数字化设计概述

数字化设计与先进制造系统冯欣欣Email：fxmao@CAX：CAD计算机辅助设计CAE计算机辅助工程CAPP计算机辅助工艺设计CAM计算机辅助制造CAFD计算机辅助工装设计5CADCAECAPPCAMCAFD产品策划设计开发样件生产生产质量检验进入市场产品生命周期CAPP：计算机辅助工艺设计工艺设计的主要内容：1.选择机床2.选择刀具3.确定定位装夹方案4.确定工序步骤5.确定切削参数6.生成工艺文件7.数控编程准备65DFX：designforX面向X的设计DFM：designforManufacturingDFA：designforAssemblyDFC：designforCostDFQ：designforQualityDFE：designforEnvironment知识经济对制造的影响信息技术改变了人类的生活需求呈现个性化、多样化需求市场多变、快变全球经济一体化，必须参与世界竞争竞争异地制造、合作制造、24小时不间断制造成为可能企业生存关键--核心能力、快速响应能力合作与竞争并存成为趋势知识成为重要的制造资源资源34必须快速生产出市场需要的产品生产的瓶颈变成了产品快速创新决定产品成本和利润的主要因素是新产品中所含知识及创新的价值新的资源利用方式－－异地资源利用新的企业－－学习型企业新的竞争方式－－培养核心能力、合作新的生产方式、新的技术解决方案：先进制造技术+先进制造模式知识经济时代的制造制造企业生产方式的转变1）用机器代替手工，从作坊形成工厂

18世纪末机器在英国诞生，先后传人法国、德国和美国。2）从单件生产方式发展成大量生产方式泰勒：以劳动分工和计件工资制为基础的科学管理。福特：零件互换技术，1913年建立了具有划时代意义的汽车装配生产线。3）柔性化、集成化、智能化和网络化的现代制造技术柔性制造系统、计算机集成制造系统、网络化制造、智能制造系统、及时生产、精良生产、敏捷制造……567单品种大批量扁平网络结构、自主管理动态团队组织价格低廉生产规模标准产品职能分工实用耐久生产方式变革柔性制造设备快速产品创新并行工作方式快速相应市场满足个性爱好多品种小批量多层次递阶控制结构、固定组织先进制造技术现代设计（并行、反求、CAD/CAM等）精密成型（Netshape）高速切削、超精加工、特种加工（水、激光）快速原型拟实加工自动化技术、检测技术集成制造技术先进制造模式精益生产LeanProduction(LP)

敏捷制造AgileManufacturing仿生制造BionicManufacturing

智能制造IntelligenceManufacturing柔性制造FlexibleManufacturing

绿色生产Clean(Green)Manufacturing10绿色生产Clean(Green)Manufacturing绿色产品的标志绿色产品是指生产过程及其本身节能、节水、低污染、低毒、可再生、可回收的一类产品，它也是绿色科技应用的最终体现。22绿色产品就是在其生命周期全程中，符合环境保护要求，对生态环境无害或危害极少，资源利用率高、能源消耗低的产品，主要包括企业在生产过程中选用清洁原料、采用清洁工艺；用户在使用产品时不产生或很少产生环境污染；产品在回收处理过程中很少产生废弃物；产品应尽量减少材料使用量，材料能最大限度地被再利用；产品生产最大限度地节约能源，在其生命周期的各个环节所消耗的能源应达到最少。绿色产品的第一个环节是设计。绿色产品要求产品质量优、环境行为优。绿色产品的第二个环节是生产过程。要求实现无废少废、综合利用和采用清洁生产工艺。绿色产品的第三个环节是产品本身的品质。比一般产品更体现以人为本、提高舒适度和健康保护及环境保护程度。绿色产品的第四个环节是废弃物便于处置。设计阶段制造阶段材料采购其它阶段费用

