《数字化设计与制造》第01章课件

数字化设计与制造任课教师：周勇Email:zhouy_whut@Tel:631336701数字化设计与制造任课教师：周勇1理解数字化设计与制造技术的基本概念和基本理论，掌握产品数字化建模、设计、分析、制造的过程，学会使用常见的数字化设计与制造软件，了解当代数字化设计制造技术的特点和发展趋势，培养创新思维能力，为从事数字化设计与制造相关领域的研究与应用奠定基础。本课程的任务：数字化设计与制造2理解数字化设计与制造技术的基本概念和基本理论，掌握产教材：

《数字化设计制造技术基础》，主编：杨海成，出版社：西北工业大学出版社，2007。

数字化设计与制造3教材：《数字化设计制造技术基础》，主编：杨海成，出版社：西参考资料：《数字制造》，主编：周祖德，出版社：科学出版社，2004。《数字化设计与制造》，主编：苏春，出版社：机械工业出版社，2006。网络资源。数字化设计与制造4参考资料：《数字制造》，主编：周祖德，出版社：科学出版社，2考核方式：数字化设计与制造闭卷考试（70%）平时成绩（30%）（作业＋考勤）5考核方式：数字化设计与制造闭卷考试（70%）5数字化设计与制造第一章概论6数字化设计与制造第一章概论6内容提纲第一节制造业与制造技术第二节产品研制过程分析第三节数字化设计制造基础第四节数字化设计制造的典型应用案例7内容提纲第一节制造业与制造技术7第一节制造业与制造技术所有将原材料转化为物质产品的行业都可称为制造业，它覆盖了除去采掘业、建筑业等以外的整个第二产业。制造技术的水平高低已成为一个国家经济发展的主要标志。全球化的经济竞争归根结底是制造技术和制造能力的竞争。从产业结构来看，制造业是全社会产生附加价值的源泉，是经济的主体。从技术发展来看，制造技术水平综合体现了一个国家的科技水平，是增强国家综合实力与国际竞争力的根本。一、制造业是国民经济的基础8第一节制造业与制造技术所有将原材料转化为物质产品的行业都可第一节制造业与制造技术2007年中国已成为世界第二制造大国全部就业人数11.27%工业就业人数的90.74%2002年制造业提供的就业人数工业税收78.93%总税收的28.74%2001年全国制造业创造的税收2003年全国制造业贡献的GDP和出口GDP总值的29.07%出口总额的92.06%制造业是我国国民经济的基础和支柱9第一节制造业与制造技术2007年中国已成为世界第二制造大国第一节制造业与制造技术计算机技术、电子技术和通信技术极大地增强了人类处理和利用信息的能力，因而被统称为“信息技术”。信息技术已经成为现代生产力发展的主导因素，它不但在急剧地改变着人类的经济生活，而且以其强大的渗透力进入社会生活的方方面面。信息的应用程度已经成为衡量一个国家或地区的国际竞争力、现代化程度、经济成长能力的重要标志。二、信息技术的发展深刻地改变了制造业10第一节制造业与制造技术计算机技术、电子技术和通信技术极大地第一节制造业与制造技术二、信息技术的发展深刻地改变了制造业工业化信息化制造业信息化制造业工业社会信息社会工业化、信息化制造业11第一节制造业与制造技术二、信息技术的发展深刻地改变了制第一节制造业与制造技术二、信息技术的发展深刻地改变了制造业制造技术自动化技术现代管理技术信息技术实现产业升级改善企业生产、经营、管理、产品开发12第一节制造业与制造技术二、信息技术的发展深刻地改变了制第一节制造业与制造技术在发达国家，信息技术的应用已经成为国民经济新的增长点，信息产业已经成为经济发展的主导产业。信息技术的应用已成为我国重要的经济增长点。利用信息技术改造和提升传统产业，可以提高产品的数量和质量；以信息技术为依托，企业实现扁平化管理，可以提高企业运营效率；围绕互联网开展企业的信息化应用工作，可以使企业融入全球化经济，实现产品的敏捷和柔性的个性化生产，赢得市场。二、信息技术的发展深刻地改变了制造业1．引起产业结构的重大调整

13第一节制造业与制造技术在发达国家，信息技术的应用已经成为国第一节制造业与制造技术由于微电子和数字化通信的应用，使信息处理的相对价格下降，工业生产从“能源和材料密集型”转向“信息密集型”，产品和装备由机械向着机电转变，呈现出“软化”和高附加价值的趋势。二、信息技术的发展深刻地改变了制造业2．促进了生产方式的变革

14第一节制造业与制造技术由于微电子和数字化通信的应用，使信息第一节制造业与制造技术信息技术在生产中的广泛应用，发展了先进制造技术，计算机辅助设计(ComputerAidedDesign，CAD)、计算机辅助工程分析(ComputerAidedEngineering，CAE)和计算机辅助制造(ComputerAidedManufacturing，CAM)等成为基本的技术手段，机器人、自动化装备、自动化生产线受到普遍重视，设计制造的自动化、智能化程度大大提高。二、信息技术的发展深刻地改变了制造业2．促进了生产方式的变革

15第一节制造业与制造技术信息技术在生产中的广泛应用，发展了先第一节制造业与制造技术信息技术的发展使生产具有更大的灵活性，生产信息可以准确控制、实时共享，能够以快速和低成本为目标优化生产流程，极大地降低了由于改变产品组合而导致的停工成本，生产的柔性和敏捷性大大提高。二、信息技术的发展深刻地改变了制造业2．促进了生产方式的变革

16第一节制造业与制造技术信息技术的发展使生产具有更大的灵活性第一节制造业与制造技术传统的产品交换及经济信息流通方式，绝大部分是通过人与人之间的直接交往实现的。这种直接的交往加上落后的交通设施往往将人们的经济行为局限在一个非常有限的时空。随着信息时代的到来，特别是全球互联网的发展，实现了世界信息的同步传播，从而极大地拓展了经济活动的舞台。二、信息技术的发展深刻地改变了制造业3．引起了信息交换方式的改变

17第一节制造业与制造技术传统的产品交换及经济信息流通方式，绝第一节制造业与制造技术三、数字化是制造技术创新的基本手段自1998年美国副总统戈尔提出“数字地球”的概念以来，诸如数字流域、数字城市、数字化生存等以数字为前缀的新概念和新思想大量涌现，数字化设计与制造即为全球数字化浪潮中的重要一环。数字化程度已经成为衡量设计制造技术水平的重要标志。数字化技术是缩短产品研制周期、降低研制成本、提高产品质量的有效途径，是建立现代产品快速研制系统的基础。18第一节制造业与制造技术三、数字化是制造技术创新的基本手第一节制造业与制造技术三、数字化是制造技术创新的基本手段CAD/CAM技术是人类在20世纪取得的突破性创新成果，并由此孕育了先进制造技术。在先进制造技术的发展过程中，有四项技术具有里程碑的性质：CAD技术；NC技术；智能技术；集成技术。19第一节制造业与制造技术三、数字化是制造技术创新的基本手第一节制造业与制造技术三、数字化是制造技术创新的基本手段1．CAD/CAM技术奠定了数字化设计制造的基础

传统的以“工程图纸”为核心的设计制造技术体系构建了以模拟量传递为特征的制造模式。CAD技术的发展使得对产品及其零件的表达、传递可以采用数字化形式精确表达，从而推动了二维CAD和三维CAD的研究和应用。由此形成了以“三维几何模型”为核心的数字化设计制造技术体系，实现了以数字量传递和控制为特征的先进制造技术。目前，产品的数字化定义、数字样机、虚拟仿真等已成为产品研制的基本手段和技术选择。20第一节制造业与制造技术三、数字化是制造技术创新的基本手第一节制造业与制造技术三、数字化是制造技术创新的基本手段1．CAD/CAM技术奠定了数字化设计制造的基础

