摘要：當(dāng)前我國(guó)制造業(yè)正處于傳統(tǒng)制造業(yè)向新型制造業(yè)過(guò)渡的關(guān)鍵時(shí)期，數(shù)字制造為我們提供了一個(gè)很好的機(jī)遇，如何充分有效地利用這一機(jī)遇實(shí)現(xiàn)我國(guó)制造業(yè)跨越式的發(fā)展是擺在我們面前的一個(gè)重要課題。數(shù)字制造的研究與發(fā)展需要有計(jì)劃、有目的地開(kāi)展實(shí)施研究工作，建立若干應(yīng)用示范點(diǎn)，推動(dòng)數(shù)字制造的廣泛應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：數(shù)字制造；拓?fù)湫畔ⅲ辉O(shè)計(jì)信息

引言

數(shù)字制造是以制造為對(duì)象，以制造科學(xué)和技術(shù)為基礎(chǔ)，應(yīng)用數(shù)字技術(shù)對(duì)制造所涉及的所有對(duì)象和活動(dòng)進(jìn)行表達(dá)、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(shí)技術(shù)、快速原型技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和多媒體技術(shù)，結(jié)合計(jì)算機(jī)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(jí)決策系統(tǒng)的支持下，對(duì)產(chǎn)品信息、工藝信息和資源信息進(jìn)行分析、規(guī)劃和重組，實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和功能的仿真以及原型制造，進(jìn)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(gè)制造過(guò)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(kāi)。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(jì)劃模型、工藝模型、產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(gè)制造拓?fù)淇臻g中各拓?fù)渲g的相互聯(lián)系和協(xié)同運(yùn)作關(guān)系，因此物質(zhì)流和信息流不再是獨(dú)立的，而是蘊(yùn)含于上述聯(lián)系和運(yùn)作之中。更確切地講，數(shù)字制造系統(tǒng)的建模對(duì)象涉及到廣義的制造過(guò)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(biāo)，就是要在數(shù)字化的環(huán)境中完成產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、仿真和加工。即接到定單后，首先進(jìn)行概念設(shè)計(jì)和總體設(shè)計(jì)，然后是計(jì)算機(jī)模擬或快速造型過(guò)程，直至工藝規(guī)劃過(guò)程、CAM 和CAQ過(guò)程，最終形成產(chǎn)品。為完成每一個(gè)過(guò)程，必須有資源和時(shí)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(shí)間的分配，又依賴于其它過(guò)程以及總體規(guī)劃的資源和時(shí)間的制約，且反饋信息將為前后過(guò)程所用，尤其是在基于網(wǎng)絡(luò)的制造環(huán)境下，資源、時(shí)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(jì)信息

實(shí)現(xiàn)大系統(tǒng)環(huán)境下設(shè)計(jì)自動(dòng)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(jì)信息建模或產(chǎn)品建模是指在信息技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的支持下，以一定的數(shù)據(jù)抽象、定義和表達(dá)產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(dāng)前研究的熱點(diǎn)： 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(yǔ)義采用特征來(lái)定義；面向裝配的產(chǎn)品模型。研究完備、正確的表達(dá)裝配對(duì)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(jì)；基于STEP的產(chǎn)品模型。采用STEP標(biāo)準(zhǔn)的描述方法和建模技術(shù)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品信息模型。

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

對(duì)于一條空間直線，可以用它的兩個(gè)端點(diǎn)的位置矢量來(lái)表示，也可以用其端點(diǎn)在三維直角坐標(biāo)系中的坐標(biāo)分量來(lái)定義。拓?fù)潢P(guān)系允許三維實(shí)體作彈性運(yùn)動(dòng)，這些運(yùn)動(dòng)使得三維實(shí)體上的點(diǎn)仍為不同的點(diǎn)，而不允許把不同的點(diǎn)合并成一個(gè)點(diǎn)。對(duì)于兩個(gè)形狀和大小不一樣的實(shí)體的拓?fù)潢P(guān)系恰好可能是等價(jià)的。典型的例子是立方體和圓柱體，這兩個(gè)實(shí)體的幾何信息是不同的，而其拓?fù)涮匦允堑葍r(jià)的，如圖1所示。描述拓?fù)湫畔⒌母灸康氖潜阌谥苯訉?duì)構(gòu)成形體的各面、邊及頂點(diǎn)的參數(shù)和屬性進(jìn)行存取和查詢，便于實(shí)現(xiàn)以面、邊、點(diǎn)為基礎(chǔ)的各種幾何運(yùn)算和操作。

圖2是三層結(jié)構(gòu)的基于特征的零件設(shè)計(jì)信息模型，應(yīng)用層根據(jù)具體的零件對(duì)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(jì)信息模型，物理層是邏輯層中各類特征在計(jì)算機(jī)中的物理實(shí)現(xiàn)。邏輯層是以“類”型式表達(dá)的各種特征，各類特征還可進(jìn)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(jī)械產(chǎn)品的幾何形狀抽象出來(lái)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(dú)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(gè)零件可由一個(gè)基本形狀特征和若干個(gè)附加形狀特征來(lái)描述。通用特征分類的樹(shù)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(jì)、分析、制造等不同階段，可有不同的特征定義。按機(jī)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(yǔ)。制造信息學(xué)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(shí)地將諸多變化來(lái)源的無(wú)序數(shù)據(jù)和制造信息轉(zhuǎn)換成有用的知識(shí)和有效的決策是制造信息學(xué)所面臨的挑戰(zhàn)。知識(shí)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(xué)走向全球化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化、虛擬化、綠色化、自動(dòng)化和現(xiàn)代化的重要標(biāo)志。在我國(guó)，只有工業(yè)化與信息化的相結(jié)合才能實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化，因此，制造信息學(xué)研究將任重而道遠(yuǎn)。

參考文獻(xiàn)

[1]余文勇等. 數(shù)字制造系統(tǒng)的建模理論及方法研究[J].《高技術(shù)通訊》2002，（1）：57~61

[2]魏生民 朱喜林等. 機(jī)械CAD/CAM[M]. 武漢：武漢理工大學(xué)出版社，2001

[3]張伯鵬. 信息驅(qū)動(dòng)的數(shù)字化制造[J].《中國(guó)機(jī)械工程》1999，（2）：211~215