ERP技术与管理课件：产品技术信息化

产品技术信息化3.产品技术信息化CONTENTSPAGE3.1产品技术信息化概述3.2产品设计信息化系统3.3产品制造信息化系统3.4产品技术信息化集成技术3.1产品技术信息化概述产品技术信息化概述产品技术信息化分为两个阶段，一个是产品的设计阶段，另一个是产品的制造阶段。产品设计信息化是产品设计手段以及设计过程的标准化、智能化、虚拟化和集成化，其目标是缩短产品的开发期、降低产品的成本、提高产品的质量、提高企业的产品创新能力。产品制造信息化涉及从投料开始到最终产品的全部过程，是对制造过程优化、监控和管理，解决制造过程中的问题，提高产品的质量、精度、和规模制造水平，使制造过程更加高效、敏捷、柔性。其主要包括制造执行系统、数字控制、柔性制造、工业机器人、计算机辅助制造、计算机辅助质量管理和其他制造自动化技术。3.1产品技术信息化概述产品技术信息化框架模型从所考虑的过程来分，产品技术信息化模型可以分为:面向产品形成过程的；面向产品全生命周期的：（1）面向产品形成过程的产品技术信息化框架模型。如图右所示，在产品技术信息化的不同阶段有不同信息系统的支持，在数据管理层由产品数据管理系统对各系统所产生的数据进行集管理，并在模型的底层由统一的数据模型实现各系统的深层次集成。图3-1一种面向产品形成过程的产品技术信息化框架模型3.1产品技术信息化概述（2）面向产品全生命周期的产品技术信息化框架模型。如下图所示，在数据管理层，由产品数据管理系统对各系统所产生的数据进行集成管理。图3-2一种面向产品全生命周期的产品技术信息化框架模型3.1产品技术信息化概述企业对产品技术信息化的需求?3.1产品技术信息化概述企业对产品技术信息化的需求（1）从“技术模仿”向“技术创新”转变。随着市场竞争日趋激烈，知识产权保护越来越严厉，企业越来越强调自主创新，从而对设计信息化提出了更高的要求。（2）缩短设计周期，提高设计效率。采用CAD系统，可以快速进行产品设计，特别是提高变型设计的效率；采用CAPP系统，利用典型工艺，可以快速进行产品工艺设计。（3）提高产品设计的一次成功率。传统的产品设计结束后，需要设计和制造多种样机，进行各种实验，制造、装配和使用中的大量问题难以在设计阶段发现。采用CAE系统，可以直接利用产品模型，建立虚拟样机，进行计算机仿真实验，在设计阶段就能发现产品制造、装配、使用和维护中的问题，提高产品设计的一次成功率。3.1产品技术信息化概述（4）确保设计资源的共享与可用性。设计资源以往分散在不同的设计人员的计算机中，很难共享。利用PDM系统，可以促进企业内部设计资源的共享和重用。利用互联网和协同设计系统，可以支持全球开发模式，促进企业之间的设计资源共享和重用。（5）减少零件和工艺文件的多样化。结合CAD/CAPP/PDM系统的应用，促进零件的通用化和标准化，对工艺文件进行标准化，尽可能选用标准件和标准工艺，或者在标准件和标准工艺的基础上进行适当的变型设计。减少零件和减少工艺文件的多样化，进而降低产品成本。（6）确保设计资源的安全。采用CAD系统设计后，带来的问题之一是数字化的设计资源容易被人非法复制。利用PDM系统，可以帮助提高设计资源的安全等级。因为要阅读、修改、下载CAD模型，必须通过PDM系统及权限管理模块。所下载的CAD模型，在CAD系统中不能直接打开使用，只有通过该PDM系统才能打开。3.产品技术信息化CONTENTSPAGE3.1产品技术信息化概述3.2产品设计信息化系统3.3产品制造信息化系统3.4产品技术信息化集成技术3.2产品设计信息化系统产品设计过程：产品概念设计：包括分析用户需求到生成概念产品的一系列设计活动，是一个由粗到精、由模糊到清晰、由抽象到具体的过程。

产品总体设计：主要完成产品整体结构的设计，使产品能够满足用户需求。主要采用CAE技术和CAD技术。产品详细设计：主要完成产品中的各零部件的结构设计，编制产品物料清单（BillofMaterial，BOM），主要采用CAD技术，有时需要采用CAE。产品标准化设计：贯穿在产品总体设计和详细设计阶段，并在所有图纸完成后，进行标准化审核。主要采用CAS技术和CAD技术，进行产品系列化、标准化和模块化设计，满足未来市场可能出现的各种个性化需求。3.2产品设计信息化系统产品设计信息化系统概述产品设计信息系统是依赖于计算机硬件、外部设备及开发环境和工具进行产品设计的综合技术，涉及许多学科领域。设计人员在计算机系统的辅助之下，通过人－机交互操作方式进行产品设计，以及技术文档和有关技术报告的编制等。在每个子阶段所采用的信息化系统有所不同，其框图如下图所示。图3-3产品设计阶段中不同环节所需要的信息化系统3.2产品设计信息化系统

