（机械制造及其自动化专业论文）数字化预装配建模与序列规划技术的研究.pdf

南京理工大学博士学位论文数字化预装配建模与序列规划技术的研究 摘要 复杂产品的开发过程需要实施并行工程，而数字化设计与制造技术为并行的产品 开发过程提供了支持，在产品装配设计中表现得尤其明显。在并行工程环境下，工程 技术人员利用数字化技术完成整个产品的装配设计、规划、仿真与分析等任务。数字 化预装配技术在产品开发中的应用，有利于在设计阶段及时发现产品装配设计和规划 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 本和更好的服务来赢得市场竞争。因此，数字化预装配关键技术的研究与应用具有重 要的理论及现实意义。 在介绍并行工程、数字化设计与制造等先进制造技术背景的基础上，分析了并行 工程对数字化预装配技术的需求，阐述了数字化预装配技术的概念以及对数字化设计 与制造和并行工程的作用和意义。针对国内外在数字化预装配技术方面的研究成果， 分析了数字化预装配关键技术的研究现状，确定了本论文重点研究数字化预装配系统 的体系结构、设计开发方法、装配建模、装配序列规划等关键技术。 分析了数字化预装配技术的特点和需求，提出了数字化预装配系统的体系结构， 研究了数字化预装配系统的功能组成、系统框架和工作流程，构建了包含界面层、应 用层、对象数据层、技术支持层四层结构的系统框架。根据数字化预装配系统的体系 结构，提出了利用面向对象的系统设计方法和基于组件的软件开发方法来构建数字化 预装配系统环境，阐述了数字化预装配系统环境构建中的几何显示处理、运动操作处 理以及装配行为响应处理技术。 在分析数字化预装配系统对产品装配信息需求的基础上，提出了基于三维体系的 装配建模方法，阐述了包含视图维、过程维、应用维等三维的装配建模体系；采用层 次化、多视图、变粒度的建模策略构建了包含层次、属性、关系三向视图的集成化装 配模型。研究了装配模型三向视图信息的表达、生成、存储；提出了基于三向视图的 装配模型信息匹配关联技术；提出了基于集合理论的装配约束关系信息动态生成技 术，为并行工程环境下的数字化预装配过程提供了可靠的信息保障。 研究并提出了基于装配序列s a p 树的装配序列规划原理。建立了包含关系节点 与数据节点的装配序列s a p 树模型，以此有效、合理地表达非线性装配序列以及并 行的装配作业任务；基于几何推理与知识推理相结合的方法，通过装配基础件的判定 摘要 博士论文 和广义子装配体的识别，将产品功能结构树重构为产品装配结构树，再由产品装配结 构树生成产品装配序列s a p 树；由于在装配序列s a p 树生成中考虑了部分工艺约束， 缩减了装配序列的解空间。确定了装配序列评价的综合目标一相对装配优先关系，建 立了装配序列评价指标体系，利用熵权法客观合理地确定了评价指标的权重，基于装 配序列s a p 树的宽度优先搜索完成装配序列的模糊综合评价与优化，提高了装配序 列评价与优化的效率。 依据所提出的理论、技术和方法，开发了一个产品数字化预装配原型系统d p a s 。 以某精密多向传动支撑系统总成为实例，在d p a s 系统中，完成了实例产品装配设计、 装配设计的分析检验、装配建模、模型信息的匹配关联与动态生成、装配序列规划等 工作。通过该原型系统的实现和实例产品的应用验证了所提出的理论、方法和技术。 关键词：数字化预装配系统，体系结构，设计开发方法，装配建模，装配序列表 达，装配序列规划 i i 南京理工大学博士学位论文数字化预装配建模与序列规划技术的研究 a b s t r a c t t h ed e v e l o p m e n tp r o c e s so fc o m p l e xp r o d u c td e e d st ob e s u p p o r t e db ye o n c u r r 嘣t e n g i n e e r i n ga n dd 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 e c h n o l o g y , a n di ti sm o r ep r o m i n e n c ei n t h ea s s e m b l y d e s i g n a c t i v i t i e so fp r o d u c t i nc o u o u l t c n t 舒n 矗略d e v e l o p e r s a c c o m p l i s ht h ew h o l ep r o d u c ta s s e m b l yd e s i g n ，p l a n n i n g ，s i m u l a t i o na n da n a l y s i st a s k sb y t h ed i g i t a lt e c h n o l o g y d u r i n gd e s i g np e r i o d , d e s i g na n dp l a n n i n gp r o b l e m sc a nb ef o u n d o u ta n ds o l v e db yt h e a p p l i c a t i o no fd i g i t a lp r e a s s e m b l yt e c h n o l o g y i n p r o d u c t d e v e l o p m e n t t h u se n t e r p r i s o sc 趾w 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 、i 也 s h o r t e rt i m e ，b e t t e rq 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 s oi ti sv e r yi m p o r t a n tt or 船e a r c h a n da p p l yk e yt e c h n i q u e so f d i g i t a lp r e a s s e m b l yi nt h e o r ya n dr e a l i t y t 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 di si n t r o d u c e ds u c ha sc o n c u r r