1.2 研究現狀

1.2.1 數字化設計現狀

數字化、精密化、智能化、微型化、生命化和生態化是21世紀的機械制造工程的六大發展方向。在構成制造系統的三大要素物質、能量和信息中，信息正成為制約現代制造系統的主導因素，數字化被列為機械制造工程六大發展趨勢之首。

數字化是指以數字計算機為工具，科學地處理機械制造信息的一種行業應用狀態。數字化技術是指以計算機硬件、計算機軟件、信息存儲、通信協議、周邊設備和互聯網等為技術手段，以信息科學理論為基礎，包括信息的數字表達、收集、處理、存貯、傳遞、傳感、仿真、控制、物化、集成和聯網等領域的科學技術集合。

產品數字化設計與制造主要包括用于企業的計算機輔助設計（CAD）、制造（CAM）、工藝設計（CAPP）、工程分析（CAE）、產品數據管理（PDM）等內容。其數字化設計的內涵是支持企業的產品開發全過程、支持產品相關數據管理、支持企業產品開發流程的控制與優化等。歸納起來就是產品建模是基礎，優化設計是主體，數控技術是工具，數據管理是核心。

（1）數字化設計國內研究現狀

國內學術界當前對于產品數字化設計與制造的研究，主要集中在產品的模塊化設計方法［5,6］、集成化產品建模［7］、基于產品平臺的數字化設計制造技術及其應用［8］、基于事物特性表的產品設計/制造/測量集成技術［9］等方面，并已有虛擬仿真技術在灌裝生產線設計中的應用研究［10,11］。

數字化設計與制造主要包括用于企業的計算機輔助設計（CAD）數字化仿真及其相應文檔的建立技術內涵，隨著經濟全球化和市場化的推進，數字化設計在制造業中的重要性逐步被企業認可，數字化設計經歷了“2維CAD→3維實體造型→參數化3維建模系統→變量化3維建模系統→虛擬現實技術”［12］的發展歷程。數字化設計與制造技術在大型飛機的設計制造過程中貫穿于產品研發制造的全過程，且與精益生產、并行工程等先進技術相融合，實現了良好的應用［13］。數字化設計制造CAX技術及PDM等技術在摩托車研發制造過程中提高了產品創新能力，縮短了產品開發周期［14］。數字化制造技術在模具設計中得到良好的應用［15］。數字化制造是先進制造技術的核心技術［16］，其作用體現在數字化智能設計、數控加工、數值仿真技術、設計優化技術和信息管理技術、三坐標測量（CMM）及計算機輔助檢測（CAI）等技術［17,18］對產品設計制造的支撐。

（2）數字化設計國外研究現狀

國外學術界對于數字化設計與制造的研究，主要體現在多參數集成產品模型［19］，產品全生命周期條件下設計與制造的集成［20］，以降低制造成本為目的的大規模定制技術、以成組技術和工業機器人為依托的柔性制造技術、以CAD與CAM集成為手段的計算機集成制造技術、以質量控制為目的的精益生產技術、以及時交貨為導向的JIT（Just－in－Time）技術、以CAX和PDM集成的并行工程技術、以流程再造（BPR）和制造業信息化為主體的敏捷制造技術［21］。

1.2.2 產品建模的研究現狀

產品建模是將產品的信息存儲于計算機并得以表達的過程。常見的建模方法主要有參數化建模、面向對象的建模方法、知識重用等。主要模型有：語言模型、幾何模型、特征模型、圖樹模型、對象模型、知識模型、圖像模型［22］。

除了產品模型的建立以外，產品建模方法也是近年來學術界研究的熱點。如智能產品建模的方法［23］，基于產品族的參數化建模方法［24］，面向產品全生命周期的零件族建模方法［25］，基于本體技術的產品建模方法［26］，基于國際標準ISO 13584的建模方法［27］，顧新建等［28］提出了面向大批量定制的模塊化建模技術，譚建榮等［29］提出了面向協同裝配的產品建模方法，祁國寧等［30］提出的面向多學科優化的建模設計方法等。

