（机械设计及理论专业论文）基于特征造型的cad智能capp集成系统的开发技术研究.pdf

西南交通大学研究生学位论文第1 页 ( c i m s ) 必然成为企业生产自动化的必由之路。而c a d c a p p 集 成是实现c i m s 的重要的基础环节。 现有的c a d 建模系统沿用几何模型，不能满足工艺设计的需 要，所以要获得理想的c a d c a p p 集成系统必须依据零件的生命 周期建立统一的零件信息模型，为此本文探讨了产品零件特征的 概念及其分类和相互间的关系，在此基础上建立能够表达零件生 命周期中各阶段信息的零件信息模烈，并研究它的数据结构( 即 物理存储结构) ，建立基于参数化特征的c a d 建模系统。 针对目前c a p p 软件的不足，提出一种全新的智能混和式c a p p 系统设想；深入分析该系统的组成、功能和建立它所需采用的技 术；研究了创成式c a 职子系统的核心技术之一工艺路线规 划专家系统的建立方法。， 论文研究了c a d c a p p 系统集成所需的数据耦合技术。运用 开放式数据库连接技术中的o d b co l ed b 技术，使集成系统中各 种不同的应用程亭和集成系统外部程序间都能够通过该连接方式 实现数据传递、共享，从而达到系统间的无缝联结。 研究了a c t i v e xa u t o m a t i o n 技术的应用，实现了v i s u a lb a s i c 6 0 应用程序操纵、控制a u t o c a d 2 0 0 0 完成绘图功能，极大地提 高了绘图效率。 建立了一个基本的试验系统以验证上述技术的可行性、正确 性。、 ? ，弋 f 关键词1 特征：信息模型、特征建模、智能混合武c a p p 系统 专家系统( a 纱 s o u t h w e s tj i a ot o n g u n i v e r s i t yc d 0 00 5 两南交通久7 “”究，i ：学位论辽筘i i 贝 a b s t r a c t l nt h ee r ao fk n o ，l e d g ee c o n o m i cb a s e do nc o m p u t e r , c o m p u t e r i 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 ( c 1 m s ) w i l lb e c o m et h eo n l yw a y f o ro n e c o r p o r a t i o n sp r o d u c t i o n a u t o m a t i o nw h i l ec a d c a p p i n t e g r a t i o ni st h eb a s i sf o rt h er e a l i z a t i o no fc l m s u pt i l i n o wc a dm o d e lc o n s t r u c t i o ns y s t e m sc o n t i n u et ou s e g e o m e t r i cm o d e l ，w h i l et h e yc a n n o ts a t i s f yt h en e e d so ft e c h n o l o g i c a l d e s i g n ，s o w em u s tb u i l du n i f i e di n f o r m a t i o nm o d e l so fp a r t s a c c o r d i n gt ot h en e e d so f d i f i e r e n tp e r i o d so f p a n s l i f ec y c l e t og a i n t h ei d e a jc a d c a p pi n t e g r a t i n gm o d e ls oi nt h ea r t i c l ep r o b e si n t o t h e c o n c e p t o ft h e p r o d u c t i o np a r t s f e a t u r e s t h ef e a t u r e s c l a s s i f i c a t i o na n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h e mo nt h eb a s i so ft h a t ， t h ea r t i c l eb u i l d st h ep a r t si n f o r m a t i o nm o d e lw h i c hc a ne x p r e s st h e i n f o r m a t i o ni ne v e r yp e r i o do fp a r t sl i r e c y c l e a n d s t u d i e st h ed a t a s t r u c t u r e ( ie p h y s i c a ls t o r a g es t