e n t e n g i n e e r i n g , 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 gf i r s t l y t h ed e m a n do fa d v a n c e d m a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g yi sa n a l y z e df o rd i g i t a lp r o - a s s e m b l y t h e nt h ec o n c e p to f d i g i t a l p r e - a s s e m b l yt e c h n o l o g yi sp r e s e n t e da n di t ss i g n i f i c a n c ei se x p o u n d e d f o rt h er e s e a r c h o u l c o m eo fd i g i t a lp r e - a s s e m b l yt e c h n o l o g yi nn a t i o n a la n da b r o a d ，t h er e s e a r c hs t a t u si s a n a l y z e d b a s e do ni t ，k e yt e c h n i q u e so fd i g i t a lp r e a s s e m b l ea r ep u to u ta st h er e s e a r c h e m p h a s i so ft h ed i s r t a l i o i l ，s u c ha st h ea r c h i t e c m r e ，d e s i g na n dd e v e l o p m e n tm e t h o do f d i g i t a lp r e - a s s e m b l ys y s t e m ，a s s e m b l ym o d e l i n g ，a s s e m b l ys e q u e n c ep l a n n i n g b ya n a l y s i so fd i g i t a lp r e a s s e m b l yt e c h n o l o g yf e a t u r ea n dd e m a n d ，t h ea r c h i t e c t u r ei s e x p o u n d e df o rd i g i t a lp r e - a s s e m b l ys y s t e m t h ef o n e t i o nc o m p o n e n t , s t r u c t u r ea n dw o r k f l o wa r er e s e a r c h e d as y s t e mf r a m e w o r ki sc o n s u - 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v i e w sa n dv a r i a t i o np a r t i c l em o d e l i n gs t r a t e g y , t h r e ev i e w sa r ec o n s t r u c t e df o rt h e i n t e g r a t e da s s e m b l ym o d e lo fp r o d u c t t h e ya r eh i e r a r c h yv i e w , a t t r i b u t i o n sv i e w , a n d r e l a t i o nv i e w t h ei n f o r m a t i o ne x p r e s s i o n , 彰d n j n g ，s a v i n ga n dm a t c h i n ga r er e s e a r c h e df o r i l l t h r e ed 碱0 n sv i e w so fa s s e m b l ym o d e l t h et e c h n i q u ei sp u tf o r w a r df o rt h ed y n a m i c g a i n i n gt h ea s s e m b l yr e l a t i o ni n f o r m a t i o nb a s e do nt h es e tt h e o r y t h e nt h ei n f o r m a t i o ni s u n d e r t a k e nf o rt h ed i g i t a lp r e - a s s e m b l yp r o c e s si nc o n c u r r e n te n g i n e e r i n g t h ep r i n c i p l eo fa s s e m b l ys e q u e n c ep l a n n i n gi sr e s e a r c h e da i a dp u tf o r w a r db a s e do nt h e a s s e m b l ys e q u e n c es a pt r e e n ea s s e m b l ys e q u e n c es a p t r e em o d e li sc o n s t r u c t e dw h i c h i n v o l v e s 陀l a t i o nn o d ea n dd a t an o d e 玎1 ea s s e m b l ys e q u e n c es a pt r e ec a l le x p r e s st h e n o n l i n e a ra s s e m b l ys e q u e n c ea n dc o n c u r r e n ta s s e m b l yt a s ke f f e c t i v e l y b yt h em e t h o d w h i c hi sb a s e do ng e o m e t r yr e a s o n i n ga n