基于 ＵＧ 模塊的企業(yè)應(yīng)用研究---(1)

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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(fù)
雜。設(shè)計部門要以最快的速度設(shè)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(jìn)的設(shè)計手段──計算機輔助設(shè)計（簡稱
ＣＡＤ）和先進(jìn)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(shù)。　
從計算機科學(xué)的角度看，設(shè)計與制造的過程是一個關(guān)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(shù)手段，
對產(chǎn)品從構(gòu)思到投放市場的整個過程中的信息進(jìn)行分析和處理,，生成和
運用各種數(shù)字信息和圖形信息,，進(jìn)行產(chǎn)品的設(shè)計與制造。ＣＡＤ／ＣＡＭ 技術(shù)
不是傳統(tǒng)設(shè)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(xué)與工程領(lǐng)域的
專業(yè)技術(shù)以及人的智慧和經(jīng)驗以現(xiàn)代的科學(xué)方法為指導(dǎo)結(jié)合起來,，在設(shè)
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(fù)性高,、勞動量大,、計算復(fù)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(shù)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(shè)計,、仿真以及 ＮＣ
加工,。而廣義的 ＣＡＤ／ＣＡＭ 集成系統(tǒng)還應(yīng)包括生產(chǎn)規(guī)劃、管理,、質(zhì)量控制
等方面,。　
１．１．１　　計算機輔助設(shè)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(yīng)用普及以及現(xiàn)代設(shè)計問題的復(fù)雜
化,、智能化,，人們不再僅僅滿足于用計算機取代人進(jìn)行手工繪圖,。所以
隨著計算機圖形學(xué)、人工智能,、計算機網(wǎng)絡(luò)等基礎(chǔ)技術(shù)的發(fā)展和計算機
集成制造,、并行工程、協(xié)同設(shè)計等現(xiàn)代設(shè)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(shè)計、物理特性分析,、動態(tài)仿真方向
發(fā)展,，參數(shù)化設(shè)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(fù)雜程度的增加和各個不同應(yīng)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(shù),，特別是組件開發(fā)技術(shù)的研究
應(yīng)用和逐漸成熟為解決這一問題提供了堅實的基礎(chǔ),。　
計算機輔助設(shè)計（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ�,。粒椋洌澹洹,。模澹螅椋纾睿��,。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(jìn)行設(shè)計的方法與技術(shù)，包括設(shè)計,、計
算、繪圖,、工程分析,、模擬、與文檔制作等設(shè)計活動,，它是一種新的設(shè)
計方法,，也是一門多學(xué)科綜合運用的新技術(shù)。ＣＡＤ 可以說是產(chǎn)品設(shè)計發(fā)
展史上的一次革命,。ＣＡＤ 技術(shù)起步于 ５０ 年代后期,，很快就應(yīng)用在航空工
業(yè),，但隨后便迅速擴(kuò)展至其他工業(yè)領(lǐng)域,，并且進(jìn)一步向新產(chǎn)品制造過程
的設(shè)計與評價領(lǐng)域延伸，從而導(dǎo)致了工作過程和步驟的具體化,。由于 ＣＡＤ
技術(shù)有效地縮短了產(chǎn)品設(shè)計周期，從而使企業(yè)能夠迅速對市場化作出反
應(yīng),。當(dāng) ＣＡＤ 系統(tǒng)與外部通訊網(wǎng)絡(luò)連通時,，生產(chǎn)企業(yè)便可與其供應(yīng)商和客
戶分享其具體的產(chǎn)品設(shè)計方案�,！�
ＣＡＤ 技術(shù)作為成熟的普及技術(shù)已在企業(yè)中廣泛應(yīng)用,，并已成為企業(yè)
的現(xiàn)實生產(chǎn)力。ＣＡＤ 技術(shù)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(dá)基本的幾何信息，不能有效表達(dá)幾何數(shù)據(jù)間的
拓?fù)潢P(guān)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(dāng)時只能采用多截面視圖,、特征緯線的