CAD技术起步于20世纪50年代后期。60年代，随着计算机软硬件技术的发展，在计算机屏幕上绘图变为可能，CAD开始迅速发展。在CAD软件开发初期，CAD的含义仅仅是计算机辅助绘图(ComputerAidedDrawing)，此后逐步发展形成了计算机辅助设计(ComputerAidedDesign)的概念。CAD技术以二维绘图算法为主要目标的研究与应用一直持续到70年代末期。60年代初期出现了三维CAD系统，起初是极为简单的，只能表达基本几何信息线框系统，不能有效表达几何数据间的拓扑关系，缺乏形体的表面信息。

21第一节制造业与制造技术三、数字化是制造技术创新的基本手第一节制造业与制造技术

三、数字化是制造技术创新的基本手段1．CAD/CAM技术奠定了数字化设计制造的基础

曲面造型系统为人类带来了第一次CAD技术革命。实体造型技术的普及应用标志着CAD发展史上的第二次技术革命。参数化技术的应用主导了CAD发展史上的第三次革命。80年代后期到90年代，CAD向系统集成化方向发展，引起了CAD发展史上的第四次革命。CAD发展史上的四次技术革命：

22第一节制造业与制造技术三、数字化是制造技术创新的基本手第一节制造业与制造技术三、数字化是制造技术创新的基本手段2．NC技术促进数控设备的发展，实现产品制造的数字化制造技术的发展和竞争的加剧，使得人们对产品的要求越来越高，企业要制造高质量、高效率、高可靠性、低缺陷的产品，必须广泛采用先进制造工艺及现代化装备。数字化、精密化、高速化及高效化是现代工艺装备的主要发展趋势，采用先进和稳定的工艺技术，使用精密、高效的数控生产装备，对于提高产品质量、降低生产成本、缩短响应时间具有重要意义。数控加工设备可以解决由手工作业所引起的质量不稳定问题，并可大大提高设备的使用效率。23第一节制造业与制造技术三、数字化是制造技术创新的基本手第一节制造业与制造技术三、数字化是制造技术创新的基本手段2．NC技术促进数控设备的发展，实现产品制造的数字化24第一节制造业与制造技术三、数字化是制造技术创新的基本手第一节制造业与制造技术三、数字化是制造技术创新的基本手段3．知识库和智能化设计是传统工艺技术创新的关键工艺过程具有不连续性、不平衡性、动态性、多样性、模糊性等诸多的不确定，导致了加工工艺技术的“再现性”差，定性的描述较多，定量的表达较少。工艺过程涉及的因素多、系统多，构成工艺知识的“粒度”大小不一，很难完全用规则表达清楚。即使采用数值分析，其分析计算结果仍须要由人类专家进行评估分析、判读。以制造过程的知识融合为基础，采用智能化设计已成为解决加工工艺设计的有效方法和重要发展方向。25第一节制造业与制造技术三、数字化是制造技术创新的基本手第一节制造业与制造技术三、数字化是制造技术创新的基本手段4．集成化促进了制造的柔性化和敏捷化，是实现快速反应制造的基础面对变化莫测的市场，制造企业应具有快速组织生产、柔性制造和灵活应变的能力，即具备快速响应能力。快速响应制造以数字化、柔性化、敏捷化为基本特征，它要求制造企业通过企业内部网络和外部网络相结合，形成网络化的集成制造系统，对各种设计、制造和信息以及人力、物力等资源进行集成，从而快速地制造出高质量、低成本的新产品。建立基于信息技术的数字化定义、工艺设计、工装设计、设备数控的综合集成系统，可以减少中间传递环节，减少传递误差引起的返工，提高系统的柔性，实现快速反应。

26第一节制造业与制造技术三、数字化是制造技术创新的基本手第一节制造业与制造技术先进制造技术是传统制造业不断地吸收机械、电子、信息、材料及现代管理技术等方面最新的成果，并将其综合应用于产品制造全过程，即开发与设计、制造、检测、管理及售后服务等，实现优质、高效、低耗、清洁、敏捷制造，并取得理想的技术经济效果的前沿制造技术的总称。先进制造技术定义四、先进制造技术的发展趋势27第一节制造业与制造技术先进制造技术是传统制第一节制造业与制造技术四、先进制造技术的发展趋势先进制造技术是工业发达国家的国家级关键技术和优先发展领域国别/地区科技计划美国先进制造技术计划关键技术(制造)计划敏捷制造使能技术计划日本智能制造技术国际合作计划欧共体尤里卡计划信息技术研究发展战略计划德国制造2000年计划韩国高级先进技术国家计划(G-7)28第一节制造业与制造技术四、先进制造技术的发展趋势先进制第一节制造业与制造技术四、先进制造技术的发展趋势1．数字化设计制造是现代产品研制的基本手段数字化已成为产品研制生产的必要手段。采用数字化技术，可以实现制造系统和制造过程信息的存储、传输、共享和处理，从而实现对复杂系统问题的定量化、最优化、可视化的解决方案。以数字化为核心的制造业信息化技术已成为制造业发展的重要基础和支撑。现代产品的研制生产过程包括概念设计、功能仿真、结构设计等设计过程，还包括工艺设计、加工制造、质量保证、使用维护、维修乃至报废的产品全生命周期的各个环节。数字化设计制造改变以模拟量为主的传递方式，不仅可以提高几何模型的传递精度，而且可以提高设计效率，缩短周期。29第一节制造业与制造技术四、先进制造技术的发展趋势1．数第一节制造业与制造技术四、先进制造技术的发展趋势2．先进制造技术的特征(1)先进制造技术是制造技术的最新发展阶段。(2)先进制造技术贯穿了制造全过程以至产品的整个生命周期。(3)先进制造技术注重技术与管理的结合。(4)先进制造技术是面向工业应用的技术。30第一节制造业与制造技术四、先进制造技术的发展趋势2．先第一节制造业与制造技术四、先进制造技术的发展趋势3．设计制造技术的发展趋势产品开发周期短；竞争能力强；系统柔性高；生产过程精良；提供产品全生命周期质量保障；注重环境。新世纪对制造技术的要求31第一节制造业与制造技术四、先进制造技术的发展趋势3．设第一节制造业与制造技术四、先进制造技术的发展趋势3．设计制造技术的发展趋势全球化设计制造技术网络化虚拟化绿色化智能化32第一节制造业与制造技术四、先进制造技术的发展趋势3．设第一节制造业与制造技术四、先进制造技术的发展趋势3．设计制造技术的发展趋势－全球化广泛利用别国的生产设施与技术力量，在自己可以不拥有生产设施与制造技术的所有权的情况下，开发、制造出最终产品，并进行全球销售。包括的内容主要有：市场的国际化；产品设计和开发的国际合作化；产品制造的跨国化；制造企业在世界范围内的重组与集成如动态联盟公司；制造资源的跨地区、跨国家的协调、共享和优化利用等等。33第一节制造业与制造技术四、先进制造技术的发展趋势3．设第一节制造业与制造技术四、先进制造技术的发展趋势3．设计制造技术的发展趋势－网络化采用Internet技术，建立灵活有效、互惠互利的动态企业联盟，有效地实现研究、设计、生产和销售各种资源的重组，从而提高企业的市场响应速度和竞争能力。在企业内部，通过Intranet将制造企业的各个部门及制造过程与企业中的设计、管理信息等子系统进行集成；在企业外部，以Extranet灵活地组织各种资源进行异地产品设计和异地制造，从而快速地开发出高质量、低成本的新产品。34第一节制造业与制造技术四、先进制造技术的发展趋势3．设第一节制造业与制造技术四、先进制造技术的发展趋势3．设计制造技术的发展趋势－网络化

