1、數字化制造技術基礎及其應用大作業 姓 名： 學 號： 日 期： 作業1：論述數字化制造技術的最新國內外現狀。我國第一部大型工業紀錄片大國重器于2013年11月初在央視首播，其內容記錄和傳播為振興中國裝備工業做出突出貢獻的先進人物和事跡中國的裝備制造在過去的三十年內發生了革命性的變化，現金已經在個別產業領先世界水平，作為裝備制造業的根基性行業機械制造也在飛速發展著由此可以看出機械設計制造及其自動化作為一個綜合性學科在“大國重器”的發展中擔任著重要角色本科作為機械設計制造及其自動化的學生，研究生作為機械工程的學生，在大學期間我們廣泛地學習了工科專業都會涉及的基礎課程，也學會了機械專業相關的機械原理

2、及機械設計電工電子學計算機輔助設計數字化制造技術液壓與氣動技術等幾十門專業課程如今的機械專業并非許多人想象中那么無趣，機械設計包含的內容非常廣泛一個傳統模具從塑性到制造，設計是首要的步驟，而數字化制造技術作為一項專業技術，與傳統的制造業有很大的不同，能極大地提升企業的創新能力本文從數字化制造技術的定義出發，分析了數字化制造技術國內外的研究現狀，闡明了數字化制造技術的關鍵技術和核心技術，最后對數字化制造技術應用進行實例展示數字化時代來臨的標志是信息技術的越來越普及，現在信息技術應用于我們生活的方方面面，特別是在智能領域的應用越來越多數字化技術是軟件和智能技術的基礎，是高科技公司賴以生存的核心技術

3、先進制造技術的應用，拓展了許多制造的新方法和新工藝數字化技術和先進制造技術的結合，給中國的制造業帶來巨大的沖擊，前景無限光明一、數字化制造技術的定義伴隨著信息時代的來臨，全球進入了數字化時代。數字化時代是數字化技術在生產、生活、經濟、社會、科技、文化、教育和國防等各個領域不斷擴大應用并取得日益顯著的效益時代。一系列數字概念如數字圖書館、數碼城等與日俱增，同時促使制造業發生革命性的變革。數字化技術與各種專業技術相融合形成了各種數字化專業技術，如數字化制造技術、數字化設計技術、數字化視聽技術。其中數字化制造技術是一項融合數字化技術和制造技術，且以制造工程科學為理論基礎的重大制造技術革新，具有廣闊的

4、應用前景。相對于傳統的制造業，有人會把它和先進制造業相混淆，認為數字化制造就是NC(數控)或CNC(計算機數控)，更有甚者，有人會說數字化制造就是CAD(計算機輔助設計)/CAM(計算機輔助制造)的集成FMS(柔性化制造系統)CIMS(計算機集成制造系統)等等數字化制造的術語性定義：數字化制造就是指在虛擬現實計算機網絡快速原型數據庫和多媒體等支撐技術的支持下，根據用戶的需求，迅速收集資源信息，對產品信息工藝信息和資源信息進行分析規劃和重組，實現對產品設計和功能的仿真以及原型制造，進而快速生產出達到用戶要求性能的產品整個制造全過程從數字化制造的術語性定義中，可以發現，數字化制造定義的內涵包括以下

5、三方面：1)設計數字化在虛擬環境中，可以實現裝配過程仿真，數字預裝配，CAM，以及結構分析管路分析強度分析等等；2)制造裝備數字化成套裝備的集成，包括數字化創新設計數字化工藝數字化特種控制和數字化檢測，主要應用的領域有：汽車制造裝備船舶制造裝備電子制造裝備軍工制造裝備輕工制造裝備等等；3)管理數字化制造工程用戶和供應商的集成二、國內外數字化制造相關技術的應用現狀縱觀國內外先進制造技術的現狀和發展，可以看出數字化制造實為先進制造技術的核心技術，是實施其他先進制造技術的平臺。數字制造以其響應快、質量高、成本低和柔性好等特點，正成為推動21世紀制造業向前發展的主流。裝備的數字化代表裝備制造的發展方向

