基于网络的产品协同设计和协同制造 - 文章

基于网络的产品协同设计和协同制造

作者：同济大学机械工程学院齐从谦

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随着市场对产品多样化和个性化需求的日益增长，产品更新周期越来越快，客户对产品供货期的要求越来越短。为了适应这种变化，企业不仅需要内部各部门之间的高度协调，更需要加强企业与企业之间的协同与合作，实现区域内或跨地域的企业之间的信息资源、人力资源及设备资源的共享和互补，以共同提高对市场需求的反应速度。Intranet/Extranet及Internet的迅速普及，为制造业提供了一个极为有利的发展空间。基于网络的协同设计和协同制造，就是在这一背景下提出的。

CSCW——协同设计的工作环境

计算机支持的协同工作（Computer Supported Cooperative Works，CSCW）是网络化制造工程的核心技术之一，它支持动态企业联盟内分布于不同地域的多功能项目组成员开展基于网络的协同工作，用于选择、评估、发送与接收产品数据，分析技术方案，快捷迅速地完成设计并投入生产。

为满足分布式协同设计/制造/商务的需要，基于Internet的CSCW体系结构除了具有分布性的特点外，还应具备如下一些功能机制：

1.协调机制——异地协同工作中十分强调成员合作的重要性。为了有效地实现来自多领域的成员之间的合作，除了使成员之间能够方便地交换数据和信息外，更重要地是要实现各成员之间的协调。

2.冲突消解机制——由于在产品及其相关过程的设计中，各专家的学科背景、目标、兴趣等的差异，可能会产生冲突，冲突的及时处理将直接影响协同工作的结果。一种分布式智能协商（冲突消除）处理系统，使得分散在异地的CAD、CAPP、CAM协同工作项目组成员在该系统的支持下，进行有效的群体协作。

3.通信机制——通信问题是CSCW中的共性问题。为了实现CSCW中的通信功能，需要对OSI协议进行扩展，在高层增加多媒体通信服务层。由于在协同设计/制造中数据量大、数据类型复杂，目前网络可用带宽有限，将极大地影响实时协同的效果。因而，需要研究在不同带宽情况下采用的不同通信机制，如根据媒体优先级进行传输、传递协同行为而不是协同数据、数据压缩技术等。

4.数据管理——在支持分布式协同设计/制造/商务的CSCW环境中，一个项目版本数据可能被多个专业人员所使用，一个专业人员也可能生成一个对象的多个版本。协同工作是个反复迭代和不断选优的过程，存在着对版本的不断更新、合并、删除等操作。因此，CSCW环境下进行协同设计需要合适的数据管理机制以使授权小组人员能够随时访问相关数据，并保证这些数据总属于最新的版本，同时通过对版本变化过程的控制以维护工程设计信息的前后一致性和给设计中的修改提供有效支持。

5.柔性和开放性——指在不同的状态或模式间进行动态改变的柔性以及开发和使用环境的开放性。在协同设计过程中，来自各个领域的协同小组需要实时地感知其它协同小组的进程。由于协同小组的参与往往是动态的，使得协同过程的交流具有不可预见性，这就要求系统具有高度的柔性。为此可采用以分布式（B/S模式）为主、集中式（C/S模式）为辅的实现方式。

为了实现CSCW的全局目标，系统实施可采用三个层次上的协同。系统结构如图1所示。

图1 支持协同工作CSCW系统结构

数据层——通过统一的产品信息模型支持产品的多视图表达，满足产品全生命周期信息共享与应用需求。

通信层——各功能小组在协同过程中通过网络交流信息，实现物理上的分布，逻辑上的统一。

应用层——多功能小组充分发挥各自的优势，利用各种CAX、DFX、RE、RPM、PDM等软件工具，在协同设计环境的支持下，共同完成协同任务，快速响应市场需求。

“自顶向下”—协同设计的工作方式

产品设计过程是一个复杂的创造性活动，现今流行的CAD系统提供了很强的零件三维实体造型功能和装配功能。这里推荐使用一种“自顶向下”（Top-down）的设计方式，设计首先从产品的顶层开始，根据产品功能要求，先设计出初步方案及其结构草图，建立约束驱动的产品设计模型，通过约束求解，得到满足功能要求的产品设计方案，经过评价修改之后确定设计方案，然后再展开细节设计（见图2）。

