1、數(shù)字化設計與制造一、背景在計算機技術出現(xiàn)之前，機械產(chǎn)品的設計與加工的方式一直都是圖紙設計和手工加工的方式，這種傳統(tǒng)的產(chǎn)品設計與制造方式，這使得產(chǎn)品在質(zhì)量上完全依賴于產(chǎn)品設計人員與加工人員的專業(yè)技術水平，而數(shù)量上則完全依賴于產(chǎn)品加工人員的熟練程度，而隨著工業(yè)社會的不斷發(fā)展，人們對機械產(chǎn)品的質(zhì)量提出了更高要求，同時數(shù)量上的需求也不斷增長。為了適應社會對機械產(chǎn)品在質(zhì)量與數(shù)量上的需求，同時也為了能進一步降低機械產(chǎn)品的生產(chǎn)成本，人們在努力尋求一種全新的機械產(chǎn)品設計與加工方式，而二十世紀四五十年代以來計算機技術的出現(xiàn)及其發(fā)展，特別是計算機圖形學的出現(xiàn)，讓人們看到了變革傳統(tǒng)機械產(chǎn)品設計與生產(chǎn)方式的曙光。于是

2、，數(shù)字化設計與制作方式應運而生，人們逐步將機械產(chǎn)品的設計與加工任務交給計算機來做，這一方面使得機械產(chǎn)品的設計周期大大縮短，另一方面也使得產(chǎn)品的質(zhì)量與數(shù)量基本擺脫了對于設計與加工人員的依賴，從而大大提升了產(chǎn)品的質(zhì)量，降低了產(chǎn)品的生產(chǎn)成本，同時也使得產(chǎn)品更加適合批量化生產(chǎn)。二、概念數(shù)字化設計：就是通過數(shù)字化的手段來改造傳統(tǒng)的產(chǎn)品設計方法，旨在建立一套基于計算機技術和網(wǎng)絡信息技術，支持產(chǎn)品開發(fā)與生產(chǎn)全過程的設計方法。數(shù)字化設計的內(nèi)涵：支持產(chǎn)品開發(fā)全過程、支持產(chǎn)品創(chuàng)新設計、支持產(chǎn)品相關數(shù)據(jù)管理、支持產(chǎn)品開發(fā)流程的控制與優(yōu)化等。其基礎是產(chǎn)品建模，主體是優(yōu)化設計，核心是數(shù)據(jù)管理。數(shù)字化制造：是指對制造過程

3、進行數(shù)字化描述而在數(shù)字空間中完成產(chǎn)品的制造過程。數(shù)字化制造是計算機數(shù)字技術、網(wǎng)絡信息技術與制造技術不斷融合、發(fā)展和應用的結果，也是制造企業(yè)、制造系統(tǒng)和生產(chǎn)系統(tǒng)不斷實現(xiàn)數(shù)字化的必然。計算機仿真技術: 是以相似原理、信息技術、系統(tǒng)技術及相應領域的專業(yè)技術為基礎，以計算機和各種物理效應設備為工具，利用系統(tǒng)模型對實際的或設想的系統(tǒng)進行試驗研究的一門綜合性技術。該技術通過建立某一過程或某一系統(tǒng)的模型來描述該過程或該系統(tǒng)，然后用一系列有目的、有條件的計算機仿真實驗來刻畫系統(tǒng)的特征，從而得出數(shù)量指標，為決策者提供關于這一過程或系統(tǒng)的定量分析結果，作為決策的理論依據(jù)。計算機仿真技術的基本步驟為：系統(tǒng)分析把被仿

