设计方法的一些资料文章！

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1。面向整机一体化设计目标  
日本小松（KOMATSU Ltd.）是一家以建设、矿山机械为主业，兼营电子、工程、各种产业机械、运输物流机器和金属材料等多行业的企业，并以建设机械专业制造厂而闻名于世。 它的重要生产基地大阪工厂（大阪府枚方市），在开发方面积极应用三维CAD，于1994年引入Pro/ENGINEER。该厂通过有效利用Pro/ENGINEER，生产出功率、速度、操作等性能皆优的大型液压挖土机。 在实际应用中注重技　设计标准的确立 在当今社会，提高竞争力的关键是缩短产品开发到生产的周期，快速投入市场，以及提高设计质量。 为了达到这一目的，小松从1993年就开始研究采用三维CAD/CAM。以信息系统本部为中心，根据铸造件模型实验的有效性、国际实例验证等关键项定义，确定了15项评价标准，根据该标准对各公司的设计工具进行选型，最终决定采用Pro/ENGINEER。 「从1994年引入Pro/ENGINEER到第二年，我们试著用它设计了液压挖土机的作业机部分。根据其结果，我们决定从1996年末正式用三维CAD/CAM进行开发，并确定全部使用Pro/ENGINEER进行碎石、沙砾开采等的大型液压挖土机（60t级别）的新产品开发。」奥野部长说道。 「这就是我负责开发的POWER avance PC600/650。由于是第一次使用三维设计，它的标准还没制定，所以工作非常吃力，而且进展情况也很难用原来二维的感觉来捕捉，因此只好与PTC的顾问合作，边探索边开发。所幸的是我们公司有一个按照各范畴详细制定的KES (KOMATSU Engineering Standard) 技　标准，我们通过实践将它用在了三维设计上。可以说当时是一边进行新产品开发，一边树立新标准。」森山主任技师谈道。 结合公司内部环境建立独特的培训体制 经过上述努力，终于有了成果。PC600/ 650于本年度初公布后，以其大功率、大铲斗容量、挖土能力、牵引力、易操作和低成本而受到好评。另一方面，为了今后在公司内部更广泛地使用三维CAD/CAM，将PC600/650开发中得到的经验作为全公司的资产来积累也是非常重要的。同时，还离不开培训等各种协助体制。 因此，在PC600/650正处于开发期的1997年10月，成立了全面推进三维设计的CAD/CAM室，目的在于将各产品开发小组和生产部门横向联系起来，进行环境协调、培训、协助等工作。 山本室长先生指出：「为了使全公司共同拥有新的三维CAD/CAM设计文化，要有一个综观全局的组织。同时，为了有机的连接CAD/CAM，就要统一数据的维护方法。这些工作都由CAD/CAM室来执行。」 永濑主任技师接著说道：「三维CAD在刚开始启动时难度很大，其中培训是关键。因此，小松在关东、关西、北陆设立了自己的培训中心。培训中心除了开设面向设计人员（包括夹具、模具设计人员等）的Pro/ENGINEER课程外，还根据各部门的需要开设面向设计管理人员和制造干部的课程，面向工厂管理人员、采购负责人、制造部门管理人员的课程等，旨在提高综合水平。」 培训中心还利用小松软件（株）公司作为培训资源进行培训。到目前为止，建设机械的设计人员已经全部接受了培训。包括相关企业在内，共培训了2,000人以上。 建立三维设计文化 基础班与提高班共培训80小时（其间有100小时的使用时间间隔）。然后再经过300小时的OJT，就能对Pro/ENGINEER运用自如，剩下的就是随著熟练程度的提高而提高灵活性。我们期望今后随著开发范围的不断扩大，会取得更大的成果。 「不宜用短期目光来看TCO (Total Cost of Ownership)，而应该将眼光放在将来，过一段时间后再评价。由于我们的模拟数据规模很大，涉及3－4GB，今后随著硬件平台的性能提高和Pro/ENGINEER自身功能的完善，有望进一步提高它的应用。」