产品建模理论

1. 产品建模理论 1．概述 产品模型是用来表示制造过程中被制造物的模型，它包括目标产品、零部件、毛坯及中间产品。 产品模型作为产品在计算机上的表示和产品信息的载体是虚拟制造的对象之一。 虚拟制造对产品模型最根本的要求是它能够代表实际产品，支持产品开发的全过程。 产品开发是个很复杂的过程，涉及到多个领域、多个阶段和多种方法

2. 不同领域对产品信息的视角和抽象层次都不同，每个阶段或每种方法也都有自己的信息需求和适合的组织方式 如何在产品开发各个领域、各个阶段和各种方法之间实现产品信息的顺畅流动，就成为虚拟制造中产品建模技术首先面临的问题 虚拟制造中的产品信息组织应该尽可能方便地被以后的产品开发所重用，这不仅包括产品的数据以及关系信息（它们是变型设计的基础）的重用，还包含设计思想、设计知识的重用（它们是创新设计的基础）

3. 传统的产品模型很难满足虚拟制造的这些需求，它们着重描述产品的详细几何信息，不能在多种视角、多种抽象层次上统一产品信息，也没有记录产品开发过程中重要的非几何信息如设计历史等 由于对产品开发过程本身的认识还没有成熟，没有统一，因此目前研究成果都是针对某个开发过程、某种方法进行的 虽然它们独自很难满足虚拟制造的需求，但是它们为建立一个适合于虚拟制造的产品模型提供了很好的思路，是很有价值的

4. 产品建模虽然在实际应用中有20多年的历史，但其概念化也只是在针对不同的CAD/CAM系统的几何模型引入以后，为了处理大量的复杂产品相关的信息而形成的 自然语言描述 徒手草图 在此之前，产品的表示方式主要有： 工程视图 实体模型

5. 20世纪60年代出现的计算机辅助设计技术，使得产品表达的媒介由计算机代替，产品表达的方式也发生了显著变化，其大体经历了： 面向结构的产品模型 面向几何的产品模型 面向特征的产品模型 面向知识的产品模型 集成化的产品模型 产品全信息模型

6. 面向结构的产品模型 产品结构是面向结构的产品建模的核心。为了表达产品结构，可以用以下几种方法：材料结构类型、归类结构、版本表述结构和差异结构 应用系统中的产品数据存储在产品结构中，订单信息的处理、产品的具体数据及格式、访问函数及网络地址都存储在面向结构的产品模型中 在一个具体参考结构中，不同系统中的相关信息的格式及其相互关系可通过列表实现，应用这种方法，新系统可以通过对原有系统进行修改、集成来实现，只有通过产品模型才能访问系统数据库

7. 缺点：利用这种方法，却难以实现不同系统中功能模块的集成，而且也难以避免数据冗余 面向结构的产品模型的典型例子是AUTOKON系统所支持的船舶设计生产模型 AUTOKON是一个CAD/CAM系统，它只包含有设计与生产数据的大型数据库，为了处理复杂的大型产品，数据库中的数据可以存储真实的、精确的、完整的产品表达，如工程图、表格及其他工程与管理数据，其数据库通过网络数据库管理系统实现

8. 面向几何的产品模型 面向几何的产品模型是指以计算机能够理解的方式对三维几何形体进行精确的描述 早期人们用点和线描述产品的轮廓，称之为线框模型 但是此方法有很大的局限性，难以表示圆锥、球形等复杂形状 为了克服此局限性，诞生了实体造型的方法，它引入体和面的信息，用立方体、圆柱体、球体、锥体等基本体素的集合运算生成所需的几何形体

9. 后来人们发现有些几何形体是由曲面构成，用实体造型方法无法精确描述，因而又诞生了曲面造型方法 面向几何的产品模型在表示零件的几何信息及空间关系方面取得了成功，但是它仅仅记录产品的低层信息，并且没有注意到工程产品的几何形体并不是任意形状的，它有许多规范化的形状单元 面向几何的产品模型，如线框、曲面、实体及混合模型，是一种能够表达具体产品形状的计算机内部模型 这类模型作为CAD系统的基本部分，被用于有限元分析（FEM）和数控（NC）编程

