基于TBS装配建模的产品信息演化

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3.0 陈辉 2024-11-19 5 4 1.16MB 59 页 15积分

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摘要

本文在分析产品自顶向下设计的发展现状的基础上，采用顶层基本骨架(Top

Basic Skeleton，TBS)理论为自顶向下设计的核心思想，论述了 TBS 理论在自顶向

下设计中的作用及具体实现方法。同时尝试将 TBS 理论应用到变型设计、协同设

计、并行设计等当今流行的设计方法与理论中，对 TBS 理论有一定的拓展。

在产品的自顶向下设计过程中，采用可扩展标记语言(eXtensible Markup

Language，

XML)与TBS 理论相结合的方法，进行产品自顶向下设计的信息演化描

述。根据产品 TBS 装配建模过程中信息演化的特点，首先将设计信息分为产品的

装配层次信息和各级 TBS、零件所含信息等不同类型；然后通过使用 XML Schema

对不同信息的数据结构进行了定义，以保证信息描述的准确性与完整性；最后通

过XSLT 语言将记录的信息以表格形式进行显示，便于设计人员进行查阅。

最后通过实例，详细介绍了在自顶向下设计过程中 TBS 模型的建立过程，以

及在此基础上实现零部件的详细设计，最终得到完整的产品模型。在设计过程中，

及时使用 XML 语言记录产品 TBS 信息传递的流程以及自上而下过程中信息的演

化，方便了设计过程中产品信息的交流，为协同设计、并行设计以及后续可能进

行的变型设计提供了参考，大大提高了设计效率。

通过将 TBS 与XML 结合，有利于控制自顶向下的产品设计过程，提高设计

信息交互的准确性与及时性，从而提高研发人员的设计效率。

关键词：Top-Down 顶层基本骨架信息演化描述 XML

ABSTRACT

Based on the analysis of the development of Top-Down design theory, the present

thesis adopts Top Basic Skeleton (TBS) theory as the nucleus approach to make

Top-Down design, and expounds the foundations and the specific implementations of

TBS in the design. Meanwhile, the thesis tries to apply TBS theory to today’s popular

design methods and theories such as variant design, collaborative design and concurrent

design, seeking to make a certain expansion of TBS theory.

In the Top-Down design process of the product, the author combines the Extensible

Markup Language (XML) and the TBS theory to describe the evolution of the product

design information: firstly, design information is divided into different categories, for

example the information of product assembly levels and the information supplied by

each sub_TBS and part, according to the features of the information evolution in

TBS-based product assembly modeling; afterwards, the data structures of all the

different information are defined by XML Schema, in order to ensure the accuracy and

completeness of the information described; then, the recorded information is

transformed into tabular form with XSLT language for the easy reference of the design

staff.

Finally, with an example, the thesis illustrates how to build the TBS model in the

top-down design process, how to achieve the detailed design of components as well as

how to eventually get the complete product model on that basis. In the design process,

timely records of the TBS information transfer process and the information evolution in

Top-Down design process by using XML can facilitate the exchange of product

information and provide a reference for collaborative design, concurrent design and

subsequent variant design that might be made, which greatly raises the design

efficiency.

Combining the XML with TBS theory proves to be an effective way to control

top-down design process. It improves accuracy and timeliness of design information

exchange, thus promotes the design efficiency of researchers.

Key words: Top-Down, Top Basic Skeleton, Description of the

information evolution, XML

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论 .....................................................................................................................1

§1.1 研究背景 ..............................................................................................................1

§1.2 国内外研究现状 ..................................................................................................2

§1.2.1 自顶向下设计方法发展现状 ...................................................................... 2

§1.2.2XML 发展现状及其在机械领域的应用 ..................................................... 3

§1.3 目的意义以及研究内容 ......................................................................................4

§1.3.1 目的和意义 .................................................................................................. 4

§1.3.2 研究内容 ...................................................................................................... 5

§1.4 本章小结 ............................................................................................................5

第二章基于顶层基本骨架的自顶向下产品设计 .........................................................6

§2.1 自顶向下设计中的 TBS 理论 .......................................................................... 6

§2.1.1TBS 的基本概念 .........................................................................................6

