数字化设计制造

数字化设计制造主要内容（150min）数字化设计制造的概念及特点（15min）数字化设计与制造的主要内容（CAD、CAM、CAE、CAPP、CAID、RP、PDM）（90min）数据交换规范（30min）数字化设计制造的典型案例（15min）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。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。一、数字化设计制造的概念及特点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。数字化设计制造的本质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。一、数字化设计制造的概念及特点

与传统的制造系统相比，数字化设计制造具有以下特点：过程的延伸：不仅是产品零件、部件的设计和加工制造过程，而且包括工装设计制造、检测和服务等。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。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给正确的人）。一、数字化设计制造的概念及特点

计算机辅助设计（CAD）CAD技术特点先导性：提前进行产品的样品设计或虚拟设计，可以让用户实时从屏幕上看到尚未问世的新产品的外观与性能，对其进行多方面的观察和评审，为产品的方案设计及标书的编写和绘制做出快速反应。可仿真性：在产品进入详细设计阶段时，CAD技术可以进行模拟装配和运动仿真，以便及早发现运动机构的碰撞或空间布局中的干涉，避免不必要的损失和浪费。并行性：便于组织实施并行工程，在计算机中确立产品模型和总体布局，与之配套的各个独立系统、部件组、试验组、生产准备等都可以在总体设计下同时分头协调地进行工作，大大加快产品开发速度。二、数字化设计与制造的主要内容计算机辅助设计（CAD）CAD技术特点动态扩展性：能方便、快捷地输入已有的图样，并对图样上的信息缺陷实现修复，能根据客户提出的各种设计及时修改；在此基础上建立的各种数据库越来越丰富，可以方便地检查和迅速组织各套图的发放，为生产准备工作的各个方向赢得时间。效益性：CAD技术作为信息技术的一个重要组成部分，是促进科研成果的开发和转化、实现智能劳动自动化、加快国民经济发展、有利于国防现代化的一项关键性高技术；是提高产品设计质量、缩短开发周期、大幅度提高劳动生产率的重要手段；是企业提高创新能力和管理水平、增强市场竞争力和参与国际竞争的必要条件。CAD技术的开发与应用水平已成为衡量一个国家科技现代化和工业现代化的重要标志之一。二、数字化设计与制造的主要内容CAD技术的应用，从根本上改变了传统的工程制图方法。与传统设计对比，计算机交互绘图具有无可比拟的优越性。绘图工具不再是图板、直尺、角尺、圆规和铅笔等，而是面对计算机，眼看屏幕，手按键盘、鼠标或数字化仪器，劳动强度大大减轻。绘图实现了标准化、一体化，线型、颜色、层次、文字、剖面可以统一风格，为图纸交流和修改带来了便利。设计、绘图质量大为提高，可按实际尺寸绘图，不考虑比列。复用能力。对于图纸借用和类比设计，设计人员可以把已有图形文件和别人的图形文件调出来稍作修改，对于重复阵列、对称几何、拓扑相似的图素，可以绘一次并做成图块，然后多次复制、引用，绘图效率得到极大地提高。二、数字化设计与制造的主要内容修改能力。设计绘图员再也不用担心对错绘图形的修改，从草图设计、分布细化到最终工程图纸的绘制，Undo和Erease等命令能解除设计绘图人员的担忧，并满足其要求。绘图能力的提高、智能设计的实现。尺寸标注、剖面线生成、开孔、剪切等在计算机绘图中只需操作命令键或使用菜单即可。还可以引进和开发出本行业设计分析绘图一体化的专业软件，把一些重复性的工作编成程序，用户只需调用即可。管理方式的变革。电子化图纸可以通过计算机网络分发、存储、复制到磁盘、光盘，进行电子化检索，不需要图纸柜，不需要像纸质文档那样考虑防火、防盗、防蚀和晒蓝图，档案处和扫图员的工作可以削减。二、数字化设计与制造的主要内容三维设计能力的提高。现实中的产品、人脑中产品设计构思均是三维的，只是由于图纸等表达工具是二维的，才使用三视图、剖视图等各种方式来描述，这种三维与二维概念转换极不自然。计算机绘图技术现已发展到三维设计水平，三维数字产品可以投影生成各类视图，可以自动编制工艺文件、数据文件。多彩性。传统的图纸是黑白线条图，计算机图可以具有多种颜色、线型、视图，多个层次、多个视角和矢量点阵混合图、着色图、动态图、爆炸图等特性，创造出多姿多彩的计算机图形世界。