CAD/CAM并行協(xié)同設(shè)計(jì)中的特征技術(shù)

傳統(tǒng)的CAD/CAM集成大都基于串行方式，期望在設(shè)計(jì)階段就產(chǎn)生能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)、工藝規(guī)劃與裝配需要的產(chǎn)品模型，力圖利用計(jì)算機(jī)完全代替人的工作，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)制造自動(dòng)化。而在生產(chǎn)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，由于同一零件在CAD/CAM集成路線(xiàn)上各個(gè)環(huán)節(jié)的表示與處理方法可能有很大差異，加之很難用計(jì)算機(jī)完全代替人的經(jīng)驗(yàn)，因而在實(shí)際集成中，仍需各環(huán)節(jié)之間的大量轉(zhuǎn)換，設(shè)計(jì)與工藝的多次反復(fù)不可避免，使實(shí)現(xiàn)真正的集成遇到了難以克服的困難。
隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的普及和并行工程的深入研究與發(fā)展，計(jì)算機(jī)技術(shù)領(lǐng)域出現(xiàn)了許多新的研究課題，如并行計(jì)算技術(shù)與計(jì)算機(jī)支持的協(xié)同工作(CSCW)等，并取得了一定的成果。基于這些研究成果，許多CAD/CAM研究者提出新的集成方式：在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，設(shè)計(jì)與工藝人員并行地完成同一零件的設(shè)計(jì)、工藝規(guī)劃與裝配過(guò)程，最大限度地縮短生產(chǎn)周期。
CAD/CAM的并行集成不但要求實(shí)現(xiàn)集成的傳統(tǒng)技術(shù)方法必須作轉(zhuǎn)變以適應(yīng)新的環(huán)境與工作方式，而且導(dǎo)致了許多新研究課題的產(chǎn)生，其中包括并行協(xié)同設(shè)計(jì)的工作機(jī)制［1］、分布環(huán)境中可被各工作者共同理解的零件模型的表示模式［2，3］、并行設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)定位與工藝基準(zhǔn)的表示與協(xié)調(diào)，以及并行協(xié)同設(shè)計(jì)的過(guò)程控制等。
1　分布環(huán)境下基于特征的集成策略
在異地分布的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，從事零件設(shè)計(jì)與制造工作的各種技術(shù)人員并行協(xié)作地參與同一零件的設(shè)計(jì)生產(chǎn)過(guò)程，產(chǎn)生符合CAD/CAM集成各個(gè)環(huán)節(jié)要求的產(chǎn)品模型，這是并行設(shè)計(jì)研究的主要目的。它與傳統(tǒng)的集成技術(shù)相比，有以下4個(gè)方面的轉(zhuǎn)變：①?gòu)膯螜C(jī)環(huán)境轉(zhuǎn)變?yōu)楫惖胤植嫉木W(wǎng)絡(luò)環(huán)境；②從串行處理方式轉(zhuǎn)變?yōu)椴⑿刑幚矸绞剑虎蹚娜藱C(jī)交互轉(zhuǎn)變?yōu)槿巳酥苯咏换ィ虎軓钠谕耆珨[脫人的干預(yù)轉(zhuǎn)變?yōu)槌浞职l(fā)揮人的作用。
CAD/CAM研究人員應(yīng)該以計(jì)算機(jī)技術(shù)研究領(lǐng)域的最新發(fā)展與成果為基礎(chǔ)，對(duì)自己領(lǐng)域內(nèi)在新的計(jì)算機(jī)軟硬件環(huán)境下所出現(xiàn)的技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行研究。