數(shù)字化設(shè)計與制造

數(shù)字化設(shè)計與制造一、背景在計算機技術(shù)出現(xiàn)從前，機械產(chǎn)品的設(shè)計與加工的方式向來都是圖紙設(shè)計和手工加工的方式，這類傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計與制造方式，這使得產(chǎn)品在質(zhì)量上完整依靠于產(chǎn)品設(shè)計人員與加工人員的專業(yè)技術(shù)水平，而數(shù)目上則完整依靠于產(chǎn)品加工人員的嫻熟程度，而跟著工業(yè)社會的不停發(fā)展，人們對機械產(chǎn)品的質(zhì)量提出了更高要求，同時數(shù)目上的需求也不停增加。為了適應(yīng)社會對機械產(chǎn)品在質(zhì)量與數(shù)目上的需求，同時也為了能進一步降低機械產(chǎn)品的生產(chǎn)成本，人們在努力追求一種嶄新的機械產(chǎn)品設(shè)計與加工方式，而二十世紀四五十年月以來計算機技術(shù)的出現(xiàn)及其發(fā)展，特別是計算機圖形學的出現(xiàn)，讓人們看到了改革傳統(tǒng)機械產(chǎn)品設(shè)計與生產(chǎn)方式的曙光。于是，數(shù)字化設(shè)計與制作方式應(yīng)運而生，人們逐漸將機械產(chǎn)品的設(shè)計與加工任務(wù)交給計算機來做，這一方面使得機械產(chǎn)品的設(shè)計周期大大縮短，另一方面也使得產(chǎn)品的質(zhì)量與數(shù)目基本掙脫了對于設(shè)計與加工人員的依靠，從而大大提高了產(chǎn)品的質(zhì)量，降低了產(chǎn)品的生產(chǎn)成本，同時也使得產(chǎn)品更為適合批量化生產(chǎn)。二、觀點數(shù)字化設(shè)計：就是經(jīng)過數(shù)字化的手段來改造傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計方法，旨在成立一套鑒于計算機技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)，支持產(chǎn)品開發(fā)與生產(chǎn)全過程的設(shè)計方法。數(shù)字化設(shè)計的內(nèi)涵：支持產(chǎn)品開發(fā)全過程、支持產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計、支持產(chǎn)品有關(guān)數(shù)據(jù)管理、支持產(chǎn)品開發(fā)流程的控制與優(yōu)化等。其基礎(chǔ)是產(chǎn)品建模，主體是優(yōu)化設(shè)計，核心是數(shù)據(jù)管理。數(shù)字化制造：是指對制造過程進行數(shù)字化描繪而在數(shù)字空間中達成產(chǎn)品的制造過程。數(shù)字化制造是計算機數(shù)字技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)與制造技術(shù)不停交融、發(fā)展和應(yīng)用的結(jié)果，也是制造公司、制造系統(tǒng)和生產(chǎn)系統(tǒng)不停實現(xiàn)數(shù)字化的必定。計算機仿真技術(shù):是以相像原理、信息技術(shù)、系統(tǒng)技術(shù)及相應(yīng)領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)為基礎(chǔ)，以計算機和各樣物理效應(yīng)設(shè)備為工具，利用系統(tǒng)模型對實質(zhì)的或假想的系統(tǒng)進行試驗研究的一門綜合性技術(shù)。該技術(shù)經(jīng)過成立某一過程或某一系統(tǒng)的模型來描繪該過程或該系統(tǒng)，而后用一系列有目的、有條件的計算機仿真切驗來刻畫系統(tǒng)的特點，從而得出數(shù)目指標，為決議者提供對于這一過程或系統(tǒng)的定量剖析結(jié)果，作為決議的理論依照。計算機仿真技術(shù)的基本步驟為：系統(tǒng)剖析—把被仿真系統(tǒng)的內(nèi)容表述清楚模型設(shè)計—選擇適合的仿真方法，設(shè)計系統(tǒng)的計算機模型模型運轉(zhuǎn)—在計算機上履行模型模型剖析—剖析履行輸出三、工具1、CAD---計算機輔助設(shè)計CAD在早期是英文ComputerAidedDrawing(計算機輔助畫圖)的縮寫，跟著計算機軟、硬件技術(shù)的發(fā)展，人們逐漸的認識到純真使用計算機畫圖還不可以稱之為計算機輔助設(shè)計。真正的設(shè)計是整個產(chǎn)品的設(shè)計，它包含產(chǎn)品的構(gòu)想、功能設(shè)計、結(jié)構(gòu)剖析、加工制造等，二維工程圖設(shè)計不過產(chǎn)品設(shè)計中的一小部分。于是CAD的縮寫由ComputerAidedDrawing

