虚拟制造技术论文范文
时间：2023-04-10 15:32:00
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为把我国建成不仅是新的世界制造中心，而且是广泛应用先进技术的制造强国，国家对制造企业提出了宏伟目标，即要求国内骨干企业尽快着手信息化工作，2010年到2015年大中型企业要达到国际先进的信息化制造水平。实际上，信息化不仅是政策的约束，更是市场的驱使，随着市场经济全球化的进程，信息化制造将成为现代制造企业追求的重要目标之一。
一、信息化制造与虚拟技术
什么才是信息化制造？信息化制造是以虚拟制造和大规模定制生产为标准的，只有基本上实现了从产品设计、开发、生产制造和流通以至产品全生命周期的信息化，才算真正完成信息化工作，在此基础上的先进制造模式和信息化内容才能叫做信息化制造。
随着计算机、自动化及网络技术在制造系统中的应用，信息技术对制造技术发展的作用目前已占到第一位。产品制造过程中的信息投入，己成为决定产品成本的主要因素。信息技术使现代制造的技术含量提高，使传统制造技术发生质的变化。信息技术也促进着设计技术的现代化，加工制造的精密化、快速化，自动化技术的柔性化、智能化，整个制造过程的网络化、全球化。
制造业要在竞争激烈的全球市场求得生存与发展，必须能够更好地满足市场所提出的TQCS要求，即要以最短的产品开发周期(Time)、最优质的产品质量（Quality）、最低廉的制造成本（Cost）和最好的技术支持与售后服务（Service）来赢得市场与用户。为了提高竞争能力，企业应当能够对市场需求的变化做出快速敏捷的反应，并及时地对自身的生产做出合理的调整与重新规划。面对不可预测、持续发展、快速多变的市场需求，企业的生产活动必须具有高度的柔性。计算机软硬件技术及网络技术的迅速发展为实现这一目标提供了强有力的支持。
基于这些因素，概念设计、并行工程、智能制造、敏捷制造等多种有关先进制造技术的新思想、新概念相继诞生。虚拟制造（VirtualManufacture）就是其中之一，它代表了一种全新的制造体系和模式。在虚拟制造中，产品开发是基于数字化的虚拟产品开发VPD方式（VirtualProductDevelopment），以用户的需求为第一驱动，并将用户需求转化为最终产品的各种功能特征。VPD保证了产品开发的效率和质量，提高了企业的快速响应和市场开拓能力。
虚拟技术在先进制造技术中的应用主要包括虚拟制造和虚拟企业两个部分。
1．虚拟制造(VM)是在产品设计阶段实时地、并行地模拟产品未来制造全过程及其对产品设计的影响，预测产品性能、产品的可制造性、产品的成本等，从而更有效地、柔性灵活地组织生产，并使新产品开发一次获得成功，目的是尽量降低产品的成本，缩短产品的开发周期，提高产品的质量和寿命，快速有效地响应瞬息万变的市场。
虚拟制造实际上是一种计算机科学技术，以信息技术、仿真技术、虚拟现实技术为支柱，在产品设计或制造系统的物理实现之前，就能使人体会到或感觉到未来产品的性能或者制造系统的状态，从而可以做出前瞻性的决策与优化实施方案。从本质上讲虚拟制造技术是对真实制造过程的动态模拟、仿真，是在计算机上制造数字化产品，经过模拟仿真对产品外形设计、布局设计、加工及装配过程达到优化产品的设计及工艺过程、优化制造环境配置和生产供给计划、优化制造过程并改进制造系统的目的，用来改善各个层次的决策和控制。虚拟制造从根本上改变了设计、试制、修改设计、规模生产的传统制造模式。在产品真正制出之前，在虚拟制造环境中生成软产品原型代替传统的硬样品进行试验，对其性能和可制造性进行预测和评价，从而缩短产品的设计与制造周期，降低产品的开发成本，提高系统快速响应市场变化的能力。
2．虚拟企业是为了快速响应某一市场需求，将产品涉及到的不同企业临时组建成为一个没有围墙、超越空间约束、靠计算机网络联系、统一协调的合作经济实体。虚拟企业的特点是企业的功能上不完整、地域上分散和组织结构上非永久性，它是实现敏捷制造的有效手段。由于市场的全球化，企业必须不断创新产品及优化制造过程，快速响应客户要求，才能取得竞争上的优势。同时，企业不可能也不必做每一件事、每一个部件和每一个制造过程，而必须寻找合适的合作伙伴。其最终目标是利用不同地区的现有生产资源，把它们迅速组合成一种没有界限的、靠电子手段联系的经营实体，以便快速推出高质量、低成本的新产品。
由于国内外市场竞争日益加剧，科学技术发展迅速，产品更新换代速度加快及人们对产品多样化的需求增加，使得机械制造业向多品种小批量生产方式发展。因此，缩短产品开发周期成为决定制造业竞争力的首要因素。而虚拟制造技术被认为是加速新产品开发的有效手段，它能很好地解决制造业的TQCS难题，虚拟制造技术对制造业将是一次新的革命，它的广泛应用意义是深远的。
二、市场化与虚拟制造技术应用
制造业是我国国民经济的支柱产业，它一方面创造价值，生产物质财富和新的知识，另一方面为国民经济各个部门包括国防和科学技术的进步与发展提供先进的手段和装备。在我国的经济腾飞中，制造业功不可没。但是，随着计划经济体制向市场经济体制转变，我国制造企业的弊端日益显露出来。
我国制造业目前存在的五大难题：
1．产品质量不稳定，水平低下，主要机械产品中达到当代世界先进水平的不到10%；
2．生产集中度低，分散、重复严重，缺乏协作；
3．科技基础薄弱，自主研发创新能力差；
4．企业装备陈旧，生产工艺落后，精密、高效、数控设备不足10%；
5．人才培养后继乏力；加之企业基础管理薄弱，缺乏现代生产管理意识，在市场经济新形势下显得十分被动。
虚拟制造在工业发达国家，如美国、德国、日本等已得到了不同程度的研究和应用。在这一领域，美国处于国际研究的前沿。福特汽车公司和克莱斯勒汽车公司在新型汽车的开发中已经大量应用虚拟制造技术，大大缩短了产品的时间；波音公司设计的777型大型客机是世界上首架以三维无纸化方式设计出的飞机，它的设计成功已经成为虚拟制造从理论研究转向实用化的一个里程碑。
虚拟制造(VM)作为一种哲理、一种制造策略为制造业的发展指明了方向。它可以全面改进企业的组织管理工作，提高企业整体运作及全面最优决策的效能和市场竞争力。实施虚拟制造可以打破传统的地域、时域的限制，通过Internet实现资源共享，变分散为集中，可实现异地设计、异地制造，从而使产品开发能以快速、优质、低耗响应市场变化。通过分析设计的可制造性，利用有效的工具和加工方法来支持生产，可以大大提高产品的质量和稳定性。企业不再需要投入大量的设备和仪器，从而避免了不必要的设备闲置，可充分利用其他企业的先进设备和仪器进行生产，能很好地解决一些中小企业资金短缺的难题。
但在实施虚拟制造技术过程中，虽然国家对制造业十分重视，但由于我国当前正处于体制改革过程中，多种机制并行，在资金使用时较难协调，国家也难以投入重金支持虚拟制造技术研究。应用人才短缺，企业的整体认识不统一，就是现有的科研成果都难以推广应用，因此实现企业信息化制造任重而道远，但这些并不能阻挡它的向前发展。
三、实施虚拟制造应采取的措施
1．高度重视和全面规划。虚拟制造技术与其它的先进制造技术是相互关联、彼此交叉的，其涉及面广、技术难度大，研究及推广应用需要投入大量人力、物力及资金，政府部门应从宏观上加强对虚拟制造技术的指导，同时要使虚拟制造技术与各种先进制造技术相互衔接、协调发展。
2．加强人才培养和培训工作。人是先进制造的主体，没有高素质的人的参与，再好的技术也发挥不了应有的作用。因此，企业领导应有人本思维，采用人机一体的技术路线。企业在培养和引进高层次、高质量研究型、管理型和开发应用型人才的同时，大力普及CAD/CAM技术，及时推行精益生产、并行工程等思想和技术，全面提高企业员工的技术素质。企业与高校应探索人才的联合培养新模式，不断增强科技创新能力。
3．加强关键技术的研究、开发和应用。虚拟制造技术包括软件技术和硬件技术，其中建模技术、计算机仿真技术和虚拟现实技术等是实施虚拟制造的关键技术。我国科研力量分散，建立分布式网络化研究中心，以企业为主体，产学研相结合，重点投资与自身发展有关的关键技术的研究，进行研发和推广是一条值得深入探索的道路。
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关键词：集成；系统；技术构成
一、现代集成制造系统的含义与定位
现代集成制造系统(ContemporaryIntegratedManufacutringSystem)是计算机集成制造系统新的发展阶段，在继承计算机集成制造系统优秀成果的基础上，它不断吸收先进制造技术中相关思想的精华，从信息集成、过程集成向企业集成方向迅速发展，在先进制造技术中处于核心地位。具体地说，它将传统的制造技术与现代信息技术、管理技术、自动化技术、系统工程技术进行有机地结合，通过计算机技术使企业产品在全生命周期中有关的组织、经营、管理和技术有机集成和优化运行。在企业产品全生命周期中实现信息化、智能化、集成优化，达到产品上市快、服务好、质量优、成本低的目的，进而提高企业的柔性、健壮性和敏捷性，使企业在激烈的市场竞争中立于不败之地。
二、现代集成制造系统的技术构成
