数字化设计制造实训指导

第1章数字化设计及制造技术概论 数字化设计及制造技术是指利用计算机软硬件及网络环境，实现产品开发全过程的一种技术，即在网络和计算机辅助下通过产品数据模型，全面模拟产品的设计、分析、装配、制造等过程。数字化设计与制造不仅贯穿企业生产的全过程，而且涉及企业的设备布置、物流物料、生产计划、成本分析等多个方面。数字化设计与制造技术的应用可以大大提高企业的产品开发能力、缩短产品研制周期、降低开发成本、实现*佳设计目标和企业间的协作，使企业能在*短时间内组织全球范围的设计制造资源开发出新产品，大大提高企业的竞争能力。 1.1数字化设计技术 数字化设计，可以分成“数字化”和“设计”两部分。 数字化就是把各种各样的信息都用二进制的数字来表示，数字化技术起源于二进制数学，在半导体技术和数字电路学的推动下使得很多复杂的计算可以由机器或电路完成。发展到今天，微电子技术更是将我们带到了数字化领域的前沿。 设计就是设想、运筹、计划和预算，它是人类为了实现某种特定的目的而进行的创造性活动。设计具有多重特征，同时广义的设计涵盖的范围很大。设计有明显的艺术特征，又有科技的特征和经济的属性。从这些角度看，设计几乎包括了人类能从事的一切创造性工作。设计的另一个定义是指控制并且合理的安排视觉元素：线条、形体、色彩、色调、质感、光线、空间等，涵盖艺术的表达和结构造型。设计是特殊的艺术，其创造的过程是遵循实用化求美法则的。设计的科技特性表明了设计总是受到生产技术发展的影响。 数字化设计就是数字技术和设计的紧密结合，是以先进设计理论和方法为基础、以数字技术为工具，实现产品设计全过程中所有对象和活动的数字化表达、处理、存储、传递及控制。其特征表现为设计的信息化、智能化、可视化、集成化和网络化，其主要研究内容包括产品功能数字化分析设计、产品方案数字化设计、产品性能数字化设计、产品结构数字化设计和产品工艺数字化设计'其方法是产品信息系统集成化设计。 产品的竞争力主要体现在研发周期、成本、质量和服务等几个方面。为提高这些方面的竞争力，世界各国知名制造厂商都在大力采用数字化设计制造技术改进企业。如美国通用汽车公司应用数字化设计制造技术后，将新轿车的研发周期由原来的48个月缩短到24个月，碰撞试验的次数由原来的几百次降低到几十次，应用电子商务技术后又将销售成本降低了10%。 美国波音公司以Boeing-777为标志，建立了世界上**台全数字化飞机样机（图1-1），这是制造业数字化设计制造技术发展的一个里程碑。采用产品数字化定义（DPD）、数字化预装配（DPA）和并行工程（CE）后，达到了设计更改量和返工量比传统方法减少50%、研制周期缩短50%的显著效果，*重要的是可以保证飞机从设计、制造到试飞一次成功。以制造联合攻击战斗机JSF为代表的全球性虚拟制造企业，开创了数字化网络生产方式。美国与英国、土耳其、意大利等八国建立了以项目为龙头的全球虚拟动态联盟，充分利用这些国家已有的技术、人力、资金和设备等资源，实现异地设计制造，在加速产品研制和生产方面，取得了巨大的成功，总体上达到了缩短设计周期50%、缩短制造周期66%、降低制造成本50%的效果。 图1-1飞机制造业采用的数字化样机 目前为止，数字化设计技术的发展历程可以大体上划分为以下五个阶段： （1）CA：工具的广泛应用。自20世纪50年代开始，各种CAD/CAM工具开始出现并逐步应用到制造业中。这些工具的应用表明制造业已经开始利用现代信息技术来改进传统的产品设计过程，标志着数字化设计的开始。 （2）并行工程思想的提出与推行。20世纪80年代后期提出的并行工程是一种新的指导产品开发的哲理，是在现代信息技术的支持下对传统的产品开发方式的一种根本性改进。PDM（产品数据管理）技术及DF：（如DFM、DFA等）技术是并行工程思想在产品设计阶段应用的具体体现。 （3）虚拟样机技术。随着技术的不断进步，仿真在产品设计过程中的应用变得越来越广泛而深刻，由原先的局部应用（单一领域、单点）逐步扩展到系统应用（多领域、全生命周期）。虚拟样机技术正是这一发展趋势的典型代表。 虚拟样机技术是一种基于虚拟样机的数字化设计方法，是各领域CAx/DFx技术的发展和延伸。虚拟样机技术进一步融合先进建模/仿真技术、现代信息技术、先进设计制造技术和现代管理技术，将这些技术应用于复杂产品全生命周期和全系统，并对它们进行综合管理。虚拟样机技术与传统产品设计技术相比，强调系统的观点，涉及产品全生命周期，支持对产品的全方位测试、分析与评估和强调不同领域的虚拟化的协同设计。 （4）协同仿真技术。协同仿真技术将面向不同学科的仿真工具结合起来构成统一的仿真系统，其可以充分发挥仿真工具各自的优势，同时还可以加强不同领域开发人员之间的协调与合作。目前HLA规范已经成为协同仿真技术的重要国际标准，基于HLA的协同仿真技术也将会成为虚拟样机技术的研究热点之一。 （5）多学科设计优化技术（MDO）。复杂产品的设计优化问题可能包括多个优化目标和分属不同学科的约束条件。现代的MDO技术为解决学科间的冲突，寻求系统的全局*优解提供了可行的技术途径。目前MDO技术在国外已经有了许多成功的案例，并出现了相关的商用软件，典型的如Engineous公司的iSIGHT。国内关于MDO技术的研究和应用也已经展开。 宏观上看，数字化设计技术的发展历程正相当于现代信息技术在产品设计领域中的应用由点发展为线，再由线发展为面的过程。仿真的广泛应用正在成为当前数字化设计技术发展的主要趋势。