改為ComputerAidedDesign，CAD也不再不過是輔助畫圖，而是輔助創(chuàng)立、改正、剖析和優(yōu)化的設(shè)計技術(shù)。2、CAE---計算機輔助工程剖析CAE(ComputerAidedEngineering)往常指有限元剖析和機構(gòu)的運動學及動力學剖析。有限元剖析可達成力學剖析(線性.非線性.靜態(tài).動向)；場剖析(熱場、電場、磁場等)；頻次響應(yīng)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化等。機構(gòu)剖析能達成機構(gòu)內(nèi)零零件的位移、速度、加快度和力的計算，機構(gòu)的運動模擬及機構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化。3、CAM---計算機輔助制造CAM（ComputerAidedManufacture）是計算機輔助制造的縮寫，能依據(jù)CAD模型自動生成零件加工的數(shù)控代碼，對加工過程進行動向模擬、同時達成在實現(xiàn)加工時的干預(yù)和碰撞檢查。CAM系統(tǒng)和數(shù)字化妝備聯(lián)合能夠?qū)崿F(xiàn)無紙化生產(chǎn)，為CIMS（計算機集成制造系統(tǒng)）的實現(xiàn)確立基礎(chǔ)。CAM中最核心的技術(shù)是數(shù)控技術(shù)。往常零件結(jié)構(gòu)采納空間直角坐標系中的點、線、面的數(shù)字量表示，CAM就是用數(shù)控機床按數(shù)字量控制刀具運動，達成零件加工。4、CAPP---計算機輔助工藝規(guī)劃世界上最早研究CAPP的國家是挪威，始于1966年，并于1969年正式推出生界上第一個CAPP系統(tǒng)AutoPros，并于1973年正式推出商品化AutoPros系統(tǒng)。美國是60年月末開始研究CAPP的，并于1976年由CAM-I公司推出頗具影響力的CAP-I'sAutomatedProcessPlanning系統(tǒng)。5、PDM---產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫管理跟著CAD技術(shù)的推行，原有技術(shù)管理系統(tǒng)難以知足要求。在采納計算機輔助設(shè)計從前，產(chǎn)品的設(shè)計、工藝和經(jīng)營管理過程中波及到的各種圖紙、技術(shù)文檔、工藝卡片、生產(chǎn)單、更改單、采買單、成本核算單和資料清單等均由人工編寫、審批、歸類、散發(fā)和存檔，所有的資料均經(jīng)過技術(shù)資料室進行一致管理。自從采納計算機技術(shù)以后，上述與產(chǎn)品有關(guān)的信息都變?yōu)榱穗娮有畔?。簡單地采納計算機技術(shù)模擬本來人工管理資料的方法常常不可以從根本上解決先進的設(shè)計制造手段與落伍的資料管理之間的矛盾。要解決這個矛盾，一定采納PDM技術(shù)。PDM（產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理）是從管理CAD/CAM系統(tǒng)的高度上出生的先進的計算機管理系統(tǒng)軟件。它管理的是產(chǎn)品整個生命周期內(nèi)的所有數(shù)據(jù)。工程技術(shù)人員依據(jù)市場需求設(shè)計的產(chǎn)品圖紙和編寫的工藝文檔不過是產(chǎn)品數(shù)據(jù)中的一部分。PDM系統(tǒng)除了要管理上述數(shù)據(jù)外，還要對有關(guān)的市場需求、剖析、設(shè)計與制造過程中的所有改正歷程、用戶使用說明及售后服務(wù)等數(shù)據(jù)進行一致有效的管理。