（机械工程专业论文）数字化设计制造集成教学系统研究.pdf

摘耍 摘要 当前，数字化设计制造技术的发展和应用促进了制造盐水平的提高。然而，由 于大量数据和软硬 学集成性较差等嚣索，制造企遭面冁着如何有效遗将数据集成起 来并为相关人员和软件处理使用等问题。对高校两言，震承担对学生数字化设计制 造能力进行全面、系统培养的任务。因此，研究数字化设计制造集成教学系统具有 重要静理论意义和应用价值。 本论文研究课题来源予衡水职监技术学院“枕电一钵化”酒家毅实训基圭遣建 设项目和河北省教育厅科研项目“数字化设计制造实训中心建设研究 。本论文提出 了数字化设计制造集成教学系统的概念，构建了数字化设计制造集成教学系统的体 系结构，提出了数字化设计、工艺、编程、仿真孵决方案，研究了数字化实调工厂 联网、通信、管理等关键技术，并建立了教学管理平台。 本论文研究的数字化设计制造集成教学系统既解决了如何有效地将数据集成起 来为相关入员和软件处理使瘸的问题，又建立了一个教学和科研的平台。研究成果 现已被实嚣应雳。 关键词数字化：设计制造：数据集成；教学系统；管理平台 河北科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t a tp r e s e n t ，t h ed e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no fd i g i t a ld e s i g na n dm a n u f a c t u r i n g t e c h n o l o g yp r o m o t e st h e l e v e lo fm a n u f a c t u r i n gi n d u s t r y h o w e v e r , d u et o t h ep o o r i n t e g r a t i o no fl a r g ed a t a , h a r d w a r ea n ds o f t w a r e ，m a n u f a c t u r i n ge n t e r p r i s e s f a c et h e p r o b l e mo fh o w t oe f f e c t i v e l yi n t e g r a t ed a t at os e r v er e l a t e dp e r s o n n e la n ds o f t w a r e 。f o r t h eu n i v e r s i t i e s ，t h e yu n d e r t a k et h et a s kt ot r a i nt h es t u d e n t si no r d e rt oh a v et h ec a p a c i t y o f d i g i t a ld e s i g n a n dm a n u f a c t u r i n g t h e r e f o r e ，r e s e a r c ho nd i g i t a ld e s i g n a n d m a n u f a c t u r i n gi n t e g r a t e dt e a c h i n gs y s t e mh a si m p o r t a n t t h e o r e t i c a ls i g n i f i c a n c ea n d a p p l i c a t i o nv a l u e t h es u b j e c to ft h i st h e s i sc o m e sf r o mt h e ”m e c h a t r o n i c s ”n a t i o n a lt r a i n i n gb a s e c o n s t r u c t i o np r o je c t so fh e n g s h u iv o c a t i o n a la n dt e c h n i c a lc o l l e g ea n dt h eh e b e i r e s e a r c hp r o j e c t d i g i t a ld e s i g na n dm a n u f a c t u r i n gt r a i n i n gc e n t e rc o n s t r u c t i o n o fh e b e i e d u c a t i o nd e p a r t m e n t i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，i tg a v et h ec o n c e p to fd i g i t a ld e s i g na n d m a n u f a c t u r i n gi n t e g r a t e dt e a c h i n gs y s t e m ，c o n s t r u c