10. 为了支持产品设计，几何模型不仅需要表达产品的最终形状，而且要表达一些辅助形状（auxiliary shapes），如辅助几何和一些其他特性及关系的符号化描述。这就是说，与产品有关的信息都应当与几何模型相关联。 因此，为了表达组织和技术特性，人们对几何模型进行了扩展。然而，由于几何模型数据是用来表达几何形状的，因此，非几何信息表达方面的扩展就是极为有限 关于几何建模方面的主要研究进展集中在20世纪六七十年代

11. 一些早期代表性的系统有：BUILD，COMPAC，PROREM，TIPS－1，PADL，GEOMOD，GPM，ASP－GM，这些系统的功能及系统结构在许多大型应用中可以见到 后来一些企业也开发了自己的面向几何的产品模型。其典型例子就是丰田造型设计系统。该系统开创了对汽车外型的自由曲面的交互式定义与操作的新方法 应用该系统，不需要依赖“泥模”，设计人员就可以利用计算机生成概念化的汽车外型的几何模型，以及产生较为复杂的形状特征。

12. 3.面向特征的产品模型 随着产品建模的进一步发展，技术人员将工程中常用的几何形状单独表达以加快几何造型的速度，这就是形状特征的最初考虑 后来技术人员又认识到，这些形状特征具有非常明确的工程含义，这些非几何信息的加入必将促进下游活动对产品的理解，这样工程应用的需求促进了基于特征建模研究的开展

13. 特征定义了一个零件的几何描述的工程含义，是一些具有明显工程语义的体素，如孔、槽等 特征的定义和分类随着应用不同而有差异，但是它的本质和作用基本是一致的： 首先：它是低层几何元素的有机组合，并表达特定的工程含义 其次，它可以作为尺寸、精度、材料、加工信息等非几何信息的载体

14. 由于特征兼含语义和形状两部分，因此基于特征的建模技术使得设计人员不必关注组成特征的几何细节，而是以一种更自然的工程语言来表达设计对象，由此产生的零件模型也就捕捉到了每一步设计意图，从而促进了下游活动对设计的理解 从STEP中关于形状特征的定义“形状特征是为了某种应用目的而预先构想的模型或者样板”可以清晰地看出特征建模的核心思想： 基于特征的建模是利用机械零件设计中常用到的且能够被常规加工方法所加工的一系列基本几何体及复合几何体的集合来表示所设计的零件

15. 优点：较好地解决了几何建模中零件信息不完备和数据抽象程度较低的问题，能够以符合应用需求的形式和结构描述产品信息 缺点：特征建模是面向零件信息建模的，不能表达部件或产品的功能信息等更大粒度上的语义信息 因此只能支持零件的详细设计阶段，而不能支持产品设计的全过程

16. 作为面向几何的产品模型的扩展，面向特征的产品模型具有能够表达一些常用的与几何要素相关的形状模式的能力，这些形状模式被称为成型特征 成型特征可以独立使用，因为它们并不包含任何具体的非几何语义 大多数成型特征包含有能够表达具体的设计与制造特征语义的形状模式。为了能更好的支持设计与制造任务，必然能够简洁地表达出设计与制造过程特征的语义，以扩展成型特征的概念

17. 因此，特征是成型特征与应用语义的集成。在产品建模中，必须区分设计和制造这两种主要特征： 设计特征应当使设计者按照设计意图很方便地与设计系统进行通信。在概念化设计阶段，可以用原始几何元素与符号表达的特征来描述所需产品的功能，利用这些符号，可以生成表达产品功能的框图 制造特征可以表述如下：从制造、装配、检测角度看，制造特征是各成型特征的解释及其结合。和设计特征一样，制造特征可以用形状组合来构造

