产品数字化设计实践

产品数字化设计实践

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。

实践对象

（1）电子产品（通讯产品、家用电器等）

（2）机电产品（工业产品、家用产品等）

（3）机械产品（减速器、齿轮泵、机械手等）

数字化设计实践实践内容

（1）了解产品的市场需求，确定设计实践对象；

（2）学习并选定软件平台，进行零、部件建模与虚拟装配；

（3）生成产品的零部件工程图样；

（4）利用软件平台，进行必要的动力学分析和机构运动仿真。

数字化设计实践

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。

（1）设计友好的用户界面

（2）实现所实践产品的可视化管理。

数字化设计管理-（选作）数字化的意义数字化设计的发展数字化设计的软硬件系统数字化关键技术Part1:概述数字化的意义数字化设计的发展数字化设计的软硬件系统数字化关键技术Part1:概述

数字化的意义

设计制造现状

1.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.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。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。基于模型的定义（ModelBasedDefiniton,MBD）技术

ＭＢＤ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（ModelBased

Manufacturing，MBM）

基于模型的维修保障（ModelBased

Support,MBS）

基于模型的企业（ModelBasedEnterprise,MBE）等概念。

数字化的意义2005年,美国就在下一代制造技术计划（NextGenerationManufacturingTechnologiesInitiative，NGMTI）中，将基于模型的企业MBE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ＭＢＥ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。数字化的意义

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。

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。

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：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。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。

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软硬件系统数字化关键技术Part1:概述数字化设计的发展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。数字化设计的发展趋势①面向产品全生命周期的设计制造的集成化、全数字化

CAx(CAD/CAM/CAE/CAPP)DFx:(面向制造的设计(DFM)、面向装配的设计

(DFA)、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。数字化设计的发展趋势②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：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：专业化的建模、仿真方法及工具将深入发展并广泛应用。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。数字化的意义数字化设计的发展数字化设计的软硬件系统数字化关键技术Part1:概述

数字化设计的软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

计算机（适合各种计算、分析）

网络环境（安全、畅通）数字化设计软件系统

功能：建模、分析、仿真、虚拟制造、数字化模型的管理与共享。数字化设计软件系统

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、耐久性分析等真正提高产品性能的高级分析功能。

数字化设计软件系统

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。

Pro/Engineer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Pro/Engineer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。Pro/Engineer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。DETAIL：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。Pro/Engineer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。数字化设计软件系统

Unigraphics：（简称UG）：

美国EDSPLMSolutions的主导产品，功能强大，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

UG功能模块工业设计：复杂建模产品设计：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、优化工具：以数字化的方式仿真、优化产品及其开发过程NC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。Unigraphics：（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：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。SolidWorks：达索系统（DassaultSystemesS.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，