zhe第3章机械制造业的信息化与产品数字化

3.1机械制造业信息化的内涵与产品数字化第3章机械制造业的信息化与产品数字化3.2产品数字化与产品数据管理本章教学安排第3章机械制造业的信息化与产品数字化一、本章重点二、本章难点三、知识扩展3.2产品数字化与产品数据管理产品数据管理机械制造业信息化的内涵与产品数字化一是产品的信息化，要用信息技术改造传统的产品结构。二是产品开发过程的信息化，要用信息技术改造传统的产品设计与工艺设计方法。三是企业管理的信息化，要用信息技术改造传统的企业生产、经营、管理的决策效率与水平。四是为了达到以上几个方面的信息化首先必须实现产品数字化。信息化的内涵3.1机械制造业信息化的内涵与产品数字化Next3.1机械制造业信息化的内涵与产品数字化1.产品信息化2．产品开发过程的信息化与产品数字化国际上在产品设计中充分应用信息技术(计算机技术、微电子技术、通信网络技术、自动控制技术等)可提高传统机械产品的性能、功能、质量，价格性能比与自动化水平，提供最先进的装备。1.产品信息化先进国家在20世纪中期开始应用信息技术于传统机械产品。1945年生产出第一台数控机床，并将信息技术用于其他传统机械产品，包括装备工业产品和其他机械产品，使传统机械产品更新换代，不但满足用户需求，而且提高了机械产品技术的含量，增加了产品附加值，成为传统机械制造业发展方向。Next国内产品的信息化以机床行业为例。一是要改造产业结构，把以生产传统机床为主调整生产数控机床为主，提高产品的数控率，先进国家机床数控率已达到30％～50％，我国不到10％。二是要提高数控机床的水平，目前我国生产数控机床以中低档为主，许多高档的还需进口，国际市场上高档数控机床市场我们还没有进入。三是要开发制造国产数控系统。目前我国生产的机床数控系统基本上是国外的，国内数控系统还无法满足用户需求，也制约了我国机床工业的发展。其他机械设备也必须采用信息技术提高其性能、功能、质量、价格性能比与自动化水平。2．产品开发过程的信息化与产品数字化▲什么是产品开发过程的信息化？用信息技术改造传统的产品设计与工艺设计方法，把信息技术与传统的产品设计与工艺方法结合起来，形成先进的设计方法与设计过程，这就是产品开发过程的信息化。▲为什么产品开发过程的信息化必形成产品数字化？产品开发过程的信息化必然带来产品数字化，因为用计算机技术开发的产品不但以传统的图纸资料、工艺文件出现，而且以计算机内部存储的各种格式数据出现，所以出现产品数字化的概念。▲产品开发过程的信息化所包括的内容产品开发过程的信息化包括：CAD／CAE，CAPP以及为使CAD，CAPP，ERP集成的对数字化产品进行管理的PDM(PLM)。Next1)计算机辅助产品设计2)计算机辅助工艺设计3)计算机辅助生产管理技术CAPM(2)计算机辅助产品设计及其类型(1)概况1)计算机辅助产品设计(3)CAD系统的发展(4)CAD技术应用的关键▲20世纪60年代开始，应用计算机技术辅助产品设计(CAD)，从设计计算开始发展到二维绘图，与成组技术、模块技术相结合，出现检索式CAD，绘图与计算相结合，称为计算机辅助工程CAE，实现零部件优化设计。▲到80年代开始二维绘图发展为三维几何造型，设计与制造相结合，被称为计算机辅助设计与制造CAD／CAM，又发展为三维参数化造型及面向制造设计DFM、面向装配设计DFA及动态仿真等。▲90年代开发基于特征的产品模型、统一产品设计与工艺设计的模型，为了实现产品设计数据共享出现产品数据管理PDM，实现CAD／CAE／CAPP／CAM的集成。这些技术与并行工程CE相结合，创建产品开发环境CAPE。▲90年代后期发展动态仿真建模与虚拟技术相结合，实现虚拟产品开发环境。计算机辅助产品设计(1)概况Next(2)计算机辅助产品设计及其类型现代CAD系统已贯穿整个产品设计过程，P75图3—1说明产品设计过程与CAD系统，P76图3—2～图3-4说明CAD系统种类。