（计算机应用技术专业论文）数字化制造的研究及数控代码自动编程的实现.pdf

硕士学位论文 第一章绪论 1 1 数字化制造的定义与内涵 数字化制造用信息技术改造传统产业和实现信息化带动工业化的突破口，数字化制 造技术将信息技术、自动化技术、现代管理技术与制造技术相结合，带动产品设计方法 和工具的创新、企业管理模式的创新、企业间协作关系的创新，实现产品设计制造和企 业管理的信息化、生产过程控制的智能化、制造装备的数字化、咨询服务的网络化，从 而全面提升我国制造业的竞争力。 数字化是指以计算机硬件、软件、信息存储、通信协议、周边设备和互联网络等为 技术手段，以信息科学为理论基础，包括信息离散化表述、扫描、处理、存储、传递、 传感、执行、物化、支持、集成和联网等领域的科学技术集合。数字化作为一种通用信 息工程应用，具有分辨率高、表述精度高、可编程处理、处理迅速、信噪比高、传递迅 速、便于存储、提取和集成、联网等重大技术优势，这些技术优势给各个领域专业技术 的改造、革新提供了崭新的手段。数字化和各种专业技术相融合就形成了各种数字化专 业技术，如数字化制造、数字化设计、数字化视听等。相对传统制造技术，数字化制造 技术是一项融合数字化技术和制造技术，且以制造工程科学为理论基础的重大的制造技 术革新。 数字化制造是用数字化定量、表达、存储、处理和控制方法，支持产品生命周期和 企业的全局化运作，以制造过程的知识融合为基础，以数字化建模仿真与优化为特征， 根据用户需求，对产品信息、工艺信息和资源信息进行分析、规划和重组，实现对产品 设计和功能的仿真以及原型制造，进而快速生产出达到用户要求性能的产品的整个制造 过程。数字化制造是庞大的研究领域，数字化制造的内容可由宏观数字化制造和微观数 字化制造的两个方面来描述。宏观数字化制造是指宏观决策、资源优化、市场运作、资 金运营等对制造过程具有重大影响的活动；微观数字化制造是指产品由设计、工艺装配、 过程控制到最终产品的全过程。总之，制造正在由部分量化和部分经验化、定性化逐步 转化为由宏观到微观的全面数字定量化。 数字化制造内容广泛，主要体现在： ( 1 ) 利用c a d q 心p c a m 等现化信息技术提高企业设计与生产过程自动化和数字化， 提高产品质量，缩短设计周期，加速产品更新换代； ( 2 ) 利用m r p m r p i l e r p 等现代信息管理技术提高企业的现代管理水平； ( 3 ) 大力推进生产过程的自动化控制，利用c i m s 等进行企业的信息集成，形成设计、 制造和管理为一体的计算机综合集成制造系统； ( 4 ) 通过网络技术，将企业内部资源信息集成共享，建立网络化平台，实现电子商务等。 由此可见，数字化制造是在信息技术的支撑下，推动企业创新设计能力、效率和质 量的提高，实现产品设计数字化；改变或改善产品制造活动中的加工设备、方式和过程， 数字化制造的研究及数控代码自动编程的实现 实现产品制造数字化；对企业所有活动进行统一管理和控制，使整个企业高效、协调和 优化运行，实现管理数字化，并最终实现企业数字化网络化。总之，它是将数字技术用 于企业产品设计、制造和管理的全过程，以提高企业的市场应变能力和竞争能力，这是 数字化制造的主要内容和目标。 1 2 数字化制造的意义 数字化制造是加快实现工业化的突破口，是以信息化带动工业化的主战场。它的意 义在于： ( 1 ) 制造业数字化是提高制造业市场竞争力的需要 制造业数字化可提高产品设计和生产的自动化水平，实现设计与生产的智能化、敏 捷化、柔性化和精益化，成为生产高附加值产品的平台，为企业创造良好的经济效益。 ( 2 ) 制造业数字化促进企业管理模式与组织模式的变革 制造业数字化使信息传递方式由传统的垂直型变成扁平型，这种管理组织层次的变 化将更有利于把市场信息、技术信息和生产活动结合起来，使企业管理者能够迅捷地对 市场做出反应，制定出正确、科学的决策，使企业的入力、物力、财力资源得到更加有 效的配置。 ( 3 ) 制造业数字化已成为加快国民经济结构战略调整的重要力量 制造业的数字化一方面大大降低了传统企业对资源的消耗，使整个行业间的资源和 信息可以共享集成，大大缩短了产品设计和制造等各个生产环节的时间。另一方面，制 造业的数字化扩大了信息产业内部产业结构的调整，扩大了信息产业的规模及产业内部 投资类、消费类市场规模扩大，也带动了相关高新技术产业的市场规模，市场规模的扩 大为国民经济结构调整提供了原始动力。 ( 4 ) 制造业数字化可以加强企业内部，企业之间资源的集成和共享 在我国传统的制造行业中，制造资源密集，技术力量雄厚，但是企业内部各部门和 企业间自成体系，重复投资，现有的制造资源不能得到充分利用。随着制造业数字化的 推进，企业对资源的认识从内部资源的范畴提高到了社会资源。通过社会范围内资源的 集成和共享，提高了企业的产品创造能力和制造能力，实现了产品设计制造的低成本和 高速度。 2 硕十学位论文 1 3 数字化制造的现状与发展趋势 1 3 1 数字化制造的国外现状 在机械制造领域，国外各大企业都投入大量人力和物力进行计算机集成制造系统 ( c i m s ) 的研究，已经出现了不少成功的应用案例，比如美国波音公司应用c i m s 技术成功 开发出波音7 7 7 飞机，使开发周期由过去的8 9 年缩短到4 年半，成本降低了2 5 ，实现了 从产品的设计、工艺编排、产品制造、检测、装配等整个过程的一体化“无纸加工”， 显著的缩短了产品开发周期，提高了质量，增强了企业的市场竞争力，充分显示了c i m s 的优越性。 