工业软件与智能制造讲稿99

1.1初识工业软件同学们，大家好，本次课我们一起来认识工业软件。首先，学习工业软件之前，我们来了解下什么是工业。工业是指采掘自然资源、对工业原料及农产品原料进行加工和再加工的行业。按产品的性质和主要用途分，通常把工业分为重工业和轻工业两大类。重工业为国民经济各部门的迅速发展提供能源、原材料、生产工具和技术装备，是实现扩大再生产和提高劳动生产率的物质基础。轻工业门类繁多，主要包括纺织、食品、家具、日用化工、文化用品等工业部门，其产品与人们衣、食、住、行等息息相关。据世界银行的数据，我国制造业增加值占全球比重从2012年的22.5%提高到2021年的近30%，超过美国、日本和德国的总和，持续保持世界第一制造大国地位。中国的全球500强企业从2010年54家翻倍增至2022年的145家，跃升到世界第一，超过美国，是日本的两倍多，中国制造在13个行业居于全球第一。在智能工厂由网络空间的虚拟数字工厂和物理系统中的物理工厂组成。智能工厂已经具备了自主收集、分析、判断和计划的能力。通过整个可视化技术进行推理和预测，利用仿真和多媒体技术，将扩展现实世界中的显示设计和制造过程。系统的每个组成部分都可以自行构成最佳的系统结构，具有协同性、重组性和扩展性的特点。数字孪生，英文名为DigitalTwin，又称“数字双胞胎”，也被称为数字镜像或者数字映射。它的官方定义非常复杂：是充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，在虚拟空间中完整映射相对应的实体装备的全生命周期生产过程。简单来说，数字孪生就是在一个设备或系统的基础上，创造一个数字版的“克隆体”，这个“克隆体”，也被称为“数字孪生体”。理解数字孪生还需要记住三个关键词，分别是“全生命周期”、“实时/准实时”、“双向”。全生命周期，是指数字孪生可以贯穿产品包括设计、开发、制造、服务、维护乃至报废回收的整个周期。它并不仅限于帮助企业把产品更好地造出来，还包括帮助用户更好地使用产品。实时/准实时，是指本体和孪生体之间，可以建立全面的实时或准实时联系。两者并不是完全独立的，映射关系也具备一定的实时性。双向，是指本体和孪生体之间的数据流动可以是双向的。并不是只能本体向孪生体输出数据，孪生体也可以向本体反馈信息。企业可以根据孪生体反馈的信息，对本体采取进一步的行动和干预。其次，软件的定义。我们知道软件是伴随着计算机的普及应用而兴起的一个专业领域，因此早期叫“计算机软件”，是一个与“计算机硬件”相对应的概念，后来直接称之为软件。软件本身的运行离不开硬件和操作系统。国标中对软件的定义为，与计算机系统操作有关的计算机程序、规程、规则，以及可能有的文件、文档及数据。软件是无形的，看不见，摸不着，因此容易被忽视。但是软件又如同空气一样，维护人类社会设备设施的高速运转。今天，一个没有软件的社会是不可想象的。一般来说，软件被划分为系统软件、应用软件和介于这两者之间的中间件。工业软件是从应用软件发展出来的专门用于工业过程的软件。软件具有以下八点特征。运行时，能够提供所要求功能和性能的指令或计算机程序集合。程序能够自动建立和处理信息的数据结构。描述程序功能需求以及程序如何操作和使用所要求的文档。软件是一种逻辑实体，是抽象无形的，它没有物理形态，但可以记录在介质上。软件是人类智力产品，凝聚了大量的脑力劳动，人的逻辑思维、智能活动和技术水平，软件开发过程复杂。软件需要长期维护，软件虽不会像硬件一样老化磨损，但需缺陷维护和技术更新。软件成本昂贵，它的开发和运行也必须依赖于特定的计算机系统环境。软件具有可复用性，软件开发出来很容易被复制，从而形成多个副本。工业软件姓“工”，不姓“软”。所以第一属性不是IT，工业软件是工业化的顶级产物，是由工业技术、知识、经验构成的。因此，没有工业知识，没有制造业经验，只学过计算机软件的工程师是设计不出来先进的工业软件。了解“工业”和“软件”之后，这里给出工业软件的定义。工业软件是工业技术/知识、流程的程序化封装与复用，能够在数字空间和物理空间定义工业产品和生产设备的形状、结构、控制其运动状态，预测其变化规律，优化制造和管理流程，变革生产方式，提升全要素生产率，是现代工业的“灵魂”。工业软件从四个层面来理解。基础理论层是工业软件的研发支撑，工业知识是工业软件的核心内容，工业软件是将工业知识封装形成成熟的工业软件产品。应用于不同的工业领域，解决各种问题。工业软件功能主要有：工业产品的设计与优化；工业生产信息流（数据）的采集与管理；工艺流程的构建与优化；工业设备的控制与调度。最后，工业软件的特征。1.工业软件是工业技术和知识的容器。工业软件源于工业领域的真实需求，是对工业领域研发、工艺、装配、管理等工业技术/知识的积累、沉淀与高度凝练。2.工业软件是对模型的高效最优复用。模型来源于工业实践过程，来源于具体的工业场景，是对客观现实事物的某些特征与内在联系所做的一种模拟或抽象，模型体现了各有关因素之间的关系。工业软件的核心优势是对模型的最优复用。3.工业软件与工业发展息息相关。工业软件源于工业需求。上个世纪60-70年代诞生了很多知名工业软件，基本上都是工业巨头企业根据自己产品研制上的迫切需求而自己开发或重点支持的。4.工业软件是现代化工业水平的体现。工业软件是在工业基础上发展起来的，脱离了工业的工业软件是空中楼阁，工业生产工艺水平也决定了工业软件的发展程度。工业软件是提升工业生产力和生产效率的手段，是推动智能制造、工业互联网高质量发展的核心要素。5.工业软件是先进软硬件技术的融合。云计算成熟后，工业软件从B/S部署发展为基于云的订阅式工业软件，如云CAD。芯片计算速度提高，以及多主机高性能并行计算技术成熟后，过去CAE软件需要漫长的仿真计算过程，随着算力的提升而得到了解决。6.工业软件研发时间长，成本高，成功难复制。工业软件研发难度大、体系设计复杂、技术门槛高、复合型研发人才紧缺、对可靠性要求较高、导致研发周期长、迭代速度慢。一般大型工业软件的研发周期为3~5年，要被市场认可则需要约10年。因此，构成了较高的行业壁垒，成功经验很难复制，短时间内行业巨头很难被超越。7.工业软件领域强者愈强、赢者通吃。20世纪八九十年代，国外工业软件头部企业就开始有目的地并购，把一些具有优秀功能并且能够与自家软件形成互补的中小软件厂商纳入麾下，中小软件厂商几乎没有独立做大的机会。工业软件巨头频繁发起并购，其体量就越大，占有市场份额越多，越有并购能力。8.工业软件对可靠性和安全性要求极高。工业软件作为生产力工具服务于工业产品的研制和运行，在功能、性能效率、可靠性、安全性和兼容性等方面有着比普通商业软件更为苛刻的要求。因此，工业软件与一般IT软件相比最重要的特征是需要对工业流程必须有很深的理解，并通过软件在工业生产场景来实施。工业软件是工业流程的内化和体现。“工业软件”和“工业流程”是同一事物在不同环境和不同载体下的体现。本次课程我们讲解了工业软件的定义、特征、内涵，学习结束后请大家用思维导图的形式进行知识总结与回顾。1.2工业软件的发展史同学们，大家好，本次课我们一起来了解国内外工业软件发展现状。首先，西方工业发展史。世界工业软件主流厂商包括：达索系统、西门子数字工业软件、欧特克、PTC、新思、CADENCE、AVEVA、ANSYS、ALTAIR、海克斯康、ESI、ZUKEN、ALTIUM、ARAS等。上世纪60年代，手工绘图已经无法驾驭越来越复杂的产品设计需求，美国波音、洛克希德、NASA等航天巨头开始研发工业软件来代替人工制图。因为计算机技术能更好地表达产品需求，且能免除人力驱动的物理设备。冷战时期，美国为了缩减昂贵的军用软件开支，开展军民融合，而洛克希德公司瞅准机会扎进了工业软件领域。值得一提的是，这一时期开发的工业软件都是企业自用，后来为了赚取利益很多软件转为商用，现在仍然活跃在市场上的有洛克希德投资而达索开发的CADCAM；麦道开发的UG；西屋电气太空核子实验室开发的ANSYS等等。