戴国洪教授数字化制造工艺与装备技术研究工作评述

周自强

（常熟理工学院机械工程学院，江苏常熟 215500）

·东湖学人·

戴国洪教授数字化制造工艺与装备技术研究工作评述

周自强

（常熟理工学院机械工程学院，江苏常熟 215500）

戴国洪教授简介

戴国洪，男，1966年出生，江苏吴江人.2007年获工学博士学位，1996年、2006年先后在上海交通大学CIM研究所、德国盖尔森基欣工业设计学院进行学术访问，从事集成化CAPP技术、数控技术方面的研究工作，2007年晋升为教授.现任常熟理工学院副院长，苏州市汽车绿色拆解智能装备重点实验室主任；兼任中国矿业大学、苏州大学、沈阳航空航天大学、常州大学、江苏技术师范学院等高校的硕士研究生导师；国家自然科学基金工程与材料学部项目通讯评审专家，中国机械工程学会高级会员，全国高校制造自动化学会华东分会理事.

2007年，戴国洪教授被评选为江苏省“六大人才高峰”（机械与汽车）资助对象，2008年入选江苏省重点建设学科“机械制造及其自动化”学科带头人，2009年入选常州市“831人才工程”首批领军人才，2009年、2011年两次入选江苏省“333高层次人才培养工程”中青年学术带头人，2011年入选常熟理工学院学术带头人和常熟理工学院重点建设一级学科“机械工程”学科带头人.

戴国洪教授先后承担了国家“863”计划、国家科技支撑计划、总装备部“十五”预研、江苏省高技术计划、江苏省科技支撑计划、上海市科技攻关等国家和省部级科研项目；主持江苏省高校自然科学基金、江苏省高校科研成果产业化推进、常州市科技型中小企业创新资金计划等项目.在《中国机械工程》、《计算机集成制造系统》、《机械设计》等国内外核心期刊发表论文40多篇，其中被EI、ISTP检索20多篇.主编《SIEMENS NX 6.0数控加工技术》、《UG NX 5.0应用与实例教程》、《SIEMENS NX 6.0机械产品设计》等著作3部，编写出版《机械CAD/CAM技术》、《先进制造技术》、《结构件工艺设计手册》（软件版）等著作5部.

近几年来，戴国洪教授获江苏省科技进步二等奖1项、江苏省科技进步三等奖1项、江苏省教学成果二等奖1项、江苏省师范教育科研成果三等奖1项；《UG NX 5.0应用与实例教程》被评为江苏省精品教材，并荣获江苏省“红杉树”优秀园丁奖银奖、江苏省高校优秀共产党员和常州市优秀科技工作者称号.

从集成化CAPP技术、CAD/CAPP/CAM技术、数字化装配技术、数控技术等方面介绍了戴国洪教授自1997年以来的主要研究工作及其在相关企业的应用情况，阐述了戴国洪教授在我国863计划CIMS领域中新开展的一些前瞻性研究工作及其科学意义.

数字化制造；CAPP；CAD/CAPP/CAM；数字化装配；数控技术

数字化制造是随着信息技术在传统制造领域中的发展和应用而形成的一个高新技术研究领域.自上个世纪80年代以来，随着计算机技术的飞速发展，计算机技术与网络技术在制造业中的应用受到了普遍的重视.国家863计划中专门设置了CIMS（Computer Integrated Manufacturing System）主题作为提升我国制造业整体水平的重要技术基础.在CIMS领域中，数字化制造工艺（CAPP，Computer Aided Process Planning）和数字化装备技术是其中的核心研究方向之一.CAPP在其中起着联接数字化设计与制造环节，并为整个企业的制造资源规划和企业资源规划系统提供主要数据源的作用.而决定产品加工质量的数字化制造基础——数控技术与数控装备也属于多学科交叉的研究领域.近十多年来，戴国洪教授与其合作者在CIMS主题所属的集成化CAPP技术、CAD/CAPP/CAM技术、数字化装配技术、数控技术研究方面都开展了相关的研究工作.

