基于 ＵＧ 模塊的企業(yè)應(yīng)用研究---(1)

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１．１　　ＣＡＤ／ＣＡＭ 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(shí)，其產(chǎn)品的外形也變得越來越復(fù)
雜。設(shè)計(jì)部門要以最快的速度設(shè)計(jì)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(yùn)用先進(jìn)的設(shè)計(jì)手段──計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（簡稱
ＣＡＤ）和先進(jìn)的制造手段──計(jì)算機(jī)輔助制造［２］（簡稱 ＣＡＭ），或者 ＣＡＤ／ＣＡＭ
集成制造技術(shù)。　
從計(jì)算機(jī)科學(xué)的角度看，設(shè)計(jì)與制造的過程是一個(gè)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(jì)算機(jī)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(gè)過程中的信息進(jìn)行分析和處理，生成和
運(yùn)用各種數(shù)字信息和圖形信息，進(jìn)行產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與制造。ＣＡＤ／ＣＡＭ 技術(shù)
不是傳統(tǒng)設(shè)計(jì)、制造流程的方法的簡單映像，也不是局限于在個(gè)別步驟
或環(huán)節(jié)中部分的使用計(jì)算機(jī)作為工具，而是將計(jì)算機(jī)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(yàn)以現(xiàn)代的科學(xué)方法為指導(dǎo)結(jié)合起來，在設(shè)
計(jì)、制造的全過程中各盡所長，盡可能的利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)來完成那些重
復(fù)性高、勞動(dòng)量大、計(jì)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(gè)過程，以獲得最佳效果。ＣＡＤ／ＣＡＭ 系統(tǒng)以
及計(jì)算機(jī)硬件、軟件為支持環(huán)境，通過各個(gè)功能模塊（分系統(tǒng)）實(shí)現(xiàn)對
產(chǎn)品的描述、計(jì)算、分析、優(yōu)化、繪圖、工藝規(guī)程設(shè)計(jì)、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(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)［５］　［６］　［１７］　［１８］　
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(jì)問題的復(fù)雜
化、智能化，人們不再僅僅滿足于用計(jì)算機(jī)取代人進(jìn)行手工繪圖。所以
隨著計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、人工智能、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等基礎(chǔ)技術(shù)的發(fā)展和計(jì)算機(jī)
集成制造、并行工程、協(xié)同設(shè)計(jì)等現(xiàn)代設(shè)計(jì)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(jì)、物理特性分析、動(dòng)態(tài)仿真方向
發(fā)展，參數(shù)化設(shè)計(jì)向變量化和 ＶＧＸ（超變量化）方向發(fā)展，幾何造型、曲
面造型、實(shí)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(gè)不同應(yīng)用系統(tǒng)間互操作的現(xiàn)實(shí)需
要，人們希望 ＣＡＤ 系統(tǒng)具有極佳的開放性同時(shí)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(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。　
計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　Ａｉｄｅｄ　Ｄｅｓｉｇｎ，　ＣＡＤ）　是由計(jì)算機(jī)的硬、
軟件系統(tǒng)輔助人們對產(chǎn)品或工程進(jìn)行設(shè)計(jì)的方法與技術(shù)，包括設(shè)計(jì)、計(jì)
算、繪圖、工程分析、模擬、與文檔制作等設(shè)計(jì)活動(dòng)，它是一種新的設(shè)
計(jì)方法，也是一門多學(xué)科綜合運(yùn)用的新技術(shù)。ＣＡＤ 可以說是產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(jì)與評(píng)價(jià)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(jì)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(shí)，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(jì)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(shí)生產(chǎn)力。ＣＡＤ 技術(shù)的發(fā)展大約經(jīng)過了四個(gè)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(jī)和汽車工業(yè)快速發(fā)展時(shí)期，飛機(jī)及汽車制造