6、，它不僅增強了裝備的功能和系統集成能力，而且顯著地提高了系統的可操作性、可維護性，降低了裝備運行和維護成本。隨著數字技術的進步，制造系統、過程和產品的數字描述理論、方法及數字裝備的發展，數字制造技術將逐漸成熟，其內涵還將不斷地豐富和發展。最早開始應用數字化制造技術是美國，19世紀50年代，MIT發明了NC機床和CAM處理系統APT系統，K&T公司研制成功了帶ATC的加工中心和UT公司研制成功了帶自動換刀方式的世界上第一臺加工中心6070年代，CAD軟件(二維繪圖和三維造型)的出現和FMS(柔性化制造系統)系統的出現，以及CAD/CAM系統的發展進入80年代，出現了CIMS(計算機集成制

7、造系統)，使波音公司的飛機在設計制造和管理的時間由原先的八年縮短到三年從80年代末期到現在，出現了在機械航空航天汽車造船等領域廣泛應用的CAD/CAM一體化三維軟件(包括現在所熟知的軟件：CATIA，I-DEAS，Por/E，MASTERCAM，等等)90年代發展起來的RP(快速成型技術)，可以對產品進行快速評價修改及功能試驗，有效地縮短了開發產品的時間數字化制造技術不斷發展，造成了現代制造業的繁榮伴隨著2008年經濟危機的余波，我國制造業面臨巨大的挑戰，數字化將是其中一個重要的突破口曾經人是作為制造業的主導因素，而在未來信息化將成為制造業的決定因素進入信息時代后，信息在制造過程中所起的作用非

8、常巨大在數字裝備的研究方面應該擴大范圍，不應局限于某一類裝備的研究，要大力發展以電子制造裝備、大型醫療裝備、精密科學儀器、精密數控裝備等數字裝備為代表的高技術產業所需裝備。目前，作為現代制造裝備“靈魂”的數控系統已由NC、CNC時代進入了PCNC和NETNC時代，其主要目標都是開發具有智能化和柔性化的新一代開放式數控系統，將各種新工藝、新技術、新方法集成于控制系統的基礎平臺，開發先進制造裝備的支撐環境。數字制造是先進制造技術的核心，代表智能制造、網絡制造、虛擬制造等先進制造技術的主流發展方向。由于支撐數字化制造技術的軟硬件主要來源于美國歐洲和日本，與國外相比，國內在數字化制造技術的應用非常有限

9、，主要局限于汽車制造和飛機制造等極少數領域由于虛擬樣機技術的主要研究者是高等學校，因此它與工程實際還有很大的差距，而造成今天這種局面的主要原因是國外對其核心技術和關鍵技術的技術壟斷，我國很難通過技術轉讓直接獲取，而能夠成為真正數字化工廠的又少之又少近些年，國內不斷涌現出這類技術型的企業，如華為海爾美的中興等等只有掌握核心技術的企業，才能在未來的數字化制造領域占領一席之地三、數字化制造技術的研究重點1）中國制造業發展的挑戰契機中國制造業發展的研究重點要以中國制造業所面臨的挑戰為契機來進行，通過制造業在未來所帶來的轉型升級，帶動數字化制造技術的研究新方向，才能在高附加值的制造領域搶占新機2）數字化

10、制造技術的關鍵技術研究(1)制造過程的建模與仿真：制造過程的建模與仿真是在一臺計算機上用解析或數值的方法表達或建模制造過程，建模通常基于制造工藝本身的物理和化學知識，并為實驗所驗證。目前，仿真與建模已成為推進制造過程設計、優化和控制的有效手段。仿真和建模最重要的工作是優化工藝參數，以此確保用最高的性價比來制造符合設計要求的零部件。（2）網絡化敏捷設計與制造：利用快速發展的網絡技術，改善企業對市場的響應力。在這項技術上美國企業已經開始應用并取得了明顯的效益。我國企業向國際接軌就必須在此領域開展研究，盡快掌握并趕上國外先進水平。網絡化敏捷設計與制造重點發展領域應包括敏捷信息基礎結構、敏捷產品設計技