網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)為異地通信提供底層支持；分布式共享數(shù)據(jù)庫(kù)可以保證各種技術(shù)人員在不同計(jì)算機(jī)終端上對(duì)同一模型進(jìn)行操作；分布式圖形處理技術(shù)支持異地分布人員對(duì)同一圖形進(jìn)行顯示與處理；計(jì)算機(jī)支持下的協(xié)同工作(CSCW)研究［4］為并行協(xié)作提供人人交互協(xié)商的工作環(huán)境。作為CAD/CAM的研究人員，應(yīng)該把考慮問(wèn)題的焦點(diǎn)放在如何在以上環(huán)境與技術(shù)的支持下，進(jìn)行并行集成所需解決的關(guān)鍵技術(shù)的研究。在并行協(xié)同設(shè)計(jì)環(huán)境中，各種技術(shù)人員可以對(duì)2個(gè)方面的信息實(shí)現(xiàn)共享：圖形共享和模型數(shù)據(jù)共享。圖1為并行CAD/CAM集成系統(tǒng)進(jìn)行開(kāi)發(fā)的層次關(guān)系。
特征技術(shù)是CAD/CAM集成的核心技術(shù)，特征是集成中的信息傳遞媒介。由于設(shè)計(jì)階段主要關(guān)心特征的形狀，工藝規(guī)劃與裝配階段主要關(guān)心特征的工藝特性，加之同一零件區(qū)域的形狀特征與工藝特征會(huì)有很大差異，導(dǎo)致相當(dāng)一部分特征技術(shù)研究集中于如何使設(shè)計(jì)特征的表示與處理滿(mǎn)足集成各環(huán)節(jié)的需要［5］。并行集成不是對(duì)以往研究成果的否定，而是對(duì)傳統(tǒng)技術(shù)的繼承與發(fā)展。
本文用特征作為并行設(shè)計(jì)中模型與處理的基本單元。設(shè)計(jì)人員引用形狀特征建立設(shè)計(jì)模型，同時(shí)，工藝人員可以實(shí)時(shí)地參與，對(duì)設(shè)計(jì)人員提供建議與要求，并且可以實(shí)時(shí)地對(duì)模型修改，產(chǎn)生以工藝特征表示的工藝模型。設(shè)計(jì)人員與工藝人員交互協(xié)作地進(jìn)行零件設(shè)計(jì)，當(dāng)設(shè)計(jì)工作完成以后，就生成正確完整的產(chǎn)品模型，不需要再進(jìn)行任何的轉(zhuǎn)換與處理。這便是并行協(xié)同設(shè)計(jì)方式下基于特征的集成策略。
2　特征模型的表示
傳統(tǒng)的特征表示模式已經(jīng)不能滿(mǎn)足新的工作方式的要求，我們希望特征的表示與基于特征設(shè)計(jì)方法的模型(特征模型)表示能夠適應(yīng)分布環(huán)境下各種技術(shù)人員的協(xié)同設(shè)計(jì)方式。
　　(1)特征模型的表示模式必須滿(mǎn)足各種技術(shù)人員同時(shí)定義信息的需要。形狀信息與工藝信息不但能同時(shí)存在于同一模型之中，而且能夠支持不同終端對(duì)不同信息的并行定義。
　　(2)特征模型的表示模式中，應(yīng)該能同時(shí)反映模型底層的幾何數(shù)據(jù)、各種設(shè)計(jì)特征、工藝特征及其相互關(guān)系。傳統(tǒng)方法主要通過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)模型的分析來(lái)獲得工藝特征，如DSG(Destructive Solid Geometry)方法，可以將設(shè)計(jì)特征轉(zhuǎn)換為加工區(qū)域的表示。但這些方法都是面向串行處理方式的，不能完全滿(mǎn)足我們的需要。
并行設(shè)計(jì)方式下的基于特征的模型表示模式改變了串行集成方式中采取對(duì)同一表示模型根據(jù)不同的應(yīng)用目的進(jìn)行不同解釋的情況，采用了面向不同應(yīng)用目的的各種表示模式并存于同一模型中的混合表示方法。它可分為以下4個(gè)層次：
　　(1)模型的幾何與拓?fù)湫畔ⅰ∪匀徊捎脗鹘y(tǒng)的B—Rep描述。
　　(2)設(shè)計(jì)特征　設(shè)計(jì)特征在顯示模型中以一組特征組成面來(lái)表示，設(shè)計(jì)特征組成面中存儲(chǔ)著該設(shè)計(jì)特征的標(biāo)志。
　　(3)工藝特征　包括加工特征與裝配特征，代表顯示模型中一定的功能區(qū)域。
