数字化设计制造关键技术基础.docx

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数字化设计制造关键技术基础

第一章

1.1数字化设计制造是当代产品研制基本手段。

1.2先进制造技术特性：

（1）先进制造技术是制造技术最新发展阶段；

（2）先进制造技术贯穿了制造全过程以至产品整个生命周期；（3）先进制造技术注重技术与管理结合；（4）先进制造技术是面向工业应用技术。

1.3设计制造技术重要体当前全球化、网络化、虚拟化、智能化和绿色化等几种方面。

1.4任何一种产品研制过程从大方面可以划分为设计与制造两某些。

1.5可以将产品制造过程基本要素抽象为产品（product）、工艺过程（process）、制造资源（resource），即PPR模型，实际过程是三个要素互相耦合伙用成果。

1.6串行设计与并行设计：

（1）串行设计组织模式是递阶构造，各个阶段活动是准时间顺序进行，一种阶段活动完毕后，下一种阶段活动才开始，各个阶段依次排列，均有自己输入和输出。

（2）并行设计工作模式是在产品设计同步就考虑后续阶段有关工作，涉及加工工艺、装配、检查等，在并行设计中产品开发过程各个阶段工作是交叉进行。

1.7数字化设计制造基本概念：

（1）数字化是运用数字技术对老式技术内容和体系进行改造进程。

（2）数字化设计就是通过数字化手段来改造老式产品设计办法，旨在建立一套基于计算机技术、网络信息技术，支持产品开发与生产全过程设计办法。

数字化设计制造内涵是支持产品开发全过程、支持产品创新设计、支持产品有关数据管理、支持产品开发流程控制与优化等，归纳起来就是产品建模是基本，优化设计是主体，数据管理是核心。

（3）数字化制造是指对制造过程进行数字化描述而在数字空间中完毕产品制造过程是计算机数字技术、网络信息技术与制造技术不断融合、发展和应用成果，也使制造公司、制造系统和生产系统不断实现数字化必然。

（4）数字化设计制造本质上是产品设计制造信息数字化，它将产品构造特性、材料特性、制造特性和功能特性统一起来。

1.8典型CAD模型原则互换格式，DXF、DWG、JGES、STEP。

1.9典型数字化设计制造应用工具系统：

（1）CAD系统，AutoCAD、CATIA、UGS、Pro/E

（2）CAE系统，NASTRAN、ANASYS

（3）CAPP系统，CAPPFramework

（4）CAM系统，在CATIA、UGS和Pro/E等CAD/CAM系统中，均包具有专门CAM模块

（5）DFx（designforx）系统，x可代表生命周期中各种因素，如制造、装配、检测等

1.10产品数据管理（productdatamanagement，PDM）是一种协助工程技术人员管理产品数据和产品研发过程工具。

PDM系统保证跟踪设计、制造所需大量数据和信息，并由此支持和维护产品。

1.11数字化设计制造特点：

（1）过程延伸；

（2）智能水平提高；（3）集成水平提高。

1.12数字化设计制造性能规定：

（1）稳定性；

（2）集成性（3）敏捷性；（4）制造工程信息积极共享能力；（5）数字仿真能力（6）支持异构分布式环境能力；（7）扩展能力。

第二章

2.1产品数字化模型是产品信息载体，包括了产品功能信息、性能信息、构造信息、零件几何信息、装配信息、工艺和加工信息等。

2.2信息体现形式重要以几何信息和非几何信息为主。

2.3设计过程零件模型为主模型，其她模型均以主模型为基本，在此基本上进行新模型构建。

2.4产品设计阶段模型：

（1）概念设计阶段模型：

重要从功能需求分析出发，初步提出产品设计方案，此时并不涉及产品精准形状和几何参数设计。

概念设计模型涉及产品方案构图、创新设计等。

从数字化角度看，概念设计师在一定设计规范下，以方案报告、草图等形式完毕设计。

（2）零件几何模型：

几何模型是产品详细设计核心，是将概要设计进行细化核心内容，是所有后续工作基本，也是最适共计算机表达产品模型。

几何模型用二维或者三维模型表达。

几何模型非几何信息以属性表达，属性信息定义以文本阐明。

零件几何模型是详细设计阶段产生信息模型，是其她各阶段设计信息载体，普通作为主模型。

（3）产品仿真模型：

普通不能直接在详细设计阶段产生零件几何模型上进行。

产品仿真模型表达了仿真分析阶段信息。

（4）产品装配模型：

表达产品构造关系、装配物料清单、装配约束关系、面向实际装配顺序和途径规划等。

①装配构造树，反映产品总体构造；②属性信息表，用来表达产品非几何信息；③装配约束模型，涉及装配特性描述、装配关系描述、装配操作描述以及装配约束参数；④装配规划模型，用于装配顺序规划和途径规划。

