李俊良关于数字化设计与制造技术的读书报告.docx

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李俊良关于数字化设计与制造技术的读书报告

前沿讲座

题目:

产品数字化设计

分析与制造技术

学生姓名:

李俊良

学号:

3320120191130

年级/专业/班:

12级机设（3）班

学院（直属系）:

机械工程学院

产品数字化设计、分析与制造技术

摘要：

阐述了数字化设计与制造技术内涵、发展进程和发展趋势，指出了数字化设计与制造技术的重要性：

数字化设计与制造是以计算机软硬件为基础、以提高产品开发质量和效率为目标的相关技术的有机集成。

与传统产品开发手段相比，它强调计算机、数字化信息、网络技术以及智能算法在产品开发中的作用。

。

关键词：

数字化设计技术制造技术

Abstract:

Itdescribesthedigitaldesignandmanufacturingtechnologycontent,thedevelopmentprocessanddevelopmenttrends,notedtheimportanceofdigitaldesignandmanufacturingtechnology:

digitaldesignandmanufactureofcomputerhardwareandsoftwareasthefoundationistoimprovethequalityandefficiencyofproductdevelopmentgoalsrelatedtechnologiestheorganicintegration.Comparedwiththetraditionalmeansofproductdevelopment,whichemphasizestheroleofcomputer,digitalinformationandnetworktechnologyaswellasintelligentalgorithmsinproductdevelopment.

Keywords:

DigitalDesignTechnologyDigitalManufacturingTechnology.

引言

近几年，世界工程机械的格局变数迭起，中国工程机械市场的高速发展，市场集中度不断提高，更成为世界瞩目的焦点。

由此，我校老师针对于即将毕业的我们开设机械前沿讲座。

听了专题讲座后感触比较大，同时使我的视野一下子开阔了很多。

没有这些先进的加工技术就不可能生产出高质量,高精度,高难度的产品。

也就不可能制造出先进的设备。

以下是我对八次讲座的概括：

第一讲，数控机床产品的创新策略，周丽平

第二讲，双腔半环面型机械复合无级变速传动理论及应用研究，讲解人，张庆功

第三讲，不确定条件下的设计

第四讲，产品数字化设计，分析与制造技术

第五讲，智能制造与设备自动化的市场机会与挑战

第六讲，机械设备状态检测和故障诊断（简介，发展概况，诊断信息的获取，诊断的基本概念）

第七讲，机械工程中的计算机模拟技术（基本介绍，机械工程中的计算机模拟，分子动力学仿真）

第八讲，基于ADAMS的机械结构动力学仿真分析

总之，这次的讲座对我来说是有收获的。

不仅使我知道了当今机械工程发展状况和前景，更重要的是对我个人的鞭策，意识到我现在所学到的知识只是冰山一角。

只有不断的学习，充实自己才不至于被当今这个高速发展的社会抛弃。

1.数字化设计与制造的内涵与发展：

数字化设计与制造主要包括用于企业的计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）、计算机辅助工艺设计（CAPP）、计算机辅助工程分析（CAE）、产品数据管理（PDM）等内容。

其数字化设计的内涵是支持企业的产品开发全过程、支持企业的产品创新设计、支持产品相关数据管理、支持企业产品开发流程的控制与优化等，归纳起来就是产品建模是基础，优化设计是主体，数控技术是工具，数据管理是核心，它们之间的关系如图1所示。

由于通过CAM及其与CAD等集成技术与工具的研究，在产品加工方面逐渐得到解决，具体是制造状态与过程的数字化描述、非符号化制造知识的表述、制造信息的可靠获取与传递、制造信息的定量化、质量、分类与评价的确定以及生产过程的全面数字化控制等关键技术得到了解决，促使数字制造技术得以迅速发展，这些关键技术之间的具体关系如图2所示

1.1数字化设计：

从产品形成过程（产品规划→概念设计→详细设计→生产准备）的昨天、今天和明天发展看：

由昨天的过程序列到今天过程链并将发展到明天的过程流。

见图3所示。

可见产品形成过程并行程度越来越高，其效率也不断提高。

从产品设计的昨天、今天和明天的发展看，它是从手绘图到CAD，发展到虚拟现实，见图4所示。

而它们在各个发展过程中其重点是不同的，过去注重的是零件，重点放在开发和制造上；今天注重的是原型，重点放在产品的形成过程；将来注重的是产品，重点放在产品全生命周期。

