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产品数字化设计实践

产品数字化设计实践论文报告

西安电子科技大学

机电工程学院

任星

实现数字化设计制造的关键技术

摘要制造业是一个国家或地区经济发展的重要支柱，将数字化技术用于设计制造过程中，可大大提高制造过程的柔性和加工过程的集成性，从而提高产品生产过程的质量和效率，增强工业产品的市场竞争力。

本文就数字化设计制造的意义内涵和关键技术进行了阐释。

并且就现在流行的两种三维设计软件进行了各自的功能阐释，以及就此对两种软件的功能进行对比，得出结论。

关键词数字化设计制造关键技术功能

一数字化设计制造的意义及内涵

1.1数字化设计制造的意义

数字化设计制造是指利用计算机软硬件及网络环境，实现产品开发全过程的一种技术。

即在网络和计算机辅助下通过产品数据模型，全面模拟产品的设计、分析、装配、制造等过程。

数字化设计与制造不仅贯穿企业生产的全过程，而且涉及企业的设备布置、物流物料、生产计划、成本分析等多个方面。

数字化设计与制造技术的应用可以大大提高企业的产品开发能力、缩短产品研制周期、降低开发成本、实现最佳设计目标和企业间的协作，使企业能在最短时间内组织全球范围的设计制造资源开发出新产品，大大提高企业的竞争能力。

数字化设计制造可精确地预测和评价产品的可制造性、加工时间、制造周期、生产成本、零件的加工质量、产品质量和制造系统运行性能，零件和产品的可制造性分析、生产规划与工艺规划的评价与确认。

制造技术已从物质形式的制造向信息制造转变，产品中知识信息的价值占据越来越高的比例。

这不但反映在产品本身，而且体现在产品的整个生命周期，特别是设计制造环节。

制造业是国民经济持续增长的发动机、国家安全的重要保障及国家综合实力的主要体现。

作为先进制造技术与信息技术相结合的产物，数字化设计与制造技术已成为世界各国在科技竞争中抢占制高点的突破口。

数字化信息技术是当今社会发展最快的先进技术，制造业的信息化必将促进我国制造业走上一条持续、快速、健康的发展之路。

制造业是一个国家或地区经济发展的重要支柱，其发展水平标志着该国家或地区的经济实力、科技水平、生活水准和国防实力。

当前提高制造生产能力的决定因素是各项高新技术的迅速发展及其在制造领域中的广泛渗透、应用和衍生，它促进了制造技术的蓬勃发展，改变了现代企业的产品结构、生产方式、生产工艺和装备以及生产组织结构。

1.2数字化设计制造的内涵

数字化设计制造技术是改造传统产业,实现产业升级的有力武器。

为了实现技术创新,改造传统制造技术,需吸收数字化技术,采用数字化装置通过计算机对产品制造过程进行控制,实现数字化传递。

按照产品的生命周期过程，数字化设计制造的内涵包括下面的内容：

数字化设计制造在产品生命周期的创新和设计阶段，采用的是3DCAD实体造型和基于模型的产品定义MBD，以及在3D模型和基于模型定义基础上的各类对产品自身性能的仿真技术。

数字化设计技术利用数字化的产品建模、仿真、多学科综合优化、虚拟样机以及信息集成与过程集成等技术和方法，完成产品的概念设计、工程与结构分析、结构性能优化、工艺设计与数控编程。

数字化设计可以实现机械装备的优化设计、提高开发决策能力、加速产品开发过程、缩短研制周期、降低研制成本。

具体过程如：

图一表示数字化设计内涵、图二表示数字化制造内涵

图一表示数字化设计内涵图二表示数字化制造内涵

在设计制造业拥有数字化技术比重逐年上升，数字化设计制造将日益成为制造业优质、低成本、快速响应市场需求的主流制造技术。

此外，随着社会的发展,人们生活质量的提高，人们对产品精度、可靠性的要求也越来越高，将数字化技术注入产品是提高产品精度和可靠性的有效途径。

数字化产品既直观又方便，便于与计算机连接，通过计算机控制产品进行信息处理，实现信息传递。

在激烈的市场竞争中人们对机械产品和耐久消费产品如机床、汽车、家用电器等的要求越来越高，除性能、质量和价格外，还要求产品更加多样化、个性化，产品的生产规模由大批量向多品种小批量方向发展，采用数字化制造技术不仅能够满足这种需求趋势，还能够快速响应市场。