t e dt h ea r c h i t e c t u r eo fd i g i t a ld e s i g n m a n u f a c t u r i n gi n t e g r a t e dt e a c h i n gs y s t e m ，p r o p o s e dt h e ，s o l u t i o n s o fd i g i t a l d e s i g n ， t e c h n o l o g y , p r o g r a m m i n g a n ds i m u l a t i o n ，s t u d i e dt h e d i g i t i z a t i o nt r a i n i n gf a c t o r y n e t w o r k i n g ，c o m m u n i c a t i o n s ，m a n a g e m e n t ，e t c k e yt e c h n o l o g i e s ，a n d e s t a b l i s h e st h e t e a c h i n gm a n a g e m e n tp l a t f o r m 。 t h i sd i s s e r t a t i o ns o l v e dt h ep r o b l e mo fh o wt oe f f e c t i v e l yi n t e g r a t ed a t at os e r v et h e r e l e v a n tp e r s o n n e la n ds o f t w a r e ，a n de s t a b l i s h e sat e a c h i n ga n dr e s e a r c hp l a t f o r m t h e r e s u l to fr e s e a r c hh a sb e e na p p l i e d 。 k e yw o r d 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 ；d a t ai n t e g r a t i o n ；t e a c h i n gs y s t e m ； m a n a g e m e n tp l a t f o r m 1 i 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 论文的研究背景 1 1 1 研究背景 近年来，随着数控机床的制造技术，计算机辅助设计、辅助制造、辅助工艺， 产品数据管理等技术的发展与应用，极大的促进了制造业的发展。然而，由于各种 技术之间的相对孤立、各种数据与软硬件的集成性较差等，从而导致企业在提高制 造能力过程中，面临着如何将各种数据采集起来为相关人员及软件处理使用等诸多 问题【1 】o 数字化设计制造技术已经成为企业提高产品竞争力的重要手段，成为世界制造 业发展的大趋势。企业的生产制造模式的变化引出了人才需求的变化。从对专业分 工较强的单一技能型人才需求向复合型人才需求提升。然而目前各类工科院校的教 学工作与学生就业需求普遍存在结构性矛盾。传统教育的内容与先进的现代化设计 制造模式脱节，学校缺乏符合现代先进制造业需求的数字化教学和实训环境。 1 1 2 选题意义 为了适应制造业信息化的发展趋势，高校要摒弃传统的人才培养模式，培养对 像的就业定位要由面向产品的制造加工岗位群，而改变为面向现代企业的数字化设 计及制造的岗位群，并充分融入产品数字化设计技术及虚拟制造理念，从而实现与 现代先进制造产业之间的无缝对接。 本论文研究如何建立一个数字化设计制造体验中心和数字化工厂，通过引入企 业设计、生产流程，来让学生完成机电产品的设计、工艺及生产制造过程的学习， 并学习生产管理技术；通过对行业前沿技术、设备、材料及工艺的研究，提升培养 高技能人才解决复杂问题及进行技术革新、技术改造的能力。使学生在体验中心学 习模式下，通过信息化的手段将设计、生产训l 练等流程固化下来，以便使更多的学 生能够参与并不断改进，这需要通过信息化的手段将这种模式展示出来；同时也需 要建立先进的设计生产模式，并且在实际生产过程中应用，从而引领企业的发展。 1 2国内外研究现状及发展趋势 1 9 5 2 年，美国麻省理工学院首先实现了三坐标铣床的数控化。1 9 6 3 年于美国出 现了c a d 的商品化的计算机绘图设备，进行二维绘图。7 0 年代，发展出现了三维的 c a d 造型系统，中期出现了实体造型。进入7 0 年代，c a d 、c a m 开始共同发展。 但由于c a d 与c a m 采用的数据结构不同，在c a d c a m 发展初期，主要是开发数 河北科技大学硕士学位论文 据接口，沟通c a d 、c a m 之间的信息流。不同的c a d 和c a m 系统都有自己的数 据格式规定，都需开发相应的接口，这不利于c a d c a m 系统的发展。