即产品的设计由点到线再到面的发展趋势。

1.2数字化设计与制造的历史进程：

CAD技术起步于20世纪50年代后期，60年代，随着计算机软硬件技术的发展，在计算机屏幕上绘图变为可行，CAD开始迅速发展。

人们希望借助此项技术来摆脱繁琐、费时、精度低的传统手工绘图，即甩图板。

此时CAD技术的出发点是用传统的三视图的方法来表达零件，以图纸为媒介进行技术交流，这就是二维计算机绘图技术。

在CAD软件开发初期，CAD的含义仅仅是ComputerAidedDrawing，而非现在我们经常讨论的CAD（ComputerAidedDesign）技术以二维绘图为主要目标的算法一直持续到70年代末期。

近10年来占据绘图市场主导地位的是AutoDesk公司的AutoCAD软件。

60年代初期出现的三维CAD系统只是极为简单的线框系统。

这种初期的线框造型系统只能表达基本的几何信息，不能有效表达几何数据间的拓扑关系。

由于缺乏形体的表面信息，CAD及CAM均无法实现。

进入70年代，正直飞机和汽车工业的蓬勃发展时期。

此间飞机及汽车制造过程中遇到大量的自由曲面问题，当时只能采用多截面视图，特征纬线的方式来近似表达所设计的自由曲面。

由于三视图方法表达的不完整性，经常发生设计完成后，制作出来的样品与设计者所想象的有很大差异甚至完全不同的情况，这样大大拖延了产品研发时间。

此时法国人提出了贝塞尔算法，使人们用计算机处理曲线及曲面问题变得可行，同时也使得法国达索飞机制造公司的开发者们，能在二维绘图系统CADAM的基础上，开发出以表面模型为特点的自由曲面建模方法，推出了三维曲面造型系统CATIA。

它的出现标志着计算机辅助设计技术从单纯模仿工程图纸的三视图模式解放出来，首次实现计算机完整描述产品零件的主要信息，同时也使得CAD技术的开发有了现实的基础。

曲面造型系统CATIA为人类带来了第一次CAD技术革命，改变了以往只能借助油泥模型来近似表达曲面的落后的工作方式20世纪70年代末到80年代初，由于计算机技术的大跨步前进，CAE，CAM技术也开始有了较大发展。

SDRC公司在当时星球大战计划背景下，由美国宇航局支持及合作，开发出了许多专用分析模块，用以降低巨大的太空实验费用，而UG则侧重在曲面技术的基础上发展CAM技术，用以满足麦道飞机零部件的加工需求。

