基于mbd的飛機結(jié)構(gòu)件建模及數(shù)據(jù)管理技術(shù)畢業(yè)論文

基于MBD的飛機結(jié)構(gòu)件建模及數(shù)據(jù)管理技術(shù)畢業(yè)論文第1章緒論11研究背景與意義111研究背景近年來,特別是進入20世紀(jì)90年代以來,數(shù)字化技術(shù)在全世界制造企業(yè),尤其是在大型飛機制造企業(yè)中的地位越來越得到重視,已經(jīng)成為一個企業(yè)能否戰(zhàn)勝同等地位企業(yè)的重要標(biāo)志。數(shù)字化研制是一場由里到外、由舊到新的全新生產(chǎn)方式的變革,它推動著管理體制、組織體系、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、設(shè)計方法、生產(chǎn)運作、思維方式及工作方式的根本改變1。但是在我國飛機制造企業(yè)中采用串行的設(shè)計制造流程,國外先進的數(shù)字化協(xié)同研制優(yōu)勢在我國難以有效發(fā)揮2。隨著航空工業(yè)的發(fā)展,航空結(jié)構(gòu)件日趨大型化、復(fù)雜化,如圖11所示。飛機結(jié)構(gòu)件是飛機的主體框架,是其它零部件及設(shè)備的載體,是飛機設(shè)計過程中的主要部分。飛機結(jié)構(gòu)件設(shè)計的質(zhì)量和效率直接影響到飛機設(shè)計乃至制造過程。飛機結(jié)構(gòu)類零件數(shù)量巨大、形狀復(fù)雜,從飛機誕生以來的很長的一段時間,它們的設(shè)計制造方式都使用純?nèi)斯さ姆绞?這種方式不僅需要大量的人力物力,而且設(shè)計效率低下,工作量大,返工率高,對飛機的生成效率產(chǎn)生了重大的阻礙,成為飛機設(shè)計制造的頸瓶。如何快速、高效地完成結(jié)構(gòu)件的數(shù)字化定義和數(shù)控加工,成為飛機數(shù)字化產(chǎn)品定義和制造所要解決的主要問題3。圖11飛機整體結(jié)構(gòu)示意圖另外,在飛機設(shè)計制造過程中,管理也是非常重要的環(huán)節(jié),在管理中出現(xiàn)的如串行生產(chǎn)組織方式、信息化孤島等問題也將影響飛機的制造過程,這些問題如得不到及時解決也將阻礙企業(yè)的發(fā)展。飛機產(chǎn)品結(jié)構(gòu)與其它產(chǎn)品相比要復(fù)雜得多,不僅設(shè)計復(fù)雜,加工工藝也非常復(fù)雜,這些環(huán)節(jié)的質(zhì)量將直接影響到飛機的性能。飛機作為一種機械產(chǎn)品,與一般的機械產(chǎn)品有很大差別,飛機結(jié)構(gòu)件結(jié)構(gòu)復(fù)雜,加工特征多,包含大量自由曲面、相交特征和特殊加工區(qū)域,加工難度大。為保證產(chǎn)品制造精度和互換性,長期以來,飛機生產(chǎn)在傳統(tǒng)上采用以模擬量傳遞尺寸為主要特征的制造技術(shù)體系這種體系存在許多弊端,影響飛機生產(chǎn)的進一步發(fā)展和提高4。基于MBD的設(shè)計制造技術(shù)以飛機結(jié)構(gòu)件MBD模型為唯一依據(jù),實現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計人員和工藝人員間快速有效地協(xié)同設(shè)計。MBD技術(shù)是CAD技術(shù)發(fā)展的新趨勢,它改變了傳統(tǒng)的研發(fā)模式,建立MBD模型不僅僅是設(shè)計者的任務(wù),工藝、工裝、檢驗都要參數(shù)到設(shè)計的過程中,高效地應(yīng)用了數(shù)字化技術(shù)帶來的便利。MBD技術(shù)的實施及推廣,在高效管理體系及設(shè)備等支持下,對于整個設(shè)計制造行業(yè)來說,有利于提高工程質(zhì)量、縮短零件設(shè)計準(zhǔn)備時間、易于協(xié)調(diào)、減少成本等5。因此,為了適應(yīng)飛機多型號快速性,可靠性的設(shè)計的要求,提高飛機設(shè)計能力、水平、效率、縮短型號研制周期,結(jié)合我國現(xiàn)有飛機設(shè)計的實際情況,提出基于MBD的全三維參數(shù)化建模技術(shù),在數(shù)字化技術(shù)及設(shè)計技術(shù)基礎(chǔ)上,針對飛機典型結(jié)構(gòu)件設(shè)計,其研究成果同樣適應(yīng)于其他產(chǎn)品零件。研究基于MBD的設(shè)計制造技術(shù)對提高飛機結(jié)構(gòu)件設(shè)計質(zhì)量、數(shù)控加工效率、縮短飛機研制周期具有重大意義。112研究意義與一般的機械零件相比,飛機零部件具有零件種類多,零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜,精度要求高等特點,三維參數(shù)化復(fù)雜程度高,但是由于沒有圖紙定義產(chǎn)品尺寸,實體建模精度的檢驗顯得尤為重要。所以當(dāng)前飛機結(jié)構(gòu)件三維模型的建立一直是急需解決的難點,這直接影響到產(chǎn)品的設(shè)計與制造,并導(dǎo)致生產(chǎn)周期過長。為此,需要一種方法既能達到用企業(yè)和設(shè)計者的愿望,又能滿足用戶的要求,所以提出了基于MBD的參數(shù)化建模系統(tǒng)的方法。本課題就是題借助三維設(shè)計軟件CATIA與其最先進的二次開發(fā)工具CAA,采用了先進的設(shè)計思想和設(shè)計方法以及先進的數(shù)據(jù)管理理念,建立起三維參數(shù)化建模平臺體系結(jié)構(gòu)。從而達到了快速研制和快速批量生產(chǎn)的目的?？