二、数字化设计与制造的主要内容CAD技术的发展历程二维绘图阶段（50年代后期～60年代初期）线框建模阶段（60年代初期～60年代末期）第一次CAD技术革命：曲面造型（70年代初期～80年代初期）第二次CAD技术革命：实体造型（80年代初期～80年代中期）第三次CAD技术革命：参数化特征造型（80年代中期）第四次CAD技术革命：系统集成化（90年代）二、数字化设计与制造的主要内容特征造型特征的定义和分类定义：用于描述零件和装配体的语义组，它将功能、设计和制造信息组合在一起。产品信息的载体，它可以在设计和制造或者其它工程任务之间辅助设计或进行通信。任何用于设计、工程分析和制造的推理的客观对象。设计人员感兴趣的区域。特征不再是普通的体素，而是一种封装了各种属性和功能的对象。二、数字化设计与制造的主要内容特征造型特征的定义和分类分类：从产品功能上分：形状特征、精度特征、技术特征、材料特征、装配特征、附加特征。从产品生命周期上分：设计特征、工程分析特征、加工特征、装配特征、检测特征、销售特征和维修特征。从复杂程度上分：基本特征、组合特征和复合特征。二、数字化设计与制造的主要内容特征造型引入“特征”后的好处：更好地表达设计意图。几何造型技术，如线框造型、曲面造型和实体造型，都是着眼于完善产品的几何描述；特征造型则着眼于更好地表达完整的产品技术及生产管理信息，以便为产品的集成信息模型服务。简化传统CAD系统中繁琐的造型过程。特征造型使产品的设计工作在更高层次上进行，设计人员考虑更多的是产品的功能要素，如键槽、定位孔等，而不是原来的线条和体素。特征的引用直接体现了设计意图，使得所建产品模型更容易为人理解，图样更易于修改，也就更易于组织生产，从而使设计者有更多的精力用于创造性构想。从高层次上对具体的几何元素进行封装，有助于加强产品设计、分析、工艺准备、加工、装配检验等各部门之间的联系，有助于推进行业内产品设计和工业方法的规范化、标准化和系列化等。二、数字化设计与制造的主要内容特征模型的建立方法特征识别：许多应用程序，如工艺规划、NC编程、成组技术编码等所要求的输入信息包含几何构造和特征两方面。现已有各种技术方法，可以直接从几何模型数据库中获得这些输入信息。这就是所谓的特征识别，它将几何模型的某部分与预定义的特征类型相比较，进而识别出相匹配的特征实例。基于特征的设计：特征一开始就加入在产品模型中，特征型的定义被放入一个库中，通过定义尺寸、位置参数和各种属性值可以建立特征实例。特征分割法：利用移去毛胚材料的操作，将毛胚模型转变为最终的零件模型。特征合成法：通过对特征实例进行修改、复制、删除等操作后生成实体模型。特征识别与基于特征设计的集成建模法。二、数字化设计与制造的主要内容参数化设计：一般是指对象的结构形状基本不变，而用一组参数来约束尺寸关系。参数与设计对象的控制尺寸有显示对应关系，设计结果的修改受尺寸驱动。主要特点基于特征：将某些具有代表性的几何形状定义为特征，并将其所有尺寸设定为可修改的参数，形成实体，以此为基础来进行更为复杂的几何形体的创建。全尺寸约束：将形状和尺寸联合考虑，通过尺寸约束实现对几何形状的控制。造型必须以完整的尺寸参数为出发点（全约束），不能欠约束，也不能过约束。尺寸驱动实现设计修改：通过编辑尺寸来驱动几何形状的改变，是全数据相关的基础。全数据相关：某个或某些尺寸参数的修改，导致与其相关的尺寸得以全部同时更新。全数据相关的修改功能体现了当需要零件形状改变时，只需编辑尺寸重新刷新即可实现形状的改变。基于约束的尺寸驱动是较为成熟的参数化方法，基本原理：对几何模型中的一些基本图素施加一定的约束，模型一旦建好，尺寸的修改立即会自动转变为对模型的修改。约束包含尺寸约束和几何约束。二、数字化设计与制造的主要内容装配建模装配关系定义接触关系：指在产品装配中，为实现某种装配功能，使得零件所具有的物理接触。紧固关系：有些零件间的接触需要进一步固定，从而使固连后的两个零件成为一体。位置关系：用于描述装配体中零件之间的几何安装位置和精度。传动关系：装配零件间的传动关系，如齿轮传动、齿条传动、带传动、螺旋传动等。可装配性检查无干涉：零件间距离大于间隙的公差带。软干涉：零件间距离小于间隙的公差带，但并不接触。接触干涉：两个零件接触，但并不相交。硬干涉：零件间相交，现实中不存在。包容：一个零件对象完全被另一个零件对象包容在内，现实中不存在。二、数字化设计与制造的主要内容受计算机硬件限制，大型装配模型需简化，遵循原则减少每次装入的零件数目减少几何信息量减少模型信息量减少显示数据量装配顺序规划和装配路径装配顺序规划：主要研究装配顺序的生成与几何可行性分析。所谓装配顺序的几何可行性，是两个装配单元之间的装配操作或分解操作不存在几何干涉现象。装配路径规划：在装配建模和装配顺序规划的基础上，充分利用装配信息进行路径分析、求解和判断，生成一条无碰撞的从装配起点到装配终点的装配路径，即无碰撞干涉的路径规划，从而达到优化设计的效果。