周自強(qiáng)

（常熟理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，江蘇常熟 215500）

·東湖學(xué)人·

戴國洪教授數(shù)字化制造工藝與裝備技術(shù)研究工作評述

周自強(qiáng)

（常熟理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，江蘇常熟 215500）

戴國洪教授簡介

戴國洪，男，1966年出生，江蘇吳江人.2007年獲工學(xué)博士學(xué)位，1996年、2006年先后在上海交通大學(xué)CIM研究所、德國蓋爾森基欣工業(yè)設(shè)計(jì)學(xué)院進(jìn)行學(xué)術(shù)訪問，從事集成化CAPP技術(shù)、數(shù)控技術(shù)方面的研究工作，2007年晉升為教授.現(xiàn)任常熟理工學(xué)院副院長，蘇州市汽車綠色拆解智能裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任；兼任中國礦業(yè)大學(xué)、蘇州大學(xué)、沈陽航空航天大學(xué)、常州大學(xué)、江蘇技術(shù)師范學(xué)院等高校的碩士研究生導(dǎo)師；國家自然科學(xué)基金工程與材料學(xué)部項(xiàng)目通訊評審專家，中國機(jī)械工程學(xué)會(huì)高級(jí)會(huì)員，全國高校制造自動(dòng)化學(xué)會(huì)華東分會(huì)理事.

2007年，戴國洪教授被評選為江蘇省“六大人才高峰”（機(jī)械與汽車）資助對象，2008年入選江蘇省重點(diǎn)建設(shè)學(xué)科“機(jī)械制造及其自動(dòng)化”學(xué)科帶頭人，2009年入選常州市“831人才工程”首批領(lǐng)軍人才，2009年、2011年兩次入選江蘇省“333高層次人才培養(yǎng)工程”中青年學(xué)術(shù)帶頭人，2011年入選常熟理工學(xué)院學(xué)術(shù)帶頭人和常熟理工學(xué)院重點(diǎn)建設(shè)一級(jí)學(xué)科“機(jī)械工程”學(xué)科帶頭人.

戴國洪教授先后承擔(dān)了國家“863”計(jì)劃、國家科技支撐計(jì)劃、總裝備部“十五”預(yù)研、江蘇省高技術(shù)計(jì)劃、江蘇省科技支撐計(jì)劃、上海市科技攻關(guān)等國家和省部級(jí)科研項(xiàng)目；主持江蘇省高校自然科學(xué)基金、江蘇省高?？蒲谐晒a(chǎn)業(yè)化推進(jìn)、常州市科技型中小企業(yè)創(chuàng)新資金計(jì)劃等項(xiàng)目.在《中國機(jī)械工程》、《計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)》、《機(jī)械設(shè)計(jì)》等國內(nèi)外核心期刊發(fā)表論文40多篇，其中被EI、ISTP檢索20多篇.主編《SIEMENS NX 6.0數(shù)控加工技術(shù)》、《UG NX 5.0應(yīng)用與實(shí)例教程》、《SIEMENS NX 6.0機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)》等著作3部，編寫出版《機(jī)械CAD/CAM技術(shù)》、《先進(jìn)制造技術(shù)》、《結(jié)構(gòu)件工藝設(shè)計(jì)手冊》（軟件版）等著作5部.

近幾年來，戴國洪教授獲江蘇省科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)1項(xiàng)、江蘇省科技進(jìn)步三等獎(jiǎng)1項(xiàng)、江蘇省教學(xué)成果二等獎(jiǎng)1項(xiàng)、江蘇省師范教育科研成果三等獎(jiǎng)1項(xiàng)；《UG NX 5.0應(yīng)用與實(shí)例教程》被評為江蘇省精品教材，并榮獲江蘇省“紅杉樹”優(yōu)秀園丁獎(jiǎng)銀獎(jiǎng)、江蘇省高校優(yōu)秀共產(chǎn)黨員和常州市優(yōu)秀科技工作者稱號(hào).

從集成化CAPP技術(shù)、CAD/CAPP/CAM技術(shù)、數(shù)字化裝配技術(shù)、數(shù)控技術(shù)等方面介紹了戴國洪教授自1997年以來的主要研究工作及其在相關(guān)企業(yè)的應(yīng)用情況，闡述了戴國洪教授在我國863計(jì)劃CIMS領(lǐng)域中新開展的一些前瞻性研究工作及其科學(xué)意義.

