1 引言

    隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展與進步，制造技術(shù)特別是機械制造技術(shù)正向著“數(shù)、精、極、自、集、網(wǎng)、智、綠”，八個方面發(fā)展，并相互交叉滲透、互相促進，最終形成高度集成的計算機集成制造系統(tǒng)(Computet Integrated ManufactutingSystem, CIMS)。特別是隨著因特網(wǎng)（Internet）技術(shù)以及數(shù)字化平臺的飛速發(fā)展，出現(xiàn)了許多先進制造模式，如網(wǎng)絡(luò)制造、數(shù)字化設(shè)計技術(shù)、虛擬制造技術(shù)等。這些技術(shù)都具有一系列的優(yōu)點，如網(wǎng)絡(luò)化制造具有敏捷性、協(xié)調(diào)性、數(shù)字化、直接化、遠程化以及多樣性等特點。產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理(Product Data Management,PDM)技術(shù)已經(jīng)的得到了廣大推廣與應(yīng)用，如基于PDM的數(shù)字化設(shè)計技術(shù)、PDM與CAPP集成技術(shù),PDM與CAD集成技術(shù)等方面。PDM作為溝通企業(yè)中各種信息的橋梁已經(jīng)成為協(xié)同設(shè)計等先進制造模式的關(guān)鍵技術(shù)之一。尤其是在虛擬制造中，PDM遠比傳統(tǒng)意義上的CAD和工程技術(shù)群體文件管理的功能大的多，它是所有信息的主要載體。因此，開展PDM及虛擬制造技術(shù)等先進制造模式及相關(guān)理論研究，具有非常重要的理論意義、應(yīng)用前景和產(chǎn)業(yè)化價值。

2 PDM概念與特點

    2.1 PDM的定義

    產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)是CIMdam公司總裁EdMiler在《PDMToday》一文中指出其定義是：PDM是管理所有與產(chǎn)品相關(guān)的信息和過程的技術(shù)，與產(chǎn)品相關(guān)的所有信息即描述產(chǎn)品的各種信息，包括零部件信息、結(jié)構(gòu)配置、文件、CAD／CAM／CAPP電子文檔、異構(gòu)數(shù)據(jù)、審批信息等與產(chǎn)品相關(guān)的所有過程，即對這些過程的定義和管理，包括信息的審批和發(fā)放，可以看做是依托IT技術(shù)實現(xiàn)企業(yè)最優(yōu)化管理的方法，是科學(xué)的管理框架與企業(yè)實現(xiàn)問題相結(jié)合的產(chǎn)物，是計算機技術(shù)與企業(yè)文化結(jié)合的一種產(chǎn)物。

    2.2 PDM的特點

    PDM作為一種能夠幫助設(shè)計人員和其他人員管理數(shù)據(jù)的工具，PDM系統(tǒng)能夠提供設(shè)計、制造所需的數(shù)據(jù)和信息，并由此支撐和維護產(chǎn)品開發(fā)的全過程的協(xié)調(diào)性。具有獨立性、可復(fù)制性、數(shù)據(jù)產(chǎn)生維護清除方便性,Internet瀏覽性以及協(xié)同性。PDM可以作為CAD/CAM/CAPP/CAE(CAX)等集成的數(shù)據(jù)平臺，如圖1所示。

    圖1 PDM與CAX之間關(guān)系

3 虛擬制造技術(shù)

    3.1虛擬制造的基本概念及分類

    虛擬制造作為一種新型的先進制造模式，特別是以計算機集成制造系統(tǒng)為基礎(chǔ)虛擬制造技術(shù)(VirtualManufaeture, VM)可以是企業(yè)的全面集成和優(yōu)化成為可能。所謂的虛擬制造是利用計算機仿真技術(shù)與虛擬現(xiàn)實技術(shù)，在高性能計算初或者計算機群組協(xié)同工作下，實現(xiàn)產(chǎn)品的設(shè)計、工藝規(guī)劃、加工制造過程、性能分析、質(zhì)量檢測以及企業(yè)各級的管理與決策控制能力的本質(zhì)過程，以增強制造企業(yè)的各級的決策與控制能力網(wǎng)。它是一個對制造全過程全面仿真的一種先進制造技術(shù)，通過虛擬制造可以提前發(fā)現(xiàn)制造過程中的潛在問題，才產(chǎn)品實際生產(chǎn)前就采取預(yù)防控制措施，達到產(chǎn)品一次性制造成功的目標(biāo)，從而降低成本，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，提高企業(yè)的競爭能力。根據(jù)生產(chǎn)過程的不同階段，我們可以將虛擬制造分為三類:

    （1）以設(shè)計為核心的虛擬制造(Design-Centered VM,DCVM );

    （2）以制造為核心的虛擬制造(Production-Centered VM, PCVM );

