数字化设计制造技术基础

第一章1.1数字化设计制造是现代产品研制的基本手段。1.2先进制造技术的特征：(1)先进制造技术是制造技术的最新发展阶段；(2)先进制造技术贯穿了制造全过程以至产品的整个生命周期；(3)先进制造技术注重技术与管理的结合；(4)先进制造技术是面向工业应用的技术。1.3设计制造技术主要表现在全球化、网络化、虚拟化、智能化和绿色化等几个方面。1.4任何一种产品的研制过程从大的方面可以划分为设计与制造两部分。1.5可以将产品的制造过程的基本要素抽象为产品（product）、工艺过程（process）、制造资源（resource），即PPR模型，实际的过程是三个要素相互耦合作用的结果。1.6串行设计与并行设计：(1)串行设计的组织模式是递阶结构，各个阶段的活动是按时间顺序进行的，一个阶段的活动完成后，下一个阶段的活动才开始，各个阶段依次排列，都有自己的输入和输出。(2)并行设计的工作模式是在产品设计的同时就考虑后续阶段的相关工作，包括加工工艺、装配、检验等，在并行设计中产品开发过程各个阶段的工作是交叉进行的。1.7数字化设计制造基本概念：(1)数字化是利用数字技术对传统的技术内容和体系进行改造的进程。(2)数字化设计就是通过数字化的手段来改造传统的产品设计方法，旨在建立一套基于计算机技术、网络信息技术，支持产品开发与生产全过程的设计方法。数字化设计制造的内涵是支持产品开发全过程、支持产品创新设计、支持产品相关数据管理、支持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，数据管理是核心。(3)数字化制造是指对制造过程进行数字化描述而在数字空间中完成产品的制造过程是计算机数字技术、网络信息技术与制造技术不断融合、发展和应用的结果，也使制造企业、制造系统和生产系统不断实现数字化的必然。(4)数字化设计制造本质上是产品设计制造信息的数字化，它将产品的结构特征、材料特征、制造特征和功能特征统一起来。1.8典型的CAD模型标准交换格式，DXF、DWG、JGES、STEP。1.9典型的数字化设计制造应用工具系统：(1)CAD系统，AutoCAD、CATIA、UGS、Pro/E(2)CAE系统，NASTRAN、ANASYS(3)CAPP系统，CAPPFramework(4)CAM系统，在CATIA、UGS和Pro/E等CAD/CAM系统中，均包含有专门的CAM模块(5)DFx（designforx）系统，x可代表生命周期中的各种因素，如制造、装配、检测等1.10产品数据管理（productdatamanagement，PDM）是一种帮助工程技术人员管理产品数据和产品研发过程的工具。PDM系统确保跟踪设计、制造所需的大量数据和信息，并由此支持和维护产品。1.11数字化设计制造的特点：(1)过程延伸；(2)智能水平的提高；(3)集成水平的提高。1.12数字化设计制造的性能要求：(1)稳定性；(2)集成性(3)敏捷性；(4)制造工程信息的主动共享能力；(5)数字仿真能力(6)支持异构分布式环境的能力；(7)扩展能力。第二章2.1产品数字化模型是产品信息的载体，包含了产品功能信息、性能信息、结构信息、零件几何信息、装配信息、工艺和加工信息等。2.2信息的表现形式主要以几何信息和非几何信息为主。2.3设计过程的零件模型为主模型，其他模型均以主模型为基础，在此基础上进行新模型的构建。2.4产品设计阶段的模型：(1)概念设计阶段模型：主要从功能需求分析出发，初步提出产品的设计方案，此时并不涉及产品的精确形状和几何参数设计。概念设计模型包括产品的方案构图、创新设计等。从数字化角度看，概念设计师在一定的设计规范下，以方案报告、草图等形式完成设计的。(2)零件几何模型：几何模型是产品详细设计的核心，是将概要设计进行细化的关键内容，是所有后续工作的基础，也是最适合计算机表示的产品模型。几何模型用二维或者三维模型表示。几何模型的非几何信息以属性表示，属性信息的定义以文本说明。