图2 自顶向下设计的工作流程

采用“自顶向下”的方法进行产品设计、开发，是通过在装配中建立零件来完成整个产品设计，这种设计方法在产品的概念设计环节尤为重要，在此后的详细设计中能够利用在装配顶层定义的约束条件比较便捷的建立组件部件；在装配顶层所定义的总体参数、外围轮廓尺寸、组件位置等可以“相关地”向下传送到下层的组件部件中，从而大大简化设计过程；而且概念设计数据和细节设计数据是在不同的设计空间中定义的，便于在各层次之间继承和传递信息。因此，“自顶向下”的设计方法能够为并行工程和团队设计提供基础，已成为CAD领域的研究热点之一；也是基于网络的协同设计所应遵循的一种工作模式。

TBS模型—支持协同设计的理论与方法

实现CSCW的关键是各协同小组的合作，而合作的基础是有效的信息共享。协同设计涉及的数据广，类型复杂。因此，建立一种基于特征的、符合STEP标准的统一产品信息模型，才能有效地支持协同工作和产品全生命周期内的信息共享。

一. TBS概念的提出

文献提出一个面向三维设计的“顶层基本骨架”（Top Basic Skeleton，TBS）的概念，用以支持在三维设计环境下设计信息的动态传递。动态传递是指：设计信息不仅能够自顶向下传递，而且能够自下而上的传递；不仅能够纵向传递，而且能够横向传递；还能够实现对设计信息的共享、控制和信息变更的传递。

从产品的空间结构上来看，产品的TBS类似于该产品的三维装配布置图，它能够代表产品模型的主要空间位置和空间形状，能够基本反映构成产品的各个子模块之间的拓扑关系、以及其主要运动功能，是一个用3DLayout来驱动自顶向下设计的核心。从其自身的不断发展以及它与后续设计的继承和相关关系上来看，它是整个产品自顶向下设计展开过程中的核心，是各个子装配之间相互联系的中间桥梁和纽带，从而实现对整个自顶向下设计过程的驱动。

TBS概念的引入，为三维设计带来一种创新性的设计方法：在产品设计的最初阶段，按照该产品的最基本功能和要求，首先在设计顶层构筑一个“基本骨架”，即“顶层基本骨架”——TBS，然后将它传递到下层的各个子系统，随后的设计过程基本上都是在该TBS的基础上进行复制、修改、细化、完善并最终完成整个设计的过程。在构筑产品TBS时，更注重在最初的产品总体布局中捕获和抽取各子装配和零件间的基本特征以及相互关联性和依赖性。这才是TBS的真正内涵。

二. TBS的主要功能

1. 管理——TBS可以被用来管理大型的装配设计，允许设计者仅仅调出顶层装配的基本骨架到内存中，来控制整个产品的设计及更改。TBS包含了重要的设计基准，如：基准的方位，产品的外形，子装配、零件及设计参数，如最重要的尺寸所需要的空间要求。可以在顶层对基本骨架进行更改，而这些更改将会被传递到其下的所有子系统中，这时的信息传递是自上而下的。

2. 组织——TBS可以增强零件在装配中的相互关联和依赖性。这些存在于实际装配之中的相互关联和依赖关系可以很好地在最初的总体布局中被捕获并抽取出来，构成TBS，为子装配和零件所享用。

3. 空间位置的布置——产品概念设计最重要的一步就是产品的各个部件和零件空间位置和大小的分配与安置，它包括许多限制和基准，因此，就要在装配件的顶层建立起包含许多信息的TBS模型以约束其下层的子系统。

4. 共享数据——一个有组织的装配骨架必须包含下游所需的关键信息，并且能够在不同层次间被传递，如果在某一层发生改变，那么和它相关联的装配和零件都能够获得这种最新的改变。这种好处是使得团队合作成为可能。在这个团队中有不同的子团体和个体，他们分别在进行不同的子装配设计和零件设计，由于这种数据的共享和在内存中存在的唯一性，使得一个复杂的装配设计在早期就可以分解成不同的、简单的子装配和零件，进而分配给不同的子团体和人员进行详细设计。从而体现出TBS模型对协同设计的支持。

5. 变更的传递——可以用TBS来控制变更。一种变更是在装配的顶层通过对捕捉的设计意图进行更改，再通过参数设计的关联性将这种变更传递给下一级子装配或零件以及相应的模具，直至反映到NC加工的程序编制中。另一种变更是在零件设计中产生，即各个子团体和个人所设计的零件或子装配发生变更，这些组件或零件回代到产品总装配时，变更在产品的顶层实施。因此，这种信息的传递是自下而上的。

三. TBS模型的特征及建模方法

TBS模型的主要特征

TBS模型是基于特征和参数化的，并符合STEP标准。它所具有的几何特征、拓扑特征及装配特征能够供其下层的子系统享用，不仅可以控制子系统的位置和大小，还可以表达具有配合、约束关系的零部件间的几何信息和拓扑关系。

