虚拟制造技术论文汇总十篇

序论：好文章的创作是一个不断探索和完善的过程，我们为您推荐十篇虚拟制造技术论文范例，希望它们能助您一臂之力，提升您的阅读品质，带来更深刻的阅读感受。

篇（1）

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。超级秘书网

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。

篇（2）

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。

篇（3）

中图分类号：G434 文献标识码：B 文章编号：1673-8454(2012)09-0046-03

近几年，由于高职院校招生人数大幅度增加、实践教学经费缺乏、实训设备陈旧落后，以及真正建立企业实习基地难度大等原因，学生实训教学难已经成为长期困扰高职院校实践教学的普遍性问题。运用虚拟现实技术开展实训教学有利于调动学生积极性，给每个学生提供在虚拟岗位中的动手操作机会，从而达到预期教学目的。因此，构建基于虚拟现实技术的机械制造专业实训平台，创设学习型岗位和相应的岗位场景，实现实训教学与职业岗位的无界化是非常有意义的。

一、机械制造实训教学现状分析

当前大部分高职院校都建立了校内外实训基地，但从实训教学方面来看，还存在以下几个问题：

（1）建一个机械制造实训基地需要造厂房、买设备、配置人员等，开支巨大，并且学生的实训成本极高，如刀具、材料的大量损耗及设备损坏折旧等。[1]

（2）校内实训基本上是某一工种的操作训练，企业生产中的“质量、成本、交期”要求无法体现，学生在实训场所体验不到真实的企业工作氛围。[2]

（3）部分学校使用仿真软件代替真实设备，但当前流行的数控仿真软件如宇龙、宇航、菲克等能模拟机床操作面板，能验证数控程序，能加工出零件大致轮廓，同时也存在几大缺陷：加工工艺性差，如工艺方案的优劣对加工结果的影响看不出，零件的尺寸精度和形位公差无法测量；无法切身感知车间现场环境，如刀具磨损时的声音异常，操作不规范导致的各种安全问题等。学生在使用模拟软件后对技术、工艺的掌握还很肤浅。

（4）校外实训学生仅参与某个生产环节，并未完整经历职业岗位的各个工作步骤；企业首先要完成的是生产任务，而不重视培养学生，学生实习效果受到很大的影响。[3]

（5）教师的企业经历较少，基本上只能指导学生操作练习，培养不了企业真正需要的高技能人才，其“双师”素质有待提高。

二、虚拟制造实训平台构建的基础探索

1.根据市场调查确定机械制造职业岗位群

本项目组首先组织开展了机械制造职业岗位群的市场调研，而机械制造职业岗位往往从属于汽摩配、家用电器、服装机械、机床设备、模具制造等行业，通过对上述行业上百家各类规模企业的实地调研，并在多位企业实践专家的协助下对调研结果进行了归纳分析，最后确定了以下几个职业岗位：普机操作工、数控操作工、检验员、工艺员。

2.根据岗位要求布置虚拟实训情境

虚拟实训的目的是让学生在模拟真实的职业环境下锻炼成一名准职业人，所以我们在布置实训场景时首先要满足工作环境的真实性和工作过程的完整性。这里的环境布置指的是软件环境，虚拟环境的空间布置和设施配置企业化，将学生的角色设为某个企业某个岗位的职员，以该职业岗位的工作步骤为依据编排虚拟实训步骤。如操作工的工作步骤包括生产准备、生产过程、生产结束三个阶段的工作内容，具体内容如图1所示。

数字化工厂的技术目的是利用IT技术统一管理原材料、设备、工厂（面积）和生产流程。[4]而我们的虚拟实训平台的技术目的是模拟各工作岗位的工作步骤，并在工作过程中学习相关知识。

3.各工作步骤中穿插了大量辅助学习内容

我们的虚拟实训平台并不是一个单一的数字化工厂，它既是一个虚拟工作平台，又是一个学习平台。企业里的工人或技术人员需要系统培训后才能完成一项较复杂的工作。同样，要完成虚拟实训平台的各项工作任务，也需要系统的学习和培训。学习内容主要包括各具体工作步骤的示范指导和相关知识相关技能的拓展学习两类。工作步骤的示范指导采用图文视频结合的方式展示，部分采用了交互软件。相关知识的拓展采取引导文的形式，告诉学生查找相关资料的路径，而不是直接把答案告诉学生。这样学生在虚拟实训中并不是简单地模仿操作，更多的是培养了自学能力和解决问题的能力，学习到了工作过程系统化的知识。

三、虚拟制造实训平台的系统结构

虚拟制造实训平台的开发应与相关职业岗位的工作情境相符，逼真地反应工作内容。同时又要有辅助学习的功能，是一个助学的平台。基于以上认识提出了支持虚拟制造实训平台的系统框架，该系统结构由数据层、业务逻辑层、Web层、用户层4部分组成，如图2所示。

虚拟制造实训平台的框架结构分为四层。（1）数据层用于存储支撑实训平台运行的各种数据，如零件库、刀具库、设备库和用户信息等。数据层为实训管理和应用提供数据支持。在实训平台系统中，提供数据库访问功能。通过这些应用程序接口，上层系统可以访问到实训平台的各种数据。[5]（2）业务逻辑层是实训平台的核心，所有与Web信息相关的业务逻辑都在这一层实现。业务逻辑层是由一系列功能执行部件组成的，涵盖了实训平台所设计的认识实习、加工仿真、产品装配拆卸、用户管理、系统管理等主要业务功能。（3）Web层由Web服务器和Web容器组成，Web容器包含JSP、HTML、Applet等功能组件。[6]这些功能组件主要用于描述客户端浏览器的内容显示方式。Web层负责接受用户的信息服务请求，转递给业务逻辑层，并将响应的结果返回给用户，即通过Web浏览器向用户显示结果。（4）用户层负责与用户的交互。它的功能是提交用户请求，并显示服务器的处理结果。在具体应用中，可以根据具体的应用环境提供相应的交互方式：一种是通过浏览器；另一种是通过应用程序，跨越Web层，与业务逻辑层直接交互。