高田主任技师提及道。 「改善开发流程也是重要内容。也就是说，在刚开始引入Pro/ENGINEER时，还残存著一部分象二维图纸等一些老的做法。如何在全公司范围内将它全部转换成三维设计极其重要。比如说利用三维设计，在最初阶段就能够实现上游部门和下游部门数据共享，这样有利于下游工序产生问题意识或提出技巧，并将其反映给设计部门。今后我们打算进一步培养在设计的模拟仿真阶段就要考虑到制造工的设计方式。」山本室长述说道。 永濑主任技师接著说道：「用三维设计能看见形状，所以从设计的初级阶段就能与组装工序密切交流。但是，制造产品其各工艺都有[Liu1]「人」的存在，因此要提高各自的意识变革和熟练程度。现在我们通过将新确立的三维作业标准和技　标准加载到Web上，来统一意识的方向性。今后为了进一步发挥三维CAD的优势，我们打算建立公司自己的技　。为此，我们计划加快老方法向三维设计的转换，加强数据共享活动。」 利用数据进行虚拟实现 并制作多种应用文件 小松还积极推进三维数据活用的活动，并取得了可喜成果。 「在这次开发PC600/650的过程中，利用三维模拟进行了虚拟实现。具体地说，就是将坐在操作席上的人的360度视野，用与脖子同步的头部装置显示器，假想再现模拟。这对于研究操作席的位置和高度，发挥了极大威力。这项技　有望应用在产品操作训练等新领域。」奥野部长说道。 Pro/ENGINEER的三维数据还积极应用于维修手册的编制、促销和广告等领域。例如：PC600/650的产品介绍，就是以Pro/ENGINEER数据为基础制作成光构思图，照出实际上很难制作的角度，并与背景图片合成，得到了可以充分表现产品魅力的演示效果。 「三维CAD是一种可以尝试前所未有的、全新的构思的工具。因为它可以任意尝试在实物上不允许的失败，使年轻的设计人员不怕失败，勇于创新。另一方面，数字数据如果不能在各部门活用，也就没有意义了。因此，我们希望建立一个从开发到营业和市场部门、甚至包括与顾客交流的、贯穿于所有企业活动的数据传送链。也就是说，今后我们公司还要在全公司范围内进一步渗透三维CAD的优点。」奥野部长补充说道。 在小松的面向新世纪的行动典范 〔（Growth、Global、Groupwide）2000中期经营计划〕中，打出了「播种梦想」的口号。并以Pro/ENGINEER为核心的三维化正在为耕耘「播种梦想」的不断地做贡献。 面向今后的应用 「利用数据进行严密制作是Pro/ENGINEER的最大特征。如果能够用再稍微粗略的感觉进行设计，然后再进行详细设计，这对活用设计人员的构思很重要。希望今后在这方面得到建议和帮助。」森山主任技师第一个谈道。 「我公司的设计数据都是GB级的，数据管理负担繁重。因此希望PTC能够提供数据管理方面的建议，同时还希望在版本修订时能多采纳用户的意见。」高田主任技师接著补充说道。 「为了设立刚才提到的CAE，要增加公司内部的应用事例和分析数据，并作为资产进行积累。只有自如操纵这些数据，才能实现灵活运用。」永濑主任技师提及道。 「为了充分发挥三维CAD/CAM的效果，外协单位的协作必不可少。从这种意义上讲，Pro/ENGINEER作为标准进一步扩大市场份额很重要。」山本室长寄望道。 「为了实现活用数据信息的整体工程，首先必须确保创意设计和下游CAM部门的连带性。希望PTC能够进一步充实Pro/ENGINEER数据与家庭用品间的数据交互和连带方面的功能，并提供这一方面的建议。」奥野部长最后总结道。 以上是小松各个部门发表对Pro/ENGINEER或PTC的寄望。

2。 行为建模技术
