現(xiàn)代制造業(yè)信息化技術(shù)-第三章

*3.制造業(yè)信息化系統(tǒng)建模技術(shù)

3.1數(shù)字化產(chǎn)品建模方法

3.2特征建模方法

3.3功能模型建模方法

3.4信息模型建模方法*3.1數(shù)字化產(chǎn)品建模方法

模型是實際對象或系統(tǒng)的抽象及簡化表示，是抽取研究對象的本質(zhì)特征，忽略或精簡一些次要的非本質(zhì)影響因素的對象表示法。3.1.1基本概念

(1).

產(chǎn)品數(shù)據(jù)與產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型

是指產(chǎn)品生命周期所有階段有關(guān)產(chǎn)品的數(shù)據(jù)總和。一個完整的產(chǎn)品定義數(shù)據(jù)模型不僅是產(chǎn)品數(shù)據(jù)的集合，還應(yīng)反映出各類數(shù)據(jù)的表達(dá)方式以及相互間的關(guān)系。*3.1數(shù)字化產(chǎn)品建模方法(2).

產(chǎn)品建模

將人們頭腦中構(gòu)思的產(chǎn)品模型轉(zhuǎn)換成用圖形、符號或算法表示的形式，然后形成計算機(jī)內(nèi)部數(shù)據(jù)模型的過程。換句話說，就是在計算機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生、存儲、處理和表達(dá)產(chǎn)品的過程。

(3).

機(jī)械產(chǎn)品建模

根據(jù)使用需求確定產(chǎn)品應(yīng)具備的功能，構(gòu)思出產(chǎn)品的工作原理、運(yùn)動方式、力和能量的傳遞，結(jié)構(gòu)形狀以及所使用的材料等事項，將其在計算機(jī)內(nèi)部轉(zhuǎn)化為具體描述或數(shù)據(jù)模型，例如圖紙、文檔等。*3.1數(shù)字化產(chǎn)品建模方法(4).

數(shù)字化產(chǎn)品建模

定義和表達(dá)產(chǎn)品在全生命周期中所必需的產(chǎn)品數(shù)據(jù)內(nèi)容，數(shù)據(jù)關(guān)系以及活動過程的數(shù)字化信息模型。換句話說，數(shù)字化產(chǎn)品建模是建立產(chǎn)品數(shù)字化信息模型的過程。

3.1.2零件信息模型

(1).零件信息模型的總體結(jié)構(gòu)

零件信息模型是一個層次的結(jié)構(gòu)，包含有零件層、特征層和幾何層。零件層主要反映零件的總體信息；特征層包含各類特征信息及其相互間關(guān)系；幾何層記錄了零件的點、線、面的幾何/拓?fù)湫畔ⅰ?3.1數(shù)字化產(chǎn)品建模方法基于特征的零件信息模型的總體結(jié)構(gòu)*3.1數(shù)字化產(chǎn)品建模方法(2).零件信息模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

1）管理特征數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

管理特征描述零件的總體信息和標(biāo)題欄信息。E-枚舉數(shù)據(jù)類型I-整形數(shù)據(jù)類型S-字符數(shù)據(jù)類型

2）形狀特征數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

形狀特征包括有幾何屬性、精度屬性、材料熱處理屬性和關(guān)系屬性等。零件類型零件名圖號GT碼件數(shù)材料名設(shè)計者設(shè)計日期其他ESSS1SSS*3.1數(shù)字化產(chǎn)品建模方法形狀特征的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)3）精度特征的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。包括：精度規(guī)范信息、實體狀態(tài)信息、基準(zhǔn)信息。*3.1數(shù)字化產(chǎn)品建模方法4）材料熱處理特征的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

包括：材料信息和熱處理信息。如下圖所示：*3.1數(shù)字化產(chǎn)品建模方法5）技術(shù)特征的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

包括：零件的技術(shù)要求和特性表等。

(3)基于特征的零件信息模型的應(yīng)用舉例技術(shù)要求：調(diào)質(zhì)處理，硬度200-250HBS?；谔卣鞯牧慵畔⒛Ｐ偷臄?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實例*3.1數(shù)字化產(chǎn)品建模方法3.1.3產(chǎn)品信息模型

