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李龙梅 张暴暴 冯辛安 刘晓冰
(大连理工大学CIMS中心 大连 116024)
摘要：CAD/CAM是CIMS的核心，基于特征的产品建模是实现CAD/CAM集成的关键，本文通过分析典型CIMS中工程设计分系统功能模型，给出CIMS环境下CAD/CAM产品特征模型。
关键词：特征 产品信息模型 CAD/CAM
中图号：TP39
1. CIMS集成产品模型与CAD/CAM基于特征的产品模型 计算机集成制造系统CIMS作为新一代工厂自动化模式之一覆盖了产品的整个生命周期。机械产品的生命周期包括从产品的市场需求分析、立项论证、生产决策、产品设计、工艺设计、加工制造、装配、测试到销售和售后服务的全过程。CIMS集成产品模型是产品生命周期中全部数据的集合，它是整个CIMS研究和处理的对象，所有类型的产品信息都集中储存在这个集成的产品信息模型中，信息的表达已将产品生命周期中的不同阶段都考虑进去，是整个企业在生产周期的任何阶段能共享的信息模型，它能在整体上和局部级上支持各种应用活动，使得面向制造、面向装配、面向质量等成为可能。集成产品模型是以用户需求、市场分析为出发点，以产品设计制造模型（CAD/CAM的模型）为基础，在产品整个生命周期内不断扩充、不断更新版本的动态模型。它应能克服以往仅从某一特定阶段的数据需求和数据处理的特点来建立数据模型，改善对产品产品生命周期中所有数据需求的全局分析的不足，而使得在产品生命周期中各阶段实现信息交换与共享。
工程设计分系统CAD/CAM是CIMS的核心。 CAD/CAM就是按照产品设计-制造的实际进程，在计算机里实现应用程序所需要的信息处理和交换，形成连续的、协调的和科学的系统。实现CAD/CAM一体化的关键在于信息的集成。基于特征的产品模型，是实现CAD/CAM有效集成最佳方法，是CIMS集成产品模型的一个子集，是集成产品模型的基础模型，也是CAD/CAM系统中数据共享的核心。
传统的基于实体造型的CAD系统仅仅是几何形状的描述，缺乏对产品零件信息的完整描述，与制造所需信息彼此是分离的，从而导致CAD/CAM系统集成的困难。将特征概念引入CAD/CAM，出现了产品特征模型。基于特征的建模是CAD建模的一个新的里程碑，它是CAD/CAM技术的发展和应用到达一定水平，要求进一步提高生产组织的集成化及自动化程度的历史进程中逐步发展起来的。基于特征的建模着眼于更好地表达产品的完整技术和管理信息，为建立产品集成信息模型服务，它使产品设计在更高层次上进行，设计人员的操作对象不再是原始的线条和体素，而是产品的功能要素，直接体现了设计意图，使建立的产品模型容易为非设计人员理解并便于组织生产，设计图样更容易修改，有助于加强产品设计、分析、工艺准备、加工检验各部门之间的联系，更好地将产品设计意图贯彻到下游环节，并及时得到意见反馈。因此特征建模是解决产品模型建立的可靠途径，于是出现了许多关于特征建模的研究。
对特征技术的研究工作，主要可以概括为七个方面：特征的定义与分类、特征识别、特征建模、特征表达、特征检验、特征映射和特征数据库。特征的定义和分类的研究是特征技术研究的基础，但到目前为止，对特征定义和分类的研究还没有形成一个统一的标准，这是因为特征的定义和分类受到特征研究应用背景的制约。CAD/CAM的特征建模究竟应当包含哪些特征，各说不一。作者认为，作为CIMS的核心－－CAD/CAM系统的开发应用，完全可以按照CIMS信息集成的概念进行,由于CAD/CAM最终要集成到CIMS中，基于特征产品模型最终要为CIMS中所有子系统共享，所以在研究特征造型时不仅需要考虑CAD/CAM本身的信息需求，而且需考虑其在CIMS中的地位、作用及其与CIMS中其它分系统之关系。本文就是通过研究典型CIMS中工程设计分系统功能模型各二级子系统的信息需求、本分系统与其它分系统信息联系，得出基于特征的建模应包含的特征定义与分类。