18. 例如，FEAMOS（Feature Modeling System）就是一个基于设计与制造特征的系统，利用FEAMOS，产品可以按照包括几何形状的特征进行建模，它提供了记录一个产品建模过程历史的协议 产品建模过程历史，也就构成了零件设计树，它不只是几何建模阶段的集合，而且特征建模器支持整个产品开发的各个阶段，从基于QFD（Quality Function Deployment）的产品需求处理，到详细设计，工艺及装配设计，NC程序产生及检测任务等 基于特征建模的另一种方法是利用面向功能建模器，采用高级功能特征产生机械零件和产品几何。功能特征可以用PDL（Part Definition Language）进行预定义，并可很方便地应用于实际设计中

19. 4．基于知识的产品模型 基于知识的产品模型以人工智能技术的采用为特征，如面向对象编程，基于规则的推理，约束与真值维护系统等 通过采用人工智能，在产品建模时就可以利用关于产品、工艺及工厂环境的人类专家的知识和经验 这种模型的一个主要特点就是将产品和工艺分类成各个抽象化的对象，并在具体产品类中存储有关以前的设计、装配中零件选择、工艺参数等 在应用系统中，尽管在知识的自动处理方面还存在一定的困难，但是基于知识的模型仍可以大大提高在产品建模过程中的信息支持能力

20. 关于基于知识的产品模型的例子时IDEFA（Inteligent Design Environment for Engineering Application）。该系统集成了基于框架的表达、基于约束的语言、基于规则的推理、真值维护系统和面向对象方法，具有和分析程序、数据库、实体建模的接口 该系统还可支持符号化或数值化的知识，支持不同角度的假象推理，冲突决策的自动辨识，可以执行由不同生命周期驱动的多方面问题求解 IDEFA被用于产品建模、工艺规划、企业集成任务，以及被用作设计过程记录系统PRIME（Providing Rationale in Multi－Agent Design Environment）的基础软件层。PRIME用于跟踪多个设计者交互设计时的决策历史与设计理论。IDEFA目前被扩展为支持在虚拟组织中至关重要的分布式一致性推理

21. 5．集成化产品模型 随着计算机辅助技术在产品设计、工艺规划、加工制造等领域的推广和应用，人们发现只有将CAX系统集成起来实现信息共享，才能充分发挥计算机的优势 因此迫切需要由一个相应的数据交换标准和信息表示规范实现不同的CAD系统之间、CAD/CAPP/CAM系统之间的产品数据共享 1979年英国国家标准局完成了标准图形规范IGES，但是它没有包含工艺等几何信息

22. 1984年国际标准化组织在IGES基础上开始制定STEP标准，它采用统一的产品数据模型和统一的数据管理软件来管理与产品有关的数据，目标是以不依赖具体系统的中性格式表示产品在全生命周期中的完整信息 理想的集成化的产品模型包含了面向结构的、面向几何的、面向特征的以及面向知识的产品模型，所有这些类型的产品信息都可以存储在集成化产品模型中。 这里所说的“集成”，包括语义集成，这就意味着需要对设计、工艺、制造等方面语义进行扩展以支持真正企业级的集成。

23. 除了集成化的管理和产品信息的中性表达外，产品知识还必须支持产品的开发过程。产品知识包含产品历史、开发原理、顾客模型、技术要求以及失效模型。对产品知识的表达必须考虑产品生命周期中的各阶段信息。因此，集成化产品模型是产品生命周期中信息的完整表达。除了集成化的管理和产品信息的中性表达外，产品知识还必须支持产品的开发过程。产品知识包含产品历史、开发原理、顾客模型、技术要求以及失效模型。对产品知识的表达必须考虑产品生命周期中的各阶段信息。因此，集成化产品模型是产品生命周期中信息的完整表达。 实现集成化产品建模的一个重要方法是ISO标准10303－STEP STEP（Standard for The Exchange of Product Model Date）为产品开发定义了一种中性的格式，用于产品数据的表达与交换 目的就是在产品生命周期中实现所有与产品相关的数据的完整表达，这种表达独立于具体应用系统