但是由于c i m s 系统比较庞大，涉及企业的宏观决策、资源优化、市场运作、资金运 营等方面，国外相当部分的企业也没有实现真j 下意义上的c i m s ，但是在产品的设计到制 造过程中成功的应用了c a d 、c a p p 、c a m 技术，取得了不错的效果。 1 3 2 数字化制造的国内现状 数字化制造在我国已经取得了一定的成绩，具体表现在以下方面： ( 1 ) c a d c a p p c a e c a m 的推广应用：从根本上改变了传统的设计生产、制作模式，已经 成为当前制造业发展的重要技术特征。这些技术是一项重要基础信息技术，其实施对于 推动企业发展，促进经济进步都具有十分重要的作用。 ( 2 ) m r p e r p 的推广应用：随着市场经济体制的完善，在政府、企业和科研院所等多方 努力下，越来越多的企业开始重视并实施m r p e r p ，二十多年来，已有上千家企业实施 了这种先进的管理信息系统，这一技术的成功实施使企业都取得了良好的收益。主要体 现在：库存减少、资金周转加快、生产周期缩短、资源利用效率提高、成本降低、整体 竞争力增强等。 ( 3 ) c i m s 的推广应用：c i m s 是一项集产品工程设计、制造和管理为一体的计算机综合 自动化制造系统，是先进生产经营模式的实施媒体和技术支撑。从1 9 8 7 年开始实施到 今天，已经在我国的机械、电子、航天、航空、轻工、纺织、石油、化工、冶金等十几 个主要的制造行业，2 0 0 多家不同规模、不同类型的企业实施了c i m s 工程，其中已有 6 0 多家通过了验收，绝大多数都取得了明显的经济效益和社会效益，对行业和地区的 制造企业的信息化、现代化起了重要的牵引导向作用。 ( 4 ) i n t r a i l e t e x t r a n e t 建设方面，近几年来，i n t e m e t 技术的飞速发展和迅速普及，使企业 i n t r a n e t 和e x t r a n e t 的建设得到迅猛发展。我国企业的i n t r a n e t e x t r a n e t 应用在近年也表 现出了良好的发展势头，许多企业正在对原有信息系统进行基于i n t e m e t 技术的改造或 组织建设自己的i i l t r a n e t 肥x t r a n e t 平台，企业间可以实现资源的共享，大大提高了生产 效率，节约了成本。 但是，我们同时也看到了许多的不足之处，国内大多数的企业同外国有着类似的情 3 数字化制造的研究及数控代码自动编程的实现 况，c i m s 主要单项技术( c a d 、c a p p 、c a m ) 成功地被应用，而宏观决策、资源优化、市 场运作、资金运营等方面的应用却参差不齐，且大多不甚理想，换言之，真正意义的 c i m s ( 或e r p ) 实现还有诸多的困难h 。 因此，有人提出数字化制造的概念，其主要内涵是c a d v m c a e 产品数字化设计技 术和n c c n c d n c f m s 等数字加工装备，将数字化制造定义为产品由设计、工艺装配、 过程控制到最终产品的全过程，其中最为核心、适合国内大多数企业现状并容易实现的 是c a d 、c a p p 、c a m 的集成。 要实现c a d c a p p c a m 集成，数控代码自动编程是一个比较关键的问题瞳儿3 | ，它是连 接c a d 和c a m 的一个桥梁，从产品设计的结果直接生成数控代码，通过网络( 或者其它 介质与接口) 传输到数控设备的c n c 系统中，直接控制数控机床进行加工，而不需要中 间的图纸，实现了无纸加工。 1 3 3 数字化制造的发展趋势 随着工业自动化的发展，制造业在国民经济中所占的比重越来越大，因此，在以 后的很长一段时间内，制造业的数字化必将得到重点发展，引起广泛的重视，针对于数 字化的现状，我们应该从以下几个方面进行改进和提高哺1 ： ( 1 ) 面向产品全生命周期的数字化 为了最大限度地发挥信息化的整体优势和综合效益，数字化制造的最终目标应面向 产品的全生命周期，满足从市场分析、设计、制造、销售、服务到回收整个生命周期内 各个环节的功能需求。面向全生命周期的信息化是单元技术、集成技术应用的更高形式， 它需要i i l t e m e t 技术、数据库技术、软件标准化技术等现代信息技术的支撑，同时体现 网络化制造、精益生产、并行工程、虚拟制造等现代制造哲理。 ( 2 ) 集成方法的改善和集成范围的拓展 改善集成方式，拓展集成范围，真正实现同类、异类单元系统的无缝连接，保证数 据自由、完整、快速通讯和共享，实现各个环节的协调、并行协同工作。 ( 3 ) 网络化设计与制造系统 实施网络化的目标是进一步提高和完善异地协同设计、虚拟企业与企业协同管理、 资源共享和协作应用、制造业全球采购和产品销售、现代物流配送以及a s p ( a p p l i c a t i 咖 s e r v i c ep r o v i d e r ，应用服务提供商1 模式的网络化制造服务，实现企业各部门和企业之间 的资源共享，提高制造业创新能力，发挥制造业群体优势，促进产业链的形成。 