產(chǎn)品信息模型是指產(chǎn)品從毛坯到成品的整個設(shè)計和制造過程所需要的信息總和，它是由產(chǎn)品結(jié)構(gòu)信息模型和產(chǎn)品工藝信息模型組合而成的復(fù)合模型。

(1).產(chǎn)品結(jié)構(gòu)信息模型

1）產(chǎn)品結(jié)構(gòu)信息模型

產(chǎn)品結(jié)構(gòu)信息模型是描述產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)組成以及各組成元素相互關(guān)系的信息總和。構(gòu)成產(chǎn)品的組成元素包括部件、組件和零件。

產(chǎn)品結(jié)構(gòu)信息包含三類信息：工程圖形信息、基本屬性信息、裝配信息。*3.1數(shù)字化產(chǎn)品建模方法產(chǎn)品結(jié)構(gòu)信息模型如下：

產(chǎn)品結(jié)構(gòu)信息模型也可以用產(chǎn)品明細(xì)表BOM進(jìn)行描述。其結(jié)構(gòu)為：零部件代碼零部件基本信息(圖號、材料、規(guī)格、來源等)父件代碼*3.1數(shù)字化產(chǎn)品建模方法2）產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的自動編碼及可視化處理一般采用層次數(shù)字碼來描述樹形產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。首先要對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進(jìn)行編碼。產(chǎn)品結(jié)構(gòu)碼編碼規(guī)則如下：*3.1數(shù)字化產(chǎn)品建模方法

圖中××為產(chǎn)品的基本信息；@位代表了層次結(jié)構(gòu)，且肯定不為零；#位為順序號，如####表示0001～9999的順序號。

產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的可視化處理是利用計算機(jī)對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)碼進(jìn)行分析，再現(xiàn)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹的處理過程。*3.1數(shù)字化產(chǎn)品建模方法(2).產(chǎn)品工藝信息模型

產(chǎn)品工藝信息模型是表示構(gòu)成產(chǎn)品的零件從毛坯到成品的全部工藝過程信息的模型。產(chǎn)品工藝信息模型示意圖如下：*3.2特征建模方法3.2.1

特征與特征建模的概念

特征：是一組具有特定屬性且相互關(guān)聯(lián)的幾何形體，是零件形狀、工藝和功能等特征信息集的綜合描述。它能攜帶和傳送有關(guān)設(shè)計和制造所需要的工程信息。

特征建模：是指通過特征及其集合來定義和描述零件模型的過程。*3.2特征建模方法3.2.2特征的分類與特征間的關(guān)系(1).特征的分類

1）形狀特征

描述零件上有一定拓樸關(guān)系的幾何形狀信息。形狀特征是攜帶其他特征信息的載體。形狀特征可分為主要形狀特征和輔助形狀特征，其中主要形狀特征用于構(gòu)造零件的基本形狀，輔助形狀特征用于對主要形狀特征的補(bǔ)充。

2）精度特征用于描述產(chǎn)品、零件幾何形狀和尺寸的誤差信息。

3）材料特征用于描述產(chǎn)品、零件的材料成分、物理化學(xué)指標(biāo)、熱處理方法

*4）技術(shù)特征用于描述產(chǎn)品、零件的性能、工藝技術(shù)要求、功能等信息。5）管理特征6）裝配特征用于描述零件之間、特征之間的裝配關(guān)系、裝配方向、配合表面、裝配順序、裝配工具等信息3.2特征建模方法*3.2特征建模方法(2).特征表達(dá)與特征聯(lián)系

1）特征的表示與約束對形狀特征的表示有三種方法，即邊界表示(B-rep)、幾何體素構(gòu)造表示(CSG)和二者的混合表示。

特征約束是指對特征的形狀尺寸或工程信息的限制。分為幾何約束和工程約束。

2）特征聯(lián)系

鄰結(jié)關(guān)系：反映主要形狀特征間的空間相互位置關(guān)系。

所屬關(guān)系：反映特征對象與其所屬特征類間的關(guān)系。*3.2特征建模方法

引用關(guān)系：描述特征類間作為關(guān)聯(lián)屬性而相互引用的關(guān)系。

附屬關(guān)系：輔助形狀特征從屬于一個主要特征或另一個輔助形狀特征構(gòu)成的關(guān)系。3.2.3

制造特征的層次結(jié)構(gòu)