四、虚拟制造实训平台的实施案例

学生在虚拟制造实训平台内，先选择相应的职业岗位，阅读岗位职责，初步了解工作步骤。进入虚拟空间后，根据职责完成目标岗位的全部工作步骤。如无法完成某工作步骤，可以打开视频窗口学习，如需进一步学习相关知识可以打开知识导航，引导你学习相关的技术资料。在虚拟制造实训平台内学生边工作边学习，无需教师在场，就可以通过自己的努力完成各项工作任务， 并充分利用实训平台的导航、自测与自评的助学功能，达到岗位职责的要求，实现职业教育与工作岗位的无界化。

下面以数控操作工的虚拟实训为例，第一步是熟悉工作环境和工作内容。学生可以在机械加工车间参观漫游，具体能够实现：指定路径的漫游动画显示、不同视点的3D模型观察、机床设备、刀具、工装、零件等模型的整体和局部观察等。如图3所示。

第二步是生产准备阶段，包括：①领用图纸、工艺卡；②根据工单任务领料；③工装库借本道工序夹具、刀具；④上夹具调试。以上几步都是严格按照机械制造企业数控机床操作工的真实工作准备步骤来编排，学生能学习到去什么部门领取相关工作资料、工具，需办理什么手续，也能学到零件加工前怎么调试工装夹具等。如图4所示。

第三步是生产阶段，包括：①互检，检测上一道工序半成品的精度是否符合要求；②首件加工；③首件加工后的首检，包括自检、班组长、检验员检，检验合格后可以正式开始生产；④“三按”生产，即严格按图纸、按标准、按工艺的要求正式生产；⑤自检、互检，发现问题向班组长及时报告并注意工件防护、现场6S、设备维护、安全操作规定等，批量生产完成后需办理转序手续，在工序流程卡上登记记录。

零件加工仿真模块界面如图5所示，动画区主要分为工件区和机床设备区，分别仿真刀路和机床动作。系统菜单主要有文件、视图、分析等，设计适当的快捷按钮。制作典型零件加工仿真，包括毛坯定义、材料定义、工装定义、刀具定义和机床选择。

第四步是生产结束阶段，包括零件入库、交回工艺和图纸、清扫场地、机床并完成“三保”中的“一保”。

五、结束语

基于虚拟现实技术的虚拟实训与传统的校内外实训模式相比有着自身的优势和特点。它能全真模拟职业工种的工作环境、工作步骤和工作内容，学生通过完全沉浸式的职业角色扮演，真实地体验各个职业岗位，熟悉了工作步骤、工作内容，并能学习训练相关工作技能。虚拟现实技术在机械制造实训教学中的应用, 不但提升了本专业实践教学的现代化水平, 大大改善了教学条件，也为实现职业教育与工作岗位“零对接”提供了有力的保障。

参考文献：

[1]王艳戎,张远辉.高职机械基础实践教学中心建设探索[J].职业教育研究,2011(7):154-155.

[2]黄敏玲.高职院校校内实训教学存在的问题及对策探讨[J].高教论坛,2011(10):127-128.

[3]易洪雷.基于校企合作联盟模式的校外实习基地建设[J].实验技术与管理，2011（4）：140-142.

篇（4）

【关键词】计算机仿真技术 信息化 制造业

1 对系统仿真类型进行概述

顾名思义，“仿真”就是对现实世界的物体进行模拟的一种状态，使其达到逼真的情形。在工程技术领域，经常采用系统仿真技术来研究相关事物，如通过系统模型的相关实验来研究设计或者存在的某个系统。表1为系统仿真分类表。

2 对计算机仿真技术在制造业中的应用以及发展现状进行概述

由于我国是一个制造业大国，并且制造业在我国的国民经济收入中也占很大的比例，因此，国家及企业都非常重视我国制造业技术的发展。随着我国科学技术及制造业的进步，使得CIMS、NC、FMS、CAPP、MRP等都得到了快速发展。而系统仿真技术作为工程领域里面的一个重要手段，其被大量应用到我国制造业进行研究及实践，从而产生出一些先进制造技术。

对于系统仿真技术而言，如果从本质上面来讲，其就是通过建立仿真模型，然后再对仿真模型不断进行实践模拟的一种先进技术。它的实现过程主要是由仿真语言、计算机高级语言、以及计算机仿真软件来实现，具体情况如上图2-1所示。可以很明@的看出，对于一个典型的仿真软件来讲，它主要包括程序包、仿真语言、仿真环境三种不同的形式，它的覆盖功能也不是完全相同的，并且，从下到上是大致的反映了计算机仿真软件的一个发展情况。随着相关技术的发展，直到上个世纪80年代后期，出现了一体化的仿真环境。随着我国计算机技术的进一步发展，开始出现了面向对象的并发执行机制，这样，就非常容易的实现在数据库管理的基础之上来对实验及模型数据、以及实验仿真的结果等进行统一的管理，与此同时，人工智能等相关的先进技术也开始应用到仿真建模、运行以及对仿真的结果进行分析之中。另外，广义的制造系统的相关仿真器也开始大量出现，在某种程度上面很好的实现了对制造系统进行的非语言建模、以及模型数据驱动等相关的重要功能。比较典型的一体化仿真软件有TESS等，广义的仿真器有FATOR等。

3 计算机仿真研究的热点以及对我国制造业的相关影响

自从上世纪末以来，随着我国制造业的竞争不断加剧，产品生产周期不断缩短，这样就导致系统仿真技术不断向横向的方向发展，在制造业里面比较典型的就是“虚拟制造技术”的发展。根据虚拟制造的概念可以得知，需要先采取计算机来模拟整个产品的设计及制造过程，这样便于发现各种问题，并且在产品制造之前就把问题解决掉，从而提高生产效率及产品质量。

