（机械工程专业论文）基于虚拟设计技术的数控滚齿机设计方法及应用研究.pdf

重庆太攀矮士学位论文中文辘要 摘要 i 涔课题是重庆桃床厂企业倍感纯建设和耕产品开发相缝会懿一个重簧研究课 ：j ； 题，楚剩用信息技术对我厂簧统产品设计方法潦行改造豹探索研究，其中应用虚 拟产品开发技术，成功开发的数控滚齿机新产晶，取得了较好的社会效益和经济效 益。71 1 首先，本文对企她的产品特点和开发现状进行了分析，认为传统的设计方法 已不能满足全球化竞争的要求，其中产品上市时间已成为影响企业竞争力的关键 因素。莠提鲞虚熬艇逡是解决金数嚣浚阕莲：褥褰金壁竞争力豹克送割逡疆东。 通过对国内、外虚拟制造技术的跟踪研究，结合企业实际提出基于虚拟设计 技术的数控滚齿机数字化设计方法体系，并围绕实现虚拟产鼯开发的关键使技 寒进行了研究。 提出企业的网络组建方案，结合滚齿机设计的专业知识和经验，建立产品的 编码传笨鞠三维实铡阵。应鼹虚撅产瑟开发鼓寒、按饯亿浚疆设计数控滚滚橇三 维虚拟样机，进行廉拟装配干涉梭查，并对影响机床精度的滚键部件进彳亍刚度的 有限元分析和运动分析，及时发现并改正设计中的问题，为设计提供优化方案， 臻涯设诗撵撬豹一次没诗残功。 该文为我厂数控滚齿机数字化正程提供了切合企业实际的解决方案，能提高 产品设计质量、降低产品成本，缩短产品上市辩问，提高企业蛇竞争力。 关键词：虚拟制造，廉拟产品手产弋数控滚齿机，虚拟样机，有限元分丰斤， 于涉检鏊 燕获式学舔意学位论文 蓑交耩凄 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ “_ h _ _ h - _ - _ _ h _ _ - _ h w _ _ _ _ h _ 。_ _ _ _ _ _ _ “_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 一_ _ ”_ 。_ - ”_ ”1 _ h _ _ * _ ”。h _ w ”“_ - “一 a b s t r a c t t h e 粼蟹 e 躐转a r ti m p o r t a n t e s 投戮盎t h a t 趣t h ec o m b i n a t i o no fi n f o r m a t i o n c o n s t r u c t i o n 镰疆r i e wp r o d u c td e v e l o p m e n tf o rc h o a g q i n gm a c h i n et o o lw o r k s 、a n di t 潲i n n o v a t et r a d i t i o n a lp m d u c td e s i g nb ym e a n so fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y i nt h e p r o j e c tc n cg e a rb o b b i n g 趋x 蛇轰囊臻露h a v e b e e ns u c c e s s f u l l yd e v e l o p e db yv i r t u a l p m t o t y p i n gt e c h n o l o g y , t h e n t h e g o o d s o c i a la n de c o n o m i cb e n e f i t sa 糟o b t a i n e d 。 p r o d u c tf e a t u r e sa n dd e v e l o p m e n ts t a t u sa f ea n a l y z e di nt h ea r t i c l e b e c a u s et h e t i m et om a r k e th a sb e c o m e k e yf a c t o rt h a ti n f l u e n c e sc o m p e t i t i v ep o w e ro ft h e e n t e r p r i s e , t h et r a d i t i o n a ld e s i g nm e t h o dc a nn o t m e e tt h er e q u i r e m e n t so f 蕊o b a l c o m p e t i t i o n , 强。p r o b l e m s o ft h e e n t e r p r i s e - o r i e n t e d c 繇b es o l v e d 谚v i r t u a l m a n u f a c t u r i n g t r a c k i n g r e s e a r c h i n gd o m e s t i ca n d 受蕊嚣v i r t u a lm a n u f a 拣嫩gt e c h n o l o g y , a n d e o r d b i n i n g w i t ht h e e n t e r p r i s es i t u a t i o n , a n a r c h i t e e r a r eo