使能技术.docx
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使能技术
使能技术及工具
本部分将通过以下几个专栏介绍
CAX/DFX信息集成
CAPP
CAFD
CAE
CAM
MPS
DFA
DFM
DFC
PDM
基于STEP的CAX/DFX信息集成技术
1.并行工程环境下产品数据的集成与交换的特点
并行工程环境下的产品信息集成与交换具有以下特点:
(1)产品信息应支持不同应用之间准确、完全和无二义性的信息交换;
(2)产品信息存在简单和复杂的结构化信息,也有非结构化信息,需要根据产品信息的特点用不同的模型加以描述;(3)产品信息模型应是中性的,不同的应用系统需要通过各自的应用接口进行访问;(4)产品开发过程中数据资源的并发占用和设计更改冲突经常发生;(5)对数据交换、设计更改、文档管理提出了更高的要求。
2.支持并行工程的CAD/CAPP/CAM信息集成方法
基于商品化CAD系统实现CAD/CAPP/CAM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,使得设计信息可为下游应用系统直接使用;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。
每一个CAD系统都有其独特的数据结构和信息模型。
CAD下游的各应用系统一般由专业用户开发,其特征需求主要面向不同的应用领域,如CAPP的特征主要面向制造工艺。
为了在一个开放的CAD特征造型系统下实现CAD与下游各应用系统的集成,可采用产品数据表达与交换标准STEP及其标准数据访问接口SDAI
(StandardDataAccessInterface)来达到系统集成的要求。
基于STEP应用协议的信息集成模式
3.信息集成系统
(1)利用商用CAD平台开发特征实例化界面技术:
在商用CAD平台上建立基于零件特征的形状特征库,特征库是产品形状构成的基础,是造型中不可缺少的工具。
常用特征库有:
∙面特征:
外圆柱面、外圆锥面、外螺纹、平面(定位面、参考面)
∙孔特征:
圆柱孔、圆锥孔、螺纹孔、组合孔
∙槽特征:
环槽、梯形槽、矩形槽、扇形槽、键槽、一般槽
∙腔特征
∙分布特征:
平面圆周分布特征、圆柱面圆周分布特征、平面矩阵分布特征、圆柱面矩阵分布特征
∙拷贝特征
(2)特征的识别和提取:
包括形状特征的识别和提取,工艺信息的识别与提取。
利用商用CAD系统现有的软件环境,存取特征模型中的几何、拓扑、特征及工艺信息,形成零件信息模型。
(3)基于STEP的特征信息建模:
参照STEP应用协议建模方法,建立面向应用系统(CAPP、DFM、CAFD等)的零件特征信息主模型。
(4)实现产品数据信息集成:
利用STEP开发工具ST-Developer,在产品特征信息模型及CAD产品数据的基础上,为下游各应用系统提供STEP中性交换文件,实现基于STEP物理文件的产品数据信息集成。
基于STEP的工程数据集成系统体系结构
4.系统应用
基于特征的CAx/DFx信息集成是CIMS、并行工程的核心技术之一,是解决CAX/DFX信息集成的有效方法。
我们所取得的研究成果采用ISO10303STEP国际标准,实现CAD与下游应用系统(如DFM、CAPP、CAM等)的产品数据集成。
在信息集成模式、构造应用协议、特征建模及建立应用程序接口等关键技术方面取得了较大的进展与突破。
这对于解决企业实施并行工程、CIMS应用工程中的信息集成问题,具有显著的效果。
所开发的系统在国家863/CIMS关键技术攻关项目“并行工程”、航天工业总公司第二研究院并行工程应用的信息集成中,成功地用于复杂结构件的特征造型和加工信息提取,并通过STEP中性文件实现了CAD与下游应用系统的信息集成。
该软件在功能使用,用户化程度和维护的灵活性方面都满足了要求,并具有良好的可扩充性、灵活性和可靠性。