11、術、敏捷工藝設計技術、基于網絡的研究開發和敏捷生產技術。（3）虛擬產品開發：虛擬產品開發有四個核心要素：數字化產品和過程模型、產品信息管理、高性能計算與通訊和組織、管理的改變。3）數字化制造技術的核心技術研究一般來講，數字化制造技術主要包括產品的計算機輔助工業設計（CAID）、計算機輔助設計和制造（CAD/CAM）、快速成形（RP）、三坐標測量和計算機輔助檢測、數控加工等幾大核心。（1）計算機輔助工業設計（CAID）：計算機輔助工業設計是指以計算機技術為輔助手段進行產品的藝術化工業設計，主要是指對批量生產的工業產品的材料、外型、色彩、結構、表面加工等方面的設計工作。工業設計的魅力所在就是創新、

12、創新、再創新。只有不斷地創新設計才會贏得廣闊的市場和持續的高額利潤。這些年來中國家電行業之所以發展到了世界各地，充分得益于工業設計的作用。CAID的一般過程有市場調查、產品概念草圖設計、彩色效果圖設計、三維效果圖設計、三維造型設計、產品零件圖和技術要求說明等。所用到的主要工具包括：Alias、CorelDraw、3DMAX、Pro /CDRS等。（2）計算機輔助設計與制造：（CAD/CAM）計算機輔助設計（CAD）在我國應用較早，早期主要是采用計算機繪圖技術來替代原來的手工制圖，至20世紀90年代二維設計逐漸被三維設計代替。計算機輔助制造（CAM）則發展較遲，這與數字化加工技術的發展密切相關。

13、以數控加工中心及相關軟件為核心的計算機輔助設計與制造（CAD/CAM）在我國得到較快的發展。今天，計算機輔助設計與計算機輔助制造已密不可分，在許多領域尤其是模具業，由于其單件或小批量加工的特點，采用CA D/CA M技術進行生產的優勢非常明顯。CAD/CAM主要是指采用先進的計算機軟硬件手段進行產品三維造型、結構設計、裝配仿真、加工仿真、數控加工編程等，其中產品的三維造型是基礎，從CAD三維模型到數控加工程序的生成通常不需人工干預，可由CAM軟件自動產生。產品的三維造型設計通常有正向設計和逆向設計兩種。正向設計是指通過工程師對待開發產品概念的理解來進行產品的設計，即由概念到圖樣或數字模型的過程

14、。與產品的正向設計不同，逆向工程是從已有產品或實物模型出發，反求產品原始設計參數，并在此基礎上進行產品的設計開發。逆向工程不僅可大大縮短產品的開發周期，降低產品開發成本，還可實現許多正向設計所無法解決的問題，如某些產品的外形非常特別，其數學模型非常難以界定，用逆向方法則可迎刃而解。正向設計講究的是創意，通常開發周期較長；逆向設計則較快，可實現一般正向設計無法實現的產品設計，有時只是對成功產品的復制，開發成本一般較低。目前最常用的CAD/CAM設計工具有：UG、Pro/E、CATIA、PowerShape/PowerMill等。其中UG、Pro/E應用較普遍，而CATIA在航空、汽車工業領域的應

15、用近年來呈上升趨勢。對逆向設計而言，如果測量手段為簡單的手工測量或通用三坐標測量機（CMM），所得數據較少（一般少于一萬點），可使用UG、Pro/E或CATIA進行處理并生成最終三線數模；如果采用的測量工具為激光掃描，因數據量非常大（一般有100萬點以上），需要大數據（點云）處理軟件如CopyCAD、Geomagic、Surfacer等來對數據進行處理，其輸出為可被通用CAD/CAM軟件所接受的STL、IGES、DXF等。（3）快速成形：采用激光等技術將樹酯、ABS、PC等材料按產品的三維造型（STL格式）進行快速燒結并成形。這種成形技術可以不必制造模具就做出完整的樣機，不僅可大大加速新產品的

