第10章制造系统的设计自动化

第10章制造系统的设计自动化本章主要内容包括：10.1产品设计开发中的自动化技术10.2产品设计开发过程分析10.3数字化设计与制造系统10.4现代产品快速开发方法10.1产品设计开发中的自动化技术产品的设计和开发是人类从事的一项创造性工作。随着社会的不断发展，产品的开发能力不断增加，因此也改变了人们的生活生产条件。激烈的市场竞争对制造企业提出了很多新的挑战，企业要适应这些挑战，就必须要依赖于相关技术的发展。在这种情况下，在产品设计中发展新的产品设计和制造方法得到了普遍重视。10.1产品设计开发中的自动化技术近年来，以计算机为基础的各种数字化技术广泛应用到产品的开发中，成为企业提高综合竞争力的有效手段。数字化开发技术有丰富的内涵和研究内容，在产品设计制造过程的各个阶段中引入计算机技术，便产生了计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助工程（CAE）分析、计算机辅助工艺设计（CAPP）和计算机辅助制造（CAM）等单元技术（CAX）。10.1产品设计开发中的自动化技术各种CAX技术在产品开发过程的各个阶段中的作用和功能如图10.1所示。为了实现企业信息共享与资源集成，在单元技术基础上形成了CAD/CAE/CAPP/CAM集成技术，国际上习惯简写为CAD/CAM技术。10.2产品设计开发过程分析产品设计开发过程是指从产品需求分析到产品最终定型的全过程，包括产品的设计、分析、测试、制造、装备等全过程。企业的产品开发通常分为两种类型：新产品设计与产品改型设计。不论哪种设计，其过程都是一个创造性思维的过程。总体而言，一个产品的开发过程可划分为设计与制造两部分。10.2产品设计开发过程分析设计过程从客户和市场需求入手，进行产品的总体方案构思。通过分析设计要求，参考、比较国内外同类产品的性能特点，确定出新设计的总体方案、结构和实现方法，然后分别进行各个零部件的详细设计。因此，设计过程主要包括概念设计与分析、结构设计与分析、工程图样绘制等阶段。10.2产品设计开发过程分析制造过程是从产品的设计文档开始，经过工艺编制、工装制造、零件制造、装配制造、检验、包装、运输等环节。针对产品的设计过程而言，大体可以划分成综合和分析两个阶段。1）综合阶段（书中解释）2）分析阶段（书中解释）10.3数字化设计与制造系统数字化设计与制造系统是设计、制造过程中的信息处理系统，它克服了传统手工设计的缺陷，充分利用计算机高速、准确、高效的计算功能、图形处理和文字处理功能，以及对大量的、各类的数据的存储、传递、加工功能，在运行过程中结合人的经验、知识及创造性，形成一个人机交互、各尽所长、紧密配合的系统。10.3数字化设计与制造系统本节内容包括：10.3.l数字化设计与制造系统的工作过程10.3.2数字化设计与制造系统的内涵10.3.3数字化设计与制造系统的组成10.3.4CAD系统的软硬件选型（看书解释）10.3.5CAD系统的设计原则（看书解释）10.3.6数字化设计与制造系统的特点（看书解释）10.3.l数字化设计与制造系统的工作过程数字化设计与制造系统主要研究对象的描述、系统的分析、方案的优化、计算分析、工艺设计、仿真模拟、NC编程以及图形处理等理论和工程方法，输入的是系统的设计要求，输出的是制造加工信息，整个流程如图10.2所示。数字化设计与制造系统的工作过程包括以下几个步骤。（看书解释）10.3.l数字化设计与制造系统的工作过程10.3.2数字化设计与制造系统的内涵1.几何造型2.计算分析3.工程绘图4.结构分析5.优化设计6.工艺规程设计7.数控功能8.模拟仿真9.产品数据管理1.几何造型在产品设计构思阶段，系统能够描述基本几何实体及实体间的关系。能够提供基本体素，以便为用户提供所设计产品的几何形状、大小，进行零部件的结构设计以及零部件的装配。系统还应能够动态地显示三维图形，解决三维几何建模中复杂的空间布局问题。另外，还能进行消隐、彩色浓淡处理等。