周文1课外研习报告 机械1208班

1、中南大学机电院12级课外研习报告课外研习题目机械产品的数字化设计指导老师研习人学号0806121222姓名周文所在学院机电工程学院班级机械1208班研习内容：机械产品数字化设计的发展趋势以及在行业中的应用研习内容摘要：1、 引言2、 数字化设计的概念和特点3、 机械产品领域的数字化设计4、 机械产品的数字化设计的应用5、 结语研习内容详要：1引言随着全球经济一体化的进程加快以及信息技术的迅猛发展，现代制造业环境发生了重大的变化。与此同时，现代制造业随之出现了适应这种发展的新模式和新哲理，其核心在于：在制造企业中全面推行数字设计与制造技术，通过在产品全生命周期中的各个环节普及与深化计算机辅助技术

2、，系统及集成技术的应用，促进传统机械产业在各方面的技术革新，使企业的设计、制造、管理技术水平全面提升，在全球市场竞争环境中生存发展并不断地扩大其竞争优势。解决问题的方案是数字化设计与机械制造。数字化设计与机械制造是计算机辅助技术、系统及集成技术的重要组成部分。它是向网络化制造和虚拟化技术发展的基础，它使原有的传统机械制造业变成了智力型的工业，使企业主要同资源要素竞争逐渐变为以创新能力为竞争焦点。数字化信息技术是当今社会发展最快的先进技术，制造业的信息化必将促进我国制造业走上一条持续、快速、健康的发展之路。2 数字化设计的概念和特点2.1数字化设计的概念“数字化”是指信息（计算机）领域的数字（二

3、进制）技术向人类生活各个领域全面推进的过程。“数字化设计与制造技术”是指利用计算机软硬件及网络环境，实现产品开发全过程的一种技术，即在网络和计算机辅助下通过产品数据模型，全面模拟产品的设计、分析、装配、制造等过程。数字化设计与制造不仅贯穿企业生产的全过程，而且涉及企业的设备布置、物流物料、生产计划、成本分析等多个方面。数字化设计与制造技术的应用可以大大提高农业机械产品开发能力、缩短产品研制周期、降低开发成本、实现最佳设计目标和企业间的协作，使企业能在最短时间内组织全球范围的设计制造资源共同开发出新产品，大大提高企业的竞争能力。2.2数字化设计的特点当今的数字化设计主要有以下特点：（1）具有统一

4、的产品定义模型。传统设计在同一产品不同设计阶段具有多种定义模式，重复定义不仅导致设计过程复杂性增加，而且在不同定义模型之间的转化容易引起数据缺失。数字化设计技术通过建立从产品设计到制造的单一数字化产品定义模型，也是面向产品生命周期管理的基础。（2）实现并行设计。一项设计工作可由多个设计队伍在不同的地域分头并行设计、共同装配，形成一个可完成强度、可制造性、成本和功能测试的完整的数字化模型。由于面向产品生命周期的产品模型信息的完备性，数字化设计有助于实现产品的面向装配的设计、面向制造的设计和面向维修的设计等的DFX设计，在提高产品设计质量与速度方面具有重要的意义。（3）设计过程中减少或避免实物模型

5、的制造。传统设计在产品定型生产前需经过“样机生产样机测试修改设计”的过程，且需反复多次，这不仅耗费物力、财力，还使得产品上市周期延长。数字化设计则在制造实物模型之前，先进行计算机仿真分析与测试，排除某些设计不合理性。（4）面向装配。数字化设计技术建立的基本数学模型是面向装配体的产品模型，而非单个零件。它集成了零部件和装配的全部可用信息，形成了一个包括各种信息的数字化产品模型，可被不同设计环节的众多工程师使用。3 机械产品领域的数字化设计3.1机械产品数字化设计的一般过程机械产品的数字化设计形象直观，干涉检查、强度分析、动态模拟、优化设计、外观及色彩设计等采用数字样机实现，设计错误少，设计周期短

6、、成本低。（1）总体方案设计是根据希望达到的目的或应实现的功能，考虑已知约束，进行机械产品的全局设计，构思形成比较完善的设计方案。（2）建立参数化运动模型是指进行机械各部分的具体设计，首先确定各零件的形状、结构、尺寸和公差等，并在计算机上进行参数化建模。（3）虚拟装配是通过装配模块完成各零件的组装，形成整机。装配是运动仿真的前提保障，装配关系的正确与否直接影响着运动仿真的结果，装配前首先要确定运动的各构件以及各构件之间的运动副。确定好各构件及各构件之间的运动副之后，即可通过选择构件和运动副组成机构，最后由各机构组成整机，并为仿真做准备。（4）设置运动环境是定义机械系统运动所必需的各种条件，比如

7、：运动的动力源，初始位置和状态等。在复杂的机械系统中，要定义多重的动力驱动，并要定义不同驱动之间的大小方向等的关系，还要约束机构的最大和最小运动极限，使系统能在合理的范围中运动。在已建立运动模型的基础上，此步骤将赋予模型运动的属性。（5）分析运动机构是定义要分析的属性。包括装配分析、速度分析、静态分析、运动分析等多种分析类型。通过对系统各种动态分析，可迅速得到相关的信息，以此设计和完善构件。（6）获取分析结果是将分析的结果通过可视化的方法表现出来，主要包括运动回放，可分析干涉检验，运动包络等，还可测量系统中需要跟踪的参数，并将其变化趋势通过图表的形式直观地表现出来。3.2机械产品数字化设计的主