傮w來講,具有以下意義1避免重復(fù)設(shè)計同一類型的飛機零部件,減少設(shè)計時間2建立模板庫,實現(xiàn)企業(yè)內(nèi)部設(shè)計人員對資源的有效共享3大大減少了設(shè)計數(shù)據(jù)的輸入和存儲數(shù)據(jù)的冗余4數(shù)據(jù)集中統(tǒng)一管理,可正確、一致并可靠的提供各應(yīng)用程序所需的數(shù)據(jù),避免了由于設(shè)計數(shù)據(jù)輸入有錯而造成的返工現(xiàn)象5設(shè)計數(shù)據(jù)由零件模板數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)統(tǒng)一管理,可以保持數(shù)據(jù)的完整性,同時加強了數(shù)據(jù)的安全性6提高企業(yè)的設(shè)計生產(chǎn)能力,縮短產(chǎn)品研發(fā)周期,提高我國航空制造業(yè)的水平,增強國防建設(shè)能力。12國內(nèi)外研究現(xiàn)狀121國外研究現(xiàn)狀數(shù)字化定義技術(shù)的應(yīng)用正迅速改變著傳統(tǒng)制造業(yè)的工作模式,它經(jīng)歷了從二維到三維模型發(fā)展歷程。數(shù)字化定義技術(shù)的發(fā)展從手工繪圖到二維CAD的應(yīng)用,到二維加三維設(shè)計模式,再到三維建模技術(shù),實現(xiàn)了從平面投影技術(shù)到全三維實體模型數(shù)字樣機以及完整數(shù)字化產(chǎn)品定義的轉(zhuǎn)變。1997年1月ASME發(fā)起了關(guān)于三維模型標(biāo)注標(biāo)準(zhǔn)的起草工作,直到2003年7月才被ASME批準(zhǔn)為三維建模新標(biāo)準(zhǔn)。隨后當(dāng)時世界各大軟件公司才陸續(xù)支持三維標(biāo)注技術(shù)。波音公司在最新的波音787項目中首次應(yīng)用了該項技術(shù),并將它命名為MBDMODELBASEDDEFINITION,基于模型的定義技術(shù)67。20世紀(jì)90年代初,波音公司首先在波音777型飛機上開展了CATIA結(jié)構(gòu)設(shè)計及數(shù)字化預(yù)裝配,全面應(yīng)用了三維設(shè)計技術(shù),而后在737NX項目中先后實施了全新的數(shù)字化定義、并行協(xié)同和PLM應(yīng)用等,建立和實施了飛機構(gòu)型定義與控制/制造資源管理DCAC/MRM應(yīng)用,此時MBD處于初級未成熟階段,但飛機構(gòu)型定義與控制/制造資源管理的成功,降低了成本的四分之一,縮短了一半的飛機研制周期。為了研制出具備更加舒適性、經(jīng)濟性、安全環(huán)保的787客機,在全球范圍內(nèi)獲得技術(shù)、資本和市場,創(chuàng)造出更大價值,波音公司決定將787項目的數(shù)字化環(huán)境由機構(gòu)型定義與控制/制造資源管理改為全球協(xié)同環(huán)境GCE平臺。GCE平臺在DCAC/MRM基礎(chǔ)上,除了繼承了其模塊化思想,最大進步就是全方位應(yīng)用三維參數(shù)化技術(shù),建立了基于網(wǎng)絡(luò)關(guān)聯(lián)的單一數(shù)據(jù)源的核心流程和系統(tǒng)框架,實現(xiàn)了飛機研制的PLM7。波音777型飛機雖然采用了三維技術(shù),MBD還處于未成熟時期,全面使用MBD技術(shù),還要從波音787研制開始,將三維產(chǎn)品制造信息PRODUCTMANUFACTURINGINFORMATION,PMI與設(shè)計信息共同零件的三維模型中,摒棄二維圖樣,使工藝人員從百年來的二維文化中脫離出來,不僅實現(xiàn)了設(shè)計制造一體化,而且能夠縮短波音787的研制時間,保證制造的質(zhì)量。波音787的協(xié)同研制工作順利進行,為波音取得了巨大的經(jīng)濟效益和社會效益,而且?guī)恿似渌w機設(shè)計制造公司也開始研究MBD的實施與應(yīng)用。122國內(nèi)研究現(xiàn)狀21世紀(jì)初,計算機技術(shù)在我國飛機研制中得到規(guī)模化應(yīng)用,并取得了顯著的效益。最近幾年來,隨著國家信息化帶動工業(yè)化戰(zhàn)略決策的制定及其中航工業(yè)數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用頂層規(guī)劃的制定,飛機研制數(shù)字化的應(yīng)用有了長足的發(fā)展,在某些方面已經(jīng)接近或者趕上國際先進水平,如在數(shù)字化樣機設(shè)計方面,實現(xiàn)了100的三維建模,在多個飛機型號的研制中。已經(jīng)完全使用數(shù)字樣機取代物理樣機。但是與波音相比,我國三維設(shè)計的規(guī)?；瘧?yīng)用與波音777研制三維設(shè)計技術(shù)應(yīng)用相差10年。20世紀(jì)末期我國進行了新飛豹研制,新飛豹全機電子樣機是國內(nèi)第一架全機電子樣機,也是首次用電子樣機替代物理樣機進行協(xié)調(diào)設(shè)計,用數(shù)字量代替模擬量進行設(shè)計信息的傳遞。目前國內(nèi)研究MBD技術(shù)的學(xué)者不是很多,基本是借鑒波音公司的先進技術(shù),并針對我國航空企業(yè)的特點和現(xiàn)狀,研究先進的飛機設(shè)計過程。與國外先進的飛機設(shè)計制造理念相比,我國飛機研制差距主要有以下個方面1三維模型沒有從設(shè)計到制造全過程的應(yīng)用2MBD的定義還沒有完全理解3MBD制造模式的應(yīng)用并沒有處于好的時機4MBD的技術(shù)規(guī)范還處于研究階段5設(shè)計制造一體化應(yīng)用體系尚未貫通。