§2.1.2 基于 TBS 理论的产品建模步骤 ...............................................................6

§2.1.3TBS 建模过程的关键问题 .........................................................................8

§2.2 基于 TBS 的产品变型设计、协同设计及并行设计 .................................... 10

§2.2.1 基于 TBS 的变型设计 .............................................................................10

§2.2.2 基于 TBS 的协同设计 .............................................................................12

§2.2.3 基于 TBS 的并行设计 .............................................................................14

§2.3 基于 TBS 的自顶向下建模实例 .................................................................... 15

§2.4 本章小结 ..........................................................................................................18

第三章基于 XML 的TBS 设计过程中的产品信息演化描述 .................................. 19

§3.1XML 概述 .........................................................................................................19

§3.1.1XML 文档结构 ......................................................................................... 19

§3.1.2XML 的优点 ............................................................................................. 21

§3.2 使用 XML Schema 制定信息传递中相关的数据结构 ................................. 21

§3.2.1XML Schema 简介 ....................................................................................21

§3.2.1 基于 TBS 产品设计中的信息 .................................................................22

§3.2.2 使用 XML Schema 制定信息的数据结构 ..............................................23

§3.3 使用 XSLT 语言实现 XML 文件的可视化表示 ........................................... 31

§3.3.1XSLT 简介 ................................................................................................ 31

§3.3.2 使用 XSLT 转换 XML 文件 ....................................................................31

§3.4 本章小结 ..........................................................................................................34

第四章 TBS 理论与 XML 相结合的自顶向下设计应用实例 ................................... 35

§4.1“多功能担架”的研制目的和意义 ...............................................................35

§4.2 结合 TBS 理论与 XML 语言的多功能担架建模 ..........................................35

§4.2.1“多功能担架”的总体结构确立准则 ................................................... 35

§4.2.2 多功能担架 TBS 建模步骤 .....................................................................37

§4.2.3 基于 TBS 的担架详细建模过程 .............................................................40

§4.2.4 基于 XML 的信息演化描述 ................................................................... 47

§4.3 本章小结 ..........................................................................................................49

第五章结论与展望 .......................................................................................................50

§5.1 结论 ..................................................................................................................50

§5.2 展望 ..................................................................................................................51

参考文献 .........................................................................................................................52

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 .............................................56

致谢 .................................................................................................................................57