在此种背景 下，波音公司与g e 公司在1 9 8 0 年制定出数据交换规范i g e s ( 1 n i t i ag r a p h i c se x c h a n g e s p e c i f i c a t i o n s ) ，以实现c a d c a m 的融合【2 j 。8 0 年代末至今，c a d c a m 一体化大 量出现，如：c a d a m ，u g ，c a t i a ，p r o e ，i - d e a s ，m a s t e r c a m a c i s 等，并 应用到机械、汽车、航空航天、造船等领域。 国家中长期科学和技术发展规划纲要( 2 0 0 6 2 0 2 0 年) 将“数字化和智能化设 计制造”列为了重点领域及其优先主题。提出重点研究数字化设计制造集成技术， 要建立若干行业的产品数字化和智能化设计制造平台。 “数字化设计制造集成教学系统”是数字化设计制造实训中心的关键技术。经 过调研，目前国内建设有数字化设计制造实训中心的学校有：哈尔滨理工大学一数 字化设计与制造实训中心；合肥工业大学一数字化设计与制造研究中心：淮阴工学 院一数字化制造技术重点建设实验室；上海人力资源和社会保障局一数字化设计与 制造实训室；广州市工贸技师学院一现代数字化制造技术实训中心等。 目前国内高校对数字化设计与制造实训中心的研究大多处于理论探索阶段。国 内进行数字化设计制造实训平台领域研究最具代表性的企业有北京数码大方科技有 限公司等。在借鉴国外先进经验的同时，如何开发适合我国国情的“数字化设计制 造及其教学系统”，最大限度的发挥实训中心的作用，提高其功效，是当务之急所必 须研究与解决的问题。 1 3 研究内容 本文结合衡水职业技术学院获中央财政支持的“机电一体化”实训基地建设项 目( 项目编号为：1 3 1 0 3 1 4 1 7 6 9 ) 对原有实训室改造的实际情况，并结合河北省教育 厅高等学校科学技术研究指导项目数字化设计制造实训中心建设研究( 项目编号： z 2 0 11 3 0 8 ) ，对数字化设计制造集成教学系统进行研究。作者与本单位及北京数码大 方科技有限公司的技术人员经过两年的研究与实践，部分成果已成功应用。 本论文首先研究了数字化设计制造集成教学系统的总体方案、体系结构、层次 结构。分析功能设计，建立了功能模块之间的信息模型【3 】。 研究了如何利用工业软件和数字化工厂技术建立基于“数字化设计制造集成教 学系统”的数字化设计制造实训中心。建立起数字化设计制造平台、教学管理平台、 生产过程管理平台。该系统将采购的计算机、服务器、触摸屏电脑、数控机床等通 过无线交换机和无线网桥连接成的无线局域网，并可以进行畅通的数据交换，从而 形成车间数字化网络，实现车间无纸化及数字化远程管理；同时将设备维修的实训 项目融入实训车间日常管理中来，实现车间电子化车间看板和可视化管理，形成企 2 第1 章绪论 业真实的管理氛围，保障学生日常实训职业素养的养成 4 1 。 通过该系统可以实现对实训车间现有数控实训设备的生产加工过程进行实时监 控，监控内容包括生产进度、加工零配件工艺使用、生产过程管理、指定生产工序 步骤等，实现一体化实训教学的可视化。在项目式教学过程中实现生产现场计划、 调度、检验、出入库等的仿真。 本论文的研究内容具有重要的理论意义和应用价值。 3 第2 章数字化设计制造集成教学系统的总体方案 第2 章数字化设计制造集成教学系统的总体方案 2 1 系统总体方案的指导思想 制定数字化设计制造集成教学系统总体方案的指导思想为：面向全局、面向未 来、开放性、充分利用现有资源、与原有实训室的技术改造相结合、与学校的教育 教学改革相结合。 2 2 数字化设计制造集成教学系统总体方案的内容 作为大型的复杂的工程系统，数字化设计制造集成教学系统总体方案主要包括 如下内容： 1 ) 系统的体系结构 数字化设计制造集成教学系统体系结构就是描述数字化设计制造集成教学系统 系统构成的宏观框架，是系统运行的总体结构，包括数字化设计制造集成教学系统 中的信息系统的构成、应用软件系统的构成，以及与它们相关的计算机硬软件互联 的蓝图和规则体系。 2 ) 系统的功能设计 功能模型用以说明数字化设计制造集成教学系统包括的功能行为，功能间的相 互联系，以及实现这些功能所需的资源和约束等。 按系统工程观点，功能是系统外部性能，而体系结构则是系统的内部特性，二 者结合可全部说明系统的性能和行为。在数字化设计制造集成教学系统总体设计中， 通常应首先进行体系结构和功能模型设计，使之满足用户的需求。 3 ) 系统的信息设计 信息的处理过程包括信息的采集，加工、存贮和传输等。另一方面，各种功能 的实现必须在信息系统的支持下完成，二者密不可分，任何功能的实现必须有输入 信息，也必然会产生相应的输出信息。信息模型是为将来数据库的设计实施服务的。 4 ) 系统的资源设计 数字化设计制造集成教学系统的功能实现和信启、的组织管理，都需要足够的系 统资源来保证数字化设计制造集成教学系统所需的各种资源，它们集中体现在系统 的软件和硬件配置上，也包括人力资源的配置。 5 ) 系统的组织设计 数字化设计制造集成教学系统的组织设计就是提出数字化设计制造集成教学系 统运行的组织机构。 