2.5产品制造阶段模型：

（1）工艺信息模型：

为CAPP提供基本信息。

依照零件加工规定和尺寸、粗糙度、公差、基准、加工办法等信息，建立工艺信息模型。

工艺设计数据源来自于详细设计阶段产生几何模型和装配模型。

（2）工装模型：

是通过不断演化产生中间状态模型。

工装模型包括了两大某些，工装设计模型和产品过程模型。

（3）数控加工模型：

是指数控加工设计模型和产生相应NC程序。

2.6物理样机与数字样机：

（1）用物质材料制作产品模型普通称为物理模型（或物理样机、实物样机）。

（2）数字样机（DigitalMockUp，DMU）是相对于物理样机在计算机上表达产品数字化模型。

（3）在CAD领域，虚拟样机概念事实上是数字样机含义。

（4）虚拟现实技术特性：

自主性、交互性和浸没性。

2.7几何模型构造模型表达类型分为，线框模型、表面模型、实体模型。

（1）线框模型：

在计算机内描述一种三维线框模型必要给出两类信息：

①顶点表（存储模型中各顶点三维坐标）；②边表（存储模型中各棱边，用指针指向个棱边顶点）。

它缺陷是：

①由于信息过于简朴，没有面信息，因此不能进行消隐解决；②模型在显示时理解上存在二义性；③不便于描述具有曲面物体；④无法应用于工程分析和数控加工刀具轨迹自动计算。

（2）表面模型：

数据构造是以“面-棱边-点”三层信息表达。

表面模型避免了线框模型二义性，表达是零件几何形状外壳，不具备零件实体特性，不能进行物理特性计算，如转动惯量、体积等。

（3）实体模型：

普通是以“体-面-环-棱边-点”五层构造信息表达模型。

实体建模最惯用是边界描述法（boundaryrepresentation，B-Rep）和构造性实体几何法（computedstructuregeometry，CSM）。

实体建模办法在表达物体形状和几何特性方面是完全有效。

2.8特性建模

（1）特性是产品各种信息载体，涉及几何信息和非几何信息。

（2）特性分类：

①形状特性；②材料特性；③精度特性；④装配特性。

（3）特性造型本质还是实体造型，但是进行了工程语义抽象，即语义+形状特性。

（4）应用最佳和最为成熟是形状特性设计。

（5）特性设计是在实体模型基本上，依照特性分类，对一种特性定义，对操作特性进行描述，指定特性表达办法，并且运用实体造型详细实现。

2.9特性造型系统基本规定：

（1）所建立产品零件模型应涉及下列5种数据类型：

①几何数据；②拓扑数据；③形状特性数据；④精度数据；⑤技术数据

（2）特性造型方式必要灵活多变，应当容许设计这以任何形式，任意级别和任意组合方式定义特性，以满足各应用领域需要。

（3）造型系统应能以便地实现特性和零件模型建立、修改、删除、更新，应能单独定义和分别引用产品模型中各个层次数据对行啊，并对其进行关联，互相作用，构成新特性与零件模型。

