面向數(shù)字制造的海量產(chǎn)品設(shè)計信息研究

摘要：當前我國制造業(yè)正處于傳統(tǒng)制造業(yè)向新型制造業(yè)過渡的關(guān)鍵時期，數(shù)字制造為我們提供了一個很好的機遇，如何充分有效地利用這一機遇實現(xiàn)我國制造業(yè)跨越式的發(fā)展是擺在我們面前的一個重要課題。數(shù)字制造的研究與發(fā)展需要有計劃、有目的地開展實施研究工作，建立若干應(yīng)用示范點，推動數(shù)字制造的廣泛應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：數(shù)字制造；拓撲信息；設(shè)計信息

引言

數(shù)字制造是以制造為對象，以制造科學和技術(shù)為基礎(chǔ)，應(yīng)用數(shù)字技術(shù)對制造所涉及的所有對象和活動進行表達、處理和控制，具有信息化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化、集成化和可視化等特征的技術(shù)系統(tǒng)。它是應(yīng)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)、快速原型技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和多媒體技術(shù)，結(jié)合計算機集成制造技術(shù)，根據(jù)用戶需求，迅速收集資源信息，并在高級決策系統(tǒng)的支持下，對產(chǎn)品信息、工藝信息和資源信息進行分析、規(guī)劃和重組，實現(xiàn)對產(chǎn)品設(shè)計和功能的仿真以及原型制造，進而快速生產(chǎn)出滿足用戶需求的產(chǎn)品。

1 數(shù)字制造系統(tǒng)建模理論

制造系統(tǒng)中的物質(zhì)流、能量流和信息流貫穿于整個制造過程，因此，數(shù)字制造系統(tǒng)的建模也就圍繞著物流、資源、產(chǎn)品和信息而展開。物質(zhì)流包含材料流、工件流和工具流等，涉及的模型有生產(chǎn)計劃模型、工藝模型、產(chǎn)品設(shè)計模型、設(shè)備模型、質(zhì)量模型、加工精度模型和故障診斷模型。由于數(shù)字制造研究的是整個制造拓撲空間中各拓撲之間的相互聯(lián)系和協(xié)同運作關(guān)系，因此物質(zhì)流和信息流不再是獨立的，而是蘊含于上述聯(lián)系和運作之中。更確切地講，數(shù)字制造系統(tǒng)的建模對象涉及到廣義的制造過程，包括制造環(huán)境、制造行為和制造信息。

數(shù)字制造系統(tǒng)的目標，就是要在數(shù)字化的環(huán)境中完成產(chǎn)品的設(shè)計、仿真和加工。即接到定單后，首先進行概念設(shè)計和總體設(shè)計，然后是計算機模擬或快速造型過程，直至工藝規(guī)劃過程、CAM 和CAQ過程，最終形成產(chǎn)品。為完成每一個過程，必須有資源和時間的分配，以及控制量的輸入和反饋信息的輸出。而資源和時間的分配，又依賴于其它過程以及總體規(guī)劃的資源和時間的制約，且反饋信息將為前后過程所用，尤其是在基于網(wǎng)絡(luò)的制造環(huán)境下，資源、時間和控制信息的統(tǒng)籌管理和規(guī)劃顯得更加復(fù)雜。

2 產(chǎn)品模型的分類及面向數(shù)字制造產(chǎn)品設(shè)計信息

實現(xiàn)大系統(tǒng)環(huán)境下設(shè)計自動化的首要前提是要建立共享的產(chǎn)品信息模型。研究產(chǎn)品設(shè)計信息建?；虍a(chǎn)品建模是指在信息技術(shù)和計算機技術(shù)的支持下，以一定的數(shù)據(jù)抽象、定義和表達產(chǎn)品設(shè)計數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)的關(guān)系。

由于產(chǎn)品模型是面向應(yīng)用的，不同的應(yīng)用有不同的模型，以下三類模型是當前研究的熱點： 基于特征的產(chǎn)品模型。零件或部件的幾何描述極其工程語義采用特征來定義；面向裝配的產(chǎn)品模型。研究完備、正確的表達裝配對象極其裝配屬性的數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)關(guān)系，以支持自頂向下的產(chǎn)品設(shè)計；基于STEP的產(chǎn)品模型。采用STEP標準的描述方法和建模技術(shù)實現(xiàn)產(chǎn)品信息模型。

基于特征設(shè)計的思想是使設(shè)計人員能夠按照預(yù)先定義好的形狀特征來建立模型，而不是事后識別形狀特征。它是設(shè)計人員較常用的一種方法。

對于一條空間直線，可以用它的兩個端點的位置矢量來表示，也可以用其端點在三維直角坐標系中的坐標分量來定義。拓撲關(guān)系允許三維實體作彈性運動，這些運動使得三維實體上的點仍為不同的點，而不允許把不同的點合并成一個點。對于兩個形狀和大小不一樣的實體的拓撲關(guān)系恰好可能是等價的。典型的例子是立方體和圓柱體，這兩個實體的幾何信息是不同的，而其拓撲特性是等價的，如圖1所示。描述拓撲信息的根本目的是便于直接對構(gòu)成形體的各面、邊及頂點的參數(shù)和屬性進行存取和查詢，便于實現(xiàn)以面、邊、點為基礎(chǔ)的各種幾何運算和操作。

圖2是三層結(jié)構(gòu)的基于特征的零件設(shè)計信息模型，應(yīng)用層根據(jù)具體的零件對象及與上下游信息集成的需要，從邏輯層中提取相關(guān)的特征類組成該零件完整的設(shè)計信息模型，物理層是邏輯層中各類特征在計算機中的物理實現(xiàn)。邏輯層是以“類”型式表達的各種特征，各類特征還可進一步劃分。

例如，形狀特征從整體上看可分為以下兩大類：

通用特征——指從機械產(chǎn)品的幾何形狀抽象出來的一般性特征。它由基本形狀特征和附加形狀特征組成，基本形狀特征可以單獨存在，而附加形狀特征不可以，它必須與基本形狀特征或其它附加形狀特征發(fā)生聯(lián)系。一個零件可由一個基本形狀特征和若干個附加形狀特征來描述。通用特征分類的樹形結(jié)構(gòu)如圖3所示。

應(yīng)用特征——指各種工程專業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域里所遇到的各種形狀特征。這些特征中有的仍以前述的通用特征為基礎(chǔ)。但在設(shè)計、分析、制造等不同階段，可有不同的特征定義。按機械零件的幾何形狀可大致分為軸類、盤類、支架類和自由曲面類。每一類中又有相應(yīng)的特征，如軸類零件可分成如圖4所示的特征。

結(jié)束語。制造信息學研究為分析制造系統(tǒng)及其本質(zhì)提供了一種新方法，如何及時地將諸多變化來源的無序數(shù)據(jù)和制造信息轉(zhuǎn)換成有用的知識和有效的決策是制造信息學所面臨的挑戰(zhàn)。知識創(chuàng)新已成為制造業(yè)的靈魂，而創(chuàng)新能力的獲得需要信息共享。信息化是制造科學走向全球化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化、虛擬化、綠色化、自動化和現(xiàn)代化的重要標志。在我國，只有工業(yè)化與信息化的相結(jié)合才能實現(xiàn)現(xiàn)代化，因此，制造信息學研究將任重而道遠。

參考文獻

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