r u c t u r e ) ，f i n a l l y t h ec a dm o d e l c o n s t r u c t i o ns y s t e mi sb u i l tb a s e do n p a r a m e t r i cc h a r a c t e r a c c o r d i n g t ot h es h o r t a g eo fc a p ps o f t w a r ea tp r e s e n t ，t h ea r t i c l e p r e s e n t s t h e c o n c e p t o fi n t e l l i g e n t m i x i n gc a p ps y s t e m ；m a k e s t h o r o u g ha n a l y s i st h es y s t e m sf u n c t i o n , f o i t n ，s y s t e ms t r u c t u r ea n d t h e t e c h n o l o g yb u i l d i n gi tn e e d e d ；s t u d i e so n eo f t h ec o r et e c h n o l o g i e so f t h e s y s t e m c r e a t i v ec a p pc h i l ds y s t e m a n di t sc o n s t r u c t i o n m e t h o d s o f t e c h n o l o g i c a lr o u t ep l a n n i n ge x p e r ts y s t e m t h ea r t i c l es t u d i e st h ed a t ac o u p l i n gt e c h n o l o g yt h a tc a d c a p p s y s t e mi n t e g r a t i o nr e q u i r e d u s i n go d b co l ed bt e c h n o l o g y i n d a t a b a s ec o n n e c t i o n , d i f i e r e n ta p p l y i n g p r o g r a m s i n s i d et h ei n t e g r a t i o n s y s t e ma n dt h ep r o g r a m so u t s i d e t h es y s t e mc a nb et r a n s f e f r e da n d e n j o y e di nc o m m o nt h r o u g ht h ec o n n e c t i o nm e t h o d ，t h e nt h es e a m l e s s c o n n e c t i o nc a nb er e a c h e da m o n g s y s t e m s t h ea r t i c l es t u d i e st h e a p p l i c a t i o n o fa c t i v e xa u t o m a t i o n t e c h n o l o g y , r e a l i z e s t h ef u n c t i o nt h a t u s i n gt h e v i s u a lb a s i c6 0 p r o g r a m so p e r a t e a n dc e n t r e la u t o c a d 2 0 0 0f o r d r a w i n g a n d i t p r o m o t e st h ee f f i c i e n c yo f d r a w i n gg r e a t l y ab a s i ce x p e r i m e n ts y s t e mh a sb e e nb u i l t ，w h i c hi sa p p l i e da n d t e r r i f l e dt h e p r a c t i c a lf e a s i b i l i t y o ft h e t e c h n o l o g y t h a tw eh a v e p r e s e n t e da b o v e s o u t h w e s tj i a ot o n gu ni v o i s i t yc d0 0 0 5 西南交通人学研究牛| 学位论文铋n i 贝 s o u t h w e s tj i a ot o n gt i n i v e * s i t yc d0 0 0 5 n 西南交通大学研究生学位论文第1 页 第一章c a d c a p p 集成系统综述 目前机械行业正迈进信息密集型和知识密集型时代，研制和 开发计算机集成制造系统( 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 g s y s t e m 一c m s ) 可以将企业的全部设计、制造、经营和管理 活动有机地结合起来，以实现信息资源的高度集成。