數(shù)字化制造；CAPP；CAD/CAPP/CAM；數(shù)字化裝配；數(shù)控技術(shù)

數(shù)字化制造是隨著信息技術(shù)在傳統(tǒng)制造領(lǐng)域中的發(fā)展和應(yīng)用而形成的一個(gè)高新技術(shù)研究領(lǐng)域.自上個(gè)世紀(jì)80年代以來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，計(jì)算機(jī)技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在制造業(yè)中的應(yīng)用受到了普遍的重視.國家863計(jì)劃中專門設(shè)置了CIMS（Computer Integrated Manufacturing System）主題作為提升我國制造業(yè)整體水平的重要技術(shù)基礎(chǔ).在CIMS領(lǐng)域中，數(shù)字化制造工藝（CAPP，Computer Aided Process Planning）和數(shù)字化裝備技術(shù)是其中的核心研究方向之一.CAPP在其中起著聯(lián)接數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造環(huán)節(jié)，并為整個(gè)企業(yè)的制造資源規(guī)劃和企業(yè)資源規(guī)劃系統(tǒng)提供主要數(shù)據(jù)源的作用.而決定產(chǎn)品加工質(zhì)量的數(shù)字化制造基礎(chǔ)——數(shù)控技術(shù)與數(shù)控裝備也屬于多學(xué)科交叉的研究領(lǐng)域.近十多年來，戴國洪教授與其合作者在CIMS主題所屬的集成化CAPP技術(shù)、CAD/CAPP/CAM技術(shù)、數(shù)字化裝配技術(shù)、數(shù)控技術(shù)研究方面都開展了相關(guān)的研究工作.

1 計(jì)算機(jī)輔助工藝設(shè)計(jì)技術(shù)（CAPP）

為了研究集成化CAPP技術(shù)，戴國洪教授開展了以下研究工作：（1）軸類零件工序圖的生成方法，提出了不同于傳統(tǒng)方法的逆向工程法來生成CAPP系統(tǒng)中軸類零件的工序圖.該方法可以簡化程序設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，便于程序的模塊化設(shè)計(jì)，大大提高了工序圖的出圖效率[1-2].（2）創(chuàng)成式CAPP中的人機(jī)交互問題.創(chuàng)成式CAPP的概念提出以后一直停留在研究層面，很難在實(shí)際制造企業(yè)加以應(yīng)用.其主要的原因是不同的制造企業(yè)在加工設(shè)備、工藝方法上有很大的不同，從而導(dǎo)致由計(jì)算機(jī)主導(dǎo)的工藝規(guī)劃結(jié)果缺乏靈活性和適應(yīng)性.戴國宏教授提出了在CAPP系統(tǒng)中使決策數(shù)據(jù)和決策機(jī)制相分離的方法，并根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)過程的特點(diǎn)對CAPP的人機(jī)交互系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)充，使CAPP在執(zhí)行過程中能夠充分發(fā)揮工程技術(shù)人員的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)，很好地解決了高技術(shù)和實(shí)用化之間的矛盾[3].（3）研究了CAPP系統(tǒng)與企業(yè)生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)之間的關(guān)系并加以整合.CAPP系統(tǒng)作為一種加工工藝規(guī)劃工具只能在一定范圍內(nèi)發(fā)揮作用，而對于企業(yè)信息化的整體系統(tǒng)來說，CAPP則起著數(shù)據(jù)源和決策依據(jù)的關(guān)鍵作用.戴國宏教授與合作者一起研究了面向生產(chǎn)調(diào)度的CAPP的相關(guān)理論和方法.基于車間實(shí)際制造資源規(guī)劃提出多種工藝方案，為生產(chǎn)調(diào)度提供了更大的柔性，減少了制造資源的瓶頸現(xiàn)象.并在實(shí)際工業(yè)企業(yè)得到應(yīng)用，取得了很好的應(yīng)用效果[4-6].

