信息建模技术在机械制造领域的发展现状及其应用

信息建模技术在机械制造领域的发展现状及其应用

摘要：产品信息模型是产品数据的载体，在产品设计、分析和制造过程中起着不可替代的作用。国内外高度重视产品信息建模理论和实现技术的研究工作，相关理论与技术的探讨尽管有一定进展，仍然不能满足复杂装备数字化设计的需求。经过一定的发展，信息建模已经在机械领域形成了自己一整套的系统，比如：CIM、PPC、CAPP、CAM、CAQ等等，它对机械制造业的发展起到不可替代的作用。下面着重研究了信息建模在机械装配当中和在机械工艺当中的应用，并进行了现状分析和展望。

关键字：信息建模；CAPP；机械装配；机械工艺

Abstract：Product information model is the carrier of product data ,in the process of product design, analysis and manufacturing plays an irreplaceable role. Attaches great importance to the product information modeling theory and implementation technology at home and abroad research, the discussion of related theory and technology in spite of some progress, still cannot meet the needs of complex equipment digital design. After a certain development, information modeling has formed its own set of in the field of mechanical systems, such as: the CIM, PPC, CAPP and CAM, CAQ and so on .It plays an irreplaceable role to the development of mechanical manufacturing. Below this paper studies the information modeling in mechanical assembly and application in the middle of the mechanical process.And the status of analysis and outlook.

Keywords:information modeling; CAPP; mechanical assembly; mechanical process

【引言】

产品模型及其建模理论的研究已有几十多年的历史，它是随着 CAD 技术的

发展而产生，随着 CAD/CAM 一体化技术的进步而得到迅速发展的，随着先进制造技术的发展，产品模型的应用突破了 CAD/CAM 集成的领域扩展到整个的制造自动化系统，已经成为实现自动化的一项关键技术，发展到至今，不仅有CAD/CAM，更有CIM生产计划与控制，CAE计算机辅助工程分析，CAPP计算机辅助工艺规划，CAQ计算机辅助质量规量，ERP企业资源管理等等，与其说是更多，不如说信息建模在机械制造领域更加完整，形成了一体化，从制造到管理，更加的合理，更加的科学，这对即将到来的工业 4.0无疑起到一种推动作用，工业4.0的一个重要特点就是智能化，信息建模技术可以说对机械智能化更是起到一种催化剂的作用[1]。

1、信息建模技术在机械制造领域的发展现状

1.1 信息建模技术在机械制造领域的研究背景

一般对产品信息模型及相应建模技术的研究，经历了从简单到复杂，从局部到整体，从单一功能到覆盖整个产品生命周期内各种活动的发展过程，提出的产品信息模型有以下几种面向几何的产品模型[2]，产生于对产品几何形状的定义及其实现过程，面向特征的产品模型产生于对产品几何形状及相关的工程语义的定义与实现过程，集成化全局产品模型，产生于对产品设计，开发过程一体化的定义与实现过程，面向几何的产品信息模型。

早期的产品模型由于受到计算机辅助单元技术发展的影响，大都采用面向几何的建模方法，从而奠定了产品模型的基础，这一模型包含二维图形、三维线框表面模型和实体模型几个类型，主要由线框面、实体和混合模型表示，它们可以定义为计算机内部模型，其主要的目的是表达某产品的形状，着重于产品的几何构成，由于几何模型的数据结构是专门设计表达产品几何拓扑关系的，对非几何属性数据以及设计中一些附加形状，如辅助线和文字描述信息无法合理表达，缺乏产品开发过程中所要求的工程信息，面向特征的产品信息模型。

随着人们对制造系统作为集成系统的认识的深入和信息技术的发展，产品建模进入了面向特征的阶段，为将面向几何的产品信息模型扩展，解决其不能方便地表达产品非几何信息的问题，80 年代后期出现了集几何信息与非几何信息于一体的面向特征的产品信息模型，这一模型在产品信息的局部层次上通过一组预

定义的特征来实现产品的几何形状，公差及表面粗糙度的描述，对于每个具体的生产活动，都具有相应局部信息的特征与之相对应，设计者用具有明显工程含义的体素，如孔、槽等表达产品，它提供更自然的词汇来表达设计对象[3]，目前，这一模型的研究仍方兴未艾，基于特征的建模方法可以有效地描述局部信息，但是并不能完整地表达产品全局信息，例如产品的装配关系信息，产品定义与产品制造间的关系等，产品的信息关联性差，模型虽然提供了粗糙度，尺寸公差等信息，但缺乏与几何体，形状特征等之间的必然联系，同时还存在信息不完全，特征定义一致性差，导致特征识别难等问题，对产品生命周期的各个环节缺乏统一的描述，因此，产品建模仅依靠特征还不能完全描述产品开发活动中的所有信息。

近年来，产品模型及相关建模技术的研究一直十分活跃，国外许多专家和学者对产品模型进行了研究，分别从不同角度对产品进行了定义，国际标准化组织还制定了产品数据交换标准 STEP Standard for the Exchange of Product Model Data STEP 标准是一个非常庞大复杂的标准，迄今为止，还有许多内容尚待完善，它的目标是提供一个不依赖于任何具体系统的中性机制，以描述贯穿整个产品生命周期内的产品数据，并在不同的系统间进行数据交换时保持数据一致，在国内，开展这方面研究的有：清华大学国家CIMS工程技术研究中心、浙江大学CAD&CG 国家重点试验室、华中理工大学机械科学与工程学院、北京航空航天大学 720研究所所及上海交通大学计算机系等单位。

1.2 产品几何模型的研究现状

经过二十多年的探索，产品几何建模技术已经更加实用和成熟，每一种几何建模技术都获得了长足的发展，也都有其长处和不足，如线框模型简便实用，但不含面的信息，存在二义问题，曲面模型可以构造复杂的几何形状但不提供曲面之间的相关信息，实体造型具有完整的几何和拓扑信息，但不能表示非流形物体，几何覆盖域小，各种几何模型结合才能各取所长，相得益彰，目前几何建模技术正致力于改进数据结构，各种几何模型的集成与相互转换的研究、产品特征模型的研究、自特征的概念产生以来，特征技术的研究一直十分活跃，许多专家和学者对特征进行了研究，分别从不同的角度对特征进行了定义，Pratt & Wilson 的定义[4]，特征是一个零件的表面上有意义的区域，共分为六类特征、