数字化设计与制造.pdf

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1、数字化设计与制造数字化设计与制造一、背景一、背景在计算机技术出现之前,机械产品的设计与加工的方式一直都是图纸设计和手工加工的方式,这种传统的产品设计与制造方式,这使得产品在质量上完全依赖于产品设计人员与加工人员的专业技术水平,而数量上则完全依赖于产品加工人员的熟练程度,而随着工业社会的不断发展,人们对机械产品的质量提出了更高要求,同时数量上的需求也不断增长;为了适应社会对机械产品在质量与数量上的需求,同时也为了能进一步降低机械产品的生产成本,人们在努力寻求一种全新的机械产品设计与加工方式,而二十世纪四五十年代以来计算机技术的出现及其发展,特别是计算机图形学的出现,让人们看到了变革传统机械产品设

2、计与生产方式的曙光;于是,数字化设计与制作方式应运而生,人们逐步将机械产品的设计与加工任务交给计算机来做,这一方面使得机械产品的设计周期大大缩短,另一方面也使得产品的质量与数量基本摆脱了对于设计与加工人员的依赖,从而大大提升了产品的质量,降低了产品的生产成本,同时也使得产品更加适合批量化生产;二、概念二、概念数字化设计：数字化设计：就是通过数字化的手段来改造传统的产品设计方法,旨在建立一套基于计算机技术和网络信息技术,支持产品开发与生产全过程的设计方法;数字化设计的内涵：数字化设计的内涵：支持产品开发全过程、支持产品创新设计、支持产品相关数据管理、支持产品开发流程的控制与优化等;其基础基础是产

3、品建模,主体主体是优化设计,核心核心是数据管理;数字化制造：数字化制造：是指对制造过程进行数字化描述而在数字空间中完成产品的制造过程;数字化制造是计算机数字技术、网络信息技术与制造技术不断融合、发展和应用的结果,也是制造企业、制造系统和生产系统不断实现数字化的必然;计算机仿真技术计算机仿真技术:是以相似原理、信息技术、系统技术及相应领域的专业技术为基础,以计算机和各种物理效应设备为工具,利用系统模型对实际的或设想的系统进行试验研究的一门综合性技术;该技术通过建立某一过程或某一系统的模型来描述该过程或该系统,然后用一系列有目的、有条件的仿真实验来刻画系统的特征,从而得出数量指标,为决策者提供关于

4、这一过程或系统的结果,作为决策的理论依据;计算机仿真技术的基本步骤为：系统分析把被仿真系统的内容表述清楚模型设计选择合适的仿真方法,设计系统的计算机模型模型运行在计算机上执行模型模型分析分析执行输出三、工具三、工具1 1、CAD-CAD-计算机辅助设计计算机辅助设计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 Compu

5、ter 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 2、CAE-CAE-计算机辅助工程分析计算机辅助工程分析CAE Computer Aided Engineering 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 3、CAM-CAM-计算机辅助制造计算机辅助制造CAMComputer Aided M

6、anufacture 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;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 4、CAPP-CAPP-计算机辅助工艺规划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,

7、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 ProcessPlanning 系统;5 5、PDM-PDM-产品数据库管理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

8、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 6、ERP-ERP-企业资源计划企业资源计划,是指建立在信

9、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 7、RE-RE-逆向工程技术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,

10、达到快速开发新产品的目的;属于数字化测量领域;8 8、RP-RP-快速成型快速成型快速成型 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、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、修改及功能试验,有效地缩短了产品的研发周期;计算机仿真软件：MATLAB、ANSYS、COSMOS 等;四、数字化设计与制造的发展历程四、数字化设计与制造的发展历程1 1、CAxCAx 工

11、具应用阶段工具应用阶段自上个世纪50 年代起,各种 CAx 工具 CAD/CAE/CAM/CAT等开始出现并逐步得到应用,标志着数字化设计的开始;2 2、并行工程应用阶段、并行工程应用阶段并行工程是集成地、并行地设计产品及其相关过程包括制造过程和支持过程的;这种方法要求产品开发人员在一开始就考虑产品整个生命周期中从概念形成到产品报废的所有因素,包括质量、成本、进度计划和用户要求;并行工程的目标并行工程的目标提高质量、降低成本、缩短产品开发周期和产品上市时间;并行工程的具体做法：并行工程的具体做法：1在产品开发初期,组织多种职能协同工作的项目组,使有关人员从一开始就获得对新产品需求的要求和信息,