虚拟装配：沉浸式虚拟现实技术二、数字化设计与制造的主要内容二、数字化设计与制造的主要内容目前流行的几个特征造型系统：ProE、I-DEAS、Autodesk的MDT2.0、SolidEdge、SolidWorks、CATIA、UG。ProE：参数化特征造型功能贯穿于整个产品，它为所有类型的模型提供了参数化的方式，包括特征、曲面、曲线以及线框模型等。所有几何体都必须被完全约束，不支持欠约束的几何体，将参数化造型技术应用到了工程设计的各个方面：绘图、工程分析、数控编程、布线设计、钣金件设计等领域。主要模块：基本模型、工业外观造型、复杂曲面设计、复杂产品装配设计、运动仿真、结构强度仿真、疲劳分析、塑料流动分析、热分析、公差分析及优化、基本数控编程、多轴数控编程、通用数控后处理、数控钣金加工编程、NC仿真及优化、模具设计、二次开发工具包。计算机辅助工程（CAE）有限元分析技术：基本思想是将问题的求解区域划分为一系列单元，单元之间仅靠节点连接。有限元分析的三个阶段前处理：产生模型结构的有限元网格划分，定义边界条件，零件本身的特性（如材料、密度等）和工况条件的施加等，为后续的数值分析做数据准备。解算：根据前处理生成的网格模型和附加条件，构造数值方程后解算出数值解。后处理：将数值解与零件的几何模型联系在一起，以彩色等值线、零件变形图或动画形等式把数值解形象地体现出来。Ansys涵盖结构、热、流体、电磁、声学等领域，可进行结构静力和动力分析、结构非线性分析、热分析、电磁场分析、流体动力学分析、压电分析、声场分析以及多种场之间的耦合分析。CAD软件与CAE软件的连接二、数字化设计与制造的主要内容优化技术：在设计过程中，常常需要根据产品设计的要求，合理确定各种参数，例如重量、成本、性能、承载能力等，以期达到最佳的设计目标。实际上，在任何一项设计工作中，都包含着寻优过程。优化设计是上世纪60年代初期发展起来的一门新学科，它是最优化技术和计算机技术在设计领域应用的结果。优化设计为工程设计提供了一种重要的科学设计方法，在解决复杂设计问题时，它能够从众多的设计方案中找到尽可能完善或最适宜的设计方案。主要包含两部分内容：优化设计问题的建模技术和优化设计问题的求解技术。优化设计数学模型的三要素：设计变量、目标函数和约束条件。二、数字化设计与制造的主要内容仿真技术：借助计算机，用系统的模型对真实系统或设计中的系统进行试验，以达到分析、研究与设计该系统的目的。利用仿真技术不但可以预示或再现系统的运动规律和运动过程，而且可以对无法直接进行试验的系统进行仿真试验研究。通过仿真可以将产品在制造和使用过程中可能发生的问题提前到设计阶段处理，在减少损失、节约经费、缩短开发周期、提高产品质量等方面发挥着巨大作用。数字化仿真的基本步骤系统定义：以明确的准则来描述系统目标及是否达到目标的衡量标准、自由变量、约束条件、研究范围和研究环境。数学建模：确定变量和参数以及它们之间的关系，确定模型的要素，在一定的条件下用数学模型描述所研究的系统。数据准备：包括收集数据和在模型中如何使用这些数据。必须收集系统的输入、输出各项数据以及描述系统各部分之间关系的数据。模型转换：用计算机高级语言或专用仿真语言来描述数学模型。仿真试验分析并论证仿真结果二、数字化设计与制造的主要内容虚拟样机技术：利用计算机建立产品的三维几何模型，经过建立约束关系的装配模型、功能和性能仿真，部分或全部代替物理样机的试验，使得物理样机在真正生产之前，产品性能的大部分已通过了计算机模拟或验证，从而减少产品设计的返工和出错率，提高设计效率，同时又可及早发现物理样机在制造和装配中可能出现的问题。关键技术：三维几何建模技术、产品的数字化定义方法、数字化预装配以及仿真技术。二、数字化设计与制造的主要内容计算机辅助制造（CAM）计算机辅助制造CAM是指利用计算机辅助完成从生产准备到产品制造整个过程的活动，完成复杂零件的数控加工包括工艺过程设计、工装设计、NC自动编程、生产作业计划、生产控制、质量控制等。CAM的支撑技术是数控编程、刀具轨迹生成、数控加工仿真技术。二、数字化设计与制造的主要内容CAM发展历程NC机床（数控机床）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。当时主要是针对直升飞机的旋翼等自由曲面的加工。CAM处理系统APT（自动编程工具）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。二、数字化设计与制造的主要内容加工中心的的出现CNC：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。