TBS模型的几何特征——在自顶向下设计中，TBS作为产品总装配及各级子装配和各零件的统一几何基准。TBS模型所描述的产品几何特征的装配基准可以理解为系统提供的坐标原点、默认的基准平面、以及基准面的交线。它包括基准点、线、面；空间的点、线、面或者是产品的点，轮廓线，轮廓面等。通过生成与系统提供的默认基准有着约束关系的坐标系、基准面或者基准轴等几何元素作为TBS的要素，也可以将产品的轴线，产品外形控制线以及控制线上的控制点（中点、端点、切点）等作为产品的TBS来控制产品特征。

TBS的拓扑特征——在建立产品的装配模型中，确定具有装配关系的零部件在空间的位置尤为重要，产品建模过程中必须反映这些零部件的空间位置以及相互关系。建立产品TBS模型时，要充分考虑零部件的几何结构尺寸的定位及零部件之间的耦合、对齐、插入、同轴及定向等连接关系。这就是TBS的拓扑特征。

TBS模型的装配特征——产品的TBS模型是一个具有抽象层次概念的装配级设计模型，它能反映产品的几何特征并能实现不同层次抽象信息的统一表达，还能反映产品总装配与局部子装配之间的关系，并控制子TBS在总TBS模型中的位置。在由TBS控制的产品模型中，只要给定有配合关系的子装配之间、有配合关系的零件之间的TBS控制线、控制点和局部坐标，就可以保证各个子装配的装配关系、配合关系以及约束关系。

TBS的建模方法和步骤

1.构建“骨架模型”——在产品设计的最初阶段，按照该产品的最基本功能和要求，在顶层构筑一个3DLayout即三维骨架模型，用来定义一个装配体的基本功能要求、基本结构和全局参数及参数之间的顺序依赖关系，其零部件可以是一个概念上的三维图形或参数草图，然后建立参数、尺寸之间的关系和零部件自动定位所需的全局基准。

三维骨架模型是一个组件式的框架，它定义各组件设计的框架、空间要求、界面及其它几何、物理属性，是TBS的重要组成部分，但骨架模型并不顾及组件的具体尺寸和细节。一个产品按其结构和功能可以分解为各级子装配体，每个子装配体完成一定的功能，零件是最基本的功能单元，因此在构筑骨架模型时，更注重在最初的产品总体布局中捕获和抽取各子装配和零件间的相互关联性和依赖性。在设计后期，用一个个具有实际功能形状的复杂零部件来置换原始三维草图中的简单图形，从而实现自顶向下设计的全过程。

2.复制“几何参照”和“基准参照”——通过“复制”机制实现骨架模型在三维空间中的映射。复制的重点是：基准点、线、面；空间的点、线、面即对应与产品的点，轮廓线，轮廓面等。包括：

内部复制几何参照——对于主装配的TBS而言，其几何参照的复制在系统内部产生；

外部复制几何参照——对于子装配的TBS而言，其几何参照的复制在系统之间或零件之间产生；

基准参照的复制——构建TBS时，点、线、面及坐标系等的复制。

3.最后，通过输入零部件之间的配合关系，建立装配体的几何约束。

这里，以手提式音响为例，按照以上各步骤，在系统内部或系统之间复制几何参照，建立其TBS模型（见图3），从而在整个装配或子装配内建立了一个统一的设计标准，并为以后的详细设计传递和变更信息提供一个的便捷的信道。

图3 基于TBS模型的产品设计

TBS的设计思想可以延伸到产品的各级子装配模型、零件甚至模具设计中去，从而体现出它对协同设计中“任务分包”的支持。对于团队设计来说，仿效在装配顶层的“复制几何参照”，可以在各个子组件中创建骨架模型，即子TBS，然后通过网络把这些模型发送给位于不同地域的设计小组。每个设计组不必访问顶层组件即可对子组件内的模型进行详细设计。因为每个小组的骨架模型都是通过复制来自顶层的参照而生成的，所以每个设计者都使用同样的设计标准，将始终保持相关性。当各个设计小组的细节设计完成后，又可以经由网络把这些零件模型发送给总设计师，以坐标重合的方式装配在一起，从而获得产品的总装图。这正是TBS模型支持协同设计的由来。

网络化环境下的协同制造

基于TBS模型的协同设计过程可以进一步延伸到制造领域中。这里以模具产品为例，介绍实现模具协同制造的过程。

一. 由产品设计向模具设计的传递

模具设计是基于零件的，因此也就继承了零件所享有的所有相关关系，并一直延续到后期的模具NC加工之中。由于尺寸驱动和父子关系的继承，顶层骨架的变更会完全反映到每个相关零件及模具上。

图4描述了这种传递和继承的过程。用“顶层基本骨架”来控制这种变更。在顶层基本骨架中对控制电池门的分模面进行更改，这种更改可以自动地传递到它下面的每一个子装配和零件以及与之相应的模具。