（4）应建立与应用有关映像模型，支持产品模型应用特性分解与释义。

2.10参数化设计与变量化设计

（1）参数化设计普通是指设计对象构造形状基本不变，而用一组参数来商定尺寸关系。

参数与设计对象控制尺寸有显示相应关系，设计成果修改受尺寸驱动，因而参数求解较简朴。

（2）参数化设计特点：

①基于特性；②全尺寸约束；③尺寸驱动实现设计修改；④全数据有关。

（3）参数化设计与变量化设计共同点：

两者都强调基于特性设计、全数据有关，并可实现尺寸驱动设计修改等。

（4）参数化设计与变量化设计不同点：

参数化设计强调是尺寸全约束，而变量化设计不严格规定尺寸全约束，可以是过约束，也可以是全约束。

参数化设计办法重要是运用尺寸约束，而变量化设计约束种类比较广，涉及几何、尺寸、工程约束，通过求解一组联立方程组来拟定产品尺寸和形状。

2.11惯用文献互换类型：

（1）IGES（initialgraphicsexchangespecification）初始图形互换规范，是国际上产生最早，且应用最广泛图形数据互换原则。

在IGES文献中，信息基本单位是实体（entity）。

（2）STEP（standardfortheexchangeofproductmodeldata）产品模型数据互换原则，是国际原则组织（ISO）制定产品数据表达与互换原则。

STEP产品模型数据覆盖产品整个生命周期。

形状特性信息模型是STEP产品模型核心。

几何信息互换是STEP原则应用著广泛一某些。

（3）DXF（dataexchangefile）数据互换文献。

第三章

3.1数字化设计技术：

是以专业设计技术为基本，与以信息技术为代表高科技充分融合，形成面向产品构造设计、分析运算、虚拟仿真，在数字空间完毕制造。

数字化设计是运用数字化技术对老式产品设计过程改造、延伸与发展。

3.2“1+3+X”综合设计法：

采用功能优化、动态优化、智能优化和可视优化及对某种产品有特殊规定设计等几种办法来完毕设计工作。

1-功能优化；3-将动态优化、智能优化和可视优化结合在一起设计办法；X-对某种产品有特殊规定设计办法。

3.3可靠性设计

（1）可靠性定义：

产品在规定条件下和规定期间内完毕规定功能能力。

它涉及四个要素：

①研究对象；②规定条件；③规定期间；④规定功能。

（2）可靠性设计惯用指标：

①可靠度（R（t）），设有N个相似产品在相似条件下工作，到任意给定期间t时，累积有n（t）个产品失效，别的N-n（t）个产品仍能正常工作，那么该产品届时间t可靠度为

R（t）={N-n（t）}/N。

②累积失效概率（F（t））：

F（t）=n（t）/N；R（t）+F（t）=1。

③失效概率密度（f（t））：

f（t）=F’（t）=（-R’（t））

④失效率（λ（t））：

λ（t）=

；λ（t）=f（t）/R（t）；

（3）可靠性设计中惯用分布函数：

①指数分布，当失效率λ（t）为常数时，R（t），F（t），f（t）都呈指数分布函数形式。

R（t）=

=

；F（t）=1-

；f（t）=

②正态分布：

uz’=uc-us；

z’=

；ZR=

=

P（z’<0）=P（t<-ZR）=P（t>

）=1-P（t<

）

（4）串联系统可靠度：

=

*

*……*

（5）并联系统可靠度：

=（1-

）（1-

）……（1-

）

（6）复杂系统可靠度：

①形函数：

=

（

）（下标i,j,m轮换）

②集中载荷移植：

{R}

=[N]

{P}

③面力移植：

{R}

=

tds

第五章

5.1成组技术

（1）基本原理，对相似零件进行辨认和分组，相似零件归入一种零件组或零件族，并在设计和制造中充分运用她们相似点，以获得所盼望经济效益。

（2）零件相似性涉及设计性质方面相似性和制造型之方面相似性，是零件分祖基本。

（3）定义：

成组技术是一门生产技术科学和管理技术科学，研究如何辨认和发展生产活动中关于事务相似性，并充分运用它把她们之间相似性归类成组，并谋求解决这一组问题相对统一最优方案，已获得所盼望经济效益。