dk n o w l e d g er e a s o n i n g ，t h ea s s e m b l yb a s ep a r ti s c o n c l u d e da n dt h eg e n e r a ls u b a s s e m b l yi si d e n t i f i e d t h e nt h ep r o d u c tf u n c t i o ns t r u c t u r e t r e ei st r a n s f o r m e dt ot h ep r o d u c ta s s e m b l ys t r u c t u r et r e e ，a n dt h ea s s e m b l ys e q u e n c es a p t r e ei sc r e a t e db a s e do nt h ep r o d u c ta s s e m b l ys t r u c t u r et r e e b e c a u s ec o n s i d e r i n gs o m e p r o c e s sr e s t r i c t i o n s i nt h ea s s e m b l ys e q u e n c es a pt r e e ，t h ec a l c u l a t i o ne x t e n s i o no f a s s e m b l ys e q u e n c ei sr e d u c e d t h ec o m p a r a t i v ea s s e m b l yp r i o rr e t a t i o ni sa s c e r t a i n e da s t h es y n t h e t i ct a r g e to fa s s e m b l ys e q u e n c ee v a l u a t i o n n l ei n d e xa r c h i t e c t u r eo fa s s e m b l y s e q u e n c ee v a l u a t i o ni se s t a b l i s h e d w e i g h t so fa l le v a l u a t i o ni n d e x e sa r ec a l c u l a t e du s i n g t h ee n t r o p ym e t h o d b ys e a r c h i n gt h ea s s e m b l ys e q u e n c es a pt r e ea c c o r d i n gt ot h e p r i o r i t yi ni t sw i d t h , t h ef u z z ys y n t h e t i ce v a l u a t i o na n do p t i m i z a t i o no fa s s e m b l ys e q u e n c e i sf i n i s h e du s i n gt w os t a g e sa n dl a y e r s ，t h ee v a l u a t i o na n do p t i m i z a t i o ne f f i c i e n c yo f a s s e m b l ys e q u e n c ei sh e i g h t e n e d ad i g i t a lp r e a s s e m b l yp r o t o t y p es y s t e mo fp r o d u c ti sd e v e l o p e db yt h e s em e t h o d sa n d t e c h n i q u e si nt h i sd i s s e r t a t i o n i ti si l l u s t r a t e db yap r o d u c to fm u l t i - d i r e c t i o nt r a n s m i s s i o n a n du p h o l d i n g i nt h 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 s et a s k sa r ea c c o m p l i s h e ds u c ha s a s s e m b l yd e s i g n , a n a l y s i sa n dv e r i f i c a t i o no fa s s e m b l yd e s i g n ，a s s e m b l ym o d e l i n g , m a t c h i n ga n dd y n a m i cg a i n i n go ft h ea s s e m b l ym o d e li n f o r m a t i o n , a s s e m b l ys e q u e n c e p l a n n i n ge ta 1 t h e s ek e yt e c h n i q u e sa r ei l l u s t r a t e db yt h ei m p l e m e n t a t i o no ft h 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 ma n d i t sa p p l i c a t i o nf o ri n s t a n c ei nt h i sd i s s e r t a t i o n k e yw o r d ：d i g i t a lp r e a s s e m b l ys y s t e m ，a r c h i t e c t u r e ，d e s i g na n dd e v e l o p m e n tm e t h o d , a s s e m b l ym o d e l i n g ，a s s e m b l ys e q u e n c ee x p r e s s i o n , a s s e m b l ys e q u e n c ep l a n n i n g i v 南京理工大学博士学位论文数字化预装配建模与序列规划技术的研究 缩略词表 a