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南京理工大学博士学位论文协同数字化预装配系统的关键技术研究 摘要 产品开发能力是决定企业竞争能力的关键因素，其中产品的装配设计活动更具有 突出的重要性。复杂产品的开发是群体人员协同工作的结果，在产品的装配设计活动 表现的尤其明显。多学科人员通过协作，共同完成整个产品的装配设计、规划与分析 任务。研究协同数字化预装配技术有利于在设计阶段及时发现设计和规划中的问题与 缺陷，并加以解决。从而使企业能够以更短的时间、更高的质量、更低的成本和更好 的服务质量来赢得市场竞争，具有重要的理论及现实意义。本论文针对协同数字化预 装配系统的特点和技术需求，在构建协同数字化预装配系统的体系结构的基础上，重 点研究协同数字化预装配系统所需要的数字化产品装配模型技术、协同环境下的装配 信息交换技术以及构建协同数字化预装配环境的关键技术等内容。 本文首先介绍数字化设计制造、网络化协同开发等先进制造技术背景。在此基础 上，阐述协同数字化预装配技术的概念。根据协同数字化预装配系统的特点和需求， 在协同开发环境框架的基础上提出协同数字化预装配系统框架。总结国内外在协同数 字化预装配技术研究成果，从装配建模技术、装配信息交换技术、装配环境技术、装 配规划与分析技术四个方面系统分析协同数字化预装配的关键技术研究现状和发展 的趋势，提出实现协同环境下数字化预装配系统所需要研究的关键技术。确定了论文 的研究的方向。 在提出协同数字化预装配系统对装配信息需求的基础上，对装配信息的层次化特 性进行探讨。根据装配信息的层次化特点建立了可重构装配模型，并且提出装配模型 的重构算法以维护在装配信息重构过程中的装配信息的正确性与一致性，为协同数字 化预装配提供可靠的信息保障。应用x m l 标记语言描述可重构装配模型，并利用 x m l 标准提供的技术方法实现装配模型的交换处理与部分信息重构，为协同数字化 预装配系统提供信息交换基础。 根据协同数字化预装配环境的技术需求，提出基于几何层、运动层和行为层的三 层环境框架，给出相应的技术解决方法。重点解决了环境的几何信息重构和行为控制 处理方法，为数字化预装配提供可视化、可操控的三维环境。 依据本文提出的协同数字化预装配系统关键技术和基于组件的开发方法开发了 一个协同数字化预装配系统原型c o d p a s 。文章的最后介绍了该原型的实现方法和运 行实例。 n 爵荥埋工犬芋博士字位论文协同毂孚化拽襞配糸玩时芙键技术晰咒 a b s t r a c t p r o d u c td e v e l o p m e n tc a p a b i l i t yi st h ek e ye l e m e n tw h i c hd e c i d e st h ec o m p e t i t i o nl e v e lo f e n t e r p r i s e s a n dt h ea s s e m b l yd e s i g na c t i v i t i e so fp r o d u c t sa r ev e r yi m p o r t a n tf o ri t t h e a s s e m b l yd e s i g ni st h er e s u l to fc o l l a b o r a t i o n , i nw h i c hd e v e l o p e r sc o m i n gf r o mm u l t i p l e d i s c i p l i n e sa c c o m p l i s ht h ew h o l ed e s i g n ，p l a n n i n ga n da n a l y s i st a s kc o o p e r a t i v e l y t h e r e s e a r c ho fc o l l a b o r a t i v ed i g i t a lp r e a s s e m b l yt e c h n i q u e sh a sg r e a tv a l u ei nb o t ht h e o r ya n d p r a c t i c e i tc a nf i n do u ta n d s o l v ed e s i g na n dp l a n n i n gp r o b l e m sd u r i n gd e s i g np e r i o d ，t h u s e n t e r p r i s e sc a nw i nm a r k e tc o m p e t i t i o nb ys u p p l y i n gp r o d u c t sw i t hs h o r t e rt i m e b e t t e r q u a l i t y , l o w e rc o s ta n db e t t e rs e r v i c e a c c o r d i n gt ot h ef e a t u r e sa n dt e c h n i c a lr e q u i r e m