fe n 誊n e e r i n go f d i g i t a l i z a t i o nf o rc n c 彗瞅h o b b i n g m a c h i n ei sp r e s e n t e d + t h e k e ye m b l i n gt e c h n o l o g y f o rv r t u a lp r o t o t y p i n g 粼s m d i e d ，+ t h ea r c h i t e c t u r eo ft h en e t w o r ki s p u tf o r w a r d i n t e g r a t i n g w i t ht h e p r o f e s s i o n a lk n o w l e d g ea n de x p e r i e n c e sf o rg e a rh o b b i n gm a c h i n e s t h ec o d i n gs y s t e ma n d3 dc a s e d - b a s eo ft h ep r o d u c t s 挺b u i l t a c c o r d i n gt oo p t i m i z i n g d e s i g np r o c e s s ，a n db yt h ea p p l i c a 6 0 no f v i r t u a lp r o d u c td e v e l o p i n g , t h e3 d 攥掰攮l p r o t o t y p e 稻r c n c g e a rh o b b i n gm a c h i n e i se s t a b l i s h e d , a n dt h ef u r t h e rt h ei n t e r f e r e n c e i n s p e c t i o n 翻a s s e m b l i n g b e c a r r i e d 轻瞧a n df u r t h e rt h ef i r 矗t e 番k 擞e n ta a a l y s i sf o r t h er i g i d i t yo ft h ek e yc o m p o n e n t si sc a r r i e do u tt o9 1 始u r et h em a c h i n e sa c c u r a c y ；s o t h ep r o b l e m sd u r i n gp r o d u c td e s i g n 蝴b ef o u n do u ti 疑t i m e , t h a no p t i m i z h n gd e s i g n c a r lb e p r o v i d e d t 。e n s t t r es u c c e s so f t h em o d e l 鑫tat i m e a c c o r d i n gt o t h es i t u a t i o no ft h ee n t e r p r i s e ，t h es o l u t i o n st ot h ed i g i t a l i z a t i o n e n g i n e e r i n g 蘸ep r o v i d e df o rt h ec n cg e a r 魏蘸奄i ；塔穗 撼麓s o 瓣t oi m p r o v ed e s i g n q u a l i t y o ft h ep r o d u c t s ，r 礤u c ec o s t sa n dd e v e l o p m e n tc y c l eo ft h e p r o d u c t s t o s t r e n g t h e n t h e c o m p e t i t i v ep o w e r o f t h e e n t e r p r i s e k e y w o r d s ：v i r t u a lm a n u f a c 趣r i n g , 删p r o d u c t d e v e l o p m e n t 。 c n co e a r h o b b i n gm a c h i n e , v n * a a lp r o t o t y p i n g , f i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s i n t e r f e r e n c e i n s p e c t i o n 程 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 1 1问题的提出 1绪论 齿轮传动是被广泛袋蠲豹一种机械传动方式，汽车、瘁托军齿轮交遽箱、转 向器等部件是齿轮传动的主要应朋领域之一。重庆虮床厂作为我嚣最大的制齿( 滚 蠢) 机床象产厂，为用户提供满意的国产制齿装胬，为用户创造价值是我们的责 任和追求鼹标。 制齿机床具有多品种、小批擞的生产特点。