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研究生专业课程考试答题册得分：学 号 2010260942 姓 名 王小波 考试课程 数字化设计制造技术概要 考试日期 2011年7月 西北工业大学研究生院数字化设计与制造技术应用浅谈王小波(西北工业大学, 陕西 西安 710072)摘要 从飞机制造业对于数字化设计与制造技术的需求出发，阐述了数字化设计与制造技术的内涵及主要内容，对数字化设计与制造技术体系中的数字化造型技术、数字化装配技术、数字化仿真技术、数字化制造技术以及数字化产品开发的PDM技术做了简要分析说明，并对CAD、CAE、CAM、CAPP和PDM之间的关系做了简要分析。关键词 飞机制造业；数字化设计；数字化制造；技术体系；A brief elucidation about the application of the technology of digitizing design and manufacturingWang Xiaobo (School of Mechatronics, Northwestern Polytechnical University, Xian 710072, China)Abstract It sets out the requirement of the aircraft industry for the technology of digitizing design and manufacturing, expounds the connotation and the main content of the technology of digitizing design and manufacturing, and makes a brief analysis about the technology of digitizing modeling, the technology of digitizing assembly, the technology of digitizing simulation, the technology of digitizing manufacturing and the PDM technology of digitizing product exploitation which belong to the system of the technology of digitizing design and manufacturing, in the end, it makes a brief analysis about the relationship of CAD, CAE, CAM, CAPP and PDM.字典Key words Aircraft industry；Digitizing design；Digitizing manufacturing；Technology system；1 引言当今，世界各国飞机制造业都面临着激烈、尖锐的市场竞争。如何缩短飞机制造周期，提高制造质量，降低生产成本，增强对市场的应变能力已成为航空界普遍关注和研究的重大课题。飞机作为一种机械产品，与一般的机械产品有很大的差别，它具有曲面多、结构形状复杂、零件数量多、尺寸大、尺寸配合关系多、协调关系复杂、制造精度要求高等特点。这对飞机设计和制造提出了很高的要求，要求飞机设计方案在满足产品性能要求的同时，考虑到产品的可制造性和可装配性，并不断地降低产品的制造复杂性和装配复杂性，从而缩短飞机研制周期，降低生产成本。然而，目前产品开发模式不能在产品的设计阶段就对其生命周期全过程中的各种因素考虑周全，以至于在产品设计甚至制造出来后才发现存在的问题，造成设计阶段的更改、错误和返工现象，因而延长了产品开发的周期，增加了成本。于是，人们开始寻求与探索新的理论、方法和工具，建立面向产品全生命周期的数字化设计与制造技术应运而生。通过数字化设计与制造技术的应用，使设计者在设计阶段就考虑产品可制造性、可装配性、可使用性与可回用性等产品开发的后续工作，为产品的制造、工程分析、装配等各阶段提供强有力的支持，有利的减少了设计、制造、装配等阶段由于沟通不足而造成的设计更改、错误和返工，同时该技术也为缩短研制周期，降低生产成本提供了保障。因此，数字化设计与制造技术不仅是制造业发展中的一个重要里程碑，而且是产品设计、制造技术的一次历史性飞跃。