8、要技术机械产品的数字化设计与制造技术集成了现代设计制造过程中的多项先进技术，包括三维建模、装配分析、优化设计、系统集成、产品信息管理、虚拟设计与制造、多媒体和网络通讯等，是一项多学科的综合技术。其核心技术主要有：（1）CAD/CAE/CAPP/CAM/PDM。CAD/CAE/CAPP/CAM分别是计算机辅助设计、计算机辅助工程、计算机辅助工艺过程设计和计算机辅助制造的英文缩写，它们是制造业信息化中数字化设计与制造技术的核心，是实现计算机辅助产品开发的主要工具。PDM技术集成是管理与产品有关的信息、过程及人与组织，实现分布环境中的数据共享，为异构计算机环境提供了集成应用平台，从而支持CAD/CA

9、PP/CAM/CAE系统过程的实现 。（2）异地、协同设计。在因特网和企业内部网的环境中，进行产品定义与建模、产品分析与设计、产品数据管理及产品数据交换等，异地、协同设计系统在网络设计环境下为多人、异地实施产品协同开发提供支持工具。（3）基于知识的设计。将产品设计过程中需要用到的各类知识、资源和工具融到基于知识的设计系统之中，支持产品的设计过程，是实现产品创新开发的重要工具。（4）虚拟设计、虚拟制造。综合利用建模、分析、仿真以及虚拟现实等技术和工具，在网络支持下，采用群组协同工作，实现产品设计、制造的本质过程，包括产品的设计、工艺规划、加工制造、性能分析、质量检验，并进行过程管理与控制等。（5

10、）绿色设计。是面向环保的设计，包括支持资源和能源的优化利用、污染的防止和处理、资源的回收再利用和废弃物处理等诸多环节的设计。4 机械产品数字化设计的应用4.1机械产品数字化设计的应用现状及发展趋势机械产品门类广，种类多，市场需求潜力巨大。目前，我国机械领域的数字化程度在具体行业中存在较大差距。如农机企业普遍采用传统设计方法，在应用现代设计方法上远远落后于航天、汽车等其他行业，农机企业之间重复型设计多，企业信息资源利用率低。同时，在同一行业的不同企业中，产品的数字化也有一定程度差别。虽然有些企业具备一般制造业运用CAD技术的能力，且已达到一定的水平，但由于技术储备、装备水平以及新产品的研发能力等

11、方面相对落后，三维CAD软件在机械制造企业中的应用还不够普遍。尽管有些领先的企业已经探讨“数字样机”、“并行工程”、“虚拟仿真”等前沿课题，但总体来说离大规模推广应用还有很大距离。再次，机械产品的整体技术水平、质量、生产规模、企业素质与发达国家相比差距也很大，特别是新产品品种不多，发展滞后，可靠性、使用寿命满足不了用户要求。近年来，将数字化设计技术应用于机械产品的研究与开发的实例正不断增多。今后数字化设计技术在机械行业中的发展趋势，应注重以下几点：（1）重视虚拟现实技术的应用。虚拟现实技术是综合利用计算机图形系统、各种显示和控制等接口设备，在计算机上生成可交互的三维环境沉浸感觉的技术。采用虚拟

12、现实技术，不但可以在机构运动上加以仿真，还可以通过有限元分析，优化设计方法对机构的动力学加以分析、仿真，对各构件参数进行优化。（2）强调产品协同设计。良好的协同设计环境，可以尽早地发现并解决产品方案和结构设计。乃至制造和装备中存在的问题还可以大幅度缩短机械产品的开发周期，降低成本。提高设计与制造质量。（3）突出产品创新设计。产品创新设计涉及到数据开采、知识发现及其重用技术、知识的表达与组织、知识数据库的开发、基于知识的决策技术等。我国机械设计制造企业的创新能力与国际先进水平有很大差距，因此对产品创新设计的需求十分迫切。4.2智能CAD技术与机械产品设计 ICAD是一种由多个智能体与多种CAD功

13、能模块有机集成的支持产品设计的复杂系统。ICAD技术主要研究3个方面问题：设计知识的表示与建模方法、知识利用和ICAD体系结构。方案设计与支持变型设计的装配建模是ICAD技术中的两个重要环节在机械产品设计中引入ICAD技术，可以解决机械企业中重复性设计多、信息资源利用率低的难题，缩短产品开发周期，具有巨大的经济效益和应用前景。采用基于实例推理的模块化参数设计和变量设计技术可以大大提高机械产品设计效率和设计水平，提高机械产品和企业的竞争力。基于参数设计和装配模型的智能设计框架，为解决ICAD技术中存在的问题提供一种新思路。装配模型通过建立零部件之间的几何模型及其装配信息表达并维持设计意图、产品原理和功能，是一种支持概念设计和变型设计的产品模型，而实例推理技术(CBR)以过去解决某类问题的成熟方案为基础来解决相似问题提供了一种行之有效的方法，实例库是组织已有技术的基础。基于参数化设计技术和装配模型的智能设计框架的特点：概念建模和变型设计方法密切相关；装配模型是实例推理的基础，CBR是智能设计系统的核心，装配建模是在CBR运行中实现的，使装配建模大量重用已有资源。5 结语目前，数字化设计与制造技术已经成为制造企业提高产品竞争力的重要手段。在计算机上完成