第一章绪论

§1.1 研究背景

随着计算机网络技术和基于网络环境的计算机辅助设计技术的发展，虚拟制

造、敏捷制造、并行工程等现代先进制造技术应运而生。先进制造技术的兴起和

应用，一方面推动了 CAD 技术的发展，另一方面也对 CAD 建模提出了更高的要

求。为适应这种趋势，建模的方法应支持并行工程，即产品开发设计过程各环节

要有一个统一的数字化模型，它必须包含产品全部信息，以便设计过程各方面共

享信息。因此，如何构造一个产品设计模式，或者说建立一个产品模型，使其既

能支持产品早期的概念设计，又能支持后期的底层详细结构设计，并且能满足并

行工程等先进制造技术的功能和过程的要求，实现网络环境下的分布式协同设计，

是当前 CAD 技术研究的一个热点和未来的一个发展方向[1]。

传统的计算机辅助设计系统大多支持自底向上的设计原理。该原理首先进行

最底层的零件设计，然后通过对零部件添加几何约束关系将其装配为产品。在该

设计过程中，每一次对零件进行修改后，都需要对整个产品进行重新装配。如果

再发现问题，则需要再进行修改，如此反反复复。自底向上设计的过程是从底层

的零件设计到总体的装配设计，这种设计模式既不能支持产品从概念设计到详细

设计的过程，又不支持整个设计过程中的信息传递，尤其是无法在设计过程中完

整地描述产品零、部件之间的装配关系。而且在设计过程中没有一个全局的考虑，

没有一个事先的很好的规划，导致设计过程中存在大量的重复工作，造成了人力、

物力和时间上的很大浪费，工作效率低下[2]。

自顶向下设计则是从产品功能要求出发，进而选用一系列的零件去实现产品

的功能；先设计出初步方案及其装配结构草图，建立约束驱动的产品模型；通过

设计计算，确定每个设计参数，然后进行零件的详细设计，通过几何约束求解将

零件装配成产品；对设计方案分析之后，返回修改不满意之处，直到的得到满足

功能要求的产品[3][4]。自顶向上的设计方式相对于传统设计方法更符合设计人员的

设计思维顺序，并且更有利于产品的功能表达、多层次抽象以及多种设计活动的

集成，有利于实现网络环境下的分布式协同设计和产品并行设计。

自顶向下设计过程中产品信息如何从顶层传至底层、传递过程中信息如何演

化、这种演化信息怎样存储和共享等问题对于设计人员提高产品设计效率，实现

协同设计和并行设计都有着重大意义。因此，论文通过引入可扩展标记语言

基于 TBS 装配建模的产品信息演化

(eXtensible Markup Language, XML)，对自顶向下设计过程中产品信息的演化进行

描述。

§1.2 国内外研究现状

§1.2.1 自顶向下设计方法发展现状

国外关于 Top-down 设计系统设计的主要研究现状如下：

(1)Top-down 的早期研究人员、芬兰赫尔辛基大学的 M．Mantyla 提出了交互

式设计系统 WAYT，并于 1990 年在 IBM 研发中心研制了一套原型系统。它主要

包括功能设计、几何结构选择和约束求解三部分[5]。

(2)Jill-Kang Gui 等在 WAYT 基础上，于 1993 年开发出基于功能理解的设计系

统Delta。该系统将装配模型分为结构视图和功能视图两部分，改进了产品模型的

表达方法，加强了产品功能模型的建模方法，同时增加了专家系统推理功能[6]。

(3)英国、芬兰、日本、美国等国的多所大学于 1996 年合作研制的功能与特征

集成的产品建模系统 GNOSIS，是智能制造系统(IMS)的一部分，包括子结构设计

系统 MCOES 和功能设计系统 SYSFUND 两部分[7]。

(4)美国国家标准与技术委员会(NIST)组织，S. R. Gorti 等人提出的基于面向对

象表达的 Top-down 设计系统 CONGEN，于 1998 年实现了一个原型系统，该系统

主要实现产品的概念设计，并能对产品的功能、结构和行为进行统一建模[8]。

(5)PTC 公司的 Pro/Top-down 设计系统，通过 Pro/LAYOUT 模块在二维环境下

定义产品的装配约束，然后将这些约束传递到产品三维装配设计及分析中，是一

个实用 Top-down 设计工具[9]。

(6)UG/WAVE(What-if Alternative Value Engineer)技术是 EDS 公司推出的参数

关联设计技术，利用 Top-down 设计思想，对系统级与产品级进行设计，通过集成

系统级工程与参数化建模技术来实现产品的快速开发，可大幅度地提高产品的设

计效率，降低产品设计成本[10]。

国内关于 Top-down 设计的研究主要集中在一些高校和研究所等机构。华中科

技大学的王耕耘等通过引入装配特征的概念，使得模具装配设计面向的不是实体

零件而是装配特征，从而实现先装配后零件的设计顺序[11]。华中理工大学的岳建

鹏等提出了虚拟零件和虚拟元素的概念，把约束信息附着在虚拟零件上，使得该

模型可以很好地支持自顶向下设计和并行设计[12]。哈尔滨工业大学的刘文剑等给

出了功能-特征-结构的三层结构二级映射的推理方法[13]。湖南大学的刘子建等给出

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摘要：

摘要本文在分析产品自顶向下设计的发展现状的基础上，采用顶层基本骨架(TopBasicSkeleton，TBS)理论为自顶向下设计的核心思想，论述了TBS理论在自顶向下设计中的作用及具体实现方法。同时尝试将TBS理论应用到变型设计、协同设计、并行设计等当今流行的设计方法与理论中，对TBS理论有一定的拓展。在产品的自顶向下设计过程中，采用可扩展标记语言(eXtensibleMarkupLanguage，XML)与TBS理论相结合的方法，进行产品自顶向下设计的信息演化描述。根据产品TBS装配建模过程中信息演化的特点，首先将设计信息分为产品的装配层次信息和各级TBS、零件所含信息等不同类型；然后通过使...

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