方式來近似表達(dá)所設(shè)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(shè)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(dá)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(chǔ)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(shù)的開發(fā)有了現(xiàn)實的基礎(chǔ),。曲面造型系統(tǒng) ＣＡＴＩＡ 為人類帶來了第一次 ＣＡＤ 技術(shù)革命,。　曲面造型系統(tǒng)帶來的技術(shù)革新,，使汽車開發(fā)手段比舊的模式有了質(zhì)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(shù)　準(zhǔn)確完整地表達(dá)和描述模具的復(fù)雜曲面和實體模型,，７０ 年代末到８０ 年代初，由于計算機技術(shù)的進(jìn)步,，計算機輔助分析,，　計算機輔助制造技術(shù)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(cè)重在實體造型及自由曲面［７］造型技術(shù),，它能準(zhǔn)確地表達(dá)和描述復(fù)雜曲面和實體模型，同時發(fā)展 ＣＡＭ［８］�,。郏梗荨。郏保埃菁夹g(shù),。由于實體造型技術(shù)能精確表達(dá)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，�,。茫粒�,，　ＣＡＭ 模型表達(dá),，給設(shè)計帶來了驚人的方便,。可以說,，實體造型技術(shù)的普及應(yīng)用標(biāo)志著 ＣＡＤ 發(fā)展史的第二次技術(shù)革命,。　特征造型是在 ＣＡＤ／ＣＡＭ　技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用達(dá)到一定水平,、要求進(jìn)一步提高生產(chǎn)組織集成化和自動化程度的歷史進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品信息模型；工程人員以自己熟悉的方式進(jìn)行設(shè)計,，以提高實體造型的設(shè)計效率,�,！� ③　參數(shù)化技術(shù)　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(shè)計是指設(shè)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(guān)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(guān)、尺寸驅(qū)動設(shè)計修改等特點,。進(jìn)入 ９０ 年代,，參數(shù)化技術(shù)變得成熟起來，充分體現(xiàn)出其在許多通用件,、零部件設(shè)計上存在的簡便易行的優(yōu)勢,。　 ④　變量化技術(shù)　參數(shù)化技術(shù)的應(yīng)用成功,，使它在 ９０ 年代幾乎成為 ＣＡＤ 業(yè)界的標(biāo)準(zhǔn),。但這種把線框模型、曲面模型及實體模型疊加在一起的復(fù)合建模技術(shù)并非完全基于實體,，這難以全面應(yīng)用參數(shù)化技術(shù),。　變量設(shè)計是參數(shù)化技術(shù)設(shè)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(shè)計是可以達(dá)到雙向溝通的，這一技術(shù)給ＣＡＤ 帶來巨大的活力和創(chuàng)造力,。變量化技術(shù)既保持了參數(shù)化技術(shù)原有的優(yōu)點,，同時又克服了它的許多不足之處，為 ＣＡＤ 技術(shù)的發(fā)展提供了更大的空間和機遇,�,！‖F(xiàn)在的 ＣＡＤ 技術(shù)還具有以下特點：　 ①智能化 ＣＡＤ 技術(shù)　現(xiàn)有 ＣＡＤ 技術(shù)在機械設(shè)計中只能處理數(shù)值型的工作。然而在設(shè)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(shù),，特別是專家系統(tǒng)技術(shù),，與傳統(tǒng)的 ＣＡＤ　技術(shù)結(jié)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(shè)計理論與方法,，特別是并行設(shè)計理論以及概念設(shè)計的理論，它們都是當(dāng)今 ＣＡＤ　理論研究的熱點,。另外還需要繼續(xù)深入研究機械設(shè)計型專家系統(tǒng)中的一些基本理論及技術(shù)問題,，如知識表達(dá)、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(yīng)設(shè)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(jìn)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(shè)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(shè)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(zhuǎn)變，以便 ＣＡＤ　系統(tǒng)建立完備的,、統(tǒng)一的,、符合某種標(biāo)準(zhǔn)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(shè)計模型轉(zhuǎn)換成制造模型,。