因此,為了縮短飛機研制周期,提高飛機研制質(zhì)量,有必要以三維數(shù)模為載體,借鑒國外發(fā)達航空制造企業(yè)MBD技術(shù)的成功應(yīng)用經(jīng)驗,結(jié)合飛機數(shù)字化制造流程,開展適合于我國國情的飛機三維數(shù)字化設(shè)計制造技術(shù)應(yīng)用研究8。13課題來源與主要研究內(nèi)容131課題來源本課題來源于我校承接某課題的一個子課題。對于許多飛機零件在結(jié)構(gòu)上具有相似性,當(dāng)在飛機建模時將進行大量重復(fù)工作,降低了工作效率,基于此原因,該課題旨在通過對飛機典型結(jié)構(gòu)件進行歸納總結(jié)進而建立模板庫等方面的研究,利用CATIA/CAA的應(yīng)用開發(fā)功能,開發(fā)適用于飛機典型結(jié)構(gòu)件參數(shù)化模板系統(tǒng),能夠更好地在減少重復(fù)工作提高工作效率。132主要研究內(nèi)容飛機的結(jié)構(gòu)設(shè)計是飛機設(shè)計制造中重要的步驟,其中對飛機零部件的設(shè)計很大一部分來自于變型設(shè)計,這將包含著大多的設(shè)計過程都是對以前知識的重用,因此,如何將設(shè)計人員的工作經(jīng)驗,常用數(shù)據(jù),現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)、手冊以及各種規(guī)范等各種知識加以總結(jié)和歸納后,建立參數(shù)化模板模型,并實現(xiàn)模板的快速檢索與調(diào)用是本文的主要研究內(nèi)容。為了達到以上目的,本文將此問題簡化三個問題一是如何進行模板的參數(shù)化設(shè)計二是如何提取模板的MBD信息并進行有效的管理三是如何實現(xiàn)模板的快速檢索、調(diào)用。針對這三個問題,本文研究的主要內(nèi)容如下1研究基于MBD典型零部件的數(shù)字化定義及建模技術(shù)MBD是一種用集成的三維實體模型來完整表達產(chǎn)品定義信息的方法,它詳細規(guī)定了三維模型中產(chǎn)品尺寸、公差的標(biāo)注規(guī)則的表達方式,通過該技術(shù),可實現(xiàn)三維數(shù)據(jù)當(dāng)作傳遞設(shè)計信息的唯一載體,該部分的研究有以下幾個方面的內(nèi)容1在獲取飛機結(jié)構(gòu)件設(shè)計信息的基礎(chǔ)上,研究飛結(jié)構(gòu)件模型幾何信息和飛幾何信息的表達方式及該信息的組織管理技術(shù)。2研究基于MBD飛機零部件模型設(shè)計規(guī)范,在此規(guī)范指導(dǎo)下,利用建模工具,建立規(guī)范化建模環(huán)境。2研究基于MBD的模板的設(shè)計技術(shù)研究模板的參數(shù)化建模,MBD是一種進行三維建模的設(shè)計規(guī)范,在MBD的指導(dǎo)下,利用CATIA軟件實現(xiàn)飛機典型結(jié)構(gòu)件模板的參數(shù)化設(shè)計。3研究模板信息的提取與管理研究MBD模板的幾何信息與非幾何信息的提取技術(shù),并且根據(jù)實際要求,將模板信息重新歸納分類,保存到數(shù)據(jù)庫中。4研究模板的檢索、管理與實現(xiàn)為了實現(xiàn)對模板信息的有效管理,研究模板信息的存儲、修改和檢索等功能。5開發(fā)一個參數(shù)化模板庫系統(tǒng),實現(xiàn)對模板的管理開發(fā)參數(shù)化模板庫系統(tǒng),實現(xiàn)模板的建立、模板的檢索、模板的調(diào)用等功能的有效管理。第2章基于MBD的CATIA二次開發(fā)隨著數(shù)字化設(shè)計與制造技術(shù)的飛速發(fā)展,特別是三維軟件的日益普及,零件三維實體建模已經(jīng)成為產(chǎn)品研制的重要選擇。三維實體模型能夠精確地描述零件最終的形狀,但由于沒有考慮零件制造工藝的過程,從而阻礙了設(shè)計信息向制造過程的延伸,不符合設(shè)計制造一體化,所以MBD技術(shù)應(yīng)運而生。MBD技術(shù)是CAD技術(shù)發(fā)展的新趨勢,它要求使用三維實體模型作為生產(chǎn)制造過程中的唯一依據(jù),采用MBD模型后,三維模型將貫穿于設(shè)計、工裝、工藝、制造和裝配等生產(chǎn)的各個環(huán)節(jié)。本章研究了基于MBD的CATIA二次開發(fā)方式,分析了MBD模型定義要求,論述了MBD模型幾何信息和非幾何信息的表達方式以及信息組織管理方法,同時簡要介紹了CATIA的特點,分析比較了CATIA二次開發(fā)的幾種方法,重點論述了CAA的架構(gòu)及原理。21基于模型的定義技術(shù)211MBD的技術(shù)概念基于三維模型定義,即MBDMODELBASEDDEFINITION,MBD技術(shù)是一種數(shù)字化產(chǎn)品定義技術(shù),它是以全三維數(shù)字化模型為基礎(chǔ),用這種集成的三維實體模型來完整表達產(chǎn)品定義信息,從而消除或者減少2D圖紙的使用,將設(shè)計信息和制造信息共同定義到產(chǎn)品模型中,實現(xiàn)面向制造的設(shè)計。它既能保證數(shù)據(jù)的唯一性,又能使三維實體模型作為生產(chǎn)制造過程中唯一依據(jù)910。如圖21所示,MBD模型不僅描述了設(shè)計的幾何信息,還定義了三維尺寸標(biāo)注、制造信息、工藝信息、管理信息等非幾何信息。使用者只需擁有一個MBD模型就可獲取全部信息,使設(shè)計/制造之間的信息交換保持有效的連接。而且它還能通過一系列規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)能夠更好地表達設(shè)計思想,具有更強的表現(xiàn)力,能夠有效解決設(shè)計/制造一體化的問題。