基于 ＵＧ 模塊的企業(yè)應用研究---(1)

老鷹

１．１　�,。茫粒模�ＣＡ�� 概述　
隨著現(xiàn)代工業(yè)迅速發(fā)展,，產(chǎn)品更新?lián)Q代速度越來越快，而批量越來
越小,。各種產(chǎn)品在不斷提高性能的同時，其產(chǎn)品的外形也變得越來越復
雜。設計部門要以最快的速度設計出產(chǎn)品和制造部門以最快的速度加工
制造出該產(chǎn)品,，只有運用先進的設計手段──計算機輔助設計（簡稱
ＣＡＤ）和先進的制造手段──計算機輔助制造［２］（簡稱 ＣＡＭ），或者 ＣＡＤ／ＣＡＭ
集成制造技術,�,！�
從計算機科學的角度看，設計與制造的過程是一個關于產(chǎn)品的信息
產(chǎn)生,、處理,、交換和管理的過程。人們利用計算機作為主要技術手段,，
對產(chǎn)品從構思到投放市場的整個過程中的信息進行分析和處理,，生成和
運用各種數(shù)字信息和圖形信息，進行產(chǎn)品的設計與制造,。ＣＡＤ／ＣＡＭ 技術
不是傳統(tǒng)設計,、制造流程的方法的簡單映像，也不是局限于在個別步驟
或環(huán)節(jié)中部分的使用計算機作為工具,，而是將計算機科學與工程領域的
專業(yè)技術以及人的智慧和經(jīng)驗以現(xiàn)代的科學方法為指導結合起來,，在設
計、制造的全過程中各盡所長,，盡可能的利用計算機系統(tǒng)來完成那些重
復性高,、勞動量大、計算復雜以及單純靠人工難以完成的工作,，輔助而
非代替工程技術人員完成整個過程,，以獲得最佳效果。ＣＡＤ／ＣＡＭ 系統(tǒng)以
及計算機硬件,、軟件為支持環(huán)境,，通過各個功能模塊（分系統(tǒng)）實現(xiàn)對
產(chǎn)品的描述、計算,、分析,、優(yōu)化,、繪圖、工藝規(guī)程設計,、仿真以及 ＮＣ
加工,。而廣義的 ＣＡＤ／ＣＡＭ 集成系統(tǒng)還應包括生產(chǎn)規(guī)劃、管理,、質量控制
等方面,。　
１．１．１　　計算機輔助設計［５］�,。郏叮荨,。郏保罚荨。郏保福荨�
隨著傳統(tǒng) ＣＡＤ 系統(tǒng)在工業(yè)界的應用普及以及現(xiàn)代設計問題的復雜
化,、智能化,，人們不再僅僅滿足于用計算機取代人進行手工繪圖。所以
隨著計算機圖形學,、人工智能,、計算機網(wǎng)絡等基礎技術的發(fā)展和計算機
集成制造、并行工程,、協(xié)同設計等現(xiàn)代設計理論和方法的研究,，使得 ＣＡＤ
系統(tǒng)也由單純二維繪圖向三維智能設計、物理特性分析,、動態(tài)仿真方向
發(fā)展,，參數(shù)化設計向變量化和 ＶＧＸ（超變量化）方向發(fā)展，幾何造型,、曲
面造型,、實體造型向特征造型以及語義特征造型等方向發(fā)展；另一方面,，
伴隨著 ＣＡＤ 軟件復雜程度的增加和各個不同應用系統(tǒng)間互操作的現(xiàn)實需
要,，人們希望 ＣＡＤ 系統(tǒng)具有極佳的開放性同時又能“搭積木”似的自由
拼裝形成不同的功能配置,，軟件工程技術,，特別是組件開發(fā)技術的研究
應用和逐漸成熟為解決這一問題提供了堅實的基礎�,！�
計算機輔助設計（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ�,。粒椋洌澹洹。模澹螅椋纾�,，�,。茫粒模�　是由計算機的硬、
軟件系統(tǒng)輔助人們對產(chǎn)品或工程進行設計的方法與技術,，包括設計,、計
算,、繪圖、工程分析,、模擬,、與文檔制作等設計活動，它是一種新的設
計方法,，也是一門多學科綜合運用的新技術,。ＣＡＤ 可以說是產(chǎn)品設計發(fā)
展史上的一次革命。ＣＡＤ 技術起步于 ５０ 年代后期,，很快就應用在航空工
業(yè),，但隨后便迅速擴展至其他工業(yè)領域，并且進一步向新產(chǎn)品制造過程
的設計與評價領域延伸,，從而導致了工作過程和步驟的具體化,。由于 ＣＡＤ
技術有效地縮短了產(chǎn)品設計周期，從而使企業(yè)能夠迅速對市場化作出反
應,。當 ＣＡＤ 系統(tǒng)與外部通訊網(wǎng)絡連通時,，生產(chǎn)企業(yè)便可與其供應商和客
戶分享其具體的產(chǎn)品設計方案�,！�
ＣＡＤ 技術作為成熟的普及技術已在企業(yè)中廣泛應用,，并已成為企業(yè)
的現(xiàn)實生產(chǎn)力。ＣＡＤ 技術的發(fā)展大約經(jīng)過了四個階段,，可分為：　
①　曲面造型系統(tǒng)　
６０ 年代出現(xiàn)的三維 ＣＡＤ 系統(tǒng)只是極為簡單的線框式系統(tǒng),。這種初期