随着制造业的发展，仿真技术在我国制造行业里面的又一个重要研究热点诞生，即虚拟产品的开发（VPD），它最早是来源于并行工程的思想。并行工程技术（CE）在对产品进行开发之前就对产品的整个生命周期进行全面的考虑，这样，对解决相关产品的设计以及开发之间的矛盾是非常有益的。而虚拟产品开发是在并行工程的指导下，把大规模的产品数据管理系统以及CAD等产品设计系统等进行综合起来，从而进一步的形成虚拟产品的开发环境，这样就可以在该环境下进行产品的策划、设计等，以及预测产品在真实环境下的相关特征、功能及性能等，这样在进行实际设计、生产的过程中，可以减少反复或者变更等的次数。VPD技术能够深入到各种复杂产品的制造之中，从而为企业产生巨大的经济效益。

随着计算机技术的高度快速发展，对仿真技术的相关应用已由单一的形式向复杂性的方向进行发展。由于现代制造企业面向全国甚至全世界，因此，它的仿真对象也是分布在不同的时空，在这样的背景下就产生了分布交互化仿真技术（DIS）。对于这种仿真系统来讲，它所包括的内容有：构造实体、实体-虚体、真实方面的实体等，并且，这些实体是可以基于不同时期的相关技术、不同产品的相互组成、不同的系统方面的目的、以及不同生产厂家的相关技术等，对于这样的复杂情况是允许他们进行交换操作的。分布交互化仿真技术（DIS）通过采用计算机网络将分布在不同地点的仿真设备进行连接起来，这样便可以通过实体之间的数据方面的交换构成时空到合成仿真环境的一种比较先进的仿真技术。

如今，在我国制造业中已经产生了虚拟企业或者类似于DIS的虚拟研究开发中心等。就目前来讲，比较出名的就是香港城市大学与香港生产力方面的促进局共同构建的快速科技中心，它就是虚拟研究开发中心。由于当今社会是动态快速发展变化的，人们的需求更多转向个性化、多样化等方向，因此，对于制造企业来讲，它们就要抓住市场的需求，然后采取方式（如柔性生产制造）来快速响应市场需求，这样才能够为企业获取更多的市场利润，但是，通常情况之下，由于企业在短期内存在相关资源欠缺等方面的局限性，在这样的背景下，企业要想获得市场机会，它们就有可能通过互联网来临时连接成一种动态方面的联盟-也就是所谓的虚拟企业。

4 结束语

随着我国社会的不断发展，导致计算机仿真技术的发展也日新月异。在制造业中，对于整个产品的生命周期来讲，仿真技术都表现出其强大的发展潜力。在当今制造业竞争激烈的社会，计算机仿真技术在制造领域的应用及发展在不断的扩展，其功能也更多的面向可视化、智能化生产、绿色制造等方面不断发展。

参考文献

[1]戴金海等.并行工程与仿真技术[J].计算机仿真，2013（23）：54-59.

[2]熊光楞.计算机仿真及其在制造业中的应用[J].计算机仿真，2012，2（14）：20-27.

[3]郑力，卢继平等.虚拟制造技术[J].计算机辅助设计与制造，2013（09）：62-67.

篇（5）

【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.

篇（6）

0 引言

虚拟现实 vr (virtual reality)是一种高度逼真的模拟人在 自然 环境 中的视 、听、动等行为 的人机界面。 简单地说，是一种可 以创建和体验虚拟世界的 计算 机系统。虚拟现实技术是 20世纪末兴起的一 门新的综合性信息技术 ，它融合了计算机图形学、多媒体技术 、人工智能、人机接口技术 、数字图像处理 、 网络 技术 、传感器技术及高度并行的实时计算等技术，它不仅指那些戴着头盔和手套的技术，而且还包括一切与之有关的具有 自然模拟、逼真体验的技术和方法 ，它的根本目标就是达到真实体验和基于 自然技能的人机交互。

工业设计是建立在 科学 技术基础之上 ，以赋予工业产品 艺术 性为目的的一项感性思维和理性思维相互融合的工作。工业设计的程序有具体的方法和整体的战略进行指导和支持，不同国家、不同时期面对不同的设计对象时，工业设计的程序与方法也是各不相同，大体上有以下几种：创新设计法 、人机工程学法 、形态组构法 、系统设计方法 、caid方法 、价值工程与价值创新法、设计管理法等  。将虚拟现实技术引入工业设计中，在设计的各个阶段利用虚拟数字模型方便快速地进行各种调查和试验，可以取得适用面更广、更接近真实状态的试验数据。同时，建立在实验基础上的产品设计工作将更具科学性和客观性，给工业设计的方法论 以新的理念。

1 虚拟现实技术在国内外研究的现状

1．1 国外的研究情况

随着虚拟技术的不断成熟与 发展 ，一些发达国家已经在很多领域 中应用了虚拟设计 ，也成立了许多与虚拟技术相关的实验室、课题组，其中著名的有美 国贝卡罗来那大学(unc)的计算机系 ，其主要的研究课题是物理建模与仿真项目和建筑漫游项 目，此外还有美 国的密歇根大学虚拟现实实验室，主要研究 vr在轿车车身设计中的应用以及虚拟现实技术在产品开发中的应用。瑞士苏黎士理工大学计算机图形实验室主要的研究课题包括动画与虚拟平台、协同虚拟环境 (collaborative virturalenvironment)等。美国宇航局(nasa)的ames研究中心利用流行的液晶现实技术和其它零部件研制出了虚拟飞行器，弥补了飞行模拟器成本过高的不足。美国麦道飞机公司采用沉浸式的虚拟现实系统进行新型号发动机的辅助设计。