2 CAD/CAPP/CAM技術(shù)

CAD、CAPP和CAM都是數(shù)字化制造系統(tǒng)中的單元技術(shù)，在孤立應(yīng)用的情況下所產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益是有限的，甚至還會(huì)發(fā)生由于各單元系統(tǒng)匹配不當(dāng)，或者接口不開放導(dǎo)致單元系統(tǒng)之間產(chǎn)生“信息孤島”的問題，并進(jìn)而在企業(yè)的生產(chǎn)管理中產(chǎn)生負(fù)面效應(yīng).為了使產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計(jì)、工藝數(shù)字化規(guī)劃、數(shù)字化制造能實(shí)現(xiàn)集成并最終實(shí)現(xiàn)制造企業(yè)的CIMS工程，戴國洪教授開展了以下研究工作：（1）CAD、CAPP和CAM的系統(tǒng)集成技術(shù)，以及企業(yè)實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)的基本方法[7].針對數(shù)控機(jī)床在制造企業(yè)普及率提高的趨勢，研究了以數(shù)控機(jī)床為主要加工設(shè)備的CAD/CAPP/CAM集成思路，從原理上研究并提出了這些單元技術(shù)在集成時(shí)需要開發(fā)的功能模塊及其原理和實(shí)現(xiàn)機(jī)制.針對企業(yè)實(shí)施CIMS工程中所出現(xiàn)的一些共性問題，戴國洪教授指出，對于制造企業(yè)的CIMS工程，關(guān)鍵是要進(jìn)行企業(yè)分析，并提出了分階段集成的思路，即針對企業(yè)實(shí)際情況，分階段實(shí)現(xiàn)物理系統(tǒng)集成，應(yīng)用集成和經(jīng)營集成[8].（2）研究了基于Step技術(shù)的產(chǎn)品統(tǒng)一數(shù)據(jù)模型在CIMS系統(tǒng)中的作用，尤其是Step在數(shù)字化設(shè)計(jì)與數(shù)控技術(shù)集成方面的應(yīng)用.他從制造業(yè)信息化的要求出發(fā)，提出實(shí)現(xiàn)數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造五個(gè)方面的關(guān)鍵問題，即產(chǎn)品統(tǒng)一數(shù)據(jù)模型表示方法、企業(yè)間產(chǎn)品數(shù)據(jù)交換、數(shù)據(jù)集成、異構(gòu)環(huán)境下應(yīng)用功能的集成、過程集成.同時(shí)闡述了解決以上五個(gè)方面關(guān)鍵問題的具體技術(shù)，從而可構(gòu)建和實(shí)現(xiàn)基于網(wǎng)絡(luò)的數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造的協(xié)同工作平臺(tái)[9].

3 數(shù)字化裝配技術(shù)

為了提高數(shù)字化產(chǎn)品模型的可裝配性，優(yōu)化裝配過程、降低生產(chǎn)成本、縮短產(chǎn)品開發(fā)周期、提高企業(yè)的市場競爭能力，戴國洪教授在數(shù)字化裝配技術(shù)研究方面開展了以下研究工作：（1）數(shù)字化裝配中裝配公差的建模研究.以往的數(shù)字化虛擬裝配普遍側(cè)重于裝配過程的動(dòng)態(tài)仿真和干涉檢查等幾何模型仿真，而對于在實(shí)際制造過程中非常重要的公差信息仿真所進(jìn)行的研究工作卻很少.戴國洪教授重點(diǎn)研究了面向虛擬裝配的公差信息建模和表示方法，提出了一種基于函數(shù)不等式的數(shù)學(xué)模型與一種基于結(jié)構(gòu)關(guān)系圖的表示模型，以及基于幾何約束變動(dòng)關(guān)系的數(shù)學(xué)模型.該方法將公差信息視為尺寸信息所允許的微小變動(dòng)量.并在其自主開發(fā)的虛擬裝配系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了該方法.他還提出了利用極值法和概率法進(jìn)行裝配尺寸鏈的解算方法，為不同應(yīng)用場合的裝配公差檢驗(yàn)提供了有效的數(shù)學(xué)工具[10-12].（2）裝配序列優(yōu)化問題的研究.針對過去側(cè)重于零部件幾何模型配合關(guān)系而對實(shí)際裝配工藝考慮不足的問題，提出了裝配約束關(guān)系信息動(dòng)態(tài)生成的處理技術(shù).通過分析裝配特征及裝配特征信息，建立了基于裝配特征的裝配關(guān)系模型[13].在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了基于APS（A-and，P-parallel，S-sequence，表示三種關(guān)系節(jié)點(diǎn)）樹模型的表示方法，并與規(guī)則法描述的工藝知識(shí)相關(guān)聯(lián)，在求解過程中縮小了裝配序列的解空間，提高了裝配序列生成效率[14-15].在APS樹模型的建模方面則提出了基于基礎(chǔ)件和連接關(guān)系來劃分裝配單元的做法，該方法有效地避免了零部件數(shù)量較多的裝配模型會(huì)出現(xiàn)的組合爆炸現(xiàn)象[16].另外在裝配知識(shí)的表達(dá)方面，戴國洪教授與其合作者研究了利用基于粗糙集的數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)從原始裝配數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行裝配知識(shí)挖掘，把隱藏在大量裝配數(shù)據(jù)中的裝配信息提取后建立裝配知識(shí)庫的相關(guān)方法[17-18].