的線框造型系統(tǒng)只能表達基本的幾何信息，不能有效表達幾何數(shù)據(jù)間的
拓撲關系,。７０ 年代,，是飛機和汽車工業(yè)快速發(fā)展時期，飛機及汽車制造
中遇到大量的自由曲面的問題,，當時只能采用多截面視圖,、特征緯線的
方式來近似表達所設計的自由曲面。但這種制作過程大大拖延了產(chǎn)品研
發(fā)時間,，因而要求更新設計手段,。此時法國人提出了貝賽爾算法，使人
們用計算機處理曲線及曲面問題變得可行,，同時也使法國達索飛機制造
公司的開發(fā)者們,，能在二維繪圖系統(tǒng) ＣＡＤＡＭ　的基礎上，開發(fā)出以表面模

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型為特點的自由曲面建模方法,，推出了三維曲面造型系統(tǒng) ＣＡＴＩＡ,。它實現(xiàn)以計算機完整描述產(chǎn)品零件的主要信息,，同時也使得 ＣＡＭ 技術的開發(fā)有了現(xiàn)實的基礎。曲面造型系統(tǒng) ＣＡＴＩＡ 為人類帶來了第一次 ＣＡＤ 技術革命,�,！∏�面造型系統(tǒng)帶來的技術革新，使汽車開發(fā)手段比舊的模式有了質的飛躍,，新車型開發(fā)速度也大幅度提高,，許多車型的開發(fā)周期由原來的６ 年縮短到只需約 ３ 年�,！� ②　三維實體造型及特征造型技術　準確完整地表達和描述模具的復雜曲面和實體模型,，７０ 年代末到８０ 年代初，由于計算機技術的進步,，計算機輔助分析,，　計算機輔助制造技術也有了較大發(fā)展。ＥＤＳ 公司開發(fā)出了許多專用軟件,，如 Ｕｎｉｇｒａｐｈｉｃｓ（簡稱 ＵＧ）則側重在實體造型及自由曲面［７］造型技術,，它能準確地表達和描述復雜曲面和實體模型，同時發(fā)展 ＣＡＭ［８］�,。郏梗荨,。郏保埃菁夹g。由于實體造型技術能精確表達零件的全部屬性,，如實體體積,、面積、重心,、慣性矩等的自動計算,、隱藏線隱藏面的消除、有限元網(wǎng)格劃分等,，在理論上有助于統(tǒng)一 ＣＡＤ,，　ＣＡＥ,，�,。茫粒� 模型表達，給設計帶來了驚人的方便,�,？梢哉f,，實體造型技術的普及應用標志著 ＣＡＤ 發(fā)展史的第二次技術革命,。　特征造型是在 ＣＡＤ／ＣＡＭ　技術的發(fā)展和應用達到一定水平,、要求進一步提高生產(chǎn)組織集成化和自動化程度的歷史進程中孕育成長起來的,。其特點是建立的零部件模型不僅包括了幾何信息,，還包括了 ＣＡＰＰ　、ＣＡＭ　所需的信息,，形成了真正符合 ＳＴＥＰ 標準的產(chǎn)品信息模型,；工程人員以自己熟悉的方式進行設計，以提高實體造型的設計效率,�,！� ③　參數(shù)化技術　８０ 年代中期,，人們提出了一種無約束自由造型更新穎,、更好的算法 ——參數(shù)化實體造型方法。參數(shù)設計是指設計對象的修改需要更大的自由度,。利用參數(shù)變化來更新幾何形狀及相關尺寸,，得到我們所需要的幾何體或幾何形狀。它具有基于特征,、全尺寸約束,、全數(shù)據(jù)相關、尺寸驅動設計修改等特點,。進入 ９０ 年代,，參數(shù)化技術變得成熟起來，充分體現(xiàn)出其在許多通用件,、零部件設計上存在的簡便易行的優(yōu)勢,。　 ④　變量化技術　參數(shù)化技術的應用成功,，使它在 ９０ 年代幾乎成為 ＣＡＤ 業(yè)界的標準,。但這種把線框模型、曲面模型及實體模型疊加在一起的復合建模技術并非完全基于實體,，這難以全面應用參數(shù)化技術,。　變量設計是參數(shù)化技術設計發(fā)展的必然趨勢,，幾何圖形或幾何體均通過一定的尺寸約束來定義,，因此，改變某些尺寸參數(shù)即可生成新的圖形或物體,，而且 ２Ｄ　,、３Ｄ 變量設計是可以達到雙向溝通的，這一技術給ＣＡＤ 帶來巨大的活力和創(chuàng)造力,。變量化技術既保持了參數(shù)化技術原有的優(yōu)點,，同時又克服了它的許多不足之處，為 ＣＡＤ 技術的發(fā)展提供了更大的空間和機遇�,！‖F(xiàn)在的 ＣＡＤ 技術還具有以下特點：　 ①智能化 ＣＡＤ 技術　現(xiàn)有 ＣＡＤ 技術在機械設計中只能處理數(shù)值型的工作,。然而在設計活動中存在著另一類符號推理型工作。這些工作依賴于一定的知識模型,，采用推理方法才能獲得圓滿解決,。因此將人工智能技術，特別是專家系統(tǒng)技術,，與傳統(tǒng)的 ＣＡＤ　技術結合起來,，形成智能化 ＣＡＤ　系統(tǒng)，這是機械 ＣＡＤ　發(fā)展的必然趨勢,�,！。茫粒� 能化過程中,，同時要注意發(fā)展新的設計理論與方法,，特別是并行設計理論以及概念設計的理論，它們都是當今 ＣＡＤ　理論研究的熱點,。