PDM關(guān)注的是研發(fā)設(shè)計環(huán)節(jié)。6、ERP---公司資源計劃公司資源計劃系統(tǒng)，是指成立在信息技術(shù)基礎(chǔ)上，對公司的所有資源（物流、資本流、信息流、人力資源）進行整合集成管理，采納信息化手段實現(xiàn)公司供銷鏈管理，從而達到對供應(yīng)鏈上的每一環(huán)節(jié)實現(xiàn)科學管理。ERP系統(tǒng)集中信息技術(shù)與先進的管理思想于一身，成為現(xiàn)代公司的運轉(zhuǎn)模式，反應(yīng)時代對公司合理分配資源，最大化地創(chuàng)立社會財產(chǎn)的要求，成為公司在信息時代生計、發(fā)展的基石。在公司中，一般的管理主要包含三方面的內(nèi)容：生產(chǎn)控制（計劃、制造）、物流管理（分銷、采買、庫存管理）和財務(wù)管理（會計核算、財務(wù)管理）。7、RE---逆向工程技術(shù)對實物作快速丈量，并反求為可被3D軟件接受的數(shù)據(jù)模型，快速創(chuàng)立數(shù)字化模型CAD）。從而對樣品從而作改正和詳盡設(shè)計，達到快速開發(fā)新產(chǎn)品的目的。屬于數(shù)字化丈量領(lǐng)域。8、RP---

快速成型快速成型（RapidPrototyping）技術(shù)是90年月發(fā)展起來的，被以為是最近幾年來制造技術(shù)領(lǐng)域的一次重要打破，其對制造業(yè)的影響可與數(shù)控技術(shù)的出現(xiàn)相媲美。RP系統(tǒng)綜合了機械工程、CAD、數(shù)控技術(shù)，激光技術(shù)及資料科學技術(shù)，能夠自動、直接、快速、精準地將設(shè)計思想物化為擁有必定功能的原型或直接制造零件，從而能夠?qū)Ξa(chǎn)品設(shè)計進行快速評論、修改及功能試驗，有效地縮短了產(chǎn)品的研發(fā)周期。計算機仿真軟件：MATLAB、ANSYS、COSMOS等。四、數(shù)字化設(shè)計與制造的發(fā)展歷程1、CAx工具應(yīng)用階段自上個世紀50年月起，各樣CAx工具（CAD/CAE/CAM/CAT等）開始出現(xiàn)并逐漸獲取應(yīng)用，標記著數(shù)字化設(shè)計的開始。2、并行工程應(yīng)用階段并行工程是集成地、并行地設(shè)計產(chǎn)品及其有關(guān)過程（包含制造過程和支持過程）的系統(tǒng)方法。這類方法要求產(chǎn)品開發(fā)人員在一開始就考慮產(chǎn)品整個生命周期中從觀點形成到產(chǎn)品報廢的所有要素，包含質(zhì)量、成本、進度計劃和用戶要求。并行工程的目標提高質(zhì)量、降低成本、縮短產(chǎn)品開發(fā)周期和產(chǎn)品上市時間。并行工程的詳細做法：1）在產(chǎn)品開發(fā)早期，組織多種職能共同工作的項目組，使有關(guān)人員從一開始就獲取對新產(chǎn)品需求的要乞降信息，踴躍研究波及本部門的工作業(yè)務(wù)，并將所需要求供應(yīng)給設(shè)計人員，使很多問題在開發(fā)早期就獲取解決，從而保證了設(shè)計的質(zhì)量，防止了大批的返工浪費.2）在產(chǎn)品的設(shè)計開發(fā)時期，將觀點設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計、工藝設(shè)計、最后需求等聯(lián)合起來，保證以最快的速度按要求的質(zhì)量達成。3）各項工作由與此有關(guān)的項目小組達成。進度中小構(gòu)成員各自安排自己的工作，但能夠按期或隨時反應(yīng)信息并對出現(xiàn)的問題協(xié)調(diào)停決。4）依照適合的信息系統(tǒng)工具，反應(yīng)與協(xié)調(diào)整個項目的進行。利用現(xiàn)代

CIM