先进制造技术(AMTAdvancedManufacturingTechnology)作为一个专有名词目前还没有准确的定义。通过对其内涵和特征的研究，目前共同的认识是：先进制造技术是传统制造技术不断吸收机械、电子、信息、材料、能源和现代管理等方面的成果，并将其综合应用于产品设计、制造、检测、管理、销售、使用、服务的制造全过程，以实现优质、高效、低耗、清洁、灵活的生产，并取得理想技术经济效果的制造技术的总称。其具有如下一些特点：
1、从以技术为中心向以人为中心转变，使技术的发展更加符合人类社会的需要；
2、从强调专业化分工向模糊分工、一专多能转变，使劳动者的聪明才智能够得到充分发挥；
3、从金字塔的多层管理结构向扁平的网络化结构转变，减少层次和中间环节；
4、从传统的顺序工作方式向并行工作方式转变，缩短工作周期，提高工作质量；
5、从按照功能划分部门的固定组织形式向动态的自主管理的小组工作方式转变。
通过对先进制造技术的定义和特点的分析发现，现代集成制造系统拥有先进制造技术的绝大部分特点，只不过先进制造技术所涉及的范围要比现代集成制造系统大，现代集成制造系统在吸收计算机集成制造系统的优秀成果的基础上，继续推动并行工程、虚拟制造、敏捷制造和动态联盟的研究工作，并不断吸收先进制造技术中的成功经验和先进思想，将它们进行推广应用，由此使现代集成制造系统成为先进制造技术的核心。
（1）并行工程(CEConcurrentEngineering)并行工程是集成地、并行地设计产品及其相关过程(包括制造过程和支持过程)的系统方法。它要求产品开发人员在一开始就考虑产品整个生命周期中从概念形成到产品报废的所有因素，包括质量、成本、进度计划和用户要求。为了达到并行的目的，必须建立高度集成的主模型，通过它来实现不同部门人员的协同工作；为了达到产品的一次设计成功，减少反复，它在许多部分应用了仿真技术；主模型的建立、局部仿真的应用等都包含在虚拟制造技术中，可以说并行工程的发展为虚拟制造技术的诞生创造了条件，虚拟制造技术将是以并行工程为基础的，并行工程的进一步发展就是虚拟制造技术。同时，并行工程是在CAD、CAM、CAPP等技术支持下，将原来分别进行的工作在时间和空间上交叉、重迭，充分利用了原有技术，并吸收了当前迅速发展的计算机技术、网络技术的优秀成果，使其成为先进制造技术的基础。
（2）虚拟制造(VMVirtualManufacturing)虚拟制造利用信息技术、仿真技术、计算机技术对现实制造活动中的人、物、信息及制造过程进行全面的仿真，以发现制造中可能出现的问题，在产品实际生产前就采取预防措施，从而使产品一次性制造成功，达到降低成本、缩短产品开发周期，增强产品竞争力的目的。
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1 引言虚拟制造是实际制造工程在计算机上的映射，船舶建造仿真要求采用三维的模型来代替实际的制造工程，将在车间、船台（坞）的工作在虚拟的环境下先运行一遍，从分段装配、舾装配合、动力学性能、流体力学性能等多方面进行系统的分析，从而得出船舶建造的逻辑顺序与合理性，并为建造过程的优化准备好数据基础。
2 船舶建造数字建模及装配仿真要求船舶的建造是一个复杂的系统工程，现代造船技术以中间产品为导向，采用成组技术和计算机集成制造技术，有层次的对整个建造工程实施分解，在不同的阶段，对三维建模有不同的要求。在以进行船舶建造作业计划编制为目的，同时满足生产设计需要的情况下，对船舶数字化建模和装配仿真技术的要求是[1,2]：（1）提供编制计划所需要的产品特征信息，包括产品的几何特征、物理特征、工程结构特征等。在实际建造前根据数学基础与图形学映射关系确定各个零件的配合情况；（2）对产品进行干涉检查，确定整个装配方案的可行性，在虚拟环境下消除产品的设计缺陷；（3）通过装配仿真，给出产品的装配信息与约束信息，确定生产计划所需要的装配逻辑顺序；（4）以虚拟制造技术为基础，通过仿真，构建装配工艺路线，实现可行的装配工艺规划；（5）进行装配工艺仿真后处理，给出适合生产实际的三维模型与工艺文件。
3 数字化三维模型的建立这里使用的是CATIA V5 软件进行建模装配仿真与干涉检查。CATIA V5 是IBM 和达索系统公司共同推出的CAD/CAE/CAM 软件，该软件能够在windows和Unix 等平台上运行，具有较强的三维造型功能，还有较强的运动仿真功能模块。
3.1 造船工程分解与任务包的确定
进行三维数字化建模，不能单纯的为了建模而建模，如果只是将船舶按其二维图纸做成三维物体，则失去了建模的意义。以生产计划编制为目标的数字化建模通过船舶工程分解，来分清整个工艺过程，确立任务包，在此基础之上，为后面的装配仿真打下信息基础。
船舶生产的过程实际上是制造零部件，即所谓的“中间产品”。免费论文。这些中间产品经过几个制造级的逐渐变大变复杂，终而形成一艘船，即最终产品。免费论文。因此从中间产品的角度来分解船舶的建造任务是理想的方案，这就是产品导向型分解。产品导向型工程分解的原理是：任何系统结构都是层次分明有序可循的，通过层层分解可以通过图表的形式揭示其有序结构。
产品导向型工程分解用于造船时，首先按照任务本质的不同将造船全过程分为船体建造、舾装和涂装三大类，每一大类又分为加工和装配两种作业。例如，将船体建造分为零件加工、零件装配、部件装配、小分段装配、分段装配、大分段装配和船体合拢7 个制造级。
3.2 分段模拟建模
（1）船体外板的建模
本文是在具有船壳曲面型值表的基础上进行船壳曲面的三维建模。由于型值表中的数据有间隔，在生成型线后，还进一步对其进行了光顺。在具体建模过程中环境的设置如下：以X 正方向为船艏方向，Y 正方向为船右舷方向，Z 正方向为船高方向。只需XZ 平面一边建立一半船壳曲面，另一边映射即可。在生成所有曲面之后，如果还有局部的地方出现棱角，还可以充分利用CATIA 中的曲面修改功能，对于有棱角的地方可以把带有棱角线两边的曲面连接（Join）成一大块，然后在棱角线两边分别用两个参考面把这块大面截断（Split）成两块面，去掉中间有棱角线的曲面。再由这两块Split面通过Blent（or Fill）命令连接起来，Blend（or Fill）命令中有保证曲面光顺连接的选项，可以保证曲面的光顺连接。对于凹凸不平的小块曲面也可以用这种方法来修改。
（2）零件的建模
零件的建模，其目的是为了在以后的装配仿真和生产计划编制中提供必要的信息。其应具备下列基本策略：
（a）特征设计与特征提取的综合利用。特征是产品建模的强有力支持。建模时应将特征设计与特征提取结合起来，充分利用现有的CAD 系统所提供的特征造型功能，尽量从有关内部数据库直接提取，同时要充分的利用人机交互共功能，通过交互输入定义。
（b）面向对象的建模方式。面向对象的建模方式，具有先粗后精，由抽象到具体的特点，符合产品设计时的自然思维习惯，应在建模中得到充分应用。
（c）模型的层次化组织。免费论文。在建模过程中，应该具有大局观，不能只盯着一个构件，而是应该考虑整体的层次性，在经过详细科学的分解以后，分层有计划的建模。
模型不仅要处理设计系统的输入信息，还应能处理设计工程中的中间信息和结果信息，因此模型的信息应随着设计过程的推进而逐步丰富和完善。
4 装配仿真与干涉检查船舶装配仿真与干涉检查是在虚拟的环境下确定船舶的作业逻辑顺序，提供生产工艺数据资料，检验工艺与设计的可行性。它是船舶虚拟制造和生产作业计划的至关重要的一环，是进行生产规划的基础。装配仿真包括了零件装配、部件装配和分段装配三个制造级的任务包。在进行装配仿真的过程中，应该按照工艺顺序依次进行虚拟，其作用如下：(1) 拟定装配方案，优化装配结构。从设计和制造工艺出发，在各种约束中寻求装配的合理性与最优性；(2) 改进装配性能，降低装配成本。船舶装配所涉及的零件种类繁多，数量巨大，装配仿真的任务首先要确保产品的装配到位，然后要求装配能够比较容易实现，尽量降低成本；(3) 产品可制造性的基础。由于目前详细设计一般还是二维的，必须在虚拟三维环境下检查产品的可行性；(4) 为计划提供必要的信息数据。
4.1 装配仿真
装配仿真的覆盖范围很广泛，这里具体来说包括装配顺序、装配路径和装配工艺三个方面的内容，其中装配顺序与装配路径是最为核心内容。
4.2 干涉检查
船体分段有很多组件构成，肉眼很难发现可能的干涉情况，利用CATIA 所提供的干涉检查函数，可以自动的检查所有的干涉情况。下面通过实例来说明。
在构件中有一工字梁与角钢交叉，要进行干涉检查，看两者是否有接触而不能装配，应用Compute Clash 命令，将两个零件同时选中，即可分析这两个零件的干涉情况。当对话框Result 出现Clash 表示两个组件发生了干涉，出现Contact 则表示选定的两个组件相接触，如果No interference 则表示没有干涉。
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0.前 言
