（航空宇航制造工程专业论文）cacd和nc编程关键技术研究及其基于web的实现.pdf

南京航空航天大学博士学位论文 摘要 本文的研究工作主要结合作者在南京航空航天大学c a d c a d d 工程研究中心攻 读博士学位期间参加的三项研究课题展开。这三项课题分别是：与美国u t c 公司的 国际合作项目“计算机辅助产品概念设计系统”，江苏省“九五”重大科技攻关项目 “计算机辅助数控编程及加工仿真系统”，江苏省青年科技基金“基于w e b 的c a d c 舢i 系统关键技术研究”。 研究了计算机辅助概念设计( c a c d ) 系统的实现方法和关键技术。在现代产品 没计方法学和人工智能技术的基础上，研究了种基于c b r 的c a c d 系统实现方法。 具体研究了概念设计实例的表示和推理技术。提出了一种的概念设计实例模型，将实 例区分为用户视图下的实例和数据库视图下的实例，从而提高了c a c d 系统生成产 品概念设计方案的能力和数据存储效率。提出将c b r 技术应用于设计评价过程，提 高了对概念设计结果评价的准确性和合理性。 对基于a c i s 几何平台的数控铣削编程系统的开发技术路线和相关算法进行了研 究。f 借助a c i s 提供的开发接口实现对些刀具轨迹生成算法的创新：提出了一种基 于g e i s 的环集合运算方法，该算法充分利用了a c i s 的功能，使算法实现过程大大 简化，并提高了算法效率；设计了一种加工区域识别算法，该算法可以识别出由存在 复杂嵌套关系的多个型腔环和岛屿环组成的零件几何模型中的待加工区域；提出了一 种实体精加工刀具轨迹生成算法，该算法可以自动计算出待加工零件在一个加工方向 卜所有的刀具轨迹，从而在某些情况下，大大方便数控编程人员完成n c 代码的生成。l 在上述两项课题研究成果的基础上，初步实现了个基于w e b 的c a c d 原型系 统和n c 铣削编程原型系统。将产品概念设计功能和数控编程功能作为网络服务提供 给使用者，对c a d c a m 技术的进一步发展进行了探索性研究。 关键诃：c 赢函，概念泛孬，c b r ，c a c v d , 数控锏骟程，a 0 函，w 吝备 一一 ， c a c d 和n c 编程关键技术研究及其基于w e b 的实现 一一 a b s t r a c t t h ea u t h o rh a st a k e n p a r ti nt h r e er e s e a r c h t a s k sd u r i n gh i sr e a d i n gf o rd o c t o r sd e g r e e i nt h ec a d c a mr e s e a r c hc e n t e ro fn 柚j i n gu n i v e r s i t yo f a e r o n a u t i c sa n da s t r o n a u t i c s t h e s et a s k sa r ea sf o l l o w i n g ：r e s e a r c ho nt h ec o m p u t e ra i d e dc o n c e p t u a ld e s i g ns y s t e m w h i c hi sa ni n t e r n a t i o n a lr e s e a r c hp r o j e c tw i t hu t c ，d e v e l o p m e n to f an c p r o g r a m m i n g a n dm i l l i n gs i m u l a t i o ns y s t e mw h i c hi so n eo ft h ek e yt e c h n o l o g i e sr & dp r o g r a mi nt h e 9 t hf i v e - y e a rp l a no fj i a n g s up r o v i n c ea n dt h ek e yt e c h n o l o g yr e s e a r c ho fw e b b a s e d c a d c a ms y s t e mw h i c hi ss u p p o r t e db yt h ep r o v i n c i a ls c i e n c ef u n df o rd i s t i n g u i s h e d y o u n g s c h o l a r s i nt h ei n t e r n a t i o n a l c o o p e r a t i v et a s k w i t hu t c ，t h ea u t h o rh a ss t u d i e dt h e k e y t e c h n o l o g yo fc o m p u t e ra i d e dc o n c e p t u a ld e s i g ni n c l u d i n gt h es y s t e m f r a m e w o r ka n dt h e d e t a i l d e v