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③　產(chǎn)品數(shù)據(jù)交換的標(biāo)準(zhǔn)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，
3 V- i& M9 x- u0 @: b2 o, X# J為了使用的產(chǎn)品數(shù)據(jù)能夠順利進(jìn)行交換,，必須制定數(shù)據(jù)交換的標(biāo)準(zhǔn),。當(dāng)
前流行的數(shù)據(jù)交換規(guī)范主要有 ＩＧＥＳ　和 ＳＴＥＰ　�,！�
# c( G8 Z9 g# e: m3 N2 jＣＡＤ 技術(shù)基礎(chǔ)理論的每次重大進(jìn)展,，無一不帶動了 ＣＡＤ／�,。茫粒停�ＣＡ�� 整
體技術(shù)的提高以及制造手段的更新。技術(shù)發(fā)展,，永無止境,。沒有一種技
" w7 U8 Q- @% k% F; ^' _術(shù)是常青樹，ＣＡＤ 技術(shù)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(shù)的興旺與繁榮，促進(jìn)了工業(yè)的
高速發(fā)展,�,！�
１．１．２　　計算機輔助制造　
$ j/ S7 A' |: _2 b8 P2 [( f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(nèi)容：工藝裝備設(shè)計、數(shù)字化（圖
2 A& T$ G' O; k: j/ E! r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
ＣＡＰＰ）、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��
ＦＭＳ）,、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
7 U4 a7 y1 m9 p# N  V設(shè)計到加工制造之間的一切生產(chǎn)準(zhǔn)備活動,，它包括 ＣＡＰＰ、ＮＣ 編程,、工
- U( |2 m2 @+ [, I8 ^; _9 `6 x, }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
6 y8 H, t+ `: l/ s8 r: L9 y系統(tǒng)的狹義概念,。到今天,，ＣＡＭ 的狹義概念甚至更進(jìn)一步縮小為 ＮＣ 編程
; D( t$ V8 P; ]/ t9 {# c0 l的同義詞。ＣＡＭ 的廣義概念包括的內(nèi)容則多得多,，除了上述 ＣＡＭ 狹義定
義所包含的所有內(nèi)容外,，它還包括制造活動中與物流有關(guān)的所有過程
（加工、裝配,、檢驗,、存儲、輸送）的監(jiān)視,、控制和管理,。　
在實際應(yīng)用中,，一般意義上的 ＣＡＭ 主要是指利用計算機直接進(jìn)行加
" z7 ^. B, }. C" ~4 [  V9 b工制造,、生產(chǎn)過程控制的技術(shù)系統(tǒng)，其主體是由數(shù)控機床（ＮＣ／ＣＮＣ／ＮＤＣ）,、
: N2 ?' X) n8 W2 l$ |. a  H機器人（Ｒｏｂｏｔ）,、自動物料儲運系統(tǒng)［運輸設(shè)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）��
& _8 _# p/ \4 D$ M) s- k等設(shè)計而構(gòu)成,。其中，數(shù)控機床（Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ�,。茫铮睿簦颍铮欤�ＮＣ）是一種能
6 m1 o# ~" x) ~; R9 ~夠根據(jù)預(yù)先編好的一系列指令,，實現(xiàn)對各種尺寸或各種形狀的復(fù)雜工件
進(jìn)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
1 j, v' t0 H( H! X% {十年的發(fā)展,，ＮＣ 已經(jīng)從識讀器時代進(jìn)入了計算機數(shù)控（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　
Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　Ｃｏｎｔｒｏｌ,，ＣＮＣ）,，它是一臺獨立的微型計算機來控制其運行，
4 m5 g# {0 ^; W0 `又稱加工中心（Ｍａｃｈｉｎｉｎｇ　Ｃｅｎｔｅｒ,，�,。停茫�；另一種是直接數(shù)控（Ｄｉｒｅｃｔ　
0 C8 d: P( [+ Y0 L* cＮｕｍｅｒｉｃａｌ�,。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
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(nèi),，通過中心計算
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
9 y# U. V9 E) u% e. o9 S中心計算機,。隨著技術(shù)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