e n t , t h ep a p e rp u t so u tt h ea r c h i t e c t u r eo fc o l l a b o r a t i v ed i g i t a lp r e a s s e m b l ys y s t e m t h e no n t h eb a s i so ft h ea r c h i t e c t u r e ，t h et e c h n i q u e so fd i g i t a ip r o d u c ta s s e m b l ym o d e l ，a s s e m b l y i n f o r m a t i o ne x c h a n g e ，a n do t h e rk e yt e c h n i q u e sf o rc o n s t r u c t i n g d i g i t a la s s e m b l y e n v i r o n m e n ta r er e s e a r c h e dr e s p e c t i v e l y t h ep a p e ri n t r o d u c e st h ea d v a n c e dm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g yb a c k g r o u n ds u c ha sd i g i t a l d e s i g na n dm a n u f a c t u r i n g , n e t w o r k e dc o l l a b o r a t i v ep r o d u c td e v e l o p m e n tf i r s t l y t h e nt h e c o n c e p t so fc o l l a b o r a t i v ed i g i t a lp r e a s s e m b l yt e c h n i q u e sa r ep r e s e n t e d f u r t h e r m o r e ，t h e f r a m eb a s e do nc o l l a b o r a t i v ed e v e l o p m e n te n v i r o n m e n tf r a m ei sp u tf o r w a r d a c c o r d i n gt o t h ea n a l y s i so ft h er e s e a r c hs t a t u sa n dd e v e l o p m e n tt r e n d s ，t h ek e yt e c h n i q u e so fd i g i t a l p r e a s s e m b l ea n dt h er e s e a r c hd i r e c t i o n o ft h ep a p e ra r ep u to u t o nt h e b a s i so ft h ea s s e m b l ei n f o r m a t i o nr e q u i r e m e n to ft h e c o l l a b o r a t i v ed i 【g i t a l p r e a s s e m b l ys y s t e m ，t h i sp a p e rd i s c u s s e st h el a y e r e da t t r i b u t e so fa s s e m b l yi n f o r m a t i o n a f t e r w a r d s , ar e c o n f i g u r a b l ea s s e m b l ym o d e li sc r e a t e da n dar e c o n t i g u r a t i o na r i t h n a e t i ci s p r e s e n t e d t om a k ea s s e m b l yi n f o r m a t i o nc o r r e c ta n dc o h e r e n t f u r t h e r m o r e ，t h e r e c o n f i g u r a b l ea s s e m b l ym o d e li s d e s c r i b e d b yx m l , a n ds o m ei n f o r m a t i o n r e c o n f i g u r a t i o na n de x c h a n g ea r er e a l i z e dt h r o u g ha p p l y i n gx m lt e c h n i q u e s 。 