产品资源库制造资源库知识库协同管理平台Internet、IntranetExtranetPDMERPSCMCRM公共服务平台信息资源企业企业企业设计资源区域人才资源制造资源35第一节制造业与制造技术四、先进制造技术的发展趋势3．设第一节制造业与制造技术四、先进制造技术的发展趋势3．设计制造技术的发展趋势－虚拟化虚拟制造是20世纪90年代提出的新概念，它的产生是虚拟现实技术发展并推动制造业变革的结果。虚拟设计制造可以理解为，利用计算机仿真和虚拟现实技术，在计算机上模拟出产品的整个制造过程，包括虚拟加工、虚拟装配、虚拟调度、虚拟测试等，从而对产品设计、加工制造、性能分析、生产管理和调度、销售及售后服务作出综合评价，以增强制造过程各个层次的决策与控制。

36第一节制造业与制造技术四、先进制造技术的发展趋势3．设第一节制造业与制造技术

四、先进制造技术的发展趋势3．设计制造技术的发展趋势－虚拟化

虚拟制造的理论基础建模理论连续系统建模离散系统建模机理建模

辩识建模

神经网络建模

模糊神经网络建模

模糊建模

实体流图法

活动周期图法

Petri网法

仿真理论连续系统仿真离散系统仿真实时仿真事件调度法

活动扫描法

进程交互法

并行计算点对点通信

全局通信

并行控制与任务组

处理机拓扑

并行I/O

37第一节制造业与制造技术四、先进制造技术的发展趋势3．设第一节制造业与制造技术四、先进制造技术的发展趋势3．设计制造技术的发展趋势－智能化

智能化设计制造可以理解为具有人类智能特征的设计制造模式。与传统的设计制造相比，智能化设计制造系统具有自组织、高柔性与学习能力等特点。它突出了在设计制造诸环节中以一种高度柔性与集成的方式，借助计算机模拟的人类专家的智能活动，进行分析、判断、推理、构思和决策，取代或延伸制造环境中人的部分脑力劳动。同时，收集、存储、处理、完善、共享、继承和发展人类专家的设计制造知识。38第一节制造业与制造技术四、先进制造技术的发展趋势3．设第一节制造业与制造技术四、先进制造技术的发展趋势3．设计制造技术的发展趋势－绿色化绿色设计和产品

绿色的能源和原材料的使用与转换绿色加工制造绿色包装产品的绿色再生（维修、拆卸、回用、处置）全生命周期的环境管理体系39第一节制造业与制造技术四、先进制造技术的发展趋势3．设第一节制造业与制造技术四、先进制造技术的发展趋势3．设计制造技术的发展趋势

若要真正赢得市场，制造企业必须同时具备时间竞争能力、质量竞争能力、价格竞争能力和创新竞争能力。20世纪60年代－以规模效益放在首位70年代以成本和价格取胜，80年代则以质量赢得用户，90年代更以响应速度适应市场，进入21世纪，制造业以技术创新为竞争的焦点。40第一节制造业与制造技术四、先进制造技术的发展趋势3．设内容提纲第一节制造业与制造技术第二节产品研制过程分析第三节数字化设计制造基础第四节数字化设计制造的典型应用案例41内容提纲第一节制造业与制造技术41第二节产品研制过程分析一、产品研制过程的PPR模型产品研制过程是指从产品需求分析到产品最终定型的全过程，包括产品的设计、分析、测试、制造、装备等全过程。任何一种产品的研制过程从大的方面可以划分为设计与制造两部分。设计又包括概念设计、初步设计、详细设计、工艺设计、工装设计、试验仿真等。制造包括工装制造、零件制造、装配制造、检测等。

42第二节产品研制过程分析一、产品研制过程的PPR模型产品第二节产品研制过程分析一、产品研制过程的PPR模型钣金零件的制造过程示意图43第二节产品研制过程分析一、产品研制过程的PPR模型钣金第二节产品研制过程分析一、产品研制过程的PPR模型各种产品的制造过程形态各异、类型众多，深入分析各种制造过程，可将构成制造过程的基本要素抽象为产品(Product)、工艺过程(Process)、制造资源(Resource)，即PPR模型。实际的过程是三个要素相互耦合作用的结果。

产品工艺过程制造资源44第二节产品研制过程分析一、产品研制过程的PPR模型各种第二节产品研制过程分析一、产品研制过程的PPR模型(1)产品信息转化过程。产品制造的依据是产品的几何、性能、技术等方面的工程要求和描述。工程制造的基本输入是材料。从几何形态看，制造可抽象为几何模型的转化过程；从物理性能看，是从原始材料性能参数转化为产品材料性能参数的过程。

45第二节产品研制过程分析一、产品研制过程的PPR模型第二节产品研制过程分析一、产品研制过程的PPR模型(2)材料的工艺转化过程。在产品制造过程中，材料经过加工，其几何形状和材料性能均发生了变化。在几何形状方面如从二维到三维的变化、尺寸的变化等，在材料性能方面如屈服应力、硬化、回弹、残余应力等的变化。46第二节产品研制过程分析一、产品研制过程的PPR模型第二节产品研制过程分析一、产品研制过程的PPR模型

(3)制造资源的转化过程。为了完成产品的制造，不仅要实现材料状态的变化，还要构造控制转化的资源条件，如工装、加工设备等。工装夹具数控折弯机47第二节产品研制过程分析一、产品研制过程的PPR模型第二节产品研制过程分析一、产品研制过程的PPR模型随着市场竞争的加剧和全球化的发展，产品的设计制造以缩短周期、提高质量、降低成本、提高服务等为目标，对产品研制过程的基本要素不断进行着优化。实际上，由产品设计制造构成的制造系统是一个不断优化的过程。48第二节产品研制过程分析一、产品研制过程的PPR模型第二节产品研制过程分析一、产品研制过程的PPR模型制造系统运作示意图49第二节产品研制过程分析一、产品研制过程的PPR模型制造第二节产品研制过程分析二、产品研制过程的串行与并行随着设计、制造手段的提高，产品的研制过程也随之改变。目前常见的设计模式主要有串行设计和并行设计。串行设计的组织模式是递阶结构，各个阶段的活动是按时间顺序进行的，一个阶段的活动完成后，下一个阶段的活动才开始，各个阶段依次排列，都有自己的输入和输出；并行设计的工作模式是在产品设计的同时就考虑后续阶段的相关工作，包括加工工艺、装配、检验等，在并行设计中，产品开发过程各个阶段的工作是交叉进行的。50第二节产品研制过程分析二、产品研制过程的串行与并行第二节产品研制过程分析