能,；它著眼于車間的信息集成，針對車間生產(chǎn)計劃,，技術(shù)準(zhǔn)備,，加工操
作等基本作業(yè)進(jìn)行集中監(jiān)控與分散控制，把生產(chǎn)任務(wù)通過局域網(wǎng)分配給
) M8 \9 d; u9 t2 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
時再擴(kuò)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
' J/ T& f- d3 q9 s$ a  t) {( n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
間級通訊風(fēng)格的代名詞,。ＤＮＣ 已演變成生產(chǎn)準(zhǔn)備和制造過程中設(shè)備信息
互連的一種技術(shù)，是實現(xiàn) ＣＡＤ／ＣＡＰ／ＣＡＭ 一種技術(shù)關(guān)鍵的紐帶,，是現(xiàn)代化
制造車間實現(xiàn) ＣＩＭＳ 信息集成和設(shè)備集成的有效途徑,。　
１．２　　先進(jìn)制造技術(shù)及虛擬制造技術(shù)［４］�,。郏保常荩郏保梗荩郏矗福荩郏矗梗荨�
隨著全球科技和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,，制造業(yè)不僅要追求創(chuàng)新，而且還要重
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
$ ]8 B' q$ F3 G造業(yè)技術(shù)進(jìn)步和發(fā)展,�,！�
先進(jìn)制造技術(shù)是一個國家、一個民族賴以繁榮昌盛的重要手段,，虛
' P0 T) r9 u3 P+ d% Q9 q5 f( A" c擬制造技術(shù)是其關(guān)鍵技術(shù)之一,。近年來，為了縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期,、降
' o# c  `3 k+ H; A7 P' B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
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(shè)計、開發(fā)與實現(xiàn)過程在計算機上的本
質(zhì)實現(xiàn),，而且已經(jīng)出現(xiàn)了許多成功的應(yīng)用實例,，因此，虛擬制造引起了
0 I4 a  L% V# C' a

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人們的廣泛關(guān)注,，在科技界和企業(yè)界都成為研究的熱點之一,。　
虛擬制造技術(shù)是以計算機技術(shù),、信息技術(shù),、仿真技術(shù)和虛擬現(xiàn)實技
術(shù)為支持，在產(chǎn)品設(shè)計和制造出真實產(chǎn)品之前,，就能使人體會感受到未
% v) Q  J) G' a7 o: X. N( F. @" k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
案。虛擬制造在計算機上借助立體建模和仿真技術(shù),，從產(chǎn)品設(shè)計開始就
1 i9 p- M) `9 F實時地,、并行地對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、工作性能,、工藝流程、裝配調(diào)試,、作業(yè)計
劃,、物流管理、資源調(diào)配以及成本核算等一切生產(chǎn)活動進(jìn)行模擬與仿真,，
! @- f6 w* E4 g檢查產(chǎn)品的可加工性和設(shè)計的合理性,、預(yù)測其制造周期和使用性能，以
- |" [2 q, r( `' g$ q! p( L便及時修改設(shè)計，更有效地靈活組織生產(chǎn),，可以縮短產(chǎn)品的研制周期,，
  ]9 C  o9 b" L+ Q& N8 Y& [獲得最佳的產(chǎn)品質(zhì)量、最低的成本和最短的開發(fā)周期,�,！�
目前，虛擬制造技術(shù)已經(jīng)在國外獲得應(yīng)用,。美國三大汽車公司采用
! p* U, i7 K6 a& c3 I3 EＶＭＴ 技術(shù)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
0 X9 f9 F6 J% }內(nèi)，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(shè)計
/ e& a0 V2 o; _  r1 O的 ＶＳＸ 虛擬飛機，可用頭盔顯示器和數(shù)據(jù)手套進(jìn)行觀察與控制,，使飛機
設(shè)計人員身臨其境地觀察飛機設(shè)計的結(jié)果,，并對其外觀、內(nèi)部結(jié)構(gòu)及使
用性能進(jìn)行考察,；日本 Ｍａｔｓｕｓｈｉｔａ 公司開發(fā)的虛擬廚房設(shè)備制造系統(tǒng),，
/ {- f+ U; Y6 X' k& H. t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(shè)備的功能,，
$ Z9 }3 I5 g. m% m0 |* d按自己的喜好評價,、選擇和重組這些設(shè)備，他們的選擇將被存儲,，并通
過網(wǎng)絡(luò)送至生產(chǎn)部門進(jìn)行生產(chǎn),。我國的虛擬制造企業(yè)是適應(yīng)香港和內(nèi)地