圖21MBD三維實體模型1997年,美國機械工程師協(xié)會開始進行有關(guān)MBD標(biāo)準(zhǔn)的研究和制定工作,并于2003年形成了美國國家標(biāo)準(zhǔn)“Y1441DIGITALPRODUCTDEFINITIONDATAPRACTICES”數(shù)字化產(chǎn)品定義數(shù)據(jù)實施。此后,在此標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上,波音公司研究制定了基于MBD技術(shù)的應(yīng)用規(guī)范BDS600系列,并且在波音787項目研制中得到了很好的應(yīng)用。同時,各軟件供應(yīng)商也在相應(yīng)軟件中增加了用于三維標(biāo)注的相關(guān)模塊,這才使得有可能在產(chǎn)品研制全過程中應(yīng)用全三維設(shè)計技術(shù),形成全三維研制體系。近幾年,國內(nèi)各家航空研究所已經(jīng)開始進行全三維研制技術(shù)的研究和應(yīng)用,并于2009年形成了基于MBD的基本滿足設(shè)計制造的規(guī)范體系,同時,根據(jù)型號研制需求和技術(shù)發(fā)展需求,建立了支持全三維研制的多廠所并行協(xié)同應(yīng)用系統(tǒng)。各工廠也根據(jù)全三維技術(shù)的發(fā)展,構(gòu)建了適宜全三維研制的工程制造體系。這些標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范及相應(yīng)的數(shù)字化平臺和工程制造體系共同構(gòu)成了全三維研制的體系?？梢哉f,這是國內(nèi)首次體系化、規(guī)模化并且與型號緊密結(jié)合的全三維技術(shù)研究與應(yīng)用,發(fā)出的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范也是國內(nèi)首套基于MBD的全三維技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范1113。MBD技術(shù)改變了常規(guī)二維設(shè)計模式,常規(guī)二維設(shè)計模式中的模型僅僅包含了產(chǎn)品的幾何信息,而其工藝、制造、管理信息等非幾何信息需要單獨體現(xiàn)在二維圖紙或其它文檔中1415,這就要求設(shè)計者去追求三維設(shè)計加工制造一體化研發(fā)模式,而MBD技術(shù)的模型數(shù)據(jù)集成正是奠定了這一基礎(chǔ),這將勢必推動整個設(shè)計、制造等領(lǐng)域革命性飛躍。采用MBD技術(shù)后,用來集成產(chǎn)品的幾何形狀信息、尺寸與公差以及工藝信息的三維實體模型就是MBD數(shù)據(jù)集,MBD數(shù)據(jù)集是對一個產(chǎn)品對象的定義描述集合,它從幾何形狀、文字等多方面來完整地描述一個產(chǎn)品的特征和功能。MBD數(shù)據(jù)集提供完整的產(chǎn)品信息,集成了以前分散在三維數(shù)模與二維圖紙上的所有設(shè)計與制造信息。零件的MBD數(shù)據(jù)集包括零件設(shè)計模型、坐標(biāo)軸、尺寸、公差和標(biāo)注、標(biāo)準(zhǔn)說明、零件說明、標(biāo)注說明、材料要求及其他相關(guān)定義數(shù)據(jù)。裝配件的數(shù)據(jù)集包括裝配狀態(tài)的零件設(shè)計模型、尺寸、公差和標(biāo)注、標(biāo)準(zhǔn)說明、零件說明、標(biāo)注說明、零件表或相關(guān)數(shù)據(jù)、關(guān)聯(lián)的幾何文件和材料要求16。圖22所示為零件的完整MBD數(shù)據(jù)集包含的信息。圖22MBD數(shù)據(jù)集的內(nèi)容212MBD模型信息在MBD數(shù)據(jù)中有2類數(shù)據(jù)一類數(shù)據(jù)是幾何信息,也就是產(chǎn)品的設(shè)計模型另一類是非幾何信息,它存放于規(guī)范樹中。以下對MBD模型的幾何信息、非幾何信息的描述均是在CATIA軟件中展示。MBD模型幾何信息MBD模型的幾何信息是指為了表達設(shè)計意圖,設(shè)計者采用參數(shù)化實體建模技術(shù)建立的零件模型,下面分別對幾何信息作介紹PARTBODYPARTBODY信息是實體特征造型所建立的實體模型,根據(jù)設(shè)計者的要求來確定是否需要。ENGINEERINGGEOMETRYENGINEERINGGEOMETRY信息是建模時最基本的元素,用于確定零件在空間的位置,有坐標(biāo)系統(tǒng)與基準(zhǔn)面兩類。EXTERNALREFEFENCE當(dāng)進行零件建模時有時需要引用其它零件中的要素,這些要素就是EXTERNALREFEFENCE信息,關(guān)聯(lián)設(shè)計時尤其用到EXTERNALREFEFENCE。CONSTRUCTIONGEOMETRYCONSTRUCTIONGEOMETRY信息是在ENGINEERINGGEOMETRY和EXTERNALREFEFENCE的基礎(chǔ)上構(gòu)建的零件實體所需的幾何信息。REFEFENCEGEOMETRYREFEFENCEGEOMETRY是引用零件的實體模型,它與EXTERNALREFEFENCE相似,EXTERNALREFEFENCE引用的是幾何元素。MBD模型非幾何信息非幾何信息是指以往分散在二維工程圖紙中的產(chǎn)品制造信息,在CATIA軟件里,這些非幾何信息都定義在特征樹之中,這些非幾何信息包括各種標(biāo)注信息,如STANDARDNOTES、PARTNOTES、ANNOTATIONNOTES、還有各類連接定義等,這些非幾何信息由專門的PDM軟件負責(zé)保存和管理,使零件的幾何信息與非幾何信息實現(xiàn)高度集成22。