4 硕士学位论文 1 4 数字化制造的分类与实现过程 1 4 1 三种数字化制造观 1 以制造为中心的数字化制造 数字制造的概念，首先来源于数字控制技术与数控机床。随着数控技术的发展，又 出现了对多台机床，用一台( 或多台) 计算机数控装置进行集中控制的方式，即所谓直接 数字控制( d n c ) 。为适应多品种、小批量生产的自动化，发展了若干台计算机数控机床 和一台工业机器人协同工作，以便加工一组或几组结构形状和工艺特征相似的零件，从 而构成了所谓柔性制造单元( f m c ) 。随着网络和信息技术的发展由多台数字控制机床联 网组成局域网实现一个车问或多个车间的生产过程自动化，进而发展到每一台设备的控 制器或控制系统成为网上的一个结点，使制造过程向更大规模和更高水平的自动化发 展，这个就形成了所谓以制造为中心的数字制造观。 2 以设计为中心的数字化制造 由于计算机的发展以及计算机图形学与机械设计技术的相结合，产生了以数据库为 核心，以交互式图形系统为手段，以工程分析计算为主体的计算机辅助设计( c a d ) 系统。 将c a d 的产品设计信息转换成为产品的制造、工艺规则等信息，使加工机械按照预 定的工序和工步组合和排序，选择刀具、夹具、量具，确定切削余量，并计算每个工序 的机动时间和辅助时间，这个就是计算机辅助工艺规划( c a p p ) 。将包括制造、检测、装 配等方面的所有规划，以及面向产品设计、制造、工艺、管理、成本核算等所有的信息 数字化，转换为计算机所理解、并被制造过程的全阶段所共享的数据，就形成了所谓 c a d c a p p c a m 的一体化，从而使c a d 上升到一个新的层次。由于网络技术和信息技术的 发展，多媒体可视化环境技术、产品数据管理系统、异地协同设计以及跨平台、跨区域、 同步和异步信息交流与共享，多企业、多团队、多人、多应用之间群体协作与智能设计 正在深入开展研究，并进入实用阶段，这就形成了所谓以设计为中心的数字化制造。 3 以管理为中心的数字化制造 通过企业内部物料需求计划( m r p ) 的建立与实现，根据不断变化的市场信息、用户 订货和预测，从全局和长远的利益出发，通过决策模型，评价企业的生产和经营状况， 预测企业的未来和运行状况，决定投资策略和生产任务安排，这就形成了制造业生产系 统的最高层次管理信息系统( m i s ) 。为了支持制造企业经营生产过程能随市场需求快速 的重构和集成，出现了能覆盖整个企业从产品的市场需求、研究开发、产品设计、工程 制造、销售、服务、维护等生命周期中信息的产品数据管理系统( p d m ) 。当前，随着企 业需求规划( e r p ) 这一建立在信息技术基础上的现代化管理平台的广泛应用，由于它集 中信息技术与先进管理思想于一身，使企业经营管理活动中的物流、信息流、资金流、 工作流加以集成和综合，形成了以e r p 为中心的m r p p d m m i s e r p 等技术集成的所谓以管 5 数字化制造的研究及数控代码自动编程的实现 理为中心的数字化制造。 1 4 2 数字制造实现过程 数字制造作为先进制造技术内涵的扩充和外延的拓展，是对制造过程进行数字化的 描述，因此可以将制造信息采用数字化表征、处理、传递和加工，从而在数字空间中完 成产品的制造过程。数字化制造过程的具体实现必须以数字化为基础，具体形式有：网 络制造一数字制造的全球化实现；虚拟制造数字制造的计算机实现；敏捷制造和电 子商务制造数字制造的一种动态联盟；计算机集成制造一数字制造的技术基础和集 成模式等。 1 4 2 1 网络制造 网络制造是利用以i n t e r n e t 为标志的信息高速公路，灵活而迅速地组织社会制造资 源，把分散在不同地区的现有生产设备资源、智力资源和各种制造资源，按资源优势互 补的原则，迅速地组织成超越空间约束、统一指挥的经营实体一网络联盟企业，充分发 挥不同企业间的优势力量，通过任务的分解和传达，联合不同的企业共同完成设计和制 造的全过程，以便快速推出高质量、低成本的新产品。网络化制造是以网络技术为核心， 对传统产品设计、制造、流通的集成与优化，它提供更好的开放性，从而形成“设计一 制造一流通”的一体化。 可将网络化设计与制造定义为网络化设计与制造，它是基于网络的制造企业各种制 造活动及其所涉及的制造技术和制造系统的总称。其中，网络包括i l l t e m e t ，i n t r a n e t 和 e x t f 柚e t 等各种网络：制造企业包括单个企业、企业集团以及面向某一市场机遇而组建 的虚拟企业等各种制造企业及企业联盟；制造活动包括市场运作、产品设计与开发、物 料资源组织、生产加工过程、产品运输与销售和售后服务等企业所涉及的一切相关活动 和工作。 1 4 2 2 敏捷制造 敏捷制造是指同一企业的不同部门和不同企业的生产过程综合为一个集成的系统， 使企业能迅速满足瞬息万变的市场竞争的需要。它强调人、组织、管理、技术的集成， 强调企业对市场的敏捷性。