随着虚拟样机概念的提出，使得仿真技术的应用更加趋于协同化和系统化。开展关于虚拟样机及其关键技术的研究，必将提高企业的自主设计开发能力，推动企业的信息化进程。 1.2数字化制造技术 数字化制造技术是在数字化技术和制造技术融合的背景下，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性能要求的产品的整个制造过程。 通俗地说，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和数据，再以这些数字和数据为基础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**次可以利用“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，从而各类信息的采集、处理、贮存和传输实现了标准化和高速处理。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。数字化制造内涵包括三个层面：以设计为中心的数字化制造技术、以控制为中心的数字化制造技术和以管理为中心的数字化制造技术。 数字化制造技术的起源主要从以下八个方面展现出来： 1. NC机床（数控机床）的出现 1952年，美国麻省理工学院MIT*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，**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。 2. CAM处理系统APT （自动编程工具）出现 1955年美国麻省理工学院伺服机构实验室公布了APT（Automatically Programmed Tools）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*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**台加工中心。 4. CAD（计算机辅助设计）软件的出现 1963年在美国出现了CAD的商品化的计算机绘图设备，进行二维绘图。70年代，出现了三维的CAD表现造型系统，70年代中期，出现了实体造型系统。 5. FMS （柔性制造系统）的出现 1967年，美国出现了多台数控机床连接而成的可调加工系统，这就是*初的柔性 制造系统（FlexibleManufacturing System，FMS）。 6. 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与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 年制订了数据交换规范 IGES （Initia Graphics Exchange Specifications），从 而实现CAD/CAM的融合。 7. CIMS （计算机集成制造系统）的出现和应用 80年代中期，出现计算机集成制造系统（Computer Integrated Manufacturing System， CIMS），波音公司成功将其应用于飞机设计、制造和管理，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 —体化三维软件大量出现，如：CADAM，CATIA， UG，-DEAS，Pro/E，ACIS，MASTERCAM等，并应用到机械、航空航天、汽车和造船等领域。 1.3数字化设计及制造技术的主要内容 数字化设计及制造技术已经越来越多地应用在加工领域，CAD/CAM软件技术也 在飞速发展，也出现了很多的其他软件产品，这些软件产品根据自身的开发档次及其适 用度，被广泛应用在不同加工场合，大大节省了设计及制造的时间周期，并在一定程度 上提高了精度和速度。 数字化设计及制造技术集成了现代设计制造过程中的多项先进技术，包括三维建 模、装配分析、优化设计、系统集成、产品信息管理、虚拟设计与制造和多媒体和网络 通信等，是一项多学科的综合技术。涉及的主要内容有： 1. CAD/CAE/CAPP/CAM/PDM CAD/CAE/CAPP/CAM分别是计算机辅助设计、计算机辅助工程、计算机辅助工 艺过程设计和计算机辅助制造的英文缩写，它们是制造业信息化中数字化设计及制造技 术的核心，是实现计算机辅助产品开发的主要工具。 PDM技术集成并管理与产品有关的信息、过程及人与组织，实现分布环境中的数 据共享，为异构计算机环境提供了集成应用平台，从而支持CAD/CAE/CAPP/CAM 系统过程的实现。 1） CAD——计算机辅助设计 CAD在早期是英文Computer Aided Drawing （计算机辅助绘图）的缩写，随着计 算机软硬件技术的发展，人们逐步地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、结构分析和加 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Computer Aided Drawing改为Computer Aided Design， 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。 2） CAE——计算机辅助工程分析 计算机辅助工程分析（ComputerAided Engineer