(3)CAD系统的发展①二维CAD系统的初步应用，大大改变了传统产品设计工作，提高了设计效率和图纸质量，但没有进一步解决产品设计中优化、标准化，把传统产品设计中复杂的分析计算与建立几何模型结合起来，把现代产品设计中先进设计方法结合起来。②三维CAD的应用。三维CAD系统解决了二维CAD系统不能解决的问题，使CAD技术的应用得到进一步发展。目前三维CAD系统不但能生成三维模型，而且能生成二维图形、轴测图、剖面图，能在装配状态下进行零件设计、模拟装配设计，为实现DFA创造了条件，解决了与CAM软件集成运行。③与其他先进制造技术结合，创造现代产品开发环境。现代CAD技术与成组技术GT、模块化技术、并行工程CE、面向制造设计DFM、质量功能配置QFD、产品数据管理PDM以及CAD／CAE／CAPP／CAM的集成，构造现代产品开发环境。NextNextCAD技术的发展，形成了许多商品化的软件，它们提供一般机械设计功能，称为支撑软件。但是由于机械产品品种成千上万，所以要使商品化的CAD系统能满足一定的机械产品设计的要求，必须进行二次开发。其主要内容包括：(4)CAD技术应用的关键①完善图形处理功能⑥建立报价数据库②建立产品开发数据库⑦建立应用软件③建立产品图形库④建立方法库⑤建立知识库⑧建立工程数据管理系统⑨建立与其他系统的接口P78图3—5是二次开发示意图Next二次开发的方法与策略为：①应用系统开发方法，二次开发虽然不是从头开始，是在通用软件基础上进行，但是由于机械产品的复杂性，必须按系统开发步骤对企业情况进行调查分析，进行系统设计，才能决策二次开发的内容，开发的方法和步骤，制订二次开发计划。由于工作量大，不是短时间能完成，所以必须根据应用需求，根据人力、财力统筹安排，制订详细实施计划，并组织实施。凡是能外购尽可能外购，防止重复开发，开发过程中充分应用成熟技术，如成组技术、国标、行标、国际标准。②开发过程与人才培训相结合，开发需要有经验的设计人员，也需要有年轻、而且熟悉计算机技术的人员，通过开发，培养一批既懂设计又懂计算机技术的人才。③开发过程与实际应用相结合，由于工作量大，开发有一定周期，所以开发一部分，使用一部分，互相促进。NextP79图3—6表示企业专业应用软件必须企业自行开发，通用基础性软件可以由行业组织开发，或软件企业开发实现商品化。(1)概况(2)CAPP的几种类型(3)CAPP的实用意义(4)CAPP系统应用开发的关键(5)CAPP系统开发、选型应用指南2)计算机辅助工艺设计①样件法②变异法③生成法④应用人工智能与专家系统理论与方法⑤交互式计算机辅助工艺设计▲什么是CAPP？计算机辅助工艺设计(CAPP)是适应市场变化迅速、需求多样化发展起来的一门机械制造企业的应用系统。▲CAPP的起源它是源于成组技术(GT)在工艺设计中的应用，目前已是计算机辅助制造(CAM)与计算机集成制造(CIM)的一个组成部分。▲CAPP的发展由于工艺设计信息比较活跃(不定性)，所以在世界上这一技术比数控加工、计算机辅助设计开发得较晚。世界上第一个CAPP系统是由挪威NAKK提出，由四家机械工业公司和两家研究所合作，于1966年开始到1970年推出的一个系统，称Autopros(自动工艺设计系统)，可以处理这家公司60％的零件，如果稍加人工辅助可达80％的零件。20世纪70年代以来，世界各国均有所开发，如日本日立制作所的HINTCS工艺设计、美国的Miplan系统、国际机械制造研究会(CIRP)的CAPP系统等，据1985年统计已有50多个系统，在工厂实用的达20多个。Next(1)概况Next①样件法这是最早采用的方法，主要是充分利用GT的成果。▲原理根据GT在工艺上的应用是按相似的零件组(加工族)编制适用于这一组的工艺规程。这一组的零件可以用成组技术的零件编码的码域(二进制的矩阵图)来表示，这样可以将每一组的码域与相应的工艺文件用计算机存储起来。