下面分別對非幾何信息作介紹STANDARDNOTESSTANDARDNOTES不是用于描述零件,而是對知識產(chǎn)權(quán)和有關(guān)管理信息的說明,標(biāo)準(zhǔn)說明定義的具體內(nèi)容由設(shè)計公司決定。STANDARDNOTES在MBD數(shù)據(jù)集中的表示如圖23所示。圖23STANDARDNOTES、PARTNOTES、ANNOTATIONNOTES定義PARTNOTESPARTNOTES是對零件的制造工藝要求,有設(shè)計人員需要工藝人員參與最終確定的工藝要求,一般有加工精度、熱處理、零件說明等信息。PARTNOTES在MBD數(shù)據(jù)集中的表示如圖23所示。ANNOTATIONNOTESANNOTATIONNOTES針對特定部位的工藝處理,ANNOTATIONNOTES是對零件的補充,包括旗注和旗注說明。ANNOTATIONNOTES在MBD數(shù)據(jù)集中的表示如圖23所示。MATERIALDESCRIPTIONMATERIALDESCRIPTION描述材料的信息ANNOTATIONSETANNOTATIONSET對零件的尺寸、公差、基準(zhǔn)、粗糙度、注釋等信息的描述。ANNOTATIONSET在MBD數(shù)據(jù)集中的表示如圖24所示。24ANNOTATIONSET定義其它除了以上以外在MBD數(shù)據(jù)集中還有APPROVALSTATUS、標(biāo)準(zhǔn)件等。213MBD模型信息組織管理方法MBD模型采用特征樹的方法來組織和管理所有模型的幾何信息和非幾何信息。零件模型有著十分復(fù)雜的拓撲模型,即在每一個CAD系統(tǒng)中,產(chǎn)品的每一個頂點、線段、面和體及其標(biāo)注的關(guān)系存貯于復(fù)雜的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中。每一種CAD系統(tǒng)的內(nèi)部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)都是不開放的,由CAD系統(tǒng)內(nèi)部管理。而且MBD模型中的絕大部分標(biāo)注信息都不是單獨存在的,而是與幾何模型有關(guān),依附于幾何模型并形成關(guān)聯(lián)關(guān)系。因此,MBD模型在使用過程中要體現(xiàn)這種關(guān)聯(lián)性,滿足用戶的多功能查詢要求,即通過幾何模型能查詢到相關(guān)聯(lián)的標(biāo)注特征信息,而通過標(biāo)注信息能提示它所表示的幾何模型特征1720。MBD模型的規(guī)范樹以分類結(jié)點的方式表達產(chǎn)品的所有幾何信息和非幾何信息,圖25列出了完整的MBD模型特征樹節(jié)點信息23。圖25MBD模型特征樹節(jié)點信息在CATIA中,對MBD模型的各類信息的管理采用視圖和捕獲的方法。視圖方式為有利于標(biāo)注信息的組織與管理,而捕獲則有利于標(biāo)注估息的快速查找與顯示。視圖視圖方式是采用標(biāo)注平面來存放尺寸、基準(zhǔn)、公差、粗糙度、注釋等信息,標(biāo)注平面是一個已經(jīng)定義平面,在CATIA上FT2CATIA軟件可為產(chǎn)品開發(fā)鏈中的每個專業(yè)成員配置最合理的解決方案。允許任意配置的解決方案可滿足從最小的供貨商到最大的跨國公司的需要。3CATIA系統(tǒng)具有強大的數(shù)據(jù)提取功能。在設(shè)計完成后,利用CATIA系統(tǒng)的數(shù)據(jù)提取功能可把所設(shè)計零件的特征尺寸提取出來,并存成設(shè)計表數(shù)據(jù)格式,從而為實現(xiàn)零件的參數(shù)化提供幫助。4CATIA軟件采用混合建模技術(shù),這種技術(shù)與參數(shù)化設(shè)計有機結(jié)合,而且可以把幾何信息、非幾何信息統(tǒng)一建立在特征樹中,反映到三維模型中。5曲面造型功能是CATIA軟件優(yōu)于其它軟件的一大優(yōu)勢,它內(nèi)含了多種曲面造型設(shè)計,對于各種的曲線、曲面一般都能夠處理,并且還有很多便捷功能6裝配設(shè)計模塊能夠自動地對零件間的連接進行定義,便于對運動機構(gòu)進行早期分析,大大加速了裝配件的設(shè)計,后續(xù)應(yīng)用則可利用此模型進行進一步的設(shè)計、分析和制造7能與PDM等相關(guān)軟件進行集成,方便了數(shù)據(jù)管理。222知識工程知識工程是人工智能在知識信息處理方面的發(fā)展,它主要研究如何由計算機表示知識,進行問題的智能求解。知識工程的研究使人工智能的研究從理論轉(zhuǎn)向了實際應(yīng)用,從基于推理的參數(shù)化模型轉(zhuǎn)向基于知識的參數(shù)化模型,是新一代計算機的重要理論基礎(chǔ)31。我們可以在參數(shù)化建模中引入知識工程,結(jié)合特征造型理論,來彌補當(dāng)前參數(shù)化設(shè)計的不足。面向?qū)ο蟮募夹g(shù)已被深入應(yīng)用于特征參數(shù)的描述,這使得特征本身已包含了參數(shù)化修改尺寸值所需的成員變量和成員函數(shù),特征參數(shù)的尺寸值可作為尺寸變量,隨時可以進行改變。在此基礎(chǔ)上,進一步使特征以及特征之間有一定的聯(lián)動性,能隨著條件改變而進行改變,即實現(xiàn)參數(shù)化特征32。因此在參數(shù)化模型設(shè)計過程中包含模型設(shè)計的所有參數(shù)化信息,包括行業(yè)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)、模型參數(shù)尺寸,參數(shù)間關(guān)聯(lián)、參數(shù)尺寸約束、特征關(guān)聯(lián)等等,組成一個模型的知識庫33。