智能制造基礎(chǔ)與應(yīng)用高等職業(yè)教育“十三五”規(guī)劃教材

*智能制造基礎(chǔ)與應(yīng)用

第二章智能制造數(shù)字化基礎(chǔ)第二節(jié)數(shù)字化設(shè)計(jì)與仿真第三節(jié)數(shù)字化工藝第四節(jié)數(shù)字化加工與裝配第五節(jié)數(shù)字化控制第六節(jié)數(shù)字化生產(chǎn)管理第七節(jié)數(shù)字化遠(yuǎn)程維護(hù)第一節(jié)概述數(shù)字化設(shè)計(jì)與仿真2第二節(jié)

*智能制造基礎(chǔ)與應(yīng)用數(shù)字化設(shè)計(jì)推動(dòng)信息化進(jìn)程向前發(fā)展，而仿真則是驗(yàn)證設(shè)計(jì)結(jié)果的有效有段。在現(xiàn)代制造企業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造過程中，數(shù)字化設(shè)計(jì)和仿真一直是不可或缺的兩個(gè)工具，在縮減經(jīng)費(fèi)、縮短開發(fā)周期、提高產(chǎn)品質(zhì)量方面發(fā)揮了巨大作用。一、數(shù)字化設(shè)計(jì)與仿真的基本概念“數(shù)字化設(shè)計(jì)與仿真”是指利用計(jì)算機(jī)軟硬件及網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品開發(fā)全過程的一種技術(shù)，即在網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算機(jī)輔助下通過產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型，全面模擬產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、分析、裝配、制造等過程。

*智能制造基礎(chǔ)與應(yīng)用二、數(shù)字化設(shè)計(jì)與仿真和傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的比較計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等的飛速發(fā)展，使得設(shè)計(jì)過程中各個(gè)設(shè)計(jì)階段所采用的設(shè)計(jì)工具、設(shè)計(jì)理念、設(shè)計(jì)模式發(fā)生了深刻的變化.

*智能制造基礎(chǔ)與應(yīng)用

傳統(tǒng)設(shè)計(jì)數(shù)字化設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)方式手工繪圖計(jì)算機(jī)繪圖設(shè)計(jì)工具繪圖板、丁字尺、圓規(guī)、鉛筆、橡皮等計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)、CAD/CAE軟件、繪圖機(jī)、打印機(jī)等產(chǎn)品表示二維工程圖紙、各種明細(xì)表等三維CAD模型、二維CAD電子圖紙、BOM等設(shè)計(jì)方法經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)、手工計(jì)算、封閉收斂的設(shè)計(jì)思維基于三維的虛擬設(shè)計(jì)、智能設(shè)計(jì)、可靠性設(shè)計(jì)、有限元分析、優(yōu)化設(shè)計(jì)、動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)、工業(yè)造型設(shè)計(jì)等現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法工作方式串行設(shè)計(jì)、獨(dú)立設(shè)計(jì)并行設(shè)計(jì)、協(xié)同設(shè)計(jì)管理方式紙質(zhì)圖檔、技術(shù)文檔管理基于PDM的產(chǎn)品數(shù)字化管理仿真方式物理樣機(jī)虛擬樣機(jī)、物理樣機(jī)特點(diǎn)過早進(jìn)入物理樣機(jī)階段，從設(shè)計(jì)到物理樣機(jī)反復(fù)迭代修正由個(gè)人經(jīng)驗(yàn)、手工計(jì)算帶來的設(shè)計(jì)錯(cuò)誤，設(shè)計(jì)周期長，成本高形象直觀，干涉檢查、強(qiáng)度分析、動(dòng)態(tài)模擬、優(yōu)化設(shè)計(jì)、外觀和色彩設(shè)計(jì)等采用虛擬樣機(jī)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。設(shè)計(jì)錯(cuò)誤少，設(shè)計(jì)周期短、成本低傳統(tǒng)設(shè)計(jì)與數(shù)字化設(shè)計(jì)各方面比較

*智能制造基礎(chǔ)與應(yīng)用三、數(shù)字化設(shè)計(jì)與仿真基本技術(shù)1.CAX工具CADCAMCAE

*智能制造基礎(chǔ)與應(yīng)用2.并行工程并行工程是集成地、并行地設(shè)計(jì)產(chǎn)品及其相關(guān)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(gè)生命周期中從概念形成到產(chǎn)品報(bào)廢的所有因素，包括質(zhì)量、成本、進(jìn)度計(jì)劃和用戶要求。

