设计与制造一体化技术——讲义

课程主要内容问题的引出数字化设计与制造系统的功能分析设计与制造一体化的集成技术设计与制造一体化应用实例问题的引出•企业实例一，设计与工艺人员需要密切沟通。问题的引出•企业实例二，某型号武器打靶失败，因为设计制造的版本不一致，损失巨大。？？？问题的引出•企业实例三，设计、工艺、加工均采用软件系统，但不能完全兼容，导致重复工作，效率低。–数控生成问题–工程图生成–工装设计问题的引出•可以看出，从以下：–制造过程业务需求–质量与管理方面需求–信息系统发展的需求•均对设计与制造一体化提出要求。问题的引出•设计与制造一体化技术，也称为设计与制造系统集成技术，是：–理念层面：面向产品全生命周期设计，并行工程，产品和过程同步设计；–技术层面：工具和软件，接口，仿真技术等；–管理层面：团队，评审制度等。数字化设计与制造系统的功能分析•产品开发周期设计过程CAD过程CAM过程制造过程设计需求分析可行性研究与分析设计结果设计评价设计优化设计分析设计模型和模拟概念设计工艺过程设计工序规划刀具计划材料计划加工编程加工检验装配运输市场数字化设计与制造系统的功能分析•产品设计制造过程与CAD/CAPP/CAM的关系市场需求分析产品设计阶段工艺设计阶段生产阶段产品CADCAPPCAMCAD/CAM任务规划概念设计结构设计与分析详细设计工程设计毛坯设计工艺路线规划工序设计工装设计NC编程加工仿真NC加工质量控制装配性能测试分析数字化设计与制造系统的功能分析•数字化设计与制造系统的发展历程虚拟化智能化协同化AutoCAD软件UG、ProE、CATIA、ANSYS、ADAMSNC机床二维CAD自动编程线框CAD派生式CAPPDNC技术CIMS提出三维CADCAD/CAM集成并行工程虚拟制造集成化CAPP软件TM,Winchill,delmia,SAP标志软件发展方向甩图版1960's及以前1970's,1980's1990's到现在数字化设计与制造系统的功能分析•构成CIMProductdesignManufactureProcessplanningSystemsmanagementRoboticsFMSNC/CNC/DNCCellsandcentersAutomatedinspectionAGV,ASRSJIT/kanbanDSS/ES/AILAN,TOP,satellitesTQMBarcodes,EDIMRPGTCAECADIGES,PDES,DMISDFMCellularmanufacturingMAP,STEPCAD/CAMCAPP•子系统之间的信息接口CADPPCCAPPCAFDCAMMASQMS零件模型工艺信息编程信息NC程序调试结果加工仿真信息工装设计结果工装设计任务工装模型工装设计任务工艺设计任务零部件图纸BOM表材料和加工需求工艺流程工装设计评价工艺文件检验结果、加工质量工艺文件、检验文件工艺审查文件加工与装配工艺性反馈数字化设计与制造系统的功能分析•下面重点回顾以下软件系统：–Computer-aideddesign(CAD)：建立、修改产品结构–Computer-aidedengineering(CAE)：联系产品功能和CAD结构–Computer-aidedprocessplanning(CAPP)：建立CAM所需的过程指令–Computer-aidedmanufacturing(CAM)：使生产过程自动化–ProductDataManagement(PDM)：对产品结构、开发过程、技术文档进行同一管理。数字化设计与制造系统的功能分析•(1)CADCAD概念：CAD是计算机技术在工程设计方面的综合应用技术。CAD将产品概念开发、产品工程设计所需要的基础技术、设计理论、方法、数据、设计人员的经验知识同计算机强大功能相结合。其主要目的是利用计算机支持产品的工程设计与绘图，提高设计人员的工作效率和质量，支持完成产品的最佳方案设计。数字化设计与制造系统的功能分析•CAD主要作用：–改进产品设计的效率和质量；–CAD中的测试与模拟可进一步提高设计质量；–将设计数据直接用于生产过程可提高生产率；–用设计数据(标准零件及其装配成本)评估制造成本；–基于并行工程的CAD(DFX--DesignforX)使产品设计者与制造者更密切配合，使产品更加符合顾客需求。数字化设计与制造系统的功能分析•CAD内容：(从产品设计过程看CAD)–1)功能分析：利用方法学、形态学和直觉知识进行产品的功能分析，形成产品或产品系列的概念。–2)产品定义：利用设计系统学、数值分析和仿真技术对产品功能概念进一步精练，形成最佳工作原理方案(工作概念)。–3)总体设计：这是机器总体设计阶段，要利用规划系统学、计算方法和数值分析，根据产品的工作概念、复杂程度、产品种类和生产率设计出整机装配图(包括零件构思、外形、总体尺寸、物理性能等)。–4)详细绘图：利用图元、体素或变异体，利用计算机绘图工具、人机交互技术，根据整机装配图绘制/产生详细的工作图、加工图纸和物料清单，并给出详细的生产信息(产品描述数据)。数字化设计与制造系统的功能分析数字化设计与制造系统的功能分析数字化设计与制造系统的功能分析•CAD内容：(从基本功能上看CAD)•(1)几何建模：利用计算机图形学方法建立工件或零件模型，用几何实体模型形式表示。该功能用于产品设计的基本准备(积木块、构件)。•(2)自动绘图：用计算机图形系统自动、高效地绘制各种产品的设计图纸。该功能支持产品详细绘图阶段的工作。•(3)工程设计分析：利用CAD工具支持产品的构思、设计与分析，以便按最佳设计方案形成产品图形文件。