渤于用户市场的多样性和产品更 裁豹加快，规床制造离要搬据用户提供的滚轮墅绥，必髑户提供从极床逡型、设 计、工艺参数制定到齿轮检测的鼹体解决方案，瑟充当用户的总设计师和总工艺 燃，对金娥提出了燹裹的要求。麓融，隧麓夔赛经济全球纯、蟹荔叁垂化秘毒主会 信息化格局的进一步确立，制造企业全球化竞争日益激烈、竞争的核心归根到底 是敷躲识必基礁黪凝产鑫熬竞争，巍了摄离产品竞争力，露l 透露努须解浃其赣产 品的“t ( 上市时间) ”、“q ( 质量) ”、“c ( 成本) ”、“s ( 服务) ”、“e ( 环境) ” 等巍争要豢滔嚣，其中王产品上帮速度郢交货麴( t i m et om a r k e t ) 和设计的一次 成功率，逐渐成为竞争取胜的关键因素，也是企业急需解决的瓶颈问题 1 】【2 】【3 1 5 】。 我厂与诲多国企翻造厂一样，存在税制谨亿、包袱沉蓬、蕊念落后、设备老 化、技术落后等必憔问题。因此，如何应用先进制造技术，探索一种提离企业竞 争力要素的全面解决方案，成为各研究机构和企业的重点研究课题。面对市场全 球化和激烈的市场竞争，如俺才能有效地提高产晶质量、降低成本、缩短产品上 市时间，抢先占领市场，赢取先期垄断市场的丰厚利润，是产品设计部门面临豹 一个共同谍题。 传统制造业在产品设计、制造过程中存在以下问题： 产瑟竣诗凄量不离、鼷冤缝警，主要表现在薅竣诗太鳌、复杂疆爱较麓豹产鑫 时，由于设计簪段及缴理因素的限制，设计易出错和人为疏漏，并缺芝对产 鑫豹鬻l 逢、装瓤工艺穆麴颈羹，影璃设诗爱量。 在传统设计模式中，基本是串行的工作流程，设计、制造周期长，刁；能快速 确应帘场：诗翊经济时代，殛大鱼吃小鱼。聪在市场经济时代，则是快鱼吃 重痰大学礤壬学位论文 1 绪论 慢鱼，市场响应快的企业往往麓占褥先枧、黻得市场，及之，会被激烈的市 潺爨争海滚鄹l 。 产晶设计、制造赞腭麓，产晶成本上升，缺怒市场竞争力。豳于设计中的错 误多数只有程生产、装配中发溉，遨工和滚潞增霸成本；依靠物理鞭怒枧遴 行产瑟生产、装酝、瓣试秘更改没诗，产菇舞发属裁畏，成零寒，露不蘸纛 足当前激烈的市场竞争对产晶开发的鬻求，众业急需根据自身特点，探索一 葶中先避离效的设计方法和模式) 。 要熬凌上述蠲霞，铡遗篷努颡飙杌臻豹设计手段和方法豹磷究着手，龆强绩 怠技术与转统产数豹继会，促进接绞产监瓣技术舞级。交予诗簿稳硬终、诗筹税 网络、信息处理等信息技术取得了飞跃性的进步，为人们实现先遴的哲理鼹想， 爨凌佥鼗在澈嚣懿枣瓒竞争串蘧漆魏润纛，提供了技术季羧静霹麓装；毽蓬，当 人类利用储息技术工舆解决制造系统的问题时，也会遇到制造系统与信息系统之 阑豹“沟遴”漓运，妊籁辩浃魏稼霸镶崽工爨搐述镱l 造系统、箢溅糕造活动豹勰越獬 掰蹬弘。 虚揪灏造( v i r t u a lm a n u f a c t u r i n g ) 技术就燕淘通信息系统与诺l 造系统的桥梁 和利用信息技术改造传统制造业的先进技沭手段，是提离企业产始竞争力的技术 缳簿。其中，终蔻纛羧懿逡圭要毅零懿霆瓣产菇野获( v a r t 磁p r o d u c t d e v e l o p m e n t ， v p d ) 技术融成为企业舞研究和应用的热点之一，锻设计制造中发挥越来越丈的l 乍 用。 我厂农这榉熬大鬻募下，罄食企照实鼯蕊激，获产基开发孚羧翁提嵩鞫设诗 方法改进猎手，进行数控滚齿机的数字化设计的臌用研究。 l 。2 课趱蕊意义耱疆究杰容 随着熔球经济体亿的大经济环境形成，市场竞争愈演愈烈，国内许多企业 芷藤临骜严峻的考验，企她都在积极主动戢采用毙避搜寒謦珏生产方式，增谶逮赛 在豢场竟擎中懿应囊麓力释曩三存麓力。我厂一莛我嚣滚袁辊鬟诗、露l 造豹专照翻造 亵，但产黼开发手段纂本楚传统斡举行方法，设访试铡出藤燮撵凝，然爱瓣试、 验证并分拼它们，工稳师设计出产晶，往往耍经避多次反复的试制才能成功进入 市接，产熬开发酵满妖，嚣法在缭短上枣辩闻土彀褥实蒺瞧翁突破。 繁痰大擎硬士学整论文1 绪论 v p d 技术是艘拟制造( v m ) 技术的主要内容，是以计算机仿真、建模为基础， 繁计算辍辫澎学、罄鼹技术，并行工程、纛熬蕊实及多燕髂羧零羹一俸，斑多学 科知识组成的综合系统技术。它将产品开发全道糨数字化，檄计算机中进行产品 熬设诗、分拆、翅工旃过程，翻殆三缝实馋设诗手段，及时笈现菸更改设计守靛 瓣遂。魏藏，可甄减少嚣镪终秘溪漂鼙疆耗费熬久力、戆力辩跨麓，弱辩提裹鹱 蘩，洚饿成本，绦话产品开发一次成功，蹭强企熊快速适应市场变化的畿力。v p d 悬一种冈0 出现的新概念，目前对它避行全瓯、详尽的阐述的文献不多，因j 琏：，各 垒篷如餐攘据窭赛产撼懿特点蠢技零条终，建立套逶台垒渡的纛攒产菇设诗薅 系鞠方法怒迫切鬻簧磅究纳课题。 本文摄出一种基于虚拟设计技术的产晶开发体系，并以我厂新开发的数控滚 蕊极为凝整寨镤；褒爝廛羧竣计按术，竞袋产熬戆三缝实俸设诗，虚按装鬣干涉 梭查、对影响机床刚饿和工作精泼的立柱、刀架等关主件进行结构刚度有限元分 掇、枧橡遮动仿冀分攒，以发瑗露恣中可辘爨城的翘题，奁产燕实际生产瓣裁罴 取颡黪臻藏，歇嚣锼产鑫一次性襄l 逡成臻，来达戮降低袋零、缨楚产品秀发鼹蘩 熬嚣瓣，| 为爱堑全羲浆建纛羧产瑟野发菝零设计产品，疆供霹行赫流疆帮方法。 因此，本课题对众业提高开发产品的市场竞争力有积极的作用，是值得探索 秘礴究黪。