5.2OPITZ编码系统是一种十进制9位代码呼和构造分类编码系统。

是由德国专家H.Opitz领导开发。

（1）第Ⅰ~Ⅴ位，代表形状码，用于描述工件重要设计特性，其中第Ⅰ位代表零件类别码，第Ⅱ~Ⅴ位代表形状及加工码。

（2）第Ⅵ~Ⅸ位代表辅助码，用于描述制造特性。

5.3国内研制编码系统JLBM-1，其基本构造与OPITZ基本相似，该系统有15个码位，每个码位有0~9十个数字表达不同特性项号。

（1）第1~2码位代表零件类别码

（2）第3~9码位代表形状和加工码

（3）第10~15码位代表辅助码，表达工艺信息。

5.4工艺规划是连接产品设计与制造桥梁，产品制造普通涉及工艺规划、生产设计制定、零件加工、部件和产品装配、检查等重要环节。

其中工艺规划普通是指零件机械加工工艺设计和产品装配工艺设计。

5.5机械产品是由零件、组件和部件构成。

装配单元可分为零件、组件、部件和机器四种级别。

5.6计算机辅助工艺规划（computeraidedprocessplanning，CAPP）是指运用计算机技术进行工艺设计和编制工艺规程。

计算机技术在在工艺规划中辅助作用重要体当前交互解决、数值计算、图形解决、逻辑决策、数据存储与管理等方面。

从内容上来说，CAPP应涉及工艺规划所有内容。

5.7CAPP发展，可分为三个发展阶段：

（1）基于自动化思想修订/创成式CAPP系统；

（2）基于计算机辅助实用化CAPP系统；（3）面向公司信息化制造工艺信息系统。

5.8CAPP系统三个基本构成某些：

（1）产品设计信息输入；

（2）工艺决策；（3）产品工艺信息输出。

5.9CAPP系统所采用基本工艺决策办法有如下两种：

（1）修订式办法（variantapproach）：

修订式办法也称为派生式办法，其基本思路是将相似零件归并成零件族，设计时检索出相应零件族标注工艺规程，并依照设计对象详细特性加以修订。

（2）生成式办法（generativeapproach）：

生成式办法也称为创成式办法，其基本思路是将人们设计工艺过程时推理和决策转换成计算机可以解决决策逻辑、算法，在使用时由计算机程序采用内部决策逻辑和算法，根据制造资源信息，自动生成零件工艺规程。

5.10惯用决策办法有决策表和决策树等。

5.11工艺决策专家系统

（1）所谓专家系统，就是一种在特定领域内具备专家水平计算机程序系统，它将人类专家知识和经验以知识库形式存入计算机，并模仿人类专家解决问题推理方式和思维过程，运用这些知识和经验对现实中问题做出判断和决策。

