戴國洪教授數字化制造工藝與裝備技術研究工作評述

周自強

（常熟理工學院機械工程學院，江蘇常熟 215500）

·東湖學人·

戴國洪教授數字化制造工藝與裝備技術研究工作評述

周自強

（常熟理工學院機械工程學院，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年獲工學博士學位，1996年、2006年先后在上海交通大學CIM研究所、德國蓋爾森基欣工業設計學院進行學術訪問，從事集成化CAPP技術、數控技術方面的研究工作，2007年晉升為教授.現任常熟理工學院副院長，蘇州市汽車綠色拆解智能裝備重點實驗室主任；兼任中國礦業大學、蘇州大學、沈陽航空航天大學、常州大學、江蘇技術師范學院等高校的碩士研究生導師；國家自然科學基金工程與材料學部項目通訊評審專家，中國機械工程學會高級會員，全國高校制造自動化學會華東分會理事.

2007年，戴國洪教授被評選為江蘇省“六大人才高峰”（機械與汽車）資助對象，2008年入選江蘇省重點建設學科“機械制造及其自動化”學科帶頭人，2009年入選常州市“831人才工程”首批領軍人才，2009年、2011年兩次入選江蘇省“333高層次人才培養工程”中青年學術帶頭人，2011年入選常熟理工學院學術帶頭人和常熟理工學院重點建設一級學科“機械工程”學科帶頭人.

戴國洪教授先后承擔了國家“863”計劃、國家科技支撐計劃、總裝備部“十五”預研、江蘇省高技術計劃、江蘇省科技支撐計劃、上海市科技攻關等國家和省部級科研項目；主持江蘇省高校自然科學基金、江蘇省高校科研成果產業化推進、常州市科技型中小企業創新資金計劃等項目.在《中國機械工程》、《計算機集成制造系統》、《機械設計》等國內外核心期刊發表論文40多篇，其中被EI、ISTP檢索20多篇.主編《SIEMENS NX 6.0數控加工技術》、《UG NX 5.0應用與實例教程》、《SIEMENS NX 6.0機械產品設計》等著作3部，編寫出版《機械CAD/CAM技術》、《先進制造技術》、《結構件工藝設計手冊》（軟件版）等著作5部.

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

從集成化CAPP技術、CAD/CAPP/CAM技術、數字化裝配技術、數控技術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企業的應用情況，闡述了戴國洪教授在我國863計劃CIMS領域中新開展的一些前瞻性研究工作及其科學意義.

數字化制造；CAPP；CAD/CAPP/CAM；數字化裝配；數控技術

數字化制造是隨著信息技術在傳統制造領域中的發展和應用而形成的一個高新技術研究領域.自上個世紀80年代以來，隨著計算機技術的飛速發展，計算機技術與網絡技術在制造業中的應用受到了普遍的重視.國家863計劃中專門設置了CIMS（Computer Integrated Manufacturing System）主題作為提升我國制造業整體水平的重要技術基礎.在CIMS領域中，數字化制造工藝（CAPP，Computer Aided Process Planning）和數字化裝備技術是其中的核心研究方向之一.CAPP在其中起著聯接數字化設計與制造環節，并為整個企業的制造資源規劃和企業資源規劃系統提供主要數據源的作用.而決定產品加工質量的數字化制造基礎——數控技術與數控裝備也屬于多學科交叉的研究領域.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、CAD/CAPP/CAM技術、數字化裝配技術、數控技術研究方面都開展了相關的研究工作.

1 計算機輔助工藝設計技術（CAPP）

為了研究集成化CAPP技術，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，提出了不同于傳統方法的逆向工程法來生成CAPP系統中軸類零件的工序圖.該方法可以簡化程序設計結構，便于程序的模塊化設計，大大提高了工序圖的出圖效率[1-2].（2）創成式CAPP中的人機交互問題.創成式CAPP的概念提出以后一直停留在研究層面，很難在實際制造企業加以應用.其主要的原因是不同的制造企業在加工設備、工藝方法上有很大的不同，從而導致由計算機主導的工藝規劃結果缺乏靈活性和適應性.戴國宏教授提出了在CAPP系統中使決策數據和決策機制相分離的方法，并根據實際生產過程的特點對CAPP的人機交互系統進行擴充，使CAPP在執行過程中能夠充分發揮工程技術人員的經驗知識，很好地解決了高技術和實用化之間的矛盾[3].（3）研究了CAPP系統與企業生產調度系統之間的關系并加以整合.CAPP系統作為一種加工工藝規劃工具只能在一定范圍內發揮作用，而對于企業信息化的整體系統來說，CAPP則起著數據源和決策依據的關鍵作用.戴國宏教授與合作者一起研究了面向生產調度的CAPP的相關理論和方法.基于車間實際制造資源規劃提出多種工藝方案，為生產調度提供了更大的柔性，減少了制造資源的瓶頸現象.并在實際工業企業得到應用，取得了很好的應用效果[4-6].