集成化加工工艺过程设计CAPP
在CE环境下,产品设计过程有以下的突出特点:
①与下游环节(如工艺设计)同步进行;②与下游环节(如工艺设计)之间频繁交流信息;③涉及多学科知识。
并行工程的一个焦点是实现产品详细设计和制造过程设计的信息集成和功能集成。
制造过程设计包括面向制造的设计(DesignforManufacturing,DFM,评价零件设计的结构工艺性、可加工性、经济性等)、计算机辅助工艺设计(ComputerAidedProcessPlanning,CAPP,产生零件的制造工艺过程)、计算机辅助制造(ComputerAidedManufacturing,CAM,产生零件数控加工工艺的刀位信息)及其后置处理(产生数控代码)、计算机辅助夹具设计(ComputerAidedFixtureDesign,CAFD,设计工装夹具)和制造过程仿真(ManufacturingProcessSimulation,MPS)等。
DFM/CAPP/CAM及后置处理是制造过程设计的核心。
THCAPP-CE系统的总体结构
THCAPP-CE系统的特点:
①STEP前置处理:
并行工程要求采用全局的产品信息模型。
THCAPP-CE的STEP前置处理用来从STEP文件中提取零件制造特征信息。
②版本比较:
并行工程环境下CAPP系统处理的对象经常是产品设计的阶段结果,因而版本比较很有必要。
通过版本比较,确定不同设计版本之间的增量和差别,以利于决策时重点考虑,从而迅速作出决策,迅速向上反馈信息。
③内部信息模型:
统一采用框架系来描述。
被描述的对象包括零件制造特征、特征可选加工方法、加工方法可选制造资源、零件可选定位装夹方案、其它过程的反馈信息以及包括车间、工序、装夹、工步等的工艺信息等。
④工艺设计:
同时采用派生式和创成式方法,以便充分发挥各自的优点,充分利用以前的经验,快速得到结果。
根据零件特点分析或人为确定采用其中一种方法。
工艺设计中间结果和最终结果存入共享数据库,最终结果还生成工艺规程卡。
⑤派生式子系统:
THCAPP-CE的派生式系统不仅考虑零件类型,还考虑了质量、时间、成本和制造资源,甚至毛坯制造质量等因素。
标准工艺设计时相应地考虑了上述各种因素,对某一类型的零件有多个标准工艺。
因而能适应并行工程的要求,而且更具有实用性。
⑥创成式子系统:
采用了柔性工艺设计,首先根据零件设计信息生成各特征的多种可选加工方法、各加工方法对应的多种可选机床和刀具,生成零件的多种可选定位装夹方案,然后与其它过程进行全局的协同优化,接受CAFD、CAM、MPS等的反馈,确定加工方法、制造资源、定位装夹方案,之后进行工序详细设计,最后输出工艺设计的最终结果,生成各种工艺卡。
⑦采用人机协同决策,根据决策对象和人机各自的优势确定人工参与的时机和程度。
例如,产生可选结果可由机器来完成,人工可以屏蔽或增加可选项,各个子过程的结果都可以由人工进行修改,并影响到后续的决策过程。
确定采用某个方案既可由人工决策,也可采用机器自动决策。
计算机辅助工装设计系统CAFD
在并行工程各个环节中CAFD作为重要的一环,一方面在产品设计早期,对产品多层次的概念设计模型进行可装夹性评价,进而对其可制造性进行评价,从而在产品设计早期能够及时发现问题,避免大的返工。
同时实现夹具设计与夹具准备的并行,以缩短整个产品开发时间。
另一方面,当形成最终产品模型之后,CAFD根据产品的CAD几何信息、CAPP加工工艺信息进行夹具的方案设计、结构设计、夹具元件的选取、夹具的快速三维组建、夹具出图、生成带有工件的夹具仿真文件以供制造过程仿真(MPS)使用,并在此阶段对CAPP加工工艺中有关定位、夹紧面及切削用量的选取进行评价并产生反馈,以保证工艺设计的合理性。
所以CAFD是并行工程中实现工艺早期介入、实现并行工程中各个设计环节真正并行工作、减少产品开发时间的重要工具手段之一。
