0 引言
復(fù)雜產(chǎn)品指客戶需求復(fù)雜、產(chǎn)品組成復(fù)雜、產(chǎn)品技術(shù)復(fù)雜、制造過程復(fù)雜和項(xiàng)目管理復(fù)雜的一類產(chǎn)品。在以航空、航天為代表的先進(jìn)裝備制造行業(yè)中,產(chǎn)品設(shè)計(jì)復(fù)雜性越來越高。產(chǎn)品生命周期管理(PLM)是一種產(chǎn)品全生命周期內(nèi)管理產(chǎn)品相關(guān)信息所需的、系統(tǒng)的和可控的概念,而產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理(PDM)因包含數(shù)據(jù)倉庫、文檔管理、結(jié)構(gòu)與配置管理、數(shù)據(jù)共享與交換等功能而成為PLM所必須的使能技術(shù)。以航天產(chǎn)品研制為例,PLM/PDM系統(tǒng)需要在產(chǎn)品復(fù)雜性、協(xié)同復(fù)雜性和應(yīng)用復(fù)雜性三方面為產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供支撐。
1)產(chǎn)品復(fù)雜性越來越高。產(chǎn)品品種、產(chǎn)品功能以及產(chǎn)品使用的技術(shù)復(fù)雜性提升。這種復(fù)雜性導(dǎo)致企業(yè)使用多種工具來(如機(jī)械、電氣和軟件)進(jìn)行設(shè)計(jì),PLM系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)復(fù)雜產(chǎn)品的一體化全數(shù)據(jù)管理,并支持在PLM環(huán)境中直接使用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(Computer Aided Design,CAD)工具來創(chuàng)建產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案。
2)協(xié)同復(fù)雜性越來越高。隨著信息化應(yīng)用的深入,出現(xiàn)了越來越多跨專業(yè)、跨地域和跨系統(tǒng)的復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計(jì)。這種復(fù)雜性要求PLM系統(tǒng)具備在不同專業(yè)、不同單位以及不同系統(tǒng)間共享、協(xié)同和傳遞產(chǎn)品數(shù)據(jù)的能力。
3)應(yīng)用復(fù)雜性越來越高。隨著企業(yè)產(chǎn)品平臺(tái)化、通用化和系列化的發(fā)展,同時(shí)伴隨IPT、MBD等新模式在設(shè)計(jì)領(lǐng)域的應(yīng)用,PLM需要提供復(fù)雜技術(shù)狀態(tài)管理能力,保證設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和制造及使用正確的數(shù)據(jù),保證產(chǎn)品技術(shù)狀態(tài)的一致性。
近年來,隨著工業(yè)信息化和三維軟件的發(fā)展,以及三維應(yīng)用的推動(dòng)、普及和深入,三維CAD模型成為PDM/PLM系統(tǒng)需要管理的一類重要數(shù)據(jù),成為體現(xiàn)PLM系統(tǒng)的關(guān)鍵及迫切需求。尤其是在復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計(jì)中,CAD數(shù)據(jù)已經(jīng)成為三維模型直接傳送到生產(chǎn)部門等新型設(shè)計(jì)模式的、具有重要依據(jù)的數(shù)據(jù)。本文將重點(diǎn)分析CAD數(shù)據(jù)管理模型,利用模型管理CAD數(shù)據(jù)的關(guān)系和CAD數(shù)據(jù)的一致性維護(hù)機(jī)制,解決CAD數(shù)據(jù)的集成、共享、協(xié)同、審簽、使用,以及模型間的一致性維護(hù),以滿足復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計(jì)管理和產(chǎn)品研發(fā)技術(shù)狀態(tài)需要。
1 PLM中復(fù)雜產(chǎn)品管理模型的管理
1.1 復(fù)雜產(chǎn)品CAD管理過程
在產(chǎn)品全生命周期管理(PLM)系統(tǒng)中,管理的產(chǎn)品數(shù)據(jù)是與產(chǎn)品相關(guān)的所有信息實(shí)體的集合,產(chǎn)品數(shù)據(jù)包括規(guī)格數(shù)據(jù)、生命周期數(shù)據(jù)和元數(shù)據(jù)三類。其中,規(guī)格數(shù)據(jù)描述產(chǎn)品的物理、邏輯和功能的特性,包括草圖、CAD模型、有限元分析(Finite Element Analy SIS,F(xiàn)EA)、NC文件和測試計(jì)劃文件等典型的規(guī)格數(shù)據(jù)。生命周期數(shù)據(jù)描述產(chǎn)品信息的狀態(tài)、成熟度和演進(jìn)。元數(shù)據(jù)用于定位、標(biāo)識(shí)、跟蹤、更新和描述數(shù)據(jù)。