b a s e do i lt h et e c l m i c a lr e q u i r e m e n t ，at h r e e - l a y e rg e o m e t r yl a y e gk i n e m a t i c sl a y e ra n d b e h a v i o rl a y e oe n v i r o n m e n tf 确d l n ea n dt h ec o r r e s p o n d i n gt e c h n i c a ls o l u t i o na r eg i v e no u t a l s og e o m e t r yi n f o r m a t i o nr e c o n f i g u r a t i o na n db e h a v i o rc o n t r o lm e t h o d sa r ep r e s e n t e dt o c r e a t eav i s u a l ，o p e r a b l et h r e e d i m e n s i o n se n v i r o n m e n t i nt h ee n d ，t h ek e yt e c h n i q u e si n t h i sp a p e ra r ei l l u s t r a t e db yac o l l a b o r a t i v ed i g i t a l p r e a s s e m b l yp r o t o t y p es y s t e m 。w h i c h i s d e v e l o p e db yc o mt e c h n i q u e s t h e i m p l e m e n t a t i o n0 f t h ep r o t o t y p ea n da p p l i c a t i o ni n s t a n c e si sa l s op u to u l m 竺竺! 堡 璺主篓壅 k e yw o r d ：c o l l a b o r a t i v ed i g i t a lp r e a s s e m b l ys y s t e m ，r e c o n f i g u r a b l ea s s e m b l ym o d e l ， x m l ，a s s e m b l yi n f o r m a t i o ne x c h a n g e ，d i g i t a lp r e a s s e m b l ye n v i r o n m e n t 南京理工大学博士学位论文协同数字化预装配系统的关键技术研究 缩略词表 a 墟b a x i s a l i g n e db o u n d i n gb o x ，轴向包围盒 a d o 一a c t i v e xd a t ao b j e c t ，a c t i v e x 数据对象 a m 一a 鲫em a n u f a c t u r i n g ，敏捷制造 a s m l s a s s c m b l ys i m u l a t i o ns y s t e m ，装配仿真系统 b ，s b r o w e r s a r v e r ，浏览器朋疆务器 c aa o r n p u t e ra i d e da s s e m b l i n g ，计算机辅助装配 c a a p - - - - - - - - c o m p u t e ra i d e da s s e m b l yp l a n n i n g ，计算机辅助装配规划 c a 胁c o i n p u t e ra i d e dd e s i g n ，计算机辅助设计 c a e - - - - c o m p u t e ra i d e de n g i n e e r i n g ，计算机辅助工程 c a m - - - - - c o m p u t e r a i d e dm a n u f a c t u r i n g ，计算机辅助制造 c a p p - - - - - - - c o m p u t e r a i d e dp r o c e s sp l a n n i n g ，计算机辅助工艺规划 a - _ c o n c u r r e n te n g i n e e r i n g ，并行工程 c i m s - - - - - c o m p u t e ri n t e g r a t e dm a n u f a c t u r i n gs y s t e m ，计算机集成制造系统 c o d e s - - - - - c o l l a b o r a t i v eo p e nd e s i g ns y s t e m ，协同开放设计系统 c o d p a s - - - - - c o u a b o r a t i v ed i g i t mir e a s s e m b l ys y s t e m ，协同数字化预装配系统 c o m - - - - - - - c o m p o n e n to b k c tm o d e l ，组件对象模型 c o l 出a c o 衄o no b j e c tr e q u e s tb r o k e