图5-26为CAFD系统的信息流向与总体控制图。
CAFD系统的信息流向与总体控制图
计算机辅助工程CAE
本栏目主要介绍计算机辅助工程CAE(ComputerAidedEngineering)的基本概念、回顾其发展历史、跟踪最新的研究发展动向、评述国内外典型CAE产品、并分析其在各应用单位中的实施状况。
本栏目的重点是对CAE技术的研究发展动向和应用实施情况加以探讨,此外,还将为研究开发人员、应用实施人员和相关实施单位提供丰富的资源信息和参考资料。
计算机辅助制造CAM
从广义上讲,计算机辅助制造(CAM)包括计算机辅助生产计划、计算机辅助工艺过程设计、计算机数控编程、计算机控制加工过程等内容。
而通常CAM是指根据被加工零件的技术特性、几何形状、尺寸及工艺要求,确定加工方法、加工路线和工艺参数,再进行数值计算获得刀位数据。
然后工件的尺寸、刀具中心轨迹、位移量、切削参数(主轴转速、刀具进给量、切削深度等)以及辅助功能(主轴正反转、冷却液开关等),按数控机床所采用的代码及程序格式,编制出工件的数控加工程序。
加工过程仿真MPS
数控(NC)加工技术不但能制造出复杂的零件,而且能保证足够的加工精度。
所以数控加工技术广泛应用于复杂高精度零件的机械加工中,例如:
模具,航空零件等。
这些产品特别是模具的制造精度将很大程度上影响后续工序,所以数控加工对产品的开发和质量控制的影响是显而易见的。
为了提高数控加工技术的精度和可靠性,计算机仿真技术被用来检验数控程序的中存在的问题,例如:
加工错误,碰撞和干涉,不适当的加工参数,刀具磨损等。
显然,加工过程仿真器在CIMS工程中显得尤为重要。
为了减少产品的开发时间,产品的设计过程,工程分析过程,优化设计过程到数控加工过程几乎同时开始,而MPS是协同各个过程的唯一手段。
一些NC错误不能向以前一样通过试切木质或朔料工件来检验,而是利用加工过程仿真器进行检验。
加工仿真的一个简单典型的方法是把刀位作为工件的框架。
这种方法如此简单所以早期的CAD/CAM系统都采用该方法。
随着CAD/CAM技术的发展,数控加工零件的复杂程度日益提高,刀具轨迹变得错综复杂,导致了工件框架的混乱不清。
所以,利用实体技术表达工件进行加工仿真是必要的。
计算机图形学的飞速发展,使得加工过程仿真可以通过在每一刀位点进行刀具与工件的布尔差运算来实现。
很多其它报道的NC检查方法也采用了实体技术。
尽管很多文献都作过开发加工仿真器的报道,但把这些系统变成真正的实用系统还需作大量的工作。
目前,在开始实际加工之前,虽然CAD/CAPP/CAM系统已经进行了NC验证,由于夹具和毛坯形状的差异,仍然需要对NC程序进行检验。
研制加工过程仿真器MPS,目的就是为用户提供一个支撑环境,更好的完成开发过程的集成。
并通过模拟NC程序的运行过程来检验干涉和碰撞情况。
面向装配的设计DFA
装配设计DFA(DsignForAssembly)是70年代后期提出的设计支持系统概念,由于装配设计本身在整个设计阶段的特定作用,使得基于此的研究开发取得了显著的成果,从而作为主要的DFX工具正日益受到世界各国的重视。
本项目作为国家863重点技术攻关项目本身就说明我国对DFA技术及系统开发的重视程度,经过两年多的研究攻关,本项目在装配建模、装配序列规划、装配公差分析、运动机构分析与仿真及装配过程仿真等方面取得一定的成果,下一步将致力于DFA系统的商品化、产业化研究,以尽快实现技术的转化。
本项目的研究首先是基于世界先进国家在机械设计、机械制造领域的研究发展,研究发展并行设计这一全新的设计概念,在我国逐步实施并行工程,推动我国设计制造业的全面发展。
DFA系统作为并行工程中的一个主要设计支持工具,其设计开发将在并行环境中为设计者提供基于装配的设计支持,包括可装配性分析、装配工艺分析和装配结构分析以及装配工艺设计等。