有了表面模型，CAM的问题可以基本解决。

但由于表面模型技术只能表达形体的表面信息，难以准确表达零件的其它特征，如质量、重心、惯性矩等，对CAE十分不利，最大的问题在于分析的前处理特别困难。

基于对于CAD/CAE一体化技术发展的探索，一些公司完成了基于实体造型技术的大型CAD/CAE软件开发与研制。

由于实体造型技术能够精确表达零件的全部属性，在理论上有助于CAD、CAE、CAM统一的模型表达，给设计带来了惊人的方便性。

可以说，实体造型技术的普及应用标志着CAD发展史上的第二次技术革命。

进入80年代中期，CV公司提出了一种比无约束自由造型更新颖、更好的算法——参数化实体造型方法。

它具有基于特征、全尺寸约束、全数据相关、尺寸驱动设计修改的特征。

可以认为，参数化技术的应用主导了CAD发展史上的第三次革命。

此时众多CAD、CAE、CAM软件开发公司群雄逐鹿。

80年代后期到90年代，CAD向系统及集成化方向发展，这将引起CAD发展史的第四次革命。

据美国DI公司发布的全球机械CAD、CAE、CAM市场销售情况可以看出近几年CAD、CAE、CAM市场发展很快，竞争激烈：

1996年全球CAD、CAE、CAM市场销售额为35亿美元，1997年为42亿美元，年增长率为19.1%，前三位为PTC公司、IBM公司和SDRC公司。

可见CAD、CAE、CAM是IT产业最活跃、发展最快、最具效益和最有潜力的高新技术产业。

1996年全球CAD、CAE、CAM市场情况（图5）。

1997年全球机械CAD、CAE、CAM市场情况（图6）。

自从CAD、CAE、CAM系统出现以来，已有几十年的历史，随着市场需求的发展和市场的竞争，目前世界上CAD、CAE、CAM主要分为三个档次，即：

（1）.高档CAD/CAM系统—工作站CAD/CAM系统。

工作站CAD/CAM是由于工作站出现后，产生了UNIX操作系统。

此时的CAD/CAM技术得到很快发展，如建模技术、产品数据交换技术、产品数据管理技术等。

这档系统比较昂贵，系统较复杂（见表1）。

（2）中档CAD/CAM系统—微机三维CAD/CAM系统。

随着微机性能和功能的快速发展，价格低廉，应用普遍，以微机为平台的三维CAD/CAM发展很快。

这一档次的系统特点为：

采用Windows平台；采用最新软件成果和技术；吸收和继承了工作站CAD/CAM系统的精华（见表2）

（3）低档CAD/CAM系统—微机二维CAD/CAM系统。

低档CAD/CAM系统主要是用于2D设计问题，这档系统应用最广泛的是美国AutoDusk公司的产品AutoCAD。

目前，由于中、高档CAD/CAM系统都有2D/3D的关联性，所以真正纯2D的软件在国际市场上已不多。

PDM自推向市场后，是市场发展最快的一种软件产品，其基本功能有：

图文档管理、工作流程管理、产品配置管理、权限管理、项目管理、版本管理、日志管理等。

有些功能还不尽完美，正在进一步研究开发中。

但值得注意的是，PTC公司在1997年购并CV公司后，推出了新的PDM产品Windchill。

它是一个完全建立在Internet平台、CORBA和Java技术基础上的产品，在市场上极具竞争力。

目前国外几个比较有名的PDM产品见表3。

1.3数字原型—虚拟现实

随着信息技术的迅猛发展，特别是机械系统动态仿真技术的出现，它是20世纪80年代随着计算机技术的发展而迅速发展起来的一项计算机辅助工程（CAE）技术。

工程师在计算机上建立样机模型，对模型进行各种动态性能分析，然后改进样机设计方案，用数字化形式代替传统的实物样机的实验。

运用虚拟样机技术，可以大大简化机械产品的实际开发过程，大幅度缩短产品开发周期，大量减少产品开发费用和成本，明显提高产品质量，提高产品的系统级性能，获得最优化和创新的设计产品。

根据国际权威人士对机械工程领域产品性能试验和研究开发手段的统计和预测，传统的机械系统实物试验研究，将在很大程度上会被迅速发展起来的计算机数字化仿真技术取代。

虚拟样机技术的研究范围主要是机械系统运动学和动力学分析，其核心是利用计算机辅助分析技术进行机械系统的运动学和动力学分析，以确定系统及其各构件在任意时刻的位置、速度加速度，同时，通过求解代数方程引起系统及其各构件运动所需的作用力及其反作用力。

由于机械系统的种类繁多，虚拟样机分析软件在进行机械系统运动学和动力学分析时，还需要融合其他相关技术。

因此为了充分发挥各种不同的大型分析软件的特长，目前它们之间均有数据接口，支持其他机械系统计算机辅助工程（MCAE）软件，或者反过来，虚拟样机软件的输入数据可以由其他的专用软件产生。

图"给出了虚拟样机技术的相关技术。

数字化设计技术的出现，受到了发达工业国家、有关科研机构和大学、世界上许多著名大公司的极大重视，许多著名制造商立即将数字化设计技术引入各自的产品开发中，取得了非常好的经济效益。

我国《制造与自动化领域“十五”计划及2015年远景规划》也十分重视数字化设计技术的应用，将其列入今后攻关和推广的重点方向和关键技术之一。

图$是国际权威人士对机械工程领域产品性能试验和研究开发手段的统计和预测，可见传统的实物试验研究方法，将在很大程度上会被计算机仿真技术取代。

目前，国际上已经出现虚拟样机的大型商业软件如ADAMS等。

现在国外的一些著名大学已将三维CAD、有限元软件和虚拟样机软件作为机械专业学生必须了解的工具软件。

2数字化设计与制造技术发展趋势：

先进制造技术发展的总趋势可归纳为：

精密化、柔性化、虚拟化、网络化、智能化、敏捷化、清洁化、集成化及管理的创新。

而数字化设计与制造技术是先进制造技术的的基础。

随着计算机技术的不断提高，Internet网络技术的普及应用，以及用户的需求CAD/CAM、CAE、PDM等技术本身也在发展，集成技术也在向前推进，其发展趋势主要有：