其次，中国工业软件发展史。作为制造业第一大国，我国拥有世界上最齐全的产业门类，中国可以设计生产525种细分门类的工业产品，但是却生产不了多少门类的自主可控工业软件。核心工业软件领域的发展不足是我国工业产业发展的软肋。主要原因如下：1、我国工业软件起步晚，发展历尽坎坷我国工业软件的发展始于1978年，靠从意大利引进的“黑八本”踏上工业软件发展之路；1986年，国家出台“863”计划，将工业软件发展纳入其中；90年代中后期，我国工业软件发展进入黄金时期。2001年我国加入WTO之后，国外的工业软件和高端设备捆绑式进入国内市场，逐步替代了国内工业软件，我国的工业软件道路越发艰难。之后国内又组织过发展国产工业软件的活动，但最后都无疾而终，我国工业软件的发展可谓历尽坎坷。直到近些年，我国工业软件才得以喘息，但发展状况依然不是很乐观。2、我国工业软件体系不发达，研发设计类软件被国外垄断据统计数据显示，截至2021年底，全球工业软件市场规模达4500亿美元左右，其中北美约占38.8%，欧洲占32.4%，亚太占23.8%，其他占5%。我国作为全球第一大工业国，制造业约占全球总份额的30%，而中国工业软件市场规模约为2414亿人民币，只占全球总量的7.9%左右，在工业软件方面占比相对较低，我国工业软件整体实力较弱。在这仅有约8%全球市场份额的工业软件市场中，嵌入式软件占57.4%，信息管理类占17.1%，生产控制类占17%，研发设计类却只占了8.5%，可见我国工业软件体系“偏科”，发展不均衡，研发设计类工业软件市场极小，被国外垄断现象严重。例如，CAD研发设计类软件市场，法国达索、德国西门子、美国PTC以及美国Autodesk公司在我国市场占有率达90%以上，国内数码大方、中望软件、山大华天等只占不到10%的市场；CAE仿真软件市场领域，美国ANSYS、ALTAIR、NASTRAN等公司占据了95%以上的市场份额。3、我国陆续出台了一系列政策促进工业软件发展在内部需求和外部刺激的双重推动下，我国出台了一系列政策促进工业软件发展，加快工业软件产业化，大力发展工业软件等“专精特新”配套企业，建设工业软件创新中心，制定工业软件标准等等。具体体现在1）高端制造在国家层面上升到比较高的位置。2）产业层、政策层对工业软件的认知和定位高度在提升。3）中国工业企业（特别是龙头企业、国有企业、军工企业）对国产工业软件的使用意愿在提升。4）中国工业软件企业的产品迭代速度在提升。5）中国工业软件企业的收入增速在提升。最后，我来看看中西方工业软件差距作为工业大国，我国工业软件产业发展却相对滞后，工业大国与软件小国的身份极不相符。虽然经过30多年的发展，我国工业软件产品种类已经比较齐全，覆盖汽车、工程机械、航空航天、高科技电子、家电、国防军工、石油化工、食品饮料、生物医药等多个行业，具备了一定的行业解决方案研发能力和服务支持能力，但与国外工业软件强国相比，中国工业软件在以下几方面​的发展还存在很大差距。市场占有领域方面看，国外软件巨头占据了国内工业软件从设计、制造至服务的八成以上市场，掌控着仿真设计、分析工具、企业管理和先进控制等工业软件核心技术。从全球工业软件市场格局看，美国、欧洲企业处于主导地位，把握着技术及产业发展方向。美国公司综合实力强、数量众多，德国、法国、英国、瑞典、荷兰、瑞士、意大利等国企业颇具特色，日本、韩国、印度的一些公司也不容忽视。我国在工业软件方面起步比较晚,缺乏深厚的工业积累,在用户界面、软件功能、系统架构和平台化、开放性等方面与国外大型软件公司的软件产品还存在一定的差距,国内大型制造企业习惯于购买和应用国外企业的工业软件。近年来，我国工业软件取得了长足进步，部分核心软件技术取得了突破性进展，拥有了部分自主可控的工业软件产品，培育了中望龙腾、山大华天、数码大方、安世亚太、同元软控、华大九天、用友、浪潮、金蝶、中控等一批国内工业软件供应商，个别类别软件和少量单点技术达到国际先进水平。但是我国工业软件仍处于较多关键核心技术缺失，由引进应用向自主研发转换、技术迭代能力建立的关键阶段。本次课程我们讲解了国内外工业软件发展现状，学习结束后请大家思考如何扭转中西方工业软件差距。1.3工业软件与智能制造同学们，大家好，本次课我们一起来学习工业软件与智能制造。首先，我们来了解下工业革命，从工业1.0到工业4.0的发展演变过程。第一次工业革命是18世纪60年代，由英国发起的，开创了以机器代替手工劳动的时代。1785年，瓦特完成了对蒸汽机的改良，再一次推动了社会的机械化发展，人类社会由此进入“蒸汽时代”。随着机器的大量使用，传统的手工工场无法适应机器生产的需求，为了更好地进行生产管理、提高效率，资本家开始建造厂房来放置机器，雇佣工人集中生产，一种新型的生产组织形式——工厂出现了。第二次工业革命开始于19世纪中期，欧洲国家和美国、日本等资产阶级在第一次工业革命的推动下，迅速完成了资本积累，自然科学研究取得了巨大进展，进一步促进了经济的发展。马达的问世，预示着电气时代拉开序幕。第二次工业革命的代表性成果是发电机、电动机、内燃机和流水生产线。新的生产组织形式，以福特公司的汽车流水线为例，既高效又经济，使汽车成为了大众产品。第三次工业革命始于20世纪四五十年代，是人类历史上继蒸汽时代和电气时代之后的又一次重大飞跃。第三次科技革命以原子能、电子计算机、空间技术和生物工程的发明和应用为主要标志，涉及信息技术、新能源技术、新材料技术、生物技术、空间技术和海洋技术等诸多领域。第四次工业革命，2013年汉诺威工业博览会上，提出了德国工业4.0战略。是指将互联网、大数据、云计算、物联网、人工智能等新技术与工业生产相结合，最终实现工厂智能化生产。通过工业互联网，实现工业经济全要素、全产业链、全价值链的全面连接，重塑工业生产制造和服务体系，实现工业经济高质量发展。前三次革命本质上是解决的同一个问题：在企业级，解决生产效率与消费效率之间的矛盾，本质上还是围绕生产为核心。第四次工业革命需要解决的问题是在产业级，实现工业全价值链的打通，消除生产与消费之间的鸿沟，改变市场经济运行模式，大大提高经济社会运行效率，本质上是围绕工业互联网为核心。其次，什么是智能制造。“工业4.0”的目标不是创造新的工业技术，而是统合所有工业相关的技术、销售与产品体验，是建立具有适应性、资源效率及人因工程学的智慧工厂(SmartFactory)，并在商业流程及价值流程中整合客户以及商业伙伴，在美国叫“工业互联网”，我国叫“中国制造2025”，这三者本质内容是一致的，都指向一个核心，就是智能制造。智能制造主要分为三大主题：一是“智能工厂”，重点研究智能化生产系统及过程，包括智能软硬件设备，以及网络化分布式生产设施的实现。二是“智能生产”，主要涉及整个企业的生产流程管理、物流管理、人机交互协同以及3D和5G技术在工业生产过程中的应用等。该计划将特别注重吸引中小企业参与，力图使中小企业成为新一代智能化生产技术的使用者和受益者，同时也成为先进工业生产技术的创造者和供应者。三是“智能物流”，主要通过工业互联网、物流网，整合物流资源，打通供应链体系，充分发挥现有物流资源供应方的效率，而需求方，则能够快速获得服务匹配，得到物流支持，使得产业链上下游资源得到更高效的配置。第三，我们来学习下中国智能制造国家战略和标准体系2015年国务院印发《中国制造2025》，指出战略目标是立足国情，立足现实，力争通过“三步走”实现制造强国的战略目标。第一步：力争用十年时间，迈入制造强国行列。到2020年，基本实现工业化，制造业大国地位进一步巩固，制造业信息化水平大幅提升。掌握一批重点领域关键核心技术，优势领域竞争力进一步增强，产品质量有较大提高。制造业数字化、网络化、智能化取得明显进展。重点行业单位工业增加值能耗、物耗及污染物排放明显下降。到2025年，制造业整体素质大幅提升，创新能力显著增强，全员劳动生产率明显提高，两化（工业化和信息化）融合迈上新台阶。重点行业单位工业增加值能耗、物耗及污染物排放达到世界先进水平。