新世纪以来，随着计算机图像学，人工智能、计算机网络、信息处理、机械设计和制造等技术的告诉发展，虚拟现实技术在工业实际中的应用越来越多，已经成为工业设计各个阶段不可缺少的工具。虚拟现实技术的广发应用是现代工业实际走向更全面的数字化，是设计部门与企业管理、工程设计与市场营销等产品开发的主要部门之间的交流变得更加容易，不记打打缩短了企业产品开发的时间，而且也为其产品的宣传、销售赢得了先机，为企业在竞争中取胜添加了筹码，加快了企业发展的步伐。
1.虚拟现实的定义
虚拟现实（Virtual Reality，简称VR）是一种计算机界面技术。从本质上讲，虚拟现实就是一种先进的计算机用户接口，它通过给用户同时提供诸如视觉、听觉、触觉等各种直观、自然的实时感知交互工具，最大限度地方便用户操作，提高整个系统的效率。根据VR应用的对象不同，VR的作用可以表现为不同的形式，如将设计概念或方案可视化和可操作化，以方便设计评价和优化；实现逼真的遥现场效果等。
2. 虚拟现实技术在工业设计各个阶段中的应用
（1）虚拟现实技术在需求分析阶段中的应用
通过结合虚拟现实技术的Web页面进行市场调查，可以激发被访问者的兴趣，所得到的信息更丰富，更准确，并且有针对性，这样在产品设计之前可以真正了解市场的需求情况。同时可以利用给予Web的虚拟设计环境把产品的特点和功能尽可能展示给用户，并通过用户的反馈信息获得的个性化需求信息，这有助于设计出符合大批量定制原则的合理的产品结构。。
（2）虚拟现实技术在概念设计中的应用
在概念设计中运用虚拟现实技术，可以将体验设计思想更好地融于其中，也就是更多关注产品使用者感受，而非产品本身。在不同的虚拟环境中，让他们亲自体验修改模型的感受；利用触摸屏来选择产品的造型、色彩、装饰风格等许多可选部件，在渲染和生成十分逼真的三维模型时，充分感受自己所喜爱的产品在虚拟环境中的“真实”情况。甚至还可以根据用户的建议，邀请专家和部分用户一起对模型提出修改意见，观察设计和修改过程，直至大多数人满意为止。
（3）虚拟现实技术在详细设计中的应用
详细设计是概念设计之后的一个重要阶段，包括零件详细设计、工艺详细设计和可制造装配性详细分析等，其中可制造装配性详细分析尤为重要。。在进行复杂产品结构设计时，通过虚拟像是技术可以直观地进行装配分析，避免可能出现的干涉和其他不合理问题，及虚拟装配。
（4）虚拟制造
虚拟现实技术为制造模拟带来了真正的虚拟制造环境，通过虚拟知道可以发现制造中潜在的问题，进而在产品实际生产前就采取预防措施，达到产品一次性制造成功的目标，从而降低成本，缩短产品开发奏起，增强产品的竞争力。
虚拟制造系统基本上不消耗资源和能源，也不生产实际的产品，而是运用计算机迷你现实中产品进行产品设计、开发与制造过程，它的运用将会对未来制造业的发展产生极大的推动作用。。
（5）虚拟评价和测试
在虚拟工业设计中不可忽略的一环是虚拟产品进行评价和测试。虚拟评价技术主要是在方针的基础上，对产品运行状态与性能进行虚拟条件下的评价，从中获得修改的依据，降低修改和生产的成本。
3.结束语
正如其它新兴科学技术一样，虚拟现实技术也是许多相关学科领域交叉、集成的产物。它的研究内容涉及到人工智能、计算机科学、电子学、传感器、计算机图形学、智能控制、心理学等。我们必须清醒地认识到，虽然这个领域的技术潜力是巨大的，应用前景也是很广阔的，但仍存在着许多尚未解决的理论问题和尚未克服的技术障碍。客观而论，目前虚拟现实技术所取得的成就，绝大部分还仅仅限于扩展了计算机的接口能力，仅仅是刚刚开始涉及到人的感知系统和肌肉系统与计算机的结合作用问题，还根本未涉及“人在实践中得到的感觉信息是怎样在人的大脑中存储和加工处理成为人对客观世界的认识”这一重要过程。只有当真正开始涉及并找到对这些问题的技术实现途径时，人和信息处理系统间的隔阂才有可能被彻底的克服了。我们期待这有朝一日，虚拟现实系统成为一种对多维信息处理的强大系统，成为人进行思维和创造的助手和对人们已有的概念进行深化和获取新概念的有力工具。
参考文献：
[1]张立群. 计算机辅助工业设计[M]. 上海：上海人民出版社，2003
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【中图分类号】TH16 【文献标识码】A
【文章编号】1007―4309（2010）10―0086―2
先进制造技术AMT（Advanced Manufacturing Technology）是传统制造技术在不断吸收机械、材料、电子、信息、能源和现代化管理等领域的成果上产生的，它被综合应用于产品的生产、设计、制造、检测、管理和售后服务的全过程。它是由传统的制造技术发展而来的，保留了过去制造技术中的有效要素，是制造技术与现代高新技术结合而产生的完整的技术群，先进制造技术的发展，大体经历了四个阶段：
第一阶段（20世纪60―70年代）：柔性制造单元（CAD/CAM），它是以数控机床、加工中心和工业机器人为代表的。
第二阶段（20世纪70―80年代）：柔性制造系统（FMS），它是以柔性制造单元加上自动或半自动物流输送组合而成的，但特点仍然是分布式生产过程。
第三阶段（20世纪80―90年代）：集成阶段（CIMS），是以信息、工艺、物流、计算机集成控制为特点的。
第四阶段（20世纪90年代至今）：智能集成制造系统阶段，是以设计智能化、单元加工过程智能化和系统整体管理智能化为特征的。
一、先进制造技术的特点
目前，每一个国家都处于全球化市场中，先进制造技术的竞争是面向全球的。一个国家的先进制造技术对该国制造业在全球范围市场的竞争力发挥着非常重要和不可替代的作用。先进制造技术的目标是要提高产品对动态多变的市场的适应能力以及竞争能力，同时实现优质、高效、低耗、清洁、灵活的生产。它不局限于制造工艺，而是覆盖了市场分析、产品设计、加工和装配、销售、维修、服务，以及回收再生的全过程，概括起来有以下特点：
（1）成形和加工技术日趋精密化。
（2）企业装备将以制造工艺、设备和工厂的柔性与可重构性作为显著特点。
（3）虚拟制造技术和网络制造技术将被广泛应用。
（4）机电产品和先进制造技术将把智能化、数字化作为发展方向。
（5）以提高对市场快速反应能力为目标的制造技术将超速发展。
（6）先进制造技术的发展越来越离不开信息技术，信息技术发挥着越来越重要的作用。
（7）21世纪的企业面临着要在管理方面进行创新的新课题。
（8）现代设计技术将成为21世纪制造业的重要特征。（现代技术的内涵即为：绿色产品设计技术、优良性能设计基础技术、竞争优势创建技术、全寿命周期设计技术。）
二、当前先进制造技术的发展趋势
市场需求的个性化与多样化趋势越来越明显，精密化、绿色化、智能化、信息化、虚拟化将成为未来先进制造技术发展的总趋势。其主要体现在以下几个方面：
（一）信息化
近几年，信息技术和制造技术的不断融合，使得数字化成为制造业日益发展的趋势。数字化制造技术具有较多的优点，如使市场多样化和个性化的需求得到满足；能够对市场作出快速的响应，使生产成本得以降低；能够提高产品精度和可靠性；等等。数字化产品既方便、直观，又便于通过计算机控制产品，对信息进行处理和传递。随着计算机技术的飞速发展，制造业应用系统越来越离不开Internet技术，Internet技术是实现各种制造系统自动化的基础，是其重要的支撑平台。基于Web技术的供应链管理系统、数据交换转换系统等成为产品的主流。据专家预测，在未来生产中占主导地位的将是基于网络制造的分布式网络化生产系统。因此，先进制造技术将把以微电子技术、软件技术为核心，以数字化、网络化为特征的信息化制造技术作为重要的发展方向。
（二）智能化
智能化就是应用人工智能技术实现产品生命周期（包括产品设计、制造、发货、支持等）各个环节的智能化，如生产设备的智能化，人与制造系统的融合及人在其中智能的充分发挥等。智能化能够使制造系统的自动化和柔性化水平得到进一步的提高，使生产系统的适应与判断能力更加完善。
（三）精密化
超高速切削、超精密加工技术以及发展新一代制造装备成为了加工制造技术的发展方向。
1.超精密加工技术
目前已进入纳米级加工时代，加工精度和表面粗糙度分别达到了0.025μm和0．0045μm。超精切削厚度由目前的红外波段向可见光波段甚至更短波段近；超精加工机床向多功能模块化方向发展；超精加工材料由金属扩大到非金属。
2.超高速切削
目前，铝合金超高速切削的切削速度已超过1 600m/min，铸铁、超耐热镍合金、钛合金的速度分别为1 500m/min、300m/min和200m/min。超高速切削的发展已转移到一些难加工材料的切削加工上。
3.新一代制造装备的发展
市场竞争和新的产品、技术和材料的发展对新型加工设备的研究与开发起着推动作用，如“并联桁架式结构数控机床”的发展就是一个典型的例子。它采用六个轴长短的变化，以实现刀具相对于工件的加工位姿的变化，是对传统机床结构方案的突破。
（四）绿色化
由于资源与环境的约束日益严格，21世纪的制造业要以绿色制造为重要特征。与此相适应的，绿色制造技术的发展也将是快速的。主要表现为：
1.绿色产品设计技术，既能够保证产品在生命周期内环保和对人类健康无危害，又能保证低能耗和高资源利用率。
2.绿色制造技术，使整个制造的过程对环境所造成的不利影响最小，废弃物和有害物质的排放量最少，资源利用效率最高。