另外還需要繼續(xù)深入研究機械設計型專家系統(tǒng)中的一些基本理論及技術問題,，如知識表達、知識獲取,、推理機制等,。　 ②�,。茫粒模�ＣＡＰＰ／ＣＡ�� 集成［１１］�,。郏矗罚荨�為適應設計與制造自動化的要求，特別是計算機集成制造系統(tǒng)（ＣＩＭＳ）的要求,，進一步提高集成水平是 ＣＡＤ／ＣＡＭ　系統(tǒng)發(fā)展的一個重要方向,。ＣＡＤ／ＣＡＰＰ／ＣＡＭ　集成包括信息及物理設備兩方面的集成。從信息集成的角度看,，所謂集成是指在 ＣＡＤ　,、ＣＡＰＰ　、ＣＡＭ　各模塊間信息的提取,、交換,、共享和處理的集成，即信息流的整體集成,，這就要求設計者在幾何造型方面必須實現(xiàn)從傳統(tǒng)的實體造型到參數(shù)化特征造型的轉變,，以便 ＣＡＤ　系統(tǒng)建立完備的、統(tǒng)一的,、符合某種標準的產(chǎn)品信息模型,，使ＣＡＰＰ　及 ＣＡＭ　環(huán)節(jié)能從該模型中獲取所需信息,，并最終將 ＣＡＤ　設計模型轉換成制造模型。

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③　產(chǎn)品數(shù)據(jù)交換的標準化　
電子化的產(chǎn)品模型要求在不同的場合下使用不同的 ＣＡＤ／ＣＡＭ 軟件,，
為了使用的產(chǎn)品數(shù)據(jù)能夠順利進行交換,，必須制定數(shù)據(jù)交換的標準,。當
5 Y6 n. Q2 h" R2 ^3 z前流行的數(shù)據(jù)交換規(guī)范主要有 ＩＧＥＳ　和 ＳＴＥＰ　,。　
: @; `( ?, ^  h) S. b+ h$ I5 rＣＡＤ 技術基礎理論的每次重大進展,，無一不帶動了 ＣＡＤ／�,。茫粒停�ＣＡ�� 整
) G0 C9 f$ m7 ^. j! e6 s  U體技術的提高以及制造手段的更新。技術發(fā)展,，永無止境,。沒有一種技
. L/ G5 |8 ~4 c1 j術是常青樹，ＣＡＤ 技術一直處于不斷的發(fā)展與探索之中,。正是這種此消
彼長的互動與交替,，造就了今天 ＣＡＤ 技術的興旺與繁榮，促進了工業(yè)的
+ ~3 b' H8 d  g: W- h高速發(fā)展,�,！�
4 ]/ T/ x; i1 |" n) x- s１．１．２　　計算機輔助制造　
: t% K; ^. v/ n: Y計算機輔助制造（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　Ａｉｄｅｄ�,。停幔睿酰妫幔悖簦酰颍椋睿�,，簡稱 ＣＡＭ），ＣＡＭ
從手工編程,、自動編程,，到現(xiàn)在的諸項內容：工藝裝備設計、數(shù)字化（圖
形化）控制,、工藝過程計劃（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ�,。粒椋洌澹洹。校颍铮悖澹螅蟆,。校欤幔睿睿椋睿�,，簡稱
. B" U& c# I8 W; e. z- Y% BＣＡＰＰ）、機器人,、柔性制造系統(tǒng)［１２］�,。ǎ疲欤澹�ｉｂｌｅ　Ｍａｎｎ�,。妫幔悖簦酰颍濉,。螅�ｓｔｅｍ��
* @. j) r1 h2 r! CＦＭＳ）,、工廠管理以及一些企業(yè)正在發(fā)展的 ＣＩＭＳ 項目,。到目前為止,，計
算機輔助制造有狹義和廣義的兩個概念。ＣＡＭ 的狹義概念指的是從產(chǎn)品
設計到加工制造之間的一切生產(chǎn)準備活動,，它包括 ＣＡＰＰ,、ＮＣ 編程、工
- o" j* y% y" Z! x; _" x5 h" k時定額的計算,、生產(chǎn)計劃的制訂,、資源需求計劃的制訂等。這是最初 ＣＡＭ
7 X" [" W; A8 |系統(tǒng)的狹義概念,。到今天,，ＣＡＭ 的狹義概念甚至更進一步縮小為 ＮＣ 編程
  _5 Z9 H0 D9 B7 B* O% e2 F# N& P的同義詞。ＣＡＭ 的廣義概念包括的內容則多得多,，除了上述 ＣＡＭ 狹義定
: V# G) |$ t1 v2 ?; V2 j7 [6 `, D義所包含的所有內容外,，它還包括制造活動中與物流有關的所有過程
+ e" p, |# c% K7 U, P. m. z6 |（加工、裝配,、檢驗,、存儲、輸送）的監(jiān)視,、控制和管理,。　
6 _' y7 D* _* U1 B在實際應用中,，一般意義上的 ＣＡＭ 主要是指利用計算機直接進行加
0 D. `' h% f" r2 \: v& H+ e. K7 v* W工制造,、生產(chǎn)過程控制的技術系統(tǒng)，其主體是由數(shù)控機床（ＮＣ／ＣＮＣ／ＮＤＣ）,、
