数字化制造技术

数字化制造渝州科技职业学院

谢政2009.5一、什么是数字化制造。二、数字化制造的起源及发展。三、数字化制造的主要内容。四、数字化制造的核心技术及举例。五、数字化制造的未来讲述的内容制造的战略地位制造是人类文明的物质支柱之一直立和劳动创造了人类，而劳动是从制造工具开始的。

——恩格斯《自然辩证法》人猿相揖别，只几个石头磨过，小儿时节。

——毛泽东《贺新郎·读史》人类社会发展所依赖的物质文明支柱除了材料、能源、信息外，还应包括“制造”。没有制造，就没有人类。制造是“永远不落的太阳”。一、什么叫数字化制造1、什么是数字化？

数字化就是将许多复杂多变的信息转变为可以度量的数字、数据，再以这些数字、数据建立起适当的数字化模型，把它们转变为一系列二进制代码，引入计算机内部，进行统一处理，这就是数字化的基本过程。计算机技术的发展，使人类第一次可以利用极为简洁的“0”和“1”编码技术，来实现对一切声音、文字、图像和数据的编码、解码。各类信息的采集、处理、贮存和传输实现了标准化和高速处理。2、数字化技术的重要性数字化是数字计算机的基础。数字化是多媒体技术的基础：数字、文字、图象、语音，包括虚拟现实，因此用数字媒体就可以代表各种媒体，就可以描述千差万别的现实世界。数字化是软件技术的基础，是智能技术的基础。数字化是信息社会的技术基础。尼葛洛庞帝（Negroponte）提出了《数字化生存》。3、数字化技术的与传统制造的结合必然性数字化引起了人类社会的前所未有的广度和深度变革。人类社会发展所依赖的物质文明支柱除了材料、能源、信息外，还应包括“制造”。两者的结合是历史的必然进程。4、对数字化制造概念（digitalmanufacturetechnology）的各种认识。有人认为数字化制造就是NC，简称数控（NumericalControl）。它是利用数字化的信息对机床运动及加工过程进行控制的一种方法。进一步有人认是CNC，CNC是计算机数字控制(Computernumericalcontrol)的简称。用数控技术实施加工控制的机床，或者说装备了数控系统的机床称为数控机床。还有人认为数字化制造就是CAD（computeraideddesign，计算机辅助设计）/CAM计算机辅助制造（computeraidedmanufacturing）集成。cad就是利用计算机帮助工程设计人员进行设计，主要应用于机械、电子等产品的总体设计、结构设计等环节。一个完善的cad系统，应包括交互式图形程序库、工程数据库和应用数据库。对于产品或工程的设计，借助cad技术，可以大大缩短设计的周期，提高设计效率目前cam的概念已经狭义化了，一般仅指根据二维或三维模型进行数控编程的相关技术。认为数字化制造就是柔性制造系统FMS(FlexibleManufacturingSystem)：是由统一的信息控制系统、物料储运系统和一组数字控制加工设备组成，能适应加工对象变换的自动化机械制造系统。

FMS的工艺基础是成组技术，它按照成组的加工对象确定工艺过程，选择相适应的数控加工设备和工件、工具等物料的储运系统，并由计算机进行控制，故能自动调整并实现一定范围内多种工件的成批高效生产(即具有“柔性”)，并能及时地改变产品以满足市场需求。FMS兼有加工制造和部分生产管理两种功能，因此能综合地提高生产效益。认为数字化制造就是CIMS（ComputerIntegratedManufacturingSystem）意思是计算机集成制造系统。它是随着计算机辅助设计与制造的发展而产生的。它是在信息技术，自动化技术与制造的基础上，通过计算机技术把分散在产品设计和制造过程中各种孤立的自动化子系统有机地集成起来，形成适用于多品种、小批量生产，实现整体效益的集成化和智能化制造系统。它把系统的范围扩展到了市场预测、产品设计、加工制造、检验、销售及售后服务等的全过程。5、数字化制造（digitalmanufacturetechnology）的定义术语性定义：在数字化技术和制造技术融合的背景下，并在虚拟现实、计算机网络、快速原型、数据库和多媒体等支撑技术的支持下，根据用户的需求。迅速收集资源信息，对产品信息、工艺信息和资源信息进行分析、规划和重组，实现对产品设计和功能的仿真以及原型制造。进而快速生产出达到用户要求性能的产品整个制造全过程。6、数字化制造定义的内涵数字化制造就是指制造领域的数字化，它是制造技术、计算机技术、网络技术与管理科学的交叉、融和、发展与应用的结果，也是制造企业、制造系统与生产过程、生产系统不断实现数字化的必然趋势。

