CAD/CAM并行協同設計中的特征技術

傳統的CAD/CAM集成大都基于串行方式，期望在設計階段就產生能滿足設計、工藝規劃與裝配需要的產品模型，力圖利用計算機完全代替人的工作，實現設計制造自動化。而在生產實踐中發現，由于同一零件在CAD/CAM集成路線上各個環節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驗，因而在實際集成中，仍需各環節之間的大量轉換，設計與工藝的多次反復不可避免，使實現真正的集成遇到了難以克服的困難。
隨著計算機網絡環境的普及和并行工程的深入研究與發展，計算機技術領域出現了許多新的研究課題，如并行計算技術與計算機支持的協同工作(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：在網絡環境下，設計與工藝人員并行地完成同一零件的設計、工藝規劃與裝配過程，最大限度地縮短生產周期。
CAD/CAM的并行集成不但要求實現集成的傳統技術方法必須作轉變以適應新的環境與工作方式，而且導致了許多新研究課題的產生，其中包括并行協同設計的工作機制［1］、分布環境中可被各工作者共同理解的零件模型的表示模式［2，3］、并行設計中設計定位與工藝基準的表示與協調，以及并行協同設計的過程控制等。
1　分布環境下基于特征的集成策略
在異地分布的網絡環境下，從事零件設計與制造工作的各種技術人員并行協作地參與同一零件的設計生產過程，產生符合CAD/CAM集成各個環節要求的產品模型，這是并行設計研究的主要目的。它與傳統的集成技術相比，有以下4個方面的轉變：①從單機環境轉變為異地分布的網絡環境；②從串行處理方式轉變為并行處理方式；③從人機交互轉變為人人直接交互；④從期望完全擺脫人的干預轉變為充分發揮人的作用。
CAD/CAM研究人員應該以計算機技術研究領域的最新發展與成果為基礎，對自己領域內在新的計算機軟硬件環境下所出現的技術問題進行研究。網絡操作系統為異地通信提供底層支持；分布式共享數據庫可以保證各種技術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；計算機支持下的協同工作(CSCW)研究［4］為并行協作提供人人交互協商的工作環境。作為CAD/CAM的研究人員，應該把考慮問題的焦點放在如何在以上環境與技術的支持下，進行并行集成所需解決的關鍵技術的研究。在并行協同設計環境中，各種技術人員可以對2個方面的信息實現共享：圖形共享和模型數據共享。圖1為并行CAD/CAM集成系統進行開發的層次關系。
特征技術是CAD/CAM集成的核心技術，特征是集成中的信息傳遞媒介。由于設計階段主要關心特征的形狀，工藝規劃與裝配階段主要關心特征的工藝特性，加之同一零件區域的形狀特征與工藝特征會有很大差異，導致相當一部分特征技術研究集中于如何使設計特征的表示與處理滿足集成各環節的需要［5］。并行集成不是對以往研究成果的否定，而是對傳統技術的繼承與發展。
本文用特征作為并行設計中模型與處理的基本單元。設計人員引用形狀特征建立設計模型，同時，工藝人員可以實時地參與，對設計人員提供建議與要求，并且可以實時地對模型修改，產生以工藝特征表示的工藝模型。設計人員與工藝人員交互協作地進行零件設計，當設計工作完成以后，就生成正確完整的產品模型，不需要再進行任何的轉換與處理。這便是并行協同設計方式下基于特征的集成策略。
2　特征模型的表示
傳統的特征表示模式已經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計方法的模型(特征模型)表示能夠適應分布環境下各種技術人員的協同設計方式。
　　(1)特征模型的表示模式必須滿足各種技術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，應該能同時反映模型底層的幾何數據、各種設計特征、工藝特征及其相互關系。傳統方法主要通過對設計模型的分析來獲得工藝特征，如DSG(Destructive Solid Geometry)方法，可以將設計特征轉換為加工區域的表示。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不同的應用目的進行不同解釋的情況，采用了面向不同應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　仍然采用傳統的B—Rep描述。
　　(2)設計特征　設計特征在顯示模型中以一組特征組成面來表示，設計特征組成面中存儲著該設計特征的標志。
　　(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域。