c i m s 具有提 高生产率、缩短生产周期、减少废品、适应市场竞争、显著提高 企业的经济效益等一系列优点。因此，计算机集成制造系统作为 机械制造领域的最高生产组织方式，一：直是世界备国高科技计划 的热点课题，也是我国8 6 3 计划的重点研究项目之一。 c i m s 建立在计算机集成制造技术( c o m p u t e ri n t e g r a t e d m a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g y 一一c i m ) 之上。c i m 是一种概念、 一种哲理它表明制造业应用计算机技术进入了高级阶段。 c i m s 要求制造企业在一个全局集成规划的指导下，从市场分 析、经营决策、产品设计、制造过程的各个环节、到最后的销售 和售后服务以及原材料供应、生产管理、库存管理、财务管理和 资源管理等全部运转活动，都实现集成化，使企业的生产、经营 和管理适应市场的迅速变化，以获得更短的设计周期、生产周期 和更大的经济效益。 到目前为止，对c i m s 集成技术的研究虽然取得了较大进展， 但其关键技术，即各组成部分的集成技术仍未达到理想效果，而 集成技术的重点又在于产品信息的集成，因此在c i m s 各组成部分 之中，作为龙头的计算机辅助设计( c o m p u t e ra i d e dd e s ig n 一一 c a d ) 和起着承上启下作用的计算机辅助工艺规划( c o m p u t e r a i d e d p r o c e s s p i a f l f l i n g 一一c a p p ) 集成系统，即c a d c a p p 集成系统， 必然是研究的重点之一，其集成性能的好坏是决定c i m s 的成功与 否的关键因素之一。 1 1c a d 、c a p p 、n c p 的相关概念 本节主要介绍机械c a d 、c a p p 、n c p 的基本定义及其相关概念。 一产品的生命周期及其生产过程的概念 西南交通大学研究生学位论文第2 页 一产品的生命周期及其生产过程的概念 产品的生命周期是指从市场的需求分析开始。经过设计、制 造、销售和用户的使用、维修等环节，到最终报废的全过程。 产品生产过程则包括以下几个阶段：产品设计、工艺过程设 计、数控编程、j u t 、检测、装配等阶段，其中前三者称为工程 设计阶段，后三者称为制造实施阶段。 二 c a d 技术的概念、发展状况和趋势 ( 1 ) c a l l ) 技术的概念和功能 c a d 就是将人和计算机混编起来求解专业问题的技术。从而 使入和计算机的最佳特性联系起来。它是以计算机为工具，对产 品进行总体设计、绘图、分析和编写技术文档等活动的统称。 c a d 技术从五十年代兴起至今历经近五十年的发展，现已形 成了一个从研究开发到生产制造、推广应用和销售服务一套完整 的高科技产业，广泛应用于机械、电子、航空、航天、汽车、船 舶、轻工、纺织和建筑等行业，彻底打破了传统的设计方法，是 设计领域的一次革命。c a d 技术具有加速产品设计过程，提高产 品质量和可靠性，易于维修等特点，适应当今市场的多品种、小 批量的需求，加快了产品更新换代的步伐，因此倍受广大工程设 计人员的亲睬。一个完备的c a d 系统由科学计算、图形系统、 工程数据库( e n g i n e e r i n gd a t a b a s e ) 等核心部分组成。c a d 技术 与计算机辅助工艺规划、计算机辅助制造等技术相结合。为现代 工业设计提供了强有力的工具。一般把机械c a d 的功能分为以 下四个方面： 概念设计； 技术设计； 施工设计； 文档编辑。 所以，完整的c a d 系统包括产品的方案设计与决策、性能 分析、科学计算、图形系统、功能仿真和工程数据库等组成部分。 其中科学计算包含：有限元分析、可靠性分析、动态分析、产品 的常规设计和优化设计等；图形系统包括：几何( 特征) 建模和 造型、自动绘图( 含二维工程图或三维实体图) 以及动态仿真等； 工程数据库则对设计过程中需要使用和产生的数据、图形和文档 等进行存储和管理。 ( 2 ) c a d 技术的发展现状 西南交通大学研究生学位论文 第31 ! a u t o d e s k 公司推出的a u t o c a d 阁形软件包和1 b m 公司的c a d 触i 、 p f o e n g i i q e e r 等。 推广应用普遍化，据统计在发达国家中，c a d 技术在企业 中的应用已高达8 0 以j ：，螋夫中型食业的产品设计已全部由计 算机完成。 当前我国c a d 技术和发达工业国家相比还存在较大差距，主 要表现在： 我国自主版权的软件商品化程度低、可靠性较差、功能单 一，c a d 技术的推广还不普遍； 智能化程度低。 ( 3 ) c a d 的主要类型 c a d 系统有许多形式，按系统的工作方式及功能大致可分为四 种：检索型、自动型、交互型和智能型。 