内涵三个层面以设计为中心的数字制造

以控制为中心的数字制造

以管理为中心的数字制造

设计数字化管路设计强度分析结构分析数字预装配CAM装配过程仿真装配过程仿真制造装备数字化管理数字化制造ERPPDMCRMERPPDMSCMERPSCMWCSERPWCSCRM工程供应商用户7、数字化制造的目地提高生产效率，提高产品质量，降低工作强度。一句话，在数字化的准动下，最大程度地解放制造生产力。

二、数字化制造的起源及发展1、NC机床的出现1952年，美国麻省理工学院首先实现了三坐标铣床的数控化，数控装置采用真空管电路。1955年，第一次进行了数控机床的批量制造。动机：自由曲面的精度加工。加工对象：直升飞机的旋翼等。2、CAM处理系统APT出现1955年美国麻省理工学院(MIT)伺服机构实验室公布了APT(AutomaticallyProgrammedTools)系统。其中的数控编程主要是发展自动编程技术。这种编程技术是由编程人员将加工部位和加工参数以一种限定格式的语言(自动编程语言)写成所谓源程序，然后由专门的软件转换成数控程序。3、加工中心的的出现1958年美国K&T公司研制出带ATC(自动刀具交换装置)的加工中心。同年，美国UT公司首次把铣钻等多种工序集中于一台数控铣床中，通过自动换刀方式实现连续加工，成为世界上第一台加工中心。4、CAD软件的出现1963年于美国出现了cad的商品化的计算机绘图设备，进行二维绘图。70年代，发展出现了三维的cad表现造型系统，中期出现了实体造型。5、FMS系统的出现1967年，美国实现了多台数控机床连接而成的可调加工系统，最初的FMS（Flexiblemanufacturingsystem）6、CAD/CAM的融合进入70年代，CAD、CAM开始走向共同发展的道路。由于CAD与CAM所采用的数据结构不同，在CAD／CAM技术发展初期，主要工作是开发数据接口，沟通CAD和CAM之间的信息流。不同的CAD、CAM系统都有自己的数据格式规定，都要开发相应的接口，不利于CAD／CAM系统的发展。在这种背景下，美国波音公司和GE公司于1980年制定了数据交换规范IGES(1nitiaGraphicsExchangeSpecifications)。这一规范后来被认可为美ANSI标准。7、CIMS的出现和应用80年代中期，出现CIMS（ComputerIntegratedManufacturingSystem）计算机集成制造系统，波音公司成攻应用于飞机设计，制造，管理，将原需八年的定型生产缩短至三年。8、CAD/CAM软件的空前繁荣80年代末期至今，CAD/CAM一体化三维软件大量出现，如：CADAM，CATIA，UG，I-DEAS，Pro／E，ACIS，MASTERCAM等，并应用到机械、航空航天、汽车、造船等领域。

9、快速成型（RP）快速成型（RapidPrototyping）技术是90年代发展起来的，被认为是近年来制造技术领域的一次重大突破，其对制造业的影响可与数控技术的出现相媲美。RP系统综合了机械工程、CAD、数控技术，激光技术及材料科学技术，可以自动、直接、快速、精确地将设计思想物化为具有一定功能的原型或直接制造零件，从而可以对产品设计进行快速评价、修改及功能试验，有效地缩短了产品的研发周期。三、数字化制造的主要内容数字化技术与传统制造技术的结合即数字化制造技术，这是一种广义概念，包括数字化设计、数字化控制、数字化加工、数字化装配、数字化检测、数字化工厂及数字化管理等多方面的内容。由于数字化技术具有可变性、离散性、可视性、可控性、共享性等特点，产生了很多新的现代设计方法、创新工艺技术和先进管理模式。数字定义可变可控可视共享参数化模块化设计虚拟产品开发方法数控技术与数控机床异地协同设计制造反求与快速原型制造离散引发装备重大革命，数字化制造奠定基础20世纪制造技术的重大突破引发全球制造模式和跨国企业出现将人的观察、思维、想象和操作集为一体实现快速设计，保证设计质量有限元分析工程图装配加工