形成一批具有较强国际竞争力的跨国公司和产业集群，在全球产业分工和价值链中的地位明显提升。第二步：到2035年，我国制造业整体达到世界制造强国阵营中等水平。创新能力大幅提升，重点领域发展取得重大突破，整体竞争力明显增强，优势行业形成全球创新引领能力，全面实现工业化。第三步：新中国成立一百年时，制造业大国地位更加巩固，综合实力进入世界制造强国前列。制造业主要领域具有创新引领能力和明显竞争优势，建成全球领先的技术体系和产业体系。2021年，八部门印发了《十四五智能制造发展规划》从智能制造技术攻关、智能制造示范工厂建设、行业智能化改造升级、智能制造装备创新发展、工业软件突破提升、智能制造标准领航六个方面指出专项行动计划，保障各项任务落地实施。2021年，工信部、标准委印发了《国家智能制造标准体系建设指南（2021版）》明确了智能制造标准体系的结构和框架，给出了基础共性标准、关键技术标准和行业应用标准，结合行业特点，重点制定规划、流程和指南类应用标准，进一步推进或完善行业智能制造标准体系。一图读懂智能制造，下面是智能制造典型场景参考指引，结合我国智能制造发展情况和企业实践，结合技术创新和融合应用发展趋势，总结了15个环节和52个智能制作典型场景，作为智能制造示范工厂建设的参考。第四，工业软件的重要意义。没有强大的制造业，就没有强大的综合国力；没有强大的工业软件，就没有强大的制造业。作为智能制造的重要基础和关键支撑，工业软件对推动我国制造业转型升级，迈向制造强国、取得高质量发展，具有重要意义。1.工业领域自主可控发展的重要支撑发展工业软件就是发展工业产业基础、加强产业基础能力建设，工业软件的自主可控是产业安全与信息安全的基础保障，对深入实施制造战略强国意义重大。2.制造强国的重要增长点例如，2018年我国工业增加值的世界占比接近30%，而工业软件市场规模的世界占比仅约6%，存在明显的失配情况。着眼中长期，我国稳步从制造大国向制造强国迈进，较快的产业转型升级进程必将为工业软件产业带来广阔的增长空间，我国工业软件产业有望迎来规模庞大的"蓝海'市场。谁掌握了更多、更好的工业软件，谁就拥抱了工业发展的未来。最后，工业软件面临的问题。2019年5月，美国商务部将华为列入实体清单，导致其无法使用最新的芯片设计软件工具EDA（电子设计自动化）去设计芯片。这两个事件让国产工业基础软件的“卡脖子”问题浮出水面。2020年6月，哈尔滨工业大学、哈尔滨工程大学等多个科研机构和公司，被美国以涉军为由列入实体清单，此后两校师生发现无法再通过学校账号登入海外数理分析软件MATLAB。根据国家工信部指导发布的《中国工业软件白皮书（2020）》调研数据显示，在生产控制、经营管理、运维服务这三个工业制造环节，国产工业软件在中国国内市场份额已分别达到五成、七成、三成，但在研发设计环节，海外软件占比仍高达95%。国外软件的垄断特别高，它是有两个原因造成的，一个是技术，一个是生态。工业软件正在成为我国由制造大国走向制造强国迈进的主要瓶颈，极易被国外“卡住脖子”。那么，造成这种“卡脖子”的原因是什么呢？1.研发设计环节技术壁垒高，核心技术的国际依赖性明显工业软件研发涉及工业制造技术、工程管理、应用数学、计算机与软件等学科的交叉融合，唯有多类创新主体（与学科）的共同参与才能促进工业软件的技术进步与产品创新。2.复合型的软件研发人员缺口较大，人才培育有待完善长期以来，我国工业软件产业发展疲软，软件研发人员的薪酬待遇不具有市场竞争力，而互联网、游戏、VR等新兴信息类产业发展迅速且软件人才的薪资水平较高，造成了工业软件产业高端领军人才匮乏、深入掌握工业类专业知识的软件人才短缺等现象。要想避免国产工业软件被“卡脖子”，实现对国外先进工业软件的追赶和超越。可以从以下几个方面入手：一是聚焦高端工业软件核心技术，给予政策资金扶持、集中优势科研力量开展集中攻关；二是打造国产工业软件创新生态圈；三是支持国产工业软件企业发展壮大，帮助拓展工业软件创新产品应用场景；四是加强人才、金融等要素支持，培养研发人才、鼓励社会资本投向国产工业软件。历史的教训告诫我们，核心技术只有掌握在我国自己手中，才能避免国外对中国的封锁，保障我国的工业安全和国家安全。“功成不必在我，功成必定有我”，相信在政府、研究机构、市场、软件企业以及工业企业等各方的共同努力下，国产工业软件一定会迎难而上，不断追赶，推动我国向工业软件强国的转变。本次课程我们讲解了工业软件与智能制造，学习结束后请大家进行知识总结与回顾。

第二章研发设计类工业软件同学们，大家好。本章节我们一起来学习研发设计类工业软件。我们本章的教学目标是了解研发设计类软件的定义、组成、功能和应用，掌握研发设计类软件的基本操作。知识目标是通过明确理解研发设计类软件的概念、技术和系统，了解设计、仿真、制造和数据管理这一过程。通过本章学习，期待同学们能达成以下能力：学会应用研发设计类软件，掌握研发设计类软件的操作步骤。此外，通过本章学习后对研发设计类软件有立体的认知，对比国外的研发设计类软件，增强国内软件发展的紧迫感和自我责任感。2.1应用场景介绍下面我们来了解工业软件的应用场景。研发设计类工业软件是基于物理和数学等基础学科的原理，与有关专业关联性强的工业软件，是工业软件的核心。研发设计类工业软件以CAx（CAD/CAE/CAM）为代表，贯穿从研发设计到产品制造的整个流程。研发设计类工业软件处于工业制造的上游，对工业制造智能化意义重大，可以帮助企业在产品设计阶段从源头控制和降低生产成本，提高生产效率和工业制造的智能化水平，对工业制造的影响举足轻重。2.1.1CAx一体化应用在产品实际的生产过程当中，俯瞰整个产品生命周期，在生产阶段一般可分为初步设计、详细设计、生产准备和生产制造等阶段。所以，在初步设计和详细设计的流程当中，设计师一般会首先利用CAD软件初步建模，紧接着，利用CAE软件对产品的强度、动力学等性能进行数值模拟，根据模拟数值结果通过CAD不断修改几何模型，最终来得出符合需求的最优化产品。而当我们来到生产准备和生产制造环节，工程师通过CAD设计的产品三维模型、设计图纸等，这些数据都可以直接为CAM所用，通过工艺设计、NC编程等环节，完成产品的CAM。以上，CAD和CAM的集成极大地提高了产品地设计生产效率，主流的CAD/CAM软件一般都会通过集成CAE来满足仿真需求。从技术层面，CAD和CAE以及CAM三者的分工很明确。CAD负责模型的造型建模，而CAE负责物理模型的数值拟合求解。CAM负责将CAD建模转化为数控加工程序来实现制造。而从应用层面来说，三者是环环相扣的。CAD建模之后，由CAE读取建模结果，进行工程分析或仿真模拟，将结果反馈给CAD，往复优化迭代，最终由CAM进行数控编程制造。结束流程后，生产管控软件和管理运营软件结合起来进行生产作业，由生产控制系统进行加工制造。2.1.2PLM/CAX集成应用在产品中往往会包括大量的机械零件和电子电子元件，所以机械CAD和电气电子CAD往往会同时被调用。如图，M-CAD与E-CAD系统通常被同时使用，当集成到PLM当中时，可以采用文件夹结构对产品中电气、电子部分进行结构化。同样，我们也可以用对象DoMR和文档对电气布线图和元器件清单等进行管理。与机械零部件一样，电气/电子元器件用PMR加以表示，将机械和电气/电子元器件包含在同一个产品结构中。2.1.3产品数据与工艺装备数据的集成从以上我们不难看出，产品开发与工艺装备设计是相互紧密结合的过程，利用产品生命周期管理系统，可以将产品数据与工艺装备数据有机地集成在一起。而产品的数据和工艺装备设计数据之间的联系图，我们由图中可以看出，其中，编号为461394的零件是一个塑料件，它是某个产品的下属零件，包括3D模型、相应的工程图和样品的检验报告。假定加工该塑料件461394的注塑工具被定义为一个编号为B.150847的项目对象，并与塑料件461394之间建立了联系。模具型腔是注塑工具产品结构的一部分，在本例中，模具型腔PMR的物品编号为B.8364。