e l o p m e n tm e t h o d s b a s e d o nt h em o d e r np r o d u c td e s i g nm e t h o d o l o g ya n d a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e ，ac b r - b a s e ds y s t e mf r a m e w o r ki sb u i l tu p t h ec o r s ed e s c r i p t i o no f p r o d u c tc o n c e p t u a ld e s i g n a n dt h ec a s er e a s o n i n gp r o c e s sa r es t u d i e da m p l y i nt h i s d i s s e r t a t i o nan e wm o d e lo fc o n c e p t u a ld e s i g nc a s ei sp u tf o r w a r d a n dt h em o d e li s d i v i d e di n t ot w of o r m s ：t h ec a s em o d e l i nt h ev i e wo f u s e r sa n dt h ec a s em o d e l i n t h ev i e w o ft h ed a t a b a s e b yd o i n gs o ，t h e c a c ds y s t e mc a l le n h a n c et h ea b i l i t yo fm a k i n g c o n c e p t u a ld e s i g n sa n di n c r e a s et h ed a t as t o r ee f f i c i e n c y f o r t h ef i r s tt i m e ，t h ea u t h o rp u t s f o r w a r dt h ec b r b a s e d c o n c e p t u a ld e s i g n e v a l u a t i o n s y s t e m w h i c hc a nm a k et h e e v a l u a t i o no f c o n c e p t u a ld e s i g n m o r e e x a c t l ya n dr e a s o n a b l y ， i nt h er e s e a r c ht a s ks u p p o r t e db yt h ek e yt e c h n o l o g i e sr & dp r o g r a mi nt h e9 t h f i v e y e a rp l a no fj i a n g s up r o v i n c e ，t h es t u d yf o c u s e s o nt h en c m i l l i n gp r o g r a m m i n g s o f t w a r ed e v e l o p m e n tm e t h o da n dt h ec o r r e s p o n d i n ga l g o r i t h m so nt h eb a s i so fa c i sb y u s i n gt h ed e v e l o p m e n t i n t e r f a c e sp r o v i d e db ya c i s ，t h ea u t h o rh a sm a d es o m ei n n o v a t i o n t ot o o lp a t hg e n e r a t i o na l g o r i t h m s b a s e do na c i s ，an e ws e to p e r a t i o nm e t h o do fl o o p si s p r e s e n t e di nt h i sp a p e r t h i sa l g o r i t h m ，c o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a lo n e s , c a ns i m p l i f y t h ei m p l e m e n t a t i o na n di m p r o v et h ee f f i c i e n c y a n o t h e rn e wa l g o r i t h mi ss t u d i e db yt h e a u t h o r b ye s t a b l i s h i n gl o o p s g e o m e m e a lr e l a t i o n s h i p ，t h i sa l g o r i t h mc a na u t o m a t i c a l l