r a r c h i t e c t u r e ，公用对象请求代理 c s s - - - - - c a s c a d i n gs t y l es h e e t s ，级联样式单 a s - c l i e n t s e r v e r ，客户机，服务器 d f a d e s i 龋f o r a s s e m b l y ，面向装配的设计 d o m d o c u m e n to b j e c tm o d e l ，文档对象模型 d s o d a t as o u r c e0 b j e c t ，数据资源对象 眵田- d o c u m e n tt y p ed e f i n i t i o n ，文档类型定义 f m s - 峒e x i b l em a n u f a c t u r es y s t e m ，柔性制造系统 h t m i h y p e r t e x tm a r k u pl a n g u a g e ，超文本链接标示语言 i g e 卜i n i 廿a lg r a p h i c se x c h a n g es p e c i f i c a t i o n ，初始化图形交换标准 i s o - - - - - - - i n t e m a t i o n a lo r g a n i z a t i o nf o rs t a n d a r d i z a t i o n ，国际标准化组织 j d b c - ，a v ad a t a b a s ec o n n e c t i v i t y ，j a v a 数据库互连 m a t h m l - - m a t h e m a t i c a lm a r k u pl a n g u a g e ，数学标记语言 n a s a - n a d o n a la e r o n a u t i c sa n ds p a c ea d m i n i s t r a t i o n ，国家航空和宇宙航行局 n c n u m e r i c a lc o n t r o l ，数字控制 i x 缩略词表博士论文 m 千n e u t r a lf i l ei n t e r f a c e ，中性文件接口 n i s 卜n a t i o n a li n s t i t u t eo fs t a n d a r da n dt e c h n o l o g y 国家标准和技术研究所 o b b 0 d e n t e db o u n d i n gb o x ，方向包围盒 o d b c - 0 p e nd a t a b a s ec o n n e c t i v i t y ，开放式数据库互连 o m e o b i e c tm a n a g e m e n tg r o u p ，对象管理集团 o p e n g i 广勺p e ng r a p h i c a ll a n g u a g e ，开放图形语言 p d m p r o d u c td a t am a n a g e m e n t ，产品数据管理 p d e s p r o d 呶d a t ae x c h a n g eu s i n gs t e p 。产品数据交换规范 s a x - 一s i m p l e a p p l i c a t i o ni n t e r f a c ef 研x m l ，x m l 简单应用程序编程接口 s d b i - s h 缸ed a t a b a s ei n t e g r a t i o n ，共享数据库集成 s f t s d e c i a lf n ei n t e r f a c e ，专用文件接口 s g m l s t a n d a r dg e n e r a l i z e dm a r k u pl a n g u a g e ，标准通用标记语言 s i m a - - s t a n f o r di n t e g r a t e dm a n u f a c t u r i n g a s s o c i a t i o n ，斯坦福集成制造协会 s m i l s y n c h r o n o u sm u l t i m e d i ai n t e r c h a n g el a n g u a g e ，同步多媒体集成语言 s t a a t - - s t a n f o r da s s e m b l ya n a l y s i st o o l ，斯坦福装配分析工具 s t e p s t a n d a r df o r t h ee x c h a n g eo fp r o d u c tm o d e ld a t a ，产品模型数据交换标 准 s v e s c a l a b l ev e c t o rg r a p h i c s ，可放缩矢量图形 、a s s n l l a ia s s e m b l ys u p p o r ts y s t e m ，虚拟装配支持系统 o e m r t