第1章绪论
1.1研究背景
现代制造企业面对如此严峻的竞争形势,为了适应迅速变化的市场需求,提高竞争能力,就必须采用先进制造技术。先进制造技术是制造技术的最新发展,其概念超越了传统的制造技术和工厂、车间的边界,包容了从市场需求、创新设计、工艺技术、生产过程组织与监控、市场信息反馈等在内的工程系统。它是以先进制造工艺技术、计算机应用技术为核心的信息、设计方法、工艺技术、物流工程及相应的管理工程集成的现代制造工程,是不断更新发展的高技术体系。它通过技术和管理的优化组合,期望通过产品的T、Q、c、s等的优化,取得最佳市场竟争力。80年代初,以信息集成为核心的计算机集成制造系统开始得到实施;80年代末,以过程集成为核心的并行工程技术进一步提高T制造水平:进入90年代,先进制造技术进一步向更高水平发展,出现了虚拟制造、精益生产(LP,LeanProduetion)、敏捷制造、虚拟企业等新概念。其中,虚拟制造作为一种21世纪的新型制造策略和方法正越来越受到工业界和学术界的重视,成为当前先进制造技术的研究热点之一。虚拟制造系统是多学科先进制造技术的综合应用,其本质是以计算机支持的仿真技术、产品建模技术、人工智能技术、并行工程技术、分布式智能协同求解技术等为前提,对设计、制造等过程进行统一建模,在产品设计阶段实时、并行地模拟产品未来制造全过程及其对产品设计地影响,预测产品的性能、产品的可制造性、产品的成本等。从而更有效地、柔性灵活的组织生产,使工厂与车间的设计与布局更合理,以达到产品的开发周期和成本的最小化,产品设计质量最优化,生产效率最高化。
1.2研究现状
1.2.1虚拟制造研究
由于虚拟制造的概念是20世纪90代初才出现的,目前的研究还处于初级阶段,完整的理论体系还没有形成,还缺乏从全企业层次的高度上开展对虚拟制造的系统研究,主要表现在以下几个方面。(1)虚拟制造的基础是产品、工艺规划及生产系统的信息模型,尽管国际标准化组织花了很大精力去开发产品信息模型,但CAD开发者尚未采用它们;而且工艺规划模型的研究己获得了一些进展和应用,但仍然没有一种综合的、可集成于虚拟制造平台的工艺规划模型。至于生产系统能力和性能模型,以及其动态模型的研究和开发也需要进一步加强。(2)现有的可制造性评价方法主要是针对零部件制造过程,因而面向产品生产过程的可制造性价方法需要研究开发,包括各工艺步骤的处理时间、生产成本和质量的估计等。(3)制造系统的布局、生产计划和调度是一个非常复杂的任务,它需要丰富的经验知识,支持生产系统的计划和调度规划的虚拟生产平台需要拓展和加强。(4)分布式环境,特别是适应敏捷制造的公司合作、信息共享、信息安全性等方法和技术需要研究和开发,同时经营管理过程重构方法的研究也需加强。(5)虚拟制造环境缺乏统一的集成框架和体系,其理论基础与体系尚未完全形成,正处于研究探索阶段近年来,工业发达国家率先进行了虚拟制造的应用和研究。在美国,NIST正在建立虚拟制造环境一国家先进制造测试床NAMT,美国自然科学基金(NSP)和美国国防部高级研究计划署(ARPA)资助和支持下的几所大学和企业联合研究中心正在进行虚拟制造各个领域关键技术和系统开方面的研究,波音公司与麦道公司联手建立了助,在日本,东京大学和大阪大学的研究人员自1993年起也在CIRP上发表论文,论述虚拟环境下产品建模的需求及其关键技术、虚拟制造体系结构等方面的研究成果,另外,德国的技术大学Fraunhofer计算机图形研究所,加拿大的。大学,比利时的虚拟现实协会等均先后成立了研究机构,开展虚拟制造技术的研究。在国内,对虚拟制造技术的研究还处于初级阶段,主要研究机构有:清华大学CIMS工程技术研究中心,上海交通大学的研究所,华中科学技术大学的机械工程系,西安交通大学的姗研究所等。
1.2.2特征技术研究
特征最早用来描述产品,许多开始对特征的研究工作都来源于这样的想法,即从几何模型中提取几何形体,以形成产品的加工工艺、GT代码和NC程序。因此,从特征制造的观点来看,特征代表了与加工和刀具有关的形状和属性。由于特征在几何造型中的发展,从造型的角度来看特征是相互联系的几何形状和拓扑形体的组合。随着“特征设计”方法的出现,特征被定义为生成、分析和评价设计的元素。从产品定义的观点来看,特征是与产品描述有关的信息的集合。尽管对特征有许多不同的定义,但它们也都有共同的特点,那就是特征表达了零件几何形体的工程意义,基于特征的建模方法有力的支持了超出零件几何模型的上层信息,这些上层信息使得产品设计环境更加丰富,更加具有吸引力。从以往的工作来看,国内外对设备特征的研究比较少见,目前对设备特征的概念没有一个统一的定义,这是因为设备与产品不同,它不能以一定的几何模型来描述,因此也不能把工程意义附着在几何模型上来形成设备特