图4 由零件向模具的传递

二. 模具协同制造的关键技术

制造任务的关联与分解

一套模具产品一般都是由一系列零部件按照一定的装配关系组成的，这些零部件之间存在具体的约束关系和关联。模具协同制造的过程就是实现各零部件加工制造任务的分解并落实到每个协同制造“成员”，完成这些加工制造任务，最后进行装配、试模，直至交付使用。

目前的协同制造任务规划主要还是凭借模具制造领域专家的经验进行，总任务的分解，任务的调度大都采用直接交流和当面协商的办法解决。这在很大程度上削弱了任务规划的效率。

在当前无处不在、无时不在的网络化环境下，完全可以通过网络的互通互联实现模具制造任务的分解与调度。图5表示基于网络BBS（电子公告板）以制造资源作为分解原则的任务规划结构。由盟主在网络BBS上发布任务信息，各协同成员通过BBS对任务分解提出建议，并根据自身所拥有的制造“资源”来展示其“功能”，从而确定自身在协同制造这的“角色”，获得需要且能够完成的子任务。

图5 基于网络BBS任务规划结

制造过程中的约束求解

各协同成员共同参与模具产品开发过程，其间必然存在许多相互制约、相互依赖的关系，其中包括设计、制造的规范，精度、质量标准的认同及一致性要求，零部件价格及交货期等。这些关系可以通过建立一个“约束模型”，采用分层的约束网络描述各协同成员间的约束、依赖关系，将协同制造的任务分解为产品级、部件级、零件级，或根据制造资源按加工制造功能进行分解，实现优化求解。

冲突消解

由于协同成员对模具产品开发考虑的角度、评价标准、知识领域不仅相同，在协同制造过程中必然会发生各种冲突。从某种意义上来说，协同制造过程就是一个冲突产生和化解的过程。

在模具产品开发过程中，冲突的种类包括知识冲突、计划冲突、数据冲突、时间冲突、资金冲突等多种形式。一种“基于集成的冲突消解模型”从制造过程的全生命周期出发，对检测到的冲突进行归档分类，根据冲突的类型采用适当的消解策略，通过知识推理、约束松弛、仲裁等方式来化解冲突，不同的消解策略可以互补。

基于集成的冲突消解模型主要由四大模块组成：

冲突检测——通过约束传播检查制造结构是否满足整个约束网络，检测制造过程的约束违法情况，捕获协同中存在的冲突并进行登记。

冲突归档——对捕获的冲突进行分析，建立各冲突的关联图，对冲突分类归档。

冲突消解——冲突消解策略主要包括知识推理、约束松弛、仲裁三种。

冲突管理——管理冲突的相关信息；保存冲突消解历史；相关冲突消解知识库、冲突案例等。

三. 模具加工设备的互联互通

开展区域性模具协同制造的一个重要作用是充分利用区域内模具制造资源（人力和设计能力、设备加工能力、材料供应与互补、热处理等），从而大大提高模具开发效率，缩短开发周期，进一步提高整体竞争能力。加工模具的数控机床可以位于本地，也可以位于异地。在这两种情况下，机床的控制协同都可以通过网络通信系统而联接起来。目前，在企业内部，大多数数控系统是通过微机上的RS232C/RS485串口联接在一起的。新型的数控系统配置了网卡，机床控制系统有自己独立的IP地址，位于异地的数控机床能够实现基于TCP/IP协议的互联互通（见图6）。企业之间可以通过Internet传输和转换NC代码，进行加工之前的模拟仿真和协同制造。

图6 数控机床的网络通信界面

例如国内某地区于2003年组建了模具网络化制造动态联盟后，承接了一大型建材公司的40余个品种的塑钢窗型材挤塑模业务，交货期仅三个月。盟主企业把该项市场基于在网络的电子公告板上发布之后，很快得到相关企业的加盟。经过在网络上的多次协商，盟主充分发挥自己拥有26台数控电火花线切割机床（其中6台为低速走丝机）的优势，把自身主要精力放在挤塑流道的精密加工上；挤塑模型腔和模具总装设计任务分解到拥有先进CAD软件（Pro/E、Solid Edge）的公司完成，把刨、铣削模板模座平面的加工任务分解到拥有多台刨床、铣床和廉价劳动力的民营企业；模具关键零部件的淬火、回火热处理任务则分解到拥有大型真空感应炉的军工企业（该企业的这台真空炉由于耗电大每年开工率不足20%）。从而盘活了本地区的模具制造资源，圆满地完成此项标，得到了客户的赞誉，大大提升了该地区模具制造的整体市场竞争力。 (end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (10/25/2005)


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