3.产品的回收和循环再制造，它主要包括以设计产品和处理材料为主的生产系统工厂和以处理循环产品生命周期结束时的材料为主的恢复系统工厂。如汽车等产品的拆卸、回收技术和生态工厂的循环式制造技术。
（五）虚拟化
在制造业中，虚拟现实技术（Virtual Reality Technology）越来越被广泛地应用，它主要包括两部分，即虚拟企业和虚拟制造技术。虚拟制造技术是在产品真正制出之前，先在虚拟制造环境中生成软产品原型进行试验，并且预测和评价其性能和可制造性。
三、未来先进制造技术发展中的关键技术
（一）虚拟制造VM（virtual manufacturing）
VM技术的发展是以仿真技术和虚拟现实VR（virtual reality）技术为基础的。VM技术是在虚拟条件下模拟产品的设计、制造、测试、营销的全过程，并预测和评价有关技术数据和性能指标，从而使产品开发周期得以缩短，使制造过程得以优化。VM技术是工程设计的一次革命性的进步，它的应用范围是非常广泛的，如快速设计与快速原型、面向装配或制造的设计、产品维护、产品设计进入市场的并行处理和人员培训等领域。
（二）智能制造IM（intelligent manufacturing）
智能制造技术是一门综合技术。之所以这么说，是因为它是通过自动化技术、制造技术、系统工程和人工智能等学科互相交织和渗透形成的一门技术。智能设计、智能装配、智能加工、智能控制、智能工艺规划、智能调度与管理、智能测量与诊断等都属于智能制造技术的范畴。对于制造系统集成自动化和柔性自动化来说智能制造是其新发展，也是其重要组成部分，智能传感与检测是智能制造的重点。
（三）纳米制造
20世纪出现了一种高新技术，即纳米技术。它的加工精度或尺寸为0.1nm―100nm。而纳米制造是纳米技术与制造技术相融合而产生的，精密加工、超精加工、微细加工和超微细加工都属于纳米制造。常用的制造技术有聚焦离子束工艺等。
（四）绿色制造GM（green manufacturing）
绿色制造是一种现代制造模式，它综合考虑资源消耗和环境影响，其目的是使产品在整个生命周期中（包括从设计、制造、包装、运输、使用到报废处理）做到对资源利用率最高，对环境的不利影响最小，并优化协调企业经济效益和社会效益。目前绿色制造受到了全球制造业的关注，因为未来制造业的可持续发展离不开绿色制造，绿色制造已成为先进制造技术的主要内容，也是各国支持和优先发展的研究项目。
四、结论
我国将先进制造技术列入“九五”科技规划和15年科技发展规划中。21世纪的今天，经济全球化进程日益加快，随之而来的日益加剧的制造业领域的竞争，实际上是以先进制造技术为竞争核心的。在这样的大环境、大背景下，我国不仅要迎接挑战，而且要抓住机遇，要不断地对传统产业进行改造，发展先进制造技术，要在技术、机制、管理以及人才等方面进行创新，只有这样我国才能实现跻身世界制造强国的目标。
【参考文献】
[1]王隆太等.先进制造技术[M]. 北京：机械工业出版社，2003.
[2]张平亮等.先进制造技术[M]. 北京：高等教育出版社，2009.
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虚拟装配作为虚拟制造技术[1-3]的重要组成部分，近年来得到了学术界和工业界的广泛关注，并对敏捷制造、虚拟制造等先进制造模式的实施具有深远影响。利用虚拟装配，可以验证装配设计和操作的正确与否，以便及早的发现装配中的问题。而通过虚拟运动仿真，可模拟产品运动状态下运动设计精度的准确度。通过反馈信息可对模型进行修改，并通过可视化显示装配运动过程。运用该技术不但有利于并行工程的开展，而且还可以大大缩短产品开发周期，降低生产成本，提高产品在市场中的竞争力。虚拟装配改善传统以经验为主、装配滞后于加工设计的弊端。本文提出基于Quest3D的虚拟装配及运动仿真的实现方法，依据零件的装配分层关系实现序列拆装，并给出虚拟装配系统的设计方法和案例。
1 分层序列装配模型
由于机械产品结构复杂，每个零部件之间都有严格的装配关系[4-5]，无论是拆还是装都需要按照设计的装配结构来进行。本文采用层次化序列装配模型，即将产品的整体结构按照其真实的装配标准按层次划分或分解为不同级别的能够进行独立装配的装配单元，形成并行装配序列。通常产品的装配单元可分为：零件、合件、组件、部件、机器五个等级的装配体，装配时，按照上述等级依次分解，上一级包含下一级子装配体，下一级子装配体又包含更下一级子装配体直至最终不可分解的零件，其中每一级装配体按照其装配次序形成序列。层次化模型的优点在于更清晰表达产品中零部件之间的层次关系，并可以用子装配体表达一组功能上或物理结构上相关的零件集，可减少装配分析的复杂性，简化问题的求解过程。图1 为分层序列装配示意。
几点说明：
（1）在装配模型设计中，每一层装配体都会存在基准件，按照装配工艺要求将基准件设为该层序列的第一个装配体，以保证满足装配标准和装配精度；
（2）装配单元的划分依据具体机械产品的装配要求，如果在某层子装配体中如（部件层）出现单一零件时，该类零件则视为部件级零件，可以直接在相应层中进行装配顺序排序。
2 基于Quest3D的虚拟装配系统设计
2.1 系统总体架构
本文的虚拟装配系统分为两个区，即场景区和功能区。场景区包括摄像机控制、3D模型导入和显示、环境设置。其中，摄像机控制是根据用户需求实现对模型及场景的浏览漫游功能如移动、旋转和缩放等；3D模型导入和显示则是基于原始模型实现数据转化和表示，每个零件都具有位置、材料及贴图信息属性；环境设置包括场景布置、灯光设置以及UI设计。功能区由五个功能模块组成，分别为：整体拆装模块、序列拆装模块；手工模拟拆装模块及运动仿真模块。如图2所示。
2.2 模型导入转化及场景设置
通过UG NX三维建模，生成原始数据模型，应用Deep Exploration软件将prt文件模型进行文件格式转换为dae文件，中学英语论文然后导入到Quest3D中。Quest3D可对导入所有数字内容的进行设置和编制。由于机械产品结构复杂，所包含零件繁多，Dae初始模型是分成若干个可装配的零部件，需要通过程序定义其在场景中的世界坐标及彼此位置关系，用3D render场景模块把它们组合在一起并显示。
为了能更好控制每个零部件装配运动状态，在Quest3D中可添加Motion模块作为每个可装配零部件的运动属性[6]，如图3所示。为保证零件装配运动速度可调节性，Quest3D 提供阻尼模块参数Damping value，将其与运动方向建立联系。在拆或装时候，阻尼参数发挥作用，Damping 值增加时，阻尼增大，零件装配运动减慢，反之亦然。
场景设置主要包括光照、摄影机设置、贴图、材料、纹理等效果制作。光照采用平行光源和点光源从摄像机的投射方向给予模型物体较好的立体视觉效果，增强用户的沉浸感和系统的交互性。摄影机是用于确定观察者位置和投射方向以及与物体相对空间视窗的对应关系。系统采用物体注视摄像机（Object Inspection Camera）作为场景的交互窗口，通过调节摄像机的Position Vector，Camera Matrix和Camera Target模块参数，设定摄像机的位置、缩放的范围等，用户即可利用三维鼠标就可以对三维场景中所有物体进行浏览操作。图4为三维模型导入效果图中，（a）为一个二级减速器，（b）为车床主轴箱。
2.3 装配及运动设计
Quest3D中的三维模型中各个装配体依据装配单元建立层级链表，即确定拆装过程的序列。每个装配体都具有Motion模块属性，包括postion Vector（位置）、Rotation Vector（旋转）和Size Vector（缩放），拆装的原理是根据装配序列依次对装配体的各个矩阵中参数的进行改变设置，从而实现装配体的平移运动和旋转运动，以达到零部件装配效果。
虚拟装配过程分为整体拆装、顺序拆装及模拟手动拆装方式。整体拆装是对整个模型一次性实现拆分和装配过程，体现“爆炸”效果；顺序拆装是按照装配单元依次进行拆装；模拟手动拆装则是通过建立工具箱模块，用户可从工具箱中选择合适工具模拟真实拆装过程。无论以何种方式进行装配，拆装模块作为独立模块可进行重复调用，表1为拆装模块中相关设置参数表示。
系统的UI模块是用户实现装配操作的交互窗口，不同类型的机械产品可根据其复杂程度和操作方便性、人性化原则进行设计。本系统可用三维鼠标实现场景模型的移动、旋转和缩放，同时设置菜单、按钮、复选框等控件进行装配过程的选择、设置和操作。图5是减速器（a）和车床主轴箱（b）虚拟拆装图示，图6为CA6140车床的18级变速虚拟传动示意图。
3 结论
本文提出了分层装配思想应用Quest3D 引擎开发的虚拟装配和运动仿真系统可用于不同类型的机械产品模型，通过建立虚拟场景、UI功能模型有效达到了用户对于产品的交互操作，其虚拟装配过程和运动仿真对于企业设计制造及高校实践教学提供了较好的虚拟现实平台。
【参考文献】
[1]宁汝新，郑轶.虚拟装配技术的研究进展及发展趋势[J].中国机械工程，2005，8 （16）：139-144.