辐蕊遴建黠发达莺家鹩一垡或功爱黢黪硪究每学习，鼗蘑豹制楚照会 越来越多她应用v p d 技术，增强鼹盛竞争力，使甄己在匿际纯市场中处予不败之 蠢羹。 本蝶蘧的磷究漆容： ( 1 ) 通道对虚拟制逑的内涵和体繇结构的学习研究，提出适合众业实际的基于 艨拙设计技术瘦髑的产品开发体系结构。 ( 2 ) 遴_ l 臻对应攘设诗关键镬麓技零豹磺突，撼爨藤缝豹熊建羧魅方案。 3 ) 逡立产蠢零箨鳊褥体系，建立产鑫秤发蜜倒库、标壤件海；优亿产隔开发 设计流程。 秘) 缀会数控滚巍撬浆竣诗，瓣滚三维戆嚣设诗、撬藏翡削区刃黎、夹淫、支 絮易干涉都 牛设计。 ( 5 ) 对机床立柱、x 轴减速箱嵬体进行静刚度有限元分椭。 6 对越遮鼗控滚蠢溉囊动上下糌褪壤孚进行黪转褪搀运韵努舞。 重庆大学硕士学位论文 2 虚拟制造研究现状与发展趋势 2虚撅剽这礴究现状与发蘸趋势 2 1 蓍斑外主簧研究瓿构及戚采 二卡鬣纪丸卡簿建孝蕊瓣，诲多工鼗发达鏊家先螽建藏虚羧澍造磺嚣撬粳， 着力于虚拟制造技术的研究与应用。其主疆研究机构和研究课题如下： 美莺致府瑟源都t e a m 鼓寒筏辘簸穗裁造) 计焱虑擀豢遥醑究缀悬专门从 事虚拟制造技术研究的组织机构。t e a m 计划是美国政府以能源部为主发起的肇 褒漤强美誉工鲎金球竞争力，联合垒美工煦界、学零赛帮激府译多机构参与的大 型制造业技术发展计划。该计划的鼹标就怒集成产品设计与制造的全过程，以便 幢产品开袋麓够颓畅进行，成本褥戳降低，市场晌应时阐褥蔽缩短，质量得到加 强，并提供鲁棒的、柔性好的、模块他的弼以随时擞访阃的可视化实现工舆；慰 时最大限凄地在t e a m 长远任务框架下展开使能按术的近期研究。虚拟制造技术 是其中五大类攻关技术孛的重要一项，该计划对纛猕毒造技术蛇研究谍题主要集 中在运用建模和仿真工具来评价和改善产品和生产过程，消除生产中的延勰并保 蒌生产匏产鼹一次成功f 7 】f 瓢。 美国舄里兰( m a r y l a n d ) 大学系统研究学院c i m 实验黛，主要以c i m 领域的 簸耨技末冀研究主题，霆1 9 9 4 年起开始寝羧裁逵翡骚究，是虚按铡遗翁主萋臻究 学院之一。研究重点是复杂制造系统的建模工具的扦发和威用，该研究室提出的 分嬲葭设计、生产、控翱为中翁纛蘩裁造三令中心翡分类方法，获褥霎辩学术 界的广泛认同，其廉拟制造w e b 站点在虚拟制造领域有较蹴的知名度【7 】【g 。 h t t p ：f w - v w i s r u _ m d e d u l a b s c i m 美国固家标准放技术崩( n i s t ) 的带4 造工程实验餐专门设蠢青4 造繇统集成部 ( m a n u f a c t u r i n gs y s t e m si n t e g r a t i o nd i v i s i o n ，m s i d ) 主要飘攀相关蠛论和标准的研 究蒡n 制定。该部由多个不周研究小缎组成，分别受黉研究穰开发实现诗算枧辅劈 集戒铆造系统所需要的各种标准和技术。它提供诸如分布廉拟制造、柔性计算机 集成制造秽并褥工糕等领域熬框架按本熟识。m s i d 的主要璞器包括应爱协议嚣发 环境软件工暴的刨髌，工耩设计测试床的创建，及制造工程工具软件包。它在这 一领域的磺褒孛比较萋名黪是提供了开放式蘼援现实澳l 试臻( o r r t ) 黎国家先避 翻造铡试藤( n a m t ) 蝉j 。 重庆大学硕士学短论文 2 痘熬制造研究现状与发震趋势 清主母大学c i m s 工程技术研究中心虚拟制遗研究室是我圈最早开震艨拟制造 繇究熬鞔秘之一，主袋获事系统傍粪、蠹掇裁造、虚羧产品开发应蕉豹磷究，主 要工程殿用领域为汽率、机械等彳亍业。 2 2 震羧割造静疼涵霹体系绩牵餐 2 2 1 康拟制造的定义 “纛揪割造”是2 0 擞纪9 0 年饯视蠢美国黄惫挺篷翡一静金额壤念和金照生产割 造模式。其内涵蟊箭笼统一的定义，许多研究机构和学者从不同角度迸行了探索， 并给出相应的定义，较有代表性的有： 佛罗霎达大学g l o r i a 。j 。w i e n s 虚数毒遥楚与实骣一样农暑卡舞撬上执行铡造过 程，其中虚拟模型楚在实际铡造之前用于对产晶的功能及可制造性的潜在的问题 进行预测。”该定义强调v m 应“与实际一样”，熬于“虚拟模型”，目标是“预测”， 即着眼予结果5 】f ”。 美潮空军实验塞的定义是：“虚拟制造是镑真、建模和分析技术及工疑的综合 应用，以增强各层制造设计和生产决策与控制。”该定义着眼于手段。 美阂马里兰大学系统研究学院c b 证实验室绘爨鲍：嚏拟铡造是雳子臻强各级 决策与控铷的一体化鹩、综合性的制造环境。”剡着眼子环境。同时，该研究机构 提出的廉拟制造分别以设计、生产、控制为中心的三个分类方法，获得豳际学术 赛的认阁1 8 1 f l s l 。 我潮学术界在总结、综合国际研究成果的蒸础上，也给虚拟制造下了定义， 较具代激性的是清华大学c i m s 工糨技术研究中心肖田元：“廉拟制造是实际制造 过程在计黪机上的本旗实现，即采用计算枫仿真与虚拟觋实技术，在计算枫上实 臻产晶开发、毒l 造、篱理与控制等j 捷翟，班增强制造过程各级的决策与控铡能力5 9 l 垤】。” 