本项目主要在可装配性分析和初步装配工艺规划等方面进行研究与开发,并在一定软、硬件环境中实施。
迄今为止,几乎所有的CAD系统以及相关研究都是以零件为对象,整机设计则是通过把设计完成的单个零件拼在一起。
这种方法和实际采用的设计顺序和设计方法是恰恰相反的;和并行设计的要求也是矛盾的。
正确的设计方法和并行设计都要求设计从产品装配体(整机)开始,根据给定的功能要求和设计约束,首先确定产品的大致组成和形状;确定各组成零部件之间的装配关系和相互约束关系(即首先完成装配概念模型的建模和装配草图的绘制)。
然后根据装配关系把一个产品分解成若干零部件,在总体装配关系的约束下,同步地进行这些零部件的概念设计和详细设计。
在上一层装配体中确定的装配约束都将成为下一层装配体的设计约束;而且这种约束关系应能和最终模型一齐记录下来,这样可以在以后的修改和调整过程中由系统来自动维护这种约束关系,保持模型的一致性。
为实现这一点,必须能够对装配约束关系进行准确的描述,并建立一个让这些约束条件在产品迭代设计过程中自动传递、自动调整的保证机制,同时为后续装配工艺规划、装配公差分析与综合提供必要的信息。
而装配序列规划、装配公差分析、装配机构仿真则从不同侧面对装配结构进行分析,以确定结构设计的可装配性、装配质量和结构设计的有效性,从而避免因后续这些问题而导致的再设计所造成的巨大浪费,提高产品设计质量,缩短产品设计周期,降低产品设计成本。
装配仿真是指装配过程的计算机图形学仿真。
换句话说,也就是用动画的形式在计算机上模拟产品的装配过程。
对于尚处在设计阶段的产品来说,装配性能好坏最直观的效果,莫过于在计算机上仿真产品的实际装配过程。
面向制造的设计DFM
由于制造系统的复杂性,生产过程的各个环节相互耦合,某一环节中的决策往往会波及其他,从而使这一决策对整个制造系统的作用复杂化。
因此,如何在决策时综合考虑整个系统,使之趋于全局最优,是现代制造技术中的重要问题。
传统制造系统的各个环节一般由不同的部门负责,它们以本环节的需求和优化为出发点,很少也很难考虑相关环节的需要。
在这种彼此分离,缺乏沟通的状况下,必然会由于上下游相互冲突而引起大量返工。
而且这种被动的修补很难得到全局优化的决策,使企业难以从制造资源中获取高效益。
并行工程(CE,ConcurrentEngineering)是针对传统的串行产品开发过程而提出的一个概念。
从本质上讲,CE是一种以工作空间的展开换取工作时间缩短的方式,来处理系统复杂性的系统化方法。
在数据共享、人机交互等工具及其集成的使能技术支持下,按多学科多层次协同一致的组织方式工作。
与传统的顺序方式相比,这种方式扩大了系统的状态空间,缩短了复杂问题的交互式求解的迭代次数,促使一次达到最终目标[2]。
因此,在CE环境下,产品设计过程有以下的突出特点:
∙与下游环节(如工艺设计)同步进行。
∙与下游环节(如工艺设计)之间频繁交流信息。
∙涉及多学科知识。
面向制造的设计(DFM,Designformanufacture)是一种设计方法,其主要思想是在产品设计时不但要考虑功能和性能要求,而且要同时考虑制造的可能性、高效性和经济性,即产品的可制造性(或工艺性)。
其目标是在保证功能和性能的前提下使制造成本最低。
在这种设计与工艺同步考虑的情况下,很多隐含的工艺问题能够及早暴露出来,避免了很多设计返工;而且通过对不同的设计方案根据可制造性进行评估取舍,根据加工费用进行优化,能显著地降低成本,增强产品的竞争力。
CE的关键是设计产品时同时考虑下游的相关过程,包括加工工艺,装配,检测,质量保证,销售和维护等等,可以从以下几个方面来看DFM和CE之间的关系:
1.DFM是CE的思想核心。
设计与制造,是产品生命周期中最重要的两个环节。
所谓并行工程,最重要的是产品设计与制造过程设计的并行。
在设计阶段就能考虑可制造性是并行工程最基本的优势所在。
2.DFM是CE的实现方法。
要实现CE,设计和制造决不可能再保持传统的串行分离的方式。