1．2 国内的研究现状

相对于国外虚拟设计的发展。国内虚拟技术的研究和应用还比较落后。自20世纪 80年代 vr技术开始起步以来，至今我国在 vr的基础图形技术领域 已经具备了坚实的基础。据不完全统计，目前全国已有 34家科研机构、高等院校和 企业 正在开展虚拟制造技术的研究、开发及初步的示范应用工作 ，有 4家企业参与了这种新的探索，其主要的研究内容包括：① 产品的虚拟设计；② 热加工工艺模拟；③加工过程、装配过程的仿真；④ 虚拟轴机床和虚拟量仪的研制和开发；⑤虚拟企业。总体来看，我国虚拟制造技术的研究多数 是在原先的cad／cam 及仿真技术的基础上进行，而系统 、全面的虚拟制造技术的研究尚未开展，还很少能将成熟的虚拟技术应用到实际开发中，尤其在产品的创新设计中，虚拟技术还未发挥出它应有的作用，应用水平远落后于发达国家。由此来看，我国重视产品设计水平的提升，将虚拟技术应用到设计领域已成为当前国内产品开发的重要环节。

2 基于虚拟现实技术的工业设计方法

2．1 创新设计法

创新是工业设计 的灵魂所在。当代社会 经济 条件下 ，市场产品没有创新就犹如失去了灵魂，很难在竞争对手如林的市场上取得优胜。在当今全新 的经济背景下，设计创新将引导消费、把握机遇，成为决定产品生命力的重要条件之一，以思维创新、行为创新、方式创新为核心的工业设计将在企业产品开发过程中扮演着举足轻重的角色。如图 1、2所示 ，在传统 的工业设计中，人们一直沿用着平面 图来表达设计思想。即使应用计算 机三维 软件，最终也只能得到某个视角的立体效果图，难以真实完整地表达 出设计者的意图。而基于虚拟现实技术的工业设计方法将 以数字化的三维模型作为设计思想的载体，全面表达设计者的意图。人们可以根据自己的需要任意放大、旋转模型 ，主动索取信息，从而实现工业设 计由 面表达 向体表达 的突破 ，使设计师有更充裕 的时间来考虑设计的细节 问题这无疑对工业设计的方法创新带来了革命性的冲击如图 3所示。

此外 ，虚拟现实技术与网络技术的结合，将可以构建一个全新的开放式设计平台，以三维数字化模型作为设计思想的载体 ，全面表达设计者的意图。打破地域限制，实现用户与设计 、开发人员的良好沟通和互动。

2．2 基于虚拟现实技术的产品人机工程分析

(1)人机工程学参数的采集与分析。传统的人机工程学在参数的采集和分析中存在诸多问题：①采样数量 、测量和数据分析的工作量均很大，且成本高 、周期长；②无法进行动态修订；③缺乏对于企业具体产品的针对性；④参数多为二维模型。若在具体的采集和分析中使用三维扫描技术 (获取静态三维数据 )、 动作捕捉技术 (获取动作特征数据)，即可生成虚拟被试三维动态数字模型 。这些数字模型在被更新前一直可以 “活在”虚拟现实技术平台上，通过对虚拟被试三维动态数字模型的关键点控制 ，实现实时数据的不断更新。 (2)虚拟人机工程设计与评价 。虚拟人机工程设计借助于虚拟样机 (virtual prototype)系统进行设计 ，故也称其为虚拟人机工程学环境。设计人员和不同技术背景的人可以直观地观察到各种虚拟人体三维数字模型的实时情况，精确研究产品的人机工程学参数 ，直接与设计的产品进行交互，并评价产品的性能。

在传统产品设计的人机系统中，人是操作者 ，机器只是被动的反应 ，而在虚拟产 品设计的人机系统中，人成为主动参与者 ，复杂系统中可能有许多参与者共同在以计算机网络系统为基础的虚拟环境中协同工作。在基于人机工程的传统产品设计中，人机分析和评价必须是在产品设计完成后的样机模型中或者在试制的产品中进行．而在基于人机工程的虚拟产品设计中，人机设计分析评价又是在产品设计的过程中可以同时进行，也可与产品使用者进行各种实时的交互。

如图 4所示．基于人机工程的传统产品设计的人机评价是在样品试制后才进行，若人机评价结果达不到要求 ，就需要进行重新设计 和样 品试 制 ，再进行人机评价，这样反复循环指导方能达到要求，这种评价方式既浪费时间又耗费资源。而图 5基于人机工程的虚拟产品设计全过程采用协 同并行式，人机设计 、人机仿真和人机评价实现交互式。不需要样品试制的过程 ，而且和虚拟加工 、虚拟制造形成并行 ，大大 的节省 了时 间和资原，也加快 企业 新产品的开发进程。

2.3形态组构法

有研究表明，“看”是人类五种感觉中最为重要的感觉，因此，形态与色彩在设计中占据着尤为关键的地位。崭新符号的合理创造，依赖于深入观察理解生活与 自然 形态，及随后进行的创造性抽象思维活动。这里需要强调的是，通过对自然的学习、研究、分析，进一步升华创造出富有生命力的形态这一过程，必须遵循 科学 的研究方法与程序[5]。图2所示的电锤，其头部造型形成了电锤强劲的冲击力，而整体的外形设计不仅有传统电锤的风格，更有本款造型个性设计的明显特征；锤前端典型的电锤圆鼓造型构成了锤的共有特征，但也被赋予了更明确的时尚个性，线条形式随锤体轻微向外弯曲，以至前端产生运动感，海鱼般的外形与原有造型相比更是有着大胆的突破，但那正体现了电锤灵活的运动特征。在采用虚拟现实技术进行本产品的造型设计时，设计师借助于freeform系统，依照科学的方法从虚拟立体的观察和人机交互中不断进行深入分析研究，见图6，找出形态变化的一般 规律 ，使其在固有的限定条件下自如地进行联想、抽象与创造，把思维与创造力带入一个“美的自由王国”。