二、产品研制过程的串行与并行需求分析产品设计工艺设计制造装配服务需求分析串行设计时间产品设计工艺设计制造装配服务并行设计时间节省的时间串行设计和并行设计比较51第二节产品研制过程分析二、产品研制过程的串行与并行需求内容提纲第一节制造业与制造技术第二节产品研制过程分析第三节数字化设计制造基础第四节数字化设计制造的典型应用案例52内容提纲第一节制造业与制造技术52第三节数字化设计制造基础一、数字化设计制造基本概念数字化：是利用数字技术对传统的技术内容和体系进行改造的进程。数字化的核心是离散化，其本质是如何将连续物理现象、模糊的不确定现象、设计制造过程的物理量和伴随制造过程而出现和产生的几何量、设计制造环境、个人的知识、经验和能力离散化，进而实现数字化。53第三节数字化设计制造基础一、数字化设计制造基本概念数字第三节数字化设计制造基础一、数字化设计制造基本概念数字化设计：就是通过数字化的手段来改造传统的产品设计方法，旨在建立一套基于计算机技术、网络信息技术，支持产品开发与生产全过程的设计方法。数字化设计的内涵是支持产品开发全过程、支持产品创新设计、支持产品相关数据管理、支持产品开发流程的控制与优化等，归纳起来就是产品建模是基础，优化设计是主体，数据管理是核心。

数字化制造：是指对制造过程进行数字化描述而在数字空间中完成产品的制造过程，是计算机数字技术、网络信息技术与制造技术不断融合、发展和应用的结果，也是制造企业、制造系统和生产系统不断实现数字化的必然。54第三节数字化设计制造基础一、数字化设计制造基本概念数字第三节数字化设计制造基础一、数字化设计制造基本概念数字化设计制造本质上是产品设计制造信息的数字化，是将产品的结构特征、材料特征、制造特征和功能特征统一起来，应用数字技术对设计制造所涉及的所有对象和活动进行表达、处理和控制，从而在数字空间中完成产品设计制造过程，即制造对象、状态与过程的数字化表征、制造信息的可靠获取及其传递，以及不同层面的数字化模型与仿真。55第三节数字化设计制造基础一、数字化设计制造基本概念数字第三节数字化设计制造基础二、数字化设计制造的基础技术

产品的几何建模是数字化设计制造的核心。产品几何模型的表示包括建模、造型和可视化三个方面，而建模又可以分解为基于曲线、曲面、实体等的表示。建立一个能够表达和处理产品全生命周期各个阶段所有信息的统一的产品模型是数字化设计制造的基础。由于产品几何模型需要在设计制造过程中进行传递、交换，因此需要建立统一的模型表示格式。模型的表示方法多种多样，如DXF，DWG，IGES，STEP等就是典型的CAD模型标准交换格式。1．产品统一数据模型表示与交换方法56第三节数字化设计制造基础二、数字化设计制造的基础技术第三节数字化设计制造基础二、数字化设计制造的基础技术

CAD(ComputerAidedDesign)系统：是由计算机软件和硬件系统构成的人机交互系统，辅助工程技术人员根据产品功能和性能需求进行结构设计，建立产品的三维几何模型，输出二维工程图。典型的CAD系统有AutoCAD，CATIA，UGS和Pro／E等。2．数字化设计制造应用工具57第三节数字化设计制造基础二、数字化设计制造的基础技术第三节数字化设计制造基础二、数字化设计制造的基础技术

CAE(ComputerAidedEngineering)系统：是对产品的静态强度、动态性能等在计算机上进行分析、模拟仿真的计算机系统。典型的CAE系统如NASTRAN，ANSYS，ADAMS等。2．数字化设计制造应用工具58第三节数字化设计制造基础二、数字化设计制造的基础技术二、数字化设计制造的基础技术

CAPP(ComputerAidedProcessPlanning)系统：也是由计算机软件和硬件系统构成的人机交互系统，辅助工艺技术人员根据产品几何模型、生产要求和资源条件，规划、设计产品制造工艺过程，输出制造工艺指令。2．数字化设计制造应用工具第三节数字化设计制造基础59二、数字化设计制造的基础技术CAPP(Computer第三节数字化设计制造基础二、数字化设计制造的基础技术

CAM(ComputerAidedManufacturing)系统：是指辅助完成从产品设计到加工制造之间生产准备活动的计算机应用系统，包括NC编程、工时定额计算、加工过程仿真等。在CATIA，UG和Pro/E等CAD/CAM系统中，均包含有专门的CAM模块。

2．数字化设计制造应用工具60第三节数字化设计制造基础二、数字化设计制造的基础技术二、数字化设计制造的基础技术

DFx(DesignForx)系统：面向产品全生命周期的设计。是指在产品设计阶段对零件或部件的可制造性或可装配性等进行评价诊断的计算机辅助应用工具。

2．数字化设计制造应用工具第三节数字化设计制造基础61二、数字化设计制造的基础技术DFx(DesignFo第三节数字化设计制造基础二、数字化设计制造的基础技术

数字化设计制造中的数据集成是对产品数据的统一管理和共享，它通过产品数据管理(ProductDataManagement，PDM)软件系统来实现。定义：PDM是一种帮助工程技术人员管理产品数据和产品研发过程的工具。PDM系统确保跟踪设计、制造所需的大量数据和信息，并由此支持和维护产品。3．产品数据管理技术62第三节数字化设计制造基础二、数字化设计制造的基础技术第三节数字化设计制造基础二、数字化设计制造的基础技术

3．产品数据管理技术数据管理管理产品结构、零部件数据、设计图文档，以及人员组织、供应商、客户、外协、设备等数据，确保产品开发数据准确正确，方便获取。过程管理管理产品开发过程，组织协调开发过程中设计、评审、批准、变更及产品发布等。PDM管理对象63第三节数字化设计制造基础二、数字化设计制造的基础技术第三节数字化设计制造基础二、数字化设计制造的基础技术

3．产品数据管理技术PDM的目的保证数据的完整、准确、安全；控制追溯设计、变更过程；便于检索利用。64第三节数字化设计制造基础二、数字化设计制造的基础技术第三节数字化设计制造基础二、数字化设计制造的基础技术

3．产品数据管理技术PDM产品功能描述65第三节数字化设计制造基础二、数字化设计制造的基础技术第三节数字化设计制造基础二、数字化设计制造的基础技术

内容：建立数字化产品开发模式下产品三维建模规范、虚拟装配规范、数字化工艺设计和工装设计制造规范以及PDM的实施规范等。作用：提供用户管理、资源管理、项目管理和工作流管理等服务支持。通过并行工作管理规范和工作流程管理规范来实现信息、过程的集成和资源共享。4．面向产品数字化设计制造的标准规范66第三节数字化设计制造基础二、数字化设计制造的基础技术第三节数字化设计制造基础三、数字化设计制造的特点与性能要求

(1)过程的延伸：不仅是产品零件、部件的设计和加工制造过程，而且包含工装设计制造、检测、服务等。(2)智能水平的提高：人工智能技术在数字化制造系统诸多方面的应用，包括零件设计、工艺设计、工装设计、过程控制等，使系统的智能水平提高并更为有效。(3)集成水平的提高：覆盖零件全生命周期，实现生命周期各个阶段的横向集成和企业各个层次的纵向集成，在信息集成的基础上实现功能和过程集成(实现在正确的时间将正确的信息传递到正确的人)。1．数字化设计制造的特点67第三节数字化设计制造基础三、数字化设计制造的特点与性能第三节数字化设计制造基础三、数字化设计制造的特点与性能要求

信息的产生、传递、复制和存储的主要形式是图纸、文件、报表和各种会议信息传递的过程是不连续的、缓慢而且经常中断的，没有形成连续的信息流企业运作的各种信息数字化、有序化信息的处理和传递速度加快形成连续的信息流管理层次和部门众多、机构重叠、各自为政、效率低下改变了传统的业务流程、工作方法，组织管理模式得到变革传统制造业数字化设计制造传统制造业向数字化设计制造的转变68第三节数字化设计制造基础三、数字化设计制造的特点与性能第三节数字化设计制造基础三、数字化设计制造的特点与性能要求