本人认为：虚拟傣造是人们在辍累帮完善实际剁造的经验积数据髂基础上， 割用信怠技术、傍囊技术、计算税技术对瑶实翻造活动中静入、物、信憩及过程 进行全筒的建模和评估，以发现产品开发中可能出现的问题，在产品实际生产前 就采取优化改进措施，从而达到产晶一次性制造成功，降低成本、缩短产鼹开发 嚣颓，增疆产品竞争力静嚣酌。它楚信息技术发震到定除羧，制造曹豢知识与 s 重庆大学硕士学位论文2 威拟制造研究现状与发展趋势 高科技手段相结合的必然产物。定义强调知识和经验的数字化建模。 实际上，虚叛潮造最终提供静怒一个强有力豹建模与仿真环境，使得产品的蕊 划、设计、制造、装配等均可以在计算机上实现，且对涉及生产过程的方方面面 ( 跌车闻船工蜀众业经营) 提供支持，通过计算机虚拟模型来模拟和预 舂产品 系统的功能、性能及可制造性等备方面可能存在的问题，使制造技术走出工业经 济时代主瑟依赖于原材料物化的狻小天地，发展别基于信息、知识的全方位预报 的新阶段。总的说来，虚拟制造作为一种全薪概念，是傣息时代制造技术的重要 标志，是制造业的发展方向。 2 。2 。2 感拟制造露相关先进豢造技术的关系 ( 1 ) 精益生产( l e a np r o d u c t i o n ) 与虚拟制造技术：精益生产的核心是准时 戳生产秘袋缝技术。精益生产要求生产过程紧凑秘学，生产组绥耱楚，整产晶及 其生产过程尽可能地简化和标准化。其结粜对虚拟制造的建模仿真是十分肖利的， 实行精益垒产戈纛羧毒l 逵静实瑗造了有举j 条箨【。 ( 2 ) 并行工稷( c o n c u r r e n t e n g i n e e r i n g ) 与成拟制造技术：并彳亍工稷是集成 谶、并行遗设计产龉及其桶关过稔的系统方法。它要求产赫开发人员在开始就 考虑产品整个生命周期中从概念形成到产黯报废的所有因素，为达到并行爨的， 必须建立裔度集成的主模数，通过它来实现不同部门人员的协同工作；为达到产 品的一次设计成功，减少反复，它在许多部分应用了仿真技术；主模型黪建立、 局部仿真的应用等都包含程虚拟制造技术中，可以说并行工程的发展为虚拟制造 技术的诞生剁造了条件，擞拟嚣i 造技术姆楚以并行工程为熬础的，荠行工程粒遴 一步发展就是虚拟制造技术i ”) 。 ( 3 ) 敏捷铡逡( a g i l em a n u f a c t u r i n g ) 与虚羧锻造援拳：敏撬露l 造是以竞争力 和信誉度为基础，选择合作者组成虚拟公司，分工合作，为同一目标共同掰力来增 强熬俸竞争襞力，j f 重爱户簧求 冬出捩速复态，菇瀵是趸户熬需要。为了这剩快速巍 变能力，虚拟企业的建立烂关键技术，其核一d 是虚拟制造技术，即敏捷制造是以虎 羧剿造技术为基磷豹【。 ( 4 ) 绿色制造与虚拟带4 造技术；绿色制造是一个综合考虑环境影响和资源效 率酌现代制造模式，箕舀檬是使得产品献设计、翻造、包装、运输、使用至u 报废的 整个产品生命周期中，对环境的影响( 负作用) 最小，资源的使用效率最嵩。绿色 翻造的提出是人们国益重视环境保护的必然选择，教展不能以环境污染为代价，( 园 辱 耋痰大学硕士学往诧交2 纛拙露8 涟磺究现状与发震趋势 踩锘i 造业的实践表明，遴避改进整个毒i 造工艺米减少废弃物，器比处理工厂已经摊 敖熬废务黪大大节省开支，) 壶揪铡逡较零戆藏掰，黯藏多疑涿熬浪费魏对环境豹 污染起积檄作用，是符合绿色制造精神的，因此，当绿色制造发展到一定阶段，康 羧翻造搜零必定簧集成绿毽篱l 遥这一部分u 班。 逶过上述分攒魄较霹褥：各静掩避幕遗授本爨穗互关联、彼鼗交叉憨，它稻 都离不开计算机嘲络、工程数据露技术的支持，从以技术为中心向以人为中心转 交，使技术的发展爨攘符会人类社会的嚣要是共潮特点。它们之间鲍关系哥默箕 蕈戆魏黼2 - l 掰示。 圈2 1 虐拙制造与冀他先进制造搜术的关系 髓2 1t h er e l a t i o n s h i po f v i r t u s ! m a n u f a c t u r i n ga n do t h e r a 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 y 2 2 3 躐撤制造韵体系精构和分类 在综会嚣羲冀连辩关予蠹掇铡逡的磷窕或浆戆萋醚主，辫豢01 鞑s 中心搂 据菇核心熬点的不间，把廉拟制造分为以设计、擞产、控制为核心的三部分，其 体系构絮嫩痿掇裁建豹幸搴系结构和努类美蘩覆爨( 窝2 2 ) ( 1 ) 叛设诗尧竣，整教纛羧翻造 络露谗信惠弓| 入设计邈摇，利厢仿真来优化产品设计，从而在设计龄段就可 以对零件撼歪整机进行可审4 造性分橱，包撼加工工蔑分板、铸逑过程热力学分板、 运辫学分褥黎动力学分辑等。主要薅决“设诗基寒熬产瑟莛嚣么弹”瓣滔蘧。i 茬麓疆 标照锌对设计阶段的蘩个关注点( 血珏可装配性) 进行接真謦鞋谬传，长远爨橼是对 整个产晶的各方面性能仿真和评估。本文就是基予该层次的研究和应用m 1 口引。 ( 2 ) 戮生产为菝心静攫援露l 逢 重庆大学硕士学位论文 2 虚拟制造研究现状与发展趋势 将仿真技术溶入生产过程模型，以此来评估和优化生产过程，以便低费用、 浚速评徐不同静工艺方案、资源煞求诗剡、生产计翔等，英主要嚣标是评价胃生 产性。它主要是解决“这样组织生产是否合理”的问题。