設(shè)計(jì)模型作為一類特殊的產(chǎn)品數(shù)據(jù),在管理方面具有其特殊性。設(shè)計(jì)模型通過CAD三維造型和白定義屬性描述,保存了零/部件的幾何形狀、物理特征以及零/部件間的裝配關(guān)系等產(chǎn)品信息,PLM系統(tǒng)對(duì)CAD的管理主要側(cè)重實(shí)體和數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系,即在PLM系統(tǒng)中,更多關(guān)注的是如何從CAD模型文件內(nèi)獲取與物料清單(Bill of Material,BOM)相關(guān)的信息,并支持CAD模型在PLM系統(tǒng)的正確維護(hù)和使用,從而形成準(zhǔn)確的產(chǎn)品物料清單,另外,PLM要支持設(shè)計(jì)模型的輕量化模型管理能力。為此,根據(jù)CAD管理需要,建立如圖1所示的CAD集成與管理流程。
圖1 CAD集成與管理流程
在CAD集成與管理流程中,通過虛線將操作區(qū)域劃分為客戶端、工作區(qū)和公共區(qū)三類,并就CAD文檔、結(jié)構(gòu)、可視化和審簽四種功能在這三類區(qū)域的操作功能進(jìn)行了列舉,對(duì)于跨區(qū)域的操作(圖1中表現(xiàn)為穿越虛線的功能操作),代表在兩個(gè)區(qū)域中都具有該功能。
設(shè)計(jì)人員在開展CAD設(shè)計(jì)時(shí),客戶端集成了各類CAD軟件:工作區(qū)管理個(gè)人相關(guān)的設(shè)計(jì)模型和產(chǎn)品數(shù)據(jù),形成設(shè)計(jì)人員的個(gè)性工作環(huán)境:公共區(qū)存放模型共享和組內(nèi)協(xié)同的有效數(shù)據(jù),工作組或企業(yè)設(shè)計(jì)人員通過訪問公共區(qū)進(jìn)行數(shù)據(jù)共享和設(shè)計(jì)協(xié)同。PLM系統(tǒng)需集成CAD創(chuàng)作工具,可管理模型與產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的關(guān)系,并保持產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和模型關(guān)系的同步或異步發(fā)展。同時(shí),為了支持設(shè)計(jì)模型的審簽,利用可視化模型實(shí)現(xiàn)模型的快速瀏覽、審簽和傳閱。
1.2 復(fù)雜產(chǎn)品CAD數(shù)據(jù)管理模型
為了在PLM系統(tǒng)中管理復(fù)雜產(chǎn)品CAD數(shù)據(jù),建立PLM下的復(fù)雜產(chǎn)品CAD數(shù)據(jù)管理模型如圖2所示。圖2中,矩形框表示實(shí)體;粗實(shí)線連接超類和子類,在子類端用圓圈標(biāo)出;實(shí)體之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系用細(xì)實(shí)線連接,關(guān)聯(lián)關(guān)系名稱標(biāo)注到連接線上,其中,N為對(duì)應(yīng)關(guān)系個(gè)數(shù),[1:1]表示一一對(duì)應(yīng)的關(guān)聯(lián)關(guān)系,[1:N]表示一對(duì)多的關(guān)聯(lián)關(guān)系。
圖2 PLM下的復(fù)雜產(chǎn)品CAD數(shù)據(jù)管理模型
在模型中,產(chǎn)品環(huán)境構(gòu)成了管理產(chǎn)品管理數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的上下文環(huán)境,管理的內(nèi)容包括產(chǎn)品中使用的模板(如CAD模板、文檔模板、文件模板和工作流模板等)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)位置、業(yè)務(wù)對(duì)象的權(quán)限策略、參加產(chǎn)品研發(fā)的團(tuán)隊(duì),以及產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及其關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)。其中,配置項(xiàng)是零/部件的統(tǒng)稱,與配置項(xiàng)關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)包括普通文檔和CAD文檔,一個(gè)配置項(xiàng)可以關(guān)聯(lián)多種類型的產(chǎn)品數(shù)據(jù),產(chǎn)品數(shù)據(jù)包括普通文檔和CAD文檔。