产品成本的决定因素构成及实际成本消耗构成示意图70%6%20%36%7%40%3%18%成本的决定因素实际成本消耗Boothroyd引用福特公司的报告表明，尽管产品设计和工艺费用只占整个产品费用的6%，却影响了总费用的70%以上。设计阶段对产品生命周期的巨大影响1并行工程并行工程（ConcurrentEngineering）20世纪50年代~20世纪60年代基于产品功能和成本的竞争——物美价廉20世纪70年代~20世纪80年代增加了对质量的关注20世纪80年代末~20世纪90年代初在质量和成本的基础上增加了产品开发时间23产品设计工艺规划加工装配市场需求无法加工装配困难串行产品开发模式4串行开发模式的重大缺陷忽视了不相邻活动之间的交流和协调，形成以部门利益为重而不考虑全局最优化的“抛过墙式”工作环境；各部门对产品开发整体过程缺乏综合考虑，造成局部最优而非全局最优；上下游矛盾与冲突不能及时得到调解；开发时间加长，成本提高。51988年，美国防御分析研究院（IDA），提出并行工程的概念：并行工程是对产品及相关过程（包括制造过程和支持过程）进行并行、一体化设计的一种系统化工作模式。这种工作模式力图使开发者从一开始就考虑到产品全生命周期的所有因素，包括质量、成本、进度和用户需求。注：支持过程——包括对制造过程的支持（原材料的获取,中间产品的库存，工艺过程设计，生产计划制定…）和使用过程的支持（产品销售，使用维护，售后服务，产品报废后的处理…）6并行工程的含义并行工程是一个关于设计过程的方法，它需要在设计中全面地考虑到相关过程的各种问题，但并非包括制造过程等其它过程。它要求所有设计工作要在生产开始前完成，并不是要求在设计产品的同时就进行生产。并行工程不是指同时或交错地完成设计和生产任务，而是指对产品及其下游过程进行并行设计，不能随意消除一个完整工程过程中现存的、顺序的、向前传递信息的任一必要阶段。并行工程是对设计过程的集成，是企业集成的一个侧面，它企图做到的是优化设计，依靠集成各学科专业人员的智慧做到设计一次成功。8910并行工程的特点Concurrence并行性：产品设计与其后续相关过程在同一时间框架内并行处理；Constrains约束性：在充分考虑产品设计约束的同时引入其后续相关过程约束；Coordination协调性：对产品设计及其后续相关过程进行统一协调和管理；Consensus一致性：产品设计过程中的所有重大决策都要建立在工作组成员意见一致的基础上；Computerization计算机性：产品设计需要在计算机及其网络系统支持下实现集成和并行。14并行工程应避免的几个误解CE是设计与制造的并行或同步CE是设计活动的并发或并行CE是一种管理模式CE是对其他几种生产模式的否定CE不能称之为生产模式，而是一种新的产品开发模式不是通过简单的并行来缩短产品开发周期,而是通过过程分解、IPT（集成产品开发团队）成员之间的信息和知识共享等方法,打破传统的专业壁垒,增加设计活动间的协作,从而获取更高的效益科学的管理思想和先进技术的集成1520提高设计效率，缩短产品上市时间据调查，传统方式的设计者在查找信息和处理信息上花费30%-70%的时间寻找信息、检索信息等。提高设计与制造数据的准确性、一致性和安全性

PDM系统的版本管理功能能够保证所有参与同一项目的人员采用同一最新数据来工作，避免了设计上的重复和不一致。部门之间的信息共享、信息再利用

PDM的优点21面向X的设计DFX：X代表了产品生命周期中的所有因素，包括制造、装配、拆卸、检测、维护、测试、回收、可靠性、质量、成本、安全性以及环境保护等。22CIM概念CIM：ComputerIntegratedManufacturingCIM一词是由美国的JosephHarrington博士于1973年著书《ComputerIntegratedManufacturing》从而提出的。CIM的基本观点：系统(集成化)观点：企业生产的各个环节,即从市场分析、产品设计、加工制造、经营销售到售后服务的全部生产活动是一个不可分割的整体，要紧密连接，统一考虑。信息化观点：整个生产过程实质上是一个数据的采集、传递和加工处理的过程。最终形成的产品可以看作是数据的物质表现。30CIM概念CIM：ComputerIntegratedManufacturingCIM一词是由美国的JosephHarrington博士于1973年著书《ComputerIntegratedManufacturing》从而提出的。CIM的基本观点：系统(集成化)观点：企业生产的各个环节,即从市场分析、产品设计、加工制造、经营销售到售后服务的全部生产活动是一个不可分割的整体，要紧密连接，统一考虑。信息化观点：整个生产过程实质上是一个数据的采集、传递和加工处理的过程。最终形成的产品可以看作是数据的物质表现。30CIMS是将信息技术、现代管理技术和制造技术相结合，并应用于企业产品全生命周期（从市场需求分析到最终报废处理）的各个阶段；通过信息集成、过程优化及资源优化，实现物流、信息流、价值流的集成和优化运行，达到人（组织、管理）、经营和技术三要素的集成，以加强企业新产品开发T（时间）、Q（质量）、C（成本）、S（服务）、E（环境），从而提高企业的市场应变能力和竞争能力。311.2.2CIMs目标(1)缩短产品开发、生产周期，快速响应市场：以时间求效益，以速度求竞争，占领市场。(2)降低产品成本，减少库存：以成本求效益，以价格求竞争，占领市场。(3)提高产品质量：以质量求效益，以质量求竞争，赢得信誉，占领市场。(4)增加生产柔性，提高设备利用率：以最小资源获最大效益，向设备要效益。(5)提高企业制造与管理水平，保持整体实力：保持长期效益，未来竞争能力。35自动化－－是美国人D.S.Harder于1936年提出的。当时他在通用汽车公司工作，他认为在一个生产过程中，机器之间的零件转移不用人去搬运就是“自动化”。这实质是早期制造自动化的概念。制造自动化(以下简称自动化)的概念是一个动态发展过程。过去，人们对自动化的理解或者说自动化的功能目标是以机械的动作代替人力操作，自动地完成特定的作业。这实质上是自动化代替人的体力劳动的观点。后来随着电子和信息技术的发展，特别是随着计算机的出现和广泛应用，自动化的概念已扩展为用机器(包括计算机)不仅代替人的体力劳动而且还代替或辅助脑力劳动，以自动地完成特定的作业。