l l a la s s e m b l yd e s i g ne n v i r o n m e n t ，虚拟装配设计环境 v d a - f s v e f b a r d d e rd e u t e h e na r c o m o d i l i n d u s e r i e f i a c h e n s c h n i t t ，汽车工 业协会曲面标准 、，d 、，a s n u a ld e s i g na n dv i r t u a la s s e m b l ys y s t e m ，虚拟设计与虚拟装配系 统 v e - - v t r t u a le n t e r p d s e 虚拟企业 r d f a 咖a ld e s i g nf o r a s s e m b l y 面向装配的虚拟设计 v r - r n l a lr e a l i t y ，虚拟现实 v r m i - 巾l a lr e a l i t ym o d e l i n gl a n g u a g e ，虚拟现实建模语言 x m l e x t e n s i b l em a r k u pl a n g u a g e ，扩展标记语言 x s l - - - - - - e x t e n s i b l es t y l e s h e e tl a n g u a g e ，可扩展样式语言 x s l t - - - - - e x t e n s i b l es t y l e s h e e tl a n g u a g et r a n s l a t e ，可扩展样式语言转换 x 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名：垒蝗z 【，口f 年f 月加日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的全部或部分内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名 张怩 2 口o f 年歹月扣日 两累埋工大学博士字位坨文坍同瓤孑化坝襞配糸玩昀关键技术蚪笕 l 绪论 作为整个社会发展的前提和基础，制造业在人类生产生活中起着至关重要的作 用。从二十世纪八十年代开始，激烈的市场竞争给制造企业带来了巨大的压力。要想 在市场中赢得较大的份额，企业必须能够在较短的时间内生产出高质量、低成本、有 特色的产品，快速响应市场的需求变化，并提供完善的售后服务，用优质的产品满足 客户的应用需求和社会环保要求【】。为了达到这些目标，企业迫切需要对原有生产 技术和制造模式进行变革，用各种新的先进设计制造理论和技术武装企业的生产运 作，通过推动企业生产系统的自动化、智能化、集成化、系统化、柔性化，增强企业 的整体素质，提高企业运营效益。 二十世纪八十年代以来快速发展的信息技术为学术界和企业提供了有效的新型 工具，企业设计制造技术的数字化和网络化开始为提高企业的竞争力发挥出日益显著 的效果。计算机辅助设计( c a d ) 、计算机辅助制造( c a m ) 、计算机辅助工艺规划 ( c a p p ) 、面向装配设计( d e a ) 、数控技术( n c ) 等先进信息化设计制造技术和工 具的使用，计算机集成制造( c i m s ) 、并行工程( c e ) 、敏捷制造( a m y 等先进制 造理念的应用实践，更是推动了信息化的先进制造模式的实施，加速了企业的技术变 革降儿】信息技术已成为企业赢得市场竞争的关键手段。 产品开发作为制造企业最为重要的任务之一，是企业赢得市场竞争的关键。其中 产品的装配设计、装配分析与装配工艺规划更是十分重要的内容。产品一般都是由若 干零部件组装而成，装配成一个整体的零部件之间协调工作，从而实现产品的功能。 在现代工业生产制造中，装配工作是其中极为重要的环节，装配操作平均占整个产品 生产工作量的4 0 左右【1 2 d 6 】，装配费用约占整个产品成本的3 0 - - 5 0 1 5 - 1 s ，装配质 量的好坏直接关系到产品的性能。因此有效地提高企业装配设计、规划、分析的能力 和效率就显得非常重要。 产品装配涉及到产品全生命周期的设计、制造、维护、回收等多个方面；复杂产 品的装配设计牵涉到来自多个学科的技术人员，成功的产品装配设计是各部门集体合 作的成果。为了提高产品装配设计的效率，使产品的装配取得一次性成功，需要在设 计阶段通过各部门专业人员的合作，在相应的信息化装配设计、规划与分析工具的辅 助下，对产品装配进行有效的设计、规划和分析，提前发现设计中存在的装配问题， 并在设计阶段及时加以解决【：s a g 。协同数字化预装配技术正是满足企业这种需求的新 型设计制造技术。 本章首先针对协同数字化预装配的技术背景，介绍与其相关的产品数字化设计制 造、网络化协同开发等先进制造技术。在这些技术背景介绍的基础上，阐述协同数字 1 绪论博士论文 化预装配技术的概念。然后总结国内外在协同数字化预装配技术和环境研究中取得的 成果，提出本文的研究方向，简述本文研究的主要工作和论文结构。 