利用编号为B.8364的文件夹，可将与模具型腔以及电极有关的所有文档存放在一起。通过塑料件461394的PMR与模具型腔文件夹B.8364之间的联系，就构成产品零件与其模具之间的逻辑联系。PLM集成规范强调松散耦合和开放性，遵循可扩充和可维护原则。它是系统有机联系的规则，为PLM系统在开发实施过程中集成策略的制订定义了基本原则。2.2典型软件及供应商介绍2.2.1典型工业软件典型的工业软件具体包括计算机辅助设计、计算机辅助分析、计算机辅助制造、计算机辅助工艺规划、产品数据管理、产品生命周期管理等类型。从表中我们可以看到国内外典型研发设计类别的工业软件供应商。2.2.2国内供应商下面我们集中介绍几家国内重点供应商。广州中望龙腾软件股份有限公司是中国CAx（CAD/CAE/CAM）解决方案供应商之一，拥有二维/三维CAD自主核心技术及CAE仿真技术，致力于为全球用户提供高性价比二维/三维CAD、CAE及CAM软件产品与服务，目前拥有15个语言版本，在全球90多个国家和地区建立了合作伙伴，全球正版用户突破90万。苏州浩辰软件股份有限公司成立于1992年，为全球用户提供CAD设计与云协作方案，提供二维/三维设计软件及多应用场景的云协作解决方案，应用于工程建设和机械设计领域。该软件是非开源的国产CAD厂商，产品已覆盖100多个国家和地区，全球用户超3000万。上海东峻信息科技有限公司是中国首家自主研发商业化电磁/光电仿真软件的高新技术和双软企业，在电磁波和光电仿真技术方面具有特色，解决了大量欧美软件难以计算电大/超电大、结构材料和复杂电磁材料的仿真问题，可为国内外提供高质量软件产品和技术服务。上海思普信息技术有限公司的软件产品包括全生命周期管理系统SIPM/PLM，是中国领先的企业管理创新信息化平台供应商，致力于管理解决方案、机电软包（结构设计、电子设计、软件设计、包装设计）多专业协同开发、产品设计和产品工艺一体化管理等。鼎捷软件股份有限公司1982年成立于中国台湾，产品以ERP和智能制造解决方案为核心，推进云领域与工业互联网领域的创新应用研发，助力企业变革运营模式，实践数字化转型。通过上承CAD，下接ERP，企业可以在产品研发、设计、工艺、生产、采购和质量等各部门间，架设起一个协同的工作平台，建立从设计到生产运营的流程和数据的快速通道，提高企业整体运作效率。金蝶国际软件集团有限公司始创于1993年，主要推出面向高端市场的EASPLM产品与解决方案。金蝶PLM通过项目管理、流程管理、数据共享、权限控制、工作流驱动等，以产品为中心，全面支持与产品相关的各种业务流程，实现企业的产品研发协同，缩短周期，提高工作效率。2.2.3国外供应商达索公司总部位于法国，主要提供PLM产品，包括CentricPLM，CATIA，SOLIDWORKS，ENOVIA，DELMIA和SIMULIA。此外还提供PLM分析和EXALEAD软件和3D空间规划的3DVIA软件。西门子公司专注于电气化、自动化和数字化领域，是世界上最大的节能技术生产商之一，是发电、输电和医疗诊断系统的领先供应商。西门子2017年提出数字孪生（DigitalTwin）的解决方案，被制造企业工业4.0的方案所采用。西门子的PLM解决方案主要包括：NX，Teamcenter，Simcenter和Tecnomatix，产品及服务覆盖工业自动化、楼宇科技、驱动技术、能源、医疗等多种领域，遍及全球200多个国家。美国参数公司（PTC）致力于为顶尖客户提供服务、收购重要公司并创造业内领先的产品，帮助用户获得持久的产品和服务优势，其技术解决方案改变了在整个产品生命周期中创造产品和产品服务的方式。PTCWindchill提供了有关整个产品和服务生命周期中的所有产品内容和业务过程的完整信息，是产品信息的集中来源，可以将产品数据输送到组织内的利益相关者。欧特克（Autodesk）是世界领先的设计软件公司，始建于1982年，Autodesk提供设计软件、Internet门户服务、无线开发平台及定点应用。AutoCAD软件是该公司出品的一款二维/三维计算机辅助设计软件，在全球广泛用于机械工程、土木建筑、装饰装潢、电子工业、服装加工等领域。BRICSYS该公司成立于2002年，BricsCAD是该公司基于IntelliCAD内核的CAD品牌，也是二维CAD行业中最具特色的产品。它在基础数据层面与AutoCAD的DWG文件格式兼容，在基础绘图功能上也与AutoCAD类似，其主要特点在于二维和三维一体化。GRAEBERT公司1994年开始研发CAD产品FelixCAD，于2010年发布ARESCommander系列CAD平台。ARES主要用于实现最基本的功能，在界面上接近AutoCAD，ARES系列产品有两大特点：一是全平台Windows/Mac/Linux支持，二是主打OEM模式，最出名的两个基于ARES的OEM产品为达索公司的DraftSight，及Corel公司的CorelCAD。2.3计算机辅助设计（CAD）2.3.1CAD基本概念从定义上来说，计算机辅助设计（ComputerAidedDesign，CAD）指利用计算机及其图形设备帮助设计人员进行设计工作。在工程和产品设计中，计算机可以帮助设计人员实现计算、信息存储和制图等项工作。我们实际在产品设计过程中，通常要用计算机对设计方案进行大量的分析、对比和计算来决定最终方案。各种设计的图形信息、数字信息或文字信息，都存放在计算机的内存或外存里，供设计时的快速检索和调用。设计人员通常草图设计开始，将草图变为工作图的繁重工作可以交给计算机完成。通过计算机可以进行编辑、放大、缩小、平移和旋转等有关的图形设计。进一步说，CAD是研究综合应用计算机及其有关技术帮助人们进行工程和产品设计的技术。采用计算机辅助设计已是现代工程设计的迫切需要。工程设计的内容非常广泛，每一项工程设计任务也有许多不同环节。计算机辅助设计并非局限于设计的个别阶段或部分地使用计算机，而是将计算机技术有机地应用到设计的每个阶段和所有环节，尽可能地利用计算机去完成那些复杂性大、劳动强度高的工作，以及某些单纯靠人难以完成的工作，使设计人员有更多的时间和精力去进行创造性的工作，整个设计过程逐步形成在计算机协调下的集成系统。因此，CAD技术是现代工程设计中广泛采用的现代化设计方法和手段。2.3.2CAD基本技术从基本技术的维度，我们可以认为CAD主要包括人机交互、图形变换、造型技术三个方面。（1）人机交互技术在计算机辅助设计中，人机交互是必不可少的。在交互式CAD系统中，用户在使用计算机系统进行设计时，人和机器需要及时地交换信息。（2）图形变换技术图形变换的主要功能是把用户坐标系和图形输出设备的坐标系联系起来；对图形作平移、旋转、缩放、透视等变换，图形变换通过矩阵运算来实现。（3）造型技术造型技术是通过计算机视觉、计算机动画、计算机虚拟现实等手段建立3D实体模型的关键技术，主要分为曲面造型和实体造型两种方法。从本质上讲，实体造型技术是指把产品几何模型形状和属性信息存储于计算机内，并通过计算机生成可视的三维图形。2.3.3CAD基本功能笼统来说，CAD包含的基本功能有图形处理与几何造型、几何造型构功能、自动绘图与文档编辑、信息存储和传输共享、专家系统和智能决策以及图形处理与几何造型是CAD的基本功能。图形处理即计算机图形的输入、生成、显示、修改、输出等操作是CAD最突出的特点和最主要的功能。图形处理功能极大地改变了设计工作的环境和方式，设计者不但可以用自己最熟悉的方式表达和处理图形，而且可以通过CAD软件实现图形交互和图形的输入与输出，方便地进行插入、删除、移动和拼装图形，对图形进行旋转、剪裁、缩放、消除隐线等处理。通过图形显示中的彩色、阴影、着色、浓淡、动画等表现技巧，使计算机图像比图纸更逼真和形象。几何造型构功能使得原先很难依靠手功能完成的工作如飞机、汽车、车辆等外形设计在计算机上很方便地实现，且能够准确表达零件的形状、尺寸、色泽、体积、重心、表面信息、材料信息等。