2. CIMS中工程设计分系统的功能模型 一般可以将CIMS分为四个功能分系统和两个支撑分系统。四个功能分系统分别是工程设计分系统、管理信息分系统、制造自动化分系统和计算机质量保证分系统。两个支撑分系统分别是数据库和网络支撑分系统。
图(1)所示为典型的工程设计分系统的功能模型图。工程设计分系统由产品数据管理（PDM）、产品设计、工艺设计和制造准备四个二级子系统组成。从这个图中我们可以清楚地看出系统内部数据信息的需求和流动。首先通过PDM将产品开发计划、生产经营计划管理等信息传到产品设计模块，将产品设计模块输出产品的技术报价、BOM表、图纸、技术文档等信息所形成的产品设计模型返回到PDM；工艺设计分系统从PDM中获取有关信息，完成工艺设计并将设计结果，如：工艺规程、专用工装图等技术文档返回PDM；制造准备模块从PDM中获得信息，编制数控加工、夹具需求计划等制造数据信息和各类技术文档返回PDM。产品设计、工艺设计和制造准备之间的信息通过PDM传送，改善数据的统一性和安全性。最后形成的基于特征的产品模型就存在于PDM中了。
工程设计分系统的输入信息是市场信息和管理信息分系统传递的生产管理信息，输出Ｏ１将又成为质量保证分系统、制造自动化分系统、管理信息分系统的输入。在CIMS环境下，工程设计分系统应与生产管理、质量管理、制造自动化集成起来，因此特征建模时，应考虑这些分系统的信息需求。例如，质量保证分系统的功能是规划和执行企业的质量保证活动，它需要工程设计分系统提供有关产品几何数据、零件、原材料的基本数据、图纸、零件明细、产品结构、标准规范、加工、装配与检测规程和程序等，并从质量保证角度向CAD模块提出产品质量方面的要求和修改设计的意见，提出有关质量方面的要求和达到质量要求建议采取的措施，通过生产控制和维修实现质量控制。由于安排生产作业计划、物料需求计划、能力平衡计划、合同管理、仓库管理等需在管理信息分系统中完成，所以管理信息分系统与工程设计分系统之信息交换包括：供应商、用户基本数据，用户订单和车间下达任务的有关数据、图纸、零件明细、产品结构有关工具、消耗品数据、工艺规程等。
3. 特征的定义与分类 3.1特征的定义 在一个产品整个生命周期中产生的信息很多，其中包括：设计信息、制造信息、管理信息、质量信息、使用和维护信息等。这些信息又被CIMS中其它系统以不同的方式使用。产品设计初始特征模型是由设计人员建立的，然而在产品整个生命周期内，这个特征模型的不断完善需要设计师、工艺师、质量检测人员等的共同协作。
本文对特征的定义是在CIMS环境下，特征是产品生命周期内信息完整描述的载体，特征是一种信息表示方法，包括几何信息和非几何信息。
尽管特征的定义由于应用的不同而有差异，但特征的性质和作用是基本一致的。首先特征是低层的几何元素与零部件间联系的桥梁，特征将构成特征的几何元素有机地结合起来，形成能够表达特定功能或含义的形状结构，以体现面向应用的形状信息；此外，特征的组成元素可以作为尺寸 公差、表面粗糙度等加工信息的相关载体，使得工艺信息能完整地借助特征而得到表达。基于特征的产品模型不仅能支持各种应用所需的产品定义信息，而且能提供符合人们思维的高层次工程描述术语，并反映设计和制造意图，从而克服现行CAD/CAM系统中产品信息定义不完备性和低层数据抽象性的不足。为CAD/CAM信息的真正集成、及其向CIMS的集成提供保障。
特征除了具有一定的几何信