　　(4)設(shè)計(jì)特征與工藝特征之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系、設(shè)計(jì)特征之間的約束關(guān)系和工藝特征之間的約束關(guān)系　一般采用圖結(jié)構(gòu)來(lái)描述，它同時(shí)包含代表設(shè)計(jì)特征與工藝特征的結(jié)點(diǎn)與各個(gè)結(jié)點(diǎn)之間的指針鏈接關(guān)系。B—Rep與特征的約束圖之間也有指針鏈接。
特征模型的表示是各種技術(shù)人員在異地計(jì)算機(jī)環(huán)境下協(xié)作完成的，它一旦正確產(chǎn)生，就意味著零件設(shè)計(jì)制造集成的結(jié)束，不再需要進(jìn)行任何轉(zhuǎn)換與處理。
設(shè)計(jì)特征與工藝特征之間的映射關(guān)系如下：
　　(1)等同關(guān)系　工藝特征等同于設(shè)計(jì)特征組成面與相應(yīng)的零件面封閉而成的體元；
　　(2)互補(bǔ)關(guān)系　設(shè)計(jì)特征與加工特征的并集與工藝毛坯上的相應(yīng)局部區(qū)域重合；
　　(3)復(fù)合關(guān)系　工藝特征是多個(gè)設(shè)計(jì)特征的復(fù)合區(qū)域；
　　(4)獨(dú)立工藝特征　有些工藝特征沒(méi)有設(shè)計(jì)特征與之對(duì)應(yīng)。
獨(dú)立工藝特征的存在是由于，設(shè)計(jì)人員選擇設(shè)計(jì)毛坯的原則是保證零件形狀快速有效地生成，則設(shè)計(jì)毛坯與實(shí)際工藝毛坯形狀可能不同。并行協(xié)同設(shè)計(jì)中，工藝人員可在設(shè)計(jì)的一定階段根據(jù)零件形狀選擇合適的工藝毛坯。工藝毛坯與設(shè)計(jì)毛坯的不同導(dǎo)致工藝毛坯中存在大于設(shè)計(jì)毛坯的區(qū)域，其中便包含與設(shè)計(jì)特征有互補(bǔ)關(guān)系的特征和獨(dú)立工藝特征。
以進(jìn)一步說(shuō)明基于特征的產(chǎn)品模型中的特征約束關(guān)系描述。為了突出特征約束圖適用于并行設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，重反映不同類(lèi)型特征的約束關(guān)系描述，并不反映同類(lèi)型特征的約束關(guān)系(主要指設(shè)計(jì)特征之間)，如DF2與DF1的隸屬特征。
3　并行設(shè)計(jì)中人的作用
并行設(shè)計(jì)中提倡人的作用充分發(fā)揮，以降低一味追求全面自動(dòng)化而帶來(lái)的不必要的復(fù)雜性。基于特征的并行集成中，人的作用主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：①設(shè)計(jì)特征需要在工藝規(guī)劃人員的并行參與下轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的工藝特征表示；②制造過(guò)程規(guī)劃結(jié)合工藝人員的實(shí)時(shí)定義產(chǎn)生，而不是完全通過(guò)計(jì)算機(jī)算法實(shí)現(xiàn)；③設(shè)計(jì)的不合理之處可以由工藝人員實(shí)時(shí)指出。
由于并行設(shè)計(jì)方式中充分發(fā)揮了人的作用，因而，減小了一些技術(shù)問(wèn)題由于要完全擺脫人的干預(yù)而帶來(lái)的難度。例如傳統(tǒng)DSG方法的研究總是對(duì)設(shè)計(jì)模型整體進(jìn)行分析以抽象出加工區(qū)域，這具有很大的難度并難以有效地應(yīng)用到實(shí)際中去。在并行設(shè)計(jì)方式下，工藝人員通過(guò)交互指點(diǎn)的方法可以確定加工區(qū)域的大概范圍及相關(guān)的設(shè)計(jì)特征，然后來(lái)實(shí)現(xiàn)加工區(qū)域的準(zhǔn)確描述，這大大減小了問(wèn)題的難度。
同一形狀區(qū)域的設(shè)計(jì)特征、加工特征與裝配特征的描述是不同的。在并行協(xié)同設(shè)計(jì)環(huán)境中，不同的工藝人員可以根據(jù)自己的應(yīng)用目的對(duì)工藝特征區(qū)域進(jìn)行實(shí)時(shí)定義，配合計(jì)算機(jī)算法得到工藝特征的精確描述，這就降低了在傳統(tǒng)方法中當(dāng)設(shè)計(jì)特征復(fù)合時(shí)對(duì)特征區(qū)域重新識(shí)別算法的復(fù)雜程度。