2.4设计管理法

篇（7）

一、引言

虚拟样机技术是一种在产品设计开发过程中，在计算机上建立产品的模型，进行仿真分析，预测产品的性能，进而改进产品设计、提高产品性能的新的设计方法[1]。

在虚拟制造的全过程中虚拟加工环境是比较重要的环节。虚拟加工环境是将切削刀具、数控机床等机械制造资源和工件以数字化的模式建立在计算机内，利用计算机图形学和计算机技术实现工件的加工过程虚拟仿真。因此，虚拟加工环境能够有效地提高产品研发进度，降低研发风险和成本。

在此我们对自行研制的数控沙发扶手三轴联动机床，用Visual C++ 6.0和OpenGL进行程序编制，实现对机床的运动学和动力学仿真分析。

二、仿真系统的总体结构

对一个虚拟加工环境而言，其必须与实际加工系统具有功能和行为的一致性。虚拟加工环境系统结构主要包括机床模型、工件模型、刀具模型、夹具模型、NC代码解析模块、加工过程仿真以及三维建模和数据库等模块组成，系统总体结构如图1所示。

图1 系统总体结构

其中三维建模模块包括几何建模、行为建模和其他建模。加工过程仿真模块包括加工过程几何仿真和图形显示。NC代码解析模块用于对数控程序进行检验，并对数控加工过程仿真的动作和状态起控制作用。

三、系统实现的关键技术

（一）虚拟加工环境的几何建模

几何模型的表示是虚拟加工环境几何建模的关键，也就是说，要采用什么样的数据结构和方法来构成虚拟加工环境的结构。由于沙发扶手加工机床的几何模型是一个比较复杂的装配体，装配模型是几何模型的基础，同时，装配模型定义了各个部件之间的装配层次关系和相对位置，它反映了各个零部件间相互约束的关系。因此，模型的相应数据结构描述包括两方面的内容，一是用来存储机床零部件间的装配关系，二是描述各零部件几何模型的几何信息和拓扑信息[2]。

加工设备的几何模型是真实设备在虚拟环境中的映射，必须保证模型具有结构和功能的相似性[3]。机床由床身和各运动部件装配而成，是一个层次式的装配体，其组成部件的对象可分为两类：一类是具有运动特性的对象；另一类是静止对象。基于此可把机床分解为床身、工作台、夹具、毛坯、刀具、刀库等几个基本类。限于篇幅，以下仅给出床身类的类定义。

Class ChuSheng

{

public：

ChuSheng （）； //构造函数

ChuSheng （GLfloat x， GLfloat y， GLfloat z）； //重载构造函数

Protected：

Void ChseMaterial （）； //床身材质

Void ChseColor （）； //床身颜色

Void ChseList （）； //床身显示列表

}；

（二）虚拟加工环境图形显示技术

动态图形虚拟仿真需要很快的显示处理速度。但进行实时动态控制、消隐和光照等操作的数据运算量非常大，它们的计算速度是影响虚拟仿真图形显示速度最关键的因素。虚拟仿真数控加工沙发扶手过程的图形显示表现为动态显示木料的去除，工作台运动和刀具运动。由于每次切削过程，显示图形仅仅是工作台、刀具切削的局部和木料的位置产生了变化，因此在沙发扶手虚拟加工系统的软件编制过程中，应用了局部刷新技术。所谓局部刷新技术，主要思路就是确定模型几何信息发生变化的空间范围，仅对该范围内的模型的几何信息进行显示运算，在变化范围之外的模型信息并不参与运算。仅有在该范围内的显示图形发生改变，在该范围之外图形维持原来的状态。虚拟仿真沙发扶手的加工过程中，重新计算场景信息非常耗时，可将场景信息复制到OpenGL的缓存中，每次刷新显示画面前将场景信息复制回显示缓存，这样就显著提高了图形的显示效率。

（三） NC代码解析模块技术

由于在沙发扶手加工过程仿真中的虚拟机床不能执行数控代码，因此，需要经过解析模块来将数控程序转换成虚拟数控机床可识别和执行的程序，即实现NC程序检验和产生虚拟仿真驱动数据的功能。预处理负责对工件数控程序的语法与词法的识别。经过语法检验，如果存在语法错误，则进行相应的修改，然后按照修改后的数控程序更改数控数据结构中对应项。提取控制虚拟刀具、虚拟机床和木料相对运动的状态信息和相关动作，从而形成虚拟仿真加工沙发扶手的驱动文件，实现NC程序驱动的加工过程虚拟仿真。

在NC代码解析过程中，用来存储从NC代码中提取的影响工件和机床运动信息的数据结构非常重要，本文采用了如下的数据结构。

Typedef struct ShuKong

{

Int iGdai ； //G代码

Int iMdai； //M代码

Int iCXnum； //程序段

float fJinGei； //进给速度

float fDaoJuPo； //刀具位置

bool iZhuZhou； //主轴转向

int iZhuZhouSpeed； //主轴转速

Int iTdaoj； //刀具号

} ShuKong；

四、结论

本系统通过对输入的数控加工代码的图形验证，实现了数控加工过程的仿真且具有如下特点：

（1） 采用局部刷新技术，提高了图形的显示速度，实现了实时仿真的要求。

（2） 仿真时模拟加工环境、材料去除过程、木料几何体、刀具几何体及刀具路径，避免了因NC代码误差而导致的工件的报废、机床夹具、刀具损坏等问题。

（3） 在编译和检验NC代码的基础上，通过对夹具、刀具、工件和机床的图形显示，实现了实际切削加工沙发扶手过程的仿真。

此外，该系统可作为虚拟制造中的一个制造单元工具，实现产品的数字化生产，亦可用来培训数控编程人员。有关物理仿真中的工件材料缺陷、运动控制误差、工艺系统、相对振动等，还有待进一步研究，使本系统更加完善。

参考文献

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）

[中图分类号] G642.0 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2016）12-0137-04