1.几何造型利用几何建模的功能，用户不仅能构造各种产品的几何模型，还能够随时观察、修改模型或检验零部件装配的结果。几何建模技术是CAD/CAM系统的核心，为产品的设计、制造提供基本数据，同时也为其他模块提供原始的信息，例如几何建模所定义的几何模型的信息可供有限元分析、绘图、仿真、加工等模块调用。1.几何造型在几何建模模块内，不仅能构造规则形状的产品模型，对于复杂表面的造型，系统还可采用曲面造型或雕塑曲面造型的方法，根据给定的离散数据或有关具体工程问题的边界条件来定义、生成、控制和处理过渡曲面，或用扫描的方法得到扫视体、建立曲面的模型。例如汽车车身、飞机机翼、船舶等设计，均采用此种方法。2.计算分析CAD/CAM系统构造了产品的形状模型之后，能够根据产品几何形状，计算出相应的体积、表面积、质量、重心位置、转动惯量等几何特性和物理特性，为系统进行工程分析和数值计算提供必要的基本参数。另一方面，CAD/CAM系统中的结构分析需进行应力、温度、位移等的计算和图形处理中变换矩阵的运算以及体素之间的交、并、差计算等，同时，在工艺规程设计中还有工艺参数的计算。因此，要求CAD/CAM系统对各类计算分析的算法要正确、全面，有较高的计算精度。3.工程绘图产品设计的结果往往是机械图的形式，CAD/CAM系统中的某些中间结果也是通过图形表达的。CAD/CAM系统一方面应具备从几何造型的三维图形直接向二维图形转换的功能，另一方面还需有处理二维图形的能力，包括基本图元的生成、标注尺寸、图形的编辑（比例变换、平移、图形复制、图形删除等）以及显示控制、附加技术条件等功能，保证生成满足生产实际要求、符合国家标准的机械图。4.结构分析CAD/CAM系统中结构分析常用的方法是有限元法，这是一种数值近似解方法，用来解决复杂结构形状零件的静态、动态特性，以及强度、振动、热变形、磁场、温度场强度和应力分布状态等的计算分析。4.结构分析在进行静、动态特性分析计算之前，系统根据产品结构特点，划分网格，标出单元号、节点号，并将划分的结果显示在屏幕上。进行分析计算之后，系统又将计算结果以图形、文件的形式输出，例如应力分布图、温度场分布图、位移变形曲线等，使用户方便、直观地看到分析的结果。5.优化设计CAD/CAM系统应具有优化求解的功能，也就是在某些条件的限制下，使产品或工程设计中的预定指标达到最优。优化包括总体方案的优化、产品零件结构的优化、工艺参数的优化等。优化设计是现代设计方法学中的一个重要的组成部分。6.工艺规程设计设计的目的是为了加工制造，而工艺设计是为产品的加工制造提供指导性的文件，因此CAPP是CAD与CAM的中间环节。CAPP系统应当根据建模后生成的产品信息及制造要求，自动决策出加工该产品所采用的加工方法、加工步骤、加工设备及加工参数。CAPP的设计结果一方面能被生产实际所用，生成工艺卡片文件；另一方面能直接输出一些信息，为CAM中的NC自动编程系统接收、识别，直接转换为刀位文件。7.数控功能在分析零件图和制订出零件的数控加工方案后，采用专门的数控（NC）加工语言（例如APT语言），制成存储介质输入计算机，其基本步骤通常包括：①手工或计算机辅助编程，生成源程序。②前处理，将源程序翻译成可执行的计算机指令，经计算求出刀位文件。③后处理，将刀位文件转换成零件的数控加工程序。8.模拟仿真在CAD/CAM系统内部建立一个工程设计的实际系统模型，例如机构、机械手、机器人等。通过运行仿真软件，代替、模拟真实系统的运行，用以预测产品的性能、产品的制造过程和产品的可制造性。8.模拟仿真如利用数控加工仿真系统从软件上实现零件试切的加工模拟，避免了现场调试带来的人力、物力的投入以及加工设备损坏等风险，减少了制造费用，缩短了产品设计周期。模拟仿真通常有加工轨迹仿真、机械运动学模拟、机器人仿真和工件、刀具、机床的碰撞、干涉检验等。9.产品数据管理在传统的产品研制中，设计制造的基础依据是产品图样。建立在二维基础上的图样管理是与档案管理联系在一起的。