（1）单项技术向完善化发展。

在CAD/CAM中的技术主要有：

曲面建模技术、曲面与实体集成的技术、实体建模技术、大型组件设计技术等。

在CAPP中创成式CAPP的研究和实用化技术。

在PDM中产品结构/配置管理的有关算法的研究，项目管理的开发研究及PDM在企业中实施方法的研究等。

ERP的新发展是与Internet和电子商务相结合。

（2）PDM与CAD/CAPP/CAE/CAM、MRPⅡ/ERP、OA的集成技术。

目前用三种方式集成即：

封装、接口、集成。

封装：

是指把对象的属性和操作方法同时封装在定义对象中。

封装可以通过PDM提供的封装工具来实现。

接口：

通过PDM与各应用系统CAX的API,应用接口程序提取部分信息实现系统间的信息交换。

集成：

通常所称无缝集成。

这种集成方式要真正了解PDM和各CAX系统的底层数据结构，通过编程来实现二者库中的数据访问，无缝集成实现了信息的双向交换。

（4）产品协同商务CPC将迅速崛起。

产品协同商务定义了一种全新的软件和服务，它是基于Internet和Web技术的全新的解决方案。

其内容有：

基于Internet的动态拟实产品模型技术、基于Internet的数字模拟及仿真技术、基于Internet的协同设计技术基于PDM与Web的工艺设计（CPCC）技术、敏捷生产系统、基于Internet的制造规划评估技术等。

企业的CPC解决方案就是构造一个数码工厂。

（5）虚拟制造技术以计算机支持的仿真技术为前提，形成虚拟的环境、虚拟的制造过程、虚拟的产品、虚拟的企业，从而大大缩短产品开发周期，提高一次成功率。

网络技术的高速发展推动了网络制造技术的发展和广泛应用。

企业通过国际互联网、局域网和内部网，可以实现对世界上任何一地的用户定单而组建动态联盟企业，进行异地设计、异地制造，然后在最接近用户的生产基地制造成产品。

（6）将数字化技术用于制造过程，可大大提高制造过程的柔性和加工过程的集成性，从而提高工业生产过程的质量和效率，增强工业产品的市场竞争力；将数字化技术“融入”工业产品，可提高其性能，使之升级，以满足国民经济和人民生活日益增长的要求。

3结束语：

设计与制造技术是关系到国家生存和繁荣的重要基础，它的水平与制造业的发达程度突出反映了一个国家、一个地区的经济实力和综合国力，人民的生活水平和生活质量，国防能力和社会发展程度。

该项技术因涉及到产品研制、开发、生产、服务等多个方面，具有无所不在的独特性和不可估量的影响。

美国学者在《美国制造业的衰退及对策一夺回生产优势》的报告中有一名言：

“一个国家要想生活好；必须生产好”，“失去制造就失去未来”，这高度地概括了发展制造技术的重要性！

，这些说法也充分表明了制造技术对一个国家和民族的重要性。

近年来，工业发达国家和一些新兴工业化国家把发展制造技术作为一项极其重要的发展战略或政策，把它列为国家中长期发展的重大关键技术，将其看作是经济增长的根本动力之一，以国家行为的方式对其进行规划、资助、协调与管理，并对制造技术和制造工业进行认真研究、开发和应用。

数字化设计和制造的提出，是对传统制造业的革命也是对传统的机械工程教育提出了新的课题；而互联网的出现比以往的工业革命更为重要，改变的步伐将甚至比工业革命还要大，因此机械工程教育如何跟上时代的步伐，如何面向21世纪的机械工程教育，这是我们从事机械工程教育工作者需要考虑的重要问题。

参考文献：

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[2]黎明,雷源忠.机械工程学科“十五”优先领域构想[J].机械工程学报，2001,6

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[4]郑建荣.ADAMS—虚拟样机技术入门与提高[J].北京:

机械工业出版社，2002.

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