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广义地讲，自动化制造系统是由一定范围的被加工对象、一定柔性和自动化水平的各种装备和高素质的人员组成的一个有机整体。自动化制造系统具有五个典型组成部分：一定范围的被加工对象；具有一定技术水平和决策能力的人；信息流及其控制系统；能量流及其控制系统：物料流及物料处理系统。5制造自动化的组成TQCSE模型T表示时间(Time)，Q表示质量(Quality)，C表示成本(Cost)，S表示服务(Service)，E表示环境友善性(Environment)。在TQCSE模型中：T有两方面的含义，一是指采用自动化技术，能缩短产品制造周期，产品上市快；二是提高生产率。Q的含义是采用自动化系统，能提高和保证产品质量。C的含义是采用自动化技术能有效地降低成本，提高经济效益。S也有两方面的含义，一是利用自动化技术，更好地做好市场服务工作；二是利用自动化技术，替代或减轻制造人员的体力和脑力劳动，直接为制造人员服务。E的含义是制造自动化应该有利于充分利用资源，减少废弃物和环境污染，有利于实现绿色制造。制造自动化功能模型41952年美国麻省理工学院研制出的第一台数控铣床揭开了柔性自动化的序幕，70年代初柔性自动化进人了生产实用阶段；近20多年来，柔性自动化有了飞速的发展，从单台数控机床到加工中心、DNC（DistributedNumericalControl分布式数控）、柔性制造单元、柔性制造系统和计算机集成制造系统，到90年代更是向敏捷化、网络化、虚拟化、智能化等方向发展。制造自动化技术的发展历程6制造自动化技术的发展历程第一台阶：刚性自动化，包括刚性自动线和自动单机。本台阶在20世纪40一50年代已相当成熟。应用传统的机械设计与制造工艺方法，采用专用机床和组合机床、自动单机或自动化生产线进行大批量生产。其特征是高生产率和刚性结构，很难实现生产产品的改变。引人的新技术包括继电器程序控制、组合机床等。7制造自动化技术的发展历程第二台阶：数控加工，包括数控（NC）和计算机数控（CNC）。本台阶中的数控(NC）在50一70年代发展迅速并已成熟，但到了70一80年代，由于计算机技术的迅速发展，它迅速被计算机数控(CNC）取代。数控加工设备包括数控机床、加工中心等。数控加工的特点是柔性好、加工质量高，适应于多品种、中小批量（包括单件产品）的生产。引人的新技术包括数控技术、计算机编程技术等。8制造自动化技术的发展历程第三台阶：柔性制造。本台阶特征是强调制造过程的柔性和高效率。适应于多品种、中小批量的生产。涉及的主要技术包括成组技术(GT)、计算机直接数控和分布式数控(DNC)、柔性制造单元(FMC)、柔性制造系统(FMS)、柔性加工线(FML)、离散系统理论和方法、仿真技术、车间计划与控制、制造过程监控技术、计算机控制与通信网络等等。9制造自动化技术的发展历程第四台阶：计算机集成制造（CIM）和计算机集成制造系统（CIMS）。CIMS既可看作是制造自