其中,CAD文檔是CAD數(shù)據(jù)在系統(tǒng)中的建模對(duì)象,即系統(tǒng)通過CAD文檔來管理CAD數(shù)據(jù):CAD模型是CAD創(chuàng)作工具產(chǎn)生的模型。CAD文檔與CAD模型為一一對(duì)應(yīng)關(guān)系,一個(gè)CAD模型最多對(duì)應(yīng)一個(gè)輕量化模型。配置項(xiàng)和CAD文檔存在自包含關(guān)系,即配置項(xiàng)下可以包含配置項(xiàng),CAD文檔下可以包含CAD文檔。在CAD數(shù)據(jù)管理模型中需要重點(diǎn)管理各類對(duì)象間的關(guān)聯(lián)關(guān)系,如配置項(xiàng)和普通文檔的關(guān)系、配置項(xiàng)與CAD文檔的關(guān)系,以及CAD文檔間的關(guān)系等。本文重點(diǎn)分析與CAD數(shù)據(jù)管理相關(guān)的關(guān)聯(lián)關(guān)系,主要包括CAD文檔間的關(guān)系CC、配置項(xiàng)與CAD文檔的關(guān)系IC。
1.3 CAD文檔間的關(guān)系(CC)
復(fù)雜產(chǎn)品在設(shè)計(jì)過程中,PLM需確保在業(yè)務(wù)對(duì)象執(zhí)行功能操作時(shí),可以正確管理CAD模型的變化及模型間的聯(lián)動(dòng),以保證CAD模型信息的一致性。本文依據(jù)依存關(guān)系、模型間升版影響和模型關(guān)系的緊密程度,將CAD模型間的關(guān)聯(lián)關(guān)系歸類為派生關(guān)系、使用關(guān)系、引用關(guān)系和附屬關(guān)系四種,CAD文檔與CAD文檔關(guān)系分類如表1所示。表1中,操作A為主動(dòng)方,操作B為被動(dòng)方,“√”為指定行具有指定列對(duì)應(yīng)的操作特征,“-”為指定行不具有指定列對(duì)應(yīng)的操作特征。
派生關(guān)系:屬緊密型關(guān)聯(lián)關(guān)系,關(guān)聯(lián)的兩個(gè)CAD模型不相互獨(dú)立(稱為源模型和派生模型),源模型中影響派生特征變化時(shí)必然導(dǎo)致派生模型變化,反之,派生模型變化必然導(dǎo)致源模型變化。
表1 CAD文檔與CAD文檔關(guān)系分類
例如,在Pro/E軟件中,族表和實(shí)例屬派生關(guān)聯(lián),實(shí)例必須依賴于族表通用模型而存在,派生模型發(fā)生變化必然引起族表通用模型變化。另外事物特征表和實(shí)例也通過此類關(guān)系維護(hù)。
使用關(guān)系:屬較為緊密的關(guān)聯(lián)關(guān)系,關(guān)聯(lián)的兩個(gè)CAD模型相互獨(dú)立,一個(gè)模型被另一個(gè)CAD模型直接使用(一個(gè)模型作為另一個(gè)模型的組成部分),且模型間存在父子結(jié)構(gòu)關(guān)系,父模型變化但子模型可以不變,子模型變化必然導(dǎo)致父模型變化。例如,在CAD模型中,裝配模型和零件模型屬于使用關(guān)系。
引用關(guān)系:屬較為松散的關(guān)聯(lián)關(guān)系,關(guān)聯(lián)的兩個(gè)CAD模型互相獨(dú)立,一個(gè)CAD模型間接使用了另一個(gè)CAD模型,但模型之間不存在組成關(guān)系。被引用模型的變化引起引用模型變化,引用模型的變化不會(huì)引起被引用模型變化。
在引用關(guān)系中,根據(jù)引用場景的不同細(xì)分為繪圖引用、裝配引用、分析引用和布局引用等子類關(guān)系。例如,在Pro/E中,三維數(shù)據(jù)和二維圖樣屬于模型引用關(guān)聯(lián),骨架模型和裝配模型、布局模型和裝配模型均屬于裝配引用關(guān)系。而分析數(shù)據(jù)和分析實(shí)體、分析結(jié)果和分析實(shí)體則屬于分析引用關(guān)系。
附屬關(guān)系:屬松散的關(guān)聯(lián)關(guān)系,關(guān)聯(lián)的兩個(gè)CAD模型互相獨(dú)立,模型變化互不影響。
對(duì)于附屬關(guān)聯(lián),表述為原模型文件添加相關(guān)說明內(nèi)容或附件。如模型的批注文件是附屬關(guān)聯(lián)內(nèi)容。附屬關(guān)聯(lián)可以包括任何格式的文檔。
1.4 配置項(xiàng)與CAD文檔的關(guān)系(IC)
