产品数字化设计实践

1、 产品数字化设计实践产品数字化设计实践产品数字化设计实践产品数字化设计实践 产品数字化设计实践产品数字化设计实践课程实践目标课程实践目标 结合当前数字化设计制造的发展需求，了解数字化意义，数字化的发展历程，实现数字化的系统需求，实现数字化的关键技术； 掌握1-2种软件平台下的数字化建模、装配、工程分析的基本技能； 了解数字化设计制造的管理。 产品数字化设计实践产品数字化设计实践u 实践对象实践对象 （1 1）电子产品（通讯产品、家用电器等）电子产品（通讯产品、家用电器等） （2 2）机电产品（工业产品、家用产品等）机电产品（工业产品、家用产品等） （3 3）机械产品（减速器、齿轮泵、机械手等）

2、机械产品（减速器、齿轮泵、机械手等） 数字化设计实践数字化设计实践 产品数字化设计实践产品数字化设计实践u 实践内容实践内容 （1 1）了解产品的市场需求，确定设计实践对象；）了解产品的市场需求，确定设计实践对象； （2 2）学习并选定软件平台，进行零、部件建模与虚）学习并选定软件平台，进行零、部件建模与虚拟装配；拟装配； （3 3）生成产品的零部件工程图样；）生成产品的零部件工程图样； （4 4）利用软件平台，进行必要的动力学分析和机构）利用软件平台，进行必要的动力学分析和机构运动仿真。运动仿真。 数字化设计实践数字化设计实践 产品数字化设计实践产品数字化设计实践 学习软件自带的项目管理功能

3、，或进行二次开发学习软件自带的项目管理功能，或进行二次开发用户界面，实现产品的可视化管理实践。用户界面，实现产品的可视化管理实践。 （1 1）设计友好的用户界面）设计友好的用户界面 （2 2）实现所实践产品的可视化管理。）实现所实践产品的可视化管理。 数字化设计管理数字化设计管理- -（选作）（选作） 产品数字化设计实践产品数字化设计实践数字化的意义数字化的意义数字化设计的发展数字化设计的发展数字化设计的软硬件系统数字化设计的软硬件系统数字化关键技术数字化关键技术Part1: Part1: 概述概述 产品数字化设计实践产品数字化设计实践数字化的意义数字化的意义数字化设计的发展数字化设计的发展数

4、字化设计的软硬件系统数字化设计的软硬件系统数字化关键技术数字化关键技术Part1: Part1: 概述概述 产品数字化设计实践产品数字化设计实践u 数字化的意义数字化的意义u 设计制造现状设计制造现状 1.研制过程研制过程：三维设计模型二维图纸（设计、工艺）三维工艺模型 2. 2.存在的问题存在的问题： （1）设计繁杂、数据模糊、信息传递链条不连续等弊病。 （2）消耗人力、物力大（图学人才、工艺人才培养、设计人员工作量大、牵涉的人员多） (3) 研制周期长，返修率高。u需要解决的关键技术需要解决的关键技术 探索一种自然（便于理解）、准确、高效的产品设计和制造等信息的表达方法，以支持产品设计、工

5、艺设计、加工、装配和维修等产品全生命周期各阶段的数据定义和传递。 产品数字化设计实践产品数字化设计实践u 基于模型的定义（Model Based Definiton,MBD）技术 技术是指将产品的所有相关设计定义、工艺描述、属性和管理等信息都附着在产品三维模型中的数字化定义方法。 随着MBD技术的发展，相继出现了： 基于模型的制造（Model BasedManufacturing，MBM） 基于模型的维修保障（Model BasedSupport, MBS） 基于模型的企业（Model Based Enterprise, MBE）等概念。u 数字化的意义数字化的意义 产品数字化设计实践产品数字