篇7
关键词：机械设计；CAD技术
1CAD技术的发展
CAD(ComputerAidedDesign)是计算机辅助设计的英文缩写，是利用计算机强大的图形处理能力和数值计算能力，辅助工程技术人员进行工程或产品的设计与分析，达到理想的目的，并取得创新成果的一种技术。自1950年计算机辅助设计（CAD）技术诞生以来，已广泛地应用于机械、电子、建筑、化工、航空航天以及能源交通等领域，产品的设计效率飞速地提高。现已将计算机辅助制造技术（Com-puterAidedManufacturing，CAM）和产品数据管理技术（ProductDataManagement，PDM）及计算机集成制造系统（ComputerItegratedmanufacturingsystem，CIMS）集于一体。
产品设计是决定产品命运的研究，也是最重要的环节，产品的设计工作决定着产品75%的成本。目前，CAD系统已由最初的仅具数值计算和图形处理功能的CAD系统发展成为结合人工智能技术的智能CAD系统（ICAD）(IntelligentCAD)。21世纪，ICAD技术将具备新的特征和发展方向，以提高新时代制造业对市场变化和小批量、多品种要求的迅速响应能力。
以智能CAD（ICAD）为代表的现代设计技术、智能活动是由设计专家系统完成。这种系统能够模拟某一领域内专家设计的过程，采用单一知识领域的符号推理技术，解决单一领域内的特定问题。该系统把人工智能技术和优化、有限元、计算机绘图等技术结合起来，尽可能多地使计算机参与方案决策、性能分析等常规设计过程，借助计算机的支持，设计效率有了大大地提高。
2三维CAD技术在机械设计中的优点
通过实际应用三维CAD系统软件,笔者体会到三维CAD系统软件比二维CAD在机械设计过程中具有更大的优势,具体表现在以下几点:
2.1零件设计更加方便
使用三维CAD系统,可以装配环境中设计新零件,也可以利用相邻零件的位置及形状来设计新零件,既方便又快捷,避免了单独设计零件导致装配的失败。资源查找器中的零件回放还可以把零件造型的过程通过动画演示出来,使人一目了然。
2.2装配零件更加直观
在装配过程中,资源查找器中的装配路径查找器记录了零件之间的装配关系,若装配不正确即予以显示,另外,零件还可以隐藏,在隐藏了外部零件的时候,可清楚地看到内部的装配结构。整个机器装配模型完成后还能进行运动演示,对于有一定运动行程要求的,可检验行程是否达到要求,及时对设计进行更改,避免了产品生产后才发现需要修改甚至报废。
2.3缩短了机械设计周期
采用三维CAD技术,机械设计时间缩短了近1/3,大幅度地提高了设计和生产效率。在用三维CAD系统进行新机械的开发设计时,只需对其中部分零部件进行重新设计和制造,而大部分零部件的设计都将继承以往的信息,使机械设计的效率提高了3~5倍。同时,三维CAD系统具有高度变型设计能力,能够通过快速重构,得到一种全新的机械产品。
2.4提高机械产品的技术含量和质量
由于机械产品与信息技术相融合,同时采用CADCIMS组织生产,机械产品设计有了新发展。三维CAD技术采用先进的设计方法,如优化、有限元受力分析、产品的虚拟设计、运动方针和优化设计等,保证了产品的设计质量。同时,大型企业数控加工手段完善,再采用CAD/CAPP/CAM进行机械零件加工,一致性很好,保证了产品的质量。
3CAD技术在机械设计中的应用
3.1零件与装配图的实体生成
3.1.1零件的实体建模。CAD的三维建模方法有三种,即线框模型、表面模型和实体模型。在许多具有实体建模功能的CAD软件中,都有一些基本体系。如在AutoCAD的三维实体造型模块中,系统提供了六种基本体系,即立方体、球体、圆柱体、圆锥体、环状体和楔形体。对简单的零件,可通过对其进行结构分析,将其分解成若干基本体,对基本体进行三维实体造型,之后再对其进行交、并、差等布尔运算,便可得出零件的三维实体模型。
对于有些复杂的零件,往往难以分解成若干个基本体,使组合或分解后产生的基本体过多,导致成型困难。所以,仅有基本体系还不能完全满足机器零件三维实体造型的要求。为此,可在二维几何元素构造中先定义零件的截面轮廓,然后在三维实体造型中通过拉伸或旋转得到新的“基本体”,进而通过交、并、差等得到所需要零件的三维实体造型。
3.1.2实体装配图的生成。在零件实体构造完成后,利用机器运动分析过程中的资料,在运动的某一位置,按各零件所在的坐标进行“装配”,这一过程可用CAD软件的三维编辑功能实现。
3.2模具CAD/CAM的集成制造
随着科学技术的不断发展,制造行业的生产技术不断提高,从普通机床到数控机床和加工中心,从人工设计和制图到CAD/CAM/CAE,制造业正向数字化和计算机化方向发展。同时,模具CAD/CAM技术、模具激光快速成型技术(RPM)等,几乎覆盖了整个现代制造技术。
一个完整的CAD/CAM软件系统是由多个功能模块组成的。如三维绘图、图形编辑、曲面造型、仿真模拟、数控加工、有限元分析、动态显示等。这些模块应以工程数据库为基础,进行统一管理,而实体造型是工程数据的主要来源之一。
3.3机械CAE软件的应用
机械CAE系统的主要功能是:工程数值分析、结构优化设计、强度设计评价与寿命预估、动力学/运动学仿真等。CAD技术在解决造型问题后,才能由CAE解决设计的合理性、强度、刚度、寿命、材料、结构合理性、运动特性、干涉、碰撞问题和动态特性等。
4CAD前沿技术与发展趋势
4.1图形交互技术
CAD软件是产品创新的工具,务求易学好用,得心应手。一个友好的、智能化的工作环境可以开拓设计师的思路，解放大脑，让他把精力集中到创造性的工作中。因此,智能化图标菜单、“拖放式”造型、动态导航器等一系列人性化的功能，为设计师提供了方便。此外，笔输入法草图识别、语言识别和特征手势建模等新技术也正在研究之中。
4.2智能CAD技术
CAD/CAM系统应用逐步深入,逐渐提出智能化需求.设计是一个含有高度智能的人类创造性活动。智能CAD/CAM是发展的必然方向。智能设计在运用知识化、信息化的基础上，建立基于知识的设计仓库,及时准确地向设计师提品开发所需的知识和帮助,智能地支持设计人员，同时捕获和理解设计人员意图、自动检测失误，回答问题、提出建议方案等。并具有推理功能,使设计新手也能做出好的设计来,现代设计的核心是创新设计,人们正试图把创新技法和人工智能技术相结合应用到CAD技术中,用智能设计、智能制造系统去创造性指导解决新产品、新工程和新系统的设计制造,这样才能使我们的产品、工程和系统有创造性。
4.3虚拟现实技术
虚拟现实技术在CAD中已开始应用,设计人员在虚拟世界中创造新产品,可以从人机工程学角度检查设计效果,可直接操作模拟对象,检验操作是否舒适、方便,及早发现产品结构空间布局中的干涉和运动机构的碰撞等问题,及早看到新产品的外形,从多方面评价所设计的产品.虚拟产品建模就是指建立产品虚拟原理或虚拟样机的过程.虚拟制造用虚拟原型取代物理原型进行加工、测试、仿真和分析,以评价其性能,可制造性、可装配性、可维护性和成本、外观等,基于虚拟样机的试验仿真分析,可以在真实产品制造之前发现并解决问题,从而降低产品成本.虚拟制造、虚拟工厂、动态企业联盟将成为CAD技术在电子商务时代继续发展的一个重要方向.另外,随着协同技术、网络技术、概念设计面向产品的整个生命周期设计理论和技术的成熟和发展,利用基于网络的CAD/CAPP/CAM/PDM/ERP集成技术,实现真正的全数字化设计和制造,已成为机械设计制造业的发展趋势。
参考文献
[1]黄森彬主编.机械设计基础.高等教育出版社.
[2]荣涵锐.新编机械设计CAD技术基础〔M〕.北京:机械工业出版社,2002.