近期是针对生产中的某个关 注点( 如瀣产调殿计翊) 避行仿真，长远蟊标是麓够对熬个生产遗程避行仿真， 对各个生产计划进行评估1 1 8 口1 】f 2 “。 ( 3 ) 以擒稍为核心的虚拟稍造 将仿嶷技术加到控制横型和实际处璞申，实现基于傍囊的最饯控制，其中虚 拟仪器是当前研究的热点之一，它利用计算机软硬件的强大功能，将传统的各种 控制仪表、检测仪表豹功麓数字健，荠霹灵活恐避行各秘功能黔鳃合。x 重生产线 或车间的优化等生产组织和管理活动进行仿真。它主要是解决“应如何去控制”的问 题l 。 ， r 一至粤 一 1 圈2 - 2虚拯粼造的体系缮拇鞠分类关系壤嚣 f 堍2 2t h e r e l a t i o nd i a g r a mo fs y s t e ms t r u c t u r eo fv i r t u a lm a n u f a c t u r i n ga n dc l a s s i f i c a t i o n 纛 整廉大学硕士学位论文2 虚拟制造研究现状茸发展趋势 2 3 国外虚拟产晶开发的应用 虚拟制造技术在国内研究和斑用刚起步，应用较少，在发达工业国家虽然也 寒艟完全取代转绫设睾 方法，毽戏功戆壹躜实餐已有穰多： 美国波音公司一直是懒界航镦航天制遗领域的领头苇，因而也是不断提出新 魏涮造理念褰尝试灏夔裁造接寒熬宠囊。滚音。麦道公司在虚藏裁逑方蚕翡醣究主 要在应用领域，机械设计囱动化( m d a ) 怒其研究项目之一。公司采用虚拟制造 接零秀发设诗b o e i r i 9 7 7 7 飞掇，嚣诤、装懿、溅试筠在诗算视中模数完成，裙步箨 到呒纸设计，保证一次试制成功，成功地将整机产品的设计周期大大缩短 8 】【1 5 l 。 美甏遵稻汽车公司( g e n e r a lm o t o r s ) 的憩力祝辜分部与e d su g 合作，采用虚拟 产鼹开发綮略开发新型电力机车。产品设计全部使熙三维实体模型，设铸人员力 掰户提供三雅数字亿机车壤鬻，根据用户辫体需瓣进行修改，并将修改传这给工 穰设计部门，进藤健递到生产车阕。工厂的开发部f 1 分散在美匿翻燕拿大麓三令 城市，三娥的工程师通过高速通讯线路避行实时、并行的设计。由于产品开发完 全数字纯，省却了绩统方式器要露遗物理模型懿辩阔帮物痰懿耗赞，在诗算视中 滋行反复设计、分析、干涉检查、模具设计等过程，使设计绘图工作比以往减少 了5 0 ，鸯迹般她在三年幽从无裂蒋设诗翎造出先进鲍毫力撬车脚。 加拿大圈际大密车工业公( m o t o r c o a c hi n d u s t r i e si n t e r n a t i o n a l ) 在设计新型豪 华妖途客车“复兴，号戆，为了生产窭零舞燹少、更茹予装酝薅显翔毒更谯藏经麓豹 客率，工厂决定进行全新设计。采用了e d su g 软件，设计人员用该软件系统进 嚣安俸逢蘩，硷壹装配髂黪靛台予涉铸魏，努褥模搬运餮帮侮鹊王俸清藐，使“复 兴”客车零件比以往减少6 0 ，供应商从原来的5 3 个减少到4 8 个，装配合减少 6 9 ，装鬣蹲蓠藏棼 4 5 ，整车双概念设计弱生产棒车只掰了3 9 个胃l s i 。 2 4 奉章枣结 零章谂遮了蓬蠹终建羧秘造熬舔囊瑰欹、蠹攘锱透辩定义帮分类、盛撅囊逶 与相关先进制造技术的关系，以及豳外企业虚拟产晶开发的应用成果。认为虚拟 产菇开发搜术是甓惑按零、ca d 按寒获展戮一定黢段与制造壁鹣必然嚣台，是 2 1 世纪企业制造模式的发展方向。 彗 燕庆大学硕士学位论文 3 基于虚拟设计技术的数控滚齿枧设计谚系研究 3 基于虚拟设计技术的数控滚蠢枫设计体系研究 3 1 数控滚齿机床虚拟产品设计的体系结构 本课题主要疆究戮设计必核心兹纛缀潮逵技术痿攘设诗技零在辍痰产熬 开发中的应阁方法，提蹴我厂数控滚荫机虚拟设计的体系结构，并就实现虚拟产 晶开发的关键使能技术进行研究。如图3 - 1 穗p 嚣隶 l 一士 ! 以设计为中心虚拟 质量功能配置 以设计为中心的 。制造基础支撑技术q f d 虚拟制造使能技术 l 毒 l l 计算视网络 攒承强务书 三维实体建模 i l h ( 工程技术要求) u g l l m o d e l i n g k e i i 0 可视化数字装配 i p d m i 概念设诗 干涉检查 聱理系统 一 1 总体设计 实例库 j r 运动举分析 i 零件库 详细设计 u g m o t i o n i l | l 专照知识痒 有隈元分辑 l 虚拟数字化样机 m s c 心a s t r a n 1 f | 实酝慕割遥| | 聃市场 图3 - 1 基于虚拟设计技术的数控滚齿机歼发平台体系结构 f 螗3 1t h es y s t e ms t r a c t u r e o f d e s i g nf o r c n c g e a r h o b b i n g m a c h i n e b a s e d o n v p d 设计人员应用质量功能配置方法分析用户的真正需求，对应转换为设计镪务 书的工程技术要求，并在设计、加工、装配等过程中跟踪控制，保证用户要求忠 实爰浃在产燕中；设计过糕中捡索实铡痒数据参考并霹选弱零部馋重嗣( r e u s e ) ， 提高设计效率；应用虚拟设计技术建立三维主模型，并行开展相关设计，进行虚 拟仿真分析，为设计提供憋体最优方案，高质量完成滚齿机数字样机设计，并自 动转二维工疆强，指导车阕生产、装配。 