数字化设计与制造技术大作业.docx

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1、数字化设计与制造技术大作业1. 数字化设计与制造技术的定义和内涵、意义？它的流程是？ 定义-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、数据，再以这些数字、数据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，使人类第一次可以利用极为简洁的“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。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

2、过程、生产系统不断实现数字化的必然趋势，其内涵包括三个层面：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、以管理为中心的数字化制造技术。其数字化设计的内涵是支持企业的产品开发全过程、 支持企业的产品创新设计、支持产品相关数据管理、支持企业产品开发流程的控 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，数控技术是工具， 数据管理是核心。订单确认-概念设计/总体设计-零件设计、部件设计、关键件设计-二维工程图-工艺编制、工装设计-工艺汇总与生产准备-采购清单和生产加工-产品装配-安装维护2.请简述CAD、CAE、CAPP、CAM的定义、功能、发展趋势，并举例说明它们中几个常

3、用的软件？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，人们逐步的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、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CAE (Computer Aided Engi

4、neering)通常指有限元分析和机构的运动学及动力学分析。有限元分析可完成力学分析(线性.非线性.静态.动态)；场分析(热场、电场、磁场等)；频率响应和结构优化等。机构分析能完成机构内零部件的位移、速度、加速度和力的计算，机构的运动模拟及机构参数的优化。3. CAM-计算机辅助制造CAM（Computer Aided Manufacture）是计算机辅助制造的缩写，能根据CAD模型自动生成零件加工的数控代码，对加工过程进行动态模拟、同时完成在实现加工时的干涉和碰撞检查。CAM系统和数字化装备结合可以实现无纸化生产，为CIMS（计算机集成制造系统）的实现奠定基础。CAM中最核心的技术是数控技术

5、。通常零件结构采用空间直角坐标系中的点、线、面的数字量表示，CAM就是用数控机床按数字量控制刀具运动，完成零件加工。4. CAPP-计算机辅助工艺规划世界上最早研究CAPP的国家是挪威，始于1966年，并于1969年正式推出世界上第一个CAPP系统AutoPros，并于1973年正式推出商品化AutoPros系统。美国是60年代末开始研究CAPP的，并于1976年由CAM-I公司推出颇具影响力的CAP-Is Automated Process Planning系统。5. PDM-产品数据库管理随着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

6、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。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

7、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关注的是研发设计环节。6. ERP-企业资源计划企业资源计划系统，是指建立在信息技术基础上，对企业的所有资源（物流、资金流、信息流、人力资源）进行整合集成管理，采用信息化手段实现企业供销链管理，从而达到对供应链上的每一环节实现科学管理。ERP系统集中信息技术与先进的管理思想于一身，成为现代企业的运行模式，反映时代对企业合理调配资源，最大化地创造社会财富的要求，成为企业在信息时代生存、发展的基石。在企业中，一般的管理主要包括三方面的内容：生产控制（计划、制造）、物

8、流管理（分销、采购、库存管理）和财务管理（会计核算、财务管理）。7. RE-逆向工程技术对实物作快速测量，并反求为可被3D软件接受的数据模型，快速创建数字化模型（CAD）。进而对样品进而作修改和详细设计，达到快速开发新产品的目的。属于数字化测量领域。8. RP-快速成型快速成型（Rapid Prototyping）技术是90年代发展起来的，被认为是近年来制造技术领域的一次重大突破，其对制造业的影响可与数控技术的出现相媲美。RP系统综合了机械工程、CAD、数控技术，激光技术及材料科学技术，可以自动、直接、快速、精确地将设计思想物化为具有一定功能的原型或直接制造零件，从而可以对产品设计进行快速评价

9、、修改及功能试验，有效地缩短了产品的研发周期。常用软件autocad,solidworks,proe,ug3.曲面造型和实体造型的原理和特点？常见的曲面造型的形式有哪些？参数化设计的定义和类型？曲面造型的原理曲面造型是在线框模型基础上定义实体的各个表面或曲面以建立实物模型的方法。在计算机内部由三个表描述实体：a)点的几何信息表b)线与点的拓扑关系信息表(即线由哪几点构成的)c)面与线的拓扑关系信息表(即面由哪些线构成的)。其中a,b为线框造型中的信息。曲面造型有以下特点：1) 在描述三维实体信息方面比线框造型较完整、严密，能够构造出复杂的曲面。如汽车车身、飞机表面、模具外型等。2) 可以对实体