篇8
1 CAD技术的发展
CAD(Computer Aided Design)是计算机辅助设计的英文缩写，是利用计算机强大的图形处理能力和数值计算能力，辅助工程技术人员进行工程或产品的设计与分析，达到理想的目的，并取得创新成果的一种技术。自1950年计算机辅助设计（CAD）技术诞生以来，已广泛地应用于机械、电子、建筑、化工、航空航天以及能源交通等领域，产品的设计效率飞速地提高。现已将计算机辅助制造技术（Com-puter Aided Manufacturing，CAM）和产品数据管理技术（Product Data Management，PDM）及计算机集成制造系统（Computer Itegrated manufacturing system，CIMS）集于一体。
产品设计是决定产品命运的研究，也是最重要的环节，产品的设计工作决定着产品75%的成本。目前，CAD系统已由最初的仅具数值计算和图形处理功能的CAD系统发展成为结合人工智能技术的智能CAD系统（ICAD）(Intelligent CAD)。21世纪，ICAD技术将具备新的特征和发展方向，以提高新时代制造业对市场变化和小批量、多品种要求的迅速响应能力。
以智能CAD（ICAD）为代表的现代设计技术、智能活动是由设计专家系统完成。这种系统能够模拟某一领域内专家设计的过程，采用单一知识领域的符号推理技术，解决单一领域内的特定问题。该系统把人工智能技术和优化、有限元、计算机绘图等技术结合起来，尽可能多地使计算机参与方案决策、性能分析等常规设计过程，借助计算机的支持，设计效率有了大大地提高。
2 三维CAD技术在机械设计中的优点
通过实际应用三维CAD系统软件，笔者体会到三维CAD系统软件比二维CAD在机械设计过程中具有更大的优势，具体表现在以下几点:
2.1 零件设计更加方便
使用三维CAD系统，可以装配环境中设计新零件，也可以利用相邻零件的位置及形状来设计新零件，既方便又快捷，避免了单独设计零件导致装配的失败。资源查找器中的零件回放还可以把零件造型的过程通过动画演示出来，使人一目了然。
2.2 装配零件更加直观
在装配过程中，资源查找器中的装配路径查找器记录了零件之间的装配关系，若装配不正确即予以显示，另外，零件还可以隐藏，在隐藏了外部零件的时候，可清楚地看到内部的装配结构。整个机器装配模型完成后还能进行运动演示，对于有一定运动行程要求的，可检验行程是否达到要求，及时对设计进行更改，避免了产品生产后才发现需要修改甚至报废。
2.3 缩短了机械设计周期
采用三维CAD技术，机械设计时间缩短了近1/3，大幅度地提高了设计和生产效率。在用三维CAD系统进行新机械的开发设计时，只需对其中部分零部件进行重新设计和制造，而大部分零部件的设计都将继承以往的信息，使机械设计的效率提高了3~5倍。同时，三维CAD系统具有高度变型设计能力，能够通过快速重构，得到一种全新的机械产品。
2.4 提高机械产品的技术含量和质量
由于机械产品与信息技术相融合，同时采用CAD CIMS组织生产，机械产品设计有了新发展。三维CAD技术采用先进的设计方法，如优化、有限元受力分析、产品的虚拟设计、运动方针和优化设计等，保证了产品的设计质量。同时，大型企业数控加工手段完善，再采用CAD/CAPP/CAM进行机械零件加工，一致性很好，保证了产品的质量。
3 CAD技术在机械设计中的应用
3.1 零件与装配图的实体生成
3.1.1 零件的实体建模。CAD的三维建模方法有三种，即线框模型、表面模型和实体模型。在许多具有实体建模功能的CAD软件中，都有一些基本体系。如在AutoCAD的三维实体造型模块中，系统提供了六种基本体系，即立方体、球体、圆柱体、圆锥体、环状体和楔形体。对简单的零件，可通过对其进行结构分析，将其分解成若干基本体，对基本体进行三维实体造型，之后再对其进行交、并、差等布尔运算，便可得出零件的三维实体模型。
对于有些复杂的零件，往往难以分解成若干个基本体，使组合或分解后产生的基本体过多，导致成型困难。所以，仅有基本体系还不能完全满足机器零件三维实体造型的要求。为此，可在二维几何元素构造中先定义零件的截面轮廓，然后在三维实体造型中通过拉伸或旋转得到新的“基本体”，进而通过交、并、差等得到所需要零件的三维实体造型。
3.1.2 实体装配图的生成。在零件实体构造完成后，利用机器运动分析过程中的资料，在运动的某一位置，按各零件所在的坐标进行“装配”，这一过程可用CAD软件的三维编辑功能实现。
3.2 模具CAD/CAM的集成制造
随着科学技术的不断发展，制造行业的生产技术不断提高，从普通机床到数控机床和加工中心，从人工设计和制图到CAD/CAM/CAE，制造业正向数字化和计算机化方向发展。同时，模具CAD/CAM技术、模具激光快速成型技术(RPM)等，几乎覆盖了整个现代制造技术。
一个完整的CAD/CAM软件系统是由多个功能模块组成的。如三维绘图、图形编辑、曲面造型、仿真模拟、数控加工、有限元分析、动态显示等。这些模块应以工程数据库为基础，进行统一管理，而实体造型是工程数据的主要来源之一。
3.3 机械CAE软件的应用
机械CAE系统的主要功能是:工程数值分析、结构优化设计、强度设计评价与寿命预估、动力学/运动学仿真等。CAD技术在解决造型问题后，才能由CAE解决设计的合理性、强度、刚度、寿命、材料、结构合理性、运动特性、干涉、碰撞问题和动态特性等。
4 CAD前沿技术与发展趋势
4.1 图形交互技术
CAD软件是产品创新的工具，务求易学好用，得心应手。一个友好的、智能化的工作环境可以开拓设计师的思路，解放大脑，让他把精力集中到创造性的工作中。因此，智能化图标菜单、“拖放式”造型、动态导航器等一系列人性化的功能，为设计师提供了方便。此外，笔输入法草图识别、语言识别和特征手势建模等新技术也正在研究之中。
4.2 智能CAD技术
CAD/CAM系统应用逐步深入，逐渐提出智能化需求.设计是一个含有高度智能的人类创造性活动。智能CAD/CAM是发展的必然方向。智能设计在运用知识化、信息化的基础上，建立基于知识的设计仓库，及时准确地向设计师提品开发所需的知识和帮助，智能地支持设计人员，同时捕获和理解设计人员意图、自动检测失误，回答问题、提出建议方案等。并具有推理功能，使设计新手也能做出好的设计来，现代设计的核心是创新设计，人们正试图把创新技法和人工智能技术相结合应用到CAD技术中，用智能设计、智能制造系统去创造性指导解决新产品、新工程和新系统的设计制造，这样才能使我们的产品、工程和系统有创造性。
4.3 虚拟现实技术
虚拟现实技术在CAD中已开始应用，设计人员在虚拟世界中创造新产品，可以从人机工程学角度检查设计效果，可直接操作模拟对象，检验操作是否舒适、方便，及早发现产品结构空间布局中的干涉和运动机构的碰撞等问题，及早看到新产品的外形，从多方面评价所设计的产品.虚拟产品建模就是指建立产品虚拟原理或虚拟样机的过程.虚拟制造用虚拟原型取代物理原型进行加工、测试、仿真和分析，以评价其性能，可制造性、可装配性、可维护性和成本、外观等，基于虚拟样机的试验仿真分析，可以在真实产品制造之前发现并解决问题，从而降低产品成本.虚拟制造、虚拟工厂、动态企业联盟将成为CAD技术在电子商务时代继续发展的一个重要方向.另外，随着协同技术、网络技术、概念设计面向产品的整个生命周期设计理论和技术的成熟和发展，利用基于网络的CAD/CAPP/CAM/PDM/ERP集成技术，实现真正的全数字化设计和制造，已成为机械设计制造业的发展趋势。
参考文献
[1]黄森彬主编.机械设计基础.高等教育出版社.
[2]荣涵锐.新编机械设计CAD技术基础〔M〕.北京:机械工业出版社，2002.