1 计算机辅助工艺设计技术（CAPP）

为了研究集成化CAPP技术，戴国洪教授开展了以下研究工作：（1）轴类零件工序图的生成方法，提出了不同于传统方法的逆向工程法来生成CAPP系统中轴类零件的工序图.该方法可以简化程序设计结构，便于程序的模块化设计，大大提高了工序图的出图效率[1-2].（2）创成式CAPP中的人机交互问题.创成式CAPP的概念提出以后一直停留在研究层面，很难在实际制造企业加以应用.其主要的原因是不同的制造企业在加工设备、工艺方法上有很大的不同，从而导致由计算机主导的工艺规划结果缺乏灵活性和适应性.戴国宏教授提出了在CAPP系统中使决策数据和决策机制相分离的方法，并根据实际生产过程的特点对CAPP的人机交互系统进行扩充，使CAPP在执行过程中能够充分发挥工程技术人员的经验知识，很好地解决了高技术和实用化之间的矛盾[3].（3）研究了CAPP系统与企业生产调度系统之间的关系并加以整合.CAPP系统作为一种加工工艺规划工具只能在一定范围内发挥作用，而对于企业信息化的整体系统来说，CAPP则起着数据源和决策依据的关键作用.戴国宏教授与合作者一起研究了面向生产调度的CAPP的相关理论和方法.基于车间实际制造资源规划提出多种工艺方案，为生产调度提供了更大的柔性，减少了制造资源的瓶颈现象.并在实际工业企业得到应用，取得了很好的应用效果[4-6].

2 CAD/CAPP/CAM技术

CAD、CAPP和CAM都是数字化制造系统中的单元技术，在孤立应用的情况下所产生的经济效益是有限的，甚至还会发生由于各单元系统匹配不当，或者接口不开放导致单元系统之间产生“信息孤岛”的问题，并进而在企业的生产管理中产生负面效应.为了使产品数字化设计、工艺数字化规划、数字化制造能实现集成并最终实现制造企业的CIMS工程，戴国洪教授开展了以下研究工作：（1）CAD、CAPP和CAM的系统集成技术，以及企业实现计算机集成制造系统的基本方法[7].针对数控机床在制造企业普及率提高的趋势，研究了以数控机床为主要加工设备的CAD/CAPP/CAM集成思路，从原理上研究并提出了这些单元技术在集成时需要开发的功能模块及其原理和实现机制.针对企业实施CIMS工程中所出现的一些共性问题，戴国洪教授指出，对于制造企业的CIMS工程，关键是要进行企业分析，并提出了分阶段集成的思路，即针对企业实际情况，分阶段实现物理系统集成，应用集成和经营集成[8].（2）研究了基于Step技术的产品统一数据模型在CIMS系统中的作用，尤其是Step在数字化设计与数控技术集成方面的应用.他从制造业信息化的要求出发，提出实现数字化设计与制造五个方面的关键问题，即产品统一数据模型表示方法、企业间产品数据交换、数据集成、异构环境下应用功能的集成、过程集成.同时阐述了解决以上五个方面关键问题的具体技术，从而可构建和实现基于网络的数字化设计与制造的协同工作平台[9].