工程作为实际的改造世界的物质实践活动，具有建造性、人文性、生态性、整体性和协调性等本质特征。因此，高等工程教育必须克服目前存在的学术化、学科化倾向，担负起工程自己的教育使命，回归工程本身。或者说，高等工程教育要超越“科学范式”（强调工程科学与理论分析），确立“工程范式”（强调工程教育的实学性、集成性和创新性）。

为此，我国参照《华盛顿协议》，按“国际实质等效”的要求，从2006年开始试点工科专业的国际认证，并于2013年成为《华盛顿协议》的预备会员。《华盛顿协议》是国际工程师互认体系6个协议中最权威、国际化程度较高、体系较为完整的协议，该协议提出的工程教育国际认证通用标准对工科专业学生毕业时的能力要求，正是对工程本质特征的反映。

工程教育专业认证的实践表明，“以学生为中心”的教育理念对于工科高校工程训练中心的建设和发展具有很好的推动作用。

一、工程训练面临的问题

工程教育的核心特征在于其实践性。我国工程教育实践教学主要包括实验教学（理论课程的实验和独立开设的实验课程）和集中实践教学（工程训练、认知实习、生产实习、课程设计、毕业设计）两大部分。然而，在我国本科工程教学体系中，存在重知识学习、轻能力培养的现象。2009年，中国工程院了一个调研报告，对国内高等工程教育的现状提出了批评：一是一些本科院校不能根据自己的实际，盲目争办“综合性、研究型”大学，导致学校建设目标趋同，人才培养目标单一；二是工科院校的实践教学被不同程度地削弱，使工程训练达不到最基本的要求；三是教师学术化倾向十分明显，学生创新能力不强，重论文、轻设计、缺实践。

由于高校与企业联系不密切，企业难以容纳大批学生实习等问题，生产实多是走马观花，学生很少有动手和提高实践能力的机会。因此，工科高校工程训练中心的建设就显得尤其重要。虽然我们在不断进步，改革的步伐从未停滞，但与国外相比，我国高校工程训练中心的建设还存在诸多不足，如：

（一）功能定位单一

以教为中心的教学功能几乎是所有高校工程训练中心存在的核心要素，忽视了学生的主体性和能动性。这种教学理念及相应的教学方法，不利于发挥学生的主动性、积极性和创造性，不利于培养学生主动实践的能力。

（二）训练目标不明确

训练目标与工科专业培养未来合格工程师的要求有差距，目标仍然以验证理论知识和掌握加工工艺为主，对培养学生的工程观、组织管理、团队协作等方面的要求比较模糊。

（三）专业课程体系设计不合理

专业课程体系设计盲目，训练目标模糊，导致训练体系层次偏低，训练内容与理论教学和其他实践环节脱节。对学生认识工程对于客观世界和社会的影响，考虑经济、环境、法律、安全、健康、伦理等制约因素，综合运用理论和技术手段设计系统方案与思路创新等方面的训练不足。

（四）师资及硬件资源投入不足

师资队伍无法满足工程训练要求，软硬件资源投入不足。真正的工程师只有由工程经验丰富的教师，在一个充满活力的工程环境中才能培养出来。而我国工科教师学术化倾向十分明显，大部分教师热衷于申请课题、，对教学工作，特别是实践教学投入不足。

造成上述不足的原因是多方面的，“以学生为中心”的工程教育核心理念未能深入教育管理者和教师心中则是最主要的。由此，需要回答的问题有（但不限于）：

1.什么是以学生为中心的目标导向？

2.如何设计训练体系？

3.训练体系如何与专业培养计划中的理论教学和其他实践环节贯通？

4.如何建设工程训练所需的师资队伍？

二、以目标为导向，进行训练体系的反向设计

以学生为中心的目标导向就是用期望全体学生获得的学习成果，反推出所需的培养过程、培养要素和培养环节，以及对应的持续改进机制。

（一）培养目标

培养目标是指教育目的在各级各类教育机构中的具体化，它是由特定社会领域和特定社会层次的需要所决定的。在工程教育国际认证语境下，培养目标可表达为学生毕业5年左右，成为所工作领域的合格工程师，即解决“能做什么”的问题。而在“科学范式”教育模式下，通常是教师（强调工程科学与理论分析）根据自身的认识，主观设定学生需掌握的知识，制订课程体系，课程体系实际上决定了学生毕业时掌握的知识，这会造成毕业生能力与培养目标脱节，更与社会需求脱节。

（二）毕业生的能力要求

毕业生的能力要求是指学生完成学业时应该取得的学习成果，即学生产出，实质上是学生毕业时“能有什么”的问题。本文对毕业生能力要求的参考体系是《华盛顿协议》的通用标准，具体为：

1.具有人文社会科学素养、社会责任感和工程职业道德；

2.具有运用工程工作所需的相关数学、自然科学以及经济和管理知识的能力；

3.具有运用工程基础知识和本专业基本理论知识解决问题的能力，具有系统的工程实践学习经历；了解本专业的前沿发展现状和趋势；

4.具备设计和实施工程实验的能力，并能够对实验结果进行分析；

5.掌握基本的创新方法，具有追求创新的态度和意识；具有综合运用理论和技术手段设计系统和过程的能力，设计过程中能够综合考虑经济、环境、法律、安全、健康、伦理等制约因素；

6.掌握文献检索、资料查询及运用现代信息技术获取相关信息的基本方法；

7.了解与本专业相关的职业和行业的生产、设计、研究与开发、环境保护和可持续发展等方面的方针、政策和法律、法规，能正确认识工程对于客观世界和社会的影响；

8.具有一定的组织管理能力、表达能力和人际交往能力以及在团队中发挥作用的能力；

9.对终身学习有正确认识，具有不断学习和适应发展的能力；

10.具有国际视野和跨文化的交流、竞争与合作能力。

（三）训练体系的反向设计

训练体系的反向设计是指：调研内外需求，由需求确定培养目标；然后，由培养目标决定对毕业生的能力要求，把毕业生能力要求分解、落实到培养计划的各个环节（包含工程训练），形成课程体系。这里的课程体系是广义的，即为各个教学环节。尤其要注意的是，课程体系的改革，要改变讲课、实验、实习相分离的传统做法，充分利用工程训练中心的条件，实现讲课、实习、训练一体化。这样，在新生入校后，执行该培养计划，在质量保障体系（工程教育专业认证是质量保障体系的重要组成部分）的作用下，就能保证学生在毕业被授予学位时实现各能力培养要求，体现以学生为中心的成果导向，解决“能有什么”的问题；进而有效达成培养目标，解决“能做什么”的问题。培养目标、毕业要求、能力达成、训练体系之间的关系如表1所示。