它是一种实行面向产品过程的小组工作方式，企业间由机遇 驱动而形成动态联盟，动态联盟是敏捷制造的基本组织形式，它是指企业群体为了赢得 某一机遇性市场竞争，围绕某种新产品开发，通过选用不同组织企业的优势资源，综合 成单一的靠网络通讯联系的阶段性经营实体。 1 4 2 3 虚拟制造 虚拟制造是数字化制造的计算机实现，它是实际制造过程在计算机上的本质实现， 即采用计算机仿真与虚拟现实技术，在高性能计算机以及高速网络的支持下，在计算机 上群组协同工作，实现产品的设计、工艺规划、加工制造、性能分析、质量检测，以及 企业各级过程的管理与控制等产品制造的本质过程，以增强制造过程各级的决策与控制 6 硕十学位论文 能力。 虚拟制造的特点： ( 1 ) 集成性：建模、可视化仿真、生产制造集成规划，企业资源规划、优化评价等多种 相关技术集成。 ( 2 ) 层次性：建模对象的层次性( 工厂、车间、单元、设备：宏观，微观) 和用户对象的 层次性( 使用者、设计者、财务经理、总经理) 。 ( 3 ) 动态性：在三维、多视角、多信息通道的虚拟环境中，制造系统及过程的仿真可以 反映出实时系统运作所具有的动态特性，而不仅是静态信息。 ( 4 ) 真实性：利用虚拟显示技术，实现真实制造到虚拟制造的映射，达到人机和谐，发 挥人的主动性，使人在虚拟环境中可以从事并感受真实制造的各种活动。 1 4 2 4 快速原型制造 快速原型制造p r m 是以数字化描述为基础，利用快速成型技术自动地、快速地、准 确地将设计思想物化成为具有一定功能的原型或者直接制造出零件。 当前，p r m 技术的研究方向主要集中在理论、方法、材料、制造技术与生物工程等， 它主要通过下面三个方面来改善产品开发： ( 1 ) 设计工程的可视性； ( 2 ) 制造； ( 3 ) 销售。 1 4 2 5 计算机集成制造 计算机集成制造是基于企业资源的一种先进模型，实施计算机集成制造技术，除了 能给企业带来巨大的经济效益和社会效益，还能促使现代制造业向敏捷化方向发展。 c i m s 的核心是“集成”，其集成特征主要包括人员集成、信息集成、功能集成和技术集 成等拍1 。 主要构成： c l m 的关键技术 计算机集成制造是一种基于数字化、信息化、智能化、绿色化、集成优化的制造， 它的关键技术是：快速进行产品开发的c a d c a p p c a e c a m ；促进企业现代化管理的 m r p e r p 。c i m s 是企业的信息集成系统，是一个闭环反馈系统。它的主要输入是产品需 求概念，主要输出是完全装配、检测好的，可以使用的成品盯3 。 c i m s 的主要构成 c i m s 主要包括保障经营管理、工程设计、产品制造、质量保证和物资正常实现5 个功能系统，以及一个计算机网络和数据库系统组成的支撑环境。 7 数7 化制造的研究及数控代码自动编程的实现 图t f 产品设计和制造过程流程图 1 5 数控代码自动编程 要实现c a d c a p p c a m 集成，数控代码自动生成是一个比较关键的问题，它是连接c a d 和c a m 的一个桥梁，从产品设计的结果直接生成数控代码，无须中间的干涉，能够以最 短的时间完成产品从设计到生产的过程，以下就介绍一下关于数控编程方面的概念随1 。 ( 1 ) 数控程序编制的基本概念 在数控机床上加工零件，首先要编制零件的加工程序，然后才能加工。数控程序编 制，就是将零件的工艺过程、工艺参数、刀具位移量与方向以及其它辅助动作( 换刀、 冷却、夹紧等) ，按运动顺序和所用数控机床规定的指令代码及程序格式编成加工程序 单，再将程序单中的全部内容记录在介质上，然后输给数控装置，控制机床进行自动加 工。这种从零件图纸到制成控制介质的全过程，称之为数控加工程序编制。 ( 2 ) 数控程序编制的方法 程序编制的一般过程如图1 2 所示。数控编程是目前c a d c a p p c a m h l 系统中最能明显 发挥效益的环节之一，在实现设计加工自动化、提高加工精度和加工质量、缩短产品研 8 硕+ 学位论文 制周期等方面发挥着重要作用。 零 分确数编数 程 析定 值写控序 零 工 计 斗 程 设 检 件 艺算序备验 图过 堕 媒 纸程介 图1 2 程序编制过程图 工 目前数控编程方法主要有两种： 1 手工编程 手工编程要用人工方法对零件的几何信息进行必要的数学处理，用手工方法编写加 工程序单、穿制加工程序纸带。因而编程的速度慢、精度低，对所编写程序的检查也很 困难。对某些形状复杂的零件编程问题，如非圆曲线、列表曲线及曲面等编程，用手工 编程根本无法解决。手工编程时，整个程序的编制过程是人工完成的。这就要求编程人 员不仅要熟悉数控机床技术，如数控代码、编程规则、机床主要参数等，而且还必须具 备机械加工工艺知识和较强的数值计算能力。 2 自动编程 自动编程是计算机根据输入零件的图形信息，自动生成机床能识别的数控加工程 序，编程的大部分工作由计算机完成。自动编程又分为两种，即a p t 语言编程和图形自 动编程旧。 利用a p t 语言编程，a p t ( a u t o m a t i c a l l yp r o g r a m m e dt 0 0 1 ) 语言是二十世纪五十年 代m i t 设计的一种专门用于机械零件数控加工程序编制的语言。