面向數字制造的海量產品設計信息研究

摘要：當前我國制造業正處于傳統制造業向新型制造業過渡的關鍵時期，數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我國制造業跨越式的發展是擺在我們面前的一個重要課題。數字制造的研究與發展需要有計劃、有目的地開展實施研究工作，建立若干應用示范點，推動數字制造的廣泛應用。

關鍵詞：數字制造；拓撲信息；設計信息

引言

數字制造是以制造為對象，以制造科學和技術為基礎，應用數字技術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、網絡化、智能化、集成化和可視化等特征的技術系統。它是應用虛擬現實技術、快速原型技術、數據庫技術、網絡技術和多媒體技術，結合計算機集成制造技術，根據用戶需求，迅速收集資源信息，并在高級決策系統的支持下，對產品信息、工藝信息和資源信息進行分析、規劃和重組，實現對產品設計和功能的仿真以及原型制造，進而快速生產出滿足用戶需求的產品。

1 數字制造系統建模理論

制造系統中的物質流、能量流和信息流貫穿于整個制造過程，因此，數字制造系統的建模也就圍繞著物流、資源、產品和信息而展開。物質流包含材料流、工件流和工具流等，涉及的模型有生產計劃模型、工藝模型、產品設計模型、設備模型、質量模型、加工精度模型和故障診斷模型。由于數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系和協同運作關系，因此物質流和信息流不再是獨立的，而是蘊含于上述聯系和運作之中。更確切地講，數字制造系統的建模對象涉及到廣義的制造過程，包括制造環境、制造行為和制造信息。

數字制造系統的目標，就是要在數字化的環境中完成產品的設計、仿真和加工。即接到定單后，首先進行概念設計和總體設計，然后是計算機模擬或快速造型過程，直至工藝規劃過程、CAM 和CAQ過程，最終形成產品。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，尤其是在基于網絡的制造環境下，資源、時間和控制信息的統籌管理和規劃顯得更加復雜。

2 產品模型的分類及面向數字制造產品設計信息

實現大系統環境下設計自動化的首要前提是要建立共享的產品信息模型。研究產品設計信息建模或產品建模是指在信息技術和計算機技術的支持下，以一定的數據抽象、定義和表達產品設計數據與數據的關系。

由于產品模型是面向應用的，不同的應用有不同的模型，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；面向裝配的產品模型。研究完備、正確的表達裝配對象極其裝配屬性的數據和數據關系，以支持自頂向下的產品設計；基于STEP的產品模型。采用STEP標準的描述方法和建模技術實現產品信息模型。

基于特征設計的思想是使設計人員能夠按照預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成形體的各面、邊及頂點的參數和屬性進行存取和查詢，便于實現以面、邊、點為基礎的各種幾何運算和操作。

圖2是三層結構的基于特征的零件設計信息模型，應用層根據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的特征類組成該零件完整的設計信息模型，物理層是邏輯層中各類特征在計算機中的物理實現。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生聯系。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構如圖3所示。

應用特征——指各種工程專業應用領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。但在設計、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。每一類中又有相應的特征，如軸類零件可分成如圖4所示的特征。

結束語。制造信息學研究為分析制造系統及其本質提供了一種新方法，如何及時地將諸多變化來源的無序數據和制造信息轉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。知識創新已成為制造業的靈魂，而創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、網絡化、虛擬化、綠色化、自動化和現代化的重要標志。在我國，只有工業化與信息化的相結合才能實現現代化，因此，制造信息學研究將任重而道遠。

參考文獻

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