检索型c a d 主要适用于那些基本结构已经定型、有标准部件 和结构可以检索借鉴的产品，即标准系列产品( 如电机、变压器 等) 的设计。 自动型c a d ，也称为自动化设计，是指根据产品性能规格要求 输入基本参数后，不须人工干预计算机依照既定程序，自动完 成全部设计工作，包括设计、计算和优化，输出设计结果( 图纸 及表格或数控信息) 。 交互型c a d 系统是目前采用的最普遍的c a d 系统。由于很多 产品难以完全具备自动型c a d 所要求的条件，即产品的某些特性 尚未完全掌握，设计方法有待探讨，或资料数据积累不充分，或 产品尚未实现标准化、系列化和模块化，所以设计时须凭设计人 员的经验和知识，通过交互式图形系统( 如光笔图形显示系统、 数字化仪等) 和人机会话语言，进行“人机对话”，由人工干预方 案决策、判断和修改设计等。计算机按照程序进行反复计算和优 化设计，得出最佳结果。 智能型c a d ，即把人工智能和专家系统技术引入c a d 技术中， 与传统的c a d 技术相结合，构成智能c a d 系统，主要用于产品的 概念设计，即设计目标的决策、总体方案的设计。 ( 4 ) c a d 技术的发展趋势 当今c a d 系统的发展趋势具体表现为： 智能化。现有的c a d 技术在机械设计中主要处理数值类工 作，包括计算、分析和绘图，但是设计活动中存在另一类符号推 理工作，包括方案构思，最佳方案选择、结构设计、评价、决策 及参数选择等。这些工作依赖于一定的知识模型，采用符号推理 - 西南交通大学研究生学位论文第4 员 的方法才能解决，因此将人工智能技术，特别是专家系统技术与 传统的c a d 技术相结合，形成智能化c a d 是机械c a d 发展的必然 趋势。 集成化。为适应设计与制造一体化的要求，即c i m s 的要 求，提高c a d c a p p n c p 的集成水平，是c a d 技术又一发展趋势。 它主要体现在： 在几何造型方面，必然从传统的实体造型到参数化特征造 型的转变，以便建立完整的信息模型( 包括几何、工艺、加工和 管理等信息) ，创造c a d c a p p n c p 集成的必要条件； 建立统一的工程数据库及其管理系统： 解决好c a d 内部概念设计、结构设计、施工设计信息的集 成化： 解决好网络通讯问题，使不同用户能协调工作。 标准化。为推动c a d 技术的发展和普及，应解决c a d 所需 软件等标准化问题。 三 c a p p 技术的概念、发展状况和趋势 ( 1 ) c a p p 的概念、产生和功能 c a p p 系统是用计算机模拟人工编制加工工艺文件的程序系 统。c a p p 系统根据产品设计所给出的信息进行产品的加工方法和 制造过程的设计。 c a p p 的研究开始于六十年代后期，第一个c a p p 系统是挪威 1 9 6 9 年推出的a u t o p r o s 系统，虽然c a p p 的研制仅有三十多年， 但在c a p p 的生成原理、系统结构和决策方法等方面，都获得了较 大的进展。 c a p p 系统具有以下功能：毛坯设计、拟定工艺路线，选择定 位基准面、确定各工序采用的设备、确定各工序采用的刀、夹、 量具和辅助工具、确定各主要工序的技术要求和检验方法、确定 各工序的加工余量。计算工序尺寸和公差、确定切削用量、确定 工时定额、制作工艺文件。 c h o p 系统的出现改变了长期以来依赖于个人经验的手工工艺 设计的缺陷，极大地提高了效率，缩短了工艺准备时间，可以迅 速编出完整、详尽、优化的工艺方案和各种工艺文件，加快了产 品的投产速度。我国从八十年代初起，在推广应用成组技术的基 础上，开始研制和开发c k p p 系统，有少数系统已正式在工厂中使 用。 西南交通大学研究生学位论文第5 页 ( 2 ) c a p p 技术的现状 c l m s 实现了c a d 、c a p p 、n c p 等各子系统的集成管理与控制。 其中计算机辅助工艺设计是联接c a d 和n c ! ，的桥梁特别是订： 前和未来高度信息化及全球化的制造体系中，产品的多样化、个 性化要求企业具有更加准确的综合决策和响应能力。但目前廊用 中的c a p p 系统，主要是派生式( v a r i a n t ) 和创成式( g e n e r a t i v e ) ， 以及两者混合而成的混合式( h y b r i d ) 。从总体上看三种系统都 是基于检索、决策模式的线性系统。加之工艺问题的复杂性，多 样性，在解决问题的过程中必然要求c a p p 系统具有高度的智能化， 因此目前的三种c a p p 系统在实际应用中都难以达到用户的要求。 所以研究和开发基于号家系统的c a p p 有助于利用产品和企业的全 面数据进行工艺规划，改进工艺方案的可行性，以提高设计的效 率和缩短生产准备时间。 ( 3 ) c a p p 技术的发展趋势 综合国内外c a p p 的研究和开发状况，可知其发展趋势是：集 成化、柔性化、工具化和智能化。 集成化指c a p p 系统与其他相关系统信息的及时传输与 共享。