此外，CAD系统还能对图形进行相容性、装配干涉和运动碰撞检查。工程分析和优化计算是CAD系统不可缺少的基本功能。按照具体设计要求配有各种计算和分析应用软件，用于应力、位移、动态响应等结构型态的分析计算，CAD中的结构分析需进行大量的应力、温度、位移等分析计算。因此，要求CAD系统完成各类分析计算的算法正确、全面，能处理大量的数据，还要有较高的计算精度。对设计对象的动态模拟、运动效果分析、轨迹行程判别可以通过优化过程和图形仿真等方式输出设计变化与算法收敛等状态，自动进行分析判断或输入必要的控制信息，人机交互地寻求较好的设计方案。自动绘图与文档编辑是CAD的重要内容。在许多工程或产品设计中，绘图的工作量都是相当大的，如在建筑工程设计中约占75%，在机械零部件设计中约占65%。计算机自动绘图使得设计人员、描图人员从手工绘图中解放出来，提高制图的劳动生产率。同时，计算机绘图质量高，易修改，便于实现设计图纸的规范化。文档编辑在绘图中有重要作用，大量的非几何信息如几何尺寸、几何公差、设计基准以及技术要求和标题栏等通过计算机文档编辑来实现。信息存储和传输共享是CAD的重要功能。工程设计中的信息量浩大，信息的形式、属性与关系复杂，计算机辅助设计系统就是建立在对这些工程信息的存储、管理、传递和共享基础上，利用计算机外存储器容量大的特点和数据库技术，形成工程数据库、图形数据库及其管理系统，为各个专业设计提供共享数据的用户模式和接口，支持多个用户协调设计，各自独立而又互不干涉地完成对设计信息的存取、加工、转换，实现设计目标。在数据库和图形库的支持下，用户的应用软件开发也可以与存储设备、数据结构等无关，使计算机辅助设计系统具有良好的可扩充性，且能将有关设计数据提供给后续的CAPP和CAM等系统使用。专家系统和智能决策也是CAD系统的重要组成部分。专家系统建立在知识库和推理机制的基础上，能够综合运用某门学科的知识和经验，进行推理、判断、决策，解决人们一般能力难以解决的问题。智能决策综合了设计者的知识和经验，在设计的过程中，通过系统本身提供的推理机制和人机通信模式，利用大容量存储和快速转换的特点，可以适时地提供设计方案和建议，协助设计者进行有效和创造性的设计工作。人机交互和概念设计使设计过程变得相对简单。设计者与计算机之间的通讯交互界面，通过多重菜单驱动、多窗口显示功能、用户自定义菜单和窗口、实时联机帮助、有效的信息引导等手段达到方便用户操作和提高使用效率的目的。概念设计则是设计者根据技术要求进行产品的总体设计，创造性地确定产品的性能结构和外形，可从计算机已有的设计中搜索各种信息，提供给设计者参考，并迅速形成产品的造型。2.3.4CAD系统组成CAD在日常操作中，它所涉及到到系统包括硬件系统和软件系统两大部分。硬件系统主要由电子计算机及其外围设备组成，它是计算机辅助设计技术的物质基础。CAD软件系统由系统软件、交互式图形显示软件、应用软件和数据管理软件4类软件组成。它是计算机辅助设计技术的核心，它决定了系统所具有的功能。硬件和软件的组合形成了计算机辅助设计系统。因此，了解和掌握计算机辅助设计技术，研究和开发计算机辅助设计系统，必须具备一定的硬件和软件知识。基本的CAD系统组成如图所示。而计算机辅助设计系统作为计算机应用系统的一个重要分支，曾经历过三个发展阶段：许多用户共享一台计算机的阶段；单个用户使用一台计算机的阶段；单个用户共享多台计算机的阶段。但就总体而言，一个典型的计算机辅助设计系统基本上应由以下几部分硬件组成。首先是计算机系统。目前CAD所使用的计算机系统主要有工作站和高档微机两种，它们的主要特征是：都具备很强的图形处理能力，速度较高，使用较大的内外存以适应CAD应用软件的需求。计算机的技术指标主要有3个方面：一是运算速度，以CPU的每秒执行指令数目来衡量，时钟频率是影响速度的主要方面；二是字长，即CPU每执行一条指令可以提取和处理的数据位数；三是内存容量，内存越大，可容纳和处理的程序和数据量就愈大。其次是图形输入设备，主要用来将图形信息数字化。键盘和鼠标是计算机系统的标准输入设备，虽常用来输入图形，但较专用的图形输入设备在输入效率和效果上就相形见绌了。常用的图形输入设备有数字化扫描仪、数码相机等。图形输出设备主要有显示器、绘图机和打印机。同时，我们兼顾到在网络环境下，大中小型计算机系统、图形工作站及个人计算机结合为一体，共享网络上的硬件资源，克服了个人计算机在CAD系统中的功能不足、速度低、容量小和外围设备少等缺点，使个人CAD系统能更好地发挥作用。因此需要网络设备作为基础。好，除了计算机系统涉及到的以上几个环节之外，或者说，在具备了CAD硬件之后，软件配置水平便决定了整个CAD系统性能的优劣。硬件是实现CAD各项功能的物质基础，软件是实现CAD各项功能技术的核心。由于CAD系统功能越来越复杂，故软件成本在整个CAD系统成本中的比重越来越大。从CAD系统发展趋势来看，软件占据着越来越重要的地位。CAD系统的软件一般可按功能分为以下四个层次：系统软件是直接配合硬件工作，并对其他软件起支撑作用。主要的系统软件有操作系统、网络系统以及高级语言编译系统等。交互式图形显示软件用于图形显示的开窗、剪辑、观看，图形的变换、修改，以及相应的人机交互。应用软件提供几何造型、特征计算、绘图等功能，以完成面向各专业领域的各种专门设计。构造应用软件的四个要素是：算法、数据结构、用户界面和数据管理。数据管理软件用于存储、检索和处理大量数据，包括文字和图形信息。为此，需要建立工程数据库系统。它同一般的数据库系统相比有如下特点：数据类型更加多样，设计过程中实体关系复杂，库中数值和数据结构经常发生变动，设计者的操作主要是一种实时性的交互处理。CAD系统的最终效益反映在CAD应用软件水平上，而高水平的CAD应用软件又必须以高水平的开发环境为基础。2.3.5CAD应用软件通过以上学习，我们能了解到，CAD应用软件提供几何造型、特征计算、绘图等功能，以完成面向机械、广告、建筑、电气各专业领域的各种专门设计。构造应用软件的四个要素是：算法、数据结构、用户界面和数据管理。数据管理软件用于存储、检索和处理大量数据，包括文字和图形信息，目前主流的应用软件有：AutoCAD用于二维绘图、详细绘制、设计文档和基本三维设计。现已经成为国际上广为流行的绘图工具。AutoCAD有着良好的用户界面，它的多文档设计环境，让非计算机专业人员也能非常快的学会使用。AutoCAD拥有广泛的适应性和良好的兼容性，可以在各种PC系统和工作站上运行，并支持分辨率由320×200到2048×1024的各种图形显示设备40多种，以及数字仪和鼠标器30多种，绘图仪和打印机数十种，这就为AutoCAD的普及创造了条件。中望CAD兼容普遍使用的AutoCAD，在界面、功能、操作习惯、命令方式、文件格式上与AutoCAD基本一致，但具有更高的性价比和更贴心的本士化服务，深受用户欢迎，被广泛应用于通信、建筑、煤炭、水利、水电、电子、机械、模具等设计和制造业领。中望CAD特点包括：①支持多系统平台；②支持多国家语言；③熟悉的界面、清晰美观易用支持“CAD经典”、“Ribbon”两种图形化操作界面，易学易用；④支持迁移自定义配置等。浩辰CAD完美兼容AutoCAD，在界面、功能、操作习惯、命令方式、文件格式、二次开发接口也与AutoCAD基本一致，根据国内用户需求开发大量使用工具，具有更高的性价比。此外，浩辰CAD还可以提供针对勘察设计行业和制造业的全面解决方案。2010年，浩辰获得工信部资金支持，开发三维建筑协同设计软件，2012年推出集建筑、结构、水暖电、日照、节能等专业软件及协同设计和管理系统于一体的全套解决方案。UG（Unigraphics）软件是美国麦道飞机公司开发的CAD/CAM一体化软件，可以支持不同的硬件平台。它由CAD、CAE、仿真、质量保证、开发工具、软件接口、CAM及饭金加工等部分组成，是高度集成化的CAD/CAM/CAE系统，该软件已广泛应用于机械、模具、汽车及航空领域的设计与制造。