3 l$ n; h  F; k! h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
* y# b+ k( s% j3 ^+ p８０～９０％把產(chǎn)品的加工和裝配移到內(nèi)地，但產(chǎn)品的設(shè)計,、生產(chǎn)規(guī)劃,、市
9 M' r$ A7 h" \, j/ g! ^$ G場開拓和銷售，大部份還在香港進(jìn)行,。我國的虛擬制造企業(yè)目前還是一
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(shù)是 ＣＡＤ／ＣＡＥ／ＣＡＭ 技術(shù)發(fā)展的更高階段，也是計算機圖
形技術(shù),、仿真技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物,，對產(chǎn)品開發(fā)具有重要的研究和應(yīng)用意義,。
由于目前商用虛擬制造技術(shù)相關(guān)軟、硬件系統(tǒng)的功能還是比較有限,，且
- U. m. a" n. p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(yīng)成為虛擬
制造技術(shù)發(fā)展的重要內(nèi)容之一,，開發(fā)的內(nèi)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(shè)的硬件接口,、虛擬仿真語言,、與傳統(tǒng)
$ O, m9 h) q& w- z  \ＣＡＤ 軟件的數(shù)據(jù)通用轉(zhuǎn)換接口、各種數(shù)據(jù)庫和工具庫等,�,！√摂M制造技術(shù)
* E1 Q5 ], L" Z# E的發(fā)展應(yīng)遵循“抓應(yīng)用，促發(fā)展,，見效益”的原則,，使昂貴的設(shè)備物盡
其用，而且還會促進(jìn)相關(guān)基礎(chǔ)技術(shù)研究與軟件產(chǎn)品的開發(fā),�,！�
現(xiàn)代化先進(jìn)制造技術(shù)典型代表是計算機集成制造系統(tǒng)（ＣＩＭＳ）［４］　［１６］　
, D- d0 G% X0 C［２７］［４３］
,，是一項面向企業(yè)生產(chǎn)全過程的高技術(shù),。ＣＩＭＳ 是在自動化技術(shù)、信
息技術(shù)及制造技術(shù)的基礎(chǔ)上,，通過計算機及其軟件,，把制造廠全部生產(chǎn)
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(yīng)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
部分組成：即設(shè)計與工藝模塊,、制造模塊,、管理信息模塊和存貯運輸模
塊�,！�
! u0 V) A$ W+ }- K( b3 G８０ 年代末期,，高速切削技術(shù)逐步發(fā)展成熟，它在工業(yè)生產(chǎn)中得到應(yīng)
9 f- N, i" o5 L7 n用,，從機床,、刀具及其他相關(guān)技術(shù)方面都得到了不斷的完善。由于高速
9 I+ E0 \3 d; w( B, A0 o切削能夠成倍地提高進(jìn)給速度,，所以在不降低生產(chǎn)效率的情況下使減少
進(jìn)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
工加工的工序,，而直接可以投入使用�,！�
" @) E% z% S+ ^１．３　　本課題的研究意義和研究內(nèi)容　
. Y3 a1 N2 R- S; y) L$ ]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(shè)備,，同時還配備了相應(yīng)的編程軟件,。由于采用了
- b" g) B7 H, HＣＡＤ／ＣＡＭ 技術(shù)，大大減少設(shè)計人員的工作量,，編程人員根據(jù)模型能夠快
速準(zhǔn)確地編制出加工程序并傳給數(shù)控機床進(jìn)行加工零件,，這樣來縮短加
; Q( v2 Y7 F+ p" s3 R* w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(shè)備，如數(shù)控車床,、數(shù)控銑床,、加工中心、數(shù)
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,。　
) T2 Z( F2 N8 e* r從使用數(shù)控機床的情況來看,，普遍應(yīng)用水平不高,，生產(chǎn)準(zhǔn)備（數(shù)控
程序和機床刀具的準(zhǔn)備）周期長，失誤率高,，數(shù)控機床功能,，尤其是特
2 e! I: L2 g  M; ^$ E" v, t殊功能的開發(fā)應(yīng)用不夠，開機率一般在往往只能達(dá)到�,。玻埃ィ�３０％［１��,，往往
% M9 v3 B: R, a  q4 W3 N不及國外數(shù)控機床開動率達(dá)到 ６０％。數(shù)控機床使用效率低的原因如下：　
1 l6 O4 M" o. j. }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,。　
. V+ L% {8 `, e% [& \1 y% `

老鷹

②數(shù)控機床技術(shù)人員（編程人員,、操作人員,、維修人員等）綜合素