1.3本文主要研究内容
由以上内容可知,虚拟制造这一先进制造技术是提高企业竞争力,解决TQcS难题的有力工具之一,具体到模具行业来看,当前我国的模具行业普遍存在以下问题。(l)当前模具行业普遍存在着不可忽视的问题,有设计性差、对经验的依赖性强、模具的试制周期长、再设计的可能性加大,从而导致模具的总成本增高。(2)市场需求分析,模具设计、制造和产品加工独立分化,没有全局观念,对项目往往缺乏可行性和经济效益评价,不能积极关注全球市场的需求动态。(3)尽管近几年模具行业采用了一些先进的CA以CAE和CAM等技术,但在总体管理上,整个运转过程是串行的而非并行的。(4)自行开发一些新的系统,需要很大的时间和精力,且软件的实用化和商品化也需要几年到十几年的努力;购置一些成熟的软件需要花费较大的前期投资和后期的维护资金,而大部分这样的软件都仅有某一方面的功能,对其他项目可能不适应。上述这些弊端是制约模具行业发展和繁荣的主要原因,面对制造全球化的趋势,模具制造行业迫切需要先进制造技术的支持。现代模具制造加工业,应当面向全球市场需求,借助于计算机网络,综合使用各种先进的计算机辅助技术及现代管理技术,以生产出优质、高效、低费用的产品。将虚拟制造引入并应用到模具的设计和制造,是企业实现技术进步,提高经济效益和增强竞争力的有效手段,本文针对型腔模具这一具体类产品进行虚拟制造的研究,着重解决模具虚拟制造系统整体架构和NC设备资源信息的共享问题
主要研究内容有:(1)型腔模具虚拟制造体系结构体系结构的研究对于制造系统的建立有提掣领的作用,本文首先对型腔模具虚拟制造系统的体系结构进行研究,结合当前模具行业的实际情况,建立了一个型腔模具虚拟制造体系结构,该模型可以用系统结构逻辑关系图、系统网络分布图和系统应用层次图来表示。它采用当前流行的三层结构,即浏览器/服务器/数据库,在数据库的支持下,可以建立一个新型的产品开发环境,为型腔模具制造开发的高效、并行提供有力支持。
第2章虚拟制造及其体系结构
2.1虚拟制造的定义、
要全面的理解虚拟制造的概念,还必须对虚拟制造进行分类比较,虚拟制造既涉及到与产品开发制造有关的工程活动的虚拟,又包含与企业组织经营有关的管理活动的虚拟,因此,虚拟设计、生产和控制机制是虚拟制造的有机组成部分。按照与生产各个阶段的关系,美国马里兰大学的研究人员首次将虚拟制造分成三类,即以设计为核心的虚拟制造以生产为核心的虚拟制造和以控制为中心的虚拟制造。(1)以设计为中心的虚拟制造以设计为中心的虚拟制造把制造信息引入到设计全过程,利用仿真技术来优化产品设计,从而在设计阶段,就可以对所设计的零件甚至整机进行可制造性分析,包括加工过程的工艺分析、铸造过程的热力学分析、运动部件的运动学分析和动力学分析等,甚至包括加工时间、加工费用、加工精度分析等。它主要是解决“设计出来的产品是怎样的”的问题。
2.2虚拟制造的特点
虚拟制造系统生产的是数字化产品,它的最终目标是指导现实生产的发展,相对于传统的制造系统,它具有以下几个主要特点:
(1)支持信息集成企业的全面信息集成是虚拟制造实行的基础,虚拟制造系统对产品生产的全过程进行建模和仿真,产品与制造环境是虚拟模型,在计算机上对虚拟模型进行产品设计、制造、测试,甚至设计人员或用户可“进入”虚拟的制造环境检验其设计、加工、装配和操作,而不依赖于传统的原型样机的反复修改。因此,应综合运用系统工程、知识工程和人一机工程等多学科先进技术,使产品生命周期内的信息高度集成。
(2)支持并行工程虚拟制造生产的是数字化产品,在实际生产之前就可以真实的显示出产品的模型,在虚拟实现技术的支持下,可以以良好的人机界面进行交互,使未来的顾客能够参与到设计过程中,在产品数据管理等技术的支持下,产品数据得以有效的管理,产品生产各个阶段的活动能够并行高效的进行。
(3)支持敏捷制造敏捷制造作为一种先进的制造模式,强调企业的灵活性,快速反映市场的能力,而虚拟制造通过虚拟公司的形式能够在全球范围内快速的整合资源,实现优化配置,抢占市场优势。