16、開發進度，還可節約大量成本。（4）三坐標測量及計算機輔助：檢測（CMM/CAI）產品設計可分正向設計和逆向設計，其中逆向設計最根本的就是對樣件的三維測量或三維數字化。計算機輔助檢測（CAI或CAV）是最近幾年才廣泛應用的，尤其是在歐美發達國家，三維掃描測量的一半以上的應用為產品的快速檢測，即比較產品與設計間的誤差，從而找到改進產品制造工藝或設計方案的方法。除了傳統的手工測量外，常見的數字化方法包括三坐標測量機測量、光柵掃描以及最新的三維激光掃描等多種。三坐標測量的主要工具是三坐標測量機（CMM），是目前使用最廣泛的高精度測量手段，主要有龍門式、立柱式、機器臂式等幾種。四、數字化制造技術的應用方

17、向發達國家不斷保持其在制造業中的領導地位，其中一個很重要的原因就是他們的技術壟斷，即先進工藝技術而美國在下一代制造技術計劃(NGMTI-2004)發展至今，一直把“先進工藝技術”和“基于建模的企業”作為企業研究的重中之重因此，建議我國的制造企業在數字化制造技術的應用方向要從以下幾方面進行展開：1)加強數字化管理技術的應用企業在不增加設備和人力資源，不改變工藝生產過程，只是通過數字化管理技術的應用，從而提高效益，保證質量和節約成本2)加強數字化設計技術從概念設計之初就引入數字化設計技術，實現產品的創新，而在設計階段進行優化設計，就可以保證產品的性能及可制造性，真正達到仿真技術與實驗驗證的結合3)

18、重點解決數字化加工的問題我國一些企業引進了一些先進制造設備，但是遇到許多瓶頸(如：數字化加工路線規劃，數字化加工參數優化，數字化檢測規劃等)，而使機器不能發揮功效，造成高速當低速用，五軸當三軸用等問題五、數字化制造技術應用實例1）機床制造業中的應用數字化制造是機床制造業發展方向小巨人機床有限公司數字化工廠，年產加工中心和數控機床1200多臺，而員工卻只有395名，人均年產值達到160多萬元，是同行業平均水平的40倍這也正是信息技術(IT)與制造技術(MT)的融合所締造的一個傳奇2）模具制造業中的應用(多點數字化成形技術)多點數字化成形裝置作為一種高效柔性的數字化模具，在三維曲面件中的應用越來越

19、多以數字化裝備代替傳統模具進行板料成形是制造業發展的方向在中國航天和高鐵的快速發展下，三維曲面件的需求也越來越大因此，多點數字化成形技術前景廣闊多點數字化成形裝置的應用廣泛，已應用于飛機蒙皮件的拉形高速列車的流線型車頭制造建筑工程(如鳥巢建筑)船舶艦艇的外板成形，以及醫學工程中的人腦顱骨修復成形等3）制造物聯技術和云制造技術的應用制造物聯技術就是將RFID傳感網為核心物聯網技術應用于制造服務全生命周期，以實現對制造資源和制造能力的感知與控制，催生全新的制造模式云制造是云計算和物聯網等技術催生出的先進制造新模式北車集團418km/h動車組廣泛應用傳感網技術和RFID技術，實現制造過程智能化和列車

