CAD/CAM并行協(xié)同設(shè)計中的特征技術(shù)

傳統(tǒng)的CAD/CAM集成大都基于串行方式，期望在設(shè)計階段就產(chǎn)生能滿足設(shè)計、工藝規(guī)劃與裝配需要的產(chǎn)品模型，力圖利用計算機完全代替人的工作，實現(xiàn)設(shè)計制造自動化。而在生產(chǎn)實踐中發(fā)現(xiàn)，由于同一零件在CAD/CAM集成路線上各個環(huán)節(jié)的表示與處理方法可能有很大差異，加之很難用計算機完全代替人的經(jīng)驗，因而在實際集成中，仍需各環(huán)節(jié)之間的大量轉(zhuǎn)換，設(shè)計與工藝的多次反復(fù)不可避免，使實現(xiàn)真正的集成遇到了難以克服的困難。
隨著計算機網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的普及和并行工程的深入研究與發(fā)展，計算機技術(shù)領(lǐng)域出現(xiàn)了許多新的研究課題，如并行計算技術(shù)與計算機支持的協(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)計與工藝人員并行地完成同一零件的設(shè)計、工藝規(guī)劃與裝配過程，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)計的工作機制［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)計中設(shè)計定位與工藝基準(zhǔn)的表示與協(xié)調(diào)，以及并行協(xié)同設(shè)計的過程控制等。
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)計生產(chǎn)過程，產(chǎn)生符合CAD/CAM集成各個環(huán)節(jié)要求的產(chǎn)品模型，這是并行設(shè)計研究的主要目的。它與傳統(tǒng)的集成技術(shù)相比，有以下4個方面的轉(zhuǎn)變：①從單機環(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)該以計算機技術(shù)研究領(lǐng)域的最新發(fā)展與成果為基礎(chǔ)，對自己領(lǐng)域內(nèi)在新的計算機軟硬件環(huán)境下所出現(xiàn)的技術(shù)問題進行研究。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)庫可以保證各種技術(shù)人員在不同計算機終端上對同一模型進行操作；分布式圖形處理技術(shù)支持異地分布人員對同一圖形進行顯示與處理；計算機支持下的協(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)該把考慮問題的焦點放在如何在以上環(huán)境與技術(shù)的支持下，進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)計環(huán)境中，各種技術(shù)人員可以對2個方面的信息實現(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)進行開發(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)計特征的表示與處理滿足集成各環(huán)節(jié)的需要［5］。并行集成不是對以往研究成果的否定，而是對傳統(tǒng)技術(shù)的繼承與發(fā)展。
本文用特征作為并行設(shè)計中模型與處理的基本單元。設(shè)計人員引用形狀特征建立設(shè)計模型，同時，工藝人員可以實時地參與，對設(shè)計人員提供建議與要求，并且可以實時地對模型修改，產(chǎn)生以工藝特征表示的工藝模型。設(shè)計人員與工藝人員交互協(xié)作地進行零件設(shè)計，當(dāng)設(shè)計工作完成以后，就生成正確完整的產(chǎn)品模型，不需要再進行任何的轉(zhuǎn)換與處理。這便是并行協(xié)同設(shè)計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)計方式。
　　(1)特征模型的表示模式必須滿足各種技術(shù)人員同時定義信息的需要。形狀信息與工藝信息不但能同時存在于同一模型之中，而且能夠支持不同終端對不同信息的并行定義。
　　(2)特征模型的表示模式中，應(yīng)該能同時反映模型底層的幾何數(shù)據(jù)、各種設(shè)計特征、工藝特征及其相互關(guān)系。傳統(tǒng)方法主要通過對設(shè)計模型的分析來獲得工藝特征，如DSG(Destructive Solid Geometry)方法，可以將設(shè)計特征轉(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，不能完全滿足我們的需要。
并行設(shè)計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同一表示模型根據(jù)不同的應(yīng)用目的進行不同解釋的情況，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個層次：
　　(1)模型的幾何與拓撲信息　仍然采用傳統(tǒng)的B—Rep描述。
　　(2)設(shè)計特征　設(shè)計特征在顯示模型中以一組特征組成面來表示，設(shè)計特征組成面中存儲著該設(shè)計特征的標(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)計特征與工藝特征之間的對應(yīng)關(guān)系、設(shè)計特征之間的約束關(guān)系和工藝特征之間的約束關(guān)系　一般采用圖結(jié)構(gòu)來描述，它同時包含代表設(shè)計特征與工藝特征的結(jié)點與各個結(jié)點之間的指針鏈接關(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)人員在異地計算機環(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)計制造集成的結(jié)束，不再需要進行任何轉(zhuǎn)換與處理。