a p t 几经发展，形成了诸 如a p t i i ( 立体切削用) 、a p t i v ( 算法改进，增加多坐标曲面加工编程功能) ， a p t a c ( a d v a n c e d c o n t o u r i n g ) ( 增加切削数据库管理系统) 和a p t s s( s c u l p t u r e d s u r f a c e ) ( 增加雕塑曲面加工编程功能) 等版本。采用a p t 语言编制数控程序具有程序简 练，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。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；缺少对零件形状、刀具运动轨迹的直观图形显示和刀具轨 迹的验证手段，难以与c a d 数据库和c a p p 系统有效连接，不容易做到高度的自动化、集 成化。 图形自动编程，图形自动编程通常以计算机辅助设计( c a d ) 为基础，利用c a d 软件的 图形编辑功能将零件的几何形状绘制到计算机上，生成图形文件，然后调用数控编程模 块，采用人机交互的方法在计算机屏幕上指定被加工的部位，输入相应的加工参数，计 9 数字化制造的研究及数挎代码自动编程的实现 算机便可进行必要的数学处理并自动生成加工程序。同时，还可在计算机屏幕上动态地 显示刀具的加工轨迹。显然，这种编程方法较前两种具有速度快、精度高、直观性好、 使用方便、便于检查等优点，并已成为目前国内外先进的c a d c a m 软件所普遍采用的数 控编程方法n 引。目前，在我国应用较广的集成化图形数控编程系统a u t o c a d 、c a t i a u g 、 p r o e n g i n e e r i n g 、s u r f c a m 、m a s t e r c a m 以及国内的c a x a 等，这些系统的n c 编辑功能都 比较强，且各有各的特点。 1 6 课题研究意义与主要研究工作 1 6 1 课题研究意义 目前许多企业都使用c a d 、c a p p 、c a m 进行产品的生产，而且使用非常普遍，虽然c a d 与c a m 已经得到广泛使用，但它们之间的集成在企业并没有真j 下的实现，因而其间的集 成度都不高，数控代码编程作为连接它们的桥梁，重要性是显而易见的。 国内多数企业都具备了c a d 的能力，虽然有些采用了p r o e 或者u g 等三维设计软件， 但为数甚少，更多的企业使用以a u t o c a d 作为产品设计的软件工具，设计结果可以是数 字化的( 也可以打印出图) ，包括全部零件的几何信息及工程信息，可以作为数控代码生 成的数据源。 由于国外开发的数控代码自动编程软件价格昂贵，国内开发的数控代码自动编程软 件的数量不是很多，使用的不是很理想，许多数控代码还是手工编程，在此基础上开发 数控代码自动编程系统，将会有很好的应用前景。 1 6 2 课题研究的内容 本课题的数字化制造研究主要集中在c a d c a p p c a m 的集成上，在对此研究的基础我 们提出开发一套基于a u t o c a d 软件包的数控自动编程软件，从而实现c a d c a p p c a m 的集 成。 ( 1 ) 数字化制造的架构 通过分析和研究整个数字化制造模型，提出适合不同类型和规模的生产企业的数字 化制造体系，利用企业的现有资源( 人力资源，网络资源，软硬件资源，生产资源，管 理资源) ，将数字化技术和机械制造技术有机的结合，实现企业的设计数字化、生产数 字化、检测数字化、管理数字化。 ( 2 ) 数控代码自动编程 深入研究0 b j e c t a r x 的编程技术，采用面向对象的编程技术实现零件的设计，利用 0 b j e c t a r x 可直接访问a u t o c a d 数据库实现对图形几何信息的提取。 编制图形生成代码，完成相关的数值计算，通过对不同零件图的几何数据的分析， 利用相关算法，最终形成曲线轨迹坐标文件。 1 0 硕士学位论文 第二章数字化制造体系的构建 数字化制造技术已成为提高企业和产品竞争力的重要方法，世界各国在研究、开发 与应用先进制造技术时均十分重视发展数字化制造技术，发达的国家已达到相当先进的 水平。为了面对全球化发展的进程，加快我国数字制造的发展，针对我国现有的资源情 况，提出适合制造企业的数字化架构是符合全球化制造业发展的需要。网络的发展给制 造企业的数字化提供了一个高效发展自己的机会，资源共享已经成为这些企业发展的一 个重要组成部分，资源共享是利用网络化制造平台来统一组织企业之间的集成过程，通 过网络化制造平台，提供了一个支持企业信息共享和工作协作的大环境，以支持企业开 展数字化制造的应用，网络化制造平台已经成为企业之间进行数字化制造应用必不可缺 少的组成部分。 制造业是我国的支柱产业，据统计，我国制造业的增加值占整个工业产业的7 8 ， 从业人员占8 2 ，国内生产总值的约4 0 、财政收入的5 0 、外贸出口的8 0 来源于制造业。 过去的二十多年，中国的经济高速发展，正在成为全球的制造业中心，毫无疑问，中国 已经是一个制造业大国。