DFM方法所提倡的在设计中考虑制造工艺,根据加工能力来设计产品及其零件的方法必然是CE的设计方法。
3.CE是DFM的推广和延伸。
自从DFM的概念被提出以来,又相继出现了很多DFx的概念,比如DFQ(DesignforQuality),DFR(DesignforReliability),DFD(DesignforDisassembly)等等,逐渐覆盖了产品从设计到制造,使用,回收的整个生命周期,这实际上已经在DFM的基础上拓展成为CE的思想:
在设计阶段就考虑各后续阶段的整体效益。
面向成本的设计DFC
随着全球市场的形成,以最低成本,在最短时间内生产出高质量的产品已成为制造商竞争的焦点。
根据有关研究结果,美国商品的竞争力在总体上居世界第一,其重要原因是在产品开发过程中有效地控制了制造成本。
我国企业过去长期处于计划经济体制下,缺乏市场竞争,普遍存在产品生产成本过高、企业效益低下的问题。
面向成本的设计综合应用产品特征建模技术、制造工艺过程规划、装配工艺过程规划、DFAM理论与方法、价值工程分析方法、产品数据管理等技术与方法,以我国制造业的实际需要为背景,建立集成化的面向成本的设计方法,并开发了相应的原型系统。
面向成本的设计方法的出发点是在产品设计阶段为设计者提供支持工具,使得设计者能够综合考虑产品生命周期中的加工制造、装配、检测、维护等多种成本因素;通过对产品技术经济性评价,设计者根据成本原因,及时进行设计修改,从而达到降低产品成本的目的。
随着数字化产品建模、成组技术、产品数据管理、CAD/CAPP/CAM、CAAPP(ComputerAidedAssemblyProcessPlanning)等相关技术的日趋成熟,在统一的数字化产品模型的支持下,在设计阶段综合考虑产品生命周期中的材料、加工、装配、维护等各种成本因素,建立可评价产品成本的集成设计系统(DTC,DesigntoCost)已成为可能。
产品数据管理技术PDM
PDM的概念
PDM是ProductDataManagement(产品数据管理)的英文缩写,是指某一类软件的总称。
CIMdata的定义是:
"PDM是一种帮助工程师和其他人员管理产品数据和产品研发过程的工具。
PDM系统确保跟踪设计、制造所需的大量数据和信息,并由此支持和维护产品"。
从软件来看,PDM是一个介于基础信息结构软件和应用软件之间的一种框架软件系统。
以此框架为基础,高度集成各种应用而组成的系统,可提供使制造者全面管理、紧密跟踪、适度控制、适时查看围绕产品设计、开发及整个工程过程中的所有与产品相关的数据。
从产品来看,PDM系统可帮助组织产品设计,完善产品结构修改,跟踪进展中的设计概念,及时方便地找出存档数据以及相关产品信息。
从过程来看,PDM系统可协调组织整个产品生命周期内诸如设计审查、批准、变更、工作流优化以及产品发布等过程事件。
PDM是管理所有与产品相关的信息和过程的技术,它包括:
(1)与产品相关的所有信息,即描述产品的各种信息,包括部件信息、结构配置、文件、CAD图、审批信息等等。
(2)与产品相关的所有过程,即对这些信息的定义和管理,包括信息的审批、分配以及更改等等。
PDM是依托IT技术实现企业最优化管理的有效方法,是科学的管理框架与企业现实问题相结合的产物,是计算机技术与企业文化相结合的一种产品。
PDM的基本功能
从PDMS的体系结构和在企业的实施情况分析,其功能主要包括以下几个方面:
(1)项目管理
项目管理的主要功能包括:
项目的创建、修改、查询、审批、统计等功能;供项目人员组织机构定义和修改;在项目人员组织结构的基础上,实现人员角色指派及其对产品数据操作权限的规定。
(2)工作流程管理
提供工作流程的定义,提交工作流程执行的设计对象,如部件、零件、文档等。
提交的流程定义数据,建立有关人员的工作任务列表,并根据流程走向记录每个任务列表的执行信息,支持工作流程的异常处理和过程重组。