20、運營的控制監測與診斷云制造可以實現制造資源廣域互聯和按需共享，將支撐我國制造企業走出發展困局，實現升級轉型六、研究意義數字化制造應用技術是一項系統工程，通過數字化技術在企業產品研制過程中的廣泛應用，就可以不斷縮短生產周期，提高加工效率，減低生產成本，提高企業的市場競爭力，成為真正的數字化工廠隨著國家在這一領域的不斷投入和發展，我國就一定能在數字化裝配制造領域擁有更大的話語權作業2：結合自己作品至少選擇CAD/CAE/CAPP/CAM/PDM /ERP中的2種技術，論述其流程主要內容關鍵技術及其應用一、CAE技術ABAQUS的實例介紹ABAQUS是一套功能強大的工程模擬的有限元軟件，其解決問題的

21、范圍從相對簡單的線性分析到許多復雜的非線性問題。ABAQU 包括一個豐富的、可模擬任意幾何形狀的單元庫。并擁有各種類型的材料模型庫，可以模擬典型工程材料的性能，其中包括金屬、橡膠、高分子材料、復合材料、鋼筋混凝土、可壓縮超彈性泡沫材料以及土壤和巖石等地質材料，作為通用的模擬工具，ABAQUS除了能解決大量結構（應力/位移）問題，還可以模擬其他工程領域的許多問題，例如熱傳導、質量擴散、熱電耦合分析、聲學分析、巖土力學分析（流體滲透/應力耦合分析）及壓電介質分析。ABAQUS的主要功能主要有：靜態應力/位移分析（包括線性，材料和幾何非線性，以及結構斷裂分析等）、動態分析粘彈性/粘塑性響應分析（粘塑

22、性材料結構的響應分析）、熱傳導分析（傳導，輻射和對流的瞬態或穩態分析）、質量擴散分析（靜水壓力造成的質量擴散和滲流分析等）、耦合分析（熱/力耦合，熱/電耦合，壓/電耦合，流/力耦合，聲/力耦合等）、非線性動態應力/位移分析（可以模擬各種隨時間變化的大位移、接觸分析等）、瞬態溫度/位移耦合分析（解決力學和熱響應及其耦合問題）、準靜態分析（應用顯式積分方法求解靜態和沖壓等準靜態問題）、退火成型過程分析（可以對材料退火熱處理過程進行模擬）、海洋工程結構分析、水下沖擊分析、柔體多體動力學分析（對機構的運動情況進行分析，并和有限元功能結合進行結構和機械的耦合分析，并可以考慮機構運動中的接觸和摩擦）、疲勞

23、分析（根據結構和材料的受載情況統計進行生存力分析和疲勞壽命預估）、設計靈敏度分析（對結構參數進行靈敏度分析并據此進行結構的優化設計）等。ABAQUS的關鍵技術也是CAE技術的關鍵技術，主要有5個關鍵技術，分別是：計算機圖形技術、三維實體造型、數據交換技術、工程數據管理技術、管理信息系統。下面通過具體的分析實例來簡單介紹一下ABAQUS的設計流程和應用。基底上的薄膜撕脫過程分析：1.問題描述如圖1所示的基底上的薄膜撕脫模型，基底底部固定，薄膜的右側收到豎直向上的拉伸作用。基底上的薄膜是彈性元件，基底的剛性作用遠大于薄膜的彈性參數表示，薄膜和基底之間是粘附層，材料屬性為彈性、滿足損傷演化規律，下面

24、介紹撕脫過程的模擬分析過程。圖12.創建部件主要過程為：新建模型數據庫、創建部件、草繪、分區、生成部件。如圖2所示。3.定義材料屬性主要流程為：定義材料、創建截面特性、分配截面特性。如圖3所示。圖2圖34.裝配部件將部件裝配成整體，使部件實例化。如圖4所示。圖45.設置分析部主要有：設置分析步和設置輸出變量兩個流程，如圖5所示。圖56.定義載荷和邊界條件為實例進行自由度和受力設置，如圖6所示。圖67.劃分網格主要有：設置網格密度、控制網格劃分、選擇單元類型、劃分網格和檢查網格。如圖7所示。圖78.結果分析主要有：創建作業、提交作業、結果顯示。如圖8所示。圖89.后處理后處理可以進行多種分析，變

