计算机辅助集成设计技术的发展

计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助工程(CAE)、计算机辅助工艺规划(CAPP)和计算机辅助制造(CAM)等应用系统在过去几十年中得到了长足的发展。近十几年来,信息技术的迅速发展和并行设计理念的提出,迫切要求各应用系统之间能够实现信息共享与交换。CAD/CAM集成应用系统是CAD、CAE、CAPP和CAM等技术发展到一定程度的必然产物,是在新的生产组织和概念指导下的一种新型生产模式,它通过计算机辅助下的产品设计、工艺规划以及数控加工等功能的集成,实现从设计到制造过程中的信息共享,缩短了产品设计制造周期,反映了现代设计制造的发展趋势。

1 计算机辅助集成设计发展历程

20世纪80年代到90年代初,各CAD供应商推出的与CAD系统相配合的初期PDM产品,初步实现了CAD信息的集成,其集成工具主要是专用的CAD系统。

20世纪90年代,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标准的提出和CORBA技术标准的进一步成熟,许多公司相继推出了功能更强大的PDM产品,使得计算机辅助集成技术的研究和应用获得了迅速的发展。

20世纪90年代末至今,现代集成制造系统(CIMS)被提出,在信息集成和过程集成的基础上强调了企业集成。在此期间,网络技术的发展、分布式计算技术的进步、Java语言的出现和第三代PDM产品的出现使计算机辅助集成技术得到了进一步的发展。

2 计算机辅助集成设计的主要技术、工具和发展现状

2.1 CADCAM/CAE/CAPP计技术

三维CAD为设计领域创造了一个新的空间三维CAD的模型包含了CAE系统所需的属性,而使CAD系统能进行CAE工作的前处理和后理,将信息方便地与CAE系统进行交换,实现CA与CAE的集成,极大地提高了产品的设计水平设计质量。

CAD/CAPP/CAM在过去的几十年中得到迅速的发展,并在工业界得到了较好的应用。三维CAD能为CAPP和CAM系统提供设计的基础息,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集成的目标是提高产品生产的动化程度。所谓CAD/CAM系统的集成化一般含以下3个方面的内容:a·提高CAD系统的集度,即要求整个产品设计过程中的各个阶段、每一计步骤都能有效地使用CAD技术,这就要求一CAD系统(硬件和软件)的功能要齐全,软件集成要高;b·CAD和CAM集成,即要求设计信息能动转化成CAM系统的信息;c·逐步形成一个以厂生产自动化为目标的CIMS。

一般来说,在高层次的CAD/CAM集成系统中,工程数据库管理系统是一个重要的组成部分,如图1所示。

计算机辅助集成设计技术的发展solidworks仿真分析图片图片1

在该系统中,所有CAD/CAM功能模块跟工程数据库直接连接。设计人员利用图形终端与计算机对话,使用存贮在公共数据库中的有关信息,实现对产品的设计、控制和制造过程的自动化。如果该集成系统中再包括企业管理信息系统,就可以成为生产高度自动化的工厂系统。

2.1.1 产品信息建模技术

产品设计的过程也是信息处理的过程,而产品建模就是生成产品数据的过程,是产品开发活动的核心。产品模型的主要类型有以下几种。

1)基于产品结构的产品模型,在这种模型中产品结构是表达的核心,采用结构材料清单、结构分类、产品结构树等表达产品结构。在一个计算机网络支持的产品设计系统中,来自不同应用系统中的产品数据可能存放在各自特定的数据库中,但可将它们按某一结构形式关联存储。有关产品的信息均可存储在基于结构的产品模型中。对某一产品结构,可用表格形式列出来自不同应用系统的有关产品信息。采用这种方法,只能依据产品结构描述表访问应用程序的数据库。在这种设计环境中,由于需要将不同应用系统的某些功能模块集成起来使用,不可避免地会造成大量的数据冗余。虽然该方法存在一些缺陷,但它奠定了集成产品模型研究开发的基础。