24. STEP分为应用层、逻辑层和物理层三个层次： 逻辑层的核心是集成资源，它是从实际应用中抽象出来的与具体应用无关的完整的产品模型，它有很多子集如产品几何描述子集（包括形状特征描述）、材料子集、公差子集等 应用层的核心是各种面向具体应用的应用协议，STEP通过应用协议来指定在某个应用领域中共享模型的形式和结构，这些应用协议选用集成资源中的资源构件，对它进行变更并增加约束、关系和属性以满足某个具体应用的信息要求 物理层规定集成资源的实现方法和实现形式，如物理数据格式和文件格式

25. 为了表达和开发STEP信息模型，可以利用许多建模工具。其中，数据描述语言Express可以支持集成信息模型的开发 Express语言要素允许定义各种对象及对象约束规则。其实现方法包括定义了物理文件的结构的标准数据库访问接口SDAI（Standard Database Access Interface）。 STEP格式的数据库可以采用Express描述的数据结构来实现。与物理文件相对应，应用SDAI使数据访问独立于STEP数据的物理表达。

26. 集成化产品模型的典型例子就是ESPRIT工程2156、IMPACT的开发 该工程处理分散零件制造中的产品模型的开发，其目标就是开发和展示新一代的产品设计和工艺规划的集成化建模系统 该工程所采用的产品开发的方法，对STEP的研究开发产生了很大的影响，该项目取得了如下成果： （1）产品信息建模的集成化方法 （2）分散零件制造中的一般和具体概念 （3）集成化产品及过程建模的系统组成； （4）集成分布式数据库系统，基于面向对象数据库管理系统的EXPRESS语言

27. 6．产品全信息模型 产品全信息模型的内容，不仅包含产品定义数据，还应包括产品与环境的相互作用，以便规划及预测产品在全生命周期的变化，确定变换准则或变换属性 例如由毛坯与加工设备的交换产生中间形态的产品；由最终产品与应用环境的交互作用产生机械磨损、能量消耗及废弃物，导致产品形态及环境的变迁 产品全信息模型是一个复杂的模型自动生成系统，在产品生命周期的不同阶段，产品模型具有不同视图

28. 在概念设计阶段，只需要概念化的形状信息 在详细设计阶段应具有零部件的几何信息、拓扑信息和结构强度分析模型 在加工制造阶段，需要提供工艺、装配、检验等相关过程的设计信息 产品全信息模型实质上是一个表达产品各阶段各侧面特性的结构化符号集

29. 产品建模策略决定产品建模效率，一般可考虑三种建模策略： （1）自上而下的建模策略：这种建模策略要求先建造产品模型的核心及其主要框架，然后由核心模型分解构成产品的多侧面模型 例如：建造机械产品设计阶段模型时，可先描述产品的物理属性和支配产品功能活动的物理法则，形成产品模型的核心，然后基于这个核心模型衍生出几何模型、有限元模型、运动学模型、振动模型，再进一步衍生出制造模型、装配模型等等 （2）自下而上的建模策略：这种建模策略要求先选择现有的只含部分产品信息的产品模型，然后逐步添加其他信息，以构成全信息模型 例如：先选择产品几何模型作为产品全信息模型的雏形，通过添加公差信息、材料信息、制造信息等构成适合全生命周期的产品模型

30. （3）双向建模策略，在建模过程中单纯依赖上述两种策略中的任一种都是很困难的，因此更多的是采用两种策略的结合 由于全信息产品模型建模的信息量大、模型复杂，因此，关注信息/知识的全相关技术、抽象化技术和模型标注化技术是十分必要的 信息/知识全相关技术是指信息/知识的相互依赖关系，当模型的某一部分修改或变动时，相关的信息/知识也相应地修改或变动，以保持产品模型的一致性和协调性 信息/知识的抽象化技术是指对产品模型进行必要的聚合、一般化，去伪存真、近似化等抽象化操作，以保证产品的有效性 模型标准化技术注重信息/知识描述的标注化与规范化，以提高建模效率，减少不必要的模型矛盾和模型交换中可能发生的问题