中遇到大量的自由曲面的問題，當(dāng)時(shí)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(jì)的自由曲面。但這種制作過程大大拖延了產(chǎn)品研
發(fā)時(shí)間，因而要求更新設(shè)計(jì)手段。此時(shí)法國人提出了貝賽爾算法，使人
們用計(jì)算機(jī)處理曲線及曲面問題變得可行，同時(shí)也使法國達(dá)索飛機(jī)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(diǎn)的自由曲面建模方法，推出了三維曲面造型系統(tǒng) ＣＡＴＩＡ。它實(shí)現(xiàn)以計(jì)算機(jī)完整描述產(chǎn)品零件的主要信息，同時(shí)也使得 ＣＡＭ 技術(shù)的開發(fā)有了現(xiàn)實(shí)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(shí)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(shí)體模型，７０ 年代末到８０ 年代初，由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，計(jì)算機(jī)輔助分析，　計(jì)算機(jī)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(shí)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(shí)體模型，同時(shí)發(fā)展 ＣＡＭ［８］　［９］　［１０］技術(shù)。由于實(shí)體造型技術(shù)能精確表達(dá)零件的全部屬性，如實(shí)體體積、面積、重心、慣性矩等的自動(dòng)計(jì)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，　ＣＡＭ 模型表達(dá)，給設(shè)計(jì)帶來了驚人的方便。可以說，實(shí)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(dòng)化程度的歷史進(jìn)程中孕育成長起來的。其特點(diǎn)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(jì)，以提高實(shí)體造型的設(shè)計(jì)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(shí)體造型方法。參數(shù)設(shè)計(jì)是指設(shè)計(jì)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(dòng)設(shè)計(jì)修改等特點(diǎn)。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(jì)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(shí)體模型疊加在一起的復(fù)合建模技術(shù)并非完全基于實(shí)體，這難以全面應(yīng)用參數(shù)化技術(shù)。　變量設(shè)計(jì)是參數(shù)化技術(shù)設(shè)計(jì)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(jì)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(diǎn)，同時(shí)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(jī)遇。　現(xiàn)在的 ＣＡＤ 技術(shù)還具有以下特點(diǎn)：　 ①智能化 ＣＡＤ 技術(shù)　現(xiàn)有 ＣＡＤ 技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)中只能處理數(shù)值型的工作。然而在設(shè)計(jì)活動(dòng)中存在著另一類符號(hào)推理型工作。這些工作依賴于一定的知識(shí)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(jī)械 ＣＡＤ　發(fā)展的必然趨勢。　ＣＡＤ 能化過程中，同時(shí)要注意發(fā)展新的設(shè)計(jì)理論與方法，特別是并行設(shè)計(jì)理論以及概念設(shè)計(jì)的理論，它們都是當(dāng)今 ＣＡＤ　理論研究的熱點(diǎn)。另外還需要繼續(xù)深入研究機(jī)械設(shè)計(jì)型專家系統(tǒng)中的一些基本理論及技術(shù)問題，如知識(shí)表達(dá)、知識(shí)獲取、推理機(jī)制等。　 ②　ＣＡＤ／ＣＡＰＰ／ＣＡＭ 集成［１１］　［４７］　為適應(yīng)設(shè)計(jì)與制造自動(dòng)化的要求，特別是計(jì)算機(jī)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(gè)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(jì)者在幾何造型方面必須實(shí)現(xiàn)從傳統(tǒng)的實(shí)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(jì)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，
( M) p# Q( I( [/ q3 E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　。　
/ N; _& n/ K, x1 eＣＡＤ 技術(shù)基礎(chǔ)理論的每次重大進(jìn)展，無一不帶動(dòng)了 ＣＡＤ／　ＣＡＭ／ＣＡＥ 整
