產品數(shù)字化設計實踐

1、產品數(shù)字化設計實踐論文報告西安電子科技大學機電工程學院任星實現(xiàn)數(shù)字化設計制造的關鍵技術摘要 制造業(yè)是一個國家或地區(qū)經濟發(fā)展的重要支柱，將數(shù)字化技術用于設計制造過程中，可大大提高制造過程的柔性和加工過程的集成性，從而提高產品生產過程的質量和效率，增強工業(yè)產品的市場競爭力。本文就數(shù)字化設計制造的意義內涵和關鍵技術進行了闡釋。并且就現(xiàn)在流行的兩種三維設計軟件進行了各自的功能闡釋，以及就此對兩種軟件的功能進行對比，得出結論。關鍵詞 數(shù)字化 設計 制造 關鍵技術 功能一數(shù)字化設計制造的意義及內涵1.1數(shù)字化設計制造的意義數(shù)字化設計制造是指利用計算機軟硬件及網(wǎng)絡環(huán)境，實現(xiàn)產品開發(fā)全過程的一種技術。即在網(wǎng)絡

2、和計算機輔助下通過產品數(shù)據(jù)模型，全面模擬產品的設計、分析、裝配、制造等過程。數(shù)字化設計與制造不僅貫穿企業(yè)生產的全過程，而且涉及企業(yè)的設備布置、物流物料、生產計劃、成本分析等多個方面。數(shù)字化設計與制造技術的應用可以大大提高企業(yè)的產品開發(fā)能力、縮短產品研制周期、降低開發(fā)成本、實現(xiàn)最佳設計目標和企業(yè)間的協(xié)作，使企業(yè)能在最短時間內組織全球范圍的設計制造資源開發(fā)出新產品，大大提高企業(yè)的競爭能力。數(shù)字化設計制造可精確地預測和評價產品的可制造性、加工時間、制造周期、生產成本、零件的加工質量、產品質量和制造系統(tǒng)運行性能，零件和產品的可制造性分析、生產規(guī)劃與工藝規(guī)劃的評價與確認。制造技術已從物質形式的制造向信息

3、制造轉變，產品中知識信息的價值占據(jù)越來越高的比例。這不但反映在產品本身，而且體現(xiàn)在產品的整個生命周期，特別是設計制造環(huán)節(jié)。制造業(yè)是國民經濟持續(xù)增長的發(fā)動機、國家安全的重要保障及國家綜合實力的主要體現(xiàn)。作為先進制造技術與信息技術相結合的產物，數(shù)字化設計與制造技術已成為世界各國在科技競爭中搶占制高點的突破口。數(shù)字化信息技術是當今社會發(fā)展最快的先進技術，制造業(yè)的信息化必將促進我國制造業(yè)走上一條持續(xù)、快速、健康的發(fā)展之路。制造業(yè)是一個國家或地區(qū)經濟發(fā)展的重要支柱，其發(fā)展水平標志著該國家或地區(qū)的經濟實力、科技水平、生活水準和國防實力。當前提高制造生產能力的決定因素是各項高新技術的迅速發(fā)展及其在制造領域中

4、的廣泛滲透、應用和衍生，它促進了制造技術的蓬勃發(fā)展，改變了現(xiàn)代企業(yè)的產品結構、生產方式、生產工藝和裝備以及生產組織結構。1.2數(shù)字化設計制造的內涵數(shù)字化設計制造技術是改造傳統(tǒng)產業(yè), 實現(xiàn)產業(yè)升級的有力武器。為了實現(xiàn)技術創(chuàng)新, 改造傳統(tǒng)制造技術, 需吸收數(shù)字化技術, 采用數(shù)字化裝置通過計算機對產品制造過程進行控制, 實現(xiàn)數(shù)字化傳遞。按照產品的生命周期過程，數(shù)字化設計制造的內涵包括下面的內容：數(shù)字化設計制造在產品生命周期的創(chuàng)新和設計階段，采用的是3D CAD實體造型和基于模型的產品定義MBD，以及在3D模型和基于模型定義基礎上的各類對產品自身性能的仿真技術。數(shù)字化設計技術利用數(shù)字化的產品建模、仿真

5、、多學科綜合優(yōu)化、虛擬樣機以及信息集成與過程集成等技術和方法，完成產品的概念設計、工程與結構分析、結構性能優(yōu)化、工藝設計與數(shù)控編程。數(shù)字化設計可以實現(xiàn)機械裝備的優(yōu)化設計、提高開發(fā)決策能力、加速產品開發(fā)過程、縮短研制周期、降低研制成本。具體過程如：圖一表示數(shù)字化設計內涵、圖二表示數(shù)字化制造內涵圖一表示數(shù)字化設計內涵 圖二表示數(shù)字化制造內涵在設計制造業(yè)擁有數(shù)字化技術比重逐年上升，數(shù)字化設計制造將日益成為制造業(yè)優(yōu)質、低成本、快速響應市場需求的主流制造技術。此外，隨著社會的發(fā)展,人們生活質量的提高，人們對產品精度、可靠性的要求也越來越高，將數(shù)字化技術注入產品是提高產品精度和可靠性的有效途徑。數(shù)字化產品