因此我們可以用以下辦法來解決傳統(tǒng)參數(shù)化設(shè)計的不足。1建立模型的參數(shù)間關(guān)聯(lián)、特征關(guān)聯(lián)。由于一個特征是用一個對象來描述的,我們?yōu)樘卣髟O(shè)置一個屬性ACTIVITY時,當(dāng)該屬性值為TURE時,該特征被激活當(dāng)該屬性值為FALSE時,該特征被隱藏,不出現(xiàn)在設(shè)計中。這樣我們就可以通過對參數(shù)尺寸變量值的范圍、特征之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系等方法來確定某些特征是否被激活,是否需要進行參數(shù)化設(shè)計。這也就說明在參數(shù)化設(shè)計過程中實現(xiàn)了模型特征驅(qū)動。同時對參數(shù)尺寸關(guān)聯(lián)庫的建立更能很好的組織和明確各特征參數(shù)的尺寸、特征之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系34。這樣模型的特征和參數(shù)的關(guān)聯(lián)信息更加清晰。2設(shè)計對參數(shù)變量檢驗。有些參數(shù)在設(shè)計過程中會受一些規(guī)則的約束,有些特征變量與特征變量之間具有一定的函數(shù)約束。我們可以對他們進行變量范圍限制或建立變量間函數(shù)約束關(guān)系,并設(shè)計相應(yīng)的報錯信息和提示,建立一個設(shè)計檢驗庫35。在對模型的參數(shù)化設(shè)計過程中,一旦某些變量的改變引起其它變量違反其允許值的范圍,即違反了某一檢驗設(shè)計規(guī)則,設(shè)計系統(tǒng)則立即提示出相應(yīng)的報錯信息,同時給設(shè)計人員提出相應(yīng)的更正方案,以便設(shè)計人員可以及時對參數(shù)更改進行修正設(shè)計36。設(shè)計人員也可以通過學(xué)習(xí)算法將好的設(shè)計經(jīng)驗寫入設(shè)計參數(shù)變量檢驗庫,或由設(shè)計參數(shù)變量檢驗庫通過學(xué)習(xí)算法自動學(xué)習(xí)知識。這一方法有效地增強了模型參數(shù)化設(shè)計的可靠性,并能積累優(yōu)秀的設(shè)計經(jīng)驗,以擴充模型知識庫。這種有機結(jié)合的方法不僅可以隨時更改模型外部形狀和參數(shù)尺寸,而且可以隨時更改模型特定內(nèi)部結(jié)構(gòu)和特征,同時實現(xiàn)參數(shù)驅(qū)動和特征驅(qū)動,又能實時地監(jiān)督設(shè)計過程,檢驗設(shè)計是否符合要求,并提出適當(dāng)?shù)慕ㄗh,與設(shè)計人員進行人機對話。通過學(xué)習(xí)算法,設(shè)計人員可以不斷豐富模型產(chǎn)品的知識庫,更有助于未來的設(shè)計37。這樣的參數(shù)化設(shè)計極大地方便了模型的重建,對縮短模型設(shè)計周期、節(jié)省模型設(shè)計成本有著巨大的現(xiàn)實意義,從而使模型設(shè)計變得更加靈活、高效、智能。擁有模型工藝庫的模型知識庫,能進一步幫助和導(dǎo)設(shè)計人員制定模型的工藝流程。知識工程模塊KNOWLEDGEWARE是CATIA軟件之中非常重要的模塊,該模塊可以與其它大多數(shù)模塊結(jié)合使用,因為該模塊有一個顯著地功能,那就是專門的參數(shù)化建模工具,對于僅僅變化尺寸的零件模型,利用該工具完全可以完成參數(shù)化功能。在KNOWLEDGEWARE中FORMULAR命令、DESIGNTABLE命令以及CATALOG命令功能可以幫用戶實現(xiàn)模板的功能?，F(xiàn)在有許多標(biāo)準(zhǔn)件庫的建立使用該功能。在建立模板時首先利用FORMULAR命令建立用戶參數(shù),并未這些參數(shù)建立合理的名稱,在建模板把這些參數(shù)同模板的主要尺寸關(guān)聯(lián)起來,之后利用DESIGNTABLE的命令把這些模型參數(shù)存儲到表格中,最后將數(shù)據(jù)表格與模板同時入庫,也就是CATALOG功能,在使用時利用表格之中的參數(shù)進行模板的驅(qū)動,生成新的模型,此外在KNOWLEDGEWARE中還為用戶提供了一些非常有幫助的工具如規(guī)則RULE、檢查CHEEK等,利用這些工具可以將設(shè)計人員的一些有用的經(jīng)驗,或是設(shè)計條件添加進來,以提高設(shè)計效率,同時幫助診斷用戶輸入?yún)?shù)的有效性問題,避免了數(shù)據(jù)不合理引起的程序終止38。23CATIA二次開發(fā)方法CATIAV5是一種強大的的工程軟件,它具有很強開放性,為使用戶能夠根據(jù)自己的要求方便地對CATIA進行開發(fā),CATIA具備各種開發(fā)方式,如標(biāo)準(zhǔn)格式的輸入/輸出、KNOWLEDGEWARE、交互式的用戶定義、AUTOMATIONAPI和CAA的C和JAVA應(yīng)用接口39,這五種開放式接口可以認為是由低到高,所以比較這五種方式可以確定CAA的開發(fā)方式更高層次更有優(yōu)勢。231CATIA二次開發(fā)方法CATIA二次開發(fā)接口是通過兩種方式與外部程序通信INPROCESSAPPLICATION進程內(nèi)應(yīng)用程序方式和OUTPROCESSAPPLICATION進程外應(yīng)用程序方式40。1INPROCESSAPPLICATION進程內(nèi)應(yīng)用程序方式下,CATIA軟件與腳本運行在同一進程地址空間,主要是宏方式MACRO。當(dāng)我們進入CATIA軟件通過操作工具菜單下的宏錄制,生成VB腳本VISUALBASICSCRIPT。