2)基于几何的产品模型。在计算机内部用几何模型表达产品的几何形状,如线框模型、表面模型、实体模型及混合模型等都属于这一类型。几何模型作为CAD系统的基础部分广泛应用于有限元分析和数控编程等方面,但是从制造角度看,还有必要在几何模型中加入诸如管理属性、技术属性等信息,以扩展其表达能力,否则将失去意义。但是这种几何模型所表达的产品几何信息是抽象的、缺少工程语义定义的,在表达产品几何信息(公差和表面粗糙度等)方面则较困难。

3)基于特征的产品模型。这种方法是根据产品生命周期各阶段的不同要求来描述产品,完整地提供产品信息使各系统可以直接从该产品模型中抽取所需的信息。由于几何实体模型与实现要求之间存在一定的差距,由此发展出产品特征建模技术。它是目前CAD/CAM系统的主流建模技术。

4)基于知识的产品模型。它的特点是综合应用了智能技术,面向对象编程等。人工智能的应用使之能够存储人类专家的知识和经验。因此,基于知识的产品模型的最大特点是能保存前人的知识,建立对产品或过程的分类和校核。目前,自动处理各种应用系统的知识仍然是一个有待研究的课题,但基于知识的产品模型和应用将扩大产品模型对各种信息的支持。

5)集成产品模型。这是一种完整意义上的产品信息模型,它是对几何模型、特征模型及其它建模技术进一步地综合和扩展。这里的“集成”是指为了支持集成环境对产品信息的综合处理而对产品生命周期内所有信息的集成,这些信息既包括产品本身的设计、计划、加工和检验等方面的内部描述信息,同时还包括那些信息赖以产生的环境、知识和规则等外部过程信息。

2.1.2 主要技术标准

1)初始图形数据交换(IGES)标准

图形数据交换规范IGES(Initial Graphics Ex-change Specification)是国际上产生最早并广泛应用的成熟数据交换标准。目前,几乎所有有影响的CAD系统均配有IGES接口。

IGES模型用于定义产品的实体集合。其中实体是基本的信息单位,可能是单个的集合元素,也可能是若干实体的集合,实体集合有相联性和特殊性的规定。

IGES文件是由任意行数所组成的顺序文件,它定义了传输文件结构和格式,一个文件由5个或6个独立的段组成,各段必须按照特征段、起始段、全局段、目录条目段、参数数据段、结束段的顺序出现。其中目录条目段和参数数据段是关键,它们是IGES的核心内容,包括了描述产品的所有实体几何信息和非几何信息。

2) STEP标准

产品模型数据交换标准STEP(Standard forthe Exchange of Product Model Data)的目标是提供一种独立于任何特殊系统的描述产品整个生命周期中有关数据的机制。在STEP标准的基础上,各CAX系统只需准备STEP文件输入和输出翻译器,即可实现各系统间的通信和衔接。

STEP为CAD/CAM信息集成提供了一整套方法和理论,其中包括模型描述方法和语言、STEP文件文本规范、标准数据存取界面规范、集成资源、应用协议开发指南、一致性测试方法论以及实现数据交换3种模式(文件交换、应用编程接口和数据库实现)。作为产品整个生命周期的数据表示与交换标准,STEP在实际需求中产生,也在实际应用中发展。

STEP标准包括5部分内容:描述方法、集成资源、应用协议、实现形式和一致性测试。5部分内容中,描述方法用于集成资源的定义,由资源模型产生应用协议,应用协议和实现形式相结合产生一种STEP实现,一致性测试则用于测试STEP实现是否与标准相一致。5部分内容互相溶为一体,共同构成STEP标准。

3) CORBA标准

公用对象请求代理结构CORBA(Common Object Request Broker Architecture)是OMG(ObjectManagement Group)发布的以分布对象为基础的公用对象请求代理结构,是OMG的对象管理参考模型的核心系统-对象请求代理器ORB(Object Request Broker)的功能描述和约定。它为在异构环境下各种应用系统的集成和进一步提高异构环境的协作性提供了可遵循的技术标准。该标准的主要特点是可以实现“即插即用”的软件总线结构,从而解决了异构分布式环境中的互操作性及重用性等问题ORB不仅支持标准的OMG对象模型,还具有分布进程管理和通信管理的功能,取代了传统客户/服务器结构中的相应接口部分。此外,CORBA定义了IDL(Interface Definition Language)语言,IDL提供对成员系统的封装和成员系统之间的隔离,任何成员系统作为一个对象,通过IDL对其接口参数进行定义和说明,就可接到ORB上,为其他系统提供服务或向其他系统提出请求,达到即插即用的效果。