1 1 课题研究背景 以1 9 4 6 年第一台计算机诞生及5 0 年代集成电路的发明为开端，信息技术经过多 年的发展，已经成为社会经济中最重要的资源和竞争要素，深刻影响着人们生产、生 活的各个方面。2 0 世纪5 0 年代数控机床的发明标志着制造业向着信息化迈出了第一 步 2 1 , 2 2 1 。经过半个多世纪的发展，信息技术已逐渐渗透到制造业的各个领域，产生了 大量的信息化设计制造工具，如：c a d 、c a m 、c a p p 、n c 、f m s 等。其中以信息 化产品开发技术发展得尤为迅速。自2 0 世纪7 0 年代以来，c a d 技术在制造企业得 到广泛的应用和推广，对制造业产生了巨大的影响。c a d 已成为在制造业应用得最 为深入和最为广泛的专业计算机应用技术之一。信息技术在制造业各个领域单元的广 泛使用提高了制造过程各环节自身的自动化能力和生产效率。同时由于信息技术应用 领域的增加，制造过程各环节相关领域信息化的独立发展，各环节之间的信息交流成 为制造业信息应用发展的瓶颈，计算机集成技术和网络技术的发展为加强制造过程控 制和制造过程中各环节的信息交流创造了条件。网络化的信息交流与共享成为制造业 信息交流的发展趋势，跨空间的实时协作成为可能，i n t e m e t i n t r a n e t 的广泛应用更加 深了这种趋势的发展，制造信息的交流与共享已从企业内部扩展到企业之间，甚至全 球。 信息技术的发展为制造模式的变革提供了条件，面对市场快速变化带来的挑战， 制造企业的生产模式与策略也随着技术的革新不断发展变化。上世纪8 0 年代初，以 信息集成为核心的计算机集成制造系统( c i m s ) 开始得到实施；8 0 年代末，以过程集 成为核心的并行工程( c e ) 技术进一步提高了制造水平；从9 0 年代至今，先进设计制 造技术进一步向更高水平发展，出现了虚拟制造m ) 、敏捷制造( a m ) 、虚拟企业( v b ) 、 智能制造、网络化制造、精良生产等众多新概念t 6 d 。大量先进制造模式和理念的提 出不断冲击着企业的传统制造模式。这些先进的制造概念虽然强调的重点各不一样， 采用的手段也各不相同，但它们的本质是相同的，即通过信息技术提高产品开发、制 造的效率，利用信息通信与交流技术把企业的各种制造资源集成起来，进行合理的组 织，使资源得到充分而有效的利用，为企业赢得更多的效益。 目前，以计算机为基础的数字化设计制造技术和网络化协同设计制造技术已成为 制造企业提升竞争力的重要手段，以网络化与数字化为代表的制造业信息化是当前研 究的热点。协同数字化设计制造技术正成为新一代信息技术与制造技术结合的主要研 究方向，将在更深层次上渗透和改造传统制造业，影响着企业产品的装配设计与制造 活动。 2 南京理工大学博士学位论文协同数字化预装配系统的关键技术研究 1 1 1 数字化设计与制造 数字化设计与制造是信息技术在制造业的重要应用，是一种重要的新兴技术。它 是将现代信息技术( 如：计算技术、图形技术、仿真技术、控制技术等) 与设计制造 科学技术结合而产生的交叉科学技术【2 1 - 2 5 1 。面向设计的数字化设计与制造技术以三维 。山c a e c a m 和p d m 技术为代表，它的应用给产品开发带来了根本性的变革， 帮助设计师和工程师从传统的、枯燥的手工绘图中解放出来，设计师可以不再花费精 力去考虑图形线条的粗细是否均匀，不再费尽心思考虑如何标注枯燥的尺寸信息等内 容，而更多地关心产品的功能、形状、尺寸、公差等设计特征本身，更好地构思和分 析设计的产品对象，优化产品设计结果，分析产品的性能，对产品的制造、维护、回 收等进行规划与评估，以满足产品设计的需求。三维数字化产品模型的应用使得对产 品的定义更准确，更符合产品在现实中的实际情况。利用三维数字化产品模型可以向 用户展示产品最终的外观效果；还可以直接提供给结构分析人员建立有限元模型，进 行结构分析；方便相关专业人员对产品设计进行精确的分析和评估，从而提高产品的 开发效率和质量，更好地满足用户对产品的需求。 数字化设计制造与传统设计制造不同，它应用现代信息技术提供的计算机工具， 力图从离散的、系统的、动力学的、非线性的和时变的观点出发，研究产品开发、制 造工艺和装备、技术方法、组织和管理方式等问题，以获取更佳的设计结果和更高的 开发效率 2 2 1 。传统设计制造中许多定性的描述己不能适应数字化设计制造的应用需 要，要转化为能被计算机处理的数字化的定量描述，在这一基础上逐步建立系统的、 不同层面的、产品对象和制造过程的数字化模型，支持应用计算机对产品对象和设计 与制造过程进行分析与仿真处理。设计制造正在从传统的定性化、经验化和部分量化 逐步转向全面数字定量化，通过信息量化可以更好地控制设计结果和加工制造过程， 减少经验判断带来的缺陷和不足；制造信息系统、c a d 、c a m 、c a p p 、c a e 等数 字化设计制造系统己成为企业设计制造系统中不可或缺的组成部分瞄l 。 由于上述特性，数字化设计与制造要处理大量有关产品的形状数据和其它工程数 据，并且需要处理大量相关应用领域的工程知识。