零件模型主要内容介绍1、计算机辅助设计（CAD）2、计算机辅助工程分析（CAE）3、计算机辅助制造（CAM）4、计算机辅助工艺规划（CAPP）5、产品数据库管理（PDM）6、企业资源计划（ERP）7、反求工程技术（RE）8、快速成型技术（RP）1、计算机辅助设计CAD

CAD在早期是英文ComputerAidedDrawing(计算机辅助绘图)的缩写，随着计算机软、硬件技术的发展，人们逐步的认识到单纯使用计算机绘图还不能称之为计算机辅助设计。真正的设计是整个产品的设计，它包括产品的构思、功能设计、结构分析、加工制造等，二维工程图设计只是产品设计中的一小部分。于是CAD的缩写由ComputerAidedDrawing改为ComputerAidedDesign，CAD也不再仅仅是辅助绘图，而是协助创建、修改、分析和优化的设计技术。有人认为CAD就是AutoCAD，这种观点是片面的。实际上AutoCAD是众多CAD软件中的一种，而不能代表CAD全部。

CAD有狭义和广义之分，狭义CAD就是单纯的计算机辅助设计，而广义CAD则是CAD/CAE/CAPP/CAM的高度集成。吊车车仓CADUG辅助液压管路设计2、计算机辅助工程分析（CAE）

CAE(ComputerAidedEngineering)通常指有限元分析和机构的运动学及动力学分析。有限元分析可完成力学分析(线性.非线性.静态.动态)；场分析(热场、电场、磁场等)；频率响应和结构优化等。机构分析能完成机构内零部件的位移、速度、加速度和力的计算，机构的运动模拟及机构参数的优化。3、计算机辅助制造（CAM）CAM（ComputerAidedManufacture）是计算机辅助制造的缩写，能根据CAD模型自动生成零件加工的数控代码，对加工过程进行动态模拟、同时完成在实现加工时的干涉和碰撞检查。CAM系统和数字化装备结合可以实现无纸化生产，为CIMS（计算机集成制造系统）的实现奠定基础。

CAM中最核心的技术是数控技术。通常零件结构采用空间直角坐标系中的点、线、面的数字量表示，CAM就是用数控机床按数字量控制刀具运动，完成零件加工。数控加工主要分程序编制和加工过程两个步骤。程序编制是根据图纸或CAD信息，按照数控机床控制系统的要求，确定加工指令，完成零件数控程序编制；加工过程是将得到的数控程序传输给数控机床，控制机床各坐标的伺服系统，驱动机床，使刀具和工件严格按执行程序的规定相对运动，加工出符合要求的零件。4、计算机辅助工艺规划（CAPP）

世界上最早研究CAPP的国家是挪威，始于1966年，并于1969年正式推出世界上第一个CAPP系统AutoPros，并于1973年正式推出商品化AutoPros系统。美国是60年代末开始研究CAPP的，并于1976年由CAM-I公司推出颇具影响力的CAP-I'sAutomatedProcessPlanning系统。从60年代末，先后出现了在设计方式上不同的两类系统，即：派生式系统已从单纯的检索式发展成为今天具有不同程度的修改、编辑和自动筛选功能的系统，融合了部分创成式的原则和方法。创成式系统其研究与开发始于70年代中期，而且很快得到普遍重视，被认为是有前途的方法，但实践结果并不理想。