1.2.3 變型設計研究現狀

變型設計是指在原有零部件的基礎上，通過改變零部件的參數，從而達到外形相似的零部件，其本身零部件的基本功能和主結構不會發生變化。變型設計是根據客戶的設計要求，在已有的零部件模型或是在已有的變型零部件實例中通過改變零部件的特征參數，從而能快速設計出滿足客戶要求的產品。變型設計有效地利用了企業已有的資源，大大減少了設計人員的工作量，提高了設計制造企業的競爭力。

對于變型設計應用的范圍，學術界有著不同的說法。Stutz J等［31］指出在機械產品設計中有30%的設計是屬于變型設計范疇，Prebil I等［32］則指出在產品設計中大概有70%左右的產品設計可以歸入變型設計范疇。但其都有一個普遍的認識，那就是，產品設計是完全可以進行變型設計的。

嚴曉光等［33］對PDM和CAD的集成進行了研究，將事物特性表（SML）技術與參數化CAX技術相結合，實現了產品造型的變型和工藝的變型。余軍合等［34］利用事物特性表對零件族進行描述，減少零部件種類，實現了產品的快速設計。

魯玉軍等［35］以CAD系統Solid Edge為具體應用對象，研究了基于事物特性表進行產品變型設計的原理，并借助Excel的表處理功能建立了事物特性表，對Solid Edge的變量表功能進行了二次開發，實現產品變型設計的方法和過程。

武守飛等［36］提出了一種基于元件基礎框架的結構變型設計方法。史俊友［37］等基于PDM平臺開發了支持產品快速組合設計的變型設計系統，其變型設計系統支持平臺及運行流程如圖1.1所示。

1.2.4 灌裝輸送線數字化設計的研究現狀

灌裝輸送線在整條食品飲料生產線中起到鏈接各個工作站的作用，這些工作站典型的包括灌裝機、熱飲冷卻機、貼標機（套標機和封標機）、裝箱機等自動化工作站設備，所以灌裝輸送線是整條食品飲料生產線的重要部分。灌裝輸送線設計是否合理直接影響到整條飲料生產線的運作和效率。

當前國外灌裝輸送線設計與制造水平較高的有美國、日本、德國、英國、意大利。這些國家的灌裝輸送線設計通常為了適合客戶的要求，使用了大量的設計、制造、仿真先進技術。灌裝輸送線的設計與制造正向以下幾個趨勢發展：①工藝流程自動化程度越來越高；②適應產品變化能力越來越強；③成套供應能力強；④普通采用仿真設計技術。

國內灌裝機械行業起步于20世紀70年代，在80年代末和90年代中得到了迅速發展。在食品飲料機械產品設計領域，絕大多數設計人員仍沿用以前的設計方法：①根據設計任務書尋找同類機型作為樣機；②參考樣機制定各項技術性能指標及使用范圍；③設計關鍵零部件、設計總裝圖方案和動作循環圖；④設計部件圖、總裝圖和零件圖；⑤對主要部件中的關鍵零件進行強度、剛度校核；⑥設計控制原理圖、施工圖等。目前，我國基本上可以進行自主設計中低速運行的灌裝輸送線，但高速運行的輸送線機械，特別是一些先進機械，大多仍是測繪、仿制國外的同類機型，進行國產化設計和系列化設計。

王書亭等［2］采用面向對象的方法對灌裝輸送線三維仿真系統進行了設計，鄒湘軍等［38］采用多Agent方法對灌裝生產線建模進行了研究，提出了灌裝生產線虛擬環境Multi－Agent新的建模方法。熊煥云等［10、39］將虛擬制造技術運用于虛擬灌裝生產線，建立了制造環境中的資源類庫和相應的模型庫，實現了灌裝生產線工藝流程仿真系統。

曹菲等［40］通過將生產物流系統分析方法用于啤酒灌裝生產線設施布局，對布局進行了優化設計，高原等［1］對灌裝輸送線上的分列裝置進行了研究，通過對輸送線上前后物流的分析，研究了分列裝置的設計。

從灌裝輸送線數字化設計與制造國內外研究現狀來看，對于灌裝輸送線的研究大部分是在三維仿真建模及建模優化上，對于灌裝輸送線建模，灌裝輸送線組成單元、支持灌裝輸送線設計的零部件庫及零部件建模等理論方法的研究和應用實例還不是很多。因此，研究如何能快速設計出滿足客戶要求的灌裝輸送線的理論方法對于企業來說是具有非常重要的現實意義的。