因此，对于这个现状，在这里的数字化制造主要是以设计为中 心的数字化制造，为了能够满足我国现有制造业的数字化发展要求，在文中提出了拥有 企业自己特点的数字化制造体系。 2 1 数字化制造体系的理论 数字化制造的核心 数字化制造的核心是c a d c a p p c a m 的集成，以下是相关的理论。 2 1 1c a d 、c a p p 、c a m 的概念 2 1 1 1 c a d ( c 伽p u t e ra i d e dd e s i g n ) 计算机辅助设计 以1 9 5 9 年美国麻省理工学院( m i t ) 召开的c a d 规划会议为开端，经过了3 0 多年的发 展，至今它的单元技术已经日趋成熟。其基本内涵是：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、分析和绘图等工作，并达到提高产品 设计质量、缩短产品开发周期、降低产品成本的目的。 2 1 1 2c a p p ( c o m p u t e ra i d e dp r o c e s sp i a n n i n g ) ，计算机辅助工艺规程 起始于6 0 年代，经过3 0 多年的发展，已经取得了重大的进步，在理论体系及生产过 程实际应用方面都取得了重大的成果。其基本内涵是：指在人和计算机组成的系统中， 根据产品设计阶段给出的信息，人机交互地或自动地确定产品加工方法和工艺过程。 ( 1 ) c a p p 技术 数字化制造的研究及数控代码自动编程的实现 依据系统工作原理，尤其是工艺决策方式，人们通常将传统c a p p 系统划分为以下几 种类型： 交互型：按不同类型零件的加工工艺需求，编制个人机交互软件系统，工艺设计 人员根据屏幕提示，进行人机交互操作，操作人员在系统的提示引导下，回答工艺设计 中的问题，对工艺过程进行决策及输入相应内容，形成所需工艺规程。因此，系统工艺 过程设计的质量对人的依赖性很大，且因人而异。 变异型：利用成组技术原理将零件按几何形状及工艺相似性分类、归族，每一族有 一个主样件，根据此样件建立加工工艺文件，即典型工艺规程，存入典型工艺库中。当 设计一个新的零件工艺规程时，根据其成组编码，确定所属零件族，由计算机检索出相 应零件族的典型工艺规程，再根据当前零件的具体要求，对典型工艺进行修改，得到所 需工艺规程。 创成型：能综合加工信息，自动为一个新零件制订出工艺规程的系统。根据零件信 息，自动提取制造知识，产生零件所需要的各个工序和工步的加工内容，自动完成机床、 工具的选择和加工过程的最优化；通过应用决策逻辑，可模拟工艺设计人员的决策过程， 即工艺规程根据工艺数据库的信息在没有人工干预的条件下从无到有创造出来 混合型：变异与自动决策相结合的工作方式。 智能型：智能化c a p p ( i n t e l l i g e n tc a p p ，i c a p p ) 将人工智能( a i ) 技术应用于c a p p 系 统中，通过计算机来模拟工艺设计师的智慧和思维方法，使c a p p 系统能够在某种程度上 具有人类的智慧，从而实现工艺设计的飞跃，它是c a p p 系统发展最有生命力的方向。 ( 2 ) c a p p 的关键技术 成组技术( g r o u pt e c h n o l o g y ) ：c a p p 系统的研究与开发是与成组技术密切相关的， 早期的c a p p 系统的开发一般多为以g t 为基础的变异型c a p p 系统。 零件信息的描述与获取：c a p p 与c a d ，c a m 样，其单元技术都是按照自己的特点而 各自发展的。零件信息( 几何拓扑及工艺信息) 的输入是首当其冲的，即使是在集成化、 智能化、网络化、可视化的c a d c a p p c a m 系统，零件信息的生成与获取也是一项关键技 术。 工艺设计决策机制：核心为特征形面加工方法的选择，零件加工工序及工步的安排 及组合，主要决策内容如下：l 工艺流程的决策；2 工序决策；3 工步决策；4 工艺参数决 策。为保证工艺设计达到全局最优化，c a p p 系统把这些内容集成在一起，进行综合分析， 动态优化，交叉设计。 工艺知识的获取及表示：工艺设计随设计人员、资源条件、技术水平、工艺习惯的 不同而不同，要使c a p p 在企业内得到广泛有效的应用，必须总结出适应本企业生产的零 件加工的典型工艺及工艺决策方法，按c a p p 系统的开发要求，用不同的知识表示形式和 推理策略来描述这些经验及决策逻辑。 工序图及其它文档的自动生成。 n c 加工指令的自动生成及加工过程动态仿真。 1 2 硕士学位论文 工艺数据库的建立。 图2 1 是c a p p 过程卡片的一个示例，具体的卡片内容根据不同的零件加工工艺是不 同的，需要在实际的工作过程中进行编制和安排。 芟阵曩冀哩) 铡田话式o i 面兰田叫话注遇) 悻酸螬) 工 工艺但) 嚣勋诅】 口瞎nf舀嘱，一州 t 吐 - n 掣 图口篷肥t 琨。甘，器高oh = 弘舌甘2 芦c ：2 嘎二。4 群毒盘盛真 z 矿 o 积 ，照 r 簪 j 韶 。臼 口蔷 0r 口一i 瑚， l 口 投穷 五h a 啦 呸多 盘 盛拶 盘口 f ，i 和 “ f 一 、一 ” l 饥 i i ， 一lt i “t ， l 一，ii 一一| 1一， i 、r “ ￥0- f n 味l ， | 1 烈型氇黯捌。