　　(4)設計特征與工藝特征之間的對應關系、設計特征之間的約束關系和工藝特征之間的約束關系　一般采用圖結構來描述，它同時包含代表設計特征與工藝特征的結點與各個結點之間的指針鏈接關系。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人員在異地計算機環境下協作完成的，它一旦正確產生，就意味著零件設計制造集成的結束，不再需要進行任何轉換與處理。
設計特征與工藝特征之間的映射關系如下：
　　(1)等同關系　工藝特征等同于設計特征組成面與相應的零件面封閉而成的體元；
　　(2)互補關系　設計特征與加工特征的并集與工藝毛坯上的相應局部區域重合；
　　(3)復合關系　工藝特征是多個設計特征的復合區域；
　　(4)獨立工藝特征　有些工藝特征沒有設計特征與之對應。
獨立工藝特征的存在是由于，設計人員選擇設計毛坯的原則是保證零件形狀快速有效地生成，則設計毛坯與實際工藝毛坯形狀可能不同。并行協同設計中，工藝人員可在設計的一定階段根據零件形狀選擇合適的工藝毛坯。工藝毛坯與設計毛坯的不同導致工藝毛坯中存在大于設計毛坯的區域，其中便包含與設計特征有互補關系的特征和獨立工藝特征。
以進一步說明基于特征的產品模型中的特征約束關系描述。為了突出特征約束圖適用于并行設計的特點，重反映不同類型特征的約束關系描述，并不反映同類型特征的約束關系(主要指設計特征之間)，如DF2與DF1的隸屬特征。
3　并行設計中人的作用
并行設計中提倡人的作用充分發揮，以降低一味追求全面自動化而帶來的不必要的復雜性。基于特征的并行集成中，人的作用主要表現在以下幾個方面：①設計特征需要在工藝規劃人員的并行參與下轉換為相應的工藝特征表示；②制造過程規劃結合工藝人員的實時定義產生，而不是完全通過計算機算法實現；③設計的不合理之處可以由工藝人員實時指出。
由于并行設計方式中充分發揮了人的作用，因而，減小了一些技術問題由于要完全擺脫人的干預而帶來的難度。例如傳統DSG方法的研究總是對設計模型整體進行分析以抽象出加工區域，這具有很大的難度并難以有效地應用到實際中去。在并行設計方式下，工藝人員通過交互指點的方法可以確定加工區域的大概范圍及相關的設計特征，然后來實現加工區域的準確描述，這大大減小了問題的難度。
同一形狀區域的設計特征、加工特征與裝配特征的描述是不同的。在并行協同設計環境中，不同的工藝人員可以根據自己的應用目的對工藝特征區域進行實時定義，配合計算機算法得到工藝特征的精確描述，這就降低了在傳統方法中當設計特征復合時對特征區域重新識別算法的復雜程度。
4　并行設計中特征約束的處理
使零件模型具有動態可修改性也是CAD/CAM領域內的重要研究方向，其主要目的是提高設計的自動化程度。基于約束的參數化方法是目前為止提出的解決這一問題最有效的方法，關于設計過程中約束的定義、表示求解已經有了較為有效的研究成果［6］。并行設計中，各種技術人員同時參與整個設計、工藝規劃與零件裝配的過程，使零件模型具有動態可修改性則更加重要，但這種修改是對集成的各個環節完全相關的，是基于約束的相互驅動過程。
　　(1)特征形狀的修改　設計特征的修改不但將引起與其有約束關系的其它設計特征的相應改變，也會引起與其對應的工藝特征的改變，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　形狀設計中的特征定位方式與工藝規劃中要確定的某特征的加工基準可能不同，工藝人員可以對零件設計模型中一些定位基準進行實時重新定義，由集成系統來確定關于新定位基準的特征定位尺寸。因此，特征設計定位尺寸的修改除了引起其約束特征的相應修改以外，還要引起相應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關系之外，還用以描述特征的定位關系，稱為定位約束，包括形狀設計中尺寸標注方式的特征定位，工藝特征加工基準的選擇等。正如特征的表示一樣，由于在并行設計中的約束必須滿足集成環節中各類技術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的轉換關系，它們之間的聯系通過與它們相關的特征之間的指針來實現。
各種形式的定位約束表示都應該是帶有變量(定位尺寸)與相應的幾何元素(定位基準)指針的參數描述式，除了具有實現參數化驅動的約束求解方法以外，并行設計中，針對同一特征不同的約束描述之間具有相互的驅動表示方法，從而能實現參數修改的完全相關。約束的求解需要在給定的尺寸參數與定位基準所代表幾何元素的幾何數據共同支持下來完成。完全相關的約束驅動是根據特征約束圖、約束的具體表示及約束求解方法來實現的。
負設計特征DF2以正設計特征DF1的頂面為操作母面(即定位基準面)。在拓撲不變的前提下，若DF2尺寸改變，根據圖4e所示的特征約束圖，加工特征MF2與裝配特征AF將發生相應變動；若DF1高度增加，其頂面升高，根據定位約束關系，DF2發生位置改變，于是，加工特征MF1、MF2、MF3及裝配特征AF都將發生改變，如果MF2以設計毛坯底面為加工基準，則DF1高度的增加也將導致MF2加工定位尺寸的改變。