制造特征之間可以形成樹狀的層次結(jié)構(gòu)。特征之間是否形成父子關(guān)系，取決于加工時是否相互影響。零件特征對象的層次結(jié)構(gòu)如下圖所示。

零件特征的對象層次結(jié)構(gòu)圖*3.2特征建模方法3.2.4特征建模

(1).

特征模型零件特征的組成可用如下特征集F

表示：式中：i表示特征數(shù)；j表示特征分類；

—形狀特征集；

—精度特征集；

—材料特征集；

—裝配特征集；

1）零件特征模型可以用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)表示，如下圖所示：*2）零件相關(guān)性特征模型也可用特征關(guān)系樹表示，關(guān)系樹的建立過程如下圖所示：a）零件特征構(gòu)成模型b）零件特征關(guān)系分析c）零件特征關(guān)系樹*3.2特征建模方法(2).

特征的層次結(jié)構(gòu)特征的層次結(jié)構(gòu)可以定義為三層(如下圖所示)，即應(yīng)用特征層、形狀特征層和幾何表達(dá)層。應(yīng)用特征描述生產(chǎn)活動的過程屬性。

應(yīng)用特征層描述生產(chǎn)活動的過程屬性。

形狀特征層描述特征的基本形狀構(gòu)成。

幾何表達(dá)層是表達(dá)特征形素構(gòu)成信息(點、線、面、體)的數(shù)學(xué)模型和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。*特征層次結(jié)構(gòu)面向設(shè)計過程的特征分類層次細(xì)化結(jié)構(gòu)(3).

基于特征的零件信息模型的層次結(jié)構(gòu)用零件總體信息層、特征信息層、形狀幾何層三層來描述，如下圖所示：*3.3功能模型建模方法

功能建模常用的方法是IDEF0方法。該模型由一系列圖形組成。圖形元素主要是簡單的盒子及箭頭。

IDEF0方法把描述功能活動的圖形稱為活動圖形，其中，盒子表示活動，箭頭表示由系統(tǒng)處理的事件。

3.3.1

活動圖形

IDEF0模型按照結(jié)構(gòu)化方法自頂向下，逐步分解細(xì)化。一個系統(tǒng)的功能模型用一組遞階分解的活動圖形來表示，其遞階關(guān)系可以表示成樹狀結(jié)構(gòu)，底層的詳細(xì)圖是頂層較抽象圖的一個分解，頂層較抽象的圖稱為父圖，底層詳細(xì)圖稱為子圖。*3.3功能模型建模方法3.3.2

盒子

盒子代表活動，用主動的動詞短語來描述，盒子的內(nèi)部寫上描述盒子的短語，盒子的右下角寫上編號，從1編到6。盒子的四邊表示輸入、控制、輸出與機(jī)制。3.3.3箭頭在活動圖形上，箭頭代表資料約束，而不代表流或順序。

IDEF0遞階層次分解圖

箭頭有兩類：一類稱內(nèi)部箭頭，它的兩端分別連在圖形的盒子上。另一類稱邊界箭頭，它兩端中的一端是開的，表示由圖形以外的活動所產(chǎn)生，或供圖形以外的活動所使用。盒子底部的機(jī)制箭頭指出活動是依靠什么來完成的。*3.3功能模型建模方法3.3.4功能建模的基本原則及應(yīng)用實例

IDEF0圖展開的基本原則是：

1）一次分解的子功能數(shù)不宜超過6；

2）對展開的子功能進(jìn)行編號，編號按子功能在圖形中的位置自上而下，從左至右的順序，用自然數(shù)標(biāo)注在盒子的右下角；

3）展開后圖形中的箭頭有兩類，一類是內(nèi)部箭頭，其兩端分別聯(lián)到兩個盒子上，表示兩個子功能之間的聯(lián)系；箭頭也可以連到同一個盒子的不同側(cè)面上，表示該功能本身存在的反饋作用；另一類箭頭是邊界箭頭，表示子功能繼承了其父功能的某種對外聯(lián)系；