，。二二一黝纛，! ! 黧熙黑曼曼是二鳜三 图2 1c a p p 过程卡片 2 1 1 3c 圳( c o | i i p u t e ra id e dm a n u f a c t u rin g ) ，计算机辅助制造 其出现略早于c a d 。其概念有广义和狭义之分。广义的c a m 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，包括工艺设计、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 通常是指n c 程序的编制，主要包括刀具 路径规划、刀位文件生成、刀具轨迹仿真以及n c 代码生成等哺1 。 2 1 2c a d c a p p c 棚的集成 c a d c a p p c a m 集成技术不是c a x 单元技术的简单叠加，其作为一个整体名词，一项 整体技术，是以集成化为其主要特征的多学科的综合应用，所涉及的内容遍及计算机科 学、计算机图形学、系统工程、人工智能、机器人学、现代设计方法学以及机械制造等 多个学科领域。 c a d c a p p c a m 技术是把某一个过程经数字化后输入计算机，进行计算和处理，并由 计算机控制，以所要求的物化形式输出。在这个过程当中，人可以通过交互系统进行必 要的干预，使设计过程、制造过程、管理过程不仅达到信息化和自动化，而且达到系统 的全局最优化。 数字制造系统要求能在广泛分布的地域中协同并行的进行工作，并且要求能够跨部 门、跨企业、跨组织的进行松耦合的应用集成和业务集成，在时效性上强调异步实施和 并行工作。这些要求对于数字化制造系统的实现提出了很高的技术要求。 数字化制造的研究及数控代码自动编程的实现 。 从数字制造的形成背景，数字化制造体系结构包括数字化制造的理论基础和科学问 题、数字化制造的关键技术、数字化制造的应用领域和数字化实现网络等几个方面。由 于这个系统是非常庞大的，根据我国制造企业的现有状况来说，实现起来是相当的困难， 它的最终目的就是要在数字化的环境中完成产品的设计、仿真和加工，也就是在接到任 务后，首先进行概念设计和总体设计，然后进行计算机模拟过程，直至工艺规划过程、 c a m 和c a q 过程，最终形成产品。 2 2 中小型企业数字化制造体系 我国现在的制造业占了工业相当大的比重，国内的制造企业分布的相当广泛，几乎 在我国每个省市都有类型不同的制造企业，由于各个企业的情况不同，提出数字化制造 的架构需要采用不同的方案。 对于中小型企业来说，为适应市场竞争，满足客户对产品的个性化需求，采用数字 化制造手段是提高企业和产品竞争力的重要手段，但产品的多样性和信息系统的采用造 成了数据的迅速膨胀和对信息正确处理的需求。 2 2 1 中小型企业数字化制造体系面临的问题 改革开放以来，我国的制造信息技术和产业已进入较快发展的时期，对制造业的改 造起了较大的推动作用，目前存在的问题大致是： ( 1 ) 制造业处于改革、改组和改造阶段，多数企业效益有待提高，眼前困难多，负担重， 对信息的需求水平不高、不迫切。一些企业还习惯于把物质资源和物质财富视为主要资 源和财富，可以花钱买硬件，不愿买软件，不注意在企业信息化方面投资，也不愿在信 息资源的开发和利用上花钱。 ( 2 ) 受行业体制的束缚，行业、企业、部门各自为政，信息社会化程度低，信息流通较 差，市场环境不健全，信息商业化服务程度低，大量信息资源积压、浪费，并没有被很 好的利用到实际的生产中。 ( 3 ) 在制造信息化、数字化方面投入不足。 ( 4 ) 信息人才不足，且已有人才流失，亟需培养企业信息人才。 数字化制造以其响应快、质量高、成本低且柔性好，正在成为当代先进制造技术的 主流。面对挑战与机遇，我国制造业亟应加大改革、改组和改造的力度，在走向市场的 过程中，不断扩大数字化制造技术的应用。考虑到数字化制造是一项投入高且对员工素 质要求较高的应用技术，只能在已有基础和资源条件下，以效益导向，逐步推广应用。 2 2 2 中小型企业的数字化制造体系 企业信息系统一般都是面向某一行业或领域的，软件的选择是成功实施企业数字化 的重要保障。单一的软件系统不能提供一体化的解决方案，为满足应用和集成的需要， 企业不得不评估和购买诸如p d m 和e r p 等软件，多重软件的选择造成了实施成本的增加和 1 4 硕十学位论文 集成的困难。 对于中小型企业而言，其产品生产具有多品种、小批量，产品构成和生产流程较简 单的特点。我国目前拥有约1 0 0 0 万家中小型企业，预计到2 0 0 8 年将有5 0 一7 0 左右的企 业实现现代化管理，信息技术作为企业建设的基本要素和基础工具，是解决目前存在问 题的重要途径j 在这样的需求下，如何科学有效地对企业信息进行管理是一项十分现实的问题，针 对集成和数据管理的问题，可以建立一种具有单一数据源，包括设计、工艺、生产管理 在内的数字化的集成一体化系统。由于设计制造过程的复杂性，该系统的工作量很大， 若将目标放在中小型企业，对其功能进行简化，其实现是可行的。