面向復雜產品設計的CAD數據管理

0 引言

    復雜產品指客戶需求復雜、產品組成復雜、產品技術復雜、制造過程復雜和項目管理復雜的一類產品。在以航空、航天為代表的先進裝備制造行業中，產品設計復雜性越來越高。產品生命周期管理(PLM)是一種產品全生命周期內管理產品相關信息所需的、系統的和可控的概念，而產品數據管理(PDM)因包含數據倉庫、文檔管理、結構與配置管理、數據共享與交換等功能而成為PLM所必須的使能技術。以航天產品研制為例，PLM/PDM系統需要在產品復雜性、協同復雜性和應用復雜性三方面為產品設計提供支撐。

    1)產品復雜性越來越高。產品品種、產品功能以及產品使用的技術復雜性提升。這種復雜性導致企業使用多種工具來（如機械、電氣和軟件）進行設計，PLM系統需要實現復雜產品的一體化全數據管理，并支持在PLM環境中直接使用計算機輔助設計(Computer Aided Design，CAD)工具來創建產品設計方案。

    2)協同復雜性越來越高。隨著信息化應用的深入，出現了越來越多跨專業、跨地域和跨系統的復雜產品設計。這種復雜性要求PLM系統具備在不同專業、不同單位以及不同系統間共享、協同和傳遞產品數據的能力。

    3)應用復雜性越來越高。隨著企業產品平臺化、通用化和系列化的發展，同時伴隨IPT、MBD等新模式在設計領域的應用，PLM需要提供復雜技術狀態管理能力，保證設計、生產和制造及使用正確的數據，保證產品技術狀態的一致性。

    近年來，隨著工業信息化和三維軟件的發展，以及三維應用的推動、普及和深入，三維CAD模型成為PDM/PLM系統需要管理的一類重要數據，成為體現PLM系統的關鍵及迫切需求。尤其是在復雜產品設計中，CAD數據已經成為三維模型直接傳送到生產部門等新型設計模式的、具有重要依據的數據。本文將重點分析CAD數據管理模型，利用模型管理CAD數據的關系和CAD數據的一致性維護機制，解決CAD數據的集成、共享、協同、審簽、使用，以及模型間的一致性維護，以滿足復雜產品設計管理和產品研發技術狀態需要。

1 PLM中復雜產品管理模型的管理

    1.1 復雜產品CAD管理過程

    在產品全生命周期管理(PLM)系統中，管理的產品數據是與產品相關的所有信息實體的集合，產品數據包括規格數據、生命周期數據和元數據三類。其中，規格數據描述產品的物理、邏輯和功能的特性，包括草圖、CAD模型、有限元分析(Finite Element Analy SIS，FEA)、NC文件和測試計劃文件等典型的規格數據。生命周期數據描述產品信息的狀態、成熟度和演進。元數據用于定位、標識、跟蹤、更新和描述數據。

    設計模型作為一類特殊的產品數據，在管理方面具有其特殊性。設計模型通過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/部件間的裝配關系等產品信息，PLM系統對CAD的管理主要側重實體和數據之間的關聯關系，即在PLM系統中，更多關注的是如何從CAD模型文件內獲取與物料清單(Bill of Material，BOM)相關的信息，并支持CAD模型在PLM系統的正確維護和使用，從而形成準確的產品物料清單，另外，PLM要支持設計模型的輕量化模型管理能力。為此，根據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，通過虛線將操作區域劃分為客戶端、工作區和公共區三類，并就CAD文檔、結構、可視化和審簽四種功能在這三類區域的操作功能進行了列舉，對于跨區域的操作（圖1中表現為穿越虛線的功能操作），代表在兩個區域中都具有該功能。

    設計人員在開展CAD設計時，客戶端集成了各類CAD軟件：工作區管理個人相關的設計模型和產品數據，形成設計人員的個性工作環境：公共區存放模型共享和組內協同的有效數據，工作組或企業設計人員通過訪問公共區進行數據共享和設計協同。PLM系統需集成CAD創作工具，可管理模型與產品結構的關系，并保持產品結構和模型關系的同步或異步發展。同時，為了支持設計模型的審簽，利用可視化模型實現模型的快速瀏覽、審簽和傳閱。