c i m s 是现代化制造的发展趋势，因而c a p p 系统必然和c a d 系统、制造自动化系统( m a s ) 、管理信息系统( m s ) 以及质量检 测和控制系统( c a q ) 等集成并且这种集成已经不再是普通工程 设计领域上所讲的与c a d 和c 心系统的集成，而是统一在工程数 据库上广义的高层次集成，此外c a p p 系统也不只是针对单个零件 或孤立的各个零件而是对整个制造系统的大量零件、部件，甚 至整个产品的制造与装配的c a p p 系统。 柔性化是指c a p p 软件经过一定程度上的修改和调整后能 用于不同的零件和不同的生产环境，如果这种修改和调整越容易， 则柔性化程度就越高。当前国内外开发的c a p p 系统都是针对某一 个具体的生产环境，一般不具有通用性。造成这一局面的主要原 因是工艺设计对制造环境强烈的依赖性，环境的不同必然造成工 艺设计结果的不同。所以，国内外的研究人员都致力于提商c a p p 的柔性化程度。 工具化。通用性是c a p p 系统所面临的最主要的难点之一， 工具化思想正是针对实际生产的变化多端而提出的，主要体现在 要求c a p p 系统具有以下几个方面功能：工艺设计的个性和共性分 开处理功能；工艺决策方式的多样化功能；使用方便，有统一标 准的数据库和强大的知识库管理平台；智能化的信息输入、输出 功能。 西南交通大学研究生学位论文 第6 页 智能化是把人工智能技术和专家系统等技术应用于c a p p 系统的研究和开发中，研制基于知识的( k n o w l e d g e b a s e d ) 创成 式c a p p 系统。近年，又将人工神经元网络技术、模糊推理等应用 于c a p p 系统中以便获得高度智能化的c a p p 系统。虽然目前国 内外有一些智能化c a p p 系统的实例，但是却都是针对某类零件的 号用c a p p 智能系统，所以如何提高c a p p 系统的智能化程度，依 然是国内外研究c a p p 系统的重点。 四n c p 技术的概念和发展状况 数控程序编制( n u m e r i e a lc o n t r o lp r o g r a m m i n g n c p ) 技术开始于五十年代，1 9 5 2 年研制成功数控机床，并于1 9 5 5 年通 过计算机成功地实现了自动编程系统( a p t ) ，达到了n c 程序的自 动化，标志着柔性化制造时代的开始，成为c a m 软、硬件的开端。 七十年代中期，由于计算机性能的不断提高，体积和成本的 不断大大下降，促进了柔性制造技术迅速的发展，各种微机数控 ( c n c ) 技术获得广泛的应用。软件方面，近几年在a p t 的基础上， 国内外相继开发了许多适用于各种小型机、微型机的自动编程系 统，数控编程与c a d 和c a p p 的集成是近来数控编程发展的一个主 要的方向。 数控编程和c a p p 的集成是n c 自动编程技术发展的另一个非 常重要的方向，一般采用两种集成方式：一种是c a p p 系统通过进 行刀具路径计算，自动生成标准的a p t 程序代码，然后由后置处 理系统将其翻译成数控程序；另一种则是直接把刀具路径结果转 换为特定的数控系统代码，生成数控程序。 数控编程和c a d 、c a p p 的集成，不但提高了n c 编程的效率， 而且为实现计算机集成制造系统( c i m s ) 奠定了坚实的基础。 1 2c a d c a p p 集成系统综述 本节主要介绍c a d c a p p 集成系统的产生、集成技术现状和发 展趋势。 c a d c a p p 集成系统的产生背景和集成目的 从c a d 、c a p p 系统发展的历史上看，它们首先是各自独立发 两南交通大学研究生学位论文 第7 页 展，随着生产发展的需要，独立的c a d 、c a ! ，p 系统由j ：不能很好 的相! i 交流信息，只能使局部达到臼动控制和最优化，而不能使 整个系统在最优化状态下运行，闵而难以满足用户的要求。 c a d ，c a p p 集成系统就是往这种情况r 产生的。 c a d c a p p 系统集成的目的在 二： 实现完整的产晶定义，便r 汁算机支持数据的传递、调度 以及与计算机辅助技术有关的数据的准备； 提高自动化程度，减少人工干预、避免重复性工作，如： 蘑复的产品信息描述和输入、输出； 减少对过程的监测和控制； 符合c i m s 的要求； 实现并行工程。 ：二 c a d c a w 集成技术 一般认为集成技术( i n t e g r a t e dt e c h n o l o g y ) 就是把软件和 硬件元素或者两者兼有地集结到一个整体系统之中，通过这种有 机的集结，以获得各个单元单独作用所难以达到的效果。因此 c a d c a p p 集成系统的关键技术是把设汁和制造的主要环节的软件 集成，实现信息提取、交换、共享和处理的集成。具体指计算机 辅助产品设计( c a d ) 和计算机辅助工艺过程设计( c a p p ) 等有关 信息实现自动传递和转换的技术。 由于c a d 、c a p p 是各自独立的系统，所产生的信息难以实现 自动地传递和转换，需要人工转换，这必然影响工程设计效率的 提高，而且在人工转换的过程中难免发生错误，给生产带来极大 的危害。