a b b 一a 】【i s - a l i g n e db o u n d i n g b o x ，轴向包容盒 a e a s s e m b l ye l o m o n t ，装配单元 a k d k a s s 蹦1 b l yk n o w l e d g ed i s c o v e r y ，装配知识发现 a m 一ag i l em a n u f a c t u r i n g ，敏捷制造 c a a - - - - c o m p u t e ra i d e da n a l y s i s ，计算机辅助分析 c a a p - - - - - c o m p u t e r a i d e d a 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 d - - - - - c o m p u t e r a 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 r a 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 n 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 c e - - - - - - c o n o u r r c n te n g i n e e d n g ，并行工程 c 蹦s - o n l p l m 玎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 ，计算机集成制造系统 c m o s a 一v i o p e ns y s t e m a r c h i t e c t u r e ，计算机集成制造开放式体系结构 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 m c 锄n to b j e c tm o d e l ，组件对象模型 c o r b a c o l i l m o no b j e c tr e q u e s tb r o k e ra r c h i t e c t u r e ，公共对象请求代理体系 c s c w - - - - - c o m p u t e r - s u p p o r t e dc o l l a b o r a t i v ew o r k 计算机支持的协同工作 d f a - d e s i g nf o ra s s e m b l y ，面向装配的设计 d g d i s p l a yg e o m e t r y ，显示几何 d p a s _ - d i 咖lp r e - a s s e m b l ys y s t e m ，数字化预装配系统 f m s _ _ f l e ，( i b l em a n u f a c t u r i n gs y s t e m ，柔性制造系统 m 班l 妇t e 孕耐d e f i n i t i o nm e t h o d ，集成定义方法 m 仁抽钯j l i g 锄c cm a n u f a c t u r i n g ，智能制造 i s o 山t 咖a t i o h 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 k d i 卜- x n o w l e d g cd i s c o v e r yi nd a t a b a s e ，数据库知识发现 i p _ _ ie a np r o d u c t i o n ，精益生产 n a b n o n a s s 即1 b l ye l e m 叫t ，虚拟装配单元 n d - n 啊堋f a lc o n t r o l ，数字控制 n i s t - 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 x ：h n o l o g y ，国家标准和技术研究所 n l 睡_ n e t w o r km a n u f 龇g ，网络化制造 n s f n a t i o n a ls c i e n c ef o u n d a t i o n ，美国国家科学基金会 o b 良0 r i e i i i c db o u n d i n gb o x ，方向包容盒 i x 缩略词表博士论文 x 0 g o 口e r a 矗o ng e o m e t r y ，操作几何 0 m g o b j e c tm a n a g e m e n tg r o u p ，对象管理集团 o p d b i e c t o r i e n t e d ，面向对象 0 0 a o b i e n o r i e n t e d a n a l y s i s ，面向对象的系统分析 o o n o b j e c t - o r i e n t e dd e s i g n ，面向对象的系统设计 0 0 p _ ) b j e c t - o r i e n t e dp r o g r a m ，面向对象的编程 o p e n g i o p c l lg 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 s a p s e q u e n c e k a n d k & n dp a r a l l e l s e q u e n c ep a r a l l e l ，顺序与与并行顷序并行 s n 4 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 ga s s o c i a t i o n ，斯坦福集成制造协会 s t a a 1 乙一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 f p r o d u c tm o d e ld a t a ，产品数据交换标准 v a d e m 巾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 a p p v m u a la s s e m b l yp r o c e s sp l a n n i n g ，虚拟装配工艺规划 v a s s _ 二v i m l a la 