篇9
众所周知，在我国的过程装备与控制工程领域，高效的、连续的、自动的过程装备及其控制工程已经俨然成为我国企业级成套装备与控制工程的未来发展趋势。我国不仅过程装备与控制工程的市场需求巨大，而且在这一市场中，对于自动化制造设备的需求尤大。
一、成套装备技术的自动化需求趋势
我国在自动化装备与控制工程自动化市场方面需求较大，自动化装备工程与控制工程既是一种技术较为密集型的产业，又是一种人才较为密集型的产业，还是一种资金密集型产业，在这三者合一的进程中，装备与控制的自动化方面的需求十分旺盛。但是，与西方发达国家相比，我国在自动化的程度方面发展稍显滞后。虽然成套装备技术存在着自动化的需求，但是，在这方面一直以来美日与西欧等国家的企业占据了较为强势的垄断地位与主导地位。在成套装备的研发、设计、制造与销售方面，尤其是成套装备技术的自动化方面距离满足我国的国内自动化需求还相差甚远，这也从另一个方面反映出了我国的成套装备技术自动化的需求的趋旺趋势。
二、成套装备技术的自动化技术的行业发展趋势
成套装备技术自动化技术也存在着核心竞争力，这种核心竞争力主要体现在设计中的程控编程能力、系统制造中的柔性集成制造能力等。这些能力标志着核心竞争能力的强弱。展望未来的成套装备技术自动化我们看到，未来的新产品将越来越多地依托于自动化的编程与自动化的控制，自动化的柔性制造以自动化进行新的成套设备的开发将会成为未来行业发展趋势中的一大亮点。自动化的成型机通常都会包括四大组成部分，即控制工程部分的自动控制与气动控制两大系统，以及机械系统与整机总装总调系统共四大系统。在此大四大系统之中，尤以两大控制系统与整机总装总调系统的复杂度较高，这三大系统也因此而成为了未来成套装备技术自动化的行业核心竞争力中的三大硬指标。
三、以工业机器人技术为主导的自动化技术的发展趋势
工业机器人技术是目前世界工业中的较为尖端的科技，世界的许多工厂都在积极致力于实面大规模全自动化的工业机器人应用，以减少人工操作。这不仅能够极大地减低成套装备与控制工程制造的成本，而且还极大地提高了产品的品质。因此，可以说工业机器人技术的应用是工业尖端科技在成套装备与控制工程中的集中体现。成套装备与控制工程发达的国家与地区，其工业机器人的应用率与普及率已经达到了一个较高的程度，越来越多的自动化生产线上已经难觅操作工人与产业工人的身影。工业机器人在不远的将来将更多在应用到自动化的过程装备与控制工程中来。
四、我国的成套装备技术自动化的发展趋势
我国的成套装备技术自动化的发展趋势可以细分为下述五大趋势：
1.自动化的成套装备生产线设计与开发趋势
随着CAX仿真系统以及先进设计技术的不断应用，未来的快速设计与自动化设计新产品以及自动化的成套装备生产线设计将成为未来的发展趋势。数字化、自动化、综合化、一体化将成为过程装备的发展趋势。
2.自动化成套装备生产线的自动化趋势
世界的虚拟设计与虚拟制造技术发展极为迅猛，我国目前也已经有为数不多的数家公司开始应用这种世界最为先进的技术，以达成数字化的过程装备与控制工程。未来5-10年之这内，虚拟化设计与制造必将成为我国的自动化成套设备生产与设计的重中之重。而且我国的规模化企业还将建成规模化的虚拟设计与制造平台。
一旦这种虚拟化的设计与制造平台成功实现与企业资源规划系统以及其他信息平台的完全整合与对接，设计、制造的全过程都将可以在数字化的规范下高速有效连续地进行。这在工作效率、制造效率方面的提高将可以达到不可思议的高度。
3.自动化成套装备在控制工程方面的协调与管理技术趋势
未来我国在自动化成套装备的控制工程方面的发展趋势将主要体现在利用高速主流运算大型计算机对于成套装备的控制方面进行全面的计算机化实时控制。而且实时控制的范围将从传统的控制整条生产线发展到控制所有生产线，并且还可以形成与设计、制造等部门的有效的协调与管理机制的整全。
4.自动化生产线在实现模块化与可重构化方面的发展趋势
我国未来在成套装备的设计与制造方面的衔接过程将完全采用计算机的一体化机制，即设计以标准的模块化进行，这不仅有利于提高设计的效率而且这种标准化的模块式设计还可以将制造过程整合起来。
5.自动化成套装备的生产线的未来发展趋势
我国未来的自动化成套装备还将在信息技术与网络技术的支撑之下形成所有生产线的实时监控与快速整定。而且更为先进的离线编程技术也将在我国得到深度的应用。
成套装备技术的全面自动化已经成为世界潮流，我国也已经全面进入了成套装备技术的自动化大发展的加速发展阶段。成套装备技术的全面自动化极大地提高了劳动生产率，增强了人类认识世界与改造世界的能力，设计、制造、协调、管理高度集成的、高度一体化的成套装备自动化技术的出现必将引领我国的成套装备与控制工程进向一个新的历史时期。
参考文献：
[1]宋鹏云，胡明辅，姚建国.过程装备与控制工程和过程工程[J].化工高等教育，2004 （02）
[2]闫绍峰，熊晓航.过程装备与控制工程专业培养方案和课程体系的改革与实践[J].辽宁工学院学报（社会科学版），2007（05）
[3]陶秀祥，孙凤杰，何京敏.过程装备与控制工程专业的知识体系与人才培养模式[J].煤炭高等教育，2005（03）
[4]贺华，姬鸿斌.化工专业课程设计中注重培养学生的工程设计能力[J].石油化工应 用，2006（02）
篇10
1机械设计发展概述
传统设计方法是主要采用封闭的收敛设计思维，进行经验类比设计。在计算方面只进行静态分析，并将载荷，应力进行集中处理，对计算数据的误差采用增加安全系数的做法。论文百事通传统设计以手工设计为主，使用简单工具，进行人工计算绘图。除此，传统设计是一种串行设计，即一个零件从设计到生产是一个阶段的工作完成之后才进行下一个阶段的工作。所以，一种产品从设计到正式投产要花很多时间，这样开发周期长，且串行设计过程中，各个环节之间缺乏信息沟通，经常导致设计人员之间的合作不协调。
近年来，由于计算机网络技术、Web技术和数据库技术的出现和飞速发展，给现代机械设计注入了新的生机活力，机械设计逐渐向数字化、网络化方向发展。基于Web的远程设计是在这种条件下产生的。它使得各制造企业可以充分利用Internet和Web的国际互联性和资源共享性，建立企业间的动态联盟或虚拟设计小组，通过分散组合在各地域企业的技术优势，发挥各个企业的局部特长，所以不同专业的技术人员可以不受地域的限制，在一个统一且易于访问的平台下进行异地的合作与设计，实现信息的交流和共享，进而快速开发出所需产品，提高产品设计的一次成功率。
做为现代设计的一个重要组成部分，远程机械设计是一个多学科、多技术的研究领域，涉及到机械工程及计算机技术等许多知识领域。从机械设计的角度来看，主要研究设计过程的建模、设计优化理论等。从计算机技术方面来看，应研究如何对现有的设计资源进行组织和，使得这些资源能方便异地的设计人员进行查询和调用。这些资源包括各种专业化的计算、分析程序，供设计使用的数据库和知识库等，所以要研究网络环境下设计资源的获取与调用，设计过程中设计人员之间信息的交流和反馈等，为远程设计中分布式资源的获取和调用提供基础和借鉴。
2国内外远程机械设计发展
2.1远程设计的概念和意义远程设计让设计人员通过浏览器输入设计参数，服务器自动进行选择和计算，根据确定的参数返回产品的规格或设计图形。远程设计技术是现代计算机技术、网络技术和机械设计技术在工程设计上的应用，其缩短了产品的设计周期和节省了设计成本，真正意义上释放了工程技术人员。与传统的机械设计相比，远程设计具有以下优点：缩短产品的开发周期；避免重复开发；降低了企业资金和人员的投入。特别是近年来三层B/S网络计算模式的出现，极大地降低了客户端软硬件的配置要求；因为远程设计一般都提供给用户进行交流和讨论的平台，这不仅加强了各领域专家之间信息的共享和交换，而且还大大提高了一次产品设计的成功率。
2.2远程设计的国内外研究现状
2.2.1在国外领域，有关远程协同设计的研究和应用起步比较早，主要有：①上世纪80年代中期，麻省理工学院学者就从事了这方面的研究，首次提出T计算机支持的协同工作的概念。②20世纪90年代中期，美国伯克利加州大学的集成制造实验室开展了一个名为Cybercut的研究项目，建立了世界上第一个基于WWW的设计和制造系统。③英国建立EdinburghEngineeringVirtualLibrary网站，提供工程设计、制造需要等各种信息，建立了基于Web的虚拟制造中心，提高了企业特别是中小企业的市场竞争能力。④美国的Microsoft公司和UnigraphicsSolutions公司联合研究面向产品全生命周期基于知识的协同设计支持网络环境“DesignKnowledgeNetwork”，减少了时间，降低了成本，快速获取全球设计知识的基础的同时，进行产品创新设计。⑤英国Liverpool等大学研究并且应用人工智能和Internet提供滚动轴承的网络化的设计服务。
2.2.2在国内，这方面的研究主要集中在高等院校和科研院所，其中主要有：①西安交通大学理论与轴承研究所为主、国内多家企业和研究机构共同参并建立了国内第一个支持产品协同设计的网站-现代产品设计与研究开发网络（），旨在推进现代设计，主要提供设计知识的获取，参加的单位还有清华大学、机械科学研究院、华中理工大学、重庆大学、上海交通大学等国内许多著名的高校和科研院所。②清华大学精密仪器及机械系摩擦学国家重点实验室开发出了基于Web的异地合作设计系统Cdesign，其采用了Client/Serveer构架，客户与服务器之间通过VAW来完成。③上海先进制造工程技术研究中心与上海飞机制造公司开发了一个基于Intemet/web的异地设计和制造系统，利用它进行跨企业、跨地域的协同产品设计与制造。
除此之外，国内也有一些相关的网站，如：中国机械网（china-）、材料与制造综合信息服务平台等，它们提供机械设计技术数据、制造工艺技术数据等，并把机械设计技术、制造工艺技术、远程设计技术、产品数据库、计算机辅助设计都实现了网络化。