6、既直觀又方便，便于與計算機連接，通過計算機控制產品進行信息處理，實現(xiàn)信息傳遞。在激烈的市場競爭中人們對機械產品和耐久消費產品如機床、汽車、家用電器等的要求越來越高，除性能、質量和價格外，還要求產品更加多樣化、個性化，產品的生產規(guī)模由大批量向多品種小批量方向發(fā)展，采用數(shù)字化制造技術不僅能夠滿足這種需求趨勢，還能夠快速響應市場。二數(shù)字化設計制造的關鍵技術隨著計算機技術的發(fā)展，數(shù)字化設計制造技術在制造業(yè)中的應用越來越廣泛。近年來，信息技術不斷地與設計制造技術相融合，使設計制造業(yè)日益走向數(shù)字化。數(shù)控技術方面已開發(fā)出了具有自主版權的四種數(shù)控系統(tǒng)和一批數(shù)控機床，這些技術的進步促進了數(shù)字化制造技術與產品的發(fā)

7、展，它不僅是制造過程的革命，也是產品的制造技術的革新。在數(shù)字化設計制造技術的發(fā)展過程中，有著其一系列的關鍵技術和核心技術。主要有如下幾點：（1）關鍵技術：制造過程的建模與仿真是在一臺計算機上用解析或數(shù)值的方法表達或建模制造過程。建模通常基于制造工藝本身的物理和化學知識，并為實驗所驗證。目前，仿真與建模已成為推進制造過程設計、優(yōu)化和控制的有效手段。網(wǎng)絡化敏捷設計與制造。利用快速發(fā)展的網(wǎng)絡技術，改善企業(yè)對市場的響應力。網(wǎng)絡化敏捷設計與制造重點發(fā)展領域應包括：敏捷信息基礎結構、敏捷產品設計技術、敏捷工藝設計技術、基于網(wǎng)絡的研究開發(fā)、敏捷生產技術。虛擬產品開發(fā)。虛擬產品開發(fā)有四個核心要素：數(shù)字化產品和

8、過程模型、產品信息管理、高性能計算與通訊和組織、管理的改變。（2）核心技術：計算機輔助工業(yè)設計，指以計算機技術為輔助手段進行產品的藝術化工業(yè)設計，主要是指對批量生產的工業(yè)產品的材料、外型、色彩、結構、表面加工等方面的設計工作。計算機輔助設計與制造(CADCAM)。計算機輔助設計與計算機輔助制造已密不可分，在許多領域尤其是模具業(yè)，由于其單件或小批量加工的特點采用CADCAM技術進行生產的優(yōu)勢非常明顯。CADCAM主要是指采用先進的計算機軟硬件手段進行產品三維造型、結構設計、裝配仿真、加工仿真、數(shù)控加工編程等。其中產品的三維造型是基礎，從CAD三維模型到數(shù)控加工程序的生成通常不需人工干預，可由CA

9、M軟件自動產生?？焖俪尚筒捎眉す獾燃夹g將樹酯、ABS、PC等材料按產品的三維造型進行快速燒結并成型。這種成型技術可以不必制造模具就做出完整的樣機。不僅可大大加速了新產品的開發(fā)進度，還可節(jié)約大量成本。三坐標測量及計算機輔助檢測(CMMCAI)。三維掃描測量的一半以上的應用為產品的快速檢測，即比較產品與設計間的誤差，從而找到改進產品制造工藝或設計方案的方法。常見的數(shù)字化方法包括三坐標測量機測量、光柵掃描、以及最新的三維激光掃描等多種。三坐標測量機測量的主要工具是三坐標測量機(CMM)，是目前使用最廣泛的高精度測量手段。三UG與Solidworks的功能闡釋與功能對比3.1 UG的功能闡釋UG軟件前

10、身來源于美國麥道飛機公司，70年代初麥道飛機公司開發(fā)UG軟件的目的是為了解決其復雜的加工問題。后來UG脫離麥道公司獨立出來，逐漸開發(fā)完善其軟件的設計部分，因此UG軟件在數(shù)控加工市場具有良好的口碑，占有大量的市場，尤其在高端多軸精密加工市場占有領先地位。但其設計軟件市場占有率不高，UG本身沒有良好的分析工具，因此其分析功能主要是借用第三方軟件。UG軟件提供了比較強的功能，基本滿足數(shù)字化設計制造的需要。UG實體建模提供了草圖設計、各種曲線生成、編輯、布爾運算、掃掠實體、旋轉實體、沿導軌掃掠、尺寸驅動、定義、編輯變量及其表達式、非參數(shù)化模型后參數(shù)化等工具。UG特征建模模塊提供了各種標準設計特征的生成