零件几何模型是详细设计阶段产生的信息模型，是其他各阶段设计的信息载体，通常作为主模型。(3)产品仿真模型：一般不能直接在详细设计阶段产生的零件几何模型上进行。产品仿真模型表达了仿真分析阶段的信息。(4)产品装配模型：表示产品的结构关系、装配的物料清单、装配的约束关系、面向实际的装配顺序和路径规划等。①装配结构树，反映产品的总体结构；②属性信息表，用来表示产品的非几何信息；③装配约束模型，包括装配特征描述、装配关系描述、装配操作描述以及装配约束参数；④装配规划模型，用于装配顺序规划和路径规划。2.5产品制造阶段的模型：(1)工艺信息模型：为CAPP提供基本信息。根据零件加工要求和尺寸、粗糙度、公差、基准、加工方法等信息，建立工艺信息模型。工艺设计的数据源来自于详细设计阶段产生的几何模型和装配模型。(2)工装模型：是经过不断演化产生的中间状态模型。工装模型包含了两大部分，工装设计模型和产品过程模型。(3)数控加工模型：是指数控加工设计的模型和产生的相应NC程序。2.6物理样机与数字样机：(1)用物质材料制作的产品模型一般称为物理模型（或物理样机、实物样机）。(2)数字样机(DigitalMockUp，DMU)是相对于物理样机在计算机上表达的产品数字化模型。(3)在CAD领域，虚拟样机的概念实际上是数字样机的含义。(4)虚拟现实技术特征：自主性、交互性和浸没性。2.7几何模型构造的模型表达类型分为，线框模型、表面模型、实体模型。(1)线框模型：在计算机内描述一个三维线框模型必须给出两类信息：①顶点表（存储模型中各顶点的三维坐标）；②边表（存储模型中的各棱边，用指针指向个棱边的顶点）。它的缺点是：①由于信息过于简单，没有面信息，所以不能进行消隐处理；②模型在显示时理解上存在二义性；③不便于描述含有曲面的物体；④无法应用于工程分析和数控加工刀具轨迹的自动计算。(2)表面模型：数据结构是以“面-棱边-点”三层信息表示。表面模型避免了线框模型的二义性，表示的是零件几何形状的外壳，不具备零件的实体特征，不能进行物理特性计算，如转动惯量、体积等。(3)实体模型：一般是以“体-面-环-棱边-点”五层结构信息表示模型。实体建模最常用的是边界描述法（boundaryrepresentation，B-Rep）和构造性实体几何法（computedstructuregeometry，CSM）。实体建模方法在表示物体形状和几何特性方面是完全有效的。2.8特征建模(1)特征是产品各种信息的载体，包括几何信息和非几何信息。(2)特征分类：①形状特征；②材料特征；③精度特征；④装配特征。(3)特征造型的本质还是实体造型，但是进行了工程语义的抽象，即语义+形状特征。(4)应用最好和最为成熟的是形状特征设计。(5)特征设计是在实体模型基础上，根据特征分类，对一个特征定义，对操作特征进行描述，指定特征的表示方法，并且利用实体造型具体实现。2.9特征造型系统的基本要求：(1)所建立的产品零件模型应包括下列5种数据类型：①几何数据；②拓扑数据；③形状特征数据；④精度数据；⑤技术数据(2)特征造型方式必须灵活多变，应当允许设计这以任何形式，任意级别和任意组合的方式定义特征，以满足各应用领域的需要。(3)造型系统应能方便地实现特征和零件模型的建立、修改、删除、更新，应能单独定义和分别引用产品模型中的各个层次数据对行啊，并对其进行关联，相互作用，构成新的特征与零件模型。(4)应建立与应用相关的映像模型，支持产品模型的应用特征分解与释义。2.10参数化设计与变量化设计(1)参数化设计一般是指设计对象的结构形状基本不变，而用一组参数来约定尺寸关系。参数与设计对象的控制尺寸有显示对应关系，设计结果的修改受尺寸驱动，因此参数的求解较简单。(2)参数化设计的特点：①基于特征；②全尺寸约束；③尺寸驱动实现设计修改；④全数据相关。(3)参数化设计与变量化设计的共同点：二者都强调基于特征的设计、全数据相关，并可实现尺寸驱动设计修改等。