（2）专家系统三个构成某些：

零件信息输入模块、推理机和知识库。

其中，知识库和推理机是专家系统两大重要构成某些，知识库是专家系统核心。

（3）专家系统中使用三种推理办法：

正向演绎推理、反向演绎推理和正反向混合演绎推理

5.11物料清单BOM（billofmaterial）是描述用于制造一种产品所有零件、组件、部件和原材料表单，并给出了它们类型、编号、数量及其装配关系。

（1）设计部门产生是工程BOM（EBOM）

（2）工艺部门产生是制造BOM（MBOM）

（3）制造部门产生是质量BOM（QBOM）

第六章

6.1生产过程是指环绕完毕产品生产一系列有组织生产活动运营过程。

6.2生产过程组织形式可以按照生产工艺专业化（jobshop）和产品对象专业化（flowshop）原则进行分类。

（1）按照生产工艺专业化原则分类，常用形式有：

锻造车间、锻造车间、机械加工车间。

（2）按照产品对象专业化原则分类，常用形式有：

汽车生产线、家电生产线。

6.3按照生产持续限度生产类型可以分为持续型生产和离散型生产两种类型。

机械加工是典型离散加工类型。

依照产品品种产量，离散型生产可进一步分为：

（1）大批量生产，最典型例子是汽车制造业。

（2）单件小批量生产，如船舶、大型电机、桥梁、大型建筑等。

（3）多品种小批量生产，重要特点是普通应用成组技术。

（4）大批量定制生产

6.4生产管理是公司对所有和生产产品或提供服务关于活动管理，是对生产过程所涉及活动进行筹划、组织与控制。

（1）狭义生产管理重要涉及生产管理和生产控制两个方面。

（2）广义生产管理重要涉及与公司生产有关筹划、组织和控制等活动。

6.5数字化生产管理特点：

（1）实时性；

（2）精准性；（3）集成性；（4）自反馈性；（5）决策支持。

6.6在当代生产管理过程中，把用于生产管理各种软硬件与管理办法和制造过程集成起来，形成数字化生产管理系统。

它重要功能涉及：

筹划管理、资源管理、库存管理、生产过程控制等。

数字化生产管理系统是计算机软硬件、生产管理理念与生产过程集成。

6.7物料需求筹划（materialresourceplanning，MRP）

（1）MRP是以生产筹划为基本，结合产品构造信息和库存信息来制定生产筹划和采购筹划

（2）MRP基本原理：

是将公司产品中各中物料分为独立物料和有关物料，并准时间段拟定不同步期物料需求，基于产品构造物料需求组织生产，依照产品竣工日期和产品构造制定生产筹划，从而解决库存物料订货与组织生产问题。

（3）主筹划是独立需求筹划，MRP是有关需求筹划。

6.8制造资源筹划（MRPⅡ）

（1）在MRP基本上增长了财务管理和销售管理

（2）基本思想：

基于公司经营目的制定生产筹划，环绕物料转化组织制造资源，实现按需准时生产。

6.9公司资源规划（enterpriseresourceplanning，ERP），涉及公司供应链所有管理。

6.10MRPⅡ（manufacturingresourceplanning）/ERP和MES（制造执行系统）集成阶段，管理系统加入了生产状况反映信息。

6.11制造筹划又称为生产筹划，是为制造公司、制造车间或制造单元等制造活动执行机构制定在将来一段时间内所完毕任务和达到目的。

制造筹划按照不同层次，可以分为三类筹划：

（1）公司战略规划：

普通来说，战略规划是由高层管理人员参加制定，它覆盖周期普通为3~5年或者更长。

（2）生产经营筹划：

公司战术层经营筹划比战略规划时间跨度要短某些，普通为一年左右。

在公司中，经营筹划制定往往由生产筹划部门负责。

（3）执行作业筹划：

执行作业筹划生产周期普通比较短，集中在战术层和执行层。

6.12数字化制造筹划系统重要有：

（1）MRP筹划系统：

①是一种将库存管理和生产进度筹划集合在一起计算机辅助生产筹划管理系统。

②MRP筹划原理：

MRP筹划是以零部件为对象生产进度筹划。

普通，它是依照产品构造中零件层次关系，来编制零件生产进度。

MRP筹划最为核心文献形式就是物料清单BOM，以此来描述零件在产品中层次关系和数量。

③MRP筹划系统依照产品设计文献、工艺文献、物料文献和生产提前期（leadtime）等资料自动生成BOM表。

④MRP在编制零部件生产进度时，它是以产品交货期（或筹划竣工日期）为基准，朝着工艺过程逆向，按生产投入提前期长度，采用倒排法来编制。

⑤滚动筹划（rollingplan）是一种动态编制筹划筹划办法，滚动筹划编制规则是每走一步向前看两步。

滚动筹划普通把筹划分为三个时区，执行区、准备区和展望区。

离当前近来是执行区，最远是展望区。

按滚动筹划而编制办法是每通过一种执行区编制一次筹划，每个筹划长度仍为8个星期。

⑥MRP滚动期普通设为周，班组生产日程规划每天滚动一次。

每滚动一次，筹划就重编一次，为了减少重新编制操作采用了两种方式切换进行方式，即采用净变化（netchange）和完全重编（regeneration）。

净变化只修改筹划期内有变化某些，局部重编。

完全重编则要运营一次筹划编制程序，重新一种新筹划。

（2）JIT（justintime）筹划系统：

①JIT筹划核心思想是在需要时候才去生产所需要品种和数量，不要多生产，也不要提前生产。

JIT筹划系统又称丰田生产系统。

②JIT属于拉式系统，是由需求驱动，而MRP等推式系统，是有筹划驱动。

③拉式系统不制定主生产筹划。

④看板是JIT筹划系统中最为重要管理工具。

看板作用是传递信息。

看板种类有生产看板、运送看板、外协看板和暂时看板等。

看板使用规则如下：

看板必要跟随实物，与工件一起转移；每一种看板严格按照自己路线运营；看板必要对所需工件提供完整信息；不合格产品不能使用看板。

（3）TOC筹划系统：

①约束理论（TOC）指引思想实质上是谋求系统核心约束点，集中精力优先解决重要矛盾。

TOC筹划系统，一方面拟定瓶颈工序和瓶颈资源，编制产品核心生产筹划，在确认核心件生产进度前提下，再编制非核心件生产筹划，普通来说，瓶颈工序前导和后续工序采用不同筹划办法，以提高筹划可执行性。