y g e tt h em a c h i n i n ga r e a sa m o n gc o n t o u rl o o p sa n di s l a n dl o o p s f i n a l l y , a na l g o r i t h mf o r g e n e r a t i n gt h et o o lp a t ho f n c f i n i s hm a c h i n i n gb a s e do ns o l i dm o d e l si sp u tf o r w a r dt h i s a l g o r i t h mc a ng e n e r a t et h eo v e r a l lt o o lp a t ho f t h ew o r k p i e c ei no n ed i r e c t i o ni ns o m e c i r c u m s t a n c e s ，i tc a nh e l pt h en cp r o g r a m m e r f i n i s hh i sw o r k e a s i l y i i 南京航空航人人学博 学位论文 i nt h er e s e a r c ht a s ks u p p o s e db yt h ep r o v i n c i a ls c i e n c ef u n df o rd i s t i n g u i s h e dy o u n g s c h o l a r s ，aw e b b a s e dc a c da n dn cp r o g r a m m i n gp r o t o t y p es y s t e mi s e s t a b l i s h e d p r e l i m i n a r i l y b a s e do nt h ea b o v e m e n t i o n e dr e s e a r c h a c h i e v e m e n t s b y t h e i n t e m e t i n t r a n e tt h ef u n c t i o n so fc a c da n dn cp r o g r a m m i n ga r ec o n v e a e di n t on e t s e r v i c e s ，w h i c hw i l lc o n t r i b u t et of u r t h e rd e v e l o p m e n to f c a d c a m k e yw o r d s ：c a d c a m ，c o n c e p t u a ld e s i g n ，c b r ，c a c d ，n cp r o g r a m m i n g ，a c i s ，w e b 1 1 1 南京航空航犬人学博 “学位论文 1 1c a d c a m 技术 第一章绪论 计算机辅助设计( c o m p u t e r a i d e dd e s i g n ，c a d ) 是指工程技术人员在人和计算 机组成的系统中以计算机为辅助工具，完成产品的设计、分析、绘图等工作，并达到 提高产品设计质量、缩短产品开发周期、降低产品研制成本的目的【1 1 【3 l 。 计算机辅助制造( c o m p u t e r a i d e dm a n u f a c t u r e ，c a m ) 有广义和狭义两种定义。 广义定义一般是指利用计算机辅助完成从生产准备到产品制造整个过程的活动，包括 t ：艺过程设计、工装设计、n c 自动编程、生产作业计划、生产控制、质量控制等。 狭义的c a m 定义通常是指n c 加工程序自动编制，包括刀具轨迹的生成和规划、刀 位文件生成、刀具轨迹仿真及n c 代码生成等。目前，c a m 通常指的是其狭义意义 上的定义【j f 3 j 。 今天，c a d c a m 技术经过半个多世纪的发展，在理论、技术、系统和应用等方 面都有了长足的进步，已经成为实现产品设计制造自动化、增强企业竞争能力、加速 国民经济发展和国防现代化建设的一项重要高新技术。1 9 8 9 年美国国家工程科学院 将c a d c a m 技术评为当代( 1 9 6 4 - - 1 9 8 9 ) 十项最杰出的工程技术成就之一u 】【2 】口l 。 c a d c a m 技术伴随着计算机技术日新月异的发展而迅速成长，其发展和应用使传统 的产品设计方法与生产模式发生深刻的变化，产生了巨大的社会经济效益。它的应用 已成为发达国家制造业保持竞争优势、l 丌拓市场的重要技术手段，并有力地促进了全 球高新技术的发展和工业产品的迅速更新换代。 1 1 1c a d c a m 技术的发展历程 c a d 的建模技术经历了线架模型、曲面模型、多面体实体模型、基于精确实体 和参数化特征建模的发展过程。 早期的c a d 系统主要是二维绘图系统，利用几何体的棱线加上部分拓扑信息来 表示几何形体。 随着c a d 技术的发展，尤其是为了满足航空、汽车等工业领域产品设计的需求， f | 6 0 年代起，曲面造型成为c a d 和计算机图形学中最活跃、最关键的学科分支之一。 