2 数字化设计与制造技术的内涵及主要内容2.1 数字化设计与制造的内涵数字化设计与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局、物流物料、生产计划、成本分析等方面多个方面。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、实现最佳设计目标和企业间的协作，大大提高企业的竞争能力。如图1所示，数字化支持企业的产品开发全过程。图1 数字化支持企业的产品开发全过程对于数字化设计与制造技术分开详细说明，它们的内涵如下：数字化设计是以实现新产品设计为目标，以计算机软硬件技术为基础，以数字化信息为辅助手段，支持产品建模、分析、修改、优化以及生成设计文档的相关技术的有机集合。因此，任何以计算机图形学为理论基础、支持产品设计的计算机硬件系统都属于产品数字化设计技术的范畴。数字化制造技术以产品制造过程的规划、管理、控制为对象，以计算机作为直接或间接工具，以控制生产设备，实现产品制造和生产的技术的有机集合。2.2 数字化设计与制造的主要内容为了更清晰的理解数字化开发技术的功用及价值，以及数字化设计与制造技术本身所包含的主要内容，在这里给出产品开发的主要环节及过程，梳理出典型的产品开发周期，如图2所示：图2 产品开发周期与数字化开发技术之间的关系上图不仅清楚地描述了典型的产品开发过程，还描述了数字化设计与数字化制造在产品开发中的地位与作用。还进一步说明了数字化设计与制造主要涵盖的内容。1) 数字化设计主要内容有：用于进行产品的概念化设计、产品的几何造型、创建虚拟模型、虚拟装配、进行优化设计等，最终实现最佳的产品设计效果。2) 数字化制造的主要内容有：用于高效、科学地编制零件的制造工艺的成组技术；采用数字化信息控制刀具和机床的相对运动，进而实现零件加工的数控编程及数控技术等。3 数字化设计与制造的关键技术体系3.1 数字化造型技术产品造型又叫产品建模，是建模领域中极其重要的组成部分。产品造型的步骤就是将人们头脑中的构想或者设想的产品模型转换成用图形、符号或算法表示的形式。在产品的造型过程中应该注意一下原则：产品造型应该反映产品的模型空间；产品模型空间覆盖的信息域要尽量大，处理过程中设计意图丢失要最小，设计人员工作量要最小等。即要求计算机对产品建模能够表示产品的全部信息，产品模型类似于传统设计过程中的图样，只不过是由计算机模型化了。数字化产品模型是基于计算机技术，在现代设计方法的指导下，支持先进制造系统，能够较好的定义和表达产品全生命周期各阶段产品数据内容，它们之间相互关系及活动过程的数字化信息模型。数字化产品造型是产品建立数字化模型的过程。提及数字化建模就不得不提及CAD/CAM。CAD/CAM的几何建模是把真实世界中的三维物体的几何形状用合适的数据结构来描述，供计算机识别和处理的信息数据模型。计算机辅助设计CAD作为信息化、数字化的源头，它包含的内容很多，如概念设计、优化设计、有限元分析、计算机仿真、计算机辅助绘图等，主要完成产品的总体设计、部件设计和零件设计，包括产品的三维造型和二维产品图绘制。CAD的支撑技术是曲面造型、实体造型、参数化设计、特征技术和变量参数技术。这里对于参数化造型给出大致说明；采用传统造型方法建立的几何模型具有确定的形状和大小。模型建立后，零件的形状和尺寸的编辑、修改过程繁琐，难以满足产品变异设计和系列化开发的需求，鉴于这种情况的出现，在长期的探索中引进了参数化造型。参数化造型使用约束来定义和修改几何模型。约束反映了设计是要考了吧的因素，包括尺寸约束、拓扑约束及工程约束等。参数化设计中的参数与约束之间具有一定的关系。当输入一组新的参数数值，而保持各参数之间的原有的约束关系时，就可以获得一个新的几何模型。在参数化造型中引进了一种变量设计系统，这种系统不仅考虑了尺寸约束及拓扑约束，还考虑了工程约束。具体的变量化系统表现形式如下图所示：图3 变量化设计系统3.2 数字化装配技术一般地，产品是由多个零部件装配而成的。为评价产品性能，需要在零件数字化模型的基础上，定义零部件之间的配合关系，在计算机中建立产品的完整几何模型及约束关系，这就是数字化装配。传统的数字化设计软件是一种面向零件的造型技术，而不是面向装配。用户需要先设计零件，再以零件模型为基础进行装配，也称为自下而上的设计模式。自下而上的设计优点是：零部件设计相对独立，设计人员可以专注于某个零件的设计。但是，在这种模式下，只有在装配时才能检验零件之间的配合是否合理、产品设计是否满足预期目标。对于结构简单、无需过多考虑零部件之间的配合关系或只有很少设计人员参与的产品而言，采用自下而上设计模式还能满足开发需求。