技術(shù)，在產(chǎn)品的研制與開發(fā)時期，輔助項目進度的并行化。并行工程于20世紀80年月提出，詳細表此刻PDM（產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理）技術(shù)及DFx（如DFM、DFA等）技術(shù)在產(chǎn)品設(shè)計階段的應(yīng)用。它是在CAD、CAM、CAPP等技術(shù)的支持下，將本來分別挨次進行的工作在時間和空間上交錯、重疊，利用原有技術(shù)，汲取計算機技術(shù)、信息技術(shù)的成就，成為產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計的重要手段和先進制造技術(shù)的基礎(chǔ)。3、虛構(gòu)樣機技術(shù)應(yīng)用階段虛構(gòu)樣機技術(shù)的定義：虛構(gòu)樣機就是用來取代物理產(chǎn)品的計算機數(shù)字模型，它能夠像真實的物理模型同樣，用來對所關(guān)懷的產(chǎn)品的全壽命周期，如設(shè)計、制造、服務(wù)、循環(huán)利用等,進行展現(xiàn)、剖析和測試。這類結(jié)構(gòu)和使用虛構(gòu)樣機的技術(shù)就叫虛構(gòu)樣機技術(shù)。虛構(gòu)樣機技術(shù)的構(gòu)成：三維實體模型、個人—產(chǎn)品交互模型、與產(chǎn)品測試有關(guān)的可視化模型虛構(gòu)樣機技術(shù)的長處：1）減少了設(shè)計花費2）能夠輔助物理樣機進行設(shè)計考證和測試3）能夠減少產(chǎn)品開發(fā)過程中所需的時間,使產(chǎn)品趕快上市4）能夠在同樣的時間內(nèi)“試驗”更多的設(shè)計方案,這是物理樣機沒法比較的5）能夠減少產(chǎn)品開發(fā)后期的設(shè)計改正,從而使得整個產(chǎn)品的開發(fā)周期最小化6）與慣例的仿真對比,它波及的設(shè)計領(lǐng)域廣,考慮也比較周到,因此能夠提高產(chǎn)品的質(zhì)量。7）因為虛構(gòu)樣機技術(shù)支持并行設(shè)計,使得設(shè)計小組之間的交流變得便利。四、長處1、數(shù)字化設(shè)計的長處:1）減少設(shè)計過程中實物模型的制造。傳統(tǒng)設(shè)計在產(chǎn)品研制中需經(jīng)過頻頻多次的“樣機生產(chǎn)-樣機測試-改正設(shè)計”的過程，這不單耗資物力、財力，還使得產(chǎn)品研制周期延伸。數(shù)字化設(shè)計則在制造物理樣機從前，針對數(shù)字化模型進行仿真剖析與測試，可清除某些設(shè)計不合理性；2）易于實現(xiàn)設(shè)計的并行化。相對與傳統(tǒng)設(shè)計過程的串行化，數(shù)字化設(shè)計能夠讓一項設(shè)計工作由多個設(shè)計隊伍在不一樣的地區(qū)分頭并行設(shè)計、共同裝置，這在提高產(chǎn)品設(shè)計質(zhì)量與速度方面擁有重要的意義。2、數(shù)字化制造的長處：可精準地展望和評論產(chǎn)品的可制造性、加工時間、制造周期、生產(chǎn)成本、零件的加工質(zhì)量、產(chǎn)質(zhì)量量和制造系統(tǒng)運轉(zhuǎn)性能零件和產(chǎn)品的可制造性剖析、生產(chǎn)規(guī)劃與工藝規(guī)劃的評論與確認、矯捷公司和分別化網(wǎng)絡(luò)生產(chǎn)系統(tǒng)中合作伙伴的選擇、生產(chǎn)過程和制造系統(tǒng)設(shè)計與優(yōu)化網(wǎng)上制造資源的查問與精選低成本的人員培訓工具。3、計算機仿真的長處：1）仿真切驗?zāi)軌蝾l頻進行，改變系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和系數(shù)都比較簡單，實驗時間段，代價??；2）能夠在真切系統(tǒng)成立起來從前，展望其行為成效，從而能夠從不一樣結(jié)構(gòu)或不一樣參數(shù)的模型的結(jié)果比較之中，選擇最正確模型；3）對于缺乏分析表示的系統(tǒng)，或許雖有分析表示但沒法精準求解的系統(tǒng)，能夠經(jīng)過仿真獲取系統(tǒng)運轉(zhuǎn)的數(shù)值結(jié)果；4）對于隨機性系統(tǒng)，能夠經(jīng)過大批重復(fù)試驗，獲取在統(tǒng)計意義上某些特征指標。5）對于機械產(chǎn)品的研制來說，計算機仿真能夠提高產(chǎn)質(zhì)量量；縮短產(chǎn)品開發(fā)周期；降低產(chǎn)品開發(fā)成本；達成復(fù)雜產(chǎn)品的操作和使用訓練。