5、产品数据库管理PDM

随着CAD技术的推广，原有技术管理系统难以满足要求。在采用计算机辅助设计以前，产品的设计、工艺和经营管理过程中涉及到的各类图纸、技术文档、工艺卡片、生产单、更改单、采购单、成本核算单和材料清单等均由人工编写、审批、归类、分发和存档，所有的资料均通过技术资料室进行统一管理。自从采用计算机技术之后，上述与产品有关的信息都变成了电子信息。简单地采用计算机技术模拟原来人工管理资料的方法往往不能从根本上解决先进的设计制造手段与落后的资料管理之间的矛盾。要解决这个矛盾，必须采用PDM技术。

PDM（产品数据管理）是从管理CAD/CAM系统的高度上诞生的先进的计算机管理系统软件。它管理的是产品整个生命周期内的全部数据。工程技术人员根据市场需求设计的产品图纸和编写的工艺文档仅仅是产品数据中的一部分。PDM系统除了要管理上述数据外，还要对相关的市场需求、分析、设计与制造过程中的全部更改历程、用户使用说明及售后服务等数据进行统一有效的管理。

PDM关注的是研发设计环节。6、企业资源计划ERP

EnterpriseResourcePlanning

企业资源计划系统，是指建立在信息技术基础上，对企业的所有资源（物流、资金流、信息流、人力资源）进行整合集成管理，采用信息化手段实现企业供销链管理，从而达到对供应链上的每一环节实现科学管理。ERP系统集中信息技术与先进的管理思想于一身，成为现代企业的运行模式，反映时代对企业合理调配资源，最大化地创造社会财富的要求，成为企业在信息时代生存、发展的基石。在企业中，一般的管理主要包括三方面的内容：生产控制（计划、制造）、物流管理（分销、采购、库存管理）和财务管理（会计核算、财务管理）企业资源计划ERP

EnterpriseResourcePlanning

ERP的基本核心—MRP（物料需求计划）最大的收益点贯穿企业的红线源头成本控制点7、反求工程技术RE（ReverseEngineering）：对实物作快速测量，并反求为可被3D软件接受的数据模型，快速创建数字化模型（CAD）。进而对样品进而作修改和详细设计，达到快速开发新产品的目的。属于数字化测量领域。

8、快速成型RP技术(RapidPrototyping)

将数字化模型（CAD）快速制成样品。

分层资料生成示意图立体光成型技术的基本原理是利用光敏树脂的特性，利用紫外光照使液体树脂分层固化，每层固化树脂的形状由RP软件确定，由计算机控制激光柱在X-Y方向上移动。每层固化完毕后，升降台（图中部件29）向Z方向移动，以便激光柱成型下一层树脂。若制品是实体件，根据制品的形状仅成型制品外部，再将制品移至紫外线箱进行照射，使制品内部可以固化。

无限的成形的特点由于快速成型制造是将制品离散成为相互独立的层并将各层独立制造，这就使快速成型工艺具有其它传统制造工艺所不具备的特点。快速成型制品最具有诱惑力的特点就在于制品几何外形几乎没有任何限制，具有极大的独立性和自由度，比如倒凹形的、外伸形的、自由形式以及基本的几何形状都可以用快速成型技术实现。例如使用SLS工艺，由于不需要支架，同时零件也不需要夹具而可以在加工位置上摆放成任意位置，这样SLS就可以向被加工件提供近乎无限的几何可能性无限的复杂的产品四、数字化制造的核心技术及应用举例数字化制造技术涉及面很广，其中所包含的三在核心技术分别为：数字化建模仿真技术虚拟现实技术数字化建模数字化制造系统是现实制造系统在数字化环境下的映射，是现实制造系统的模型化、形式化和数字化的抽象描述和表示。数字化制造系统的建模应包括：生产模型、产品模型和工艺模型的信息体系结构。仿真技术