設(shè)計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)計特征組成面與相應(yīng)的零件面封閉而成的體元；
　　(2)互補關(guān)系　設(shè)計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　工藝特征是多個設(shè)計特征的復(fù)合區(qū)域；
　　(4)獨立工藝特征　有些工藝特征沒有設(shè)計特征與之對應(yīng)。
獨立工藝特征的存在是由于，設(shè)計人員選擇設(shè)計毛坯的原則是保證零件形狀快速有效地生成，則設(shè)計毛坯與實際工藝毛坯形狀可能不同。并行協(xié)同設(shè)計中，工藝人員可在設(shè)計的一定階段根據(jù)零件形狀選擇合適的工藝毛坯。工藝毛坯與設(shè)計毛坯的不同導(dǎo)致工藝毛坯中存在大于設(shè)計毛坯的區(qū)域，其中便包含與設(shè)計特征有互補關(guān)系的特征和獨立工藝特征。
以進一步說明基于特征的產(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)計的特點，重反映不同類型特征的約束關(guān)系描述，并不反映同類型特征的約束關(guān)系(主要指設(shè)計特征之間)，如DF2與DF1的隸屬特征。
3　并行設(shè)計中人的作用
并行設(shè)計中提倡人的作用充分發(fā)揮，以降低一味追求全面自動化而帶來的不必要的復(fù)雜性。基于特征的并行集成中，人的作用主要表現(xiàn)在以下幾個方面：①設(shè)計特征需要在工藝規(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制造過程規(guī)劃結(jié)合工藝人員的實時定義產(chǎn)生，而不是完全通過計算機算法實現(xiàn)；③設(shè)計的不合理之處可以由工藝人員實時指出。
由于并行設(shè)計方式中充分發(fā)揮了人的作用，因而，減小了一些技術(shù)問題由于要完全擺脫人的干預(yù)而帶來的難度。例如傳統(tǒng)DSG方法的研究總是對設(shè)計模型整體進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)用到實際中去。在并行設(shè)計方式下，工藝人員通過交互指點的方法可以確定加工區(qū)域的大概范圍及相關(guān)的設(shè)計特征，然后來實現(xiàn)加工區(qū)域的準(zhǔn)確描述，這大大減小了問題的難度。
同一形狀區(qū)域的設(shè)計特征、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)用目的對工藝特征區(qū)域進行實時定義，配合計算機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)計特征復(fù)合時對特征區(qū)域重新識別算法的復(fù)雜程度。
4　并行設(shè)計中特征約束的處理
使零件模型具有動態(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)計的自動化程度。基于約束的參數(shù)化方法是目前為止提出的解決這一問題最有效的方法，關(guān)于設(shè)計過程中約束的定義、表示求解已經(jīng)有了較為有效的研究成果［6］。并行設(shè)計中，各種技術(shù)人員同時參與整個設(shè)計、工藝規(guī)劃與零件裝配的過程，使零件模型具有動態(tài)可修改性則更加重要，但這種修改是對集成的各個環(huán)節(jié)完全相關(guān)的，是基于約束的相互驅(qū)動過程。
　　(1)特征形狀的修改　設(shè)計特征的修改不但將引起與其有約束關(guān)系的其它設(shè)計特征的相應(yīng)改變，也會引起與其對應(yīng)的工藝特征的改變，反之亦然。對特征形狀的修改包括特征尺寸與特征類型的改變。
　　(2)特征定位尺寸的修改　形狀設(shè)計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，工藝人員可以對零件設(shè)計模型中一些定位基準(zhǔn)進行實時重新定義，由集成系統(tǒng)來確定關(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，稱為定位約束，包括形狀設(shè)計中尺寸標(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)計中的約束必須滿足集成環(huán)節(jié)中各類技術(shù)人員針對不同的目的對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，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)系通過與它們相關(guān)的特征之間的指針來實現(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，除了具有實現(xiàn)參數(shù)化驅(qū)動的約束求解方法以外，并行設(shè)計中，針對同一特征不同的約束描述之間具有相互的驅(qū)動表示方法，從而能實現(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)共同支持下來完成。完全相關(guān)的約束驅(qū)動是根據(jù)特征約束圖、約束的具體表示及約束求解方法來實現(xiàn)的。
負設(shè)計特征DF2以正設(shè)計特征DF1的頂面為操作母面(即定位基準(zhǔn)面)。在拓撲不變的前提下，若DF2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；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。