6 ) 关键技术分析 与 数字化设计制造集成教学系统应用工程按其工程性要求，应尽量采用成熟技术， 以使工程顺利实施和应用。但数字化设计制造集成教学系统总体方案是实训中心应 用软硬件的中长期规划，应考虑到一定的先进性，以适应实训中心的未来发展。这 样就应在总体设计时，把那些对数字化设计制造集成教学系统影响较大，有一定难 度，且经过攻关可以解决的技术问题当作关键技术来处理，在设计时充分论证其可 行性，在实施安排时给予重点考虑，以保证项目的顺利完成。 7 ) 分系统的总体设计 数字化设计制造集成教学系统作为大型复杂的工程系统，一般均分解为若干个 分系统。这样既有利于分解问题的复杂性，便于处理，也有利于按专业分工进行工 程的组织。但数字化设计制造集成教学系统的复杂性使我们在总体设计阶段不能只 停留在只解决系统的第一次分解和集成的程度上，还必须对分系统进一步分解和集 成。也就是说，数字化设计制造集成教学系统总体设计过程中必须对每个分系统进 行总体设计，在体系结构、功能、信息、资源和组织等几个方面对每个分系统分别 进行设计和描述，这样才能形成完整的数字化设计制造集成教学系统总体方案。 2 3 数字化设计制造集成教学系统的体系结构 2 3 1 数字化设计制造集成教学系统的递阶控制结构 实训中心的管理控制职能一般都是按递阶层次展开的。例如将一个实训中心划 分成若干个车间( 分厂) ，每个车间又可分成若干个工段、班组等。对离散制造业， 如机械制造业，一般可分成工厂层、车间层、单元层、工作站层和设备层等_ 5 个层次。 自上而下，涉及范围越来越小，工作内容越来越细，时标越来越短，实时性要求越 来越高。数字化制造的层次划分如图2 1 所示。 各层次之间存在双向信息流，一般来说，上层传给下层的是控制信息或指令信 息，下层传给上层的是状态反馈信息或指令执行情况汇报信息。按递阶结构，信息 不能越级传递。数字化车间递阶分布式控制模型如图2 2 所示。 6 第2 章数字化设计制造集成教学系统的总体方案 小元控制嚣 潍豁捧制器 l 工厂蘸 l ，7 二 上千 k_ ， 卜车间层蓼 。j 爨蠢 土下 卜。二i 三乒1 4 单元层。潮 f鬟，j 土t f 工维菇。 j 。t _ 上t f设备层 图2 一l数字化制造的层次划分 通1 1 胁口： 物理对象 专用物 鲤对级 迎川运输 物娜对象 专_ 玎j 物 理对象 子客户服务器力式数撕f 输 丁- c o r b a f ；i i f f 文f 确i ：rl 每 丁4 智琊对级f 拿输协议r j 1 j t h 令传箱 j j 亘川潞存 物雕对象 。0 用物 弹刈象 内 部 资 源 一一一一了一一f 一一一一一一一一i 一一f 一一一一一一一i 一一f 一一一一一 p l夕 一 | 一：砌：移：一 制造资源 i - 图2 - 2 数字化车间递阶分布式控制模型 7 河北科技大学硕士学位论文 2 3 2 信息系统的层次结构 如图2 3 所示，数字化设计制造集成教学系统的信息系统涉及到各种基本计算机 系统、计算机网络通信系统、数据库管理系统，以及在它们基础上发展起来的更高 级的集成平台，这些构成了支持系统中各种应用软件运行的集成环境，可以看出信 息系统本身也是分层次的【8 1 。 应用较钟层 一一一一一一集成平台j 去 数据摩层 一一一一一一i 碍络层 计算机系统屋 图2 3数字化设计制造集成教学系统信息系统的层次结构 2 4 数字化设计制造集成教学系统的功能设计 数字化设计制造集成教学系统为实训中心的教学管理活动服务，首先是通过数 字化设计制造集成教学系统所具备的功能来体现。数字化设计制造集成教学系统功 能描述是数字化设计制造集成教学系统技术方案设计的重要内容。 数字化设计制造集成教学系统总体规划、总体设计过程采用的功能描述方法主 要有3 种。即功能树、功能模型图和过程图 9 。 2 4 1 功能树 功能树是把数字化设计制造集成教学系统中各种功能逐层分解展开形成的一种 树状结构。数字化设计制造集成教学系统的功能树如图如图2 4 所示。其数字化设计 制造分系统的功能树如图2 5 所示。 图2 4 数字化设计制造集成教学系统的系统构成 图2 5 数字化设计制造系统的系统构成 9 河北科技大学硕士学位论文 从功能上看，数字化设计制造集成教学系统包括了一个实训中心的数字化设计 制造、数字化车间、教学管理及教学三种主要功能，要使这三者集成起来，还需要 一个支撑环境，即数据库和计算机网络。它们的联接关系如图2 6 所示： 数教 字学 化管 设理 计 及 制教 造学 分分 系系 统统 l j 数字化车间分系统 j l 数据库分系统 计算机网络分系统 幽2 - 6数孚化设计制造集成教学系统的分系统及支撑系统之间的联系 2 4 2 功能模型 i d e f 0 方法是以结构化分析和设计技术( s t r u c t u r e da n a l y s i sa n dd e s i g n t e c h n i q u e ，s a d t ) 为基础发展起来的一种系统菜单式表达工具。