產(chǎn)品結(jié)構(gòu)與CAD模型的關(guān)聯(lián)關(guān)系較為復(fù)雜,PLM系統(tǒng)根據(jù)CAD模型對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、產(chǎn)品屬性和可視化模型的影響與貢獻(xiàn)程度,將配置項(xiàng)(產(chǎn)品結(jié)構(gòu))與CAD文檔間的關(guān)系提煉為描述關(guān)系、模型關(guān)系、圖樣關(guān)系和說明關(guān)系四類。配置項(xiàng)與CAD文檔關(guān)系分類如表2所示。
表2 配置項(xiàng)與CAD文檔關(guān)系分類
描述關(guān)系:描述關(guān)系是唯一確定產(chǎn)品結(jié)構(gòu)關(guān)系的CAD模型,與配置項(xiàng)具有描述關(guān)系的CAD模型可以驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的生成,可以向配置項(xiàng)傳遞屬性及貢獻(xiàn)輕量化模型。在復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計(jì)中,當(dāng)一個(gè)配置項(xiàng)關(guān)聯(lián)多個(gè)CAD模型時(shí),在特定的產(chǎn)品環(huán)境下,一個(gè)配置項(xiàng)有且僅有一個(gè)CAD文檔和配置項(xiàng)建立描述關(guān)系。描述關(guān)系唯一性保證一個(gè)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)由唯一的CAD模型決定。
模型關(guān)系:表明CAD模型為配置項(xiàng)提供三維模型,且可以單向驅(qū)動(dòng)配置項(xiàng)屬性和配置項(xiàng)的輕量化模型,在驅(qū)動(dòng)配置項(xiàng)屬性和輕量化模型方面優(yōu)先級(jí)低于描述關(guān)系的CAD模型。
圖樣關(guān)系:約定CAD模型為配置項(xiàng)提供二維圖樣,二維圖樣可單向更新配置項(xiàng)的屬性,不驅(qū)動(dòng)配置項(xiàng)的結(jié)構(gòu),不為配置項(xiàng)提供輕量化模型。
通過圖樣關(guān)系為配置項(xiàng)提供二維工程圖。通常情況下,與配置項(xiàng)關(guān)聯(lián)的圖樣關(guān)系對(duì)應(yīng)的圖樣文檔與和配置項(xiàng)具有描述關(guān)系的三維模型具有引用關(guān)系。
說明關(guān)系:約定CAD文檔為配置項(xiàng)提供輔助說明。說明關(guān)系下的配置項(xiàng)和CAD文檔僅具有普通的關(guān)聯(lián)關(guān)系,如模型中使用到的說明性模型屬此類關(guān)系。
2 CAD模型的可視化與模型同步策略
2.1 CAD模型輕量化機(jī)制
產(chǎn)品設(shè)計(jì)數(shù)模在設(shè)計(jì)完成后,要達(dá)到模型的有效共享和協(xié)同,并滿足審簽、瀏覽和批注的需要,輕量化模型是模型管理的重要內(nèi)容。輕量化應(yīng)用中涌現(xiàn)了許多輕量化格式,如達(dá)索的3DXML格式、UGS的JT格式、Actify的3D格式、歐洲計(jì)算機(jī)制造商協(xié)會(huì)推出的通用3D格式,以及由虛擬現(xiàn)實(shí)建模語言發(fā)展而來的X3D格式,PLM系統(tǒng)中輕量化模型的生成方式如圖3所示。
在PLM中,輕量化模型因其與CAD軟件無關(guān)聯(lián)且文件較小,常用于完成問題檢查、動(dòng)態(tài)模擬、數(shù)字化裝配和文件審簽等業(yè)務(wù)。通過三維可視化模型來實(shí)現(xiàn)異構(gòu)CAD數(shù)據(jù)在統(tǒng)一產(chǎn)品結(jié)構(gòu)下裝配,實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、裝配的協(xié)同和共享。輕量化模型通過三種方式生成,一是在三維CAD模型檢入PLM系統(tǒng)時(shí)生成:二是根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)所關(guān)聯(lián)的CAD模型,批量生成結(jié)構(gòu)下的所有輕量化模型;三是在模型裝載時(shí)生成。對(duì)一個(gè)配置項(xiàng)來講,可以對(duì)應(yīng)多個(gè)輕量化模型,但只有一個(gè)缺省輕量化模型,在缺省情況下,配置項(xiàng)對(duì)應(yīng)的輕量化模型為與配置項(xiàng)具有“描述關(guān)系”的CAD文檔所對(duì)應(yīng)的三維模型生成的輕量化模型。
圖3 PLM系統(tǒng)中輕量化模型的生成方式
2.2 CAD模型同步策略
為保證CAD模型之間的一致性,需要針對(duì)CAD模型間的各類關(guān)系進(jìn)行同步處理。例如,當(dāng)三維模型發(fā)生變化時(shí),如果對(duì)應(yīng)的三維模型生成過二維模型,則需要同步更新二維模型。這種關(guān)聯(lián)關(guān)系的維護(hù)在系統(tǒng)中通過同步策略實(shí)現(xiàn),利用同步策略保證模型的一致性。