(1)稳定性是指在正常情况下，系统保持其稳定状态的能力。(2)集成性指系统内各子系统相互关联，能协同工作。集成性反映了子系统之间功能交互、信息共享及数据传递畅通的程度。(3)敏捷性指系统对环境或输入条件变化及不确定性的适应能力，对内外各种变化能快速响应、快速重组的能力。2．数字化设计制造的主要性能要求69第三节数字化设计制造基础三、数字化设计制造的特点与性能第三节数字化设计制造基础三、数字化设计制造的特点与性能要求

(4)制造工程信息的主动共享能力数字化设计制造中零件设计、工艺设计和工装设计等过程的集成和并行协同要求信息能同步传递，这种信息共享方式称为“信息主动共享”。(5)数字仿真能力指系统对产品制造中涉及的诸多问题进行虚拟仿真的能力。2．数字化设计制造的主要性能要求70第三节数字化设计制造基础三、数字化设计制造的特点与性能第三节数字化设计制造基础三、数字化设计制造的特点与性能要求

(6)支持异构分布式环境的能力数字化设计制造的软件系统、设备在地域上的分散性和操作平台的异构性决定了系统必须是分布式结构。需要对系统的结构体系和数据结构进行合理的综合规划与设计，实现系统分布性与统一性的协调。

(7)扩展能力在不影响系统连续运行的前提下，系统应能够根据加工对象和企业资源的变化、技术体系的变化，快速调整系统基础框架和事务处理机制，完成功能扩展、性能升级和自身的重新配置。2．数字化设计制造的主要性能要求71第三节数字化设计制造基础三、数字化设计制造的特点与性能内容提纲第一节制造业与制造技术第二节产品研制过程分析第三节数字化设计制造基础第四节数字化设计制造的典型应用案例72内容提纲第一节制造业与制造技术72第四节数字化设计制造的典型应用案例一、波音777研制过程是数字化设计制造的经典波音公司1990年在波音777飞机研制中，全面采用数字化技术，实现了三维数字化定义、三维数字化预装配和并行工程，建立了全球第一个全机数字样机，取消了全尺寸实物样机，通过精确定义几何尺寸和形状，使工程设计水平和飞机研制效率得到了巨大的提高，设计更改和返工率减少了50％以上，装配时出现的问题减少了50％～80％，制造成本降低了30％～40％，产品开发周期缩短了40％～60％，用户交货期从18个月缩短到12个月。

73第四节数字化设计制造的典型应用案例一、波音777研制过第四节数字化设计制造的典型应用案例一、波音777研制过程是数字化设计制造的经典波音777数字化设计制造的技术手段

1．100％的数字化定义2．100％三维实体模型数字化预装配3．并行方式产品定义

74第四节数字化设计制造的典型应用案例一、波音777研制过第四节数字化设计制造的典型应用案例一、波音777研制过程是数字化设计制造的经典波音777采用CATIA系统进行零件的三维建模。1．100％的数字化定义75第四节数字化设计制造的典型应用案例一、波音777研制过第四节数字化设计制造的典型应用案例一、波音777研制过程是数字化设计制造的经典采用数字化预装配取消了主要的实物样机，修正了2500处设计干涉问题。数字化预装配还支持如干涉检查、工程分析、材料选用、工艺计划、工装设计以及用户支持等相关设计，及早把反馈信息提供给设计人员。数字化项装配还可以用来进行结构与系统布局、管路安装、导线走向等设计集成，以及论证零件的可安装性和可拆卸性。2．100％三维实体模型数字化预装配76第四节数字化设计制造的典型应用案例一、波音777研制过第四节数字化设计制造的典型应用案例一、波音777研制过程是数字化设计制造的经典77第四节数字化设计制造的典型应用案例一、波音777研制过第四节数字化设计制造的典型应用案例一、波音777研制过程是数字化设计制造的经典78第四节数字化设计制造的典型应用案例一、波音777研制过第四节数字化设计制造的典型应用案例一、波音777研制过程是数字化设计制造的经典为了在波音777研制中全面实施并行工程，波音公司建立了238个设计建造团队。在并行产品定义有效应用后，产生以下效益：在早期产品设计中由于工程更改单的急剧减少，促进设计质量的提高；缩短了产品开发时间；通过将多功能和学科集成，降低了制造成本；通过产品和设计过程的优化处理，大大减少了废品和返工率。3．并行方式产品定义79第四节数字化设计制造的典型应用案例一、波音777研制过第四节数字化设计制造的典型应用案例一、波音777研制过程是数字化设计制造的经典80第四节数字化设计制造的典型应用案例一、波音777研制过第四节数字化设计制造的典型应用案例二、JSF拓展了数字化设计制造的应用[美国《今日防务》2004年11月22日报道]洛克希德·马丁公司项目发言人称，美国联合攻击战斗机JSF是首架从开始就完全实施数字化设计的飞机。JSF工作组拥有一个环球网络系统，世界上参与项目设计的所有设计人员都有权进入设计网页，不用制造物理样机就能发现问题，而且可以按照需要修改设计，因而使制造商避免了在制造物理样机时的返工和昂贵的制造成本。而且工程师和供应商都能进入该系统。81第四节数字化设计制造的典型应用案例二、JSF拓展了数字第四节数字化设计制造的典型应用案例二、JSF拓展了数字化设计制造的应用全球30个国家50多家公司参与研发的数字化协同平台。无缝连接、紧密配合的全球虚拟企业和产业链。以数字化技术为基础的三种变型、四个军种飞机的设计与制造。缩短研制周期50%，降低制造成本50%。项目概要82第四节数字化设计制造的典型应用案例二、JSF拓展了数字第四节数字化设计制造的典型应用案例

二、JSF拓展了数字化设计制造的应用83第四节数字化设计制造的典型应用案例二、JSF拓展了数字第四节数字化设计制造的典型应用案例二、JSF拓展了数字化设计制造的应用JSF研制的数字化体系由四个平台组成，即集成平台、网络平台、业务平台和商务平台。集成平台采用TEAMCENTER产品全生命周期管理软件。网络平台采用VPN，LAN，WAN，Internet和各种应用系统组成的应用平台。业务平台由各种应用软件构成，如文档管理、虚拟现实、材料管理、零件管理、CAD设计软件及相关接口、数字化工厂的设计仿真软件、企业资源计划和工厂管理软件等。商务平台包括为用户提供访问其他系统数据的各类接口。84第四节数字化设计制造的典型应用案例二、JSF拓展了数字第四节数字化设计制造的典型应用案例二、JSF拓展了数字化设计制造的应用85第四节数字化设计制造的典型应用案例二、JSF拓展了数字第四节数字化设计制造的典型应用案例二、JSF拓展了数字化设计制造的应用86第四节数字化设计制造的典型应用案例二、JSF拓展了数字第四节数字化设计制造的典型应用案例三、数字化设计制造已成为我国飞机研制技术的基本选择我国自20世纪70年代开始首先在航空制造业用计算机进行飞机零件数控编程，80年代初从采用CAD描述飞机理论外形开始迈出了数字化设计制造的步伐。经过30多年的发展，数字化技术在飞机设计、制造、管理等方面的应用取得了突破性进展，应用的广度和深度都达到了新的水平。特别是进入21世纪后，随着国家信息化带动工业化战略的实施，通过推进“甩图板”、CIMS工程、并行工程、制造业信息化工程等，数字化设计制造的研究和应用又进入了一个新的发展阶段。87第四节数字化设计制造的典型应用案例三、数字化设计制造已第四节数字化设计制造的典型应用案例