*智能制造基礎(chǔ)與應(yīng)用四、先進(jìn)數(shù)字化設(shè)計(jì)與仿真技術(shù)-虛擬樣機(jī)1.產(chǎn)生背景傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方式要經(jīng)過圖紙?jiān)O(shè)計(jì)、樣機(jī)制造，測試改進(jìn)、定型生產(chǎn)等步驟，為了使產(chǎn)品滿足設(shè)計(jì)要求，往往要多次制造樣機(jī)，反復(fù)測試，費(fèi)時(shí)費(fèi)力、成本高昂。虛擬樣機(jī)技術(shù)的出現(xiàn)，改變了傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方式，采用數(shù)字技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。它能夠在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)——試驗(yàn)——設(shè)計(jì)的反復(fù)過程，大大降低了研發(fā)周期和研發(fā)資本，能夠快速響應(yīng)市場，適應(yīng)現(xiàn)代制造業(yè)對(duì)產(chǎn)品T（time）、Q（quality）、C（cost）、S（services）、E（environment）的要求，極大地促進(jìn)了敏捷制造的發(fā)展，推動(dòng)了制造業(yè)的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化。

*智能制造基礎(chǔ)與應(yīng)用2.虛擬樣機(jī)技術(shù)定義虛擬樣機(jī)技術(shù)(VirtualPrototyping,VP)是指在產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)過程中,將分散的零部件設(shè)計(jì)和分析技術(shù)(指在某一系統(tǒng)中零部件的CAD和FEA技術(shù))揉合在一起,在計(jì)算機(jī)上建造出產(chǎn)品的整體模型,并針對(duì)該產(chǎn)品在投入使用后的各種工況進(jìn)行仿真分析,預(yù)測產(chǎn)品的整體性能,進(jìn)而改進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計(jì),提高產(chǎn)品性能的一種新技術(shù)。

*智能制造基礎(chǔ)與應(yīng)用3.虛擬樣機(jī)分類虛擬樣機(jī)按照實(shí)現(xiàn)功能的不同可分為結(jié)構(gòu)虛擬樣機(jī)、功能虛擬樣機(jī)和結(jié)構(gòu)與功能虛擬樣機(jī)。結(jié)構(gòu)虛擬樣機(jī)主要用來評(píng)價(jià)產(chǎn)品的外觀、形狀和裝配。新產(chǎn)品設(shè)計(jì)首先表現(xiàn)出來的就是產(chǎn)品的外觀形狀是否滿意,其次,零部件能否按要求順利安裝,能否滿足配合要求,這些都是在產(chǎn)品的虛擬樣機(jī)中得到檢驗(yàn)和評(píng)價(jià)的。功能虛擬樣機(jī)主要用于驗(yàn)證產(chǎn)品的工作原理,如機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真和動(dòng)力學(xué)仿真。新產(chǎn)品在滿足了外觀形狀的要求以后,就要檢驗(yàn)產(chǎn)品整體上是否符合基于物理學(xué)的功能原理。這一過程往往要求能實(shí)時(shí)仿真,但基于物理學(xué)功能分析,計(jì)算量很大,與實(shí)時(shí)性要求經(jīng)常沖突。

*智能制造基礎(chǔ)與應(yīng)用4.虛擬樣機(jī)技術(shù)特點(diǎn)（1）新的研發(fā)模式傳統(tǒng)的研發(fā)方法是一個(gè)串行過程,而虛擬樣機(jī)技術(shù)真正地實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)角度的產(chǎn)品優(yōu)化。它基于并行工程使產(chǎn)品在概念設(shè)計(jì)階段就可以迅速地分析、比較多種設(shè)計(jì)方案,確定影響性能的敏感參數(shù),并通過可視化技術(shù)設(shè)計(jì)產(chǎn)品、預(yù)測產(chǎn)品在真實(shí)工況下的特征以及所具有的響應(yīng),直至獲得最優(yōu)的工作性能。（2）更低的研發(fā)成本、更短的研發(fā)周期、更高的產(chǎn)品質(zhì)量通過計(jì)算機(jī)技術(shù)建立產(chǎn)品的數(shù)字化模型,可以完成無數(shù)次物理樣機(jī)無法進(jìn)行的虛擬試驗(yàn),從而無需制造及試驗(yàn)物理樣機(jī)就可獲得最優(yōu)方案,因此不但減少了物理樣機(jī)的數(shù)量,而且縮短了研發(fā)周期、提高了產(chǎn)品質(zhì)量。（3）實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)聯(lián)盟的重要手段動(dòng)態(tài)聯(lián)盟的概念即為了適應(yīng)快速變化的全球市場,克服單個(gè)企業(yè)資源的局限性,出現(xiàn)了在一定時(shí)間內(nèi),通過Internet臨時(shí)締結(jié)的一種虛擬企業(yè)。為實(shí)現(xiàn)并行設(shè)計(jì)和制造,參盟企業(yè)之間產(chǎn)品信息的交流尤顯重要。而虛擬樣機(jī)是一種數(shù)字化模型,通過網(wǎng)絡(luò)輸送產(chǎn)品信息,具有傳遞快速、反饋及時(shí)的特點(diǎn),進(jìn)而使動(dòng)態(tài)聯(lián)盟的活動(dòng)具有高度的并行性。