2.2 产品数据管理技术(PDM)

CAD/CAE/CAPP/CAM技术的应用为产品设计带来了全新的面貌,但各个系统本身的发展是局部的,所产生的数据涉及产品的不同方面,系统之间缺少联系,企业各部门之间存在的业务上的差异也使应用系统之间难以沟通和交流。

PDM是管理产品相关数据的一门技术,它以产品为核心,对产品数据进行有效组织,实现产品相关的数据、过程、资源的一体化集成管理。与其他的信心管理系统(如MIS)不同,PDM以制造业产品为管理的核心,实现分布式异构信息的集成。它以数据、过程和资源为管理信息的3大要素,架起了面向设计制造的信息流和面向生产管理信息流之间的桥梁,从根本上解决了CAD、CAE、CAPP、CAM等单元技术之间的数据交流和“信息孤岛”现象。PDM能正确获取和操纵异构分布数据:能够实现应用封装与集成,提供了完善的应用开发方法和工具;PDM能够有效地控制信息和流程:拥有统一的用户界面,基于标准的工作流和过程管理;PDM能够管理产品全生命周期配置;PDM可以支持丰富的协同产品开发工具。

2.3基于PDM的CAD/CAE/CAPP/CAM系统的实现

通常把基于PDM(CAD/CAE/CAPP/CAM) 集成在一起的系统称为C4集成系统;有时又把CAPP归入CAM内,称为C3集成系统。

2.3.1 C3集成系统集成的层次

1)封装

封装可使在PDM系统的统一用户界面下启动C3应用程序。这种集成方式实现最为简单,但也只提供较少的功能,PDM系统无法管理C3文件中的数据,如特征、约束和装配关系等。封装可以通过PDM或C3系统提供的封装工具来实现,开发人员可以通过定义文件类型(或文件后缀)以及应用程序的环境变量等条件,使PDM系统能够在需要时自动启动外部工具,以处理某种类型的文件。

2)接口

接口提供了较为紧密的系统集成,PDM系统与C3系统之间可以进行一些数据交换,某些C3数据如零件号和材料信息可以传送到PDM系统中。这种集成方式要求对系统的数据结构有所了解,通过PDM与C3系统的API接口,提取部分重要信息,如零件号等,实现PDM与C3系统的部分信息交换。

3)集成

完整的集成具有自动双向交换所有相关信息的能力,包括产品数据、产品结构、装配信息和BOM表等。这种集成方式要求了解PDM与C3系统的底层数据结构,在此基础上,通过编程实现二者对数据库数据的访问。

2.3.2 C3集成系统实现的形式

1)与CAD软件集成在一起的专有C3系统。目前世界上一些大的CAD软件商都推出了与其自身CAD软件集成在一起的产品数据管理系统,如PM与Catia、Metaphase与I-Deas、Iman与UGⅡ和Prod Pdm与proengineer等。由于要实现与其CAD的无缝集成,这些系统一般都是基于某种开发语言的开发平台。它一般采用客户机/服务器(C/S)结构,面临的主要问题是客户端的定制工作繁重。而实际上,我们面临的是在一个企业中有着来自不同厂商的CAX系统,我们更多考虑是这种情况下的C3集成问题,这更带有普遍性。

2)基于通用数据平台的C3系统。这种系统是以PDM为核心,往往采取客户机/服务器(C/S)结构,以“多客户机+单PDM系统”的形式。它的特点是客户端应用程序的维护需要较大的投入;数据库结构的改变对所有用户都会产生连锁影响,而由于客户端程序的种类繁多,修改和维护的投入都很大。这种模式的优点是比较容易与来自不同供应商的单元技术集成,是目前使用较多的一种形式。

3)基于网络化的C3系统。

这是基于网络浏览器-服务器-数据库(B/S/D)模式的C3集成系统。它不仅能实现企业内部系统集成,而且还可与外界的数据和信息实现交流和共享;具有易于开发和维护的优点。这种模式是目前C3集成研究的热点和今后的发展方向。