CAD（计算机辅助设计）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表面造型系统，中期出现了实体造型。FMS（柔性制造系统）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）。二、数字化设计与制造的主要内容CAD/CAM（计算机辅助设计/计算机辅助制造）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)，从而实现CAD/CAM的融合。二、数字化设计与制造的主要内容CIMS（计算机集成制造系统）的出现和应用：80年代中期，出现CIMS（ComputerIntegratedManufacturingSystem）计算机集成制造系统，波音公司成功应用于飞机设计，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。二、数字化设计与制造的主要内容计算机辅助工艺规划（CAPP）：CAPP是实现CAD/CAM一体化，建立集成制造系统的桥梁，是一种通过计算机技术，以系统化、标准化的方法，辅助确定零件或产品从毛胚到成品的制造工艺流程规划方法与技术。它通过加工工艺信息（材料、热处理、批量等）的输入，利用人机交互方式或由计算机自动生成零件的工艺路线和工序内容等工艺文件。与传统的手工工艺过程设计相比，CAPP能够显著提高工艺文件的质量和工作效率，减少工艺编制工作对工艺人员技能的依赖，缩短生产准备周期，便于保留企业生产经验，建立工艺知识库，改进工艺方法，引入新工艺。二、数字化设计与制造的主要内容计算机辅助工业设计（CAID）：传统的产品设计主要是面向功能的设计，往往忽略产品的造型、肌理、色彩、装饰、人机因素等，随着市场竞争的日益激烈，可供顾客选择的产品空间越来越大，顾客除了选择产品的使用功能外，更加注重产品的外观、色彩、宜人性等个性化特征。这些往往成为产品的主要卖点，同时也使得产品具有更高的附加值。CAID是工业设计理论与CAD技术的有机结合，它是与工业设计的特点及工业设计师的设计思维和习惯相适应的一种计算机辅助设计技术。CAID技术以工业设计知识为核心，以计算机为辅助工具，运用工业设计的理念和方法，实现形态、色彩、宜人性设计和美学原则的定量化描述，充分发挥计算机快速、高效的优点，以及设计人员的创造性思维、审美能力和综合分析能力。二、数字化设计与制造的主要内容快速成型（RP）：该技术将计算机辅助设计、计算机数控技术、激光技术及先进材料技术等加以综合，其突出特点是能直接根据产品的CAD数据快捷地制造出具有一定结构和功能的原型甚至产品，且不需要任何工装夹具。快速成型技术的原理：先由三维CAD软件设计出所需要零件的计算机三维曲面或实体模型，然后根据工艺要求，将其按一定厚度进行分层，把原来的三维电子模型变成二维平面信息，即离散的过程；再将分层后的数据进行一定的处理，加入加工参数，产生数控代码，在微机控制下，数控系统以平面加工方式有序地连续加工出每个薄层并使它们自动粘结成型，这就是材料的堆积过程。简言之，离散/堆积成型原理。二、数字化设计与制造的主要内容产品数据库管理（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。二、数字化设计与制造的主要内容产品数据库管理（PDM）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为不同地点、不同部门的人员营造了一个虚拟协同的工作环境，它是所有信息的主要载体，在产品开发过程中，可以对它们进行创建、管理和分发。二、数字化设计与制造的主要内容PDM的功能（P185）产品结构与配置管理图文档管理工作流程管理动态权限设置工程变更管理项目管理外部集成工具二、数字化设计与制造的主要内容产品数据交换标准的必要性随着CAD/CAM技术的迅速发展和推广应用，各企业都在积极采用CAD/CAM技术。因历史原因及不同的开发目的，各CAD/CAM软件内部数据记录方式和处理方式不尽相同，开发软件的语言也不完全一致，而为了充分利用已有的图形文件，实现资源共享，避免重复劳动，就需要一种标准的数据交换格式。三、数据交换规范常用标准的含义及使用范围图形交换文件DXF：是具有专门格式的ASCII码文本文件，也可以是二进制格式文件，其作用是供外部程序和图形系统或不同的图形系统之间交换图形信息。最早用于二维CAD的图形交换，后来又发展到三维模型的交换。DXF不是由标准化机构制定的标准，但是由于AutoCAD软件的广泛应用，DXF格式事实上已成为中性文件的一种类型。初始化图形交换规范IGES：是国际上产生最早，应用最广泛的图形数据交换标准，是由美国国家标准局主持成立的，由波音公司和通用电气公司惨叫的技术委员会于1980年编