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 v d v a s v i 巾l 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 ，虚拟设计虚拟装配系统 v b j v j n l 坩le n t e r p r i s e ，虚拟企业 r d f ：a ，_ v in i l 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 沮二v i r h 】a 】m a n u f a c t u r i n g ，虚拟制造 v p i 卜m n i l a 】p r o d u c td e v e l o p m e n t ，虚拟产品开发 v r 二v i r t u a lr e a l i t y ，虚拟现实 v r m i - r n i a jr e f 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 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： 知。7 年于月日 ， 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部分或全部内容，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部分或全部内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名： 夕n 产月，日 南京理工大学博士学位论文数字化预装配建模与序列规划技术的研究 1绪论 产品开发是企业赢得市场竞争的关键，而产品的装配设计、装配规划与装配分析 是产品开发十分重要的环节【l - 1 。在现代工业生产制造中，装配是极其重要的环节。 装配操作平均占整个产品生产工作量的4 0 左右 t 2 q 6 l ，装配费用约占整个产品成本的 3 0 一5 0 【1 7 - 堋，装配质量的好坏直接关系到产品的功能、性能与质量。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设计、制造、维护、回收等全生命周期的多个方面，复杂产 品的装配设计牵涉多个学科的技术人员和企业各部门。为了提高产品装配设计的效率 与质量，使产品的装配取得一次性成功，需要在设计阶段就考虑制造、维护、回收等 各环节的要求。通过实施并行工程( c e ) ，在相应的数字化装配环境中，利用数字化装 配设计、规划与分析工具，对产品装配进行有效的设计、规划和分析，提前发现产品 设计中存在的问题，从而在设计阶段及时解决【1 9 - 2 0 。数字化预装配技术正是满足企业 这种需求的一种新型设计制造技术。 1 1 研究背景 2 0 世纪5 0 年代数控机床的发明标志着数字制造的出现【2 l - 2 2 1 ，经过半个多世纪的 发展，信息技术己逐渐渗透到制造业的各个领域，产生了大量数字化设计与制造工具， 如c a d 、c a m 、c a p p 、n c 、f m s 等，其中以数字化产品开发技术发展得尤为迅速。 信息技术在制造业各个单元领域的广泛使用提高了产品设计制造过程各环节的自动 化程度和效率。同时，随着信息技术应用领域的增加，以及产品设计制造过程各环节 相关领域信息化的独立发展，使得各环节之间的信息交换成为制造业信息化发展的瓶 颈，计算机集成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换创造 了条件。 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 d 讧s ) 开始得以实 施；8 0 年代末，以过程集成为核心的并行工程技术进一步提高了制造水平；从9 0 年 代至今，先进的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( j u d 、虚拟企业( v e ) 、智能制造( i m ) 、网络化制造( n m ) 、精益生产( l p ) 等众多新的制造理念与模式 6 - t l 】。大量先进制造理念和模式的提出不断冲击着企业的 传统制造模式。这些先进的制造模式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设计、制造的效率与质量，利 用信息集成技术把企业的各种制造资源和产品设计制造各环节集成起来，进行合理的 组织，使资源得到充分而有效的利用，使设计制造过程实现并行，为企业赢得更多的 1 绪论博士论文 效益。 目前，以计算机技术为基础的数字化设计与制造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 设计与制造活动；以数字化设计制造和信息集成为基础的并行工程已成为企业提升竞 争力的重要手段。 1 1 1 并行工程 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1 6 , 9 , 1 0 , 2 3 铡。这种 方式将产品开发过程分割成相对独立的阶段，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。为了解决传统 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 e 就是在 这样的背景下产生的。 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) 的系统化方法，这种方法要求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 2 3 - 2 5 1 。作 为一种组织、管理与运行企业的新方法、新哲理，并行工程与传统串行设计方法相比 有以下特点 3 , 9 j o ： 一体化、并行地进行产品开发，全面系统地考虑产品开发的所有内容： 十分重视“入”的作用，强调“人们”的协同工作，将开发人员分成小组； 以信息共享作为产品开发活动并行的前提和基础： 持续地改善产品及与产品相关的过程，减少无效环节，提高产品开发效率； 利用分析、仿真和虚拟现实技术力求一次性设计成功，减少开发过程的反复。 