12、积极研究涉及本部门的工作业务,并将所需要求提供给设计人员,使许多问题在开发早期就得到解决,从而保证了设计的质量,避免了大量的返工浪费.2 在产品的设计开发期间,将、结构设计、工艺设计、最终需求等结合起来,保证以最快的速度按要求的质量完成;3各项工作由与此相关的项目小组完成;进程中小组成员各自安排自身的工作,但可以定期或随时反馈信息并对出现的问题协调解决;4 依据适当的信息系统工具,反馈与协调整个项目的进行;利用现代 CIM 技术,在产品的研制与开发期间,辅助项目进程的并行化;并行工程于 20 世纪 80 年代提出,具体体现在 PDM 产品数据管理技术及 DFx 如 DFM、DFA 等技术在产品

13、设计阶段的应用;它是在 CAD、CAM、CAPP 等技术的支持下,将原来分别依次进行的工作在时间和空间上交叉、重叠,利用原有技术,吸收计算机技术、信息技术的成果,成为产品数字化设计的重要手段和先进制造技术的基础;3 3、虚拟样机技术应用阶段、虚拟样机技术应用阶段虚拟样机技术的定义：虚拟样机技术的定义：虚拟样机就是用来代替物理产品的计算机数字模型,它可以像真实的物理模型一样,用来对所关心的产品的全寿命周期,如设计、制造、服务、循环利用等,进行展示、分析和测试;这种构造和使用虚拟样机的技术就叫虚拟样机技术;虚拟样机技术的组成：虚拟样机技术的组成：三维实体模型、个人产品交互模型、与产品测试有关的可视

14、化模型虚拟样机技术的优点：虚拟样机技术的优点：1减少了设计费用2可以辅助物理样机进行设计验证和测试3可以减少产品开发过程中所需的时间,使产品尽快上市4可以在相同的时间内“试验”更多的设计方案,这是物理样机无法比拟的5可以减少产品开发后期的设计更改,进而使得整个产品的开发周期最小化6与常规的仿真相比,它涉及的设计领域广,考虑也比较周全,因而可以提高产品的质量;7由于虚拟样机技术支持并行设计,使得设计小组之间的沟通变得便捷;四、优点四、优点1 1、数字化设计的优点、数字化设计的优点:1 减少设计过程中实物模型的制造;传统设计在产品研制中需经过反复多次的“样机生产-样机测试-修改设计”的过程,这不仅

15、耗费物力、财力,还使得产品研制周期延长;数字化设计则在制造物理样机之前,针对数字化模型进行仿真分析与测试,可排除某些设计不合理性；2 易于实现设计的并行化;相对与传统设计过程的串行化,数字化设计可以让一项设计工作由多个设计队伍在不同的地域分头并行设计、共同装配,这在提高产品设计质量与速度方面具有重要的意义;2 2、数字化制造的优点：、数字化制造的优点：可精确地预测和评价产品的可制造性、加工时间、制造周期、生产成本、零件的加工质量、产品质量和制造系统运行性能零件和产品的可制造性分析、生产规划与工艺规划的评价与确认、敏捷企业和分散化网络生产系统中合作伙伴的选择、生产过程和制造系统设计与优化网上制造

16、资源的查询与优选低成本的人员培训工具;3 3、计算机仿真的优点：、计算机仿真的优点：1 仿真实验可以反复进行,改变系统的结构和系数都比较容易,实验时间段,代价小；2 可以在真实系统建立起来之前,预测其行为效果,从而可以从不同结构或不同参数的模型的结果比较之中,选择最佳模型；3 对于缺少解析表示的系统,或者虽有解析表示但无法精确求解的系统,可以通过仿真获得系统运行的数值结果；4 对于随机性系统,可以通过大量重复试验,获得在统计意义上某些特性指标;5 对于机械产品的研制来说,计算机仿真能够提高产品质量；缩短产品开发周期；降低产品开发成本；完成复杂产品的操作和使用训练;五、国内数字化设计与制造的现状