提供电子审批与发放,并通过E-mail接口技术进行用户通信和过程信息传递。
(3)文档管理
为用户提供文档信息的配置、录入与编辑。
建立文档基本信息与图档文件的连接关系,实现图档文件的批量入库和交互入库,并将指定的文档文件从数据库中释放出来,传送到用户的Client端进行操作。
支持Check-in/Check-out功能,保证文件的完整性和一致性。
(4)结构配置管理
产品结构定义、修改和存储,BOM表的快速访问和修改,生成产品结构信息的不同视图,以满足对同一产品的不同BOM描述需求。
为用户提供多种条件查询与浏览,并用直观的图视方式显示产品零部件之间的层次关系。
(5)变更管理
从产品的开发到原型的制造过程中,产品的各种配置信息经历了多次的变化,结构的改变、信息的增加造成了产品的各种版本。
产品配置与变更管理对产品的版本数据提供冻结、释放、复制等操作。
(6)系统的集成与封装
PDM在企业的信息集成过程中可以被看作是起到一个集成"框架(Framework)"的作用,各种应用程序诸如CAD/CAM/CAE、EDA、OA、CAPP、MRP等,将通过各种各样的方式,如应用接口、开发(封装)等,直接作为一个个"对象(Object)"被集成进来,使得分布在企业各个地方、各个应用中使用(运行)的所有产品数据得以高度集成、协调、共享,所有产品研发过程得以高度优化或重组。
PDM对CAD/CAM系统可以进行封装形式的松散集成;PDM可以内嵌的方式实现与CAPP系统的紧密功能集成;通过数据表共享的方式可以实现PDM与MIS/MRPII系统的数据集成。
PDM的应用领域
PDM涉及的领域很广,它可以管理各种与产品相关的信息,包括电子文档、数据文件以及数据库记录。
适用的产品领域包括:
制造业--汽车、飞机、船舶、计算机、家电、移动电话等;
工程项目--建筑、桥梁、高速公路;
工厂--钢铁厂、炼油厂、食品加工厂、制药厂、海洋平台等;
基础设施--机场、海港、铁路运营系统、后勤仓储;
公用事业--发电/电力设置、无线通讯、水/煤/气供应、有线电视网;
金融--银行、证券交易及其它行业。
值得指出的是,面对如此广泛的应用领域,目前尚无一种万能的PDM系统可以包罗万象地适用于它们。
每个领域都有其自身的特点及需求,即使同一领域的单位,使用完全相同的PDM产品,也会遇到完全不同的实施问题。
这正是实施PDM应充分考虑的问题。
PDM软件选型
PDM软件选型要服从长远规划的大局,从具体制造行业的现有基础出发,考虑将来制造业发展的需要,综合考虑研究设计制造各个部门的意见来确定。
目前市场上流行的PDM软件产品已有100多种,各自的功能特点和可解决的工程问题不尽相同,PDM软件基本的选型原则:
∙功能的丰富性,系统提供的配置管理、文档管理、视图、用户接口、集成应用软件的能力、提供的开发工具等等功能可以满足齐厂的现在和未来发展对PDM需求。
∙系统的灵活性,是否提供核心技术,可灵活配置功能。
∙系统的开放性,是否易与各种外部系统集成,开发手段丰富,开放性强将减轻二次开发工作,提高集成质量。
是否与用户的CAD软件能够紧密集成。
∙访问的时间性,是否快速及时地访问所需数据。
∙规模的可调性,是否在系统使用规模上可从小到大,任意扩展。
∙使用的方便性,是否使用界面友好,易学易用,操作是否轻松简便。
∙技术的支持性,PDM软件商是否能够协助解决开发过程中遇到的疑难问题;是否提供资料及时与完备;是否有较好的培训材料和计划;是否服务费用合理;是否技术支持在公司发展战略中重要地位等等。
∙技术的潜在性,PDM软件商是否具有潜在的实力,包括PDM在该公司中的地位、PDM产品的体系结构、PDM产品的目标、过去和现在的技术实力等等。
价格的合理性,所选PDM软件的价格是否能够承
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