4、真系統(tǒng)的內(nèi)容表述清楚模型設計選擇合適的仿真方法，設計系統(tǒng)的計算機模型模型運行在計算機上執(zhí)行模型模型分析分析執(zhí)行輸出三、工具1、 CAD-計算機輔助設計CAD在早期是英文Computer Aided Drawing (計算機輔助繪圖)的縮寫，隨著計算機軟、硬件技術的發(fā)展，人們逐步的認識到單純使用計算機繪圖還不能稱之為計算機輔助設計。真正的設計是整個產(chǎn)品的設計，它包括產(chǎn)品的構思、功能設計、結構分析、加工制造等，二維工程圖設計只是產(chǎn)品設計中的一小部分。于是CAD的縮寫由Computer Aided Drawing改為 Computer Aided Design，CAD也不再僅僅是輔助繪圖，而是協(xié)助創(chuàng)

5、建、修改、分析和優(yōu)化的設計技術。2、CAE-計算機輔助工程分析CAE (Computer Aided Engineering)通常指有限元分析和機構的運動學及動力學分析。有限元分析可完成力學分析(線性.非線性.靜態(tài).動態(tài))；場分析(熱場、電場、磁場等)；頻率響應和結構優(yōu)化等。機構分析能完成機構內(nèi)零部件的位移、速度、加速度和力的計算，機構的運動模擬及機構參數(shù)的優(yōu)化。3、CAM-計算機輔助制造CAM（Computer Aided Manufacture）是計算機輔助制造的縮寫，能根據(jù)CAD模型自動生成零件加工的數(shù)控代碼，對加工過程進行動態(tài)模擬、同時完成在實現(xiàn)加工時的干涉和碰撞檢查。CAM系統(tǒng)和數(shù)字

6、化裝備結合可以實現(xiàn)無紙化生產(chǎn)，為CIMS（計算機集成制造系統(tǒng)）的實現(xiàn)奠定基礎。CAM中最核心的技術是數(shù)控技術。通常零件結構采用空間直角坐標系中的點、線、面的數(shù)字量表示，CAM就是用數(shù)控機床按數(shù)字量控制刀具運動，完成零件加工。4、CAPP-計算機輔助工藝規(guī)劃世界上最早研究CAPP的國家是挪威，始于1966年，并于1969年正式推出世界上第一個CAPP系統(tǒng)AutoPros，并于1973年正式推出商品化AutoPros系統(tǒng)。美國是60年代末開始研究CAPP的，并于1976年由CAM-I公司推出頗具影響力的CAP-I's Automated Process Planning系統(tǒng)。5、PDM-產(chǎn)

7、品數(shù)據(jù)庫管理隨著CAD技術的推廣，原有技術管理系統(tǒng)難以滿足要求。在采用計算機輔助設計以前，產(chǎn)品的設計、工藝和經(jīng)營管理過程中涉及到的各類圖紙、技術文檔、工藝卡片、生產(chǎn)單、更改單、采購單、成本核算單和材料清單等均由人工編寫、審批、歸類、分發(fā)和存檔，所有的資料均通過技術資料室進行統(tǒng)一管理。自從采用計算機技術之后，上述與產(chǎn)品有關的信息都變成了電子信息。簡單地采用計算機技術模擬原來人工管理資料的方法往往不能從根本上解決先進的設計制造手段與落后的資料管理之間的矛盾。要解決這個矛盾，必須采用PDM技術。PDM（產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理）是從管理CAD/CAM系統(tǒng)的高度上誕生的先進的計算機管理系統(tǒng)軟件。它管理的是產(chǎn)品整個

8、生命周期內(nèi)的全部數(shù)據(jù)。工程技術人員根據(jù)市場需求設計的產(chǎn)品圖紙和編寫的工藝文檔僅僅是產(chǎn)品數(shù)據(jù)中的一部分。PDM系統(tǒng)除了要管理上述數(shù)據(jù)外，還要對相關的市場需求、分析、設計與制造過程中的全部更改歷程、用戶使用說明及售后服務等數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一有效的管理。PDM關注的是研發(fā)設計環(huán)節(jié)。6、ERP-企業(yè)資源計劃企業(yè)資源計劃系統(tǒng)，是指建立在信息技術基礎上，對企業(yè)的所有資源（物流、資金流、信息流、人力資源）進行整合集成管理，采用信息化手段實現(xiàn)企業(yè)供銷鏈管理，從而達到對供應鏈上的每一環(huán)節(jié)實現(xiàn)科學管理。ERP系統(tǒng)集中信息技術與先進的管理思想于一身，成為現(xiàn)代企業(yè)的運行模式，反映時代對企業(yè)合理調(diào)配資源，最大化地創(chuàng)造社會財富