    1.2 復雜產品CAD數據管理模型

    為了在PLM系統中管理復雜產品CAD數據，建立PLM下的復雜產品CAD數據管理模型如圖2所示。圖2中，矩形框表示實體；粗實線連接超類和子類，在子類端用圓圈標出；實體之間的關聯關系用細實線連接，關聯關系名稱標注到連接線上，其中，N為對應關系個數，[1：1]表示一一對應的關聯關系，[1：N]表示一對多的關聯關系。

圖2 PLM下的復雜產品CAD數據管理模型

    在模型中，產品環境構成了管理產品管理數據和業務數據的上下文環境，管理的內容包括產品中使用的模板（如CAD模板、文檔模板、文件模板和工作流模板等）、業務數據的存儲位置、業務對象的權限策略、參加產品研發的團隊，以及產品結構及其關聯數據。其中，配置項是零/部件的統稱，與配置項關聯的數據包括普通文檔和CAD文檔，一個配置項可以關聯多種類型的產品數據，產品數據包括普通文檔和CAD文檔。其中，CAD文檔是CAD數據在系統中的建模對象，即系統通過CAD文檔來管理CAD數據：CAD模型是CAD創作工具產生的模型。CAD文檔與CAD模型為一一對應關系，一個CAD模型最多對應一個輕量化模型。配置項和CAD文檔存在自包含關系，即配置項下可以包含配置項，CAD文檔下可以包含CAD文檔。在CAD數據管理模型中需要重點管理各類對象間的關聯關系，如配置項和普通文檔的關系、配置項與CAD文檔的關系，以及CAD文檔間的關系等。本文重點分析與CAD數據管理相關的關聯關系，主要包括CAD文檔間的關系CC、配置項與CAD文檔的關系IC。

    1.3 CAD文檔間的關系(CC)

    復雜產品在設計過程中，PLM需確保在業務對象執行功能操作時，可以正確管理CAD模型的變化及模型間的聯動，以保證CAD模型信息的一致性。本文依據依存關系、模型間升版影響和模型關系的緊密程度，將CAD模型間的關聯關系歸類為派生關系、使用關系、引用關系和附屬關系四種，CAD文檔與CAD文檔關系分類如表1所示。表1中，操作A為主動方，操作B為被動方，“√”為指定行具有指定列對應的操作特征，“-”為指定行不具有指定列對應的操作特征。

    派生關系：屬緊密型關聯關系，關聯的兩個CAD模型不相互獨立（稱為源模型和派生模型），源模型中影響派生特征變化時必然導致派生模型變化，反之，派生模型變化必然導致源模型變化。

表1 CAD文檔與CAD文檔關系分類

    例如，在Pro/E軟件中，族表和實例屬派生關聯，實例必須依賴于族表通用模型而存在，派生模型發生變化必然引起族表通用模型變化。另外事物特征表和實例也通過此類關系維護。

    使用關系：屬較為緊密的關聯關系，關聯的兩個CAD模型相互獨立，一個模型被另一個CAD模型直接使用（一個模型作為另一個模型的組成部分），且模型間存在父子結構關系，父模型變化但子模型可以不變，子模型變化必然導致父模型變化。例如，在CAD模型中，裝配模型和零件模型屬于使用關系。

    引用關系：屬較為松散的關聯關系，關聯的兩個CAD模型互相獨立，一個CAD模型間接使用了另一個CAD模型，但模型之間不存在組成關系。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引起被引用模型變化。

    在引用關系中，根據引用場景的不同細分為繪圖引用、裝配引用、分析引用和布局引用等子類關系。例如，在Pro/E中，三維數據和二維圖樣屬于模型引用關聯，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系。而分析數據和分析實體、分析結果和分析實體則屬于分析引用關系。

    附屬關系：屬松散的關聯關系，關聯的兩個CAD模型互相獨立，模型變化互不影響。

    對于附屬關聯，表述為原模型文件添加相關說明內容或附件。如模型的批注文件是附屬關聯內容。附屬關聯可以包括任何格式的文檔。

    1.4 配置項與CAD文檔的關系(IC)

    產品結構與CAD模型的關聯關系較為復雜，PLM系統根據CAD模型對產品結構、產品屬性和可視化模型的影響與貢獻程度，將配置項（產品結構）與CAD文檔間的關系提煉為描述關系、模型關系、圖樣關系和說明關系四類。配置項與CAD文檔關系分類如表2所示。