先后出现了c o o n s 曲面、b d z i e r 曲面、b 样条曲面等曲面描述方法。 随着实体造型技术的出现，实体模型在计算机内提供了对物体完整的几何和拓扑 定义，可以直接进行三维设计，在一个完整的几何模型上实现零件的消隐立体图的生 成、工程分析和数控加工编程等。实体造型的表示方法主要有：边界表示法( b r e p ， i c a c d 和n c 编程关键技术研究及其基于w e b 的实现 即b o u n d a r yr e p r e s e n t a t i o n ) 、体素构造法( c s g ，即c o n s t r u c t i v e s o l i dg e o m e t r y ) 、 八叉树表示法、半空间法、欧拉操作法、射线表示法等。 特征技术是c a d c a m 技术发展中的一个新里程碑，它是在c a d c a m 技术的发 展和应用达到一定水平，要求进一步提高生产组织的集成化、自动化程度的历史进程 中孕育成长起来的。曲面和实体造型都是着眼于完善产品的几何描述能力，而特征造 型则是着眼于更好地表达产品完整的技术和生产管理信息，为建立产品的集成信息 模型服务。 变量化技术是在参数化的基础上又作了进一步改进后提出的设计思想。变量化造 型的技术特点是保留了参数化技术基于特征、全数据相关、尺寸驱动设计修改的优点 但在约束定义方面做了根本性改变。变量化技术将参数化技术中所需定义的尺寸“参 数”进一步区分为形状约束和尺寸约束，而不是象参数化技术那样只用尺寸来约束全 部几何。除考虑几何约束( g e o m e t r yc o n s t r a i n t ) 之外，变量化设计还可以将工程关系作 为约束条件直接与几何方程联立求解，无须另建模型处理。 需要指出的是每一种建模技术都是以前面的建模方法为基础的，是对原有建模方 法的不足之处的改进和发展。 先进制造技术是直接影响一个国家综合实力和国际竞争力的重要因素，而c 柚技 术是先进制造技术的重要组成部分，是发展计算机集成制造技术和智能制造技术的主 体技术，是当今各种先进制造系统如精益生产、敏捷制造、虚拟制造、集成制造的基 础和前提条件，也是全球制造和下一代制造系统的基础技术。数控加工是c a d c a m 技术中最能明显发挥效益的生产环节之一。 早期的加工编程系统以5 0 年代末诞生的a p t 语言为代表i l ”。采用a p t 语言编 制数控程序具有程序简炼，走刀控制灵活等优点，使数控加工编程从面向机床指令的 “汇编语言”级，上升到面向几何元素的“高级语言”级。但a p t 仍有许多不便之 处：采用语言定义零件几何形状，难以描述复杂的几何形状，缺乏几何直观性；缺少 埘零件形状、刀具运动轨迹的直观图形显示和刀具轨迹的验证手段；难以和c a d 系 统及c a p p 系统有效连接，不易傲到自动化和集成化。 随着c a d 技术的发展，交互式图形编程技术已经成为目前c a m 技术的主流。 用户通过指定j j n t 零件，输入加工参数和工艺要求，c a m 软件可以直接根据几何模 型计算出相应的刀具轨迹，然后再根据具体的机床控制要求，进行后置处理获得n c 代码。交互式图形编程可以很好地实现和c a d 系统的集成，使用方便商效。 南京航空航天人学博p ，r 论文 1 1 2c a d c a m 技术的发展趋势 1 1 2 i智能化 c a d 技术的发展与应用已经使产品设计过程发生了革命f ! ：f ! 的变化，它为设计者提 f j lj ，哑订敏的分析、优化、仿真以及绘图手段，大大地提高了产鼎的设计效率拳l 设计 顷鞋“1 。化是传统的c a d 系统对产品设计活动的支持还是很有限的，对设计活动i l 嫩j 婚j 这，雌，目时也是对设计质量最具影响的产品概念方案设计，基夺卜不能提供有 效的艾持l 、i i 。c a d 技术的发展主要集中在进步完善产器的几何拓扑等信息的描 违 ：，包括零件模型和装配模型。但从辅助产品设计的角度丽言，c a d 系统不仅仪 前嘤提供描述产品模型的手段，而且要能够帮助设计人员进行些智能性的思维活 ，j j 。 、1 今c a d 系统的能力与生产实践需求的差跑相当明显，迫切要求c a d 向智能化 ，j 阳迈进。c a d 技术进一步发展的一个方向应该是建立能支持整个设计过程的辅助 没汁系统，也就是智能c a d 系统”1 。 】9 7 6 年电气工程师j l a t o m b e 首先提出人工智能在机械工程中的应用，揭丌了智 能c a d 的序幕。智能c a d ( i n t e l l i g e n tc o m p u t e r a i d e d d e s i g n ，i c a d ) 是一神新型 的、岛层次的计算机辅助设计方法与技术。它将人工智能( a i ) 理论与c a d 技术相 仑，使计算机具有支持人类专家的设计思维、推理决策及模拟人的思维方法与智能 亿勾的能力，从而把设计自动化推向更高层次。智能c a d 系统的目标是用矢f l 以及 其推理柬支持产品的概念设计、初步设计和详细设计等整个产品设计过程“1 。由此可 圮。