9、的要求，成為企業(yè)在信息時代生存、發(fā)展的基石。在企業(yè)中，一般的管理主要包括三方面的內(nèi)容：生產(chǎn)控制（計劃、制造）、物流管理（分銷、采購、庫存管理）和財務管理（會計核算、財務管理）。7、RE-逆向工程技術對實物作快速測量，并反求為可被3D軟件接受的數(shù)據(jù)模型，快速創(chuàng)建數(shù)字化模型（CAD）。進而對樣品進而作修改和詳細設計，達到快速開發(fā)新產(chǎn)品的目的。屬于數(shù)字化測量領域。8、RP-快速成型快速成型（Rapid Prototyping）技術是90年代發(fā)展起來的，被認為是近年來制造技術領域的一次重大突破，其對制造業(yè)的影響可與數(shù)控技術的出現(xiàn)相媲美。RP系統(tǒng)綜合了機械工程、CAD、數(shù)控技術，激光技術及材料科學技術，

10、可以自動、直接、快速、精確地將設計思想物化為具有一定功能的原型或直接制造零件，從而可以對產(chǎn)品設計進行快速評價、修改及功能試驗，有效地縮短了產(chǎn)品的研發(fā)周期。計算機仿真軟件：MATLAB、ANSYS、COSMOS等。四、數(shù)字化設計與制造的發(fā)展歷程1、CAx工具應用階段自上個世紀50年代起，各種CAx工具（CAD /CAE /CAM /CAT等）開始出現(xiàn)并逐步得到應用，標志著數(shù)字化設計的開始。2、并行工程應用階段并行工程是集成地、并行地設計產(chǎn)品及其相關過程（包括制造過程和支持過程）的系統(tǒng)方法。這種方法要求產(chǎn)品開發(fā)人員在一開始就考慮產(chǎn)品整個生命周期中從概念形成到產(chǎn)品報廢的所有因素，包括質(zhì)量、成本、進度

11、計劃和用戶要求。并行工程的目標提高質(zhì)量、降低成本、縮短產(chǎn)品開發(fā)周期和產(chǎn)品上市時間。并行工程的具體做法：1）在產(chǎn)品開發(fā)初期，組織多種職能協(xié)同工作的項目組，使有關人員從一開始就獲得對新產(chǎn)品需求的要求和信息，積極研究涉及本部門的工作業(yè)務，并將所需要求提供給設計人員，使許多問題在開發(fā)早期就得到解決，從而保證了設計的質(zhì)量，避免了大量的返工浪費.2）在產(chǎn)品的設計開發(fā)期間，將概念設計、結構設計、工藝設計、最終需求等結合起來，保證以最快的速度按要求的質(zhì)量完成。3）各項工作由與此相關的項目小組完成。進程中小組成員各自安排自身的工作，但可以定期或隨時反饋信息并對出現(xiàn)的問題協(xié)調(diào)解決。4）依據(jù)適當?shù)男畔⑾到y(tǒng)工具，反饋