三、数字化设计制造已成为我国飞机研制技术的基本选择实现了飞机整机和部件、零件的全三维设计，突破了数字样机的关理应用技术，建立了相应的数字化样机模型；实现了部件和整机的虚拟装配、运动机构仿真、装配干涉的检查分析、空间分析、拆装模拟分析、人机工程、管路设计、气动分析、强度分析等。利用CAPP进行制造工艺指令的设计和制造知识库的集成应用，采用CATIA和UG等系统进行数控编程，采用Vericut软件进行数控程序仿真。应用PDM系统，初步实现了对飞机产品结构、设计审签、数据发放、设计文档(包括CAD模型)的管理与控制，并实现了从设计所向制造厂通过网络进行三维模型和二维工程图样的数据发放。“飞豹”飞机的数字化设计与制造88第四节数字化设计制造的典型应用案例三、数字化设计制造已第四节数字化设计制造的典型应用案例三、数字化设计制造已成为我国飞机研制技术的基本选择89第四节数字化设计制造的典型应用案例三、数字化设计制造已第四节数字化设计制造的典型应用案例90第四节数字化设计制造的典型应用案例90数字化设计与制造任课教师：周勇Email:zhouy_whut@Tel:6313367091数字化设计与制造任课教师：周勇1理解数字化设计与制造技术的基本概念和基本理论，掌握产品数字化建模、设计、分析、制造的过程，学会使用常见的数字化设计与制造软件，了解当代数字化设计制造技术的特点和发展趋势，培养创新思维能力，为从事数字化设计与制造相关领域的研究与应用奠定基础。本课程的任务：数字化设计与制造92理解数字化设计与制造技术的基本概念和基本理论，掌握产教材：

《数字化设计制造技术基础》，主编：杨海成，出版社：西北工业大学出版社，2007。

数字化设计与制造93教材：《数字化设计制造技术基础》，主编：杨海成，出版社：西参考资料：《数字制造》，主编：周祖德，出版社：科学出版社，2004。《数字化设计与制造》，主编：苏春，出版社：机械工业出版社，2006。网络资源。数字化设计与制造94参考资料：《数字制造》，主编：周祖德，出版社：科学出版社，2考核方式：数字化设计与制造闭卷考试（70%）平时成绩（30%）（作业＋考勤）95考核方式：数字化设计与制造闭卷考试（70%）5数字化设计与制造第一章概论96数字化设计与制造第一章概论6内容提纲第一节制造业与制造技术第二节产品研制过程分析第三节数字化设计制造基础第四节数字化设计制造的典型应用案例97内容提纲第一节制造业与制造技术7第一节制造业与制造技术所有将原材料转化为物质产品的行业都可称为制造业，它覆盖了除去采掘业、建筑业等以外的整个第二产业。制造技术的水平高低已成为一个国家经济发展的主要标志。全球化的经济竞争归根结底是制造技术和制造能力的竞争。从产业结构来看，制造业是全社会产生附加价值的源泉，是经济的主体。从技术发展来看，制造技术水平综合体现了一个国家的科技水平，是增强国家综合实力与国际竞争力的根本。一、制造业是国民经济的基础98第一节制造业与制造技术所有将原材料转化为物质产品的行业都可第一节制造业与制造技术2007年中国已成为世界第二制造大国全部就业人数11.27%工业就业人数的90.74%2002年制造业提供的就业人数工业税收78.93%总税收的28.74%2001年全国制造业创造的税收2003年全国制造业贡献的GDP和出口GDP总值的29.07%出口总额的92.06%制造业是我国国民经济的基础和支柱99第一节制造业与制造技术2007年中国已成为世界第二制造大国第一节制造业与制造技术计算机技术、电子技术和通信技术极大地增强了人类处理和利用信息的能力，因而被统称为“信息技术”。信息技术已经成为现代生产力发展的主导因素，它不但在急剧地改变着人类的经济生活，而且以其强大的渗透力进入社会生活的方方面面。信息的应用程度已经成为衡量一个国家或地区的国际竞争力、现代化程度、经济成长能力的重要标志。二、信息技术的发展深刻地改变了制造业100第一节制造业与制造技术计算机技术、电子技术和通信技术极大地第一节制造业与制造技术二、信息技术的发展深刻地改变了制造业工业化信息化制造业信息化制造业工业社会信息社会工业化、信息化制造业101第一节制造业与制造技术二、信息技术的发展深刻地改变了制第一节制造业与制造技术二、信息技术的发展深刻地改变了制造业制造技术自动化技术现代管理技术信息技术实现产业升级改善企业生产、经营、管理、产品开发102第一节制造业与制造技术二、信息技术的发展深刻地改变了制第一节制造业与制造技术在发达国家，信息技术的应用已经成为国民经济新的增长点，信息产业已经成为经济发展的主导产业。信息技术的应用已成为我国重要的经济增长点。利用信息技术改造和提升传统产业，可以提高产品的数量和质量；以信息技术为依托，企业实现扁平化管理，可以提高企业运营效率；围绕互联网开展企业的信息化应用工作，可以使企业融入全球化经济，实现产品的敏捷和柔性的个性化生产，赢得市场。二、信息技术的发展深刻地改变了制造业1．引起产业结构的重大调整

103第一节制造业与制造技术在发达国家，信息技术的应用已经成为国第一节制造业与制造技术由于微电子和数字化通信的应用，使信息处理的相对价格下降，工业生产从“能源和材料密集型”转向“信息密集型”，产品和装备由机械向着机电转变，呈现出“软化”和高附加价值的趋势。二、信息技术的发展深刻地改变了制造业2．促进了生产方式的变革

104第一节制造业与制造技术由于微电子和数字化通信的应用，使信息第一节制造业与制造技术信息技术在生产中的广泛应用，发展了先进制造技术，计算机辅助设计(ComputerAidedDesign，CAD)、计算机辅助工程分析(ComputerAidedEngineering，CAE)和计算机辅助制造(ComputerAidedManufacturing，CAM)等成为基本的技术手段，机器人、自动化装备、自动化生产线受到普遍重视，设计制造的自动化、智能化程度大大提高。二、信息技术的发展深刻地改变了制造业2．促进了生产方式的变革

105第一节制造业与制造技术信息技术在生产中的广泛应用，发展了先第一节制造业与制造技术信息技术的发展使生产具有更大的灵活性，生产信息可以准确控制、实时共享，能够以快速和低成本为目标优化生产流程，极大地降低了由于改变产品组合而导致的停工成本，生产的柔性和敏捷性大大提高。二、信息技术的发展深刻地改变了制造业2．促进了生产方式的变革

106第一节制造业与制造技术信息技术的发展使生产具有更大的灵活性第一节制造业与制造技术传统的产品交换及经济信息流通方式，绝大部分是通过人与人之间的直接交往实现的。这种直接的交往加上落后的交通设施往往将人们的经济行为局限在一个非常有限的时空。随着信息时代的到来，特别是全球互联网的发展，实现了世界信息的同步传播，从而极大地拓展了经济活动的舞台。二、信息技术的发展深刻地改变了制造业3．引起了信息交换方式的改变