实现c a d 的智能化涉及到产品设计过程的全过程在本文中将主要对产品的概 念设计的计算机智能辅助进行研究，也就是计算机辅助概念设计。 c a m 技术的智能化包括加工工艺参数的智能选择、刀其轨迹的智能计算等。数 控加工中加工工艺参数的正确选取对数控加工的效率和质量有重要的影响。在目前流 仃的数控加工自动编程系统中，数控加工切削参数大多采用交互输入的方法，由数控 加，编程人员根据实际加工情况确定，这对数控加工编程人员提出了很高的要求。为 了行效地提高数控加工的加工效率、降低生成成本、提高加工质量，通过对数控加工 切削二i 艺参数进行深入的研究，并利用网络和数据库技术实现数控加工切削工艺参数 数摁库与数控编程系统的集成，自动进行数控加工工艺参数的智能选取与设定。 从目前情况来看。进行智能c a d c a m 系统的_ 丌发，在技术上已经具备了良好的 基础。一方面人类从事机械产品设计与制造已有近二百年的历史，进行智能 c a d c a m 系统的开发，有大量的设计知识和经验可以利用：另一方面，人工智能技 术的发展也为实现智能c a d c a m 系统提供了坚实的基础。 c a c d 和n c 编程关键技术研究及其基于w e b 的实现 1 1 2 2 分布式网络化 i n t e r n e t 是当今最大的国际性计算机互联网络1 9 1 1 1 0 1 其应用领域之广早已大大超 出了人们的预料，它对人类社会的影响之深怎么评价都不会过分。i n t e r n e t 始于1 9 6 9 年，它起源于美国国防部高级研究计划署的a r p a n e t 网。七十年代末，由于局域网和 广域网的迅速发展使资源共享成为最迫切的要求。在a r p a n e t 发展的同时，其它组织 也都在建立各自的网络，其中最引入汴目的是美国国家科学基金会n s f 建立的美国国 家科学基础网( n s f n e t ) 。8 0 年代后别，n s f 建造了全美五大超级计算中心。随着美 国以外的网络系统的不断连入，使该网络最终成为一个覆盖全球的网络系统，这便是 今天的i n t e r n e t 。 1 9 8 9 年在日内瓦欧洲基本粒子物理实验室( c e r n ) 工作的t i mb e r n e r s - l e e 提出 rw e b 原理。1 9 9 3 年伊利诺依大学的编程人员开发出第一个用于w e b 浏览的图形浏 览器软件m o s a i c ，成为w e b 技术发展的里程碑。随后n e t s c a p e 公司和m i c r o s o f t 公 司相继推出了各自的测览器产品，极丈地推动了w e b 技术的发展。正是由于w e b 和浏 览器技术的长足发展，使i n t e r n e t 在全球获得迅速地普及。如今w e b 浏览器已成为 i n t e r n e t 所有应用中最流行的客户软 ， ，目前在全球市场上应用最多的w e b 浏览器 产品有n e t s c a p e 公司的n a v i g a t o r 和m i c r o s o f t 公司的i n t e r n e te x p l o r e r w e b 技术使得跨i n t e m e t 的信息共享成为可能，遍布全世界的使用者可以通过浏 览器透明地访问网络上的信息资源，其信息流动的成本比以前大大降低，其信息流动 的效率大大提高。 i n t e r n e t 和分布式软件开发技术的发展使软件系统的使用方式发生了改变。 i n t e r n e t 提供了一个服务平台，这个服务平台上有各种各样的服务软件。当人们需 要使用某个软件的时候，只需要支付比购买相应的软件要少得多的费用，就可以通过 i n t e r n e t 获得相应的服务。 在互联网的迅速普及、分布式计算技术和w e b 技术迅速发展的基础上，传统的产 品设计、制造模式发生了深刻的变革。面对市场机遇，为了高速、优质、低成本地开 发某一新产品，具有不同知识特点、技术特点和资源优势的一批企业围绕新产品对知 识技术和资源的需求，借助计算机网络实现跨地区跨国家的企业问的动态联盟，实现 动态集成，使得该新产品所需的知识、技术和资源能迅速集结和运筹，从丽能迅速开 发出新产品，响应市场需求，赢得竞争。 基于i n t e r n e t i n t r a n e t 的产品设计与制造已经成为企业的重要发展趋势 c a d c a m 技术也需要顺应这一潮流“”“”。将c a d c a m 系统的功能作为服务项目配置在 i n t e r n e t ( 或i n t r a n e t ) 上，得到授权的用户可以使用这些功能。这是贯穿全文的 一个基本观点，在后面的讨论中主要研究了将计算机辅助概念设计和数控加工编程功 能变成配鬻在i n t e r n e t i n t r a n e t 上的服务，用户通过浏览器可以获得相应的服务。 d 南京航空航犬人学礴十学位论文 这是对c a d c a m 软件体系结构和使用方式的一种探索，为c a d c a m 技术的进一步发展 竹：些基础性研究。 