所以，人们从七十年代开始了对c a d 、c a p p 之间的数据 和信息的自动传递和转换问题进行研究，即对c a d c a p p 集成技术 的研究，目前国内外有一些较成功的集成系统出现，但其适用领 域较小，柔性化较差，如何开发高质量的集成技术仍然是当前研 究的热点。 c a d c a p p 集成系统必须有统一的产品信息模型，以实现信息 的自动生成、传递、响应、分析和反馈。在c a d c a p p 集成系统中 所包括的信息应有： 几何拓扑信息； 用于加工的工艺信息； 由于结构分析的结构特征信息； 用于检测的测量信息； 西南交通大学研究生学位论文第8 页 用于生产管理的组织信息； 引入c a d c a p p n c p 集成系统后，一个典型机械产牖从设计到投入 生产的整个过程如图l 一1 所示。 图l l 典型产品的设计与生产过程 三 c a d c a p p 集成方式 目前的c d c a p p 系统集成地方式归纳起来主要有两种途径： 通过设计专门的交换格式，如开发专用的接口文件或采 用数据交换标准( 如i g e s 、d f x 、x o a 、s e t 、s t e p 等) 来实现对 不同c a d 、c a p p 的集成； 两南交通夫学研究生学位论文 第9 贝 开发集成的c a d c a p p 系统，通过个统一的产品模型 和数据库管理系统，实现应用i ：的无缝联结。 随着特征技术的出现。采用特征技术建立统一的数据模型， 成为实现c a d ； c a p p 集成的最佳选择。其实现的疗式有两种： 第一种是开发新一代的特征建模系统，即建立统一的适应j 二 c a d c a p p 集j 殳要求的基于特征的信息模型，使产品在整个生命周 期的各个阶段，都可以实现数据共享。 第二种是在现有的基于几何造型的c a d 系统基础上融入特征 造型技术。具体方法有： 在几何模型上人工抽取特征来添加非几何信息； 通过特征定义和识别，自动提取特征信息 在实体模型下进行特征造型。 评价：当前的c a d c a p p 集成系统不论是采用上述那种方式， 都存在许多不足，如集成系统各部分之间缺乏必要的信息联系； 不支持并行工程的产品开发模式；不具备产品生产数据管理( p d m ) 功能等。因此，研究和开发一种新的c a d c a p p 集成模式，对于实 现产品的并行设计，增强企业在市场的竞争力具有重要的意义。 四c a d c a p p 集成系统的发展趋势 c a d c a p p 集成系统正逐步向集成化、智能化、网络化和可视 化方向发展，随着敏捷制造思想的发展，要求其能够面向敏捷制 造环境。 ( 1 ) 集成化 c a d c a p p 集成系统是c i m s 的子系统，首先要实现c a d 与c a p p 的紧密耦合，还应与n c p 、p d m 、c a e 、f m s 等系统集成。 ( 2 ) 智能化 当前c a d c a p p 集成技术必须与人工智能技术相结合，整个系 统的工程数据库应由传统数据库和知识库相结合组成。 ( 3 ) 网络化 网络技术是计算机技术和通信技术相互渗透而又密切结合的 产物，由于单个系统的处理能力有限，只有通过网络互联，才能 有效地实现资源共享和协同合作，发挥单个系统远远不及的效果。 通过网络把各个子系统互连在一起实现数据的交换、共享和集成， 减少中间数据的重复输入输出过程，从而大大地提高了整个系统 的效率，加速新产品的开发，提高质量，降低成本缩短交货周 期和库存量，以提高企业在市场中的竞争力。 ( 4 ) 可视化 西南交通大学研究生学位论文第1 0 页 复杂的数据以视觉的形式表现是最容易让人理解的，图像是 沟通思维的最自然方法之一，可视化的c a d c a p p 集成系统的基本 思想是，从准备数据、实施计算到表达结果都用图像来完成或表 现，最后结果还可以用具有真实感的动态图形模拟来描述，即把 符号信息( 数据) 转换为视觉信息( 图像) ，从而有效地匹配开发 人员的右侧大脑能力，丰富科学发现的过程，给人们以意想不到 的洞察力。 + 1 3与c a d c a p p 相关的集成系统综述 本节介绍与c a d c a p p 相关的集成系统。 一 基于并行工程的c a d c a p p 集成系统 随着c i m s 技术的发展，必然要求在c a d c a p p 集成中加入并 行工程( c o n c u r r e n te n g i n e e r i n g ) 的思想，这一要求已逐渐成 为当前机械工程领域的研究热点。 ( 1 ) 并行工程( c o n c u r r e n te n g i n e e r i n g ) 的概念 并行工程是一种新的哲理，新的系统工程方法，被看作是计算 机集成制造的一个新阶段，是并行地设计产品及其相关的各种过 程( 包括制造过程和支持工程) 的系统方法。由于设计在并行工 程中占主导地位，所以又称并行设计。 目前的c a d c a p p 集成系统一般都采用串行设计方法，信息沿 着产品设计工艺设计修改产品设计进行大循环，沿单一 方向传递，各子系统问无法进行信息反馈，产品设计未能和制造 环境和制造资源等相联系，因此设计产品的可制造性和经济性较 差。