107第一节制造业与制造技术传统的产品交换及经济信息流通方式，绝第一节制造业与制造技术三、数字化是制造技术创新的基本手段自1998年美国副总统戈尔提出“数字地球”的概念以来，诸如数字流域、数字城市、数字化生存等以数字为前缀的新概念和新思想大量涌现，数字化设计与制造即为全球数字化浪潮中的重要一环。数字化程度已经成为衡量设计制造技术水平的重要标志。数字化技术是缩短产品研制周期、降低研制成本、提高产品质量的有效途径，是建立现代产品快速研制系统的基础。108第一节制造业与制造技术三、数字化是制造技术创新的基本手第一节制造业与制造技术三、数字化是制造技术创新的基本手段CAD/CAM技术是人类在20世纪取得的突破性创新成果，并由此孕育了先进制造技术。在先进制造技术的发展过程中，有四项技术具有里程碑的性质：CAD技术；NC技术；智能技术；集成技术。109第一节制造业与制造技术三、数字化是制造技术创新的基本手第一节制造业与制造技术三、数字化是制造技术创新的基本手段1．CAD/CAM技术奠定了数字化设计制造的基础

传统的以“工程图纸”为核心的设计制造技术体系构建了以模拟量传递为特征的制造模式。CAD技术的发展使得对产品及其零件的表达、传递可以采用数字化形式精确表达，从而推动了二维CAD和三维CAD的研究和应用。由此形成了以“三维几何模型”为核心的数字化设计制造技术体系，实现了以数字量传递和控制为特征的先进制造技术。目前，产品的数字化定义、数字样机、虚拟仿真等已成为产品研制的基本手段和技术选择。110第一节制造业与制造技术三、数字化是制造技术创新的基本手第一节制造业与制造技术三、数字化是制造技术创新的基本手段1．CAD/CAM技术奠定了数字化设计制造的基础

CAD技术起步于20世纪50年代后期。60年代，随着计算机软硬件技术的发展，在计算机屏幕上绘图变为可能，CAD开始迅速发展。在CAD软件开发初期，CAD的含义仅仅是计算机辅助绘图(ComputerAidedDrawing)，此后逐步发展形成了计算机辅助设计(ComputerAidedDesign)的概念。CAD技术以二维绘图算法为主要目标的研究与应用一直持续到70年代末期。60年代初期出现了三维CAD系统，起初是极为简单的，只能表达基本几何信息线框系统，不能有效表达几何数据间的拓扑关系，缺乏形体的表面信息。

111第一节制造业与制造技术三、数字化是制造技术创新的基本手第一节制造业与制造技术

三、数字化是制造技术创新的基本手段1．CAD/CAM技术奠定了数字化设计制造的基础

曲面造型系统为人类带来了第一次CAD技术革命。实体造型技术的普及应用标志着CAD发展史上的第二次技术革命。参数化技术的应用主导了CAD发展史上的第三次革命。80年代后期到90年代，CAD向系统集成化方向发展，引起了CAD发展史上的第四次革命。CAD发展史上的四次技术革命：

112第一节制造业与制造技术三、数字化是制造技术创新的基本手第一节制造业与制造技术三、数字化是制造技术创新的基本手段2．NC技术促进数控设备的发展，实现产品制造的数字化制造技术的发展和竞争的加剧，使得人们对产品的要求越来越高，企业要制造高质量、高效率、高可靠性、低缺陷的产品，必须广泛采用先进制造工艺及现代化装备。数字化、精密化、高速化及高效化是现代工艺装备的主要发展趋势，采用先进和稳定的工艺技术，使用精密、高效的数控生产装备，对于提高产品质量、降低生产成本、缩短响应时间具有重要意义。数控加工设备可以解决由手工作业所引起的质量不稳定问题，并可大大提高设备的使用效率。113第一节制造业与制造技术三、数字化是制造技术创新的基本手第一节制造业与制造技术三、数字化是制造技术创新的基本手段2．NC技术促进数控设备的发展，实现产品制造的数字化114第一节制造业与制造技术三、数字化是制造技术创新的基本手第一节制造业与制造技术三、数字化是制造技术创新的基本手段3．知识库和智能化设计是传统工艺技术创新的关键工艺过程具有不连续性、不平衡性、动态性、多样性、模糊性等诸多的不确定，导致了加工工艺技术的“再现性”差，定性的描述较多，定量的表达较少。工艺过程涉及的因素多、系统多，构成工艺知识的“粒度”大小不一，很难完全用规则表达清楚。即使采用数值分析，其分析计算结果仍须要由人类专家进行评估分析、判读。以制造过程的知识融合为基础，采用智能化设计已成为解决加工工艺设计的有效方法和重要发展方向。115第一节制造业与制造技术三、数字化是制造技术创新的基本手第一节制造业与制造技术三、数字化是制造技术创新的基本手段4．集成化促进了制造的柔性化和敏捷化，是实现快速反应制造的基础面对变化莫测的市场，制造企业应具有快速组织生产、柔性制造和灵活应变的能力，即具备快速响应能力。快速响应制造以数字化、柔性化、敏捷化为基本特征，它要求制造企业通过企业内部网络和外部网络相结合，形成网络化的集成制造系统，对各种设计、制造和信息以及人力、物力等资源进行集成，从而快速地制造出高质量、低成本的新产品。建立基于信息技术的数字化定义、工艺设计、工装设计、设备数控的综合集成系统，可以减少中间传递环节，减少传递误差引起的返工，提高系统的柔性，实现快速反应。

116第一节制造业与制造技术三、数字化是制造技术创新的基本手第一节制造业与制造技术先进制造技术是传统制造业不断地吸收机械、电子、信息、材料及现代管理技术等方面最新的成果，并将其综合应用于产品制造全过程，即开发与设计、制造、检测、管理及售后服务等，实现优质、高效、低耗、清洁、敏捷制造，并取得理想的技术经济效果的前沿制造技术的总称。先进制造技术定义四、先进制造技术的发展趋势117第一节制造业与制造技术先进制造技术是传统制第一节制造业与制造技术四、先进制造技术的发展趋势先进制造技术是工业发达国家的国家级关键技术和优先发展领域国别/地区科技计划美国先进制造技术计划关键技术(制造)计划敏捷制造使能技术计划日本智能制造技术国际合作计划欧共体尤里卡计划信息技术研究发展战略计划德国制造2000年计划韩国高级先进技术国家计划(G-7)118第一节制造业与制造技术四、先进制造技术的发展趋势先进制第一节制造业与制造技术四、先进制造技术的发展趋势1．数字化设计制造是现代产品研制的基本手段数字化已成为产品研制生产的必要手段。采用数字化技术，可以实现制造系统和制造过程信息的存储、传输、共享和处理，从而实现对复杂系统问题的定量化、最优化、可视化的解决方案。以数字化为核心的制造业信息化技术已成为制造业发展的重要基础和支撑。现代产品的研制生产过程包括概念设计、功能仿真、结构设计等设计过程，还包括工艺设计、加工制造、质量保证、使用维护、维修乃至报废的产品全生命周期的各个环节。数字化设计制造改变以模拟量为主的传递方式，不仅可以提高几何模型的传递精度，而且可以提高设计效率，缩短周期。119第一节制造业与制造技术四、先进制造技术的发展趋势1．数第一节制造业与制造技术四、先进制造技术的发展趋势2．先进制造技术的特征(1)先进制造技术是制造技术的最新发展阶段。(2)先进制造技术贯穿了制造全过程以至产品的整个生命周期。(3)先进制造技术注重技术与管理的结合。(4)先进制造技术是面向工业应用的技术。120第一节制造业与制造技术四、先进制造技术的发展趋势2．先第一节制造业与制造技术四、先进制造技术的发展趋势3．设计制造技术的发展趋势产品开发周期短；竞争能力强；系统柔性高；生产过程精良；提供产品全生命周期质量保障；注重环境。新世纪对制造技术的要求121第一节制造业与制造技术四、先进制造技术的发展趋势3．设第一节制造业与制造技术四、先进制造技术的发展趋势3．设计制造技术的发展趋势全球化设计制造技术网络化虚拟化绿色化智能化122第一节制造业与制造技术四、先进制造技术的发展趋势3．设第一节制造业与制造技术四、先进制造技术的发展趋势3．设计制造技术的发展趋势－全球化广泛利用别国的生产设施与技术力量，在自己可以不拥有生产设施与制造技术的所有权的情况下，开发、制造出最终产品，并进行全球销售。包括的内容主要有：市场的国际化；产品设计和开发的国际合作化；产品制造的跨国化；制造企业在世界范围内的重组与集成如动态联盟公司；制造资源的跨地区、跨国家的协调、共享和优化利用等等。123第一节制造业与制造技术四、先进制造技术的发展趋势3．设第一节制造业与制造技术四、先进制造技术的发展趋势3．设计制造技术的发展趋势－网络化采用Internet技术，建立灵活有效、互惠互利的动态企业联盟，有效地实现研究、设计、生产和销售各种资源的重组，从而提高企业的市场响应速度和竞争能力。在企业内部，通过Intranet将制造企业的各个部门及制造过程与企业中的设计、管理信息等子系统进行集成；在企业外部，以Extranet灵活地组织各种资源进行异地产品设计和异地制造，从而快速地开发出高质量、低成本的新产品。124第一节制造业与制造技术四、先进制造技术的发展趋势3．设第一节制造业与制造技术四、先进制造技术的发展趋势3．设计制造技术的发展趋势－网络化