（一）基于TRIZ理论的CAI系统CAI（计算机辅助创新技术）作为工程领域又一个重要的计算机辅助技术而出现，和其他CAX技术一样，它得益于相关的先进创新理论、方法的发展及其和计算机技术的不断融合。传统的创新方法更多是依赖心理因素，具有很大的随机性和偶然性，创新效果也很难保证。TRIZ理论是一种在前人创新成果与创新方法基础上的提升和集成，强调系统中存在的矛盾，而不是逃避矛盾，其目标是完全解决矛盾，获得最终的理想解，它是基于技术的发展演化规律研究整个设计与开发过程。即：TRIZ理论的发展催生了计算机辅助创新。基于TRIZ的著名CAI系统有：美国亿维讯公司（IWINT，Inc.）的Pro/Innovator软件、美国的Inventionmachine公司的TechOptimizer、IdeationInternational公司的InnovationWorkBench（IWB）、德国的TriSolve公司的TriSolver2.1等。我国商品化的CAI软件有河北工业大学TRIZ研究中心的InventionTool软件。3.2产品设计信息化系统3.2产品设计信息化系统基于TRIZ理论的CAI技术和系统CAI(计算机辅助创新，ComputerAidedInnovation)是新产品开发中的一项关键基础技术，它是以近年来在欧美国家迅速发展的创新问题解决理论(TRIZ)研究为基础，结合本体论(Ontology)、现代设计方法学、计算机软件技术等多领域科学知识，综合而成的创新技术。产品创新技术系统进化法则40个发明原理发明问题解决算法物场模型分析最终理想解物理矛盾分离方法矛盾矩阵创新原理科学效应知识库发明问题标准解法TRIZ理论体系TRIZ理论的九把利剑1、八大进化法则：预测技术系统进化模式和产品成熟度；2、最终理想解：系统的进化总是向着更理想化的方向发展；3、40个发明原理：浓缩250万份专利背后所隐藏的共性发明原理；4、39个工程参数和矛盾矩阵：为解决问题直接提供化解矛盾的发明工具；5、物理矛盾的分离原理：分离原理是针对物理矛盾的解决而提出的；6、物场模型分析：用于建立与已存在的系统或新技术系统问题相联系的功能模型；7、发明问题的标准解法：5级共76个标准解法，可以将标准问题在一两步中快速进行解决；8、发明问题标准算法（ARIZ)：针对非标准问题而提出的一套解决算法；9、物理效应和现象知识库：将物理现象和效应应用在问题解决过程中。17技术系统进化八大法则1、技术系统的S曲线进化法则；2、提高理想化法则；3、子系统不均衡进化法则；4、动态性进化法则；5、向超系统进化法则；6、子系统协调性法则；7、向微观级和场的应用进化法则；8、向自动化方向进化法则。18技术系统进化法则之一

－S曲线进化法则、

一个技术系统的进化一般经历4个阶段，典型的S曲线是描述一个技术系统的完整生命周期。当一个技术系统的进化完成4个阶段后，必然会出现一个新的技术系统来替代它，如此不断的替代。婴儿期衰退期成长期成熟期19技术系统进化法则之二

－提高理想度法则最理想的技术系统：“它既不消耗任何资源，但却能够实现所有必要的功能”（作为物理实体它并不存在）技术系统是沿着提高其理想度，向最理想系统的方向进化提高理想度法则是所有进化法则的基础。20技术系统进化法则之三

－子系统不均衡进化法则技术系统由多个实现各自不同功能的子系统组成。子系统不均衡进化法则包含着：任何技术系统中的每一个子系统都是沿着各自的S曲线进化的；组成技术系统所包含的各个子系统都是不同步、不均衡进化的；整个技术系统的进化速度取决于系统中发展最慢的即最不理想的子系统（木桶原理）利用这一法则的知识，可以帮助创造者及时发现并改进最不理想的子系统．21技术系统进化法则之四

－（结构）动态性进化法则沿着增加系统可移动性的方向发展沿着增加系统的柔性方向发展沿着增加系统可控性方向发展22刚体单铰链多铰链柔性体液体/气体场系统的柔性进化23不同产品技术的进化路径刚性单铰链多铰链柔性气体、液体场24切割技术的动态性进化水切割激光切割线切割机床25技术系统进化法则之五

－向超系统进化法则技术系统首先向系统的合成方向发展技术系统的简化子系统双系统多系统单系统超系统此时，子系统功能得到加强的同时，也简化了原有的系统。26飞机燃油系统向超系统跃迁

—空中加油机实例、超系统空中加油机系统受油机输油管子系统超系统27技术系统进化法则之六

－子系统协调性进化法则组成技术系统的各个子系统、各个部件在保持协调的前提下，充分发挥各自的功能。表现在：结构上协调。比如：早期积木只能摞、搭；现代积木可自由组合、随意插合成不同的形状。性能参数的协调。比如：网球拍需要考虑两个性能参数的协调：一方面要将球拍整体重量降低，以提高其灵活性；同时要增加球拍头部重量，以保证产生更大的挥拍力量。工作节奏和频率上的协调。比如吸尘器．吸力太大，吸嘴会粘住地毯．28(a)积木(c)

浇灌混凝土(b)网球拍结构、性能、节奏和频率的协调性29技术系统进化法则之七

－向微观级和场的应用进化法则技术系统：元件：场的应用：微观宏观微观最初的尺寸原子、基本粒子尺寸高效场和增加场效率的方向30录音机随身听便携CD机mp3耳环播放机播放机向微观的进化31计算机从宏观进化到微观10210110010－110－210－310－410－510－610-710－810－9量子计算机32通信产品的波长从宏观进化到微观10210110010－110－210－310－410－510－610-710－810－9波长约300-3米波长约1-0.1米波长约0.1米-3纳米向微观进化法则意味着：从最初的尺寸向原子、基本粒子的尺寸进化，同时能够更好的实现相同的甚至更好的功能33技术系统进化法则之八

－向自动化方向进化法则

技术系统：摒弃那些机械的、重复的、枯燥无味的手工操作，实现并提高技术系统功能的效益，解放人们去完成更具有创造性的工作。产品创新技术系统进化法则40个发明原理发明问题解决算法物场模型分析最终理想解物理矛盾分离方法矛盾矩阵创新原理科学效应知识库发明问题标准解法TRIZ理论体系35矛盾的解决办法传统设计是在矛盾双方取得折中方案，矛盾并没有彻底克服和解决TRIZ理论的核心是建立了基于消除矛盾的逻辑方法。使设计人员在设计过程中不断地发现并解决矛盾，推动产品的不断进化，从一个状态进化到一个新的状态，向着理想化创新产品设计的实现。36技术系统矛盾的分类：