但是，当产品装配结构复杂、设计人员众多且地狱非常分散时，上述模式就存在很多缺点。在产品设计过程中，设计人员将需要花费相当多的时间跟踪零件设计及装配状况、更改参数及工艺、修订产品设计、测试并反馈信息等，以确保零件之间的设计相互匹配。为克服上述缺点，人们提出了自上而下的产品设计模式，即先建立装配体，再在装配体中进行零件的造型和编辑。这种模式的优点在于：可以参考一个零部件的几何尺寸来生成或修改其他相关的零部件，从而确保零件之间存在准确的尺寸和装配关系；当被参考零件的尺寸发生改变时，相关联的零件尺寸会自动发生改变，从而保证零件之间的配合关系不发生改变。3.3 数字化仿真技术仿真是通过对系统模型的试验，研究已存在的或设计中的系统性能的方法及其技术。仿真可以再现系统的状态、动态行为及性能特征，用于分析系统配置是否合理、性能是否满足要求，预测系统可能存在的缺陷，为系统设计提供决策支持的科学依据。因此上说，仿真技术的应用有着十分重大的意义。随着计算数学的成熟和计算机技术的发展，人们越来越多的通过数学模型、应用计算机来进行仿真研究，进而形成计算机仿真技术。计算机仿真的实质是仿真过程的数字化，因而也成为数字化仿真。涉及数字化仿真技术来说，对于CAE的解释是不可或缺的。计算机辅助工程分析CAE主要指用计算机对工程和产品进行性能与安全可靠性分析，对其未来的工作状态和运行行为进行模拟，及早发现设计缺陷，并证实未来工程、产品功能和性能的可用性和可靠性。数字化仿真技术在零部件研制过程中的各个阶段具体应用归纳如下：1) 概念化设计阶段：对设计方案进行技术、经济分析以及可行性的研究，最终为用户提供科学依据，帮助用户选择合理的设计方案。2) 设计建模阶段：建立系统及零部件模型，通过对模型的分析，判断出产品外形、质地及物理特性是否满意。3) 设计分析阶段：分析产品及系统的强度、刚度、振动、噪声、可靠性等一系列性能指标，判断产品及系统是否达到满意要求。4) 设计优化阶段：通过仿真结果对系统结构及参数进行调整，实现系统特定性能或综合性能的优化。5) 制造阶段：对于刀具加工过程的走到轨迹以及零件之间的可装配性进行模拟仿真，及早发现加工、装配中可能存在的问题。6) 样机试验阶段：对系统动力学、运动学及运动性能进行仿真，模拟虚拟样机的试验，在安全的模式下对设计目标进行仿真，以确认设计目标的完善性。7) 系统运行阶段：进一步进行仿真模拟，对系统结构及参数进行进一步调整，实现性能的持续性改进及优化。数字化仿真已成为现代产品开发中的重要支撑技术和手段，通过以上对于数字化仿真技术在具体零部件研制过程中的应用，总结出了数字化仿真具有的以下优点：1) 有利于提高产品质量：数字化仿真技术在产品未实际开发出来之前，就已经研究产品在各种工作环境下的表现了，以保证产品具有良好的综合性能。2) 有利于缩短产品开发周期：采用数字化仿真技术，可以在计算机上完成产品的概念设计、结构设计、加工、装配以及系统性能的仿真，提高了设计的一次成功率，从而缩短了设计周期。3) 有利于降低产品开发成本：数字化仿真都是以虚拟样机代替实际样机或模型进行试验的，在这种基础下，能够很显著地降低开发成本。4) 可以完成复杂产品的操作、使用训练：复杂产品或技术系统的操作控制，必须进行系统的训练。以真实产品或系统进行训练，费用昂贵且风险极大。采用了数字化仿真技术，可以再现系统的实际工作过程，甚至可以有意识的设计出各种“故障”和“险情”，让受训人员进行处理和排除，从而在虚拟的环境中掌握系统的操作及控制，取得应有的效果。数字化仿真就是在计算机上将描述实际系统的几何、数学模型转化为能被计算机求解的仿真模型，并编制相应的仿真程序进行求解，以获得系统性能参数的方法及过程。数字化仿真的基本步骤如下图所示：图4 数字化仿真的基本步骤3.4 数字化制造技术涉及数字化制造技术，其中对于CAM的说明是必不可少的。计算机辅助制造CAM是指利用计算机辅助完成从生产准备到产品制造整个过程的活动，完成复杂零件的数控加工包括工艺过程设计、工装设计、NC自动编程、生产作业计划、生产控制、质量控制等。CAM的支撑技术是数控编程、刀具轨迹生成、数控加工仿真技术。数字化制造技术是以制造工程理论为基础，是信息技术和制造技术的有机融合与集成。数字化制造技术是对传统制造技术的扩展、创新和突破，主要体现在以下几个方面：1) 数字化制造是基于产品数字化设计的制造，以产品的数字化模型为基础，通过对产品结构的仿真分析，实现产品设计的最优化，进而实现产品制造、工艺管理、成本核算、控制、检测及装配的数字化。2) 数字化制造是以控制为中心的制造，它以数字化方法实现加工过程物料、设备、人员及生产组织等信息的存储和控制。