在产品的功能分析、产品定义、总体设计阶段都要用到这方面的功能。主要的工程分析方法有有限元分析、特性分析(如模态分析)、结构分析等方法。•(4)动态模拟/仿真：利用CAD仿真程序或模拟程序对产品的整机或部件功能进行动态仿真/模拟，以支持产品功能、原理、性能的设计与定义，便于最佳方案选择。数字化设计与制造系统的功能分析•(1)CAECAE概念：采用计算机仿真(模拟)技术求解产品在特定工作条件下的性能和行为，从而优化产品的方案、结构和参数等，使得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。数字化设计与制造系统的功能分析•之所以采用CAE:–存在变形和内部应力–由于温度影响存在热传导–流体流动需要分析(有或没有热传导)–固体和流体之间有热传导耦合数字化设计与制造系统的功能分析•通过分析,达到:–产品可高效执行所需的功能–使用便宜的材料–在极限工作条件下保证安全–固体和流体之间有热传导耦合–制造尽可能节省材料–符合人机工程学(声音、颜色等)数字化设计与制造系统的功能分析•CAE主要内容，采用有限元分析方法力学原理固体、结构力学/动力学流体力学/动力学热力学/动力学数字化设计与制造系统的功能分析•CAE一般过程实际物理问题数学模型定义(微分方程)有限元求解结果解释进一步分析改进数学模型改进设计/优化结构物理问题改变定义CADmodeldetailsignoredGeometricmodelforFEA固定约束集中力deformation装载机发动机缸体强度分析发动机缸体模型缸体应力分布汽车碰撞数字化设计与制造系统的功能分析•(3)CAPP•CAPP概念–1)工艺规程设计工艺规程设计又称工艺过程设计、工艺过程规划、工艺计划。工艺规程设计的任务是将产品的设计信息(产品描述)转换为加工工序、加工要求等指令信息，以便制造零件或产品。–2)CAPP(计算机辅助工艺规程设计)计算机辅助工艺规程设计CAPP是利用计算机存储、检索、计算、绘图等功能支持工艺规程设计，从而提高工艺设计效率与质量的技术。数字化设计与制造系统的功能分析•CAPP的作用与意义–大大提高工艺设计的效率和质量–将工艺设计人员从大量繁琐、重复性的手工劳动中解放出来–提高企业工艺设计的规范化、标准化水平，促进工艺设计水平的提高–能有效的积累和继承工艺设计人员的经验，提高企业工艺设计的继承性–连接CAD、CAM等数字化设计与制造系统的功能分析数字化设计与制造系统的功能分析•CAPP构成数字化设计与制造系统的功能分析•(4)CAM•CAM概念–CAM的概念是十分含糊的，主要是“制造”的界限难以划定，CAM与其他CAX的范围边界难以划定。–一般而言，CAM是指在从原材料到成品的生产加工过程中由计算机控制和支持的活动的总称。–广义地讲，CAM是指计算机在产品制造和管理方面的综合应用技术。–狭义地讲，CAM仅指计算机对于加工设备和加工过程的控制技术。CAM技术的应用范围不高于车间级以上。–目前，用的比较多的是后一种CAM概念。数字化设计与制造系统的功能分析•CAM主要包括:–数控技术–物料流控制及储存–生产机器人技术–柔性制造技术–生产过程仿真技术。数字化设计与制造系统的功能分析•(5)PDM•PDM定义：–PDM:对产品全生命周期数据和过程进行有效管理的方法和技术的总称。–PDM系统:实现产品数据管理功能的信息系统。PDM背景及必要性-产品形成过程文本020406080100产品形成过程制造过程产品形成过程=产品开发过程+产品设计过程时间百分比(%)背景及必要性-产品开发重要性•产品总成本的影响却高达70%左右，因为在产品形成过程中决定了产品的工作原理、产品的结构。•质量问题中有75%是在产品形成过程中引起的。背景及必要性-产品开发问题•不能准确了解客户的需求；CAD仅被作为绘图工作，缺乏设计方法学的支持；不能充分利用已有的零部件资源；缺乏有效的数据管理和过程管理系统。•没有足够的时间和精力考虑产品的系列化、标准化和长远发展规划。•无法迅速检索到可以通用或可以作为变型设计参考资料的技术文件。背景及必要性-产品开发问题制造过程难以控制、工艺装备数量增加、生产成本提高、交货周期延长等严重后果。0零部件数量设计人员数目标曲线理想曲线未对零部件进行有效管理而导致零部件数量的无限制增长每一新零部件年平均固定成本250~500欧元德国工程师协会的研究指出，如果一个企业没有很好的产品标准化基础，又缺乏信息系统的有效支持，当设计部门中设计人员数量超过4人时，就可能导致零件数量的无限制增长。数字化设计与制造系统的功能分析•PDM系统目标---------------------------------------------------------------------------------------------------GB-----------------------------ISO---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------计算结果产品目录标准工程图准则规格说明书BOM----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------工艺过程规划NC程序安装说明检验计划PDM将正确的文档在正确的时候送到正确的地点。数字化设计与制造系统的功能分析•PDM系统目标质量管理资料CAD模型需求说明书安装说明检验计划NC程序工艺过程规划BOM物料清单工程图计算结果FEM数据仿真模型完整的产品描述逻辑上集成为一个整体，虚拟产品模型是所有的几何、技术、