然而，在数字化设计与制造系统中，基础依据是产品的数字化模型。由于CAD模型是非结构化信息，其管理成为新的问题。一般地，数字化设计与制造中的数据集成是对产品数据的统一管理和共享，通过产品数据管理（PDM）来实现。9.产品数据管理PDM是一门用来管理所有与产品相关信息和所有与产品相关过程的技术.与产品相关的所有信息，即描述产品的各种信息，包括零部件信息、结构配置、文件、CAX技术文档、流程组织信息以及权限审批等信息。与产品相关的所有过程，包括产品形成的过程和产品的完善及改制过程，对这些过程的定义和管理，以及相关信息的发放。10.3.3数字化设计与制造系统的组成本节内容包括：1.数字化设计与制造系统的硬件组成2.CAD/CAM系统的软件体系结构1.数字化设计与制造系统的硬件组成在系统结构中，以图形处理为主、以CAD应用为目的的独立硬件环境称为CAD工作站。对于一个数字化设计与制造系统来说，可以根据企业的具体情况、系统的应用范围和相应的软件规模，选用不同规模、不同结构、不同功能的计算机、外设及其生产加工设备，如图10.3所示。1.数字化设计与制造系统的硬件组成1.数字化设计与制造系统的硬件组成CAD工作站是指安装了CAD软件的计算机，用于产品的设计。CAE工作站是指安装了CAE软件的计算机，用于计算分析和优化。CAPP工作站是指安装了辅助工艺设计的CAPP软件的计算机，用于产品的工艺设计。CAM工作站是指安装了CAM软件的计算机，用于数控编程和仿真。1.数字化设计与制造系统的硬件组成目前大部分商业化的大型CAD软件都是集成软件，集成了CAD、CAE、CAM的功能，那么安装了这些软件的工作站可以同时承担上述三个工作站的工作。不过，一般情况下，CAD、CAE、CAM、工程管理（EM）等工作分别由不同部门的工程师承担，是分工合作的关系。1.数字化设计与制造系统的硬件组成打印机、扫描仪、绘图仪、硬盘机等外设并不是经常使用，所以可以通过网络共享给众多用户。机器人、NC机床等设备是机械制造的主要工作，它们接受数字化设计与制造系统提供的指令和程序，接受管理系统的管理，最终生产出产品来。2.CAD/CAM系统的软件体系结构软件是用于求解某一问题并充分发挥计算机计算分析功能和交流通信功能的程序的总称。它们的作用是利用计算机本身的逻辑功能，合理地组织整个解题流程，简化或者代替在各个环节中人所承担的工作，从而达到充分发挥机器效率，便于用户掌握计算机的目的。软件是整个计算机系统的灵魂。CAD/CAM系统的软件可分为系统软件、支撑软件和应用软件三个层次。系统软件系统软件主要用于计算机的管理、维护、控制以及计算机程序的翻译、装入与运行，它包括各类操作系统和语言编译系统。操作系统包括如Windows、Linux、Unix等。语言编译系统用于将高级语言编写的程序翻译成计算机能够直接执行的机器指令，目前CAD系统应用得最多的语言编译系统包括VisualBasic、VisualC/C++、VisualJ++等。系统软件为了方便用户进行二次开发，根据需要定制软件功能模块，目前多数CAD/CAM软件都提供二次开发语言和工具。例如，Autodesk公司升级Autolisp语言用于用户的二次开发。Solidworks软件提高了应用程序接口（ApplicationProgrammingInterface，API），可以调用Delphi、VisualBasic、VB.NET、C++等程序文件，以便用户开发、定制特定的功能模块。系统软件操作系统是CAD/CAM系统的灵魂，它是用户与计算机之间的接口，负责全面管理计算机资源、合理组织计算机的工作流程，使用户更方便地使用计算机，提高计算机的利用率。当今流行的操作系统以Unix、Windows系列及Macintosh为主，近年迅速发展起来的Linux也正受到用户的青睐。系统软件从软件平台的发展情况来看，Windows成为CAD应用的主要操作界面。CAD系统充分利用Windows的资源，完全在Windows环境下开发。一些从Unix环境