6、化设计实践 2005年,美国就在下一代制造技术计划（Next Generation Manufacturing Technologies Initiative，NGMTI）中，将基于模型的企业基于模型的企业MBEMBE列为振兴美国国防制造业和美国制造业的六大领域技术之首，并发布了的计划路线报告。 MBE技术是在MBD技术的基础上发展而来的。其核心思想是通过使用模型来定义、执行、控制和管理一切企业流程，通过应用基于科学的仿真和分析工具在产品生命周期的每个环节辅助决策，从而快速减少产品创新、开发、制造和支持的时间和成本。u 数字化的意义数字化的意义 产品数字化设计实践产品数字化设计实践u 数字化的

7、意义数字化的意义 以波音787为代表的新型客机研制为例： 波音公司摒弃二维工程图，建立了三维数字化设计制造一体化集成应用体系。 全面采用MBD技术，并直接使用三维模型作为制造依据，实现了产品设计、工艺设计、工装设计、零件加工、装配与检测的高度信息集成、并行协同和融合，开创了飞机三维数字化设计制造的崭新模式，从而大幅度提高了产品研制能力，确保波音787客机的研制周期和质量。 产品数字化设计实践产品数字化设计实践u 数字化的意义数字化的意义 我国也在积极探索三维数字化设计制造技术的应用。 复杂度越高的产品，使用数字化设计的意义愈加重大。 近几年国内航空企业在新型飞机研制过程中大量采用三维数字化设计

8、制造技术，取得了令人瞩目的成绩。 设计制造数字化，实现数字化企业是一个复杂的系统工程。 产品数字化设计实践产品数字化设计实践u 数字化的意义数字化的意义 国内数字化技术在内涵和外延两个方面离数字化企业还有很大距离。以国内的飞机装配为例：u 在局部上采用了较为先进的技术：如采用CAD技术进行了包括建立型架标准件库和优化型架及参数设计，对工装、工具和产品的装配过程进行了三维仿真等，开始采用激光测量+数控驱动的定位方式，部分机型还采用了自动钻铆技术等。 产品数字化设计实践产品数字化设计实践u但总体上与发达国家相比还存在较大差距，表现在： （1）飞机设计制造仍主要采用串行模式，工装、工艺设计与产品设计

9、脱节，制造模式未真正实现到并行模式的转换，导致飞机装配协调困难、返工率高； （2）尚未实现人机交互的装配仿真以及装配路径的优化； （3）仍然采用以专用工装为主的刚性定位装配方式，导致飞机制造成本居高不下； （4）数字化装配应用规模有限，尚未实现一个完整型号真正意义上的全面数字化。 u 数字化的意义数字化的意义 产品数字化设计实践产品数字化设计实践数字化的意义数字化的意义数字化设计的发展数字化设计的发展数字化设计的软硬件系统数字化设计的软硬件系统数字化关键技术数字化关键技术Part1: Part1: 概述概述 产品数字化设计实践产品数字化设计实践u 数字化设计的发展数字化设计的发展 数字化设计四

10、个主要阶段数字化设计四个主要阶段 初始阶段：单机数字化。即技术人员除了采用三维的设计软件设计外，其它工作习惯和旧习惯一致，即单机作业、纸质流转； 发展阶段：引入协同设计概念，利用局域网进行多人协同作业，实现产品数据的有效管理； 成熟阶段：在协同设计的过程中扩充电子签署、项目管理等概念，将整个产品研发体系移植在设计平台上； 完美阶段：将数字化设计与数字化管理、数字化制造、数字化检测有机结合，使各信息系统之间无缝连接，达到数据有效传递，最终实现产品全生命周期监控和管理。 产品数字化设计实践产品数字化设计实践u 数字化设计的发展趋势数字化设计的发展趋势 面向产品全生命周期的设计制造的集成化、全数字化

