,采用結構材料清單、結構分類、產品結構樹等表達產品結構。在一個計算機網絡支持的產品設計系統中,來自不同應用系統中的產品數據可能存放在各自特定的數據庫中,但可將它們按某一結構形式關聯存儲。有關產品的信息均可存儲在基于結構的產品模型中。對某一產品結構,可用表格形式列出來自不同應用系統的有關產品信息。采用這種方法,只能依據產品結構描述表訪問應用程序的數據庫。在這種設計環境中,由于需要將不同應用系統的某些功能模塊集成起來使用,不可避免地會造成大量的數據冗余。雖然該方法存在一些缺陷,但它奠定了集成產品模型研究開發的基礎。

2)基于幾何的產品模型。在計算機內部用幾何模型表達產品的幾何形狀,如線框模型、表面模型、實體模型及混合模型等都屬于這一類型。幾何模型作為CAD系統的基礎部分廣泛應用于有限元分析和數控編程等方面,但是從制造角度看,還有必要在幾何模型中加入諸如管理屬性、技術屬性等信息,以擴展其表達能力,否則將失去意義。但是這種幾何模型所表達的產品幾何信息是抽象的、缺少工程語義定義的,在表達產品幾何信息(公差和表面粗糙度等)方面則較困難。

3)基于特征的產品模型。這種方法是根據產品生命周期各階段的不同要求來描述產品,完整地提供產品信息使各系統可以直接從該產品模型中抽取所需的信息。由于幾何實體模型與實現要求之間存在一定的差距,由此發展出產品特征建模技術。它是目前CAD/CAM系統的主流建模技術。

4)基于知識的產品模型。它的特點是綜合應用了智能技術,面向對象編程等。人工智能的應用使之能夠存儲人類專家的知識和經驗。因此,基于知識的產品模型的最大特點是能保存前人的知識,建立對產品或過程的分類和校核。目前,自動處理各種應用系統的知識仍然是一個有待研究的課題,但基于知識的產品模型和應用將擴大產品模型對各種信息的支持。

5)集成產品模型。這是一種完整意義上的產品信息模型,它是對幾何模型、特征模型及其它建模技術進一步地綜合和擴展。這里的“集成”是指為了支持集成環境對產品信息的綜合處理而對產品生命周期內所有信息的集成,這些信息既包括產品本身的設計、計劃、加工和檢驗等方面的內部描述信息,同時還包括那些信息賴以產生的環境、知識和規則等外部過程信息。

2.1.2 主要技術標準

1)初始圖形數據交換(IGES)標準

圖形數據交換規范IGES(Initial Graphics Ex-change Specification)是國際上產生最早并廣泛應用的成熟數據交換標準。目前,幾乎所有有影響的CAD系統均配有IGES接口。

IGES模型用于定義產品的實體集合。其中實體是基本的信息單位,可能是單個的集合元素,也可能是若干實體的集合,實體集合有相聯性和特殊性的規定。

IGES文件是由任意行數所組成的順序文件,它定義了傳輸文件結構和格式,一個文件由5個或6個獨立的段組成,各段必須按照特征段、起始段、全局段、目錄條目段、參數數據段、結束段的順序出現。其中目錄條目段和參數數據段是關鍵,它們是IGES的核心內容,包括了描述產品的所有實體幾何信息和非幾何信息。

2) STEP標準

產品模型數據交換標準STEP(Standard forthe Exchange of Product Model Data)的目標是提供一種獨立于任何特殊系統的描述產品整個生命周期中有關數據的機制。在STEP標準的基礎上,各CAX系統只需準備STEP文件輸入和輸出翻譯器,即可實現各系統間的通信和銜接。

STEP為CAD/CAM信息集成提供了一整套方法和理論,其中包括模型描述方法和語言、STEP文件文本規范、標準數據存取界面規范、集成資源、應用協議開發指南、一致性測試方法論以及實現數據交換3種模式(文件交換、應用編程接口和數據庫實現)。作為產品整個生命周期的數據表示與交換標準,STEP在實際需求中產生,也在實際應用中發展。

STEP標準包括5部分內容:描述方法、集成資源、應用協議、實現形式和一致性測試。5部分內容中,描述方法用于集成資源的定義,由資源模型產生應用協議,應用協議和實現形式相結合產生一種STEP實現,一致性測試則用于測試STEP實現是否與標準相一致。5部分內容互相溶為一體,共同構成STEP標準。