与常规数据处理相比，这种产品的 数字化模型处理的信息量更庞大，并且模型信息的结构和表述更加复杂数字化设计 与制造实现的关键就是解决被制造产品的数字化描述；制造状态与过程的数字化描 述；非符号化设计制造知识的描述；产品设计制造信息的可靠获取、传递及保存等信 息表达与处理方面的问题【2 z l 。 从更高层次上，数字化设计制造是一种理念，是一种符合当代数字化革命的新的 制造模式、方法和技术。数字化设计制造技术革新了设计与制造的科学基础，将信息 技术的思想融入制造业的各个环节，指导其发展。“数字化设计与制造”的一个主要 3 1 绪论 博士论文 内容就是通过揭示产品及其制造过程的本质，获得产品以及其制造的知识和经验，进 而提高产品开发设计的能力，优化产品设计制造过程，力求在设计阶段尽可能提前发 现产品设计中存在的问题。但是，当人们试图利用信息技术工具解决制造系统的问题 时，必然会遇到制造系统和信息系统之间、人和信息系统之间的“语义鸿沟”瞄2 6 i 。 也就是说，必须解决如何用信息工具描述产品对象和制造系统，处理产品及其制造活 动；如何在信息世界完整地再现真实的制造系统：如何让信息系统理解工程设计人员 表达的工程含义等问题，从而使信息技术工具在设计制造过程中真正发挥它应有的作 用。数字化设计制造技术是沟通信息系统与制造系统、信息系统与人的桥梁，为填补 它们间的“语义鸿沟”提供有效的工具和环境，使工程设计人员能够更加便利地利用 计算机信息系统处理产品开发中的工程问题。目前以虚拟制造技术为代表的新一代数 字化设计与制造技术正是人们为跨越这种“语义鸿沟”而进行的一种努力与尝试。 1 1 2 虚拟制造 近十几年来仿真与工程分析技术飞速发展，分布式交互仿真技术向人们展示了工 程分析与仿真技术对复杂系统的开发带来的巨大好处。工程分析与仿真技术已成为 2 1 世纪信息技术与制造技术结合的桥梁，是使企业产生最大经济效益的核心技术之 一陋删。另外，随着计算机图形学、可视化技术、人机交互技术和虚拟现实技术的发 展与成熟，以及头盔显示器和数字手套等先进交互设备的应用，这些新技术通过提供 视觉、听觉和触觉等多感官的直接交互，带给人们感官上的强烈震撼，丰富了人们与 计算机的交互手段，提高了人们通过自身的自然感知发现产品设计问题的能力。工程 技术人员以及客户迫切希望使用这些先进技术对传统数值式的设计与制造技术进行 改造，为机械产品的设计、加工，分析以及生产的组织和管理等提供一个虚拟的仿真 环境，使得在产品开发的设计阶段就可以分析设计结果的功能和性能是否合理，对产 品的可加工性和可装配性等各方面性能进行论证，直观地了解分析，论证的结果，保 证一次生产成功，从而减少样机生产、降低产品开发成本、缩短上市时间、快速响应 用户需求和市场变化，提高企业的竞争力。 在这种技术发展趋势下，2 0 世纪8 0 年代末期美国科技界首先提出虚拟制造概念。 虚拟制造一经提出很快就吸引了学术界和企业界的注意，并得到迅速发展【螂3 1 。虚拟 制造可以用图1 1 2 1 形象地描述。简单地说，它是采用计算机建模与仿真技术对制 造业的一次大的改造，通过虚拟现实技术，提供“在计算机上制造”的能力，从而减 少因产品样机制造给产品开发带来的时间与资源的消耗，提高企业新产品开发的能力 和效率，快速响应市场需求，更好地满足客户的需要。从它诞生之日起，虚拟制造潜 在的优势就受到企业和学术界的广泛关注和认可，被认为是加速新产品开发的有效手 段和下一代数字化设计制造技术的发展方向【孤铡。 4 南京理工大学博士学位论文协同数字化预装配系统的关键技术研究 虚拟制造 i - l蜘j t i 虚 小 一口n ，口 反8 、， 睁 复 匝囹 直 到 满 8 指v ，控制： 意 虚拟产品 图1 1 2 i 虚拟制造和实际制造的关系 作为虚拟制造的支撑技术，虚拟现实技术是一种计算机人机界面技术，它为用户 提供了多感知通道的交互接口，使人机交互更加直观和自然，从而最大限度地方便用 户操作，为用户提供对虚拟环境中产品及其制造过程的多方面感知，提高产品及其制 造过程的设计与分析效率。虚拟现实技术在数字化产品设计与分析领域的应用为工程 师提供了一条通往数字化设计制造空间的新途径。在虚拟制造空间中，工程师依靠数 字建模技术、仿真技术和虚拟现实技术对企业范围内各层次的生产系统与设计生产过 程进行模拟，可以方便而且自然地操作虚拟空间中的任何物体，完成设计、制造、装 配、检测和分析，在计算机上将产品“设计”、“制造”出来，减少实物样机制作与实 验的资金与时间开销，缩短开发周期。虚拟制造技术给数字化设计与制造带来新的发 展，为设计人员提供了更便捷的设计与制造的设计、分析工具。虚拟制造技术为用户 提供了一种在计算机上从事产品开发、生产规划、制造加工的环境，具有下列特点： 【2 爿 ( 1 ) 沉浸性。使用集成三维图形、声音等多种媒体的人机交互手段，用户能身临 其境地感受产品的设计结果和性能，就像在现实环境中对实际产品的感知一样。通过 沉浸感使工程师利用人类的感知能力更好地发现设计中的不足。 ( 2 ) 多交互手段。摆脱传统单一的鼠标键盘输入方式，运用多种交互手段( 数据手 套、语音命令等) ，支持更多的设计行为( 建模、仿真、评估、预测等) ，发挥人的多种 感知与交互能力，增加设计的成功几率，提高设计和分析的操作效率。 ( 3 ) 动态性。