  e8 {% c: _) j% }  u" J8 d7 r" h0 ~機器人（Ｒｏｂｏｔ）,、自動物料儲運系統(tǒng)［運輸設計 ＡＧＶ（Ａｕｔｏｍａｔｅｄ　Ｇｕｉｄｅ　
Ｖｅｈｉｃｌｅ）＋存儲系統(tǒng) ＡＳ／ＲＳ（Ａｕｔｏｍａｔｅｄ�,。樱簦铮颍幔纾濉,。Α。遥澹簦颍椋澹觯幔臁,。樱�ｓｔｅｍ）��
等設計而構成,。其中，數(shù)控機床（Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ�,。茫铮睿簦颍铮�,，ＮＣ）是一種能
! \) P+ C# f/ q% l夠根據(jù)預先編好的一系列指令，實現(xiàn)對各種尺寸或各種形狀的復雜工件
進行鋸,、銑,、刨、磨,、鉆,、車等多種不同加工方式的大型機床,。經(jīng)過幾
十年的發(fā)展，ＮＣ 已經(jīng)從識讀器時代進入了計算機數(shù)控（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　
Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ�,。茫铮睿簦颍铮�,，ＣＮＣ），它是一臺獨立的微型計算機來控制其運行,，
又稱加工中心（Ｍａｃｈｉｎｉｎｇ�,。茫澹睿簦澹颍��,。停茫�,；另一種是直接數(shù)控（Ｄｉｒｅｃｔ　
Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ�,。茫铮睿簦颍铮�,，ＤＮＣ），它是一臺中心計算機對臺數(shù)控機床同時控
0 v* U# Z" H( M  S; e: ~制,，控制各臺機床的加工程序都編入一個中央數(shù)據(jù)庫內,，通過中心計算
3 |$ [6 i2 D3 ^4 [" Z機傳送到各個機床，而每臺機床的加工情況,，又通過附屬控制器反饋到
中心計算機,。隨著技術的不斷發(fā)展，ＤＮＣ 的含義由簡單的直接數(shù)字控制
發(fā)展到分布式數(shù)字控制（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ�,。危酰恚澹颍椋悖幔臁,。茫铮睿簦颍铮欤�，它不但��
有直接數(shù)字控制的所有功能,，而且有系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)視以及系統(tǒng)控制等功
6 d5 o3 f  T5 F7 F: H能,；它著眼于車間的信息集成，針對車間生產(chǎn)計劃,，技術準備,，加工操
作等基本作業(yè)進行集中監(jiān)控與分散控制，把生產(chǎn)任務通過局域網(wǎng)分配給
8 Q/ T3 a1 {) m# f, [+ O4 R各個加工單元,，并使之信息相互交換,。而對物流等系統(tǒng)可以在條件成熟
! @) Z8 T( P* J& J, t& a時再擴充，既適用于現(xiàn)有的生產(chǎn)環(huán)境,，提高生產(chǎn)率,，又節(jié)省了成本。所
以說現(xiàn)代意義上的 ＤＮＣ,，不僅指單個機床的控制而且在某種意義上是車
8 p! {" z# l  c, ~( r5 B間級通訊風格的代名詞,。ＤＮＣ 已演變成生產(chǎn)準備和制造過程中設備信息
互連的一種技術，是實現(xiàn) ＣＡＤ／ＣＡＰ／ＣＡＭ 一種技術關鍵的紐帶,，是現(xiàn)代化
; z, G7 r: {8 T制造車間實現(xiàn) ＣＩＭＳ 信息集成和設備集成的有效途徑,�,！�
１．２　　先進制造技術及虛擬制造技術［４］　［１３］［１９］［４８］［４９］　
  f) e/ z& f3 g+ k. j3 v, |隨著全球科技和經(jīng)濟的發(fā)展,，制造業(yè)不僅要追求創(chuàng)新,，而且還要重
7 ^) T" S- q' O; s$ i$ W) Z視管理創(chuàng)新、組織創(chuàng)新,、生產(chǎn)模式的創(chuàng)新,、生產(chǎn)機制的創(chuàng)新，以推動制
造業(yè)技術進步和發(fā)展,�,！�
8 L# n7 x0 r0 C0 `  V8 V/ Z8 N先進制造技術是一個國家、一個民族賴以繁榮昌盛的重要手段,，虛
擬制造技術是其關鍵技術之一,。近年來，為了縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期,、降
低生產(chǎn)成本,，提出了各種各樣的制造模式，在這些新的制造模式中,，由
2 y9 D( K0 n+ ~+ o% O% z- N5 e9 n0 z  j于虛擬制造（Ｖｉｒｔｕａｌ�,。停幔睿酰妫幔悖簦酰颍椋睿纾�ＶＭ）基本上不消耗資源和能量,，