% ^8 P2 X9 N5 {: A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
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(dòng)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。　
/ A& r  [' s3 l; K7 j7 a１．１．２　　計(jì)算機(jī)輔助制造　
計(jì)算機(jī)輔助制造（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　Ａｉｄｅｄ　Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ，簡稱 ＣＡＭ），ＣＡＭ
- D  X% \8 f( K- u. z+ m% C從手工編程、自動(dòng)編程，到現(xiàn)在的諸項(xiàng)內(nèi)容：工藝裝備設(shè)計(jì)、數(shù)字化（圖
# U& V$ C% p, B+ v' R% u1 R形化）控制、工藝過程計(jì)劃（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　Ａｉｄｅｄ　Ｐｒｏｃｅｓｓ　Ｐｌａｎｎｉｎｇ，簡稱
ＣＡＰＰ）、機(jī)器人、柔性制造系統(tǒng)［１２］　（Ｆｌｅｘｉｂｌｅ　Ｍａｎｎ　ｆａｃｔｕｒｅ　ｓｙｓｔｅｍ，
ＦＭＳ）、工廠管理以及一些企業(yè)正在發(fā)展的 ＣＩＭＳ 項(xiàng)目。到目前為止，計(jì)
2 s% G1 q+ _9 k+ X% r' F算機(jī)輔助制造有狹義和廣義的兩個(gè)概念。ＣＡＭ 的狹義概念指的是從產(chǎn)品
設(shè)計(jì)到加工制造之間的一切生產(chǎn)準(zhǔn)備活動(dòng)，它包括 ＣＡＰＰ、ＮＣ 編程、工
時(shí)定額的計(jì)算、生產(chǎn)計(jì)劃的制訂、資源需求計(jì)劃的制訂等。這是最初 ＣＡＭ
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
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
. s: F* S  w" @義所包含的所有內(nèi)容外，它還包括制造活動(dòng)中與物流有關(guān)的所有過程
1 b/ m. @  N! v& S5 D4 k（加工、裝配、檢驗(yàn)、存儲(chǔ)、輸送）的監(jiān)視、控制和管理。　
在實(shí)際應(yīng)用中，一般意義上的 ＣＡＭ 主要是指利用計(jì)算機(jī)直接進(jìn)行加
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(jī)床（ＮＣ／ＣＮＣ／ＮＤＣ）、
: H: V5 s: @9 R機(jī)器人（Ｒｏｂｏｔ）、自動(dòng)物料儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)［運(yùn)輸設(shè)計(jì) ＡＧＶ（Ａｕｔｏｍａｔｅｄ　Ｇｕｉｄｅ　
$ D3 ~8 \* U1 O" RＶｅｈｉｃｌｅ）＋存儲(chǔ)系統(tǒng) ＡＳ／ＲＳ（Ａｕｔｏｍａｔｅｄ　Ｓｔｏｒａｇｅ　＆　Ｒｅｔｒｉｅｖａｌ　Ｓｙｓｔｅｍ）］
. g! a3 ]4 c: t) m8 a等設(shè)計(jì)而構(gòu)成。其中，數(shù)控機(jī)床（Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　Ｃｏｎｔｒｏｌ，ＮＣ）是一種能
, A6 G4 h$ ^6 ]* _: y8 @9 c夠根據(jù)預(yù)先編好的一系列指令，實(shí)現(xiàn)對各種尺寸或各種形狀的復(fù)雜工件
2 o: f5 a+ ]3 b6 h9 W$ D6 f! o進(jìn)行鋸、銑、刨、磨、鉆、車等多種不同加工方式的大型機(jī)床。經(jīng)過幾
, W5 L* L: t+ F十年的發(fā)展，ＮＣ 已經(jīng)從識(shí)讀器時(shí)代進(jìn)入了計(jì)算機(jī)數(shù)控（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　
+ n, ^+ L  d+ kＮｕｍｅｒｉｃａｌ　Ｃｏｎｔｒｏｌ，ＣＮＣ），它是一臺(tái)獨(dú)立的微型計(jì)算機(jī)來控制其運(yùn)行，
/ c+ ~$ q' ~0 ^又稱加工中心（Ｍａｃｈｉｎｉｎｇ　Ｃｅｎｔｅｒ，　ＭＣ）；另一種是直接數(shù)控（Ｄｉｒｅｃｔ　
Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　Ｃｏｎｔｒｏｌ，ＤＮＣ），它是一臺(tái)中心計(jì)算機(jī)對臺(tái)數(shù)控機(jī)床同時(shí)控
' q) l5 ^7 s" Y% |# n制，控制各臺(tái)機(jī)床的加工程序都編入一個(gè)中央數(shù)據(jù)庫內(nèi)，通過中心計(jì)算
機(jī)傳送到各個(gè)機(jī)床，而每臺(tái)機(jī)床的加工情況，又通過附屬控制器反饋到
中心計(jì)算機(jī)。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　Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　Ｃｏｎｔｒｏｌ），它不但具
) D1 B( I$ V2 G& `& D: @: o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
. K9 n9 w0 [+ _- ^  j6 \能；它著眼于車間的信息集成，針對車間生產(chǎn)計(jì)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
各個(gè)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(shí)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