3 数字化装配技术

为了提高数字化产品模型的可装配性，优化装配过程、降低生产成本、缩短产品开发周期、提高企业的市场竞争能力，戴国洪教授在数字化装配技术研究方面开展了以下研究工作：（1）数字化装配中装配公差的建模研究.以往的数字化虚拟装配普遍侧重于装配过程的动态仿真和干涉检查等几何模型仿真，而对于在实际制造过程中非常重要的公差信息仿真所进行的研究工作却很少.戴国洪教授重点研究了面向虚拟装配的公差信息建模和表示方法，提出了一种基于函数不等式的数学模型与一种基于结构关系图的表示模型，以及基于几何约束变动关系的数学模型.该方法将公差信息视为尺寸信息所允许的微小变动量.并在其自主开发的虚拟装配系统中实现了该方法.他还提出了利用极值法和概率法进行装配尺寸链的解算方法，为不同应用场合的装配公差检验提供了有效的数学工具[10-12].（2）装配序列优化问题的研究.针对过去侧重于零部件几何模型配合关系而对实际装配工艺考虑不足的问题，提出了装配约束关系信息动态生成的处理技术.通过分析装配特征及装配特征信息，建立了基于装配特征的装配关系模型[13].在此基础上实现了基于APS（A-and，P-parallel，S-sequence，表示三种关系节点）树模型的表示方法，并与规则法描述的工艺知识相关联，在求解过程中缩小了装配序列的解空间，提高了装配序列生成效率[14-15].在APS树模型的建模方面则提出了基于基础件和连接关系来划分装配单元的做法，该方法有效地避免了零部件数量较多的装配模型会出现的组合爆炸现象[16].另外在装配知识的表达方面，戴国洪教授与其合作者研究了利用基于粗糙集的数据挖掘技术从原始装配数据库中进行装配知识挖掘，把隐藏在大量装配数据中的装配信息提取后建立装配知识库的相关方法[17-18].

从目前的研究趋势来看，数字化装配不仅对于产品的设计与开发具有重要意义，而且对面向循环经济的产品拆解与回收也具有重要的意义，产品的合理装配能够使其在后续拆解过程中大大降低拆卸成本，另外装配理论对于回收过程中的拆卸方法也具有重要的指导意义.

4 数控技术

上世纪90年代以来，数控技术在我国制造业中的应用率得到了迅速提高.通用数控机床的研究和应用是行业所关注的焦点，但是一些专用的数控机床和数控系统却是研究空白，戴国洪教授与其研究者在数控技术研究方面开展了以下研究工作：

（1）数控汽车钥匙铣齿机专用数控系统的研究工作[19-20].提出了一种基于ARM9微处理器为核心的嵌入式数控系统，该嵌入式数控系统以Arm9微处理器作为硬件平台，采用WindowsCE为操作系统，利用Embedded Visual C++作为开发程序.该技术方案较好地弥补了传统数控系统的局限性，大大降低了成本，系统能可靠地实时地进行多任务处理，同时由于采用了硬件插补代替了传统的软件插补，使得机床在保证经济性的前提下提高了加工精度，最终保证了零件的表面加工质量.

（2）虚拟数控加工系统建模方法的研究.虽然现有的数控编程软件都具有仿真功能，但是其仿真仅仅局限在刀轨路径的仿真上，其仿真功能远远不能适应虚拟制造（Virtual Manufacturing）技术的需要.为了使虚拟加工系统能够完成实际机床加工系统类似的生产任务，需要在计算机上建立能够描述真实加工过程的虚拟系统.使之不仅可描述刀具的真实运动轨迹，完成诸如碰撞、干涉检验等功能外，还可逼真地描述加工后工件的形状误差、位置误差等属性[21].为此，戴国宏教授与其合作者研究了基于VRML的虚拟加工环境建模方法[22]，研究了以这种开放式数据格式为基础并面向虚拟制造的虚拟加工环境的构建.

复杂曲面的数控编程和数控加工一直是制造企业的难点，戴国洪教授利用复杂曲面的造型理论，针对汽车工业和模具工业的生产特点进行了有针对性的应用研究.对大型汽车覆盖件的曲面模型建模方法进行了研究[23]，另外对通用数控编程软件在曲面数控编程方面的应用也进行了深入研究[24].

目前，戴国洪教授所领导的课题组正在开展汽车绿色拆解工艺与智能装备的研究，为中国即将到来的家用汽车报废大潮做好相应的技术准备.该研究主要侧重于报废汽车的回收与再制造理论、拆解工艺、拆解装备等方面的基础研究与应用基础研究.