可是远程设计由于刚刚起步，像其它新兴技术一样还不够完善。随着CAD技术、计算机网络技术、数据库技术及人工智能技术的不断发展，远程设计的内容必将越来越丰富，功能越来越强大，所提供的服务也将越来越完善。新晨
3远程设计系统的技术研究
任何系统的总体结构模式的确定是系统在设计初步阶段要完成的一项主要任务。它的总体结构模式是系统的基础，只有确定了系统的结构模式才能进行下一步的设计和开发。而且应用软件的架构是建立在计算模式基础之上的，所以，必须先对网络计算模式进行分析。
计算机网络技术的发展过程中先后出现了大型机为中心的计算模式，服务器为中心的计算模式和客户机/服务器(Client/Server)计算模式，还有随着Web技术的成熟而发展起来的浏览器/服务器(Browse/Server)计算模式。
对两种计算模式经过分析和研究，CS模式和B/S模式比较，具有以下优点:界面风格统
一、可移植；跨平台性，B/S模式的系统较US模式的系统有更好的跨平台性，客户端可位于任意的软、硬件平台；易于管理和维护。
4远程设计系统的支撑技术
基于Web的远程设计是一项涉及多学科多功能的综合活动，其中包括现代机械设计技术、Web技术、数据库技术、计算机编程技术、多媒体技术和图形浏览技术等。
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市场经济的快速发展为企业发展带来了机遇，但是同时也带来了一定的挑战。企业要想在激烈的市场竞争中壮大，就必须将项目作为其生存和发展的基础和载体，因此项目管理应用的范围不断扩大。这样一来，基于PDM的项目管理技术跃入众多人的眼中，成为人们广泛关注的一种方式。基本惹眼，将PDM系统与项目管理有机结合，既可以发挥两者的优势与功能，又能够使得PDM系统中的过程与项目管理中的项目任务有效关联起来，从而为企业产品研发搭建一个有效的可以协同管理的平台。一般来说，基于PDM的项目管理系统需要包括以下几个部分：项目计划、项目跟踪与监控以及项目管理的协同功能。
一、项目计划
在这一环节主要包括制定项目进度计划、合理分配资源以及估算成本等。而要将这一环节做好，首先要做的就是充分分析企业的形式和现状，制作企业的组织结构模型以及企业的资源模型。
1.1 企业资源模型的建立
企业资源模型的建立是一个时间长、较为复杂的一个过程。在这一个过程中，对于项目经理而言，其职责非常明确――确定该项目需要那些资源予以支持，这些资源要从哪些方面去获得，什么时间将这些资源准备充分，还包括对于这些资源如何利用等。一般来说，在建立企业资源模型时，可以建立比如技能需求储备库以及员工技能储备库等两个，这样有助于企业项目经理制定出合理的项目资源计划。因为通过员工技能储备库可以将员工所具备的各项技能的明细列出来，而技能需求储备库则呈现了一个项目所需要的各项技能。项目经理通过比对，就可以轻而易举的为每一项任务分配恰当的资源。不仅如此，技能需求储备库还可以将明确的成本指定给各项技能，以便方便项目经理计算成本。
1.2 项目进度计划
通过流程概念模型，可以自上而下将企业的业务流程一一分解，这种形式和工作分解的结构存在一种明确的对应关系，这样一来项目计划的模板就可以根据流程概念图加以生成。随后，以此为基础进而制定该企业的项目进度计划。通过系统的创建新项目功能，就可以将工作分解的结构自动生成。在此模式下，就可以利用流程图或者表格的方式，对项目进度计划加以查阅、编辑，并且还可以估算该任务所需要的时间，设定该任务的相关类型，并可以对任务的相关性加以编辑设定。
1.3 成本估算
最后，在该系统中的每一项技能都会与费用比率相对应，这样就可以计算出使用这一技能所需要的成本。由前面可知，项目经理清楚每一项任务必备的技能，因而对于总体的成本有一个较为清晰的计算。然后将这些任务的成本汇总，就可以得出项目所需要的总的成本，完成估算。
二、项目执行与监控
当上一环节完成之后，也就是将项目中的任务分配完成之后，就可以进入到每一个子系统的任务执行阶段。一般而言，在PDM中，任务的执行主要靠工作流机制加以实现。而工作流机制的目标，就是在正确的时间段内给正确的人传递正确的信息。而工作流机制的管理主要包含任务的下达、任务的通知以及检验、条件的判断等。比如说，我们要出传达的任务是设计一个自行车前轮，那么通过任务的通知功能就可以讲设计者的相关信息通报给PDM系统或者其它的用户。随后，经过授权的检验人员就可以对设计人员通报给PDM系统中的信息文本进行相关的检验。而条件的判断则是该系统所具备的一项功能，目的就是控制项目管理过程中的状态。基本上任务执行时是以从下到上的状态执行的，先由最低成的节点开始，逐次向上。这样当最上层的根节点的任务也完成后，就宣告一个项目的整体结束。
此外，在PDM系统中，项目执行并不是放任不管的，还需要通过监控以了解整个项目的运行，确保其能按照流程有序的进行。这就需要PDM系统能够将任务的完成进度以及资源的使用情况加以统计和反馈，在与所计划的理论值加以比较，以便能够及时修正。
三、总结
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伴随着科学技术的飞速发展，人类已经跨入数字时代。虚拟现实作为一种新兴技术，在很多领域得到了非常广泛的应用。而在展示空间设计领域，虚拟现实已经作为一种非常重要的技术手段，渗入整个行业。其可以有效地解决抽象思维与展示空间设计实体间的联系问题。让人身临其境的感受、体会展示空间落成后的效果，让观者充分理解展示空间设计师的意图，达到实效沟通。因此也大大受到展示空间设计师们的青睐，并在展示空间设计领域得到了初步的应用。
1展示空间设计教学的内容和原则
展示空间设计是指展示空间在施工建造之前，设计者按照施工要求，把使用过程和施工过程中存在的问题或者可能发生的问题，做好全面的设计设想，拟定好解决这些问题的方案，用图纸表现出来。而展示设计教学则是将该设计过程放入课堂教学中，使学生明白如何实现展示空间设计的优化过程。最终落成，充分满足使用者的各种要求。下面就展示设计教学的基本原则、展示设计教学的基本内容做一阐述。
1.1展示空间设计教学的基本原则
把抽象的问题形象化、具体化，从而让学生更快速的理解教师的设计意图、调动学生的积极性和主动性，使教学更有效，使学生更容易建构新知识。
1.2展示空间设计教学的基本内容
一个优秀的展示空间设计作品要求满足空间环境的构造设计和展示空间空间环境的组合设计。要达到空间环境的构造设计和组合设计，在展示空间设计教学中，我们更需要做到为学生创设有效的情境，让学生有强烈的临场感、沉浸感，从而让学生在设计作品时不仅在功能、要求上创造良好的空间环境以满足人们生产生活文化等各种活动的需要，而且在内外形势上，创造良好的展示空间形象以满足人们的审美要求，最终达到让课堂教学更有效的目的。
2信息时代展示设计教学中存在的问题
展示空间设计教学是一门比较新兴的学科，一直以来不断发展和完善，在以往的展示空间设计教育中，教师大都是以尺子、图板、铅笔、工作模型等来展开的，教师通过手绘草图、电脑绘图（二维或三维)或向学生展示展示空间的模型，以向学生传达基本的展示设计构思。这种教学方法虽然快捷，但是过多依赖于二维图形，对于二维形体的推敲就显得捉襟见肘。
3虚拟现实技术应用于展示空间设计教学中的优势
虚拟现实技术非常有利于以学习者为虚拟学习情境创设一个良好的环境。教学是一门艺术，它强调学生的独特情感体验，要求教师在课堂上能够引导学生进行自主、积极的学习。可以这样说，情境教学在课堂教学实施过程中起到非常重要的作用。用情境教学法也更便于引出新内容，通过构建展示空间情境，教师用语言描绘展示空间理论和设计理念的同时，师生能共同进入角色，让学生在不知不觉中进入新知识的掌握和学习中。
4虚拟展示空间设计教学过程的组织
学生完成了以上的知识和技术储备的基础上，我们如何来引导学生实现虚拟展示空间设计呢？从教学方式上，选择的是任务驱动的教学模式，有利于学生克服单向思维，学会多向思维，综合运用知识，不断增强学生的创新能力。任务驱动教学分为以下四个步骤：第一步：展示计划。在这一部分中，教师创建情景，演示整个展示空间设计的任务。教师通过创建虚拟展示空间设计作品的任务情景，在情景中理解展示空间设计的新问题，教师提出总体设计目标，学生一边体验虚拟情景，一边提取自己知识结构中的相关经验，尝试用已有的知识解决教学情境中的问题。从而激发学生的探究欲和求知欲。第二步：分析计划。在第一个步骤中，教师演示的展示空间设计总任务一般较繁杂、信息量也较多，学生不能立刻理解并设计出合理方案。这时需要教师带领学生共同分析教学任务书，并让学生用自己已有的经验将总设计任务分解成一个个小任务，并且这些小任务要环环相扣，满足展示空间设计总任务书的要求。第三阶段：解决疑问。在这个步骤中，主要目的是让教师引导学生，发挥自身本有的主观能动性，主动探究问题，将上一步分解出来的小任务逐个完成。这时学生需要结合自己的初始能力，完成新知识的建构，并建立各个小任务之间的相互联系，然后再去验证，从中获得完成总任务所需的知识、能力。第四阶段：效果反馈。学习的过程就是一个不断反思、不断提高的过程，在探究性学习获得结果之后，学生应该对自己的学习效果有一个比较客观的评价。比如：我完成了什么内容、完成的效果自己是否满意、哪些地方还需进一步改进和提高、是否有更好的方法实现教学内容等。通过反思，学生不断地对设计作品作出调整和反馈，从而获得新的知识和经验，增强、丰富经验。总之，在展示空间设计教学的过程中，利用虚拟现实技术进行展示空间设计，不能单单只建立在虚拟场景基础上的模像直观教学，而缺乏语言准确性、生动性、形象性的表述。如果那样虚拟场景也仅仅起到一种陈列作用，学生难以获得确切的感性认知。因而，在展示空间设计教学过程中要根据教学内容、学生素质、教学环境等灵活运用虚拟现实技术构建虚拟场景，同时辅以语言直观教学，就会有更好的教学效果。
作者:张娇 单位:吉林动画学院
参考文献：
［1］王柯.基于虚拟现实技术的三维漫游系统研究与实现［D］.西南交通大学研究生学位论文，2003.
［2］申蔚，曾文琪.虚拟现实技术［M］.清华大学出版社，2009：8-9.