11、和編輯。UG自由曲面建模具有豐富的曲面建模工具。包括直紋面、掃描面、通過一組曲線的自由曲面、通過兩組類正交曲線的自由曲面、曲線廣義掃掠、標準二次曲線方法放樣、等半徑和變半徑倒圓、廣義二次曲線倒圓、兩張及多張曲面間的光順橋接、動態(tài)拉動調整曲面、等距或不等距偏置、曲面裁減、編輯、點云生成、曲面編輯。UG用戶自定義特征模塊提供交互式方法來定義和存儲基于用戶自定義特征。便于調用和編輯的零件族，形成用戶專用的UDF庫，提高用戶設計建模效率。UG工程繪圖模塊提供了自動視圖布置、剖視圖、各向視圖、局部放大圖、局部剖視圖、自動、手工尺寸標注、形位公差、粗糙度符合標注、支持GB、標準漢字輸入、視圖手工編輯、裝配

12、圖剖視、爆炸圖、明細表自動生成等工具。UG裝配建模具提供并行的自頂而下和自下而上的產品開發(fā)方法。UG鈑金設計模塊可實現(xiàn)如下功能：復雜鈑金零件生成；參數(shù)化編輯；定義和仿真鈑金零件的制造過程；展開和折疊的模擬操作；生成精確的二維展開圖樣數(shù)據(jù)；展開功能可考慮可展和不可展曲面情況，并根據(jù)材料中性層特性進行補償。UG有限元前后處理模塊可完成如下操作：全自動網(wǎng)格劃分；交互式網(wǎng)格劃分；材料特性定義；載荷定義和約束條件定義；NASTRAN接口；有限元分析結果圖形化顯示；結果動畫模擬；輸出等值線圖、云圖；進行動態(tài)仿真和數(shù)據(jù)輸出。UG有限元解算器可進行線性結構靜力分析、線性結構動力分析、模態(tài)分析等操作。UG軟件提

13、供的模擬加工制造方法也比較豐富實用。UG加工基礎模塊能在圖形方式下觀測刀具沿軌跡運動的情況、進行圖形化修改。UG的加工后置處理模塊使用戶可方便地建立自己的加工后置處理程序，該模塊適用于目前世界上幾乎所有主流NC機床和加工中心，該模塊在多年的應用實踐中已被證明適用于25軸或更多軸的銑削加工、24軸的車削加工和電火花線切割。UG樣條軌跡生成器模塊允許在UG軟件中直接生成基于Nurbs樣條的刀具軌跡數(shù)據(jù)，使得生成的軌跡擁有更高的精度和光潔度，而加工程序量比標準格式減少30%50%，實際加工時間則因為避免了機床控制器的等待時間而大幅度縮短。UG車削模塊提供粗車、多次走刀精車、車退刀槽、車螺紋、控制進給

14、量主軸轉速和加工余量等參數(shù)、在屏幕模擬顯示刀具路徑，可檢測參數(shù)設置是否正確和生成刀位原文件等功能。UG軟件也提供了豐富的模擬銑削功能。其中就包括型芯、型腔銑削，平面銑削，定軸銑削，可變軸銑削，順序銑等。UG線切割支持如下功能：UG線框模型或實體模型、進行2軸和4軸線切割加工、多種線切割加工方式，使用不同直徑的電極絲和功率大小的設置、可以用UG通用后置處理器來開發(fā)專用的后處理程序，生成適用于某個機床的機床數(shù)據(jù)文件。UG 切削仿真模塊是集成在UG軟件中的第三方模塊，它采用人機交互方式模擬、檢驗和顯示NC加工程序，是一種方便的驗證數(shù)控程序的方法。由于省去了試切樣件，可節(jié)省機床調試時間，減少刀具磨損和

15、機床清理工作。3.2 Solidworks的功能闡釋Solidworks公司成立于1993年，由PTC公司的技術副總裁與CV公司的副總裁發(fā)起，總部位于馬薩諸塞州的康克爾郡內，當初的目標是希望在每一個工程師的桌面上提供一套具有生產力的實體模型設計系統(tǒng)。1997年，Solidworks被法國達索公司收購，作為達索中端主流市場的主打品牌。SOLIDWORKS是被廣泛應用的三維設計軟件，在功能上與其它三維設計軟件大同小異但又各有千秋。Solidworks軟件的功能也是比較強大的，擅長設備零件的設計。TolAnalyst是一種公差分析工具，用于研究公差和裝配體方法對一個裝配體的兩個特征間的尺寸向上層疊所