并行工程的实施需要计算机辅助技术和各种使能工具的支持，如计算机辅助设计 与制造( c a d c a m ) 、面向装配制造的设计( d f a d f m ) 、产品数据管理( p d m ) 、 计算机支持协同工作环境( c s c w ) 等。实施并行工程的关键之一就是为多学科设计 人员间的协同设计工作提供必要的技术支持。 并行工程的思想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， 产品开发过程的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，有必要研究和开发支持企业产 品开发过程重组的数字化产品开发系统与工具。， 并行工程在产品装配设计中的具体体现就是面向装配的设计d f a 。d f a 是在产 品设计过程中利用各种技术手段( 如规划、评价、仿真、分析等) 充分考虑产品的装 配环节以及与其相关各种因素的影响，在满足产品性能与功能前提下改进产品的装配 2 南京理工大学博士学位论文数字化预装配建模与序列规划技术的研究 设计，使设计出的产品是可以装配的，并尽可能降低装配成本和装配时间嗍。而数字 化预装配是d f a 的进一步发展，因此并行工程需要数字化预装配技术的支持。 1 1 2 数字化设计与制造 数字化设计与制造是将计算技术、图形技术、仿真技术、建模技术等现代信息技 术与设计制造技术结合而产生的交叉学科技术，是信息技术在制造业的重要应用。它 用信息技术对产品实际设计制造进行全面改造和提升，将传统的产品开发和制造在计 算机上进行模拟【2 7 l 。面向装配的数字化设计与制造技术是以三维c a d 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。 数字化设计制造与传统设计制造不同，它是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 , 2 4 1 。传统设计制造中许多定性的描述已不能适应数字化设计制造的应用 需要，须将其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，支持应用计算机技术对产品对 象和设计制造过程进行分析与仿真。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化、定量化与规则化，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；c a d 、c a m 、c a p p 、c a e 等数 字化设计制造系统已成为企业设计制造系统中不可缺少的组成部分圈。 鉴于上述特性，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，并且需要处理大量关于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，并且模型信息的结果和表述更加复杂。数字化设计 与制造实现的关键就是要解决被制造产品的数字化描述；产品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、转化、处理 及其保存等信息表达与处理方面的问题【翻。数字化设计与制造技术的发展为数字化预 装配技术提供了有力的工具和发展基础。 1 1 3 虚拟制造 近十几年来仿真与工程分析技术飞速发展，交互仿真技术向人们展示了工程分析 与仿真技术对复杂产品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【3 1 - 3 3 1 。随 着虚拟现实技术的发展，头盔显示器和数据手套等先进交互设备通过提供视觉、听觉 和触觉等多感官的直接交互，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。工程技术人员迫切希望使用虚拟现实技术对传 1 绪论博士论文 统数值式的设计与制造技术进行改造，为产品的设计、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，使得在设计阶段就可以分析设计产品的功能和性能 是否合理，对产品的可加工性和可装配性等各方面进行直观的了解、分析，保证一次 开发成功，从而减少甚至避免样机生产、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广泛关注，由于其潜在的优势，因 此得到了迅速的发展t 2 a - 3 5 。虚拟制造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、效率和质量。 虚拟制造与数字化设计制造相比，更强调的是实际制造在计算机上的“本质实现”【2 7 1 。 因此，虚拟制造被认为是加速新产品开发的有效手段和新一代数字化设计制造技术的 发展方向1 3 1 - 3 3 1 。 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，具有沉浸性、多交互手段、动态性、设计简便性等特点1 3 1 郴l ： 目前虚拟制造的应用主要有【3 1 3 8 4 0 】： 用于取代产品的物理原型进行试验验证的虚拟原型可视化； 虚拟环境与产品设计相结合的沉浸式设计环境； 在虚拟环境中实时进行零件装配规划与装配分析的虚拟装配。 虚拟制造背景下，面向装配的设计( d f a ) 的作用对象拓展为涵盖产品开发过程 中与装配相关的所有活动，集成化、并行化和虚拟化则是d f a 发展的主要趋势。因 此，虚拟装配是在并行工程和数字化设计制造技术的驱动下由d f a 发展而来的。虚 拟装配可以理解为虚拟产品开发( v p d ) 阶段的虚拟化的d f a l 3 。 1 1 4 数字化预装配 上述先进制造技术和理念的发展、应用为企业赢得市场竞争带来了新的活力，也 为企业产品开发带来了新的推动力。这种新动力在产品装配设计、规划与分析领域的 表现就是产品数字化装配技术，它是数字化设计制造和产品开发的重要内容，是实施 并行工程、敏捷制造和虚拟制造等先进生产方式的关键技术之一【4 l 】。 数字化预装配技术是利用现代计算机技术的成果，通过有效的产品数字化装配模 型全面地描述产品装配信息，将产品的装配状态与过程在计算机内进行虚拟实物复 现，并进行装配仿真、装配规划和装配质量性能验证等，以验证产品的可装配性，便 于及时发现产品装配设计和装配规划中的缺陷与错误，指导设计者进行改进1 1 9 2 0 】。 由于数字化预装配是对现实生产的