3) CORBA標準

公用對象請求代理結構CORBA(Common Object Request Broker Architecture)是OMG(ObjectManagement Group)發布的以分布對象為基礎的公用對象請求代理結構,是OMG的對象管理參考模型的核心系統-對象請求代理器ORB(Object Request Broker)的功能描述和約定。它為在異構環境下各種應用系統的集成和進一步提高異構環境的協作性提供了可遵循的技術標準。該標準的主要特點是可以實現“即插即用”的軟件總線結構,從而解決了異構分布式環境中的互操作性及重用性等問題ORB不僅支持標準的OMG對象模型,還具有分布進程管理和通信管理的功能,取代了傳統客戶/服務器結構中的相應接口部分。此外,CORBA定義了IDL(Interface Definition Language)語言,IDL提供對成員系統的封裝和成員系統之間的隔離,任何成員系統作為一個對象,通過IDL對其接口參數進行定義和說明,就可接到ORB上,為其他系統提供服務或向其他系統提出請求,達到即插即用的效果。

2.2 產品數據管理技術(PDM)

CAD/CAE/CAPP/CAM技術的應用為產品設計帶來了全新的面貌,但各個系統本身的發展是局部的,所產生的數據涉及產品的不同方面,系統之間缺少聯系,企業各部門之間存在的業務上的差異也使應用系統之間難以溝通和交流。

PDM是管理產品相關數據的一門技術,它以產品為核心,對產品數據進行有效組織,實現產品相關的數據、過程、資源的一體化集成管理。與其他的信心管理系統(如MIS)不同,PDM以制造業產品為管理的核心,實現分布式異構信息的集成。它以數據、過程和資源為管理信息的3大要素,架起了面向設計制造的信息流和面向生產管理信息流之間的橋梁,從根本上解決了CAD、CAE、CAPP、CAM等單元技術之間的數據交流和“信息孤島”現象。PDM能正確獲取和操縱異構分布數據:能夠實現應用封裝與集成,提供了完善的應用開發方法和工具;PDM能夠有效地控制信息和流程:擁有統一的用戶界面,基于標準的工作流和過程管理;PDM能夠管理產品全生命周期配置;PDM可以支持豐富的協同產品開發工具。

2.3基于PDM的CAD/CAE/CAPP/CAM系統的實現

通常把基于PDM(CAD/CAE/CAPP/CAM) 集成在一起的系統稱為C4集成系統;有時又把CAPP歸入CAM內,稱為C3集成系統。

2.3.1 C3集成系統集成的層次

1)封裝

封裝可使在PDM系統的統一用戶界面下啟動C3應用程序。這種集成方式實現最為簡單,但也只提供較少的功能,PDM系統無法管理C3文件中的數據,如特征、約束和裝配關系等。封裝可以通過PDM或C3系統提供的封裝工具來實現,開發人員可以通過定義文件類型(或文件后綴)以及應用程序的環境變量等條件,使PDM系統能夠在需要時自動啟動外部工具,以處理某種類型的文件。

2)接口

接口提供了較為緊密的系統集成,PDM系統與C3系統之間可以進行一些數據交換,某些C3數據如零件號和材料信息可以傳送到PDM系統中。這種集成方式要求對系統的數據結構有所了解,通過PDM與C3系統的API接口,提取部分重要信息,如零件號等,實現PDM與C3系統的部分信息交換。

3)集成

完整的集成具有自動雙向交換所有相關信息的能力,包括產品數據、產品結構、裝配信息和BOM表等。這種集成方式要求了解PDM與C3系統的底層數據結構,在此基礎上,通過編程實現二者對數據庫數據的訪問。

2.3.2 C3集成系統實現的形式

1)與CAD軟件集成在一起的專有C3系統。目前世界上一些大的CAD軟件商都推出了與其自身CAD軟件集成在一起的產品數據管理系統,如PM與Catia、Metaphase與I-Deas、Iman與UGⅡ和Prod Pdm與proengineer等。由于要實現與其CAD的無縫集成,這些系統一般都是基于某種開發語言的開發平臺。它一般采用客戶機/服務器(C/S)結構,面臨的主要問題是客戶端的定制工作繁重。而實際上,我們面臨的是在一個企業中有著來自不同廠商的CAX系統,我們更多考慮是這種情況下的C3集成問題,這更帶有普遍性。

2)基于通用數據平臺的C3系統。這種系統是以PDM為核心,往往采取客戶機/服務器(C/S)結構,以“多客戶機+單PDM系統”的形式。它的特點是客戶端應用程序的維護需要較大的投入;數據庫結構的改變對所有用戶都會產生連鎖影響,而由于客戶端程序的種類繁多,修改和維護的投入都很大。這種模式的優點是比較容易與來自不同供應商的單元技術集成,是目前使用較多的一種形式。