技术矛盾物理矛盾技术系统矛盾的两大类37什么是技术矛盾？由表述系统性能的两个参数所构成的矛盾称之谓技术矛盾当用已知的方法去改善系统的一部分或一个参数时，该系统的其它部分或参数就要不可容忍地变坏的现象．常表现为一个系统中两个子系统之间的矛盾：

1）在一个子系统中引入一种有用功能，导致另一个子系统产生一种有害功能或加强了已存在的一种有害功能；

2）消除一种有害功能导致另一个子系统有用功能降低；

3）有用功能的加强或有害功能的减少导致另一个子系统或系统变得复杂化。38解决产品设计技术矛盾的三步骤描述问题，建立问题模型确定技术矛盾（确定两个通用工程参数）发明原理待解决的问题最终解决方案第三步：应用第一步：分析技术系统第二步：解决技术矛盾（应用矛盾矩阵）如果由矛盾矩阵所有给出的原理都完全不能应用，则需重新确定技术矛盾，再做一遍，直到找出可操作的解决方案。39技术系统分析方向准确分析技术系统，技术矛盾即可轻松获解！分析方向：了解组成系统的各个部分（子系统）、系统所从属的上级系统以及问题本身的根源；了解整个系统的持续情况：系统的过去、现在以及将来在各个子系统就上级系统可以发展的情况。40如何描述问题确定技术矛盾？1、问题是什么？2、现在有什么解决方案？3、这个解决方案有什么问题？利用39个通用工程参数（技术特性）来描述需要改善的特性和可能恶化的特性。产品创新技术系统进化法则40个发明原理发明问题解决算法物场模型分析最终理想解物理矛盾分离方法矛盾矩阵创新原理科学效应知识库发明问题标准解法TRIZ理论体系4240个发明原理

－用有限的40条原理来解决无限的发明问题。

阿奇舒勒通过对250万份发明专利的研究发现，大约只有20％左右的专利才称得上是真正的创新，其它80％的专利往往早已在其它的产业中出现并被应用过。阿奇舒勒坚信发明问题的原理是客观存在的，设计者掌握这些原理，就可以大大提高发明的效率、缩短发明的周期，而且能使发明过程更具有可预见性。为此，阿奇舒勒对大量的专利进行研究、分析、总结、提炼出了TRIZ中最重要的、具有普遍用途的40个发明原理。当前，40个发明原理已经从传统的工程领域扩展到微电子、医学、管理、文化、教育等社会的各个领域问题。40个发明原理的广泛应用，导致不计其数新的专利发明的产生。4340个创新原理01、分割原理02、抽出原理03、局部特性原理04、不对称原理05、合并原理06、多功能原理07、嵌套原理08、质量补偿原理09、预先反作用原理10、预先作用原理11、预置防范原理12、等势原理13、反向作用原理14、曲面化原理15、动态化原理16、不足或过度作用原理17、多维化原理18、振动原理19、周期性作用原理20、有效持续作用原理21、急速作用原理22、变害为益原理23、反馈原理24、中介物原理25、自助原理26、复制原理27、一次性用品替代原理28、替换机械系统原理29、气压或液压结构替代原理30、柔性壳体或薄膜结构原理31、多孔材料原理32、变换颜色原理33、同质性原理34、自弃与修复原理35、改变状态原理36、相变原理37、热膨胀原理38、强氧化作用原理39、惰性（或真空）环境原理40、复合材料原理4401、分割原理

将物体分割成相互独立的部分；使物体成为可组合的（易于拆卸和组装）的部分；提高物体的分割程度或分散程度；4501、分割原理将卡车分成牵引车头和拖车组合家具百叶窗拉圾桶活动房屋将物体分割成相互独立的部分使物体成为可组合的（易于拆卸和组装）的部分提高物体的分割程度或分散程度4639个通用工程参数几何参数：长度、面积、体积、形状一般物理参数：重量、速度、力、应力/压强、温度、光照度系统参数：作用于物体的有害因素、物体产生的有害因素功率参数；物体的能量消耗、功率技术参数：操作时间、可靠性、强度、适用性和通用性、可制造性/可操作性/可维护性、制造精度、设计复杂性、自动化程度、生产率、对象的稳定性与测量有关的参数：测量的必要性、测量精度损失参数：能量损失、物质损失、信息损失、时间损失47矛盾矩阵表的组成阿奇舒勒将39个通用工程参数和40条发明原理有机地联系起来，建立起对应关系，整理成39×39的矛盾矩阵表（详见（《创新制胜》附录）。矛盾矩阵的第1行、列为39个通用工程参数的编码，第2行、列分别为39个通用工程参数的名称。但是，纵行表示要改善的参数，横行表示会恶化的参数。39×39个通用工程参数从行、列两个纬度构成矩阵的方格共1521个，在其中1263个方格中，均列有几个数字，这几个数字就是由TRIZ推出的解决对应工程矛盾的发明原理的编码。按照编码查“40条发明创造原理”表，即可得到该编码的实际含义。使用者根据系统中产生矛盾的2个通用工程参数，从矛盾矩阵表中直接查找出化解矛盾的发明原理，并使用这些原理来解决问题。48矛盾矩阵表1333.2产品设计信息化系统（二）CAI常用的产品创新设计方法（1）原理创新。一般是从产品的功能要求出发，通过技术分析，寻求产品创新的过程。它主要是把复杂的设计要求通过功能关系的分析抽象为简单的模式，以便寻求能满足设计对象主要功能关系的原理方案。（2）功能创新。主要依赖于市场需求的分析结果。在传统的设计过程中，主要靠人工来完成。随着信息技术的进一步发展，特别是数据库、信息管理、人工智能等技术的深入应用，最终必将使计算机在辅助产品功能创新中发挥其巨大的作用。（3）布局创新。主要是指对整个产品按功能进行分解或组合，从而划分为若干个组件单元，然后通过产品布局的空间排列、配置方式和尺度变化等三要素的变化来实现产品创新的过程。3.2产品设计信息化系统（4）形状创新。主要是指对经过原理方案实体化后的初始产品形状，在遵循基本的形状法则的基础上，通过形状变换操作而实现产品创新的过程。（5）结构创新。主要是指创新设计后期对方案进行初步结构化过程中的产品创新过程。这一过程从产品结构的角度出发，对构成产品的各个部件进行初步结构化，以达到与后续设计的衔接，同时体现在结构上的创新性。（6）集成创新。集成创新是利用各种信息技术、管理技术与工具等，对各个创新要素和创新内容进行选择、集成和优化，形成优势互补的有机整体的动态创新过程。强调灵活性，重视质量和产品多样化。3.2产品设计信息化系统（三）基于TRIZ的Pro/Innovator创新设计应用Pro/Innovator解决创新问题的流程如图所示。图3-4Pro/Innovator解决创新问题的流程图