所以必须在c a d c a p p 集成系统中引入并行工程的思想，把设 计信息和制造信息以及销售信息有机地结合起来。这就要求产品 的开发人员在设计一开始就考虑产品整个生命周期中从概念形成 到产品报废处理的全部因素，包括质量、成本、计划进展和用户 要求等。关键是对产品及其相关过程实行集成的并行设计，即并 行工程是指对产品及其下游过程进行并行设计。 并行工程的特点是充分地考虑用户的要求，认为质量的提高是 过程改进的结果，改进设计、制造及其支持过程是企业永无止境 的任务，采用并行工程将使整个企业发生根本、剧烈和影响深远 的变革。 西南交通大学研究生学位论文第11 缸 ( 2 ) 基j 二并行工程的c a i ) c a i ，p 集成系统 基f 并行：【程的c a d j c a p p 集成系统，耍求传统的c a d 系统除 ) ，满足自身信息完备外，还必须为其他系统( 如c a p i ，、n c t ，和加 工榆测等系统) 提供反映设计意图的j ：几何信息，如公筏、材料 和表面籼糙度等。为r 满足这些要求，c a d 的产品模型不仅要包括 有关的点、线、面、体等几何信息，丽n 耍包括有关功能、结构、 ：l 艺等多方面的信息。 c a p p 是联系c a d 和n c p 的桥梁，所以可以分为c a d c a p p 和 c a p p ，n c p 的集成。在产品设计的同时进行工艺设汁，并根据制造 资源评价和修改工艺设计。即在c a d ，c a p p 集成系统中交替逐步实 现产品设计和工艺设计，设计人员在每一阶段都将考虑其设计结 果能否在现有的制造环境中以最优方式制造，而且c a p p 系统还要 在遇到加工困难时能及时通知设计人员，并提出改进设计的建议， 设计人员则据此作出相应改进，如此反复，最终得到满意的设计 结果及其相应的工艺规划。 二 基于绿色制造的c a d c a p p 集成系统 九十年代末，环境问题引起了全球的普遍重视，美国工程师 学会( s m e ) 发表了关于绿色制造的专门蓝皮书g r e e n a n u f a c t u r i n g ，提出了绿色制造这一概念，很快在国内外成为 研究的热点。 ( 1 ) 绿色制造的概念 一般认为绿色制造( g r e e nm a n u f a c t u r i r i g ) ，又称环境意识 制造( e n v i r o n m e n t a l l y c o n s c i o u s m a n u f a e t u r i n g ) 是一个综 合考虑环境因素和资源效率的现代化生产模式，其目标是使得产 品从设计、制造、包装、运输、使用到报废处理的整个生命周期 中，对环境的负作用最小，资源利用率最高。 ( 2 ) 基于绿色制造的c a d c a p p n c p 集成系统 基于绿色制造的c a d c a p p n c p 集成系统，是在传统的集成系 统中充分地考虑环境因素，即从产品的设计、制造工艺设计和制 造环境设计时，都以提高资源利用率、减少资源消耗、减少或消 除环境污染为目的。这样的集成系统能够降低产品的成本，同时 绿色制造环境可全面改善、美化企业员工的工作环境，提高员工 的工作效率。更重要的是这种集成系统生产的绿色产品具有很好 的社会效应。 基于绿色制造的c a d c a i ) p n c p 集成系统除了涉及普通系统所 西南交通大学研究生学位论文第1 2 页 有信息和集成技术之外，还特别强调与环境影响和资源消耗有关 的信息的集成，并要求集成系统能将整个系统的信息流、物料流 和能量流有机地结合，再加以优化处理。 因此，基于绿色制造的c a d c a p p n c p 集成系统能够实现生产 和生态环境的整体优化，从而达到产品上市快、质量高、成本低、 服务好和环境影响小，使企业赢得竞争，取得良好的经济效益和 社会效应。随着全球环境形势的不断恶化，基于绿色制造的 c a d c a p p n c p 集成系统的研究和开发必然有j 3 。阔的前景。 三 几种新集成制造系统介绍 目前出现的几种新的集成制造系统把c a d c a p p 集成系统融入 到更大的环境中去，对它提出更高、更全面的要求。 ( 1 ) 敏捷制造( a g il e 矾a n u f a c t u r i n g ) 敏捷制造的概念是在美国国防部的一批专家所编写的2 1 世 纪制造业战略一文中提出来的，它试图采用大范围的企业“集 成”或“合作”实现极大地经济效益，以适应未来世界市场的激 烈竞争。敏捷制造的出发点是基于对未来市场和产品的分析，认 为未来的产品市场的总的发展趋势是多元化和个人化，因此要求 制造系统尽可能做到产品的成本和产品批量无关；产品的生命周 期越来越短，产品的复杂性越来越高，要求企业以很高的柔性和 很强的市场应变能力去迎接市场的挑战。与传统的生产方式相比， 它主要具有以下特征： 全新的企业合作关系，即“虚拟企业”( v i r t u a l e n t e r p r i s e ) ： 大范围的通信基础结构( i n f r a s t r u c t u r e ) 。