11、 CAx(CAD /CAM /CAE/CAPP) DFx: (面向制造面向制造 的设计的设计( DFM) 、面向装配的设计、面向装配的设计 ( DFA) 、面向产品全生命周期的设计、面向产品全生命周期的设计 (DFLC)单一功能系统将逐渐取代，CAx/DFx等系统的功能逐渐融合，设计制造集成度将更高。 产品数字化设计实践产品数字化设计实践u 数字化设计的发展趋势数字化设计的发展趋势 采用建模和仿真技术对产品整个生命周期的信息进行全面、精确的定义。 全面全面：利用模型来定义、执行、控制产品设计和制造及维护等全部技术和业务流程，从根本上减少产品研发制造的时间和成本。 精确精确：专业化的建模、仿真方

12、法及工具将深入发展并广泛应用。广泛应用。传统的以数字量为主、以模拟量为辅的协调工作法开始被全数字量传递的协调工作法代替，三维数模已经取代二维工程图纸，成为产品研制的唯一制造依据。 产品数字化设计实践产品数字化设计实践数字化的意义数字化的意义数字化设计的发展数字化设计的发展数字化设计的软硬件系统数字化设计的软硬件系统数字化关键技术数字化关键技术Part1: Part1: 概述概述 产品数字化设计实践产品数字化设计实践u 数字化设计的软硬件系统数字化设计的软硬件系统 数字化设计硬件系统数字化设计硬件系统 功能：支持模型表达与处理、支持数据传输与共享功能：支持模型表达与处理、支持数据传输与共享 计算

13、机（适合各种计算、分析）计算机（适合各种计算、分析） 网络环境（安全、畅通）网络环境（安全、畅通） 数字化设计软件系统数字化设计软件系统 功能：建模、分析、仿真、虚拟制造、数字化模型的功能：建模、分析、仿真、虚拟制造、数字化模型的管理与共享。管理与共享。 产品数字化设计实践产品数字化设计实践u 数字化设计软件系统数字化设计软件系统n I-DEAS:由美国SDRC公司推出的CAD/CAM/CAE集成软件。广被航天、汽车、消费性电子产品、工业设计者所采用的全功能机械产品研发过程自动化的系统。高效率的设计、绘图、分析、模拟、测试及制造，以最短的时间、较低的成本向市场提供高质量的产品，是世界应用最广泛

14、的CAD/CAE/ CAM 软体之一。I-DEAS在CAD/CAE一体化技术方面一直雄居世界榜首，软件内含诸如结构分析、热力分析、优化设计、耐久性分析如结构分析、热力分析、优化设计、耐久性分析等真正提高产品性能的高级分析功能。 产品数字化设计实践产品数字化设计实践u 数字化设计软件系统数字化设计软件系统n Pro/Engineer： Pro/E是美国参数技术公司（PTC)旗下的CAD/CAM/CAE一体化的三维软件。Pro/E以参数化著称，是参数化技术的最早应用者，在目前的三维造型软件领域中占有着重要地位。 Pro/Engineer作为当今世界机械CAD/CAE/CAM领域的新标准而得到业界的

15、认可和推广，是现今主流的CAD/CAM/ CAE软件之一，特别是在国内产品设计领域占据重要位置。 产品数字化设计实践产品数字化设计实践Pro/Engineer主要模块主要模块 Engineer：为该系统的基本部分，功能主要包括参数化的功能定义实体零件特征、装配体，工程图及渲染等。 ASSEMBLY：一个参数化组装管理系统，能提供用户自定义手段去生成一组组装系列及可自动地更换零件。 CABLING：一个综合性的电缆布线功能，它为在部件内真正设计三维电缆和导线束。 CAT：提供 Pro/ENGINEER与 CATIA的双向数据交换。接口 产品数字化设计实践产品数字化设计实践Pro/Engineer