它在加工过程仿真的基础上，对企业生产组织、调度和控制决策等制造过程进行优化。3) 数字化制造是基于数字化管理的制造。要想真是实现数字化制造的潜在效益与效率，就必须对整个研制过程的各类信息进行集成管理，实现各个产品开发的核心过程的集成。因此，只有建立了功能完善的数字化管理系统，才能充分体现数字化制造系统的价值。数字化制造的核心技术主要包括计算机辅助工艺规划(CAPP)，数控加工技术等；3.4.1 计算机辅助工艺规划（CAPP）计算机辅助工艺规划CAPP是通过向计算机输入被加工零件的几何信息和工序内容等工艺文件的过程。CAPP从根本上改变了依赖与个人经验，人工编制工艺规程的落后面貌，促进了工艺过程标准化和最优化，提高了工艺设计质量。它使工艺人员从繁琐重复的计算编写工作中解散出来，极大地提高了工作效率。CAPP的支撑计算是信息建模技术、工艺设计自动化和产品数据交换标准。CAPP的类型，核心的分为两大类：派生型和创成型；1) 派生型CAPP是利用零件的相似性，即相似零件有相似工艺规程。存在工艺文件库中的标准工艺规程是具有典型样板工艺的工艺文件。首先通过零件的成组编码确定其所属的零件族，在根据新零件的具体要求，对零件族的典型工艺加以修改后确定新零件的具体工艺规划。派生型CAPP系统的流程图如下所示：图5 派生型CAPP系统的流程图2) 创成型CAPP，它不需要派生型中的样板工艺文件，新零件工艺规程的产生是模拟工艺设计人员的决策过程，在输入新零件的全面信息后，根据工艺数据库的信息，在没有人干预的条件下，运用某种决策逻辑与规则自动生成工艺文件，创成型CAPP的系统流程如下所示：图6 创成式CAPP系统的流程图3.4.2 数控加工技术数控就是用数字化信息对机床运动及其加工过程进行控制的一种方法。数控加工是指根据零件图样及工艺要求等原始条件编制零件数控加工程序，并输入数控系统，进而控制数控机床中刀具与工件的相对运动，完成零件加工的过程。数控机床加工零件的基本步骤如下图所示：图7 数控加工的基本过程在具体的数控加工过程中，编制数控程序对于整个数控加工是有着深远意义的。对于数控程序的编制大致分为手动编程跟自动编程；1) 手动编制数控程序的一般过程如下图所示：图8 手动数控编程的基本步骤要编制出高效合理的数控程序，对于编程人员提出了很高的要求，他们不仅要熟悉数控机床的结构、数控系统的指令及代码格式，还应掌握零件的加工工艺、装夹方法、刀具、切削用量等方面的知识。2) 自动编程如今已经发展为基于数字化开发软件的自动编程，这种编程软件的工作模式是先利用数字化设计软件的造型功能在计算机中构建零件的三维几何模型，再利用数字化制造软件的数控编程功能，完成数控加工程序的编制，基于数字化开发软件的自动编程的基本过程如下图所述：图9 基于数字化开发软件的自动编程基本过程随着人们对产品质量和开发速度要求的提高，手动编程已难以满足数控加工的要求，基于数字化开发软件的自动编程受到了广泛的重视和应用，已经成为产品数字化开发的重要手段。3.5 数字化产品开发的PDM技术PDM技术即产品数据管理技术，它出现的主要目的是为了解决大量工程图纸文档的管理问题，紧接着逐步扩大到产品的开发整个生命周期的产品数据管理问题。产品数据管理是一种工具，它提供一种结构化方法，有效地、有规则地存取、集成、管理、控制产品数据和数据交换。PDM是用来管理所有与产品相关的信息和所有与产品相关的过程的技术。与产品相关的所有信息，包括零部件信息、结构配置、文件、CAD文档等；与产品相关的所有过程，包括过程的定义与监控。概括为一句话就是用于管理产品定义信息的所有系统。其核心在于能够使所有与项目相关的人在整个信息生命周期中都能够使用、分享与产品相关的异构数据。CAD、CAE、CAM、CAPP和PDM，它们之间的关系如下图所示：图10 CAD、CAE、CAM、CAPP和PDM各项技术之间的关系从图上不难看出，CAD是CAE、CAPP和CAM的基础，CAE的任何形式的分析都需要CAD进行建模和装配；CAM则需要CAD的造型和设计；CAPP则需要CAD提供一系列的技术文件等。在CAD中对于零件及部件所做的任何修改，都会直接影响到CAE、CAPP和CAM。而CAE、CAPP和CAM则反作用与CAD，它们可以验证CAD结果的正确性，对CAD进行修正。然而CAD、CAE、CAM、CAPP和PDM都是相对独立的单向技术，所产生的数据设计产品的不同方面，存在着信息如何在各部门之间传递、共享，如何保证数据的准确性、可靠性与安全性等问题。这种情况下PDM的介入，有着非凡的意义。PDM系统可以把与产品整个生命周期有关