17、：五、国内数字化设计与制造的现状：“十一五”期间,我国政府组织实施了制造业信息化工程专项,推动设计数字化、制造装备数字化、生产过程数字化、管理数字化和企业数字化等方面的发展,数字化制造技术在我国已经取得大量应用：一是CAD/CAPP/CAE/CAM的推广应用,改变了传统的设计生产、制作模式,已经成为我国现代制造业发展的重要技术特征；二是MRP/ERP 的推广应用；三是CIMS 的推广应用；四是网络建设方面,近年来互联网技术的飞速发展,企业网络迅猛发展;目前,数字化制造技术正在我国深入发展,呈现以下趋势：一是正由2D 向 3D 转变,形成以基于模型的定义/基于模型的作业指导书为核心的设计与制造；

18、二是并行和协同,通过产品、工艺过程和生产资源的建模仿真及集成优化技术,提高多学科的设计与制造的协同性和并行性,实现产品和工艺设计结果的早期验证；三是数字化装配与维修；四是数字化车间与数字化工厂,这是数字化制造技术在车间和和工厂集成应用和高效运营的全新生产模式,为高效物流实施以及精益生产、可重构制造、元化制造等先进制造模式提供辅助工具；五是工业互联网,由机器、设备组、设施和系统网络组成,能够在更深的层面将连接能力、大数据、数字分析、3D 打印等结合;我国制造业设计数字化方面的投入不断加大,我国数字化制造快速发展,仪器仪表、数控机床、机器人等行业自主创新成效初现,3D 打印等新兴产业发展迅速,制造

19、业管理数字化成效显现,信息化技术在制造企业得到大量应用;但是,我国制造业与发达国家相比,创新能力不强,高新技术方面仍然处在追赶状态,许多关键的核心技术还没有掌握,制造业综合竞争力较弱,总体上处于国际分工和产业链的中低端;目前,我国高技术产业占制造业的比重大约是美国的三分之一,我国制造业产业结构有待优化,数字化制造在制造业中的比重亟待提高;六：数字化设计与制造在核工业领域的应用情况六：数字化设计与制造在核工业领域的应用情况加速器制造加速器制造 ANSYSANSYS是探索和的性质、内部结构和相互作用的重要工具,在工农业生产、医疗卫生、科学技术等方面也都有重要而广泛的实际应用;而作为一项精密的电物理

20、设备,粒子加速器的研制需要良好的物理设计和工程技术的支撑;实现粒子加速器的数字化设计及其制造,通过用数值手段对粒子在加速器中的物理过程进行分析,在此基础上对加速器的各个部件进行更加合理的设计,不仅能够提升加速器的性能,还能够降低设计成本,缩短设计周期,甚至免去物理模型的实验;辐射成像系统辐射成像系统辐射成像技术的发展对医学领域及其公共安全领域带来了重大的革新,它的进一步发展如显成像技术必然离不开计算机技术的支持,通过用计算机来分析辐射成像的原理来改进辐射成像系统,同时开发出高效率、多功能的成像分析软件,必然能够促进辐射成像领域的进一步发展;核辐射探测器核辐射探测器辐射探测是核物理、粒子物理研究

21、及其辐射应用中不可缺少的工具和手段,它的发展不仅能够促进基础物理的研究,还能推动天体物理以及核医学以及核辐射应用领域的发展;实现核辐射探测器的数字化设计,使其朝着多功能、高精度、高分辨率、高灵敏度等方面发展,从不同角度综合提升各种辐射探测器的性能,对于核技术的发展具有重大意义;铀浓缩离心机铀浓缩离心机铀浓缩离心机技术是核燃料生产的关键技术,是衡量国家核技术水平的重要标志;目前生产浓缩铀的主要方法是气体离心法;气体离心法的主要难点在于离心机的制造,进入离心机的六氟化铀UF6 气体温度高达 2000摄氏度,离心机的内筒要在高度真空环境下高速运转,其线速度达到音速;而且离心机必须长时间连续工作,如果在工作期间停转就会前功尽弃,同时由于每个离心机单独生产的铀产量很小,一个铀浓缩设施一般会用几千到上万,甚至数万台离心机同时工作;这对于机械可靠性、材料技术等都提出了极高的要求,尤其是离心机的转子材料极其特殊,目前世界上还只有几个国家可以生产;实现铀浓缩离心机的数字化设计与制造,对于改善离心机质量,提升离心机的机械可靠性,实现铀浓缩工厂离心机的平稳升级具有重要意义;