16、主要模块主要模块 COMPOSITE：该模块能用于设计复合夹层材料的部件。 DEVELOP：一个用户开发工具。可利用该软件工具自己编写或结合第三家的应用软件进行二次开发。它包括C语言的程序库，支持 Pro/E的接口以及直接存取Pro/E数据库。 ECAD：可以通过 Pro/ENGINEER生成参数化印刷线路板（PCB）的设计图，也可由ECAD系统输入。 产品数字化设计实践产品数字化设计实践Pro/Engineer主要模块主要模块 DESIGN：快速设计大型及复杂的顺序组件。它可方便地生成装配图层次等级、二维平面上的非参数化组装概念设计、二维平面上的参数化概念分析、以及3D部件平面布置。 DET

17、AIL：生成工程图，包括：自动尺寸标注、参数特征生成，全尺寸修饰，自动生成投影面，辅助面，截面和局部视图。 产品数字化设计实践产品数字化设计实践Pro/Engineer主要模块主要模块 MANUFACTURING：定义加工过程规划、刀路轨迹，并能根据用户需要产生的生产规划做出时间及价格成本上的估计。 PROJECT：提供一系列数据管理工具，用于管理大规模复杂设计，适合多组设计人员同步运行的工程作业环境。 产品数字化设计实践产品数字化设计实践u 数字化设计软件系统数字化设计软件系统n Unigraphics：（简称：（简称UG）：）： 美国EDS PLM Solutions的主导产品，功能强大，

18、可实现复杂实体及造型的建构, 是应用普遍CAD/CAM/CAE的一体化软件系统之一。 UG是基于C语言开发的系统。在二、三维无结构空间网格上，它提供使用自适应多重网格方法开发的一个数值求解偏微分方程的软件工具。其设计思想可灵活地支持多种离散点建构方案。 UG的目标是用最新的数学技术，即自适应局部网格加密、多重网格和并行计算，为复杂应用问题的求解提供一个灵活的可再使用的软件基础 产品数字化设计实践产品数字化设计实践UGUG功能模块功能模块 工业设计工业设计：复杂建模：复杂建模 产品设计产品设计：具有专业的管路和线路设计系统、钣金模块、专用塑料件设计模块和其他行业设计所需的专业应用程序 仿真、优化

19、工具仿真、优化工具：以数字化的方式仿真、优化产品及其开发过程 NCNC加工加工：用户可以在图形方式下观测刀具沿轨迹运动的情况并可对其进行图形化修改：如对刀具轨迹进行延伸、缩短或修改等。 产品数字化设计实践产品数字化设计实践Unigraphics：（简称：（简称UG）模具设计：MoldWizard（注塑模向导）是基于NX开发的，针对注塑模具设计的专业模块，模块中配有常用的模架库和标准件，用户可以根据自己的需要方便的进行调整用，还可以进行标准件的二次开发，很大程度上提高了模具设计效率。二次开发二次开发：完全支持所需的各种工具，可用于管理过程并与扩展的企业共享产品信息。 与其他解决方案的完整套件无缝

20、结合。这些对于 CAD 、 CAM 和 CAE 在可控环境下的协同、产品数据管理、数据转换、数字化实体模型和可视化都是一个补充。 产品数字化设计实践产品数字化设计实践n Solid Works： 达索系统（Dassault Systemes S.A）下的子公司的Windows平台下的三维机械CAD软件。其中功能强大、易学易用和技术创新为其三大特点，这使得SolidWorks 成为领先的、主流的三维CAD解决方案。u 数字化设计软件系统数字化设计软件系统 产品数字化设计实践产品数字化设计实践 用户界面：SolidWorks 提供的AutoCAD模拟器，使得AutoCAD用户可以保持原有的作图习惯

21、，顺利地从二维设计转向三维实体设计。 零部件、装配体、工程图设计： 配置管理：配置管理能够在一个CAD文档中，通过对不同参数的变换和组合，派生出不同的零件或装配体。是SolidWorks软件体系结构中非常独特的一部分。 协同工作协同工作：技术先进的工具，使得你通过互联网进行协同工作u Solid Works功能特点功能特点 产品数字化设计实践产品数字化设计实践n CATIA（ Computer Aided Tri-Dimensional Interface Application 是法国Dassault System公司的CAD/CAE/CAM一体化软件，居世界CAD/CAE/CAM领域的领导