行为建模技术是这样一种技术：它在设计产品时，综合考虑产品所要求的功能行为、设计背景和几何图形。它采用知识捕捉和迭代求解的智能化方法，使工程师可以面对不断变化的要求，追求高度创新的、能满足行为和完善性要求的设计。　　行为建模技术的强大功能体现在三个方面：智能模型、目标驱动式设计工具和一个开放式可扩展环境。　　1．智能模型 能捕捉设计和过程信息以及定义一件产品所需要的各种工程规范。它是一些智能设计，提供了一组远远超过传统核心几何特征范围的自适应过程特征。这些特征有两个不同的类型，一个是应用特征，它封装了产品和过程信息；另一个是行为特征，它包括工程和功能规范。自适应过程特征提供了大量信息，进一步详细确定了设计意图和性能，是产品模型的一个完整部分，它们使得智能模型具有高度灵活性，从而对环境的变化反应迅速。  
  2．目标驱动式设计 能优化每件产品的设计，以满足使用自适应过程特征从智能模型中捕捉的多个目标和不断变化的市场需求。同时，它还能解决相互冲突的目标问题，采用传统方法不可能完成这一工作。由于规范是智能模型特征中固有的，所以模型一旦被修改，工程师就能快速和简单地重新生成和重新校验是否符合规范，也即用规范来实际地驱动设计。由于目标驱动式设计能自动满足工程规范，所以工程师能集中精力设计更高性能、更多功能的产品。在保证解决方案能满足基本设计目标的前提下，工程师能够自由发挥创造力和技能，改进设计。　　3．开放式可扩展环境 一种开放式可扩展环境是行为建模技术的第三大支柱，它提供无缝工程设计工程，能保证产品不会丢失设计意图。它避免了繁琐。为了尽可能发挥行为建模方法的优势，在允许工程师充分利用企业现有外部系统、应用程序、信息和过程的地方，要部署这项技术。这些外部资源对满足设计目标的过程很有帮助，并能返回结果，这样他们就能成为最终设计的一部分。一个开放式可扩展环境通过在整个独特的工程中提供连贯性，从而增强设计的灵活性，并能生成更可靠的设计。

3。中国制造业:你到底缺什么？——IBM眼中的中国制造业
   
    日前一些媒体刊文称“跨国公司扎堆儿中国制造业”。这个说法不无道理。近年来，中国制造业的发展突飞猛进，迅速走入国际市场。据统计，1990年到2001年间，中国制造业平均增长12.6%。2001年，中国制造业的工业增加值达到35000亿元，占国内生产总值的36%；工业制造品出口达2398亿美元，占中国商品出口总额的90%。这些枯燥数据暗含着的无限商机，在任何一个以盈利为最高目标的跨国公司眼里，都是挡不住的诱惑。明白了这个道理，“扎堆儿”一说颇有理论基础。 　　然而，扎堆儿归扎堆儿，跨国公司对中国制造业的看法可决不热情得失去理智。IBM大中华区制造群总经理李雅弼日前在接受记者采访时坦言，中国制造业最缺乏的恐怕是先进的经营理念。 　　作为有着近百年成长经历的跨国公司，IBM应该有资格以“过来人”的目光审视中国的制造业。何况近年来随着世界制造中心向中国转移，跨国公司本土化趋势日益凸现，IBM对中国制造业的投资自然不甘后人。大把的钱留在中国，一旦打了水漂怎么办？因此，IBM在积极向中国制造业推销自己高端产品的同时，开始注重对中国制造业深层缺陷的分析。他们发现，近年来中国制造业在先进技术的引进上并不示弱，但产品的制造水准以及制造成本一直难尽人意。于是就有了“中国制造业缺乏先进制造技术更缺乏先进的管理理念”的结论。 　　有了一番理论准备，IBM在中国的发展战略也随之有所调整。记者在IBM中国研发中心了解到，以开拓中国市场为主旨，研发中心正在研制基于Linux操作系统的管理软件模块，包括财务管理、进销存管理、资产管理、成本管理、设备管理、质量管理、分销资源计划管理、人力资源管理、供应链管理、客户关系管理等。IBM中国研发中心的技术人员承认，与IBM其余7家研发中心的成果相比，这里的技术算不得最先进，“但对中国制造业很有针对性”。(晏燕 王亦亮)(摘自《科技日报》)

4。方兴未艾的制造信息学研究
  
【摘 要】 根据现代制造业的发展趋势，本文给出了制造信息学的基本概念以及制造信息的性质和类型，提出了制造信息学的体系结构和理论基础，并讨论了制造信息学的有关研究内容，制造信息学为制造系统研究提供了一种新的方法。
一、序言