服务使用者 j j l 务摊供者搬务撵供者 图1 - li n t e r n e t 平台上的软件服务模式 需要指出的是，c a d 纪a m 系统的发展趋势还包括了协同化、集成化等。在这里 10 列举了智能化和分布式网络化，这是因为本文的讨论主要围绕这两个方面展丌。 1 2 本文的课题来源和主要研究内容 1 2 1 课题来源 南京航空航天大学c a d c a m 工程研究中心长期从事c a d ，c a m 技术研究和系统 软件开发工作，并取得了大量科研成果。本文作者在工程研究中心攻读博士学位期间 参加了多项c a d c a m 技术的课题研究工作，课题名称和承担的研究内容如表l 一1 。 袭l l 中第一项课题“计算机辅助产品概念设计系统”和第二项课题“计算机 辅助数控编程及加工仿真系统”的技术研究和软件开发工作已完成并通过相关部门的 验收，第三项课题“基于w e b 的c a d c a m 系统关键技术研究”研究工作正在进行中。 在本文后面的讨论中将围绕这三个课题的研究工作进行讨论。 在这些课题的研究工作。体现了c a d c a m 系统的的智能化和分布网络化的发展 趋势，在本文中所讨论的技术将为开发能够满足现代企业需求的c a d c a m 系统打 下一定的基础。 c a c d 和n c 编程关键技术研究及其基于w e b 的实现 表l l 编号课题名称作者在课题中的主要研究内容 1 美国联合技术公司( u t c ) 的国际研究了计算机辅助产品概念设计的实现方法和 技术合作项目“计算机辅助产品概相关关键技术。 念设计系统” 2 江苏省“九五”重大科技攻关项目研究基于a c i s 几何平台的数控加工刀具轨迹 “计算机辅助数控编程及加工仿真生成算法并参加了s u p c r m 2 0 0 0c a d ，c a m 系统”系统中的数控编程部分的软件开发 3 江苏省青年科技基金“基于w e b 的对计算机辅助概念设计系统和数控编程系统基 ( a i ) j c a m 系统关键技术研究”于w e b 的实现进行研究并开发了相应的原型 系统 1 2 2 主要研究内容 研究了汁算机辅助产品概念设计系统的实现方法，在人工智能和现代设计方法学 的基础上提出并建立了以实例推理( c b r ) 为基础的计算机辅助产品概念设计 ( c a c d ) 原型系统框架。 对基于c b r 技术的c a c d 系统的关键技术进行了研究。提出了一种概念设计实 例表达的逻辑模型，并用关系数据库作为实例的存储载体和推理工具。对产品概 念设计实例的检索、修改和评价进彳亍了研究，并提出了相应的解决方法和实现思 路。 对基于a c i s 的数控铣削编程系统的开发技术路线进行了探讨。研究了基于a c i s 平台的两轴数控铣削加工编程和三轴数控铣削加工编程中的关键算法，并在a c i s 基础上对部分算法进行了创新，包括加工区域识别算法，环的集合算法和实体精 加工算法。 研究了基于w e b 的c a c d 系统和n c 编程系统关键开发技术，包括a c t i v e x 技 术、a s p 技术，数据库技术等，并初步实现了一个基于w e b 的c a c d 原型系统 和in c 铣削编程原型系统。 1 3 计算机辅助产品概念设计 计算机辅助产品概念设计( c o m p u t e r a i d e dc o n c e p 叫d e s i g n c a c d ) 是用 计算机来辅助设计人员完成产品的概念设计。据统计，设计本身所占的费用仅占产品 总成本的5 左右，但产品的成本中约有7 5 是在设计过程中决定的。而概念设计又 是产品设计过程中的关键性阶段，对产品设计质量、创新性、研制成本等都起着决定 性的作用( 1 4 1 1 1 8 】。 目前的c a d 设计系统一般不具备对产品的概念设计支持的能力，这就需要种 南京航空航天人学博卜学位论文 町支持产品创新设计的计算机辅助概念设计系统，以适应日益加快的新产品丌发要 求。当前，计算机辅助概念设计日益引起人们的广泛关注和重说，开发一种符合 产品设计人员概念设计思维过程的、能够实现辅助产品概念设计及决策的、高效率的 c a c d 系统成为一种必然的趋势，具有极其重要的实际意义。 人工智能技术被认为是实现c a c d 系统一个有效途径。基于规则的专家设计系 统，已经在一些设计领域得到了应用。但用基于规则推理的专家系统来辅助设计人员 进行概念设计尚存在很多问题，关键原因在于产品概念设计方案不是漫计专家通过规 则推理来形成的，而是他们对脑海中大量的、在实践中积累形成设计经验的综合作用 结果。寻找一个符合i 殳计专家思维方式的知识推理过程就成为实现c a c d 系统的关 键。本文通过将基于实例的推理( c b r ) 技术引入到概念设汁的计竹机辅助系统中， 从而实现对产品概念设计的智能辅助。 1 4 数控加工编程 数控加工可以保证制造出的零件具有很高的加工精度和稳定的加工质量，而且加 i i ：过程容易实现自动化，生产效率高，生产准备周期短，可以大量节钉专用工艺装备， 能够很好地满足目前企业对产品快速更新换代的需要。数控加工是通过数控机床来实 现的，而n c 代码是驱动数控机床正确完成加工任务的指令集合。n c 代码是对刀具轨 迹进行后置处理后得到的。刀具轨迹根据待加工零件的几何模型和加工工艺参数计算 获得。