12、與協(xié)調(diào)整個項目的進行。利用現(xiàn)代CIM技術，在產(chǎn)品的研制與開發(fā)期間，輔助項目進程的并行化。并行工程于20世紀80年代提出，具體體現(xiàn)在PDM（產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理）技術及DFx（如DFM、DFA等）技術在產(chǎn)品設計階段的應用。它是在CAD、CAM、CAPP等技術的支持下，將原來分別依次進行的工作在時間和空間上交叉、重疊，利用原有技術，吸收計算機技術、信息技術的成果，成為產(chǎn)品數(shù)字化設計的重要手段和先進制造技術的基礎。3、虛擬樣機技術應用階段虛擬樣機技術的定義：虛擬樣機就是用來代替物理產(chǎn)品的計算機數(shù)字模型，它可以像真實的物理模型一樣，用來對所關心的產(chǎn)品的全壽命周期，如設計、制造、服務、循環(huán)利用等, 進行展示、分

13、析和測試。這種構造和使用虛擬樣機的技術就叫虛擬樣機技術。虛擬樣機技術的組成：三維實體模型、個人產(chǎn)品交互模型、與產(chǎn)品測試有關的可視化模型虛擬樣機技術的優(yōu)點：1）減少了設計費用2）可以輔助物理樣機進行設計驗證和測試3）可以減少產(chǎn)品開發(fā)過程中所需的時間, 使產(chǎn)品盡快上市4）可以在相同的時間內(nèi)“試驗”更多的設計方案, 這是物理樣機無法比擬的5）可以減少產(chǎn)品開發(fā)后期的設計更改, 進而使得整個產(chǎn)品的開發(fā)周期最小化6）與常規(guī)的仿真相比, 它涉及的設計領域廣, 考慮也比較周全, 因而可以提高產(chǎn)品的質(zhì)量。7）由于虛擬樣機技術支持并行設計, 使得設計小組之間的溝通變得便捷。四、優(yōu)點1、數(shù)字化設計的優(yōu)點:1）減少設

14、計過程中實物模型的制造。傳統(tǒng)設計在產(chǎn)品研制中需經(jīng)過反復多次的“樣機生產(chǎn)-樣機測試-修改設計”的過程，這不僅耗費物力、財力，還使得產(chǎn)品研制周期延長。數(shù)字化設計則在制造物理樣機之前，針對數(shù)字化模型進行仿真分析與測試，可排除某些設計不合理性；2）易于實現(xiàn)設計的并行化。相對與傳統(tǒng)設計過程的串行化，數(shù)字化設計可以讓一項設計工作由多個設計隊伍在不同的地域分頭并行設計、共同裝配，這在提高產(chǎn)品設計質(zhì)量與速度方面具有重要的意義。2、數(shù)字化制造的優(yōu)點：可精確地預測和評價產(chǎn)品的可制造性、加工時間、制造周期、生產(chǎn)成本、零件的加工質(zhì)量、產(chǎn)品質(zhì)量和制造系統(tǒng)運行性能零件和產(chǎn)品的可制造性分析、生產(chǎn)規(guī)劃與工藝規(guī)劃的評價與確認、

15、敏捷企業(yè)和分散化網(wǎng)絡生產(chǎn)系統(tǒng)中合作伙伴的選擇、生產(chǎn)過程和制造系統(tǒng)設計與優(yōu)化網(wǎng)上制造資源的查詢與優(yōu)選低成本的人員培訓工具。3、計算機仿真的優(yōu)點：1）仿真實驗可以反復進行，改變系統(tǒng)的結構和系數(shù)都比較容易，實驗時間段，代價小；2）可以在真實系統(tǒng)建立起來之前，預測其行為效果，從而可以從不同結構或不同參數(shù)的模型的結果比較之中，選擇最佳模型；3）對于缺少解析表示的系統(tǒng)，或者雖有解析表示但無法精確求解的系統(tǒng)，可以通過仿真獲得系統(tǒng)運行的數(shù)值結果；4）對于隨機性系統(tǒng)，可以通過大量重復試驗，獲得在統(tǒng)計意義上某些特性指標。5）對于機械產(chǎn)品的研制來說，計算機仿真能夠提高產(chǎn)品質(zhì)量；縮短產(chǎn)品開發(fā)周期；降低產(chǎn)品開發(fā)成本；完