& I3 x& b; X0 a% v0 Z/ h質(zhì)低�,！�
; Y( b- `. y$ Y" P, J企業(yè)在使用一些技術(shù)人員時,，都是分開使用的,，如編程人員、操作
8 f# |0 u; l3 t6 t9 p* v7 r" X; {人員,、維修人員等,。而他們在溝通上難免有一定的不協(xié)調(diào)，致使工作出
$ k1 ], Q  a& u0 ~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
. M& C- j# F+ v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
2 |% {, @+ O  e' l7 x: H己使用軟件進(jìn)行編程，往往不考慮生產(chǎn)效率,，同時不采用混合編程,，也
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
9 V4 s9 k! G( p時間十幾天的情況都有，從而嚴(yán)重的影響到機床的使用效率,�,！�
③手工數(shù)控編程的效率低�,！�
我們在進(jìn)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
; ^9 M" M5 p; g8 R  J$ c, z機床中，進(jìn)行程序調(diào)試,，程序符合加工條件后,，對其零件進(jìn)行加工。這
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”�,！�
- y7 M  p! h. F0 a. H* v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
8 M5 c  x; W+ ^的氣的壓力，電壓要求及其嚴(yán)格,�,！�
- T$ [$ `& l1 V⑤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)
; E# v; G0 R4 G( H& p. ^/ n無法傳遞，編程人員根據(jù)設(shè)計部門所提供的圖紙信息,，再重新進(jìn)行建模
及編程,，這勢必造成重復(fù)性勞動，同時對有的圖紙的理解上存在一定的
! s4 j$ j* \0 ~2 {* L6 f難度,，更有甚者,，會造成產(chǎn)品質(zhì)量事故�,！�
  \/ F9 E$ E6 ?9 u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
' F/ ^( l( }8 Y+ r0 i4 w3 _- ]2 e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
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
% Z6 V9 X2 _- q+ x床通過 ＲＳ－２３２Ｃ 串行口直接連接,，直接進(jìn)行數(shù)控程序的快速、準(zhǔn)確地
2 {; |9 p1 G. u0 y; F5 j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
- B! S4 y) l* z) ]* i" [床相連接,，進(jìn)行信息共享，并能管理多臺機床組成的數(shù)控工段內(nèi)的生產(chǎn)
過程中的信息,，以減少生產(chǎn)準(zhǔn)備,，尤其是數(shù)控程序的準(zhǔn)備時間。但對于
* t1 W# ~" B& |8 `' {這些,，作為管理者對此不了解,，不能做到信息共享，這也嚴(yán)重地影響了
生產(chǎn)效率,�,！�
企業(yè)雖然選購了較為先進(jìn)的 ＣＡＤ／ＣＡＭ 軟件，如 Ｐｒｏ／Ｅ,，Ｕｎｉｇｒａｐｈｉｃｓ
（以下簡稱 ＵＧ）等,，使用效果不是很好。在從事產(chǎn)品設(shè)計時使用的設(shè)計
% \- v. ~8 w# z0 h# Q. Y$ ?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
. p1 S; f% L, h: R然在使用三維軟件,，也局限于零件的設(shè)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(yīng)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(jìn)行分析 ＵＧ 模塊化設(shè)計開發(fā)和數(shù)控加工中程序的的編制�,！�
１．３．１　�,。眨� 模塊化設(shè)計開發(fā)　
: _9 B. P  ?, O1 F利用三維軟件 ＵＧ 提高實體建模速度。由于 ＵＧ 的設(shè)計方法是采用復(fù)
合建模方法進(jìn)行設(shè)計,，是一種面向目標(biāo)的設(shè)計,，為工程師提供了能滿足
" v: z* \1 a. l6 V) d9 H6 c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
+ p2 ~- c. K3 c! j* I; t4 J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(shè)計系統(tǒng),�,！�
在 ＵＧ 進(jìn)行建模中，可使用以下的方法進(jìn)行模塊化設(shè)計：
①　利用 ＵＧ 軟件進(jìn)行設(shè)計工作時,，很重要的工作就是制定公司標(biāo)準(zhǔn),。
建立一個標(biāo)準(zhǔn)的通用的種子部件和通用模板�,！�
4 x. u- W6 j) Y( S- {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
* `# I$ o* M+ [8 p在著一定的相關(guān)性，就可以進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計,，如利用表達(dá)式,、方程曲線
等進(jìn)行設(shè)計�,！�
9 ?/ s- ?/ j4 ?+ A5 f, f$ V1 |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(jìn)
行標(biāo)準(zhǔn)件設(shè)計,。采用的方法有利用電子表格、利用用戶自定義特征法和
二次開發(fā)工具建立標(biāo)準(zhǔn)件庫,�,！�
１．３．２　數(shù)控程序編制　
/ p7 p: n1 `8 w) C  e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
  c! M0 k+ J. b9 }6 q% q8 v影響到生產(chǎn)效率,。在這里,，主要采用的方法如下：　
& \3 i6 T. P! ^7 s, g

老鷹

①　工藝是科學(xué)技術(shù)第一生產(chǎn)力的基本要素。只要有生產(chǎn)，就得有
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(jìn)行施工
( c/ G8 u: H/ W1 t0 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
藝是組織、指揮生產(chǎn)的技術(shù)依據(jù),。把工藝做為工作的基礎(chǔ)與紐帶作用,，
2 ?" G; z( R* n+ c2 y: Z6 E/ M) a使人、機,、料,、法、環(huán),、測等生產(chǎn)要素有機地結(jié)合起來，并有效地開展
+ F6 p! B4 h% V7 p生產(chǎn)活動,�,！�
②采用計算機進(jìn)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(jìn)行分組,，編制一些通用的子
* R2 o" l% q' h程序,。這樣可以減少程序輸入及調(diào)試的時間�,！�
. m0 g! `7 F# i. n: n5 f" y9 Q' |④編制一些找正的程序,。以減少機床的裝夾及找正的時間�,！�
  N- F. C0 F4 o5 O+ k( ]0 B2 o⑤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
對刀時間,，充分發(fā)揮數(shù)控機床的優(yōu)勢,。

老鷹

計算機輔助設(shè)計和計算機輔助制造，是指計算機為主要技術(shù)手段來生成和運用各種數(shù)字信息和圖形信息,，進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)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(jié)合。從計算機科學(xué)的角度看,，設(shè)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?qū)Ξa(chǎn)品從構(gòu)思到投放市場的整個過程進(jìn)行分析和控制,，即對 設(shè) 計 和 制 造 過 程 中 的 產(chǎn) 生 轉(zhuǎn) 換 存 儲 流 通 管 理 進(jìn) 行 分 析 和 控 制 。ＣＡＤ／ＣＡＭ 系統(tǒng)實質(zhì)上是一個有關(guān)產(chǎn)品設(shè)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(shè)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(shè)計制造信息的工程數(shù)據(jù)庫等三大部分構(gòu)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(zhì)量特性功能,；三維運動機構(gòu)分析和仿真功能；　有限元分析功能,；三維及二維圖形的轉(zhuǎn)換功能,；優(yōu)化設(shè)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(shè)計的目的,，是為了提高設(shè)計效率,、提高設(shè)計質(zhì)量。廣大的工程技術(shù)人員必須具有三維想象力,，利用三維軟件進(jìn)行設(shè)計,，便于設(shè)計者進(jìn)行直觀地想象�,！≈�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(shù)的集成化 ＣＡＤ／ＣＡＥ／ＣＡＭ 軟件,，優(yōu)越的參數(shù)化和變量化技術(shù)與傳統(tǒng)的實體,、線框和表面功能結(jié)合在一起，準(zhǔn)確完整地表達(dá)和描述零件的復(fù)雜曲面和實體模型,，可進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)行渲染功能來幫助設(shè)計師。它還能使企業(yè)從產(chǎn)品設(shè)計到制造能夠?qū)崿F(xiàn)并行工

 

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