因此，在数控加工编程系统的丌发中，刀具轨迹的生成是其叶l 馈重要的工作之 。刀具轨迹的计算方法根据不同的加工方式而不同。目前，主要的数控加工方式包 括两轴型腔加工、两轴轮廓加工、三轴曲面粗加工、三轴曲面柑加工和多轴复杂零件 d 工。 南京航空航天大学c a d c a m 工程研究中心在a c l s 几何平台上开发了 5 u p e r m a n 2 0 0 0 c m ) c a m 软件系统，该系统包括了几何造型和2 3 轴数控铣削加工编 程功能。在开发过程中遇到了如何在a c i s 这样一个主要面向几何造型的平台上丌发 实现数控编程功能的闾题。正确的开发技术路线对保证歼发过程的商效和高质量具有 莺要意义的。a c i s 的功能强大，充分利用a c i s 的丌发接口实现刀具轨迹生成算法的 创新也是可能和必要的。 】5 基于w e b 的c a c d 系统和n c 铣削编程系统 产品概念设计和零件的数控加工编程是产品丌发与制造过程中的两个重要环节， 在w e b 技术的支持下c a c d 系统和n c 铣削编程系统都可以看成是分布在网络上面 向制造企业的服务，从而为实现设计制造体系的动态联盟和满足全球化制造的发展需 求打下基础。基于w e b 的c a c d 系统和n c 铣削编程系统具有以下的一些优点： 7 c a c d 和n c 编程关键技术研究及其基jw e b 的实现 1 有助于提高广大中小企业的设计水平和设计效率 我困确许多产品，其设计至今还停留在上个世纪4 0 5 0 年代的水平，性能差， 成本岛，远远不能满足现代社会的要求。从生产需要和国内外市场竞争考虑，设计更 多的新型优质产品是当务之急。同时我国产品设计的周期长，效率不高。据对“八五” i “j 问开发成功的2 3 6 1 种主要新产品的调查表明，产品的平均开发周期为l8 个月。这 n ：很夫程度上和产品概念的设计质量有密切关系。 产品的概念设计般要求设计人员具备较高的技术水平和创新能力。而我国目前 产。恼的技术含量不高，缺乏市场竞争力的个重要因素就是因为很多企业( 特别是一 此中小企业) 在进行产品概念设计的时候没有个高素质的设计队伍。这些企业由于 择种因素的影响，往往没有能力培养和拥有这样一支队伍。 基于w e b 的c a c d 系统就为上述问题的解决提供了一个途径：以c a c d 系统为 核心构建一个概念设计服务中心，它借助i n t e r n e t i n t r a n e t 接受被服务对象( 企业) 的 【r j k ，”通过交互，最终返回给被服务对象( 企业) 一个概念设计方案，设计人员可 咀化这个力案的基础上进一步完成设计工作。 2 可以提高c a c d 系统本身的设计能力 计算机辅助概念设计系统是个人工智能系统，其知识库的容量对概念设计的质 量起着重要的作用。当用户完成个概念设计后，将结果返回给c a c d 系统，系统 经过处理后可以将概念设计以知识的形式保存到知识库中。基于w e b 的概念设计系 统可以方便地将广阔地域内的，多领域的各种优秀概念设计结果吸取过来，从而不断 提高系统的概念设计水平。而且，多个企业之间可以通过相互共享其知识库来实现快 速提高其设计水平的目的。 3 降低企业的经营成本 数控加工编程软件，特别是高级数控加工编程软件往往其价格不菲。对于一些小 型制造企业而言，购买一套数控加工编程软件是一个较重的负担。基于w e b 的数控 加】：编程将软件的所有权转换为软件的使用权，从而降低了企业的经营成本。而且网 络服务不仅仅局限于n c 编程功能上，还可以提供其它相关的技术咨询。 4 简化了软件维护工作 c a c d 系统和数控编程系统的软件维护工作将主要由服务的提供者来完成。服务 的使用者不必自己来完成软件系统版本的升级。缺陷的更改，可以全力集中在产品概 念设计和数控加工编程上。服务的提供者可以通过服务使用者的反馈信息确定当前服 务的_ i 足之处，为进一步改进软件提供依据。 总之，随着w e b 技术引入传统的c a d c m ，将给c a d c a m 技术注入新的活力，是 个极富有发展前途的研究和应用方向。 南京航空航天人学博十学位论文 1 6 论文组织结构 第一章绪论 第。章计算机辅助概念改计系 统实现方法研究 第二章基t c b r 的c a c d 系统 关键技术研究 第四章基于a c i s 的数控铣削 编程软件实现技术路线 第五章基丁a c i s 的数控铣削 编程关键算法研究 第八章基1 。w e b 的c a c d 系统和 n c 铣削编稃系统实现技术研究 第七章总结o 展望 幽1 2 本文章1 y 结构示意图 论文共分七章，其总体结构如图1 2 。 第一章绪论。在简要回顾了c a d c a m 技术的发展历程之后，指出了智能 化和分布网络化是c a d c a m 技术进一步发展的两个重要趋势。概念设计是 产品设计过程中的关键，实现概念设计的智能化辅助具有重要意义；数控加 工是最能体现c a d c a m 效益的一个环节，而刀具轨迹的生成算法是数控加 工的关键之一。将产品的概念设计和数控铣削编程转变成面向企业的、基于 w e b 的服务，企业通过i n t e m e t i n t r a n e t 获得这些服务。 