制造信息学起源于18世纪英国的第一次工业革命时期，它对人类文明的发展产生过重要的影响，它把农业社会推向了工业社会，使制造业在行业中取得了领导地位。在20世纪中叶，计算机和信息技术的发展导致了信息革命，网络技术成为第二次工业革命的标志。市场需求的快速变化和全球经济一体化极大地拓展了制造活动的深度和广度，推动制造业朝着自动化、智能化、集成化、网络化和全球化的方向发展。在制造系统和制造过程中，最活跃和最起决定性作用的是信息，制造业的生存和发展愈来愈密切地依赖于知识，提高制造系统的信息处理能力已成为现代制造科学发展的一个重点。
信息技术的快速发展，正在为制造业提供大量的有力工具。然而，这种发展也给企业提出新的挑战：为了成功地驾驭日益增长的全球化市场，信息正在快速地成为保持持续竞争优势的唯一源泉。现代制造业在某种意义上正在成为一种信息产业，它加工、处理信息，将制造信息“录制”在原材料和毛坯上，提高其信息含量，使之转化为产品。其创造的财富，实际上也是某种形式的信息，即产品信息和制造信息。在这种形势下，信息技术对制造技术的渗透、影响，已不仅仅是后者利用前者在硬件与软件方面的成果，而是两者在基础概念和结构体系上的融合，使得一门新兴的交叉学科——“制造信息学”初露端倪。
目前，制造信息学研究已列入国家“十五”的优先资助项目。其中，数据建模、数据挖掘、分布式制造信息系统以及信息化制造是21世纪制造科学的前沿研究领域。
二、制造信息学有关概念的定义
制造是一种产生具有出售优势，由实体和服务所构成产品的行为。制造过程是将制造信息物化在原材料或毛坯上并使之转化为产品信息的过程，采用不同的制造知识和工艺方法，将导致不同的材料和能量的转换方式和利用效率。制造信息是制造确定性的表征，反映了制造系统的有序化过程。作为实现制造过程的特定功能所需知识的测度，它包括实施制造过程中的经验法则和客观规律等技术措施以及协调生产环节相互关系的逻辑决策知识等。
制造信息学是研究与制造活动有关的信息的本质、特征、计量、采集、传递、交换和储存的基本理论和方法。
三、制造信息学的体系结构
制造信息学的研究内容包括制造过程中的信息集成、流动和利用；制造活动中人的经验、技能、诀窍和知识的表达、传递、变换；非符号信息表达；海量制造信息的获取、分析、规范、存储和保真机制；非完整制造信息状态下的生产决策；数据仓库、知识库和知识发现；分布式制造信息系统等。就此，笔者提出图1所示的制造信息学的体系结构。  
图1 制造信息学的体系结构
1. 制造信息的特点
(1) 制造信息的多态性
在制造系统中，除一般的结构化信息外，还有大量的非结构化信息，如图形信息、实体模型、数控程序、超长文本、专家知识、设计经验等数据类型，加上很多信息交换频繁，因此，使制造信息呈明显的多态性。在数据库的设计过程中，必须考虑各种信息的分类和各自的特点，为这些种类和变化繁多的数据类型安排合理的存储和管理机制。
(2) 制造信息的结构复杂性
制造系统中的许多信息结构十分复杂，如图形、实体模型、数控程序、工艺文件等信息，难以采用模型表形式进行存储和处理，这对关系型数据库提出了更高的要求。
(3) 制造信息的分布性和异构性
制造信息分布在制造系统的各个应用单元中，并且由于数据库建立的时间差异、系统环境的差异、应用目的的差异，使数据库的结构、应用环境呈明显的异构性。这种分布和异构的情况，为保证数据的一致性、安全性和可靠性以及信息转换和通信带来了较大的难度。如何对制造信息进行合理的组织和分布，如何实现异构信息的通信与交换是数据库设计的重要任务。
(4) 制造信息的实时性要求
底层制造系统要考虑实时加工和监控信息的收集、分析和管理，这就要求采用实时数据库技术。
(5) 制造信息的集成性要求
在生产过程中，各个信息分系统之间频繁地进行着数据交换，为了实现信息的共享，减少信息的冗余，在数据库设计时必须考虑信息的集成要求。根据信息是共享数据还是局部数据来设计数据的存储位置和分布方式，根据共享数据的特点规划各个信息系统之间的数据交换内容和数据集成。