以說現(xiàn)代意義上的 ＤＮＣ，不僅指單個(gè)機(jī)床的控制而且在某種意義上是車
' {6 E" ]" W# P間級(jí)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
# n7 P+ a& y% |& b! `) e& [互連的一種技術(shù)，是實(shí)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(shí)現(xiàn) ＣＩＭＳ 信息集成和設(shè)備集成的有效途徑。　
6 H0 d7 C. `% J/ w8 ?１．２　　先進(jìn)制造技術(shù)及虛擬制造技術(shù)［４］　［１３］［１９］［４８］［４９］　
7 _6 z( [& G3 M  B! s0 ]4 g! D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(jī)制的創(chuàng)新，以推動(dòng)制
造業(yè)技術(shù)進(jìn)步和發(fā)展。　
; z2 d! k( V  l* g8 `( S先進(jìn)制造技術(shù)是一個(gè)國家、一個(gè)民族賴以繁榮昌盛的重要手段，虛
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
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　Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ，ＶＭ）基本上不消耗資源和能量，
也不生產(chǎn)實(shí)際產(chǎn)品，而是產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、開發(fā)與實(shí)現(xiàn)過程在計(jì)算機(jī)上的本
質(zhì)實(shí)現(xiàn)，而且已經(jīng)出現(xiàn)了許多成功的應(yīng)用實(shí)例，因此，虛擬制造引起了

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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(diǎn)之一。　
4 [% y- M) I% z& y$ |/ }& Z% d虛擬制造技術(shù)是以計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)、仿真技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技
術(shù)為支持，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造出真實(shí)產(chǎn)品之前，就能使人體會(huì)感受到未
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(shí)施方
案。虛擬制造在計(jì)算機(jī)上借助立體建模和仿真技術(shù)，從產(chǎn)品設(shè)計(jì)開始就
. i% E# n$ [' n, Q. G+ h# r/ L實(shí)時(shí)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(jì)
劃、物流管理、資源調(diào)配以及成本核算等一切生產(chǎn)活動(dòng)進(jìn)行模擬與仿真，
3 U/ H! \  Q3 [檢查產(chǎn)品的可加工性和設(shè)計(jì)的合理性、預(yù)測其制造周期和使用性能，以
便及時(shí)修改設(shè)計(jì)，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(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
8 v& k2 q. i, }# F: qＶＭＴ 技術(shù)后，汽車工業(yè)新車型開發(fā)的時(shí)間可由 ３６ 個(gè)月縮短到 ２４ 個(gè)月以
內(nèi)，競爭的優(yōu)勢顯然得到加強(qiáng)，其影響不可估量。例如：波音公司設(shè)計(jì)
的 ＶＳＸ 虛擬飛機(jī)，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(jī)
  `' g) y7 Z2 x: x1 x& s' f設(shè)計(jì)人員身臨其境地觀察飛機(jī)設(shè)計(jì)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)，
0 M- i6 U, D6 ]$ d  J' c8 u允許消費(fèi)者在購買商品前，在虛擬的廚房環(huán)境中體驗(yàn)不同設(shè)備的功能，
按自己的喜好評(píng)價(jià)、選擇和重組這些設(shè)備，他們的選擇將被存儲(chǔ)，并通
9 P' y/ n" ^; n. C* V0 i, }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
) B6 F' H2 C& h2 ~. B9 R7 t* u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
5 N" s! }1 p1 f: M) Z* P( E８０～９０％把產(chǎn)品的加工和裝配移到內(nèi)地，但產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)規(guī)劃、市
6 A( O; m/ d; }2 f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(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，以石家莊拖拉機(jī)廠為對象，實(shí)現(xiàn)異地的聯(lián)網(wǎng)動(dòng)作。　