▲操作方法在生产技术准备中，新的零件只要使用GT编码后输入计算机，对原来存储的各码域进行检索，只要检索到与输入零件编码相匹配的码域，计算机就可以输出相应的工艺规程。但是由于存储的工艺是按组编的，具体的机床规格也无法确定，所以只有通过人机对话，取消多余的工序或修改某些不完全适合该零件的内容，才能输出这一零件的工艺。这一方法简单，对于零件标准化、系列化搞得好的企业是完全适合的。Next有的资料上称为半创成法。原理这一方法是对样件法改进，提高计算机处理能力而来的。由于样件法无法从一组工艺中挑选需要的工序，确立每一工序的机床规格以及工装等等，所以人们在样件法的基础上做了改进。它可以根据输入的零件编码所提供的信息来选择部分要素加工工序，选择每一工序的机床等等，这样减少了人机交互的干涉，使工艺规程更加符合标准，并大大提高了计算机处理的速度。不足之处它还是以样件的工艺为基础的，如果没有样件工艺，计算机无法生成新的工艺文件。②变异法Next原理生成法计算机辅助工艺设计系统是依靠输入零件图形及其加工要求等信息，并通过预先存人计算机系统数据库或知识库中的一系列与设计零件工艺有关的诸如毛坯类型、夹具、刀具、量具等工艺决策规则，而充分利用计算机的逻辑判断功能，便可生成零件工艺。与此同时，根据输入的有关数据，利用计算机的运算功能，还可以计算出工序尺寸，加工余量、切削用量、时间定额等。不足之处必须指出，由于目前计算机技术还没有直接识别图纸的能力，工艺问题的解决又十分复杂，要想完全自动生成而不依靠人的干预，从目前的科学技术水平来看还很难实现，所以至今生成法工艺设计还只是处在研制过程中而尚未达到实用化。③生成法Next计算机辅助工艺设计由样件检索法发展到半创成法，并已开始应用现代人工智能专家系统的理论与方法，实现创成式系统。回顾这段历史，从样件检索法到半创成法发展至创成法，其实质是系统决策能力的提高。所以应用现代人工智能的理论与专家系统的方法来探讨计算机辅助工艺设计是这一系统的理论与实践发展的方向。▲怎样使用人工智能与专家系统的理论与方法，解决计算机辅助工艺设计理论与方法问题？下面简单介绍一下是怎样使用人工智能与专家系统的理论与方法，解决计算机辅助工艺设计理论与方法问题。按照人工智能的理论，建立一个计算机应用系统，能够按照工艺专业人员的思维来进行零件的工艺设计，就要建立一个工艺专家系统。首先是要建立知识库，把工艺人员的知识和经验装入计算机系统。然后根据输入的图纸信息，利用知识库中存储的工艺知识，模拟人的思维进行逻辑推理，并进行决策，设计出与输入图样信息相匹配的工艺文件。④应用人工智能与专家系统理论与方法20世纪90年代后期，在我国由于受了交互式CAD的影响，一些单位推出了完全人机对话的CAPP系统，这样的CAPP只是起了代替书写的工作，没有起到以上几种CAPP的作用。Next⑤交互式计算机辅助工艺设计▲为什么要使用CAPP呢?这有很多原因。①制造一个零件的费用很高。由于制造作业外观上有不规则性，故要为制造这些零件准备完全新的工艺设计。这样的“轮番重复”不仅浪费时间而且还引起不必要的变化。②CAPP可充分使用过去的经验及把CAPP作为促进产品设计标准化的手段来使用。③使用GT系统，可使产品设计与制造工艺标准化，工艺设计人员能检索出任何零件的最相同的有效的工艺设计。(3)CAPP的实用意义①遵照系统开发的原理开展工作。按照软件工程的要求，一个系统的发生、发展是按一定的生命周期开展的，开发任何一个系统都必须经过系统调查、系统分析、系统设计、系统实施及提高的几个阶段。◆系统调查与分析是系统设计的基础。◆系统设计是将所需解决客观实际问题的需求，用一定的解题方法(数学的、逻辑的等等)对问题进行的求解过程。◆系统实施是把求解问题的设计用计算机所识别的语言、符号来描述，井选择一定的计算机环境来求解问题。系统调查、系统分析与系统设计的工作量是整个系统开发的2／3以上，而且CAPP要处理的问题极大部分是非数值计算，是逻辑规则的处理，正像人工智能专家系统中提出的建立一个智能系统必须解决知识的表示、知识的获取及知识的利