22、地位，广泛应用于航空航天、汽车制造、造船、机械制造、电子、电器、消费品行业，它的集成解决方案覆盖所有的产品设计与制造领域。 其特有的DMU电子样机模块功能及混合建模技术是推动着企业竞争力和生产力的提高。是世界上一种主流的CAD/CAE/ CAM 一体化软件。u 数字化设计软件系统数字化设计软件系统 产品数字化设计实践产品数字化设计实践DMUDMU电子样机模块功能电子样机模块功能 DMU由专门的模块完成，从产品的造型、上下关联的并行设计环境、产品的功能分析、产品浏览和干涉检查、信息交流、产品可维护性分析、产品易用性分析、支持虚拟实现技术的实时仿真、多CAX支持、产品结构管理等各方面提供了完整的电

23、子样机功能，能够完成与物理样机同样的分析、模拟功能，从而减少制作物理样机的费用，并能进行更多的设计方案验证。 产品数字化设计实践产品数字化设计实践 CATIA 提供方便的解决方案，迎合所有工业领域的大、中、小型企业需要。 包括:从大型的波音747飞机、火箭发动机到化妆品的包装盒，几乎涵盖了所有的制造业产品。 波音飞机公司使用CATIA完成了整个波音777的电子装配，创造了业界的一个奇迹，从而也确定了CATIA 在CAD/CAE/CAM 行业内的领先地位。 u CATIACATIA功能模块功能模块 产品数字化设计实践产品数字化设计实践CATIACATIA曲面设计模块曲面设计模块：拥有远远强于其竞

24、争对手的曲面设计模块。 （1）具有拉伸，旋转，扫描，边界填补，桥接，修补碎片，拼接，凸点，裁剪，光顺，投影和高级投影，倒角等功能，连续性最高达到G2，生成封闭片体，完全达到普通三维CAD软件曲面造型功能，比如Pro/E。完全参数化操作。（2）自由风格造型，几乎完全非参。可完成诸如曲面控制点（可实现多曲面到整个产品外形同步调整控制点、变形），自由约束边界，去除参数，达到汽车A面标准的曲面桥接、倒角、光顺等功能，续性最高达到G2。CATIA曲面功能已经超越了所有CAD软件，甚至同为汽车行业竞争对手的UG NX。u CATIACATIA核心技术核心技术 产品数字化设计实践产品数字化设计实践专用知识的

25、捕捉和重复使用专用知识的捕捉和重复使用：结合了显式知识规则的优点，可在设计过程中交互式捕捉设计意图，定义产品的性能和变化。隐式的经验知识变成了显式的专用知识，提高了设计的自动化程度，降低了设计错误的风险。CATIACATIA先进的混合建模技术：先进的混合建模技术：无论是实体还是曲面，做到了真正的互操作；变量和参数化混合建模，设计者不必考虑如何参数化设计目标，CATIA提供了变量驱动及后参数化能力。u CATIACATIA核心技术核心技术 产品数字化设计实践产品数字化设计实践CATIACATIA所有模块具有全相关性：所有模块具有全相关性：各个模块基于统一的数据平台，即三维模型的修改，能完全体现在

26、二维，以及有限元分析，模具和数控加工的程序中。并行工程的设计环境：并行工程的设计环境：CATIA 提供的多模型链接的工作环境及混合建模方式，使得并行工程设计模式已不再是新鲜的概念。总体设计部门只要将基本的结构尺寸发放出去，各分系统的人员便可开始工作，既可协同工作，又不互相牵连；由于模型之间的互相联结性，使得上游设计结果可做为下游的参考，同时，上游对设计的修改能直接影响到下游工作的刷新。实现真正的并行工程设计环境。u CATIACATIA核心技术核心技术 产品数字化设计实践产品数字化设计实践CATIACATIA覆盖了产品开发的整个过程：覆盖了产品开发的整个过程： 从产品的概念设计到最终产品的形成