4　并行設(shè)計(jì)中特征約束的處理
使零件模型具有動(dòng)態(tài)可修改性也是CAD/CAM領(lǐng)域內(nèi)的重要研究方向，其主要目的是提高設(shè)計(jì)的自動(dòng)化程度。基于約束的參數(shù)化方法是目前為止提出的解決這一問(wèn)題最有效的方法，關(guān)于設(shè)計(jì)過(guò)程中約束的定義、表示求解已經(jīng)有了較為有效的研究成果［6］。并行設(shè)計(jì)中，各種技術(shù)人員同時(shí)參與整個(gè)設(shè)計(jì)、工藝規(guī)劃與零件裝配的過(guò)程，使零件模型具有動(dòng)態(tài)可修改性則更加重要，但這種修改是對(duì)集成的各個(gè)環(huán)節(jié)完全相關(guān)的，是基于約束的相互驅(qū)動(dòng)過(guò)程。
　　(1)特征形狀的修改　設(shè)計(jì)特征的修改不但將引起與其有約束關(guān)系的其它設(shè)計(jì)特征的相應(yīng)改變，也會(huì)引起與其對(duì)應(yīng)的工藝特征的改變，反之亦然。對(duì)特征形狀的修改包括特征尺寸與特征類(lèi)型的改變。
　　(2)特征定位尺寸的修改　形狀設(shè)計(jì)中的特征定位方式與工藝規(guī)劃中要確定的某特征的加工基準(zhǔn)可能不同，工藝人員可以對(duì)零件設(shè)計(jì)模型中一些定位基準(zhǔn)進(jìn)行實(shí)時(shí)重新定義，由集成系統(tǒng)來(lái)確定關(guān)于新定位基準(zhǔn)的特征定位尺寸。因此，特征設(shè)計(jì)定位尺寸的修改除了引起其約束特征的相應(yīng)修改以外，還要引起相應(yīng)的工藝定位尺寸的修改，反之亦然。
約束除了可以描述特征之間的相關(guān)關(guān)系之外，還用以描述特征的定位關(guān)系，稱(chēng)為定位約束，包括形狀設(shè)計(jì)中尺寸標(biāo)注方式的特征定位，工藝特征加工基準(zhǔn)的選擇等。正如特征的表示一樣，由于在并行設(shè)計(jì)中的約束必須滿(mǎn)足集成環(huán)節(jié)中各類(lèi)技術(shù)人員針對(duì)不同的目的對(duì)同一特征的不同定位方式的需要，因而，約束的表示也應(yīng)該是具有混合性的，也就是說(shuō)，同一特征的約束定義在零件模型中是多種表示形式共存的，而這些表示形式之間具有相應(yīng)的轉(zhuǎn)換關(guān)系，它們之間的聯(lián)系通過(guò)與它們相關(guān)的特征之間的指針來(lái)實(shí)現(xiàn)。
各種形式的定位約束表示都應(yīng)該是帶有變量(定位尺寸)與相應(yīng)的幾何元素(定位基準(zhǔn))指針的參數(shù)描述式，除了具有實(shí)現(xiàn)參數(shù)化驅(qū)動(dòng)的約束求解方法以外，并行設(shè)計(jì)中，針對(duì)同一特征不同的約束描述之間具有相互的驅(qū)動(dòng)表示方法，從而能實(shí)現(xiàn)參數(shù)修改的完全相關(guān)。約束的求解需要在給定的尺寸參數(shù)與定位基準(zhǔn)所代表幾何元素的幾何數(shù)據(jù)共同支持下來(lái)完成。完全相關(guān)的約束驅(qū)動(dòng)是根據(jù)特征約束圖、約束的具體表示及約束求解方法來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
負(fù)設(shè)計(jì)特征DF2以正設(shè)計(jì)特征DF1的頂面為操作母面(即定位基準(zhǔn)面)。在拓?fù)洳蛔兊那疤嵯拢鬌F2尺寸改變，根據(jù)圖4e所示的特征約束圖，加工特征MF2與裝配特征AF將發(fā)生相應(yīng)變動(dòng)；若DF1高度增加，其頂面升高，根據(jù)定位約束關(guān)系，DF2發(fā)生位置改變，于是，加工特征MF1、MF2、MF3及裝配特征AF都將發(fā)生改變，如果MF2以設(shè)計(jì)毛坯底面為加工基準(zhǔn)，則DF1高度的增加也將導(dǎo)致MF2加工定位尺寸的改變。