16、產生的影響。ScanTo3D是從任何掃描器打開掃描數(shù)據(jù)（網(wǎng)格或點云文件）或從數(shù)學軟件中打開曲線數(shù)據(jù)，準備數(shù)據(jù)，然后將之轉換成曲面或實體模型。Solidworks Motion是精確模擬并分析裝配體的運動，同時合成運動算例單元的效果。其中運動約束、材料屬性、質量、及零部件接觸包括在 Solidworks Motion 運動學解算器計算中。Solidworks Simulation 提供了單一屏幕解決方案來進行應力分析、頻率分析、扭曲分析、熱分析和優(yōu)化分析。Solidworks Simulation 節(jié)省了搜索最佳設計所需的時間和精力，可大大縮短產品上市時間。Solidworks Routing

17、用于生成特殊類型的子裝配體，以在零部件之間創(chuàng)建管道、管筒、或其它材料的路徑。Solidworks Workgroup PDM應用程序為項目數(shù)據(jù)管理軟件，在Solidworks環(huán)境內部運行或作為獨自應用程序在Solidworks Explorer 中運行。Workgroup PDM以檢出、檢入、修訂控制及其它管理任務的步驟來控制項目。Solidworks Explorer 是一個文件管理工具，可幫助您進行諸如重新命名、替換和復制 Solidworks 文件之類的工作。Solidworks Task Scheduler 可讓您設置將來執(zhí)行的任務。例如如果您需要執(zhí)行資源消耗大的任務（如重建大型裝配體

18、），則可以使用 Solidworks Task Scheduler 在非高峰期執(zhí)行該工作。Solidworks的分析驗證工具也是比較實用全面的。Solidworks Design Checker 對標注尺寸的標準、字體、材料和草圖等設計要素進行驗證，以確保 Solidworks 文件滿足預定義的設計標準。Solidworks Utilities 是一套工具，可讓您詳細檢查實體模型的幾何體，并與其它模型作比較。FeatureWorks可以識別 Solidworks 零件文件中輸入實體的特征。Solidworks Toolbox包括標準零件庫，與 Solidworks 合為一體。選擇您的標準和想插

19、入的零件類型，然后將零部件拖動到您的裝配體。您可自定義 Toolbox 零件庫，使之包括您所需的標準，或包括您最常引用的零件。在 Solidworks 中使用新的零部件大小時，Toolbox 會根據(jù)您的用戶參數(shù)設置更新主零件文件以記錄配置信息或針對此生成零件文件。PhotoViw應用程序生成 Solidworks 模型具有特殊品質的逼真圖像，并且提供了許多專業(yè)渲染效果。在eDrawings Professional可觀看和動畫模型及工程圖，并創(chuàng)建便利發(fā)送給他人的文檔。Solidworks SimulationXpre為Solidworks 用戶提供了一個容易使用的初步應力分析工具。DFMXpr

20、ess是一種用于核準 Solidworks零件可制造性的分析工具。3D ContentCentral用于訪問零部件供應商和個人提供的所有主要 CAD 格式的 3D 模型。3.3 UG與Solidworks的功能對比UG偏向于較多的曲面造型設計，復雜的模具設計，數(shù)控加工制造，但是很難徹底掌握。大多數(shù)的汽車、航空公司用的都是UG。UG產品開發(fā)過程中無縫集成的完整解決方案；可控制的管理開發(fā)環(huán)境；全局的相關性；集成的仿真、驗證和優(yōu)化；知識驅動型自動化；滿足軟件二次開發(fā)需要的開放式用戶接口的這些特點，提供了一個很好的應用環(huán)境。具有統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫，真正實現(xiàn)了CAD/CAE/CAM等各模塊之間的無數(shù)據(jù)交換的自

21、由切換，可實施并行工程。采用復合建模技術，可將實體建模、曲面建模、線框建模、顯示幾何建模與參數(shù)化建模融為一體。用基于特征的建模和編輯方法作為實體造型基礎，形象直觀，類似于工程師傳統(tǒng)的設計辦法，并能用參數(shù)驅動。提供了界面良好的二次開發(fā)工具，并能通過高級語言接口使UG的圖形功能與高級語言的計算功能緊密結合起來。UG適合與協(xié)同設計裝配制造，而SOLIDWORKS適合與單獨設計零部件。Solidworks是最好入門的，功能也相對簡單的三維設計軟件。國內公司用Solidworks的比較多，其好學宜出圖方便模塊全,被稱為平民軟件。簡單的模具與造型設計以及機械設計用Solidworks較方便而且Solidwo