SolidWorks软件是世界上第一个基于Windows开发的三维CAD系统，符合CAD技术的发展潮流和趋势，其软件功能强大，组件繁多且易学易用，这使得SolidWorks成为领先和主流的三维CAD解决方案。SolidWorks能够提供不同的设计方案、减少设计过程中的错误以及提高产品质量。CATIA系统是法国达索（Dassault）飞机公司研发的三维几何造型功能很强的交互式CAD/CAM软件，它具有统一的用户界面、数据管理以及兼容的数据库和应用程序接口。能进行工程绘图、数控加工编程、计算分析等，能方便地实现二维元素与三维元素之间的转换，具有平面或空间机构运动学方面的模拟及分析功能。美国波音777飞机就采用该系统进行设计。Pro/Engineer自1988年问世以来，该软件不断发展和完善，目前是世界上最为普及的CAD/CAM/CAE软件之一，基本上成为三维CAD的一个标准平台。Pro/Engineer广泛应用于电子、机械、模具、工业设计、汽车、航空航天、家电、玩具等行业，是一个全方位的3D产品开发软件。它集零件设计、产品装配、模具开发、NC加工、钣金件设计、铸造件设计、造型设计、逆向工程、自动测量、机构模拟、压力分析、产品数据管理等功能于一体REF_Ref112961294\r\h[4]。2.3.6中望CAD设计案例下面我们通过一个实际案例来理解CAD的实际工作机理。需求描述我们的案例开发是基于以下需求的：首先，手工制图效率低、误差大，无法快速满足市场要求。其次，零件、模具、设备等越来越复杂，对设计精度和数据保存的要求增加。另外，工业设计的标准化、产业化和全球化的趋势日益增强。任务分析我们首先要建立图层。进而确定表达方案，开始制图。做好尺寸标注。任务实施我们首先要熟悉中望CAD绘图的基本步骤首先，我们要用中望CAD建立图层，包括图层名称、线宽、颜色、线型，如果没有需要的线型，单击“加载”按钮，可以先加载你所需要的线型，建立图中需要的所有图层。其次，我们要确定表达方案，开始画图，选择要画线型的图层，一般是先画中心线，确定基准，然后依次画完不同线型的图形，必要时用修剪等的按钮来完成图形。另外我们要做好尺寸标注，包括基本尺寸及基本公差，形位公差，粗糙度，剖面符号。接下来，我们来看轴承座三视图绘制实例首先，我们建立图层，设置线型、线宽和颜色在“图层特性管理器”对话框中点击鼠标右键，选择“新建图层”，可以创建一个名称为“图层1”的新图层，且该图层与当前图层的状态、颜色、线性、线宽等设置相同，根据需求更改图层名称，设置所需线型、线宽、颜色等。新建多个图层如图所示。接下来，选择“虚线”图层，用直线指令做出水平与垂直的辅助线，确定基准。选择“粗实线”图层，选择如图2-6所示绘图命令栏中“直线”、“圆”等绘图命令进行图形绘制，根据图纸要求确定尺寸。然后依次选择对应图层进行其余图形绘制，绘制过程中，适当选用“阵列”、“对称”等命令进行绘制，可减少重复操作，节约时间。最终得到对应的三视图如图所示。我们来继续学习尺寸标注。首先，创建标注样式在“标注”工具栏选取“标注样式”命令，打开“标注样式管理器”对话框，选择基础样式“ISO-25”点击修改，弹出如图所示的“修改标注样式”对话框，依次选择修改箭头、单位等信息。完成后单击“确定”完成设置。尺寸标注操作标注尺寸功能用于水平、垂直、旋转尺寸的标注，如图2-9示。依次对图进行对应标注，最终得到如图所示标注的轴承座三视图。2.4计算机辅助制造（CAM）2.4.1CAM定义我们要理解，广义的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，即直接或间接地把计算机与制造过程和生产设备相联系。用计算机系统进行制造过程的计划、管理以及对生产设备的控制与操作的运行，处理产品制造过程中所需的数据，控制和处理物料流动，对产品进行测试和检验等内容。CAM包括计算机数控、计算机辅助工艺设计、计算机辅助测试、计算机辅助生产计划及仿真编制以及计算机辅助生产管理等部分。最初狭义的CAM是指从产品设计到加工制造的一切生产准备活动。它包括CAPP、NC编程、工时定额的计算、生产计划的制订、资源需求计划的制订等。至今，CAM的狭义概念进一步缩小为NC编程的同义词，如图2-11所示。CAPP已被作为一个专门的子系统，而工时定额的计算、生产计划的制订、资源需求计划的制订则划分给MRPⅡ/ERP系统来完成。采用计算机辅助制造零部件，可改善对产品设计和品种多变的适应能力，提高加工速度和生产自动化水平，缩短加工准备时间，降低生产成本，提高产品质量和批量生产的劳动生产率。2.4.2CAM系统组成CAM系统的组成可以分为硬件和软件两方面：硬件方面有数控机床、加工中心、输送装置、装卸装置、存储装置、检测装置、计算机等；软件方面有数据库、计算机辅助工艺过程设计、计算机辅助数控程序编制、计算机辅助工装设计、计算机辅助作业计划编制与调度、计算机辅助质量控制等。根据是否使用计算机网络，CAM系统又可分为单机系统和网络系统。单机CAM系统具备所有CAM的软件与硬件功能，但不能与其他CAM进行信息交换，信息不能共享。网络CAM系统将具备CAM的软件与硬件功能的各个节点用网络设备和通信线路进行连接，形成了一个网络化的CAM系统，可实现资源与信息共享。网络结构有星型、环型、总线型和网络等形式，由于总线型具有兼容性强，开放性和可扩展性良好等特性，因此总线型已成为主流。CAM系统的核心是计算机数字控制，简称数控，是将计算机应用于制造生产的过程或系统。数控除了在机床应用以外，还广泛地用于其它各种设备的控制。如冲压机、火焰或等离子弧切割、激光束加工、自动绘图仪、焊接机、装配机、检查机、自动编织机、电脑绣花和服装裁剪等，已成为各个相应行业CAM的基础。市面上的CAM软件有：中望3D、UGNX、Pro/NC、CATIA、MasterCAM、SurfCAM、SPACE-E、CAMWORKS、WorkNC、TEBIS、HyperMILL、Powermill、GibbsCAM、FEATURECAM、topsolid、solidcam、cimatron、vx、esprit、gibbscam、Edgecam等。2.4.3CAM数控系统及数控编程原理（1）数控系统数控系统是机床的控制部分，它根据输入的零件图纸信息、工艺过程和工艺参数，按照人机交互的方式生成数控加工程序，然后通过电脉冲数，再经伺服驱动系统带动机床部件作相应的运动。传统的数控机床（NC）上，零件的加工信息是存储在数控纸带上的，通过光电阅读机读取数控纸带上的信息，实现机床的加工控制。后来发展的计算机数控（CNC），功能得到很大的提高，可以将一次加工的所有信息一次性读入计算机内存，从而避免了频繁的启动阅读机。更先进的CNC机床是计算机集成制造系统的基础设备，可以去掉光电阅读机，直接在计算机上编程，或者直接接收来自CAPP的信息，实现自动编程。现代CNC系统常具有的功能包括多坐标轴联动控制、刀具位置补偿、系统故障诊断、在线编程、加工编程并行作业、加工仿真、刀具管理和监控以及在线检测等。（2）数控编程原理所谓数控编程是根据来自CAD的零件几何信息和来自CAPP的零件工艺信息自动或人工干预下生成数控代码的过程。常用的数控代码有国际标准化组织ISO和美国电子工业协会EIA两种系统。其中ISO代码是七位补偶代码，即第8位为补偶位，而EIA代码是六位补奇码，即第5列为补奇位。补偶和补奇的目的是为了便于检验纸带阅读机的读错信息。一般的数控程序是由程序字组成，而程序字则是由用英文字母代表的地址码和地址码后的数字和符号组成。每个程序都代表着一个特殊功能，如G00表示点位控制，G33表示等螺距螺纹切削，M05表示主轴停转等。一般情况下，一条数控加工指令是若干个程序字组成的，如N012G00G49X070Y055T21中的N012表示第12条指令，G00表示点位控制，G49表示刀补准备功能，X070和Y055表示X和Y的坐标值，T21表示刀具编号指令。