3)基于網絡化的C3系統。

這是基于網絡瀏覽器-服務器-數據庫(B/S/D)模式的C3集成系統。它不僅能實現企業內部系統集成,而且還可與外界的數據和信息實現交流和共享;具有易于開發和維護的優點。這種模式是目前C3集成研究的熱點和今后的發展方向。

2.4 CIMS環境下PDM與ERP信息的集成

PDM與ERP(Enterprise Resource Planning)之間的信息集成本質是基于設計工藝與企業管理、生產、質檢、財務等各部門之間信息流動的需要,是產品信息與經營管理信息的集成,即實現企業全局信息的集成[4]。CIMS中產品信息的交換和共享具有以下特點:a·CAD用于產品的設計和分析,CAPP用于工藝過程的設計,CAM用于計算機輔助數控編程實現制造的自動化,ERP負責整個企業資源的管理,PDM用于管理與產品有關的數據及過程。b·ERP管理客戶的需求和銷售,為PDM提供數據管理依據,并且接受PDM傳遞過來的產品設計數據。由此可見,PDM系統是產品信息集成的核心,是C3系統與ERP系統之間信息傳遞的橋梁。ERP所需的最基本的產品信息為材料明細表(也稱設計物料清單)與工藝信息(工藝路線工序、工裝需求和設備需求等)。而ERP應向PDM提供的信息有原材料信息、設備狀態信息和市場需求信息等。CAD/CAM/CAPP、PDM和ERP之間的集成關系如圖2所示。

計算機輔助集成設計技術的發展solidworks simulation分析圖片2

ERP和PDM的信息集成方案常用的有如下3種:a·采用STEP標準以數據庫方式來實現PDM與ERP系統間的信息集成。b·基于CORBA技術的集成。c·采用應用系統提供的API函數和開發工具實現信息的集成。

3 計算機輔助集成設計的發展趨勢

3.1 從C3運行機制上來看研究方向

1)建立在CAD、CAE、CAM范圍內相對統一的、基于特征的產品模型,為集成產品模型的研究打好基礎,以支持集成制造環境對產品信息的綜合處理而要求的對產品生命周期內所有信息的集成。

2)按STEP標準采用EXPRESS語言開發面向復雜對象的工程數據庫系統。

3)開發能夠將不同特征識別系統與不同CAD系統連接起來的標準接口;研究開發基于自學習的、能夠自動識別與抽取形狀特征及其相關屬性的特征識別系統。

4)基于PDM的應用集成平臺研究及開發,實現各CAX系統之間快速無縫的集成。

3.2 基于網絡的C3集成技術的研究方向

如何構建集分布式操作、圖形化用戶接口及數據庫管理為一體(企業內聯網)的、并能通過因特網實現與外界進行信息交流的C3集成系統是目前所需要做的研究工作。

3.3 C3集成技術的研究與整個CIMS系統

作為CIMS系統的組成部分,其發展的程度必然受CIMS整體技術的約束和推動。如何解決系統的多層次性,解決與其他系統技術之間的交叉重疊以及集成更多的第三方軟件(開放性)也是C3集成技術研究所需要考慮的重要問題。

3.4 CAX一體化技術

CAD和CAM雖然在各自的領域內極大地促進了生產力的發展,促進了科技進步,但隨著科技和計算機技術的進一步發展,這種單一系統已經不能滿足需要,從而使CAD, CAM一體化技術成為科技界的熱門研究課題,它是當前CAD/CAM技術發展的趨勢。CAD/CAPP/CAM/CAE的集成應是建立一種新的設計、生產、分析以及技術管理的一體化,并不是將孤立的CAD, CAPP, CAM和CAE等系統進行簡單的連接,而是從概念設計開始就考慮到集成。從目前的研究來看,如下關鍵技術的進展與實現有利于逐步實現系統的集成:計算機圖形處理技術、圖形輸入和工程圖樣識別、產品造型技術、參數化設計方法、變量設計技術、計算機輔助工藝規程設計(CAPP)、工程數據管理技術、數據交換技術等。

4 結語

目前,我國大中型企業實施CIMS/CE方興未艾,產品信息管理是其基礎,如何有效地管理產品設計開發過程的信息,營造一個協同的開發環境,是產品數據管理的主要目標,而計算機輔助集成技術正合乎這個發展方向。我們相信,隨著計算機技術和CAD/CAE/CAPP/CAM/PDM乃至CIMS的發展,基于計算機輔助集成設計技術必將更加完善。

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