3.2产品设计信息化系统53实例一：坦克装甲的改进法国“雷诺FT-17”式坦克战斗全重：7

吨装甲：22mm德国“虎2”式重型坦克战斗全重：69.8

吨炮塔前部装甲：185mm54问题描述↑装甲抗打击能力↑装甲厚度战斗全重↑整车重量增加引起的一系列后果：

坦克的机动性能降低

坦克的耗油量增加55一、对问题进行抽象抽象矛盾矩阵具化待解决的问题问题模型：技术矛盾解模型：创新原理最终解决方案（一）（二）（三）56定义矛盾的过程第一步：问题是什么？

为了提高坦克在战场上的生存能力，需要提高装甲的抗打击能力第二步：现在有什么解决方案？增加装甲的厚度，以便提高装甲的强度第三步：这个解决方案有什么问题？装甲厚度增加后，坦克的战斗全重增加

57建立原问题的问题模型强度运动物体的重量58利用矛盾矩阵求解问题模型1405901、分割原理08、重量补偿原理40、复合材料原理15、动态特性原理TRIZ推荐的创新原理（解决方案模型）60三、回到问题:“坦克装甲的改进”强度运动物体的重量改善的参数：装甲抗打击能力恶化的参数：战斗全重原问题：问题模型：解决方案模型：01、分割原理08、重量补偿原理40、复合材料原理15、动态特性原理61装甲改进方案（最终解决方案）01、分割原理40、复合材料原理15、动态特性原理复合装甲a）陶瓷复合装甲(“乔巴姆”装甲)；b）贫铀装甲；c)缝隙装甲；均质钢装甲1装甲陶瓷均质钢装甲262改进结果战斗全重：52吨车体正面：110mm美国“M60A1”坦克3.2产品设计信息化系统3.2产品设计信息化系统实例三某造纸厂用圆木做造纸原料。圆木由卸载处直接用传送带运往切削机进行加工。为了使切削流程顺利完成，圆木最好与传送带轴线方向一致。由于圆木卸下时是杂乱的堆砌在传送带上的，所以需要在传送过程中增加一个圆木定向的工序。这一操作如果由机器人完成，则成本太高，结构也非常复杂。针对这一问题，应用Pro/Innovator相关模块逐步分析如下：3.2产品设计信息化系统（1）问题分析首先明确解决此问题的目的：不对系统做大的改动，在传送过程中即可实现圆木的定向。利用系统分析原理找出产生此问题的区域：传送带与圆木相互作用的区域。根据解决创新问题的模型可得到提示——利用系统中已有的资源实现所需的功能。而系统在此区域中的唯一资源是传送带。可得到问题：如何利用传送带自身实现圆木的定向?借助Pro/Innovator中的问题分析功能从上述问题描述中抽取出本质的问题。经过分析找出实际问题中的矛盾：为定向圆木，传送带表面的不同点需要有不同的速度；为传送圆木，传送带表面需要以同一速度运动。3.2产品设计信息化系统（2）解决问题(消除矛盾)问题矛盾确定之后，根据Pro/Innovator中的创新原理提示，经过分析，采用“分割”原理，将互相矛盾的要求分别用相互独立的部件实现：整个传送带以生产所需的速度向前运动，它的附加部件则以不同的速度运动。（3）最终方案将传送带设计成三个部分：中间的主体部分以生产所需的速度运动，将圆木送往砍削机；两边的传送带则以一定的相对速度向相反方向“错动”，摩擦圆木，调整圆木的方向，逐渐使其轴线方向与传送带轴向一致，从而达到定向的目的。3.2产品设计信息化系统课堂讨论：如何进行创新设计？试举例说明3.2产品设计信息化系统CAE技术和系统CAE（计算机辅助工程，ComputerAidedEngineering）是实现重大工程和工业产品计算分析、模拟仿真与优化设计的工程软件。CAE软件是计算力学、计算数学、相关的工程科学、工程管理学与现代计算机科学和技术相结合，而形成的一种综合性、知识密集型信息产品。CAD:Solidworks;Proe;Croe;……CAE:Ansys;Abacus;……3.2产品设计信息化系统（一）CAE系统CAE技术的关键是在三维实体建模的基础上，从产品的方案设计阶段开始，按照实际使用的条件进行仿真和结构分析；按照性能要求进行设计和综合评价，以便从多个设计方案中选择最佳方案。CAE系统不像CAD系统那样比较单一，其涉及的系统和方法很多，主要有有限元法技术、模态分析法技术、仿真技术、优化设计、可靠性设计等方面。（1）有限单元分析法。用计算机把复杂的零件形体自动分割成有限个形状简单的小块（称网格单元），然后逐个分析、计算这些小单元体的变形，并按一定的关系求得零件的总变形。（2）模态分析法（modality）。模态分析是研究结构动力特性一种近代方法，是系统辨别方法在工程振动领域中的应用。3.2产品设计信息化系统（3）仿真技术。仿真技术是一门多学科的综合性技术，它以控制论、系统论、相似原理和信息技术为基础，以计算机和专用设备为工具，利用系统模型对实际的或设想的系统进行动态试验。包括：物流仿真运动仿真制造过程仿真产品装配仿真虚拟样机与产品工作性能评测（4）优化设计。CAE系统采用参数优化方法进行方案优选，使方案设计考虑的因素更为精细、全面和合理。不同的产品往往有不同的方案优化设计系统。（5）可靠性分析。通过计算机进行可靠性分析，使工程师能过预测和改善其设计方案的疲劳性能，减少可靠性试验次数。3.2产品设计信息化系统（二）CAE技术在汽车产品开发中的应用CAE则是在保证产品设计的质量、寿命、性能、成本等方面发挥着重要作用。CAE技术在汽车产品开发中效果突出，其分析方法的准确性和精确性已得到普遍认可，几乎所有的中国汽车企业都采用了CAE技术。运用CAE仿真技术，对“原型车”和开发车系统进行仿真，可以在概念设计阶段就精确地预测和控制零部件乃至整车的性能和结构可靠性，从而在开发初期就能使未来产品性能和结构指标得到保证。CAE技术的采用可以节约大量成本和时间。例如福特汽车2000年应用CAE技术后，新车型开发周期从36个月降低到12～18个月；开发后期设计修改率减少50%；原型车制造和试验成本减少50%；投资收益提高50%。3.2产品设计信息化系统CAD技术和系统