从技术和管理角度来 看，中小型企业信息系统的特征应有以下几点： ( 1 ) 信息系统应覆盖企业设计、制造、生产管理等环节中的关键业务，实现产品、过程、 资源的统一管理； ( 2 ) 系统应具有功能简化、模块通用化、易于配置和定制等特点，实施周期短； ( 3 ) 采用先进管理思想和技术手段； ( 4 ) 采用开放性好的应用系统、应用平台、技术等，并适当的采用w e b 技术。 根据企业的职能划分和业务处理流程确定各子系统的功能，并将其集成为一体，实 现资源共享和整体优化。数字化制造的基本架构如图2 2 所示，c a d 子系统，实现二维与 三维相结合，为c a m 编程进行三维实体建模，实现c a d 、c a p p 、c a m 系统集成，为c a p p 提 供图纸及产品结构等信息，为e r p 提供产品结构和明细，实现资源的网络共享口刁晗引。 从图2 2 可以看出中小企业整个数字化制造的架构，由于数字化制造是一个庞大的 体系，根据目前企业的现状和计算机网络技术发展方向和企业计算机网络现状，提出数 字化制造设计方案。采用关系数据库，建立客户端服务器体系结构( c s 模式) ，以便 充分利用网络服务器的处理能力，减少网络通讯量，加强信息共享。客户端与服务器间 采用星型网络拓扑结构，网络通讯协议采用t c p i p 协议。主干网采用光缆，以增加数据 传输的可靠性，以便实现c a d c a p p c a m 的集成和计算机协同工作。对于中小型企业，数 据库服务器可以采用m i c r o s o f t 的s q ls e r v e r 数据库作为数据库服务器，完全可以满足 企业的数据存储要求。 根据企业实际需求和影响生产经营的主要瓶颈，充分考虑实施的基础和工作量，借 鉴其他企业实施工程的经验，对数字化制造可以提出以下的实施方案，解决企业的发展 目标，继而取得明显的效益。 ( 1 ) 网络和数据库环境根据系统集成的要求进行网络和数据库规划，对企业现有的计算 机网络进行完善，按软、硬接口的总体原则集成，实现网络互联，完成1 0 0 m 1 0 0 0 m 网 络的改造和完善。建立集中统一的企业数据库管理系统，使企业信息及时、准确、畅通 地为企业各级、各类使用人员有效地进行生产经营决策、组织管理、工程设计等工作提 供支持。 ( 2 ) 工程设计与制造系统提高c a d c a p p c a m 应用水平，实现应用c a d 进行所有新产品和 主要工装的设计，完成主要零件的c a m ，完成主要产品的图档、版本和工作流程管理， 数宁化制造的研究及数控代码自动编程的实现 实现c a d c a p p c a m 的集成；应用c s c w 技术实现计算机协同工作旧4 | 。 ( 3 ) 企业管理信息系统，根据现有的比较流行的b s 结构模式实现企业内部的资源共享， 同时可以和以往的c s 架构相结合，取长补短，这样可以方便的根据各个部门的需要采 用不同的架构，降低了系统的成本，也增加了系统的安全性，从而保证了数字化系统被 合理、有效的利用，实现销、产、供、财务及主要资源系统的集成，提高企业管理水平， 进而提高企业的市场竞争能力和经济效益。 ( 4 ) 对于制造企业而言，生产部门是企业的核心部门，生产效率的高低和质量的好坏是 整个企业生存的关键因素，产品由设计、工艺装配、过程控制到最终产品的全过程，其 中最为核心、适合企业现状并容易实现的是c a d 、c a p p 、c a m 的集成。要实现c a d c a p p c a m 集成，数控代码自动生成是一个比较关键的问题，它是连接c a d 和c a m 的一个桥梁，从产 品设计的结果直接生成数控代码，通过网络( 或者其它介质与接口) 传输到数控设备的 c n c 系统中，直接控制数控机床进行加工，因此增加车间自动化系统是数字化制造中不 可缺少的一个环节，这个系统可以实现数控程序管理与部分n c 机床程序的数据传输心引。 有关数控代码自动生成的问题将在后面的章节中介绍。 1 6 硕士学位论文 图2 2 中小型企业数字化制造的体系结构 2 3 大型企业数字化制造体系 制造企业信息化从体系结构上讲分为三个层次：生产作业层的数字化、企业管理层 的数字化、领导决策层的数字化。这三个层次必须统一规划、统一设计、统一标准和统 一接口，实现企业物资流、资金流和信息流的有机统一。 数字化制造系统是一项长期的、综合的系统工程。广义地讲，它的任务包括硬件建 设、软件建设和应用系统建设等方面。 ( 1 ) 硬件方面：因特网( i n t e m e t ) 的连通；企业内部网( i n t r a n e t ) 的构建；科研、生产、营销、 办公等各种应用软件系统的集成或开发；企业内外部信息资源的挖掘与综合利用；信息 中心的组建以及信息技术开发与管理人才的培养。 ( 2 ) 软件方面：相关的标准规范问题以及安全保密问题的研究与解决；数字系统的使用 与操作以及数据的录入与更新的制度化；全体员工数字化意识的教育与数字化技能的培 训；与数字化相适应的管理机制、经营模式和业务流程的调整或变革。 ( 3 ) 应用系统建设的具体内容包括：网络平台、信息资源、应用软件建设三大部分，其 逻辑结构如图2 3 所示。企业数字化在应用层应有的主要系统是：技术信息分系统；管 理信息分系统；办公自动化分系统；企业网站分系统；