在三维、多视角、多信息通道的虚拟环境中，制造系统及过程的仿 真可以实时反映出现实系统运作所具有的动态特性，而不仅是静态信息表达，从而保 证虚拟制造过程与实际制造过程的相似性，使设计结果更加可靠。 设计简便性为设计人员提供全新的设计方法，自然的人机交互方式和逼真 的临场感，能够激发设计者的设计灵感。利用虚拟现实技术，实现真实制造到虚拟制 造的映射，达到人机和谐，更方便发挥人的主动性，使人在虚拟环境中可以从事并感 受真实制造中的各种活动，迅速设计出能满足需求的产品 s i 鳍诧 博士论文 虚拟制造所能起到的作用已为越来越多的企业所意识到，它能为企业填补产品设 计与真实制造之间的鸿沟。通过在虚拟环境中对虚拟样机的使用，工程技术人员可以 在可视化多通道交互环境下精确预测产品的制造和运作，发现并纠正潜在的缺陷和错 误。虚拟制造还可以培训操作工人，提供制定标准的工具，使用户能在虚拟环境中漫 游，进行各种感官体验。目前虚拟制造的应用主要有：1 2 6 2 3 朝 ( 1 ) 虚拟原型可视化用于取代产品的物理原型进行试验验证，如1 9 9 2 年美国 n a s a 通过建立航天飞机数字模型与虚拟风洞用来观察飞机流线分布，验证飞机外形 设计合理性。 ( 2 ) 沉浸式设计环境虚拟环境与产品设计相结合，通过三维实体的数字模型， 设计者使用虚拟现实设备在虚拟环境中直接操纵模型，完成产品设计。 ( 3 ) 虚拟装配可以在虚拟环境中实时进行零件装配规划，检测装配过程中可 能的碰撞，评估产品的可装配性。 未来虚拟制造的发展趋势是全方位的数字化设计制造，在高性能计算机和计算网 络的支持下，应用虚拟现实技术和仿真技术，为企业提供产品全生命周期各种活动的 仿真方案。在虚拟制造系统中构造更加全面的产品数字化模型，利用虚拟现实技术将 模型表达与展示出来；人能够通过虚拟现实技术提供的丰富交互手段，和谐地参与到 沉浸式的三维虚拟设计制造环境中，充分利用人的多感知能力，在虚拟环境中方便地 进行诸如产品的虚拟造型、虚拟加工检测、虚拟装配检查、产品性能仿真分析等工作， 提高设计效率，验证设计方案，及早发现设计中存在问题。甚至在虚拟制造环境中构 建整个企业的生产环境，对企业的各级过程进行分析、控制和管理。 1 1 3 并行工程 虽然数字化设计与制造工具为企业的产品开发提供了有力的支撑，但是企业传统 的产品开发组织一直采用“抛过墙”式的串行设计方式6 9 i o 3 6 - 3 8 1 。这种方式将产品开 发过程分割成相对独立的阶段，由相应的部门完成对应的工作阶段。在设计过程中， 前一个部门完成某一阶段的开发工作后，将设计结果移交给下一个部门进行后续开发 工作，各部门仅完成本阶段相关的开发任务。由于设计部门不考虑设计下游的制造过 程、质量控制等影响因素，造成设计与制造的脱节，使产品开发过程变成“设计、加 工、试验、再设计”的大循环而产品开发不可能一次循环就得到满足需求的设计结 果，需要多次重复。这种多次的大循环过程延长了产品开发周期，增加了产品开发的 成本，降低了企业的竞争能力，不能适应世界工业市场竞争的加剧，不能满足企业参 与竞争的需要。 为了消除传统产品开发方法的弊端，人们迫切需要一种改进的产品开发模式。并 行工程( c o n c u r r e n te n g i n e e r i n g ，c e ) 就是在这样的背景下产生的。1 9 8 8 年，美国 6 南京理工大学博士学位论文协同数字化预装配系统的关键技术研究 国防分析研究所在其r - 3 3 8 报告中首次提出并行工程的定义：并行工程是集成地、并 行地设计产品及其相关各种过程( 包括制造过程和支持过程) 的系统方法，这种方法 可以使产品开发人员从一开始就考虑到产品从概念设计到消亡的整个生命周期中的 所有因素，包括质量、成本、进度计划和用户需求 3 6 - z s l 。作为一种组织、管理与运行 企业的新方法、新哲理，并行工程与传统工程方法相比有以下特点：p 只1 0 l ( 1 )一体化、并行地进行产品开发，在设计初期就要考虑到影响产品质量的所有因 素，系统并且全面地考虑产品开发的所有内容； ( 2 )十分重视“人”在信息系统及物理系统中不可取代的作用，进而强调“人们” 的协同工作，在开发过程中将开发人员分成小组； c 3 )为并行工程小组成员提供存取分布在企业内部各个部门的各种异构的、多领域 的信息，提供信息建模、查询、检索等功能，以信息共享作为产品开发活动并 行的前提和基础； ( 4 )持续地改善产品和与产品相关的过程，减少过程中的无效环节，来提高产品开 发效率； c 5 )力求一次性设计成功，利用分析、仿真和虚拟现实技术减少产品开发过程的反 复，最大限度地降低成本，缩短产品上市时间。 ： 并行工程思想的诞生将产品设计和制造过程的集成化、并行化提到一个重要的位 置，对产品开发过程的有效组织成为缩短产品开发周期的重要手段，标志着数字化设 计与制造技术进入了过程集成阶段。为了在企业中实施并行工程思想，有必要研究和 开发支持团队协同工作和企业产品开发过程重组的协同产品开发系统与工具，尤其是 针对产品开发过程的协同产品开发方法与工具。 1 1 4 网络化协同产品开发 随着并行工程等先进制造理念的应用，尤其在计算机软硬件及网络技术飞速发展 的推动下，企业的产品开发不再是各部门孤立完成自己的工作就足够，而