完成RECORDMACRO后,可以對MACRO進行編輯,通過對MACRO的編輯和調(diào)用實現(xiàn)相關(guān)的功能。CATIA提供了VBSCRIPT與CATIASCRIPT兩種語言來進行宏的編寫,但宏能使用的人機接口命令只有MSGBOX通過彈出對話框來傳達信息與INPUTBOX通過彈出對話框來接收用戶的輸入,功能有限,而且CATIA提供的宏編輯工具沒有自動提示功能,運行MACRO時CATIA處于非激活狀態(tài),MACRO不能調(diào)用文件存儲的變量,具有較大的局限性。對于大部分人來說,不是一個理想的開發(fā)工具。但宏方式可在CATIA內(nèi)部完成,相對比較簡單,所以可以把宏方式與其它方式相結(jié)合,一般采用MACRO和C聯(lián)合開發(fā)的方式。由VISUALBASIC腳本語言MACRO完成盡可能多的功能開發(fā),未完成的部分用VC開發(fā)作為補充。通過VC實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳遞和對MACRO的調(diào)用以及界面的編輯等功能。2OUTPROCESSAPPLICATIONOUTPROCESSAPPLICATION方式主要有兩種AUTOMATIONAPI與CAAC,這兩種方式的程序腳本均由第三方軟件開發(fā),通過CATIA提供的連接組件實現(xiàn)兩者之間的通信。AUTOMATIONAPIAUTOMATIONAPI提供了交互的方式,通過錄制宏動生成VBSCRIPT等或VISUALBASIC平臺等方式實現(xiàn)用戶所需功能。該應(yīng)用接口的模型設(shè)計功能比較全面,并具備了與任何OLE對象連接與嵌入技術(shù)所兼容的平臺進行通信的能力。CAACCAAC是基于組件的定制開發(fā),是對其組件對象的組合和擴展,采用了標(biāo)準(zhǔn)接口COM技術(shù)和對象連接與嵌入OLE技術(shù)。COM技術(shù)作為一種軟件架構(gòu)具備了更好的模塊獨立性和可擴展性,使CAA的程序設(shè)計更加容易且趨于標(biāo)準(zhǔn)化。下面將重點介紹這種方式。AUTOMATION與CAA各有優(yōu)缺點,可以看出AUTOMATION入門容易,可以完成部分CATIA任務(wù),但其穩(wěn)定性低,功能受到限制,不能單獨完成所有開發(fā)任務(wù),而CAA雖然入門困難,但其穩(wěn)定性高,可以進行最有效率的開發(fā),所以本課題將選用CAA作為開發(fā)方式。232CAA簡介CAA組件應(yīng)用架構(gòu)COMPONENTAPPLICATIONARCHITECTURE,是DASSAULTSYSTEMES產(chǎn)品擴展以及與客戶進行二次開發(fā)的工具4143。CAAC這種組件式的解決方案采用了開放式、可擴展的模塊化開發(fā)架構(gòu),使得全球諸多開發(fā)商可以參與DASSAULTSYSTEMES產(chǎn)品的研發(fā)。對客戶而言,CAA可以進行從簡單到復(fù)雜的二次開發(fā)工作可以做精致的交互命令,這些命令可以分組歸入工作臺WORKBENCH并展示精美的面板用戶可以根據(jù)需要定義并產(chǎn)生與其他DASSAULTSYSTEMES特征平等的新特征,從而豐富CATIAV5的數(shù)據(jù)模型。CAA的實現(xiàn),是通過提供的快速應(yīng)用研發(fā)環(huán)境RADE和不同的API接口程序來完成的?？焖賾?yīng)用研發(fā)環(huán)境RADERAPIDAPPLICATIONDEVELOPMENTENVIRONMENT是一個可視化的集成開發(fā)環(huán)境,如圖26所示,它提供完整的編程工具組。實際上RADE是以MICROSOFTVISUALSTUDIOCNET為載體,在CNET環(huán)境中增加了CAA的開發(fā)工具。RADE針對不同開發(fā)語言提供了CAAC交互面板CID、CAAJAVA交互面板JID等。CAA提供了C、JAVA、VB的基于構(gòu)件的應(yīng)用編程接口API,可以利用基于構(gòu)件的API創(chuàng)建任意CATIA客戶化的應(yīng)用,從工具條命令添加到全面的工具臺集成,包括應(yīng)用特征擴充等。26RADE開發(fā)環(huán)境233CAA架構(gòu)面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計OOPOBJECT在軟件開發(fā)行業(yè)是目前比較流行的開發(fā)方式,它為軟件的發(fā)展帶來了很多好處可復(fù)用性、抽象性、封裝性等。面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計是一種程序設(shè)計方法,而建立在面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計基礎(chǔ)之上的組件對象模型COM和對象的連接和嵌入OLE技術(shù),使程序設(shè)計更加容易且趨于標(biāo)準(zhǔn)化,使程序的使用更加簡潔明了。COM和OLE繼承于MICROSOFT,源于這種技術(shù)的應(yīng)用軟件都得到廣泛地使用和承認,而CAA就是基于這種技術(shù)的WINDOWS應(yīng)用軟44。CAA產(chǎn)品的架構(gòu)如圖26表示。它全面反映了DASSAULTSYSTEMES幾大產(chǎn)品之間的關(guān)系。在CAA架構(gòu)的支撐之下,DASSAULTSYSTEMES系統(tǒng)可像搭積木一樣建立起來,這種結(jié)構(gòu)非常適宜于系統(tǒng)的壯大和發(fā)展45。26CAA產(chǎn)品架構(gòu)CAA由眾多模塊組成,點擊相應(yīng)的模塊,即可進入各個模塊的幫助文件。