用图形化与结构化 的方式严谨地将一个系统的功能、信息和对象问的相关性表示出来，让使用者通过 图形便可清楚地了解、掌握系统的运作方式，以及实现功能所需的各项资源，并为 系统建构者与使用者提供一种交流与讨论的一致性标准化语言。可见，i d e f 0 法能为 数字化设计制造集成教学系统的功能描述提供新的思路。 i d e f 方法是2 0 世纪8 0 年代初美国空军在i c a m ( i n t e g r a t e dc o m p u t e ra i d e d m a n u f a c t u ri n g ) 项目上发展起来的，最初由3 种方法组成：功能建模( i d e f 0 ) 、信息 建模( i d e f l ) , e 1 动态建模( i d e f 2 ) ，以后又逐渐发展出数据建模( i d e f l x ) 、过程描述 获取方法( i d e f 3 ) 、面向对象的设计方法( i d e f 4 ) 等，i d e f 0 的基本内容是s a d t h 活 动模型方法，它以图解的形式来描述制造过程的特性。i d e f 0 把一个系统分解成若干 活动，每项活动对应着一组输入信息和输出信息。用方框图可以方便地表达这些输 入、输出信息以及某一活动的控制数据和实现机制。i d e f 0 基本功能见图1 。i d e f 0 对系统活动的表示方法与软件工程中的系统分析方法相一致，用i d e f 0 方法建立系统 1 0 第2 章数字化设计制造集成教学系统的总体方案 功能模型有利于软件系统的开发。i d e f 0 是我国实现c i m s 2 e 程时推荐使用的建立系 统功能模型的方法。 用i d e f 0 方法绘制功能模型是作为数字化设计制造集成教学系统总体方案的一 部分，即描述未来的系统所具有的功能，即面向系统的运行，这就是人们常说的功 能建模的观点。 一 用i d e f 0 方法分析数字化设计制造系统功能模型。根据数字化设计制造系统的要 求，i d e f 0 用于描述图1 所示的信息及物流。图1 从数字化设计制造系统信息分系统a 1 、 f m s 控制分系统a 2 $ d 底层设备分系统a 3 对a o 图进行活动模块分解，建立二级视图。 在图2 中，f m s 信息分系统a 1 进一步分解为5 个子模块，并转换成5 个输出。图3 将f m s 控制分系统a 2 模块细分。a 2 图的输入是上一层的输出，经过该层控制及机制作用，可 输出工艺准备计划0 1 及对下层的控制指令0 2 。图4 进一步将底层设备分系统a 3 进 行分解，在相应控制及机制的共同作用下，输入转换成相应的输出。采n i d e f 0 方法 对数字化设计制造系统进行设计，能够满足数字化设计制造系统从顶层至末层的所有 功能。i d e f 0 用严格的自顶向下方式构造系统的功能模型，从描述系统概念与需求入 手，以系统功能的详尽描述结束。i d e f o 图可以使人们全面地描述和理解整个系统， 适合于大型复杂信息系统的功能模型建立。 图2 7 、图2 8 、图2 9 、图2 1 0 、分别是数字化设计制造系统功能模型的a o n 、 a 1 图、a 2 图、a 3 图。 毒i j ，、# h 血鞴八 图2 7数字化设计制造系统功能模型的a o 图 上艺；i = 器i 12 河北科技大学硕士学位论文 1 l 输入 i j f ：日历 孙 j 单 数挖敲批 ，l ：2 闻 j | j j 装需求 图2 8 数字化设计制造系统功能模型的a 1 图 汁剁人员 f 1 ：鼬蝇j i ! | j搽住人员 图2 - 9 数字化设计制造系统功能模型的a 2 图 1 2 日历 数搬 l 划 第2 牵数字化设计制造集成教学系统的总体方案 瀵2 - 0 数字讫设计糕造系统功裁模銮熬矗3 整 2 。4 。3 漉程图 按系统学雁趱，过程包括多个活动和攀件。实训中心活动是指实训中心内的每 个单一的功能，丽过程则描述一焱列实训中心活动瞧顺序，从焉给出了对实训中心 行为一种动态描述，茬i 】实训中心功能的动态模型。 实训中心蕊各种行为可称之为经营过程，一个经营过程包含一系到翡动熊活动， 这些功麓活动接一定的趣鬟l ( 先后关系，因祭关系构菇完整的过醒。铡如产鑫投徐过 程可由用户询价触发，依次进行技术报价、财务报价和商务搬价，最后提供完整的 掇徐书臻束这一过程。订货处理过程更为复杂，从接受订单开始，安 ；诗戈、产麓 设计、工艺设计、生产计划，各工序加工、装配、包装、发货等一整套功能活动， 中问还可能出现活动分支，懿出瑰废品可薯l 发一系刘活动。 产鼯试箭 圈2 ，1 i 霉释工艺漉稷蹋 河北科技大学硕士学位论文 数字化设计流程见图3 4 ；生产过程控制流程见图4 1 5 ；数控加工代码审查流 程见图4 4 ；设备状况数据采集与处理过程管理流程见图4 2 3 。 2 5 数字化设计制造集成教学系统的信息设计 数字化设计制造集成教学系统要处理的信息不仅是实训中心内部的各个部门、 各个环节的信息，而且要搜集处理与实训中心有关的各种外部信息；不仅要处理当 前的实时发生的数据信息，而且要积累并处理重要的历史数据信息。 