也不生產(chǎn)實際產(chǎn)品,，而是產(chǎn)品的設計、開發(fā)與實現(xiàn)過程在計算機上的本
質實現(xiàn),，而且已經(jīng)出現(xiàn)了許多成功的應用實例,，因此，虛擬制造引起了
1 o& U9 p' t$ d( V

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人們的廣泛關注,，在科技界和企業(yè)界都成為研究的熱點之一,。　
$ q$ T# H+ R3 s5 V- v/ F; _* d$ {虛擬制造技術是以計算機技術,、信息技術,、仿真技術和虛擬現(xiàn)實技
4 ?9 J" Q! K$ g. g; ^/ W術為支持，在產(chǎn)品設計和制造出真實產(chǎn)品之前,，就能使人體會感受到未
& e8 l1 Y7 B! F, M2 ^" I來產(chǎn)品的性能和可制造性,、從而可以做出正確的決策和優(yōu)化的實施方
0 t4 M. o# M9 M+ l  }案。虛擬制造在計算機上借助立體建模和仿真技術,，從產(chǎn)品設計開始就
實時地,、并行地對產(chǎn)品結構、工作性能,、工藝流程,、裝配調試,、作業(yè)計
. l6 Z9 M* I5 x劃、物流管理,、資源調配以及成本核算等一切生產(chǎn)活動進行模擬與仿真,，
檢查產(chǎn)品的可加工性和設計的合理性、預測其制造周期和使用性能,，以
  o. k; H/ t5 E" ~8 |; K3 C* i0 U便及時修改設計,，更有效地靈活組織生產(chǎn)，可以縮短產(chǎn)品的研制周期,，
獲得最佳的產(chǎn)品質量,、最低的成本和最短的開發(fā)周期�,！�
+ _* J1 q: b4 l) H3 |7 H% j目前,，虛擬制造技術已經(jīng)在國外獲得應用。美國三大汽車公司采用
! J5 X$ u) p$ a7 }) q5 m# BＶＭＴ 技術后,，汽車工業(yè)新車型開發(fā)的時間可由 ３６ 個月縮短到 ２４ 個月以
" X4 g3 V: L3 t1 H( \+ m; f3 v& ~- T內,，競爭的優(yōu)勢顯然得到加強,，其影響不可估量,。例如：波音公司設計
的 ＶＳＸ 虛擬飛機，可用頭盔顯示器和數(shù)據(jù)手套進行觀察與控制,，使飛機
設計人員身臨其境地觀察飛機設計的結果,，并對其外觀、內部結構及使
用性能進行考察,；日本 Ｍａｔｓｕｓｈｉｔａ 公司開發(fā)的虛擬廚房設備制造系統(tǒng),，
允許消費者在購買商品前，在虛擬的廚房環(huán)境中體驗不同設備的功能,，
按自己的喜好評價,、選擇和重組這些設備，他們的選擇將被存儲,，并通
過網(wǎng)絡送至生產(chǎn)部門進行生產(chǎn),。我國的虛擬制造企業(yè)是適應香港和內地
發(fā)展的需要。８０ 年代以來,，香港制造業(yè)以發(fā)生顯著變化,，制造企業(yè)的
８０～９０％把產(chǎn)品的加工和裝配移到內地，但產(chǎn)品的設計,、生產(chǎn)規(guī)劃,、市
8 e4 K  {2 @% I# |場開拓和銷售，大部份還在香港進行,。我國的虛擬制造企業(yè)目前還是一
) j1 t  i( \8 v- ^* F4 n個實驗系統(tǒng),，以石家莊拖拉機廠為對象,，實現(xiàn)異地的聯(lián)網(wǎng)動作�,！�
虛擬制造技術是 ＣＡＤ／ＣＡＥ／ＣＡＭ 技術發(fā)展的更高階段,，也是計算機圖
形技術、仿真技術發(fā)展的產(chǎn)物,，對產(chǎn)品開發(fā)具有重要的研究和應用意義,。
4 R: p4 f, S; C5 {' L7 L由于目前商用虛擬制造技術相關軟、硬件系統(tǒng)的功能還是比較有限,，且
8 s2 J# T, Z2 I: `) o1 d& T價格昂貴,，因此，開發(fā)廉價而且功能較完善的虛擬制造系統(tǒng)應成為虛擬
) e- d6 G0 b: G' [; K制造技術發(fā)展的重要內容之一,，開發(fā)的內容包括擬人化的用戶界面,、基
于事件的實時仿真引擎、虛擬外設的硬件接口,、虛擬仿真語言,、與傳統(tǒng)
ＣＡＤ 軟件的數(shù)據(jù)通用轉換接口、各種數(shù)據(jù)庫和工具庫等,�,！√摂M制造技術
. x+ I0 y4 @0 ~3 c4 L的發(fā)展應遵循“抓應用，促發(fā)展,，見效益”的原則,，使昂貴的設備物盡
' O6 J" R) f& r5 _4 O5 q8 A! T) k其用，而且還會促進相關基礎技術研究與軟件產(chǎn)品的開發(fā),�,！�
現(xiàn)代化先進制造技術典型代表是計算機集成制造系統(tǒng)（ＣＩＭＳ）［４］　［１６］　
4 G  ^0 ~/ y$ {% d# u［２７］［４３］
,，是一項面向企業(yè)生產(chǎn)全過程的高技術,。ＣＩＭＳ 是在自動化技術、信
息技術及制造技術的基礎上,，通過計算機及其軟件,，把制造廠全部生產(chǎn)
) r. A. [( w+ v- S3 w# ]% l  K活動所需的各種分散的自動化系統(tǒng)有機地集成起來，使其適應于多品
種,、中小批量生產(chǎn)的總體高效益,、高柔性的制造系統(tǒng)工程。它是由四大
1 Y9 }+ X( C3 C, h3 h$ W, t- B部分組成：即設計與工藝模塊,、制造模塊,、管理信息模塊和存貯運輸模
' q& W) \2 |' Q1 f; Z塊。　
８０ 年代末期,，高速切削技術逐步發(fā)展成熟,，它在工業(yè)生產(chǎn)中得到應
用，從機床,、刀具及其他相關技術方面都得到了不斷的完善,。由于高速
) K" s9 _# }6 J切削能夠成倍地提高進給速度，所以在不降低生產(chǎn)效率的情況下使減少
6 G+ v+ V9 g) |$ H進刀間距成為可能,，從而為提高工件的形狀精度和降低表而粗糙度提供
了前提條件,。目前，高速銑削加工過的工件多數(shù)已不再需要最后一道手
5 j* H  t3 W" \' y2 G4 Z" N! i' ^工加工的工序,，而直接可以投入使用,。　
１．３　　本課題的研究意義和研究內容　
3 h/ U% {! I# d4 i( X* O+ T近年來,，由于數(shù)控機床［３］和計算機成本大大降低,，一般廠家都能夠
配備功能齊全的硬件設備，同時還配備了相應的編程軟件,。由于采用了
! T& l5 S  M3 ]" ~ＣＡＤ／ＣＡＭ 技術,，大大減少設計人員的工作量，編程人員根據(jù)模型能夠快
速準確地編制出加工程序并傳給數(shù)控機床進行加工零件,，這樣來縮短加
工的輔助時間,，提高生產(chǎn)效率�,！�
企業(yè)已購置許多數(shù)控設備,，如數(shù)控車床、數(shù)控銑床,、加工中心、數(shù)
) y: b6 w) e5 J% ]$ |9 Q! J) I$ b控線切割機床等,；同時也選購了一些比較優(yōu)秀的 ＣＡＤ／ＣＡＭ 軟件,。　
. m  U7 M# w/ J6 x% Q# R% ~' O) q從使用數(shù)控機床的情況來看,，普遍應用水平不高,，生產(chǎn)準備（數(shù)控
  p5 P+ u. _: ]# e8 j程序和機床刀具的準備）周期長，失誤率高,，數(shù)控機床功能,，尤其是特
3 I- s6 y: l, {8 T9 q殊功能的開發(fā)應用不夠，開機率一般在往往只能達到�,。玻埃ィ�３０％［１��,，往往
不及國外數(shù)控機床開動率達到 ６０％。數(shù)控機床使用效率低的原因如下：　
①用戶盲目選購數(shù)控機床,，致使數(shù)控機床不符合使用情況,�,！�

老鷹

②數(shù)控機床技術人員（編程人員、操作人員,、維修人員等）綜合素
質低,。　
企業(yè)在使用一些技術人員時,，都是分開使用的,，如編程人員、操作
$ {- r& `2 d  j" k: D4 a$ W. h人員,、維修人員等,。而他們在溝通上難免有一定的不協(xié)調，致使工作出
" z' n! H. t2 K2 M. E現(xiàn)失誤,，從而影響到生產(chǎn)效率,。也有的編程人員根本不懂的機床的好多
功能，特別是數(shù)控機床具有探頭及對刀儀,，根本就不會使用,，使機床的
功能得不到充分發(fā)揮，看不到數(shù)控機床的優(yōu)越性,。還有的編程人員,，自
* {& L8 n' O# m# ]9 M: E己使用軟件進行編程，往往不考慮生產(chǎn)效率,，同時不采用混合編程,，也
$ J1 s) Y9 A9 J, G3 q$ ^降低了生產(chǎn)效率。機床在出現(xiàn)故障時,，也得不到及時維修,，有出現(xiàn)停機
( s: ~; w8 D, f6 H; M/ x! e時間十幾天的情況都有，從而嚴重的影響到機床的使用效率,�,！�
: `3 V8 V2 ?0 {③手工數(shù)控編程的效率低�,！�
我們在進行編制零件的數(shù)控程序多為采用手工編程,，再輸入到數(shù)控
機床中，進行程序調試,，程序符合加工條件后,，對其零件進行加工。這
  @$ v4 I, I0 W" E( A' q樣,，從編制一個零件的程序到加工到成品所花費的時間很長,，效率低。