10、表面进行消隐、着色显示，也能够计算表面积。3) 可以利用造型中的基本数据，进行有限元网格划分，以便进行有限元分析,或利用有限元网格划分的数据进行表面造型。4) 可以利用表面造型生成的实体数据产生数控加工刀具轨迹。实体造型的原理实体造型是利用实体生成方法(体素法及扫描法)产生实体的初始模型，然后通过几何体的逻辑运算(布尔运算)最终形成复杂实体模型的一种造型技术。它主要包括两个部分：一是基本实体生成的方法； 二是基本体之间的逻辑运算。实体造型是在曲面造型的基础上，加入了曲面的哪一侧存在实体的信息，较为完整地表达了实体的信息。如何表达此种信息方法较多。常用方法是：用有向棱边的右手法则确定所在面外法线

11、的方法，其内部为实体，外法线所指为空。这种方法构成的信息与曲面造型不同之处有二：一是面的信息由有向线来构成；二是加入了表面的外法线矢量信息。常见曲面造型的形式(1) 平面：由三点(或数条共面的边界曲线)定义的面。(2) 用初等函数描述几何形状的面：如球面、圆锥面等。(3) 直纹面(Ruled Surface)：一条直线的两端点沿两条导线分别匀速移动，其直线的轨迹所形成的面。导线由两条不同的空间曲线组成。此面可以表示无扭曲的曲面。(4) 旋转面(Surface of revolution)：由平面的线框图绕轴线旋转所形成的曲面，此曲面可以构造车削类加工的零件。(5) 柱状面(Tabulated

12、Cylinder)：由一平面曲线沿一条不共面的直线方向上移动一定距离而生成的曲面。该曲面具有相同的截面，有些 CAD 软件将此种面 称为牵引面(Draft)。(6) 孔斯面 (Coons)：由封闭的边界曲线构成，边界曲线为孔斯曲线，其曲面光滑。(7) 圆角面 (Filiet Surface)：为两个曲面间过渡曲面，此曲面要求光滑过渡。 (8) 等距面 (Offset Surface)：与一曲面形状相同，但尺寸不同的面。 (9) Bezier曲面：是以 Bezier 空间参数函数为基础的、用逼近的方法形成的光滑曲面。该曲面通过参数函数的特征多边形的起点与终点，但不通过中间点，而是由这些点来控制。

13、(10) B 样条曲面：是以 B 样条函数为基础的、用逼近的方法所形成的光滑曲面。该曲面的性能较 Bezier 好，主要在于 B 样条曲面控制点是局部的而非全局的，改变局部控制点只是影响局部曲面形状。(11) NURBS 曲面：非均匀有理 B 样条曲面，它是以 NURBS 参数方程来描述的空间曲面。其特点是：它用这种参数方程既能描述自由型曲面(如 Bezier 曲面与 B 样条曲面), 也能够精确表示用初等函数所描述的曲面(如圆柱面、圆锥面、球面等 )。其中(9)至(10)项为高级自由曲面。曲面的实例如图 3-1 所示。需要指出的是，对于一个实体而言，可以用不同的曲面造型方法来构成相同的曲面。

14、用哪一种方法产生的模型更好，一般用两个标准来衡量：一是要看哪种方法更能准确体现设计者的设计思想、设计原则；二是要看用哪种方法产生的模型能够准确、快速、方便地产生数控刀具轨迹，即更好地为 CAM、CAE 服务。另外，不同的 CAD 软件对以上介绍的造型方法名称有所不同，也有未列入以上方法之中，但其内核构造方法不外乎采用自由曲面的方法构成。参数化设计是Revit Building的一个重要思想，它分为两个部分：参数化图元和参数化修改引擎。Revit Building中的图元都是以构件的形式出现，这些构件之间的不同，是通过参数的调整反映出来的，参数保存了图元作为数字化建筑构件的所有信息。参数化修改引