2. 制造信息分类
信息存在形式与信息所在系统的物理结构、功能及组织形式紧密相关。合理的分类可更好地描述制造信息，以利于建立制造过程数据库，为制造决策提供依据。合理刻画制造系统中的信息类别是描述制造信息的一个重要方面。图2对制造信息MI按表征对象、表征形式、时间特征、空间特征、生成方式、结构特征和服务目的进行了分类，用三元组或二元组集合可将制造信息表示如下：
MI={DE，MC，MG}；
MI={DG，WD，FG}；
MI={DY，JT，ST}；
MI={GL，RE}；
MI={PU，PR}；
MI={AT，AU，SA}；
MI={CN，SC，NC}；
MI={MD，CT}。
从上面分类中还可得到其交叉分类，如RE∩PR∩CT表示局部的、专有的控制信息等。
图2 制造信息的分类
3. 制造信息学的理论基础
制造科学与信息科学、系统科学、控制科学、管理科学和数学建模理论等构成了制造信息学的理论基础。
(1) 制造科学吸纳了欧几里得几何学、牛顿力学和经典物理学的精髓，又有机地结合了计算机、信息、材料、自动化、管理等学科的基本理论，从而跨学科全局研究多目标、多介质、非线性的制造系统，利用有限的制造资源，寻优实现预定的制造目标。它与制造信息学构成了数字化制造的基础。
(2) 从信息科学的观点看，制造过程本质上可抽象为一个信息的采集、传递、加工和利用过程，产品是制造信息的物化。
(3) 科学技术的飞速发展使制造业面临网络化、知识化、服务化和复杂化的挑战，进而导致了制造系统组织结构和功能的非线性、时变性、突发性和不平衡性。因此，需将系统科学的思想方法融入到制造过程各个环节并贯穿于整个制造系统，使生产活动保持稳定，适应市场的变化。
(4) 从控制科学的观点看，制造是一种受控的造物过程，信息是制造的基础，只有获得准确的信息，才能进行有效的控制。目前，制造研究已从主要对实际制造过程的控制发展为对控制制造活动的信息进行管理。
(5) 数学模型是对被控对象或系统的动态特性或静态特性的数学描述，它定量刻画了状态变量、干扰变量、输入与输出等各种变量之间的关系。抛开制造过程的具体物质构成和能量形式，将制造系统的运动抽象为数学模型来加以处理。
(6) 管理科学与先进制造技术相结合形成了许多新的制造模式，如成组技术(GT)、计算机集成制造系统(CIMS)、准时制生产(JIT)、并行工程(CE)、精益生产、敏捷制造(AM)、虚拟制造(VM)、客户化生产(CP)、供应链管理(SCM)、产品数据管理(PDM)、企业资源计划(ERP)和客户关系管理(CRM)等，它们是从产品制造的不同侧面提出的解决方案，以改进企业运作整体效率。而制造资源计划，企业资源计划，管理信息系统，产品数据管理与数据库、知识库技术又构成了制造信息支持系统。
4. 制造信息的表示与建模
从制造过程的集成化要求出发，制造信息不只孤立地服务于产品的加工制造，而应该作为产品整个生命周期中的各种开发活动的依据之一。STEP是产品生命周期数据表达和交换的国际标准，它提供一种不依赖于具体系统的中性机制，描述产品的各种数据。STEP标准提供了EXPRESS语言作为产品建模的手段，可满足产品数据集成、交换与共享的要求。XML是一种通用数据传输格式，具有可扩展性、自描述性和异构性，适于产品技术文档的表达、共享、交换，具有良好的网络交互可靠性和互操作性。在网络环境里，STEP和XML这两种标准的异构信息同时存在并相互关联，集成XML和STEP，以XML表示EXPRESS驱动的数据，可形成基于Web的产品数据和技术文档信息相互统一表达的信息集成。
5. 制造信息的存储与管理
制造系统的分布式网络化结构和柔性敏捷化要求，使制造过程中所接收处理的信息急剧增长，大量信息已成为制约制造系统效能的关键因素。采用由分布式数据库系统、计算机网络通讯系统和应用系统所组成的制造信息系统存储与管理制造信息，具备分散式处理与集成异地制造功能的能力。