整个指令的意义是：快速运动到点（70，55），一号刀取2号拨盘上刀补值。数控编程的方式一般有手动编程、数控语言编程、CAM系统编程和自动编程等四种。手动编程是编程人员按照数控系统规定的加工程序段和指令格式，手动编写出待加工零件的数控加工程序。手动编程的主要步骤如下：首先，根据零件图纸对零件进行工艺分析；其次，确定加工路线和工艺参数（装夹顺序、表面加工先后顺序、切削参数）；接下来，我们确定刀具移动轨迹（起点、终点、运动形式）；然后我们需要计算机床运动所需要数据；然后是书写零件加工程序单；最后是纸带穿孔；手动编程包括了制定工艺规程的内容，目前已很少使用。数控语言编程往往被称为“自动编程”，这种叫法来源于数控编程语言APT。事实上，它并不是自动化的编程工具，只是比手工编程前进一步，实现了用“高级编程语言”来编写数控程序。用数控语言编程就是用专用的语言和符号来描述零件的几何形状和刀具相对零件运动的轨迹、顺序和其他工艺参数等。由于采用类似于计算机高级语言的数控语言来描述加工过程，这就大大简化了编程过程，特别是省去了数值计算过程，提高了编程效率。用数控语言编写的程序称为源程序，计算机接受源程序后，首先进行编译处理，再经过后置处理程序才能生成控制机床的数控程序。目前常用的数控编程语言是美国麻省理工学院开发的APT语言。APT语言词汇丰富，定义的几何类型多，并配有多种后置处理程序，通用性好，获得广泛应用。APT语言的源程序是由语句组成的，共有四种类型的语句，而语句则由词汇、数值、标识符号等按一定语法规则组成。CAM系统编程不需要编程人员编写数控源程序，只需要从CAD数据库中调出零件图形文件，并显示在屏幕上，采用多级功能菜单作为人机界面。编程过程中，系统还会给出大量的提示，这种方式操作方便，容易学习，可大大提高编程效率。一般CAM系统编程部分都包括查询被加工部位图形元素的几何信息，对设计信息进行工艺处理，刀具中心轨迹计算，定义刀具类型以及定义刀位文件数据等内容。对于一些功能强大的CAM系统，甚至还包括数据后置处理器，自动生成数控加工源程序，并进行加工模拟，用来检验数控程序的正确性。自动编程是系统从CAD数据库获取零件的几何信息，从CAPP数据库获取零件加工过程的工艺信息，然后调用NC源程序生成数控源程序，再对源程序进行动态仿真，如果正确无误，则将加工指令送到机床进行加工REF_Ref112961369\r\h[6]。2.4.4CAM应用领域目前我们可以看到，CAM已广泛应用于飞机、汽车、机械制造业、家用电器和电子产品制造业，其应用领域包括：机械产品的零件加工（切削、冲压、铸造、焊接、测量等）、部件组装、整机装配、验收、包装入库、自动仓库控制和管理。在金属切削加工中，计算机内预先建立有基本切削条件方程，根据测量系统测得的参数和机床工作状况，调整进给率、切削力、切削速度、切削操作顺序和冷却液流量。在保证零件表面粗糙度和加工精度的条件下，使加工效率、刀具磨损和能源消耗达到最优。电子产品的元件器件老炼、测试和筛选，元件器件自动插入印制电路板和波峰焊接，装置板、机箱布线的自动绕接，部件、整件和整机的自动测试。各种机电产品的成品检验、质量控制，能完成人工方法不能完成的复杂产品（如飞机发动机、超大规模集成电路、电子计算机等）的大量测试工作。2.4.5中望CAM设计案例下面我们通过一个实际案例来理解CAM的实际工作机理。需求描述我们的案例开发是基于以下需求的：首先，手工制造劳动力成本高，制造的产品及其组件质量低。其次，生产过程的相关任务需要代替方案，可减少了操作员出错的可能性。另外，数控程序的创建和优化需要更方便的来进行。任务分析首先，我们需要获得CAD模型。其次，我们要做好加工工艺分析和规划。接下来是加工参数的设置。然后是生成刀具路径。我们同样需要做刀具路径检验。最后是后处理。任务实施在本案例中，我们针对中望3D软件的2轴铣削以及钻孔实例进行说明。首先，我们来看2轴铣削首先，我们需要准备零件和坯料。在CAD模块中打开一个零件文件，如图所示。在零件准备好之后，进入CAM模块后就可以添加一个坯料。中望3D提供了两种方式去创建坯料。方法1：点击Ribbon栏添加坯料按钮，根据几何体尺寸创建规则的坯料。方法2：插入一个几何体作为坯料。几何体可以来自同一个Z3文件的不同对象，也可以来自外部文件。另外，对零件进行初步分析和测量很重要，包括零件材料，圆角半径，孔直径，关键特征和其他参数，这些参数有助于决定刀具或者工序。接下来，我们要创建刀轨。中望3D提供了多种类型的工序，如螺旋切削工序、Z字型平行切削工序等。2轴铣削策略刀轨如图。2轴铣削策略用于为整个零件一键创建系列基于2轴工序的智能规则。这个功能帮助用户在创建2轴刀轨的时候省下很多时间，特别是在简单的零件和加工精度不高的零件当中。2轴铣削策略自动检测零件的加工特征，然后基于定义好的规则为它们选择合适的工序。刀具选型来自刀具库，用户可以使用默认的刀具库或者新建刀具库。接下来我们来看刀具管理器。用户可以在刀具管理器中定义刀具或者刀具库。在2轴工序的典型参数处，为工序设置适当的参数是非常重要的，否则计算将无法得到准确的结果。主要参数包括坐标、速度，进给、刀轨公差、侧面余量、底面余量、刀轨间距、下切类型、下切步距。限制参数：刀具位置、类型、顶部/底部、检查零件所有面。刀轨设置：切削方向、切削顺序、刀轨样式、允许抬刀、区域内抬刀、刀具补偿、清边方式、清边距离、转角控制、入刀点。连接和进退刀：进退刀模式、连接类型、进刀垂直安全距离、进刀水平安全距离、进刀方式、安全距离、进刀到圆弧半径、进刀重叠。在刀轨仿真模块，中望3D提供两种刀轨仿真的方式。一种是“仿真”，用于检查刀具如何沿刀具移动。另外一种是“实体仿真”的模拟过程，模拟坯料如何变成零件的过程。另外，如果刀轨可以接受，下一步该做的就是定义机器和控制器参数。需定义的内容包括：设备名称、类别、类型、子类、后置处理器、后置处理器配置、XY，YZ，ZX平面弧线运动、检查多轴联动、多轴联动、精准RAPIDs、#.xxxx、重绕、增量、刀具补偿、偏移寄存器、NC后缀名、设备定义文件。接下来是生成NC文件。中望3D有两种方式生成NC文件。第一种，从工序中创建NC文件。第二种，通过输出创建NC文件（2）钻孔1）孔特征我们可以创建孔特征然后自定义孔特征属性。如图所示。钻孔工序为大家介绍下钻孔工序概览。中望3D中提供的钻孔工序包括：中心钻工序、普通钻工序、铰孔工序等，图2-16展示了中望3D中钻孔工序的类型。创建孔策略的步骤和创建2轴铣削策略的步骤一样。后续定义设备和控制器参数以及NC文件的生成步骤也与2轴削铣一样。2.5计算机辅助工程（CAE）2.5.1CAE的概念及作用CAE指用计算机辅助求解和分析复杂工程和产品的结构力学性能的近似数值分析方法。这些性能指标包括强度、刚度、稳定性、动力响应、热传导、三维多体接触、弹塑性等。简而言之，就是利用计算机辅助求解工程上一些分析、计算和优化设计等问题的一种数值方法。广义上说，计算机辅助工程包括很多，可以包括工程和制造业信息化的所有方面。传统的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，证实未来工程、产品功能和性能的可用性和可靠性，这里主要是指CAE软件。CAE软件可以分为两类，一类称之为专用CAE软件，是针对特定类型的工程或产品所开发，用于产品性能分析、预测和优化的软件。另一类称之为通用CAE软件，是对多种类型的工程和产品的物理、力学性能进行分析、模拟、预测、评价和优化，以实现产品技术创新的软件。CAE软件的主体是有限元分析软件。有限元方法的基本思想是将结构离散化，用有限个容易分析的单元来表示复杂的对象，单元之间通过有限个节点相互连接，然后根据变形协调条件综合求解。由于单元的数目是有限的，节点的数目也是有限的，所以称为有限元法。这种方法灵活性很大，只要改变单元的数目，就可以使解的精确度改变，得到与真实情况无限接近的解。基于有限元方法的CAE系统，其核心思想是结构的离散化。