2.4 CIMS环境下PDM与ERP信息的集成

PDM与ERP(Enterprise Resource Planning)之间的信息集成本质是基于设计工艺与企业管理、生产、质检、财务等各部门之间信息流动的需要,是产品信息与经营管理信息的集成,即实现企业全局信息的集成[4]。CIMS中产品信息的交换和共享具有以下特点:a·CAD用于产品的设计和分析,CAPP用于工艺过程的设计,CAM用于计算机辅助数控编程实现制造的自动化,ERP负责整个企业资源的管理,PDM用于管理与产品有关的数据及过程。b·ERP管理客户的需求和销售,为PDM提供数据管理依据,并且接受PDM传递过来的产品设计数据。由此可见,PDM系统是产品信息集成的核心,是C3系统与ERP系统之间信息传递的桥梁。ERP所需的最基本的产品信息为材料明细表(也称设计物料清单)与工艺信息(工艺路线工序、工装需求和设备需求等)。而ERP应向PDM提供的信息有原材料信息、设备状态信息和市场需求信息等。CAD/CAM/CAPP、PDM和ERP之间的集成关系如图2所示。

计算机辅助集成设计技术的发展solidworks simulation分析图片2

ERP和PDM的信息集成方案常用的有如下3种:a·采用STEP标准以数据库方式来实现PDM与ERP系统间的信息集成。b·基于CORBA技术的集成。c·采用应用系统提供的API函数和开发工具实现信息的集成。

3 计算机辅助集成设计的发展趋势

3.1 从C3运行机制上来看研究方向

1)建立在CAD、CAE、CAM范围内相对统一的、基于特征的产品模型,为集成产品模型的研究打好基础,以支持集成制造环境对产品信息的综合处理而要求的对产品生命周期内所有信息的集成。

2)按STEP标准采用EXPRESS语言开发面向复杂对象的工程数据库系统。

3)开发能够将不同特征识别系统与不同CAD系统连接起来的标准接口;研究开发基于自学习的、能够自动识别与抽取形状特征及其相关属性的特征识别系统。

4)基于PDM的应用集成平台研究及开发,实现各CAX系统之间快速无缝的集成。

3.2 基于网络的C3集成技术的研究方向

如何构建集分布式操作、图形化用户接口及数据库管理为一体(企业内联网)的、并能通过因特网实现与外界进行信息交流的C3集成系统是目前所需要做的研究工作。

3.3 C3集成技术的研究与整个CIMS系统

作为CIMS系统的组成部分,其发展的程度必然受CIMS整体技术的约束和推动。如何解决系统的多层次性,解决与其他系统技术之间的交叉重叠以及集成更多的第三方软件(开放性)也是C3集成技术研究所需要考虑的重要问题。

3.4 CAX一体化技术

CAD和CAM虽然在各自的领域内极大地促进了生产力的发展,促进了科技进步,但随着科技和计算机技术的进一步发展,这种单一系统已经不能满足需要,从而使CAD, CAM一体化技术成为科技界的热门研究课题,它是当前CAD/CAM技术发展的趋势。CAD/CAPP/CAM/CAE的集成应是建立一种新的设计、生产、分析以及技术管理的一体化,并不是将孤立的CAD, CAPP, CAM和CAE等系统进行简单的连接,而是从概念设计开始就考虑到集成。从目前的研究来看,如下关键技术的进展与实现有利于逐步实现系统的集成:计算机图形处理技术、图形输入和工程图样识别、产品造型技术、参数化设计方法、变量设计技术、计算机辅助工艺规程设计(CAPP)、工程数据管理技术、数据交换技术等。

4 结语

目前,我国大中型企业实施CIMS/CE方兴未艾,产品信息管理是其基础,如何有效地管理产品设计开发过程的信息,营造一个协同的开发环境,是产品数据管理的主要目标,而计算机辅助集成技术正合乎这个发展方向。我们相信,随着计算机技术和CAD/CAE/CAPP/CAM/PDM乃至CIMS的发展,基于计算机辅助集成设计技术必将更加完善。

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