CAD（计算机辅助设计，ComputerAidedDesign）是用计算机系统协助产生、修改、分析和优化设计的技术。CAD技术将计算机高速、海量数据存储及处理和挖掘能力与人的综合分析及创造性思维能力结合起来，对加速工程和产品的开发、缩短设计制造周期、提高质量、降低成本、增强企业市场竞争能力与创新能力发挥着重要作用。3.2产品设计信息化系统现代CAD系统的功能主要有：设计组件重用；简易的设计修改和版本控制功能；设计的标准组件的自动产生；设计是否满足要求和实际规则的检验；无需建立物理原型的设计模拟；装配件(一堆零件或者其他装配件)的自动设计；工程文档的输出，例如制造图纸，材料明细表；设计到生产设备的直接输出；到快速原型或快速制造工业原型的机器的直接输出。3.2产品设计信息化系统根据CAD系统模型的特点，CAD系统一般被分为二维CAD系统和三维CAD系统。（一）二维CAD系统二维CAD系统将工程设计图纸看成是点、线、圆、弧、文本等几何元素的集合，系统内表达的任何设计都变成了几何图形，所依据的数学模型是纯几何模型，系统记录了这些图素的几何特征。右图所示为二维CAD系统的数据模型图3-5二维CAD系统的数据模型3.2产品设计信息化系统（二）三维CAD系统三维CAD系统的核心是产品的三维模型。三维模型是在计算机中将产品的实际形状表示成为三维的模型，模型中包括了与产品几何体结构有关的点、线、面、体的各种信息。计算机三维模型的描述已经历了从线框模型、表面模型到实体模型的发展，所表达的几何体信息越来越完整和准确，能“设计”的范围越来越广。3.2产品设计信息化系统三维CAD的特点：（1）设计过程直观、设计效率高；（2）三维特征和参数化功能更加准确地表达设计人员的设计意图，使设计过程更加符合设计人员的设计习惯和思维方式，从而使设计人员可以更加专注于产品设计本身，而不是产品的图形表示。（3）三维CAD系统具有高级的曲面造型工具，能够构造各种复杂的产品形状。（4）利用三维的产品模型可以进行产品的装配设计。（5）通过赋予零部件一定的物理属性就可以进行产品结构分析和各种物理特性计算。（6）产品的三维模型可以直接通过投影自动生成二维工程图；（7）设计结果也可以为后续设计模块，如工程分析、数控加工等应用。（8）三维造型系统能方便地与CAE系统集成，支持结构分析的前后处理和设计仿真等复杂设计过程，方便地与工艺和辅助制造系统集成，能提供数控加工所需的信息；（9）三维CAD系统价格相对较贵；需要巨大的信息存储空间，对硬件的要求较高；对用户的知识和操作技巧要求较高，掌握起来比较困难。3.产品技术信息化CONTENTSPAGE3.1产品技术信息化概述3.2产品设计信息化系统3.3产品制造信息化系统3.4产品技术信息化集成技术3.3产品制造信息化系统产品制造信息化系统概述制造阶段包括产品工艺设计、数控加工编程、制造质量管理和产品测试等阶段。产品工艺设计阶段：需要按照设计图纸，根据订单要求，结合企业的制造装备，进行产品工艺计划编制，提供给制造车间有关产品的工艺文件。在该阶段，主要采用计算机辅助工艺设计（CAPP）技术。数控加工编程阶段：需要按照设计图纸，根据企业的数控加工机床的特点，进行数控加工编程，提供给制造车间有关零件的数控程序。在该阶段，主要采用计算机辅助制造（CAM）技术。产品制造和装配阶段：需要对产品的质量进行管理，主要采用计算机辅助质量管理（CAQ）技术。产品测试阶段：随着三坐标测量机、虚拟仪器等的使用，将越来越多地采用计算机辅助测试（CAT）技术。3.3产品制造信息化系统产品制造阶段各环节所需要的信息系统如下图所示。图3-6产品制造阶段各环节所需要的信息系统3.3产品制造信息化系统CAPP技术和系统