    （3）以控制為核心的虛擬制造(Control-Centered VM, CCVM )。如表1所示。

    表1 三類虛擬制造比較

    3.2虛擬制造技術(shù)的特點

    虛擬制造具有如下主要特點:

    (1)高度集成性;

    (2)高度靈活性;

    (3)支持協(xié)同合作。

4 PDMVMS體系結(jié)構(gòu)

    基于PDM的虛擬制造系統(tǒng)(Virtual Manufacture System based on Product Data Management, PDMVMS)與傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計相比不管是設(shè)計方式還是制造控制方式都發(fā)生了深刻變化，傳統(tǒng)設(shè)計過程中會有許多不可少的步驟，在虛擬制造中可以大大簡化，實施動態(tài)設(shè)計過程，大大降低了工作人員的勞動強度和產(chǎn)品成本，在設(shè)計階段就可以針對后續(xù)制造問題進行修改，可以提高產(chǎn)品的一次制造成功率，大大降低了產(chǎn)品的研發(fā)周期和成本，提高了企業(yè)的市場競爭能力，PDMVMS的體系結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

    圖2 PDMVMS的基本體系結(jié)構(gòu)

5 PDMVMS的主要技術(shù)問題

    5.1建模技術(shù)研究

    虛擬制造系統(tǒng)開發(fā)及運行的主要步驟如下:

    (1)基于相關(guān)理論和經(jīng)驗積累下對制造知識進行系統(tǒng)化組織和描述;

    (2)對產(chǎn)品、設(shè)備等工程對象及制澎生程、活動進行綜合建模;

    (3)利用計算機仿真對產(chǎn)品設(shè)計、制造進行評價;

    (4)不滿意的仿真結(jié)果進行修改或刪除，重復(fù)步驟(3);

    (5)為了取得同質(zhì)量的仿真，對日常操作模型進行刪除補充維護。系統(tǒng)建模時虛擬制造系統(tǒng)的核心，也是構(gòu)成虛擬制造系統(tǒng)的基礎(chǔ)。PDMVMS的建模可分為三個層次，分別是:目標(biāo)系統(tǒng)層、虛擬制造過程模型層和基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)模型層。如圖3所示。

    圖3 PDM VMS階梯式建模技術(shù)

    5.2虛擬產(chǎn)品制造仿真技術(shù)研究

    目前虛擬加工分析工具尚不豐富，采用面向?qū)ο?Object-Oriented,O-O)的建模建模方法符合人們的思維習(xí)慣，在計算機集成以及計算機仿真技術(shù)的飛速發(fā)展情況下的集成化是裝配建模的必然趨勢，信息模型能更好的支持PDMVMS環(huán)境下的建模與裝配的各階段活動。虛擬加工仿真的主要內(nèi)容:

    5.2.1仿真環(huán)境建立

    (1)定義虛擬機床;

    (2)定義刀庫刀具;

    (3)定義工件或夾具的安裝方案;

    (4)安裝夾具、毛坯和刀具。

    5.2.2加工過程仿真

    (1)刀具軌跡仿真;

    (2)夾具安裝使用過程仿真;

    (3)機床運動仿真;

    (4)材料去除過程仿真。

    5.3 PDMVMS的實施實例

    虛擬制造技術(shù)發(fā)展到今天，已經(jīng)取得了不少成果。大眾公司為了加快新型汽車的開發(fā)周期，從1994年與IGD(FraunboferInstituteof Computer Graphics IGD,Gennany)合作研究虛擬設(shè)計系統(tǒng)。成功實現(xiàn)汽車碰撞實驗的虛擬仿真。波音777飛機作為第一架無圖紙的飛機，不僅省去了大量的圖紙繪制工作，而且大大提高了生產(chǎn)效率。

6 結(jié)束語

    虛擬制造技術(shù)的研究與應(yīng)用具有巨大潛力。由于各項計算機技術(shù)的發(fā)展，如Internet技術(shù)、遠程通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)制造技術(shù)、網(wǎng)格技術(shù)、信息技術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)的飛速發(fā)展，為虛擬制造功能的實現(xiàn)提供了有力的支撐。虛擬制造是實際制造的映射，而實際制造是虛擬制造的現(xiàn)實實例。對于基于PDM的虛擬制造系統(tǒng)進行了分析研究，搭建了以PDM為傳輸平臺的虛擬制造系統(tǒng).分析了PDMVM系統(tǒng)中的各部分功能關(guān)系。利用虛擬制造技術(shù)進行產(chǎn)品的開發(fā)制造可以節(jié)省實體材料，降低勞動強度，縮短產(chǎn)品的設(shè)計研發(fā)周期，提高了企業(yè)的市場競爭力。

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本文標(biāo)題：基于PDM的數(shù)字化產(chǎn)品虛擬制造系統(tǒng)研究

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