25、形，應力的云圖以及樣條曲線顯示，動畫顯示等。如圖9是其中一部分功能。圖9本實例介紹使用ABAQUS進行材料非線性分析的步驟和方法，可以看出ABAQUS在非線性分析方面的巨大優勢。ABAQUS材料庫中包含強大的材料非線性庫，包括延性金屬的塑性、界面層材料損傷特性等。二、CAD技術autocad實例介紹計算機輔助設計(CAD-Computer Aided Design)指利用計算機及其圖形設備幫助設計人員進行設計工作。 在設計中通常要用計算機對不同方案進行大量的計算、分析和比較，以決定最優方案；各種設計信息，不論是數字的、文字的或圖形的，都能存放在計算機的內存或外存里，并能快速地檢索；設計人員通常

26、用草圖開始設計，將草圖變為工作圖的繁重工作可以交給計算機完成；由計算機自動產生的設計結果，可以快速作出圖形，使設計人員及時對設計作出判斷和修改；利用計算機可以進行與圖形的編輯、放大、縮小、平移和旋轉等有關的圖形數據加工工作。AutoCAD的關鍵技術包括交互技術、圖形變換技術、曲面造型和實體造型技術等。在計算機輔助設計中，交互技術是必不可少的。交互式CAD系統， 指用戶在使用計算機系統進行設計時，人和機器可以及時地交換信息。采用交互式系統，人們可以邊構思 、邊打樣、邊修改，隨時可從圖形終端屏幕上看到每一步操作的顯示結果，非常直觀。圖形變換的主要功能是把用戶坐標系和圖形輸出設備的坐標系聯系起來；對

27、圖形作平移、旋轉、縮放、透視變換 ；通過矩陣運算來實現圖形變換。計算機設計自動化計算機自身的CAD，旨在實現計算機自身設計和研制過程的自動化或半自動化。研究內容包括功能設計自動化和組裝設計自動化，涉及計算機硬件描述語言、系統級模擬、自動邏輯綜合、邏輯模擬、微程序設計自動化、自動邏輯劃分、自動布局布線，以及相應的交互圖形系統和工程數據庫系統。集成電路CAD有時也列入計算機設計自動化的范圍。CAD的基本功能:平面繪圖、繪圖輔助工具、編輯圖形、標注尺寸、書寫文字、圖層管理功能、三維繪圖、網絡功能、數據交換等。CAD的主要用途：1）工程制圖：建筑工程、裝飾設計、環境藝術設計、水電工程、土木施工等等。2

28、）工業制圖：精密零件、模具、設備等。3）服裝加工：服裝制版。4）電子工業：印刷電路板設計。CAD廣泛應用于土木建筑、裝飾裝潢、城市規劃、園林設計、電子電路、機械設計、服裝鞋帽、航空航天、輕工化工等諸多領域。下面通過具體的分析實例來簡單介紹一下AutoCAD的機械設計流程和應用。繪制如圖10所示的齒條圖101.單擊下拉菜單中的【文件】【新建】選項，打開“創建新圖形”對話框。單擊“樣板文件”按鈕，選擇已有的樣板文件“國標A3樣板圖”。選取“輪廓線”層為當前層。2畫第一對直齒輪廓線。齒條參數：模數m=6齒數Z=10全齒高2.25m齒頂高m齒根高1.25m齒距p=m齒形角=20°根據上述參數，從基準線開始繪制齒形。選擇畫直線命令：命令:_line/畫左側齒形指定第一點:指定下一點:12<70復制到右邊。命令:_line/畫中間齒形圖11指定第一點:/選擇兩條70°斜線之間線的中點指定下一點或放棄(U):10<110。分別完成其他部分直齒輪廓線，如圖11所示。3陣列第一對直齒單擊下拉菜單【修改】【陣列】選項，打開“陣列”對話框，如圖12所示。參數：矩形陣列，1行，10列，行偏移1，列偏移18.85。如圖1