1 k/ P0 m1 u5 G# m9 C9 X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(jì)算機(jī)圖
: q( t% n2 k& A; O" v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
3 i, v/ p' C+ X6 Y% ?價(jià)格昂貴，因此，開發(fā)廉價(jià)而且功能較完善的虛擬制造系統(tǒng)應(yīng)成為虛擬
  l) i4 d5 A! `9 b( Y" w# t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(shí)時(shí)仿真引擎、虛擬外設(shè)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(zhuǎn)換接口、各種數(shù)據(jù)庫和工具庫等。　虛擬制造技術(shù)
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
% H; M7 l  [- @$ X% i5 J8 Y& B5 ^+ B& |其用，而且還會(huì)促進(jìn)相關(guān)基礎(chǔ)技術(shù)研究與軟件產(chǎn)品的開發(fā)。　
/ b/ F6 ]8 ?+ T5 ]* j/ e現(xiàn)代化先進(jìn)制造技術(shù)典型代表是計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)（ＣＩＭＳ）［４］　［１６］　
! s  P' Y; G0 K( w+ j7 m* X［２７］［４３］
$ q/ n% }5 [+ K- k3 ~，是一項(xiàng)面向企業(yè)生產(chǎn)全過程的高技術(shù)。ＣＩＭＳ 是在自動(dòng)化技術(shù)、信
息技術(shù)及制造技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過計(jì)算機(jī)及其軟件，把制造廠全部生產(chǎn)
活動(dòng)所需的各種分散的自動(dòng)化系統(tǒng)有機(jī)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
! |) L2 x# A5 X+ h8 W* u0 Y部分組成：即設(shè)計(jì)與工藝模塊、制造模塊、管理信息模塊和存貯運(yùn)輸模
塊。　
８０ 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)
用，從機(jī)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
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
5 r4 y3 y$ W& C5 d, e- Z6 g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(nèi)容　
近年來，由于數(shù)控機(jī)床［３］和計(jì)算機(jī)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(shí)還配備了相應(yīng)的編程軟件。由于采用了
1 F6 m! o0 Y. _' ^  O& w+ x. IＣＡＤ／ＣＡＭ 技術(shù)，大大減少設(shè)計(jì)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(jī)床進(jìn)行加工零件，這樣來縮短加
工的輔助時(shí)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)
( B9 I; }  c  a0 ?控線切割機(jī)床等；同時(shí)也選購了一些比較優(yōu)秀的 ＣＡＤ／ＣＡＭ 軟件。　
從使用數(shù)控機(jī)床的情況來看，普遍應(yīng)用水平不高，生產(chǎn)準(zhǔn)備（數(shù)控
$ e, o1 c, @5 i程序和機(jī)床刀具的準(zhǔn)備）周期長，失誤率高，數(shù)控機(jī)床功能，尤其是特
殊功能的開發(fā)應(yīng)用不夠，開機(jī)率一般在往往只能達(dá)到　２０％－３０％［１］，往往
8 b. K& p2 H) s不及國外數(shù)控機(jī)床開動(dòng)率達(dá)到 ６０％。數(shù)控機(jī)床使用效率低的原因如下：　
- o) N! o- a8 N2 z6 P% k/ }①用戶盲目選購數(shù)控機(jī)床，致使數(shù)控機(jī)床不符合使用情況。　
' w: d+ e2 G2 S6 a, J: @

老鷹

②數(shù)控機(jī)床技術(shù)人員（編程人員、操作人員、維修人員等）綜合素
0 N5 L1 T( A7 |% f, R  V質(zhì)低。　
$ b# X! v0 l& V* T' w+ R/ J企業(yè)在使用一些技術(shù)人員時(shí)，都是分開使用的，如編程人員、操作
$ j! e2 S8 c, z! d' K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
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(jī)床的好多
功能，特別是數(shù)控機(jī)床具有探頭及對刀儀，根本就不會(huì)使用，使機(jī)床的
* e5 Y( u4 K6 D" U! {. w功能得不到充分發(fā)揮，看不到數(shù)控機(jī)床的優(yōu)越性。還有的編程人員，自
6 y6 _: Y# Q' a7 w1 z' t: D己使用軟件進(jìn)行編程，往往不考慮生產(chǎn)效率，同時(shí)不采用混合編程，也
+ p) l9 f  y0 i& D! S降低了生產(chǎn)效率。機(jī)床在出現(xiàn)故障時(shí)，也得不到及時(shí)維修，有出現(xiàn)停機(jī)
時(shí)間十幾天的情況都有，從而嚴(yán)重的影響到機(jī)床的使用效率。　