可以说，数字化设计制造集成教学系统的各种功能都表现为不同形式的信息处 理。换一种方式说，数字化设计制造集成教学系统任何功能的实现都需要信息的支 持，因此数字化设计制造集成教学系统强调信息的集成。而要实现信息的；9 n - c 处理 和集成，首先必须建立信息模型，而为了便于计算机进行识别和处理，要对信息进 行分类编码。 信息模型是为了采集和整理数据库设计所需的共享信息数据的基本模式及其联 系。常用的信息建模方法有实体联系i n ( e r ) ，i d e f l 及i d e f i x 。图2 1 2 为用i d e f l x 方法建立的功能模块之间的信息模型。 2 6 本章小结 图2 一1 2 用i d e f i x 方法建立的功能模块之间的信息模型 本章首先介绍了数字化设计制造集成教学系统总体方案的指导思想及。e 2 , 体方案 的内容，后采用递阶控制结构分析了系统的体系结构，并分析了信息系统的层次结 构。在系统的功能设计分析中，采用了功能树、i d e f 方法、流程图。最后用i d e f l x 方法建立了功能模块之间的信息模型。 1 4 第3 章数字化设计制造实验室 第3 章数字化设计制造实验室 数字化设计制造实验室是数字化设计制造集成教学系统的分系统之一。 数字化设计制造分系统的主要任务是：以产品为应用对象，以集成应用为实践 环境，紧紧围绕三维数字化设计系统的开发与产业化，对数字化设计与制造中的若 干关键技术进行创新性研究，开发出适合我国国情、具有自主知识产权的数字化设 计与制造集成软件系统工具集，提出实施数字化设计与制造的整体解决方案，促进 我国制造业经济效益和国际竞争力的提高【1 3 】。 利用数字化设计制造实验室建立数字化设计平台、数字化工艺平台、网络化制 造平台以及数字化生产管理平台，从而形成统一数据源的设计、工艺、生产一体化 的流程，做到数字化、无纸化的生产过程管理模式。同时将实际企业中产品设计、 工艺、生产流程等体现出来，集中培训师资力量，固化成企业化的实训项目。图3 1 为衡水职业技术学院数字化设计制造实验室实景图。 图3 - 1 数字化设计制造实验室实景图 3 1系统架构 实验室内部采用项目组式的座位布局，每一个项目组分6 个角色，使用一个六 边形工作台。在实验室配置8 组共4 8 台计算机，每组6 台计算机分别用于： 1 ) 用于订单管理和启动报价流程，1 台。 一 2 ) 用于产品创新设计平台的搭建，1 台( 分别为设计主管、工程师) 。 一 15 河北科技大学硕士学位论文 3 ) 用户数字化工艺设计平台的搭建，2 台( 工艺主管工艺员，编程员) 。 4 ) 用于先进网络制造平台的搭建，2 台( 分别为生产主管、计划调度员) 。 配置1 台专用服务器作为数据服务器，并对5 台数控机床进行联网，将设备端 口转换为以太网口。将上述计算机、服务器、数控机床通过交换机连接成局域网4 | 。 在学校现有局域嬲的架构下，实验室内的多台交换机与装有遵信客户端7 管矮客 户端的专用计算机通过己建好的校园局域网及网络中心的总服务器相联。各类数控 设备则通过智能终端和无线网络联接到就近位置的交换机上。对于具备r s 2 3 2 接口 的数控设备，通过数据线连接到智能终端转换为r j 4 5 接口，并设置i p 地址及网络 连接。 数字化设计制造实验室具体构架如图3 2 所示。 隧3 - 2 数字化设计制逐实验塞系统架构图 3 2 软件架构 配置实体设计软件、电子图板软件、与三座标测量仪、快速成型机集成形成数 字化设计平台。配置工艺图表软件和工艺汇总表软件，与网络d n c 管理软件形成数 字化工艺平台。醚置隔络d n c 代码管理、文档管理、机床信息监控、通信管理等软 件模块，与实训车间的视频监控系统集成【1 5 】，将数控机庶联网，形成先进数字他网 络化制造平台。数字化设计制造实验室所配置软件主要及关键功能要求如表3 1 所示。 6 麓! 耋：塑耋丝堡盐：墅耋塞墼塞： 。； = # d = = = l = 2 $ # 2 = ! = o # g o ! = = ! = 目e = = # # 自= = = # $ 日= 0 5 0 。4 “w 8 5 。“”一一。 躐冀3 为数字纯设计铡遭实骏整数件黎祷鬻。袭3 。2 淹衡水职整接术学麓鼗字诧设计制 逑实验室软律酲矍。 装3 - 1数字纯设计镉g 遗实验室软件主要及激键功靛瓣求 河北科技大学硕士学位论文 + 。 1 、工艺卡片填写与编辑：可自己定义表格、填写表格，也可拷贝粘赃w o r d 、e x c e l 等软件的数罐；并 一= _ ：” 提供各种特殊工程图形符号直接填写，如：尺寸公憨、形位公差、偏差等；可对卡片中文g - 的- 掌j - 体、 “。 字号、颜色以及文字对齐的方式进行编辑及修改。 2 、卡泞的智能取向关联填写：工艺过程卡片上的内容和相应工序卡片上的捐关内容可取尚自动关联， 实现工序号自动生成和更新：可以一次完成所有卡片公共项目填写，而且修改任意一张卡片的公共信 息后，能整套工艺娥程的公共信息也会巍动关联更新。 