(4)支持绿色制造虚拟制造强调产品生命周期的概念,包括设计、制造、生产、销售、服务和回收再利用等生产全过程,而且,虚拟制造通过生产数字产品,开发的产品一(部件)可存放在计算机里,不但大大节省仓储费用,更能根据用户需求或市场变化快速改型设计,快速投入批量生产,从而尽可
2.3虚拟制造的分类
虚拟制造系统是在一定的体系上构成和运行的,体系结构(Architecture)一词来源于建筑业,原指建筑体的结构框架,此处指的是制造系统的整体框架结构,它从系统整体的角度出发对虚拟制造进行研究,对制造系统起到了提纲挚领的作用,体系的优劣直接关系到虚拟制造实施技术的成败,因此,制造体系的研究具有非常重要的意义。当前国内外有许多学者在对这一关键技术进行研究,代表性的研究成果有:Mediator体系、Iwata体系、分布式体系和工具集体系。
(1)体系体系希望通过建立一个开放式的信息和知识体系,以提供一套支持复杂制造环境的柔性管理技术。由于系统的地域分布性、及其不同的应用软件、多类型的操作平台、协议和用户界面,Mediator着重处理上述前提下的知识支持技术,以更快地进行通讯。Mediator体系
中有4个扇面和4个轮圈。4个扇面是:用户、设计应用、体系内核、通用软件包。4个轮圈自内向外分别是:界面层、应用层、活动层、通讯层,其中界面层使用文本、图形或超媒体式;应用层提供特定服务的功能软件包;活动层支持Agent的活动:通讯层支持协议,并将其用于知识数据的交换。
………………
第3章型腔模具虚拟制造体系结构………………17
3.1引言………………17
3.2Intranet/Internet网络………………17
3.3型腔模具虚拟制造体系结构………………18
3.4型腔模具虚拟制造系统的特点………………21
3.5本章小结………………22
第4章基于过程特征的虚拟NC设备模型………23
4.1引言………………23
4.2设备特征的概念………………23
4.3设备信息需求分析………………24
4.4虚拟设备建模………………26
第5章虚拟NC设备特征库方案选择与数据建模………37
5.1引言………………37
5.2Web数据库技术方案………………37
5.3数据库端系统方案………………42
5.4设备特征库开发工具………………43
5.5数据建模………………44
5.6本章小结………………47
第6章虚拟NC设备特征库的程序实现
6.4本章小结
虚拟设备库应用系统包括安全登录、应用服务、信息浏览、数据管理、系统设置和辅助功能等六个模块,通过贾eb方式可以实现以下主要功能.1.对虚拟设备信息的查询,以选择相对理想的机床.2.提供UG/cAM后处理及UG/UNISIM加工仿真所需的机床信息文件。3.实现数据库信息的异地管理和维护,包括对设备数据库记录的更新、删除、添加和浏览。
………………
结论
本文在对型腔模具虚拟制造体系结构及NC设备资源信息进行研究的基础上,得出如下结论:(1)根据型腔模具制造的特点,给出了基于加加坦既吸血met的型腔模具虚拟制造体系结构,该结构具有分布性、并行性、开放性、集成性和人机和谐性,能为型腔模具虚拟制造系统的建立起到指导作用。(2)将特征概念应用到设备建模过程中,建立了基于过程特征的虚拟NC设备模型,该模型为包括数据层、协议层、应用层和用户层的四层结构,对虚拟设备特征库的开发具有指导意义。利用面向对象的思想和方法可以对设备过程特征进行分类和详细描述。(3)综合分析了当前Web访问数据库的几种技术方案,包括CGI、JDBC、和ASP,确定采用ASP技术,它具有采用组件技术、支持事务处理、支持多种语言等特点。考虑性能价格比等因素,确定数据库管理系统采用MicrosoftSQLServer7.0。(4)开发了包括应用服务、信息浏览等6个模块的虚拟桃设备过程特征库软件,可以为模具制造网络化的实现提供三个重要要功能:1)对虚拟设备信息的查询,以选择相对理想的机床。2)提供UG/C心后处理及UG/UNISIM加工仿真所需的机床信息文件,实现设备库与UG的集成,有助于型腔模具加工一次成功。3数据库信息的异地管理和维护。该设备库能够为型腔模具制造提供网络化的设备制造资源信息,为模具制造行业面对全球化制造趋势,实现技术网
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参考文献（略）