1 m/ C; n% e% v" S3 H1 f③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
7 p6 R& |* |2 Q$ N% f+ a; F機(jī)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
' J) `* R+ V0 I6 d樣，從編制一個(gè)零件的程序到加工到成品所花費(fèi)的時(shí)間很長，效率低。
據(jù)國外統(tǒng)計(jì)，手工編程時(shí)，一個(gè)零件的編程時(shí)間與機(jī)床實(shí)際加工時(shí)間之
比約為 ３０：１，而往往數(shù)控機(jī)床在等待程序不能開動(dòng)。　
* r6 o; E% `4 M④數(shù)控機(jī)床的“工作環(huán)境差”。　
數(shù)控機(jī)床對工作環(huán)境要求很高，對環(huán)境的溫度及濕度，機(jī)床所使用
# N% Y; M$ c& L4 r$ l5 G0 ?的氣的壓力，電壓要求及其嚴(yán)格。　
$ r( ?( }( C' k* f7 s⑤我國有好多大企業(yè)在采購軟件時(shí)，選用的軟件有多種，造成數(shù)據(jù)
1 v' h7 w2 k' q無法傳遞，編程人員根據(jù)設(shè)計(jì)部門所提供的圖紙信息，再重新進(jìn)行建模
. g6 S5 u" y7 m! C& @* q. @及編程，這勢必造成重復(fù)性勞動(dòng)，同時(shí)對有的圖紙的理解上存在一定的
) n; u9 x4 T" Y難度，更有甚者，會(huì)造成產(chǎn)品質(zhì)量事故。　
數(shù)控機(jī)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
- ~5 Z3 N: d( C7 j1 w, S在單機(jī)使用上，在單機(jī)使用積累了一定的經(jīng)驗(yàn)后，對于擁有多臺(tái)數(shù)控機(jī)
, p. n- G( Z' K$ [+ u床的用戶，其單臺(tái)機(jī)床與外界計(jì)算機(jī)或不同數(shù)控機(jī)床之間的信息交流很
+ ]' A2 m* o$ o5 f' @5 n* s少，數(shù)控程序與機(jī)床之間的交換，最新的發(fā)展是由外接計(jì)算機(jī)與數(shù)控機(jī)
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
7 h% V, K: J9 I9 ]傳輸，并且外接計(jì)算機(jī)可與多臺(tái)具有相同的或者不同控制系統(tǒng)的數(shù)控機(jī)
0 p, \. x; u* n- h! y/ d) ~# H床相連接，進(jìn)行信息共享，并能管理多臺(tái)機(jī)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(shí)間。但對于
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
6 {# f. L3 R; B6 C' C2 A" i, S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
% c$ C- b& |3 `% ]) h% j（以下簡稱 ＵＧ）等，使用效果不是很好。在從事產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)使用的設(shè)計(jì)
! o2 D+ z: e4 i/ h# K  _9 e軟件是二維 ＣＡＤ 軟件，在裝配時(shí)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(shè)計(jì)，使用的是最基本的功能模塊。
7 u+ _' j: X( e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(jī)床的本身加工特點(diǎn)，從以下幾
& P3 {) _  v. i! z# p& \方面進(jìn)行分析 ＵＧ 模塊化設(shè)計(jì)開發(fā)和數(shù)控加工中程序的的編制。　
１．３．１　　ＵＧ 模塊化設(shè)計(jì)開發(fā)　
. Q9 e3 n, A+ v# ^0 `& p$ ]9 V利用三維軟件 ＵＧ 提高實(shí)體建模速度。由于 ＵＧ 的設(shè)計(jì)方法是采用復(fù)
合建模方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，是一種面向目標(biāo)的設(shè)計(jì)，為工程師提供了能滿足
( G8 Z, n* W6 ]! ?: }' p7 x2 y( b1 c各自工作需求的正確建模工具——可以選擇實(shí)體建模，表面建模，線框
$ V8 {3 q1 W" _# o建模或基于特征的參數(shù)化建模。ＵＧ 是一個(gè)完全集成化的工業(yè)設(shè)計(jì)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(jì)：
①　利用 ＵＧ 軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)工作時(shí)，很重要的工作就是制定公司標(biāo)準(zhǔn)。
$ O' T: i: W' ?9 d建立一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)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(shí)，由于零部件尺寸及位置間存
在著一定的相關(guān)性，就可以進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)，如利用表達(dá)式、方程曲線
等進(jìn)行設(shè)計(jì)。　
& O% U' A9 C- K: L5 T9 b# Z/ P2 ]③　利用 ＵＧ 軟件可以將一些形狀相似而尺寸不一致的一個(gè)零件族進(jìn)