16、成復雜產(chǎn)品的操作和使用訓練。五、國內(nèi)數(shù)字化設計與制造的現(xiàn)狀：  “十一五”期間，我國政府組織實施了制造業(yè)信息化工程專項，推動設計數(shù)字化、制造裝備數(shù)字化、生產(chǎn)過程數(shù)字化、管理數(shù)字化和企業(yè)數(shù)字化等方面的發(fā)展，數(shù)字化制造技術在我國已經(jīng)取得大量應用：一是CAD/CAPP/CAE/CAM的推廣應用，改變了傳統(tǒng)的設計生產(chǎn)、制作模式，已經(jīng)成為我國現(xiàn)代制造業(yè)發(fā)展的重要技術特征；二是MRP/ERP的推廣應用；三是CIMS的推廣應用；四是網(wǎng)絡建設方面，近年來互聯(lián)網(wǎng)技術的飛速發(fā)展，企業(yè)網(wǎng)絡迅猛發(fā)展。  目前，數(shù)字化制造技術正在我國深入發(fā)展，呈現(xiàn)以下趨勢：一是正由2D向3D轉變

17、，形成以基于模型的定義/基于模型的作業(yè)指導書為核心的設計與制造；二是并行和協(xié)同，通過產(chǎn)品、工藝過程和生產(chǎn)資源的建模仿真及集成優(yōu)化技術，提高多學科的設計與制造的協(xié)同性和并行性，實現(xiàn)產(chǎn)品和工藝設計結果的早期驗證；三是數(shù)字化裝配與維修；四是數(shù)字化車間與數(shù)字化工廠，這是數(shù)字化制造技術在車間和和工廠集成應用和高效運營的全新生產(chǎn)模式，為高效物流實施以及精益生產(chǎn)、可重構制造、元化制造等先進制造模式提供輔助工具；五是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，由機器、設備組、設施和系統(tǒng)網(wǎng)絡組成，能夠在更深的層面將連接能力、大數(shù)據(jù)、數(shù)字分析、3D打印等結合。我國制造業(yè)設計數(shù)字化方面的投入不斷加大，我國數(shù)字化制造快速發(fā)展，儀器儀表、數(shù)控機床、機

18、器人等行業(yè)自主創(chuàng)新成效初現(xiàn)，3D打印等新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，制造業(yè)管理數(shù)字化成效顯現(xiàn)，信息化技術在制造企業(yè)得到大量應用。但是，我國制造業(yè)與發(fā)達國家相比，創(chuàng)新能力不強，高新技術方面仍然處在追趕狀態(tài)，許多關鍵的核心技術還沒有掌握，制造業(yè)綜合競爭力較弱，總體上處于國際分工和產(chǎn)業(yè)鏈的中低端。目前，我國高技術產(chǎn)業(yè)占制造業(yè)的比重大約是美國的三分之一，我國制造業(yè)產(chǎn)業(yè)結構有待優(yōu)化，數(shù)字化制造在制造業(yè)中的比重亟待提高。六：數(shù)字化設計與制造在核工業(yè)領域的應用情況加速器制造（ANSYS）粒子加速器是探索原子核和粒子的性質(zhì)、內(nèi)部結構和相互作用的重要工具，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療衛(wèi)生、科學技術等方面也都有重要而廣泛的實際應用。而作為一項精密的電物理設備，粒子加速器的研制需要良好的物理設計和工程技術的支撐。實現(xiàn)粒子加速器的數(shù)字化設計及其制造，通過用數(shù)值手段對粒子在加速器中的物理過程進行分析，在此基礎上對加速器的各個部件進行更加合理的設計，不僅能夠提升加速器的性能，還能夠降低設計成本，縮短設計周期，甚至免去物理模型的實驗。輻射成像系統(tǒng)輻射成像技術的發(fā)