CAPP(计算机辅助工艺设计，ComputerAidedProcessPlanning)是指借助于计算机软硬件技术和支撑环境，利用计算机进行数值计算、逻辑判断和推理等功能来制定零件的机械加工工艺过程。CAPP系统的实施就是为了缩短工艺编制的时间，优化工艺并实现工艺编制的自动化，减轻工艺编制人员的劳动强度；CAPP系统的应用还可以使企业的工艺文件实现标准化，实现企业内部数据的高度统一，标准化的工艺文件更加适合企业现代化的生产与管理环境，方便企业应用PDM，ERP等系统。81工艺设计任务树工艺设计确定毛坯类型确定表面特征元素制订工艺流程工序设计识别工件材料类别确定毛坯类别外部特征元素内部特征元素确定毛坯尺寸选择表面的各准备工序确定工艺流程内容工序规划机床选择选择装夹方式通用工夹量具选择专用工夹量具设计规划工序内容设计工序图设计确定工序中的各工步内容和次序工步设计工时成本计算选择切削用量确定工艺尺寸选择加工余量3.3产品制造信息化系统823.3产品制造信息化系统（一）CAPP系统的构成（1）控制模块。控制模块的主要任务是协调各模块的运行，使人机交互的窗口，实现人机之间的信息交流，控制零件信息的获取方式；（2）零件信息输入模块。当零件信息不能从CAD系统直接获取时，用此模块实现零件信息的输入；（3）工艺过程设计模块。工艺过程设计模块进行加工工艺流程的决策，产生工艺过程卡，供加工及生产管理部门使用；（4）工序决策模块。工序决策模块的主要任务是生成工序卡，对工序间尺寸进行计算，生成工序图；（5）工步决策模块。工步决策模块对工步内容进行设计，确定切削用量，提供形成NC加工控制指令所需的刀位文件；3.3产品制造信息化系统（6）NC加工指令生成模块。NC加工指令生成模块依据工步决策模块所提供的刀位文件，调用NC指令代码系统，产生NC加工控制指令；（7）输出模块。输出模块可输出工艺流程卡、工序卡、工步卡、工序图及其他文档，输出亦可从现有工艺文件库中调出各类工艺文件，利用编辑工具对现有工艺文件进行修改的到所需的工艺文件；（8）加工过程动态仿真。加工过程动态仿真对所产生的加工过程进行模拟，检查工艺的正确性。85控制模块：协调各模块的运行，实现人机间信息交流，控制产品设计信息获取方式零件信息获取模块：产品设计信息输入工艺路线设计模块：加工工艺流程决策，生成工艺过程卡工序决策模块：选定加工设备、定位安装方式、加工要求，生成工序卡输出模块：输出工艺流程卡、工序和工步卡，工序图…

工步决策模块：选择刀具轨迹、加工参数，确定加工质量要求，生成工步卡及提供形成NC指令所需的刀位文件86产品设计数据库：存放CAD系统完成的产品设计信息制造资源数据库：存放企业加工设备、工装工具等制造资源的相关信息存工艺知识数据库：存放产品制造工艺规则、工艺标准、工艺数据手册、工艺信息处理的相关算法和工具…

典型案例数据库：存放零件族典型零件的工序卡、工步卡、工艺流程图、加工参数…，供系统参考使用制造工艺文件库：存放CAPP系统生成的产品制造工艺信息，供输出工艺文件、数控加工编程和生产管理与运行控制系统使用编辑工具数据库：存放工艺流程图、工序卡、工步卡等系统输入输出模板、手工查询工具和系统操作工具集…

3.3产品制造信息化系统CAPP系统按其工作原理可分为派生式、创成式和综合式等。（1）派生式CAPP。派生式CAPP系统是利用零件的相似性来检索现有工艺规程的一种软件系统，该系统是建立在成组技术基础上，按照零件几何形状或工艺的相似性归类成族，建立该零件族零件的典型工艺规程。派生式CAPP系统的工作原理如右图所示。（二）CAPP系统的分类图3-7派生式CAPP系统工作原理3.3产品制造信息化系统（2）创成式CAPP。创成式CAPP系统应是一个能综合零件加工信息，自动地为一个新零件创造工艺规程的系统。创成式CAPP系统工作原理图如下图所示。图3-8创成式CAPP系统工作原理3.3产品制造信息化系统（3）综合式CAPP。综合式CAPP也称半创成式CAPP系统，它综合派生式CAPP与创成式CAPP的方法和原理，采取派生与自动决策相结合的方法生成工艺规程。综合式CAPP系统工作原理图如下图所示。图3-9综合式CAPP系统工作原理3.3产品制造信息化系统（三）CAPP系统的功能模型CAPP系统基本构成视CAPP系统的工作原理、产品对象、规模大小不同而有较大的差异。其功能模型如下图所示。图3-10CAPP系统的功能模型3.3产品制造信息化系统（四）CAPP的关键技术——成组技术成组工艺（GroupTechnology）是把不同产品中的尺寸、形状、工艺等相近似的零件组成一个个零件族，按零件族制定工艺进行生产制造，这样就扩大了批量，减少了品种，便于采用高效率的生产方式，从而提高了劳动生产率，为多品种、小批量生产提高经济效益开辟了一条途径。3.3产品制造信息化系统CAM技术和系统CAM(计算机辅助制造，ComputerAidedManufacturing)利用计算机来进行生产设备管理控制和操作的过程。如数字控制(NumericalControl，简称NC)和增材制造（3D打印）。（一）数字控制技术数字控制(NumericalControl，NC)技术是用数字化信息进行控制的自动控制技术。采用数控技术控制的机床称之为数控机床，数控机床的结构如下图所示。常用的数控机床有数控车床、数控铣床、加工中心等。图3-11数控机床的组成3.3产品制造信息化系统（二）增材制造（3D打印）技术