2 CAD/CAPP/CAM技術

CAD、CAPP和CAM都是數字化制造系統中的單元技術，在孤立應用的情況下所產生的經濟效益是有限的，甚至還會發生由于各單元系統匹配不當，或者接口不開放導致單元系統之間產生“信息孤島”的問題，并進而在企業的生產管理中產生負面效應.為了使產品數字化設計、工藝數字化規劃、數字化制造能實現集成并最終實現制造企業的CIMS工程，戴國洪教授開展了以下研究工作：（1）CAD、CAPP和CAM的系統集成技術，以及企業實現計算機集成制造系統的基本方法[7].針對數控機床在制造企業普及率提高的趨勢，研究了以數控機床為主要加工設備的CAD/CAPP/CAM集成思路，從原理上研究并提出了這些單元技術在集成時需要開發的功能模塊及其原理和實現機制.針對企業實施CIMS工程中所出現的一些共性問題，戴國洪教授指出，對于制造企業的CIMS工程，關鍵是要進行企業分析，并提出了分階段集成的思路，即針對企業實際情況，分階段實現物理系統集成，應用集成和經營集成[8].（2）研究了基于Step技術的產品統一數據模型在CIMS系統中的作用，尤其是Step在數字化設計與數控技術集成方面的應用.他從制造業信息化的要求出發，提出實現數字化設計與制造五個方面的關鍵問題，即產品統一數據模型表示方法、企業間產品數據交換、數據集成、異構環境下應用功能的集成、過程集成.同時闡述了解決以上五個方面關鍵問題的具體技術，從而可構建和實現基于網絡的數字化設計與制造的協同工作平臺[9].

3 數字化裝配技術

為了提高數字化產品模型的可裝配性，優化裝配過程、降低生產成本、縮短產品開發周期、提高企業的市場競爭能力，戴國洪教授在數字化裝配技術研究方面開展了以下研究工作：（1）數字化裝配中裝配公差的建模研究.以往的數字化虛擬裝配普遍側重于裝配過程的動態仿真和干涉檢查等幾何模型仿真，而對于在實際制造過程中非常重要的公差信息仿真所進行的研究工作卻很少.戴國洪教授重點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不等式的數學模型與一種基于結構關系圖的表示模型，以及基于幾何約束變動關系的數學模型.該方法將公差信息視為尺寸信息所允許的微小變動量.并在其自主開發的虛擬裝配系統中實現了該方法.他還提出了利用極值法和概率法進行裝配尺寸鏈的解算方法，為不同應用場合的裝配公差檢驗提供了有效的數學工具[10-12].（2）裝配序列優化問題的研究.針對過去側重于零部件幾何模型配合關系而對實際裝配工藝考慮不足的問題，提出了裝配約束關系信息動態生成的處理技術.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系模型[13].在此基礎上實現了基于APS（A-and，P-parallel，S-sequence，表示三種關系節點）樹模型的表示方法，并與規則法描述的工藝知識相關聯，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件和連接關系來劃分裝配單元的做法，該方法有效地避免了零部件數量較多的裝配模型會出現的組合爆炸現象[16].另外在裝配知識的表達方面，戴國洪教授與其合作者研究了利用基于粗糙集的數據挖掘技術從原始裝配數據庫中進行裝配知識挖掘，把隱藏在大量裝配數據中的裝配信息提取后建立裝配知識庫的相關方法[17-18].

從目前的研究趨勢來看，數字化裝配不僅對于產品的設計與開發具有重要意義，而且對面向循環經濟的產品拆解與回收也具有重要的意義，產品的合理裝配能夠使其在后續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意義.