三、训练模式的重构

重构训练模式与其他实践环节的贯通，是学生能力培养的实现手段。在学生产出导向视角下，机械工程训练教学体系必须摒弃“金工实习”的传统观念，树立“大工程观”。按国际工程认证通用标准划分训练层次，即认知、基本制造技术训练、先进制造技术训练、机电综合训练。随着科学的发展与技术的进步，现代机械产品已不是传统意义上的纯机械产品，而是机电一体化产品。因此，要开发以机械、电子、控制一体为核心，以工程性、综合性为特点的训练项目。

为满足专业补充标准的要求，还要对机械类专业的训练进行特殊设计和创新训练，设置课外创新训练课程。创新训练分为初级、中级、高级三个层次。对初级训练阶段的学生开展机械创新设计基础知识、机械运动方案创新设计、电路板设计等基础性的专题培训，夯实其基本理论与基本技能。对中级训练阶段的学生开展原理方案创新设计、机械系统创新案例、DSP系统设计、传感器应用技术等提高型专题培训，增强学生的综合应用能力。对高级训练阶段的学生开展大团队创新项目训练，引导学生自主研究，充分挖掘学生的创新潜能。

这样，就纵向形成了“认知、基本制造技术训练、先进制造技术训练、机电综合训练和创新训练”为主线的递进式、五层次训练体系。

机械工程训练中心的训练还覆盖能源动力工程、电气工程及其自动化、土木工程、水利水电工程、环境工程、轻化工程等工科专业，训练中心还要按专业模块划分训练环节，以满足不同专业的需要，横向形成多模块训练体系。

训练时间的安排要灵活，可实施分段训练。如，对安排4周工程训练（金工实习）的机类专业学生，可令其先进行一周的认知实习，再用2周时间与工程材料及热成型工艺、机械制造技术基础等课程结合，在完成图纸设计、教师审核后，分组、分批在一个学期内完成，最后一周则可与现代制造技术实习结合，完成工程实战。

根据以上思路，训练资源必须重新配置。要淘汰老旧落后设备，大量增加先进制造技术训练、机电综合训练、创新训练所需设备。

四、师资队伍的建设

“以学生为中心”的工程教育理念对工程训练中心的师资队伍建设提出了更高的要求。由于我国博士研究生的培养机制基本上属于研究导向型，缺乏工程实践经验方面的培养，很难胜任“工程范式”下的教学模式。因此，为了培养具有工程创新能力的工程人才，必须完善工科教师的培养机制。一要大力推动对工程博士的培养；二是利用省部共建引入的先进设备和技术支持，组织教师参加新技术培训；三是大力推进产学研合作模式，引导教师校企联合开展工程应用研究，提高他们的工程能力。唯有如此，才能将高质量的研究成果和研究方法传授给学生。

当前，重科研、轻教学的倾向在高校中是十分严重的。口里重视教学，实则以论文、科研项目为教师评价体系权重的最大指标，广大教师怎么会安心教学？所谓“教学出题目，科研做文章，成果进课堂”，讲的是教学以科研为基础，科研为教学服务。科研不为教学服务，以“学生为中心”就是一句空话。要以教师爱岗敬业、安心教学为前提，改革对教师的评价体系与职称晋升机制，能很好地调节教师在教学、科研和其他方面的投入。

工程训练中心需要教授、博士，更需要工程师和高级工程师，现场操作技师也是必不可少的。目前高校工程训练中心指导教师普遍存在职称、学历低，年龄老化，人员严重不足的现象。必须解放思想，打破事业编制的限制，大力实行人事制，从企业招聘全职工程师、技师；也需要从学校相关院系聘请机械、电子、材料、管理、自动化等专业的教授、博士，兼职帮助工程训练中心开展教学设计与建设工作。

五、典型训练环节的实例与推广

为探讨校外实习的部分环节在校内训练中心完成的可行性以及工程训练与理论教学贯通的可行性，2013年，我们对长沙理工大学机制专业2010级学生现代制造技术实习进行了改革试点。该级学生第四学年秋季学期开设数控技术、现代制造技术实习（时间为2周）。数控技术任课教师在课程教学过程中指导学生完成零件的编程，并通过数控仿真系统的虚拟制造考核（到工程训练中心）。实习环节在训练中心进行了1周，每个学生完成了3个零件的加工（线切割1件，数控机加工1件，快速成型1件），取得了非常好的效果。剩下一周时间再到大型先进制造企业参观，整体实习效果好，解决了到企业不能动手的问题。

在试点成功的基础上，我们对机制专业安排在机械工程训练中心的为期4周的实习进行了调整，实施过程及主要时间节点如下：

1.第一学年夏季学期机械工程导论与认知实习同时进行，时间1周。也为第二学年春季学期工程材料及热成型工艺课程教学做准备。

2.第二学年夏季学期进行2周的基本制造技术训练和先进制造技术训练。

3.第三学年秋季学期开设机械制造技术基础A、机械设计课程；随后进行机械设计课程设计，由课程任课教师与专业教师联合指导，完成正确的CAD图纸。在此过程中，数控技术任课教师介入，选择适合线切割、数控车、数控铣和加工中心加工的零部件重点指导。

4.第四学年秋季学期开设数控技术，在课程教学过程中完成零部件的编程，并通过数控仿真系统的虚拟制造考核（到训练中心），要求理论教师先期熟悉训练中心的虚拟制造系统；在现代制造技术实习环节（2周）时到训练中心完成零件的加工，时间1周。以上分段完成了4周的训练。现代制造技术实习的另一周时间要到大型先进制造企业进行参观实习。

该实例的流程及与学生能力培养的关系如图1所示。

对2015级学生，可全面实施图1所示的计划，学生将得到系统的工程实践经历。这使学生从2013年试点时只能完成3个零件的加工，发展到现在能完成机械部件乃至系统的设计制造，并得到综合运用理论和技术手段实施工程的能力训练，上升到一个新的高度――认识专业责任和专业伦理。

[ 参 考 文 献 ]

[1] 袁广林.高等工程教育的理性回归――基于工程本质属性的思考[J].辽宁教育研究，2008（9）：18-21.