随着Web技术的不断发展，信息管理系统的结构已经从C/S结构转变为B/S结构。以XML为基础的新一代WWW环境直接面对Web数据，不仅兼容原有的Web应用，而且可实现Web中的信息共享与交换。XML的文档描述与关系型数据库中的属性的一一对应，可实施精确的查询和模型抽取。基于CORBA和STEP技术的STEP数据库系统可提供跨网络的集中数据库管理功能，严格保证共享的全局数据的完整性、一致性。
6. 制造信息的集成与共享
Internet/Intranet的广泛应用构成了制造信息共享和交换的基础，Intranet可实现企业内部的信息集成，由桌面产品访问后台数据库，在制造中共享实时数据；Extranet则可实现企业与供应链伙伴或客户的信息共享。从信息管理角度看，并行工程的核心是信息共享，而建立虚拟企业首先必须建立有效的信息集成与共享机制。
由于制造信息常分散在企业的不同节点和数据库的不同层面中，数据库也建立在不同的计算机系统或数据库管理系统上，这种异构环境下的制造信息集成应体现网络计算的要求，保证制造系统间的互操作，支持基于Internet的信息表示和共享。采用CORBA作为不同软件工具的通信机制，它所定义的分布式对象结构与规则，可让不同厂商生产的ORB(Object Request Broker)对象元素在任何网络和操作系统上互操作，客户机和服务器可完成各种请求与响应而不管平台、操作系统和数据格式的差异，为解决异构平台上的分布式计算提供了很好的支持。
四、制造信息学兴起的哲学思考
长期以来，对于人类的生产活动，人们采用物质生产和创造物质财富的生产等提法。实际上，根据物质(质量和能量)守恒定律，世界上的物质既不能消灭也不能创造，那么，人类通过生产活动到底生产或创造了一些什么东西呢?
考察一个制造过程，可以发现：物质生产所改变的并不是物质的质量或能量，而仅仅是相关质量或能量的组构方式。在生产中，人们破坏物质的某种旧有结构和状态，并相应建构某种新的结构或状态。这样，在生产活动中，人们创造的仅仅是物质的特定结构或秩序，这种结构或秩序乃是一种信息的编码方式，而在此编码活动中，所利用的物质(质量或能量)材料则只具有信息载体的意义和价值。
当设计一个新产品时，设计本身首先是一种信息结构的创造，而后所展开的生产活动便成了使这一创造性的信息结构模式转化为实物对象的产品过程。如果是仿制或复制某产品，后续展开的生产活动只是按照样品的模式来生产，此时，生产活动改变的仅仅是对特定物的信息结构的复制，如逆向工程。因此，物质生产过程可认为是人们复制、创造特定物的结构信息以及人所设计的目的信息在实物产品中实现的过程。从严格意义上讲，人类的生产不可能是物质生产，而只能是信息生产。
五、结论
21世纪是信息的世纪，信息在制造系统和制造过程中占有越来越重要的地位。现代产品的附加值主要体现在信息的获取和应用上。产品建模采用STEP标准，并将信息分为全局数据和领域应用数据分别存储，使用Internet技术进行设计与制造，通过Web服务器和浏览器的接口机制进行数据访问。而访问与提供制造信息的双方构成了客户/服务器结构，其交换的数据应当符合STEP的语义，软件系统的互操作性则应符合CORBA规范。这样可实现从制造信息表示与建模、存储与交换以及制造信息系统互操作的全面集成。
制造信息学研究为分析制造系统及其本质提供了一种新方法，如何及时地将诸多变化来源的无序数据和制造信息转换成有用的知识和有效的决策是制造信息学所面临的挑战。知识创新已成为制造业的灵魂，而创新能力的获得需要信息共享。信息化是制造科学走向全球化、智能化、网络化、虚拟化、绿色化、自动化和现代化的重要标志。在我国，只有工业化与信息化的相结合才能实现现代化，因此，制造信息学研究将任重而道远。
原作者：北方工业大学机电工程学院 林宋
来 源：不详

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