4）ICOM碼。I、C、O、M碼分別代表輸入、控制、輸出和支撐機(jī)制；

5）結(jié)點號用來標(biāo)志圖形和盒子在層次中的位置。CAD/CAM系統(tǒng)功能模型AO圖3.4信息模型建模方法(121-132)*3.4信息模型建模方法

信息模型是指采集和整理共享信息數(shù)據(jù)的基本模式及其聯(lián)系，信息模型建模常用的方法是IDEF1X方法。3.4.1IDEF1X模型的基本結(jié)構(gòu)

IDEF1X模型的基本結(jié)構(gòu)：

1）包含數(shù)據(jù)的有關(guān)事物，例如人、概念、地方和事物等，用盒子來表示；

2）事物之間的聯(lián)系，用連接盒子的連線來表示；

3）事物的特征，用盒子中的屬性名來表示。*3.4信息模型建模方法

其基本成分有：

(1).實體(entity)

實體包括三部分內(nèi)容：語義、語法和規(guī)則。實體表示具有相同屬性或特性的一個現(xiàn)實或抽象事物的集合。實體又分為獨(dú)立實體和從屬實體兩類，獨(dú)立實體是指從不依賴于其他實體存在的實體；從屬實體是指必須依賴于其他實體才能存在的實體。

IDEF1X用矩形表示實體，其中方角的矩形表示獨(dú)立實體，圓角的矩形表示從屬實體。在矩形的上方應(yīng)標(biāo)出實體的名稱和序號，用“/”分隔。實體的名稱不允許有二義性，通常用名詞或名詞短語命名。*獨(dú)立實體和從屬實體的表示符號實體存在下述規(guī)則：

1）每一個實體必須有惟一的實體名；

2）一個實體可以有多個屬性，屬性可以是自身固有的，也可以是繼承的；

3）實體應(yīng)有一個或多個能惟一標(biāo)識實體實例的屬性；

4）任何實體可以與其他實體有聯(lián)系。*3.4信息模型建模方法獨(dú)立實體

獨(dú)立實體的各種屬性的數(shù)據(jù)通常以表格、曲線、手冊等形式出現(xiàn)，在相當(dāng)一段時間內(nèi)穩(wěn)定不變，并經(jīng)常被查問和引用。采用只讀靜態(tài)數(shù)據(jù)庫的方法來維護(hù)的。從屬實體獨(dú)立實體參與生產(chǎn)活動所派生出來的動態(tài)信息，按照IDEF1的定義，屬于從屬實體或派生實體。派生實體的各種屬性信息的數(shù)據(jù)將隨時間不斷地改變，是生產(chǎn)活動過程中產(chǎn)生的報表，用于反映事物在某一時間的狀態(tài)。中間數(shù)據(jù)信息也是一種從屬實體。*3.4信息模型建模方法(2).屬性

屬性表示實體的特征和性質(zhì)；屬性名稱一般用名詞或名詞短語表示。實體被一水平分割線分割，其中主關(guān)鍵字屬性位于實體分割線的上方，非關(guān)鍵字屬性位于下方。

屬性存在下述規(guī)則：

1）每個屬性必須有一個惟一的名稱。

2）一個實體可以有多個屬性，一個屬性只能屬于一個實體，這就是“單屬規(guī)則”。

3）一個實體可以有多個繼承屬性，而每個繼承屬性都必須是某個相關(guān)的父實體或一般實體主關(guān)鍵字的一部分。*3.4信息模型建模方法

4）實體實例不允許重復(fù)，即為非重復(fù)規(guī)則。屬性及其表示如下圖。(3)連接關(guān)系在IDEF1X中，連接關(guān)系用來描述實體之間的聯(lián)系。連接關(guān)系包括確定連接關(guān)系、非確定連接關(guān)系和分類關(guān)系三種。確定連接關(guān)系是“一對多關(guān)系”。非確定連接關(guān)系又稱為“多對多關(guān)系”。*3.4信息模