構(gòu)成CAA組件的幫助文件的數(shù)量是非常多的,而且各個模塊之間相互滲透、關(guān)聯(lián)。CAA采用了組件對象模型和對象連接與嵌入技術(shù)CAAC是CATIA的一套C函數(shù)庫,該函數(shù)庫在CATIA運行時加載,可利用其開發(fā)的應(yīng)用程序與CATIA通信。通過使用新的編程環(huán)境來進行CATIA的二次開發(fā),雖然CAA借助VC作為實現(xiàn)功能的平臺,但是其功能的實現(xiàn)需要自身的CAA函數(shù),而且CAA有自己設(shè)計的一套完整的API函數(shù)結(jié)構(gòu),我們可以在CAAV5ENCYCLOPEDIA的CAPI下ALLFRAMEWORKS中查找需要運用的接口函數(shù),利用其使用方法的編程規(guī)則編寫我們需要的功能程序,CAAC部分框架如圖27。27CAAC部分框架234菜單、工具條、對話框的開發(fā)CAA的開發(fā)提供了兩種模式批處理模式BATCHMODE和交互模式INTERACTIVEMODE。而一般開發(fā)主要用到的是交互模式。在交互模式下,我們可以創(chuàng)建兩種交互界面WORKSHOPWORKBENCH和ADDIN。前者是創(chuàng)建一個新的模塊,在這個模塊中除了標(biāo)準(zhǔn)的命令,其余均由用戶開發(fā)。后者指在已經(jīng)存在的WORKBENCH中插入新的工具條和命令。本次開發(fā)是在已有的工作臺上開發(fā)。1按鈕和菜單的嵌入如下是介紹如何在CATIA軟件中新建一個未連接任何命令的按鈕和菜單的過程。新建WORKSPACE,并且鏈接安裝路徑下的API,如圖28所示。圖28載入API新建一個MOUDLE,命名為MODULE1,并將其設(shè)置為啟動項目。在MODULE1中定義一個插件類ADDIN。方法是文件ADDCAAV5ITEMCOMPONENT輸入ADDIN名稱ADD選擇所要執(zhí)行的接口CATIAFRGENERALWKSADDIN。如圖29所示。CATIAFRGENERALWKSADDIN是一個通用的ADDIN。圖29插入ADDIN此時建立了一個空的ADDIN。在用戶詞典DICTIONARYDICO文件中可以看到這個ADDIN的聲明ADDINCATIAFRGENERALWKSADDINLIBMODULE在ADDINCPP中建立用戶擴展接口和CATIA接口與CATIAFRGENERALWKSADDIN之間的關(guān)系,也就是TIE。INCLUDE“TIE_CATIAFRGENERALWKSADDINH“TIE_CATIAFRGENERALWKSADDINGENERALADDIN在ADDIN類中添加兩個PUBLIC函數(shù)聲明VOIDCREATECOMMANDSCATCMDCONTAINERCREATETOOLBARS并在ADDINCPP中添加宏定義INCLUDE“CATCOMMANDHEADERH“MACDECLAREHEADERPARTCMDHEADER在方法CREATETOOLBARS中,建立相應(yīng)的按鈕入口。菜單的定義NEWACCESSCATCMDCONTAINER,PMYCONTAINERMBR,MYCONTAINERMBRNEWACCESSCATCMDCONTAINER,PMYMBR,結(jié)構(gòu)件/MENUTITLESETACCESSCHILDPMYCONTAINERMBR,PMYMBRNEWACCESSCATCMDSTARTER,PCMDMENU1,CMDMENU1SETACCESSCOMMANDPCMDMENU1,“模板庫“/下拉菜單1SETACCESSCHILDPMYMBR,PCMDMENU1NEWACCESSCATCMDSTARTER,PCMDMENU2,CMDMENU2SETACCESSCOMMANDPCMDMENU2,“特征庫“/下拉菜單2SETACCESSNEXTPCMDMENU1,PCMDMENU2工具條的定義NEWACCESSCATCMDCONTAINER,PMYTLB,結(jié)構(gòu)件/TOOLBARSNEWACCESSCATCMDSTARTER,PMYCMD1,MYCMD1SETACCESSCOMMANDPMYCMD1,“模板庫“/工具條1SETACCESSCHILDPMYTLB,PMYCMD1NEWACCESSCATCMDSTARTER,PMYCMD2,MYCMD2SETACCESSCOMMANDPMYCMD2,“特征庫“/工具條2SETACCESSNEXTPMYCMD1,PMYCMD2SETADDINMENUPMYTLB,PMYCONTAINERMBRADDTOOLBARVIEWPMYTLB,1,TOP最后連接按鈕和菜單的資源,這一類信息都包含在資源文件CATNIS和CATRSC中。圖210為添加的工具條與菜單。圖210菜單、工具條2命令的相應(yīng)經(jīng)過上面的操作菜單與工具條已經(jīng)嵌入到CATIA系統(tǒng)中,但還只是空殼,把這個空殼和命令相應(yīng)界面連接起來還需要向想這個互相聯(lián)系的按鈕和菜單中添加命令。本文通過向框架中添加一個CATCOMMAND來實現(xiàn)。創(chuàng)建命令相應(yīng),在方法CREATECOMMANDS添加函數(shù)NEWPARTCMDHEADER“模板庫“,“CMDMODULE“,“TESTCMD1“,VOIDNULLNEWPARTCMDHEADER“特征庫“,“CMDMODULE“,“TESTCMD2“,VOIDNULL新建一個MOUDLE,命名為CMDMODULE,注意的是新建的MOUDLE名稱一定要與第一步中的MOUDLE保持一致。將CMDMODULE設(shè)置為啟動項目。在CMDMODULE中添加COMMAND,方法為文件ADDCAAV5ITEMCATIARESOURCECOMMAND。如圖,新建一個名稱為TESTCMD的COMMAN