[1]戴国洪，尤飞，倪前富，等.基于特征的轴类零件工序图生成的研究[J].机械设计，2001（5）：36-38.

[2]尤飞，戴国洪，王芳.轴类零件工序图自动生成的逆向工程[J].机械设计，2001（10）：45-47.

[3]倪前富，戴国洪，严隽琪，等.创成式CAPP系统中人机交互问题的研究[J].微电脑应用，1997（4）：14-17.

[4]尤飞，戴国洪.CAPP与PPC集成优化模型的研究[J].机床与液压，2005（12）：61-67.

[5]Ni Qianfu,Dai Guohong,et al.Generative CAPP approach based on resource model and feature model[J].Journal of Shanghai Jiaotong University,1998,13(1):45-51.

[6]戴国洪，倪前富，严隽琪.基于资源模型和特征模型的创成式CAPP系统的研究[J].机械设计与制造，1999（10）：24-26.

[7]戴国洪，宋国龙，恽国兴，等.数控加工CAD／CAPP／CAM集成系统的研究[J].机械制造，2000（8）：18-20.

[8]戴国洪，金烨.企业实施CIMS应用工程的可行性论证方法研究[J].常州技术师范学院学报，1999（12）：13-16.

[9]戴国洪，张友良.实现数字化设计与制造的关键技术[J].机床与液压，2004（3）：94-96.

[10]戴国洪，张向华.面向虚拟装配公差建模方法的研究[J].江苏技术师范学院学报，2006（4）：29-32.

[11]张向华，戴国洪.虚拟装配系统中精度信息表达方法的研究[J].机床与液压，2008，36（9）：20-23.

[12]戴国洪，张友良，张向华.虚拟装配中装配公差的检验分析[J].机械设计，2006，23（8）：30-32.

[13]戴国洪，张友良，尤飞.支持虚拟装配的装配约束关系信息动态生成[J].计算机集成制造系统，2007，13（7）：1406-1411.

[14]戴国洪，张友良，尤飞.面向序列规划的装配工艺APS树模型生成的研究[J].中国机械工程，2006，17（7）：1493-1498.

[15]戴国洪，张友良，尤飞.基于一种树模型的装配序列优化生成的研究[J].中国机械工程，2006，17（8）：181-185.

[16]王江涛，戴国洪，朱林立.基于基础件和连接关系的装配序列自动快速规划研究[J].制造业自动化，2012（7）：29-31.

[17]陈亚，戴国洪.粗糙集理论在装配知识挖掘中的研究与应用[J].机械设计，2009，26（6）：16-18.

[18]陈亚，戴国洪.基于粗糙集的装配知识发现中属性归约的研究[J].江苏技术师范学院学报，2009（3）：32-35.

[19]施卫，戴国洪，赵景波.汽车钥匙铣齿机专用数控系统设计[J].科技资讯，2010，33：11-14.

[20]朱建富，戴国洪，施卫.基于ARM9的嵌入式数控系统设计[J].机械设计与制造，2012（3）：34-36.

[21]李长春，戴国洪，胡炜，等.虚拟加工系统建模技术的研究[J].机床与液压，2010，38：114-116.

[22]李长春，王锋，戴国洪，等.基于OpenGL的VRML文件格式的解析[J].电脑开发与应用，2008，21：62-63.

[23]尤飞，戴国洪，施晓芳.基于MDT平台的汽车覆盖件曲面造型[J].组合机床与自动化加工技术，2002（5）：23-26.

[24]施晓芳，戴国洪.基于MasterCAM的曲面三轴数控加工误差的补偿技术[J].制造业信息化，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

周自强（1970—），男，安徽合肥人，副教授，工学博士，研究方向：计算机集成制造系统、绿色设计与制造．