第二章计算机辅助概念设计系统实现方法研究。在本章中探讨了c a c d 系 统的功能需求。讨论了实现c a c d 系统所需的现代产品设计方法学和人工智 能技术。论述了c b r 用于辅助产品概念设计的技术优势。 第三章基于c b r 的c a c d 系统关键技术研究。对基于c b r 的c a c d 系 统开发中的关键技术：概念设计实例的表示、存储和检索、评价和修改进行 了具体研究，并通过数据流图建立了系统的逻辑框架模型。 第四章基于a c i s 的数控铣削编程软件实现技术路线。讨论了a c i s 的主 要功能，开发接口和几何拓扑关系。提出了在a c i s 几何平台上开发数控铣削 编程软件的实现技术路线。 第五章基于a c i s 的数控铣削编程关键算法研究。在本章中对基于a c i s 9 c a c d 和n c 编程关键技术研究及其基于w e b 的实现 1 0 的两轴和三轴数控铣削刀具轨迹生成的相关算法实现进行了研究。借助a c i s 提供的功能对些数控加工算法进行了创新与改造。 第六章基于w e b 的c a c d 系统和n c 铣削编程系统的实现技术研究。在 这一章中研究了c a c d 系统和n c 铣削编程功能在w e b 上的实现技术，包括 a s p ，s q l 和a e t i v c x 技术，并初步实现了相应的原型系统。 第七章总结与展望。在对全文研究内容总结的基础上，对基于w e b 的 c a c d 系统和n c 铣削编程系统进一步发展有待解决的问题进行了探讨。 南京航守航_ 夫人学博七| 学位论文 第二章计算机辅助概念设计系统实现方法研究 实现对产品概念设计的计算机辅助，需要在人工智能和产品设计方法学的研究成 果相结合的基础上进行。人工智能技术主要研究知识的表示和知识的运用。为了将人 r 智能技术应用于产品的概念设计中，就必须对产品概念设计本身进行分析和研究， d 能建立合理的知识表达模式和知以推理机制。现代产品设计方法学中有关产品概念 设计的研究成果可以指导设计人员通过一个规范的过程进行概念设计，这也为开发计 锋机辅助概念设计系统提供了一个科学的原型。 创新性和快速性是概念设计中的两个关键要求，在本章中首先分析了计算机辅助 概念设计( c a c d ) 系统为满足这两个需求而应具备的功能。然后讨论了产品概念设 i t 的般过程，回顾了人工智能的相关技术，对以规则推理为基础的智能设计系统进 fj _ r 研究，指出它在支持产品概念设计过程中的欠缺之处。最后研究了基于实例推理 c f i r 技术，分析其应用于计算机辅助产， 概念设计的可行性。 2 1 支持创新产品概念设计的c a c d 系统 在激烈的市场竞争中企业得以生存的根本是企业的创新能力1 4 6 1 。创新能力被认为 是企业活力和利润的源泉。对于一个企业而言，拥有持续创新能力，就具备了发展知 u 经济的巨大潜力；缺乏创新能力的企业，将失去知识经济带来的机遇。 企业创新能力的关键要索之一是能否实现产品创新设计。创新设计是指充分发挥 设计者的创造力，利用人类已有的相关科学技术成果( 含理论、方法、技术、原理等) ， 进行创新构思，设计出具有新颖性、创造性及实用性的机构或产品( 装置) 的一种生 产+ 实践活动。 创新设计具备以下特点1 2 。i ： 1 设计工作中涉及多学科知识的综合使用。如机械、液压、电力、气动、热力、 电了：、光电、电磁及控制等多种学科的交叉、渗透与融合。 2 设计过程中相当部分工作具有非数据表示的、非计算性的特点，必须依靠在 矢以和经验积累基础上通过思考、推理、判断，以及创造性发散思维( 灵感、形象的 突发性思维) 相结合的途径来完成。 3 创新设计结果应尽可能在较多方案中优选出来的。 由于概念设计在产品设计中处于关键地位，产品是否具备创新性很大程度上是由 其概念方案的创新性决定的。需要指出的是：实现概念方案设计创新的关键是高素质 的、富有创新精神的设计人员【4 5 i 。但借助c a c d 系统能够更好地支持设计人员的创 新思维，这也是c a c d 系统的设计目标和出发点。 c a c d 和】n c 编w 关锉技术计究 乏j 肚w e b 的实j 见 表2 1 人与计算机的能力对比 人计算机 辑思维能力有很强的设计想象能力和逻只能进行程式化的推理和判 辑判断能力，能够凭借经验进断 行创造性设计 息的组织记忆存储能力信息的组织是自觉的，但不正信息的组织是正规的、详细 规；信息记忆保持的时间短，的，存储时间长，容量大 容量较小 怍j 适应能力当工作时间较长以后效率下 适合于进行重复性的工作，可 降易疲劳和出差错 长期保持高效率般不出错 农2 一 是人与计算机的能力对比。借助汁算机的大容量存贮能力和不易出错的 f 凡舟，j 以增强人在此方面的能力。通过设计人员和c a c d 系统的相辅相成，更好 地发 4 ：设人员的在产品设计中的主观能动性和创新能力，这是进行汁算机辅助创新 幅念设的有效途径。 支持创新设计的c a c d 系统必须具备以卜功能： 1 ，创新设计思想来源于大量的已有知识经验和最新科技成果中，c a c d 系统必 ；口l 疑矫存贮和帮助设