3 、c a d 图形重用鞫圈形绘制：可充分剥瘸现有c a d 系统的匿形文件，如d x f 、e x b 、d w g 等文件的输入： 并可以在工艺环境绘制工艺简图及工艺模板；提供工范简图需要的定位夹紧符号库等卜“。还可以直接 绘制任何c a d 图形，又可调用国家标准的各季孛图库标准件。 4 、提供工艺知识群：能提 芷专泣的工艺知识库，可帮助用户诀速填写工艺卡片；莜靠系统开放的数攘 库结构，使用户自由扩充，从而定制自己的知识库；用户在填写过程中，可姒随时将常用的词语入库， 或者选取知识库的内容直接填写。 5 、 查询导航功熊：对一套工艺的所有卡片按树状屡次展示给用户，震户可轻松在卡，； + 闻进行切换： 填写卡片时，将单元格对应知识以树状屡次结构来展示。可在卡片树上选取指定卡片进行打印输出。 第3 章数字化设计制造实验室 6 、卡j 专模板定筏功能：既霹以翻曩软锌提供蕊藿稼模板寒避 亍填笃，也霹耧雳卡片摸叛定义功麓，定 制适合自己企业特点的工艺模板，以实现模扳单元格和知识库的关联。 7 、工艺信息统计等种类的辅助功能。 瓣”神t、可以纛接读取exb擦式文搏、dwg格式文件、以及任意版本蕊猃紧聱式文俘、iges格式、dat格式l 8 绷- j 3 ，舌。认等各式类型的文件，使所有c a d 软件生成的图形都能够直接的读入 2 6 】线切割软件，这样不管用户数据 “ 来自何处，均可戳翻用线切割软俘生成加工代码，完成加工编程。 2 、设计、编程的集成化可完成绘图设讨、热二e l 弋码豹生成、连捉迢讯等功瓴从强集銎纸设诗秘代玛 编程于一体。 3 、鹜纸、代码麓打印可敬在软件内鸯接的孤打印税上输出闰纸及生成豹代码。冀中手码还可以允许用 户进行排版、修改等操作，这加强了图纸、代码的管理功能。 4 、互交式豹图像矢量化功能及位图矢量化霞接受的灏形格式更多、更常觅，可邋用于b m p 、g i f 、j p g 、 p n g 等多种格式的图形，而且在矢量化后可调出原图来进行对比，并在原图的基础上对矢遗化后轮廓进 行修正卜“。 5 、齿轮、花键热工功黢可解决任意参数意轮的热工阀题。输入任意模数、摅数等的齿轮褶关参数，可 由软件自动生成齿轮、花键的加工代码。 数字化实 9训管理软1 、支持f a n u c 。s i e m e n s ，华中数控，广数等因内外控制系统机床联网。 髂 2 、能支持超过2 5 6 台机床的联网，并可以任意扩展机床数量，对机床连接方式要求无线以太网适接使 用苏太麓结构的形式，祝床必须有独立i p 地址。 3 、对f a n u c ，s i e m e n s 华中数控，广数的机床，c a d c , 州软件只需一次编程，网络d n c 系统能够照动的 生成不同控翎系统的n c 文件。 4 、支持数控机床的在线加工功能。 5 、支持断点续传。 1 9 河北科技大学硕士学位论文 6 、餐文件范较功能：栽轻松她蠡示出磺个文伟( 蕺不同叛本) 数据差吴、镣行、漏行。 7 、允许同一程序并行发送给多台数控机床，及多个程序同时发送给不同的数控机床。 8 、跨算撬客户端能显示正在通信静视臻数量霸名称，在健输过程孛显示健徐代璃。 9 、安全管理项包括的予功能模块有用户管理及数据加密。用户管理中既有人员管理、角色管理、相关 爱户繁瑾，还有权狠设鼍营理。 l o 、数据加密包括电子仓库中的文件格式的加密、电子仓库所在的目录加密、作业及教案等文件输出 控制簿等。 1 1 、产品结构结构树颈是面向离散制造业用户的主视图，此系统以结构树的方式组织零部件，使图纸 和文档围绕零郝件进行组织。结构树可以通过c a d 图纸信息提取及手工两种方式建立。 1 2 、文档管理包含对圈纸及文襁髂管理，匿纸稽e 系统产生静二维图纸等电子蚕邋文件，文档可以 是电子文件。系统提供了共享的文件夹以对文档进行分类管理。 i 3 、敝本控削、版本警莲翻文档豹生命溺麓之闺稻关联，燕会溺期篷含薪建、入瘁、毒瘁、发布、重 发布、归档等相应阶段，对应商版本和工作版本乏分，支持版本回滚和清除。 1 4 、为提裹毅产品豹设计效率，怼臻有数据瘟鼹，其孛主瑟包摄嚣方嚣痰察，一是绺翅现套零部馋及 图纸；二是复制现有的零部件和图纸，在原有图纸基础上进行修改。 l s 、数据查询是在数据集中管瑷翡基础上，实现了对金建设计数獯及信息豹整技。输入查询娓条 牛， 服务鞯则能够把所有符合条件的结果返绘客户端，对于查询结果可直接利用。 t 6 、报表统诗黼文裆撬侯报表类型春：产品嚼鳃袋、帮馋镄绥表、标准俘甓绥表、蘸铺律疆纲表、羚 购件明皇“| 表等，各种明细表报表格式由用户定制h 。 1 7 、潮文档提供静工其包括批量入库、袭单定义、报表定义、鹜纸出库、拼图打印等。 1 8 、实现信息集功能，采集数控设备开机与关孛凡，主轴转与停、执行程序名及起止时间、教婚代码 等运行：陡态数据，并能生成或采集视床鬃计的开机时间、主轴累计的运转时间、程序鬃计的运行时间 等数据。具体分三个方面：机床实时状态监测一开关机、进给速度、转速、位移、刀具：生产状态监 狈l 一翻工程痔越始终止、实际遮行时闻：维修益颡l 一援繁信息。 1 9 、统计分析模块。可通过采集数据，统计并计算相关人员、产品、设备的一些数据，以开放的各类 统诗汇总表表示。