仿真就是应用计算机对复杂的现实系统经过抽象和简化形成系统模型，然后在分析的基础上运行此模型，从而得到系统一系列的统计性能。由于仿真是以系统模型为对象的研究方法，而不干扰实际生产系统，同时仿真可以利用计算机的快速运算能力，用很短时间模拟实际生产中需要很长时间的生产周期，因此可以缩短决策时间，避免资金、人力和时间的浪费。而且计算机还可以重复仿真，优化实施方案。仿真的基本步骤为：研究系统→收集数据→建立系统模型→确定仿真算法→建立仿真模型→运行仿真模型→输出结果并分析。产品制造过程仿真，可归纳为制造系统仿真和加工过程仿真。数字化制造系统中的产品开发涉及到产品建模仿真、设计过程规划仿真、设计思维过程和设计交互行为仿真等，以便对设计结果进行评价，实现设计过程早期反馈，减少或避免产品设计错误。加工过程仿真，包括切削过程仿真、装配过程仿真等。虚拟现实技术虚拟现实技术VRT（VirtualRealityTechnology）虚拟现实技术是在为改善人与计算机的交互方式、高计算机可操作性中产生的。它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（称为虚拟环境）中提供沉浸感觉的技术。虚拟现实系统包括操作者、机器和人机接口3个基本要素。它不仅提高了人与计算机之间的和谐程度，也成为一种有力的仿真工具。利用VRS可以对真实世界进行动态模拟，通过用户的交互输入，并及时按输出修改虚拟环境，使人产生身临其境的沉浸感觉。虚拟现实技术是数字化制造的关键技术之一。湘钢环冷机数字化设计及运行仿真主要部件建模与干涉分析建立零件模型建立装配模型

装配干涉分析

环冷机骨架回转台车装置

台车本体模型驱动装置装配模型卸料曲轨设计分析与建模

UG建模导入ADMAS分析模型导入动力学仿真分析添加运动副添加运动约束添加载荷运行仿真输出结果添加载荷SFORCE_1=DIM(TIME,100)*180*9.8SFORCE_2=－DIM(TIME,180)*180*9.8ADD=SFORCE_1+SFORCE_2运动仿真加工中心换刀机械手设计及加工

主要部件建模

换刀机构主箱体,箱盖图

换刀机构主箱体,箱盖图

组合凸轮

从动件滚子管机械手装配图换刀机械手运动循环示意及仿真51抓刀2拔刀3换刀4插刀回位核心件弧面凸轮的加工

毛坯准备

弧面凸轮数控加工工艺准备

理想的弧面凸轮加工机床

DeckelMaho公司DMU80T

图4.4X=800,Y=630Z=630,C:无限制回转，

B=10到-90度。机床类型：一个旋转刀具头和一个转台。方案一：采用的DMU80T

r；从动件中心到刀尖中心距离C：为弧面凸轮中心距i:为弧面凸轮圆周转角j:为加工刀具在XZ与X轴的偏角。L：旋转刀根点到刀尖长度

可得到以下的刀根坐标

DMU80T五坐标加工中心KOPP公司FSK-25G

X=800,Y=560Z=480,A:无限制回转，B=-70到+70度方案二：采用的FSK-25G

可得加工时刀尖坐标基于UG的机床加工彷真基于UG的机床加工彷真的步骤：1、

刀具源文件的编制。2、后置处理器的建立。3、集成仿真与检验模型的建立。目地：证实加工过程的正确性并为真实加工提供全过程的检验和改进。调用机床仿真加工

弧面凸轮各角度图及加工辅助文件GOTO/86.085,-6.775,-34.037,.748,-.059,.661GOTO/84.736,-5.183,-32.307,.777,-.048,.627GOTO/83.431,-3.643,-30.510,.805,-.035,.592GOTO/82.176,-2.152,-28.649,.831,-.022,.556GOTO/80.977,-.707,-26.730,.855,-.007,.519GOTO/79.838,.697,-24.758,.877,.008,.481

已知该零件的毛坯为100mmX70mmX22mm的方形坯料，材料为45号钢，底面和四周轮廓已加工好，要求在FUNUC数控系统立式加工中心上完成顶面加工，外轮廓的粗精加工，孔的加工。

手工编程仿真

O6668;N1G91G28;主轴回参考点N2M06T1;换1号刀N3G00G90G54X-50Y35;建立工