*智能制造基礎(chǔ)與應(yīng)用5.虛擬樣機(jī)的功能組成

計(jì)算機(jī)仿真

技術(shù)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)CAD技術(shù)虛擬樣機(jī)人機(jī)互動(dòng)

*智能制造基礎(chǔ)與應(yīng)用6.虛擬樣機(jī)的生產(chǎn)流程第一階段：描述虛擬部件的CAD數(shù)據(jù)必須產(chǎn)生,并且做針對(duì)實(shí)時(shí)應(yīng)用的預(yù)處理。第二階段：針對(duì)DMU仿真的需要對(duì)CAD幾何造型進(jìn)行后處理。第三階段：將處理好的CAD三維模型連接到虛擬樣機(jī)內(nèi)核上，使之與定義好的運(yùn)動(dòng)聯(lián)結(jié)(joints)、運(yùn)動(dòng)約束(Constraints)的機(jī)構(gòu)系統(tǒng)以及其它子系統(tǒng)有機(jī)聯(lián)系在一起，最后在虛擬樣機(jī)仿真環(huán)境下生成虛擬樣機(jī)。

*智能制造基礎(chǔ)與應(yīng)用7.虛擬樣機(jī)技術(shù)的應(yīng)用火星車勇氣號(hào)虛擬樣機(jī)火星車勇氣號(hào)物理樣機(jī)

*智能制造基礎(chǔ)與應(yīng)用基于虛擬樣機(jī)的汽車試驗(yàn)虛擬樣機(jī)在工程機(jī)械領(lǐng)域應(yīng)用

*智能制造基礎(chǔ)與應(yīng)用虛擬樣機(jī)在產(chǎn)品動(dòng)力學(xué)分析上的

*智能制造基礎(chǔ)與應(yīng)用虛擬樣機(jī)在機(jī)械系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)上的應(yīng)用---洗衣機(jī)的震動(dòng)模擬

*智能制造基礎(chǔ)與應(yīng)用虛擬樣機(jī)在飛行器設(shè)計(jì)上的應(yīng)用---飛行模擬

*智能制造基礎(chǔ)與應(yīng)用五、案例分析1.數(shù)字化設(shè)計(jì)底座三維實(shí)體模型掩護(hù)梁三維實(shí)體模型液壓支架傳統(tǒng)設(shè)計(jì)是一種基于經(jīng)驗(yàn)、類比的設(shè)計(jì)模式，這種建立在物理樣機(jī)上的研發(fā)模式，成本高，開發(fā)周期長。如果物理樣機(jī)試驗(yàn)不夠充分，產(chǎn)品定型后會(huì)造成不可預(yù)知的結(jié)果，從而影響到液壓支架的質(zhì)量。

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2.虛擬裝配液壓支架三維實(shí)體模型液壓支架零件的三維實(shí)體模型完成后，為了建立數(shù)字化樣機(jī)，需要對(duì)其各個(gè)零件進(jìn)行虛擬裝配。通過確定零件之間的位置約束關(guān)系，可以把支架中的各個(gè)三維實(shí)體零件裝配成一個(gè)整體——液壓支架數(shù)字化樣機(jī)。零件的準(zhǔn)確裝配是液壓支架運(yùn)動(dòng)仿真的前提，裝配關(guān)系的正確與否直接影響著液壓支架運(yùn)動(dòng)仿真能否正確實(shí)現(xiàn)。通過仿真結(jié)果，可以根據(jù)需要對(duì)生成的零件和特征進(jìn)行修改定義，直至達(dá)