增材制造（AdditiveManufacturing，AM）技术，俗称3D打印。借助类似于打印机的数字化制造设备，以非去除加工的方式，分层制造，叠加出各类工业、日用产品或艺术品。该项技术发展已有20余年。3D打印技术无需传统加工机床和工模具，据CAD图形可直接制作形状非常复杂的工件，通常只需切削法30％～50%的工时和20％～35%的成本。被誉为制造业的一场革命并获得了广泛的应用。3.3产品制造信息化系统3D打印技术的独特优势主要有：（1）无需机械加工或任何工装模具，经相应的成形设备，利用计算机图形数据生成任何形状的三维实体；（2）大大缩短产品的研制周期，提高生产率并降低生产成本；（3）不受形状复杂程度的限制，可以制造出传统生产技术无法做成的复杂外形或内腔；（4）让设计能以最优化的方式实现产品功能，而无需顾及任何制造方法的困难；（5）原材料消耗可降至最低。3.3产品制造信息化系统增材制造的数据处理流程如图1所示。广义的3D打印技术如图2所示。图1增材制造的数据处理流程图2广义的3D打印技术类型3.3产品制造信息化系统其技术类型、使用材料以及产品使用领域如下表所示。表3-23D打印技术一览表3.3产品制造信息化系统目前市场上主要应用的3D打印技术有：FDM熔融层积成型技术、SLA立体平版印刷技术、SLS选区激光烧结技术、SLM是选择性激光熔化技术等。

（1）FDM熔融层积成型技术。FDM熔融层积成型技术是将丝状的热熔性材料加热融化，同时三维喷头在计算机的控制下，根据截面轮廓信息，将材料选择性地涂敷在工作台上，快速冷却后形成一层截面。一层成型完成后，机器工作台下降一个高度（即分层厚度）再成型下一层，直至形成整个实体造型。其成型材料种类多，成型件强度高、精度较高，主要适用于成型小塑料件。FDM熔融层积成型技术工作原理如图所示。图3-14FDM工作原理3.3产品制造信息化系统（2）SLA立体平版印刷技术。SLA立体平版印刷技术以光敏树脂为原料，通过计算机控制激光按零件的各分层截面信息在液态的光敏树脂表面进行逐点扫描，被扫描区域的树脂薄层产生光聚合反应而固化，形成零件的一个薄层。一层固化完成后，工作台下移一个层厚的距离，然后在原先固化好的树脂表面再敷上一层新的液态树脂，直至得到三维实体模型。该方法成型速度快，自动化程度高，可成形任意复杂形状，尺寸精度高，主要应用于复杂、高精度的精细工件快速成型。SLA快速成型系统工作原理如图所示。图

3-15SLA快速成型系统工作原理3.3产品制造信息化系统（3）SLS选区激光烧结技术。SLS选区激光烧结技术是通过预先在工作台上铺一层粉末材料（金属粉末或非金属粉末），然后让激光在计算机控制下按照界面轮廓信息对实心部分粉末进行烧结，然后不断循环，层层堆积成型。该方法制造工艺简单，材料选择范围广，成本较低，成型速度快，主要应用于铸造业直接制作快速模具。SLS选区激光烧结技术工作原理如图所示。图3-16原理SLS选区激光烧结技术工作原理4）SLM是选择性激光熔化技术。SLM是选择性激光熔化，顾名思义也就是在加工的过程中用激光使粉体完全熔化，不需要黏结剂，成型的精度和力学性能都比SLS要好。3.3产品制造信息化系统3.3产品制造信息化系统CAT技术和系统

CAT（计算机辅助测试，ComputerAidedTesting）是指利用计算机协助进行测试的一种方法。计算机辅助测试可以用在不同的领域。在教学领域，可以使用计算机对学生的学习效果进行测试和学习能力估量，一般分为脱机测试和联机测试两种方法。在软件测试领域，可以使用计算机来进行软件的测试，提高测试效率。

CAT领域的产品线包括三维空间扫描仪、检测臂等，主要为客户带来高精度的测量数据。产品的检测尺寸跨越度很大，既可以做精密零部件和产品的尺寸检测，也可为工厂、流程工业提供大尺度的测量服务，在此基础上，还可以为企业用户提供测量的全面解决方案。主要涉及汽车、国防军工、航空航天等行业。

3.3产品制造信息化系统三维测量技术：在许多领域，如机器视觉、面形检测、实物仿形、自动加工、产品质量控制、生物医学等，物体的三维信息是必不可少的。因此三维物体面形轮廓测量得以发展。随着计算机技术、光电子技术的迅速发展，新的光学三维扫描技术和计量方法也不断涌现，三维测量技术（ThreeDimensionalMeasurementTechnique）已成为打通复杂零部件数字化设计、制造、检测一体化流程的关键环节。3.3产品制造信息化系统三维测量技术的意义主要有两个方面：一是大范围：航空航天、能源电力等领域的复杂零部件种类繁多，尺寸各异；需要对自由形面、几何特征、关键点等几何要素进行快速统一测量；二是多状态：需对复杂零部件研发、制造和运行等多状态下进行快速的静、动态三维测量。3.3产品制造信息化系统目前，数字化测量方法主要有接触式和非接触式两大类。具体分类如图所示。图3-17三维测量方式分类3.3产品制造信息化系统典型的接触式测量方法为三坐标测量法。接触式测量优点主要有：较高的准确性和可靠性；与工件表面的反射特性、颜色及曲率关系不大；可快速准确地测量出物体的基本几何形状，如面、圆、圆柱、圆锥、圆球等。缺点主要有：需要特殊夹具，测量成本高，测量速度慢；探针易磨损；检测一些内部元件受测头半径限制；测量接触力影响测量精度。