從目前的研究趨勢來看，數(shù)字化裝配不僅對于產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與開發(fā)具有重要意義，而且對面向循環(huán)經(jīng)濟(jì)的產(chǎn)品拆解與回收也具有重要的意義，產(chǎn)品的合理裝配能夠使其在后續(xù)拆解過程中大大降低拆卸成本，另外裝配理論對于回收過程中的拆卸方法也具有重要的指導(dǎo)意義.

4 數(shù)控技術(shù)

上世紀(jì)90年代以來，數(shù)控技術(shù)在我國制造業(yè)中的應(yīng)用率得到了迅速提高.通用數(shù)控機(jī)床的研究和應(yīng)用是行業(yè)所關(guān)注的焦點(diǎn)，但是一些專用的數(shù)控機(jī)床和數(shù)控系統(tǒng)卻是研究空白，戴國洪教授與其研究者在數(shù)控技術(shù)研究方面開展了以下研究工作：

（1）數(shù)控汽車鑰匙銑齒機(jī)專用數(shù)控系統(tǒng)的研究工作[19-20].提出了一種基于ARM9微處理器為核心的嵌入式數(shù)控系統(tǒng)，該嵌入式數(shù)控系統(tǒng)以Arm9微處理器作為硬件平臺(tái)，采用WindowsCE為操作系統(tǒng)，利用Embedded Visual C++作為開發(fā)程序.該技術(shù)方案較好地彌補(bǔ)了傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)的局限性，大大降低了成本，系統(tǒng)能可靠地實(shí)時(shí)地進(jìn)行多任務(wù)處理，同時(shí)由于采用了硬件插補(bǔ)代替了傳統(tǒng)的軟件插補(bǔ)，使得機(jī)床在保證經(jīng)濟(jì)性的前提下提高了加工精度，最終保證了零件的表面加工質(zhì)量.

（2）虛擬數(shù)控加工系統(tǒng)建模方法的研究.雖然現(xiàn)有的數(shù)控編程軟件都具有仿真功能，但是其仿真僅僅局限在刀軌路徑的仿真上，其仿真功能遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能適應(yīng)虛擬制造（Virtual Manufacturing）技術(shù)的需要.為了使虛擬加工系統(tǒng)能夠完成實(shí)際機(jī)床加工系統(tǒng)類似的生產(chǎn)任務(wù)，需要在計(jì)算機(jī)上建立能夠描述真實(shí)加工過程的虛擬系統(tǒng).使之不僅可描述刀具的真實(shí)運(yùn)動(dòng)軌跡，完成諸如碰撞、干涉檢驗(yàn)等功能外，還可逼真地描述加工后工件的形狀誤差、位置誤差等屬性[21].為此，戴國宏教授與其合作者研究了基于VRML的虛擬加工環(huán)境建模方法[22]，研究了以這種開放式數(shù)據(jù)格式為基礎(chǔ)并面向虛擬制造的虛擬加工環(huán)境的構(gòu)建.

復(fù)雜曲面的數(shù)控編程和數(shù)控加工一直是制造企業(yè)的難點(diǎn)，戴國洪教授利用復(fù)雜曲面的造型理論，針對汽車工業(yè)和模具工業(yè)的生產(chǎn)特點(diǎn)進(jìn)行了有針對性的應(yīng)用研究.對大型汽車覆蓋件的曲面模型建模方法進(jìn)行了研究[23]，另外對通用數(shù)控編程軟件在曲面數(shù)控編程方面的應(yīng)用也進(jìn)行了深入研究[24].

目前，戴國洪教授所領(lǐng)導(dǎo)的課題組正在開展汽車綠色拆解工藝與智能裝備的研究，為中國即將到來的家用汽車報(bào)廢大潮做好相應(yīng)的技術(shù)準(zhǔn)備.該研究主要側(cè)重于報(bào)廢汽車的回收與再制造理論、拆解工藝、拆解裝備等方面的基礎(chǔ)研究與應(yīng)用基礎(chǔ)研究.

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A Review of Professor Dai Guo-hong's Research Work on Digital Manufacturing Process and Digital Manufacturing Equipment

ZHOU Zi-qiang
(School of Mechanical Engineering,Changshu Institute of Technology,Changshu 215500,China)

A general introduction of the research work of Professor Dai Guo-hong is given in this paper,which mainly focuses on the field of computer aided process planning,integration of CAD/CAPP/CAM,digital assembly technology and numerical control technology.

digital manufacturing;CAPP;CAD/CAPP/CAM;digital assembly;numerical control

TP391

A

1008-2794（2012）10-0002-04

2012-08-22

周自強(qiáng)（1970—），男，安徽合肥人，副教授，工學(xué)博士，研究方向：計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)、綠色設(shè)計(jì)與制造．