二数字化设计制造的关键技术

随着计算机技术的发展，数字化设计制造技术在制造业中的应用越来越广泛。

近年来，信息技术不断地与设计制造技术相融合，使设计制造业日益走向数字化。

数控技术方面已开发出了具有自主版权的四种数控系统和一批数控机床，这些技术的进步促进了数字化制造技术与产品的发展，它不仅是制造过程的革命，也是产品的制造技术的革新。

在数字化设计制造技术的发展过程中，有着其一系列的关键技术和核心技术。

主要有如下几点：

（1）关键技术：

①制造过程的建模与仿真是在一台计算机上用解析或数值的方法表达或建模制造过程。

建模通常基于制造工艺本身的物理和化学知识，并为实验所验证。

目前，仿真与建模已成为推进制造过程设计、优化和控制的有效手段。

②网络化敏捷设计与制造。

利用快速发展的网络技术，改善企业对市场的响应力。

网络化敏捷设计与制造重点发展领域应包括：

敏捷信息基础结构、敏捷产品设计技术、敏捷工艺设计技术、基于网络的研究开发、敏捷生产技术。

③虚拟产品开发。

虚拟产品开发有四个核心要素：

数字化产品和过程模型、产品信息管理、高性能计算与通讯和组织、管理的改变。

（2）核心技术：

①计算机辅助工业设计，指以计算机技术为辅助手段进行产品的艺术化工业设计，主要是指对批量生产的工业产品的材料、外型、色彩、结构、表面加工等方面的设计工作。

②计算机辅助设计与制造（CAD／CAM）。

计算机辅助设计与计算机辅助制造已密不可分，在许多领域尤其是模具业，由于其单件或小批量加工的特点．采用CAD／CAM技术进行生产的优势非常明显。

CAD／CAM主要是指采用先进的计算机软硬件手段进行产品三维造型、结构设计、装配仿真、加工仿真、数控加工编程等。

其中产品的三维造型是基础，从CAD三维模型到数控加工程序的生成通常不需人工干预，可由CAM软件自动产生。

③快速成型采用激光等技术将树酯、ABS、PC等材料按产品的三维造型进行快速烧结并成型。

这种成型技术可以不必制造模具就做出完整的样机。

不仅可大大加速了新产品的开发进度，还可节约大量成本。

④三坐标测量及计算机辅助检测（CMM／CAI）。

三维扫描测量的一半以上的应用为产品的快速检测，即比较产品与设计间的误差，从而找到改进产品制造工艺或设计方案的方法。

常见的数字化方法包括三坐标测量机测量、光栅扫描、以及最新的三维激光扫描等多种。

三坐标测量机测量的主要工具是三坐标测量机（CMM），是目前使用最广泛的高精度测量手段。

三UG与Solidworks的功能阐释与功能对比

3.1UG的功能阐释

UG软件前身来源于美国麦道飞机公司，70年代初麦道飞机公司开发UG软件的目的是为了解决其复杂的加工问题。

后来UG脱离麦道公司独立出来，逐渐开发完善其软件的设计部分，因此UG软件在数控加工市场具有良好的口碑，占有大量的市场，尤其在高端多轴精密加工市场占有领先地位。

但其设计软件市场占有率不高，UG本身没有良好的分析工具，因此其分析功能主要是借用第三方软件。

UG软件提供了比较强的功能，基本满足数字化设计制造的需要。

UG实体建模提供了草图设计、各种曲线生成、编辑、布尔运算、扫掠实体、旋转实体、沿导轨扫掠、尺寸驱动、定义、编辑变量及其表达式、非参数化模型后参数化等工具。

UG特征建模模块提供了各种标准设计特征的生成和编辑。

UG自由曲面建模具有丰富的曲面建模工具。

包括直纹面、扫描面、通过一组曲线的自由曲面、通过两组类正交曲线的自由曲面、曲线广义扫掠、标准二次曲线方法放样、等半径和变半径倒圆、广义二次曲线倒圆、两张及多张曲面间的光顺桥接、动态拉动调整曲面、等距或不等距偏置、曲面裁减、编辑、点云生成、曲面编辑。