15、擎提供的参数更改技术使用户对建筑设计或文档部分作的任何改动都可以自动的在其它相关联的部分反映出来，采用智能建筑构件、视图和注释符号，使每一个构件都通过一个变更传播引擎互相关联。构件的移动、删除和尺寸的改动所引起的参数变化会引起相关构件的参数产生关联的变化，任一视图下所发生的变更都能参数化的、双向的传播到所有视图，以保证所有图纸的一致性，毋须逐一对所有视图进行修改。从而提高了工作效率和工作质量。用CAD方法开发产品时，零件设计模型的建立速度是决定整个产品开发效率的关键。产品开发初期，零件形状和尺寸有一定模糊性，要在装配验证、性能分析和数控编程之后才能确定。这就希望零件模型具有易于修改的柔性。参数

16、化设计方法就是将模型中的定量信息变量化，使之成为任意调整的参数。对于变量化参数赋予不同数值，就可得到不同大小和形状的零件模型。在CAD中要实现参数化设计，参数化模型的建立是关键。参数化模型表示了零件图形的几何约束和工程约束。几何约束包括结构约束和尺寸约束。结构约束是指几何元素之间的拓扑约束关系，如平行、垂直、相切、对称等；尺寸约束则是通过尺寸标注表示的约束，如距离尺寸、角度尺寸、半径尺寸等。工程约束是指尺寸之间的约束关系，通过定义尺寸变量及它们之间在数值上和逻辑上的关系来表示。4.逆向工程的内涵及工作流程？逆向工程（又称逆向技术），是一种产品设计技术再现过程，即对一项目标产品进行逆向分析及研究

17、，从而演绎并得出该产品的处理流程、组织结构、功能特性及技术规格等设计要素，以制作出功能相近，但又不完全一样的产品。逆向工程源于商业及军事领域中的硬件分析。其主要目的是在不能轻易获得必要的生产信息的情况下，直接从成品分析，推导出产品的设计原理。逆向工程可能会被误认为是对知识产权的严重侵害，但是在实际应用上，反而可能会保护知识产权所有者。例如在集成电路领域，如果怀疑某公司侵犯知识产权，可以用逆向工程技术来寻找证据。软件逆向工程有多种实现方法，主要有三：1.分析通过信息交换所得的观察。最常用于协议逆向工程，涉及使用总线分析器和数据包嗅探器。在接入计算机总线或网络的连接，并成功截取通信数据后，可以对总

18、线或网络行为进行分析，以制造出拥有相同行为的通信实现。此法特别适用于设备驱动程序的逆向工程。有时，由硬件制造商特意所做的工具，如JTAG端口或各种调试工具，也有助于嵌入式系统的逆向工程。对于微软的Windows系统，受欢迎的底层调试器有SoftICE。2.反汇编，即使用反汇编器，把程序的原始机器码，翻译成较便于阅读理解的汇编代码。这适用于任何的计算机程序，对不熟悉机器码的人特别有用。流行的相关工具有OllyDebug和IDA。3.反编译，即使用反编译器，尝试从程序的机器码或字节码，重现高级语言形式的源代码。5.数控机床DNC联网技术的概念、典型功能和意义？一、DNC 的概念和特点 DNC 主要

19、是指分布式数字控制（Distributed Numerical Control），是以计算机，以 太网通讯技术，数控系统为基础，把数控机床与上层控制计算机连接集成在一起，以实现 集中控制管理数控机床和其之间信息交换的目的。它是现代化机械加工车间实现自动化的 新方法，也是实现MES 系统的重要部分。典型功能（1） 彻底摆脱手工输入程序和单机输入程序局面，实现长距离自动程序传输。 （2） 用于管理PC机可以放置局域网任何位置，不受距离影响，而主控机距离数控机床最远距离允许达到1500M。 （3） 并行传输程序，即一台主控机可以同时面向我单位目前16台数控机床进行数据通讯。 （4） 操作简单，无需借