篇（10）

【中图分类号】G71 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2013）02-0234-02

目前在我院传感器与检测技术实践教学中，学生通过操作实物模块来实现各个参数的测试，但因受实验硬件条件的限制，检测中测量参数无法实现自由改变，这对它的特性分析带来了一定的局限性。同时学生在反复练习过程中，设备容易损坏，其性能也会受到影响，这对课程的实践教学带来了一定的局限性。因此在实践教学中引入了虚拟技术教学，通过虚拟的操作面板，用LabvIEw仿真软件来实现相关参数的测试。

一、虚拟仪器简介及虚拟技术在实践教学中的意义

（一）虚拟仪器的含义

所谓虚拟仪器，就是用户在通用计算机或者工作站平台上，根据测试任务的需求来定义和设计仪器功能，通过数据采集卡，利用软件来处理采集进来的数据，实现用户自扩展传统仪器的所有功能。

（二）虚拟技术在实践教学中的意义

在传感器与检测技术实践教学中引用虚拟技术，学生通过虚拟平台的学习，可以提高学生的初步分析及感性认识，巩固学生的理论知识。学生可以不受实践硬件条件的限制，通过虚拟操作面板设计、选择，及大地弥补了设备的不足。学生可以不用担心损坏设备问题而大胆地进行实践，并根据实践情况及时进行改进和优化，省去了大量繁琐的工作，节省了大量时间。

利用虚拟技术，可以彻底打破检测技术受空间及时间的限制，如一些需要长时间才能观察的变化过程，通过虚拟技术，可以在很短的时间内呈现给学生。虚拟制造技术还可以应用计算机、交互外设及软件来构建一个虚拟的生产环境，使学生能如同在制造现场一样，与荧屏上出现的制造过程进行自由交流。虚拟现实技术可以对学生学习过程中所提出的各种假设模型进行虚拟和虚物实化，通过虚拟系统便可直观地观察到这一假设所产生的结果或效果。

利用虚拟技术，可丰富课堂教学内容，展示全方位、多角度的教学内容。将实训等技能训练搬到课堂中进行，由于这些虚拟的训练系统无任何危险，学生可以反复练习，直至掌握操作技能为止。在课程教学中可以在虚拟实训室中进行训练，可以节约大量昂贵的仪器设备费用。解决在教学现场训练实验实训设备的损坏、训练材料的消耗等问题，从而有效节约教育成本。

二、基于虚拟技术在传感器与检测技术实践教学中应用的基本思路

传感器与检测技术实践教学模块中是由多光电检测模块、温度检测模块、环境检测模块、力检测模块等组成。就其中的温度检测模块来说明虚拟技术在实践教学中应用的基本思路。基于虚拟技术的温度检验技术，主要是通过LabvIEw平台构建虚拟画面，模拟仿真实际的温度检验仪器，检验仪器通过软件实现部分功能。主要思路是：通过温度传感器获取现场温度信号，经过信号调理，通过数据采集卡采集数据，再由信号选择、调理之后送入计算机，由测控软件进行分析、显示、存储等，利用虚拟仿真技术，能完成实体设备无法实现的大部分功能，最终通过数据参数的变化，来自动实现对温度的检测。

在原有温度检测模块操作中，学生只能在现有硬件条件下实现电路的构建，完成温度到电压信号的转变，但现有的硬件无法实现电压信号的变化到实际监测环境中温度的变化。而虚拟仪器中可视化图形编程语言平台，提供丰富、功能强大的数据处理软件包，通过虚拟温度程序框图构建及虚拟的温度运行结果画面监测，能直观的反映温度的变化情况，与企业实际运行环境一致，非常方便学生的学习，提高学生学习的激情。

三、基于虚拟技术的K型热电偶温度检测的实现

基于虚拟技术K型热电偶温度检测的硬件实现是由计算机、加上数据采集及电路组成；软件实现运用编程方法，通过建立动态模型库来实现温度仿真检测。采用虚拟技术进行检测优点突出，即可以缩短检测时间、可减少工作量、提高效率；数据检测时可及时保存、显示，方便读数。

（一）硬件实现

K型热电偶温度检测系统主要由虚拟仪器和信号接口采集组成。温度检测过程中首先由热电偶传感器检测温度变化，采用运算放大器对取样电阻两端的信号进行差分运算放大并转换为电信号，输出的信号以过通道选择送到数据采集卡，最后由计算机进行处理。

K型热电偶电路如图：

（二）软件实现

基于虚拟技术K型热电偶温度检测系统，软件部分采用参数库及函数库调用模式。模型库的开发主要建立在LabVIEW仿真模块上。这些工具为建立K型热电偶温度检测系统的模型库提供了一个完整的平台。基于虚拟技术K型热电偶程序连接图如下：

K型热电偶温度检测结果可以在面画中进行显示，如下：

四、结束语

随着虚拟技术的不断发展，在实践教学中广泛采用。虚拟技术应用在传感器与检测技术实践教学中，能够在各个检测模块中直观地反映测量的现象，这样有利于拓展学生的思路、提高学生的学习积极性。

参考文献：