UG用户自定义特征模块提供交互式方法来定义和存储基于用户自定义特征。

便于调用和编辑的零件族，形成用户专用的UDF库，提高用户设计建模效率。

UG工程绘图模块提供了自动视图布置、剖视图、各向视图、局部放大图、局部剖视图、自动、手工尺寸标注、形位公差、粗糙度符合标注、支持GB、标准汉字输入、视图手工编辑、装配图剖视、爆炸图、明细表自动生成等工具。

UG装配建模具提供并行的自顶而下和自下而上的产品开发方法。

UG钣金设计模块可实现如下功能：

复杂钣金零件生成；参数化编辑；定义和仿真钣金零件的制造过程；展开和折叠的模拟操作；生成精确的二维展开图样数据；展开功能可考虑可展和不可展曲面情况，并根据材料中性层特性进行补偿。

UG有限元前后处理模块可完成如下操作：

全自动网格划分；交互式网格划分；材料特性定义；载荷定义和约束条件定义；NASTRAN接口；有限元分析结果图形化显示；结果动画模拟；输出等值线图、云图；进行动态仿真和数据输出。

UG有限元解算器可进行线性结构静力分析、线性结构动力分析、模态分析等操作。

UG软件提供的模拟加工制造方法也比较丰富实用。

UG加工基础模块能在图形方式下观测刀具沿轨迹运动的情况、进行图形化修改。

UG的加工后置处理模块使用户可方便地建立自己的加工后置处理程序，该模块适用于目前世界上几乎所有主流NC机床和加工中心，该模块在多年的应用实践中已被证明适用于2～5轴或更多轴的铣削加工、2～4轴的车削加工和电火花线切割。

UG样条轨迹生成器模块允许在UG软件中直接生成基于Nurbs样条的刀具轨迹数据，使得生成的轨迹拥有更高的精度和光洁度，而加工程序量比标准格式减少30%～50%，实际加工时间则因为避免了机床控制器的等待时间而大幅度缩短。

UG车削模块提供粗车、多次走刀精车、车退刀槽、车螺纹、控制进给量主轴转速和加工余量等参数、在屏幕模拟显示刀具路径，可检测参数设置是否正确和生成刀位原文件等功能。

UG软件也提供了丰富的模拟铣削功能。

其中就包括型芯、型腔铣削，平面铣削，定轴铣削，可变轴铣削，顺序铣等。

UG线切割支持如下功能：

UG线框模型或实体模型、进行2轴和4轴线切割加工、多种线切割加工方式，使用不同直径的电极丝和功率大小的设置、可以用UG通用后置处理器来开发专用的后处理程序，生成适用于某个机床的机床数据文件。

UG切削仿真模块是集成在UG软件中的第三方模块，它采用人机交互方式模拟、检验和显示NC加工程序，是一种方便的验证数控程序的方法。

由于省去了试切样件，可节省机床调试时间，减少刀具磨损和机床清理工作。

3.2Solidworks的功能阐释

Solidworks公司成立于1993年，由PTC公司的技术副总裁与CV公司的副总裁发起，总部位于马萨诸塞州的康克尔郡内，当初的目标是希望在每一个工程师的桌面上提供一套具有生产力的实体模型设计系统。

1997年，Solidworks被法国达索公司收购，作为达索中端主流市场的主打品牌。

SOLIDWORKS是被广泛应用的三维设计软件，在功能上与其它三维设计软件大同小异但又各有千秋。

Solidworks软件的功能也是比较强大的，擅长设备零件的设计。

TolAnalyst是一种公差分析工具，用于研究公差和装配体方法对一个装配体的两个特征间的尺寸向上层叠所产生的影响。

ScanTo3D是从任何扫描器打开扫描数据（网格或点云文件）或从数学软件中打开曲线数据，准备数据，然后将之转换成曲面或实体模型。

SolidworksMotion是精确模拟并分析装配体的运动，同时合成运动算例单元的效果。

其中运动约束、材料属性、质量、及零部件接触包括在SolidworksMotion运动学解算器计算中。

SolidworksSimulation提供了单一屏幕解决方案来进行应力分析、频率分析、扭曲分析、热分析和优化分析。

SolidworksSimulation节省了搜索最佳设计所需的时间和精力，可大大缩短产品上市时间。

SolidworksRouting用于生成特殊类型的子装配体，以在零部件之间创建管道、管筒、或其它材料的路径。

SolidworksWorkgroupPDM应用程序为项目数据管理软件，在Solidworks环境内部运行或作为独自应用程序在SolidworksExplorer中运行。