产品资源库制造资源库知识库协同管理平台Internet、IntranetExtranetPDMERPSCMCRM公共服务平台信息资源企业企业企业设计资源区域人才资源制造资源125第一节制造业与制造技术四、先进制造技术的发展趋势3．设第一节制造业与制造技术四、先进制造技术的发展趋势3．设计制造技术的发展趋势－虚拟化虚拟制造是20世纪90年代提出的新概念，它的产生是虚拟现实技术发展并推动制造业变革的结果。虚拟设计制造可以理解为，利用计算机仿真和虚拟现实技术，在计算机上模拟出产品的整个制造过程，包括虚拟加工、虚拟装配、虚拟调度、虚拟测试等，从而对产品设计、加工制造、性能分析、生产管理和调度、销售及售后服务作出综合评价，以增强制造过程各个层次的决策与控制。

126第一节制造业与制造技术四、先进制造技术的发展趋势3．设第一节制造业与制造技术

四、先进制造技术的发展趋势3．设计制造技术的发展趋势－虚拟化

虚拟制造的理论基础建模理论连续系统建模离散系统建模机理建模

辩识建模

神经网络建模

模糊神经网络建模

模糊建模

实体流图法

活动周期图法

Petri网法

仿真理论连续系统仿真离散系统仿真实时仿真事件调度法

活动扫描法

进程交互法

并行计算点对点通信

全局通信

并行控制与任务组

处理机拓扑

并行I/O

127第一节制造业与制造技术四、先进制造技术的发展趋势3．设第一节制造业与制造技术四、先进制造技术的发展趋势3．设计制造技术的发展趋势－智能化

智能化设计制造可以理解为具有人类智能特征的设计制造模式。与传统的设计制造相比，智能化设计制造系统具有自组织、高柔性与学习能力等特点。它突出了在设计制造诸环节中以一种高度柔性与集成的方式，借助计算机模拟的人类专家的智能活动，进行分析、判断、推理、构思和决策，取代或延伸制造环境中人的部分脑力劳动。同时，收集、存储、处理、完善、共享、继承和发展人类专家的设计制造知识。128第一节制造业与制造技术四、先进制造技术的发展趋势3．设第一节制造业与制造技术四、先进制造技术的发展趋势3．设计制造技术的发展趋势－绿色化绿色设计和产品

绿色的能源和原材料的使用与转换绿色加工制造绿色包装产品的绿色再生（维修、拆卸、回用、处置）全生命周期的环境管理体系129第一节制造业与制造技术四、先进制造技术的发展趋势3．设第一节制造业与制造技术四、先进制造技术的发展趋势3．设计制造技术的发展趋势

若要真正赢得市场，制造企业必须同时具备时间竞争能力、质量竞争能力、价格竞争能力和创新竞争能力。20世纪60年代－以规模效益放在首位70年代以成本和价格取胜，80年代则以质量赢得用户，90年代更以响应速度适应市场，进入21世纪，制造业以技术创新为竞争的焦点。130第一节制造业与制造技术四、先进制造技术的发展趋势3．设内容提纲第一节制造业与制造技术第二节产品研制过程分析第三节数字化设计制造基础第四节数字化设计制造的典型应用案例131内容提纲第一节制造业与制造技术41第二节产品研制过程分析一、产品研制过程的PPR模型产品研制过程是指从产品需求分析到产品最终定型的全过程，包括产品的设计、分析、测试、制造、装备等全过程。任何一种产品的研制过程从大的方面可以划分为设计与制造两部分。设计又包括概念设计、初步设计、详细设计、工艺设计、工装设计、试验仿真等。制造包括工装制造、零件制造、装配制造、检测等。

132第二节产品研制过程分析一、产品研制过程的PPR模型产品第二节产品研制过程分析一、产品研制过程的PPR模型钣金零件的制造过程示意图133第二节产品研制过程分析一、产品研制过程的PPR模型钣金第二节产品研制过程分析一、产品研制过程的PPR模型各种产品的制造过程形态各异、类型众多，深入分析各种制造过程，可将构成制造过程的基本要素抽象为产品(Product)、工艺过程(Process)、制造资源(Resource)，即PPR模型。实际的过程是三个要素相互耦合作用的结果。

产品工艺过程制造资源134第二节产品研制过程分析一、产品研制过程的PPR模型各种第二节产品研制过程分析一、产品研制过程的PPR模型(1)产品信息转化过程。产品制造的依据是产品的几何、性能、技术等方面的工程要求和描述。工程制造的基本输入是材料。从几何形态看，制造可抽象为几何模型的转化过程；从物理性能看，是从原始材料性能参数转化为产品材料性能参数的过程。

135第二节产品研制过程分析一、产品研制过程的PPR模型第二节产品研制过程分析一、产品研制过程的PPR模型(2)材料的工艺转化过程。在产品制造过程中，材料经过加工，其几何形状和材料性能均发生了变化。在几何形状方面如从二维到三维的变化、尺寸的变化等，在材料性能方面如屈服应力、硬化、回弹、残余应力等的变化。136第二节产品研制过程分析一、产品研制过程的PPR模型第二节产品研制过程分析一、产品研制过程的PPR模型

(3)制造资源的转化过程。为了完成产品的制造，不仅要实现材料状态的变化，还要构造控制转化的资源条件，如工装、加工设备等。工装夹具数控折弯机137第二节产品研制过程分析一、产品研制过程的PPR模型第二节产品研制过程分析一、产品研制过程的PPR模型随着市场竞争的加剧和全球化的发展，产品的设计制造以缩短周期、提高质量、降低成本、提高服务等为目标，对产品研制过程的基本要素不断进行着优化。实际上，由产品设计制造构成的制造系统是一个不断优化的过程。138第二节产品研制过程分析一、产品研制过程的PPR模型第二节产品研制过程分析一、产品研制过程的PPR模型制造系统运作示意图139第二节产品研制过程分析一、产品研制过程的PPR模型制造第二节产品研制过程分析二、产品研制过程的串行与并行随着设计、制造手段的提高，产品的研制过程也随之改变。目前常见的设计模式主要有串行设计和并行设计。串行设计的组织模式是递阶结构，各个阶段的活动是按时间顺序进行的，一个阶段的活动完成后，