表2 配置項與CAD文檔關系分類

    描述關系：描述關系是唯一確定產品結構關系的CAD模型，與配置項具有描述關系的CAD模型可以驅動產品結構的生成，可以向配置項傳遞屬性及貢獻輕量化模型。在復雜產品設計中，當一個配置項關聯多個CAD模型時，在特定的產品環境下，一個配置項有且僅有一個CAD文檔和配置項建立描述關系。描述關系唯一性保證一個產品結構節點由唯一的CAD模型決定。

    模型關系：表明CAD模型為配置項提供三維模型，且可以單向驅動配置項屬性和配置項的輕量化模型，在驅動配置項屬性和輕量化模型方面優先級低于描述關系的CAD模型。

    圖樣關系：約定CAD模型為配置項提供二維圖樣，二維圖樣可單向更新配置項的屬性，不驅動配置項的結構，不為配置項提供輕量化模型。

    通過圖樣關系為配置項提供二維工程圖。通常情況下，與配置項關聯的圖樣關系對應的圖樣文檔與和配置項具有描述關系的三維模型具有引用關系。

    說明關系：約定CAD文檔為配置項提供輔助說明。說明關系下的配置項和CAD文檔僅具有普通的關聯關系，如模型中使用到的說明性模型屬此類關系。

2 CAD模型的可視化與模型同步策略

    2.1 CAD模型輕量化機制

    產品設計數模在設計完成后，要達到模型的有效共享和協同，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容。輕量化應用中涌現了許多輕量化格式，如達索的3DXML格式、UGS的JT格式、Actify的3D格式、歐洲計算機制造商協會推出的通用3D格式，以及由虛擬現實建模語言發展而來的X3D格式，PLM系統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軟件無關聯且文件較小，常用于完成問題檢查、動態模擬、數字化裝配和文件審簽等業務。通過三維可視化模型來實現異構CAD數據在統一產品結構下裝配，實現設計、裝配的協同和共享。輕量化模型通過三種方式生成，一是在三維CAD模型檢入PLM系統時生成：二是根據產品結構所關聯的CAD模型，批量生成結構下的所有輕量化模型；三是在模型裝載時生成。對一個配置項來講，可以對應多個輕量化模型，但只有一個缺省輕量化模型，在缺省情況下，配置項對應的輕量化模型為與配置項具有“描述關系”的CAD文檔所對應的三維模型生成的輕量化模型。

圖3 PLM系統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CAD模型間的各類關系進行同步處理。例如，當三維模型發生變化時，如果對應的三維模型生成過二維模型，則需要同步更新二維模型。這種關聯關系的維護在系統中通過同步策略實現，利用同步策略保證模型的一致性。

    在系統實現過程中，為了實現CAD文檔間及CAD文檔與配置項間的一致性，采用統一的更新策略管理機制，集中管理業務功能的更新規則。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，針對每種功能建立相應的更新規則來處理每種業務操作的模型關系，通過管理系統中CAD文檔間以及CAD文檔與配置項的關聯關系的方式，來確保CAD模型間，以及CAD模型與PLM對象間的一致件。CAD模型更新管理如圖4所示。

圖4 CAD模型更新管理

3 AVIDM系統的模型實現與應用

    航天協同研制平臺(AVIDM)系統是面向航天器協同研制的PLM系統，功能涵蓋產品數據管理、產品制造管理、項目管理和產品仿真管理等，支持從型號設計到制造全過程管理。AVIDM系統采用面向服務的體系結構(Service Oriented Architecture，SOA)，通過采用Web Service技術體系下的相關標準和規范，形成支持過程、數據和界面集成的可擴展的軟件應用框架。

    在AVIDM系統中，以Pro/E集成為例，系統通過AVCAD文檔管理Pro/E的草繪、零件、組件、制造、繪圖、格式、報表、圖表、布局和標記模型，以及模型間的關系，實現CAD模型及模型間的關聯關系的精細化管理。設計人員通過AVCAD文檔直接在CAD工作區向AVIDM系統提交設計模型，系統自動生成與Pro/E模型對應的AVCAD文檔，并根據模型類型實現CAD設計模型的關系維護，并支持通過CAD設計工具或輕量化瀏覽器打開、瀏覽產品結構和模型數據。基于SOA的AVCAD體系結構如圖5所示。

圖5 基于SOA的AVIDM體系結構

4 結語

    通常情況下，PLM在管理CAD數據時，只管理CAD工具生成的結果數據，不管理結果數據之間的關聯關系，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設計協同的深入。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的譜圖進行模式分類，可以為電梯的在線監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，雙譜是多維函數，因而需要較大的計算量。

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