據(jù)國外統(tǒng)計，手工編程時,，一個零件的編程時間與機床實際加工時間之
比約為 ３０：１,，而往往數(shù)控機床在等待程序不能開動�,！�
④數(shù)控機床的“工作環(huán)境差”,。　
; C& H. ^- J' w+ t' o' ?數(shù)控機床對工作環(huán)境要求很高,，對環(huán)境的溫度及濕度,，機床所使用
的氣的壓力，電壓要求及其嚴格,�,！�
⑤我國有好多大企業(yè)在采購軟件時，選用的軟件有多種,，造成數(shù)據(jù)
無法傳遞,，編程人員根據(jù)設計部門所提供的圖紙信息，再重新進行建模
; `! A- g& u1 c  ~1 C及編程,，這勢必造成重復性勞動,，同時對有的圖紙的理解上存在一定的
難度，更有甚者,，會造成產(chǎn)品質量事故,。　
0 Z+ P5 M: `  N/ a' G$ Z數(shù)控機床在我國的推廣使用已近二十年的歷史,，目前主要還是集中
' Y9 G, R  _9 }9 o4 P  D在單機使用上,，在單機使用積累了一定的經(jīng)驗后，對于擁有多臺數(shù)控機
床的用戶,，其單臺機床與外界計算機或不同數(shù)控機床之間的信息交流很
: ~2 D0 A; o  z3 A5 g& {少,，數(shù)控程序與機床之間的交換，最新的發(fā)展是由外接計算機與數(shù)控機
/ O+ P6 Z" l5 V床通過 ＲＳ－２３２Ｃ 串行口直接連接,，直接進行數(shù)控程序的快速,、準確地
傳輸，并且外接計算機可與多臺具有相同的或者不同控制系統(tǒng)的數(shù)控機
床相連接,，進行信息共享，并能管理多臺機床組成的數(shù)控工段內的生產(chǎn)
6 l( o; C$ L7 J過程中的信息,，以減少生產(chǎn)準備,，尤其是數(shù)控程序的準備時間。但對于
* O& t8 \8 m, P* z, @* V這些,，作為管理者對此不了解,，不能做到信息共享，這也嚴重地影響了
; e) J: D$ s) n$ Y$ o( B生產(chǎn)效率�,！�
企業(yè)雖然選購了較為先進的 ＣＡＤ／ＣＡＭ 軟件,，如 Ｐｒｏ／Ｅ，Ｕｎｉｇｒａｐｈｉｃｓ
# @% X( k1 V, }! W% v（以下簡稱 ＵＧ）等,，使用效果不是很好,。在從事產(chǎn)品設計時使用的設計
* P0 i5 [' l8 z" X+ c1 J軟件是二維 ＣＡＤ 軟件，在裝配時不能很好地檢查零部件的干涉,。有的雖
然在使用三維軟件,，也局限于零件的設計，使用的是最基本的功能模塊,。
沒有展示出三維軟件的優(yōu)越性,，特別是軟件的應用技巧和二次開發(fā)�,！�
我根據(jù)使用的三維軟件 ＵＧ 和數(shù)控機床的本身加工特點,，從以下幾
方面進行分析 ＵＧ 模塊化設計開發(fā)和數(shù)控加工中程序的的編制�,！�
) u% B4 k4 m, O: u+ l9 ^6 e+ [. A１．３．１　�,。眨� 模塊化設計開發(fā)　
利用三維軟件 ＵＧ 提高實體建模速度。由于 ＵＧ 的設計方法是采用復
合建模方法進行設計,，是一種面向目標的設計,，為工程師提供了能滿足
( C$ ]: d. x! v9 x, W/ ?各自工作需求的正確建模工具——可以選擇實體建模，表面建模,，線框
' w/ m$ a6 C( \2 R4 f建�,；蚧�于特征的參��(shù)化建模。ＵＧ 是一個完全集成化的工業(yè)設計系統(tǒng),�,！�
在 ＵＧ 進行建模中，可使用以下的方法進行模塊化設計：
①　利用 ＵＧ 軟件進行設計工作時,，很重要的工作就是制定公司標準,。
  g& n  r$ Z* M% \建立一個標準的通用的種子部件和通用模板�,！�
②　利用 ＵＧ 軟件建立產(chǎn)品的零部件時,，由于零部件尺寸及位置間存
4 M* W! O% B3 \* Y4 W: J在著一定的相關性，就可以進行參數(shù)化設計,，如利用表達式,、方程曲線
等進行設計�,！�
③　利用 ＵＧ 軟件可以將一些形狀相似而尺寸不一致的一個零件族進
行標準件設計,。采用的方法有利用電子表格,、利用用戶自定義特征法和
: n! y! F: k$ E# i! K二次開發(fā)工具建立標準件庫�,！�
  z0 k8 ^) I- r１．３．２　數(shù)控程序編制　
數(shù)控編程的方法有手工編程和計算機編程兩種,。編程的水平就直接
4 J9 z& S$ [6 V" N, \& P影響到生產(chǎn)效率。在這里,，主要采用的方法如下：　

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①　工藝是科學技術第一生產(chǎn)力的基本要素,。只要有生產(chǎn)，就得有
