机械产品数字化设计信息管理平台的开发

方子帆 舒文辉 陈少平 何孔德 黄朝学

(1.三峡大学机械与材料学院,湖北 宜昌 443002;2.中国船舶重工集团公司第七一○研究所,湖北 宜昌 443003)

产品设计是产品质量的灵魂[1].为了设计出高质量的机械产品,必须不断提高设计的水平.对此,科学技术工作者已提出了各种各样的设计方法,如虚拟设计、并行设计、智能设计、优化设计和绿色设计等,然而这些先进的设计方法中最基本的是数字化设计.它是基于产品描述的数字化设计平台,建立基于计算机的数字化产品的模型,并在产品开发全程应用,达到减少或避免使用实物模型的一种产品开发技术[2].然而,随着设计工作的进行,产生的设计信息越来越多,设计人员之间的信息交流也越来越频繁,同时由于机械产品设计的复杂性,企业之间常常组成“企业联盟”进行异地协同设计,此时,产品设计数据的有效管理、信息的共享与协同设计[3-5]的实现问题越来越突出.目前,国际上一些大公司和企业采用了产品数据管理技术[6]及其它技术,在产品的协同设计和信息共享方面达到了工程应用的阶段,但其实用性不好、缺乏全球范围的通信和友好的用户接口,难以在企业中快速实施应用.

基于此,本文针对机械产品设计过程中的数据管理、信息共享和协同设计的要求开发了机械产品数字化设计信息管理平台.该系统利用ASP.NET技术,基于B/S模式,采用C#编程语言,通过网络和数据库技术实现机械产品设计信息的共享和分布式管理,方便用户对相关信息进行访问与操作,以求完成产品的并行协同设计目标.

1 设计流程及设计信息

1.1 设计流程

设计流程是企业产品开发的核心和重要规则,对设计流程的提炼和重用将大大提高企业产品开发的效率[7].将数字化设计技术应用于机械产品的开发,组建如图1所示的机械产品数字化设计流程.

图1 机械产品数字化设计流程

对该流程图作如下说明:①方案设计,即根据设计任务的要求,对产品进行功能分析,确定功能参数和系统原理模型;②详细设计,即利用知识工程和机械产品CAD设计系统确定系统的详细模型,进行运动学、动力学设计;③零部件数字化建模,即根据详细模型的几何参数,采取各种建模方法建立零部件数字化模型;控制系统设计,即根据详细模型提出的动力学性能要求,确定控制策略,设计控制器、传感器和接触装置;辅助系统设计,即根据系统的功能要求设计辅助系统;④对零部件进行有限元分析等各领域的性能仿真分析;⑤机械产品数字化虚拟样机,即根据零部件数字化模型、控制系统和辅助系统的设计结果,组建系统的数字化虚拟样机并进行系统仿真分析,确定系统可靠性、可维护性、实用性、可升级性、可处理性等生命周期因素满足要求,如不满足要求,则返回作改进,直至满足要求为止;⑥二维工程图,即当分析结果满足要求时,根据三维数字化零部件模型输出零部件的二维工程图.

1.2 设计信息

数字化设计流程中会运用到不同的工具软件,如CAD、CAE软件等.这些工具软件会产生格式不同、类型多样、形态复杂的数据和信息,可分为如下3类.

(1)设计分析型数据.设计分析型数据是指在设计过程中分析、处理机械产品得到的产品数据,包括几何模型数据、分析模型数据、分析结果数据和程序文件等,如在控制系统的设计过程中会产生大量的程序文件,建立数字化虚拟样机进行分析时会产生前面3种数据.设计分析型数据具有动态性、修改频繁性和语义可不一致性等特点.

(2)图形数据.图形数据是指以图形形式表现出来的工程图表、二维图、三维图.如建立系统的零部件数字化模型会产生大量三维图.由于图形数据是由复杂的拓扑关系形成的网状结构,存储处理非常困难,加之机械产品设计的中间结果和最终结果很大一部分是以图形的形式表现出来的,因此图形数据的管理是信息管理平台需首要解决的难点.

(3)管理型数据.管理型数据是指产品设计过程中所用到的数据资料文档,包括技术手册资料、国家标准与设计规范、产品目录文档以及图纸资料文档等,如方案设计会产生一些文档数据等.

1.3 信息管理方式

机械产品设计过程产生的数据类型多样、形态复杂,相互之间联系密切,并且数据存取量较大,同时机械产品设计是一个反复迭代的过程,设计数据经常变更,传统的文件管理方式或数据库管理方式已不能适应机械产品数字化设计信息管理的需求.而工程数据库支持复杂数据类型、复杂数据结构的管理,支持反复迭代的产品设计过程,支持动态模式的修改和扩充等,它不但能管理常规的管理型数据,还能够管理设计分析型数据和图形数据,因此采用工程数据库进行管理.

2 信息管理平台的开发

2.1 系统概述与开发环境

利用数字化设计技术进行产品设计使得异地产品开发人员通过共享设计信息进行协同设计成为可能.在网络环境下,利用信息管理平台进行产品设计,可以使异地专家之间充分利用其独特的专业背景和专业经验,在设计思路、设计形式和设计过程等问题上进行交流,共同完成设计目标,实现产品设计活动的协同和综合优化.

为了实现产品设计过程的数据管理和信息共享,构建协同化的产品设计支撑平台,采用对象关系数据库软件构建工程数据库来存储和管理各类复杂数据,结合网络技术,可以方便、安全、有效地实现产品设计数据的查询、添加、修改和删除等管理.同时,采用虚拟现实建模语言(VRML)[8]作为网络发布语言,使用户在网络环境下无需安装其它CAD软件就可以浏览产品三维虚拟模型,并获取模型特征信息,加强了数据共享和交互能力.