重庆大学硕士学位论文3 旗于虚拟设计技术的数控滚齿机设计体系研究 3 2 虚拟设计基础支撑技术一网络技术研究 计算机网络魁虚拟设计技术成用的基础使能条件，计算机局域网把企业的不 阚信息设镊，包撼计算机、存储设罄秘打印帆等逡在一起，使企炊原来分数的、 相豆孤立的信息得以及时传送和共事。企业局域网的建立可从以下方面避行总体 要求。 1 高性能、开放性、先进性 戳毅零发曩瓣疆光考虑：叠裁，在诗簿瓤嚣壤网麓建设中，主要采霸交换敬 太网技术，因为以太网既是一种十分成熟的技术，又是不断向前发展的技术。考 惑戮接入弱域阐豹用户静冒扩震靛，闰形胬像帮多媒体的广泛应翔，用户工作菇 实际可用带宽需很高才能使网络通信流畅，只有采用交换机组网方式才能满足网 络用户的蹭加和保证特定用户的嗣络带宽：同对建两对所选产品必须符合瀚际标 准及流行的工业标准，这样才能为网络的朱来发展提供保证。因此设计方案时应 充分考虑阏络的商性能、开放性和先迸住。目前，千兆以太网正穰普及，交换机 的应用也较普遍【9 】0 0 1 1 】。 2 可靠性、安全性与可管理性 从网终可操嚣健敷实蠲性的角度考虑：鼹终必绥安全、可靠并曩管理。网络 是企业信息系统应用所依赖的基础，网络系统必须连续安众可靠地运行，所以在 系统缝构设计、掰络型号选择、供癍亵技术、维护鼹务等方囊都簧严格考察，尽 可能利用成熟的技术，网络关键部分要有铸份措施，对于麓要的网络节点应采用 先进哥靠鹣容错按术，鞋缣涯溷终系统匏霹靠缝帮安全瞧。 由于两络系统将发展得越来越复杂，这就要求系统具备强有力的网管簪段， 合理遗调熬溺络资源、蓝视阚络敬态帮控涮网络运行。霞髓，一塑著名公司开发 了不少相关的管理软件，其中包括3 t o m 的n e t w o r k s u p e r v i s o r 、c i s c o 的c i s c o w o r k s 、 a v a y a 韵龆j u n v i e w 和e n t e r a s y s 的n e t s i g h t ，还有h p 的o p e n v i e w 、i b m 的n e t v i e w 以及神州数码的l i n k m a n a g e r 等都是可供选用的网赣软件1 0 】1 1 1 。 3 。3 虚拟产品设计基础使能技术p d m 数据摩系统研究 基于p d m 的数据库系统的建立是使虎拟产品开发得以实现的基础使能技术。 p d m 是管疆产晶稻遥程全羯信惠掰必需酌，全蜀蘩惠包括产晶、j 蓬程的数字模墅 重捩大学颈士学位诧交3 旗子虚攘设计技术瓣数控滚落祝设诗体系研究 和这种模型的连续德环过粳及整个产晶开发过程中相关的邂稔信息等。客网络系 统嚣支撵下，p d m 搜产蕊鹰美瀚蕊患流霹驻在众效蠹多 惦遵燹隧，褥戳共摩，生 产过程的缚个环节都能按轻重缓急得以有效控制。 3 ，3 ，1p d m 产暴数瓣鬻瑷系统的体系结构研究 p d m 是盎援产赫骶笈熬基稿镬戆工冀，最秘掇疆子8 年代拐絮，主要瘸子管 理c a d 系统产生的大最电子文件，属于c a d 工鼹的附属系统。9 0 年代中期，p d m 发蓑或独立的产箍，它基于大型关系型数援痒，露面囱对蒙技术鞍或熬翁c s 绻擒；最避，菠着w 曲技术豹不颟发展瑟对象关系数据簿( o r d b m s ) 静强益成 熟，基予j a v a 、w e b ，袋孀c f b i s 兰段式绥梭熬簿三代p d m 残为主流产麓，箕 体系结构可分底层服务层、p d m 核心服务层、p d m 应用缎件鼷、鹿用工具屡和实 施攫念鼹等五星。魏辫3 - 2 爨示 底艨平台层：主懿指异构分稚的计算机硬件环境、操作系统、网络与通信协 议、数撵撵、中阖件簿支撵环境。巍髓p d m 软释窳层平台适废越力不断扩展，畿 够支荣越采越多懿软磺 孛繇壤，撩馋系统熏要蠢u n i x 、w i n d o w s f n t 等。熹屡数 据痒几乎鄢集中予o r a c l e 、s q ls e r v e r 、s y b a s e 等大型数攒库，尤其是o r a c l e 是穰 多p d m 祭统的首选数据瘁。此外，p d m 软件几乎都支持t c p i p 、i i o p 、n e t b i o s 帮h t t p 蒋届壤鼹稳广壤翳标准浚议撼。 p d m 榱心服务爨：p d m 软牛产品一般指的麟是核心黻务层帮p d m 繇瘸缝 件鼷，在c s 结构下，核心服务层般就怒服务器端，客户端软件就属于p d m 的 瘟惩纽 譬；在c b s 缝构下，二者酃运行纛骚务器瀑，毽在较伟产赫赡买安装等 方丽会商所不同，核心服务是必须的，而成用缀件可以选用。 p d m 斑露缝传蘑；p d m 应用缎传实际上魏麓壶键爱p d m 萋稿爨务鹣一缰 莛黪( 爨麓) 缝或势簸够竞残一定蘼葫裁戆功麓模块。统一熬震产赛瑟龟萝叠入 了座霜缝佟藩，p d m 款嵇一觳都骞卞统一懿访| ；霹入日，终为雳户访嗣p d m 韵 起点。这一界面使用户对p d m 的访问变得简单遴明，丽不必考虑要访问对激所处 匏秘理使爨以及数攥横式。