(4)参数化设计与变量化设计的不同点：参数化设计强调的是尺寸全约束，而变量化设计不严格要求尺寸全约束，可以是过约束，也可以是全约束。参数化设计方法主要是利用尺寸约束，而变量化设计的约束种类比较广，包括几何、尺寸、工程约束，通过求解一组联立方程组来确定产品的尺寸和形状。2.11常用的文件交换类型：(1)IGES(initialgraphicsexchangespecification)初始图形交换规范，是国际上产生最早，且应用最广泛的图形数据交换标准。在IGES文件中，信息的基本单位是实体（entity）。(2)STEP（standardfortheexchangeofproductmodeldata）产品模型数据交换标准，是国际标准组织（ISO）制定的产品数据表达与交换标准。STEP的产品模型数据覆盖产品的整个生命周期。形状特征信息模型是STEP的产品模型的核心。几何信息交换是STEP标准应用著广泛的一部分。(3)DXF(dataexchangefile)数据交换文件。第三章3.1数字化设计技术：是以专业设计技术为基础，与以信息技术为代表的高科技充分融合，形成面向产品结构设计、分析运算、虚拟仿真，在数字空间完成制造。数字化设计是利用数字化技术对传统产品设计过程的改造、延伸与发展。3.2“1+3+X”综合设计法：采用功能优化、动态优化、智能优化和可视优化及对某种产品有特殊要求的设计等几种方法来完成设计工作。1-功能优化；3-将动态优化、智能优化和可视优化结合在一起的设计方法；X-对某种产品有特殊要求的设计方法。3.3可靠性设计(1)可靠性定义：产品在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的能力。它包括四个要素：①研究对象；②规定的条件；③规定的时间；④规定的功能。(2)可靠性设计常用指标：①可靠度（R(t)），设有N个相同的产品在相同的条件下工作，到任意给定时间t时，累积有n(t)个产品失效，其余N-n(t)个产品仍能正常工作，那么该产品到时间t的可靠度为R(t)={N-n(t)}/N。②累积失效概率（F(t)）：F(t)=n(t)/N；R(t)+F(t)=1。③失效概率密度（f(t)）：f(t)=F’(t)=(-R’(t))④失效率（λ(t)）：λ(t)=ttnNtnttn)]([)()(；λ(t)=f(t)/R(t)；(3)可靠性设计中常用分布函数：①指数分布，当失效率λ(t)为常数时，R(t)，F(t)，f(t)都呈指数分布函数的形式。R(t)=etdtt0)(=et；F(t)=1-et；f(t)=et②正态分布：uz’=uc-us；z’=22sc；ZR=''zzu=22scscuuP(z’0)=P(t-ZR)=P(tZR)=1-P(tZR)(4)串联系统的可靠度：RS=R1*R2*……*Rn(5)并联系统的可靠度：RS=(1-R1)(1-R2)……(1-Rn)(6)复杂系统的可靠度：①形函数：Ni=A21（ycxbaiii）(下标i,j,m轮换)②集中载荷移植：{R}e=[N]T{P}③面力移植：{R}e=}{][PNTtds第五章5.1成组技术(1)基本原理，对相似的零件进行识别和分组，相似的零件归入一个零件组或零件族，并在设计和制造中充分利用他们的相似点，以获得所期望的经济效益。(2)零件的相似性包括设计性质方面的相似性和制造型之方面的相似性，是零件分祖的基础。(3)定义：成组技术是一门生产技术科学和管理技术科学，研究如何识别和发展生产活动中有关事务的相似性，并充分利用它把他们之间的相似性归类成组，并寻求解决这一组问题相对统一的最优方案，已取得所期望的经济效益。5.2OPITZ编码系统是一个十进制的9位代码的呼和结构分类编码系统。是由德国教授H.Opitz领导开发的。(1)第Ⅰ~Ⅴ位，代表形状码，用于描述工件的主要设计特征，其中第Ⅰ位代表零件类别码，第Ⅱ~Ⅴ位代表形状及加工码。(2)第Ⅵ~Ⅸ位代表辅助码，用于描述制造特征。5.3我国