4 數控技術

上世紀90年代以來，數控技術在我國制造業中的應用率得到了迅速提高.通用數控機床的研究和應用是行業所關注的焦點，但是一些專用的數控機床和數控系統卻是研究空白，戴國洪教授與其研究者在數控技術研究方面開展了以下研究工作：

（1）數控汽車鑰匙銑齒機專用數控系統的研究工作[19-20].提出了一種基于ARM9微處理器為核心的嵌入式數控系統，該嵌入式數控系統以Arm9微處理器作為硬件平臺，采用WindowsCE為操作系統，利用Embedded Visual C++作為開發程序.該技術方案較好地彌補了傳統數控系統的局限性，大大降低了成本，系統能可靠地實時地進行多任務處理，同時由于采用了硬件插補代替了傳統的軟件插補，使得機床在保證經濟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量.

（2）虛擬數控加工系統建模方法的研究.雖然現有的數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，其仿真功能遠遠不能適應虛擬制造（Virtual Manufacturing）技術的需要.為了使虛擬加工系統能夠完成實際機床加工系統類似的生產任務，需要在計算機上建立能夠描述真實加工過程的虛擬系統.使之不僅可描述刀具的真實運動軌跡，完成諸如碰撞、干涉檢驗等功能外，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的虛擬加工環境建模方法[22]，研究了以這種開放式數據格式為基礎并面向虛擬制造的虛擬加工環境的構建.

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

目前，戴國洪教授所領導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廢大潮做好相應的技術準備.該研究主要側重于報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研究與應用基礎研究.

[1]戴國洪，尤飛，倪前富，等.基于特征的軸類零件工序圖生成的研究[J].機械設計，2001（5）：36-38.

[2]尤飛，戴國洪，王芳.軸類零件工序圖自動生成的逆向工程[J].機械設計，2001（10）：45-47.

[3]倪前富，戴國洪，嚴雋琪，等.創成式CAPP系統中人機交互問題的研究[J].微電腦應用，1997（4）：14-17.

[4]尤飛，戴國洪.CAPP與PPC集成優化模型的研究[J].機床與液壓，2005（12）：61-67.

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[6]戴國洪，倪前富，嚴雋琪.基于資源模型和特征模型的創成式CAPP系統的研究[J].機械設計與制造，1999（10）：24-26.

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[9]戴國洪，張友良.實現數字化設計與制造的關鍵技術[J].機床與液壓，2004（3）：94-96.

[10]戴國洪，張向華.面向虛擬裝配公差建模方法的研究[J].江蘇技術師范學院學報，2006（4）：29-32.

[11]張向華，戴國洪.虛擬裝配系統中精度信息表達方法的研究[J].機床與液壓，2008，36（9）：20-23.

[12]戴國洪，張友良，張向華.虛擬裝配中裝配公差的檢驗分析[J].機械設計，2006，23（8）：30-32.

[13]戴國洪，張友良，尤飛.支持虛擬裝配的裝配約束關系信息動態生成[J].計算機集成制造系統，2007，13（7）：1406-1411.

[14]戴國洪，張友良，尤飛.面向序列規劃的裝配工藝APS樹模型生成的研究[J].中國機械工程，2006，17（7）：1493-1498.

[15]戴國洪，張友良，尤飛.基于一種樹模型的裝配序列優化生成的研究[J].中國機械工程，2006，17（8）：181-185.

[16]王江濤，戴國洪，朱林立.基于基礎件和連接關系的裝配序列自動快速規劃研究[J].制造業自動化，2012（7）：29-31.

[17]陳亞，戴國洪.粗糙集理論在裝配知識挖掘中的研究與應用[J].機械設計，2009，26（6）：16-18.

[18]陳亞，戴國洪.基于粗糙集的裝配知識發現中屬性歸約的研究[J].江蘇技術師范學院學報，2009（3）：32-35.

[19]施衛，戴國洪，趙景波.汽車鑰匙銑齒機專用數控系統設計[J].科技資訊，2010，33：11-14.

[20]朱建富，戴國洪，施衛.基于ARM9的嵌入式數控系統設計[J].機械設計與制造，2012（3）：34-36.

[21]李長春，戴國洪，胡煒，等.虛擬加工系統建模技術的研究[J].機床與液壓，2010，38：114-116.

[22]李長春，王鋒，戴國洪，等.基于OpenGL的VRML文件格式的解析[J].電腦開發與應用，2008，21：62-63.

[23]尤飛，戴國洪，施曉芳.基于MDT平臺的汽車覆蓋件曲面造型[J].組合機床與自動化加工技術，2002（5）：23-26.

[24]施曉芳，戴國洪.基于MasterCAM的曲面三軸數控加工誤差的補償技術[J].制造業信息化，2007（8）：65-67.

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（1970—），男，安徽合肥人，副教授，工學博士，研究方向：計算機集成制造系統、綠色設計與制造．