20、助其他设备或编程员帮助，操作工人机床操作面板上输入相应指令，就可以上传或下载零件加工程序。 （5） 主控机24小时工作，随时对网络上数控机床实施管理及数据通讯，不会影响机床三班倒或节假日加班运行。 （6） 传输可靠性高，专用软件本身有数据校验功能，传输过程中一般不会出现错误，特殊情况下如有错误计算机立即报警。软件同时具有上传和下载文件检查功能，每个文件上传后均可返回一个检查文件，确保数据安全。 （7） 程序可WINDOWS平台上实现长文件名管理，可以实现文件名与零件号统一管理方式，彻底改变了程序号对NC程序管理束缚。 （8） 借助软件传输日志功能可查看数据传输日期、时间、文件名、上传下载等内容

21、，记录操作者操作过程及出错信息。 （9） 每台数控机床均可访问或下载本机床目录和公共目录下NC程序。 （10） 对具有DNC功能数控系统，可以网络上实现DNC加工。 （11） 数控机床联网数量不受限制。从系统示意图中可以看出，联网系统主控机是安装企业局域网上，从原理讲上网上可以安装任意多个主控机，而每个主控机又可以联接32台数控机床。数控机床DNC网络制造技术可以大大提高企业的制造效率和竞争力,降低产品成本,具有显著的现实意义。6. 解释说明什么是优化设计？其数学模型的组成以及各部分的作用？描述下优化设计的步骤？优化设计是从多种方案中选择最佳方案的设计方法。它以数学中的最优化理论为基础，以计算

22、机为手段，根据设计所追求的性能目标，建立目标函数，在满足给定的各种约束条件下，寻求最优的设计方案。第二次世界大战期间，美国在军事上首先应用了优化技术。1967年，美国的R.L.福克斯等发表了第一篇机构最优化论文。1970年，C.S.贝特勒等用几何规划解决了液体动压轴承的优化设计问题后，优化设计在机械设计中得到应用和发展。随着数学理论和电子计算机技术的进一步发展，优化设计已逐步形成为一门新兴的独立的工程学科，并在生产实践中得到了广泛的应用。通常设计方案可以用一组参数来表示，这些参数有些已经给定，有些没有给定，需要在设计中优选，称为设计变量。如何找到一组最合适的设计变量，在允许的范围内，能使所设计

23、的产品结构最合理、性能最好、质量最高、成本最低（即技术经济指标最佳），有市场竞争能力，同时设计的时间又不要太长，这就是优化设计所要解决的问题。 数学模型一般均由设计变量、目标函数和约束条件组成，称其为三要素。 2-2-1 设计变量 （Design Variable） 1) 设计变量 在机械设计中，一个零件、部件或是一台设备的设计方案，通常是由一组基本参数来 确定和表示的。在设计中，选择哪些参数表示一个设计方案，需要根据各种设计问题的性质来定。有的可以用几何参数，如零件的外形尺寸、截面尺寸、机构的运动学尺寸等；有的可用某些物理量，如构件的重量、惯性距、频率、力和力矩等；还有的可用一些代表工作性能

24、的导出量，如应力、扰度、冲击系数等。总之，这些基本参数是对设计指标性能好坏有直接影响的量。在设计中，有些基本参数可以根据设计要求事先给定，称为设计常数，如弹模、许用应力等材料特性等。而有些则需要通过在设计过程中进行调整、优选来定，如尺寸等。对于需要优选的参数，在设计过程中均把它们看作是变化的量，称为设计变量。应注意，设计变量一定是独立参数（Variables must be independent），任何导出量不能作为设计变量。设计变量有连续变量和离散变量二种形式（Continuous & Dispersive Variable）。大多数机械优化设计中的设计变量都是连续变量，可以用常规的优化算法来求解。而对于像齿轮的齿数、模数、钢板的厚度等只能在一定的数集里取值的离散变量的优化设计问题，则需用特殊的优化算法。步骤建立数学模型。选择最优化算法。程序设计。制定目标要求。计算机自动筛选最优设计方案等。通常采用的最优化算法是逐步逼近法，有线性规划和非线性规划。优化设计就是在满足设计要求的众多设计方案中选出最佳设计方案的设计方法。