27、，以其精确可靠的解决方案提供了完整的2D、3D、参数化混合建模及数据管理手段，从单个零件的设计到最终电子样机的建立； 同时，作为一个完全集成化的软件系统，CATIA将机械设计，工程分析及仿真，数控加工和CATweb网络应用解决方案有机的结合在一起，为用户提供严密的无纸工作环境，特别是CATIA中的针对汽车、摩托车业的专用模块，使CATIA拥有了最宽广的专业覆盖面，从而帮助客户达到缩短设计生产周期、提高产品质量及降低费用的目的。u CATIACATIA核心技术核心技术 产品数字化设计实践产品数字化设计实践n Autodesk Inventor：是美国AutoDesk公司推出的三维可视化实体模拟软

28、件，目前已推出最新版本INVENTor 2012，实验室使用的是INVENTor 6。它包含三维建模、信息管理、协同工作和技术支持等各种特征。使用Autodesk Inventor可以创建三维模型和二维制造工程图、可以创建自适应的特征、零件和子部件，还可以管理上千个零件和大型部件，它的“连接到网络”工具可以使工作组人员协同工作，方便数据共享和同事之间设计理念的沟通。u 数字化设计软件系统数字化设计软件系统 产品数字化设计实践产品数字化设计实践Autodesk Inventor主要特点主要特点Inventor在用户界面简单，三维运算速度和着色功能方面有突破的进展。它是建立在ACIS三维实体模拟核

29、心之上，能够迅速地获得零件和装配体的真实感。Inventor 产品线提供了一组全面的设计工具，支持三维设计和各种文档、管路设计和验证设计。Inventor 不仅包含数据管理软件、AutoCAD Mechanical的二维工程图和局部详图，还在此基础上加入与真正的DWG 兼容的三维设计。Inventor 提供的专家系统能以最快捷的方式生成制造用工程图，从而加速了从草图到成品的过程。 产品数字化设计实践产品数字化设计实践u 数字化设计软件系统数字化设计软件系统n CimatronE： 是以色列公司推出的面向模具行业的集成CAD/CAM软件。使用者可以方便的处理获得的产品数据模型或者对新产品进行概念

30、性设计。支持具有高速铣削功能的2.5轴5轴加工的铣削编程功能、基于毛坯残留知识的加工和自动化加工模板，缩短了数控编程和加工的时间。 产品数字化设计实践产品数字化设计实践u 数字化设计软件系统数字化设计软件系统n Master CAM： 是美国的CNC Software公司开发的基于PC平台的CAD/CAM系统，由于它对硬件要求不高，并且操作灵活、易学易用并具有良好的价格性能比，广泛应用于机械加工、模具制造、汽车工业和航天工业等领域，是目前应用较为广泛的CAD/CAM软件之一。 产品数字化设计实践产品数字化设计实践数字化的意义数字化的意义数字化设计的发展数字化设计的发展数字化设计的软硬件系统数字

31、化设计的软硬件系统数字化关键技术数字化关键技术Part1: Part1: 概述概述 产品数字化设计实践产品数字化设计实践u 数字化设计的关键技术数字化设计的关键技术 实现设计制造数字化的根本途径： 单一工程数据库 网络通信协议 标准数据文件接口 产品数字化设计实践产品数字化设计实践u 数字化设计的关键技术数字化设计的关键技术 数字化建模技术：参数化设计、逆向工程、快速原型技术、曲面缝合等技术. 制造工艺技术：虚拟加工、工艺、快速成型技术等 数字化装配技术：虚拟装配、装配工艺、干涉检测等 优化设计技术：真实物理系统（几何和载荷工况）的有限元分析等 结构与机构的力学模拟仿真技术：如静力学、动力学、热力学、流体力学等 产品数字化设计实