由于产品设计数据量大、类型复杂、结构多样,选用对象关系数据库Oracle作为系统的数据库平台,实现信息系统的安全、稳定、可靠运行.在满足数据管理、信息共享和协同设计要求的前提下,基于微软推出的.NET技术架构,利用ASP.NET技术和C#编程语言,采用ADO.NET数据库访问技术,开发机械产品数字化设计信息管理平台,对产品设计过程实施信息化管理,加强信息共享程度,实现产品的协同化设计.

2.2 系统逻辑结构

系统逻辑上是一个典型的3层B/S数据库应用结构,不需要安装专门的客户端程序,只要有浏览器即可,因此它不需要考虑安装、配置和维护数据库连接软件等问题,用户接口较为友好.由客户端通过H TTP向Web服务器发送Web请求,Web服务器能够自动地协调和处理来自多个客户端的请求;中间服务器负责数据更新,它处理所有定义的数据集的细节以及与数据库的交互,图2所示为其逻辑结构.

图2 管理平台体系结构

2.3 系统功能模块设计

该信息管理系统包括以下几个主要模块:项目管理、用户管理、留言板和用户帮助,图3所示为其功能模块图.

图3 机械产品数字化设计信息管理平台功能模块

2.4 系统数据库设计

由于机械产品结构具有明显的树状层次结构特点,采用对象模型把机械产品设计过程中产生的所有信息根据平台功能模块组织起来,结合前面对产品设计过程产生的信息的分析,利用Oracle 10g数据库构造具有明显层次性的对象类型,图4所示为构造的对象类型逻辑结构图.

图4 机械产品数字化设计对象类型逻辑结构图

对象类型Project构成了项目管理信息的数据模型,用于存储产品设计概要信息,如项目负责人、项目起至时间等.根据机械产品设计流程,开始方案设计,生成对象类型Plan;各子系统根据方案设计提出的要求进行设计,生成相应的对象类型,包括:(1)机械系统对象类型Mechanical,包括原动机部分对象类型Motor、传动部分对象类型Drive(包含部件对象类型Part和零件对象类型 Spart)和执行部分对象类型Executive;(2)控制系统对象类型Control,包括控制器对象类型Controller,传感器对象类型Sensor和接触装置对象类型Contact;(3)辅助系统对象类型Auxiliary,存储辅助系统设计信息.根据项目管理需要,生成了项目文档对象类型ProjectDoc、产品展示对象类型Product、相关程序对象类型Program和项目留言板对象类型ProMessage.根据对象类型,创建相应的表来管理产品设计过程生成的资源信息.

2.5 系统Web应用程序的实现

ASP.NET是目前Windows平台中B/S结构开发的主导技术.利用基于C#语言的ASP.NET系统,开发Web应用程序.系统按照产品设计流程管理产品设计数据,实现产品设计过程的技术文档、三维模型及分析结果的在线浏览,并可对模型源文件、中性文件及分析文件进行上传和下载管理,以提升信息的共享和交互程度.系统运行的主要界面如图5～6所示.

3 系统应用

在设计某型产品时,产生了大量的数据与信息,且由于设计过程的复杂性,单一部门难以在短时间内完成设计目标,因此需借助该平台进行设计,提升企业各部门间的交流,加强异地协同设计能力,共同完成设计任务.项目负责人在“项目管理”中添加“某型产品设计项目”的基本信息,设计人员登录该系统,进入该项目管理模块进行数据的添加、删除、查看和修改操作,并可在平台上就设计思路、设计形式和设计过程进行在线交流,实时查看产品的三维模型和相关视频文件等.机械产品数字化设计信息管理平台既能实现数据管理和信息共享的目标,也能满足设计人员协同设计的要求.

4 结 语

建立了基于数字化设计技术的机械产品设计环境,从机械产品设计流程出发,分析设计过程产生的信息特点并将信息分为设计分析型数据、图形数据和管理型数据,提出利用工程数据库来进行管理,结合网络技术开发了机械产品数字化设计信息管理平台,实现了机械产品设计过程中的数据管理和信息共享,同时也实现了产品的网络协同设计,从而改进了设计质量、缩短了产品设计周期、降低了设计成本、优化了产品设计过程,提高了企业的市场竞争能力.

[1］闻邦椿,周知承,韩清凯等.现代机械产品设计在新产品开发中的重要作用——兼论面向产品总体质量的“动态优化、智能化和可视化”三化综合设计法[J].机械工程学报,2003,39(10):43-52.

[2］王新玉.数字化设计[M].北京:机械工业出版社,2003.

[3］Janardanan V K,Adithan M,Radhakrishnan P.Collaborative Product Structure Management for Assembly Modeling[J].Computers in Industry,2008,59(8):820-832.

[4］战洪飞,顾新建,沈祖志.基于Web的异地协同产品设计系统研究[J].中国机械工程,2003,14(15):1306-1308.

[5］乌兰木其,黄业清,段海波等.支持虚拟产品设计的分布式协同开发环境[J].中国机械工程,2001,12:61-63,84.

[6］张幼军,窦丽娜,张 禹.PDM技术在产品开发过程中的应用[J].组合机床与自动化加工技术,2008(03):96-99.

[7］余思佳,单 泉,雷 毅.基于三维开发环境的产品设计流程导航模型的研究[J].组合机床与自动化加工技术,2005(12):103-105.

[8］Seo Y H,Kim D Y,Suh S H.Development of Webbased CAM System[J].International Journal of Advanced Manufacturing Technology,2006,28(1-2):101-108.