开赦鹈各类绕诗汇总袭鼍以支持雳户垂定义编辑嬲除，簸窭挞se x c e l 文糖。懿统 计产品各节点下的“标准件”、“自制件”、“外购件”辞。d n c 统计分析模块按以下三类元豢统计： 人员一目志及工终睦线；产品一零件生产状况；设备一日惑及效率。 1 0 制造过程 1 、模拟企业实际车间接收生产计划部门下达的生产任务，并按照零件工艺编制车间的作业计划，将加 镣理软件 工指令通过系统下发给操作者，实现了笼纸化派工。 2 、以生产计划和车间管理为核心，实现生产计划的编制、修改、簸控、维护等管理工作。 4 、根据生产反馈的信息，按加工任务、设备、人员提供各种统计搬表，方便计划人员并了解车闻作 监进度，及时调整生产计翊，蔽提高车阔工作效率，还可实现车间现场信息共享，加强了各部门的工 作协调性，方便及时的对生产任务、工时等进行信息统计。 3 、支持操作者以条形秘方式登淤劐触摸屏电脑终端，汇报加工进度，及时反馈质量状况，报告加工异 常，并提交设锯故障。系统还支持自定义质量问题、异常情况分类等信息，一提供条形码打印，方便数 据反馈，以减少手工报送靛工佟堂。 2 0 第3 章数字化设计制造实验室 on 22 2 护【珠文稿赞翊 、霸似嚣业 警 釜 姜 姜 翁袋 袋 后 么 z、么土 麓 凿簦舞缕 羹 制 咋：割 弋 r 弋， 逛 二j ： bb 墨 怂 师 i 列l 眯须i 器l 探躐 釜釜 j 二m 体。j ， 没 纠 望 i l扳 矾j j cj j j 弓弋 i 汁分析卜l 控采嬖 7 么、土 c a 潮m 绵d n c 识理客户端 么 | i 幻q 入 一一 、一一， 图3 3 数字化设计制造实验室软件架构图 表3 2 数字化设计制造实验室软件配置 序号 内容 数量 备注 2 1 l 势：m 河北科技大学硕士学位论文 3 3 数字化设计解决方案 3 3 1 设计流程定义 在设计管理系统中，可定义出产品设计流程，使不同角色的人员在工作中按照 定义的流程进行工作，并可以监控到工作流程状态。设计流程如图3 4 所示。 开始立项组建项目缓 技术审核 图3 - 4 设计流程图 3 3 2 三维设计和二维工程图 使用实体设计接收逆向工程的曲面数据( i g e s 格式) ，在三维的设计环境中进 行产品设计，包含零件设计及产品装配设计。产品模型进行机构运动仿真及碰撞干 涉检查。 当设计完成三维的实体文件后可通过c a x a 电子图板的三维接口生成该实体二 维的工程图。c a x a 电子图板在读取三维的实体文件时可选择读取的文件格式，默 认情况下可读取c a x a 实体设计软件产生的i c s 格式，用户也可选择u g 、p r o e 、 c a t i a 等三维的软件产生的标准通用格式xt 等格式。用户只需要对生成的工程视图 进行修改、标注等操作就可快速完成二维图纸的设计。 2 2 第3 章数字化设计制造实验室 3 3 3 产品结构管理 如图3 5 所示，在设计管理软件中提供了产品结构管理，以结构树的方式来显示 产品的装配组成关系。产品结构树为用户提供了关于产品组成的直观视图，在产品 结构树的基础上，还可以进一步实现产品的变型设计；以实现产品结构对应的b o m 输出。 产品结构树的创建方式有两种：一是手工创建：另一种是通过批量入库图纸的 方式来自动创建。手工创建适用新产品的建立，批量入库方式适合对历史图纸的入 库整理。如果设计过程中先绘制总装图，也可通过批量入库把总装图中的结构提取 出，生成产品的结构树。 “1 雾o 暨3 臼凶回e j 工b 厂 赛一 暂擘i f 鑫； + v x 一 + = = j = | 一一 一 l o m i 曲】踟 e 艚卫圆埔# 譬畸随蝴棚哪】耵i l o - 2 孵棚 o 【硼5 喵) h 帕嗽 to z s o l o l o t o o ) 骨翼蛾田 o 【稿o l 艘】抒取 o 【翮i 】皿雕疆 o 【h 舶捧b o ) 出t i 耶 o 【m 柏”町32 65 o | l m z s - k i k - 叠4 o 眦嘲肆i 啦卧 ol 州叩十掌f 囊头订“l o o 曲m 1 2 埔穴积生参啊啪 。叫聃，聃 曩母h r 【虹啊略加十辛俺次头町- 舢2 tc 愤s 1 了t 隘苹 o t 2 i “1 风 0m 纠6 捕需光m 蚋 0c 哪，位l 尼置峨蕾甑l oc 嘲懈】姓辱记 。即呲3 ) 薯括睫 i 呻盟l s 1 jl 蝗度t 工 l 【删 略【舶譬晦幢幢l 豫1 t 鼍工 t 柚 手，甘眦2 l ti i 】i l 量- o o 1 i 豇姗札巩 固1 晗 文薯嘬性卜蕾蛾l 二工忭- 溶i 文i 污ir _ _ ? 一 诈蠊熏甄i r _ 一一 蝴龃。厂一j 专一 jr 文件粕长款许一_ 一 翼圈曩矿一 珏点。r 一一 比较 描缝 文滞薯再r 一一 舶欧小if ： 制薯日期。零西葛：j = 荪钆2 9 h r 翟玉而i 懿a 5 l 多 毒“芒7 生 - 【置c 疋， 芸：岛0 堑葶黼i 图3 5 产品结构管理图 3 4 数字化工艺解决方案 3 4 1 工艺工单管理 如图3 - 6 所示，在