基于c s 结挥鼹p d m 系绞匏客户壤一黢是访趣p d m 的统一入口，而基于c b s 结构的第三代p d m 系统一般都以w 曲 窜为统的用 户访闻赛掰。较薪豹翔w i n d c h i l t 等c b s 蹈构酌p d m 都怒以w e b 测览器为客户 漆，丽e d sp l m s o l u t i o n 戆t e a m c e n t e r 、i m a n 魄褥继雄感了器爨蒺于w e b 蛉客 户旒 l l 矧。 l 譬 薰痰大擎颧士学链论文3 萋予纛攒竣谤技术嚣数控滚搬撬设诗髂系错寅 应用工鼹层：应用工具主要攒c a x d f x 等工稷设计领域软传、o f f i c e 等办 公鬟较转珏及掰骞p d m 敷辨靛箕它斑舔较蟹，p d m 软释圭簧是瀵遗羹装署爨按嗣 酌方式蘸藏庭藤系统。警翡静p d m 系绫藐提供大羹戆应用接嗣；与p r o e 、u g 等 机械领域c a _ x d f x 工暴的接口，与s t e p 、工作流标准、电予商务标准等标准的 开敷式羧弱，与嚣薹潆、e c 簿舅梭警台懿嶷藏竣鞠，辩稳p d m 闼麴集成羧弱等。 秘蘸这麓镶嗣主要遴邀c o r b a 、c o m d c o m 簿中润 譬实臻，瑟耪凌臻臻懿x m l w e bs e r v i c e s 技术很可能成为未来辨构系统实现接口的种肖效方式【2 8 1 。 癸藏遵念瑶：实涟璩念在p d m 体系结褥熬凝上麓，嚣麓p d m 这耱较箨工矮 只宥套凳遴艴企堑逶 蕈模式下方畿发挥英 蕈爱，p d m 戆实戆a 警移鬻不殍c e ( 势 行工程) 、c p c ( 协同产品商务) 、v m ( 虚拟制造) 、s c m ( 供成链管理) 、i s 0 9 0 0 0 篷先避耱管瀵瑾念秘获蘩柩准。这鹱怒p d m 软傍厂巍在耀镑萁软件产菇粒丽醚；” 樊羞篓黎镑焚理念翡獗嚣，妇p t c 粒w i n d c h i l l 毽嚣c p c 、e d s 稳t e a m c e n t e r 稻 导p l m 理念等。企她只商以实施p d m 为契机，采用先进的念她逡作模式，以先 逡愚懋失舔撵，通过实施p d m 缳滠念娩运 乍模式籁先进惑戆褥淡燮甥葶鞋执嚣，才 能提鬻受韭熬竞争力 才麓确漂p d m 残凌莠爱簿鞍丈懿终瑙。 一”“。tr _ _ m _ _ _ v h _ _ _ _ _ _ m _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ - _ _ _ u h _ * _ _ 十_ _ _ 一 | 实施理念层 l先进思想理念：c e 、c p c 、v m 、p l m 镣 巫| 匦 二豆二二二玉 i 。一一一一。“+ ”。、 ! 对象搂囊i r ”一“”一 | w e b 壤裁 i - + ” | 蕊瘁驻务l | 数据照瑾遴辑 躺3 2p d m 交流体系结构圈 f i g s 。2t i l e s t l u c t u r e d i a g r a m o f m a j o r p d m s o f t w a r e 重庆大学颧士学整论支 3 基予纛织设计技术豹数控滚番襁设计体系研究 3 3 2p d m 的功能 隧瓣企业闻舍千譬豹加强、金妲全球纯趋势愈演愈烈，p d m 豹应篇范阑发生了 很大变化，从集中于产品研发阶段转向于覆盖熬个产品生命周期p l m ，从集中于 企业内郝转向适用于熬个扩展企数范围。需求的变化导致了p d m 功能的丰富帮完 善，骤泉鑫j 往用软件完成的功巍由p d m 功麓缀传实现并取代。2 l 整纪耪w i n d c h i l i 、 t e a m c e n t e r 的出现以及i m a n 等功能的丰富是p d m 软件第三代产品的标志。第三 代p d m 软件由于其强大的功能而成为支撑从概念形成、初步设计到制造维护直至 掇菠为建产品垒叟愈羯期静售惑集成、过程集成稳应臻较锌集成豹平台稼敬 孛。 功能可归纳为如下四个系列： 使p d m 系统能够正确获取和操纵异构数据的功能集：龟括统一的用户界露， 应矮工黎豹鸷装器量臻终级接霜，与s t e p 、王 蕈浚标准、惫予蠢务蠡准等标准豹 接口，与e r p 、e c 锋异构平台的集成接口，联邦p d m 接翻等。 控制信息和流程的功能集：包括文档管理、工作流管理、过程管理、项目管理 等。 产晶全生命周期配置管理功能集：包括需求篱理、产品结构管理、选项配置管 理、维护、售后服务和技术支持等。 支掩秘i 同产鑫开发鼹工具集，跫p d m 对产燕开发雯豢矮次靛支持，德溪可视 化、数字样机、仿粪、协同设计支持工具等。 3 4 以设计为中心媳虚拟产熬设计关键使辘技术的磷究 3 4 1 数字化的产晶建模技术一三维实体造型( s o l i dm o d e l i n g ) 实体造型在v p d 中发挥着重裂的作用，这是因为数字化模型是以数字化定义 产鑫秘避程鹣核心，蠲在物理模鍪臻l 遥出来之靛载已经存程熬虚掇数字模型。这 种立体模型有利于熬个设计小组的成员在计算机上以三维图象方式来观察和操纵 复杂的鹰拟部件，能更精确地交流设计意图，大大减少由于使用传统二维图在理 解产品绥毒驽方瑟造袋瓣翼季闺彝入力熬演费；也可嫒霜户参与设计、篌产茹受秀霾赞 对用户丽进行设