) z9 ]& {5 S' i. _/ S$ ^工藝,。這是因為：在產(chǎn)品生產(chǎn)的全過程中,，都是按照工藝要求進行施工
$ i: j+ q. ^5 e0 }" n1 M6 i作業(yè)的。特別是現(xiàn)代化大工業(yè)的生產(chǎn),，工藝的作用尤為重要和明顯,。工
5 S4 v; X& W) f* }& i藝是組織、指揮生產(chǎn)的技術依據(jù),。把工藝做為工作的基礎與紐帶作用,，
3 {% u8 t- |# Y1 y3 N5 v- t" o: ~使人、機,、料,、法、環(huán),、測等生產(chǎn)要素有機地結合起來,，并有效地開展
0 T4 m0 ^- j2 X: d生產(chǎn)活動�,！�
5 u9 M' B' _/ G1 h% d5 a②采用計算機進行編程,，用來提高生效率�,！�
③根據(jù)生產(chǎn)的特點,，對一些二維程序進行分組，編制一些通用的子
程序,。這樣可以減少程序輸入及調試的時間,。　
④編制一些找正的程序,。以減少機床的裝夾及找正的時間,。　
) i, n6 P& h2 S7 `⑤對于數(shù)控機床有探頭及對刀儀,，要編制一些通用的程序,，以減少
+ M% L2 Y2 d. z" c對刀時間，充分發(fā)揮數(shù)控機床的優(yōu)勢,。
& n8 P. e0 `; |, Y. F

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計算機輔助設計和計算機輔助制造,，是指計算機為主要技術手段來生成和運用各種數(shù)字信息和圖形信息，進行產(chǎn)品設計和制造,。這是人類智慧與計算機系統(tǒng)中的硬件和軟件功能的巧妙結合,。從計算機科學的角度看，設計和制造過程是一個信息處理,、交換,、流通和管理的過程。因此,，人們能夠對產(chǎn)品從構思到投放市場的整個過程進行分析和控制,，即對 設 計 和 制 造 過 程 中 的 產(chǎn) 生 轉 換 存 儲 流 通 管 理 進 行 分 析 和 控 制 。ＣＡＤ／ＣＡＭ 系統(tǒng)實質上是一個有關產(chǎn)品設計和制造的信息處理系統(tǒng),�,！∧壳埃�市場上流行的商業(yè)性 ＣＡＤ／ＣＡＭ 系統(tǒng),，大體上可劃分為兩大類：一是通用性系統(tǒng)：典型的通用性系統(tǒng)有 ＣＡＤＡＭ,、ＵＧ－ＩＩ、ＣＡＴＩＡ,、Ｐｒｏ－Ｅ,、Ｉ－ＤＥＡＳ 等。另一類是單功能系統(tǒng)：典型的單功能系統(tǒng)有 ＭａｓｔｅｒＣＡＭ,、ＣＡＸＡ軟件,、金銀花軟件等�,！∫粋�比較完善的 ＣＡＤ／ＣＡＭ 系統(tǒng),，是由產(chǎn)品設計制造的數(shù)值計算和數(shù)據(jù)處理程序包、圖形信息交換和處理的交互式圖形顯示程序包,、存儲和管理設計制造信息的工程數(shù)據(jù)庫等三大部分構成的,。這種系統(tǒng)的功能包括：要具有實體造型功能；曲面造型功能,；物體的質量特性功能,；三維運動機構分析和仿真功能；　有限元分析功能,；三維及二維圖形的轉換功能,；優(yōu)化設計功能；數(shù)控加工功能,；信息處理和信息管理功能,。　采用計算機輔助設計的目的,，是為了提高設計效率,、提高設計質量,。廣大的工程技術人員必須具有三維想象力，利用三維軟件進行設計,，便于設計者進行直觀地想象,。　支撐軟件采用ＵＮＩＸ環(huán)境和ＮＴ環(huán)境下的美國ＥＤＳ公司的Ｕｎｉｇｒａｐｈｉｃｓ基于三維造型技術的集成化 ＣＡＤ／ＣＡＥ／ＣＡＭ 軟件,，優(yōu)越的參數(shù)化和變量化技術與傳統(tǒng)的實體,、線框和表面功能結合在一起，準確完整地表達和描述零件的復雜曲面和實體模型,，可進行零件的三維模擬裝配檢查,，在可視化環(huán)境下利用計算機輔助制造進行零件的數(shù)控加工工藝制定，直觀地評價和比較各種加工方案,，利用美國 ＣＧＴＥＣＨ 公司的 ＶＥＲＩＣＵＴ 仿真軟件,，通過定制毛坯，可進行實體加工切削仿真,，檢查加工中的過切現(xiàn)象和加工刀位的合理性,，以取代實際試切，降低成本,，節(jié)約加工工時,，提高數(shù)控機床的利用率�,！∵@正是 Ｕｎｉｇｒａｐｈｉｃｓ 特別的地方,，它可以用三維真實的模型進行渲染功能來幫助設計師。它還能使企業(yè)從產(chǎn)品設計到制造能夠實現(xiàn)并行工

 

rabbit2005

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很好地方向啊,。,。。,。,。