在信息交换 和通信联系方面，必须有一个能将正确的信息，在正确的时间， 送给正确的人的“准时信息系统”( j u s t i n t i m e i n f o r m a t i o n 一 一j 1 1 、is y s t e m ) ，作为灵活的管理系统的基础，在美国称为“全 美工厂网”，将来会扩展到全球范围； 为订单而设计( e n g i n e e rt oo r d e r ) ，为订单而制造( m a k e t oo r d e r ) ： 高柔性的、模块化的、可伸缩的生产制造系统； 高柔性的、模块化的产品设计方式； 有知识、有技术的人是系统成功的关键； 基于任务的组织与管理，对社会的正效应，而敏捷制造全 面消除生产给社会带来的不利影响，完全服务于社会。 ( 2 ) 精i 适生，“( i 。c a n p r o d u c ti o n ) 精良， i 一姐垃n ：，。i i 殳汁干| 1 乍广f 1 0 符个环1 7i 踢i j 嗡t t j 厄i t j 的多余的尔西，j 1 共施结果1 1 人；i 7 t - 广山式栩比，符种投入都人 人减少，现场痒仃人幅发r 降，睃j 、人减少，l 叮产：i i - f l 皿彩、 质塌更好。 精f 逗，l ! ，。把f 柄；定n i “s 善j s 天”卜，n ：纠i 钐 i j = | ! f ：，仪力卜 放，以“小新作”的f ：；式对各l7 l 的f f 1 ：f x 段负责，f f 确利瓿i 。在产6 发计方面，精良乍产。强调设计负责人的权力和资任 强调开始的总体规划和多瓠m 人兵门1 作战， i 设计负责人组织 多个：叫乍小组并行一【：作。在市场和用，。方【f f 】，它强调“ i 动销俦” 和“顾客需求驱动”。由此可址，精良乍，”4 i 仪仪足投术集成，瓶 ll 足注重生产管理全方位的集成。 ( 3 ) 1n t e l l g e n ti t t f l l l i i f a c t u r ln gs y s t o m ( 1 m s ) 智能制造系统 智能制造系统9 0 年代出现的制造系统新概念，它试图突破8 0 年代流行冉勺c l m 等概念的局限性强调要f 训玎“智能机器”和“f i 治控制”，从而构造2 1 纪新代的制造系统模式。这一模式要 能够解决制造一f 业t 1 存在的以卜 0 u 题： 熟练工人数量的减少； 周：i ：作f = i 的缩短： 国际化问题：分布j 二全球的制造场所，市场扩展和贸易摩 擦，文化! j 宗教信仰的不同； 技术发展和经济发展之间存在的差异： 技术转i l i l - ：j 享： 高效率的信息传递； 技术与政治、经济的不町分； 环境和资源问题。 1 于这些问题的涉及面太宽，必须通过“泛的合作和兆同掰 力来解决，而解决的1 i 要思路足综含采用符学科的各l b - n 能的先 进技术与方法，如：人工智能、智能制造设备、分布自治技术、 材料技术、j ：艺处理、控制技术、测量技术、汁算机技术、人类 科学、环境科学、信息科学和管理科学等，来解决制造系统的符 种问题。 】m s 中“智能”的含义应理解为：系统具仃极强的遁应性、友 好性，或者说系统的“软”特性极为突，对制造过程而商软特 性休现在柔性、模块化方面；对人而言，则表现为安全性、友好 性等：对环境而苦，软特性表现为无污染、钳能源、资源旧收等 力面：对社会而占，体现在防作和竞争关系史为合理，总之系统 q 南交通入学硼究q ：9 # 位论文 翦l 口! 媳钉极为优越的性能。 l m s 的概念还往发腱，l q 际l ：对l m s 概念的认识还仃待统 。 木章小结： 本章详细介绍1 i ，c a d 、c a p p 、n c i ，系统及其棚天的珐本概念， 对它们行自发展的现状加以分析，并孵点阐述rc a d 和c a i i 系统 的发展趋势，最后指i bj - c a i ) ，7 c a p p 系统集成技术的最螟潜力的研 究方向。 西南交通人学研究q | 学位论文第15 吼 第二章论文选题 本章介绍论文的选题及其研究内容和所采f j 的，f 发t 具、开 发环境。 + 2 1论文题目的确定 九 。年代以来，由于科学技术的飞速发展和市场竞争的日益 加剧，促使发达国家机械工业结构发生了根本性的变革。这种变 革的显著特点是机械产品朝着机电一体化、智能化精密化方向发 展，生产组织方式也从传统的大批量、少品种的刚性生产结构向 着中、小批量和多品种的柔性生产结构转变。如何更快对市场做 出反应，及时向市场投放适销对路的高质量产品已成为当前机械 行业面临的最重要课题。 解决上述难题的有效方式之一是采用c i m s ，但c 1 m s 集成技术 尚未发展到令人满意的程度，尤其是其中的c a d 和c a p p 之间数据 的共享、交流和相互传递的技术亟待解决。 一 目前c a d c a p l 集成系统的缺陷和亟待研究的技术 ( 1 ) 目前c a d c a p p 集成系统的缺陷 现有c a d 系统因沿用传统的几何模型，缺乏c a p p 系统所需的 零部件特征信息，如：粗糙度、形位公差、热处理等信息，日益 成为c i m s 集成技术的障碍，具体表现在以下几个方面： 描述的产品信息不完整，如：不能或难以表达公差、粗糙 度、材料及热处理等工艺信息。 实体几何造型是以低级的几何、拓扑信息描述的，难以支 持工程应用所需的高级信息。 产品