3.3产品制造信息化系统非接触式测量法按其原理不同，可分为光学式、声学式以及电磁学式。主要优点有：不必做测头半径补偿；测量速度非常快；软工件、薄工件、不可接触的高精密工件可直接测量。主要缺点有：测量精度较差；易受工件表面反射特性的影响，如颜色、斜率等；易受环境光线及杂散光影响；对边线处理、凹孔处理以及不连续形状处理比较困难。3.产品技术信息化CONTENTSPAGE3.1产品技术信息化概述3.2产品设计信息化系统3.3产品制造信息化系统3.4产品技术信息化集成技术3.4产品技术信息化集成技术产品技术信息化集成技术概述企业要求产品设计与制造紧密结合，其目标是产品设计、工程分析、工程模拟直至产品制造过程中死亡数据具有高度的一致性，减少信息传递误差。由于CAD、CAM、CAPP、CAT等系统是独立发展起来的，所以它们的数据模型彼此不兼容。它们之间的信息传递出现了中断。在使用CAM、CAPP、CAT等子系统时，需要补充输入各种非几何信息，甚至还要重复输入加工特征信息。因此需要研究CAD、CAM、CAPP、CAT的集成技术。3.4产品技术信息化集成技术多个产品技术信息化系统集成形成产品技术信息化平台，根据需要可采取不同的集成技术，主要有：基于信息编码技术的产品技术信息化集成技术（如图1所示）、基于专用数据格式的产品技术信息化集成技术（如图2所示）、基于标准的数据格式的产品技术信息化集成技术（如图3所示）、基于统一产品数据模型的产品技术信息化集成技术（如图4所示）、基于统一数据管理平台的产品技术信息化集成技术（如图5所示）基于WEB的产品技术信息化集成技术（如图6所示）等。3.4产品技术信息化集成技术图6基于WEB的产品技术信息化集成技术图5基于统一数据管理平台的产品技术信息化集成技术图4基于统一产品数据模型的产品技术信息化集成技术图1基于信息编码技术的产品技术信息化集成技术图3基于标准的数据格式的产品技术信息化集成技术图2基于专用数据格式的产品技术信息化集成技术3.4产品技术信息化集成技术

CAD/CAPP集成技术基于信息编码技术的CAD/CAPP集成：典型零件对应典型工艺。对于新零件的设计，只要能通过其编码找到相似的典型零件的典型工艺，就可以在此基础上进行修改，即可快速得到所要的零件图和工艺过程，这种集成模式需要人工的干预，但将相似零件归类加工比较方便，并有助于减少零件及工艺文件的多样化。其原理如图所示。图3-24基于信息编码技术的CAD/CAPP集成3.4产品技术信息化集成技术基于人工智能技术的CAD/CAPP集成：这是直接用CAPP系统可识别和理解的特征描述CAD系统中的零件模型，结合工艺知识库及推理机就可以自动产生新零件的工艺文件。应用的关键是在CAD系统中应用中需要应用CAPP系统可识别和理解的特征描述其产品模型以及很难获取工艺知识。其原理如图所示。图3-25基于人工智能技术的CAD/CAPP集成3.4产品技术信息化集成技术CAD/CAPP/CAM集成技术基于信息编码技术的CAD/CAPP/CAM集成：对于新零件的设计，只要能通过其编码找到最最相似的典型零件、典型工艺和典型数控程序后，就可以在此基础上进行修改，快速得到所要的零件图、工艺过程和数控程序。其原理如图所示。图3-26基于信息编码技术的CAD/CAPP/CAM集成3.4产品技术信息化集成技术基于人工智能技术的CAD/CAPP/CAM集成：该方法主要用于自动生成全部采用数控加工的零件的工艺文件和数控程序，如Pro/E等CAD系统。其原理如图所示。图3-27基于人工智能技术的CAD/CAPP/CAM集成3.4产品技术信息化集成技术CAD/CAPP/CAM系统之间信息交换的方式（3种方式）（1）通过专用数据格式文件交换产品信息的集成方式。这种方式的特点是原理简单。但当子系统较多时，接口程序增多，而且编写接口时需要了解的数据结构也较多，当一个系统的数据结构发生变化时，引起的修改量也较多。这是CAD/CAPP/CAM系统发展初期所采用集成方式。图3-19基于专用数据格式的产品技术信息化集成技术3.4产品技术信息化集成技术（2）通过标准数据格式的文件交换产品信息的集成方式。系统中存在一个与各子系统无关的标准格式，各子系统的数据通过前置处理转换成标准格式的文件。各子系统也可以通过后置处理，将标准格式文件，转换为本系统所需要的数据。这种集成方式每个子系统只与标准格式文件打交道，无需知道别的系统细节，为系统的开发者和使用者提供较大的方便，并可以减少集成系统模型统一问题，且运动效率较低，也不能算是一种十分理想的集成方式。图3-20基于标准的数据格式的产品技术信息化集成技术3.4产品技术信息化集成技术（3）通过统一的产品数据模型交换的集成方式。这种集成方式的原理是：建立CAD/CAPP/CAM范围内相对统一的、基于特征的产品数据定义模型，并以此模型为基础，运用产品数据交换技术，实现CAD、CAPP、CAM间的数据交换与共享。如图所示。图3-21基于统一产品数据模型的产品技术信息化集成技术3.4产品技术信息化集成技术产品数据交换技术：产品数据是指覆盖产品整个生命周期中各个环节的应用而全面定义的所有数据，包括为进行设计、分析、制造、测试、检验和维护而全面定义的零部件所需要的几何、拓扑、公差、关系、属性和性能等数据，另外还包括一些与处理有关的数据。产品数据管理和产品交换标准是CAD/CAPP/CAM集成的重要基础。STEP(产品模型数据交互规范，StandardfortheExchangeofProductModelData)标准是国际标准化组织制定的描述整个产品生命周期内产品信息的标准。它提供了一种不依赖具体系统的中性机制，旨在实现产品数据的交换和共享。这种描述的性质使得它不仅适合于交换文件，也适合于作为执行和分享产品数据库和存档的基础。它的应用显著降低了产品生命周期内的信息交换成本，提高了产品研发效率，成为制造业进行国际合作、参与国际竞争的重要基础标准，是保持企业竞争力的重要工具。3.4产品技术信息化集成技术STEP是一个描述怎样表达和交换数字化产品信息的ISO标准(IS010303)。STEP包含几何、拓扑、公差、约束、属性、装配、尺寸和其他许多方面的内容，因此，STEP被构造成一个由多个分部组成的ISO标准。它的主要特点有：（1）可扩充性。用EXPRESS的语言来定义描述产品所需的信息，还能表达约束。