在系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過程中,為了實(shí)現(xiàn)CAD文檔間及CAD文檔與配置項(xiàng)間的一致性,采用統(tǒng)一的更新策略管理機(jī)制,集中管理業(yè)務(wù)功能的更新規(guī)則。如“上載”、“檢入”、“檢出”、“打開”、“刪除”、“更新”、“重命名”和“另存為”等多類功能操作,針對(duì)每種功能建立相應(yīng)的更新規(guī)則來處理每種業(yè)務(wù)操作的模型關(guān)系,通過管理系統(tǒng)中CAD文檔間以及CAD文檔與配置項(xiàng)的關(guān)聯(lián)關(guān)系的方式,來確保CAD模型間,以及CAD模型與PLM對(duì)象間的一致件。CAD模型更新管理如圖4所示。
圖4 CAD模型更新管理
3 AVIDM系統(tǒng)的模型實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用
航天協(xié)同研制平臺(tái)(AVIDM)系統(tǒng)是面向航天器協(xié)同研制的PLM系統(tǒng),功能涵蓋產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理、產(chǎn)品制造管理、項(xiàng)目管理和產(chǎn)品仿真管理等,支持從型號(hào)設(shè)計(jì)到制造全過程管理。AVIDM系統(tǒng)采用面向服務(wù)的體系結(jié)構(gòu)(Service Oriented Architecture,SOA),通過采用Web Service技術(shù)體系下的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范,形成支持過程、數(shù)據(jù)和界面集成的可擴(kuò)展的軟件應(yīng)用框架。
在AVIDM系統(tǒng)中,以Pro/E集成為例,系統(tǒng)通過AVCAD文檔管理Pro/E的草繪、零件、組件、制造、繪圖、格式、報(bào)表、圖表、布局和標(biāo)記模型,以及模型間的關(guān)系,實(shí)現(xiàn)CAD模型及模型間的關(guān)聯(lián)關(guān)系的精細(xì)化管理。設(shè)計(jì)人員通過AVCAD文檔直接在CAD工作區(qū)向AVIDM系統(tǒng)提交設(shè)計(jì)模型,系統(tǒng)自動(dòng)生成與Pro/E模型對(duì)應(yīng)的AVCAD文檔,并根據(jù)模型類型實(shí)現(xiàn)CAD設(shè)計(jì)模型的關(guān)系維護(hù),并支持通過CAD設(shè)計(jì)工具或輕量化瀏覽器打開、瀏覽產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和模型數(shù)據(jù)。基于SOA的AVCAD體系結(jié)構(gòu)如圖5所示。
圖5 基于SOA的AVIDM體系結(jié)構(gòu)
4 結(jié)語
通常情況下,PLM在管理CAD數(shù)據(jù)時(shí),只管理CAD工具生成的結(jié)果數(shù)據(jù),不管理結(jié)果數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系,常需要投入大量的人力來手工保證CAD模型的一致和匹配,也制約了CAD設(shè)計(jì)協(xié)同的深入。本文下雙譜的譜峰比較尖銳和集中,而故障情況下雙譜的譜峰比較平坦和零散。
4)用雙譜建立電梯故障狀態(tài)的譜圖進(jìn)行模式分類,可以為電梯的在線監(jiān)測和診斷提供新的分析手段和方法。
5)由式(4)可知,為了分析的準(zhǔn)確性,雙譜分析需要大樣本的采樣,否則容易引起判斷的誤差。同時(shí),雙譜是多維函數(shù),因而需要較大的計(jì)算量。
核心關(guān)注:拓步ERP系統(tǒng)平臺(tái)是覆蓋了眾多的業(yè)務(wù)領(lǐng)域、行業(yè)應(yīng)用,蘊(yùn)涵了豐富的ERP管理思想,集成了ERP軟件業(yè)務(wù)管理理念,功能涉及供應(yīng)鏈、成本、制造、CRM、HR等眾多業(yè)務(wù)領(lǐng)域的管理,全面涵蓋了企業(yè)關(guān)注ERP管理系統(tǒng)的核心領(lǐng)域,是眾多中小企業(yè)信息化建設(shè)首選的ERP管理軟件信賴品牌。
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本文標(biāo)題:面向復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計(jì)的CAD數(shù)據(jù)管理
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