根据经验，CAE各阶段所用的时间为：40%-45%用于模型的建立和数据输入，50%-55%用于分析结果的判读和评定，而真正的分析计算时间只占5%左右。采用CAD技术来建立CAE的几何模型和物理模型，完成分析数据的输入，通常称此过程为CAE的前处理。同样，CAE的结果也需要用CAD技术生成形象的图形输出，如生成位移图、应力、温度、压力分布的等值线图，表示应力、温度、压力分布的彩色明暗图，我们称这一过程为CAE的后处理。针对不同的应用，也可用CAE仿真模拟零部件、装置乃至生产线、工厂运动和运行状态REF_Ref112961410\r\h[7]。CAE技术对于工程或产品的主要作用如下：增加设计功能，借助计算机分析计算，确保产品设计的合理性，减少设计成本；缩短设计和分析的循环周期；CAE分析起到的“虚拟样机”作用在很大程度上替代了传统设计中资源消耗极大的“物理样机验证设计”过程，虚拟样机作用能预测产品在整个生命周期内的可靠性；采用优化设计，找出产品设计最佳方案，降低材料的消耗或成本；在产品制造或工程施工前预先发现潜在的问题；模拟各种试验方案，减少试验时间和经费；进行机械事故分析，查找事故原因。2.5.2CAE基本模块应用CAE软件对工程或产品进行性能分析和模拟时，一般要包括前处理、分析和计算、后处理三个模块：前处理模块：包括实体建模或模型导入、参数化建模以及单位设置。主要分为构件的布尔运算，单元自动剖分，节点自动编号与节点参数自动生成，载荷与材料参数直接输入有公式参数化导入，节点载荷自动生成，有限元模型信息自动生成等内容。分析和计算模块：针对所涉及的分析和计算问题，主要包括设置模型材料、施加约束、施加载荷、划分网格等内容。具体有选择有限元单元库、材料库、相关算法库以及静力、动力、振动、线性与非线性解法库和有限元系统组装模块。将大型通用问题分解成若干个子问题，由不同的有限元分析子系统完成。有限元分析的子系统一般有线性静力分析子系统、动力分析子系统、振动模态分析子系统、热分析子系统等。后处理模块：包括结果查看与后处理、生成算例报告。具体为分析有限元分析结果的数据是否平滑、各种物理量的显示。针对工程或产品设计要求的数据检验与工程规范校核，设计优化与模型修改等。根据工程或产品模型与设计要求，对有限元分析结果进行用户所要求的加工、检查，并以图形方式提供给用户，辅助用户判定计算结果与设计方案的合理性。CAE通常可以进行有限元分析、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。CAE软件对工程和产品的分析、模拟能力，主要取决于单元库和材料库的丰富和完善程度，单元库所包含的单元类型越多以及材料库所包括的材料特性种类越齐全，其CAE软件对工程或产品的分析、仿真能力越强。一个CAE软件的计算效率和计算结果的精度，主要决定于解法库。先进高效的求解算法与常规的求解算法，在计算效率上可能有几倍、几十倍，甚至几百倍的差异。前后处理模块是近十多年发展最快的CAE软件成分，它们使通用软件专业化、属地化，是CAE软件满足用户需求的前提，是实现CAD、CAM、CAPP、PDM等软件无缝集成的关键性软件成分，通过增设CAD软件，如Pro/Engineer，UG，Solidedge，CATIA，MDT等软件的接口数据模块，实现CAD/CAE的有效集成。2.5.3CAE应用随着CAE技术的不断发展，它在工程实际中的应用也越来越广泛。当产品在趋于多样化、智能化的同时，也会不可避免地趋于复杂化。对于复杂的工程，人们都希望能在产品生产之前对设计方案进行精确的试验、分析和论证，这些工作需要借助计算机实现，CAE就可以帮助完成这些工作。CAE是包括产品设计、工程分析、数据管理、试验、仿真和制造的一个综合过程，关键是在三维实体建模的基础上，从产品的设计阶段开始，按实际条件进行仿真和结构分析，按性能要求进行设计和综合评价，以便从多个方案中选择最佳方案，或者直接进行设计优化。以下列举3个具体的应用。（1）钢结构优化设计从20世纪80年代起，CAE技术在钢结构产品设计中得到了广泛应用，使得钢结构分析计算真正成为设计计算，在设计的过程始终能做到随算随改、随改随算，填补了以往的产品生产后再进行强度校核计算的缺陷。因此，有限元分析计算技术真正起到了为设计“把关定向”的作用。在产品结构设计过程中应用有限元分析和优化设计技术，设计出的结构更趋合理，工艺、工装更为简化，节省了大量的人力、物力、财力和时间，同时也大大提高了产品设计的可靠性。（2）汽车碰撞安全CAE仿真分析汽车碰撞的安全性是汽车设计和开发过程中必不可少的环节。试验中可以通过分析汽车各部分的变形损坏情况，对汽车结构、工艺等做适当整改，以优化汽车的整车性能。使用CAE可以在对汽车做实物实验之前进行精确的仿真实验，有效节约产品的成本，CAE在仿真分析中具有可重复性、费用低和使用方便等优点，为检验设计是否合理提供了有效的方法。（3）产品预装配及干涉检查大型产品的关键部位以及复杂结构在加工之前，先根据图纸进行三维实体造型，其次预装配成部件或整机，如斗轮堆取料机、翻车机、钢（铁）水包、混铁水车等，并对其关键部位或关键部件进行干涉检查，求解重心和转动惯量，模拟动态过程，找出重心轨迹和力矩变化规律。一方面可以为电气或液压传动的设计提供理论依据，另一方面可以提高产品的设计质量，减少废品率和返修率。2.5.4中望CAE简介中望CAE系列产品具有3个显著特点，一是先进的分析和计算求解技术，其独有的EIT算法，不仅仿真精度高、速度快、占用内存少，还极大地提高了求解效率；二是强大的前处理，其优秀的建模能力，高效稳健的Yee网格剖分技术、便捷的前处理方法使得分析结果更准确；三是丰富的后处理，不仅支持一、二、三维结果显示与管理，还支持以日志文件及结果报告的形式呈现分析结果。中望CAE系列产品包括拥有自主几何内核的开放式通用前后处理平台ZWMeshWorks、基于多算法的通用三维全波电磁仿真软件ZWSim-EM和通用有限元结构仿真分析软件ZWSimStructural。（1）ZWMeshWorks通用前后处理平台ZWMeshWorks是一款基于三维几何建模内核和网格剖分技术的国产CAE软件集成开发平台，可实现对多学科求解器的无缝集成，提供集前处理、求解计算与后处理于一体的开发需求。（2）电磁仿真ZWSim-EM电磁仿真软件ZWSim-EM嵌入高效的时域有限差分求解器和高精度的频域有限元求解器，具有稳定的Yee网格和有限元网格剖分引擎，支持丰富的激励源和边界条件设置以及高性能并行加速技术，可用于设计和仿真高频电子产品，如天线、天线阵列、射频元件、滤波器、连接器等，并致力于为用户提供行业专属的以及射频拓展应用的整体解决方案。（3）结构仿真ZWSimStructural结构仿真软件ZWSimStructural是一款集建模设计与仿真分析于一体的有限元结构仿真分析软件，依托自主研发的前后处理平台打造“设计-仿真双向协同”的开发环境，内置自主开发的大规模矩阵求解技术，用于模拟产品结构的物理行为，评估产品结构设计的合理性，帮助企业缩短研发周期并降低研发成本。2.5.5CAE的核心技术研发设计类工业软件的代表，中望CAE仿真系列产品在核心技术方面均取得了一定的突破，其中ZWMeshWorks重点在于增强几何处理技术以及网格剖分技术，以提升网格剖分交互、支持网格节点拾取等；ZWSim-EM重点在于新增FEM算法、提优化EIT算法效率、支持GPU并行加速，以提升仿真精度及仿真效率；ZWSimStructural重点在于提升有限元计算求解能力、支持网格节点选择、丰富自研矩阵求解器的算法库等。ZWSim2022在网格剖分技术方面，产品已实现逐级网格剖分能力，满足用户对局部区域网格精度的要求。实现了基于后验误差的自适应网格算法，其将自动生成最优的网格和最精确的仿真结果。实现了基于目标外表面的空气域网格技术，提升空气盒子网格生成效率。新增了网格拾取功能，并支持千万级网格数据的存储、读写、