. T8 Y- b8 ^% [  h( H行標(biāo)準(zhǔn)件設(shè)計(jì)。采用的方法有利用電子表格、利用用戶自定義特征法和
8 V! n0 {) g: i" V3 C' e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　
" z, x9 D6 l) L& [. \) g: c數(shù)控編程的方法有手工編程和計(jì)算機(jī)編程兩種。編程的水平就直接
7 r8 g. J  {* _7 K, n* y0 G影響到生產(chǎn)效率。在這里，主要采用的方法如下：　

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
8 v" \" v, x. ]! T! K工藝。這是因?yàn)椋涸诋a(chǎn)品生產(chǎn)的全過程中，都是按照工藝要求進(jìn)行施工
7 ^2 q0 W& |* r. Y& 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
4 q7 C5 m& k* a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，
使人、機(jī)、料、法、環(huán)、測等生產(chǎn)要素有機(jī)地結(jié)合起來，并有效地開展
生產(chǎn)活動(dòng)。　
: v& o1 P- o4 K9 _②采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行編程，用來提高生效率。　
③根據(jù)生產(chǎn)的特點(diǎn)，對一些二維程序進(jìn)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(diào)試的時(shí)間。　
; X1 e+ g" c& v% _8 x# a7 u④編制一些找正的程序。以減少機(jī)床的裝夾及找正的時(shí)間。　
' S6 ^: L3 Q6 D/ E# C⑤對于數(shù)控機(jī)床有探頭及對刀儀，要編制一些通用的程序，以減少
對刀時(shí)間，充分發(fā)揮數(shù)控機(jī)床的優(yōu)勢。

老鷹

計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和計(jì)算機(jī)輔助制造，是指計(jì)算機(jī)為主要技術(shù)手段來生成和運(yùn)用各種數(shù)字信息和圖形信息，進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造。這是人類智慧與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的硬件和軟件功能的巧妙結(jié)合。從計(jì)算機(jī)科學(xué)的角度看，設(shè)計(jì)和制造過程是一個(gè)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(gè)過程進(jìn)行分析和控制，即對 設(shè) 計(jì) 和 制 造 過 程 中 的 產(chǎn) 生 轉(zhuǎn) 換 存 儲(chǔ) 流 通 管 理 進(jìn) 行 分 析 和 控 制 。ＣＡＤ／ＣＡＭ 系統(tǒng)實(shí)質(zhì)上是一個(gè)有關(guān)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造的信息處理系統(tǒng)。　目前，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。　一個(gè)比較完善的 ＣＡＤ／ＣＡＭ 系統(tǒng)，是由產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造的數(shù)值計(jì)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(chǔ)和管理設(shè)計(jì)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(shí)體造型功能；曲面造型功能；物體的質(zhì)量特性功能；三維運(yùn)動(dòng)機(jī)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(jì)功能；數(shù)控加工功能；信息處理和信息管理功能。　采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的目的，是為了提高設(shè)計(jì)效率、提高設(shè)計(jì)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(jì)，便于設(shè)計(jì)者進(jìn)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(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(shí)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(shí)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(jì)算機(jī)輔助制造進(jìn)行零件的數(shù)控加工工藝制定，直觀地評(píng)價(jià)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(shí)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(shí)際試切，降低成本，節(jié)約加工工時(shí)，提高數(shù)控機(jī)床的利用率。　這正是 Ｕｎｉｇｒａｐｈｉｃｓ 特別的地方，它可以用三維真實(shí)的模型進(jìn)行渲染功能來幫助設(shè)計(jì)師。它還能使企業(yè)從產(chǎn)品設(shè)計(jì)到制造能夠?qū)崿F(xiàn)并行工

 

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