（4）APS高档筹划排产系统：

是进行优先能力筹划应用系统，它是基于约束理论，通过事先定义规则，由计算机自动进行排产过程。

6.13生产调度（productscheduling）是在生产作业筹划基本上拟定生产任务（入工件）进入车间顺序以及车间运营中各种制造资源实时动态调度。

普通将生产调度又分解为生产任务静态排序、动态排序和系统资源实时动态调度三个子问题。

（1）生产任务静态排序（off-linesequencing）是指依照零件生产作业筹划规定生产进度，进一步详细地确每个工件在每台设备上加工工序和生产进度，同步也拟定了每台设备、每个工作人员、给个工作班次生产任务。

①生产任务排序分类：

按机器数目不同，可以分为单台机器排序问题和多台机器排序问题。

按工件到达状况不同，可以分为静态排序问题和动态排序问题。

按目的函数不同，可以分为使平均流程时间最短排序问题和使误期竣工工件数量至少排序问题。

②生产任务排序办法：

约翰逊法；核心工序法；优先规则法。

（2）生产任务动态排序（on-lineorrealtimesequencing）：

使用最多动态排序算法是人工智能领域启发式规则和遗传算法等。

6.14制造执行系统（MES）在数字化生产管理中起到了承上启下作用。

数字化生产管理系统层次模型：

（1）筹划层：

数字化生产管理中筹划系统，以客户订单和市场需求为筹划源头，充分运用企内各种资源，减少库存，提高生产经营效益。

从数字化生产管理角度来看，MRPⅡ/ERP属于公司筹划层。

（2）执行层：

上层和底层信息枢纽，强调筹划执行和制造过程控制，把上层筹划层和车间生产现场控制有机地集成起来。

（3）控制层：

对生产设备启动、运营和停止进行控制等，完毕筹划指令和制造指令执行控制。

第七章

7.1数字控制（numericalcontrol，NC），简称数控，是一种自动控制技术，使用数字化信号对控制对象加以控制一种办法。

数字控制对象是各种各样，但数控机床是最早应用数控技术控制对象，也是最典型数控化设备。

7.2数控机床重要由控制介质、数控系统、伺服系统和机床本体构成。

7.3数控加工是采用数字信息对零件加工过程进行定义，并控制机床进行自动运营一种自动化加工办法。

7.4数控机床控制方式：

（1）按机床运动轨迹分为：

①点位控制，涉及数控铣床、数控镗床和数控冲床；②直线切削控制，涉及数控车床、数控镗铣床；③持续切削控制，又称为轮廓控制，涉及数控铣床、数控车床、数控磨床和加工中心。

（2）按数控系统能同步控制机床坐标轴数分为：

2轴控制、2.5轴控制、3轴控制等。

7.5数控机床分类：

按其加工工艺方式可分为：

金属切削类、金属成型类、特种加工类和其她类型数控机床。

在金属切削类数控机床中，依照其自动化限度高低，又可分为普通数控机床、加工中心数控机床和柔性制造单元。

7.6数控机床坐标系和运动方向：

（1）在拟定编程坐标时，普通看作是工件相对静止，刀具产生运动

（2）数控机床上原则坐标系采用右手笛卡尔坐标系，大拇指方向为X轴正方向，食指方向为Y轴正方向，中指方向为Z轴正方向。

（3）先拟定Z轴，在拟定X轴，最后拟定Y轴。

Z轴垂直于工件装夹平面，X轴平行于工件装夹平面。

（4）工件坐标系：

是为了拟定工件几何图形上各几何要素位置而建立坐标系。

（5）机床原点与参照点：

机床原点是指机床坐标系原点，是其她所有坐标，如工件坐标系、机床参照点基准点。

机床参照点合用于机床工作台、滑板以及刀具相对运动测量系统