WorkgroupPDM以检出、检入、修订控制及其它管理任务的步骤来控制项目。

SolidworksExplorer是一个文件管理工具，可帮助您进行诸如重新命名、替换和复制Solidworks文件之类的工作。

SolidworksTaskScheduler可让您设置将来执行的任务。

例如如果您需要执行资源消耗大的任务（如重建大型装配体），则可以使用SolidworksTaskScheduler在非高峰期执行该工作。

Solidworks的分析验证工具也是比较实用全面的。

SolidworksDesignChecker对标注尺寸的标准、字体、材料和草图等设计要素进行验证，以确保Solidworks文件满足预定义的设计标准。

SolidworksUtilities是一套工具，可让您详细检查实体模型的几何体，并与其它模型作比较。

FeatureWorks可以识别Solidworks零件文件中输入实体的特征。

SolidworksToolbox包括标准零件库，与Solidworks合为一体。

选择您的标准和想插入的零件类型，然后将零部件拖动到您的装配体。

您可自定义Toolbox零件库，使之包括您所需的标准，或包括您最常引用的零件。

在Solidworks中使用新的零部件大小时，Toolbox会根据您的用户参数设置更新主零件文件以记录配置信息或针对此生成零件文件。

PhotoViw应用程序生成Solidworks模型具有特殊品质的逼真图像，并且提供了许多专业渲染效果。

在eDrawingsProfessional可观看和动画模型及工程图，并创建便利发送给他人的文档。

SolidworksSimulationXpre为Solidworks用户提供了一个容易使用的初步应力分析工具。

DFMXpress是一种用于核准Solidworks零件可制造性的分析工具。

3DContentCentral用于访问零部件供应商和个人提供的所有主要CAD格式的3D模型。

3.3UG与Solidworks的功能对比

UG偏向于较多的曲面造型设计，复杂的模具设计，数控加工制造，但是很难彻底掌握。

大多数的汽车、航空公司用的都是UG。

UG产品开发过程中无缝集成的完整解决方案；可控制的管理开发环境；全局的相关性；集成的仿真、验证和优化；知识驱动型自动化；满足软件二次开发需要的开放式用户接口的这些特点，提供了一个很好的应用环境。

具有统一的数据库，真正实现了CAD/CAE/CAM等各模块之间的无数据交换的自由切换，可实施并行工程。

采用复合建模技术，可将实体建模、曲面建模、线框建模、显示几何建模与参数化建模融为一体。

用基于特征的建模和编辑方法作为实体造型基础，形象直观，类似于工程师传统的设计办法，并能用参数驱动。

提供了界面良好的二次开发工具，并能通过高级语言接口使UG的图形功能与高级语言的计算功能紧密结合起来。

UG适合与协同设计装配制造，而SOLIDWORKS适合与单独设计零部件。

Solidworks是最好入门的，功能也相对简单的三维设计软件。

国内公司用Solidworks的比较多，其好学宜出图方便模块全,被称为平民软件。

简单的模具与造型设计以及机械设计用Solidworks较方便而且Solidworks是AUTOCAD的最好替代品，对于那些从事非标准件设计的人来说，该软件可以说是物尽其用。

由于Solidworks的曲面功能太差，一般不适合做复杂的曲面造型。

Solidworks包含了CAD、CAE功能，而CAM功能则需要另外安装插件来实现。

Solidworks偏向于机械零部件的设计和钣金设计，而且目前国内从事钣金设计的公司使用Solidworks的特别多。

另外Solidworks的CAE有限元分析功能容易操作、功能强大，使用的人也特别多。

最近几年，发展最火的三维软件就是Solidworks了。

3.4结论

由以上对比可知Solidworks比较简单容易上手，但功能没有UG多，远不如UG强大。

UG主要适合于大型的汽车、飞机厂建立复杂的数模。

UG的加工部分也很强大，就是CAM功能强大。

零件较大、较复杂的时候，一般用UG做好数模，cimatron做粗加工，UG精加工，多用于电子企业中。

最近几年，Solidworks异军突起，在中小企业以及机械装备的设计中得到广泛的运用。

参考文献

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