五、國內(nèi)數(shù)字化設(shè)計與制造的現(xiàn)狀：“十一五”時期，我國政府組織實行了制造業(yè)信息化工程專項，推進設(shè)計數(shù)字化、制造裝備數(shù)字化、生產(chǎn)過程數(shù)字化、管理數(shù)字化和公司數(shù)字化等方面的發(fā)展，數(shù)字化制造技術(shù)在我國已經(jīng)獲得大批應(yīng)用：一是CAD/CAPP/CAE/CAM的推行應(yīng)用，改變了傳統(tǒng)的設(shè)計生產(chǎn)、制作模式，已經(jīng)成為我國現(xiàn)代制造業(yè)發(fā)展的重要技術(shù)特點；二是MRP/ERP的推行應(yīng)用；三是CIMS的推行應(yīng)用；四是網(wǎng)絡(luò)建設(shè)方面，最近幾年來互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛快發(fā)展，公司網(wǎng)絡(luò)迅猛發(fā)展。當前，數(shù)字化制造技術(shù)正在我國深入發(fā)展，表現(xiàn)以下趨向：一是正由2D向3D轉(zhuǎn)變，形成以鑒于模型的定義/鑒于模型的作業(yè)指導(dǎo)書為核心的設(shè)計與制造；二是并行和共同，通過產(chǎn)品、工藝過程和生產(chǎn)資源的建模擬真及集成優(yōu)化技術(shù)，提高多學科的設(shè)計與制造的共同性和并行性，實現(xiàn)產(chǎn)品和工藝設(shè)計結(jié)果的早期考證；三是數(shù)字化妝配與維修；四是數(shù)字化車間與數(shù)字化工廠，這是數(shù)字化制造技術(shù)在車間和和工廠集成應(yīng)用和高效營運的全重生產(chǎn)模式，為高效物流實行以及精益生產(chǎn)、可重構(gòu)制造、元化制造等先進制造模式供應(yīng)輔助工具；五是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，由機器、設(shè)備組、設(shè)備和系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，能夠在更深的層面將連結(jié)能力、大數(shù)據(jù)、數(shù)字剖析、3D打印等聯(lián)合。我國制造業(yè)設(shè)計數(shù)字化方面的投入不停加大，我國數(shù)字化制造快速發(fā)展，儀器儀表、數(shù)控機床、機器人等行業(yè)自主創(chuàng)新收效初現(xiàn)，3D打印等新興家產(chǎn)發(fā)展快速，制造業(yè)管理數(shù)字化收效展現(xiàn)，信息化技術(shù)在制造公司獲取大批應(yīng)用?？墒牵覈圃鞓I(yè)與發(fā)達國家對比，創(chuàng)新能力不強，高新技術(shù)方面仍舊處在追趕狀態(tài)，很多重點的核心技術(shù)還沒有掌握，制造業(yè)綜合競爭力較弱，整體上處于國際分工和家產(chǎn)鏈的中低端。當前，我國高技術(shù)家產(chǎn)占制造業(yè)的比重要概是美國的三分之一，我國制造業(yè)家產(chǎn)結(jié)構(gòu)有待優(yōu)化，數(shù)字化制造在制造業(yè)中的比重亟待提高。六：數(shù)字化設(shè)計與制造在核工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用狀況加快器制造（ANSYS）粒子加快器是探究原子核和粒子的性質(zhì)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)和互相作用的重要工具，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療衛(wèi)生、科學技術(shù)等方面也都有重要而寬泛的實質(zhì)應(yīng)用。而作為一項精細的電物理設(shè)備，粒子加快器的研制需要優(yōu)秀的物理設(shè)計和工程技術(shù)的支撐。實現(xiàn)粒子加快器的數(shù)字化設(shè)計及其制造，經(jīng)過用數(shù)值手段對粒子在加快器中的物理過程進行剖析，在此基礎(chǔ)上對加快器的各個零件進行更為合理的設(shè)計，不單能夠提高加快器的性能，還可以夠降低設(shè)計成本，縮短設(shè)計周期，甚至免除物理模型的實驗。輻射成像系統(tǒng)輻射成像技術(shù)的發(fā)展對醫(yī)學領(lǐng)